端盖零件落料冲孔复合模设计.docx
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端盖零件落料冲孔复合模设计
摘要
本文为顺装复合冲压模设计。
设计中运用冲压模具设计与制造的知识及CAD应用的知识，包括工艺分析、冲压方案的确定、模具结构的设计、参数的计算、也包含了冲裁力计算，定距方法，冲裁间隙选择，压力中心计算的设计要点以及运用CAD画零件图和装配图。
本文介绍的模具实例简单实用,使用方便可靠,根据零件的几何形状要求和尺寸的分析，采用复合模冲压，这样有利于提高效率，模具设计和制造也相对简单。
关键词：
复合模；冲压；设计
ABSTRACT
Thisarticlemakescompoundstampingdiedesign.Usedinthedesignofstampingdiedesignandmanufactureofknowledge,andtheapplicationofCAD,includingprocessanalysis,theschemedeterminationofstamping,diestructuredesign,parametercalculation,alsoincludescuttingforcecalculationdistancemethodofblankingclearancechoise,designkeypointsofpressuercentercalculationandtheuseofCADdrawingpartsdrawingandassemblydrawing.Examplesinthispaper,themoldissimpleandpractical,easytouseandreliable,accordingtotherequirementsofthepartsgeometricshapesanddimensionsofanalysis,USESthecompounddiestamping,sotoimproveefficiency,molddesignandmanufacturingisrelativelysimple.
Keywords:
compounddie;Stamping;design
第一章绪论
冲压是塑性加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，所以有时也叫板料冲压。
冲压加工时在板料模具的作用下，于其内部产生使之变形的内力。
当内力的作用到达一定程度时，板料的某一部分就会产生与内力性质相应的变形，从而获得一定的形状尺寸和性状的零件。
冲压工艺的材料利用率高，便于自动化生产，适应新时代的需要，因而具有很强大的生命力。
冲压的特点及应用与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济的方面都具有许多独特的优点。
主要表现如下。
（1）冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。
这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。
（2）冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。
（3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。
（4）冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。
但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。
所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益。
冲压模在现代工业生产中，尤其是大批量生产中应用十分广泛。
相当多的工业部门越来越多地采用冲压法加工产品零部件，如汽车、农机、仪器、仪表、电子、航空、航天、家电及轻工等行业。
在这些工业部门中，冲压件所占的比重都相当的大，少则60%以上，多则90%以上。
不少过去用锻造=铸造和切削加工方法制造的零件，现在大多数也被质量轻、刚度好的冲压件所代替。
因此可以说，
如果生产中不谅采用冲压工艺，许多工业部门要提高生产效率和产品质量、降低生产成本、快速进行产品更新换代等都是难以实现的。
模具材料是模具加工业的基础。
随着我国国民经济发展和人民生活水平的提高，人们对产品的审美观、价值观也不断提高，从而对各类模具产品，无论是内在质量还是外表美观等方面均要求日益精臻，因此势必对工模具材料在数量上、系列上和质量上提出更高的要求。
中国的模具材料从无到有，从小到大，从少到多，直到现在，无论是从钢种还是从规格、标准化、系列化等方面，都是伴随着模具制造发展而发展的。
改革开放以来，我国的工业和经济蓬勃发展，以前的手工作坊和落后的生产方式已经不能满足现代工业的要求，迫切需要寻找另一种更有效率的方式来适应现代工业。
而在现代制造业中，企业的生产一方面朝着多品种、小批量和多样式的方向发展，加快换型，采用柔性化加工，以适应不同用户的需要；另一方面朝着大批量、高效率生产的方向发展，以提高劳动生产率和生产规模来创造更多效益，生产上采取专用设备生产的方式。
于是模具技术及模具工业应运而生。
在现代工业生产中，60%～90%的工业生产需要使用模具来加工。
作为一种高效率的生产工具，模具是工业生产中使用极为广泛、地位极其重要的工艺装备。
采用模具生产制品和零件，具有生产效率高，可实现高速大批量的生产；节约原材料，实现无切屑加工；产品质量稳定，具有良好的互换性；操作简单，对操作人员没有很高的技术要求；利用模具批量生产的零件加工费用低；所加工出的零件与制件可以一次成形，不需进行再次加工；能制造出其它加工工艺方法难以加工、形状比较复杂的零件制品；容易实现生产自动化的特点。
这是一个端盖落料冲孔复合冲压生产的一个典型零件，在生活中有很强的实用性，其模具设计有一定的实用价值。
对于该制件我们利用先进的模具生产提高生产效益、保证产品质量、节约成本，从而取得很高的经济效益。
第二章工艺分析
图2-1零件简图
生产批量：
中批量；
材料：
08F；
材料厚度：
1.2mm；
2.1材料分析
表2-1部分碳素钢抗剪性能
材料名称
材料状态
抗剪强度（Mpa）
抗拉强度（Mpa）
屈服点（Mpa）
伸长率（%）
08F
未退火
175
295
175
35
由上表2-1可知：
08F碳素结构钢，强度低和硬度、塑性、韧性好，易于深冲、拉延、弯曲和焊接，适合钢板用作深冲压和深拉延的容器，如搪瓷制品、仪表板、汽车驾驶室盖板等。
圆钢用作心部强度要求不高的渗碳或氰化零件。
2.2零件结构
零件结构形状相对简单，整体是一个矩形长度34mm，宽度32mm，厚度1.2mm，有四个直径为3.2mm的圆孔以及中心部分有一个直径8.5mm的圆孔，四个角倒圆角R3.5mm，根据该零件形状来分析，该零件的结构满足冲裁要求。
2.3尺寸精度
由于该图纸未标注尺寸公差，所以此次设计孔中心距公差等级取12级，其余的尺寸公差等级全部取14级。
由公差等级表查得：
零件外形:
、
、
零件内孔:
、
中心尺寸:
、
2-2常见零件公差等级表
公差等级
IT4
IT5
IT6
IT7
IT8
IT9
IT10
IT11
IT12
IT13
IT14
基本尺寸/mm
/μm
/mm
≤3
＞3~6
＞6~10
＞10~18
＞18~30
＞30~50
＞50~80
＞80~120
＞120~180
＞180~250
＞250~315
＞315~400
＞400~500
3
4
4
5
6
7
8
10
12
14
16
18
20
4
5
6
8
9
11
13
15
18
20
23
25
27
6
8
9
9
13
16
19
22
25
29
32
36
40
10
12
15
18
21
25
30
35
40
46
52
57
63
14
18
22
27
33
39
46
54
63
72
81
89
97
25
30
36
43
52
62
74
87
100
115
130
140
155
40
48
58
70
84
100
120
140
160
185
210
230
250
60
75
90
110
130
160
190
220
250
290
320
360
400
0.10
0.12
0.15
0.18
0.21
0.25
0.30
0.35
0.40
0.46
0.52
0.57
0.63
0.14
0.18
0.22
0.27
0.33
0.39
0.46
0.54
0.63
0.72
0.81
0.89
0.97
0.25
0.30
0.36
0.43
0.52
0.62
0.74
0.87
1.00
1.15
1.30
1.40
1.55
工件厚度为1.2mm，适于冲裁。
结论：
该产品用冲压工艺完全可以得到。
第三章冲压工艺方案的确定
3.1冲裁工艺方案的确定
在冲裁工艺分析和技术经济分析的基础上，根据冲裁件的特点确定工艺方案。
工艺方案分为冲裁工序的组合和冲裁顺序的安排。
3.2冲裁工艺方法的确定
冲裁工序分为单工序冲裁、复合冲裁和级进冲裁三种。
单工序冲裁是在压力机一次行程内只完成一个冲压工序的冲裁模。
复合冲裁是在压力机一次行程内，在模具的同一位置同时完成两个或两个以上的冲压工序。
级进冲裁是把冲裁件的若干个冲压工序，排列成一定的顺序，在压力机的一次行程中条料在冲模的不同位置上，分别完成工件所要求的工序。
其三种工序的性能见表3-1。
表3-1单工序冲裁、级进冲裁和复合冲裁性能
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，压力机一次行程内只能完成一个工序
较高，压力机一次行程内可完成二个以上工序
高，压力机在一次行程内能完成多个工序
实现操作机械化自动化的可能性
较易，尤其适合于多工位压力机上实现自动化
制件和废料排除较复杂，只能在单机上实现部分机械操作
容易，尤其适应于单机上实现自动化
生产通用性
通用性好，适合于中小批量生产及大型零件的大量生产
通用性较差，仅适合于大批量生产
通用性较差，仅适合于中小型零件的大批量生产
冲模制造的复杂性和价格
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
复合模的特点是生产效率高，冲裁件的内孔与外缘的相对位置精度高，板料的定位精度要求比级进模低，冲模的轮廓尺寸较小。
由于零件的生产要求的是大批量生产、零件的尺寸较小，制造相对比较难，为提高生产率，根据上述方案分
析、比较，宜采用复合模冲裁。
3.3冲裁结构的选取
按照复合模工作零件的安装位置不同，分为正装式复合模和倒装式复合模两种，两种的优点、缺点及适用范围见表3-2。
通过对正装式复合模和倒装式复合模两种优点、缺点及适用范围的分析比较，正装式复合模适合于冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件，还可以冲制孔边距离较小的冲裁件。
综上所述，宜采用顺装复合模。
表3-2正装式复合模、倒装式复合模的优点、缺点及适用范围
比较项目
正装（顺装）式复合模
倒装式复合模
结构
凸凹模装在上模，落料凹模和冲孔凸模装在下模
凸凹模装在下模，落料凹模和冲孔凸模装在上模
优点
冲出的冲件平直度较高
结构较简单
缺点
结构复杂，冲件容易被嵌入边料中影响操作
不宜冲制孔边距离较小的冲裁件
适用范围
冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件，还可以冲制孔边距离较小的冲裁件
不宜冲制孔边距离较小的冲裁件，但倒装式复合模结构简单、又可以直接利用压力机的打杆装置进行推件，卸料可靠，便于操作，并为机械化出件提供了有利条件，故应用十分广泛
第四章冲压模具总体结构设计
4.1模具类型
根据该零件的工艺分析，采用复合模。
模具类型为顺装式复合模。
4.2操作与定位方式
零件中批量生产，安排生产可采用手工送料方式能达到批量生产，且能降低模具成本，因此采用手工进料方式;零件尺寸较小，保证冲孔落料的精度采用固定挡料销和活动导料销.
4.3卸料与出件方式
卸料方式采用弹性卸料，以弹簧为弹性元件。
冲孔废料从凸凹模顶出,成品从凹模推出
4.4模架类型及精度
因为零件材料厚度较小，尺寸较小，所以采用导向精度较高的后侧导柱标准模架，考虑零件精度要求不是很高，采用I级模架精度。
第五章工艺参数计算
5.1排样方式
冲裁件在板料、带料或条料上的布置方法称为排样。
排样的意义在于减小材料消耗、提高生产率和延长模具寿命，排样是否合理将影响到材料的合理利用、冲件质量、生产率、模具结构与寿命。
排样的方法有：
直排、斜排、对直排、混合排，根据设计模具制件的形状、厚度、材料等方面全面考虑。
因此有下列三种方案：
方案一：
有废料排样沿冲件外形冲裁，在冲件周边都留有搭边。
冲件尺寸完全由冲模来保证，因此冲件精度高，模具寿命高，但材料利用率低。
方案二：
少废料排样因受剪切条料和定位误差的影响，冲件质量差，模具寿命较方案一低，但材料利用率稍高，冲模结构简单。
方案三：
无废料排样冲件的质量和模具寿命更低一些，但材料利用率最高。
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，但受条料宽度误差及条料导向误差的影响，冲裁件的尺寸精度不易保证，故应采用方案一。
分析零件形状，零件可能的排样方式如图：
图5-1排样图
5.1.1搭边值的确定
排样中相邻两工件之间的余料或工件与条料边缘间的余料称为搭边。
搭边是
废料，从节省材料出发，搭边值应愈小愈好。
但过小的搭边容易挤进凹模，增加刃口磨损，降低模具寿命，并且也影响冲裁件的剪切表面质量。
一般来说，搭边值是由经验和查表来确定的，该制件的搭边值采用查表取得。
表5-1搭边a和a1数值（低碳钢）
材料厚度t
矩形件边长L≤50mm的工件
工件间a1
沿边a
0.25以下
2.2
2.5
0.25~0.5
1.8
2.0
0.5~0.8
1.5
1.8
0.8~1.2
1.2
1.5
1.2~1.6
1.5
1.8
1.6~2.0
1.8
2.5
2.0~2.5
2.0
2.2
2.5~3.0
2.2
2.5
如表5-1所示：
根据此表和工件外形可知L﹥50mm，得:
a=1.5mm，a1=1.2mm。
宽度的确定：
根据模具的结构不同，可分为有侧压装置的模具和无侧压装置的模具，侧压装置的作用是用于压紧送进模具的条料（从料带侧面压紧），使条料不至于侧向窜动，以利于稳定地加工生产。
本套模具无导料板为无侧压装置。
故按下式计算：
B
=（Dmax+2a1+C）
（5-1）
式中:
B-条料宽度；
Dmax-条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；
a1-侧搭边值，可参考表5-1；
-△-条料宽度的单向（负向）偏差，见表5-2；
表5-2剪料公差及条料与导料板之间隙
条料宽度
B/mm
材料厚度t/mm
0~1
1~2
2~3
3~5
~50
50~100
100~150
150~220
220~300
0.4
0.5
0.7
0.8
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
条料宽度:
B
=（Dmax+2a1）
=（34+2×1.5）
=
mm
5.1.2材料利用率的计算
冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比就叫材料利用率，它是衡量合理利用材料的经济性指标。
步距为：
S=D+a=32+1.2=33.2mm
一个步距材料利用率η为：
A-一个步距内冲裁件的实际面；
B-条料宽度；
S-步距。
经过计算，选择1600mmx800mm的板料。
每张可裁剪为（40X800）规格的40张条料，每条可冲24个工件，总料为960个，则η总为：
η总=
=
n—条料上实际冲裁件的总数；
L—条料长度；
B—条料宽度；
A—一个零件的实际面积。
5.2冲压力的计算
计算冲裁力是为了选择合适的压力机，设计模具和检验模具的强度，压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适宜冲裁的要求，普通平刃冲裁模，其冲裁力Fp一般可以按下式计算：
Fp=KptLτ（5-2）
式中:
τ-材料抗剪强度；
L-冲裁周边总长（mm）；
t-材料厚度（mm）
系数Kp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Kp，一般取1～3。
当查不到抗剪强度τ时，可以用抗拉强度σb代替τ，而取Kp=1.3的近似计算法计算。
其中τ是按08F号钢最大值计算。
5.2.1总冲裁力的计算
由于冲裁模具采用弹性卸料装置和自然落料方式。
F冲=F1+F2（5-3）
式中:
F冲-总冲裁力；
F1-落料时的冲裁力；
F2-冲孔时的冲裁力。
冲裁周边的总长（mm）
落料周长为:
冲孔周长为:
落料冲裁力由公式得：
F1=KtL1τ
=
冲孔冲裁力由公式得：
F2=KtL2τ
=
卸料力:
（5-4）
K卸查表可得
推件力:
F推=nK推F（5-5）
=1x0.05x57193.656
=2859.68N
K推查表可得
顶件力:
F顶=K顶F（5-6）
=0.06x57193.656
=3431.62N
K顶查表得
总冲压力：
F总=F落+F冲+F卸+F推/F顶
=57193.656+30779.1+3431.62+2859.68+3431.62
=97.7（KN）
5.2.2压力中心的确定
模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。
为了确保压力机和模
具正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心相重合，否则会使冲模和
压力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨之间产生过大的摩擦，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。
冲模的压力中心，可按下述原则来确定：
（1）对称形状的单个冲裁件，冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。
（2）工件形状相同且分布位置对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。
（3）形状复杂的零件、多孔冲模、级进模的压力中心可用解析计算法求出冲模压力中心。
解析法的计算依据是：
各分力对某坐标轴的力矩之代数和等于诸力的合力对该轴的力矩。
求出合力作用点的坐标位置X0，Y0（即x=0，y=0），即为所求模具的压力中心。
设工件的压力中心为（x0，y0），取工件的质心为压力中心，以工件的的对称中心为坐标远点。
因为工件在X轴和Y轴上都是对称，所以压力中心和产品中心重合，即产品的中心孔圆心为压力中心。
第六章刃口尺寸计算
冲裁件的尺寸精度主要决定于模具的刃口尺寸精度，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。
正确确定模具刃口尺寸及其制造公差，是设计冲裁模主要任务之一。
6.1冲裁间隙的确定
冲裁间隙是影响冲裁工序最重要的工艺参数，其定义为冲裁凸模与凹模之间的空隙尺寸。
设计模具时一定要选择合理的间隙，以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求，所需冲裁力小、模具寿命高。
冲裁过程中模具的失效形式一般有磨损、变形、崩刀和凹模刃口胀裂四种。
间隙大小主要对模具磨损及胀裂产生影响,间隙增大可以使冲裁力、卸料力等减小，因而模具的磨损也减小。
但当间隙继续增大时，卸料力增加，又影响模具寿命。
一般间隙为（10%～15%）t时的磨损最小，模具寿命较高。
由于冲裁间隙对断面质量、工件尺寸精度、模具寿命、冲裁力等的影响规律并非一致，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最佳、尺寸精度最高、模具寿命最长、冲裁力最小等各方面的要求。
所以在实际生产中，其总的原则应该是在保证满足冲裁件剪切断面质量和尺寸精度的前提下，使模具寿命达到最长。
目前在生产中，广泛采用经验法和查表法来确定合理的间隙植。
本套模具采用查表法予以确定其间隙植。
根据实用间隙表6-1查得材料08钢的最小双面间隙Zmin=0.126mm，最大双面间隙Zmax=0.180mm。
6.2刃口尺寸的计算及依据和法则
在确定冲模凸模和凹模刃口尺寸时，必须遵循以下原则：
（1）根据落料和冲孔的特点，落料件的尺寸取决于凹模尺寸，因此落料模应先决定凹模尺寸，用减小凸模尺寸来保证合理间隙；冲孔件的尺寸取决于凸模尺寸，故冲孔以凹模为基准件，用增大凹模尺寸来保证合理间隙。
（2）根据凸、凹模刃口的磨损规律，凹模刃口磨损后使落料件尺寸变大，其刃口的基本尺寸应取接近或等于工件的最小极限尺寸；凸模刃口磨损后使冲孔件孔径减小，故应使刃口尺寸接近或等于工件的最大极限尺寸。
（3）凸模和凹模之间应保证有合理的间隙。
（4）凸模和凹模的制造公差应与冲裁件的尺寸精度相适应。
制造模具时常用以下两种方法来保证合理间隙：
表6-1冲裁模初始双边间隙值
材料
厚度
08、10、35、
09Mn、Q235
16Mn
40、50
65Mn
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
小于0.5
极小间隙（或无间隙）
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
1.5
1.75
2.0
2.1
2.5
2.75
3.0
3.5
4.0
4.5
5.5
6.0
6.5
8.0
0.040
0.048
0.064
0.072
0.092
0.100
0.126
0.132
0.220
0.246
0.260
0.260
0.400
0.460
0.540
0.610
0.720
0.940
1.080
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.240
0.320
0.360
0.380
0.500
0.560
0.640
0.740
0.880
1.000
1.280
1.440
0.040
0.048
0.064
0.072
0.090
0.100
0.132
0.170
0.220
0.260
0.280
0.380
0.420
0.480
0.580
0.680
0.680
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