垫板冲压模具设计

共 30 页 第 页 1 题目： 冲压模具设计 学生姓名 所在系部 机械电力工程系 年 级 专 业 模具设计与制造 指导教师 成 绩 共 30 页 第 页 2 目录 第一章 概论 . 4 1.1 模具工业的发展与现状 . 4 1.1.1 模具工业发展状况 . 4 1.1.2 模具工业未来前景 . 4 1.2 CAD 在模具设计中的应用 . 5 1.3 Pro/e 在模具设计中的应用 . 5 第二章 工艺分析与模具结构形式设计 . 6 2.1 工艺分析 . 6 2.1.1 冲裁件的形状与尺寸要求 . 6 2.2 制定工艺方案 . 7 2.2.1 零件工艺要求 . 7 2.2.2 工序顺序 的编排与工序组合 . 7 第三章 工艺计算 . 8 3.1 毛坯展开计算 . 8 3.2 排样优化设计 . 8 3.2.1 搭边 . 8 3.2.2 排样方案设计 . 8 3.2.3 排样方案比较 . 9 3.2.4 排样方案选择 . 10 3.3 冲压力的计算 . 10 3.3.1 冲裁力的计算 . 10 3.3.2 退料力、顶出 力的计算 . 11 3.3.3 降低冲裁力的方法 . 11 3.4 计算压力中心 . 11 第四章 冲压设备选 择 . 14 4.1 典型冲压设备概述（曲柄压力机 ) . 14 4.2 冲压设备选择原则 . 14 4.2.1 冲压设备类型的选择 . 14 4.2.2 冲压设备规格的确定件 . 14 4.3 选择冲压设备 . 15 第五章 模具结构设计 . 16 5.1 模具总体结构设计 . 16 5.1.1 方案分析 . 16 5.2 模具闭合高度分析 . 16 5.2.1 闭合高度概述 . 16 5.2.2估算模具闭合高度 . 16 第六章 模具主要零部件设计 . 17 6.1 凸、凹模设计 . 17 6.1.1 计算冲裁间隙 . 17 6.1.2 凸、凹模刃口尺寸计算 . 17 6.1.3 凸模结构设计 . 18 6.1.4 凹模结构设计 . 18 6.2 卸料装置设计 . 20 6.3 弹性元件的选择 . 20 6.3.1 橡胶的选择 原则 . 20 6.3.2 卸料装置橡胶的选择 . 21 6.4 螺钉和销钉的选择 . 22 6.4.1 螺钉的选择 . 22 共 30 页 第 页 3 6.4.1 销钉的选择 . 22 6.5 定位方式设计 . 22 6.6 导向零件选择 . 22 6.6.1 分析 . 22 6.6.2 导柱、导套选择 . 23 6.7 支撑零件选择（上、下模座） . 23 6.7.1 上、下模座选择原则 . 23 6.7.2 上、下模座的选择 . 23 6.8 模架的选择 . 23 第七章 模具总图绘制 . 25 7.1 绘制二维工程图 . 25 7.2 三维建模 . 25 第八章 模具主要零部件制造工艺的编制 . 25 8.1 上模板 . 26 8.2 下模板 . 26 8.3 凸模 . 26 8.4 凹模 . 27 8.5 退料板 . 27 8.6 导柱 . 28 8.7 导套 . 29 第九章 总结 . 30 结束语 . 31 致谢 . 32 参考文献 . 33 共 30 页 第 页 4 第一章 概论 1.1 模具工业的发展与现状 1.1.1 模具工业发展状况 据有关方面预测，模具市场的总体趋热是平稳向上的，在未来的模具市场中， 冲压 模具的发展速度将高于其它模具，在模具行业中的比例将逐步提高。随着 冲压 工业的不断发展，对 冲压 模具提出越来越高的要求是正常的，因此，精密、大型、复杂、长寿命 冲压 模具的发展将高于总量发展速度。同时，由于近年来进口模具中，精密、大型、复杂、长寿命模具占多数，所以，从减少进口、提高国产化率角度出发，这类高档模具在市场上的份额也将 逐步增大。建筑业的快速发展，使各种异型材挤出模具、 PVC 冲压 管材管接头模具成为模具市场新的经济增长点，高速公路的迅速发展，对汽车轮胎也提出了更高要求，因此子午线橡胶轮胎模具，特别是活络模的发展速度也将高于总平均水平；以塑代木，以塑代金属使 冲压 模具在汽车、摩托车工业中的需求量巨大；家用电器行业在 “十五 ”期间将有较大发展，特别是电冰箱、空调器和微波炉等的零配件的 冲压 模需求很大；而电子及通讯产品方面，除了彩电等音像产品外，笔记本电脑和网机顶盒将有较大发展，这些都是 冲压模具市场的增长点 。 1.1.2 模具工业未来前 景 模具标准件的应用将日渐广泛，模具标准化及模具标准件的应用能极大地影响模具制造周期。使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，而且能提高模具质量和降低模具制造成本。同时，快速经济模具的前景十分广阔。由于人们要求模具的生产周期越短越好，因此开发快速经济模具越来越引起人们的重视。例如研制各种超塑性材料来制作模具；用环氧、聚酯或在其中填充金属、玻璃等增强物制作简易模具。这类模具制造工艺简单，精度易控制，收缩率较小，价格便宜，寿命较高。还可用水泥 冲压 制作汽车覆盖件模具。中、低熔点合金模具，喷涂成型模 具，电铸模，精铸模，层叠模，陶瓷吸塑模及光造型和使用热硬化橡胶快速制造低成本模具等快速经济模具将进一步发展。快换模架、快换冲头等也将日益发展。另外采用计算机控制和机械手操作的快速换模装置、快速试模装置技术也会得到发展和提高。 共 30 页 第 页 5 1.2 CAD 在模具设计中的应用 一般说来，模具零件的图形都是由直线、曲线等图象对象构成的。 AutoCAD 完全满足模具制图过程中的各种制图要求。例如，利用 AutoCAD 可以方便地绘制点、直线、圆弧、圆等基本图形对象，还可以对基本图形进行编辑，以构成复杂的模具图形。与传统 的手工绘图相比， AutoCAD 具有无法比拟的优点。 1 . 减少重复性工作 当图纸上有多个相同图形、或者所绘图形对称于某一轴线时，可利用复制、镜像、阵列等功能快速地从已有图形得到其他部分。还可以方便的将已有零件图组装模具装配图，就如实际装配模具零件一样，从而验证零件尺寸是否正确，以及是否会出现零件之间的干涉问题。同样，利用 AutoCAD 的 复制等功能，可以方面的把模具装配图坼分成所需的模具零件图。当设计系列产品时，可以根据已有图形，通过比例缩放功能派生出新的图形出来。 2 . 便于建立图形库 AutoCAD 可以将常用图形，如符合国家标准的轴承、螺栓、螺母和垫圈等分别建成图形库，当需要绘制这些图形时，可以调用插入即可。 3 . 易规范标准 国家机械制图标准对机械制图的线型、线宽、尺寸标柱样式、文字样式等均有明确的规定，利用 AutoCAD 相应的样式设置，可以相应的满足这些标准要求。 4 . 便于图形的保存和打印 AutoCAD 设计的图形，可直接通过绘图仪打印到硫酸纸，不再需要描图员描图，无论绘制的图形有多大量，均可运用磁盘、光盘等储存介质进行保存，图纸保存质量高、寿命长。 基于上述优点，利用 AutoCAD 进行模具绘图时，能大大提高绘图效率，减轻设计工作量。虽然用 AutoCAD 有很多优点，但也有不足之处，如绘制零号、一号图幅的图形时，由于计算机屏幕的限制，用户不能直观查看整个图形只能通过 AutoCAD 提供的鸟瞰试图、显示缩放、移动等功能了解全图，这对没多少设计经验的用户来说，会影响设计中的直观判断。 1.3 Pro/e 在模具设计中的应用 在这次设计过程中，采用 Pro/e绘图的次数并不多，但是在绘制三维图时，全部采用 Pro/e，在导图时也采用了。 共 30 页 第 页 6 第二章 工艺分析与模具结 构形式设计 2.1 工艺分析 2.1.1 冲裁件的形状与尺寸要求 工件名称： 垫板 工件简图： 如图 2.1.1所示 生产批量： 10万件（大批量） 材料 ： QS n6.5-0.1 材料厚度 t： 0.3mm (图 2.1.1） 冲裁件的尺寸要求： 零件图上所有没注公差的尺寸，属自由尺寸，可按 IT14 级确定工件的尺寸的公 共 30 页 第 页 7 差，最小孔边距 2.1mm公差为 -0.11.属 11 级精度。查公差表可得歌尺寸公差： 零件外形： 25-00.52mm; 零件内形： 40+0.3mm; 10+0.25mm 孔心距： 5.5 0.3mm 2.2 制定工艺方案 2.2.1 零件工艺要求 此工件只有冲孔和落料两个工序。材料为 QS n6.5-0.1，具有良好的冲压性能，适合冲裁。工件结构简单，有一个 4mm 的椭圆孔和两个 1mm 的孔孔与孔、孔与边缘之间的距离也满足要求，最小壁厚为2.1mm（椭圆与 1、两个 1的孔之间、及椭圆、 1 与外圆之间的厚度）。工件的尺寸全部为自由公差，可看着 IT14级，尺寸精度较低，普通冲裁完全能满足要 求。 2.2.2 工序顺序的编排与工序组合 该工件包括落料、冲孔两个基本工序，可以有以下三种工艺方案： 方案一：先落料，后冲孔。采用单工序模。 方案二：落料 冲孔复合冲压。采用复合模生产。 方案三：冲孔 落料级进冲压。采用级进模生产。 方案一模具结构简单，但是需要两道工序两副模具，成本要求高而且生产效率低，难以满足大批量生产要求。方案二只需一副模具，工件的精度及生产效率都较高，但工件最小壁厚 2.1mm小于凸、凹模许用的最小壁厚尺寸 3.2mm，模具强度较差，制造困难大，并且冲压后成品件留在模具上，在清理模具上的物料时会影响冲压速度，操作不方便。方案三也只要一副模具，生产效率高，操作方便，工件精度也能满足要求。通过对上述三种方案的比较分析，该件的冲压生产采用方案三为佳。 共 30 页 第 页 8 第三章 工艺计算 3.1 毛坯展开计算 毛坯长 L 毛坯宽 B=（ Lmax + 2a + C ) = 25+2 1.5+ 0.5 = 28.5mm 式中： L 毛坯长度； B 毛坯宽度； D 条料宽度方向冲裁件最大尺寸； A 侧搭边值，见冲压模具设计与制造表 2.5.2； C 导料板与最宽 条料之间的间隙，其最小值见冲压模具设计与制造表 2.5.5。 3.2 排样优化设计 3.2.1 搭边 此工件中的圆形或圆角 r 2t 。所以工件与侧面的距离 a 取 1.5mm，工件与工件之间取 a1为 1.2mm。 式中： t 为材料厚度 ； 3.2.2 排样方案设计 排样方式最主要采用提高材料的利用率，降低成本及保证冲裁件及模具的使用寿命为前提。故方案有废 料的直排方式，如图 3.2.2 所示： 共 30 页 第 页 9 (图 3.2.2） 方案二：有废料直对排： （图 3.2.3） 3.2.3 排样方案比较 排样图方案一 一个步距的材料利用率： = A/Bs 100 A = 220 - 2 -( R+0.6 4)=198.8mm 工件的步距 s 为： B+ a = 12.2mm = A/Bs=198.8/28.5 12.2 100 =57.1 方案二的材料利用率： = A/Bs 100 s =B + a =26.2mm = 198.8 14 26. 100 54.4 查板材标准选用 700mm 800mm的刚板，每张刚板可剪裁 25 张条料（ 28mm 800mm），每张条料可冲 1625个工件，则 ： 共 30 页 第 页 10 =nA1 LB 100 =1625 198.8 770 800 100% =52.4% 故一张刚板的材料利用率为 25.4% 式中： 一个步距的材料利用率； B 工件宽度； A 一个步距内冲裁件的实际面积； B 条料宽度； s 步距 . 根据选择的排样方式冲裁件的冲裁步骤： （ 1） 先冲两个 1和椭圆 （ 2） 对工件的外形状落料 3.2.4 排样方案选择 方案一的材料利用率比方案二的高，方案一在冲裁过程中工件飞的刚性、强度 都相较方案二好。在满足材料利用率及工件最后的刚性等条件下，排样方式选择方案一。 3.3 冲压力的计算 3.3.1 冲裁力的计算 冲裁力是冲裁过程中凸模对板料施加的压力，它是随凸模进入材料的深度（凸模行程）而变化的。通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值。 工件的冲裁力为： F = KLt b = 1.3 68 0.3 300=7956(N) 式中： F 冲裁力； L 冲裁周边长度； t 材料厚度； b 材料抗剪强度； K 系数（一般取值 1.3） 共 30 页 第 页 11 3.3.2 退料力、顶出力的计算 退料力顶出力包括卸料力、推件力和顶件力 卸料力：从凸模上卸下卡住的料所需要的力 ； 推件力：将梗塞在凹模内的料顺冲裁方向推出所需要的力； 顶件力：逆冲裁方向将料从凹模内顶出所需要的力。 卸料力的计算： Fx=KxF =0.05 7956=397.8(N) 推件力的计算 : Ft=nKt F n =h/t =3/0.3 =10 Ft = 10 0.063 7956=5014.3(N) 顶出力的计算 : Fd=Kd F =0.08 7956= 636.5(N) 式中 : F 冲裁力 ; Kx、 Kt、 Kd 卸料力、推件力、顶件力系数 ,见 冲压模具设计与制造 表 2.6.1; n 同时卡在凹模内的冲裁件 (或废料 )数 ; n = h/t h 凹模洞口的直刃壁高度 ; t 板料厚度。 3.3.3 降低冲裁力的方法 为了实现小设备冲裁大工件 ,或使冲裁过程平稳以减少压力机振动 ,常采用以下方法降低冲裁力。 1.阶梯凸模冲裁 在多凸摸的冲模中 ,将凸模设计成不同的长度 ,使工件端面呈阶梯式布置 ,这样 ,各凸模冲裁力的最大峰值不同时出现 ,从而达到降低冲裁力的目的。 2.斜刃冲裁 用平刃口冲裁模具时 ,沿刃口整 个周边同时冲切材料 ,故冲裁力很大。若将凸模 (或凹模 )刃口平面作成与其轴线倾斜一个角度的斜刃 ,则冲裁时刃口就不是全部同时切入 ,而是逐步地将材料切离 ,这样就相当于把冲裁件整个周边长分成若干小段进行剪切分离 ,因而能明显降低冲裁力。 3.加热冲裁 (红冲 ) 3.4 计算压力中心 模具的压力中心就冲压合力的作用点。 确定模具的压力中心 (1) 按比例画出图形的轮廓，如图 3.4.1 共 30 页 第 页 12 图 3.4.1 （ 2） 任意位子画出坐标轴 X、 Y，如图 3.4.1所示。 （ 3） 将组成图形的轮廓划分为若干简单的线段求出各线段长 L1、 L2 、 L3 Ln L1= R1=3.14 4.1 = 12.9mm L2=1/4 R2 =1/4 3.14 4 3.14mm L3 8.46mm L4= 1/2 D=1/2 3.14 11 17.3mm L5=15.4mm （ 4） 确定各段的重心位置 X1、 X2、 X3 和 Y1、 Y2、 Y3。 L1 (6,6.9) ; L2 (12.94,4) ; L3 (13.7,0) ; L4 (21.4,5.5) ; L5 (17.17,11) (5) 按冲压模具与设计公式（ 2.6.12）、（ 2.6.13）算出压力中心坐标（ X0、 Y0)。 X0=L1X1+L2X2+L3X3+L4X4+L5X5 L1+L2+L3+L4+L5 =77.4+40.6+115.9+370.22+264.4 12.9+3.14+8.46+17.3+15.4 =14.08 Y0=L1Y1+L2Y2+L3Y3+L4Y4+L5Y5 L1+L2+L3+L4+L5 =89+12.56+0+95.15+169.4 57.2 =6.4 零件的压力中心即所求的中心如图 3.4.2所示： 共 30 页 第 页 13 （图 3.4.2） 共 30 页 第 页 14 第四章 冲压设备选 4.1 典型冲压设备概述（曲柄压力机 ) 曲柄压力机的工作原理：利用曲柄连杆机构进行工作，电动机通过带轮及齿轮带动曲轴运动，经连杆使滑块作直线往复运动。曲柄压力机分为偏心压力机和曲轴压力机，二者区别主要在主轴，前者主轴是偏心轴，后者主轴是曲轴。偏心压力机一般是 开式压力机，而曲轴压力机有开式和闭式之分。 曲柄压力机的特点有：生产率高，适合与各种冲压加工。 4.2 冲压设备选择原则 4.2.1 冲压设备类型的选择 （ 1） 中小型冲压件 选择开式机械压力机 （ 2） 大中型冲压件 选择双柱闭式机械压力机 （ 3） 导板模或要求导套不离开导柱的模具 选择偏心压力机 （ 4） 大量生产的冲压件 选择高速压力机或多工位自动压力机 4.2.2 冲压设备规格的确定 压力机的选用原则 ： （ 1） 公称压力 公称压力的大小，表示压力机本身能够承受的冲击大小。 （ 2） 滑块行程长度 是指曲柄旋转一周滑块所移动的距离，其值为曲柄半径的两倍。 （ 3） 行程次数 行程次数即指滑块每分钟冲击次数。 （ 4） 工作台面尺寸 （ 5） 滑块模柄孔 （ 6） 闭合高度 （ 7） 电动机功率的选择 共 30 页 第 页 15 4.3 选择冲压设备 对于曲柄压力机来说，必须满足以下要求： （ 1）压力机的标称压力必须大于冲压的工艺力的总和 FZ。即 FZ F。 更确切地说，应该是冲压过程的负荷曲线必须在压力机的许用负荷曲线之下。 该工件采用刚性卸料： F=F+FT=7956+5014.3(N)=12970.3(N) 即： FZ 1297.0（ N) 12.97（ KN) （ 2）压力机的装模高度必须符合模具闭合高度的要求。 （ 3）压力机的行程要满足工件成形的要求。 （ 4）压力机的台面尺寸必须大于模具下模座的外形尺寸，并要留有固定模具的位置。一般每边应大出 50 70mm以上。压力机台面上的漏料孔尺寸必须大于大件（或废料）的尺寸。 鉴于该工件属小型大批量生产， 在保证费用地等情况下，选择开式机械压力机。根据工件的冲压总工艺力选择： J23 - 3.15 开式可倾压力机 （ 3.15 表示公称压力为 31.5KN）压力机的技术参数为： 滑块公称压力 P0： 31.5KN 滑块行程 S： 25mm 行程次数（快