课程设计冲裁模具设计说明书.docx
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目录
一、 冲裁件工艺性分析 2
1.1 零件工艺性分析 3
1.1.1 材料分析 3
1.1.2 结构分析 3
1.1.3 精度分析 3
1.2 冲裁工艺方案 3
二、 冲裁工艺设计计算 4
2.1 凸、凹模间隙值的确定 4
2.2 凸、凹模刃口尺寸的确定 5
2.2.1 确定凸、凹模刃口尺寸的原则 5
2.2.2 凸、凹模分别加工时的工作部分尺寸 6
2.3 毛坯排样方案设计 8
2.3.1 排样方案时应遵循的原则 8
2.3.2 搭边值以及料条宽度的确定 8
2.3.3 材料利用率计算 9
三、 冲裁力及压力中心计算 10
3.1 冲裁工艺力的计算 10
3.1.1 冲裁力 10
3.1.2 降低冲裁力的方法 10
3.1.3 卸料力、推件力和顶件力 11
3.2 压力中心确定 12
3.3 选择压力设备 12
3.4 冲模的闭合高度 13
四、 凸、凹模零件设计 14
4.1 凹模外形尺寸 14
4.1.1 凹模厚度 14
4.1.2 刃口高度 14
4.2 凸凹模外形尺寸 15
4.3 冲孔凸模外形尺寸 16
4.4 凸、凹模装配结构设计 16
4.4.1 螺钉选择 16
4.4.2 定位板和定位销 16
4.4.3 螺钉定位 17
五、 模具总体结构设计 17
5.1 冲模模架标准设计 17
5.1.1 冲模模架设计 17
5.1.2 导柱及导套设计 19
5.2 模柄设计 19
六、 卸料装置和顶件装置设计 20
6.1 卸料装置设计 20
6.2 弹性元件的选择 20
6.2.1 橡胶压力P 20
6.2.2 橡胶自由高度H 20
6.3 顶件装置设计 21
七、 模具结构三维设计 21
一、冲裁件工艺性分析
制件零件图如图1-1所示：
图1-1制件结构图
1.1零件工艺性分析
1.1.1材料分析
304用途广泛，具有良好的耐腐蚀性，耐热性，低温强度和机械特性；冲压弯曲等热加工性好，可用于冲裁工艺。
1.1.2结构分析
1）该零件形状简单，应力左右对称。
2）零件圆角R=6mm，远大于最小倒角0.7t，因此无锐角。
3）孔距边界之间的最小孔边距很足够，且远大于一个板厚。
4）存在的最小孔（直径5mm）大于1倍的板厚，因此可以冲裁。
5）无凸出悬臂，槽宽6mm大于2倍的板厚。
1.1.3精度分析
图示零件尺寸公差要求约为ST6。
1.2冲裁工艺方案
该工件包括落料、冲孔两个基本工序，可有以下三种工艺方案[1]：
方案一：
先落料，后冲孔。
采用单工序模生产。
方案二：
冲孔—落料级进冲压。
采用级进模生产。
方案三：
冲孔—落料复合冲压。
采用复合模生产。
方案一模具结构简单，但需要两道工序两套模具，成本高而生产效率低，精度低，难以满足大批量、高精度的生产要求。
“单工序模”，是指在冲压的一次行程中，只能完成一个冲压工序的模具。
这一工程打完了之后，需要人工或用机械手把产品从模具里面取出来，然后放到下一站的模具里面继续生产，直到模具的最后一个工序打完，整个产品才算完成。
这种模具维修起来简单，但生产起来费时费力，需要花费较多的人工和时间成本，产品报废率较高
方案二只需要一副模具，生产效率高，但结构复杂，制造困难，成本高，且必须保证条料或带料的准确定位才可能保证冲压件的质量。
级进模的缺点是结构复杂，制造精度高，周期长，成本高。
因为级进模是将工件的内、外形逐次冲出的，每次冲压都有定位误差，较难稳定保持工件内、外形相对位置的一次性。
但精度高的零件，并非全部轮廓的所有内、外形相对位置要求都高，可以在冲内形的同一工位上，把相对位置要求高的这部分轮廓同时冲出，从而保证零件的精度要求。
方案三也只需一套模具，工作精度及生产效率都比较高，模具制造相对简单，制件精度高，采用倒装复合模能够有效的清理模具上的冲孔废料，操作不方便。
优点：
①工件同轴度较好，表面平直，尺寸精度较高；②生产效率高，且不受条料外形尺寸的精度限制，有时废角料也可用以再生产。
缺点是：
模具零部件加工制造比较困难，成本较高，并且凸凹模容易受到最小壁厚的限制，而使得一些内孔间距、内孔与边缘间距较小的下件不宜采用。
所以经过比较，采用方案三最为合适。
二、冲裁工艺设计计算
2.1凸、凹模间隙值的确定
凸、凹模间隙对冲裁件断面质量、尺寸精度、模具寿命以及冲裁力、卸料力等有较大影响。
所以必须选择合理的间隙（图2-1）。
合理间隙值确定的方法如下。
图2-1冲裁模间隙
（1）理论确定法
依据上下裂纹重合，用几何方法推导，实用上意义不大。
（2）经验确定法
查表2-1和表2-2。
查表注意点如下。
①对冲件质量要求高时选用较小间隙值，查表2-1。
②对冲件质量要求一般时采用较大间隙，查表2-2。
本零件公差要求为ST6，采用2倍的小间隙值，查表2-1得Z的尺寸范围为（0.320mm~0.400mm）。
表2-2冲裁模初始双面大间隙Z
表2-1冲裁模初始双面小间隙Z
2.2凸、凹模刃口尺寸的确定
2.2.1确定凸、凹模刃口尺寸的原则
①设计落料模应先确定凹模刃口尺寸，以凹模为基准，间隙取在凸模上，即冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来取得。
设计冲孔模先确定凸模刃口尺寸，以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得。
②考虑刃口的磨损对冲件尺寸的影响:
刃口磨损后尺寸变大，其刃口的基本尺寸应接近或等于冲件的最小极限尺寸;刃口磨损后尺寸减小，应取接近或等于冲件的最大极限尺寸。
③不管落料还是冲孔，冲裁间隙一般选用最小合理间隙值（Zmin）。
④考虑冲件精度与模具精度间的关系，在选择模具制造公差时，既要保证冲件的精度要求，又要保证有合理的间隙值。
一般冲模精度较冲件精度高2~3级。
⑤工件尺寸公差与冲模刃口尺寸的制造偏差原则上都应按“人体”原则标注为单向公差，所谓“人体”原则，是指标注工件尺寸公差时应向材料实体方向单向标注。
但对磨损后无变化的尺寸，一般标注双向偏差。
2.2.2凸、凹模分别加工时的工作部分尺寸
图2-2零件尺寸公差
落料件的尺寸为D-Δ0,冲孔件尺寸为d0-Δ,冲制件上孔距为L±Δ2两孔。
查ST公差等级表得图2-2。
落料：
DA=（Dmax-xΔ）0+δA
DT=（Dmax-xΔ-Zmin）-δT0
冲孔：
dT=（dmax+xΔ）-δT0
dA=（dmax+xΔ+Zmin）0+δA
孔心距：
Ld=Lmin+0.5Δ±0.125Δ=L±18Δ
表2-3冲模制造精度与冲裁件精度之间的关系
式中DT，DA——落料凸、凹模的刃口尺寸，mm；
dT，dA——冲孔凸、凹模的刃口尺寸，mm；
Dmax——落料件的最大极限尺寸;
Dmin——冲孔件孔的最小极限尺寸;
表2-4凸、凹模刃口尺寸表
X——磨损系数，工件精度ST12，x取0.75;
Δ——制件的制造公差，mm;
L,Ld——工件孔心距和凹模孔心距的公称尺寸;
δT，δA——凸、凹模的制造公差，查表2-3得取IT7和IT8。
落料件尺寸
冲孔件尺寸
孔距
零件尺寸
12-0.10
50+0.06
54-0.2+0.2
22-0.12+0.12
84-0.2+0.2
凸模刃口尺寸
11.605-0.020
5.045-0.020
54-0.025+0.025
22-0.015+0.015
84-0.025+0.025
凹模刃口尺寸
11.9250+0.02
5.3650+0.02
54-0.025+0.025
22-0.015+0.015
84-0.025+0.025
最大间隙
0.36
0.36
0.05
0.03
0.05
经过校核，凸、凹模之间的间隙符合设计。
2.3毛坯排样方案设计
2.3.1排样方案时应遵循的原则
①公差要求较严的零件，排样时工步不宜太多。
以减小累积误差保证零件精度。
②零件孔距公差要求较严时，应尽量在同一工步冲出或在相邻工步冲出。
③对孔壁较小的冲裁件，其孔可以分步冲出，以保证凹模孔壁的强度。
④适当设置空工位，以保证模具具有足够的强度，并避免凸模安装时相互干涉，同时也便于试模、调整工序时用。
⑤尽量避免复杂型孔，对复杂外形零件的冲裁，可分步冲出，以减小模具制造难度。
⑥零件较大或零件虽小但工位较多时，应尽量减少工位数，可采用连续一复合成形的排样法，以减小模具轮廓尺寸。
⑦当材料塑性较差时，在有弯曲工步的连续成形排样中，必须使弯曲线与材料纹向成一定夹角。
2.3.2搭边值以及料条宽度的确定
毛坯最大尺寸96mm，不算太小，为保证冲裁件的质量、模具寿命和操作方便，采用有搭边，单排排样，根据卸料方式、制件长度和厚度。
查表2-5得如下图2-3搭边值。
图2-3排样
料条宽度：
B=Dmax+2a=96+2×1.76=99.52≈99.6mm
Dmax——条料宽度方向冲裁件的最大尺寸。
mm
表2-5搭边a和a1的数值（低碳钢）
2.3.3材料利用率计算
冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比称为材料利用率，它是衡量合理利用材料的技术经济指标。
一个步距内的材料利用率可用下式表示：
η=ABS×100%
A——为一个步距内冲裁件的实际面积（mm2）
B——为条料宽度（mm）
S——为步距（mm）
若考虑到料头、料尾和边余料的消耗，则一张板料（或带料、条料）上总的材料利用率为
η2=nA1BL×100%
n——为一张板料（或带料、条料）上的冲裁件总数目
A1——为一个冲裁件的实际面积（mm2）
B——为板料（或带料、条料）宽度（mm）
L——为板料（或带料、条料）长度（mm）
所以
η2=A1BS×100%=792.1999.6×13.76×100%=57%
三、冲裁力及压力中心计算
3.1冲裁工艺力的计算
3.1.1冲裁力
冲裁模设计时，为了合理地设计模具及选用设备。
必须计算冲裁力。
压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力。
通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值，它是选用压力机和设计模具的重要依据之一。
用普通平刃口模具冲裁时，其冲裁力F一般按下式计算
F=KLtτb=1.3×360.82×2×416N=3.9×105N
F——冲裁力:
L——冲裁周边长度:
T——材料厚度;
τb——材料抗剪强度,304不锈钢τb=416MPa；
K——系数。
系数K是考虑到实际生产中，模具间隙位的波动和不均匀、刃口的磨损、材料力学性能和厚度波动等因素的影响而给出的修正系数。
一般取K=1.3。
为计算简便，也可按下式估算冲裁力
F≈Ltσb=360.82×2×520N=3.75×105N
σb——材料抗拉强度,304不锈钢σb=520MPa；
3.1.2降低冲裁力的方法
当冲裁力过大时，可用下述方法降低。
图3-1阶梯凸模布置法
①加热冲裁：
加热冲裁易破坏工件表面质量同时会产生热变形，精度低，因此应用比较少。
此法只适于材料厚度大，表面质最及精度要求不高的零件。
②阶梯凸模冲裁：
在多凸模冲裁中，将凸模做成不同高度，使各凸模冲裁力的最大峰值不同时出现，结构如图3-1所示。
对于薄材料（t＜3mm），H一般取材料厚度t。
③斜刃冲裁：
为了得到平整地零件，落料时凹模做成一定斜度，凸模为平刃口，而冲孔时，则凸模做成一定斜度，凹模为平刃口。
一般在大型冲件及厚板冲裁中采用。
3.1.3卸料力、推件力和顶件力
卸料力、推件力和顶件力一般采用经验公式进行计算
F——冲裁力；
KX，KT，KD——卸料力、推件力及顶件力系数，见表3-1；
n——同时卡在凹模内的冲裁件的个数；
表3-1卸料力、推件力和顶件力系数
料厚t/mm
KX
KT
KD
钢
0.1
>0.1~0.5
>0.5~2.5
>2.5~6.5
>6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.03
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
铝、铝合金、纯铜、黄铜
0.025~0.08
0.02~0.06
0.3~0.07
0.03~0.09
注：
卸料力系数K卸在冲多孔、大搭边和轮廓复杂说取上限值。
卸料力：
FX=KXF=0.05×3.9×105N=19500N
推件力：
FT=nKTF=0.055×3.9×105N=21450N
顶件力：
FD=KDF=0.06×3.9×105N=23400N
3.2压力中心确定
冲压力合力的作用点称为模具的压力中心，模具的压力中心应该通过压力机滑块的中心线。
对于有模柄的冲模来说，须使压力中心通过模柄的中心线，否则，冲压时滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分不正常的磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而影响制件质量和降低模具寿命，甚至损坏模具[1]。
冲裁形状对称的冲件时，其压力中心位于冲件轮廓图形的几何中心。
此次的制件为上下形状，所以其y方向上的中心在对称线上。
图3-2冲裁件x方向压力中心
采用解析法计算制件在x方向上的中心点，作图3-2。
X0=L1×x1+L2×x2+···+Ln×xnL1+L2+···+Ln
X0=19.6×20+127.6×55+281.1×62+19.6×10419.6+127.6+281.1+19.6≈60.0
3.3选择压力设备
压力机的公称压力必须大于等于冲压力。
此次采用的冲裁模为倒装的复合模，所以总冲压力FZ包括冲裁力F、弹性卸料装置的卸料力FX和下出料方式的推件力FT，其中卸料力、推件力在3.1.3中已经计算，直接采用。
FZ=F+FX+FT=3.9×105+19500+21450=431KN
根据表3-2查得选取压力机型号为JC23-63。
表3-2开式双柱压力机技术规格
3.4冲模的闭合高度
冲模的闭合高度Hm是指模具在最低工作位置时,上模板的上平面与下模板的下平面间的距离。
冲模的闭合高度应与压力机的装模高度相适应。
压力机的装模高度是指滑块在下死点位置时,滑块底面到工作台垫板之间的距离。
压力机的长度一般是可以调节的,所以装模高度也是可调的。
当连杆调至最短时,压力机的装模高度称最大装模高度Hmax,连杆调至最长时的装模高度称为最小装模高度Hmin。
设计冲模和选择设备时,应使模具的闭合高度与压力机的装模高度符合如下的关系式:
Hmax-5mm≧Hm≧Hmin+10mm
由于缩短连杆对压力机工作有利,加之冲模修磨后闭合高度减小,因此,一般希望模具的高度接近于压力机的最大装模高度。
如果模具的闭合高度过小,可再加一块附加垫板；如果模具的闭合高度过大,则可拆去压力机的工作台垫板。
拆去工作台垫板,滑块处于死点位置时,滑块底面到工作台上平面之间的距离称为压力机的高度。
连杆调至最短时的封闭高度叫最大封闭高度,连杆调至最长时的封闭高度叫最小封闭高度。
JC23-63压力机查表3-2得最大封闭高度（最大装模高度）为360mm，封闭高度调节量为80mm，所以最小装模高度为280mm。
计算得355mm≧Hm≧270mm。
由设计得模具闭合高度为179mm，小于280mm，因此需要安装垫板。
四、凸、凹模零件设计
4.1凹模外形尺寸
本次设计为板型凹模，采用整体式，以及平刃。
冲裁时凹模承受冲裁力和侧向力的作用，由于凹模的结构形式不一，受力态又比较复杂，凹模的外形尺寸还不能仅用理论计算法来确定，在设计模具时，大都采用下列经验公式概略地计算凹模尺寸。
4.1.1凹模厚度
H=Kb=0.28×96=26.88mm
查JB/T7643.1-2008得H取28mm
凹模壁厚（指凹模刃口与外边缘的距离）的确定见下式:
图4-1凹模外形尺寸的确定
凹模
C=1.5~2H=42~56mm
b——凹模孔的最大宽度，单位mm；
K——凹模的厚度系数，见表4-1；
H——凹模厚度；
C——凹模壁厚；
4.1.2刃口高度
查手册得，材料厚度1~2.5时，刃口高度取6mm，β角取2°。
计算得A（180~208mm），查JB/T7643.1-2008得矩形凹模板A为180mm、B为100mm、H为28mm。
表4-1系数k值
4.2凸凹模外形尺寸
凸凹摸是复合模中同时具有落料凸模和冲孔凹模作用的工作零件。
它的内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚取决冲裁件的尺寸。
从强度方面考虑，其壁厚应受最小值限制。
凸、凹模的最小壁厚与摸具结构有关：
当模具为正装结构时，内孔不积存废料，胀力小，最小壁厚可以小些；当模具为倒装结构时，若内孔为直筒形刃口形式，且采用下出料方式，则内孔积存废料，胀力大，放最小壁厚应大些。
表4-2倒装复合模的凸凹模最小壁厚δ
凸凹模的最小壁厚值，目前一般按经验数据确定，倒装复合模的凸凹模最小壁厚见表4-2。
正装复合模的凸凹模最小壁厚可比倒装的小一些。
4.3冲孔凸模外形尺寸
图4-1凹模外形尺寸的确定
按照零件尺寸设计冲孔凸模，冲孔凸模安装在下模座，设计简单的直杆凸模。
JB/T5825—2008标准规定了冲模圆柱头直杆圆凸模的尺寸规格，适用于直径在1~36mm的圆柱头直杆圆凸模，同时还给出了材料指南和硬度要求，并规定了圆柱头直杆圆凸模的标记。
查JB/T5825—2008得φD1取8mm，φD取5mm，H取5mm，L按照实际需求可选择多种尺寸。
4.4凸、凹模装配结构设计
4.4.1螺钉选择
凹模厚度28mm，由表4-3得，应该选取M10螺钉，45钢M10螺钉许用负载为9200N。
4.4.2定位板和定位销表4-3不同凹模厚度的紧固螺钉尺寸选用及许用承载能力
表4-4定位板或定位销头部的高度
定位板和定位销用于单个胚料或工序件的定位。
定位板或定位销头部高度可按表4-4选用。
4.4.3螺钉定位
表4-5螺钉、销钉之间及至刃壁的最小距离
采用螺钉和销钉定位固定时，要保证螺钉间、螺孔与销孔间及螺孔、销孔与凹模刃壁间的距离不能太近，否则会影响模具寿命，参考表4-5。
五、模具总体结构设计
5.1冲模模架标准设计
5.1.1冲模模架设计
图5-1冲模滑动导向模架中间导柱模架
冲裁模零件及模架已有国家标准或部颁标准，模架产品标准（GB/T2851.1~7、GB/T2852.l~4）共10个，与标准模架相对应的标准零件（GB/T2855.1~14、GB/T2856.1~8、GB/T2861~16）共38个。
设计模具时应尽量采用标准零件及其组合。
图5-3中间导柱下模座
图5-2中间导柱上模座
本次设计采用冲模滑动导向模架中间导柱模架（图5-1），查GB/T2851进行模架的设计。
查GB/T2855.1和GB/T2855.2设计上下模座（图5-2、图5-3）。
5.1.2导柱及导套设计
图5-4B型导柱
图5-5B型导套
查GB/T2861.1和GB/T2861.3设计导柱和导套，采用B型导柱（图5-4）以及B型导套（图5-5）。
5.2模柄设计
中、小型模具一般是通过模柄将上模固定在压力机滑块上。
模柄是作为上模与压力机滑块连接的零件。
对它的基本要求是:
一要与压力机滑块上的模柄孔正确配合，安装可靠;二要与上模正确而可靠连接。
JB/T7646-2008《冲模模柄》标准规定的冲模模柄有压入式模柄、旋人式模柄、凸缘模柄、槽型模柄、浮动模柄和推入式活动模柄。
本次设计采用压入式模柄（图5-6）。
压人式模柄与模座孔采用过渡配合H7/m6，并加销钉以防转动。
这种模柄可较好地保证轴线与上模座的垂直度，适用于各种中、小型冲模，生产中最常见。
JB/T7646.1-2008标准规定了冲模压入式模柄的尺寸规格和标记，适用于冲模压人式模柄，同时还给出了材料指南和技术要求。
六、卸料装置和顶件装置设计
6.1卸料装置设计
图5-6A型模柄
卸料装置的形式较多，它包括固定卸料板、活动卸料板、弹压卸料板和废料切刀等。
倒装式模具主要采用弹压卸料装置，且安装在下模座。
卸料板与凸模按照H7/h6配合制造，但其间隙应比凸凹模间隙小。
此外，在模具开启状态，卸料板应高出模具工作零件刃口0.3~0.5mm，以便顺利卸料。
弹性卸料装置还有压料的作用，由于在工作前对板料有预压作用，所以冲裁零件的质量较好，平直度较高。
6.2弹性元件的选择
弹簧和橡皮是模具中广泛应用的弹性元件，主要为弹性卸料、压料及顶件装置提供作用力和行程。
本次设计要求的卸料力较大，比较适合采用橡胶元件，其许用附和比弹簧大，安装调整方便。
6.2.1橡胶压力P
P=Aq
P——橡胶压力，N；
A——橡胶横截面积，mm2；
表6-1橡胶压缩量与单位压力值q
q——橡胶压缩的单位压力，MPa，q值与橡胶的压缩量有关，其值见表6-1。
6.2.2橡胶自由高度H
H=L0.3=60.3=20mm
H——橡胶的自由高度，mm；
L——橡胶预压行程，mm；
按照设计，橡胶的横截面积为14400mm2，3.1.3中算得卸料力为19800N。
由公式计算得，q取1.52时，橡胶压力为21888，刚好大于卸料力，所以取橡胶压缩量为30%。
自由高度H为20mm，预压后高度为14mm。
6.3顶件装置设计
顶件装置的作用是将工件从凹模中顶出，本次设计采用倒装复合模，因此可以通过冲床滑块内的打料机构完成顶件工作。
推板的形状要根据被推下的工件的形状，并应考虑推力均匀分布和尽可能减少对模柄及模座强度的削弱的原理从相关标准中选择。
本模具设计了，打杆、推件中间板、卸料杆，推件的行程为2.5mm。
七、模具结构三维设计
附件1
模具常用公差配合
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