冲压工艺及模具设计课程设计范例

冲压工艺及模具设计课程设计范例课程设计题目：U型弯曲件冲压工艺及复合模具设计姓名：XXX学号：XXX专业：材料成型及控制工程指导教师：XXX完成日期：XXX一、课程设计任务书1.1设计题目U型弯曲件（具体尺寸见下图）的冲压工艺规程编制及冲孔、落料复合模设计1.2设计条件生产纲领：8万件/年（中批量生产）材料：08F钢板，厚度t=3mm，板材规格3×1500×2000mm，材料塑性良好，具有优良的冲裁和弯曲性能设备：选用160~630kN开式压力机零件要求：U型弯曲件，外形尺寸对称，弯曲角度90°，孔径φ10mm（IT12级），主体尺寸60±0.23mm（IT13级），未注公差尺寸按自由公差（+0.15mm）执行，表面无毛刺、裂纹、变形等缺陷1.3设计任务编制该U型弯曲件的完整冲压工艺规程，包括工艺分析、工序确定、排样设计、工艺计算等设计冲孔、落料复合模1套，绘制模具装配图1张，凸模、凹模、卸料板等关键零件图3张编写课程设计说明书，规范整理设计思路、计算过程、模具结构设计要点等内容二、冲压件工艺分析2.1零件结构工艺性分析该零件为U型对称弯曲件，结构简单，无复杂轮廓和异形孔，整体工艺性良好，具体分析如下：2.1.1冲裁结构工艺性零件需进行落料和冲孔加工，关键结构参数满足冲裁工艺要求：孔径φ10mm，材料厚度t=3mm，孔径d≥t（3mm），满足冲裁工艺允许值，可顺利冲孔零件外形为矩形，四角为圆弧过渡，圆角半径R3mm，大于允许最小值r≥0.25t=0.75mm，避免冲裁时产生应力集中和裂纹孔边距：φ10mm孔至零件边缘距离为9mm，大于允许最小值1.5t=4.5mm；孔至弯曲直壁距离为9mm，大于允许最小值R+0.5t=5.5mm，避免冲裁和弯曲时孔壁变形2.1.2弯曲结构工艺性U型弯曲件的弯曲工艺性满足设计要求：弯曲半径R4mm，材料厚度t=3mm，r/t=1.334，大于允许最小值0.1t=0.3mm，可避免弯曲时外层材料开裂弯曲直边高度：外角直边高度19mm，大于允许最小值2t=6mm，保证弯曲后直边平整，无翘曲变形零件形状对称，弯曲时受力均匀，可有效减少弯曲变形不均、回弹等缺陷，便于模具设计和加工φ10mm孔不在弯曲变形区内，可在弯曲前冲出，既能保证孔位精度，又可作为后续弯曲工序的定位基准2.2材料工艺性分析选用08F钢板，属于优质碳素结构钢，其屈服强度低、塑性好、韧性优良，断后伸长率高，无明显冷作硬化倾向，非常适合冲裁、弯曲等冲压工艺。该材料的冲裁性能良好，冲裁时毛刺小、断面质量好；弯曲时不易产生裂纹，回弹量较小，可保证弯曲件的尺寸精度和形状精度，满足中批量生产的要求。2.3生产纲领分析生产纲领为8万件/年，属于中批量生产。结合生产批量，应选择效率较高的冲压工艺和模具结构，优先采用复合模或级进模，减少工序数量，提高生产效率，同时降低生产成本。考虑到零件结构简单，冲孔和落料工序可合并为复合模加工，后续单独进行弯曲工序，兼顾效率和精度。三、冲压工艺规程设计3.1确定冲压工艺方案根据零件结构、材料特性和生产纲领，制定两种工艺方案并进行对比选择：方案一：单工序模加工工序顺序：落料（冲裁零件外形）→冲孔（冲φ10mm孔）→弯曲（U型弯曲）。该方案需3套单工序模，模具结构简单、设计制造周期短、成本低，但工序较多，生产效率低，需多次定位，零件尺寸精度易受定位误差影响，适合小批量生产，不符合本次中批量生产要求。方案二：复合模+单工序弯曲模工序顺序：冲孔、落料复合冲裁→U型弯曲。该方案需1套冲孔落料复合模和1套弯曲模，工序减少，生产效率高，复合冲裁可实现一次定位完成落料和冲孔，定位精度高，零件尺寸一致性好，适合中批量生产，符合本次设计要求。综上，确定采用方案二作为本次冲压工艺方案，即“冲孔、落料复合冲裁→U型弯曲”两步工序完成零件加工。3.2毛坯尺寸计算U型弯曲件的毛坯尺寸需通过展开计算确定，核心是计算弯曲部分的展开长度，需考虑中性层内移现象（弯曲时中性层不位于材料厚度中间，向弯曲内侧偏移）。3.2.1中性层内移系数确定已知弯曲半径R=4mm，材料厚度t=3mm，r/t=1.334，查冲压工艺手册，中性层内移系数ξ=0.34。3.2.2展开长度计算U型弯曲件展开后为矩形，由5段直边和4段圆弧组成（4个弯曲角对应的圆弧），展开长度L计算公式为：L=直边总长度+弯曲圆弧总长度直边总长度：根据零件尺寸，直边分为5段（2段长直边、2段短直边、1段底边），计算得直边总长度为78.3mm弯曲圆弧总长度：4段圆弧长度相等，每段圆弧长度l=π(R+ξt)/2，代入数据得l=π(4+0.34×3)/2≈7.8mm，4段总长度为4×7.8=31.2mm综上，毛坯展开长度L=78.3+31.2=109.5mm，毛坯宽度取零件最大宽度36mm，最终确定毛坯尺寸为109.5mm×36mm。3.3排样设计排样设计的核心是提高材料利用率，减少废料，同时保证送料顺畅、定位准确。结合毛坯尺寸（109.5mm×36mm）和板材规格（3×1500×2000mm），采用单列直排有搭边排样方式。3.3.1搭边值确定查冲压工艺手册，中批量生产、材料厚度t=3mm时，沿边搭边值a=2.8mm，工件间搭边值a1=2.5mm。3.3.2条料宽度计算采用沿导料一侧送料，不考虑导料间隙，条料宽度B计算公式为：B=毛坯宽度+2a+Δ-δ其中，Δ为剪料公差（查手册得Δ=0.9mm），δ为条料宽度修正值（取0.9mm），代入数据得：B=36+2×2.8+0.9-0.9=41.6mm，实际沿边搭边值为3.3mm，满足工艺要求。3.3.3进距计算进距A=毛坯长度+工件间搭边值a1=109.5+2.5=112mm。3.3.4材料利用率计算分别计算纵裁和横裁两种裁板方式的材料利用率，选择最优方案：纵裁：每张钢板裁条数n1=1500÷41.6≈36条（余14.4mm）；每块条料冲件数n2=(2000-2.8)÷112≈17件（余9.2mm）；材料利用率η=（36×17×109.5×36）÷（1500×2000）≈79.8%。横裁：每张钢板裁条数n1=2000÷41.6≈48条（余8mm）；每块条料冲件数n2=(1500-2.8)÷112≈13件（余4.4mm）；材料利用率η=（48×13×109.5×36）÷（1500×2000）≈82.5%。综上，横裁方式材料利用率更高（82.5%），且折弯线与材料纤维方向垂直，可避免弯曲时外层产生裂纹，因此确定采用横裁下料方式。3.4冲压工艺计算3.4.1冲裁力计算冲裁力F冲裁=K×L×t×τ，其中：K为安全系数，取1.3（中批量生产，考虑材料不均匀性和模具磨损）；L为冲裁轮廓总长度，落料轮廓长度+冲孔轮廓长度=386mm+31.4mm=417.4mm；t为材料厚度，3mm；τ为08F钢板的抗剪强度，查手册得τ=240MPa。代入数据得：F冲裁=1.3×417.4×3×240≈387820N≈388kN。3.4.2弯曲力计算U型弯曲力采用公式F弯曲=K×(B×t²×σs)÷(2R+t)，其中：K为安全系数，取1.2；B为弯曲件宽度，36mm；t为材料厚度，3mm；σs为08F钢板的屈服强度，查手册得σs=180MPa；R为弯曲半径，4mm。代入数据得：F弯曲=1.2×(36×3²×180)÷(2×4+3)≈15898N≈16kN。3.4.3压力机选择复合冲裁工序所需最大冲裁力为388kN，弯曲工序所需弯曲力为16kN，选用160~630kN开式压力机，结合冲裁力和模具结构，确定选用250kN开式压力机，其公称压力满足要求，且工作台尺寸、行程等参数适配模具设计。四、模具设计4.1模具类型选择根据冲压工艺方案，冲孔、落料工序采用复合模，由于零件尺寸不大、中批量生产，选择倒装式复合模结构。倒装式复合模的凸模在上模，凹模在下模，卸料装置在上模，废料和工件可从下模漏出，操作方便，生产效率高，且便于安装和调试。4.2模具结构设计4.2.1模具总体结构倒装式冲孔落料复合模主要由上模座、下模座、凸模、凹模、卸料板、顶料装置、导柱导套、紧固件等组成，具体结构如下：上模部分：上模座、冲孔凸模、落料凸模、卸料板、卸料弹簧、垫板、固定板、模柄等；下模部分：下模座、凹模（复合模凹模，兼具落料凹模和冲孔凹模功能）、顶料杆、顶料板、导柱、导套等；导向机构：采用导柱导套导向，保证上、下模的对中性，提高模具精度和使用寿命；卸料与顶料机构：卸料板由卸料弹簧驱动，完成冲裁后的卸料动作；顶料板由顶料杆和压力机顶杆驱动，将冲裁后的工件从凹模中顶出，便于取件。4.2.2关键零件设计（1）凸模设计冲孔凸模：采用圆柱形结构，直径φ10mm（与零件孔径一致），长度根据模具总体高度确定为80mm，凸模头部采用圆角过渡（R1mm），避免冲裁时产生应力集中；材料选用Cr12MoV，淬火硬度HRC58~62，表面抛光处理，提高耐磨性和使用寿命。落料凸模：外形与零件落料轮廓一致，采用整体式结构，厚度根据模具装配要求确定为25mm，凸模刃口采用锋利的直角刃口，材料选用Cr12MoV，淬火硬度HRC58~62，刃口表面抛光，保证冲裁断面质量。（2）凹模设计凹模为复合凹模，兼具落料凹模和冲孔凹模功能，落料凹模刃口尺寸与零件外形尺寸一致，冲孔凹模刃口尺寸为φ10mm，凹模刃口采用斜刃口（斜度1:50），便于废料排出；凹模材料选用Cr12MoV，淬火硬度HRC58~62，刃口表面抛光，凹模底部设置漏料孔，便于废料和工件漏出。（3）卸料板设计卸料板采用平板式结构，厚度15mm，材料选用45钢，淬火硬度HRC40~45，卸料板上设置与冲孔凸模、落料凸模配合的导向孔，配合间隙0.02~0.03mm，保证卸料板运动顺畅，卸料板与凸模的配合面进行抛光处理，减少磨损。（4）导向机构设计采用滑动导柱导套导向机构，导柱选用2根，直径20mm，长度120mm，导套与导柱配合间隙0.01~0.02mm，导柱、导套材料选用20Cr，渗碳淬火硬度HRC58~62，表面镀铬处理，提高耐磨性和导向精度。4.3模具装配要求模具装配前，所有零件需进行清洗、除锈，关键零件（凸模、凹模、导柱、导套）需进行精度检测，确保符合设计要求。装配时，先将导柱、导套分别压入下模座和上模座，保证导柱导套的同轴度，导向顺畅无卡滞。将凸模固定在凸模固定板上，凹模固定在下模座上，调整凸模与凹模的配合间隙，保证间隙均匀（冲裁间隙取0.15~0.21mm，即5%~7%t）。安装卸料板、顶料装置，调整卸料弹簧的压缩量，保证卸料力均匀，顶料装置运动顺畅，能将工件顺利顶出。装配完成后，进行试模，检查冲裁件的尺寸精度、断面质量和弯曲件的形状精度，如有偏差，调整模具间隙或零件位置，直至满足设计要求。4.4弯曲模设计要点弯曲模采用单工序模，结构简单，主要由上模（弯曲凸模）、下模（弯曲凹模）、定位装置、顶料装置组成：弯曲凸模：外形与U型零件内形一致，弯曲半径R4mm，凸模表面抛光，材料选用Cr12MoV，淬火硬度HRC58~62；弯曲凹模：设置与凸模配合的凹槽，凹槽半径R4.5mm（考虑材料厚度和回弹），凹模表面抛光，材料选用Cr12MoV；定位装置：采用挡料销和定位板定位，保证毛坯在弯曲时位置准确，避免偏移；回弹控制：由于弯曲件存在回弹，将弯曲凸模的角度减小1°~2°，补偿回弹量，保证弯曲角度符合设计要求。五、模具零件加工工艺路线5.1凸模加工工艺路线下料（圆钢）→车削（粗车外形、端面）→铣削（修整外形，如需）→磨削（精磨外圆、端面，保证尺寸精度）→热处理（淬火、回火，达到硬度要求）→抛光（刃口及配合面）→检验→入库。5.2凹模加工工艺路线下料（钢板）→铣削（粗铣上下表面、外形）→磨削（精磨上下表面，保证平面度）→线切割（加工落料、冲孔刃口轮廓）→热处理（淬火、回火）→抛光（刃口及配合面）→检验→入库。5.3模座加工工艺路线下料（铸铁）→铣削（粗铣上下表面、外形）→磨削（精磨上下表面，保证平面度）→钻孔（加工导柱、导套安装孔、紧固件孔）→镗孔（精镗导柱、导套安装孔，保证同轴度）→倒角→检验→入库。六、课程设计总结本次课程设计以U型弯曲件为研究对象，完成了冲压工艺规程编制和冲孔落料复合模设计，通过本次设计，系统掌握了冲压工艺分析、工艺方案制定、工艺计算、模具结构设计等核心知识点，具体总结如下：通过零件结构工艺性和材料工艺性分析，确定了“冲孔落料复合冲裁→U型弯曲”的工艺方案，兼顾了生产效率和零件精度，符合中批量生产要求。完成了毛坯展开计算、排样设计、冲裁力和弯曲力计算，合理选择了压力机，为模具设计提供了理论依据；排样设计采用横裁方式，材料利用率达到82.5%，有效降低了生产成本。设计了倒装式冲孔落料复合模，明确了模具总体结构和关键零件的设计参数，选择了合适的材料和加工工艺，保证了模具的精度和使用寿命；同时设计了单工序弯曲模，采取回弹补偿措施，确保弯曲件尺寸精度。通过本次设计，深刻认识到冲压工