管材卡扣冲裁模毕业设计.docx
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管材卡扣冲裁模毕业设计
题目：
管材卡扣冲裁模的设计
第1章引言
在现代化生产中，模具工业是国民经济发展的重要基础工业之一，模具在机械、电子、航空、航天、兵器、汽车、电器、仪表、轻工、农业、机械及日常生活用品的生产中，已占有十分重要的地位，在产品竞争和产品不断更新的年代，要使产品不断降低成本并具有价格优势，采用模具成形技术来制造产品是非常重要的途径之一。
现代工业发达的国家对模具工业都十分重视，模具技术水平的高低反映了一个国家制造业的能力和工业发达的程度。
随着工业生产的迅速发展，模具工业在国民经济中的地位将日益提高，并在国民经济发展过程中发挥越来越大的作用。
数控加工技术在模具制造的应用，它不仅提高了生产效率，降低了劳动强度，还使得一些无法加工的零件变得可以加工。
例如：
简单的线切割加工时间长，如果不采用数控加工技术，劳动强度就很大；鼠标外壳模具形状不规则，如果不用数控加工，就很难加工且加工精度低，这就说明模具行业已与数控加工密不可分。
本设计是作为模具设计与制造专业毕业生，在毕业之前对所学专业知识的一次综合性运用。
巩固和扩展自己所学的基本理论和专业知识，综合运用所学知识培养自己的技能分析和解决实际问题的能力，初步形成融技术、管理于一体的大工程意识，培养勇于探索的创新精神和实践能力；培养正确的设计和研究思想、理论联系实际、严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风；进一步训练和提高课题方案设计、资料查阅、理论计算、计算机使用、文字表达等方面的能力和技巧；通过本次设计能够进一步深入的掌握冲压模具设计与制造技术。
第2章管材卡扣模具设计过程
2.1产品零件图
图2-1卡扣零件图
2.2工艺分析
冲压件的工艺性是指冲件在冲压加工中的难易程序。
冲压工艺性的好坏直接影响冲压件的质量、模具寿命、材料消耗、生产率和冲压成本，甚至影响到冲压工艺的实施。
因此，设计中应尽可能提高冲压件的工艺性。
2.2.1零件结构及尺寸分析
零件使用材料为低碳钢，牌号Q195，材料厚度为0.8mm，大批量生产。
低碳钢又称软钢，是碳含量低于0.25％的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。
它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，冲压性能，适合进行冲压加工。
零件既有冲孔、落料，还有弯曲，但结构较为简单，属于对称图形。
需要冲2个Φ6的孔、1个Φ40的半圆。
根据图1-1上所标注的尺寸，除对制件的2个孔的公差有要求外，其余都是按IT14精度等级进行。
2.2.2零件冲裁工艺分析
冲裁的孔与孔之间、孔与零件边缘之间需要一定间隙，不可过小，一般取【1】C≥（1～1.5）t,C′>（1.5～2）t。
由图1-1上的尺寸可知零件上的二孔距离足够，而二孔与零件边缘的距离C′=10-3=7>1.5X0.8。
由此可知该零件上的孔与孔、孔与边的距离满足冲裁工艺要求。
2.2.3弯曲工艺分析
管材卡扣制件的弯曲部分形状左右对称，因此毛坯受力均衡不产生滑动。
该制件的生产采用弯曲、落料、冲孔三道基本工序，弯曲半径大于最小弯曲半径（0.8t=0.8×0.8=1.6<4㎜），因此可以用冷冲压加工成型。
但在加工时，应避免弯曲部分的回弹。
2.2.4冲裁工艺方案的确定
此零件的加工需要弯曲、落料、冲孔三道工序，有以下方案可选择：
方案一：
弯曲—落料—冲孔。
即单工序模生产，虽然模具制造简单，但是需要三道工序，成本较大。
由于此冲压零件需要大批量生产，第一道工序完成后需要进入到第二道工序和第三道工序，效率低下，期间的精度难以控制，质量难达到要求。
方案二：
弯曲—落料—冲孔级进冲压。
即级进模生产，这是一种效率高，精度高的生产方式，适合小型、大批量的生产。
但应为零件的轮廓尺寸比较大，制造起来较为复杂，成本随之也大大增加。
方案三：
弯曲—落料—冲孔同时进行。
即复合模生产，这种方式生产只需要一套模具，模具的轮廓较小，制造简单，成本可以控制的很好，同时生产效率和精度也可以得到保证。
而且考虑到毛坯板料容易窜动，最终确定采用先弯曲、后落料、再冲孔的复合冲裁方法。
2.3主要工艺参数计算
2.3.1毛坯尺寸计算
该毛坯的工件展开图如图2-2所示
图2-2毛坯的工件展开图
按弯曲件展开来计算，由《冲压工艺与模具》中的公式，中性层半径为【2】r0=r+Xt
式中
r0——中性层半径（㎜）；
R——弯曲内半径（㎜）；
X——中性层位置因数，由下表2-1查出；
t——材料厚度（㎜）；
R/t
1.2
1.5
2
2.5
3
4
5
6
≥16
X
0.33
0.36
0.37
0.4
0.42
0.41
0.43
0.44
0.5
表2-1中心层位置因素X与r/t比值关系
依据表2-2和毛坯展开图尺寸可知：
小圆弧部分弯曲内半径r=4㎜，X=0.43，t=0.8mm，则中性层半径r0=4mm+0.43×0.8mm=4.344mm
中性层长度L1=L2=2πr（90°/360°）=2×3.14×4.344mm/4=6.82008mm
半圆部分弯曲内半径r=20mm，X=0.5，t=0.8mm，则中性层半径r0=20mm+0.5×0.8mm=20.4mm
中性层长度L3=2πr（180°/360°）【3】=2×3.14×20.4mm/2=64.056mm
直线部分长度A1=A2=（88/2-20-4）mm=20mm
B1=B2=（34.8-0.8-4-20）mm=15.2mm
由于圆弧r=4mm>0.5×2mm=1mm，所以为有圆角半径弯曲。
则L=∑l直+∑l圆弧
=A1+A2+B1+B2+L1+L2+L3
=20+20+15.2+15.2+6.82008+6.82008+64.056
=148.09616mm
2.3.2排样设计
冲裁件在板料上的布置叫排样。
它是制定冲压工艺不可缺少的内容，直接影响着材料的利用率、冲模结构、制件质量和生产率等，条料冲裁时所产生的废料分为两种情况：
（1）工艺废料：
工件之间和工件与条料边缘之间存在的搭边，定位需要切去的料边，与定位孔不可避免的料头和料尾废料。
（2）结构废料：
由于工件结构的需要，如工件内孔的存在而产生的废料。
排样方法主要有三种：
①：
有搭边排样
②：
无搭边排样
③：
少搭边排样
合理排样并充分利用材料具有重大意义。
此模具设计时，由于采用先弯曲的基本工序，因此宽度方向采用精裁方法，（即宽度方向不落料），使模具简单化，故条料宽度为20㎜，公差为IT14。
另外，考虑操作方便及模具结构简单，故采用直排设计。
排样时，制件与制件之间，制件与条料侧边之间的距离叫做搭边。
冲裁后，搭边虽然是废料。
但是在工艺上有很大作用。
搭边最主要的作用是补偿定位误差，保证条料具有一定的刚度，便于送料。
搭边值太大，材料利用率。
搭边值过小，搭边强度不够，产生变形。
搭边值一般由经验确定，下表可供日常设计参考。
料厚
手工送料
自动送料
圆形
非圆形
a
a1
a
a1
a
a1
～1
1.5
1.5
2
1.5
>1～2
2
1.5
2.5
2
3
2
>2～3
2.5
2
3
2.5
>3～4
3
2.5
3.5
3
4
3
>4～5
4
3
5
4
5
4
表2-2冲裁金属材料的搭边值
制件厚度0.8mm，属于非圆形，查上表得a1=1.5（制件间）。
送料步距用A表示；即A=L+a1=141.27608+1.5=142.77608mm
式中：
L—零件边长
a1—工件间搭边值
最终可以确定排样图2-3
2.3.3材料利用率的计算
衡量材料经济利用的指标就是材料利用率。
一个进距内的材料利用率
η=（nA/Bh）×100%
式中：
A—冲裁面积（包括冲裁小孔），mm2；
n—一个进距的冲件数；
B—条料宽度，mm；
h—进距，mm。
根据排样图图2-3：
η=（1X2683.0016/20X142.77608）X100%=93.95%
2.3.4压力中心的计算
【3】模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。
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。
（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）形状复杂的零件、多凸模的压力中心可用解析计算法求出冲模压力中心。
综上所述，由于该制件形状简单而对称的工件，圆形、正多边形、矩形，其冲裁时的压力中心与工件的中心重合。
制件的弯曲、落料、冲孔均为轴对称形状，其中心便是压力机的压力中心，故压力中心就是冲裁件的几何中心，无需进行压力中心的计算。
2.3.5各部分冲压力的计算
（1）冲孔力计算
冲孔力就是凸模对板料施加的力，随进入材料的深度而不断发生变化。
它是选定压力机的依据。
计算公式：
P=L×t×σb
式中P冲裁力（N）；
L冲裁线长度（m）
t制件的厚度（m）
σb材料的抗拉强度（Pa）
此零件厚度为0.8㎜，查表2-3得抗拉强度σb为320～400Mpa。
取σb=320Mpa
根据以上公式得
P=Ltσb=（3.14×3×2）×0.8×320×2=9646N=9.646KN
材料名称
牌号
材料状态
抗剪强度
抗拉强度
伸长率
屈服强度
普通碳素钢
Q195
未退火
260～320
320～400
28～33
200
Q235
未退火
310～380
380～470
21～25
240
Q275
未退火
400～500
500～620
15～19
280
优质碳素结构钢
08F
已退火
220～310
280～390
32
180
08
已退火
260～360
330～450
32
200
10
已退火
260～340
300～440
29
210
20
已退火
280～400
360～410
25
250
45
已退火
440～560
550～700
16
360
65Mn
已退火
600
750
12
400
表2-3常用冲压金属材料的力学性能表
（2）落料力的计算
计算公式：
P=L×t×σb
式中P冲裁力（N）；
L冲裁线长度（m）
t制件的厚度（m）
σb材料的抗拉强度（Pa）
此零件厚度为0.8㎜，查表2-4得抗拉强度σb为320～400Mpa。
取σb=320Mpa；由于制件宽度方向采用精裁方法，故工件外轮廓周长不包括制件两个长度方向上的尺寸。
根据公式以上公式得：
P=Ltσb=（3.14×10×2）×0.8×320=16076.8N=16.076KN
（3）自由弯曲力与校正弯曲力
自由弯曲力计算公式F自=0.7kbt2σb/r+t
式中F自冲压行程结束时的自由弯曲力（N）；
k安全系数,一般取1.3；
b弯曲材料的宽度（mm）；
t弯曲材料的厚度（mm）；
r弯曲件的内弯曲半径（mm）；
σb材料的强度极限（MPa）；
抗拉强度查表2-4，σb=320～400Mpa，取σb=400Mpa。
可得：
F自1=0.7X1.3X20X6.4X400/4+0.8=9706N=9.706KNX2=19.41KN
F自2=0.7X1.3X20X6.4X400/20+0.8=2240N=2.2KN
校正弯曲力计算公式F校＝Aq
式中F校校正弯曲时的弯曲力（N）；
A校正部分垂直投影面积（mm2）；
q单位面积上的校正力（Mpa），取q=30Mpa
则F校=Aq=40×20×30=24000N=24KN
（4）推件力计算
按《冲压工艺与模具结构》书中推件力的计算公式为Q推=K推×P×n
式中Q推推件力;
K推推件力系数；一般取0.05～0.08；这里取K推=0.05
P冲裁力;
n同时卡在凹模洞口的件数，n=h/t（h为凹模刃口直壁高度，t为制件厚度）；
则Q推=0.05×16.076×1=0.8038KN
（5）卸料力计算
【4】按《冲压工艺与模具结构》书中卸料力的计算公式为Q卸=K卸×P
式中K卸卸料力系数一般取0.05～0.08这里取K卸0.05;
P冲裁力;
则Q卸=K卸×P冲孔力=0.05×9.646=0.4823KN
Q卸ˊ=K卸×P落料力=0.05×16.076=0.8038KN
则总冲压力为
P总=P冲孔力+P落料力+Q推+Q卸+Q卸ˊ
=9.646+16.076+0.8038+0.4823+0.8038
=27.8119KN
（6）回弹值得确定
压弯过程并不完全是材料的塑性变形过程，其弯曲部位还存在着弹性变形，所以压弯后零件形状与模具的形状并不完全一致，这种现象称为回弹。
由于影响回弹的因素很多（材料的力学性能、材料的屈服点越、弹性模量、材料的相对弯曲半径、弯曲工件的形状、模具尺寸、模具间隙、校正力）等，由于影响回弹数值的因素很多，而且各因素往往有相互影响，故难以进行精确的计算或分析。
在一般情况下，设计模具时对回弹量确定大多按照经验数值，或计算后在实际试模中再进行修正。
只有当弯曲工件的圆角半径r/t小于5-8时,工件的弯曲半径一般变化不大，只考虑角度回弹。
但是在本设计中的工件圆角半径均大于5，可先计算出回弹值，在试模时在修正。
可以是用下面的计算公式进行计算。
rt=1/（1/r+3σs/Et）
αt=rα/rT
rt凸模的圆角半径，mm；
r弯曲件圆角半径，mm；
αt凸模圆弧所对中心角，mm；
α弯曲件弯曲角，（°）；
σs弯曲件材料屈服强度，Mpa；
E材料拉压弹性模量，Mpa；
t材料厚度，mm。
根据以上公式，求的：
R4凸模圆角半径rt=1/（1/4+3X200/200000X0.8）=3.9408
R4凸模圆弧所对中心角αt=rα/rT=4X90/3.9408=91.3520°
R20凸模圆角半径rt=1/（1/20+3X200/200000X0.8）=18.6219
R20凸模圆弧所对中心角αt=rα/rT=4X180/18.9219=38.0511°
2.3.6压设备的选择
（1）冲压设备类型的选择
根据所要完成的冲压工艺的性质，生产批量的大小，冲压件的几何尺寸和精度要求等来选择设备的类型。
①考虑冲压件的大小
在中小型的冲压件、弯曲件或拉深件的生产中，主要采用开式机械压力机。
因为它提供了极为方便的操作条件，模具也容易安装；在大中型冲压件生产中，多采用闭式结构形式的机械压力机；对于大型拉伸件的生产中，则应尽量选用双动压力机，使所用模具结构简单，调整方便。
②考虑冲压件的生产批量
在大批量生产或形状复杂零件的大量生产中，应尽量选用高速压力机或多工位自动压力机；在小批量生产中，尤其是大型厚板冲压件的生产中，多采用液压机，由于液压机没有固定的行程，不会因为板料厚度变化而超载；对于小批量生产的弯曲、成型、校平或校形等工序可选用摩擦压力机，因为它具有行程自动调节，不易发生超负荷损坏的特点。
③考虑压力机设备的精度和刚度
压力机的刚度由床身刚度、传动刚度和导向刚度3部分组成，如果刚度较差，负载终了和卸载终了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，设备的精度也有类似的问题。
（2）冲压设备规格的选择
在冲压设备的类型选定之后，应该进一步根据冲压件的大小、模具的尺寸和冲压力来确定设备的规格。
①所选压力机的公称压力必须大于冲压所需的总冲压力，即：
②压力机的行程大小要适当。
由于压力机的行程影响到模具的张开高度，因此对于冲裁、弯曲等模具，其行程不宜过大，以免发生凸模与导板分离（导模板）或滚珠导向装置脱开的不良后果。
③所选压力机的闭合高度应与冲模的闭合高度相适应。
即满足：
冲模的闭合高度介于压力机的最大闭合高度和最小闭合高度之间的要求。
④压力机工作台面的尺寸必须大于模具下模座的外形尺寸，并还要留有安装固定的余地。
但在过大的工作台面上安装过小尺寸的冲模时，对工作台的受力条件也是不利的。
在实际生产中，为了防止设备的超载，可按F≥（1.6～1.8）F来估算压力机的公称压力F。
参照开式双柱可倾压力机，规格见【5】表2-4：
型号
J23-10
J23-16
J23-25
J23-40
公称压力/kN
100
160
250
400
滑块行程/mm
45
55
65
100
滑块行程次数/（次/mm）
145
120
105
45
最大闭合高度/mm
180
220
270
330
最大装模高度/mm
145
180
220
265
连杆调节长度/mm
35
45
55
65
滑块中心线至床身距离/mm
130
160
200
250
床身两立柱间距离/mm
180
220
270
340
工件台
尺寸/mm
前后
240
300
370
460
左右
370
450
560
700
垫板
尺寸/mm
厚度
35
40
50
65
孔径
170
210
200
220
模柄孔
尺寸/mm
直径
30
40
40
50
深度
55
60
60
70
最大倾斜角度（
）
35
35
30
30
电动机功率/Kn
1.10
1.50
2.20
5.5
机床外形尺寸/mm
前后
895
1130
1335
1685
左右
651
921
1112
1325
高度
1673
1890
2120
2470
机床总质量/
576
1055
1780
3540
表2-4开式双柱可倾压力机主要技术规格
参照表2-4，选用公称压力为160kN的压力机，其型号为J23-16。
该压力机与模具设计的有关参数为：
公称压力：
100kN；
滑块行程：
55mm；
最大闭合高度：
220mm；
封闭高度调节量：
45mm；
工作台尺寸：
300×450mm；
模柄孔尺寸：
40mm×60mm。
2.4冲裁间隙的确定以及主要工作部分尺寸的计算
2.4.1确定冲裁间隙
冲裁间隙是指冲裁模中凸凹模刃口部分尺寸之差，其双面间隙用Z表示。
Z=D凹-D凸
式中Z双面间隙；
D凹凹模刃口尺寸；
D凸凸模刃口尺寸；
当冲裁间隙过小时，虽然毛刺很浅，光亮带面积较大，断面质量较高，但是过小的间隙将增大冲裁力和退料力，加快模具的磨损，降低模具寿命。
而冲裁间隙过大时，会产生很深的毛刺，断面锥度大﹑粗糙，严重时还会使冲裁件产生弯曲变形。
实践证明，冲裁模的间隙在一个适当的范围内可得到合格的冲裁件，并使冲裁力降低，延长模具的使用寿命。
这一间隙范围称为冲裁的合理间隙。
合理间隙的最大值称为最大合理间隙间隙，用Zmax表示，其最小值用Zmin表示。
合理间隙的取值与诸多因素有关，其中最主要的是材料的力学性能和板料厚度。
考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时先采用最小合理间隙值Zmin。
确定合理间隙的方法有经验确定法和查表法。
下表2-5提供了落料、冲孔模初始双面间隙的经验数据：
落料、冲孔磨刃口始用间隙
材料名称
45T7、T8（退火）65Mn（退火）磷青铜（硬）铍青铜（硬）
10、15、20冷轧钢带30钢板H62、H68（硬）Ly12（硬铝）硅钢片
Q215A.Q235A钢板08.10.15钢板H62.H68（半硬）纯铜（硬）磷青铜（软）铍青铜（软）
H62、H68（软）纯铜（软）防锈铝LF21、LF2软铝L2~L6Ly12（退火）铜母线铝母线
厚度t
始用间隙
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
0.5
0.08
0.10
0.06
0.08
0.04
0.06
0.025
0.045
0.8
0.13
0.16
0.10
0.13
0.07
0.10
0.045
0.075
1.0
0.17
0.20
0.13
0.16
0.10
0.13
0.065
0.095
1.2
0.21
0.24
0.16
0.19
0.13
0.16
0.075
0.105
1.5
0.27
0.31
0.21
0.25
0.15
0.19
0.10
0.14
1.8
0.34
0.38
0.27
0.31
0.20
0.24
0.13
0.17
2.0
0.38
0.42
0.30
0.34
0.22
0.26
0.14
0.18
表2-5落料、冲孔模初始双面间隙
因该冲件的材料为Q195钢，厚度t=0.8㎜,查表2-6可得Zmin=0.07，Zmax=0.10。
2.4.2.主要工作部分尺寸计算
（1）落料刃口尺寸计算
冲裁件的尺寸精度取决于凸模与凹模的刃口部分的尺寸。
冲裁的合理间隙也要靠凸模与凹模刃口部分的尺寸来实现和保证.所以正确的确定刃口部分尺寸是相当重要的。
在决定模具刃口尺寸及制造公差时，需考虑下述原则：
1）落料件的尺寸取决于凹模尺寸，冲孔件的尺寸取决于凸模尺寸。
因此，设计落料模时，以凹模为基准，间隙取在凸模上；设计冲孔模时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。
2）考虑到冲裁时凸、凹模的磨损，在设计凸凹模刃口尺寸时，对基准件刃口尺寸在磨损后增大的，其刃口的公称尺寸应取工件尺寸公差范围内较小的数值；对基准件刃口尺寸在磨损后减小的，其刃口的公称尺寸应取工件尺寸公差范围内较大的数值。
这样在凸、凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格的零件。
3）在确定模具刃口制造公差时，要既能保证工件的精度要求，又能保证有合理的间隙数值。
基本尺寸
凸模公差δ凸
凹模公差δ凹
≤18
0.020
0.020
＞18～30
0.020
0.025
＞30～80
0.020
0.3
＞80～120
0.025
0.35
表2-6规则形状（圆形、方形件）冲裁时凸模、凹模的制造公差
工件尺寸88㎜的凸凹模制造公差由表2-6查得δ凸=0.025㎜，δ凹=0.35㎜。
根据公式算出落料凸凹模的刃口尺寸：
D凹=（Dmax-x△）
D凸=（Dmax-x△-Zmin）0-δ凸
式中：
D凹落料凹模基本尺寸（㎜）
D凸落料凸模基本尺寸（㎜）
Δ工件制造公差（㎜）（图中未标注按TI14）
X因数（查表2-7，取0.5）
Dmax落料件的最大极限尺寸
则D凹＝（Dmax-xΔ）+δ凹0=（88-0.5×0.87）+0.350=87.304+0.350
D凸=（Dmax-xΔ-Zmin）0-δ凸=（88-0.5×0.87-0.07）
=87.234
材料厚度t/㎜
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