本科毕业设计论文钣金成形课程设计垫片工艺分析及模具设计.docx
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本科毕业设计论文钣金成形课程设计垫片工艺分析及模具设计
钣金成形课程设计说明书
2016-10号件工艺分析及模具设计
院系空军后备军官学院
专业飞行器制造工程
班号34030108
学号
姓名
指导教师
沈阳航空航天大学
2016年11月30日
摘要
本设计主要介绍了垫片冲孔、落料复合模设计的全过程。
通过对垫片进行了详细的工艺分析、确定冲压工艺方案及模具结构形式，主要阐述了冲裁零件的模具设计，模具各零件的加工工艺性及模具的总装配。
材料为硬铝，其材料的力学性能比较好，经计算，此制件适合用冲孔、落料冲裁工艺生产。
设计这套模具首先分析材料是不是适合冲裁，选用冲裁工艺是否经济，是不是需要后续工序，如校平、整形等，然后计算冲压力选定压力机，最后确定模具的结构和工作零件的结构，并计算其工作零件的尺寸，其他的一些零件则在设计的时候尽量选用标准件，节约模具的制造成本，这些前提条件做好后,然后进行模具总体设计。
在设计过程中除了设计说明书外，还完成模具的装配图，非标准零件的零件图，采用CAD软件绘制冲压模具工作零件的零件图。
关键词：
垫片；冲压模具；设计；冲孔；落料；冲裁；冲压力；压力机；模具结构；标准件；工艺规程；总装过程；
第1章冲压件工艺分析
垫片年产量为20万件，采用大批量生产，材料为Ly12-M，厚度为1mm。
零件如图1-1所示。
图1.1垫片零件简图
1.1材料分析
表1.1抗剪性能
材料名称
牌号
材料状态
抗剪强度τ/MPa
硬铝
LY12-M
已退火
200
由上表1-1可知：
LY12-M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。
1.2零件结构
零件结构形状相对简单，无尖角，对冲裁加工较为有利。
凸、凹模允许的最小壁厚4.5mm，小于最小孔边距15mm。
所以，用倒装式复合模冲压这个零件。
1.3尺寸精度
由于本零件给定的精度都按生产所需经济精度要求IT14查得。
零件内形尺寸：
100+0.36零件外形尺寸：
R200-0.52
通过查公差等级表，我们发现普通冲裁能够满足零件精度要求。
第2章冲裁方案的确定
2.1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。
2.2冲裁工艺方法的选择
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2-1。
表2.1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。
第3章模具总体结构的确定
3.1模具类型的选择
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3-1。
表3.1正装式复合模、倒装式复合模的优点、缺点及适用范围
比较项目表
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
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。
倒装式冷冲模不宜冲制孔边距离较小的冲裁件，但倒装式冷冲模结构简单，可以直接利用压力机打杆装置进行推件，卸件可靠，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。
综上所述，该制件结构形状简单，精度要求较低，孔边距较大，宜采用倒装式复合模。
由以上冲压工艺分析可知，采用复合模冲压，模具类型为倒装式复合模。
3.2送料方式的选择
由于零件的生产批量是大批量及模具类型的确定，合理安排生产可采用前后自动送料方式。
3.3定位方式的选择
因为该模具采用的是条料，控制条料的送进方向采用导料销，无侧压装置。
控制条料的送进布局采用挡料销定距。
而第一件的冲压位置因为条料长度有一定余量，可以靠操作工目测来定。
3.4卸料、出件方式的选择
由于有压料作用，冲裁件比较平整。
弹压卸料板与弹性元件、卸料螺钉组成弹压装置。
工件平直度较高，料厚为1mm，卸料力不不是很大，由于弹性卸料模具比刚性卸料模具方便，操作者可以看见条料在模具中的送进状态，且弹性卸料板对工件施加的柔性力，不会损伤工件表面，故可采用弹性卸料。
3.5导向方式的选择
方案一：
采用对角导柱模架。
由于导柱安装在模具压力中心对称的对角线上，所以上模座在导柱上滑动平稳。
常用于横向送料级进模或纵向送料的落料模、复合模。
方案二：
采用后侧式导柱模架。
由于前面和左右不受限制，送料和操作比较
方便。
因为导柱安装在后侧，工作时，偏心距会造成导套导柱单边磨损对模具使用寿命有一定影响。
方案三：
采用四导柱模架。
具有导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点。
常用于冲压件尺寸较大或精度要求较高的冲压零件及大量生产用的自动冲压模架。
方案四：
采用中间导柱模架。
导柱安装在模具的对称线上，导向平稳、准确。
（a）（b）（c）（d）
图3.1导柱模架
（a）中间导柱模架（b）后侧导柱模架（c）对角导柱模架（d）四角导柱模架
根据以上方案比较并结合模具结构形式和送料方式，为提高模具寿命和工件质量，采用后侧导柱模架，操作者可以看见条料在模具中的送进动作。
由于前面和左、右不受限制，能满足工件成型的要求。
即方案二最佳。
第4章模具设计工艺计算
4.1排样方式的选择
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、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，所以采用方案一。
分析零件的形状，应采用单直排的排样方式，零件的排样方式如图4-1所示。
图4.1竖排示意图
4.1.1搭边值和条料宽度确定
（1）搭边值的确定
搭边的作用一是补偿定位误差和剪板误差，确保冲出合格零件；二是增加条料刚度，方便条料送进，提高劳动生产率；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。
两工件之间的搭边：
a1=2.5mm
工件与侧面的搭边：
a=2.8mm
（2）条料宽度的确定
根据模具的结构不同，可分为有测压装置的模具和无测压装置的模具，测压装置的作用是用于压紧送进模具的条料（从条料侧面压紧），使条料不至于侧向窜动，以利于稳定地加工生产。
由于本套模具设计时有冲孔凸模起定位作用，落料尺寸要求不高，所以选用无侧压装置。
故按以下公式计算：
（4-1）
式中：
B-条料宽度；
D-条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；
a-侧搭边值得：
a=2.8mm；
-条料宽度的单向（负向）偏差，取
=0.6mm；
所以根据以上理论数据由公式（4-1）得出：
条料宽度：
＝（100+5.6）0-0.60＝105.60-0.60
4.1.2材料的经济利用率
冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料利用率，它是衡量合理利用率材料的经济性指标。
一个步距内的材料利可用下式表示用率
：
（4-2）
式中：
A-一个步距内冲裁件的实际面积；
B-条料宽度；
S-步距。
计算冲压件的面积（cad测量）：
A=2791mm2
根据公式（4-2）得一个步距的材料利用率为：
=[3656.64/（105.6×42.5）]×100%
=81.5%
最终选用排样图如图4-2所示。
图4.2排样示意图
4.2冲裁力的计算
计算冲裁力的目的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：
（4-3）
式中：
-材料抗剪强度（MPa）；
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。
4.2.1总冲裁力的计算
由于冲裁模具采用弹性卸料装置和自由落料方式，所以
F冲=F1+F2（4-4）
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：
L1=245.7（mm））
冲孔周长：
L2=63（mm）
落料冲裁力由公式（4-3）得：
F1=KptL1τ
=1.3×1×245.7×200
=63882（N）
冲孔冲裁力由公式（4-3）得：
F2=KptL2τ
=1.3×1×63×200
=16380（N）
所以可求总冲裁力由公式（4-4）得：
F冲=F1+F2=63882+16380=80262（N）
4.2.2卸料力、推件力的计算
由《冲模设计手册》得卸料力、推件力的计算公式如下：
F卸=K卸F冲（4-5）
F推=nK推F冲（4-6）
式中：
F卸-卸料力；
K卸-卸料力系数，见表4-5；
F推-推件力；
F冲-冲裁力；
K推-推件力系数，见表4-5；
n-卡在凹模里的工件个数，n=h/t。
表4.5卸料力、推件力和顶件力系数mm
料厚t/mm
Kx
Kt
Kd
钢
≤0.1
＞0.1～0.5
＞0.5～2.5
＞2.5～6.5
＞6.5
0.065～0.075
0.045～0.055
0.04～0.05
0.03～0.04
0.02～0.03
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
K卸-卸料力系数通过查表4-5确定，卸料力系数取K卸=0.04，由公式（4-5）得：
F卸=K卸F冲、
=0.045×80262
=3611.8（N）
K推-推件力系数通过查表4-5确定，推件力系数K推=0.045，由公式（4-6）得：
F推=nK推F冲
=3×0.045×82262
=10835（N）
4.2.3总冲压力的计算
F=F冲+F推+F卸
=80262+3611.8+10835
=94708（N）
4.2.4冲压设备的选择
计算得总冲压力是94708N，所选压力机的公称压力必须大于或等于总冲压力的1.3倍。
所以选用公称压力为160KN的机械压力机J23-16。
压力机主要参数经查《冲模设计手册》、《冲压模具设计师手册》、《冲压手册》得表4-6。
表4.6J23系列开式可倾压力机主要技术参数
技术参数
型号
J23-3.15
J23-6.3
J23-10
J23-16
J23-25
J23-35
J23-40
J23-100
滑块公称
压力
31.5
63
100
160
250
350
400
1000
滑块行程
25
35
45
55
65
100
100
150
封闭高度
120
150
180
220
270
290
330
400
连杆调节量
25
30
35
45
55
60
65
80
滑块中心线至机身距离
90
110
130
160
200
200
250
320
滑块地面尺寸
左右
100
140
170
200
250
250
300
350
前后
90
120
150
180
220
220
260
300
模柄孔尺寸
直径
25
30
30
40
40
40
50
60
深度
40
55
55
60
60
60
70
80
垫块厚度
30
30
35
40
50
65
65
80
最大倾斜角
45
45
35
35
30
30
30
30
工作台尺寸
左右
250
310
370
450
560
610
700
1080
前后
160
200
240
300
370
380
460
710
4.3压力中心的确定
因为该零件的左右、上下均对称，所以该零件的对称中心就是该零件的压力中心，并且在柄投影范围内，设计合理。
第5章刃口尺寸的计算
冲裁件的尺寸精度主要决定于模具的刃口的尺寸精度，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。
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。
5.1冲裁间隙的确定
根据实用间隙表查得最小双面间隙Zmin=0.1mm，最大双面间隙Zmax=0.14mm。
5.2刃口尺寸的计算及依据
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凹模尺寸，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；凹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。
根据上述计算法则，对于采用分别加工的凸模和凹模，应保证下述关系：
│δ凹│＋│δ凸│≤Zmax－Zmin
也就是说，新制造的模具应该保证│δ凹│＋│δ凸│≤Zmax－Zmin,否则，模具的初始间隙已超过了允许的变动范围Zmin~Zmax，影响模具使用寿命。
本套模具采用分别加工法进行加工。
分别加工时计算公式如下：
当落料时：
D凹=（Dmax－χ△）
（5-1）D凸=（D凹－Zmin）=（Dmax－χ△－Zmin）
（5-2）
当冲孔时：
d凸=（dmin+χ△）
（5-3）
d凹=（d凸+Zmin）=（dmin+χ△+Zmin）
（5-4）
孔心距：
Ld=L±1/8△（5-5）
式中：
D凸、D凹-分别为落料凹模和凸模的基本尺寸；
d凸、d凹-分别为冲孔凹模和凸模的基本尺寸；
L、Ld-工件孔心距和凹模孔心距的公称尺寸；
Dmax-落料件的最大极限尺寸；
dmin-冲孔件的最小极限尺寸；
△-冲裁件公差；χ-磨损系数；
表5.1工作零件刃口尺寸的计算
尺寸及分类
尺寸转换
计算公式
结果
落料
R20
200-0.52
D凹=（Dmax－χ△）
D凸=（D凹－Zmin）
D凹=19.740+0.025
D凸=19.280-0.02
冲孔
10
10+00.36
D凸=（dmin+χ△）
d凹=（dmin+χ△+Zmin）
d凸=10.180-0.02
d凹=10.640+0.02
孔心距
60
60±0.08
Ld=L±1/8△
Ld=60±0.02
第6章主要零部件设计
虽然各类冲裁模的结构形式和复杂程度不同，但组成模具的零件种类是基本相同的，根据它们在模具中的功用和特点，可以分为工艺零件和结构零件两类。
设计主要零部件时，首先要考虑主要零部件用什么方法加工制造及总体装配方法。
结合模具的特点，本套模具主要采用螺钉固定模具零件，销钉起零件的定位作用，采用挡料销送进定距和导料销送进定位，无测压装置。
下面分别介绍各个零部件的设计方法。
6.1凹模的设计
6.1.1凹模外形的确定
凹模的外形一般有矩形和圆形两种。
凹模的外形尺寸应保证有足够的强度、刚度和修磨量。
凹模的外形尺寸一般是根据被冲材料的厚度和冲裁件的最大外形尺寸来确定的，如图6—1所示。
凹模各尺寸计算公式如下：
凹模厚度
（6-1）
凹模边壁厚
（6-2）
凹模板边长
（6-3）
凹模板边宽
（6-4）
式中：
b1-冲裁件的横向最大外形尺寸；
b2-冲裁件的纵向最大外形尺寸；
K-系数，考虑板料厚度的影响。
查表得：
K=0.2
根据公式（6-1）可计算落料凹模板的尺寸。
=0.2×100
=20（mm）
根据公式（6-2）可计算凹模边壁厚：
C=（1.5～2）H
=（1.5～2）×20
=30～40（mm）
取凹模边壁厚c=40mm
即：
L×B×H=200mm×160mm×25mm
凹模图如图6-1所示。
图6.1凹模图
6.2凸模的设计
6.2.1凸模结构的确定
凸模结构通常分为两大类。
一类是镶拼式，另一类为整体式。
整体式中，根据加工方法的不同，又分为直通式和台阶式。
因为该制件形状不复杂，所以将落料模设计成台阶式凸模，台阶式凸模工作部分和固定部分的形状做成一样，凸模与凸模固定板的配合按H7/m6。
6.2.2凸模材料的确定
该模具要求有较高的寿命和较高的耐磨性，并能承受冲裁时的冲击力,所以凸模的材料应选Cr12，热处理58～62HRC。
6.2.3凸模精度的确定
根据凸模作为工作零件，其精度要求较高，所以选用IT7级，表面粗糙度为Ra1.6um，同轴度为0.02。
6.2.4凸模高度的确定
因为该制件形状不是很复杂，所以将冲孔模设计成台阶式凸模。
凸模与凸模固定板的配合按H7/m6。
凸模的高度是凸模固定板的厚度、落料凹模与附加长度的总和，如图6-2所示。
图6.2凸模高度尺寸
凸模高度为：
L=h1+h2+附加长度（6-5）
式中：
h1-凸模固定板厚度，可得：
h1=20mm；
h2-凹模厚度，可得：
h2=30mm；
附加长度包括凸模的修磨量，凸模进入凸凹模的深度。
（附加长度取1mm）
由公式（6-5）得：
L=20+30+1=51（mm）
6.3凸凹模的设计
6.3.1凸凹模外形的确定
凸凹模的外形由本套模具所设计的零件图样外形确定。
凸凹模的外形尺寸应保证有足够的强度、刚度和修磨量，一般根据被冲材料的厚度和冲裁件的最大外形尺寸来确定的，与落料凹模配合确定，其内孔尺寸与冲孔凸模配合确定。
6.3.2凸凹模材料的选取
由于冲模为复合模，所以材料要有良好的耐磨性、高强度、足够的韧性、良好的抗疲劳性、热处理工艺性等。
Cr12刚具有较好的淬透性，很高的耐磨性，有较高的冲击韧度和承载强度，且淬火变形小。
为满足以上要求，在该模具中凸凹模材料选用Cr12钢。
6.3.3凸凹模精度的确定
零件精度：
由于该零件为工作零件，起主要成型的作用，对精度要求较高，外形精度公差为IT7。
6.3.4凸凹模壁厚的确定
凸凹模是复合模中同时具有落料凸模和冲孔凹模作用的工作零件。
它的内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸。
从强度方面考虑，其壁厚应受最小值限制。
凸凹模的最小壁厚与模具结构有关：
当模具为正装结构时，内孔不积存废料，胀力小，最小壁厚可以小些；当模具为倒装结构时，若内孔为直筒型刃口形式，且采用下出料方式，则内孔积存废料，胀力大，故最小壁厚应大一些。
凸凹模的最小壁厚值，目前一般按经验数据确定，倒装复合模的凸凹模最小壁厚可查表得。
正装复合模的凸凹模最小壁厚可比倒装的小一些。
凹模内外刃口间壁厚校核：
根据冲裁件结构凸凹模内外刃口最小壁厚为6.7mm，该壁厚为6.7mm即可，本设计中凸凹模的壁厚为15mm，故该凸凹模的侧壁强度要求足够。
6.3.5凸凹模洞口类型的选取
本设计采用的是倒装式复合模，故凸凹模在下模，采用下出料方式，需要设计凸凹模洞口类型，排出积存废料。
凸凹模洞口的类型如图6-3所示，其中a、b、c型为直筒式刃口凹模，其特点是制造方便，刃口强度高，刃磨后工作部分尺寸不变，广泛用于冲裁公差要求较小，形状复杂的精密制件。
但因废料的聚集而增大了推件力和凸凹模的涨裂力，给凸、凸凹模的强度都带来了不利影响。
一般复合模和上出件的冲裁模用a、c型，下出件用b、d型其中d型是锥筒式刃口，在凸凹模内不聚集材料，侧壁磨损小，但刃口强度差，刃磨后刃口径向尺寸略有增大。
综上所述，本设计选用a型直通式洞口。
（a）直筒式（b）直筒式（c）直筒式（d）锥筒式（e）锥形式
图6.3凸凹模洞口的类型
6.4卸料装置的选用
6.4.1卸料装置的选用
弹性卸料装置由卸料板、弹性元件、卸料螺钉等零件组成。
弹性卸料起导向作用时，卸料板与凸模按H7/h6配合制造，但其间隙应比凸、凹间隙小，此时，凸模与固定板以H7/h6配合。
此外，在模具开启状态，卸料板应高出模具工件零件刃口0.3～0.5mm，以便顺利卸料。
6.4.2卸料板外型的设计
在冲压工艺分析中已经选择了卸料装置为弹性卸料，采用卸料板卸料。
卸料板不仅有卸料作用，还具
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