线圈铁芯冲压工艺分析与模具设计

线圈铁芯冲压工艺分析与模具设计摘要：本设计题目为线圈铁芯冲压成形工艺与模具设计，体现了板类冲压零件的设计要求、内容及方向，有一定的设计意义。通过对该零件模具的设计，进一步加强了我对冲压模具设计的基础知识，为设计更复杂的冲压模具做好了铺垫并吸取了更深刻的经验。本设计运用冲压成型工艺及模具设计的基础知识，首先分析了工件的成形工艺及模具成形结构对制件质量的影响。介绍了垫板冲压模具设计时要注意的要点，通过对制件进行工艺分析，可确定制件的成形加工用一套复合模即可。从控制制件尺寸精度出发，对线圈铁芯冲压模具的各主要尺寸进行了理论计算，以确定各工作零件的尺寸，从模具设计到零部件的加工工艺以及装配工艺等进行详细的阐述，并应用CAD进行各重要零件的设计。关键词：冲压模，复合模，连接片，冲裁间隙，冲压工艺CoilcorestampingprocessanalysisanddiedesignAbstract:Thetopicofthisdesignisthepadstampsforminghandicraftanddesignfordie.herequirementcontentanddirectionofthedesignofthestampsformingplatepartsareembodiedonthisstampingdiedesign.Thedesignersfoundationknowledgeofthestampingdiedesignisreinforcedandisabletodesignmorecomplexstampingdiethroughthedesign.Thisdesigntheelementaryknowledgewhichdesignsusingthestampingformationcraftandthedie,firsthasanalyzedtheworkpieceformedcraftandthedieformingstructuretotheworkpiecequalityinfluence.Introducedthepadfillingpiecestampingdiedesignwhenmustpayattentiontothemainpoint,throughcarriesonthecraftanalysistotheworkpiece,maydeterminetheworkpiecetheformedprocessingusessetofsuperposabledies.Embarksfromthecontrolworkpiecesizeprecision,countergearboltfillingpiecestampingdieeachmaindimensionhascarriedonthetheoreticalcalculation,bydeterminedeachworkcomponentsthesize,designsfromthedietothesparepartprocessingcraftaswellastheassemblycraftandsooncarriesonthedetailedelaboration,andcarriesoneachimportantcomponentsusingCADthedesign.Keyword:stampingdie，compounddie，connectiontablets，blankinggap，stampingprocessII目录1前言.12零件的工艺分析及工艺方案.22.1零件图如下所示.23排样方案.33.1毛坯尺寸的计算.33.2材料搭边值.43.3条料宽度计算.43.4材料利用率计算.44冲压力计算及设备选择.54.1冲压力的计算.64.2设备的选择.65压力中心计算.66模具结构草图.87工作零件设计.127.1工作零件设计.127.1.1凸模设计的三原则.127.2凹模的外形尺寸确定.137.3凹模板厚度.137.4刃口尺寸计算.137.5工作零件的设计.137.6凸模的加工方法.147.6.1冲孔凸模的设计.148卸料装置的设计.149标准件的选用.169.1各用途的螺钉、销钉的选用.169.3模架的选用.1810设备校核.1810.1凸模抗压能力校核.18III10.2凸模纵向抗弯曲能力校核.1911凸凹模加工工艺规程编制.19结论.20参考资料.21致谢.2211前言冷冲压技术从最初的作坊式生产到现在的专业化模具工业生产，从无到有发展迅速。而我国模具工业在近20年来发展更是迅速，模具及模具加工设备市场需求潜力巨大，发展前景广阔。随着工业的发展，工业产品的品种、数量越来越多，对产品质量和外观的要求，更是日趋精美、华丽。所以改革开放20多年以来，我国已成为使用各类模具的大国，其中，汽车、摩托车与家电产品生产用的各类模具的年需求量已占全国模具总量的60%以上。但是，我国模具生产能力和水平，与国外相比则差距颇大，造成20世纪90年代模具进口量占全国模具销售总额的1/3以上，达6亿10亿美元。精密模具的设计未来一定会有很高的市场需求，随着技术的发展，中国市场对精密模具的需求会越来越大，现在很多高端模具的设计只能买国外的。国内大部分模具加工行业都停留在比较低端的层面上。只是，这部分工业技术的发展不是一朝一夕能进行的，加上投入比较大，国外技术的封锁，数控加工技术的发展缓慢，这些都是直接制约到模具设计加工的发展。有理想，加入模具设计领域是对的。为生存，学会模具设计未来也能混口饭吃。我觉得模具设计绝对算是一技之长。12零件的工艺分析及工艺方案2.1零件图如下所示：形状：铁心冲片形状如“山”字形，其长为48mm，宽为36mm，两边距底边24mm和12mm处各有一个直径为3mm的孔，并与中心线对称。因此其形状较简单。零件图（1）本零件采用模架为中间导柱模架；（2）本零件采用条料送进；（3）模具中采用导尺和挡料销定位。23排样方案3.1毛坯尺寸的计算：排样图如下：从工件的形状尺寸来看，为使模具制造更简单、方便，我们优先选用直排。3.2材料搭边值：查表2-10，工件最小搭边值a=1.2mm,a1=1.5mm，考虑支撑面刚度问题，在设计中取其搭边值为a=3mm,a1=2mm。（1）计算步距：S0=b+a=24.6+3=27.6mm（2）定位方式从工件的形状以及尺寸上看，为使工件能准确定位，本设计中采用导尺和挡料销来定位。33.3条料宽度计算：本设计为无侧压装置时的条料宽度计算，计算结果如下：B=（D+2a1+）0-=(48+2x2+0.1)0-0.1=52.10-0.1mm导料板之间的尺寸，即导料尺寸为：B1=B+C1=52.1+0.1=52.2mm式中B条料宽度（mm）；B1导料板的导料尺寸(mm)；D工件横向最大尺寸(mm)；a1横搭边；条料宽度公差，见表2-11表2-12；C1条料入端间隙，见表2-13；3.4材料利用率计算：一段条料能冲出的工件的重量与这段条料重量之比的百分数称为材料利用率。由于板料冲裁时板厚是一定的，所以材料利用率可用面积之比，即一段条料的有效面积与这段条料的面积之比，来代替重量之比。同一工件，排样不同时，材料利用率也会不同，材料利用率越高者越省料。因此，材料利用率是判断排样是否经济的重要参数。但材料利用率并不是选择排样的唯一标准。一般按下述原则选择：对于铜板等较贵重材料，特别是在生产量较大时，应尽量选择材料利用率较高的排样。如果某种排样不其它排样的材料利用率提高不到5%，且使模具复杂化时，那么这种排样是不可取的。而在生产量小时，应尽可能选择比较简单的排样，以便模具容易制造。按条料计算材料利用率来计算：=(nxA/LxB)x100%A=48x24.6-x3x4-10.6x14x2=846.3mm24即：=3x846.3/(84.5x52.5)=57.2%A一个工件的实际面积(mm2)。=145089.98mm2式中A剪切断面面积(mm2)；冲孔：F2=KA4冲压力计算及设备选择4.1冲压力的计算：冲裁的基本工序为落料、冲孔，冲裁方式为弹压卸料逆出件方式，所以冲裁力计算结果如下：电工硅钢的抗剪强度为450（退火）；落料：F1=KA=(48x2+24.6x2+10.6x4)x1x450x1.3=109746N=1.3x4xx3x1x450=22053.98NF=F1+F2=109846+22053.98=131899.98N卸料力：FQ1=K1F=0.04x131899.98=5276N顶件力：FQ3=K3F=0.06x131899.98=7914N因此总冲压力：F0=F+FQ1+FQ3=131899.98+5276+7914板料的抗剪强度(Mpa)；K安全系数，取1.3；FQ1、FQ3分别为卸料力、顶件力；式中：n一根条料能冲出的工件数目；L条料的长度(mm)；5K1、K3分别为卸料力系数、顶件力系数，其值见表1-7。4.2设备的选择：根据零件形状大小以及生产批量要求，同时根据计算所得选定压力机为开式双柱可倾压力机。因为F0=145089.98N,所以选定压力机为J23-16，其压力机主要规格如下：型号J23-16公称压力/KN160滑块行程/mm70滑块行程次数/（次/min）115最大闭合高度/mm220封闭高度调节量/mm60模柄孔尺寸/mm40x65倾斜角30立柱间距离/mm220工作台板厚度/mm50工作台尺寸/mm（左右）450工作台尺寸/mm（前后）300滑块底面尺寸/mm（左右）200滑块底面尺寸/mm（前后）180电机功率/KW1.55压力中心计算冲裁力合力的作用点称为冲裁的压力中心。为了保证压力机和模具平稳的工作，必须使冲模的压力中心与压力机滑块中心线相重合，对于使用模柄的中小型模具就是要使其压力中心与模柄轴线相重合，否则将使冲模和压力机滑块承受侧向力，引起6凸、凹模间隙不均匀和导向零件加速磨损，甚至还会引起压力机导轨的磨损、影响压力机精度。对与工件外行尺寸大、形状复杂、多凸模的冲裁模和级进模，正确确定其压力中心就显得更为重要。根据零件图建立坐标系xoy，如下图：坐标图各线段及圆的长度和重心坐标如下：L1=48mmx1=24mmy1=0L2=3mmx2=11mmy2=5mmL3=3mmx3=37mmy3=5mmL4=24.6mmx4=48mmy4=12.3mmL5=7mmx5=44.5mmy5=24.6mmL6=3mmx6=44.5mmy6=21mmL7=10.6mmx7=41mmy7=19.3mmL8=14mmx8=34mmy8=14mmL9=10.6mmx9=27mmy9=19.3mmL10=6mmx10=24mmy10=24.6mmL11=10.6mmx11=21mmy11=19.3mmL12=14mmx12=14mmy12=14mm7L13=10.6mmx13=7mmy13=19.3mmL14=7mmx14=3.5mmy14=24.6mmL15=3mmx15=3.5mmy15=21mmL16=24.6mmx16=0y16=12.3mmx0=(x1L1+x2L2+x16L16)/(L1+L2+L16)=(2448+113+024.6)/(48+3+24.6)=24mm；y0=(y1L1+y2L2+y16L16)/(L1+L2+L16)=(048+53+12.324.6)/(48+3+24.6)=12.417mm经计算得压力中心的坐标为：X0=24Y0=12.417。可取X0=24Y0=12，作为设计模具的参数。6工作零件设计6.1工作零件设计：6.1.1凸模设计的三原则：为了保证凸模能够正常工作，设计任何结构形式的凸模都必须满足如下三原则：（1）精确定位凸模安装到固定板上以后，在工作过程中其轴线或母线不允许发生任何方向的位移，否则将造成冲裁间隙不均匀，降低模具寿命，严重时可造成啃模。（2）防止拔出回程时，卸料力对凸模产生拉伸作用。凸模的结构应能防止凸模从固定板中拔出来。（3）防止转动对于工作段截面为圆形的凸模，当然不存在防转问题。可是对于一些截面比较简单的凸模，为了使凸模固定板上安装凸模的型孔加工容易，常常将凸模固定段简化为圆形。这时就必须保证凸模在工作过程中不发生转动，否则将啃模。凸模的设计包括落料凸模（凸凹模）、冲孔凸模。86.2凹模的外形尺寸确定：在排样图上沿送料方向与垂直料方向从凹模孔之间最大距离处画一矩形l*b为凹模有效面积。凹模有效面积矩形的对称中心应与压力中心重合，以便使模柄的中心线通过压力中心。经计算，我们所取压力中心与矩形l*b的中心重合。因此，凹模有效面积即为凹模形孔。所以，只要确定凹模壁厚c，就能确定凹模外形尺寸L*B。凹模壁厚c主要考虑布置连接螺钉和销钉孔的需要，同时也能保证凹模的强度和刚度，设计时可参照2-17选取。因此，估算凹模外形尺寸时，我们从凹模有效面积向外扩大3040mm，即：L=48+（3040）=7888mm；B=24.6+(3040)=54.664.6mm选用标准件：查表得LB=80636.3凹模板厚度：按经验公式H=K1K2(0.1F)1/3算得H=23.62mm式中K1为凹模材料修正系数，在这取1，K2为凹模刃口周边长度修正系数，见表2-18。设计中根据要求我们取H=25mm。为方便凹模的制作加工，凹模采用镶拼式结构。因此在设计模具时，还要考虑拼块的固定。所以，凹模的固定可用具有一定过盈量的外套箍紧。为使凹模框有足够强度，其厚度我们定为4537mm。所以，凹模周界为LB=125100。6.4刃口尺寸计算：刃口尺寸计算的一般原则：9（1）刃口尺寸应保证冲出合格工件。（2）刃口磨损一些仍能冲出合格工件。（3）设计时应取最小合理冲裁间隙。本设计采用配作法制模计算刃口尺寸。首先查标准公差数值表确定每个未注公差尺寸的偏差值勤如下：轴类尺寸：480-0.62；60-0.3；70-0.36；孔类尺寸：140+043；10.60+0.43；自由长度尺寸：24.60.52。画出凹模刃口的磨损图，如上图所示。刃口磨损后，增大的尺寸有Ad1、Ad2、Ad3、Ad4；减小的尺寸有Bd；不变的尺寸有Cd。按分类后的刃口尺寸再将工件相应尺寸分类：a1=480-0.62、a2=(24.60.52)、a3=60-0.3、a4=70-0.36、b=140+043、c=10.60+0.43。全部工件尺寸为IT14级，磨损补偿系数x=0.5,因此，凹模刃口尺寸为：查冲裁间隙表1-3得该件冲裁模初始合理双面冲裁间隙Zmin=(6%*1)mm=0.06mm由凸模刃口磨损图可确定凸模刃口尺寸磨损后的性质，见上图。刃口磨损后，凸模尺寸将减小。工件尺寸为IT12级，磨损补偿系数x=0.75。计算如下：Bd=(3+0.75*0.1)0-0.1/4=3.0750-0.025工件孔中心距尺寸：Ld1=(40.9+0.2/2)0.2/8=410.025Ld2=(25.9+0.2/2)0.2/8=260.025Ld3=(15.9+0.2/2)0.2/8=160.025Ad1=(48-0.5*0.62)+0.62/40=47.69+0.1550Ad2=(25.12-0.5*1.04)+1.04/40=24.6+0.260Ad3=(6-0.5*0.3)+0.3/40=5.85+0.0750Ad4=(7-0.5*0.36)+0.36/40=6.82+0.090Bd=(14-0.5*0.43)0-0.43/4=13.7850-0.108Cd=(10.6+0.43/2)0.43/8=10.8150.054查冲裁间隙表1-3得该件冲裁模初始合理双面冲裁间隙Zmin=(6%*1)mm=0.06mm在凹模零件工作图上，注与凸模刃口尺寸对应的基本尺寸，不注公差。并在技术要求中注写“刃口尺寸按凸模实际尺寸配作，保证单边间隙为0.03mm”。6.5工作零件的设计：10（1）落料凸模（凸凹模）的设计及加工：根据冲裁时凸模所受的力，为满足其需要，设计结构采用直通式，其结构如下：凸凹模落料凸模设计以凹模为基准，凸模为配制件，则凸模刃口尺寸为：Ad1=47.69；Ad2=24.6；Ad3=5.85；Ad4=6.82Bb=13.785；Cd=10.8150.054凸模根据其强度要求，选用Cr12MoV，材料热处理后的硬度为6062HRC。直通式凸模采用铆装式固定，凸模与固定板采用H7/m6的过渡配合。（2）凸模的装配方法为夺压入法，其特点为连接牢固可靠，对配合孔的精度要求高。加工成本高，因以凹模为配作件，所以凹模以凸模为基准配作，保证单面间隙为0.03mm。6.6凸模的加工方法：冲压模具的凸模都需进行淬火等热处理工艺，获得高硬度和高耐磨性，则可采取以11下加工方案：锻造退火机加工淬火、回火精磨或电火花加工成品凸模长度的确定：设计标准模具时，当选定了典型组合以后，凸模的长度就确定了。设计非标准模具时，凸模的长度一般根据结构上的需要，并考虑磨损量和安全因素来确定。因本模具采用的是标准模具，因此凸模的长度就可以通过公式来求，具体计算如下：弹性卸料方式的凸模长度按下式计算：（2-7）L=h1+h2+h4+h5-0.2=24+20+20-0.2=63.8mm式中：h1凸模固定板厚度（mm）h4弹压卸料板厚度（mm）h5预压状态下卸料橡皮厚度（mm），h5=（0.850.9）H，H为自由状态下橡胶的厚度。公式中的0.2mm是凸模端面缩进卸料板的距离。6.6.1冲孔凸模的设计：冲孔凸模的设计以凸模为基准，凹模为配制件，则凹模的刃口尺寸为：Bb=3.075凸模根据其强度要求，选用Cr4W2MoV,材料热处理后的硬度为6062HRC。凸模的安装与固定方法如下：因所设计的凸模为圆凸模，所以其固定方式为凸模固定板上加工出台阶来固定。凸模与固定板的配合为H7/m6过渡配合。凸模的装配方法为压入法，其特点为连接牢固可靠，对配合孔的精度要求高。加工成本高，因以凹模为配作件，所以凹模以凸模为基准配作，保证单面间隙为0.03mm。凸模的加工方法：冲压模具的凸模都需进行淬火等热处理工艺，获得高硬度和高耐磨性，则可采取以下加工方案：12锻造退火机加工淬火、回火精磨或电火花加工成品。凸模长度的确定：设计标准模具时，当选定了典型组合以后，凸模的长度就确定了。设计非标准模具时，凸模的长度一般根据结构上的需要，并考虑磨损量和安全因素来确定。因本模具采用的是标准模具，因此凸模的长度就可以通过公式来求，具体计算如下：L=h1+h2-t=20+25-1=44mm式中：h1凸模固定板厚度（mm）；h2凹模板厚度（mm）；t板料厚度(mm)。7卸料装置的设计卸料装置的功用是在一次冲裁结束之后，将条料或工序件与落料凸模或冲孔凸模脱离，以便进行下一次冲裁。因本模具零件精度要求较高，同时为防止零件的变形，能够冲出平整的工件。因此采用弹性卸料，而因零件精度高，在采用弹性卸料的同时要采用导柱导向。橡胶块作为弹性元件，具有承受负荷比弹簧大、安全及安装调整方便等优点。冲裁模的工作行程较小，选用橡胶块作为弹压卸料装置的弹性元件更为多见。本设计中材料厚度t为1mm，经计算卸料力Fx为5276N，选用卸料橡胶，其计算过程如下：（1）假设考虑了模具结构，决定用8个厚壁筒形的聚氨脂弹性体。（2）计算每个弹性体的预压力Fy：Fy=5276N/8=659.5N（3）考虑橡胶块的工作压缩量较小，取预压缩率y=10%，并由表227查得单位压力Fq=1.1Mpa。（4）按式（249）计算弹性体的截面面积A：A=Fy/Fq=659.5/1.1599.5mm213（5）如果选用直径为8mm的卸料螺钉，选取弹性体穿卸料螺钉孔的直径d=8.5mm。则弹性体的外径D可按下式求得：（D-d）/4=A则D=（4A/+d）1/2=(4*599.5/+8.52)1/229mm因此，D取30mm。（6）橡胶高度的确定：H=hg/(j-y)=2/(0.2-0.1)=20mm对于卸料橡胶块，hg即为弹压卸料板的工作行程，一般取hg=t+1，t为板料厚度。（7）橡胶块高度的校核：0.5H/D1.5而本设计中H/D=20/30=0.67mm，所以所选橡胶合格。所以经计算选取卸料橡胶块为：橡胶块的高度为H=20mm总计块数为n=8橡胶块的材料为邵氏7080A的聚氨酯橡胶8标准件的选用8.1各用途的螺钉、销钉的选用：根据模具的实际选用圆柱头内六角螺钉、销钉。螺钉的选用例表如下：螺纹规格dM8M10螺距p1.251.25式中：hg橡胶块工作压缩量（mm）；j橡胶块极限压缩率，取20%；y橡胶块预压缩率，对于聚氨酯，取10%。14b参考2226min0.150.15max0.60.6damax9.211.2dsmax8min7.78max10min9.78emin14.2017.59k6.867.89s12.5715.57销钉的选用例表如下：（圆柱销）销GB11986d（公称）6810a0.801.01.2cL（公称）1260148020958.2模柄的选用根据压力机选择模柄：查表，选用压入式模柄(mm)dd1d2LL1L2L340425010035648.3模架的选用：各模架名称尺寸凹模周界12510015上模座12510035下模座12510045导柱25130导套258028螺钉M616各模板的尺寸：凹模板806325导料板100366卸料板10010020上固定板10010024下固定板12510015卸料橡胶H=20所以依据上面所选的各标准的模架，则整个模架的尺寸都以选择了。因此其它的尺寸根据各模架的尺寸来确定。9设备校核模具结构和各零件都设计好后必须对模具进行必要的校核。其中的校核包括凸模强度校核、压力机的校核等。因各尺寸都是计算出来的，所以压力机的校核以及其它一些的校核都不要校核。因为它已经有足够的强度等，而必要校核的是凸模强度的校核。一般凸模的强度是足够的，没有必要进行强度校核。只有当凸模特别细长，或凸模的截面尺寸相对于板厚很小时，才进行强度校核。凸模强度校核包括抗压能力和抗纵向弯曲能力两个方面的内容。9.1凸模抗压能力校核：凸模能正常工作，其最小截面承受的压应力必须小于凸模材料允许的压应力：=F/A落料凸模：=F1/A=109746/187.6=585Mpa冲孔凸模：对于圆形凸模，F=dt代入上式可得：d4t/=41450/100016=1.8mm式中：凸模最小截面的压应力（Mpa）F冲裁力（N）A凸模最小截面积（mm）d凸模最小直径（mm）t板料厚度（mm）板料抗剪强度（Mpa）凸模材料许用压应力（Mpa）如果凸模材料用一般工具钢，淬火硬度为5862HRC，可取为10001600Mpa，冲裁低碳钢板时，取300Mpa。核对各凸模：落料凸模：；冲孔凸模：d=3.075mm1.8mm。所以各凸模的强度经核算后其各凸模强度足够。9.2凸模纵向抗弯曲能力校核：冲裁时凸模纵向抗弯曲能力可利用杆件受轴向压力的欧拉公式进行校核。因凸模有导向，则采用式（223）计算：Lmax（2EJ/nF）1/2落料凸模：Lmax（2EJ/nF）1/2=(22.21052187.62/3109746)1/2=681.3mm冲孔凸模：Lmax（2EJ/nF）1/2=(22.210527.52/322053.98)1/2=60.75mm因各凸模尺寸为：落料凸模：L1=63.8mm681.3mm；冲孔凸模：L2=44.5m