《冲压工艺及模具设计》课程设计说明书.docx
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《冲压工艺及模具设计》课程设计说明书
《冲压工艺与模具设计》课程设计
设计题目外壳底孔冲压单工序模设计
系别____机械系__
专业班级__09机械一班
学生___龚康康___
学号__090605501
指导教师___保丰_
一、零件说明。
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二、零件工艺性分析。
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1、材料分析。
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2、结构分析。
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3、精度分析。
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三、工艺方案确定。
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四、压力中心计算。
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五、冲裁力、卸料力、推件力、顶件力及总压力的计算。
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六、冲裁凸凹模刃口尺寸计算。
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七、其他主要零件的设计。
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1、凹模设计。
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2、凸模设计。
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3、模架的选择。
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4、卸料板的设计。
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5、垫板的设计。
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6、定位板的设计。
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7、凸模固定板的设计。
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8、弹簧的选用。
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八、压力机的选择。
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九、模柄的选用。
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十、紧固零件的选择。
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十一、各零部件的材料及要求。
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十二、该模具设计的优缺点。
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十三、心得体会。
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十四、参考文献。
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一、零件说明
制件如下图所示：
该制件名称为柴油滤清器外壳，其技术要求为：
1，未注尺寸公差按GB/T15505的m级;
2，毛刺小于0.15;
3，质件要求平整，不允许有拉裂、起皱的现象;
4，中批量生产；
材料：
08F，t=1.5mm
设计任务：
冲出滤清器外壳底部的孔。
二、零件工艺性分析
1、材料分析（摘自GB/T699-1999）
该制件材料为08F，属于优质碳素结构钢，强度、硬度低，塑性极好，深冲压、深拉延性好，冷加工性、焊接性好。
成分偏析倾向大，时效敏感性大，故冷加工时，可采用消除应力热处理或水韧处理，防止冷加工断裂。
化学成分（％）：
C：
0.05～0.11，Si≦0.03，Mn：
0.25～0.50，Cr≦0.10，Ni≦0.30，Ca≦0.25
力学性能：
抗剪强度
为270～340MPa，抗拉强度σb不小于300MPa，屈服强度σs为180MPa，断面收缩率60%，伸长率不小于35%。
2、结构分析
该零件为圆筒形件，其底部有一孔，为本次设计容。
该孔的尺寸为φ14.5mm，满足冲裁最小孔径dmin≥1.0t=1.5mm的要求。
孔距已拉伸边之间的最小孔边距为9.3，满足冲裁最小孔边距lmin≥1.5t2.25mm的要求。
所以，该零件的结构满足冲裁要求。
3、精度分析
图示零件未标注尺寸公差要求，按GB/T15055的m级可查得孔的尺寸公差为±0.40mm，普通冲裁可以达到零件的精度要求。
由以上分析可知，该零件的冲裁性能好，冲裁加工能够达到设计要求。
三、工艺方案确定
该零件的工序有五道，有：
落料、一次拉深、二次拉深、三次拉深、冲孔。
其工艺路线有两条：
方案一：
落料、一次拉深、二次拉深、三次拉深、冲孔
方案二：
落料、冲孔、一次拉深、二次拉深、三次拉深
由于拉深件上所有的孔，均应安排落料而后进行冲孔，以防落料时大的变形力使孔边缘变形，所以采取方案一。
四、压力中心计算
模具压力中心是指冲压时各个冲压部分冲压力合力的作用点。
为了确保压力机和模具正常工作，应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。
对于带有模柄的冲压模，压力中心应通过模柄的轴心线。
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磨损，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。
冲裁直线段时，其压力中心位于直线段的中点。
（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）冲裁形状复杂的零件或多凸模的零件时，其压力中心可以通过解析计算法求出。
现在需要冲孔的零件是一个筒状件，在其底部正中心需要冲孔，所以其压力中心就是其几何中心。
五、冲裁力、卸料力、推件力、顶件力及总压力的计算
计算冲裁力的目的在于合理的选用压力机和设计模具。
冲裁力是指冲裁过程中的最大剪切抵抗力。
它是随着凸模切入材料的深度而变化的，当材料达到了剪切强度时，便产生裂纹且材料相互分离，此时的冲裁力是最大值。
选择压力机就是按冲裁力最大力计算。
冲裁后，由于板料的弹性恢复，使零件（或废料）仍梗塞在凹模洞口，需要把零件（或废料）从凹模洞口推出或顶出。
把从凹模洞口顺冲裁方向推出的力称推件力Ft；把逆冲裁方向从凹模洞口顶出的力称顶件力F
。
同样，由于冲裁后板料的弹性恢复，使废料（或零件）紧卡住凸模，需要把这废料（或零件）从凸模上卸下来的力称卸料力Fx。
此处所设计的模具为冲孔模，通过卸料板将卡在凸模上的零件卸下来，有卸料力存在。
采用的凹模刃口为阶梯式，在冲裁是会有废料卡在凹模中，又需要推件力。
由于所冲完的废料是直接从凹模落下，所以不需要在凹模下设置顶料装置，故不存在顶料力。
查参考文献2表2-86得08F的抗剪强度
=220～310MPa，取
=300MPa，查参考文献6表3-11得Kx=0.04-0.05mm，取0.045mm，Kt=0.055mm。
查参考文献2表4-2，得冲裁刃口高度h﹥8～10mm，取h=10mm。
F=KLt
=1.3×3.14×14.5×1.5×300=26.635kN
Fx=KxF=0.045×26.635=1.199KN
n=h/t=10/1.5=6件
Ft＝nKtF＝6×0.055×26.635=8.790KN
F
=F＋Fx＋Ft＝36.624KN
六、冲裁凸凹模刃口尺寸计算
凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸精度。
模具的合理间隙也靠凸、凹模的刃口尺寸及其公差来保证。
在计算模具刃口尺寸及其制造公差时，应按落料和冲孔两种情况分别进行，其原则如下：
（1）落料落料件的光面是因凹模刃口挤切材料产生的，因此其光面尺寸与凹模尺寸相等，故应以凹模尺寸为基准。
又因落料件尺寸会随凹模刃口的磨损而增大，为保证凹模磨损到一定程度仍能冲出合格零件，故落料件凹模基本尺寸应取工件尺寸公差围的较小尺寸。
而落料凸模基本尺寸，则按凹模基本尺寸减最小初始间隙。
（2）冲孔孔的光面是凸模刃口挤切材料产生的，因此其光面的孔径与凸模尺寸相等，故应以凸模尺寸为基准。
又因冲孔的尺寸会随着凸模的磨损而减小，故冲孔凸模基本尺寸应取工件孔尺寸公差围的较大尺寸。
而冲孔凹模基本尺寸则按凸模基本尺寸加最小初始间隙。
（3）确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的公差要求。
如果对刃口精度要求过高（即制造公差过小），会使模具制造困难，增加成本，延长生产周期；如果对刃口精度要求过低（即制造公差过大），则生产出来的制件可能不合格，会使模具的寿命降低。
刃口尺寸的计算方法
由于模具加工方法不同，凸模与凹模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差的标注也不同，刃口尺寸的计算方法可分为两类，一个是凹模与凸模分别加工法，另一个是凹模与凸模配合加工法。
分别加工法是指凸模和凹模分别按图纸标注的尺寸和公差进行加工，冲裁间隙由凸模、凹模刃口尺寸和公差来保证，需要分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差（凸模δp、凹模δd）。
其优点是具有互换性，但受到冲裁间隙的限制，它适用于圆形或简单规则形状（方形或矩形）的冲压件。
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按间隙配置另一件。
这种加工方法的特点是模具的间隙由配置保证，工艺比较简单，并且还可适当放大基准件的制造公差，是制造容易。
一般工厂常常采用这种加工方法。
冲孔凸凹模刃口计算
查参考文献1表19.1-7得Z
=0.240mmZ
=0.132mm，表19.1-9得
δ
=-0.020mmδ
=+0.020mm，表19.1-10得x=0.5
冲孔凸模d
=（d
﹢x△）
=14.5
mm
冲孔凹模d
＝（d
+Z
）
=14.632
mm
校核间隙|δp|+|δd|=（0.02+0.02）mm=0.04mm﹤Znax-ZMIN﹦（0.240-0.132）﹦0.108mm,故符合条件。
七、其他主要零件的设计
1、凹模设计
常见凹模的结构形式有筒带式、锥孔式、阶梯式、过渡圆锥台式以及低硬度凹模等。
筒带式凹模的优点是刃口强度高，刃磨后凹模工作尺寸不增大，适合于冲裁形状复杂、尺寸精度要求比较高的冲裁件凹模选用。
锥孔式凹模的优点是凹模洞口集料少，洞壁承受来自冲裁件或废料的胀力和摩擦力大为减小，因而卸料力大幅度减少。
然而，此种刃口强度比较低，刃磨后凹模工作尺寸略有增大，故适合于冲裁件形状简单、尺寸精度为IT10～IT12级，板料厚度较薄、生产批量不大的冲裁件的凹模选用。
阶梯式凹模刃口厚度h较大，对顶件器导向性好，适合于向上推件的凹模选用。
其缺点是工作时顶件器和冲裁件均频繁的与刃口壁摩擦，从而导致刃口尺寸增大。
过渡圆锥台阶式凹模优点是可增强刃口强度，漏料部位呈圆形又使得凹模制造方便，这种凹模结构形式主要适合于当冲裁尺寸小于5mm时的圆形冲裁件凹模使用。
低硬度凹模的硬度一般为40HRC左右，适合于冲裁软而薄的金属和非金属材料的凹模选用。
在这里选用阶梯式凹模。
当材料厚度t=1.5mm时,查宛强表2-3得K=0.18
凹模厚度H=Kb=0.18×75=13.5mm取H=15mm
凹模壁厚C≥﹙1.5-2﹚H=2H=30mm取C=35mm
凹模刃口高度h取10mm
则凹模外形尺寸=75+3+35+35=148mm
2、凸模设计
凸模是以外形为工作表面的零件，是冲模中直接成形冲压件的凸形工作零件。
冷冲模的凸模结构主要包含两部分，即工作部分和安装部分。
工作部分是直接完成冲压加工的部位，安装部分是通过固定板安装在模座上。
通常凸模都设计为整体式。
常用的标准圆凸模主要有三种：
A型圆凸模、B型圆凸模、快换圆凸模。
A型圆凸模刚性较好，直径尺寸围为1.1～30.2mm，材料一般选用9Mn2V、Cr12MoV、Cr12、T10A、Cr6WV等。
B型圆凸模适用于外形尺寸较大的时候，直径尺寸围为3.0～30.2mm，材料与A型圆凸模相同。
快换圆凸模是指只用简单工具即可实现快速装卸和更换的圆凸模。
它与A型和B型圆凸模相比，，一是没有头部，二是固定按h6级制造。
在此选用A型圆凸模，其具体尺寸如下：
凸模长度=固定板+已压缩弹簧+卸料板+料厚+进入深度
=20+34+133.5+1.5+0.5
=189.5mm
凸模头部：
直径22mm长度6mm
凸模杆部：
直径18mm长度20-6+34=48mm与固定板按H7/m6配合
凸模工作部分：
21+4+110+0.5=135.5mm
3、模架的选择
中间配置的两导柱的导向直径一般不相等，这样可以避免合模时上模误装方向而损坏凹模刃口。
在冲压过程中，在按标准选用导柱长度时，导柱最好不要脱离开导套的导向孔，还要保证模具闭合后导柱上端面与上模板上平面的距离不小于10-15mm，导柱下端面与下模板下平面的距离应大于3mm，用以排气和出油，导柱的长度必须得保证在冲压时导柱一定要进入导套10mm以上。
模架：
选用中间导柱圆形模架
根据GB2851.6-90,选择：
凹模周界：
400mm，
闭合高度：
305～350mm
上模座：
GB2855.11-90400×60
下模座：
GB2855.12-90400×75
导柱：
GB2861.1-9045×29050×290
导套：
GB2861.6-9045×150×5850×150×58
得到的模架如下图
4、卸料板的设计
卸料板包括刚性卸料板和弹性卸料板两种形式，通过螺钉、弹簧固定在模板上。
弹性卸料板的卸料力较小，但在冲压成型过程中还能起到压料作用，冲裁质量较好，多用于薄板的卸料。
采用弹性卸料板时，工作空间敞开，操作方便，生产效率较高。
弹性卸料板载冲压前对毛坯有预压作用，冲压后也可以是冲压件平稳卸料。
弹性卸料板的选择：
（1）卸料板作为凸模导向，卸料板孔与凸模按H7/h6配合
（2）卸料板底部高出凸模底面的尺寸为0.2～0.8mm，取0.5mm
（3）卸料螺钉孔直径d
处的最小值，在材料为铸铁时，L
=d
（4）卸料螺钉底部距卸料板底面a≥0.3mm
（5）卸料板厚度取21，上径φ250mm，下径φ39mm，孔定位尺寸φ180mm
（6）总长=21+4+110-1.5=133.5mm
5、垫板的设计
当冲压件的厚度较大而外形尺寸有小时，在冲压成型过程中凸模上端面与凹模下端面对模板作用有较大的单位压力，有时可能超过模板的允许抗压应力，此时就该采用垫板。
垫板的作用是直接承受和扩散凸、凹模传递的压力，以降低模板所受的单位压力，防止模板局部破坏导致模具寿命的降低。
验证是否需要加装垫板：
上模板所受单位压力：
=F/A=F+F
/
D
=26635+1199/
×22
=73MPa
下模板所受单位压力：
=F/A=F
/
D
=36624/
×145
=2.2MPa
所选模板材料为HT250，需用压应力[
]=90～140MPa，由于上下模板所受的单位压力均小于[
]，所以可以不加垫板。
6、定位板的设计
外径φ148mm，径φ78mm，高25mm，孔定位尺寸φ118mm
7、凸模固定板的设计
固定板主要用于固定中小型的凸模和凹模。
用固定板固定凸模或凹模时，应紧固牢靠并保证平面与凸模或凹模的中心线有良好的垂直度。
固定板的上、下表面应磨平，并与凸模安装孔的轴线垂直。
凸模固定板厚度H=（1-1.5）D=（1-1.5）×18=20mm，直径φ250mm，孔定位尺寸Φ180mm。
注：
D为凸模头部直径。
8、弹簧的选用
弹簧选择的原则：
（1）所选弹簧必须满足压力的要求，即F
≥F
/n
（2）所选弹簧必须满足压缩量的要求。
（3）所选弹簧必须满足模具空间结构的要求。
选择适用的弹簧：
（1）根据模具结构空间尺寸，拟选弹簧个数n=3
（2）计算每个弹簧应有的预压力Fy=Fx/n=1200/3=400N
（3）由2Fy估算弹簧极限工作负荷Fj=2Fy=2×400=800N。
查GB/T2089-2009普通圆柱螺旋压缩弹簧国标，初选弹簧的规格为弹簧直径d=6mm，弹簧中径D
=41mm，弹簧圈数n=2.5圈，弹簧自由高度H
=40mm，弹簧极限工作负荷Fj=1376N，弹簧极限压缩量hj=12mm
（4）计算弹簧预压缩量hy=Fy·hj/Fj=400×12/1376=3.5mm
（5）校核h=hy+hx+hm=3.5+1.5+1+5=11mm﹤12mm所选弹簧是合适的。
（6）该弹簧的装模高度h
=h
-h
=40-3.5=36.5mm
（7）在工作极限位置时高度h
=h
-h
-t-1=40-3.5-1.5-1=34mm
八、压力机的选择
选用压力机需要考虑的因素主要有:
（1）压力机的行程大小，需保证成型零件的取出与毛坯的放进。
（2）压力机工作台面的尺寸应大于模具的平面尺寸，而且还需要留有安装固定的余地。
（3）所选压力机的闭合高度应与模具的闭合高度相适用。
模具闭合高度H
的数值应满足H
-5mm≥H
≥H
+10mm。
H
和H
分别为压力机最大闭合高度和最小闭合高度。
（4）在冲裁加工时，由于其施力行程较小，近于板材的厚度，所以可按冲压过程中作用于压力机滑块上所有力的总和F
选取压力机。
通常压力机的公称压力比F
大10％～20％。
该模具的部分参数为：
（1）闭合高度=上模板+凸模+凹模-0.5+下模板=60+189.5+15-0.5+75=339
（2）上下模板的最大外形尺寸605mm×410mm
（3）冲孔所需总压力F
=37KN
查阅参考文献4附表5，选择标称压力为630KN的开式压力机。
该压力机最大闭合高度H
为360mm，最小闭合高度H
为270mm，工作台尺寸为710mm×480mm，所有参数均能满足所设计的模具使用。
九、模柄的选用
模柄尺寸根据所选压力机上模柄孔的尺寸选择。
标称压力为630KN的开式压力机模柄孔尺寸为φ50×70，故根据GB2862.3-81选择50×100的凸缘式模柄。
十、紧固零件的选择
紧固零件是将两个或两个以上的零件（或构件）紧固连接成为一个整体式所采用的一类机械零件。
常用的冲模紧固零件主要包括螺栓、螺钉、螺母和圆柱销等。
其中广泛应用的是六角螺钉和圆柱销钉。
六角螺钉紧固牢靠，螺钉头部不外露，可以保证模具外形安全美观，其中M6～M12mm的螺钉最为常用。
销钉用于连接两个带通孔的零件，起定位作用，承受一般的错移力。
同一个组合的圆柱销不少于两个，一般选用d=6mm、8mm、10mm、12mm等几种尺寸。
其配合深度不小于其直径的两倍，也不宜太深。
圆柱头卸料螺钉是专门用于冲模卸料装置的螺钉。
螺钉之间、螺钉与销钉之间、螺钉或销钉距离外边缘之间的距离，均不应过小，以防降低强度。
其最小距离查红黄书表5-17得，从孔中心到边缘的距离，在孔为φ12时，需大于13；为φ16时，需大于16；为φ24时，需大于25；为φ28时，需大于30。
卸料螺钉：
圆柱头卸料螺钉，d=M12，L=57，共3个。
模柄螺钉：
六角圆柱头螺钉，d=M10，L=30，共3个。
固定板螺钉：
六角圆柱头螺钉，d=M12，L=55，共3个。
固定板销钉：
淬硬钢和马氏体不锈钢圆柱销，d=10，L=50，共2个。
凹模螺钉：
六角圆柱头螺钉，d=M12，L=75，共3个。
凹模销钉：
淬硬钢和马氏体不锈钢圆柱销，d=10，L=70，共3个。
十一、各零部件的材料及要求
导套20钢渗碳深度0.8～1.2mm，硬度58～62HRC
导柱20钢渗碳深度0.8～1.2mm，硬度58～62HRC
模座HT250
凸、凹模T10A淬硬至58～62HRC，头部回火至40～50HRC
固定板45钢对热处理硬度无特殊要求
模柄Q235对热处理硬度无特殊要求
弹簧65Mn淬硬至﹥60HRC
卸料板45钢对热处理硬度无特殊要求
定位板45钢对热处理硬度无特殊要求
定位销45钢淬硬至550～650HV30
螺钉45钢
十二、该模具设计的优缺点
该模具的优点为结构简单,需要的辅助设备较少,操作较为安全方便。
缺点是由于工作行程较大造成模具闭合高度较高、外形尺寸较大，由此所选择的压力机的标称压力也较大，造成一定的设备浪费。
十三、心得体会
在刚刚过去的两周多的时间里，我们进行了冲压工艺及模具设计这门课程的课程设计。
回顾起此次冲压模具的课程设计，我感慨颇多。
的确，从选题到完成设计，从理论到实践，在两个多星期的时间里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，不仅巩固的以前所学的知识，而且学到了很多在书本上没有遇到过的知识。
老师是在这次课程设计开始前几周就布置了题目，一领到老师的题目后，我就去图书馆借阅了大量的资料，由于资料比较分散，所以整理有用的资料就显得很重要，有些东西实在是不懂就去和其他同学讨论，通过大家的帮助，我获益
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