模具设计

11 绪 论1.1 模具工业的地位模具工业是国民经济的基础工业，是工业生产的重要工艺装备。先进国家的模具工业已摆脱从属地位，发展为独立的行业。日本工业界认为：“模具工业是其它工业的先行工业,是创造富裕社会的动力” 。美国工业界认为：“模具工业是美国工业的基石” 。在德国模具被冠以“金属加工业中的帝王”之称。在我国，1998 年 3 月在国务院关于当前产业政策要点的决定模具被列为机械工业技术改造序列的第一位，生产和基本建设序列第二位，把发展模具工业摆在发展国民经济的重要位置。目前，我国冲压模具在产值占模具总产值的 40%以上，处于主导地位。1.2 冷冲压的应用冷冲压是塑性机械加工的基本加工方法中的一个。它主要用于生产板类零件，所以很多时候也叫板类冲压。冲压不但能加工金属板料，还能加工非金属类的板料。冲压加工的时候，材料在模具凸凹模压力的作用下，在材料的内部产生使之变形的内应力。当内应力的作用达到一定量的时候，材料毛坯或毛坯上的需要加工的某个部位就会产生与内应力的作用性质相对应的变形，从而获得一定的形状、尺寸和性能的零件。冲压生产靠模具与设备完成加工过程，所以它的生产率高，而且由于操作简便，也便于实现机械化和自动化。利用模具加工，可以获得其它加工方法所不能或难以制造的、形状复杂的零件。冲压产品的尺寸精度是由模具保证，所以质量稳定，一般不需再经过机械工业加工便可使用。冲压加工大部分都不需要加热毛坯料，也不和切削加工时那样大量去除材料，所以它不仅节能，还很节约材料。冲压冲出来的零件的表面质量较好，所使用的材料是冶金工厂大批量制作的轧制板料或带料，在冲压进行的时候材料表面不受破坏。因此，冲压工艺是一种产品质量较好而且成本低的加工工艺。用它生产的产品一般还具有重量轻且刚性好的特点。冲压工艺在汽车、拖拉机、电机、电器、仪器、仪表、各种民用轻工产品以及2航空、航天和兵工等的生产方面占据十分重要的地位。现代各先进工业化国家的冲压生产都是十分发达的。在我国的现代化建设进程中，冲压生产占有重要的地位。1.3 冷冲压发展趋势 （1）工艺分析计算方法的现代化。例如，生产汽车覆盖件的冲压工艺，传统方法是根据已有的设计资料和设计者的经验，进行对比分析，确定工艺方案和有关参数，然后设计模具，进行试冲，经过反复试验和修改，才能转入批量生产。近几年来，国外有的公司已开始采用有限变形的弹塑性有限元法，对覆盖件成形过程进行计算模拟，分析应力应变关系，从而预测某一工艺方案的可行性和可能会产生的问题，并将结果显示在图形终端上，供设计人员进行选择和修改。这样，不仅可以节省昂贵的模具试制费用，缩短产品试制周期，而且可以建立符合生产实际的先进设计方法；既促进了冷冲压工艺的发展，又可以发挥塑性成形理论对生产实际的知道作用。（2）模具设计及制造技术的现代化。为了加快产品的更新换代，缩短工装设计、制造周期，正在大力开展模具的计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）技术的研究和应用。采用这一技术，一般可以提高模具设计和制造效率 23 倍，模具生产周期可缩短 1/21/3。发展这一技术的最终目标，是要达到模具 CAD/CAM 一体化，而模具图纸将只作为检验模具之用。采用模具 CAD/CAM 技术，还可提高模具质量，大大减少设计与制造人员的重复劳动，使设计者有可能把精力用在创新和开发上。（3）冲压生产的机械化和自动华。为了满足大量生产的需要，冲压设备已由单工位低速压力机发展到多工位高速自动压力机。一般中小型冲压件，既可在多工位压力机上生产，也可以在高速压力机上采用多工位连续模加工，使冲压生产达到高度自动化。大型冲压件（如汽车覆盖件）可在多工位压力机上利用自动送料和取件装置，进行机械化流水线生产，从而减轻劳动强度和提高生产率。（4）为了满足产品更新换代加快和生产批量减小的发展趋势，发展了一些新的成形工艺、简易模具、通用组合模具以及数控冲压设备和冲压柔性制造系统（FMS）等。这样，就使冲压生产既可适合大量生产，又可适用于小批量生产。（5）不断改进板料性能，以提高其成形能力和使用效果。例如，研制高强度钢板，用来生产汽车覆盖件；研制新型材料板，用来生产航空构件等。1.4 毕业设计的主要目的毕业设计做为大学教学中的一个必不可少的环节，是对我们四年所学专业知识的最后一次也是最全面的一次检查。通过这次毕业设计可以很好的使我们辛勤的老师了解学生掌握知识的程度，也可以使我们很好的加强对专业知识的巩固，对以后3我们踏足社会和在实践工作中起到了不可估量的作用。毕业设计的主要目的有：综合运用本专业所学课程的理论和生产实习知识，进行一次拉深模具设计工作的实际训练，从而培养和提高学生自己的独立工作能力；巩固“冲压模具设计与制造”等课程所学的内容，掌握模具设计的方法和步骤；掌握冲压模具设计与基本技能，如模具相关尺寸计算、绘图、查阅设计资料和手册，熟悉标准和规范等。在完成大学三年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了机械制图、机械设计、机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，对机械制造、加工的工艺有了一个系统、全面的理解，达到了学习的目的。对于模具设计这个实践性非常强的设计课题，我们进行了大量的实习。在指导老师的细心指导下和在工厂外聘老师的讲解下，我们对于模具的设计和制造工艺有了系统而深刻的认识。同时在实习现场亲手拆装了一些典型的模具实体并查阅了很多相关资料，通过这些实践，我们熟练掌握了模具的一般工作原理、制造、加工工艺。通过在图书馆借阅相关手册和书籍，更系统而全面了细节问题。锻炼了缜密的思维和使我们初步具备了设计工作者应有的素质。设计中，将充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大努力搞好本次毕业设计。在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中难免有不妥之处，肯请各位老师指正。42 落料拉深冲孔复合模设计2.1 工艺性分析零件材料为 H68 黄铜，能够进行一般的冲压加工，市场上也容易得到这种材料，价格适中。该零件属于中等尺寸零件，料厚 1mm，外形较复杂，尺寸精度要求一般。加工一个这样的工件，传统的方法是采用三个工序来做，首先是落料，其次是拉深，最后是冲孔成形。从工件图 1-1 上看，该工件形状简单且轴对称，材料厚 1mm，材料为 H68 黄铜，其冲裁拉深性能较好。5图 1-1该零件为阶梯圆筒形件凸缘上两孔为 6，工件的精度为为 IT14 级，普通的冲裁工艺均可以保证。两个小孔应最后加工出。综上所述，该零件的精度及结构尺寸都能满足冲压工艺性的要求，在中等批量生产时可以用冷冲压加工，冲压时选用工序为落料拉深冲孔。2.2 工艺方案的确定2.2.2 毛坯尺寸的计算由于材料厚度较大,故均按中线尺寸计算。由工件简图可得，d = 45mm,d= 20mm,由凸缘的相对直径 d / d = 45mm / 20mm = 2.25,查表 4.2 得修边余量 =1.2mm,因零件底部圆角半径 r 与凸缘圆角半径 R 相等，即 r = R 时，有凸缘筒形件的毛胚直径。（式 1-1）)(42123hdD6将 d = 45+ 2 = (101+ 21.2)mm =47.4mm ,d =21mm,d =11mm,h =h =3mm,R = 1mm,代入上式中，得毛胚的直径为D =48.78)(78.4321m2.2.2.判断拉深次数对于阶梯形拉深件能否一次拉出可求出制件的高度与最小直径之比 h/d 。若该比值小御圆筒形件一次成形的最大相对高、则供需次数为 1，即可一次拉出。H/d =7/10=0.70.84由上述公式可知可以一次拉出。该工件的工序包括落料、拉深、冲孔三个基本工序，可以制定以下几种工艺方案：方案一：先落料、后拉深，再冲孔，采用单工序模生产；方案二：落料、拉深、冲孔复合冲压，采用复合模生产；方案三：落料、拉深、冲孔级进冲压，采用级进模生产。以上几种方案：对于方案一，模具要求简单，但是需要三道或者更多道工序，每道工序都需一套模具，模具套数过多，生产效率将会降低，难以满足大批量生产的要求；方案二采用复合模生产，生产效率较高，复合模结构虽然较方案一复杂，但是由于零件的几何形状简单对称，模具制造并不困难；方案三生产效率也很高，但零件的冲压精度稍差。欲保证冲压件的形位精度，需要在模具上设置导正销导正，故模具制造、安装较复合模复杂。通过对上述三种方案的分析比较，该零件的冲压生产采用方案二为佳。2.3 必要工艺参数的计算2.3.1 压力中心的确定由于该零件为轴对称件，故不必进行压力中心的计算。2.3.2 排样和材料利用率该工件排样根据落料工序设计。考虑操作方便及模具结构简单，故采用单排排样设计。由表 2-163查得搭边值 a1=1.0mm，a=1.0mm，采用双排挡料销挡料，则：条料宽 B=48.78+2a=50.78mm条料的进距 h=48.78+a1=49.78mm冲裁单件材料的利用率，既（式 2-6）%10/0BhnA7=1 /4 49.78 100%2478.50=70%式中：A 冲裁件面积；n一个进距的冲裁件数量；B条料宽度；h进距。2.4 计算工序压力 2.4.1 落料力的计算F 落= （式 2-7）KLt式中：F 落落料力（N） ；L工件轮廓周长（mm） ；K系数，一般取 1.3；t材料厚度，t=1.0mm；材料的抗剪强度（Mpa） ，查表得 Mpa。落料力为：F 落=1.3 3.14 47.8mm 400MPa1mm=79647.984N=79.648KN。 2.4.2 冲孔力的计算F = KLt （式 2-8）式中 F =冲孔力（N） ；K系数，一般取 1.3；L冲孔的周长（mm） ；T材料厚度（mm） ；材料抗剪强度（Mpa） ，查表得 =400；冲孔力为： F冲 40Mpam.164.31=19593.6NKN59.两个孔的冲孔力为：2 F =19.593 2冲=39.186KN 82.4.3 拉深力的计算该零件为有压边圈的圆筒型件拉深，则F =K 式（2-9）拉 bdt式中：F 拉拉深力（N） ；d 拉深件的直径，d=78mm；t材料厚度；材料的强度极限（Mpa） ，约为 1.3 ；K修正系数。拉深因数 m1=0.5，m2=0.74 由表 4-18 查得修正因数 K=1因为是阶梯形拉深，所以直径 10 的拉深力为：F =1 403.14.3=16328N直径 20 的拉深力为：F =12.=32656N总拉深力为：F =16328+32656=48984N=49.984KN拉2.4.4 冲裁力的计算F= F +2 F + F 落拉 冲=49.984+39.186+79.648=148.225KN2.4.5 顶件力的计算F =K F （式 2-10）顶 顶式中：K 顶件力因数，由表得 K =0.06顶推件力则为：K =0.06 148.225顶 =8.893KN2.4.6 卸料力的计算9F =K F （式 2-11）卸 卸式中：F 卸料力因数。其值查表 K 卸=0.04卸卸料力为： F =0.04 148.225卸 =5.929KN2.4.7 压边力的计算对于拉深任意形状的制件压边力为F =Aq （式 2-3）式中 A压边圈实际压边面积，mm ；q单位面积上的压边力，MPa，其值查表得 q=1.7.F =压 7.1)4/.3204/1.37(2 2.414KN2.4.8 总压力计算总压力为：F = F +2 F + F 落+ F + F + F 总 拉 冲 卸 顶 压=49.984+39.186+79.648+8.893+5.929+2.414=163.048N163KN初选压力机的压力应在保证冲压工艺所需要的变形力为前提，还要有一定的李亮储备，以防万一，所以选择的设备吨位一般为 1.3 倍的总压力。所以压力机的吨位应为 F =1.3 F =1.3 163=211KN所以初选压力机为 250KN。2.5 模具总体设计该工作的模具结构如图，主要由上下模、落料凹模、凸凹模、冲孔凸模、拉深10凹模、落料冲孔凹模、下顶块、上顶块、卸料板等零件组成。2.5.1 模具类型的选择由冲压工艺分析后，采用复合模冲压比较合理，模具类型为落料拉深冲孔复合模。2.5.2 定位方式的选择因为该模具使用的是条料，落料为圆故采用导料销，送进步距方式采用挡料销。2.5.3 卸料、出件方式该模具的压边装置安装在上模，妨碍了冲孔废料的排出。下模座开设了一个斜漏料孔，并用螺钉来限位，使拖板与下模座之间保持一定的间距，从而保证废料能依靠自重顺利排出。出件方式橡胶和压边圈以及凹模顶出顶出。2.5.4 导向方式该复合模采用双后式导柱的导向方式。2.6 工作部分尺寸计算2.6.1 落料刃口尺寸计算由于落料是一个简单的圆形，因冲裁此类工件的凸、凹模制造相对简单，精度容易保证，所以采用分别加工。设计时，需在图纸上分别标注凸模刃口尺寸和凹模刃口尺寸及制造工差。查表得双面间隙值 Z =0.05mm，Z =0.07mm。查表得凸模制造公差： = 凸0.02mm，凹模制造公差： = 0.03mm。凹校核：Z - Z = 0.02mm，而 + = 0.01mmmaxin凸 凹满足 Z - Z + 的条件。凸 凹查表得：磨损系数 x = 0.5根据设计原则,落料时以凹模为设计基准。由书式（2-3）和（2-4）得D = ( D - x ) （式 2-3）凹 ma凹0D = ( D - Z ) （式 2-4）凸 凹 in凸式中 D 落料凸模尺寸；凸11D 落料凹凸模尺寸；凹D 落料件的最大基本尺寸；maxX磨损系数；工件制造公差；Z 最小合理间隙； 、 凸、凹模的制造公差。凸 凹把 D = 47mm，x = 0.5, =0.15, = 0.020mm， = 0.030mm，Zmax 凸 凹=0.06mm 代入上式得inD =（47mm 0.50.15） 凹 03.D = 48.7 mm凹 03.D =（48.7mm 0.06mm） 凸 02.D =48.64 mm凸 02.2.6.2 冲孔刃口尺寸计算由于冲孔是一个简单的圆形，因冲裁此类工件的凸、凹模制造相对简单，精度容易保证，所以采用分别加工。设计时，需在图纸上分别标注凸模和凹模刃口尺寸及制造工差。查表得冲裁双面间隙值 Z =0.05mm，Z =0.07mm。查表得凸、凹模制造公差：minmax= 0.020mm， = 0.03mm。校核：Z - Z = 0.02mm，而 + = 0.01mmmaxin凸 凹满足 Z - Z + 的条件。凸 凹查表得 x = 0.5设计加工时，以凸模为设计基准，由式 2-5 和 2-6 得d = （d + x） （式 2-5）凸 min0凸d = （d + Z ） （式 2-6）凹 凸 i凹式中 d 、d 冲孔凸凹模尺寸；凸 凹冲孔件的最小基本尺寸；minX磨损系数；工件制造公差；Z 最小合理间隙；min 、 凸、凹模的制造公差。凸 凹12对于冲小孔：把 = 6mm,x = 0.5, =0.16, Z =0.06mm, = 0.020mm， = mind min凸 凹0.03mm 代入上式得d =（6mm + 0.50.16） 凸 02.d = 6.08 mm凸 02.d =（6.08mm + 0.06） 凹 05.d = 6.14 mm凹 03.2.6.3 拉深工作部分尺寸计算由于外形尺寸精度一般，所以以凹模为基准进行设计加工，对于大圆拉深由式4.35 和 4.36 得D = ( D+0.4 ) （式 4-35）凸 0凸D = ( D+0.4 -2c) （式 4-36）凹 凹式中： D 、 D 凹、凸模的尺寸； 凸 凹D零件外径的最大极限尺寸；零件的公差； 、 凹、凸模制造公差；凸 凹c拉深模间隙。查表得 = 0.43， =0.04， = 0.0.07mm,因为工件的精度要求一般，凸 凹为了拉深后的回弹小，表面光洁，所以采用负间隙拉深模，其单面间隙值 c 查表得c=1.05代入上式得D = ( D+0.4 ) 凸 0凸=（20+0.40.43） 04.D = 20.172凸 04.D = ( D+0.4 +2c) 凹 凹=（20+0.40.43+2 1.05） 凹0D = 22.272凹 07.对于小圆拉深由式 4-35 和 4-36 得D = ( D+0.4 ) （式 4-35）凸 0凸13D = ( D+0.4 +2c) （式 4-36）凹 凹0式中： D 、 D 凹、凸模的尺寸； 凸 凹D零件外径的最大极限尺寸；零件的公差； 、 凹、凸模制造公差；凸 凹c拉深模间隙。查表得 = 0.43， =0.04， = 0.0.07mm,因为工件的精度要求一般，凸 凹为了拉深后的回弹小，表面光洁，所以采用负间隙拉深模，其单面间隙值 c 查表得c=1.05代入上式得D = ( D+0.4 ) 凸 0凸=（10+0.40.43） 04.D = 10.172凸 04.D = ( D+0.4 +2c) 凹 凹=（10+0.40.43+2 1.05） 07.D = 12.272凹 07.2.7 弹性元件的设计计算为了得到较平稳的工件此模具采用弹压式卸料结构，使条料在落料、拉深、冲孔过程中始终处在一个稳定的压力之下，从而改善了毛坯的稳定性，避免材料在切向应力的作用下起皱的可能，并且实现规定好的动作顺序。2.7.1 上卸料采用橡胶作为弹性元件H 自由 =（3.54）S 工作 式中 H 自由橡胶的自由高度 S 工作 工作行程与模具修磨量或调整量（46mm）之和H 自由 =（3+3+3）=9mm则 H 自由 =（3.54）9=30.536mm取 H 自由 =35mm由式（1-50）3计算橡胶的装配高度为：H2=（0.850.9）H 自由 =（0.850.9）35=29.7531.5mm14取 H2=31mm橡胶的断面面积，在模具装配时按模具空间大小确定。2.7.2 下模实现拉伸动作顺序采用橡胶作为弹性元件H 自由 =（3.54）S 工作S 工作=（3+3）=6mm则 H 自由 =（3.54）6=2124mm取 H 自由 =24mm由式（1-50）3计算橡胶的装配高度为：H2=（0.850.9）H 自由 =（0.850.9）24=20.421.6mm取 H2=21mm橡胶的断面面积，在模具装配时按模具空间大小确定。2.8 模架及其他零部件的选用据主要工作部分尺寸、结构及弹性元件的尺寸，参照有关资料可选取 I 级精度的后侧导柱模架，即 上模座 160 HT200下模座 16016050 HT200导 柱 A28H7170 20 钢导 套 A28H711043 20 钢导柱、导套渗碳深度为 0.81.2mm，硬度为 5862HRC。2.9 模具总装图由以上设计，可得到如图所示的模具总装图，为了实现先落料，后拉深，应保证模具装配后，拉深凸模的端面比落料凹模的端面高 2mm。将条料沿导料销平放在凹模面上，并沿导料销向前送进，接触到挡料销时停止送进，压力机滑块带着上模下行，首先由凹模 3 进行落料，紧接着由凸模 5 和凸凹模 21 进行拉深；当拉深结束后，拉深凸模上橡胶压缩，冲孔凸模 4 与凸凹模 22 进行冲孔，拉深凹模 21 和压边圈 14 分别还有顶出和卸料作用。15总装图 2-2 落料拉深冲孔复合模1下模座 2导柱 3落料凹模 4冲孔凸模 5拉深凸模 6导套 7、上模座 8、18销钉 9模柄 10、19螺钉 11上模固定板 12落料凸模固定板 13、15、20橡胶 14压边圈 16下模固定板 17下模垫板 21拉深凹模 22落料冲孔凸凹模 23托板 24限位螺钉 25挡料销2.10 冲压设备的选定16选用公称压力为 250KN 的开式压力机。其主要技术参数为：公称压力： 250KN发生公称压力时滑块距离下死点距离：6mm滑块行程： 80mm最大闭和高度： 360mm最小必和高度： 180mm封闭高度调节量： 70mm工作台尺寸：（前后）360mm工作台尺寸：（左右）560mm 行程次数： 100 次/min模柄孔尺寸： 50mm70mm滑块中心到床身距离：190mm立柱间距离： 260mm工作台板厚： 70mm工作台孔尺寸：（左右）260mm工作台孔尺寸：（前后）130mm工作台孔尺寸：（直径）180mm、3 结 论17五年的大学学习生涯已接近尾声，这次毕业设计是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。随着我国经济的迅速发展，采用模具的生产技术得到愈来愈广泛的应用。在完成大学三年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了机械制图、机械设计、机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，对机械制造、加工的工艺有了一个系统、全面的理解，达到了学习的目的。对于模具设计这个实践性非常强的设计课题，我们进行了大量的实习。经过在学校老师和外聘老师耐心的指导，我们知道模具的结构，每一个零件起到的作用，复合模具的冲压顺序，哪里需要橡胶哪里需要弹簧，哪个先动，哪个后动，老师们还带我们看了模具的实体结构，并拆开分析结构以及工艺的制定。并在图书馆借阅了许多相关手册和书籍，设计中，将充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大努力搞好本次毕业设计。在毕业设计的过程中，我感觉到自己确实收获了许多。通过这次自己设计一套模具，让我对冲压模有了更加深刻的了解，使我能够综合运用各种冲压模具设计资料上的知识，懂得了在遇到难题时该如何去查找资料来解决问题，进一步巩固、加深和拓宽所学知识。并逐步树立了正确的设计思想，增强了创新意识，熟悉掌握冲压模具设计的一般规律，培养了分析问题和解决问题的能力；通过设计计算、绘图以及运用技术标准、规范、设计手册等有关设计资料，进行了全面的冲压模具设计基本技能的训练。真正设计出一套模具是辛苦的，但设计的过程是充实的，这正是我在这次设计过程中深刻感受到的。在设计的过程中，将有一定的困难，但有各位指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。4 致 谢18时光如电，岁月如梭，五年的大学生活即将结束，而我也即将离开可敬的老师和熟悉的同学踏入不是很熟悉的社会中去。在这毕业之际，作为一名工科院校的学生，做毕业设计是一件必不可少的事情。毕业设计是一项非常繁杂的工作，它涉及的知识非常广泛，很多都是书上没有的东西，这就要靠自己去图书馆查找自己所需要的资料；还有很多设计计算，这些都要靠自己运用自己的思维能力去解决，可以说，没有一定的毅力和耐心是很难完成这样复杂的工作。在学校中，我主要学的是理论性的知识，而实践性很欠缺，而毕业设计就相当于实战前的一次总演练。毕业设计不但把我以前学的专业知识系统的