【一种托架冲压模具设计15000字】

一种托架冲压模具设计目录摘要 11绪论 31.1国内外研究现状 31.1.2国内研究现状 31.1.2国外研究现状 41.2冲压的概念及其优点 61.2.1冲压的概念 61.2.2冲压的优点 81.2.3冲压托架的优点 82工艺性设计 92.1零件分析 92.2材料分析 102.3工艺分析 102.4工艺方案的确定 113排样图的设计 123.1排样方式的选择 123.2排样相关参数的确定 133.2.1搭边值的确定 133.2.2条料的宽度确定 133.2.3步距的确定 133.2.4材料利用率的计算 143.3工位排样 154压力的计算 164.1冲裁力的计算 164.2翻边力的计算 184.3切边力的计算 184.4弯曲力计算 194.5压力机的选择 204.6压力中心的确定 214.7刃口尺寸的计算 214.7.1冲裁间隙的确定 214.7.2刃口尺寸的计算及依据 225主要零部件设计 245.1凹模的设计计算 245.1.1凹模材料的选取 255.1.2冲孔凹模洞口的选择 255.1.3凹模结构的设计 255.2凸模的设计 275.2.1凸模材料的确定 275.2.2凸模的结构设计 286确认各主要零件结构尺寸 316.1模架的选择 316.2导向装置 336.3卸料装置 346.4固定板设计 356.5垫板的设计 366.6模柄的选用 367压力机的校核 377.1公称压力的校核 377.2行程次数的校核 377.3工作台面尺寸的校核 377.4闭合高度的校核 378模具总装图 389总结 38参考文献 40摘要冲压模具是板料加工中常用的工艺装配设备，在航空、汽车、家电等领域广泛应用，于整个制造业中具有不可替代的地位。在传统的冲压模具设计与制造过程中，工程师自身所积累的经验为主导，而在模具零件尺寸的设计和规划方面缺乏科学的分析与计算方法，不仅无法保证模具加工的质量，也无法满足现代模具快速设计制造的迫切需求。因此，数值模拟成形技术在生产中的运用是十分必要的。冲压工艺是目前加工应用范围最广的工艺之一，本文以托架为对象，采用结构设计、建模相结合的方法，研究冲压工艺与模具的设计方法，保证模具结构设计的合理性，降低后期试模修正的成本，提升生产效率。根据托架材料及其结构特点，分析产品的工艺特点，确定了冲孔、翻孔、冲异形孔、冲方形孔、切边、切边、弯曲和切断这几步工序。通过冲压手册与前人研究结果分析，确定并选用了级进模生产托架，之后根据托架结构设计了主要成型零部件凸模与凹模及其他主要零部件，通过三维建模软件对模具零部件进行三维建模，进行干涉检查，每一道工序环环相扣，利用AutoCAD画出模具装配图与主要零部件图。之后对模具进行校核，检查模具符合要求。关键词：托架、多工位级进模，模具设计，三维建模绪论模具是工业生产中必不可少的工具之一，近些年来，它的发展逐渐进入我们的视野，尤其近几年我国汽车行业的迅速崛起，模具在汽车、机械、电子、医疗设备行业已有很大程度的应用。这些产品的生产依赖于大量的模具设备，并且工艺品的优化及技术水平的提升也依赖于模具水平的发展，因此，模具工业在社会发展和国民经济等发面扮演着越来越重要的角色。冲压工艺是目前工业中运用最广泛的一种加工工艺，截止到目前，高速冲床下的级进模生产效率每分钟高达几百甚至上千件。这种成型方式能够使原材料发生冲裁、翻孔、弯曲等形状与尺寸的变化[1]，从而得到我们想要的零件，运用不同类型的冲压模具能够实现不同的结果，掌握不同类型的冲模的变形规律与工艺，从而优化零件的成形工艺，能够带来非常明显的经济效果。从一个新冲压件的原料到最终成品，中间有很多的工作，如：零件结构分析、工艺分析、排样图的制定、压力计算、压力机选择、模具设计、零件试生产、试生产零件检测等[2]。每一步都需要花费大量的人力、物力财力，同时要注意冲压件生产中常遇到的问题，如发裂等。近年来，随着现代数值计算与模拟技术的进一步发展，运用CAD、CAM、CAE等软件，获得的信息和结果越来越接近实际的生产，并且能够在模具的设计和模拟之时，给予直观的信息反馈，便于针对模型问题进行整改。及时发现问题并进行调整。零件生产水平得到提升，生产质量与生产效率也随之提高，节约企业成本。1.1研究的意义传统的冲压工艺较为落后，由于缺少先进的模拟软件，无法对冲压结果有一个准确的预测，每一个方案都需要在实际生产中得出结果。由于需要不断的设计、检验、调整、再设计，其基本实现流程详见图1.1。可以看出新产品的成形模具开发过程中，人为因素占主导地位，模具是否适用于生产需要通过实际的试生产来检验，然后根据结果在进行设计调整，如此一来耗费了大量的人力财力，同时大大延长了生产周期。虽然传统开发模式已经运用了CAD软件，但仅停留在绘图层面，并未使用模拟软件（CAE技术）来对生产过程进行模拟。传统的模具开发模式，生产周期长、经验开发、开发成本高，试模过程复杂等问题导致了其无法满足高效率、低成本的现代工业生产的要求，同时因为传统开发模式的模具质量难以保证，导致其逐被现代所淘汰，取而代之的使给予计算机有限元模拟（CAE）的现代开发模式[3]。图1.1传统冲压模具开发模式现代模具开发主要依赖计算机的CAE技术，每一个模具设计以后，在专业的CAE软件中设置工作参数进行模拟生产，便可得到改模具的生产结果，设计人员根据结果进行参数的调整，再次进行模拟，直到得到最优方案。这种开发模式成本低、效率高，大大降低了开发周期，具体流程图如图1.2所示。从图1.2可以看出，数值模拟技术已经运用于模具生产的各个环节。包括零部件的结构分析再设计、模具标准件、试生产等过程均可在计算机中实现。CAE技术的出现是一项划时代的改变，它将产品的开发从实际中搬到电脑荧屏上，调整参数时无需对实际的零部件进行各种加工，只需动手在电脑中输入参数即可，这项技术极大的降低开发成本与开发周期，推进了现代工业生产的效率。这是传统开发模式无法企及的高度。图1.2现代冲压模具开发模式数值模拟成形技术在技术人员的应用下，零件的性能和质量得到了改善和提高，复杂零件的开发周期减小、开发成本降低。然而，在级进模冲压过程中，数值模拟技术也遇到了新的挑战，级进模生产过程中，影响其成型结果的参数非常多，包括材料的自身性质、温度、压力、材料的回弹等因素[6]。因此，一系列现代科学的技术和先进的方法的应用对复杂零件的成形和制造过程的多样性起到了指导作用，在生产实践中具有重要的理论意义和广阔的技术应用发展前景[7]。托架是一种冲裁弯曲件，其需要进行一次弯曲，其次冲裁的过程，用级进模成产托架，生产效率高，但由于托架的冲裁工序较多，所以其产生的废料较多。同时因工序较多，条料在加工过程中各部位的形状都在发生变化，因此，在条料成形过程中常常出现起皱、拉裂、回弹等缺陷。在实际生产中，常常会利用CAE软件根据冲压结果对冲压参数进行预测与调整，以减少之际在实际生产过程中有缺陷的废品。随着我国汽车、飞机等工业的大力发展，冲压加工技术在生产应用中既面临巨大的挑战，也引来巨大的发展机遇。简而言之，该课题的研究意义在于：使用CAD（ComputerAidedDesign）、Solidworks等分析软件，获得合理可行的定位圈冲压工艺方案和参数，并设计冲压模具。1.2国内外相关领域的发展状况1.2.1国外模具行业发展现状美国的工业起步较早，模具行业也处于世界领先的地位，多数先先进的模具系统由美国的公司所研发。美国的通用汽车公司为提高汽车覆盖件的生产效率，率先研发出汽车覆盖件的模具结构系统，这是一项划时代的发明。紧接着，美国的DIECOMP公司研发出连续模系统，让多成型步骤的零件的生产实现量产。之后模具的设计仿真运用到UG、Pro/E、CATIA等设计软件，极大提高了模具设计的周期，简化了模具实验方法。近年来，CAD软件提供了相应API接口，在这个契机下，国外不少研究者转向了在通用的CAD软件平台上通过二次开发设计自己的专用系统，进而出现了常用通用模具的标准件库，基于CATIA；YiLinWang等人开发了精密冲裁模参数化设计系统，以便快速调用模架、凸模、凹模等标准件。设计模具时通用零件直接调出即可无需自行设计，有一次提高模具开发效率，1.2.2国内模具行业发展现状近些年来，随着我国自我研发技术的发展与国外相关模具技术的引入，我国在模具行业亦有突飞猛进的进步，尤其在汽车行业，多数厂家已拥有很强的研发能力。如上汽公司、天汽公司、福田公司在模具行业积极引进国外技术，加大投入自我研发能力，以获得明显的效果与进步。福田的模具公司通过与日本和韩国等先进的模具公司合作，引进先进的模具加工设备与制造技术，实现了CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM的一体化技术，使其在模具行业稳居于国内领先地位[13]。然而，值得一体的是，大规模的技术革新就意味着大的资金投入，国内的模具公司仍以中小型企业为主，难以承担巨额的资金投入，所以就国内模具行业整体而言，仍处于相对落后的状态，无法生产技术含量较高的模具。CAE冲压仿真软件在国内汽车工业中逐渐被重视，也初见成效。如王志锋、张智霞、杨玉英等人通过模板化技术进行了实例验证，体现了汽车覆盖件模具的优势。然而国内的数值模拟技术在近些年才引入，所以远远落后于国外水平[14]。在研发方面缺少技术型人才，目前国内仅形成了数值模拟技术预测冲压件的冲压可行性分析与缺陷的分析。系统化较低，可借鉴的结果缺少，从而导致许多冲压过程中遇到的缺陷缺少系统化的分析，没有直接的解决方案，常见的缺陷有：拉裂，回弹等[15]。1.3模具行业的发展趋势虽然我国模具销售额呈稳定增长的态势，但是行业的产品结构并不合理。大部分模具长的设计水平、加工精度、调试水平较为落后，因此呈现出中低型模具占比过高、高档精密模具占比过低的局面，同时，国内招标多以低价中标为主，市场竞争依然成了价格的比拼。在后疫情时代下，由于我国国民经济逐渐复苏、人民收入水平稳步提高，消费市场对于汽车、家电、通信、电子等消费品的需求逐步扩大的同时，也对产品的性能提出了更高的要求。随着消费品需求的增长，在模具开发要求方面，要求更高的质量、更短的开发周期，更短的试模实践，最重要的更低的研发成本。为了实现这个目标，国内模具行业面临着诸多挑战，主要集中在一下几个方面：1.3.1一体化设计、调试、制造将设计模块、产品分析模块、开发管理模块集成一体化可最大化缩短模具开发的周期，大大提高模具生产效率[16]。将每个系统紧密联结起来，环环相扣，由CAD完成模具的结构设计，之后利用CAE（数值模拟软件）对模具进行结构分析与模拟生产测试，之后由CAM系统进行模具的成型加工，PDM系统记录模具的相关数据与信息，ERP系统对各个环节进行分工[17]。如这样便井条有序的进行了分工，各部门各司其职，便于管理。在20世纪70年代，大量欧美汽车公司开始将同步工程SE应用到模具开发中，将开发过程中的所有人员协同合作，在电脑上实现资源共享，各环节的开发者均能考虑到整个周期中的影响因素，能够极大降低研发中出现的质量问题，并且缩短了研发周期[12]。1.3.2模块化许多标准件厂家会通过建立标准件电子档，来实现随用随调的高效率生产，以便于占领市场。而在一些非标准件中，例如吊耳等结构，即使各个主机厂要求不同，但结构大同小异，在电子档中调取后进行尺寸的局部调整便可调用。通过平日里典型制件的模具图纸的绘制，对电子存档不断完善。若产品与标准件库中形状类似，则可以调用这种模具，然后进行局部模块的修改即可投入使用，极大提高了模具设计的效率与成本。1.3.3经验集成化将专业人员的经验进行数字化、网络化、集成化，类似于标准件库进行共享。同步工程（SE）就是一种以集成、并行为宗旨的系统工程方法，一方面，将冲压模具相关知识和研究进行共享，其中包括企业的特色专属设计，以便经验尚浅的工程师学习，另一方面，将模具开发中遇到的问题、分析方法、解决方案记录下来，为后人提供参考，能够有效的避免相同情况的发生。这不仅可以缩短工作时间，而且能提高模具设计的专业化程度。1.2.3冲压托架的优点（1）运用级进模连续冲压模架，每一件托架尺寸、形状、精度均相同。质量较好，保证每件零件的可以互换使用。（2）级进模冲压可以制成各种形状复杂，难以加工的成型零部件，所以相较于其他加工工艺具有不可比拟的优势。（3）冲压一般零部件常温下即可进行，而且比其他加工方式材料利用率高，更加合理的排样可以达到100%，相比之下，级进模冲压有不可比拟的优势。（4）一般简单单工序模与复合模每分钟能生产几十件零件，而多工序级进模每分钟生产几百甚至上千件，效率远远高于其他成形方式。2工艺性设计2.1零件分析托架零件尺寸如图2.1所示，零件材料选用Q235钢，厚度为1mm，要求大批量生产。图2.1托架零件图托架尺寸较小吗，精度选用T10级的精度。托架展开如图2.2所示，图2.2托架展开图托架的展开图如图2.2所示，通过分析可以发现，零件的中间是翻孔，上方有一个圆孔（冲孔即可实现），之后进行弯曲得到零件。因为翻孔的存在，在设计模具时要避免因翻孔而导致的卡模问题。利用solidwork对托架零件三维造型，如图2.3所示：图2.3托架三维轴测图综合以上，生产该托架需要通过多次冲裁、落料、翻孔、切边等工序，同时托架需大批量生产，考虑到加工效率与加工成本，选用多工位级进模生产该零件。2.2材料分析材料名称牌号材料状态抗剪强度τ/MPa碳素结构钢08已退火300~360Q235303~372Q275392~490表2.1部分碳素钢抗剪性能[10]由上表2.1可知：Q235钢具有较好的冲裁成形性性能，适合要求较高的零件。综合评比均适合冲裁加工。2.3工艺分析冲裁：零件选择Q235钢，该材料具有优异的强度与韧性，零件厚度均匀，为1mm，易于冲裁加工。托架的冲压包括冲孔（含圆形孔、异形孔）、切边、切断。弯曲：托架的弯曲部分为一个90°角。由于托架仅有一边弯曲，为防止弯曲过程发生便宜，在排样时设置对称排样，确保弯曲过程的平衡。Q235材料具有良好的韧性，加工过程中不易发生开裂现象。翻孔：托架零件翻孔角度时90°，在翻孔前需进行预冲孔，同时其对材料的要求较高。综合以上考虑，托架的成形分为以下工序：冲孔、翻孔、冲异形孔、冲方形孔、切边、弯曲、切断。2.4工艺方案的确定模具类型主要分三种类型：一：单工序模二：级进模三：复合模表2.2单工序冲裁、级进冲裁和复合冲裁性能[11]比较项目单工序模复合模级进模生产批量小批量中批量和大批量中批量和大批量冲压精度较低较高较高冲压生产率低较高高实现自动化的可能性较易制件和废料排除较复杂容易生产通用性通用性好，适合于中小批量生产通用性较差，仅适合于大批量生产通用性较差，适合中小零件批量生产冲模制造复杂性和价格结构简单，制造周期短，价格低冲裁较复杂零件时，比级进模低冲裁较简单零件时低于复合模单工序冲裁模一次只能进行次冲裁工作，生产效率较低，由于托架要求大批量生产，而且工序加多，如果用单工序模生产托架，则会导致生产效率低，模具制造成本较高。复合模是一次能够同时进行多道冲压工序，跟单工序模相比，其效率较高，但其存在废料较难排除，成本较高的问题。级进模是根据冲压件的结构，将成形过程分为多道工序，并按顺序将成形步骤排在模具上，条料送来以后，压力机的一次行程中凸模作用在不同位置上，一次完成多道工序的要求，冲裁效率高，易实现自动化，由于托架结构简单，使用级进模冲裁的成本低于复合模。综上所述，更适合采用级进模来成形托架。3排样图的设计排样体现了冲压件冲压成形的工艺步骤，排样图用于表示工件在坯料上的分布情况，同时反映了模具闭合一次的过程中完成的冲压工序。绘制排样图是冲压工艺与模具设计的基本技巧之一。排样图是否合理直接影响着模具设计的合理性，是模具设计的最关键部分，不合理的排样方式可能导致模具加工不出所需的零件，甚至损毁模具与压力机。排样图确定后，条料的冲压顺序、模具工位、搭边值、步距等数据也就都确定了下来。3.1排样方式的选择根据设计模具制件的形状、厚度、材料、加工的难易与材料的利用率等方面全面考虑，选择了两种排样方式。（1）方案一：侧排图3.1侧排样图图3.1为侧排样图，由图可以看出，加工过程中零件的侧边需要有一个弯曲的步骤，由于是级进模成形，此排样方式生产率较低，且模具不易设计。（2）方案二：对称排样图3.2对称排样图从托架形状可以看出，此零件有一边需要一次弯曲，侧排样容易导致受力不均，从而降低模具寿命，对称排样能够有效解决这一问题，上下同时弯曲，受力均匀。3.2排样相关参数的确定3.2.1搭边值的确定搭边值的作用是补偿定位误差和剪板误差，保证冲出零件的合格性；增加条料刚度，方便条料送进，提高生产率；同时，搭边还可以避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉入模具间隙，从而提高模具寿命。根据《冲压手册》表2-18结合托架的形状与厚度可确定搭边值的大小：两工件之间的搭边：a1=1.5mm，工件与侧面的搭边：a=2mm。3.2.2条料的宽度确定由《冲压手册》P45可知，条料宽度：b=D+2a+ΔD：冲裁件垂直于送料方向的尺寸；a：侧搭边的最小值Δ：条料宽度的单向（负向）偏差，故方案一的条料宽度为：b1=28mm，方案二的条料宽度b2=41mm。3.2.3步距的确定步距指的是压力机每一次冲程中，条料沿送料方向行进的距离，其值是零件在送料方向的长度加上零件之间的搭边值，计算公式如3-2所示。S=L+a（3-2）式中S：冲裁的步距；L：沿着条料送进方向，毛坯的最大外形尺寸；a：沿着送进方向的搭边值；故方案一的步距为：S1=19mm，方案二的步距为：S2=25.5mm。3.2.4材料利用率的计算材料的利用率是指一个零件面积占一个步距所行进的条料的面积的比值，它是用来评比排样方式是否合理的重要依据，更高的材料利用率对应着更低的加工成本。根据《简明手册》P69可知：一个送进步距的材料利用率η=n1A式中A0：冲件的实际面积（mm2）；n1：一个步距内的冲件数；B：条料宽度（mm）；s：送进步距（mm）。（1）方案一中材料利用率计算利用solidworks对展开后的托架求面积，如图3.3所示图3.3托架展开后的面积托架展开后的面积为259.55mm2，材料利用率为η=n1A（2）方案二中材料利用率计算托架展开面积由图3.3可知，方案二的排样方式中一个步距内有两个冲件。故材料利用率：η=n1A可以发现，方案二的排样方式的材料利用率相对较高，并且方案二的对称排样在冲压过程中受力均匀，有利于延长模具的使用周期。综上所述，方案二的是较优的排样方式。3.3工位排样级进模的设计在于零件每道成形工序的设计，可由它来设计模具凹模与凸模的结构，通过分析托架零件的结构与工艺要求，设计八工位级进模工序排样方案，其成形工序为：冲圆型孔、翻孔、冲异形孔、冲方形孔、切边、切边、弯曲、切断。如图3.4所示。图3.4多工位排样图工位具体设定如下第一工位：冲孔、翻孔预制孔第二工位：翻孔第三工位：冲异形孔第四工位：冲方形孔第五工位：切边第六工位：切边第七工位：弯曲第八工位：切断4压力的计算4.1冲裁力的计算冲裁力大小决定压力机的选择，压力机的公称压力必须大于总的冲压力，这样才能确保安全生产。根据《模具设计与制造简明手册》表1-92，可按以下格式来计算冲裁力：F孔=1.3Ltτ式中FP：冲裁力（N）；L：冲裁周边长度（mm）；T：冲裁料厚(mm)；τb：抗剪强度（MPa）；（1）冲孔力计算按上式：F孔=1.3Ltτ式中：F冲：冲孔力（N）；L：冲孔凸模轮廓周长（mm）；t：材料厚度（mm），t=1mm；τ：材料抗剪强度（MPa）。材料为Q235钢，由查表，τ=340MPa轮廓周长L可利用Solidworks测量出，（2）卸料力的计算根据冲压手册P61可以得到F卸=K式中K卸：卸料力系数，在《冲压手册》表2-37中可以查得表4.1卸料力、推件力、顶件力系数[28]料厚K卸K推K顶钢≤0.10.065~0.0750.10.14＞0.1~0.50.045~0.0550.0630.08＞0.5~2.50.04~0.050.0550.06＞2.5~6.50.03~0.040.0450.05＞6.50.02~0.030.0250.03铝、铝合金、紫铜、黄铜0.025~0.080.03~0.070.02~0.060.03~0.09托架厚度为1mm，所以K卸=0.05。顶件力的计算根据冲压手册P61可以得到F顶=K式中K顶：顶件力系数，在表4.1中可以查得托架厚度为1mm，所以K顶=0.06。工位一：轮廓周长L1=3×3.14=9.42mm，L2=2.5×3.14=7.85mm冲孔力F孔=1.3×（9.42×4+7.85×2）×1×340=30672.148N卸料力F卸=K卸×F孔=0.05×30672.148=1533.6N顶件力F顶=K顶×F孔=0.06×30672.148=1840.3NF1=F孔+F卸+F顶=30672.148+1533.6+1840.3=34,046.048N工位三：轮廓周长L=12.14mm冲孔力F孔=1.3×12.14×4×1×340=21463.52N卸料力F卸=K卸×F孔=0.05×21463.52=1073.2N顶件力F顶=K顶×F孔=0.06×21463.52=1287.8NF3=F孔+F卸+F顶=21463.52+1073.2+1287.8=23,824.52N工位四：轮廓周长L=15mm冲孔力F孔=1.3×15×2×1×340=13260N卸料力F卸=K卸×F孔=0.05×13260=663N顶件力F顶=K顶×F孔=0.06×13260=759.6NF4=F孔+F卸+F顶=13260+663+759.6=14,682.6N4.2翻边力的计算翻边前需要预制孔，预制孔的直径d有以下公式算出：d=D−2H−0.43r−0.72t图4.1翻边对应尺寸代入相关尺寸：d=1mm根据《冲压手册》P335可知，用圆柱形凸模翻边时，翻边力可按下式计算，F=1.1πtσaD−d式中F：翻边力，单位：N；σat：厚度，单位：mm；D：翻边直径，单位：mm；d：预制孔直径，单位：mm；材料为Q235钢，屈服强度为235MPa；工位二：F2=1.1×3.14×1×235×（2.5-1）=1217.5N4.3切边力的计算工位五、工位六与工位八均为切边，其切边力的计算方式如下：F切=1.3Ltτ式中L：切边轮廓周长；t：材料的厚度τ；τ：材料的抗剪强度，材料是Q235，故τ=340MPa。工位五：轮廓周长L=31.78mm切边力F切=1.3×31.78×2×1×340=28093.52N卸料力F卸=K卸×F切=0.05×28093.52=1404.7N顶件力F顶=K顶×F切=0.06×28093.52=1,685.6NF5=F切+F卸+F顶=28093.52+1404.7+1,685.6=31,183.82N工位六：轮廓周长L=25mm，切边力F切=1.3×25×2×1×340=22100N卸料力F卸=K卸×F切=0.05×22100=1105N顶件力F顶=K顶×F切=0.06×22100=1326NF6=F切+F卸+F顶=22100+1105+1326=24,531N工位八：轮廓周长L=34mm，切边力F切=1.3×34×1×340=15028N卸料力F卸=K卸×F切=0.05×15028=751.4N顶件力F顶=K顶×F切=0.06×15028=901.68NF8=F切+F卸+F顶=15028+751.4+901.68=16681.08N4.4弯曲力计算工位七为弯曲，根据《冲压手册》P147，弯曲力的计算方式如下：F弯=0.7Kb式中b：弯曲件的宽度，单位mm;t：弯曲件的厚度，单位mm；r：弯曲件的内弯曲半径，单位mm；σb:材料的强度极限，单位MPa;K：安全系数，一般取1.3;工序七：弯曲力：F弯=0.7×1.3×24×1×2350.5+1顶件力：F=0.8F弯=0.8×3421.6=2897.28NF7=3421.6+2897.28=6318.88N4.5压力机的选择压力机是冲压过程的动力来源，对于不同尺寸的模具，需要的冲压力也不同，所以对应的压力及型号也不同，选择合适型号的压力机不仅能够提高生产安全性，而且能够提高产品质量、生产率与模具寿命。压力机的选择需要考虑模具较多方面，主要考虑公称压力、闭合高度、滑块行程及工作台（垫板）尺寸等。压力机的公称压力需满足各工位上的压力要求各工位所需压力之和为：F=F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7+F8=152,485.448N≈153KN综合考虑闭合高度、设备折旧等因素选用，查《冲压手册》表9-3，选用公称压力为160KN的开式压力机。具体规格如表3.2所示：表4.2压力机参数[28]滑块行程/mm70行程次数/次•min-1115最大封闭高度固定台和可倾式/mm220活动台位置最低/mm300最高/mm160封闭高度调节量/mm60滑块中心到床身距离/mm160工作台尺寸左右/mm450前后/mm300工作台孔尺寸左右/mm220前后/mm110直径/mm160立柱间距离220活动台压力机滑块中心到床身紧固工作台平面距离/mm150模柄孔尺寸（直径×深度）/mmΦ30×50工作台板厚度/mm60垫板厚度/mm40倾斜角（可倾式工作台压力机）30°4.6压力中心的确定压力中心是指各工位上的压力合力的作用点，在模具设计时，压力中心需要要压力机作用的中心重合以提高产品加工效率，延长模具的使用寿命。压力中心的计算公式如（4-9）、（4-10）所示。x0=ly0=l式中x，y—坐标数值L—工件的轮廓因此，就容易计算出：x0=175mm，y0=101mm。4.7刃口尺寸的计算凸模与凹模的刃口尺寸决定了所得到的冲裁件的尺寸精度，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。计算模具凸凹模的刃口尺寸及公差，是模具设计的重要步骤。4.7.1冲裁间隙的确定冲裁间隙指的是凸模与凹模之间的空隙，它是影响冲裁工艺的重要因素，如图4.2所示。合适的冲裁间隙能够保证冲压零件的质量，满足尺寸精度的要求，从而模具的磨损降低。磨损、变形、凹模刃口膨胀等问题时模具主要的失效形式。适当的增大冲裁间隙不仅能够减小冲裁力与卸料力，还能保证成形托架的断面质量。但冲裁间隙并不能无限制的增大，一般冲裁间隙为（10%~15%）t为佳，否则会导致模具寿命的下降与成型零件的尺寸偏差。图4.2冲裁间隙图由于影响冲裁件的质量因素较多，如：尺寸精度、模具磨损程度等，并且其对冲裁件的影响规律并不一致，所以，冲裁间隙的范围并非是绝对的（10%~15%）t，所以，并不存在一个绝对合理的间隙数值，能同时满足断面质量、尺寸精度、模具寿命、冲裁力等各方面的要求。目前主要以经验法与查表法选择模具的冲裁间隙，本次的设计通过查表来确定冲裁间隙。根据《冲压手册》表2-23查得材料Q235钢的冲裁双面间隙，经查询，厚度1mm的材料最小双面间隙Zmin=0.132mm，最大双面间隙Zmax=0.24mm。表4.3冲裁模初始双边间隙值[28]材料厚度08、10、35、09Mn、Q23516Mn40、5065MnZminZmaxZminZmaxZminZmaxZminZmax小于0.5极小间隙(或无间隙)0.50.60.70.80.91.01.21.51.752.02.10.0400.0480.0640.0720.0920.1000.1260.1320.2200.2460.2600.0600.0720.0920.1040.1260.1400.1800.2400.3200.3600.3800.0400.0480.0640.0720.0900.1000.1320.1700.2200.2600.2800.0600.0720.0920.1040.1260.1400.1800.2400.3200.3800.4000.0400.0480.0640.0720.0900.1000.1320.1700.2200.2600.2800.0600.0720.0920.1040.1260.1400.1800.2400.3200.3800.4000.0400.0480.0640.0640.0900.0900.0600.0720.0920.0920.1260.1264.7.2刃口尺寸的计算及依据刃口尺寸指的是凸模与凹模的工作部分尺寸。《冲压手册》中提到刃口尺寸的计算方法有两种，一：凹模与凸模分开加工法，二：凸模与凹模配合加工法。托架零件外形轮廓尺寸的计算，由于托架外形轮廓较复杂，所以采用配做法加工。由图所示轮廓尺寸分为A、B、C三类，其中A类尺寸指的是凸模或凹模磨损后将会增大的尺寸，计算公式（4-12）。Aj=Amax−x∆B类尺寸指的是凸模或凹模磨损后将会减小的尺寸，计算公式（4-13）。Bj=Bmax−x∆C类尺寸指的是凸模或凹模磨损后会基本不变的尺寸，计算公式（4-14）。Cj=Cmin+其中，x为磨损系数。查表得：工件精度IT10级以上x=1工件精度IT1-IT13x=0.75工件精度IT14x=0.5根据工件尺寸公差判断，已标注尺寸为IT14级精度，x=0.5。在所有的尺寸中，属于A类尺寸的有：R3.5、24、R2属于B类尺寸的有：Φ3、Φ2.5、R0.5、属于C类尺寸的有：9、9.5具体计算如表4.4。表4.4工作零件刃口尺寸计算尺寸类型公称尺寸公式计算后尺寸备注AR3.5Aj=R3.43双边间隙为0.132-0.24。2423.93R21.93BΦ3Bj=∅2.07Φ2.5∅2.57R0.5R0.57C9Cj=(9.07±0.0189.59.57±0.0185主要零部件设计模具分为单工序模、级进模与复合模，不同类型的模具具有不同的结构，但模具的基本零件相同，根据其在工作过程中起的作用，可分为结构零件（模架）与工作零件（凹模、凸模等）。主要零部件（凸模、凹模等）的设计与加工是模具设计过程需要重点考虑的方面，包括主要零件的材料、尺寸等，凸模与凹模的具体设计过程如下文。结合托架的工艺分析，该套模具零件的固定方式采用螺钉固定，5.1凹模的设计计算凹模的形式有许多种：（1）整体式凹模：该种凹模型孔全在同一块板上，加工方式简单，加工成本低，其缺点也比较明显：一个型孔的损坏就会导致整个凹模的报废。维护成本较高。仅适合工位少，工序简单的零件成形。（2）矩形镶拼式凹模：该模具容易加工与装配方式相对比较复杂，但是更换与维修方式简单。（3）异形镶拼（镶套）式凹模：该类型凹模的制造工艺简单，装配容易，这类凹模的结构相对于其他类型凹模的型孔多了一层镶块，若模具有损坏，则只需更换镶块即可。（4）模块式凹模：在多工位级进模中，运用最广的便是模块式凹模，其是由多个模块组合而成，每一个模块可以实现一步或多步的工序，这种结构的模具虽然加工成本高，但其维护成本低，若模具损坏只需更换损坏的模块即可。综上所述，虽然托架成形过程具有较多工序，但是每个工位孔数并不多，加工起来并不复杂，为简化模具，降低加工成本，这里选用整体式凹模。根据《冲压手册》P66，凹模高度为h=kbh≥15mm式中k:系数，其值见《冲压手册》表2-40；b:最大孔口尺寸，单位mm；凹模高度取15mm。5.1.1凹模材料的选取级进模生产零件的生产率高，所以要求模具材料有较高的强度与硬度，因此对模具的零件的热处理工艺也有一定要求，Cr12钢具有较好的淬透性，耐磨度、冲击韧度和承载强度性能较高，且淬火变形小。为满足以上要求，在该模具中凸模与凹模材料选用Cr12钢。5.1.2冲孔凹模洞口的选择查《冲压手册》可以发现凹模的洞口类型有一下几种，如图5.1所示，直通式凹模的优点：加工简单，刃口磨损后工作部分尺寸不变，适合用来冲压各类形状复杂的零件。缺点：可能会因为废料的聚集而导致推件力增大，会导致凸模与凹模的磨损。锥筒式刃口不会导致废料在型孔处聚集，但随着刃口的磨损，冲压件的尺寸变大，不适用于级进模生产大批量的零件。一般级进模生产的批量较大，所以不适合用锥筒式刃口，根据对托架零件的分析可以发现，级进模生产的模架适合用直通式凸模。综上所述，本设计选用a型洞口。(a)直通式(b)直通式(c)直通式(d)锥筒式图5.1凹模洞口的类型[28]5.1.3凹模结构的设计冲孔凹模结构如图5.2所示，图5.2凹模冲孔（圆孔、方孔、异形孔）弯曲凹模如图5.3所示，图5.3弯曲凹模结构切断凹模如图5.4所示图5.4切断凹模结构凹模整体结构如图5.5所示，图5.5凹模整体结构（三维）图5.6凹模整体结构（二维）5.2凸模的设计5.2.1凸模材料的确定由于托架零件由级进模生产，所以要求模具的零件具有较高的耐磨耐冲压性能，类似于凹模，对模具的零件的热处理工艺也有一定要求。凸模的材料与凹模一样，选择Cr12，热处理58～62HRC。凸模是主要的工作零部件，所以要求其具有较高精度，查《冲压手册》选择IT10的精度。表面粗糙度为Ra1.6。5.2.2凸模的结构设计第一工位的圆孔采用标准圆形冲孔凸模，根据《冲压手册》，选择B型圆凸模。冲孔凸模采用标准件，故采用凸模与固定板H7/m6配合，上面留有台阶。查《冲压手册》P631，根据国标GB2863.2—81，得d=3mm，D=6mm，D1=9mm，h=3mm，L=50mm。零件图见图5.7。图5.7冲圆孔凸模异形孔凹模采用非标准件，根据孔口类型设计，结构如图5.8所示，图5.8冲异形孔凸模图5.9切边凸模图5.10切边凸模弯曲凸模结构如图5.10所示，图5.10弯曲凸模结构切断凸模结构如图5.11所示图5.11切断凸模结构6确认各主要零件结构尺寸模具的模架、导向装置、卸料装置、凸模固定板、垫板、模柄、卸料与紧固螺钉、弹簧等零件的第一选择为标准件，如果没有合适的标准件，则需要自己设计。同时，如果有凸模的尺寸较少，则需要进行强度的校核，确保在冲压过程中不会出现断裂失效的情况。凹模设计后，然后根据凹模的周界选择标准模架，不同的模架对应着不同的闭合高度，同时冲压设备的闭合高度也需要与模架的闭合高度相适应。6.1模架的选择（1）中间两导柱模架：这种类型的模架，结构简单，节省材料，其主要特点是左右两导柱的直径不一样，能够防止模具装配错位，但其能从前后进料，无法用于大批量生产。（2）后侧导柱模架：这种类型的模具最大的特点两个导柱位于模具后方、前侧没有导柱所以工作面开放，取料与送料方式方便。但由于其两导柱在后侧，所以在冲压过程中压力会出现偏差，会降低模具寿命。（3）对角导柱模架：这类模具的两个导柱位于对角，模具的对称中心位于中心，在冲压过程中导向平稳，送料方便。（4）四导柱模架：这类模具有四个导柱，导向精度比前三类模架都要高，送料方式方便，且刚度高，适合大型冲压模具与大型级进模。由于四角导柱模架导向精度较高，送料比较方便，适用于多工序的级进模，考虑到设计模具为8工位级进模，所以采用此种模架最佳,但由于托架模具的工位较多，并无标准模架可选用，所以这里需选用非标准模架。上模座尺寸如图6.1所示，图6.1上模座（三维）图6.2上模座（二维）下模座尺寸如图6.3所示图6.3下模座（三维）图6.4下模座（二维）6.2导向装置根据冲压手册P606，这套模具采用的是A型导柱，参照国标GB/T2861，1-1990，选择d=22mm，L=120mm的导柱。导柱如图6.5所示，图6.5导柱导套如图6.6所示，图6.6导套6.3卸料装置模具的卸料方式选择弹性卸料，其结构有弹簧、卸料板、卸料螺钉等零件。卸料装置在模具中也起一定的导向作用，固定板和卸料板与凸模按H7/h6配合，卸料时，卸料板下平面高于凸模下表面0.5mm左右，以便顺利卸料。卸料板的周界尺寸与凹模的周界尺寸一样。由于凹模的尺寸为290mm×100mm×16mm，从而确定了卸料板的尺寸。选择根据模架要求选择卸料板厚度为12mm。表6.3卸料板与凸模间隙值[28]材料厚度t/mm＜0.50.5～1＞1单边间隙Z/mm0.050.10.15卸料板在模具工作过程中主要是起脱料的作用，所以对其材料的强度与硬度较高，根据要求选择45钢。45钢是优质碳素结构钢，含碳量在0.45%左右，经过调质处理后有较强的力学性能，在工业中有很广泛的应用，常用于齿轮、销钉、连杆等零件。6.4固定板设计凸模固定板的作用是固定凸模，防止其在工作过程中发生偏移。同时也起定位的作用，与凸模的配合按照H7/m6配合。根据《冲压手册》，凸模固定板的厚度为凸模径向长度1.0~1.5的倍。则凸模固定板厚度计算公式为：H凸固=1.0~1.5式中：H-凸模固定板厚度；D-凸模径向长度根据公式（7-11）得凸模固定板高度为：H=18~27mm凸模固定板厚度取20mm。凹模固定板结构如图6.7所示，图6.7凹模固定板（三维）图6.8凹模固定板（二维）6.5垫板的设计垫板的作用是直接承受和扩散凸模传递的压力，如果凸模的端部对材料的压力超过材料的许用压力，需在凸模端部与模座之间加上垫板防止模具损坏。在模具中垫板位于凸模固定板的上方，其周界尺寸与凸模固定板和凹模周界相同，根据《冲压模具设计与制造》22.5-17JB/T7643.3-1994，垫板厚度一般为3~10mm，这套模具中垫板尺寸为290mm×100mm×5mm。6.6模柄的选用模柄是用来传递压力机压力的零件，压力机作用在模柄上，然后将压力传递到模具上，模柄有较多种类，大致可分为整体式模柄、压入式模柄、旋入式模柄、凸缘式模柄、浮动式模柄。（1）整体式模柄，该类型模柄与上模座是一个整体，适用于一般的模具。（2）带台阶的压入式模柄，它与模座安装孔用H7/n6配合，可以保证较高的同轴度和垂直度，适用于各种中小型模具。（3）带螺纹的旋入式模柄，与上模连接后，拧入防转螺钉紧固，垂直度较差，主要用于小型模具。（4）有凸缘的模柄，用螺钉、销钉与上模座紧固在一起，使用与较大是模具。（5）浮动式模柄，它由模柄、球面垫块和连接板组成，这种结构可以通过球面垫块消除冲床导轨位差对冲模导向精度的影响，适用于滚珠导柱、导套导向的紧密冲裁。根据本模具结构，模柄选择压入式模柄。在设计模柄时模柄长度不得大于冲床滑块内模柄孔的深度，模柄直径应与模柄孔径一致。综上，选择压入式模柄，查冲压手册P620选择Ⅰ型压入式模柄（GB2862.1-81）。d=38mm，D=40mm，D1=48mm。图6.9模柄7压力机的校核7.1公称压力的校核公称压力的校核，根据初选的压力机公称压力为160KN，经过计算，本套模具的总冲压力F总=153KN，总冲压力小于压力机公称压力，故公称压力得以校核。7.2行程次数的校核由于托架零件要求大批量生产，压力机的行程次数为115次/分钟。行程次数得以校核。7.3工作台面尺寸的校核压力机工作台面尺寸为450mm×300mm，上模座与下模座的尺寸为290mm×200mm，模具尺寸小于压力机台面尺寸，所以压力机台面得以校核。7.4闭合高度的校核由压力机的技术参数可知，压力机闭合高度范围是120mm-280mm，模具的闭合高度为140mm，所以可以安装到压力机上，闭合高度得以校核。8模具总装图图8.1模具总装图9总结本文设计了一种托架的冲压工艺与模具，设计了一副能够连续高速生产托架的级进模具，并介绍了模具的结构组成和工作原理，得出如下结论：（1）通过分析模具结构确定该套模具为8道工序级进模：冲孔、翻孔、冲异形孔、冲方形孔、切边、切边、弯曲、切断。零件与零件搭边值为1.5mm，侧搭边为2mm，条料宽度为41mm，步距为25.5mm，通过对比两个方案，最终确定了排样方案二更加合理，这种方案材料利用率为49.7%。（2）通过对冲裁力、卸料力与推件力的计算，得到总的压力为153KN，最终选定了公称压力为160KN的开式压力机，同时通过三维建模软件确定了压力中心（175mm，101mm）。（3）根据托架的结构设计了模具的主要成形零部件，包括冲孔凸模、翻孔凸模、切边凸模、弯曲凸模、切断凸模与整体式凹模。并利用三维建模软件Solidworks对凸模与凹模进行三维建模并装配，利用装配关系切除固定板与卸料板的固定孔。（4）对其他零部件进行设计，经校核，公称压力160KN大于总压力153KN，模具上下模座尺寸为290mm×200mm，压力机工作台面尺寸为450mm×300mm，压力机闭合高度范围是120mm-280mm，模具的闭合高度为140mm。经检验，压力机得以校核。（5）对模具其余零部件进行设计与三维建模，装配得到了模具总装配体，然后对总装配体进行干涉检查，并未发现零件之间有干涉，之后利用软件的投影命令得到二维总装图。

参考文献［1］王明.