毕业设计：弹簧钢片的冲压模设计

北华大学学士学位论文目 录第一章 绪论11.1 课题来源和本课题研究的目的和意义11.1.1 课题来源11.1.2选题的目的11.1.3课题的意义11.2 冲压技术的发展现状11.3 课题研究的理论依据31.3.1剪切区力态分析31.3.2冲裁过程31.3.3剪切断面分析31.3.4模具间隙41.3.5 板料的弯曲41.4 课题研究的主要内容6第二章 连续模设计72.1冲压模具的分类和结构型式72.2冲压模具设计的步骤和内容82.3 零件的工艺性分析92.4 冲压工艺方案的拟定102.4.1 选定设计方案102.4.2 工序的先后安排112.4.3 毛坯尺寸的计算112.4.4 排样图设计及材料的利用率122.5拟定模具的总体结构132.6 主要的计算132.6.1 冲孔力，侧刃冲裁力，落料力和切断力的计算132.6.2 弯曲力的计算142.6.3 总冲裁力的计算142.6.4 模具压力中心的确定152.7 压力机的选定162.7.1冲压设备的选择原则162.7.2冲压设备规格的选择162.8 模具成型零件设计172.8.1 冲孔凸凹模的设计172.8.2 落料凸凹模设计182.8.3 切断凸凹模设计212.8.4 弯曲凸凹模的设计222.9 级进模结构零件的设计262.9.1橡胶垫的选择262.9.2 模架的确定272.10 其它零件的设计272.10.1固定板272.10.2 导料板282.10.3 挡料块282.10.4 垫板292.10.5 螺钉与销钉292.10.6 导向零件302.10.7 固定零件302.11 模具的总装图的绘制31第三章 主要零件的模拟加工34结论37致谢38参考文献39- II -第一章 绪论1.1 课题来源和本课题研究的目的和意义1.1.1 课题来源本课题为弹簧钢片的冲压模设计，源于生产实践。1.1.2选题的目的冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。模具设计和制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。本课题旨在锻炼毕业生的思维，熟练掌握和运用大学四年所学知识，能够进行独立的设计作业。 针对题目使学生得到机械原理、机械零件设计、机械制造技术基础及模具设计与制造的综合训练。针对题目使学生获得冲压工艺规程、模具设计与制造加工基础知识，工艺参数及加工设备的选取，计算机辅助绘图及资料、手册的查阅。 培养学生综合运用所学知识分析问题和解决实际问题的能力、探求真理的创新精神和创新能力并受到工程设计与科学理论结合的初步训练等方面的能力。1.1.3课题的意义模具是制造业的重要基础工艺装备，工业产品大批量生产和新产品开发都离不开模具，用模具生产制件所达到的(四高二低)高精度，高复杂程度，高一致性，高生产率和低耗能、低耗材，使模具工业在制造业中的地位越来越重要。模具品种繁多，共有10大类，包括冲压、塑料、橡胶、铸造、锻压等，用于制造业中几乎所有产品的生产，可见模具的服务范围已包括国民经济的许多方面，现在模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一，没有高水平的模具就没有高水平的产品已成为共识。因而，设计制造出高质量的模具已势在必行。1.2 冲压技术的发展现状目前，我国冲压及模具制造业已驶入发展的快车道。尤其是近几年，随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，推动了中国模具工业的发展。虽然我国模具总量已达到相当规模，模具水平也有很大的提高，但与需求相比，还供不应求，其主要缺口集中于精密、大型、复杂、长寿命模具领域，主要原因是中国在模具精度、寿命、制造周期及生产能力等方面，与国际平均水平和发达国家相比较仍有较大差距。80年代以来，中国模具工业发展十分迅速。国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。这些年来，中国模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展。目前，中国17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。1999年中国模具工业总产值已达245亿元人民币(表1)。工业总产值中企业自产自用的约占三分之二，作为商品销售的约占三分之一。 在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。改革开放以来，中国模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化。除了国有专业模具厂外，其他所有制形式的模具厂家，包括集体企业、合资企业、独资企业和私营企业，都得到了快速发展，集体和私营的模具企业在广东和浙江等省发展得最为迅速。例如，浙江宁波和黄岩地区，从事模具制造的集体企业和私营企业多达数千家，成为国内知名的“模具之乡”和最具发展活力的地区之一。在广东，一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，为了提高其产品的市场竞争能力，纷纷加入了对模具制造的投入，例如科龙、美的、康佳和威力等集团都建立了自己的模具制造中心。中外合资和外商独资的模具企业多集中于沿海工业发达地区，现已有几千家。例如，江苏无锡的微研有限公司为一日本独资企业，员工有200余人，拥有精密数控模具加工设备60余台，1998年其模具产值超过2亿元。模具被称为工业产品之母，所有工业产品莫不依赖模具才得以规模生产、快速扩张，被欧美等发达国家誉为“磁力工业”。由于模具对社会生产和国民经济的巨大推动作用和自身的高附加值，世界模具市场发展较快，当前全球模具工业的产值已经达到600亿-650亿美元，是机床工业产值的两倍。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。随着我国加入WTO，我国模具工业的发展将面临新的机遇和挑战。我国的模具工业的发展，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经取得了共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60%-80%的零部件都要依靠模具成形（型）。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。因此，在我国工业化快速推进的同时，在国民经济中占有重要地位的模具工业也得到了迅速发展。统计显示，1996至2001年，我国模具制造业的产值年均增长14%到15%。2001年我国模具总产值就已突破300多亿元人民币，排名跃居世界第四位。虽然近几年来，我国模具工业的技术水平已取得了很大的进步，但总体上与工业发达的国家相比仍有较大的差距。例如，精密加工设备还很少，许多先进的技术如CAD/CAE/CAM技术的普及率还不高，特别是大型、精密、复杂和长寿命模具远远不能满足国民经济各行业的发展需要。因此，模具是国家重点鼓励与支持发展的技术和产品，现代模具是多学科知识集聚的高新技术产业的一部分，是国民经济的装备产业，其技术、资金与劳动相对密集。1.3 课题研究的理论依据冲压大致可分为分离工序与成形工序两个类。分离工序又可分为落料、冲孔切割等。成形工序则可分为弯曲、拉深、胀形、扩口、等。根据产品零件的形状、尺寸精度和其他技术要求，可分别采用各种工序对板料毛坯进行加工。1.3.1剪切区力态分析当凸模下降至与板料接触时，板料就受到凸、凹模断面的作用力。由于凸、凹模端面的作用力。由于凸、凹模之间存在间隙，使凸、凹模施加于板料的力产生一个力矩M，其值等于凸、凹模作用的合力与稍大于间隙的力臂a的乘积。力矩使材料产生弯曲，故模具与板料仅在刃口附近的狭小区域内保持接触，接触面宽度约为板料厚度的0.20.4倍。因此，凸、凹模作用于板料的垂直压力呈不均匀分布，随着向模具刃口靠近而极具增大。冲才时，由于板料弯曲的影响，其剪切区的应力状态是复杂的，且与变形过程有关。1.3.2冲裁过程冲裁即是分离工序，冲裁即是分离工序，工件受力时必须从弹、塑性变形开始，以断裂告终2。当凸模下降接触板料，板料即受到凸、凹模压力而产生弹性变形，由于力矩的存在，使板料产生弯曲，即从模具表面上翘起。随着凸模下压，模具刃口压入材料，内应力状态满足塑性条件时，产生塑性变形，不同的凸模行程，其变形程度不同，且凹模刃口附近变形大于凸模刃口附近的变形。由此可知，塑性变形从刃口开始，随着切刃的深入，变形区向板料的深度方向发展、扩大，直到板料的整个厚度方向上塑性变形，板料的一部分相对另一部分移动。力矩将板料压向整个厚度方向上产生塑性变形，板料的一部分相对于另一部分移动。力矩将板料压向切刃的侧表面，故切刃相对于板料移动时，这些力将表面平压，在切口表面上形成光亮带。当切刃附近材料各层中达到极限应变与应力值时，便产生微裂，裂纹产生后，沿着大剪应变速度方向发展，直至上、下裂纹会合，板料就完全分离。1.3.3剪切断面分析由于冲裁件的变形特点，使冲出的工件断面明显地分成三个特征区，即圆角带、光亮带、断裂带。要想提高冲裁件切断面的光洁度与尺寸精度，可通过增加光亮带的高度或采用整个工序来实现。增加光亮带高度的关键是延长塑性变形阶段，推迟裂纹的产生。这可以通过增加金属塑性和减少刃口附近的变形与应力集中来实现。1.3.4模具间隙模具间隙是指凸、凹模刃口之间缝隙的距离，用符号c表示，俗称单面间隙。而双面间隙用Z来表示。间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命的影响很大，是冲裁工艺与模具设计中的极其重要的问题。凸、凹模间隙对冲裁件的质量、冲裁力、模具寿命都有很大影响。为此设计模具时一定要选择合理的间隙，便冲裁件的断面质量较好、所需冲裁力小，模具寿命高。但分别从质量、精度、冲裁力等方面的要求各自确定的合理间隙值不相同。生产过程中通常选择一个适当的范围和为合理的间隙。1.3.5 板料的弯曲弯曲是将平直的毛坯或半成品，用模具或其他工具弯曲成具有一定角度或一定形状制件的冲压方法。它可分为工具作直线运动的压弯和工具作旋转运动的卷弯及滚压三类。这里采用第一种方法。材料在U形或V形模中弯曲时受力情况,作用力与反作用力之间形成的弯矩，使材料逐渐弯曲成型，但变形区只是在凸模接触之间的圆角部分，在弯矩的作用下，外侧产生拉应变，内侧产生压应变，弯曲成形。在弯曲过程中，板料的弯曲半径r与支点距离s随凸模下行逐渐减小，而在弯曲终了时，板料与凸、凹模完全贴合。当凸模上行后，总希望V形件的弯曲半径r和弯曲角a与模具形状保持一致，但是，由于弯曲变形过程的复杂性往往会伴随产生以下现象。1.3.5.1弯曲件的弹性回跳弹性回跳是弯曲成形时常见的现象，弯曲件弹性回跳的结果，其弯曲半径r和弯曲角与模具发生差异，与弯曲件要求的形状和角度不一致。这种差异，将影响板料的弯曲质量。生产实践证明，弯曲件的弹性回跳值，与板料性质、相对弯曲半径r/t（t为板厚）和模具结构等因素有关。当材料相同时，弹性回跳值主要取决于r/t的大小。板料在弯曲过程中随着r/t的不断减小，由弹性变形状态发展到塑性变形状态，最后使板料产生永久变形。变形物体在外力去除后，弹性变形部分会立即消失，产生弹性回复，而板料弯曲时的弹性变形有两种情况：其一是当r/t较大时，板料内外缘表层纤维进入塑性变形状态，而板料中心仍处在弹性变形状态，这是当凸模上升去除外载后，板料将产生弹性回跳；其二是金属塑性变形时总是伴有弹性变形的，所以板料弯曲时，即使内外层纤维全部进入塑性状态，在凸模上升去除外力后，弹性变形消失，也会出现弹性回跳。可见，板料弯曲后的弹性回跳现象总是存在的，只能采取措施尽量减少回跳量，提高弯曲件的质量。减小弹性回跳的措施有很多，主要有：(1)改进弯曲件局部结构和选用合适材料,(2)补偿法,(3)校正法,(4)拉弯法。1.3.5.2 中性层位置的内移板料弯曲时，外层纤维受拉，内层纤维受压，在拉伸与压缩之间存在着一个既不伸长、也不 压缩的纤维层，称为应变中性层。而毛坯截面上的应力，在外层的拉应力过度到内层压应力时，发生突然变化或应力不连续的纤维层，称为应力中性层。应变中性层用于弯曲件毛坯长度计算，应力中性层用以计算弯曲应力和应力分析。由应变中性层内移可知，应变中性层处的纤维在弯曲前期的变形时切向压缩，而弯曲后期必然是伸长变形，才能补偿弯曲前期的纤维缩短，使其切向应变为零。而弯曲后期的纤维的伸长变形，一般来说，仅发生在应力中性层的外层纤维上。由此可见，应力中性层在塑性弯曲时也是从板料中间向内层移动的，且内移量比应变中性层还大。1.3.5.3 弯曲区板料厚度的变薄板料弯曲时，以中性层为界，外层纤维受拉使厚度减薄，内层纤维受压使板料增厚。在r/t4的塑性弯曲时，中性层位置向内移动。内移结果：外层拉伸变薄区范围逐步扩大，内层压缩增厚区范围不断减小，外层的减薄量会大于内层增厚量，从而使弯曲板料厚度变薄。弯曲时的厚度变薄会影响零件的质量。因此，在拟定弯曲工艺和模具设计时，必须采取有效措施，才能弯制出合乎要求的零件。1.3.5.4 板料长度的增加 一般弯曲件，其宽度方向尺寸b比厚度方向尺寸大得多，所以弯曲前后的板料厚度b可近似地认为是不变的。但是，由于板料弯曲时中性层位置的向内移动，出现了板厚的减薄，根据体积不变条件，减薄的结果使板料长度l必然增加。相对弯曲半径r/t愈小，减薄量愈大，板料长度的增加也愈大。因此，对于r/t值较小的弯曲件，在计算弯曲件的毛坯长度时，必须考虑弯曲后的板料增长，并通过几次试验，才能得出合理的毛坯展开尺寸。1.3.5.5 板料横截面的畸变、翘曲和拉裂相对宽度较小（b/t3）的板料弯曲时，外层受拉，引起板料宽度和厚度的收缩；内层受压，使板宽和厚度增加，所以弯曲结果，板料横截面变为梯形，同时内外层发生微小的翘曲。相对宽度较大（b/t3）的板料弯曲，宽度方向的伸长和压缩受到限制，材料不易流动，因此，横截面形状变化不大，仍为矩形，仅在端部可能出现翘曲和不平，此外，塑性弯曲时，外缘表层的切向拉应力最大，当外层的合成力超过板料抗拉强b度时，就会沿着板料折弯线方向。相对弯曲半径r/t愈小，最外层纤维的切向拉裂的可能性1.4 课题研究的主要内容1）查阅相关资料，进行调研，熟悉课题。2）查阅与课题相关的外文文献，翻译英文资料，要求3000字以上。3) 撰写开题报告，要求3000字以上，主要介绍课题的目的意义、冲压模具的发展概况、课题研究内容、关键问题及解决思路、预期成果、进度安排等。4) 分析弹簧钢片的图样和技术条件及其工艺性，确定冲压工艺方案。5) 模具结构形式论证，确定模具总体结构方案。6) 具体结构及零部件的工艺设计计算。7) 合理选择冲压设备确定压力机的技术参数。8) 绘制装配图及零件图，并对关键零件进行必要的刚度和强度校核。9) 编写15000字以上的毕业设计的说明书。- 45 -第二章 连续模设计2.1冲压模具的分类和结构型式模具是冲压生产中主要的工艺装备。冲压件的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益等与模具结构及其合理设计的关系很大。因此，了解模具结构的各项技术指标，对于模具的设计是十分必要的。冲压工序大致分为两大类：第一类是分离工序，如：板料的剪裂、剪截、冲孔、落料、切口、整修、裁切、冲口等；第二类是变形工序，如：弯曲、缩口、卷边、扭转、拉伸、起伏成形、体积冲压等。冲模的结构形式很多，可以根据以下特征进行分类：1) 按冲压的性质分，有落料模、冲孔模、切边模、弯曲模、成形模和翻边模等。2) 按冲压工序的组合方式分，有单工序的简单模和多工序的复合模，连续模等3) 按模具的结构型式，根据上、下模导向方式，有无导向模和导板模、导柱模等。根据卸料装置，可分为固定卸料板和弹性卸料板冲模15。根据挡料形式，可分为因定挡料钉、活动挡料钉、活动挡料销、导正销和侧刃定距冲模。冲模的典型结构和特点1）单工序冲模（亦称单冲模）这种冲模是在压力机的一次行程中只完成一个冲压工艺工序。一般均以其完成的冲压工艺工序的名称来命名：如只进行冲孔的称之为冲孔模；只进行一次弯曲的称为弯曲模。2）复合模该类模具仅一个工位，在压力机的一次行程中能完成两个或两个以上冲压工步，根据这类模具完成的冲压工步的类别，可将其分为：冲裁式复合模、综合式复合模两种18。只完成冲裁作业的复合模，最常见的是冲孔落料复合模。如果连续模诸工位中,除了冲裁作业外，还有拉伸或弯曲、成形任意一个或一个以上变形工步的复合模，通称其为综合式复合模、多工位连续式复合模。3）级进（连续）模（亦称多工序级进模）这种模具是在压力机一次行程中，在模具的不同工位上，能同时完成两个或两个以上冲压工序。根据连续完成的冲压工序的工艺作业类别又将级进（连续）模分为：多工位级进（连续）冲裁模、多工位复合式级进（连续）模两种。连续模只有冲裁工位的，即只进行冲孔、切口、冲槽、落料等属于冲裁作业的工位，称为多工位级进（连续）冲裁模。如果级进（连续）模诸工位中，除了冲裁作业外，还有拉伸或弯曲、成形：包括翻边、冲挤、压印等属于多工位复合式级进（连续）模。2.2冲压模具设计的步骤和内容根据冲压件图和以此图编制的全部工艺文件、现场冲压设备使用说明书等进行冲模设计，需要经历的步骤和完成的工作内容如下：1）模具设计与从制造的角度出发。在确保冲件质量的基础上，从改善制模工艺性、提高模具寿命出发、分析研究冲件的冲压结构工艺性，熟悉冲件图结构、尺寸与形位精度、其他技术要求等。2）提供冲模设计的有关工艺文件是否齐全，包括：冲压件图、全套冲压工艺文件、冲模设计任务书等。3）分析冲压工艺的合理性。排样图、变形过程图及冲模结构选型是否先进、恰当、经济合理。4）核算冲压力，含冲压附加压力，诸如：卸料力、顶件力、卸件力、废料切断刀、拉深压边力、弹压卸料板压料力、弹性元件的弹力等。根据计算总压力选用设备的合理性、冲模装夹是否困难，压力机的形程、闭合高度、压力行程曲线能否满足工艺施工要求，排样图中搭边与沿边值以及排样方法是否合理，工步顺序及工位布置是否合适等。若冲裁力过大，或超过现在压力机的吨位，就必须采取措施降低冲裁力。一般采用如下几中方法：（1）材料加热红冲 材料加热后，抗剪强度大大地降低，比而降低冲裁力。但材料加后产生氧化到，故此法一般只适用于厚板或工件表面质量及精度要不高的零件19。（2）在多凸模冲模中将凸模作阶梯形布置即将凸模制成不同高度，便各凸模冲裁力的最大值不同时出现，这样就能降低总的冲裁力。特别是在几个凸模直径相差悬殊、彼此距离又很近的情况下，采用阶梯形布置还能避免小直径凸模由于承受材料流动的挤压力而产生折断或倾斜的。凸模间的高度差取决于材料厚度。（3）用斜刃口模具冲裁用普通的平刃口模具冲裁时，其整个刃口平面都同时接触板料，帮在冲裁大型或厚板工件时，冲裁力往往很大。若将尺平面做成与轴线成一个角度，冲裁时刃口就不是同时切入，而是逐步冲切材料，这就等于减少了剪切断面面积，因而能降低冲裁力。5）最后按确定的冲模类型，规定冲模总体结构，提出采用典型设计组合、冲模零部件标准及有关设计要求。就冲裁模而言，对单工序模、冲裁复合模、多工位连续式冲裁模，应采用GB2851287581冷冲模以及1990年修订本的国家标准中规定的典型组合标准规格，并按其规定选配成套冷冲模标准零部件、模板等标准件。对于含有拉深、弯曲、内外缘翻边等也尽量考虑使用上述标准，以利于制模。6）冲模的设计与计算（1）送出料装置的配置及操作方式的确定。（2）压料与卸料系统的设计。（3）顶件系统与卸料装置的设计。（4）进位限位装置设计。根据排样图确定挡料销的位置及尺寸。（5）选定冲模制造精度等级，主要依据冲件图要求的冲压精度，一般要提高12级精度，作为冲模制造精度的等级。（6）计算并确定冲模的压力中心。2.3 零件的工艺性分析工艺分析包括技术和经济两方面内容。在技术方面，根据产品图纸，主要分析零件的形状特点、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合冲压工艺的要求；在经济方面，主要根据冲压件的生产批量，分析产品成本，阐明采用冲压生产可以取得的经济效益。因此工艺分析，主要是讨论在不影响零件使用的前担下，能否以最简单最经济的方法冲压出来。影响冲压件工艺性的因素很多，从技术和经济方面考虑，主要因素：1）冲压件形状和尺寸不同的形状和尺寸的冲压件，有不同的工艺要求。对于冲裁件，要求外形简单对称，应该避免冲裁件上过长的悬臂，其宽度要大于料厚的两倍。一般情况下，冲裁件外形不能有尖角，应采用r2t有圆角，这有利于模具制造和提高模具寿命。2）零件精度冲压件精度与模具结构形式及其制造精度等因素有关。因此在设计冲压模具时，模具的材料、凸凹模间隙、拉深系数、拉深深度、扩口变形程度、排样的搭边距等都要经过相关的公式或表格查得，以此确保零件的精度。3）生产批量模具制造费用很高，约占冲压件总成本的百分之十到百分之三十，因此，生产量小时，采用共他加工方法可能比冲压方法更为经济。只有在大批量生产件下，冲压加工才能表现出明显的经济效益。一般来说，大批量生产时，可选用连续和高效冲压设备，以提高生产效率；中小批量生产时，常采用简单模或复合模，以降低模具制造费用。本设计工件结构如图所示，工件形状较简单，要求精度较高，主要工序有落料，冲孔，成形弯曲，考虑到条料的连续加工，还需要有切断的工序。若采用单工序模，工序很多，工件小，手工操作，定位难达到精度，质量难保证；若设计成复合模，模具制造难度大，且该工件批量生产，因此，采用多工位级进模制造更为合理。 图2.1 零件图此零件的材料是弹簧钢Q235，其有关参数查模具设计手册知：抗剪强度：310380MPa 抗拉强度： b440470 MPa延伸率： 2125 屈服点：240MPa2.4 冲压工艺方案的拟定2.4.1 选定设计方案假设给出三个备选方案： 方案一：落料，冲孔，弯曲单工序模； 方案二：冲孔、落料复合模,弯曲单工序模； 方案三：冲孔、落料、弯曲级进模；一般来说，小批量生产，常选用单工序简单模。但对于尺寸过小的冲压件，考虑到单工序模上料不方便和生产率低，也常选用复合模或级进模生产。当选用的几个单工序模制造费用比复合模还高，生产批量又不大时，也可以考虑将工序组合起来，选用复合模或级进模生产。对于有精度要求的零件，为了避免多次冲压的定位误差，也应选用复合模或级进模冲压。虽然复合模的冲压精度比连续模高，但是，该工件的生产工序较多，若采用复合模组合比较复杂，同时，与复合模相比级进模的生产率高，操作安全。因此：方案一和方案二：复合模极大地增加了制造加工难度，增加生产成本，延长加工周期，在实际生产中是不经济的。方案三：多工位级进模能相应地降低生产成本和加工难度，提高加工精度，提高生产效率，缩短生产周期，占用的操作人员少，适合大批量生产，因此如果可行，选择方案三相对合理。多工位级进模是指模具上沿被冲原材料的直线送进方向，具有至少两个或两个以上工位，并在压力机的一次行程中在不同的工位上完成两个或两个以上冲压工序的冲模。2.4.2 工序的先后安排1. 对带孔的冲裁件：一般先冲孔后落料，若孔到边缘距离较小而孔精度高时，排样应考虑先冲外形，再在导正销导正的情况下冲孔，以避免先冲孔后落料时，造成孔变形，达不到孔的精度要求。2. 对于有弯曲的零件：应在冲裁掉弯曲件周边（指弯曲件展开后）以外废料后再进行弯曲成形，最后落料。3. 对于带压筋压印的制件：对于这类制件，一般先压筋和压印，后冲孔，再落料。综合以上的要求，对于本设计的工序安排为：冲孔落料弯曲切断。2.4.3 毛坯尺寸的计算根据模具设计手册中，已知切点尺寸的单角弯曲的计算公式： （2.1）式中L毛坯的长度（mm） a，b标注的切点尺寸（mm） 弯曲角（） R弯曲半径（mm） t板料厚度（mm） x系数，查模具设计手册知，此处取0.5所以，毛坯件的尺寸为：L112+132.8+（16+20.5）2112+132.8+53.38298.18mm2.4.4 排样图设计及材料的利用率在冲压零件的成本中，材料的费用占60以上，因此材料的有效利用是一个重要的问题。设计多工位级进模首先要设计条料排样图。冲裁件在条料或板料上的布置方法叫做排样。排样不合理就会造成浪费，衡量排样经济性的标准是材料的利用率。即工件的面积A0与板料面积A的比值。即： 100% （2.2） 式中材料的利用率 A0工件的实际面积（mm2） A条料的使用面积（mm2）从上式可以看出，若能减少废料面积，则材料利用率大大上升。废料分为工艺废料和结构废料两种。排样有三种方式：有废料排样，少废料排样和无废料排样。本设计排样如下：图2.2 排样图第一步：侧刃冲裁冲导正销孔。第二步：落料。第三步：弯曲。第四步：切断制件。条料及导尺间距的计算：步距S的确定：S=L+a=60+2.0=62mm条料宽度： （2.3） 导尺间距离： （2.4）导尺间侧刃冲裁后距离： （2.5）式中 L冲件垂直于送料方向尺寸； n侧刃数； b侧刃冲裁的条边宽度； y冲切后条料宽度与导尺间间隙； a侧搭边的最小值； z导尺与条料间隙； B条料宽度； B导尺间起始距离； 导尺间侧刃冲裁后距离；本设计中取n=2 b=1.5 y=0.1 a=2 z=0.5经计算得：B=305.68mm 单步距材料利用率的计算：经软件计算零件展开面积2.5拟定模具的总体结构由零件的结构和以上的计算，估计整体模具的结构应该是：模具采用后侧滑动导柱模架，模具上模部分主要由上模板，垫板，凸模固定板，挡料板等组成,下模部分主要由下模板，凹模等装置组成。卸料方式采用弹性卸料，以橡胶为弹性元件。上模部分共用4个凸模，如装配图所示。2.6 主要的计算为合理设计模具和正确选用压力机，必须计算冲裁力。此零件的冲裁力由冲孔力，侧刃冲裁力，落料力，弯曲力和切断力组成。2.6.1 冲孔力，侧刃冲裁力，落料力和切断力的计算此处的冲裁力包括四部分为冲孔力、侧刃冲裁力、落料力、切断力。用一般平刃口的凸模和凹模进行冲孔时，其冲裁力按下式计算：F1.3Lt（2.6）式中 F冲裁力（N） t板料的厚度（mm） 材料的抗剪强度（MPa） L冲压件的轮廓尺寸（mm）对于此零件，查金属牌号性能手册知=320MPa,板料厚度已知t2mm，经计算得出L孔d223.1416100.48mm。L侧=26213.55=1680.2mm。L落=247.912=495.82mm。L切=882=176mm。则冲孔力为：F孔1.3Lt1.3100.48232083599N83.6kN。侧刃冲裁力：F侧=1.3Lt1.31680.22320=1397926.4N=1397.9kN。落料力为：F落=1.3Lt1.3495.822320=412522.2N=412.5kN。切断力为：F切=1.3Lt1.31762320=146432N=146.4kN。2.6.2 弯曲力的计算此处的弯曲属于自由弯曲，弯曲力用下式计算： F （2.7） 式中F最大自由弯曲力（N） b材料的抗拉强度，即屈服极限（MPa） K安全系数，一般K取1.3 b弯曲件的板料宽度（mm） r圆角半径（mm） 对于此零件，查模具设计手册知 b450MPa，安全系数K1.3，圆角半径r16mm，板料宽度b60mm，板料厚度t2mm。则计算出弯曲力为：F5460N=5.46kN2.6.3 总冲裁力的计算FF落+ F+F+F切+F侧 412.5kN+5.46kN+83.6kN+146.4kN+1397.9kN2045.86kNF推=K推F=0.0552045.86=112.52kNF= KF=0.052045.86=102.29kNF=F+F推+F=2045.86kN+112.52kN+102.29kN=2260.67kN选择压力机时，再将总的冲裁力乘以安全系数（其值一般取1.3）即为需要的压力机的压力。所以压力机的公称压力应该大于1.32260.672938.87kN。2.6.4 模具压力中心的确定冲裁模具的压力中心就是冲裁合力的作用点，冲压模具的压力中心一定要与压力机的滑块中心重合，因此，设计模具时要使模具的压力中心通过模柄的轴线，从而保证模具压力中心和冲床滑块中心重合。计算压力中心时，应先画出凹模型口图，如图所示：图2.3 凹模型口图为简化计算，将坐标原点设在条料中心线上，即将xoy坐标建在图示的对称中心线上。在图中将冲裁线按几何图形分成L1-L5共五组线段，每组线段都要计算出线段总长度，力作用点到x轴的距离及y轴的距离。L1为不规则图形，其力在x方向的作用点可按单凸模冲裁时压力中心单独算出，位于距半圆圆心处；L4、L5是直线，力作用点位于直线中间；L2和L3由圆组成，力的作用点位于圆心。有关数据的计算结果列表如下：从排样图可以看出，冲裁线在y方向除圆L3是外对称的，因而认为y方向的压力中心与圆L3的纵坐标重合。故只需计算x方向的压力中心。XC=103.85mm YC-44mm表2.1 相关计算结果（单位：mm）编号冲裁线长度力中心到y轴的距离x力中心到x轴的距离y1495.821370250.242110350.24211-444622140513.5524502.7 压力机的选定2.7.1冲压设备的选择原则冲压设备的选择主要是根据冲压工艺性质、生产批量大小、冲压件的几何形状、尺寸及精度要求等因素来确定的。冲压生产中常用的冲压设备种类很多，选择冲压设备时主要考虑下述因素：1）冲压设备的类型和工作方式是否适用于应完成的工序；是否符合安全生产和环保的要求；2）冲压设备的压力和功率是否满足应完成工序的需要；3）冲压设备的装模高度、工作台面尺寸、行程等是否适合应完成工序所用的模具；4）冲压设备的行程次数是否满足生产率的要求等。2.7.2冲压设备规格的选择冲压设备规格的确定，主要取决于工艺参数及模具结构尺寸：压力机标称压力必须大于冲压的工艺力；压力机的装模高度必须符合模具闭合高度的要求；压力机的行程要满足工件成形的要求，以便放入毛坯或取出工件；压力机的台面尺寸必须大于下模座的外形尺寸，并要留有固定模具的位置，一般每边应大出5070mm以上。压力机台面的漏料孔尺寸必须大于工件（或废料）的尺寸。查材料成型设备开式双柱可倾压力机技术规格可知，型号为J21-300的压力机符合要求，选定J21-300压力机。其有关参数如下：公称压力 3000kN滑块行程 150mm滑块行程次数 32（次/分钟）最大装模高度 420mm装模高度调节量 100mm喉深 400mm工作台尺寸 前后 770mm 左右 1400mm工作台板尺寸（厚度） 160mm 滑块地面尺寸 前后 450mm 左右 600mm模柄孔尺寸 直径 60mm 深度 90mm主电动机功率 22kW2.8 模具成型零件设计本套模具为连续模，成型零件有冲孔凸凹模，落料凸凹模，弯曲凸凹模。每对凸凹模之间与各对凸凹模本身的相互配合是至关重要的。现分别设计说明如下：2.8.1 冲孔凸凹模的设计参照冲压工艺学凸凹模刃口尺寸的计算公式：冲孔： dp(d+x)0-p（2.8） dd(dp+Zmin)+d0=(d+x+Zmin)+d0 （2.9）式中 dp、dd冲孔凸凹模直径（mm） p、d凸凹模的制造公差（mm） 工件的制造公差（mm） Zmin最小合理间隙（双面）（mm） x磨损量 首先确定工件的公差等级为IT12，查表知： p0.02mm d0.02mm Zmin0.14mm Zmax0.18mm所以 dp（16+0.750.1）0-0.0216.075.0750-0.02mm dd（16.075+0.14）+0.02016.215+0.020mm此凸模做成无导向凸模，如图所示：图2.4 冲孔凸模材料为 Cr12MoV 淬火硬度为HRC58-60,尾部回火硬度为HRC40-50。多工位级进模的凹模，采用整体式结构，即用一块整的矩形钢板制成，在工位数不多的小型级进模中仍为首选的一种结构。因为它有如下的优点：凹模只是一块板状零件，较完整，使模具结构较紧凑，设计和加工简单，制造装配比较方便，成本低；缺点是局部损坏后，不便于修理，对大一些的级进模不利于加工，因此只适用于外形尺寸不大的场合。另外，凹模的形孔，步距等精度完全靠机床的坐标精度来保证，无法通过调节来提高精度。在此设计中，凹模与压弯凸凹模，切断凹模，弯曲凹模做成一共同体，为整体式凹模。2.8.2 落料凸凹模设计 异型孔刃口尺寸的计算：由于工件形状复杂，为保证凸、凹模间一定的间隙值，必须严格限制冲模制造公差，因此，造成冲模制造困难。对于冲制薄材料（因Zmax与Zmin的差值很小）的冲模，或冲制复杂形状工件的冲模，或单件生产的冲模，常常采用凸模与凹模配合的加工方法。配作法就是先按设计尺寸制出一个基准件（凸模或凹模），然后根据基准件的实际尺寸再按最小合理间隙配制另一件。这种加工方法的特点是模具的间隙由配制保证，工艺比较简单，并且还可放大基准件的制造公差，使制造容易。设计时，基准件的刃口尺寸及制造公差应详细标注，而配作件上只标注公称尺寸，不注公差，但在图纸上注明：“凸（凹）模刃口按凹（凸）模实际刃口尺寸配制，保证最小双面合理间隙值Zmin”。采用配作法，计算凸模或凹模刃口尺寸，首先是根据凸模或凹模磨损后轮廓变化情况，正确判断出模具刃口各个尺寸在磨损过程中是变大，变小还是不变这三种情况，然后分别按不同的公式计算。(1) 凸模或凹模磨损后会增大的尺寸第一类尺寸A；落料凹模或冲孔凸模磨损后将会增大的尺寸，相当于简单形状的落料凹模尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的确定方法的公式如下。第一类尺寸： （2.10）(2) 凸模或凹模磨损后会减小的尺寸第二类尺寸B；冲孔凸模或落料凹模磨损后将会减小的尺寸，相当于简单形状的冲孔凸模尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的确定方法与公式如下。 第二类尺寸： （2.11） (3) 凸模或凹模磨损后会基本不变的尺寸第三类尺寸C；凸模或凹模在磨损后基本不变的尺寸，不必考虑磨损的影响，相当于简单形状的孔心距尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的确定方法与公式如下。 第三类尺寸： （2.12）式中 基准件尺寸，单位为； 相应的工件极限尺寸，单位为； 工件公差，单位为； 基准件制造偏差，单位为，当刃口尺寸公差标注形式为（或）时， ，当标注形式为时， 。1) 侧刃孔刃口的计算：图2.5侧刃尺寸所有尺寸都为A类尺寸： 2) 落料异形孔刃口尺寸计算：图2.6落料异形孔尺寸其中A类尺寸：A1(26.81)、A2(94.4)、A3(44.4)、A4(40.4)、A5(R18)，B类尺寸：R4，其余为C类尺寸。 2.8.3 切断凸凹模设计为顺利完成连续模的工作过程，切断过程安排在弯曲之后，由于切断工序与冲异形孔的目的相近，因此，计算凸凹模间隙时可以用冲异形孔时刃口尺寸的公式。凸模形状如图:图2.7 剪切凸模为避免剪切与冲孔在同一瞬时进行，设计切断凸模长于冲孔凸模1mm，这样在冲孔之后进行切断，有利于延长模具的工作寿命和设备的稳定。凸模的刃口尺寸计算：图2.8 剪切异形孔尺寸 材料为Cr12MoV，淬火硬度为HRC58-60，尾部回火硬度HRC40-50。2.8.4 弯曲凸凹模的设计2.8.4.1 凸凹模的圆角半径当r（58）t（t为板料厚度）时，工件弯曲半径变化不大，只考虑角度回弹。r=8t=82=16mm，所以对与工件的弯曲角仅考虑角度回弹，且回弹量很小，可以忽略。凸模的圆角半径rp等于弯曲件内侧的圆角半径r，所以rp16mm。凹模圆角半径rd不宜过小，以免弯曲时擦伤毛坯表面，同时凹模两边的圆角半径应该相等。本套模具rd根据板料厚度t知，t2mm时，rd=(36)t取得rd12mm。2.8.4.2 凸凹模的间隙1. U形件弯曲模的凸、凹模单边间隙对于U形件弯曲，设计模具时应当确定合适的间隙值。间隙过小，会使弯曲件直边料厚减薄或出现划痕，同时还会降低凹模寿命，增大弯曲力；间隙过大，则回弹增大，从而降低了弯曲件精度。生产中，U形件弯曲模的凸、凹模单边间隙一般可按如下公式确定：弯曲有色金属时 Z=tmin+ct（2.13）式中 Z弯曲凸、凹模的单边间隙； t弯曲件的材料厚度（基本尺寸）； tmin弯曲件材料的最小厚度； c间隙系数，可查模具手册。则查模具手册取c=0.07代人上式得：Z=2+20.07=2.14mm2. U形件弯曲模的凸、凹模横向尺寸及公差确定U形件弯曲模的凸、凹模横向尺寸及公差的原则是：在弯曲件标注外形尺寸时（图2.9a）应以凹模为基准件，间隙取在凸模上；在弯曲件标注内形尺寸时（2.9b），应以凸模为基准件，间隙取在凹模上；基准凸凹模的尺寸及公差则应根据弯曲件的尺寸、公差、回弹情况以及模具磨损规律等因素确定。 a) b) c)图2.9 标注外形与内形的弯曲件及模具尺寸（1） 弯曲件标注外形尺寸时（图2.9a） （2.14） （2.15）（2） 弯曲件标注内形尺寸时（图2.9b） （2.16） （2.17）式中 Ld、Lp弯曲凸凹模横向尺寸；Lmax、Lmin弯曲件的横向最大、最小极限尺寸； 弯曲件横向的尺寸公差； 弯曲凸、凹模的制造公差，可采用IT7IT9级精度，一般取凸模 的精度比凹模精度高一级，但要保证d/2+p/2+tmax的值在最大 允许间隙范围以内； Z 凸、凹模单边间隙。取凸模尺寸为：BLH=60mm148.8mm120mm凹模尺寸为：BLT=60mm152.8mm50mm弯曲部位的计算：弯曲部分采用倒装形式，即凸模在下方，凹模在上方。由于零件为内经标注，设计弯曲凸凹模时应以凸模为准。凸模圆角半径应等于弯曲件内侧圆角半径r，但不应小于材料的允许的最小弯曲半径。查得45#最小相对弯曲半径。凸模尺寸宽度应为： （2.18） 式中 b弯曲件基本尺寸，b为mm； 弯曲件制造公差； 、凸、凹模制造公差，按IT68公差等级选取。弯曲凸、凹模长度，凹模深度等工作部分尺寸，可根据弯曲件边长、压力机行程等条件，合理选取。所以 尺寸如下图：图2.10 弯曲凸模尺寸图凸模材料为T10A，淬火硬度为HRC58-60，尾部回火硬度HRC40-50。2.8.4.3 控制回弹工件在弯曲时，弹性回跳是无法避免的，为了尽可能达到预定的弯曲半径，在设计弯曲凸凹模时必须采取相应的措施减少因弹性回跳带来的误差，常用的减少弹性回跳的方法有：（1）改进弯曲件局部结构和选用合适材料,（2）补偿法,（3）校正法,（4）拉弯法。本次设计采用改进弯曲件局部结构和选用合适材料来减少回跳。四道工序的凹模为一共同体，如下图：图2.11 凹模为完成连续加工，冲孔，落料，弯曲，切断四道工序右由向左依次分布，各凸凹模间距的确定十分重要，间距分布如下：图2.12 凹模间距2.9 级进模结构零件的设计2.9.1橡胶垫的选择模具中所用的橡胶包括工业用普通橡胶，真空橡胶、聚氨酯橡胶等。选用橡胶时，应根据卸料力和要求的压力缩量校核的工作压力和许用的压缩量。2.9.1.1橡胶垫所产生的工作压力计算 由公式：F=AP （2.19） 式中: F橡胶垫工作压力 A橡胶垫横截面积（） P单位压力、与橡胶垫压缩量、形状有关，一般取用23MP。 图2.13 胶垫的形状及特性曲线2.9.1.2 确定橡胶垫压缩量和厚度 橡胶垫允许最大压缩量应不超过其自由高度的45%，否则会过早失去弹性而损坏。一般总压缩量取： （2.20）橡胶垫的预压缩量一般取其自由度高度的10%15%，即： （2.21）故橡胶垫工作行程： （2.22）根据所需工作行程，可求出橡胶垫自由高度 （2.23） 经分析计算本课题采用直径为40，高度为40的橡胶垫块。 2.9.2 模架的确定1、根据模具设计与制造简明手册表1-234后侧导柱模架下模座轮廓尺寸（GB/T2855.14-1990），如图所示，可得： 图2.14 模架的选择上下模座的材料为HT20，热处理为调质处理HRC2832。后侧导柱模架上下模座轮廓尺寸（毫米）（GB/T2855.14-1990）其中，L=630mm L2=750 mm B=315 mm h1=65mm h2=80 mm ； S=640mm R=65 mm ；其应用特点：1、两导柱、导套分别装在上、下模座后侧，凹模面积是导套前的有效区域。2、可用于冲压较宽的条料，且可用边角料。3、导柱分布对称，受力平衡，拔模方便。4、可从三个方向送料，操作方便。2.10 其它零件的设计2.10.1固定板冲模中的固定板，根据用途的不同有主要用于固定凸模的凸模固定板（简称固定板）和用于固定凹模的凹模