CPU散热卡子冲压模设计毕业设计.docx
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CPU散热卡子冲压模设计毕业设计
CPU散热卡子冲压模设计
第一章绪论
模具工业的发展标志一个国家工业水平及产品开发能力。
冲压加工作为一个国家的基础工业，在国名经济的加工工业中占有重要的地位，根据统计，冲压件在各个行业中均占有相当大的比重，尤其在汽车、电机、仪表、军工、家用电器等方面所占比重更大。
冲压件在形状和尺寸精度方面的互换性较好，所以具有质量轻、刚度好、精度高和外表光滑、美观等特点。
而且冲压加工是一种生产效率高、高材料利用率的加工方法。
当然，冲压加工和其他加工方法一样，也有其自身的局限性，例如，冲模的结构比较复杂，模具价格偏高。
因此，对小批量，多品种生产时采用昂贵的冲模，经济上不合算。
目前，为了解决这个问题，正在努力发展某些简易冲模。
采用冲压与焊接或胶接等复合工艺，可以使零件结构更趋合理，加工更为方便，成本更易降低，这是制造复杂形状结构件的发展方向之一。
模具冲压设备正随着科学技术的发展而不断发展，从整体上看，现代冲压工艺与模具的主要发展方向可以归纳为几个方面:
1、冲压成型工艺与理论研究；2、冲压加工自动化和柔性化；3、冲模CAD/CAM；最后，关于冲模的破损机理和寿命分析，以及新型模具材料方面，近年来也有不少的进展。
从其发展方向可以看出冲压工艺和模具课程的理论性和实用性均很强，故研究时应从理论和实践相结合的角度来研究、探讨，并侧重加强工程实践能力。
冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得一种所需零件的一种压力加工方法。
冲压通常是在高温下对材料进行冷变形加工，且主要采用板料加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。
冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。
冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲压件的专用工具。
冲模在冲压过程中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就难以实现。
1.1冲压特点
冲压加工与其他加工方法相比，具有以下特点：
（1）操作简单，易于实现自动化，并且具有较高的生产效率。
（2）冲压加工可以获得其他加工方法不能或难以制造的形状复杂，精度一致的制件，而且可以保证互换性。
（3）冲压过程耗能少，材料利用率高，加工成本低，冲压加工不想切削加工那样需要很多的能量，把大量的金属切成碎屑后获得零件，材料利用率一般可以达到70%-85%。
（4）冲压件刚性好，强度高，重量轻，表面质量好。
冲压过程中，材料边面不易遭受破坏，而且通过塑形变形还可以使制件的机械性能有所提高。
（5）冲压加工中所用的模具结构一般比较复杂，制造周期长，生产成本高，因此，在小批量生产中受到限制。
（6）冲压件的精度主要取决于模具精度，如果零件的精度要求过高，用冲压生产的方法就难与达到。
1.2冲压加工的作用和地位
由于冲压加工具有许多突出的优点，因此在工业生产中，尤其是大批量生产中得到广泛的应用。
从精细的电子元件，仪表针到汽车的覆盖件，高压容器封头以及航空航天器的蒙皮，机身等均需冲压加工。
据粗略统计，在汽车制造业中，有60%-70%的零件是采用冲压工艺制成的。
在机电仪表生产中有60%-70%的零件也是采用冲压工艺制成的。
在电子产品中，冲压件的数量约占总数的85%以上。
在飞机，导弹和各种枪弹与炮弹生产中。
冲压件所占的比例也相当大。
占世界钢铁产量60%-70%以上的板材，管材以及型材，其中大部分是通过冲压制成成品。
随着工业产品的不断发展和生产技术水品的不断提高，不少过去用铸造，切削加工的方法制造的零件，已被质量轻、刚度好的冲压件所代替。
可以说，冲压加工已成为现代工业生产的重要手段和发展方向，是提高生产率，提高产品质量，降低生产成本，进行产品更新的重要保证。
1.3冲压技术的发展趋势
冲压技术一直在不断发展。
国内外21世纪的发展方向和动向主要有以下几点：
冲压成型工艺与理论研究
计算机辅助工程（CAE）的引入，使冲压成型已从原来对应力应变
进行有限元分析而逐步发展到用计算机进行工艺工程的模拟与分析，以实现冲压过程的优化设计。
对冲压成型的性能极限的研究，冲压件成型难度的判断以及成型预报等技术的发展，均标志着冲压成型走向计算机辅助工业化和智能化的发展道路。
（1）新一代冲模设计软件技术
新一代冲模设计软件是建立在模具设计实践中归纳总结出大量知识上，具有智能化意义的软件。
新一代冲模设计软件以立体的思想，直观的感觉来设计模具结构，所生成的三维结构信息能方便地用于模具可制造性评价和数控加工，既可对多方案进行刷选，又可对模具设计过程中的合理性和经济性评估，并为模具设计者提供修改依据。
新一代模具设计软件还具有面向装配的功能，因为模具的功能只有通过其装配结构才能体现出来。
（2）在模具设计制造中广泛运用CAD/CAE/CAM技术
模具设计制造是一个多环节的复杂过程，从开始设计到最后的装配检测，实际上是将产品设计信息在生产环节不断传送，处理并反馈的过程。
正确的模具设计制造方法应该是采用并行加工的方法，要实现模具CAD/CAE/CAM等各个模具信息的提取，交换和处理的集成化，必须建立模具集成化的产品信息模型，采用基于变量化设计，工程数据库管理系统等技术已成为目前研究的热门。
利用和集成各种计算机技术，以网络为通讯手段，协调企业的各种行为以获得最好的经济效益为目标来制造产品。
模具工业为一种特殊的工业无疑要向集成制造方向发展，这是未来模具设计制造总的发展趋势。
（3）冲压加工精密化，自动化和柔性化
为了适应大批量，高效率生产的需要，在冲压模具和设备上广泛的运用了各种自动化的进、出料机构。
近年来，集成制造系统（CAM）也正在被引入冲压加工系统，出现了冲压加工中心，并且使设计、冲压生产、零件运输、仓储、品质检查以及生产管理等全面实现自动化。
（4）冲模新材料及模具热处理新技术的研制、开发以及推广运用
我国模具的使用寿命和国外模具的使用寿命存在较大的差距，究其原因，很大程度上在于模具材料热处理、表面处理技术上。
因此，必须努力提高国产模具材料的质量，研究和推广先进的热处理、表面处理技术，充分发挥模具材料的潜力。
（5）提高冲模标准化水品和模具标准件的使用率
实现模具零件标准化和专业化是缩短模具制造周期、降低模具成本行之有效的途径，同时也为计算及辅助设计和制造创造有利条件。
因此，必须加快模具制造的产业调整以满足市场需要，走出一条降低成本、高效益的发展之路。
第二章冲压件的成型工艺性分析
2.1工件的冲压工艺性能分析
如图2-1所示，零件厚度为1mm，形状不复杂，部分对称结构，主要工序有冲孔、冲裁、弯曲、落料，查《冲压工艺与模具设计》取最小弯曲半径r=0.1t=0.1mm,若采用单工序模，工序很多，工件小，手工操作，定位难以达到精度，生产效率低，误差较大，质量难以保证。
该工件属于大批量生产，因而适宜采用多工位级进模制造，采用多工位级进模制造提高了劳动生产率和设备利用率，降低了生产成本，提高了操作的安全性。
图2-1零件图
2.2冲压工艺方案的选择
本设计中的冲压零件是一个CPU散热卡子，材料为Q195，材料厚度为1mm，零件外形尺寸为：
长×宽×高=70mm×5mm×12.5mm
1.单工序模
经过分析，此工件要经过冲孔、冲裁、多次不同方案的弯曲以及最后的落料，前后需要好几副模具，工序需要多次定位，定位误差大、精度差，产品质量低，占用设备多，劳动生产率低。
2.复合模
该工件小，且板中有六个小孔，有两对小孔之间间距很小，复合模也只能冲裁工件展开料的外形和少部分小孔，仍然需要大量的单工序模来完成后续工序，没有发挥复合模的作用。
3.级进模
此零件需要采用切余料的排样方式。
通过对零件的初步分析，要完成该零件的生产，需要经过冲孔、切余料、多部弯曲和最终落料等工序。
材料的厚度为1mm，属于薄材料冲裁。
由冲裁件的结构形状和尺寸可以知道：
工件在冲裁外形时，两个相交边应尽量避免锐角，严禁尖角，圆角半径r>0.25t，冲裁件的凸出或凹入不宜太小，应避免长悬臂和过窄的凹槽，要求悬臂和槽长L与其宽度有一定的比例，查资料可知，该零件的厚度为1mm，需要满足
。
冲裁孔与孔之间、孔与冲件边缘之间的壁厚不应太小，否则会影响凹模强度、寿命和冲件的质量。
通过对工件的零件图分析可知，采用级进模均满足上述要求。
由于工件的材料是低碳钢，具有良好的弯曲工艺性，在设计中应该考虑到其纤维方向，以利于模具的设计与制造，弯曲时折弯线方向不能够与带料的纤维方向一致，应该垂直带料的纤维方向或者与其纤维方向成一定的角度，多个方向折弯时角度最好成45°；弯曲件的弯曲半径不宜过小或过大，如果弯曲半径过小，则容易被弯裂；若弯曲半径过大，因受到回弹的影响，弯曲成形的角度和圆角半径的精度均不容易得到保证；同时，在设计中还要考虑到弯曲件直边高度不宜太短，直边高度h要大于2t。
由工件零件图可以知道：
工件弯曲工艺满足上述要求。
由于工件属于薄材料加工，带料的厚度为1mm，该零件的三个折弯部位内折弯角很小，对于这种弯曲，可以在弯曲凹模上设计小凸台，破换折弯处的变形方式，以达到该零件的内弯曲角的的要求，同时也可以很好地保证折弯角度的稳定性。
工件属于小型工件，形状较为复杂，且需要大批量生产，对生产效率的要求高，因此，采用级进模来完成此工件的加工是符合生产要求。
第三章排样设计
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第四章模具设计
4.1冲压力的计算和冲压设备的确定
4.1.1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，以适应冲裁工艺的需求。
冲裁力的计算公式为：
式中
——冲裁力（N）
——材料的抗剪切强度（MPa）
L——冲裁周边的总长（mm）
t——材料的厚度（mm）
K——安全系数，是考虑到冲裁模具刃口的磨损，凸模、凹模之间间隙的波动、润滑情况、材料力学性能与公差的变化等因素而设置的安全系数，一般取1.3。
通过查看参考文献[4]可以知道，普通碳素钢Q195材料的抗剪切强度
=300MPa。
冲裁力的相关计算数据如表4-1所示
表4-1冲裁力
冲压部位
冲裁周边长度L/mm
所需冲压力F/N
2个导正钉孔R1mm
12.56
4898
C区冲圆孔，4个内孔R3
75.36
29390
D区冲圆孔，2个小内孔R1mm
12.56
4898
F区冲裁
547.08
213360
G区冲裁
23.06
8993
E区落料
4
1560
表1-1中总冲裁力为
=263100N
4.1.2弯曲力的计算
影响弯曲力的因素很多，如材料的性能、零件外形、弯曲方法和模具结构等。
用理论公式计算不但复杂，而且不一定正确，因此，通常采用经验公式进行计算。
设计中有5处90°弯曲，设计中弯曲力的计算公式为：
式中
——弯曲力（N）
K——安全系数，在此设计中取1.3
b——弯曲部分的宽度（mm）
r——弯曲件内弯曲半径（mm），在此设计中，有3个弯曲处的内弯角半径r=0.5mm,另外两个弯曲处的内弯角半径r=1.5mm
——材料的抗拉强度，工件的材料是普通碳素结构钢Q195材料，查阅相关手册可知其抗拉强度为400MPa。
设计中弯曲力的计算数据如表4-2
表4-2弯曲力
弯曲部位
弯曲宽度b/mm
内弯曲半径r/mm
所需弯曲力F/N
4.5
0.5
936
60
1.5
7488
60
1.5
7488
4
0.5
832
4
0.5
832
表1-2中总弯曲力
=17576N（注：
弯曲后随即进行了校正，所以上述数据是按U形弯曲来计算的，因为折弯处有压料槛，实际冲压力比上述数值大）。
4.1.3卸料力、推料力、顶件力的计算
影响卸料力、推料力和顶件力的因素很多，要精确的计算是很困难的，在实际生产中常用经验公式进行计算：
卸料力
推料力
顶件力
式中
——冲裁力（N）
n——同时梗塞在凹模内的工件（或废料）数，n=h/t
h——凹模洞口直壁高度（mm）
t——材料厚度（mm）
、
、
——卸料力、推料力、顶件力系数，料厚为1mm的钢板材料，各系数见表4-3
表4-3卸料力、推荐里、顶件力系数
、
、
料厚t/mm
1
0.05
0.055
0.06
因为本模具采用弹性卸料装置和下出料方式，所以卸料力和推料力两项分别计算得：
卸料力
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4.1.4冲压设备的选择
1）设备类型的选择
设备类型的选择要依据冲压件的生产批量、工艺方法与性质及冲压件的尺寸、形状与精度等要求进行。
（1）根据冲压件的大小进行选择。
该工件属于小型工件，有一定的精度和刚度，工序有分离及弯曲成形，适合于选用普通开式机械压力机（不宜选用高速压力机）。
（2）根据冲压件的生产批量选择。
该工件属于中批量生产，选用开式机械压力机也适合。
（3）考虑精度和刚度。
在选用设备类型时，还应充分注意到设备的精度与刚度。
压力机的刚度是由床身刚度、传动刚度和导向刚度三部分组成，如果刚度较差，则负载终了和卸载时模具间隙会发生很大变化，影响冲压件的精度和模具寿命。
模具的精度也有类似的问题。
尤其是在进行校正弯曲、校形及整修这类工艺时更应选择刚度与精度较高的压力机。
在这种情况下，板料的规格（如料厚波动）应该控制更严格，否则，因设备过大的刚度和过高的精度反而容易造成模具或设备的超负荷损坏。
（4）考虑生产现场的现有设备
（5）考虑技术上的先进行
2）设备规格的选择
设备规格的选择应根据冲压件的形状大小、模具尺寸及工艺变形力等进行。
从模具往设备上安装并能开始工作的顺序来考虑，其设备规格的主要参数有以下几个：
（1）行程。
压力及行程的大小，应该保证坯料的方便放进与两件的方便取出。
（2）装配模具的相关尺寸。
压力机的工作台面尺寸应大于模具的平面尺寸（一般是模具底板），还应有模具安装与固定的余地，但过大的余地对工作台的受力不利；工作台面中间孔的尺寸要保证漏料或顺利安放模具顶出料装置；大吨位压力机滑块上应加工出T形槽（与压力机工作台板一样），用于固定模具，而一般开式压力机滑块上装有模柄孔尺寸（直径×高度），为两件哈夫式夹紧模柄用。
（3）闭合高度。
冲床的闭合高度是指滑块处于下死点时，滑块下平面至工作台上平面间的开档空间尺寸。
这个高度即为冲压操作（主要是装卸模具）的空间高度尺寸。
显然，冲床的闭合高度要与模具的闭合高度相适应。
冲床的最大闭合高度要大于模具的闭合高度，最小闭合高度又要小于模具的闭合高度。
（4）设备吨位。
设备吨位大小的选择，首先要以冲压加工工艺所需要的变形力为前提。
要求设备的名义压力要大于所需的变形力，而且还要有一定的力量储备，以防万一。
例如，某到冲压工序工艺变形力为F，那么，选择的设备吨位一般要大于或等于1.3F。
从而提高设备的工作刚度、冲压件的精度及延长设备的寿命的观点出发，要求设备的容量有较大的剩余。
上述设备吨位的选择原则，对于冲裁、弯曲等工序的实现已经不存在什么问题了。
所选用的支架工件没有拉深，因此，不用再考虑压力机的许用力—行程曲线。
初选压力机：
选用公称压力630kN（J21-63型）的标准型开式压力机，压力机的技术参数，如表4-4所列
表4-4J21-63型开式压力及基本参数
项目
参数
公称压力/kN
630
发生公称压力时滑块距下死点距离/mm
8
行程次数（不小于）/min
70次
最大封闭高度（固定台式）/mm
360
滑块行程/mm
120
闭合高度调节量/mm
90
模柄孔尺寸（直径×深度）/mm
50×70
滑块中心到床身距离/mm
260
工作台尺寸/mm
左右710前后480
工作台孔尺寸/mm
左右340前后180直径230
立柱间的距离/mm
340
工作台板厚度/mm
90
4.1.5压力中心的确定
冲压力合理的作用点称为模具的压力中心。
模具的压力中心应该通过压力机滑块的中心线。
对于有模柄的冲压模具来说，需要使压力中心线通过模柄中心线。
否则，冲压时滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分不正常磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而影响工件质量和降低模具寿命甚至损坏模具。
在实际生产中，经常出现冲压模具压力中心在冲压过程中发生变化的情况，或者由于冲压件的形状特殊，会使压力中心偏离模具中心，从模具结构角度考虑，应该注意压力中心的偏移不致超出所选用压力机允许的范围，即长度方向≤L/6，宽度方向≤B/6。
由于工件的冲裁和弯曲工序较多，每道工序的外形复杂，因此可以考虑用解析法进行计算。
先分别计算出每个工位的压力中心，然后计算出总的压力中心。
（1）各工位压力中心的计算。
对于多凸模冲裁时的压力中心，根据理论力学，对于平衡力系，合力对轴的力矩等于各分力对同轴距离之和，总压力中心的计算公式为
在计算中为了方便计算和测量，各个冲压部位压力中心均下模板板料第一个工位的左下角为原点，其规则几何图形如圆、折弯的压力中心在其几何中心点上，各个冲压部位中心坐标计算数据如表4-5、表4-6所列
表4-5冲裁区压力中心坐标
冲压部位
冲裁周边长度L/mm
所需冲压力F/N
C区内孔1R3mm
18.84
7347
19
12.4
C区内孔2R3mm
18.84
7347
19
28.4
C区内孔3R3mm
18.84
7347
65
28.4
C区内孔4R3mm
18.84
7347
65
12.4
D区冲孔1R1mm
6.28
2449
117
12.4
D区冲孔2R1mm
6.28
2449
147
12.4
F区切边冲裁
547.08
213360
226.5
18.8
G区余料切边冲裁
23.06
8993
226.5
20.43
E区落料
4
1560
676
20.4
表4-6弯曲区压力中心坐标
弯曲部位
弯曲长度L/mm
所需冲压力F/N
处弯曲
4.5
936
368
12.2
处弯曲
60
7488
586
21.6
处弯曲
60
7488
586
19.1
处弯曲
4
832
485.1
7.9
处弯曲
4
832
489.8
7.9
（2）总压力中心的计算。
将上述相关数据代入公式得冲模压力中心，如图4-1所示：
图4-1冲裁部位与压力中心的位置
319.59
17.83
4.2冲裁间隙刃口尺寸的确定
4.2.1凸模、凹模间隙的确定
理论及实际生产证明，间隙值的大小，分布均匀与否，对冲裁件的断面质量、尺寸精度、冲裁力和模具寿命有直接的影响。
常用的冲裁间隙确定方法有理论确定法和经验确定法，在现场模具的设计和生产中通常用经验确定模具的冲裁间隙。
经验计算公式为：
式中Z——合理冲裁间隙（mm）
t——板料厚度（mm）
m——系数，与材料厚度及材料性质有关，m通常为料厚的百分之几，冲裁间隙数如表4-7所列
表4-7冲裁间隙系数m/mm
材料
抗拉强度
间隙类别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
低碳钢08F、10F、Q235-A
≥210～400
6～14
14～20
20～25
中碳钢45不锈钢1Cr18Ni9Ti
≥420～560
7～16
16～22
22～30
高碳钢T8AT10A65Mn
≥590～930
16～24
24～30
30～36
材料Q195的抗剪切强度为（260～320）MPa，其冲裁间隙值可以在上表中参照抗剪切强度与之相近的材料的冲裁间隙数进行选取，同时，为了达到工件精度的要求和较好的断面质量，选取Ⅰ类间隙，则凹模与凸模之间的间隙范围为：
最小间隙
最大间隙
在实际生产中，当板料厚度小于3mm时，通常按经验取6%，，则凸模与凹模之间的间隙为
，取整数0.1mm。
4.2.2凸模、凹模刃口尺寸的计算
（1）冲孔
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，故符合条件。
将已知和查表的数据代入公式，即得
F、G区冲裁：
该工位是冲裁出零件外形孔，是不规则图形，选取一个主要尺寸计算刃口尺寸，其他部分按同样的原则计算，具体尺寸可见零件图。
选取余料连接处的横向尺寸
，查表得：
x=1
校核：
，故符合条件。
将已知和查表的数据代入公式，即得
（2）落料
E区落料：
外形尺寸
查参考文献[1]表19.1-7、19.1-9、19.1-10得
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（3）弯曲
E区弯曲：
该弯曲件凹模外形尺寸
，取IT9级精度，模具取IT7精度，查表得
，弯曲件为对称偏差，凹模尺寸为：
凸模和凹模的间隙
Z=（t+nt）=（1+0.05×1）=1.05
式中Z——弯曲凸模与凹模的单面间隙
t——材料的厚度
n——间隙系数，查参考文献[3]表4-10可得，n=0.05
查表得
，凸模尺寸：
第五章多工位级进模的结构设计
5.1模具总体结构和主要零件的设计
5.1.1模具总体结构的确定
该级进模的模架设计为滑动导柱导套加强型钢模架，用内导柱和外导柱相结合的导向方式，模具总体结构如图5-1所示。
图5-1模具总体结构简图
级进模主要由上模座、凸模垫板、凸模固定板、卸料版、凹模板、凹模垫板和下模座等骨架零件和定位零件、紧固零件、工作零件等组成。
（1）采用加强型模架。
模具在带有自动送料装置的压力机上使用，浮动导料杆导向送料，导正销定距。
上下模座的厚度比一般冲模模座厚约10～20mm，导柱导套之间有0.02mm的过盈量。
这种模架的导向精度高、寿命长、滑动轻快。
（2）采用浮动导料干。
考虑到制件有弯曲成形的部分，送料必须是在悬浮于凹模平面一定高度进行，因此条料在送进
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