冲压模具毕业设计论文(级进模设计).doc

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摘要

阐述了级进模的结构设计工程及其工作过程，通过系统的工艺分析，采用冲孔、翻边、落料等工序进行加工。

通过计算工艺力以确定模具压力中心，并选择压力机的型号。

落料凹模通过凹模固定板与下模座连接来固定。

模具采用下出料方式和弹性卸料卸料装置。

本模具结构较简单，性能可靠，工作平稳，提高了生产效率，降低劳动强度和生产成本。

关键字：

级进模，冲压工艺，模具设计，冲孔，落料，翻边

ABSTRACT

Thepassageexpoundsonthestructuredesigningprojectandworkprocessoftheprogressivedie,andusessomeworkingprocedures,suchaspunching,flanging,blankingandsoon,toprocessthroughthetechnologicanalysisofthesystem.Throughcalculatingtheprocesstodeterminethecenterofthedie’spressure,andselectthemodelofthepresses.Blankingdieisfixedbyconnectingthedieholderwiththedieset.Thedieadoptsthewayoflowerejectionandelasticitydischargedevices.Itsstructureisrelativelysimple,theperformanceisreliableandtheworkissteady.Ithasimprovedtheproducingefficiencyandreducedtheintensityoflaborandcostofproduction.

Keywords:

Progressivedie;Stampingprocess;Molddesigning;Punch;Blanking;Flanging

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第1章绪论

板料成形一般称为冲压，它是对厚度较小的板料，利用专门的模具，使金属板料通过一定模孔而产生塑性变形，从而获得所需的形状、尺寸的零件或坯料。

冲压这类塑性加工方法可进一步分为分离工序和成形工序两类。

分离工序用于使冲裁件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；成形工序用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。

随着生产技术的发展，还不断产生新的塑性加工方法，例如连铸连轧、液态模锻、等温锻造和超塑性成形等，这些都进一步扩大了塑性成形的应用范围。

塑性加工按成形时工件的温度还可以分为热成形、冷成形和温成形三类。

热成形是充分进行再结晶的温度以上所完成的加工，如热轧、热锻、热挤压等；冷成形是在不产生回复和再结晶的温度以下进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等；温成形是在介于冷、热成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等。

本工件的成形属于冷成形。

虽金属塑性成形的方法多种多样，具有各自的特点。

但它们具有共同的特点，即都要利用金属的塑性，并都要借助于一定的外力使其产生塑性变形，这就是所谓的金属塑性加工。

金属的塑性加工是以塑性为前提条件。

塑性越好，则预示着金属具有更好的塑性成形适应能力，允许产生更大的变形量；反之，如果金属一受力即行断裂，则塑性加工也就无从进行，因而，从工艺角度出发，人们总是希望变形金属具有良好的塑性。

因而对金属塑性成形工艺应提出相应的要求：

1）使金属具有良好的塑性；

2）使变形抗力小；

3）保证塑性成形件质量，即使成形件组织均匀、晶粒细小、强度高、残余应力小等；

4）能了解变形力，以便为选择成形设备、设计模具提供理论依据。

第2章冲压件工艺分析

冲压件的工艺性，是指冲压件对冲压工艺的适应性，即冲裁件的形状结构、尺寸大小、尺寸偏差、形位公差与尺寸基准等是否符合冲压工艺要求。

本次设计的工件形状如图2-1，现对该工件冲压工艺性进行分析：

2.1分析工件的技术要求

2.1.1加工表面的尺寸精度及尺寸基准

工件中对标有尺寸精度的尺寸按照零件图的精度进行设计，对其他未标尺寸按一般精度设计，即按国标对非圆形工件精度等级取IT14级设计，对圆形工件精度等级取IT10级设计。

冲裁件的尺寸基准应尽可能和制模时的定位基准重合，以避免产生基准不重合误差。

孔位尺寸基准应尽量选择在冲裁过程中始终不参加变形的面或线上，切不要与参加变形的部分联系起来。

如图1-2所示：

原设计尺寸的标注图（a），对冲裁图样是不合理的，因为这样的标注，尺寸L1、L2必须考虑到模具的磨损而相应给以较宽的公差，造成孔心距的不稳定，孔心距公差会随着模具磨损而增大。

改用图（b）的标注，两孔的孔心距才不会受模具磨损的影响，比较合理。

本工件的标注也属于图（b）类型的标注，它的孔位尺寸基准在冲裁过程中不参加变形，因而能保证工件上两孔的孔心距不受模具磨损的影响，比较合理。

2.1.2主要加工表面的形位公差精度

通过分析零件图，该零件的主要形位公差精度是中心凸台处中心孔的位置公差，即要保证中心孔的同轴度偏差不超过0.05。

其他未表注形位公差精度按一般的精度要求处理即可满足工艺要求。

2.1.3表面质量要求

该工件为标有表面质量精度要求按照一般要求处理即可满足工艺要求，即表面粗糙度。

2.2工件材料及机械性能

2.2.1工件材料化学成分对塑性的影响

工件材料Q215-F，为碳素结构钢。

其化学成分（查文献[2]第105页表8-1）及影响如下：

含C量为0.09%～0.15%，为低碳钢，碳对碳钢性能的影响最大，碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，它们都具有良好的塑性。

当碳的含量超过铁的溶碳能力时，多余的碳便与铁形成化合物Fe3C,称为渗碳体。

渗碳体具有很高的硬度，而塑性几乎为零，对基体的塑性变形起阻碍作用，而使碳钢的塑性降低，随着含碳量的增加，渗碳体的数量亦增多，塑性的降低也越大。

图1-3为退火状态下，含碳量对碳钢的塑性和强度指标的影响曲线。

因而，对于冷成形用的碳钢，含碳量应低。

含量为0.25%~0.55%，为钢中的杂质元素，元素会与钢中的碳形成硬而脆的碳化物，使钢的强度提高，而塑性下降，但碳化物的影响还与它的形状、大小和分布状态有密切关系。

因而在该工件的材料中含量不宜过高。

含量不大于0.30%，含量不大于0.050%，含量不大于0.045%，一般来说、、都是钢中有害杂质，它们在铁中会形成各种化合物，使钢的强度、硬度提高，而使塑性降低，因而、、应尽量减少其含量。

氧在铁中的溶解度很小，主要是以氧化物的形式存在于钢中，它们多以杂乱、零散的点状分布于晶界处。

氧在钢中无论以固溶液还是氧化物形式存在都使钢的塑性降低，以氧化物形式存在时尤为严重，因为它在钢中起空穴和微裂纹的作用。

氧化物还会与其他夹杂物形成易熔共晶体分布于晶界处，造成钢的热脆性，因而氧元素在钢中也不宜太高，因而脱氧方法采用沸腾处理，以减少氧在钢中的含量，提高钢的塑性。

2.2.2工件材料的机械性能

Q215-F的机械性能的技术数据如下（查文献[2]第106页表8-2）：

屈服强度（钢材厚度（直径））,

抗拉强度，

伸长率（钢材厚度（直径））.

板料的机械性能对冲压成形性能也有影响：

板料的强度指标越高，产生相同变形量的力越大；

塑性指标越高，成形时所承受的极限变形量就越大；

刚性指标越高，成形时抵抗失稳的能力就越大。

对冲压成形性能的要求，即屈强比要小。

Q215-F的屈强比，较小，塑性指标也较高适宜冲压成形。

综上所述，本工件采用Q215-F较为合理，可满足该工件的生产工艺要求。

2.3零件的结构工艺性分析

此工件为弹簧支架，工件体积不大。

主要工序为冲孔、落料、翻边。

2.3.1冲孔部分工艺性要求

所示工件部分要采用冲孔工序。

冲裁件的形状应尽可能简单、对称、避免复杂形状的曲线，在许可的情况下，把冲裁件设计成少、无废料排样的形状，以减少废料。

矩形孔两端宜用原弧连接，以利于模具加工。

冲裁件各直线或曲线的连接处，尽量避免锐角，严禁尖角。

除在少、无废料排样或采用镶拼模结构时，都应有适当的圆角相连，以利于模具制造和提高模具寿命，圆角半径R的最小值可参考文献[4]第75页表2-17选取。

冲裁件凸出或凹入部分不能太窄，尽可能避免过长的悬臂和窄槽，见图1-6。

最小宽度一般不小于，若冲裁件为高碳钢时，，,当材料厚度时，按计算。

冲裁件的孔径受冲孔凸模强度和刚度的限制，不宜太小，否则容易折断或压弯，冲孔的最小尺寸可参考文献[4]第75页表2-18。

如果采用带保护套的凸模，稳定性高，凸模不易折损，最小冲孔尺寸可以减小，参考文献[4]第76页表2-19。

冲孔件上孔和孔、孔与边缘之间的距离不能过小，以避免工件变形、模壁过薄或因材料易被拉入凹模而影响模具寿命。

一般孔边距取：

对圆孔为（1～1.5）t，对矩形孔为（1.5～2）t（图1-7）。

孔距的最小尺寸可见文献[4]第76页表2-20。

在弯曲件或拉深件上冲孔时，为避免凸模受水平推力而折断，孔壁与工件直壁之间因保持一定的距离，使L≥R+0.5t。

本工件基本符合上述各项要求，因而在结构上是满足工艺的，能够进行冲孔落料加工。

2.3.2翻边部分工艺性要求

本工件属于圆孔翻边的中间阶段，即凸模下面的材料尚未完全转移到侧面之前，如果停止变形，就会得到如图1-8所示的成形，这种成形叫做扩孔成形，其变形区材料受拉应力，切向伸长，厚度减薄，易发生破裂，属伸长类翻边。

所以在圆孔翻边时，应保证毛坯孔边缘的金属伸长变形小于材料塑性伸长所允许的极限值。

本工件翻边高度较小，翻边系数K（K=0.789）较大满足工艺要求。

影响圆孔翻边成形极限的因素如下：

1．材料伸长率和硬化指数n大，Kl小，成形极限大。

2．孔缘如无毛刺和无冷作硬化时，Kl较小，成形极限较大。

为改善孔缘状况，可采用钻孔代替冲孔，或在冲孔后进行整修，有时还可在冲孔后退火，以消除孔缘表面硬化。

3．用球形、锥形和抛物线形凸模翻边时，变形条件比平底凸模优越，Kl较小。

在平底凸模中，其相对圆角半径rp/t越大，极限翻边系数可越小。

4．板材相对厚度越大，Kl越小，成形极限越大。

综上所述，本工件结构满足工艺要求，可以采用模具进行加工。

第3章工艺方案确定

3.1工艺方案的提出

根据本工件的外形尺寸及形状，可确定本工件属于落料冲孔工序，中间带有孔的凸台。

凸台的加工方法有两种：

1）凸台采用翻边的中间工序，扩孔成形，即先冲孔，再翻边；2）先进行浅拉深，再采用冲孔的方法将孔冲出。

根据上述的加工方法可提出以下几种模具典型结构所设计的模具加工方案：

1）单工序模生产单工序模结构简单，制作周期短，制作成本低廉，生产效率低，冲出的制件精度不高，且工人劳动强度大，不适合大批量的生产。

2）复合模生产复合模结构紧凑，冲出的制件精度较高，适合大批量生产，特别是孔与制件外形的同心度容易保证。

但模具结构复杂，模具制造较困难，制造成本高，制造周期长等缺点。

3）级进模生产在一副级进模上可对形状十分复杂的冲压件进行冲裁、弯曲、拉深成形等工序，故生产率高，便于实现机械化和自动化，适于大批量生产。

由于采用条料（或带料）进行连续冲压，所以操作方便安全。

级进模的主要缺点是结构复杂，制造精度高，周期较长，成本高。

在生产本工件时若采用单工序模生产，制作本工件至少需要5个单工序，也就意味着需要5副以上的模具来进行生产，而且本工件需要长年大批大量生产，采用单工序不但所需的单工序模较多而且会造成产品精度无法保证，经济效益低等缺点，故不宜采用单工序模进行生产。

若采用复合模生产，本工件因工件有带孔凸台，且为内圆翻边，若采用扩孔成形，则模具中间部分不但结构非常复杂，而且加工非常困难，装配也困难，故不采用扩孔成形加工带孔凸台，而采用先进行浅拉深再冲孔。

在进行拉深时，圆锥部分的材料一部分是从底面流动得来的，另一部分要从主板上流动而来，而后者若为材料流动留有余量，就要增加工件排样步距，从而造成材料消耗的增加。

而且模具因为本工件较小而使其制作困难，成本增加。

若采用级进模生产，则中间带孔凸台的加工，若采用先浅拉深再冲孔，也会造成材料的消耗增加。

而采用先冲预孔，再进行扩孔成形，翻边时材料流动的特点是预孔周围的材料沿圆周方向伸长，使材料变薄；而径向材料长度几乎没有变化，即材料在径向没有伸长，因而不会引起主板上的材料流动。

在排样时，只要按正常冲裁搭边值即可，可节省材料。

综合上述几种方案的比较，应选用级进模进行生产，既可实现大批量生产，也可以节约材料。

因此选用级进模生产。

3.2工件生产工序的确定

空工位的设置是为了保证模具具有足够的强度，确保模具的寿命，或是为了便于设置特殊结构。

本模具因长度不是很大，有足够的强度，且不需设置特殊结构，因而可不设空工位。

3.3模具定位零件与卸料零件的选择

3.3.1定位零件的选择

定位部分零件的作用是使毛胚（条料或块料）送料时有准确的位置，保证冲出合格制件，不致冲缺而造成浪费。

因工件本身带有一明显的凸台，故模具可不设侧刃定位装置，而利用凸台对其定位。

模具使用条料，用手工送料。

第二工位翻边以后，板料下面形成明显的凸包。

手工送料时，放在下一工位的凹模中即可。

第二和第五工位的凸模设有导正销进行精确定位。

在第一和第二工位各设置一个始用挡料销，供条料开始送进时的第一、第二工位使用。

3.3.2卸料零件的选择

卸料装置分为刚性（即固定卸料板）和弹性两种，废料切刀也是一种卸料的形式。

固定卸料板的卸料力大，但无压料作用，毛胚材料厚度大于0.8mm时多采用次形式。

弹性卸料板的卸料力小，但有压料作用，冲裁质量较好，多用于薄料。

因本工件中加工工程中有一翻边工序，需要有压料作用，且工件卸料力不大，故选用弹性卸料装置。

3.3.3出料方式的选择

出料方式有上出料和下出料两种方式，若采用上出料方式，则还需将废料或工件钩出，不利于级进模的连续生产；若采用下出料方式，废料或工件可直接从凹模孔中漏出，结构简单，且有利于连续大量生产。

故出料方式选用下出料方式。

第4章排样设计

4.1材料利用率

排样的合理与否，影响到材料的经济利用率，还会影响到模具结构、生产率、制件质量、生产操作方便与安全等。

因此，排样是冲裁工艺与模具设计中一项很重要的工作。

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。

其计算公式如下：

一个进距内的材料利用率η为

4.1.1

式中A——冲裁件面积（包括冲出的小孔在内）（mm2）；

n——一个进距内冲件数目；

B——条料宽度（mm）；

h——进距（mm）；

一张板料上总的材料利用率η∑为

4.1.2

式中N——一张板料上冲件总数目；

L——板料长度（mm）。

要提高材料的利用率，就必须减少废料面积，冲裁过程中所产生的废料可分为两种情况（如图4-1）。

（1）结构废料由于工件结构形状的需要，如工件内孔的存在而产生的废料，称为结构废料（如图4-1中5），它决定于工件的形状，一般不能改变。

（2）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，称为工艺废料，它决定于冲压方式和排样方式，是可以改变的，我们提高材料的利用率，主要就是减少工艺废料，优化排样方式。

4.2排样方法

根据材料的利用情况，排样的方法分三种：

1．有废料排样

沿工件的全部外形冲裁工件与工件之间，工件与条料侧边之间都有工艺余料（搭边）

存在，冲裁后搭边成为废料，如图3-2（a）所示。

2．少废料排样

沿工件的部分外形轮廓切断或冲裁，只在工件之间或是工件与条料侧边之间有搭边存在，如图3-2（b）所示。

3．无废料排样

工件与工件之间，工件与条料侧边之间均无搭边存在，条料沿直线或曲线切断而得到工件。

如图3-2（c）所示。

有废料排样法的材料利用率较低，但制件的质量和冲模寿命较高，常用于工件形状复杂、尺寸精度要求较高的排样。

少、无废料排样法的材料利用率较高，同时，少、无废料排样法有利于一次冲裁多个工件，可以提高生产率。

由于这两种排样法冲切周边减少，所以还可以简化模具结构，降低冲裁力。

但它们的应用范围有一定局限性，受工件形状的限制，且由于条料本身的宽度公差，条料导向与定位所产生的误差，会直接影响工件尺寸而使工件精度降低。

同时也会降低冲模的寿命，并会影响到工件的断面质量，所以少、无废料排样常用于精度要求不高的工件排样。

本工件对外形尺寸虽无严格的尺寸精度要求，但中间带孔凸台有严格的尺寸精度，且工件形状比较复杂；本工件大批大量生产，因而对模具寿命要求较高，因此排样方法采用有废料排样法排样。

图3-3、3-4两种排样方法均为直排，图3-5为斜排。

因是同一工件，所以一个进距当中的材料利用面积是相同的，初步计算此三种排样方法的材料利用率，

根据公式1.1.1

a

b

c

通过比较，斜排的材料利用率要比直排材料利用率要大，因而采用斜排排样方法进行排样。

4.3搭边值的选用和条料的选用及步距的确定

4.3.1．搭边值的选用

搭边的作用是补偿定位误差，防止由于条料的宽度误差、送料步距误差、送料歪斜误差等原因而冲裁出残缺的废品。

此外，还应保持条料有一定的强度和刚度，保证送料的顺利进行，从而提高制件质量，使凸、凹模刃口沿整个封闭轮廓线冲裁，使受力平衡，提高模具寿命和工件断面质量。

另外，还可以防止冲裁时条料边缘的毛刺拉入模具中损坏模具。

影响搭边值大小的因素主要有：

1．材料的力学性能塑性好的材料，搭边值要大些，硬度高与强度大的材料，搭边值可小一些。

2．材料的厚度材料越厚，搭边值也越大。

3．工件的形状和尺寸工件外形越复杂，圆角半径越小，搭边值越大。

4．排样的形式对排的搭边值大于直排的搭边。

5．送料及档料方式用手工送料，有侧压板导向的搭边值可小一些。

综合上面各种因素，根据文献[4]第72页表2-13可查得

工件间搭边值a=1.0mm；

工件与条料侧边之间的搭边值a1=1.2mm。

4.3.2．条料宽度的确定

条料方案的确定原则是：

最小条料宽度要保证冲裁时工件周边有足够的搭边值，最大条料宽度要能在冲裁时顺利地在导料板之间送进，并与导料板之间有一定间隙。

工件条料是在有侧压装置的导料板之间送料时，且模具有侧刃，条料宽度参考文献[4]第72页计算公式计算：

3.3.1

式中B——条料标称宽度（mm）；

D——工件垂直于送料方向的最大尺寸（mm）；

a1——侧搭边（mm）；

——条料宽度的公差（mm），可参见文献[4]第73页表2-14；

n——侧刃数,n=2；

C——侧刃重切的料边宽度（mm），（可参考文献[4]第74页2-16）

查表得

=0.6mm

C=2.0mm

则

故取条料宽度B=63.5mm。

导料板间的距离：

3.3.2

b0——条料与导料板间的间隙（mm），可参见文献[4]第73页表2-15。

查表可得

b0=0.5mm。

4.3.3．步距的确定

步距又称进距，是指条料在模具上每次送进的距离，进距的计算与排样方式有关，每个进距可以冲出一个零件，也可冲出多个零件，同时进距也是决定挡料销位置的依据。

每次只冲一个零件的进距A的计算公式参见文献[4]第74页公式

3.3.3

式中——平行于送料方向工件的宽度；

——冲件之间的搭边值。

4.4材料利用率的确定

工件的投影面积通过AutoCAD绘图后几何特性可得知为1352.3mm2。

一个步距的工件材料利用面积

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第5章模具主要受力分析计算

5.1翻边力的计算

翻边计算有：

①计算翻边前的毛坯孔径；②变形程度计算；③翻边力的计算。

根据工件图计算翻边前毛胚孔径，称为底孔孔径，底孔周边材料在翻边时材料没有径向流动。

在分析它的横截面时，可把它视为弯曲。

即如下图所示虚线部位的材料．翻边后移动到实线位置，而其长度不变，前、后两部分内的中心线长度相等。

这与弯曲材料展开的计算是相同的。

计算时应按点划线的圆弧和直线，通过几何关系计算其长度，在此略去圆角进行近似计算。

计算BC段长，先用作图法求出点划线上的B点、C点的位置，并标注

在图4-1中。

在直角三角形BDC中，用勾股定理计算BC长。

故：

由以上分析，EC应是AB与BC的和：

因此，计算出底孔所需的直径：

考虑到翻边后还要冲裁Ф19mm孔，故留有余量，将孔定为Φ15mm。

校核变形程度。

材料翻边过程是底孔沿圆周方向被拉伸长的过程，其变形量不应超过材料的伸长率，否则会出现裂纹。

用变形前、后圆周长之比，表示变形程度。

在翻边计算中称其为翻边系数K，参见文献[4]第194页公式：

4.1.1

式中——毛胚上圆孔的初始直径；

——翻边后竖边的中径。

故

查文献[5]第166页表5-5得，允许的K值为0.72，因此计算出的比K值大，即设计合理。

翻边时不会出现裂纹。

若采用圆柱形平底凸模，圆孔翻边力的计算公式可参考文献[4]第196页式（6-12）

4.1.2

式中F——翻边力（N）；

dm——翻边后竖边的中径（mm）；

d0——圆孔初始直径（预制孔）（mm）；

t0——毛胚厚度（mm），t0=1.5mm；

σs——材料屈服点（），σs=215。