汽车仪表板冲压工艺及模具设计说明书

- 1 -目 录目 录 .1第一章 前言 .31.1 中国模具的发展现状 .31.2 中国模具的发展趋势 .3第二章 工艺方案的制订 .52.1 零件的工艺性分析 .52.2 毛胚尺寸计算 .52.3 工艺方案的制定 .6第三章 落料模设计 .93.1 冲压工艺的计算 .93.1.1 排样方案 .93.1.2 冲压压力的计算 .103.1.3 模具的压力中心的计算 .113.1.4 模具刃口尺寸的计算 .123.2 落料模主要零件的设计 .143.2.1 落料凹模 .143.2.2 落料凸模 .143.2.3 卸料板的设计 .153.2.4 模座的设计 .153.2.5 挡料装置的设计 .163.2.6 冲模闭合高度的确定 .163.2.7 模柄、导柱、导套的选用 .173.2.8 模具材料的选用 .17第四章 弯曲模设计 .174.1 弯曲件工艺计算 .174.1.1 弯曲件展开长度计算 .174.1.2 弯曲件回弹值的计算 .184.1.3 最小弯曲半径 .184.1.4 弯曲力的计算 .184.1.5 模具的压力中心的计算 .194.1.6 模具刃口尺寸的计算 .194.2 弯曲模主要零件的设计 .204.2.1 落料凹模 .204.2.2 弯曲凸模 .214.2.3 推板的设计 .214.2.4 顶料装置的设计 .214.2.4 模座的设计 .214.2.5 挡料装置的设计 .22- 2 -4.2.6 冲模闭合高度的确定 .224.2.7 模柄、导柱、导套的选用 .234.2.8 模具材料的选用 .23第五章 冲孔模设计 .235.1 冲压工艺的计算 .235.1.1 冲压压力的计算 .235.1.2 模具压力中心的计算 .265.1.3 模具刃口尺寸的计算 .285.2 冲孔模主要零件的设计 .365.2.1 冲孔凹模 .365.2.2 卸料板的设计 .365.2.3 卸料橡胶的设计 .375.2.4 冲孔凸模 .385.2.5 模座的设计 .395.2.6 定位装置的设计 .395.2.7 冲模闭合高度的确定 .395.2.8 模柄、导柱、导套的选用 .405.2.9 模具材料的选用 .40- 3 -第一章 前言1.1 中国模具的发展现状模具是机械、汽车、电子、通讯、仪表、家电工业产品的基础工艺装备， 模具制造是一切制造业之首，模具行业实现工业化和商品化生产，是制造业生产技术进步的标志。现代模具设计与制造技术，涉及机械工程、信息与电子工程、冶金与材料工程、工程管理等学科专业范围。中国经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。近 10 年来，中国模具工业一直以每年 15左右的增长速度快速发展。目前，根据专家统计统计，中国约有模具生产厂点 2 万余家，从业人员有 50 多万人，全年模具产值达 534 亿元人民币。近年来，模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具标准件、模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度；塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快；随着经济体制改革的不断深入，“三资”及民营企业的发展很快。中国模具工业的发展在地域分布上存在不平衡性，东南沿海地区发展快于中西部地区，南方的发展快于北方。模具生产最集中的地区在珠江三角和长江三角地区，其模具产值约占全国产值的三分之二以上。1.2 中国模具的发展趋势“十二五”时期是我国妥善应对国内外发展环境重大变化、加快实现全面建设小康社会目标的关键时期，也是我国模具制造行业健康发展的关键时期，国内外环境不确定因素虽然很多，但我国经济发展仍在高速增长期内，我国模具在国际模具市场上的比较优势仍旧存在，国内模具市场预期也继续看好，模具行业发展呈现大趋势。 一是模具的精度越来越高。10 年前，精密模具的精度一般为 5 微米，现在已达到 23 微米，不久 1 微米精度的模具将上市。这要求超精加工。 二是模具日趋大型化。这是由于模具成型的零件日渐大型化和高生产效率要求而发展的一模多腔所造成的。 三是多功能复合模具将进一步发展。新型多功能复合模具除了冲压成型零件外，还担负叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务，对钢材的性能要求也越来越高。 四是热流道模具在塑料模具中的比重逐渐提高。由于采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量，并能大幅度节约制作的原材料，因此热流道技术的应用在外国发展很快，许多塑料模具厂生产的塑料模具一半以上采用了热流道技术，有的厂家使用率达到 80%以上，效果十分明显。热流道模具在我国也已生产，有些企- 4 -业使用率上升到 20%30%。 五是随着塑料成型工艺的不断改进与发展，气辅模具及适应高压注射成型等工艺的模具将随之发展。这类模具要求刚性好，耐高压，特别是精密模具的型腔应淬火，浇口密封性好，模温能准确控制，所以对模具钢的性能要求很严。 六是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将极大地影响模具制造周期，且还能提高模具的质量和降低模具制造成本。因此，模具标准件的应用在十五期间必将得到较大的发展。 七是快速经济模具的前景十分广阔。现在是多品种小批量生产时代，21 世纪，这种生产方式占工业生产的比例将达到 75%以上。由此，一方面是制品使用周期缩短，另一方面花样变化频繁，要求模具的生产周期愈短愈好。因此开发快速经济模具将越来越引起人们的关注。 八是随着车辆和电机等产品向轻量化发展，压铸模的比例将不断提高，同时对压铸模的寿命和复杂程度也将提出越来越高的要求。 九是模具技术含量将不断提高，中、高档模具比例将不断增大，这也是产品结构调整所导致模具市场走势的变化。 十是以塑代钢、以塑代木的进程进一步加快，塑料模具的比例将不断增大。同时，由于机械零件的复杂程度和精度的不断提高，对塑料模具的要求也越来越高。- 5 -第二章 工艺方案的制订2.1 零件的工艺性分析本零件为汽车仪表板，材料为 Q235，板厚为 1 ，大批量生产。)(m图 2.1 汽车仪表板该零件有四处 90 度弯曲，有多处冲孔。因而此工件包含了落料，弯曲，冲孔等工艺步骤。其工件最小圆角半径 1mm 符合最小圆角半径要求。从技术要求和使用条件来看，零件的精度要求一般，适合冲压生产。工件的冲压精度和粗糙度都要求不高，符合冲裁要求。2.2 毛胚尺寸计算工件的主要成形工序为落料、弯曲、冲孔，零件尺寸如图 2.4，所以毛坯的尺寸即为弯曲件的展开尺寸。U 型弯曲件的毛胚展开长度计算公式（2-1）)(321xrllL式中 U 型弯曲件直边长度1l )(m- 6 -U 型弯曲件直边长度2l )(mU 型弯曲件直边长度3弯曲半径r)(弯曲件厚度m中性层位移系数x则工件毛坯的长度 L1为 )(40)28.(384L1 m工件毛坯的宽度 L2为 )(35)1.(02依上所述，该零件的坯料尺寸可定为长度 404 ，宽度 350 。)()(m2.3 工艺方案的制定经过以上分析，可以进一步明确，该零件的冲压加工包括以下基本工序：落料、冲孔、弯曲。此工件的成形工艺可以有以下几种方案：方案一：按照基本工序顺序：落料冲孔弯曲方案二：落料弯曲冲孔方案三：落料、冲孔复合，其他按照基本工序：落料、冲孔弯曲分析以上三种方案，可以看到：方案一：按照基本工序排列的冲压工艺每步工序都只使用简单模具，结构简单，制造周期短，成本较低，但不能保证冲孔件孔的精度。方案二：落料后先弯曲，再冲孔，不仅使模具结构简单，制造周期短，成本较低，而且保证冲孔件孔的精度。方案三：将落料、冲孔复合，实现二道工序在一副模具上完成，减少了工序数和模具数，但模具复杂，提高了生产成本。通过上述对三种方案的分析，最终选用方案二：落料弯曲冲孔（1） 零件的排样图，如图 2.2。搭边的最小宽度大于塑变区的宽度，由板厚 1 查搭边数值表，沿边搭边为)(m2 ，工件间搭边为 1.5 。)(m)(m- 7 -图 2.2 排样图（2） 第一步工序：落料，工件如图 2.3。 图 2.3 落料工件图（3） 第二步工序：弯曲，工件如图 2.4- 8 -图 2.4 弯曲工件图（4） 第三步工序：冲孔，工件如图 2.5。- 9 -图 2.5 冲孔工件图第三章 落料模设计3.1 冲压工艺的计算3.1.1 排样方案查表 2-12 合理搭边值 1，确定搭边数值。当 t=1 时，沿边搭边为)(m2 ，工件间搭边为 1.5 。)(m)(m- 10 -图 3.1 排样图一个进距的材料利用率 % （3-1）10nAbh式中 A冲裁件的面积；n一个进距内冲裁件数目；b条料宽度；h进距；所以 =%105.3408)(1=98.32%3.1.2 冲压压力的计算（1） 落料冲裁力（3-bLfF102）式中 f1系数；取决于材料的屈强比，可从图 2-5 f1 与材料屈强比的关系 1求得，因此取 f1=0.65；L落料件周长； ；)(m- 11 - 材料厚度； ；)(m材料抗拉强度； ；Q235 =375460 ，取bMPab)(MPa=420 ；)(MPa所以 bLfF10 =0.652（404+350）1420=411.68(KN)（2） 推件力的计算（3-3）02Fnk式中 n卡在凹模洞口里的工件数；k2推件力系数；查表 2-7 卸料力、推件力和顶件力系数 1，取 k2=0.055；F0落料力；所以 02Fnk=10.055411.68=22.64(KN)（3） 总冲压力的计算（3-4）20F=411.68+22.64=434.32(KN)（4） 压力机的初步选择选择压力机吨位时，考虑刃口磨损和材料厚度及波动、力学性能等因素，实际冲裁力可能增大，所以取（3-5）1.3F总2.4=564.62(KN)因此初步选择压力机的型号为 J2363 开式双柱可倾压力机，公称压力为- 12 -630KN，最大封闭高度为 360 ，最小封闭高度为 270 。)(m)(m3.1.3 模具的压力中心的计算由于毛坯内外周边形状对称，所以模具的几何中心就是压力中心。3.1.4 模具刃口尺寸的计算根据表 2-4 冲裁模始用间隙 1查得间隙值 Zmin=0.10 ，Z max=0.14 。)(m)(m根据表 2-15 凸凹模的制造公差表 1查得凸凹模的制造公差为：凸模 )(04.1p352)(.mp04凹模 )(6.1d52m)(0.3d4为了保证冲模的间隙小于最大合理间隙：)(10.6.0.31 mdpdp 85542)(4.1.minaxZ因为 minax231 Zdpdpdpdp 则 )(016.4.0)(.0minax42Z266i31ddd由于零件形状比较简单，所以凸凹模可以分开加工，且零件的公差等级为IT12，精度要求不高。由零件的基本尺寸 L1=404 ,L2=350 ,L3=384 ,L4=330 查表 3-)(m)()(m)(- 13 -2 常用尺寸的标准公差数值表 6得公差 查表 2-7 系数 x7得系数)(57.0.)(634321m5.0.4321x则落料凹模的尺寸：（3-6）dxLd011)(24.635.4)(9024.mdxLd022(24.)57.3(49024.mdxLd033)(24.57.8)(640.mdxLd04)(24.57.3)(2904.m落料凸模的尺寸：(3-7)0min11)(pZxLP06.69.403)(51.- 14 -0min22)(pZxLP016.7.349)(601.0min33(pZxLP016.)72.8(601.0min44)(pZxLP016.72.39)(601.3.2 落料模主要零件的设计3.2.1 落料凹模（1） 厚度 Ha查表 9-6 凹模厚度 H 和壁厚 C1，从凹模孔的最大宽度（ 404200）及料厚（10.8 1.5 ） ，取凹模厚度 Ha=30 ，壁厚 C=48 。)(m)(m（2） 凹模的外形尺寸由壁厚 C=48 ，可确定凹模的外形尺寸。)(凹模长：404+48+48=500 )(凹模宽：350+48+48=446 m（3） 刃壁形式因此落料模结构简单，且材料较薄，结合表 9-3 常见冲裁凹模刃口及孔壁结构形式 1选择序号 4 直壁形式。（4） 凹模的固定形式利用销钉和螺钉固定在下模座上。3.2.2 落料凸模（1） 凸模的刃口形式凸模加工成等截面结构。- 15 -（2） 凸模的固定形式利用销钉和螺钉固定在上模座上。（3） 凸模的长度凸模的长度根据零件的结构来确定（3-8）lHta321式中 Hta凸模的长度； )(m凸模固定板厚度；1卸料板厚度；2)(导尺厚度；3m自由长度；l)(则 Hta =0+14+8+60=82 )(所以取凸模长度 Hta =85 。)(m3.2.3 卸料板的设计由于此件的厚度较小，且要求表面平整，可采用固定卸料版，查表 9-15 卸料板厚度 1。选用卸料板长度 500 )(m卸料板宽度 446卸料板厚度 h0=18 )(卸料板材料选用 45 钢，不用热处理淬硬。3.2.4 模座的设计（1） 模座的外形尺寸由于凹模的最大外形尺寸为 500 ，查模架标准结构表 4，可确定下模座的)(m尺寸为 ，上模座的尺寸为 。805)( 650)(m（2） 模座的材料- 16 -一般选用铸铁 HT200，也可选用 A3,A5 结构钢，但从为了降低模具成本，本设计则考虑选用铸铁 HT200。（3） 垫板选择查表 9-23 垫板尺寸 1，从凹模尺寸（500446 ）凸模尺寸（ 404350）可确定上垫板尺寸 50044612 )(m下垫板尺寸 404350123.2.5 挡料装置的设计挡料装置在单工序落料或复合模中，主要作用保持冲件轮廓的完整和适量的搭边。根据此落料模的设计，选用导尺进行导料。挡料装置利用挡料销进行挡料。3.2.6 冲模闭合高度的确定模具闭合高度 是模具在最低的工作位置时，下模座的底平面至上模座的顶H模平面之间的距离（不含模柄高度） 。压力机的闭合高度是指滑块在下止点时工作台面（不含垫板高）至滑块下平面件的距离。即： (3-9)taHH4321模式中 冲模闭合高度；模H)(m上模座厚度；1下模座厚度；2)(上垫板厚度；3Hm下垫板厚度；4)(凹模厚度；a凸模的长度；tH)(m凸模刃口进入凹模刃口的深度；)(m则 )(2831530128065模- 17 -冲模设计时，必须使冲模的闭合高度与压力机的闭合高度相适应，通常应满足下列关系：（3-10）)(10)(5minmaxHH模式中 压力机最大闭合高度， =360 ；max ax压力机最小闭合高度， =270 ；in min)(由于冲模闭合高度满足 ，则模具的闭合高度为 283 符合要求。28035)(m3.2.7 模柄、导柱、导套的选用根据所选压力机的模柄孔，根据标准件表 4，查得相应标准的模柄，选标标准的压入式模柄 d=50 ,D=54 。)(m)(根据标准件表 4，选用标准的导柱、导套，导柱 ，导套)(2705m。)(751203.2.8 模具材料的选用凸模和凹模是在强压、连续使用和有很大冲击的条件下工作，并伴有温度的升高，工作条件极其恶劣。所以对凸凹模的材料要求有较好的耐磨性，耐冲击性，淬透性和切削性。硬度要大，热处理变形小，而且价格要低廉。结合上述原则，由凸、凹模材料的选用与热处理表 5推荐材料有：1) 凸模，凹模采用 9Mn2V；2) 导柱，导套采用 20 钢；3) 挡料销，定位销采用 Q235 钢；4) 卸料板采用 45 钢；5) 上、下模座采用 HT200；第四章 弯曲模设计4.1 弯曲件工艺计算4.1.1 弯曲件展开长度计算因为零件弯曲半径 r0.5 ，所以弯曲件的展开长度按直边区与圆角区分段进行计算。视直边区在弯曲前后长度不变，圆角区展开长度则在按弯曲前后中性层长度- 18 -不变的条件下进行计算。根据前面冲压件毛坯尺寸的计算，可得出此弯曲件展开尺寸如图 2.4 所示。4.1.2 弯曲件回弹值的计算(1) 弯曲回弹值确定由于此工件的 r/ =1/1=10.8 1.5 ） ，取凹模厚度 Ha=30 ，壁厚 C=48 。)(m)(m（2） 凹模的外形尺寸由壁厚 C=48 ，可确定凹模的外形尺寸。)(凹模长：388+48+48=484 )(凹模宽：334+48+48=430 m- 21 -（3） 凹模圆角半径查表 4-13 V 形和 U 形弯曲模工作部分结构与尺寸 1 可确定凹模圆角半径 ra=3。)(m（4） 凹模的工作深度查表 4-13 V 形和 U 形弯曲模工作部分结构与尺寸 1 可确定 m=3 ,则凹模的)(m工作深度 ha=3+3+10=16 。)(m（5） 凹模的固定形式利用销钉和螺钉固定在下模座上。4.2.2 弯曲凸模（1） 凸模的刃口形式凸模加工成等截面结构。（2） 凸模的固定形式利用销钉和螺钉固定在上模座上。（3） 凸模的长度凸模的长度根据零件的结构来确定（4-7）lHta1式中 Hta凸模的长度； )(m凸模工作深度；1自由长度；l)(则 Hta =15+40=55 )(m所以取凸模长度 Hta =55 。)(4.2.3 推板的设计选用推板厚度 h0=14 ，材料选用 45 钢，不用热处理淬硬。)(m4.2.4 顶料装置的设计选用带有橡胶垫的弹性顶料装置。- 22 -4.2.4 模座的设计（1） 模座的外形尺寸由于凹模的最大外形尺寸为 484 ，查模架标准结构表 4，可确定下模座的)(m尺寸为 ，上模座的尺寸为 。650)( 50)(m（2） 模座的材料一般选用铸铁 HT200，也可选用 A3,A5 结构钢，但为了降低模具成本，本设计则考虑选用铸铁 HT200。（3） 垫板选择凹模底面积 278534408mS则 )(.1752.6.31 MPaPy 因模座采用铸铁材料， ，则 ，不需加垫板。0y0.8 1.5 ） ，取凹模厚度 Ha=30 。壁厚 C=48 。)(m)(m（2） 凹模的外形尺寸根据凹模孔的结构，可确定凹模的外形尺寸凹模长：458 )(凹模宽：364 m（3） 刃壁形式因此冲孔模结构简单，且材料较薄，结合表 9-3 常见冲裁凹模刃口及孔壁结构形式 1选择序号 4 直壁形式。（4） 凹模的固定形式利用销钉和螺钉固定在下模座上。5.2.2 卸料板的设计由于此件的厚度较小且要求表面平整，可采用表 2.298中的弹性卸料板，弹性卸料板上有与凸模相配合的导向孔，在卸料板两侧装有两个导套与导柱相配合，所以卸料板除了有卸料作用外，在冲孔时还起到对小凸模的导向作用。设计卸料板外形尺寸与凸模固定板相同即 470492 。厚度为 45 ，凸台高度 30 。卸)(m)(m)(m料螺钉采用表 2.31 中序号一的结构形式。卸料板材料选 45 钢，不用热处理淬硬。5.2.3 卸料橡胶的设计（1） 根据总的卸料力及模具结构, 拟用 4 根橡皮板，则每个橡皮板的负荷为：)(69.7.301KNF预（2） 卸料橡胶内径取 d=12 ，则橡胶外径)(m- 38 -（5-10） qFdD预27.13069.2取 D=60)(30.58m)(m（3） 卸料橡胶长度由 .15.0DH则 取)(90)(m)(70H由 取)5.15.mh预 )(9mh预（4） 卸料橡胶校核（5-11）hh预许式中 )(215.7()3.025.( mHh许)9m预 凸模工作行程， ，取 ；)( )(h凸凹模修磨余量， ，取 ；hm4所以 ，因此所选橡胶满足公)(215.7(1429m许预式 符合规格要求。预许5.2.4 冲孔凸模（1） 凸模的刃口形式凸模加工成等截面结构。（2） 凸模的固定形式利用凸模固定板固定在上模座上。固定板厚度 。固定板尺寸)(20mH固470492。（3） 凸模的长度凸模的长度根据零件的结构来确定- 39 -（5-12）xtaHH预固 h-0式中 Hta凸模的长度； )(m凸模固定板厚度；固橡胶板厚度；0)(橡胶板预压缩量；预hm卸料板厚度；xH)(则 Hta =20+70-9+45=126 )(所以取凸模长度 Hta =126 。)(m（4） 凸模强度校核冲裁时凸模所受的应力，有平均应力 和接触应力 两种。孔径大于冲件材料k厚度时，接触应力大于平均应力，因而强度校核的条件是接触应力小于或等于凸模材料的许用应力 。因为本设计中冲圆孔和方形孔，因此只需校核直径最小圆凸模 的强度。)(4m凸模强度按校核公式：（5-13）5.012dk式中 凸模刃口接触应力；K)(MPa冲件材料厚度；m凸模或冲孔直径；d)(冲件材料抗剪强度； Q235 取 =304 ；Pa)(MPa凸模材料许用压应力，对于常用的合金模具钢，可取 18002200 。)(MPa- 40 -则 86.9415.032k所以凸模强度符合要求。5.2.5 模座的设计（1） 模座的外形尺寸由于凹模的最大外形尺寸为 458 ，查模架标准结构表 4，可确定下模座的)(