钢制插条冲压模具设计[级进模]【含CAD图纸、文档所见所得】
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级进模
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- -摘 要冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。弯曲是将板料、棒料、管材和型材弯曲成一定角度和形状的冲压成形工序。本文主要研究工作：利用钢制零件特征之间的关系建立级进模排样设计模型，引如冲压排样设计原则；进一步将钢制零件的形状特征应用于模具结构设计中，建立模具模型，进行模具工艺设计和结构设计，从而确定总体的模具形式；模具投入制造后，可能在制造和生产调试过程中表现出设计的不足和错误，通过总结概括这些问题，可以进行修正工艺设计和模具结构设计，或增加新的工艺规则，为以后的模具设计提供宝贵的经验。基于以上的研究工作，可以建立一套可行的、适合于小型钢制零件的冲压级进模的设计方法，并在实际生产中应用。关键词关键词：钢制零件 ; 级进模 ； 排样设计Steel parts of the stamping process and die designAbstractStamping is installed in the use of stamping equipment (mainly press) on the mold to exert pressure on the materials to produce plastic deformation or separation, to obtain the necessary components of a pressure processing methods. Sheet metal bending is, bar, pipe-bending and profiles some perspective and shape of the stamping process. This paper studies: The use of steel parts to establish the relationship between the characteristics of the Progressive Die layout design models, such as punching with layout design principles; further steel components used in the shape of die structure design, create a model die, die design and technology Structural design, to determine the overall form of the mold; Die in manufacturing, may be in the manufacturing and production process of debugging demonstrated the inadequacies and errors in design, through the speech summed up these problems, that can process design and die structure design, new or increased Technology rules, the die design for the future provide a valuable experience. Based on the above studies, the establishment of a viable, suitable for small steel parts stamping progressive die design and application in production. - I -Key Words：Steel Parts；Progressive Die；Layout Design第一章第一章 零件的形状尺寸及要求零件的形状尺寸及要求零件的形状如图 1-1。此零件为插口的封条。零件材料为 08F，年产量 800 万件。图 1-1 零件形状尺寸图第二章第二章 零件材料性能分析零件材料性能分析08F 钢板较软，查表的其性能如下：（见表 1-1）表 1-1 08F 钢性能第三章第三章 有关模具结构形式的选择有关模具结构形式的选择由于零件是大批量生产，故可考虑用级进模或复合模。我们先来分析零件的工艺性。零件的整个成形过程包括冲孔、落料与弯曲三个过程，其中，弯曲部分必须先冲出小孔才能弯曲，因此，若采用复合模，弯曲时，冲孔凸模留在孔内，阻止了弯曲的进行，故我们考虑采用级进模。我们在设计模具时，对其精度的要求也可适当的放松，尽量满足其大批量生产的要求，并从经济性要求来考虑，尽量减少材料损失。几种方案的比较几种方案的比较根据零件的形状，我们初步拟订以下几种方案：方案一：冲孔落料弯曲 方案二：弯曲冲孔落料方案三：冲孔弯曲落料抗剪强度（/Mpa）抗拉强度（0/ MPa ）伸长率（%）屈服点（MPa）22031028039032 180- II -方案一首先冲出两个大孔和小孔，然后将外形落料，最后进行弯曲，这种方案看起来很好，但我们考虑模具采用的是级进模，落料后，工件从条料上掉了下来，我们再进行第三步弯曲时，必须用手拿工件放在弯曲模部分，且还要重新进行定位，因此不利于大批量生产。方案二克服了方案一的问题，即工件在落料之前，完成了冲孔与弯曲两个过程，但又产生了一个新的问题。由于压力机是上下作垂直运动，因此，冲孔等工序都应该是在水平面内完成，但弯曲部分还有一小孔，若与弯曲同时进行，则必将阻止弯曲的进行，若放到第二道工序，则冲小孔必须在垂直平面内完成，故无法设计模具。方案三先进行冲孔，跟方案一相同，要克服方案一的问题，我们将弯曲与落料工序调换过来，先进行弯曲，最后才进行落料。在第一个工位，我们将中间两个大孔及弯曲部分的一个小孔冲裁出来，在第二个工位，我们利用前一个工位冲出的两个大孔作为定位孔，对要弯曲的部分进行剪切并弯曲，这两个过程同时进行，在第三个工位，我们将整个工件的外形落料出来，整个过程连为一整体，是一个连续生产的过程。综合以上比较，我们知道方案三的生产率高，克服了其它几中方案的缺点，适合于大批量生产，故我们采用方案三。第五章第五章 有关工艺的计算有关工艺的计算 1.毛坯尺寸的计算（1）弯曲件毛坯长度的计算（如图 1-2）：图 1-2 弯曲件毛坯长度由于弯曲半径 r =1 0.5 t，故毛坯的长度应等于零件直线段长度和弯曲部分应变中性层长度之和，即：L=ioiix) txr (180Li由于零件的弯曲角为，故毛坯的展开长度为：o90 L=) txr (2llo21查表得：xo= 0.45- III - L = 8.2 +(1 + 0.450.8) + 118.2214. 3 = 2.14 + 126.4= 128.54(2) 搭边值的确定： 为补偿定位误差，维持条料一定的强度和刚度，保证送料的顺利进行，工件与边缘、工件与工件之间应有一定的搭边值，但由于工件的精度要求不高，且材料比较软，从经济性角度考虑，我们优先考虑提高材料的利用率，故工件与工件之间将不增加搭边值，以免增加模具的制造费用及浪费材料。查表得：工件与边缘之间的搭边值为 a1=1.8， 故条料宽度为： 010a2DB式中：B条料标称宽度() D工件垂直于送料方向的最大尺寸() a1侧搭边() 条料宽度的公差()查表得：=0.6 06 . 006 . 06 . 06 . 354.128B 06 . 074.132我们将其定为 132.5。 (3) 条料长度的确定：工件的宽度为 19，故在充分考虑冲裁操作方便性的情况下，我们将条料的长度定为 575。故对条料的下料尺寸为 575132.5。2计算排样排样是冲裁工艺与模具设计中一项很重要的工作，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。由于工件外形规则，且所要求的精度要求不高，故从经济性角度考虑，我们选择少废料排样方式，具体排样方式如图 1-3。 3计算材料的利用率条料的毛坯尺寸为 575132.5，故一张条料可冲出 30 个工件。一个进距内材料的利用率为：=00100BhnA = 00100195 .1322151= 85.400- IV -一张条料上总的利用率为：s= = 84.700100BCNA001005755 .13221513000图 1-3 排样图 4冲裁力、卸料力、推件力、弯曲力计算及初选压力机(1) 零件外形落料力：F1 = KLt = 1.30.8250275= 71500N(2) 冲孔力：F2 = 2KL1t+KL2t = 21.30.825012 + 1.30.8250()5 . 32325 . 3= 19603.5N + 6960.7N= 26564N(3) 弯曲力计算：由于弯曲时，有一条边同时要被剪开我们先算这个剪切力F3 = KLt = 1.38.50.8250 = 2210N最大自由弯曲力(N)为- V - 02trcKBtF自式中：c 与弯曲形式有关的系数。由于是 V 形件，查表得 c=0.6。K 安装系数，一般取 1.3。B弯曲宽度,mmt 料厚,mmr 弯曲半径，r =10材料的强度极限，0=300MPa =1216N3008 . 164. 0193 . 16 . 0F自(4) 压料力的计算：压料力 F压值可近似取弯曲力的 30%80%。 N60812165 . 0F5 . 0F自压(5) 校正弯曲力的计算：为了提高弯曲件的精度，减小回弹，在板材自由弯曲的终了阶段，凸模继续下行，将弯曲件压靠在凹模上，其实质是对弯曲件的圆角和直边进行精压，此为校正弯曲。此时，弯曲件受到凸凹模挤压，弯曲力急剧增大。 PAF校 =80191.8 =2736N P 单位面积上的校正力,Mpa A 校正面垂直投影面积,mm2(6)卸料力、推料力的计算：查表得：= 0.04, = 0.055；由于弯曲模的影响，在凹模内不能有一个工卸K推K件，但冲孔有 2.5 个废料，两个孔，我们算 5 个。卸料力 FQ1= F1 = 0.0471500 = 2860N卸K推料力 FQ2 = nF2 推K= 50.05526564 = 7305.1N故总力 = F1 + F2 + FQ1 + FQ2 + + F3总F校压自FFF = 71500 + 26564 + 2860 + 7305.1 + 1216 + 608 + 2210 + 2736 = 114999.1N- VI - 115kN初选压力机 160kN，其各项技术参数如下：（见表 1-2）表 1-2 压力机技术参数公称压力 (kN)160发生公称压力时滑块下滑的极点距离 ()5固定行程 ()70滑块的行程调节行程 ()870最大闭合高度 ()220闭合高度调节量 ()60工作台尺寸 ()左右：450 前后：300工作台孔尺寸 ()左右：220 前后：110 直径：160模柄尺寸 (直径深宽)3050工作台板厚度 ()605冲裁模间隙及凹模、凸模刃口尺寸计算查表得：Zmin= 0.04，Zmax= 0.07凸模偏差 p= 0.02，凹模偏差 d= 0.02 p+d= 0.04 ZmaxZmin= 0.07-0.04 = 0.03 p+d故凸凹模采取配作加工的方法，查表得 x=0.5。(1) 冲大孔凸模： 工作尺寸为，则5 . 0012凸模磨损后，刃口尺寸变小，则用公式0pp)xA(A 002. 0)5 . 05 . 012( 002. 025.12其它各部分尺寸如图 1-4。(2) 冲小孔凸模尺寸：同样，凸模磨损后，刃口尺寸变小 图 1-4 冲大孔凸模 002. 0p)xA(A 002. 0)2 . 05 . 05 . 3(? 12.253.11.75- VII - 002. 06 . 3002. 0p)xB(B 002. 0) 1 . 05 . 03(002. 01 . 3其它各部分尺寸如图 1-5。图 1-5 冲小孔凸模(3) 落料凹模尺寸：整个工件的尺寸偏差为负偏差 0.2。如图中，凹模磨损之后，尺寸 A1，A2，A3尺寸变大1查表得：x1 = 0.75，x2 = 0.75，x3 = 0.75由公式 得：dAd0)xA( 02. 00d1)275. 019(A ()02. 0085.18 02. 00d2)2 . 075. 011(A ()02. 0085.10 02. 00d3)2 . 075. 0102(A ()02. 0085.101如图中,凹模磨损之后,尺寸 B1尺寸减小，x1=0.75。2 由公式 0dd)xB(B0d1d)2 . 075. 05(B ()002. 015. 5凹模磨损后，尺寸 C1，C2，C3尺寸减小，x1=x2=x3=0.753根据公式 2)5 . 0C(Cdd 01. 0)2 . 075. 04(Cd1- VIII - ()01. 085. 3 01. 0)2 . 075. 02(Cd2 ()01. 085. 1 01. 0)2 . 075. 07(Cd3 ()01. 085. 6 冲孔凹模与落料凸模的刃口尺寸按相应部分尺寸配制，保证双面间隙值 Zmin Zmax = 0.040.07。(4) 弯曲凹模的刃口尺寸计算：弯曲部分在弯曲的同时也进行了切边，其刃口部分如图 1-8。一般，弯曲凸模的半径应等于弯曲件内侧弯曲半径，但在这个模具中，由于只弯一个单弯角，故应等于工件半径。凹r故 =1，凹r则应为(36)t,我们选择=2.5, 弯曲凸模其它部分尺寸见图 1-9。凸r凸r(5) 弯曲模间隙的确定：间隙过大，则制件精度低；间隙过小，则弯曲力过大，制约直边变薄，且模具寿命降低，合理的 V 形件弯曲凸凹模单边间隙值可按下式计算： c = t + kt式中：c 弯曲凸凹模单边间隙,mmt 材料厚度,mm材料厚度正偏差k 根据弯曲件高度 h 和弯曲线长度 b 而决定的系数查表得：k= 0.05， 料厚 0.8，无偏差 =0故 c = 0.8 + 0 + 0.050.8 = (0.8 + 0.04) = 0.84- IX - 切边刃口18.85弯曲凸模（圆角R2.5） 72.3 图 1-8 弯曲凸模刃口 图 1-9 弯曲凸模6 卸料弹簧的选择根据卸料力 2860N，压料力 608N，由于两者不是同时要求，我们满足了卸料力，就满足了压料力，故我们根据卸料力来选择弹簧。我们采用 8 个弹簧，故每个弹簧承受的力为 357.5N。冲裁时，卸料板的工作行程为 h2=(t +2)=2.8，考虑凸模的修模量 h3=5，弹簧的预压量为 h1，故弹簧的总压缩量为： 321hhhH总 = h1 + 7.8考虑卸料的可靠性，取弹簧的预压缩量 h1时，就应有 357.5N 的压力，初选弹簧钢丝直径 d=4，弹簧中径为 22，工作极限负荷为 670N，自由高度 60，工作极限负荷下变形量 20.9。- X -该弹簧在预压 h1时，卸料力达 357.5N，即15.119 .206705 .357hFFhjj11 hj , 能满足要求。95.188 . 715.11H总弹簧的装配高度为85.4815.1160hhh10装根据凸模、凹模及弹簧、螺钉的布置，取卸料板的平面尺寸为 200125，厚度为 20。7选择上下模板及模柄：采用 GB2855.681 后侧带导柱形式模板，根据最大轮廓尺寸 200125，我们选择标准模板，LB 为 200125，上模板厚 40，下模板厚 50。选择 3050 旋入式模柄8 挡料销、始用挡料销的选择一块新条料在刚开始时，必须很好的定位，在这里，我们选用两个弹性挡料销和一个始用挡料销，两个弹性挡料销的规格为 610（长度）如图 1-10，另外，还要用一个始用挡料销宽度为 8。9 垫板、凸模固定板的设计由于凸模比较多，上模板上因模柄为旋入式模柄，必须开孔，故采用垫板加固，垫板厚度为 10。平面尺寸与卸料板相同，为 200125，下模板由于要进行弯曲，同时安装弹性挡料销的需要，也要采用垫板加厚，厚度为 11，其平面尺寸也为200125。冲孔凸模、弯曲凸模和落料凸模均采用固定板固定,固定板厚度取为 25，其平面尺寸为 200125。图 1-10 挡料销10闭合高度- XI -模具闭合高度应为上模板、下模板、上垫板、压料板、下垫板之和，再加上压料板与凸模固定板之间的距离 7，故 H0 =(40 + 10 + 25 + 7 + 20 + 15 + 18 + 50) = 185所选压力机闭合高度=220,=(22060)=160，满足maxHminH 5 H0 + 10 的要求。maxHminH11导柱、导套：按 GB2861.281查手册得，选 d=25，其中导柱长度有 110180，模具的闭合高度 H0=185，故选择导柱的长度 L=170。查表找相应的导套，其中长度有 80，85，90，95，可选较长的 80。12卸料螺钉按 GB2867.681，选 d=16的带肩卸料螺钉，螺柱长 L=58。卸料螺钉窝深应满足 h 卸料板行程 + 螺钉头高度 + 修磨量(5) + 安全间隙(26) = 8 + 16 + 5 + (26) = 3135对螺钉进行验算，见图 1-11。H = (上模板厚 + 上垫板厚 + 凸模固定板厚 + 15 螺钉杆长) = (40 + 10 + 25 + 15) 58 = 32故所选螺钉长度满足要求，定卸料螺钉窝深为 32。l图 1-11 卸料螺钉13模具压力中心的计算在进行模具总体设计时，应使模具压力中心与压力机滑块中心相重合，否则，冲- XII -压时会产生偏心载荷，导致模具以及压力机滑块与导轨的急剧磨损，这不仅降低模具和压力机的使用寿命，而且也影响冲压件的质量。下面，我们采用平行力系合力作用线的求解方法来找其压力中心。 我们先单独求各孔的重心。小孔 如图 1-12 则重心坐标为( x01,y01) 143214433221101llllxlxlxlxlx 43214433221101llllylylylyly式中：l1 = l3 = 3， l2 = 3.5， l4 =5.5 x1 = 0， x2 = 1.75， x3 = 3.5， 图 1-12x4 = 1.75 y1 =1.5， y2=0， y3 =1.5我们先来求 l4的重心的 y 轴坐标。l4的方程为： (x 1.75)2 + (y 3)2 = 1.752 22)3y(75. 175. 1x )3y(2)3y(75. 1121x2222)3y(75. 13y dyx1ds2 ( 为常量)75. 4375. 43dsdsyy = 75. 4375. 43dsyds积分得： = 4.1145 . 33y y4= 4.114将各数据代入式中得：4- XIII - 9675. 15 . 55 . 3375. 15 . 303x01 1525.26 =1.75 96114. 45 . 55 . 1305 . 3115301y 15627.31 2.1两个大孔的重心坐标即为其圆心，重心坐标为(x02,y02)2切边(如图 1-13)：3设其重心坐标为(x03,y03)我们同样将其分为 l1，l2，l3，l4四段。 图 1-13x1= 3.25， x3=8.5y1= 19， y3=9.5l1= 6.5， l2 = l4 = 3.14， l3=15 我们同样用积分的方法来求 x2，y2，x4，y4l2的方程为： (x6.5)2+(y17)2 = 22 17)5 . 6x(4y212 )5 . 6x(2)5 . 6x(421y212 2)5 . 6x(4)5 . 6x( ( 为常量)5 . 85 . 65 . 85 . 6dsdsxx22)5 . 6x(42y1ds代入积分得： x2=7.7777. 745 . 6x同理可求得： 4- XIV - y2=18.2727.18417yl4的方程为： (x6.5)2+(y2)2 = 22同理，我们利用重心坐标公式： ， babadsdsxxbabadpdpyy即可积分出：x4=77. 745 . 6xy4=73. 042y将各数据代入得： 1514. 314. 35 . 677. 714. 35 . 81577. 714. 325. 35 . 6x03 =7.1 78.2773. 014. 35 . 91527.1814. 3195 . 6y03 =11.7弯曲部分（如图 1-14）4其重心坐标为：校自校自FF8 . 1FdxFx25. 48 . 004 273612168 . 12736dx121625. 48 . 0 =0.185y04 = 9.5 图 1-14设重心坐标为(x05,y05)13211313221105lllxlxlxlx13211313221105lllylylyly- XV -求各数据得：l1=7 l2=l13=3.14 l3=l12=5l4=l11=5.7 l5=l10=102 l6=l9=2.8l7=l8=5x1=0 x2=x13=0.73 x3=x12=4.5 x4=x11=9 x5=x10=62 x6=x9=114 x7=x8=117.5 y1=11.5 y2=16.27 y3=17y4=19 y5=21 y6=20y7=19 y8=0 y9=1y10=2 y11=4 y12=6y13=6.73将各数据代入公式中得：528 . 2210227 . 525214. 32773. 014. 35 . 4597 . 5621021148 . 25 .11755 .11751148 . 26210297 . 55 . 4573. 014. 307x053 .2546 .14613 = 57.5528 . 2210227 . 525214. 32773. 614. 36547 . 5210218 . 205195208 . 221102197 . 517527.1614. 35 .117y05 3 .25462.2898=11.4压力中心的确定6根据前面所算得的数据，我们来求冲压时的压力中心，先建立坐标系如图 1-16，然后计算各孔的轮廓线周长 l1 ，l2，ln ，其长度也就代表了各凸模的冲孔力，同时确定各重心的坐标。设压力中心的坐标为(x0，y0)，则其公式为： 6216622110lllxlxlxlx6216622110lllylylyly式中：l1=254.3, l2=l3=37.7, l4=9, l5=27.8, l1=19 x1=57.5, x2=45, x3=75, x4=123.5, x5=127.1, x6=120.185 y1=49.4, y2=y3=11.5, y4=2.1, y5=11.7, y6=28.5,- XVI -图 1-16 压力中心的求算 将各数据代入，得：198 .2797 .377 .373 .254185.120198 .271 .1275 .1239757 .37457 .375 .573 .254x0 5 .385645.26074 = 67.6 198 .2797 .377 .373 .2545 .28198 .277 .111 . 295 .117 .375 .117 .374 .493 .254y0 5 .3852 .14315 = 37.1 故压力中心的坐标为(67.6，37.1)，模柄中心线通过该点。14凸凹模强度的校核(1) 凹模外形尺寸的确定及校核，如图 1-17：凹模厚度可查表,根据料厚及外形尺寸，我们查得： c = 32，H = 22这可保证凹模有足够的强度和刚度，故一般凹模尺寸确定后，不再作强度校核。我们还可求得一个最小值。图 1-17 凹模厚度 (圆形)d3d21 (p5 . 1H0min- XVII -)1431221 (200075.98015 . 1= 1.78 5故刃口尺寸也能满足其要求。对非圆形件： 103 . 7p5 . 1Hmin故都能满足要求。(2) 凸模外形尺寸及强度计算：凸模长度选定后，一般不作强度校核，但对细长或冲料厚的凸模，为防止纵向失稳和折断，应进行凸模承压能力和抗弯能力的校核，我只对冲大孔和小孔的两个凸模进行校核。承压能力的校核1圆形凸模：冲裁时凸模缩手的应力，有平均应力 和刃口的接触应力 k两种，孔径大于冲裁件料厚时，接触应力 k大于平均压应力 ，因而强度核算的条件是接触应力 k小于或等于凸模材料的许用应力，查表得 = 1200MPa。即 k = 2(10.5 t / d) = 2250(10.50.8/12) = 483.3Mpa 式中： t 冲件材料厚度 ()d凸模或冲孔直径 () 冲件材料抗剪强度 (Mpa) k凸模刃口接触应力 (Mpa) 凸模材料许用压应力对于非圆形凸模，当凸模端面宽度 B 大于冲件材料厚度 t 时，可按下式计算（如图 1-18）：图1-18 计算凸模强度时面积的取法k = L t /Fk L 冲件轮廓长度 () t 冲件材料厚度 ()- XVIII -冲件材料抗剪强度 (Mpa) Fk 接触面积，取接触宽度为 t / 2 k凸模刃口接触应力 凸模材料许用压应力 4 . 0L2508 . 0)5 . 3265 . 3(k Mpa4 . 0200 = 500 Mpa 故承压能力能满足要求。抗弯强度校核2由于压料板同时还起了一个导向作用（如图 1-19） ，故校核公式为：图 1-19 凸模对于圆形凸模： pd85L2max 75.980112852 9914485 = 123.6 我们取的 L 为 29 123.6，故满足要求。对于非圆形凸模：
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