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冲压工艺和模具设计

冲压工艺及模具设计

单位：

重庆工业职业技术学院

部门：

机械工程学院

班级：

11级模具302班

姓名：

罗少镭

学号：

201110230215

导师：

洪奕

前言

中国目前已经成为了世界性的制造大国，在近50年内中国还将担当“世界工厂”的角色，制造业将是未来我国国民经济增长的主要源泉，而冲压技术则是现代制造业中一个重要的组成部分。

高科技和创新已经成为了全世界的重要组成“元素”，随着人类生活消费水平的提高，国家对模具的要求也提高了。

怎样做好一个完美的模具，并使它物尽其用都需要人类不断试验和探究，而冲压模具是其必不可缺的不分。

但是，冲压生产的技术含量高，需要从业者具备较高的技术要求和水平。

因此，高素质人才才是冲压技术的关键。

同学么不仅要学习教材，更需要进行实地的动手，总结，整理工作的经验和技术，将冲压模具的各个领域都贯彻才是提高国家地位的关键。

编者

2012年10月

一、冲裁工艺设计……………………………1

1.零件的冲裁工艺性分析……………………....…….1

2.冲裁工艺方案分析和优化…………………………..2

二、冲裁工艺参数计算………………………40

1.冲裁排样设计的方法和选择……………………….4

2.冲压力计算和冲裁设备确定……………………….6

3.模具压力中心确定…………………………………..7

三、冲裁模具参数计算………………………8

1.冲裁模具间隙的选用和确定……………………...8

2.冲裁模具刃口尺寸计算…………………………...8

3.模具闭合高度确定………………………………..11

四、冲裁结构分析，选取和确定………………11

1.模具结构选取和确定的基本要求……………..13

2.冲裁的主要类型及使用生产范围……………..13

五、冲裁模具零部件设计……………………14

1.模具零件的分类………………………………….14

2.模具零部件的标准化……………………….......14

3.冲裁零件设计…………………………………….14

4.模具总体尺寸及各主要零部件之间的关系...15

零件的冲裁工艺性分析

1.零件的批量和材料

批量：

大批量生产，因此冲压工艺性好。

材料：

零件的材料为08F，查表可知08F的材料抗剪度为F230-310Pa。

抗拉强度为275-380。

不仅满足了其产品使用性能的技术要求，而且还应该满足冲裁工艺对材料的基本要求。

所以适合冲裁工艺。

2.零件的结构尺寸：

a．由图可知：

此零件外形构造简单，其厚度t=2mm，左右对称，有利于材料的合理利用，以便节约材料，减少工序数目，提高模具寿命，降低冲压件的成本，适合冲裁工艺。

b．冲裁件的内、外形转角要尽量避免尖角，应以圆弧过渡，以便于模具加工。

减少冲裁时尖角处的崩刃和过快磨损。

减少热处开裂。

图中的尖角要以圆弧过渡代替。

查表可知圆弧处的r=0.25t=0.5mm。

如下图：

c．此工件无任何悬臂及凹槽，无需考虑避免过于窄长的凸出悬臂和凹槽。

所以此工件适合冲裁工。

d．冲孔时，因受凸模强度的限制，孔的尺寸不应太小。

冲孔的最小尺寸取决于材料性能、凸模强度和模具结构等。

而图中，孔的直径d=10mm，查表可知d=10mm〉1.5t。

符合要求，适合冲裁。

e．由于此零件只有一个中心孔，因此无需考虑孔与孔之间的距离。

不影响冲裁生产，适合冲裁工艺。

3．零件的精度与断面分析：

a．冲裁体的公差等级不高于IT11级，一般落料件公差等级最好低于IT10级，冲孔件公差等级最好低于IT9级。

可以由表得知，t=2mm的托板的冲压生产满足产品的精度要求，故适合冲裁工艺。

b．冲裁件的断面粗糙度及毛刺高度与材料塑性、材料厚度、冲裁间隙、刃口锋利程度、冲模结构及凸、凹模工作部分表面粗糙值等因素有关。

用普通冲裁厚度为mm以下的金属板料时，其断面粗糙度值Ra一般可在3.2-12.5μm。

由图可知：

此零件t=2mm的金属材料，Rmax≤0.05mm，满足冲压件实际尺寸的要求和公差精度等级。

冲压工艺方案分析及优化

1．在选择冲压工艺方案时，应当保证冲裁件的质量，还应选择成本较合适的工件。

必须遵守安全性原则。

2．在满足或遵循上面三个要求时，还需分析并确定冲压工艺方案

a．分析工件的基本特性及一般性：

08F属于优质碳素结构钢，其特点：

材料的利用率高、成本低、组织不致密、力学性能低、质量分数低、塑性好、主要是制作薄板，适合与制造此工件。

b．分析得出冲压工艺工序有：

1.落料，2冲孔。

单工序模：

主适用于较复杂的冲压件，小批量也适用于单工序模，其精度只能达到一般水准，但成本也相应较低一些。

复合模：

适用于大批量生产，生产效率高，精度高，但成本比单工序模稍稍高，不产生累积误差，精度比单工序模高。

连续模：

精度比单工序模高比复合模低，成本在两者之间。

综上所述：

工件是大批量生产，塑性高，容易变形，所以用单工序模容易产生累积误差，误差较大，不应使用；如果用连续模，精度虽好，但此工件需要冲孔、落料，如果用连续模加工，步骤多、麻烦，对设备的磨损也较高，也不宜使用；如果采用复合磨具，大批量生产，材料也较便宜，不会产生累计误差，精度高，成本岁高但能增加生产效率，所以我任务复合模更适用于此工件的冲压加工。

c．冲压件属于落料，一次即可冲成。

顺序：

如果先冲孔，再落料，工件塑性高，所以容易变形，在落料的过程中有可能使孔变形。

所以不能先冲孔再落料，相反先落料再冲孔就能很好的弥补这一问题。

补充：

单工序模：

精度要求不高，生产效率低，不适合大批量生产，会产生累积误差，从设备方面来说，要两套设备，麻烦，消耗设备的寿命，而且越麻烦的工序越容易发生安全事故，而且精度不高，有可能无法达到用户所理想的精度，用户就无再次订单的兴趣；而连续模来说，虽然精度较高，步骤稍短，虽然安全系数大大提高，但是如果我是一名用户的话，我肯定会选价格低，质量优秀的工件。

所以复合模生产效率高工件的精度也比连续模高，成本起伏不大，安全系数也非常高，所以我更赞成复合模。

我认为无论是对于工厂还是用户来说，工件的质量和造件的速度才是首选。

如果一个工件质量不是用户的理想范围的话，用户自然不想要此工件，相对来说工厂也不好销售掉。

其次是造件的速度，能在最短工序造出来的工件，速度快，安全系数也高，所以综上所述，还是复合模更适合冲压生产。

冲裁排样设计的方法和选择：

1．排样设计的原则：

1提高材料的利用率。

对冲裁件来说，材料费用常占冲裁件总成本的60%以上，故材料利用率是一项很重要的经济指标；

2使工人操作方便、安全，减轻工人的劳动强度；

3使模具结构简单，模具寿命较高；

4排样应保证冲裁件的质量。

2.提高材料利用率的方法：

冲裁所产生的废料可分为两类：

一类是结构废料，是由冲裁件的形状特点产生的；另一类是由于冲裁件之间和冲裁件与条料侧边之间的搭边以及料头、料尾和边余料而产生的废料成为工艺废料。

要提高材料利用率，主要应从减少工艺废料着手。

减少工艺废料的有力措施是设计合理的排样方案，选择合适的板料规格和合理的裁板法（减少料头、料尾和边余料），或利用废料作小零件等。

3.排样方法：

1有废料排样：

沿冲件全部外形冲裁，冲件与冲件之间、重建与条料之间都存在搭边废料。

冲件尺寸完全由冲模来保证，因此精度高，模具寿命也高，但材料利用率低；

2少废料排样：

沿冲件部分外形切断或冲裁，只在冲件与冲件之间或冲件与条料侧边之间留有搭边。

因受剪裁条料质量和定位误差的影响，其冲件质量稍差，同时边缘毛刺被凸模带入间隙也影响模具寿命，但材料利用率稍高，冲模结构简单；

3无废料排样：

冲件与冲件之间或冲件与条料侧边之间均无搭边，沿直线或曲线切断条料而获得冲件。

冲件的质量和模具寿命更差一些，但材料利用率最高。

采用有废料排样，冲件的精度虽高，但材料利用率较低在满足冲件质量的同时，无法更快更省的利用材料和设备，因此我认为对于大批量生产冲件的过程中不利于采用有废料排样。

又由于此零件的形状无法达到无废料排样，而且无废料排样的质量和精度都无法令用户满意的话会影响到工厂的信誉，所以不利采用。

所以我认为最佳排样方法是少废料排样。

4.板料的选择：

长：

500mm；宽300mm；厚度：

2mm

5.条料宽度与导料板间距离的计算：

因为精度要达到IT8，有事大批量生产，所以选择有测压装置。

-△

导入公式：

B=（Dmax+2a）

方法一：

横裁纵排

B=（Dmax+2a）=30+2×2=34mm

每条板料数n=500/34≈14条

每条零件数n=（300-2）/60≈4件

每板零件数n=4×14=56件

材料利用率：

η=56×1326.46/150000×100%≈50%

方法二：

纵裁横排

B=（Dmax+2a）=58+2×1.6=61.2mm

每条板料数n=500/61.2≈8条

每条零件数n=（300-2）/32≈9件

每板零件数n=8×9=72件

材料利用率：

η=72×1326.46/150000×100%≈64%

方法三：

纵裁纵排

B=（Dmax+2a）=58+2×2=62mm

每条板料数n=500/62≈8条

每条零件数n=（300-2）/32≈9件

每板零件数n=8×9=72件

材料利用率：

η=72×1326.46/150000×100%≈64%

方法四：

横裁横排

B=（Dmax+2a）=30+2×1.6=33.2mm

每条板料数n=500/33.2≈15条

每条零件数n=（300-2）/60≈4件

每板零件数n=4×15=60件

材料利用率：

η=60×1326.46/150000×100%≈53%

根据计算材料的利用率可知：

方案一：

50%〈方案二：

64%=方案三：

64%〉方案四：

53%

虽然方案二与方案三的利用率相等，但由于剩料多的确实方案二，所以冲经济利益上和工作效率来说选取方案二更合适。

计算各工序冲压力：

冲裁力：

F=kLtT

又∵L=191.64mm，t=2mm，T=230～310

令T=300→F=1.3×191.64×2×300=149479.2N

F卸=k卸F∴由上可知：

查表可得k推=0.05

令n=5，则F推=74739.6N

F压=F+F卸+F推=231692.73N

∴设备的屯位为：

F压/80%=289615.95N

根据此力可以选用J23-40式双柱可倾式压力机。

压力中心确认：

由于此冲裁件左右对称，厚度均匀，所以压力中心在零件的几何中心。

一．冲裁模具间隙的选用和确定：

一般来说，当时冲裁件断面质量要求较高时，应选取较小的间隙值，而当冲裁件的质量要求不高时，则应适当地加大间隙值以利用提高冲模的使用寿命。

二．冲裁间隙的确定：

由此冲裁件工序分为冲孔个落料，根据前面可知落料的公差一般，冲孔的公差相对于落料要高些，故落料的初始间隙可由冲压工艺及模具书中标4.19查得，冲孔的初始间隙可由冲压工艺及模具书中表4.20查得。

即：

落料：

Zmin=0.22mm，Zmax=0.26mm；冲孔：

Zmin=0.16mm，Zmax=0.20mm。

三．冲裁模具刃口尺寸计算：

根据尺寸计算原则可计算出模具刃口尺寸。

1.①由于选取的是复合模，则凸模和凹模配合加工。

落料时，先做凹模，并以它作为基准配制凸模，保证最小合理间隙；冲孔是，先做凸模，并以它作为基准配制凹模，保证最小合理间隙。

②落料的尺寸计算：

A类尺寸：

③根据凹凸的磨损规律，凹模刃口磨损后，尺寸变大，其基本尺寸应取等于工件的最小极限尺寸，凸模应取最大极限尺寸。

4确定模具公差：

一般冲模精度较工件精度高2～3级。

落料：

T58=0-（-0.74）=0.74，T30=0-（-0.52）=0.52，TR8=0-（-0.22）=0.22

+0.25

查表可知x=0.5，根据公式：

A凹=（A-x△）

+0.18

Dd1=（58-0.37）=57.63mm

+0.13

Dd2=（30-0.26）=29.74mm

+0.055

Dd3=（8-0.16）=7.84mm

T38=为自由公差，令其公差等级为IT14级，公差为0.56

+0.14

Dd4=（38-0.28）=37.72mm

+0.03

冲孔：

基本尺寸为Φ10，为了延长模具寿命，应将其人口尺寸加工

成为其工件的最大极限尺寸，由《冲压工艺及模具》查表4.25可知其刃口

-0.25△

公式为B凹=（B+x△）z查表4.24可知x=0.75.

-0.0075

根据公式：

B=（10+0.75×0.03）=10.225mm

2.凸模与凹模分开加工

凹模刃口尺寸：

+0.025

D=（58-0.37）=57.63mm

+0.020

D=（30-0.26）=29.74mm

+0.017

D=（8-0.16）=7.84mm

+0.020

D=（38-0.28）=37.72mm

-δ凸

凸模刃口尺寸：

d=（D-x△-Zmin）可计算出

-0.017

d=57.41mm

-0.014

d=29.52mm

-0.012

d=7.62mm

-0.017

d=37.50mm

+δ凹

+0.03

冲孔：

基本尺寸Φ10，凹模刃口尺寸：

d凹=（d+x△+Zmin）

+0.017

根据公式得：

d凹=（10+0.0225+0.16）=10.1825mm

-0.012

-δ凸

凸模刃口尺寸：

d凸=（d+x△）=10.0225mm

四．分别加工的可行性判断：

由前面计算参数可知：

凹凸模最大间隙为0.42mm，最小间隙为0.29mm，即Z′max=0.42mm，Z′min=0.29mm。

要使分别加工的可行性成立，需满足Z′max-Z′min≤Zmax-Zmin，即0.13≮0.04.所以不可用分别加工。

五．模具闭合高度确定：

模具的闭合高度需满足：

不要垫板时：

Hmin+10mm≤H模≤Hmax-5mm由表3.14可知：

最大封闭高度为：

300mm，即Hmax=300mm，封闭高度调节量为：

80mm，即最小封闭高度：

Hmin=220mm。

推出：

220+10≤H模≤300-5

一．冲模结构分析，选取和确定

选自冲压工艺及模具第112页，图4.50倒装式复合模。

1.下模座；2.导柱；3.19.弹簧；4.卸料版；5.活动挡料销；6.导套；7.上模座；

8.凸模固定板；9.推件块；10.联接推杆；11.推板；12.打杆；13.模柄；

14.冲孔凸模；15.垫板；16.落料凹模；17.凹凸模；18.固定板；20.卸料螺钉；

21.导料销。

因托板零件只有一个中心孔，所以该复合模中的冲孔小凸模应舍去，冲孔大凸模尺寸应改为Φ10.025mm。

因此托板是对称冲裁，所以推荐块应改为对称，落料凹模也应改成对称，凹凸模也应该改为对称。

凹凸模中的尺寸和下模座的尺寸应根据托板的尺寸而相对改小。

落料凹模与凹凸模的形状也应改为与托板相似的形状。

为了跟好的定位，应添上导料销加以定位。

一．冲裁模具零部件设计：

模具零件：

①.工艺零件：

工艺零件直接参与完成冲压工艺过程并和坯料直接发生作用。

他包括工作零件，定位零件，压料、卸料及出件零件。

②.结构零件：

此类零件不直接参与完成工艺过程，也不和坯料直接发生作用，只对模具完成工艺过程起保证作用或对模具的功能起完善作用。

包括导向零件，固定零件，紧固及其他零件。

1.工作零件的设计

凸模的结构类型与固定方法：

结构类型：

镶拼式凸模结构：

设计较复杂，对于零部件精度和质量要求较高，成本较高，不宜使用；整体式凸模结构：

最为常用的是圆形凸模，在此我选择带保护套结构凸模，因为可防止细长凸模折断，适于冲制孔径与料厚相近的小孔，对于我们需冲的冲裁件的规格和尺寸来说较合适。

如下图：

固定方法：

中、小型凸模多采用台阶固定，将凸模压入固定板内，采用H7/m6配合。

平面尺寸比较大的凸模可直接用销钉和螺栓固定。

对于大型冲模中冲小孔的易损凸模，可以采用快换式凸模固定方式，以便于修理和更换。

根据我的冲裁件贵客与尺寸，可选小凸模固定方式。

如下图：

2.凸模的材料与硬度：

此冲裁件形状简单，模具寿命要求不高，所以凸模可选用T10A材料制造；凸模刃口淬火硬度一般为58~62HRC尾部回火至40~50HRC。

如下图：

3.凸模长度计算：

根据模具的具体结构，此次采用固定卸料板和导料板，其凸模长度可根据此式计算：

L=h1+h2+h3+h，即：

L=12+24.36+6+10=52.36mm。

凹模:

1.凹模：

凹模的刃口形式：

根据模具规格及尺寸大小，可选柱形刃口筒形凹模。

人口强度较高，修磨后刃口尺寸不变。

但孔口容易积存工件或废料，推件阻力大且刃口磨损大。

适用于形状复杂或精度要求高的工件冲裁。

ａ=3°~5°。

2.凹模外形尺寸：

厚度：

H=Kb（H≥15mm）（K值可查书中表4.37）

凹模壁厚：

C=（1.5~2）H（C≥30mm）

即：

H=0.42×58=24.36mm，C=2×24.36=48.72mm

按上式计算的凹模外形尺寸，可以保证凹模有足够的强度和刚度，一般可不再进行强度校核。

3.复合模中凹凸模的最小壁厚：

根据冲裁件的尺寸可决定凹凸模的内、外缘之间的壁厚。

是为了保证凹凸模的强度。

对内孔不积聚废料或工件的凹凸模，冲裁硬材料，最小壁厚为：

C=1.5t且C≥0.7mm，即：

C=1.5×2=3mm≥0.7mm

4.凹模的固定及主要技术要求：

螺孔间、螺孔与销孔间及螺孔、销孔与凹模刃壁间的距离不能太近，否则含影响模具寿命。

如下图：

冲裁模具卸料与出件装置设计：

1.刚性卸料力大，卸料可靠。

对t〉0.5mm，平直度要求不很高的冲裁件一般使用较多而对薄料不太适合

卸料板选定：

在此根据前面设计应选用与导料板成一体的整体式卸料板，结构简单，缺点是装配调整不方便。

凸模与刚性卸料板的双边间隙取决于板料厚度，一般为0.2~0.5mm，板料薄时取小值，刚性卸料板的厚度一般取5~20mm，根据卸料力大小额而定。

当学了板兼起凸模导板作用时，与凸模一般按H7／h6配合制造，但应使它与凸模间隙小于凹凸模间隙，以保证凹凸模的正确配合。

采用导板可以确定各工作的相对位置，提高凸模的导向精度，并且能保护细长凸模不致折断。

导板厚度一般取（0.8~1）H凹。

2.推件装置：

根据前面的设计确定了刚性推件装置，当模具回程时，压力机上上横梁作用于打杆，将力依次传递到推板和推件块，把模孔中的工件或废料推出。

特点：

刚性推件装置推件力大，工作可靠，故应用十分广泛，尤其适用于冲裁板料较厚的冲裁模。

冲裁模具定位零件设计：

使用条料时，保证条料送进的导向零件有导料板，导料销。

保证条料送进步距的零件有挡料销，定距侧刃等。

根据前面设计，在此定位的导向零件为导料销。

为保证送料精度，使条料紧靠一侧送进，采用弹簧压块式侧压装置。

如下图：

标准模架与导向零件的设计：

1.导柱、导套滑动导向装置：

冲压模具设置导向装置可以提高模具精度，减少压力机对模具精度的不良影响，同时节省调整时间，提高工件精度和模具寿命，因此，批量生产用冲压模具广泛采用导向装置。

2．导柱、导套滚动导向装置：

是一种无间隙导向，其导向精度高，寿命长，在高速压力机工作的高速冲模、精密冲裁模，硬质合金模和其他精密模具中有广泛应用。

根据前面设计，在此我选用导柱、导套滚动导向装置，因为它精度高，寿命长，对于大批量生产是在适合不过了。

3.标准模架技术参数。

a．凹模周界。

模架可以安装凹模的最大尺寸为凹模周界。

凹模周界L×B的大小是选用模架的主要技术参数。

确定凹模尺寸，是在计算出凹模刃口尺寸的基础上，再计算出凹模的壁厚，确定凹模外轮廓尺寸。

即：

L×B=94.2mm

b．最小闭合高度：

根据前面设计最小闭合高度为Hmin=220mm。

c．最大行程S，最大行程S是指模架许可使用的最大冲压行程。

即：

最小闭合高度H1—（h1+h2）=183.84mm

其他支承和设计和选用：

1.模柄：

根据前面设计，在此选用凸缘式模柄，上模座的沉孔与土元为H7/h6配合，并用4个内六角螺钉进行固定。

如下图：

2.凸模、凹模固定板：

凸模、凹模固定板主要用于小型凸模、凹模或凹凸模等工作零件的固定。

固定板的外形与凹模轮廓尺寸基本上一致，厚度取（0.6~0.8）H凹，材料可选用Q235或45刚。

固定板与凸模、凹模为过渡配合（H7/n6或H7/m6），压装后将凸模断面与固定板一起磨平。

浮动凸模与固定板采用间隙配合。

3.垫板：

由于前面设计没有考虑用到垫板，所以这里不需要设计垫板。

4.注意：

如果模座是用钢板制造的，当凸模截面面积较大时，可省去垫板，其他才考虑能否用垫板。

模具总体尺寸及各主要零部件之间的关系

H卸一般取（0~20mm，如果兼作导板时取（0.8~1）H凹。

冲压模具零件间的装配关系及表面质量技术要求：

1.冲压零件的配合要求可查表4.42；

2.冲模零件表面质量要求可查表4.43.

凸模固定板的厚度一般小于凹模厚度的60%~80%，所以有9.6~14.4mm，取12mm，螺钉规格查表4.36，因为凹模的厚度为16.2mm，所以螺钉为M5、M6，选M6。

导柱取A型导柱。

5.上下模座

由于上下模座的长度应比凹模长40mm～70mm，而宽则根据具体情况来定，厚度为凹模的1～1.5倍，上模座要比下模座厚度小5mm～10mm，所以∶

上模座尺寸为210mm×180mm×35mm

下模座尺寸为210mm×180mm×40mm

参考文献：

1.《冲压工艺及模具》洪奕

2.《冲压模具及设备》徐政坤

4.《互换性与技术测量》屈波

5.《机械制图》杨玉萍

6.《金属材料及热处理》李炜然

7.《机械工程设计基础》黄淑容

后记

没想到时间过得这么快，一个学期就快到了。

看这自己这本密密麻麻记载着冲压设计的本子心里还是多少有些成就感，毕竟是自己花费近学期的时间收集资料和经验写出来的。

虽然设计内容不是很出色，甚至有错误，但是对于自己辛苦这么久得出的总结还是肯定的。

这里还是要感谢指导我们设计的洪老师。

虽然一开始与老师有些矛盾，但是老师还是给了我改过的机会，还指导了我不少。

对于老师的教育精神和职业精神我非常的敬佩。

这里还要感谢我的同学们的课下讨论。

学到这里，对于冲压设计还是有些了解了。

这是一门对于模具制造与设计来说必不可少的学科。

但是还有更多的领域等着我们去探索，所以还请老师继续给我们详细的指导。

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