冷冲压模具设计.docx

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冷冲压模具设计

摘要

本论文应用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压模具设计工作的实际训练从而培养和提高了我的独立工作能力。

本设计通过对门闩的复合模设计的工艺性分析，确定了正确的工艺方案。

从而对模具设计方案，以及冲压设备作出了分析与选择。

通过分析决定采用复合模形式，然后参考其他模具结构以及查手册和计算设计。

当所有的参数计算完后，对模具的装配方案，对主要零件的设计和装配要求技术要求都进行了分析。

在设计过程中除了设计说明书外，还包括模具的装配图，非标准零件的零件图，工件的加工工艺卡片，工艺规程卡片，非标准零件的加工工艺过程卡片。

关键词：

冷冲压；复合模；设计

第一章绪论

1.1冲压模具的现状

1.1.1模具工业现状

由于历史原因形成的封闭式、“大而全”的企业特征，我国大部分企业均设有模具车间，处于本厂的配套地位，自70年代末才有了模具工业化和生产专业化这个概念。

模具工业主要生产能力分散在各部门主要产品厂内的工模具车间，所生产的模具基本自产自用。

据粗略估计，产品厂的模具生产能力占全国模具生产能力的75％，他们的装备水平较好，技术力量较强，生产潜力较大，但主要为本厂产品服务，与市场联系较少，经营机制不灵活，不能发挥人力物力的潜力。

模具专业厂全国只有二百家左右，商品模具只占总数的20％左右，模具标准件的商品率也不到20％。

由于受旧管理体制的影响较深，缺乏统筹规划和组织协调，存在着“中而全”，“小而全”的结构缺陷，生产效率不高，经济效益较差。

模具行业的生产小而散乱，跨行业、投资密集，专业化、商品化和技术管理水平都比较低。

现代工业的发展要求各行各业产品更新换代快，对模具的需求量加大。

一般模具国内可以自行制造，但很多大型复杂、精密和长寿命的多工位级进模大型精密塑料模复杂压铸模和汽车覆盖件模等仍需依靠进口，近年来模具进口量已超过国内生产的商品模具的总销售量。

为了推进社会主义现代化建设，适应国民经济各部门发展的需要，模具工业面临着进一步技术结构调整和加速国产化的繁重任务。

改革开放20多年来，我国（除港台地区外，下同）的模具工业获得了飞速的发展，设计、制造加工能力和水平、产品档次都有了很大的提高。

据不完全统计，全国现有模具专业生产厂、产品厂配套的模具车间（分厂）近17000家，约60万从业人员，年模具总产值达200亿元人民币。

但是，我国模具工业现有能力只能满足需求量的60％左右，还不能适应国民经济发展的需要。

目前，国内需要的大型、精密、复杂和长寿命的模具还主要依靠进口。

据海关统计，1997年进口模具价值6.3亿美元，这还不包括随设备一起进口的模具；1997年出口模具仅为7800万美元。

1997年中国模具工业协会对下属的209家骨干企业（含产品厂的模具车间）的统计资料表明，其模具总产值13.7亿元人民币，进口模具大约为336万美元。

目前我国模具工业的技术水平和制造能力，是我国国民经济建设中的薄弱环节和制约经济持续发展的瓶颈。

1．模具工业产品结构的现状

按照中国模具工业协会的划分，我国模具基本分为10大类，其中，冲压模和塑料成型模两大类占主要部分。

按产值计算，目前我国冲压模占50％左右，塑料成形模约占20％，拉丝模（工具）约占10％，而世界上发达工业国家和地区的塑料成形模比例一般占全部模具产值的40％以上。

我国冲压模大多为简单模、单工序模和符合模等，精冲模，精密多工位级进模还为数不多，模具平均寿命不足100万次，模具最高寿命达到1亿次以上，精度达到3～5um，有50个以上的级进工位，与国际上最高模具寿命6亿次，平均模具寿命5000万次相比，处于80年代中期国际先进水平。

我国的塑料成形模具设计，制作技术起步较晚，整体水平还较低。

目前单型腔，简单型腔的模具达70％以上，仍占主导地位。

一模多腔精密复杂的塑料注射模，多色塑料注射模已经能初步设计和制造。

模具平均寿命约为80万次左右，主要差距是模具零件变形大、溢边毛刺大、表面质量差、模具型腔冲蚀和腐蚀严重、模具排气不畅和型腔易损等，注射模精度已达到5um以下，最高寿命已突破2000万次，型腔数量已超过100腔，达到了80年代中期至90年代初期的国际先进水平。

1.1.2模具工业技术结构现状

我国模具工业目前技术水平参差不齐，悬殊较大。

从总体上来讲，与发达工业国家及港台地区先进水平相比，还有较大的差距。

在采用CAD/CAM/CAE/CAPP等技术设计与制造模具方面，无论是应用的广泛性，还是技术水平上都存在很大的差距。

在应用CAD技术设计模具方面，仅有约10%的模具在设计中采用了CAD，距抛开绘图板还有漫长的一段路要走；在应用CAE进行模具方案设计和分析计算方面，也才刚刚起步，大多还处于试用和动画游戏阶段；在应用CAM技术制造模具方面，一是缺乏先进适用的制造装备，二是现有的工艺设备（包括近10多年来引进的先进设备）或因计算机制式（IBM微机及其兼容机、HP工作站等）不同，或因字节差异、运算速度差异、抗电磁干扰能力差异等，联网率较低，只有5%左右的模具制造设备近年来才开展这项工作；在应用CAPP技术进行工艺规划方面，基本上处于空白状态，需要进行大量的标准化基础工作；在模具共性工艺技术，如模具快速成型技术、抛光技术、电铸成型技术、表面处理技术等方面的CAD/CAM技术应用在我国才刚起步。

计算机辅助技术的软件开发，尚处于较低水平，需要知识和经验的积累。

我国大部分模具厂、车间的模具加工设备陈旧，在役期长、精度差、效率低，至今仍在使用普通的锻、车、铣、刨、钻、磨设备加工模具，热处理加工仍在使用盐浴、箱式炉，操作凭工人的经验，设备简陋，能耗高。

设备更新速度缓慢，技术改造，技术进步力度不大。

虽然近年来也引进了不少先进的模具加工设备，但过于分散，或不配套，利用率一般仅有25%左右，设备的一些先进功能也未能得到充分发挥。

缺乏技术素质较高的模具设计、制造工艺技术人员和技术工人，尤其缺乏知识面宽、知识结构层次高的复合型人才。

中国模具行业中的技术人员，只占从业人员的8%~12%左右，且技术人员和技术工人的总体技术水平也较低。

1980年以前从业的技术人员和技术工人知识老化，知识结构不能适应现在的需要；而80年代以后从业的人员，专业知识、经验匮乏，动手能力差，不安心，不愿学技术。

近年来人才外流不仅造成人才数量与素质水平下降，而且人才结构也出现了新的断层，青黄不接，使得模具设计、制造的技术水平难以提高。

1.1.3模具工业配套材料，标准间结构现状

近10多年来，特别是“八五”以来，国家有关部委已多次组织有关材料研究所、大专院校和钢铁企业，研究和开发模具专用系列钢种、模具专用硬质合金及其他模具加工的专用工具、辅助材料等，并有所推广。

但因材料的质量不够稳定，缺乏必要的试验条件和试验数据，规格品种较少，大型模具和特种模具所需的钢材及规格还有缺口。

在钢材供应上，解决用户的零星用量与钢厂的批量生产的供需矛盾，尚未得到有效的解决。

另外，国外模具钢材近年来相继在国内建立了销售网点，但因渠道不畅、技术服务支撑薄弱及价格偏高、外汇结算制度等因素的影响，目前推广应用不多。

模具加工的辅助材料和专用技术近年来虽有所推广应用，但未形成成熟的生产技术，大多仍还处于试验摸索阶段，如模具表面涂层技术、模具表面热处理技术、模具导向副润滑技术、模具型腔传感技术及润滑技术、模具去应力技术、模具抗疲劳及防腐技术等尚未完全形成生产力，走向商品化。

一些关键、重要的技术也还缺少知识产权的保护。

我国的模具标准件生产，80年代初才形成小规模生产，模具标准化程度及标准件的使用覆盖面约占20%，从市场上能配到的也只有约30个品种，且仅限于中小规格。

标准凸凹模、热流道元件等刚刚开始供应，模架及零件生产供应渠道不畅，精度和质量也较差。

1.1.4模具工业产业组织结构现状

我国的模具工业相对较落后，至今仍不能称其为一个独立的行业。

我国目前的模具生产企业可划分为四大类：

专业模具厂，专业生产外供模具；产品厂的模具分厂或车间，以供给本产品厂所需的模具为主要任务；三资企业的模具分厂，其组织模式与专业模具厂相类似，以小而专为主；乡镇模具企业，与专业模具厂相类似。

其中以第一类数量最多，模具产量约占总产量的70%以上。

我国的模具行业管理体制分散。

目前有19个大行业部门制造和使用模具，没有统一管理的部门。

仅靠中国模具工业协会统筹规划，集中攻关，跨行业，跨部门管理困难很多。

模具适宜于中小型企业组织生产，而我国技术改造投资向大中型企业倾斜时，中小型模具企业的投资得不到保证。

包括产品厂的模具车间、分厂在内，技术改造后不能很快收回其投资，甚至负债累累，影响发展。

虽然大多数产品厂的模具车间、分厂技术力量强，设备条件较好，生产的模具水平也较高，但设备利用率低。

我国模具价格长期以来同其价值不协调，造成模具行业“自身经济效益小，社会效益大”的现象。

“干模具的不如干模具标准件的，干标准件的不如干模具带件生产的。

干带件生产的不如用模具加工产品的”之类不正常现象存在，极大地挫伤了模具企业（包括模具车间和分厂）职工的积极性。

这也是模具行业留不住人才，青年技术人员和青年工人不愿学技术的原因之一。

1.2模具的发展趋势

1.2.1模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展

（1）模具软件功能集成化

模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，以实现信息的综合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程，达到实现最佳效益的目的。

如英国Delcam公司的系列化软件就包括了曲面/实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等。

集成化程度较高的软件还包括：

Pro/ENGINEER、UG和CATIA等。

国内有上海交通大学金属塑性成型有限元分析系统和冲裁模CAD/CAM系统；北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件；吉林金网格模具工程研究中心的冲压模CAD/CAE/CAM系统等。

（2）模具设计、分析及制造的三维化

传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。

模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具，所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的管理与共享。

如Pro/ENGINEER、UG和CATIA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点，从而使模具并行工程成为可能。

另外，Cimatran公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均是3D专业注塑模设计软件，可进行交互式3D型腔、型芯设计、模架配置及典型结构设计。

澳大利亚Moldflow公司的三维真实感流动模拟软件MoldflowAdvisers已经受到用户广泛的好评和应用。

国内有华中理工大学研制的同类软件HSC3D4.5F及郑州工业大学的Z-mold软件。

面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。

如Cimatron公司的注塑模专家软件能根据脱模方向自动产生分型线和分型面，生成与制品相对应的型芯和型腔，实现模架零件的全相关，自动产生材料明细表和供NC加工的钻孔表格，并能进行智能化加工参数设定、加工结果校验等。

（3）模具软件应用的网络化趋势

随着模具在企业竞争、合作、生产和管理等方面的全球化、国际化，以及计算机软硬件技术的迅速发展，网络使得在模具行业应用虚拟设计、敏捷制造技术既有必要，也有可能。

美国在其《21世纪制造企业战略》中指出，到2006年要实现汽车工业敏捷生产/虚拟工程方案，使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。

1.2.2模具检测、加工设备向精密、高效和多功能方向发展

（1）模具检测设备的日益精密、高效

精密、复杂、大型模具的发展，对检测设备的要求越来越高。

现在精密模具的精度已达2～3μm，目前国内厂家使用较多的有意大利、美国、日本等国的高精度三坐标测量机，并具有数字化扫描功能。

如东风汽车模具厂不仅拥有意大利产3250mm×3250mm三坐标测量机，还拥有数码摄影光学扫描仪，率先在国内采用数码摄影、光学扫描作为空间三维信息的获得手段，从而实现了从测量实物→建立数学模型→输出工程图纸→模具制造全过程，成功实现了逆向工程技术的开发和应用。

这方面的设备还包括：

英国雷尼绍公司第二代高速扫描仪（CYCLONSERIES2）可实现激光测头和接触式测头优势互补，激光扫描精度为0.05mm，接触式测头扫描精度达0.02mm。

另外德国GOM公司的ATOS便携式扫描仪，日本罗兰公司的PIX-30、PIX-4台式扫描仪和英国泰勒·霍普森公司的TALYSCAN150多传感三维扫描仪分别具有高速化、廉价化和功能复合化等特点。

（2）数控电火花加工机床

日本沙迪克公司采用直线电机伺服驱动的AQ325L、AQ550LLS-WEDM具有驱动反应快、传动及定位精度高、热变形小等优点。

瑞士夏米尔公司的NCEDM具有P-E3自适应控制、PCE能量控制及自动编程专家系统。

另外有些EDM还采用了混粉加工工艺、微精加工脉冲电源及模糊控制（FC）等技术。

（3）高速铣削机床（HSM）

铣削加工是型腔模具加工的重要手段。

而高速铣削具有工件温升低、切削力小、加工平稳、加工质量好、加工效率高（为普通铣削加工的5～10倍）及可加工硬材料（<60HRC）等诸多优点。

因而在模具加工中日益受到重视。

瑞士克朗公司UCP710型五轴联动加工中心，其机床定位精度可达8μm，自制的具有矢量闭环控制电主轴，最大转速为42000r/min。

意大利RAMBAUDI公司的高速铣床，其加工范围达2500mm×5000mm×1800mm，转速达20500r/min，切削进给速度达20m/min。

HSM一般主要用于大、中型模具加工，如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料等曲面加工，其曲面加工精度可达0.01mm。

1.2.3模具工业新工艺、新理念和新模式逐步得到了认同

在成形工艺方面，主要有冲压模具功能复合化、超塑性成形、塑性精密成形技术、塑料模气体辅助注射技术及热流道技术、高压注射成形技术等。

另一方面，随着先进制造技术的不断发展和模具行业整体水平的提高，在模具行业出现了一些新的设计、生产、管理理念与模式。

具体主要有：

适应模具单件生产特点的柔性制造技术；创造最佳管理和效益的团队精神，精益生产；提高快速应变能力的并行工程、虚拟制造及全球敏捷制造、网络制造等新的生产哲理；广泛采用标准件通用件的分工协作生产模式；适应可持续发展和环保要求的绿色设计与制造等。

1.3冷冲压模具分类与特点

冲压模具的形式很多，一般可按以下几个主要特征分类：

1．根据工艺性质分类

（1）冲裁模沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。

如落料模、冲孔模、切断模、切口模、剖切模等。

（2）弯曲模使平板坯料沿着直线（弯曲模）产生弯曲变形，从而获得一定角度和形状的工件的模具。

（3）拉抻模是把平板坯料制成开口空心件，或使空心件进一步改变形状和尺寸的模具。

（4）成形模是将坯料或工序件按凸、凹模的形状直接复制成形，而材料本身仅产生局部塑性变形的模具。

如胀形模、缩口模、扩口模、起伏成形模、翻边模、整形模等。

2．根据工序组合程度分类

（1）单工序模一般只有一对凸、凹模，在压力机的一次行程中，只完成一道冲压工序的模具。

（2）复合模只有一个工位，在压力机的一次行程中，在同一工位上同时完成两道或两道以上工序的模具。

（3）连续模在毛坯的送进方向上，具有两个或更多的工位，在压力机的一次行程中，在不同的工位上逐次完成两道以上工序的模具。

连续模又称级进模。

冷冲压加工与其他加工方法相比，无论在技术方面，还是在经济方面，都具有许多独特的优点。

主要有：

（1）冷冲压是少、无切屑加工方法之一，是一种省能、低耗、高效的加工方法，因而冲件的成本较低。

（2）冷冲压件的尺寸公差由模具保证，具有“一模一样”，的特征，所以产品质量稳定。

（3）冷冲压可以加工壁薄、重量轻、形状复杂、表面质量好、刚性好的零件。

（4）冷冲压生产靠压力机和模具完成加工过程，其生产率高、操作简单、易于机械化与自动化。

用普通压力机进行冲压加工，每分钟可达几十件；用高速压力机生产，每分钟可达上百件或千件以上。

由于进行冲压成形加工必须具备相应的模具，而模具是技术密集型产品，其制造属单件小批量生产，具有难加工、精度高、技术要求高的特点，生产成本高。

所以，只有在冲压零件批量大的情况下，冲压成形加工的优点才能充分体现，从而获得好的经济效益。

第二章工艺方案的确定和零件的工艺分析

2.1冲压弯曲件的尺寸及要求

图2—1零件图

如图2—1所示零件图。

生产批量：

大批量;

材料：

20钢;退火材料

尺寸精度：

零件图上的尺寸除了两个孔的定位尺寸标有偏差外，其他的形状尺寸均未标注公差，属自由尺寸，可安IT14级确定工件的公差。

经查公差表，各尺寸公差为：

Ø40+0。

3300-0.62100-0.36

两个孔的位置公差为：

20±0.12

工件结构形状：

制件需要进行落料、冲孔、弯曲三道基本工序，尺寸较小。

结论：

该制件可以进行冲裁

制件为大批量生产，应重视模具材料和结构的选择，保证磨具的复杂程度和模具的寿命。

2.2确定工艺方案及模具的结构形式

根据制件的工艺分析，其基本工序有落料、冲孔、弯曲三道基本工序，按其先后顺序组合，可得如下几种方案;

（1）落料——弯曲——冲孔；单工序模冲压

（2）落料——冲孔——弯曲；单工序模冲压。

（3）冲孔——落料——弯曲；连续模冲压。

（4）冲孔——落料——弯曲；复合模冲压。

方案

（1）

（2）属于单工序模冲裁工序冲裁模指在压力机一次行程内

完成一个冲压工序的冲裁模。

由于此制件生产批量大，尺寸又较这两种方案生产效率较低，操作也不安全，劳动强度大，故不宜采用。

方案（3）属于连续模，是指压力机在一次行程中，依次在模具几个不同的位置上同时完成多道冲压工序的模具。

于制件的结构尺寸小，厚度小，连续模结构复杂，又因落料在前弯曲在后，必然使弯曲时产生很大的加工难度，因此，不宜采用该方案。

方案（4）属于复合冲裁模，复合冲裁模是指在一次工作行程中，在模具同一部位同时完成数道冲压工序的模具。

采用复合模冲裁，其模具结构没有连续模复杂，生产效率也很高，又降低的工人的劳动强度，所以此方案最为合适。

根据分析采用方案（4）复合冲裁。

2.3零件的工艺分析

2.3.1计算毛坯尺寸

相对弯曲半径为：

R/t=1/1=1>0.5（最小相对弯曲半径rmin/t）

式中：

R——弯曲半径（

）

t——材料厚度（

）

由于相对弯曲半径大于0.5，可见制件属于圆角半径较大的弯曲件，应该先

求变形区中性层曲率半径ρ（

）。

ρ=r0+xt公式（2—1）

式中：

r0——零件的内弯曲半径

t——板料的厚度

x——中性层位移系数

表2—1板料弯曲时中性层位移系数x

r0/t

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

1.0

1.2

x

0.21

0.22

0.23

0.24

0.25

0.26

0.28

0.3

0.32

0.33

r0/t

1.3

1.5

2

2.5

3

4

5

6

7

≥8

X

0.34

0.36

0.38

0.39

0.4

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

查表2—2，x1=0.32x2=0.42

根据公式2—1ρ1=r1+x1t

=1+0.32×1

=1.32（

）

ρ2=r2+x2t

=4+0.42×1

=4.42（

）

图2—2计算展开尺寸示意图

根据零件图上得知，圆角半径较大（R>0.5t），弯曲件毛坯的长度

公式为：

L=∑L直+∑L圆弧公式（2—2）

式中：

L——弯曲件毛坯张开长度（

）

∑L直——弯曲件各直线部分的长度（

）

∑L圆弧——弯曲件各弯曲部分中性层长度之和（

）

在图2—2中：

RA=1+0.32=1.32（

）RC=4+0.42=4.42（

）A=1（

）

根据公式2—2L=∑L直+∑L圆弧

=

=38（

）

取L=38（

）

根据计算得：

工件的展开尺寸为10×38（

）,如图2—3所示。

图2—3尺寸展开图

2.4排样、计算条料宽度及步距的确定

2.4.1搭边值的确定

排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的工艺余料，称为搭边。

搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。

搭边过大，浪费材料。

搭边过小，冲裁时容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还有拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降低模具寿命。

或影响送料工作。

搭边值通常由经验确定，表所列搭边值为普通冲裁时经验数据之一。

表2—2搭边a和a1数值

材料厚度

圆件或类似圆件的工件

矩形工件边长L＜50mm

矩形工件边长L＞50mm

工件间a1

沿边a

工件间a1

沿边a

工件间a1

沿边a

＜0.25

0.25~0.5

0.5~1.0

1.0~1.5

1.5~2.0

2.0~2.5

2.5~3.0

3.0~3.5

3.5~4.0

4.0~5.0

5.0~12

1.0

0.8

0.8

1.0

1.2

1.5

1.8

2.2

2.5

3.0

0.6t

1.2

1.0

1.0

1.3

1.5

1.8

2.2

2.5

3.0

3.5

0.7t

1.2

1.8

1.5

1.2

1.5

2.0

2.2

2.5

2.5

3.5

0.7t

1.5

2.0

1.8

1.5

1.8

2.2

2.5

2.8

3.2

4.0

0.8t

1.5~2.5

2.2

1.8

1.5

1.8

2.2

2.5

2.8

3.2

4.0

0.8t

1.8~2.6

2.5

2.0

1.8

2.0

2.5

2.8

3.2

3.5

4.5

0.9t

搭边值是废料，所以应尽量取小，但过小的搭边值容易挤进凹模，增加刃口磨损表2—2给出了钢（WC0.05%～0.25%）的搭边值。

对于其他材料的应将表中的数值乘以下列数：

钢（WC0.3%～0.45%）0.9

钢（WC0.5%～0.65%）0.8

硬黄铜1～1.1

硬铝1～1.2

软黄铜，纯铜1.2

该制件是矩形工件，根据尺寸从表2—2中查出：

两制件之间的搭边值a1=1.2（mm）,侧搭边值a=1.5（mm）。

由于该制件的材料是20钢，所以两制件之间的搭边值为：

a1=1.2×1=1.2（mm）

取a1=1.2（mm）

侧搭边值a=1.5×1=1.5（mm）

取a=1.5（mm）

2.4.2条料宽度的确定

计算条料宽度有三种情况需要考虑；

有侧压装置时条料的宽度。

无侧压装置时条料的宽度。

有定距侧刃时条料的宽度。

有定距侧刃时条料的宽度。

有侧压装置的模具，能使条料始终沿着导料板送进。

条料宽度公式：

B0-△=（Dmax+2a）

公式（2—3）

其中条料宽度偏差上偏差为0，下偏差为—△，见表2—3条料宽度偏差。

D——条料宽度方向冲裁件的最大尺寸。

a——侧搭边值。

查表2—3条料宽度