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垫片冲压模设计
垫片冲压模具设计
摘要
本次设计了一套落料、冲孔的模具。
经过查阅资料，首先要对零件进行工艺分析。
经过工艺分析和对比，采用落料、冲孔工序。
通过冲裁力、顶件力、卸料力等计算，确定压力机的型号。
再分析对冲压件加工的模具适用类型选择所需设计的模具。
得出将设计的模具类型后将模具的各工作零部件设计过程表达出来。
冲压是当今机械行业中用的较多的加工方法，它利用冲压模具把板料分离或者成形而得到制件。
与切削加工相比，它具有材料利用率高、制品力学性能好、生产效率高等优点。
因为模具的生产主要是大批量生产，而模具可以保证冲压产品的尺寸精度和产品质量，所以模具的设计和制造就直接影响制件的质量。
因此要更好更快地加工出合格的零件，就需要设计者不断改良，以达到精益求精。
本文设计的是平面垫圈模具，垫圈内径8mm，外径18mm，材料为Q195，厚度为1.5mm，加工方法为冲孔、落料，综合各种加工方案，采用级进模冲裁，生产效率高，操作简便，通过合理的设计可以达到较好的零件质量。
关键词：
冲压；级进模；垫圈
目录
前言1
第一章制件的工艺分析2
第二章设计过程2
第三章冲压工艺方案的确定3
第四章冲裁模间隙值的确定3
第五章冲压工艺的主要计算4
5.1排样方式的确定及其计算4
5.2冲压力的计算5
5.3确定模具压力中心6
5.4工作零件刃口尺寸的计算6
第六章冲压设备选定8
第七章冲裁模的总体设计8
第八章模具零件设计9
8.1工作零件的设计9
8.2固定零件10
8.3卸料部件的设计12
总结14
参考文献15
第1章绪论
1.1冲压的概念
靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的成形加工方法。
冲压和锻造同属塑性加工（或称压力加工），合称锻压。
冲压的坯料主要是热轧和冷轧的钢板和钢带。
全世界的钢材中，有60～70%是板材，其中大部分经过冲压制成成品。
汽车的车身、底盘、油箱、散热器片，锅炉的汽包，容器的壳体，电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。
仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。
1.2冲压的优势
与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。
主要表现如下。
（1）冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。
这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。
（2）冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。
（3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。
（4）冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。
由于冲压具有如此优越性，冲压加工在国民经济各个领域应用范围相当广泛。
例如，在宇航，航空，军工，机械，农机，电子，信息，铁道，邮电，交通，化工，医疗器具，日用电器及轻工等部门里都有冲压加工。
不但整个产业界都用到它，而且每个人都直接与冲压产品发生联系。
像飞机，火车，汽车，拖拉机上就有许多大，中，小型冲压件。
小轿车的车身，车架及车圈等零部件都是冲压加工出来的。
据有关调查统计，自行车，缝纫机，手表里有80%是冲压件；电视机，收录机，摄像机里有90%是冲压件；还有食品金属罐壳，钢精锅炉，搪瓷盆碗及不锈钢餐具，全都是使用模具的冲压加工产品；就连电脑的硬件中也缺少不了冲压件。
但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。
所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益的。
1.3冲压的问题和缺点
当然，冲压加工也存在着一些问题和缺点。
主要表现在冲压加工时产生的噪音和振动两种公害，而且操作者的安全事故时有发生。
不过，这些问题并不完全是由于冲压加工工艺及模具本身带来的，而主要是由于传统的冲压设备及落后的手工操作造成的。
随着科学技术的进步，特别是计算机技术的发展，随着机电一体化技术的进步，这些问题一定会尽快而完善的得到解决
第2章零件的工艺性分析及冲压模具总体结构设计
2.1零件工艺分析
零件名称：
垫片
材料：
Q195
外形尺寸：
如图2-1所示
厚度：
1.5mm
大批量生产图2-1零件图
此工件只有冲孔和落料两个工序，材料为Q195，具有良好的冲压性，工件结构简单而且对称，工件尺寸全部为自由公差。
2.2拟定冲压工艺方案
该工件包括冲孔、落料两个基本工序，可以有以下三种工艺方案：
方案一：
先落料，再冲孔。
采用单工序模生产。
方案二：
冲孔一落料复合冲压。
采用复合模生产。
方案三：
先冲孔，后落料。
采用级进模生产。
方案一，模具结构简单，但是有两道工序，则需要两套模具，成本高且效率低，难以满足大批量生产。
方案二，只需要一套模具，生产效率高，不过精度要求也高，制造难度大，且成品件容易留在模具上，即是使用推出机构把成品推出，也需要人手把成品移走，影响生产速度。
方案三，同样需要一套模具，生产效率也高，操作方便，成品和废料都自动落下，减少了人工的操作。
根据以上的分析和比较，要满足大批量生产，仅有方案三满足，所以采用级进模。
2.3冲压模具总体结构设计
1模具类型
根据零件的冲裁工艺方案，采用级进冲裁模。
2操作与定位方式
零件大批量生产，安排手工送料可以达到要求且降低模具成本，因此采用手工送料方式。
而定位方式就采用导料板导向、导正销导正，挡料销定位。
3卸料和出件方式
因为零件料厚1.5mm，可采用刚性卸料，冲件和废料都采用直接从凹模洞口推下的出方式，这样便可提高生产效率。
4导向方式
采用导向平稳的中间导柱模架，考虑零件精度要求不是很高，冲裁间隙较小，因此采用Ⅰ级模架精度。
第3章设计计算
3.1排样设计与计算
该冲裁件形状对称且简单，因此排样如图3-1所示：
图3-1排样图
查表所得，a=1.2mm，a1=1mm
条料宽度偏差Δ=0.5mm
条料与导料板之间的间隙b0=0.5mm
当条料在无侧压装置的导料板之间送料时，条料宽度B按下式计算：
（3-1）
式中B──条料宽度，单位mm；
L──冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸，单位mm；
a──冲裁件与条料侧边之间的搭边，单位mm；
△──条料下料时的下偏差值，单位mm；
b0──条料与导料板之间的间隙，单位mm。
根据公式3-1，条料的宽度为：
导板间距为B0=B+b0=20.9+0.5=21.4mm
模具每冲裁一次，条料在模具上前进的距离称为送料进距或步距。
当单个进距内只冲裁一个零件时，送料进距的大小等于条料上两个零件对应点之间的距离。
A=D+al（3-2）
式中A──送料进距，单位mm；
D──平行于送料方向的冲裁件宽度，单位mm；
a1──冲裁件之间的搭边值，单位mm。
根据式3-2，送料进距A=18+1=19mm
材料利用率计算公式：
（3-3）
式中S1──一个进距内冲裁件的实际面积，单位mm2；
S0──一个进距内所需毛坯面积，单位mm2；
A──送料进距，单位mm；
B──条料宽度，单位mm。
根据式3-3，
材料利用率
3.2设计冲压力与压力中心，初选压力机
3.2.1冲压力
1.冲裁力
F=KLtτ（3-4）
式中F──冲裁力，单位N；
L──冲裁件周边长度，单位mm；
K──系数，取K=1.3；
τ──材料抗剪强度，单位MPa；
t──材料厚度，单位mm。
在一般情况下，材料σb=1.3τ，为计算方便，也可以用下式计算冲裁力
F=Ltσb（3-5）
式中σb──材料的抗拉强度，单位MPa
取σb=350Mpa，根据式3-5得：
2.卸料力、推料力、顶料力的计算
（1）卸料力是将箍在凸模上的材料卸下时所需的力；
（2）推料力是将落料件顺着冲裁方向从凹模洞口推出时所需的力；
F缷=K卸F（3-6）
F推=nK推F（3-7）
式中K卸──卸料力系数；
K推──推料力系数；
n──同时卡在凹模口内的冲裁件
卸料力、推料力系数，其值如表3.1所示
表3.1卸料力、推料力和顶料力系数表
查表3.1得，K卸=0.045，K推=0.05，n取5
卸料力F缷=K卸F=0.045×42861=1929N
推件力F推=nK推F=5×0.05×42861=10715N
3.2.2压力机选择
由于采用固定卸料和下出件方式,所以F∑=F+F推=42861+10715=53576N
因此可选压力机型号为JD23-25，参数如表3.2所示。
表3.2压力机参数
型号：
JD23-25
公称压力KN：
250
滑块行程mm：
65
最大封闭高度mm：
270
最大装模高度mm:
220
连杆调节长度mm:
55
工作台尺寸（前后×左右）mm：
370×560
垫板尺寸（厚度×直径）mm：
50×200
模柄孔尺寸（直径/深度）mm：
40/60
最大倾斜角度：
30度
3.2.3压力中心计算
通过压力中心计算公式可得压力中心处于O点，如图3-2所示
图3-2压力中心位置图
第4章凹凸模设计计算
4.1凸凹模刃口尺寸及公差
由于工件是圆形等简单规则形状，因此选用互换加工。
刃口尺寸计算按分开加工的方法计算。
φ18和φ8按IT14级选取，
查标准公差数值表可将数据转化为
（1）落料
（4-1）
（4-2）
（2）冲孔
（4-3）
（4-4）
式中Dp、Dd──落料凸、凹模刃口尺寸，单位mm；
dp、dd──冲孔凸、凹模刃口尺寸，单位mm；
Δ──工件公差，单位mm；
δp、δd──凸、凹模制造公差，单位mm；
x──磨损系数。
查表得知：
Zmax=0.15，Zmin=0.19，x=0.5
根据式4-1～4-4，得：
（1）落料
（2）冲孔
（3）孔中心距
由于
，
所以满足要求。
4.2凹模机构设计
由于零件形状简单，故采用整体式凹模，各冲裁的凹模孔均采用线切割机床加工。
安排凹模具在模架上的位置时，要依据计算压力中心的数据，使压力中心尽量与模柄的中心线靠近。
其轮廓尺寸如下：
查表得模具的高度和壁厚分别为H=22mmC=35mm
凹模的宽度B=D+2C=18+70=88，故取B=100mm
沿进料方向凹模长度L=R+r+L+2C=9+4+19+70=102，故取L=105mm
凹模的结构示意图如图4-1所示，
图4-1凹模零件图
4.3凸模机构设计
4.3.1冲孔凸模设计
因为所冲的孔均为圆形，而且都不属于要特别保护的小凸模，所以冲孔凸模采用圆柱头直杆圆凸模，加工简单，便于安装与更换。
其计算如下：
凸模长度L=h1+h2+h3+h4+h（4-5）
式中h1一一凸模固定板厚度，单位mm；
h2一一卸料板厚度，单位mm；
h3一一导板厚度，单位mm；
h4一一凸模进入凹模厚度，单位mm；
h一一根据安全因素增加的长度，单位mm。
取h1=20mm，h2=14mm，h3=5mm，h4=1mm，h=15mm
根据式4-5可得L=h1+h2+h3+h4+h=20+14+5+1+15=55mm
冲孔凸模结构如图4-2所示，
图4-2冲孔凸模零件图
4.3.2落料凸模设计
结合工件外形并考虑加工，讲落料凸模设计成台阶式，采用线切割机床加工，与凸模固定板的配合按H7/m6，落料凸模长度与冲孔凸模长度相同，均为55mm。
落料凸模结构如图4-3所示，
图4-3落料凸模零件图
4.4其他零件设计
4.4.1导正销设计
落料凸模下部设置一个导正销，借用工件直径8mm的孔作为导正孔，导正销与落料凸模端面的配合选用H7/n6。
导正销导正部分直径尺寸应略小于制件冲孔直径，则：
d=d孔-2a=8-0.12=7.88mm（4-6）
式中d一一导正销的直径，单位mm；
d孔一一孔的直径，单位mm；
a一一导正销和孔间的空隙，查表得为0.06，单位mm。
查表得，导正高度h=1mm
导正销结构如图4-4所示，
图4-4导正销零件图
4.4.2挡料销设计
导正销安装在落料凸模的工作端面上，落料前导正销先插入已冲好的孔中，确定内孔与外形的相对位置，消除送料和导向中产生的误差。
挡料销的位置，应保证导正销在导正条料过程中条料活动的可能。
则：
e=A-D/2+d/2+0.1mm（4-7）
式中A──送料进距；
D──落料凸模直径；
d──挡料销头部直径；
0.1──导正销往前推的活动余量。
根据式4-7得，L=19-18/2+6/2+0.1=13.1mm
为了方便第一次冲孔时定位，在导料板上增加一个活动挡料销。
4.4.3导料板设计
导料板内侧与条料接触，外侧与凹模齐平，导料板与条料之间间隙取0.5mm，这样就可以确定了导料板的宽度为，导料板厚度取5mm，采用45钢制作，热处理硬度为40-45HRC，用螺钉固定在凹模上。
4.4.4卸料板设计
卸料以固定板卸料,出件是以凸模往下冲即可,因此不用设计出件零件.固定卸料板的平面外形尺寸一般与凹模板相同,其厚度取8mm。
采用45钢制造，淬火硬度为40-45HRC。
结构如图4-5所示，
图4-5卸料版零件图
4.4.5模架与其他零部件设计
该模具采用中间导柱模座，模柄选标准模柄A40×100，导柱选φ28×130，导套选φ28×φ42×85。
上模座厚度为30mm，上垫板厚度为10mm，固定板厚度为20mm，材料选用45钢制造，调质处理，固定板结构如图4-6所示，下模座厚度为35mm，那么该模具的闭合高度：
H闭=H上+H垫+L+H+H下-h（4-8）
式中：
h一一凸模冲裁后进入凹模的深度，h=1mm；
L一一凸模长度，L=55mm；
H一一凹模厚度，H=22mm。
根据式4-8得，H闭=30+10+55+22+35-1=151mm。
可见该模具闭合高度小于所选压力机的最大装模高度（220mm），可以使用。
图4-6固定板零件图
4.5φ8×φ18垫圈级进模装配图
φ8×φ18垫圈级进模主视图如图4-7所示，B-B剖面图如图4-8所示，A-A剖面图如图4-9所示。
图4-7主视图
1-上模架；2-导套；3-导柱；4-模柄；5-上垫板；6-固定板；20-活动挡料销；21-导料板1；22-导料板2
图4-8B-B剖面图
图4-9A-A剖面图
7-内六角圆柱头螺钉M8×45；8-圆柱销φ6×55；9-圆柱销φ6×12；10-冲孔凸模；11-落料凸模；12-卸料板；13-导正销；14-挡料销；15-凹模；16-下模架；17-圆柱销φ8×70；
18-内六角圆柱头螺钉M8×40；19—内六角圆柱头螺钉M8×16
第5章总结
毕业设计是大学最后的一个课程，也是对大学生活所学习的知识的概括。
在这里冲压模具设计中，我综合运用了本专业所学的课程的理论进行了一次冷冲压模具设计，为以后设计模具奠定了基础。
通过这次毕业设计，我明白到一项设计不是想象那么简单，即是是垫圈这么简单的零件，设计中也有很多需要注意的细节。
从一开始不知道如何入手，接着到借鉴别人的设计，到后来加入自己的设想，最后从有经验的人士中学到一些未接触过的知识。
一步一步地走来，从中提高了我的独立工作能力，巩固和扩充了模具的知识，熟悉了模具的基本结构，熟悉了模具规范和便准，提高了计算能力和绘图能力，我明白到设计要依靠很多学科的知识和现实的经验。
虽然这次设计勉强完成了，但是我模具设计的知识依然欠缺，需要在以后继续阅读资料，吸取经验。
要想成为一名合格的模具设计人员，就需要不断虚心学习，不断专研，这样才能更上一个新台阶。
此外，我还得出一个结论：
知识必须通过应用才能实现其价值。
有些东西以为学会了，但是真正到用的时候才发现是两回事，所以只有能真正会用的时候才是真的学会了。
参考文献：
【1】李建军、李德群.模具设计基础及模具CAD.北京：
机械设计工业出版社，2005.7
【2】薛啟翔.冲压模具设计和加工计算速查手册.北京：
化学工业出版社2007.10
【3】陈剑鹤.模具设计基础.北京：
机械设计工业出版社2003.2
【4】王秀凤万良辉.冷冲压模具设计与制造.北京：
北京航空航天大学出版社，2005.4
【5】张如华.冲压工艺与模具设计.北京：
清华大学出版社，2006.1
致谢
本毕业设计是在老师的亲切关怀和耐心指导下完成的，从课题的选择到论文的最终完成，老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持。
老师强调图纸的格式规范；在画图时，我的问题，老师都是有问必答，而且耐心地解析每个细节；初稿完成后，老师又不辞劳苦地帮我一遍又一遍地检查图纸，接着又指点我如何修改。
老师已经无数遍地阅读了我的说明书和图纸，在老师一次又一次地指导下，我的设计终于完成了。
老师宅心仁厚，不慕荣利，在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。
毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向老师表示最衷心的感谢！
此外，本文最终得以顺利完成，也是与班上的所有同学的帮助分不开的，他们帮我查阅资料，画图时指出错误，在编辑说明书时，不会的功能都是他们教我的。
同时，能走到今天，所有的任教老师都是功不可没的，没有他们的教导，我也不可能完成。
因此，真诚地感谢各位老师，谢谢你们的言传身教熏陶了我。
我会永远地记住你们！
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