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弯垫板冲压模具设计

课程设计说明书

题目：

弯垫板冲压模具设计

学院：

材料科学与工程学院

专业：

材料成型及控制工程

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

一、确定工艺方案及模具结构形式

二、工艺计算

三、凸、凹模具零件设计

四、模具零部件设计

五、相关零件刚度、强度校核

六、压力机的校核

七、参考文献

零件图

一、确定工艺方案及模具结构形式

（一）工艺方案的确定

1、零件的工艺性分析

该零件材料为10钢，为优质碳素结构钢，其抗剪强度为τ=260～340MPa，抗拉强度为σb=300～440MPa，屈服强度为σs=210MPa，伸长率为δ=29%，屈强比为σs/σb=0.48～0.7，材料综合性能良好，适合冲压工艺。

大批量生产，板厚为1.5mm，工件精度为IT8。

有落料、冲孔、弯曲三个工序。

2、工艺方案的确定

（1）方案种类：

该零件包括落料、冲孔、弯曲三个基本工序，可以有三种工艺方案：

方案一：

先冲孔，后落料，再弯曲。

采用单工序模生产方案二：

先冲孔落料，再弯曲。

采用连续模和弯曲模生产方案三：

先冲孔落料，再弯曲。

采用复合模和弯曲模生产方案四：

冲孔落料弯曲复合模生产

（2）方案比较：

方案一：

结构简单，但需要三道工具三副模具，成本高而生产效率低，模具寿命低，冲压精度差，操作也不安全，难以满足中批量生产要求。

方案二：

连续模是一种多工位，效率高的加工方法。

但连续模轮廓尺寸较大，采用此方案会加大模具尺寸，使加工难度提高，因而也排除此方案。

方案三：

需要两套模具，工件的精度及生产效率要求都能满足，模具轮廓尺寸较

小，模具的制造成本不高。

方案四：

只需一套模具，但模具结构复杂，制造加工难度大，且维修不易。

综合考虑，故采用第三种方案最佳。

（二）模具总体结构设计

1、模具类型

根据零件的冲裁工艺方案，采用复合冲裁模，所以模具类型为落料-冲孔复合模、弯曲模。

复合模的主要结构特点是存在有双重作用的结构零件——凸凹模。

凸凹模装在上模模称为正装式复合模，凸凹模装在下模称为倒装式复合模。

采用倒装式复合模省去了顶出装置，结构简单，便于操作，因此采用倒装式复合冲裁模。

2、定位方式

模具冲压所使用的原料是条料，卸料采用弹性卸料装置，导料采用导料销，送进步距控制采用活动挡料销。

3、卸料与出件方式

采用弹性卸料的方式卸料，弹性卸料装置依靠弹簧的弹力来卸料，卸料力不大，但冲压时可兼起压料作用，可以保证冲裁件表面的平面度。

冲孔废料直接从凸凹模孔中落下，制件由顶件块从凹模中顶出。

4、模架的类型

中间导柱导套模架适宜于纵向送料，对角导柱导套模架适宜横向送料，四角导柱导套模架则常用于大型模具；而精密模具还须采用滚珠导柱导套。

该模具采用后侧导柱的模架，模架100ｘ80ｘ130~150IGB/T2851.3，用导柱导套导向，送料与操作的方便。

二、工艺计算

（一）毛坯尺寸计算

弯曲件毛坯展开长度的计算：

一般将r／t＞0.5的弯曲称为有圆角半径的弯曲，r／t≤0.5的弯曲称为无圆角半径弯曲。

根据工件图，r／t=０．５／１．５＝０.３３＜０．５，故零件是无圆角半径弯曲。

无圆角半径弯曲的毛坯尺寸计算是依据弯曲前后材料体积不变原则确定的，并考虑弯曲时圆角变形区板厚变薄。

计算公式如下：

L＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｏ．５ｔ

＝１４＋（２２－２）＋０．５ｘ１．５

＝３４．７５ｍｍ

（二）排样的设计与计算

冲裁件在条料上的布置方法称为排样。

排样设计包括选择排样方法、确定搭边值、

计算条料宽度和送料步距，计算材料利用率，画排样图。

１、排样方法的选择

根据对所给零件的分析，可采用直排有废料排样或无搭边对排方式，但无搭边对排方式模具过于复杂，且不能保证精度，而且两种排样方式材料利用率相差不大，故采用直排有废料排样方式，这样可以保证冲件质量，提高模具寿命。

可以补偿送料误差，以保证冲出合格工件。

２、计算冲裁面积

冲裁面积A＝１２ｘ８＋２２ｘ９＋０．５π（６２＋１１２）－（π（３２＋６２））＝３９９.２４mm2

侧面搭边ａ＝1.５mm,工件间搭边ａ１＝１.２mm３、步距和条料宽度的计算

步距H＝２２＋1.２＝２３.２mm

条料宽度B＝３４.７５＋２ｘ１.５＝３７.７５mm４、排样图

（三）材料利用率的计算

一个步距的材料利用率:

η＝（A/BH）×100%

＝（３９９.２４/（３７.７５×２３.２））×100%＝４５.６%

（四）工艺力的计算

１、冲孔落料模

（１）冲裁工艺力的计算

冲裁力是冲裁过程中凸模对材料的压力。

冲裁力是选用压力机、模具设计以及强度校核的重要依据。

冲裁力的计算公式：

F＝KLtτ

式中F——冲裁力（N）；

L——零件的剪切周长（mm）；

t——材料厚度（mm）；

τ——材料抗剪切强度（MPa）；

K——系数。

考虑到模具间隙值的波动及均匀性，刃口的磨损，材料力学

性能及厚度的波动、润滑情况等因素对冲裁力的值都有影响，一般取K＝1.3。

K＝1.3；t＝１.５mm；τ＝３００MPa；

落料力F1＝KL1tτ＝1.3×９７.４×１.５×３００＝５６９７９N

冲孔力F2＝KL2tτ＝1.3×５６.５５×１.５×３００＝３３０８２N

冲裁力F＝F1＋F2＝９００６１N

卸料力F卸＝K卸F＝0.04×９００６１＝３６０２N

推件力F推＝K推F＝0.055×９００６１＝４９５３N

表3.1

卸料力、推件力、顶件力系数

料厚（mm）

K卸

K推

K顶

≤0.1

0.065

～0.075

0.1

0.14

>0.1～0.5

0.045

～0.055

0.063

0.08

钢

>0.5～2.5

0.04

～0.05

0.055

0.06

>2.5～6.5

0.03

～0.04

0.045

0.05

>6.5

0.02

～0.06

0.025

0.03

铝铝合金

0.025～0.08

0.03～0.07

紫铜黄铜

0.02

～0.06

0.03～0.09

（２）初选压力机

总的冲压力F总＝F＋F卸F推

＝９００６１＋３６０２＋４９５３

＝９８.６２KN

应选取的压力机公称压力为：

160kN。

因此可选择压力机型号为J23-16。

J23-16压力机技术参数：

160kN

公称压力：

滑块行程：

55mm

滑块行程次数：

120/n?

min-1

最大封闭高度：

220mm

封闭高度调节量：

45mm

工作台尺寸（左右×前后）：

450×300mm

模柄孔尺寸（直径×深度）：

40×60mm

倾斜角：

35°

2、弯曲模

（1）弯曲回弹角的确定

1表3-11，?

α=1.5°

此弯曲件为小圆角半径弯曲，查文献

（2）L形弯曲件自由弯曲力

L形弯曲件是在自由弯曲阶段相当于弯曲

U形件的一半，而且应设置压料装置，

所以可近似地取弯曲力为

F自=（FU+FQ）/2

（1-1）

其中：

FU为弯曲力

FQ为压料力

FU＝0.7KBt2σb/（r+t）

式中FU——为U形件冲压行程结束时的自由弯曲力，（N）；B——冲裁件宽度（mm）；

t——材料厚度（mm）；

r——冲裁件弯曲半径（mm）；

σb——材料抗拉强度（MPa）；

K——为安全系数。

一般取系数K=1.3

U形弯曲件弯曲力计算：

FU＝0.7×1.3×12×1.52×370/（0.5＋1.5）

＝4545.45N

对设置压料装置的弯曲模，其压料力也要由压力机滑块承担，FQ可近似取自由弯曲力的30%～60%,即FQ=（0.3～0.6）FU。

，这里取FQ=0.5FU。

将数据代入，求得：

FQ=2272.73N

将FQ、FU代入式（1-1）得：

F自=3409.09N

（3）L形弯曲件校正弯曲力

F校＝Ap

式中F校——为校正弯曲时的弯曲力，（N）；

A——为校正部分垂直投影面积，（mm）；

具体弯曲计算如下：

A＝20×9+0.5π112＝369.97mm2

F校＝100MPa×369.97mm2＝36997N=37kN

（4）顶件力

F顶＝（0.3～0.8）FU，取系数为0.5，则F顶=2272.73N

（5）选择冲压设备

由弯曲工艺可知，弯曲时的校正弯曲力与自由弯曲力、顶出力不是同时发生的，

且校正弯曲力比自由弯曲力和顶出力大得多。

因此，可按

F校=37KN选择冲压

设备，实际选用100kN压力机，因此可选择压力机型号为

J23-10。

压力机J23-10，其主要技术参数为：

公称压力：

100kN

滑块行程：

45mm

滑块行程次数：

145/n·min-1

最大闭合高度：

180mm

闭合高度调节量：

35mm

工作台尺寸（左右×前后）：

370×240mm

模柄孔尺寸（直径×深度）：

30×55mm

床身最大倾角：

35°

（五）冲模的压力中心的确定

计算公式为:

X0＝（L1X1＋L2X2LnXn）/（L1＋L2Ln）＝∑LiXi/∑Liy0＝（L1y1＋L2y2Lnyn）/（L1＋L2Ln）＝∑Liyi/∑Li式中:

L1、L2、Ln为个凸模轮廓长。

X0＝0（零件左右对称）

y0＝（2/3×11×11π＋2×15.5×9＋2×24×8＋6π×30+11×12π+28×6π）/

（（12+6+11+6）π+34）=2424.39/143.9＝16.85mm

压力中心计算图

三、凸、凹模具零件设计

（一）落料冲孔复合模设计

1、冲裁凸凹模间隙的确定

冲裁模间隙是直接关系到冲裁件断面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗的重

要工艺参数。

冲裁模间隙数值，主要与材料的厚度、种类有关。

但由于各种冲压

件对其断面质量和尺寸精度的要求不同，以及生产条件的差异，在生产实践中就

很难有一种统一的间隙数值，而应区别情况，分别对待，在保证冲裁件断面质量

和尺寸精度的前提下，是模具寿命最高。

查教材表2-3，可知：

Zmax＝0.120mm，Zmin＝0.090mm

Zmax–Zmin=0.030mm

2、冲模的凸凹模刃口尺寸计算

凸、凹模刃口尺寸的计算可以分为两种：

一是凸凹模分别加工，这种加工方法适用于圆形或简单形状的冲裁件。

采用凸、

凹模分别加工法，为了保证合理间隙，必须满足系类条件：

δP＋δd≤Zmax－

Zmin。

二是凸、凹模配合加工，对于形状复杂或薄料的冲裁件的冲裁，一般采用配合加工。

（1）对于落料，应以凹模为基准件，工件形状复杂，采用配合加工,系数x=1。

各尺寸为

A1：

22±0.0165，A2：

9±0.011，A3：

12±0.0135，C1：

8±0.011，C2：

5±0.009

+δ

=（22.0165－1×0.033）

+0.008

A1d=（?

1－?

）

=21.98+00.008

+δ

+0.006

A2d=（?

）

=（9.011－1×0.022）

=8.99+0.006

－

+δ

=（12.0135－1×0.027）

+0.007

A3d=（?

3－?

）

=11.990+0.007

C1d=

（

）+δ

=（7.989+0.5

×0.）022±0.003=8±0.003mm

1+0.5?

C2d=

（

）+δ

=（4.991+0.5

×0.）018±0.002=5±0.002mm

2+0.5?

该零件凸模刃口各部分尺寸按上述凹模的相应部分尺寸配制，保证双面间隙值Zmin~Zmax=0.09~0.12mm。

（2）对于冲孔Φ6，采用凸凹模分别加工：

δP＝0.02mm，δd＝0.02mm；工件公差＝0.018mm；磨损系数x＝0.75

经计算：

δP＋δd=0.04mm＞Zmax－Zmin，可取δP=0.4（Zmax－Zmin）

=0.012mm，δ=0.6（Zmax－Zmin）=0.018mm。

dp＝（d+x）

＝（6+0.75×0.018）

＝6.01

-δP

-0.012

+δd

+0.018

dd＝（dp+Zmin）0

=（6.01+0.09）0

＝6.10+00.018

（3）对于冲孔Φ12，采用凸凹模分别加工：

δP＝0.02mm，δd＝0.02mm；工件公差＝0.027mm；磨损系数x＝0.75

经计算：

δP＋δd=0.04mm＞Zmax－Zmin，可取δP=0.4（Zmax－Zmin）=0.012mm，δd=0.6（Zmax－Zmin）=0.018mm。

＝12.02

dp＝（d+x）

＝（12+0.75×0.027）

-δP

-0.012

dd＝（dp+Zmin）

+δd

+0.018

=（12.02+0.09）

＝12.11+00.018mm

（二）弯曲模工作部分尺寸计算

1.弯曲凸凹模的间隙确定：

弯曲U形件时，凸凹模间隙c的大小，对弯曲件质量有直接影响，过大的间隙将引起弹复角的增加，过小时，引起工件材料厚度的变薄，降低了模具试用寿命。

对于钢板，凸凹模合理间隙值：

c＝（1.05~1.15）t，取系数为1.1，则c=1.1×1.5=1.65mm。

2.凸、凹模长度尺寸计算

弯曲件长度尺寸标注在外侧，应以凹模为基准。

工件弯曲长度L＝22mm，＝0.033mm，δP＝0.02mm；

Ld=（L-0.5

）

+δP

+0.02

＝（22+0.5×0.033）

＝22.02

Lp＝Ld-c＝22.02-1.65＝20.3700-0.02mm

3.凸、凹模的圆角半径

凸模圆角半径rp＝r＝0.5mm；

凹模圆角半径rd＝（3~6）t，取rd=5t=5×1.5=7.5mm

4.弯曲凹模深度

查文献1表3-26，m=4mm

则L0=16+4=20mm

四、模具零部件设计

（一）落料-冲孔复合模具

1、冲孔凸模设计

冲孔部分的凸模刃口尺寸为圆形，为了便于凸模和固定板的加工，将冲孔凸模设

计成台阶式。

小端圆柱部分，是具有锋利刃口的工作部分，采用台肩式固定。

凸模材料采用Cr12MoV，凸模工作端（即刃口）淬硬至HRC58～62。

2、凹模设计

凹模的结构形式和固定方法：

凹模采用矩形板状结构，通过螺钉、销钉与固定板，上模座连接固定。

凹模刃口的结构形式：

因冲件的批量较大，考虑凹模有磨损和保证冲件的质量，凹模刃口采用直刃壁结构，刃壁高度取10mm。

凹模材料和技术要求：

凹模的材料选用Cr12MoV。

工件部分淬硬至HRC60~64。

外轮廓棱角要倒钝。

3、凸凹模设计

凸凹模采用固定板固定。

凸凹模的外刃口尺寸按凹模尺寸配作,内形刃口尺寸按凸模尺寸配做，保证最小间隙为Zmin=0.09mm。

凸凹模材料采用Cr12MoV，淬硬至HRC58～62。

4、定位零件

定位零件的作用是使坯料或工件在模具上相对凸、凹模有正确的位置。

选用活动挡料销一个。

挡料销的作用是挡住条料搭边或冲件轮廓以限定条料送进的距离，活动挡料销固定在卸料板上，材料45号钢，硬度为HRC43～48选用导料销2个。

导料销的作用是保证条料送料的准确，在条料的送进方向上。

5、卸料及出件装置

卸料采用弹性卸料装置，由，卸料板，卸料螺钉，弹性元件（这里是橡胶）组成。

出件装置由打杆、推件块、连接推杆、顶件块组成。

6、模柄

模柄的作用是把上模固定在压力机滑块上，同时使模具中心通过滑块的压力中心，模柄的尺寸规格选用凸缘式模柄，B20JB/T7646.3。

7、模座

标准模座根据模架类型及凹模周界尺寸选用，

上模座：

100×80×25mm；

下模座：

100×80×30mm；

模座材料采用灰口铸铁，它具有较好的吸震性，采用牌号为HT200。

8、导柱和导套

导柱选用A型导柱，A20h6×120GB2861.1-81。

材料为20钢，热处理要求：

渗碳深度为0.8～1.2，硬度HRC58～62。

导套选用A型导套，A20H7×65×23GB2861.6-81。

材料为20钢，热处理要求：

渗碳深度为0.8～1.2，硬度HRC58～62。

（二）弯曲模

1、凸模

凸模采用固定板固定。

凸模材料采用Cr12MoV，凸模工作端淬硬至HRC58～62。

2、凹模

凹模是由两部分组成，用螺钉固定于下模座内。

凹模材料采用Cr12MoV，淬硬

至HRC60～64。

3、模柄

模柄材料为Q235，采用凸缘式A30×64JB/T7646.1。

4、导柱和导套

导柱选用A型导柱，A20h6×130GB2861.1-81。

材料为20钢，热处理要求：

渗碳深度为0.8～1.2，硬度HRC58～62。

导套选用A型导套，A20H7×70×28GB2861.6-81。

材料为20钢，热处理要求：

渗碳深度为0.8～1.2，硬度HRC58～62。

五、相关零件刚度、强度校核

（一）冲孔落料模

1、冲孔凸模长度计算

冲孔凸模长度一般是根据结构上的需要而确定的，其凸模长度用下列公式计算：

L=h1+h2+h3+h

式中L—凸模长度，mm

h1—凸模固定板高度，mm

h2—推件块高度，mm

h3—凸模进入凹模深度，mm

h—附加高度，一般取15~20mm

凸模长度L=20+10+1.5+15=46.5mm

2、强度校核

对于圆凸模，校核强度可以用最小直径d的大小是否满足式d≥4tτ/[σ压]求得，t—冲裁材料厚度，

τ—冲裁材料的抗剪强度，取300Mpa

[σ压]—凸模材料许用压应力，取1000Mpa

即d≥4×1.5×300/1000=1.8mm

满足要求

3、弯曲应力校核

对于圆形凸模（有导向装置）

Lmax≤270d2/√F

式中Lmax——允许的凸模最大自由长度，

F——冲模力,

ｄ——凸模最小直径，

Lmax≤270×62/√33082=53.44mm

所以长度适宜。

（二）弯曲模

1、凸模长度计算

冲孔凸模长度一般是根据结构上的需要而确定的，其凸模长度用下列公式计算：

L=h1+h2+h

式中L—凸模长度，mm

h1—凸模固定板高度，mm

h2—凸模进入凹模深度，mm

h—附加高度，mm

凸模长度L=8+18.5+29=55.5mm

2、强度校核

对于非圆凸模，校核强度可以用凸模刃口最小面积A的大小是否满足式A≥F/[σ

压]求得，

[σ压]—凸模材料许用压应力，取1000Mpa

即A=20.37×22=448.14mm2≥37000/1000=37mm2

满足要求

3、弯曲应力校核

对于非圆形凸模（有导向装置）

Lmax≤1200√（J）

式中Lmax——允许的凸模最大自由长度，

F——冲模力,

J——凸模最小断面惯性矩，J=ab3/12=22×20.373/12=15495mm4

15495

Lmax≤1200×√（）=777mm

37000

所以长度适宜。

六、压力机的校核

（一）冲孔落料模压力机

表6.1开式压力机J23-16的技术参数

公称压力（KN）

160

滑块行程（mm）

滑块行程次数（n/min）

120

最大闭合高度（mm）

220

闭合高度调节量（mm）

工作台尺寸（mm）

前后

300

左右

450

模柄孔尺寸（mm）

直径

深度

1、公称压力

根据公称压力的选取压力机型号为J23-16,它的压力为160kN>98.62kN,故符合要求。

2、滑块行程

滑块行程应保证坯料能顺利地放入模具和冲压件能顺利地从模具中取出.这里只是材料的厚度t=1.5mm,卸料板的厚度h=10mm,及凸模冲入凹模的最大深度1.5mm,即S1=1.5+10+1.5=13mm

3、工作台面的尺寸

根据下模座L×B＝100mm×80mm，而压力机的工作台面L×B＝450

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