汽车覆盖件冲压模具设计

1、1 概述1.1 课题来源随着科技的不断发展进步，汽车越来越普及。铰链支座是汽车中支撑架的一个重要零件。该铰链支座和一个活动板结合成一个机构，可以实现汽车车门在一定的范围内旋转。为了保证汽车门旋转的精度和稳定性，本课题将根据制件拟进行排样的设计，工艺设计和计算，然后设计出合理的多工位级进模，使得冲压成形的制件能够满足要求。1.2 选题目的该铰链支座在汽车车门中主要起支撑作用，其制造精度直接关系到汽车的旋转稳定性，若出现汽车旋转不稳定，不平衡，旋转角度不容易调节，将直接影响到汽车车门的顺利开闭问题。该铰链支座的成形工序较多，包括冲孔、弯曲、成型、切断等。通过设计排样来提高材料的利用率及设计出合理的

2、级进模。1.3 研究现状和发展趋势级进模是指模具上沿被冲原材料的直线送料方向，至少有两个或是两个以上的工位，并在压力机的一次行程中，在不同工位上完成两个或是两个以上的冲压工序的冲模。级进模在过去，因技术水平的限制，工位相对较少。近年来由于对冲压自动化、高精度、长寿命提出了更高要求，模具设计与制造高新技术的应用与进步，工位数已不再是限制模具设计与制造的关键。目前，在国内工位间步距精度可控制在之内，工位已达几十个，多的已有70多个。例如，空调器翅片级进模级进模制造精度达2，具有18个工位；集成电路引线框架级进模的制造精度达2微米，引线框架已经有4排24列，管脚64只，最小间隙尺寸为0.13mm。其

3、冲压次数也大大提高，由原来的每分钟冲几十次，提高到每分钟几百次，对于纯冲裁高达1500次/min。当然这速度和冲床及周边设备的性能有关。冲压方式由早期的手动送料，手工低速操作，发展到如今的自动、高速、安全生产。模具的总寿命由于新材料的应用，加工精度的提高和一些容易磨损的零件具有互换性，也不是早先几十万次，而是几千万次，上亿次。如汽车零件级进模的寿命至少达100万冲次；电机铁芯自动片级进模的寿命可达1亿冲次；空调器翅片级进模的寿命可达3亿冲次。级进模结构与精度正朝着两方面发展。一方面为了适应高效、自动、精密、安全等大批量自动化生产的需要，冲模正向高效、精密、长寿命、多工位、多功能方向发展；另一方

4、面，为适应市场上产品更新换代迅速的要求，各种快速成形方法和简易经济冲模的设计与制造业得到迅速发展。其中模具CAD、CAM技术向宜人化、集成化、智能化和网络化方向发展，并提高模具CAD、CAM系统专用化程度。因此本课题研究是对该制件进行工艺性分析，然后进行排样设计和工资计算，最后根据相关理论只是完成多工位级进模的设计。2 模具设计2.1 冲压工艺性分析冲压件如图2-1所示：图2-1 制件图1、 该冲压件的形状性对比较简单，其结构对称，也没有复杂形状的曲线，且各相接处都有圆角过渡。2、 该冲压件没有较长的窄槽。3、 最小冲孔直径为6mm，冲孔的最小尺寸d1.0t。故冲孔不会过小，冲孔凸模不易折断。

5、4、 孔与边、孔与孔之间的距离 由表2-201可知最小孔间距远大于2t，孔边距也（1-1.5）t,故制件上的孔边距和孔与孔之间的距离都不会小，不会使工件的冲压时产生变形。5、 弯曲的直边高度 该冲压件的弯曲边的高度H远大于2t，不会使弯曲根部发生开裂。6、 材料为JSH270C钢：具有良好的塑性和冲压性能，常用来制造连接结构件和冲压件。7、 尺寸精度：按公差IT12查出来的。尺寸精度较低，普通冲裁完全能够满足生产要求。2.2 工艺方案的确定该工件包括冲孔，切边，成型，弯曲四个基本工序，可以有以下三种工艺方案：方案一 ：先落料，后冲孔，成型，最后弯曲，采用单工序模生产。方案二：冲孔-落料-弯曲-

6、成型复合冲压，采用复合模生产。方案三：冲孔-切边-成型-弯曲-冲孔-切断级进冲压，采用级进模生产。方案一单工序冲裁模指在压力机一次行程内只完成一个冲压工序的冲裁模。该模具结构简单，但需要四道工序三副模具，成本高而生产效率低，难以满足中批量生产的要求。方案二复合冲裁模是指在一次工作行程中，在模具同一部位同时完成数道冲压工序的模具。该模具只需要一副模具，工件的精度及生产效率都很高，但由于工件上不是所有的孔都在同一平面上，冲孔凸模与弯曲凸模的防止存在干涉现象。方案三级进模（又称为连续模、跳步模）：是指压力机在一次行程中，依次在模具几个不同的位置上同时完成多道冲压工序的模具。它也只需要在一副模具内可以

7、完成多道不同的工序，可包括冲裁、弯曲、拉深等，具有比复合更好的生产效率。它的制件和废料均可以实现自然漏料，所以操作安全、方便，易于实现自动化。难以保证制件内、外相对位置的准确性因此制件精度不高。通过对上述三种方案的的分析比较，因为该制件的精度要求不高，用于中批量生产。所以该制件的冲压生产采用方案三为佳。2.3 排样的设计根据材料经济利用程度，排样方法可以分为有废料、少废料和无废料排样三种，根据制件在条料上的布置形式，排样有可以分为直排、斜排、对排、混合排、多排等多重形式。采用少、无废料排样法，材料利用率高，不但有利于一次冲程获得多个制件，而且可以简化模具结构，降低冲裁力，但是，因条料本身的公差

8、以及条料导向与定位所产生的误差的影响，所以模具冲裁件的公差等级较低。同时，因模具单面受力（单边切断时），不但会加剧模具的磨损，降低模具的寿命，而且也直接影响到冲裁件的断面质量。由于该产品为左右件，最适合的排样方法为对排式排样法。 搭边值和料宽的确定1、搭边值的确定排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的工艺余料，称为搭边。搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。搭边过大，浪费材料。搭边过小，冲裁时容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还有拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降低模具寿命。或影响送料工作。搭边值通常由经验确定，表所列搭边值为普通冲裁时经验数据之

9、一。搭边值工件间a为料厚的1到1.5倍取6mm 沿边a1为2mm2、条料宽度的确定排样方式和搭边值确定以后，条料的宽度和进距也就可以设计出。计算条料宽度有三种情况需要考虑；有侧压装置时条料的宽度。无侧压装置时条料的宽度。有定距侧刃时条料的宽度。当模具有定距侧刃时，在能保证定距侧刃冲切剪口的断面质量时，应该使料边宽度尽可能小，以保证提高材料利用率避免浪费和尽量减小模具体积和材料。单边条料宽度公式：B=（D+a+nC）其中条料宽度偏差上偏差为0，下偏差为。D条料宽度方向冲裁件的最大尺寸。a侧搭边值。表4.32 剪料公差及条料与导料板之间隙（mm）条料宽度B/mm材料厚度t/mm1122335505

10、01001001501502202203000.40.50.60.70.80.50.60.70.80.90.70.80.91.01.10.91.01.11.21.3D取值由设计条料宽度方向冲裁件的最大尺寸为70(mm)侧搭边值a为2mm故带入单边条料宽度公式得；B=（70+2+4.26）-01.2=76.26 -01.2(mm) 故而双边调料宽度为152mm，考虑其他方面圆整为156mm查表4.32中，可得条料宽度偏差下偏差为-1.2mm3、导料板间距离的确定条料的宽度确定了，进而就可以确定导料板间距离,根据经验，条料与导料板间的间隙取为单边0.2mm，所以导料板间距为156.4mm工序的安排

11、多工位级进模中的工位顺序一般是：冲裁成形切断分离。各个工位内容安排如下：第一工位：冲导正孔第二工位：冲成型孔和成型侧刃第三工位：同上第四工位：成型第五工位：弯曲第六工位：空工位第七工位：冲侧孔第八工位：空工位第九工位：切断分离 排样图 图4.21排样图材料利用率:=2s/B*LS产品的展开面积B料宽L步距=23761/16085 =55% 对于55%的这样一个材料利用率来说，在冲压工艺的排样设计中是一个比较低的材料利用率，但是考虑到排样时的废料都为工艺废料，是不可省略的。若是考虑改变排样方法，例如斜排，这样不对称的排样又不能保证模具的对称而不能保证模具的受力平衡。2.4 冲压工艺计算 第一站工

12、序：冲定位工艺孔 这一站为普通平刃冲裁模，其冲裁力F p一般可以按下式计算：Fp=KtL 式中 材料抗剪强度MPa；L冲裁周边总长（mm）；t材料厚度（mm）;系数K是考虑到冲裁模刃口的磨损，凸模与凹模间隙之波动（数值的变化或分布不均），润滑情况，材料力学性能与厚度公差的变化等因数而设置的安全系数K，一般取1.3。当查不到抗剪强度r时，可以用抗拉强度b代替，而取K=1的近似计算法计算。客户给出所用材料JSH270C钢，查参考文献的抗剪强度为273MPa冲孔周长为： L2=2R=23.145.04 =31.6 (mm)冲裁力为： F1=KtL =1.33.231.6273 =36000(N)表5

13、.41 卸料力、推件力和顶件力系数料厚t/mmKxKtKd钢0.10.10.50.50.252.56.56.50.0650.0750.0450.0550.040.050.030.040.020.030.10.0630.0550.0450.0250.140.080.060.050.03铝、铝合金纯铜，黄铜0.0250.080.020.060.030.070.030.09按顶件力公式算顶件力FQ2FQ2=KdFpKd查表5.41 得0.05根据公式得FQ2=KdFp=0.0536000=180（N） 刃口尺寸的计算 这一站属于级进模的工艺孔，在汽车模具行业，这种孔一般标准直径为10.8mm，所以凸

14、模（俗称冲孔冲头），凹模（俗称冲孔入子）都为行业内标准件，一般凸模做准，间隙取在凹模。所以凸模直径为10.08mm，凹模内径为10.64mm。 第二、三站工序：冲孔和切边 这一站也为普通平刃冲裁，与上一站不同的是有冲一个不规则孔和一个修边工序，但是这并不影响冲裁力的计算。从料带上量的，总的冲裁周长为：328.3mmFp=KtL =1.33.2328.3273 =374774N按顶件力公式算顶件力FQ2FQ2=KdFp =0.05374774 =18738N 刃口尺寸计算这一站为异形冲裁，凸模，凹模都为异形零件。一般采用线切割加工，发方法是直接从三维实体里面调取零件的二维数据，然后利用数控机床编

15、程，编程时，线切割加工轨迹包含了零件外形尺寸和线切割铜丝或钼丝半径一般为0.09mm和线切割放电火花为0.02mm。第四站工序：成型工序和打字码 成型工序可以看成是局部的剪切，既材料分离形成小于料厚的剪切，所以冲压力的计算仍可以采用冲裁力计算公式计算。可知，这一站的材料移动位移为1.95mm。冲才周长为：114mmFp=KtL =1.31.95114273 =78894N打字码工序和成型工序属同一站，并且冲压力相对很小，并且，这里的冲压力计算属于大致估算，所以，可以在打字码的冲压力基本可以忽略不计，这一站的总冲压力可以在成型冲压力的基础上稍微放大。另外，在实际的生产中，无论何种成型工序的冲压力

16、计算一律采用冲裁力计算公式计算，对于这一站来说，既用全部的料厚3.2mm代入计算公式计算得冲压力为129000N。第五站工序：弯曲工序 F=(CKBt/r+t)bC与弯曲有关的系数，对于V形件C取0.6；U形件C取0.7K安装系数，一般取1.3；B料宽t 料厚r 弯曲半径b材料的强度极限由产品要求得r为4.4mm；料宽为75.7mm；查表钢材表（宝钢标准）得给出的材料强度极限为245MPa F=(CKBt/r+t)b2 =【（0.61.375.73.2）/（4.4+3.2）】245 =12183N第七站工序：冲侧孔工序这一站也为普通平刃冲裁模，其冲裁力F p一般可以按下式计算：Fp=KtL 式

17、中 材料抗剪强度MPa；L冲裁周边总长（mm）；t材料厚度（mm）;系数K是考虑到冲裁模刃口的磨损，凸模与凹模间隙之波动（数值的变化或分布不均），润滑情况，材料力学性能与厚度公差的变化等因数而设置的安全系数K，一般取1.3。当查不到抗剪强度r时，可以用抗拉强度b代替，而取K=1的近似计算法计算。 客户给出所用材料JSH270C钢查参考文献7得抗剪强度为273MPa冲孔周长为： L2=2R1+2R2+2R2=23.14（62+4.05） =100.8(mm)冲裁力为： F1=KtL =1.33.2100.8273 =114476（N)考虑双边斜滑块的作用，故冲裁力为；300000N第九站工序：切

18、断工序 F1=KtL =1.33.2110273 =12485(N)2.5 级进模的工艺零件设计工艺零件主要有工作零件、定距定位零部件、导料零部件、卸料零部件等。 凸模和凹模的设计凸凹模的设计原则：保证凸模，凹模有足够的强度、刚度和硬度；凸模和凹模的结构简单可靠，制造方便；废料的排除应该方便、可靠。（1）凸、凹模的结构设计对圆形凸模均采用阶梯式，台肩固定的结构，这种零件属于行业内标准件，直接购买即可；异形凸模采用直通式，台肩固式的结构，对凸模截面尺寸相对比较大，形状复杂点的异形凸模可采用销钉定位，内六角螺丝固定（如成形侧刃）；而对于成形的凸模也采用直通式，台肩固定的结构，采用线切割加工。与凸模

19、固定板采用H7/r6配合。凸模长度与外形凸模长度相等为65mm。凸模面加工成大角度对称斜面形式如图，这种结构设计的巧妙之处在于能防止当凸模带有磁性或者有油时防止废料与凸模一起上行，而落入从而保证模具安全工作。另外这种结构还可以降低冲裁力。凸模材料应选DC53钢热处理5961HRC。弯曲凸模采用直通式，台肩固定且带有导向的结构形式。因为在弯曲的时候是单边受力，侧向压力较大，使得凸模不能保持正常的工作位置，带有导向的弯曲凸模，工作时导向部分先进入凹模，改善受力状态。凹模的结构形式比较多，这里凹模选择镶拼式结构。因为在多工位级进模中，工位数较多，采用整体式不好加工，刃口在刃磨时比较困难；且有时因局部

20、凹模的损坏，而导致整个凹模板报废，损失较大。故采用镶拼式结构，其固定方式采用销钉定位，内六角螺丝固定。2.5.2 导料装置的设计在多工位级进模中常用的三种导料零件的配置结构形式。一种是采用两侧导料板导向送料的结构形式；一种是采用一侧用导料板导向，另一侧用带导向槽浮顶式导料柱导向送料的结构形式；最后一种是两侧均采用带导向槽浮顶式导料柱导向送料的结构形式。这里采用几第一种结构形式，因为条料较厚，而且条料的边载体在第二三工位就被成形侧刃给切除了，所以没有办法使用带导向槽浮顶式导料柱导向送料。（1）导料板导料板是冲压模具中最常用的条料送进导向结构形式之一，将导料板设计成有台肩式的结构形式，如图（）所示

21、：图（） 导料板的结构形式同时将导料板的进料端设置一个较小的斜面（如上图所示），便于条料的顺利送进。设计成台肩的结构形式是为了使条料在浮离凹模平面后，向前送进的过程中在托料柱的作用下，仍然可以控制条料在整个冲压过程中在导料板内的运动。托料柱将条料浮离一定的高度，以保证条料在连续的冲压过程中能够浮离凹模平面而畅通向前送进，托料柱的浮顶高度尺寸取决与冲压件向下弯曲的高度尺寸，因为条料在浮顶状态时，与导料板和凹模都要有适当的间隙。又因为该冲压件的向下弯曲的直边高度比较大，这样使得浮顶的高度太大了，开合模的行程过长。其中导料板和条料之间有较小的间隙，一般在0.030.20mm之间。条料的上平面在成形后

22、的浮顶状态时与导料板台肩下平面有一定的空隙S，一般取s=0.51mm。开了让位槽，所以弹顶高度H0取7mm，因此导料板的台肩空间高度H=H0+S+t所以H=7+1+2=10mm条料浮顶高度的示意要求1弯曲凸模；2凹模板上的让位槽；3弯曲凹模镶块4，7托料柱；5弹簧；6凹模垫板；8凹模板9导料板；10卸料板（2）托料柱在多工位级进模中始终是和托料柱或是弹顶杆等配合使用而构成级进模的导料系统。为了使条料能够正确导向和平稳的送进，还必需设置托料柱或是弹顶杆。托料柱要严格按照步距分布在调料中央。 定距和定位零件的设计级进模中各个工位间距是条料在模具中每送进一次所需要移动的固定距离。因而工位间距的精度直

23、接影响到冲件的尺寸和精度。（1）定距方式采用成形侧刃定距。因为侧刃定距的结构比较简单，制造比较方便，而且也适合于手工送料。侧刃有分为无导向和带导向的两大类，选择带有导向的侧刃。因为条料的厚度（t=3.2mm）较大，冲切时是单边受力、侧向压力较大，无导向会使得侧刃不能保持正确的工作位置，甚至会出现崩刃。啃伤凹模刃口的现象。有导向的侧刃，工作时导向部分先进入凹模型孔，改善受力状态，能保持侧刃正确的工作位置，定距效果好。（2）定位方式采用导正钉定位。其实通常是以侧刃进行粗定位，以导正钉为精定位，这两种方式的配合使用，能够获得较好的定距效果。选用的导正钉的结构如图所示。导正钉的结构 卸料装置的设计1卸

24、料装置的结构形式在多工位级进模中常用的卸料装置有弹压式卸料和悬臂式固定卸料。这里采用整体式弹压卸料。该级进模中具有冲裁，弯曲，成形等工序，弹压卸料装置不仅有卸料作用，还有压料、对凸模进行导向和保护作用。该级进模中的成形侧刃和弯曲凸模工作时，都是单边受力，使得模具产生单向侧压力，为了减少和抵消这部份的单向侧压力，同时也为了凹上模和下模的导向精度，必需在卸料板与凸模固定板之间设置内导柱导套。内导柱一般设置为4个，在模具中心两侧以对称形式设置。 卸料板高度的确定卸料板上还要安装弯曲凹模镶块和内导套，选择卸料板的高度h=25mm。2.6 结构零件的设计 模架和导向零件的设计模架由上模座，下模座和导柱、

25、导套等组成。模架是模具的主题结构，它是连接级进模所有零件的重要部件。模具的全部零件都是固定至它上面，并承受冲压过程中的全部载荷。该模架选用非标准模架，且为四导柱模架。其具体的结构尺寸如表1所示：表1 模架的结构尺寸名称尺寸（mm）材料热处理上模座90558840A3下模座94561050A3导柱C28180P2058-62HRC导套C2818038P2058-62HRC模架的导向装置是指在上下模座上安装了主要由导柱、导套等零件组成的导向副，有了它们，可以使得上下模相对运动时，对应位置始终沿着一个正确的方向运动，从而达到精密冲压的目的。这里选用滚动导向装置，即在导柱和导套之间加一层钢球保持圈，使

26、得导柱、滚珠、导套间不但没有间隙还有0.01-0.02mm的过盈量。同时为了控制保持圈不脱离导柱，或是将保持圈的活动量控制在一定的范围内，这时滚动式导柱结构有了一点变化，如图5所示：图5 滚动保持圈控制式导柱1、6轴用弹性挡圈；2限位帽；3导柱；4螺塞；5导轴；7钢球保持圈 支撑零件的设计（1）凸模固定板凸模固定板主要作用是对凸模进行固定，并通过它安装在上模座上。多工位级进模中的凸模固定板上不仅要安装所有的凸模，有时还要安装导正钉、内导柱。因此他应该具有足够的强度和刚度，一般情况下固定板的厚度为凹模厚度的60%80%，故其高度h取20mm。材料选用45钢。则凸模固定板的尺寸规格：凸模固定板：

27、250mm180mm20mm。（2）垫板多工位级进模中是多种冲压工艺的组合，因此，在必需在凹模板和凸模固定板及卸料板的背面衬上一块加以热处理的垫板。凸模固定板后面的垫板主要是为了防止凸模在冲压过程中，由于冲压力的集中而把模座的接触面压坏。所以要在固定板和上模座之间衬上一块经过热处理的垫板。其厚度可取凸模固定板的一半。其规格：250mm180mm10mm。卸料板内因为有胀形凹模镶块和内导套的固定，为了防止这些零件的在冲压过程中产生位移，因此需要在卸料板的背面衬上一块经过热处理的垫板，称卸料背板。其厚度可取卸料板厚度的一半，其规格：250mm180mm15mm。因为该模具中所有的凹模都是采用镶块的

28、形式，而且还有向上成形的小凸模需要固定，因此必需在凹模板后衬上一块经过热处理的垫板。其厚度可取凹模板厚度的，其规格：250mm180mm18mm。（3）模脚根据初选的压力机，有其技术参数可知其工作台落料孔的直径为180mm，而根据排样和凹模板上刃口的分布，发现后面两个工位的没有在工作台落料孔的范围内，即最后两个工位的冲裁废料不能顺利排掉。这个是连续冲压过程中是不允许的。因此考虑在下模座下加上模脚，提高其落料的空间。模脚的尺寸为：310mm15mm30mm。 弹性元件的选择（1）弹压卸料弹簧的选用和计算多工位级进模中弹压卸料装置的主要作用是为了保证卸料平稳，其应该有足够的卸料力，以保证卸料顺畅及

29、防止卸料中冲件产生变形。故这里的卸料弹簧选择矩形截面弹簧。根据卸料力F卸=8560N，共采用8个矩形弹簧，则每一个弹簧担负的卸料力为1070N。考虑卸料的可靠性，弹簧在预压缩时就有1070N的压力。由（）选则中载荷矩形弹簧，规格：TH 13.52765。即弹簧的外径D=27mm；弹簧的内径d=13.5mm；自由高度h0=65mm；工作的极限载荷Fj=2548N；工作极限载荷下的变形量hj=18.2mm。冲裁时卸料板的工作行程h2=6mm；考虑凸模的修磨量h3=3mm；弹簧的于压缩量为h1，故弹簧的总压缩量为：H总=h1+h2+h3=h1+6+3=（h1+9）mm弹簧在压缩量h1时，其压缩里达1

30、070N，即h1=7.6mm故H总=7.6+9=16.6mmhj，能满足要求。弹簧的转配高度h装=h0-h1=65-7.6=57.4mm。（2）一般辅助卸料弹簧的选用在多工位级进模中，托料柱、浮顶器等所需的弹顶力不大，一般可选用圆形截面的圆柱形弹簧。托料柱在模具中主要起顶、托条料浮离凹模平面的作用，一般选用钢丝直径为1.5mm，外圆直径为6mm的圆柱形弹簧，并在其底部用螺塞来调节其所需要的压力。这样可以保证局部成形后的卸料力又不会对条料产生过大的压料力。 限位装置压力机的装模高度虽然可以调节，但是由于机器的误差，可能会造成凸模进入凹模太深，或者压料装置压料过度，所以采用限位柱限位，限位柱一般加工成圆柱形或方形，高度要精加工，精度一般要精确到0.01毫米。其他尺寸，采用一般精度。3 模具的整体结构上模下模4 冲压设备的校核经计算得总冲压力F=1290000N，初选JA31-160A的压力机。其次进行模具必和高度校核，模具的闭合高度H0应为上模板、下模板、垫板、凸模固定板、卸料板、卸料背板、凹模板、凹模垫板、模脚等厚度及料厚的总和。即H0=40+17+30+35+60+50+101.8+40=373.8mm。其中“3”是考虑到当模具闭合时，凸模固定板和卸料背板之间的间