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垫片冲压模具设计及成形过程有限元模拟

安徽建筑工业学院

毕业设计（论文）

专业机械设计制造及其自动化

班级07机械（3）班

学生姓名***

学号****

课题垫片冲压模具设计及成形过程

有限元模拟

指导教师**

2011年5月28日

中文摘要……………………………………………………………………………1

英文摘要……………………………………………………………………………2

1绪论………………………………………………………………………………3

2冲裁工艺性分析及冲压方案的确定……………………………………………7

2.1冲裁工艺性分析…………………………………………………………….7

2.2冲压方案的确定…………………………………………………………….8

3工艺设计部分……………………………………………………………………8

3.1排样的优化设计…………………………………………………………….8

3.1.1载体、搭边的选择以及料宽的确定…………………………………8

3.1.2步距的确定……………………………………………………………9

3.1.3材料利用率的计算…………………………………………………...10

3.2条料的导正定位…………………………………………………………....11

3.3工步设计……………………………………………………………………11

3.4冲压力及压力中心的计算…………………………………………………12

3.4.1冲压力的计算………………………………………………………...12

3.4.2压力中心的计算……………………………………………………...13

4模具结构及零部件设计………………………………………………………...13

4.1冲压模架的选择……………………………………………………………13

4.2工作零件的设计……………………………………………………………14

4.2.1凹模的设计…………………………………………………………...14

4.2.2凸模的设计…………………………………………………………...16

4.2.3刃口尺寸的计算……………………………………………………...17

4.3辅助装置的设计……………………………………………………………23

4.3.1卸料装置……………………………………………………………...23

4.3.2固定装置……………………………………………………………...23

4.3.3导向装置……………………………………………………………...24

结论………………………………………………………………………………...25

致谢………………………………………………………………………………...26

参考文献…………………………………………………………………………...27

附录………………………………………………………………………………...28

中文摘要：

垫片冲压模具设计与过程有限元分析，通过对冲压件的分析以及消化，本套模具结构比较简单。

通过对垫片冲压模具设计，对该零件进行冲压工艺分析和有关工艺计算，确定合理的冲压工艺方案，设计冲压工序的三套模具，正确的选用标准模架，使用PRO/E三维绘图软件绘制模具三维图，对冲压结构进行了工艺分析。

明确了设计思路，确定了冲压成型工艺过程并对各个具体部分进行了详细的计算和校核。

根据三维图绘制模具二维装配图和零件图。

关键词：

冲压模具；模具设计。

Abstract:

Oftheramanddiedesignprocess,throughfiniteelementanalysisoftheramoftheanalysisandthedigestion,thestencilisquitesimple.thestructureoftheramdiedesign,forthepartstostampoutprocessanalysisandtheprocessanddeterminerationallytheprocess,designoftheramoftheprocess,thecorrectmoldthreesetofselectmodule,usestandardproethree-dimensionalgraphicstodrawthisgraphsoftwaretooltostampoutthestructureoftheprocessofanalysis.Thedesignandtheramformingtechnologyprocessandforallspecificpartofthedetailedcalculationandschool.accordingtothedrawingtool三维图assemblydrawingtwodimensionalandspareparts.

第一章绪论

1.1国内外模具发展现状及前景

现代模具工业有“不衰亡工业”之称。

世界模具市场总体上供不应求，市场需求量维持在600亿至650亿美元，同时，我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。

近几年，我国模具产业总产值保持13%的年增长率

  中国模具行业发展现状：

目前，中国17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。

1999年中国模具工业总产值已达245亿元人民币。

工业总产值中企业自产自用的约占三分之二，作为商品销售的约占三分之一。

在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。

  在中国，人们已经越来越认识到模具在制造中的重要基础地位，认识到模具技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。

许多模具企业十分重视技术发展，加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。

此外，许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发。

虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。

例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低，CAD/CAE/CAM技术的普及率不高，许多先进的模具技术应用还不够广泛等等。

特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在明显差距，这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求，因而需要大量从国外进口。

  中国模具行业发展前景：

巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。

  1999年中国大陆制造工业对模具的总市场需求量约为330亿元，今后几年仍将以每年10%以上的速度增长。

对于大型、精密、复杂、长寿命模具需求的增长将远超过每年10%的增幅。

汽车、摩托车行业的发展将会大大推动模具工业的高速增长，特别是汽车覆盖件模具、塑料模具和压铸模具的发展。

家用电器，如彩电、冰箱、洗衣机、空调等，在国内的市场很大。

目前，我国的彩电的年产量已超过3200万台，电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过了1000万台。

家用电

器行业的发展对模具的需求量也将会很大。

其他发展较快的行业，如电子、通讯和建筑材料等行业对模具的需求，都将对中国模具工业和技术的发展产生巨大的推动作用。

近年来，中国模具市场对精密、大型、复杂型、长寿命模具的需求量有所增长，预计到2010年，国内模具市场需求量将在1，200亿元人民币左右。

综合媒体2008年6月4日报道，中国模具协会企业年报显示：

近年来，中国模具市场对精密、大型、复杂型、长寿命模具的需求量有所增长，预计到2010年，国内模具市场需求量将在1，200亿元人民币左右。

专家分析，从1997年开始，随着汽车、装备制造业、家用电器的高速增长，中国国内模具市场的需求开始显著增长。

虽然到2006年中国模具工业总产值已达516亿元，但属“大路货”的冲压模具、压铸模具等约占总量的80％。

已经进入中国的少量外资模具企业开始生产各种高精大多功能模具，但目前仍供不应求。

1.2模具工艺发展过程及发展方向

我国模具标准化工作起步较晚，模具标准生产、销售、推广和应用工作也比较落后

因此，模具标准件品种规格少、供应不及时、配件性等问题长期存在。

从模具标准件使用覆盖率一直较低。

近年来虽然由于外资企业的介入，比例已有较大提高，但总的来说还很低。

据初步估计，目前这一比例大致为40%--产各种工业产品和民用产品的重要工艺装备，模具已发展成为一门产业。

20世纪80年代以来，中国模具工业的发展十分迅速。

近20年来，产值以每年15%左右的迅速增长。

2000年我国模具工业总产值已达280亿元人民币。

在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，铸模具约占6%，其他各类模具约占11%。

在冷冲模具方面，代表当代模具技术水平的汽车覆盖件模具，我国东风汽车公司模具厂、第一汽车厂模具中心等都能制造。

他们在CAD/CAM/CAE冲压件质量及模具性能方面，均以达到或接近国际先进水平，多工位连续模和多功能模具是我国重点发展的精密、高校模具品种。

目前，国内以可制造具有自动冲切、叠呀、计数、分组、转子铁心扭斜和安全保等功能的铁心精密自动叠压多功能模具。

生产电动机定、转子双回转叠片的硬质合金连续模的步距精度可的2微米。

寿命达到1亿次以上。

用于生产集成电路引线匡架20—30工位生产电子枪零件的硬质合金连续模和生产空调器散热片的连续模也已经达到较高水平。

模具工业发展的几个阶段

模具工业是随着改革开放，在快速发展的经济浪潮推动下得以发展壮大的20世纪80年代初至今，模具工业整整走过20个年头。

在这期间模具工业的发展大体可以分为三个阶段：

a）从20世纪的年代初期到中期，北京模具工业处于封闭或半封闭状态模具生产力比较低，技术水平也比较落后。

b）从20世纪80年代中期到90年代中期，模具工业处于改革开发机制转变的大好时期，随着改革开放不断深入，模具工业也发生了巨大变化。

我国模具行业将向大型、精密、复杂、高效、长寿命和多功能方向发展。

目前，电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电、通讯和军工等产品中，６０％－８０％的零部件，都要依靠模具成型。

用模具成型的制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所无法比拟。

模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和开发能力。

专家认为，我国模具行业日趋大型化，而且精度将越来越高。

１０年前，精密模具的精度一般为５μｍ，现在已达２－３μｍ。

不久，１μｍ精度的模具将上市。

随着零件微型化及精度要求的提高，有些模具的加工精度公差就要求在１μｍ以下，这就要求发展超精加工。

专家认为，我国模具行业要进一步发展多功能复合模具，一套多功能模具除了冲压成型零件外，还担负叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务。

通过这种多功能的模具生产出来的不再是成批零件，而是成批的组件，如触头与支座的组件、各种微小电机、电器及仪表的铁芯组件等。

多色和多材质塑料成形模具也将有较快发展。

这种模具缩短了产品的生产周期，今后在不同领域将得到发展和应用。

45%之间。

而国际上一般在70%以上，其中中小模具在80%以上。

由于我国模具企业的性质和所在的地区不同，模具标准件使用覆盖率存在很大差异。

三资企业要比其他企业高，南方企业要比北方的企业高。

这在广东表现得最明显。

广东集中了大量的三资企业。

他们带动了其他企业观念的转变和市场的发展，因而广东模具企业的模具标准件使用覆盖率要原远高于其他地区。

国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越到高的要求，促使模具技术迅速发展，作为生

随着热流道技术的日渐推广应用，热流道模具在塑料模具中的比重将逐步提高。

采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量，并能大幅度节约制件的原材料，这项技术的应用在国外发展很快，已十分普遍。

国内热流道模具也已经生产，有些企业已达３０％左右，但总的来看，比例太低，亟待发展。

随着塑料成型工艺的不断改进与发展，气辅模具及适应高压注射成型工艺的模具将随之发展。

有关专家认为，模具标准件的应用将日渐广泛，模具标准化及模具标准件的应用能极大地影响模具制造周期。

使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，而且能提高模具质量和降低模具制造成本。

同时，快速经济模具的前景十分广阔。

由于人们要求模具的生产周期越短越好，因此开发快速经济模具越来越引起人们的重视。

例如研制各种超塑性材料来制作模具；用环氧、聚酯或在其中填充金属、玻璃等增强物制作简易模具。

这类模具制造工艺简单，精度易控制，收缩率较小，价格便宜，寿命较高。

还可用水泥塑料制作汽车覆盖件模具。

中、低熔点合金模具，喷涂成型模具，电铸模，精铸模，层叠模，陶瓷吸塑模及光造型和使用热硬化橡胶快速制造低成本模具等快速经济模具将进一步发展。

快换模架、快换冲头等也将日益发展。

另外采用计算机控制和机械手操作的快速换模装置、快速试模装置技术也会得到发展和提高。

国内相当多的模具企业普及了计算机绘图，应用各种CAD软件进行模具设计。

目前，从事模具技术研究的机构和院校已达30余家。

在模具CAD/CAE/CAM技术、冷冲模和精冲模CAD软件、模具的电加工和数控加工技术、快速成型技形（RP）和快速制模技术、新型模具材料等方面都取得了长足的进步和显著的成果。

第二章冲裁工艺性分析及冲压方案的确定

2.1冲裁工艺分析

工件名称：

垫片

材料：

45钢

厚度：

5mm

工件简图及尺寸见图1-1：

图1-1

冲孔的工艺性：

孔中心与边缘距离尺寸公差：

±0.5mm

冲裁件内外形所能达到的经济精度：

IT14

模具精度：

IT9

拐角处圆角取R=3mm，其余圆角R=2mm。

2.2冲压方案确定

制件为简单的垫片冲压件，所以其工序只有冲孔和落料。

因此，本制件的工艺方案为：

冲孔→落料。

垫片零件所需的基本冲压工序为落料和冲孔，可以拟定出以下三种工艺方案。

方案一：

用简单模分二次加工，即落料——冲孔。

方案二：

冲孔落料级进模。

方案三：

冲孔落料复合模。

采用方案一，生产率低，工件的累计误差大，操作不方便，由于该工件为中大批量生产，方案二和方案三更具优越性。

根据垫片零件外形可以采用冲孔、落料复合模或冲孔、落料连续模。

因此可选用进级模或复合模，若采用进级模则材料的利用率会下降，并且此零件的尺寸比较小不需要采用进级模。

采用复合模可以提高材料的利用率并且定位准确，容易保证形位精度。

因此可采用复合模来生产此零件。

确定工艺方案为复合模。

第三章工艺设计部分

在冲压零件的成本中，材料费用占60%以上，因此材料的经济利用是一个重要问题，而材料的经济利用与排样有关，所以设计出既经济又符合要求的模具，排样的优化设计尤为重要。

3.1排样的优化设计

3.1.1载体、搭边的选择及料宽的确定

为了避免制作两套凸模和凹模零件，降低模具的制造成本，采用凸凹模冲裁，即冲压一次完成两种工序，条料完成冲压后，连续送进连续冲裁每次都生产出一个工件并且形状大小都完全相同。

根据零件尺寸要求，其厚度为5mm，设计排样应留有搭边，故选择有废料对排排样，以保证其质量及精度要求。

材料为45钢，采用自动输送方式输送，查中国模具设计大典取工件间搭边值

=4.5mm；

=4.5mm,综合考虑送料方式，又表3-1,3-2,3-3，取搭边均为5mm。

调料宽度的计算：

拟采用无侧压装置的送料方式，由

（2-1）

D—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸

a—侧搭边值

c

——导料板与最宽条料之间的间隙,由于t＞4-5mm,所以

取1mm

代入数据计算，取得条料宽度为66mm。

导尺间距离的计算：

由

（2-2）

代入数据计算得导尺间距离为67mm。

3.1.2步距的确定

送料步距

（2-3）

代入数据计算得送料布距为240mm。

3.1.3材料利用率的计算

冲压件大批量生产成本中，毛坯材料费用占60%以上，排样的目的就在于合理利用原材料。

衡量排样经济性、合理性的指标是材料的利用率。

根据市场其计算公式如下：

一个进距内的材料利用率

式中A——一个冲裁件的面积，4535

；

n——一个进距内的冲裁件数量4；

B——调料宽度，66mm；

s——进距，240mm

得

材料利用率为

3.2条料的导正定位

确定合适的定距、定位方式不仅有利于提高冲压件的质量，而且便于操作和确保冲压完全生产。

定位的方式较多，可利用外形或内孔甚至冲制工艺孔来定位。

用导正销导正精确定位是模具结构中常见的型式定位的方式较多，可利用外形或内孔甚至冲制工艺孔来定位。

用导正销导正精确定位是模具结构中常见的型式。

导向方式：

为确保零件的质量及稳定性，选用导柱、导套导向。

3.3工步设计

3.4冲压力及压力中心计算

3.4.1冲压力的计算

计算冲裁力的目的是为了合理地选用压力机（压床）和设计模具。

压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应冲裁力的要求。

本设计采用模具冲裁，其冲裁力

按下式计算：

式中

——冲裁力（N）；

t——材料厚度（mm）；

——材料抗剪强度（M

）；

L——冲裁周长（mm）；

K——系数。

系数K是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动和不均匀、刃口的磨损、料板力学性能和厚度波动等因素的影响而给出的修正系数。

一般去K=1.3。

过去一般采用仅与材料性质有关的抗剪强度

进行计算，实际上冲裁时的抗剪强度不仅与材料性质有关，还与材料硬化程度，材料相对厚度，凸、凹模相对间隙（z/t）以及冲裁速度有关，可用如下公式计算：

式中m——与相对间隙有关的系数；

——材料抗拉强度（MPa）。

在z/t=0.15时，m=1.2，故

式中

——材料的屈服极限（MPa）。

为简化计算，可按表选用。

表材料抗剪强度

落料

大零件d

冲孔

3.4.2压力中心的计算

模具的压力中心就是冲压力合力的作用点。

为了保证压力机和模具的正常工作，应使模具的压力中心与压力机的中心滑块中心重合。

否则，冲压时滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨与模具的导向部分不正常的磨损，还会使合理的间隙得不到保证，从而影响制件的质量和降低模具的寿命，甚至损坏模具。

此为多凸模模具的压力中心，首先计算大凸凹模的压力中心计算其压力中心的步骤如下：

按比例画出凸模的工作部分剖面图

在任意距离处作x-x轴y-y轴

分别计算出各线段和圆弧的重心到x-x轴的距离

和到y-y轴的距离

。

大凸模的压力中心到坐标轴的距离由下式确定:

到y-y轴的距离

到x-x轴的距离

由于其余三个凸模为规则的凸模，则总的压力中心为

到y-y轴的距离

到x-x轴的距离