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机械毕业设计全套

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MJC02-022@弹簧支架级进模设计及其制造工艺,机械毕业设计全套

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摘 要 阐述了级进模的结构设计工程及其工作过程， 通过 系统的工艺分析 ，采用冲孔、翻边 、落料 等工序进行加工。通过计算工艺力以确定模具压力中心，并选择压力机的型号。落料凹模通过凹模固定板与下模座连接来固定。模具采用下出料方式和弹性卸料卸料装置。本模具结构较简单，性能可靠，工作平稳，提高了生产效率，降低劳动强度和生产成本。 关键字 ： 级进模 ，冲压工艺，模具设计，冲孔，落料，翻边 nts1 ABSTRACT The passage expounds on the structure designing project and work process of the progressive die, and uses some working procedures, such as punching, flanging, blanking and so on, to process through the technologic analysis of the system. Through calculating the process to determine the center of the dies pressure, and select the model of the presses. Blanking die is fixed by connecting the die holder with the die set. The die adopts the way of lower ejection and elasticity discharge devices. Its structure is relatively simple, the performance is reliable and the work is steady. It has improved the producing efficiency and reduced the intensity of labor and cost of production. Keywords: Progressive die; Stamping process; Mold designing; Punch; Blanking; Flangingnts第 1 章 绪 论 板料成形一般称为冲压，它是对 厚度较小的板料，利用专门的模具，使金属板料通过一定模孔而产生塑性变形，从而获得所需的形状、尺寸的零件或坯料。冲压这类塑性加工方法可进一步分为分离工序和成形工序两类。分离工序用于使冲裁件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；成形工序用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。 随着生产技术的发展，还不断产生新的塑性加工方法，例如连铸连轧、液态模锻、等温锻造和超塑性成形等，这些都进一步扩大了塑性成形的应用范围。 塑性加工按成形时工件的温度还可以分为热成形 、冷成形和温成形三类。热成形是充分进行再结晶的温度以上所完成的加工，如热轧、热锻、热挤压等；冷成形是在不产生回复和再结晶的温度以下进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等；温成形是在介于冷、热成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等。本工件的成形属于冷成形。 虽金属塑性成形的方法多种多样，具有各自的特点 。但它们具有共同的特点，即都要利用金属的塑性，并都要借助于一定的外力使其产生塑性变形 ，这就是所谓的金属塑性加工 。 金属的塑性加工是以塑性为前提条件。塑性越好，则预示着金属具有更好的塑性成形适应能力，允许 产生更大的变形量；反之，如果金属一受力即行断裂，则塑性加工也就无从进行，因而，从工艺角度出发，人们总是希望变形金属具有良好的塑性。 因而 对金属塑性成形工艺应提 出相应的 要求： 1）使金属具有良好的塑性； 2）使变形抗力小； 3）保证塑性成形件质量，即使成形件组织均匀、晶粒细小、强度高、残余应力小等； 4）能了解变形力，以便为选择成形设备、设计模具提供理论依据。 nts 3 第 2 章 冲压件工艺分析 冲压件的工艺性，是指冲压件对冲压工艺的适应性，即冲裁件的形状结构、尺寸大小、尺寸偏差、形位公差与尺寸基准等是否符 合冲压工艺要求。本次设计的工件形状如图2-1，现对该 工件冲压工艺 性 进行分析 ： 2.1 分析工件的技术要求 2.1.1加工表面的尺寸精度 及尺寸基准 工件中对标有尺寸精度的尺寸按照零件图的精度进行设计，对其他未标尺寸按一般精度设计，即按国标对非圆形工件精度等级取 IT14 级设计，对圆形工件精度等级取 IT10级设计 。 冲裁件的尺寸基准应尽可能和制模时的定位基准重合，以避免产生基准不重合误差。孔位尺寸基准应尽量选择在冲裁过程中始终不参加变形的面或线上，切不要与参加变形的部分联系起来。如图 1-2 所示 ： nts 原设计尺 寸的标注图 （ a），对冲裁图样是不合理的，因为这样的标注，尺寸 L1、 L2 必须考虑到模具的磨损而相应给以较宽的公差，造成孔心距的不稳定，孔心距公差会随着模具磨损而增大。改用图（ b）的标注，两孔的孔心距才不会受模具磨损的影响，比较合理。本工件的标注也属于图（ b）类型的标注，它的孔位尺寸基准 在冲裁过程中不参加变形，因而 能保证工件上两 5.5mm 孔 的孔心距 不受模具磨损的影响，比较合理。 2.1.2主要加工表面的形 位公差 精度 通过分析零件图，该零件的主要形位公差精度是中心凸 台处中心孔的位置公差，即要保证中心孔的同轴度偏差不超过 0.05mm 。其他未表注形位公差精度按一般的精度要求处理即可满足工艺要求。 2.1.3表面质量要求 该工件为标有表面质量精度要求按照一般要求处理即可满足工艺要求，即表面粗糙度 3.2Ra 。 2.2 工件材料及 机械性能 2.2.1工件材料化学成分对塑性的影响 工件材料 Q215-F，为碳素结构钢 。 其化学成分 （查文献 2第 105 页表 8-1） 及影响 如下：含 C 量为 0.09% 0.15%， 为低碳钢， 碳对碳钢性能的影响最大，碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，它们都具有良好的塑性。 当碳的含量超过铁的溶碳能力时，多余的碳便与铁形成化合物 Fe3C,称为渗碳体。渗碳体具有很高的硬度，而塑性几乎为零，对基体的塑性变形起阻碍作用，而使碳钢的塑性降低，随着含碳量的增加，渗碳体的数量亦增多，塑性的降低也越大。 图nts 5 1-3 为退火状态下，含碳量对碳钢 的塑性和强度指标的影响曲线。因而，对于冷成形用的碳钢，含碳量应低。 含 Mn 量为 0.25%0.55%， Mn 为钢中的杂质元素， Mn 元素会与钢中的碳形成硬而脆的碳化物，使钢的强度提高，而塑性下降，但碳化物的影响还与它的形状、大小和分布状态有密切关系。 因而 Mn 在该工件的材料中含量不宜过高。 含 Si 量不大于 0.30%，含 S 量不大于 0.050%，含 P 量不大于 0.045%， 一般来说 Si 、S 、 P 都是钢中有害杂质，它们在铁中会形成各种化合物，使钢的强度、硬度提高，而使塑性降低 ，因而 Si 、 S 、 P 应尽量减少其含量。 氧在铁中的溶 解度很小，主要是以氧化物的形式存在于钢中，它们多以杂乱、零散的点状分布于晶界处。氧在钢中无论以固溶液还是氧化物形式存在都使钢的塑性降低，以氧化物形式存在时尤为严重，因为 它在钢中起空穴和微裂纹的作用。氧化物还会与其他夹杂物形成易熔共晶体分布于晶界处，造成钢的热脆性，因而氧元素在钢中也不宜太高，因而脱氧方法 采用 沸腾处理，以减少氧在钢中的含量，提高钢的塑性。 2.2.2工件材料的机械性能 Q215-F 的 机械性能的技术数据如下 （查文献 2第 106 页表 8-2） ： 屈服强度s（ 钢材厚度（直径） 16mm ） 215MPa , 抗拉强度 3 3 5 4 1 0b M P a :， 伸长率s（钢材厚度（直径） 16mm ） 31% . 板 料的机械性能对冲压成形性能也有影响： 板料的强度指标越高，产生相同变形量的力越大； 塑性指标越高，成形时所承受的极限变形量就越大； 刚性指标越高，成形时抵抗失稳的能力就越大 。 对 冲压成形性能 的 要 求 ， 即 屈 强 比sb要小。 Q215-F 的屈强比2 1 5 3 5 0 0 . 6 1 4sb M P a M P a ，较小 ，塑性指标也较高适宜冲压成形 。 综上所述，本工件采用 Q215-F 较为合理，可满足该工件的生产工艺要求。 2.3 零件的结构工艺性分析 此工件为 弹簧支架 ，工件体积不大。 主要工序为冲孔、落料、翻边 。 nts 2.3.1冲孔部分工艺性要求 所示工件部分要采用冲孔工序。 冲裁件的形状应尽可能简单、对称、避免 复杂形状的曲线，在许可的情况下，把冲裁件设计成 少、无废料排样的形状，以减少废料。矩形孔两端宜用原弧连接，以利于模具加工。 冲裁件各直线或曲线的连接处，尽量避免锐角，严禁尖角。除在少、无废料排样或采用镶拼 模结构时，都应有适当的圆角相连，以利于 模具制造和提高模具寿命，圆角半径 R 的最小值可参考文献 4第 75 页表 2-17 选取。 冲裁件凸出或凹入部分不能太窄， 尽可能避免过长的悬臂和窄槽，见图 1-6。最小宽度 b 一般不小于 1.5t ，若冲裁件为高碳钢时， 2bt ，max 5Lb,当材料厚度 1t mm 时，按 1t mm 计算。 冲裁件的孔径受冲孔凸模 强度和刚度的限制，不宜太小，否则容易折断或压弯，冲孔的最小 尺寸可参考文献 4第 75 页表 2-18。如果采用带保护套的凸模，稳定性高，凸模不易折损，最小冲孔尺寸可以减小，参考文献 4第 76 页表 2-19。 冲孔件上孔和孔、孔与边缘之间的距离不能过小，以避免工件变形、模壁过薄或因材料易被拉入凹模而影响模具寿命。一般孔边距取：对圆孔为（ 1 1.5） t，对矩形孔为（ 1.5 2） t（ 图 1-7）。孔距的最小尺寸可见文献 4第 76 页 表 2-20。 在弯曲件或拉深件上冲孔时，为避免凸模受水平推力而折断，孔壁与工件直壁之间因保持一定的距离，使 L R+0.5t。 本工件基本符合上述各项要求， 因而在结构上是满足工艺的，能够进行冲孔落料加工。 nts 7 2.3.2翻边部分工艺性要求 本工件属于圆孔翻边 的中间阶段，即凸模下面的材料尚未完全转移到侧面之前，如果停止变形，就会得到如图 1-8 所示的成形，这种成形叫做扩孔成形 ，其变形区材料受拉应力，切向伸长，厚度减薄，易发生破裂，属伸长类翻边。所以在圆孔翻边时，应保证毛坯孔边缘的金属伸长变形小于材料塑性伸长所允许的极限值 。本工件翻边高度较小，翻边系数 K（ K=0.789） 较大满足工艺要求。 影响圆孔翻边成形极限的因素如下： 1 材料伸长率和硬化指数 n大， Kl小，成形极限 大。 2 孔缘如无毛刺和无冷作硬化时， Kl 较小，成形极限较大。为改善 孔缘状况，可采用钻孔代替冲孔，或在冲孔后进行整修，有时还可在冲孔后退火，以消除孔缘表面硬化。 3 用球形、锥形和抛物线形凸模翻边时，变形条件比平底凸模优越， Kl较小。在平底凸模中，其相对圆角半径 rp/t 越大，极限翻边系数可越小。 4 板材相对厚度越大， Kl越小，成形极限越大。 综上所述，本工件结构满足工艺要求，可以采用模具进行加工。 nts 第 3 章 工艺方案确定 3.1 工艺方案的提出 根据本工件的外形 尺寸及形状，可确定本工件属于 落料冲孔工序 ，中间带有 孔 的 凸台 。凸台的加工方法有两种： 1）凸台采用翻边的中间工序，扩孔成形，即先冲孔，再翻边； 2）先进行浅拉深，再采用冲孔的方法将孔冲出。 根据上述的加工方法可提出以下几种模具典型结构所设计的模具加工方案： 1）单工序模生产 单工序模结构简单，制作周期短，制作成本低廉，生产效率低，冲出的制件精度不高，且工人劳动强度大，不适合大批量的生产。 2） 复合模生产 复合模结构紧凑，冲出的制件精度较高，适合大批量生产，特别是孔与制件外形的同心度容易保证。但模具结构复杂， 模具 制造较困难，制造成本高，制造周期 长 等缺点。 3）级进模生产 在一副级进模上可对形状十分复杂的冲压件进行冲裁、弯曲、拉深成形等工序，故生产率高，便于实现机械化和自动化，适于大批量生产。由于采用条料（或带料）进行连续冲压，所以操作方便安全。级进模的主要缺点是结构复杂，制造精度高，周期较长，成本高。 在生产本工件时若采用单工序模生产，制作本工件至少需要 5 个单工序，也就意味着需要 5 副以上的模具来进行生产，而且本工件需要长年大批大量生产，采用单工序不但所需的单工序模较多而且会造成产品精度无法保证，经济效益低等缺点，故不宜采用单工序模进行生产。 若采用复合模生产，本工件因工件有带孔凸台，且为内圆翻边，若采用扩孔成形，则模具中间部分不但结构非常复杂，而且加工非常困难，装配也困难，故不采用扩孔成形加工带孔凸台，而采用先进行浅拉深再冲孔。在进行拉深时，圆锥部分的材料一部分是从底面流动得来的，另一部分要从主板上流动而来，而后者若为材料流动留有余量，就要增加工件排样步距，从而造成材料消耗的增加。而且模具因为本工件较小而使其制作困难，成本增加。 若采用级进模生产，则中间带孔凸台的加工，若采用先浅拉深再冲孔，也会造成材料的消耗增加。而采用先冲预孔，再进行扩孔成 形，翻边时材料流动的特点是预孔周围的材料 沿圆周方向伸长，使材料变薄；而径向材料长度几乎没有变化，即材料在径向没有伸长，因而不会引起主板上的材料流动。在排样时，只要按正常冲裁搭边值即可，可nts 9 节省材料。 综合上述几种方案的比较，应选用级进模进行生产，既可实现大批量生产，也可以节约材料。 因此选用级进模生产。 3.2 工件生产 工序 的 确定 空工位的设置是为了保证模具具有足够的强度，确保模具的寿命，或是为了便于设置 特殊结构。本模具因长度不是很大，有足够的强度，且不需设置特殊结构，因而可不设空工位。 3.3 模具定位零件 与卸 料零件 的选 择 3.3.1定位零件的 选 择 定位部分零件的作用是使毛胚（条料或块料）送料时有准确的位置，保证冲出合格制件，不致冲缺而造成浪费。因工件本身带有一明显的凸台，故模具可不设 侧刃 定位装置 ，而利用凸台对其定位 。模具使用条料，用手工送料。第二工位翻边以后，板料下面形成明显的凸包。手工送料时，放在下一工位的凹模中即可。第二和第五工位的凸模设有导正销进行精确定位。在第一和第二工位各设置一个始用挡料销，供条料开始送进时的第一、第二工位使用。 3.3.2卸料零件的 选 择 卸料装置分为刚性（即固定卸料板）和弹性两种，废 料切刀也是一种卸料的形式。 固定卸料板的卸料力大，但无压料作用，毛胚材料厚度大于 0.8mm 时多采用次形式。 弹性卸料板的卸料力小，但有压料作用，冲裁质量较好，多用于薄料。 因本工件中加工工程中有一翻边工序，需要有压料作用，且工件卸料力不大，故选用弹性卸料装置。 3.3.3出料方式的选 择 出料 方式有上出料和下出料两种方式，若采用上出料方式，则还需将废料或工件钩出，不利于级进模的连续生产；若采用下出料方式，废料或工件可直接从凹模孔中漏出，nts 结构简单，且有利于连续大量生产。故出料方式选用下出料方式。 nts 11 第 4 章 排样设计 4.1 材料利用率 排样的合理与否，影响到材料的经济利用 率，还会影响到模具结构、生产率、制件质量、生产操作方便与安全等。因此，排样是冲裁工艺与模具设计中一项很重要的工作 。 冲压件大批量生产成本中，毛坯材料费用占 60%以上，排样的目的就在于合理利用原材料。衡量排样经济性、合理性的指标是材料的利用率。 其计算公式如下： 一个进距内的材料利用率为 100%nABh 4.1.1 式中 A 冲裁件面积（包括冲出的小孔在内）（ mm2）； n 一个进距内冲件数目； B 条料宽度（ mm）； h 进距（ mm）； 一张板料上总的材料利用率 为 100%NABL 4.1.2 式中 N 一张板料上冲件总数目； L 板料长度（ mm）。 要提高材料的利用率 ，就必须减少废料面积，冲裁过程中所产生的废料可分为两种情况（如 图 4-1）。 （ 1）结构废料 由于工件结构形状的需要，如工件内孔的存在而产生的 废料，称为结构废料（如图 4-1中 5），它决定于工件的形状，一般不能改变。 nts （ 2）工艺废料 工件之间和工件与条料边缘之间存在的搭边，定位 需要切去的料边与定位孔，不可避免的料头和料尾废料，称为工艺废料，它决定于冲压方式和排样方式，是可以改变的，我们提高材料的利用率，主要就是减少工艺废料，优化排样方式。 4.2 排样方法 根据材料的利用情况，排样的方法分三种： 1 有废料排样 沿工件的全部外形冲裁工件与工件之间，工件 与条料侧边之间都有工艺余料（搭边） 存在，冲裁后搭边成为废料，如 图 3-2（ a）所示。 2少废 料排样 沿工件的部分外形轮 廓切断或冲裁，只在工件之间或是工件与条料侧边之间有搭边存在，如 图 3-2（ b）所示。 3 无废料排样 工件与工件之间，工件 与条料侧边之间均无搭边存在，条料沿直线或曲线切断而得到工件。如 图 3-2（ c）所示。 有废料排样 法 的材料利用率较低 ，但制件的质量和冲模寿命较高，常用于工件形状复杂、尺寸精度要求较高的排样。 少、无废料排样法的材料利用率较高，同时，少、无废料排样法有利于一次冲裁多个工件，可以提高生产率。由于这两种排样法冲切周边减少，所以还可以简化模具结构，降低冲裁力。但它们的应用范围 有一定局限性，受工件形状的限制，且由于条料本身的宽度公差，条料导向与定位所产生的误差，会直接影响工件尺寸而使工件精度降低。同时也会降低冲模的寿命，并会影响到工件的断面质量 ，所以少、无废料排样常用于精度要求不高的工件排样。 本工件对外形尺寸虽无严格的尺寸精度要求，但 中间带孔凸台有严格的尺寸精度，且工件形状比较复杂 ；本工件大批大量生产，因而对模具寿命要求较高，因此排样方法nts 13 采用有废料排样法排样。 图 3-3、 3-4 两种排样方法均为直排， 图 3-5 为斜排。因是同一工件，所以一个进距当中的材料利用面积是相同的， 初步计算此 三种排样方法的材料利用率， 根据公式 1.1.1 a 11 0 0 % 1 0 0 % 0 . 0 4 7 %6 8 . 4 3 1n A A ABh b 11 0 0 % 1 0 0 % 0 . 0 4 6 %6 7 . 2 3 2 . 4n A A ABh c 11 0 0 1 0 0 % 0 . 0 5 3 %6 1 . 4 3 3 1n A A ABh 通过比较，斜排的材料利用率要比直排材料利用率要大，因而采用斜排排样方法进行排样。 4.3 搭边值的选用和条料的选用 及步距的确定 4.3.1搭边值的选用 搭边的作用是补偿定位误差，防止 由于条料的宽度误差、送料步距误差、送料歪斜误差等原因而冲裁出残缺的废品。此外，还应保持条料有一定的强度和刚度，保证送料的顺利进行，从而提高制件质量，使凸、凹模刃口沿整个封闭轮廓线冲裁，使受力平衡，提高模具寿命 和工件断面质量。另外，还可以防止冲裁时条料边缘的毛刺拉入模具中损坏模具。 影响搭边值大小的因素主要有： 1 材料的力学性能 塑性好的材料，搭边值要大些，硬度高与强度大的材料，搭边值可小一些。 2材料的厚度 材料越厚，搭边值也越大。 3工件的形状和尺寸 工件外形越复杂，圆角 半径越小，搭边值越大。 4排样的形式 对排的搭边值大于直排的搭边。 5送料及档料方式 用手工送料，有侧压板导向的搭边值可小一些。 综合上面各种因素，根据文献 4第 72页表 2-13 可查得 工件间搭边值 a=1.0mm； 工件 与条料侧边之间的搭边值 a1=1.2mm 。 nts 4.3.2条料宽度的确定 条料方案的确定原则是：最小条料宽度要保证冲裁时工件周边有足够的搭边值，最大条料宽度要能在冲裁时 顺利地在导料板之间送进，并与导料板之间有一定间隙。工件条料是在有 侧压装置的导料板之间送料时， 且模具有侧刃， 条料宽度参考文献 4第 72页计算 公式计算： 001( 2 )B D a n C 3.3.1 式中 B 条料标称宽度（ mm）； D 工件垂直于送料方向的最大尺寸（ mm） ； a1 侧搭边（ mm）； 条料宽度的公差（ mm），可参见文献 4第 73页表 2-14； n 侧刃数 ,n=2； C 侧刃重切的料边宽度（ mm），（可参考文献 4第 74 页 2-16） 查表得 =0.6mm C=2.0mm 则 ( 6 6 c o s 3 0 2 1 . 2 2 2 . 0 ) 6 3 . 5B m m m m m m m m o 000 . 6 0 . 66 3 . 5 ( )B m m故取条料宽度 B=63.5mm。 导料板间的距离：0A B b3.3.2 b0 条料与导料板间的间隙（ mm），可参见文献 4第 73 页表 2-15。 查表可得 b0=0.5mm。 6 3 . 5 0 . 5 6 4A m m m m m m 4.3.3步距的确定 步距又称进距，是指条料在模具上每次送进 的距离，进距的计算与排样方式有关，每个进距可以冲出 一个零件，也可冲出多个零件，同时进距也是决定挡料销位置的依据。每次只冲一个零件的进距 A 的计算公式参见文献 4第 74 页公式 A B a 3.3.3 式中 B 平行于送料方向工件的宽度； nts 15 a 冲件之间的搭边值。 3 0 1 . 0 3 1 ( )A m m 4.4 材料利用率 的确定 工件的投影面积通过 AutoCAD 绘图后几何特性可得知为 1352.3mm2。 一个步距的工件材料利用面积 2 2 2 2 2 225 . 5 1 6 . 9 21 3 5 2 . 3 2 3 . 1 4 ( ) 3 . 1 4 ( ) 1 0 8 0221 1 0 8 0 1 0 0 % 5 4 . 8 6 %6 3 . 5 3 1A m m m m m m m mmmm m m m nts 223.5 2 0.7 5 226 .4 23 .61.422 1.4 2.4 423 .6 192.32B D m m m m m mm m m mD C m mB C m m m mA B m m 第 5 章 模具主要受力分析 计算 5.1 翻边 力 的计算 翻边计算有： 计算翻边前的毛坯孔径； 变形程度计算； 翻边力的计算。根据工件 图 计算翻边前毛 胚孔径，称为底孔孔径，底孔周边材料在翻边时材料没有径向流动。在分析它的横截面时， 可 把它视 为 弯曲。即如 下 图 所示虚线部位的材料翻边后移动到实线位置，而其长度不变，前、后两部分内的中心线长度相等 。 这与弯曲材料展开的计算是相同的。计算时 应 按点划线的圆弧和直线，通过几何关系计算其长度，在此略去圆角进行近似计算 。 计算 BC 段长， 先 用作图法求出点划线上的 B 点、 C点的位置，并标注 在图 4-1 中。在直角三角形 BDC 中，用勾股定理计算 BC长 。 故 ： 由以上 分析， EC 应是 AB 与 BC 的和 ： 2 . 3 2 . 4 4 4 . 7 4E C A B B C m m m m m m 因此 ，计算出底孔所需的直径： nts 17 0 2 6 . 4 2 4 . 7 4 1 6 . 9 2d m m m m m m 考虑到 翻边后还要冲裁 19mm孔，故留有余量，将0d孔定为 15mm。 校核变形程度。材料翻边过程是底孔沿 圆周方向被拉伸长的过程，其变形量不应超过材料的伸长率，否则会出现裂纹 。用变形前、后圆周长之比，表示变形程度。 在翻边计算 中 称其为翻边 系 数 K，参见文献 4第 194 页公式 ： 0mdK d 4.1.1 式中 0d 毛胚上圆孔的初始直径； md 翻边后竖边的中径。 故 15 0 . 7 8 919d d m mK D D m m 查 文献 5第 166 页表 5-5得，允许的 K 值为 0.72，因此计算出的比 K 值大，即设计合理。翻边时不会出现裂纹。 若采用圆柱形平底凸模，圆孔 翻边力的计算公式可参考文献 4第 196 页式（ 6-12） 001 . 1 ( )smF t d d4.1.2 式中 F 翻边力（ N）； dm 翻边后竖边的中径（ mm）； d0 圆孔初始直径（预制孔）（ mm）； t0 毛胚厚度（ mm） ， t0=1.5mm； s 材料屈服点（ MPa ） ， s=215MPa 。 平底凸模底部圆角半径pr对翻边力有一定影响，增大pr可降低翻边力 。 若采用球底凸模时 （参见文献 4第 196 页式（ 6-13） 01 .2 msF d t m4.1.3 式中符号意义同上式，其中 m为系数，与 K 值有关，当 K=0.5 时， m 取 0.2 0.25； K=0.6 时， m取 0.14 0.18； K=0.7 时， m 取 0.08 0.12； K=0.8 时， m 取 0.05 0.07。 设计翻边模时，翻边凸模的圆角半径应尽可能的取大些，以降低翻边力，或做成球形或抛物线形式，以改善翻边成形时的塑性流动条件。 因本工件翻边工序属于扩孔成形，且还需在凸台上冲制底孔，故采用平底凸模来满足工件结构要求。 在计算翻边力时，翻边前孔径取实际孔径值 15mm，与翻边所需孔径 16.92mm 相比缩 小 1.92mm，则 19mm 也应缩小 1.92mm，翻边后的实际孔径应为 17.08mm。故将0d=15mm,md=17.08mm 代入式 4.1.2， 得 1 . 1 1 . 5 2 1 5 ( 1 7 . 0 8 1 5 ) 2 3 1 8F m m M P a N nts 5.2 冲压力的计算 5.2.1冲裁力的计算 冲裁力可以参考文献 4第 50 页式（ 2-1）（ 2-2） F KLt 或bF Lt4.2.1 式中 L 冲裁件周边长度（ mm）； t 材料厚度（ mm） ; 材料抗减强度（ MPa ）； K 系数。考虑到模具刃口的磨损，模具间隙的波动，材料力学性能的变化及材料厚度 偏差等因素，一般取 K =1.3。 b 材料的抗拉强度（ MPa ），一般情况下，材料的 1.3b，取 350b MPa 。 为计算方便通常采用后者进行计算。 落料时冲裁周长通过 AutoCAD 绘图后的几何特性可得知其周长为 153mm。 则从第一个工位到第五个工位中所有冲裁力的计算如下： 第一工位：冲 15mm 的工艺孔 1 1 5 1 . 5 3 5 0 2 4 7 4 0F m m m m M P a N 第三工位：冲 19mm 的底孔 2 1 9 1 . 5 3 5 0 3 1 3 4 0F m m m m M P a N 第四工位：冲两个 5.5mm 孔。 3 2 5 . 5 1 . 5 3 5 0 1 8 1 5 0F m m m m M P a N 第五工位：落料 4 1 5 3 1 . 5 3 5 0 8 0 3 3 0F m m m m M P a N 5.2.2整形压力的计算 整形压力的计算方法与校正压力相同，可参考文献 4第 101 页式（ 3-11） F pA 4.2.2 式中 F 整形力（ N ）； p 单位整形力（ MPa ）； A 工件整形面积（ 2mm ）。 关于单位整形力的选取与弯曲校正以及校平工艺的校平力不同，整形力是使整形局nts 19 部的压强超过材料的抗压强度，而产生变形，但是最后作用在校正面上的压强必须低于材料的抗压强度。综合以上因素， p 值取为 150MPa 。事实上，校平力的大小取决于模具在压力机上安装时对压力机的调整，而调整压力机的依据是试冲时工件是否符合要求，因而整形压力也可按经验取冲裁力的 20% 。 2 2 2 2 222 5 . 5 1 9( ) ( ) 2 2 7 . 1 7 6221 5 0 2 2 7 . 1 7 6 3 4 0 8 0m m m mA R r m mF M P a m m N 5.2.3卸料力与推件力的计算 由于冲裁中材料的弹性变形及摩擦的存在，冲裁后带 孔 部分的材料会紧箍在凸模上，而落下部分的材料会紧卡在凹模洞口中 。 从凸模上卸下紧箍着的材料所需的力称为卸料力；把落料件从凹模洞口 顺着冲裁方向推出去的力称为推件力；逆着冲裁方向顶出变的力称力顶件 力。如 下 图所示 ： 影响卸料力、推 件力和顶出力的因素很多，如材料的种类，材料厚度，冲裁间隙，零 件形状尺寸以及润滑情况等。这些力通常采用经验公式进行计算，参考文献 4第 52 页公式 F K F卸 卸4.2.3 F K F推 推 4.2.4 F K F顶 顶 4.2.5 式中 F 冲裁力（ N ）； K卸 、 K推 、 K顶 分别为卸料力、推件力、顶件力系数，其值可参考文献4第 52 页表2-2。 实际生产中，凹模孔口中会同时卡有好几个工件，因而在计算推件力时应考虑工件数目。本模具拟设在冲裁时凹模孔只会卡住一个工件，因而推件力只需计算 卡住一个工nts 件时的冲裁力。 冲裁时所需的冲压力为冲裁力、 卸料力、推件力之和，应根据不同的模具结构区别对待。本模具采用弹性卸料装置和下出料方式，其总冲压力的公式可参考文献 4第 52页公式： F F F F 总 冲 卸 推4.2.6 通过查表得 0.0450.055KK卸推则第一工位到第五工位中所需的卸料力和推件力分别为： 第一工位： 0 . 0 4 5 2 4 7 4 0 1 1 1 3 . 30 . 0 5 5 2 4 7 4 0 1 3 6 0 . 7F N NF N N 卸推第三工位： 0 . 0 4 5 3 1 3 4 0 1 4 1 0 . 30 . 0 5 5 3 1 3 4 0 1 7 2 3 . 7F N NF N N 卸推第四工位： 0 . 0 4 5 1 8 1 5 0 8 1 6 . 7 50 . 0 5 5 1 8 1 5 0 9 9 8 . 2 5F N NF N N 卸推第五工位： 0 . 0 4 5 8 0 3 3 0 3 6 1 4 . 8 50 . 0 5 5 8 0 3 3 0 4 4 1 8 . 1 5F N NF N N 卸推各个工位的总冲压力如下： 第一工位： 2 4 7 4 0 1 1 1 3 . 3 1 3 6 0 . 7 2 7 2 1 4F N N N N 冲第三工位： 3 1 3 4 0 1 4 1 0 . 3 1 7 2 3 . 7 3 4 4 7 4F N N N N 冲第四工位： 1 8 1 5 0 8 1 6 . 7 5 9 9 8 . 2 5 1 9 9 6 5F N N N N 冲第五工位： 8 0 3 3 0 3 6 1 4 . 8 5 4 4 1 8 . 1 5 8 8 3 6 3F N N N N 冲通过以上计算，得到各工步的冲压力分别为： 第一工位： 15mm 孔冲裁，冲压力为 27214N ； 第二工位：翻边，冲压力为 2318N ； 第三工位： 19mm 孔冲裁和整形，冲压力总合为 68554N ； 第四工位：两处 5.5mm 孔冲裁，冲压力为 19965N ； 第五工位：外形落料，冲压力为 88363N 。 模具总冲压力 为模具各个工步的冲压力总和； 2 7 2 1 4 2 3 1 8 6 8 5 5 4 1 9 9 6 5 8 8 3 6 3 2 0 6 4 1 4 2 0 7F N N N N N N K N 总 nts 21 第 6 章 压力机吨位选择 6.1 模具压力中心的确定 冲裁 时的合力作用点或多工序模各工序冲压力的合力作用点，称为模具压力中心。如果模具压力中心与压力机 滑块中心不一致，冲压时会产生偏载，导致模具以及滑块与导轨的急剧磨损，降低模具和压力机的使用寿命。通常利用求平行力系合力作用点的方法（解析 法或图解法）确定模具压力中心。 如下图本工件的排样图，为减少计算，坐标设为图中所示，则根据力学定理，诸分力对 y 轴 力矩之和等于起合力对同轴之矩，则有 0cy mm 因此模具的压力中心在离原心 40.98mm 处 ，即压力中心位于第三工位中心线左侧21.02mm 处 。 6.2 压力机吨位选择 6.2.1 冲压设备类型的选择 根据所要完成 的冲压工艺的性质，生产批量的大小，冲压件的几何尺寸和精度要求等来选择设备的类型。 对于中小型的冲裁件，弯曲件或拉深件的生产，主要应采用开式机械压力机。虽然开式冲床的刚度差，在冲压力的作用下床身的变形能够破坏冲裁模的间隙分布，降低模具 的寿命或冲 裁 件的表面质量 。可 是，由于它 提供了极为方便的操作条件和非常容易安装机械化附属装置的特点，使它成为目前中、小型冲压设备的主要形式。 1 1 2 2 3 3 4 4 5 51 2 3 4 58 8 3 6 3 0 1 9 9 6 5 3 1 6 8 5 5 4 6 28 8 3 6 3 1 9 9 6 5 6 8 5 5 4 2 3 1 8 2 7 2 1 42 3 1 8 9 3 2 7 2 1 4 1 2 48 8 3 6 3 1 9 9 6 5 6 8 5 5 4 2 3 1 8 2 7 2 1 44 0 . 9 8cF l F l F l F l F lxF F F F FN m m N m m N m mN N N N NN m m N m mN N N N Nmm nts 对于大中型冲压件的生产多采用闭式结构形式的机械压力机，其中有一般用途的通用压力机，也有台面较小而刚度大的专用挤压压 力机、精压机等。在大型拉深件的生产中，应尽量选用双动拉深压力机，因其可使所用模具结构简单，调整方便。 在小批量生产当中，尤其是大型厚板冲压件的生产多采用液压机。液压机没有固定的行程，不会因为板料厚度变化而超载，而且在需要很大的施力行程加工时，与机械压力机相比具有明显的优点。但是，液压机的速度小，生产效率低，而 且 零件的尺寸精度有时因受到操作因素的影响而不十分稳定 。 摩擦 压 力机具有结构简单、造价低 廉 、不易发生超负荷损坏等特点，所以在小批量生产中常用来完成弯曲、成形等冲压工作。但是，摩擦压 力机的行程次数较少，生产率低，而且操作也不太方便 。 在 大 批量生 产 或 形状复杂零件的大量生产中，应尽量选用高速压力机或多工位自动压力机。 综合以上因素，选用开式压力机比较合适。 6.2.2 确定压力机设备的规格 （ 1）压力机的行程太小，应能保证成型零件的取出和毛坯的放进，例如拉深所用的压力机行程，至少应大于成型零件的高度两倍以上。 （ 2）压力机工作台面的尺寸应大于冲模平面 尺寸，且还需留有安装固定的余地，但过大的工作台面上安装小尺寸的冲模，工作台的受力条件也是不利的。 （ 3）所用 压力机的闭合高度应与冲模闭合高度相适应。 模具闭合高度0H是指上模在最低工作位置时，下模板的底面到上模板顶面的距离。 压力机的闭合高度 H 是指滑块在下死点时，工作台面到滑块的距离。大多数 压力机，其连杆长度能调节，也即压力机的闭合高度可以调整，故压力机有最大的闭合高度maxH，最小闭合高度minH。 设计模具时，模具的闭合高度0H的数值应该满足下式 m a x 0 m i n5 1 0H m m H H m m 5.2.1 如无特殊情况0H应取上限值，即最好取在0 m in 13H H L（ L 见图 5-2），这是为了避免连杆调节过长，螺纹接触面积小而压坏。如果模具闭合高度实在太小，可以在压床下面加 垫板。 nts 23 （ 4）冲压力与压力机能的配合关系：当进行冲裁等冲压加工时，由于其施力行程较小，近于板料的厚度，所以可按冲压过程中作用于压力机滑块上所有力的总和 F总选取压力机。通常取压力机的名义吨位比 F总大 20% 30%: 。 本模具在冲裁过程中总的冲压力 207F KN总，为防止设备过载，可按公称压力FF :压 总（ 1 . 6 1 . 8 ）选择压力机。参考文献6第 49 页初选压力机型号为 J21-25 压力机，其主要技术参数如下： 公称压力： 250KN 标称压力行程： 6mm 滑块行程： 80mm 最大封闭高度： 250mm 封闭高度调节量： 70mm 工作台尺寸 （前后 左右）： 3 6 0 5 6 0m m m m 工作台孔尺寸（前后 左右）： 1 3 0 2 6 0m m m m 模柄孔尺寸（直径 深度）： 5 0 7 0m m m m nts 第 7 章 模 具 工作部分设计计算 7.1 冲裁间隙 冲裁间隙是冲裁模的凸模和凹模刃口之间的间隙。冲裁间隙分为单边间隙和双边间隙单边间隙用 C 表示 ,双边间隙用 Z 表示。 间隙 值的大小对冲裁件质量、模具寿命、冲裁力的影响很大，是冲裁工艺与模具设计中一个极其重要的工艺参数。 7.1.1冲裁间隙 对冲裁件质量的影响 冲裁件的质量主要是指断面质量、尺寸精度、和形状误差。断面应平直、光滑；圆角小；无裂纹、撕裂、夹层和毛刺等缺陷。零件表明应尽可能平整。尺寸应在图样规定的公差范围内。影响冲裁件质量的因素有：凸、凹模间隙值的大小及其分布的均匀性，模具刃口锋利状态、模具结构与制造精度，材料性能等，其中，间隙值的大小与分布的均匀性是主要因素。 冲裁件的尺寸精度是指冲裁件实际尺寸与标称尺寸的差值（） ，差值越小，精度越高。这个差值包括两方面的偏差，一是冲裁件相对凸模或凹模尺寸的偏差，二是模具本身的制造偏差。 冲裁件相对凸模或凹模尺寸的偏差，主要是由于冲裁过程中，材料受拉伸、挤压、弯曲等作用引起的变形，在加工结束后工件脱离模具时，会产生弹性恢复而造成的。偏差值可能是正的，也可能是负的。影响这一偏差值的因素主要是凸、凹模的间隙。 当间隙较大时，材料所受拉伸作用增大，冲裁完毕后，因材料的弹性恢复，冲裁件尺寸向实体方向收缩，使落料件尺寸小于凹模尺寸，而冲孔件的尺寸则大于凸模尺寸。当间隙较小时，凸模压入板料接近挤 压状态，材料受凸、凹模挤压力大，压缩变形大，冲裁完毕后，材料的弹性恢复使落料件尺寸增大，而冲孔件的孔径则变小。 此外，尺寸变化量的大小还与材料力学性能、厚度、轧制方向、冲裁件形状等因素有关。材料软，弹性变形量小，冲裁后弹性恢复量就小，零件的精度也就高。材料硬，弹性恢复就大。 上述讨论的是模具在制造精度一定的前途下进行的，间隙对冲裁件精度的影响比模具本身制造精度的影响要小得多，若模具刃口制造精度低，冲裁出的工件精度也就无法nts 25 得到保证。模具的制造精度与冲裁件精度之间的关系见表 6-1。 表 6-1 冲裁件精度 冲模制 造精度 材 料 厚 度 t (mm) 0.5 0.8 1.0 1.5 2 3 4 5 6 8 10 12 IT6 IT7 IT7 IT9 IT9 IT8 - - IT8 IT9 - IT9 IT10 - IT10 IT10 IT12 IT10 IT12 IT12 - IT12 IT12 - IT12 IT12 - - IT12 - - IT14 - - IT14 - - IT14 - - IT14 模具的磨损及模具刃口在压力作用下产生的弹性变形也会影响到间隙及冲裁件应力状态的改变，对冲裁 件的质量会产生综合性影响。 7.1.2 间隙 对模具寿命的影响 冲裁模具的寿命 以冲出合格制品的冲裁次数来衡量，分两次刃磨间的寿命与全部磨损后的总寿命。冲裁过程模具的损坏有磨损、崩刃、折断、啃坏等多种形式。 影响模具寿命的因素很多，有模具间隙；模具制造材料和精度、表面粗糙度；被加工材料特性；冲裁件轮廓形状和润滑条件等。模具间隙是其中的一个主要因素。因为在冲裁过程中，模具端面受到很大的垂直压力和侧压力，而模具表面与材料的接触面仅局限在刃口附近的狭小区域，这就意味着即使整个模具在许用压应力下工作，但在模具刃口处所 受的压力也非常大。这种高的压力会使冲裁模具和板材的接触面之间产生局部附