毕业设计垫片级进模具设计.docx
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毕业设计垫片级进模具设计
垫片的级进模具设计
【摘要】
垫片在机器的各部位之间起着连接时的稳定、密封等作用。
垫片的种类繁多、大小薄厚有别、材质各异，所起的作用又各有不同。
按材质可分为非金属、半金属和金属垫片三种。
本论文以垫片的级进模设计为主要内容，其中包含冲压件工艺分析、及模具类型的确定、排样设计、冲压力与压力中心计算、工作零件刃口尺寸计算、工作零件结构尺寸、其它模具零件结构尺寸、冲床的选用。
该毕业设计能够使我对于学校所学的专业知识有一个全面的复习和进一步的认识。
同时锻炼了我自行设计这一方面的能力。
【关键词】：
垫片；级进模；模具设计
引言
现如今国内的冷冲压模具发展越来越来普遍，并逐渐对我国向模具制造业起到非常大的作用。
模具，生产效率高，在工业生产中起到非常大作用。
采用模具可以进行快速大批量生产；产品质量高；利用模具进行大批量生产的零件的加工费用便宜；能制造出比较复杂的零件；容易实现自动化生产等的特点。
冷冲压模具，是在冷冲压加工中，将材料通过施加压力使其产生分离或塑性变形而形成所需零件的一种特殊工艺装备，称为冷冲压模具（又称冷冲模）
冲压模具是冲压生产中起到必不可少的作用。
冲压件的质量、生产效率以及生产成本等都与模具密切相关。
模具设计与制造技术水平大高低与国家模具制造业的强弱密切相关。
该毕业综合实践主要是对垫片的级进模进行设计，通过大学两年的学习，对模具的设计里的一些知识点也有了深刻的认识，但是对于自己独自对模具的设计来说，我们的知识还是远远不够，这一次的综合实践就是通过将书本上的学到的理论知识与实践相结合，使自己对所学的知识能够有进一步的认识。
对于该课题，我认为，应该有一个初步的设计流程，在遇到难题时通过网上或书本上查阅相关问题的解决方法。
我认为最主要就是要有一个清晰的设计思路。
然后再针对所遇到的一个个问题一一解决。
一、冲裁件的结构工艺性分析
1、由零件图1—1可知，该冲压件有落料和冲孔两个工序组成，该零件外形简单且精度要求并不高。
图1-1零件图
材料：
45钢t=1mm
2、该垫片的材料为45钢；45号钢为 优质碳素结构用钢 ，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。
3、尺寸精度：
、
、
、
（根据冲裁件外形与内孔尺寸公差），零件尺寸精度不高，满足要求。
二、冲压工艺方案的选定
单工序冲裁模指在压力机一次行程内只完成一个冲压工序的冲裁模。
该模具结构并不复杂，然而需要两副模具，一是成本较高，二是生产效率低，不能够符合大批量生产这一要求。
复合模是指在一次工作行程中完成多道冲压工序的模具。
该模具只需要一副模具，工件的精度及生产效率都很高但是模具强度较差而且制造比较麻烦。
冲压完成后零件会卡在模具上，自行清理，这样不仅将会降低冲压速度而且操作繁琐。
级进模：
它只需要在一副模具内可以完成多道不同的工序，生产效率高。
它的制件和废料均无需人工自行清理，所以降低劳动而且操作安全、方便，可以实现自动化生产。
故选择级进模。
三、零件的排样设计
（一）搭边值、条料宽度与导料板间距离的确定
1.排样方式的确定。
排样方式可分为有废料排样、少废料排样、无废料排样。
按照冲件排列方式的不用又可分为直排、斜排、直对排、斜对排、混合排、多排、及冲裁搭边六种。
直排：
用于几何形状简单的冲件（如：
方形、矩形、圆形）
斜排：
用于T形、L形、S形、十字形等
直对排：
用于T形、山形、梯形、半圆形的冲件
斜对排：
用于材料利用率比直对排高的情况
混合排:
用于材料及厚度都相同的两种以上冲件
多排：
用于大批生产中尺寸不大的圆形、六角形、方形、矩形冲件
冲裁搭边：
大批生产中用于小的窄冲件
根据冲裁件的形状尺寸及排样遵循的原则所以采用下面的排样方式：
图3-1冲裁件的排样方式
（一）
2.搭边值得确定
冲件之间以及冲件与条料侧边之间留下的工艺废料称为搭边。
搭边的作用是补偿定位误差和送料误差，从而可以保证零件质量。
根据材料厚度及排样方式通过查表3-1确定a=0.8b=1
图3-2普通冲裁排样方式
表3-1最小搭边值（mm）
材料厚度t
圆形或圆角r＞2t的工件
矩形件边长L≤50mm
矩形工件边长L＞50mm
或圆角r≤2t的工件
工件间b
侧边a
工件间b
侧边a
工件间b
侧边a
0.25以下
0.25~0.5
0.5~0.8
0.8~1.2
1.2~1.6
1.6~2.0
2.0~2.5
2.5~3.0
3.0~3.5
3.5~4.0
4.0~5.0
5.0~12
1.8
1.2
1.0
0.8
1.0
1.2
1.5
1.8
2.2
2.5
3.0t
0.6t
2.0
1.5
1.2
1.0
1.2
1.5
1.8
2.2
2.5
2.8
3.5
0.7t
2.2
1.8
1.5
1.2
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
2.5
3.5
0.7t
2.5
2.0
1.8
1.5
1.8
2.5
2.2
2.5
2.8
3.2
4.0
0.8t
2.8
2.2
1.8
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.2
4.0
0.8t
3.0
2.5
2.0
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.2
3.5
4.5
0.9t
注：
表列搭边值适用于低碳钢，对于其它材料，应将表中数值乘以下列系数：
P（107）
中等硬钢0.9软黄铜1.2
硬钢0.8铝1.3~1.4
硬黄铜1~1.1非金属1.5~2
硬铝1~1.2
3.条料宽度的确定
确定条料的宽度时不但保证冲裁时冲件周围应有一定的余量,而且条料要保证在导料板中能够送进的同时需要与导料板之间留有间隙。
因此条料宽度的计算方式有以下几种：
一、用导料板导向且有侧压装置；
二、用导料板导向但无侧压装置；
三、用侧刃定距；
有侧压装置的模具的条料宽度的计算公式如下：
。
条料宽度：
B
=（Dmax+2a）
（3-1）
导料板之间距离B0=B+Z=Dmax+2a+Z（3-2）
式中Dmax——条料宽度方向冲件的最大尺寸：
a——搭边值，见图3-2
△——条料宽度的单向偏差（负向）；见表3-2
Z——导料板与最宽条料之间的间隙
表3-2条料宽度偏差△（mm）
条料宽度
B/mm
材料厚度t/mm
~0.5
0.5~1
1~2
2~3
3~5
~20
20~30
30~50
~50
50~100
100~150
150~220
220~300
0.05
0．08
0.10
0.08
0.1
0.15
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.1
0.15
0.2
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
Dmax值为条料宽度方向冲件的最大尺寸，因此Dmax为50mm。
a取值为1mm（见图3-2）
△取值为0.5mm（查表3-2）
所以带入公式B
=（Dmax+2a）
=
=
（mm）
4.导料板间距离的确定
通过3.1.3中对条料板宽度的确定，现在可以确定导料板间距。
表3-3导料板与条料之间的最小间隙Zmin（mm）
材料厚度t/mm
无侧压装置
有侧压装置
条料宽度B/mm
条料宽度B/mm
100以下
100-200
200-300
100以上
100以下
~1
1~5
0.5
0.5
0.5
1.0
1.0
1.0
5.0
5.0
8.0
8.0
导料板间距离由公式（3-2）得：
B0=B+Z=Dmax+2a+Z
Z为导料板与条料之间的最小间隙等于5.0mm查表3-3
带入公式B0=B+Z=Dmax+2a+Z
=50+2×1+5
=57mm
（二）材料利用率
材料利用率：
零件的面积与所用板料面积的百分比，通常用η来表示。
它是衡量材料合理利用的一项重要经济指标。
一个进距内的材料利用率η为：
η=A/Bs×100%（式3-3）
式中A——一个进距内冲裁件的实际面积（mm2）；
B——条料宽度（mm）；
s——进距（冲裁时条料在模具上每次送进的距离，其值为两个对应冲件间对应点的间距，mm）；
一张板料上的总的材料利用率为：
η0=nA1/BL×100%（3-4）
式中n——一张板料上冲裁件的总数目；图3-3材料利用率计算
A1——一个冲裁件的实际面积（mm2）；
L——板料的长度（mm）；
B——板料的宽度（mm）
根据公式（3-3）η=A/Bs×100%算出一个进距内材料的利用率，则需算出A1、B、L等值。
A冲裁件的面积：
A1=50×18-（3×3×4-3.14×9）
=892.26mm2
B条料宽度：
B=18+2×1
=20mm
s进距：
s=50+0.8
=50.8mm
一个进距内材料利用率：
η=892.26/20×50.8×100%
=87.82%
η值越大,材料的利用率就越高.要提高材料的利用率,主要通过减少废料.所以需要采用合理的排样方法和合理裁板方法。
所选的板料规格：
1×1000×2000.
以下为两种裁板方式：
横排与纵排如图3-4（a）、（b）
图3-4（横排）、（纵排）
方案一：
如图（a）所示使用横排
当使用横裁板时，所能裁的条料最多为2000÷50=40个，由于间隙最多只有39个，而一个条料内最多能冲出52个零件，所以整张板料所能冲出的零件最多为39×52=2028个，则整张板的利用率：
η0=nA1/BL×100%公式（3-4）
=39×52×892.26/1000×2000×100%
=90.27%
方案二：
如图（b）所示纵排：
当使用纵裁板时，所能裁的条料最多为1000÷50=20个，由于间隙最多只有19个，而一个条料内最多能冲出106个零件，所以整张板料所能冲出的零件最多为19×106=2014个，则整张板的利用率：
η0=nA1/BL×100%公式（3-4）
=19×106×892.26/1000×2000×100%
=89.85%
综合上述计算方案一利用率更高，故选用方案一整板的利用率为：
90.27%
四、模具总体设计
（一）模具类型确定
模具采用级进模。
（二）定位方式的选择
该模具为条料送进，且导料板和导料销作用相同,且导料板定位时操作更加方便,所以控制条料的送进方向采用导料板。
采用始用挡料销初定距。
导正销目的是消除送料时误差从而保证工件相对位置的公差要求所以需要使用导正销来作精定距。
（三）卸料和出件装置
采用下出件的方式比较便于操作降低劳动力而且能够提高生产效率。
（四）导向方式的选择
模具采用四角导柱的导向方式。
五、冲裁力的计算
（一）计算冲裁力
冲裁过程中将板料冲穿的压力称为冲裁力。
冲裁力许多因素影响（主要有材料的力学性能、厚度、冲件轮廓周长及冲裁间隙、刃口的锋利程度与表面粗糙度值等）。
所以综合考虑平刃口模具的冲裁力按下面计算方式计算：
F=KLtτb（式5-1）
式中F——冲裁力（N）；
L——冲件周边长度（mm）；
t——材料的厚度（mm）；
τb——材料的抗剪强度（MPa）；
K——考虑模具间隙的不均匀、刃口的磨损、材料的力学性能与厚度的波动等因素引入的修正系数，一般取K=1.3。
材料45钢的抗剪强度一般为抗拉强度的0.7-0.8倍，45钢的抗拉强度σb≈600MPa
所以τb=0.8σb=600*0.8=480MPa
（二）计算总冲裁力
由于冲裁模具采用刚性卸料装置和自然落料方式。
F——总冲裁力；
F冲——冲孔时的冲裁力；
F落——落料时的冲裁力；
冲孔周长L1（mm）：
L1=2πD=2×3.14×10=62.8mm
落料周长L2（mm）：
L2=50+50+18+18-6×4+9×3.14=140.26mm
冲孔的冲裁力F冲=KL1tτb=1.3×62.8×1×480
=39187.2（N）
落料的冲裁力F落=KL2tτb=1.3×140.26×1×480=87522.24（N）
总的冲裁力F=F冲+F落=39187.2+87522.24=126709.44（N）≈127（KN）
应选取的压力机的标称压力：
因此可选压力机型号J23-25。
六、模具压力中心的确定与计算
冲压力合力的中心称为模具的压力中心。
对于小型模具而言，压力中心应与模柄中心线基本要重合；对于大型模具，模具的压力中心在压力机滑块中心线附近的允许的范围内，否则会影响机床与模具的精度及寿命。
图6—1压力中心分析
计算公式：
所以：
所以计算得出模具压力中心的坐标（18.98,25）
七、冲裁间隙的确定
冲裁模中凸、凹模刃口之间的间隙冲裁间隙称为冲裁间隙。
其对冲裁模和冲裁件有着很大影响。
间隙很小时，冲裁力较大，才容易断裂分离。
为了减少模具的磨损，延长模具的使用寿命，在保证冲裁件质量的前提下，应选用较大的间隙值。
若采用小间隙，就必须提高模具的硬度和精度，减小模具表面粗糙度值，提供娘好的润滑，以减小摩擦。
通过查表7—1得材料45钢的最小双面间隙Zmin=0.100mm,最大双面间隙Zmax=0.140mm
表7—1冲裁模初始双面间隙Z（mm）
材料
厚度
08、10、35、
09Mn、Q235
Q345
40、50
65Mn
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
小于0.5
极小间隙
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
1.5
1.75
2.0
2.1
2.5
2.75
3.0
.3.5
4.0
4.5
5.5
6.0
6.5
8.0
0.040
0.048
0.064
0.072
0.090
0.100
0.126
0.132
0.220
0.246
0.260
0.360
0.400_
0.460
0.540
0.640
0.720
0.940
1.080
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.240
0.320
0.360
0.380
0.500
0.560
0.640
0.740
0.880
1.000
1.280
1.440
0.040
0.048
0.064
0.072
0.090
0.100
0.132
0.170
0.220
0.260
0.280
0.380
0.420
0.480
0.580
0.680
0.680
0.780
0.840
0.940
1.200
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.240
0.320
0.380
0.400
0.540
0.600
0.660
0.780
0.920
0.960
1.100
1.200
1.300
1.680
0.040
0.048
0.064
0.072
0.090
0.100
0.132
0.170
0.220
0.260
0.280
0.380
0.420
0.480
0.580
0.680
0.780
0.980
1.140
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.240
0.320
0.380
0.400
0.540
0.600
0.660
0.780
0.920
1.040
1.320
1.500
0.040
0.048
0.064
0.064
0.090
0.090
0.060
0.072
0.092
0.092
0.126
0.126
注：
本表适用于尺寸精度和断面质量要求不高的冲裁件。
P94
八、凸模与凹模刃口尺寸的计算
（一）刃口尺寸的计算方法
凸、凹模刃口尺寸的计算与加工方法有关，基本可以分为两类：
1、凸、凹模分别加工时的计算法。
2、凸、凹模配作加工时的计算法。
而，该件应采用配作加工时的计算法。
（三）计算凸凹模刃口的尺寸
1.凸模与凹模配合加工的方法计算落料凸凹模的刃口尺寸
（1）当落料时以凹模位基准，配作凸模。
凹模磨损后尺寸变大的有：
A1（
）、A2（
）
图8—1落料凹模工作部分
刃口尺寸计算公式：
Ad=
Ad——落料凹模刃口尺寸；
A——落料件的基本尺寸；
Amax——落料件的极限尺寸；
——落料件的公差；
x——磨损系数。
表8—1磨损系数x
料厚t（mm）
非圆形
圆形
1
0.75
0.5
0.75
0.5
工件公差△/mm
1
1~2
2~4
＞4
＜0.16
＜0.20
＜0.24
＜0.30
0.17~0.35
0.21~0.41
0.25~0.49
0.31~0.59
≥0.36
≥0.42
≥0.50
≥0.60
＜0.16
＜0.20
＜0.24
＜0.30
≥0.16
≥0.20
≥0.24
≥0.30
因圆弧R3与尺寸
相切，所以不需要采用刃口尺寸计算公式计算，而直接取Ad2/2。
查表8-1。
得X1=X2=1。
所以:
Ad1=
mm
Ad2=
查表7—1得Zmin=0.100mm，Zmax=0.140mm，故落料凸模刃口尺寸按凹模实际刃口尺寸配作，保证双面间隙值0.100~0.140mm。
图8—2冲孔凸模
如图8—2为制件冲孔的零件图，计算凸、凹模刃口尺寸。
当冲孔时以凸模为基准，配作凹模。
凸模磨损后尺寸变小的有
刃口尺寸计算公式：
ap——冲孔凸模刃口尺寸；
a——冲孔件的基本尺寸；
——冲孔件的公差；x——磨损系数。
查表8—1得x=1.所以：
mm
查表7—1得Zmin=0.100mm，Zmax=0.140mm，故落料凸模刃口尺寸按凹模实际刃口尺寸配作，保证双面间隙值0.100~0.140mm。
九、主要零部件的设计
（一）工作零件的结构设计
1.外形凸模的设计
在生产使用中凸模的结构形式有整体式、护套式和镶拼式。
基于该制件的形状非圆形，采用整体式中的直通式并且采用线切割进行加工。
该凸模直接用两个M8的固定（见图9—1）。
凸模与固定板按H7/m6配合。
外形凸模的高度是凸模固定板的厚度、卸料板的厚度、导料板的厚度的总和，外形凸模下部设置1个导正销，并将工件上的孔作为导正孔。
因为采用固定卸料，所以外形凸模长度为：
L=h1+h2+h3+h（式9—1）
图9—1
h1——凸模固定板厚度（mm）；得h1=20mm
h2——固定卸料板厚度（mm）；得h2=18
h3——导料板厚度（mm）；得h3=9mm
h——附加长度（mm）,一般取h=15~20mm（取h=20）
所以：
L=20+18+9+20=67mm
2.内孔凸模的设计
因为内孔凸模是圆凸摸，仍然选用直通式凸模并且采用线切割加工。
与凸模固定板采用H7/r6配合。
凸模长度与外形凸模长度相等为67mm。
凸模材料应选T10A，热处理58~60HRC，凸模与卸料板之间的间隙（见表9—1）为0.035mm。
内孔和外形凸模的材料选用T10A,工作部分热处理淬硬达到56~60HRC。
强度校核：
d≥5.2t
/
=5.2×1×480/480=5.2而ap2=aD2-Zmin=9.9-0.1=9.8mm>5.2所以强度足够。
凸模最大自由长度校核：
L≤90d2
=90×9.92/
=44.56所以凸模的工作部分长度不能超过44.56mm因此取40。
表9—1凸模与卸料板、导柱与导套的间隙
序号
模具冲裁间隙
Z
卸料板与凸模间隙Z1
辅助小导柱与小导套间隙Z2
1
>0.015~0.025
>0.005~0.007
约为0.003
2
>0.025~0.05
>0.007~0.015
约为0.006
3
>0.05~0.10
>0.015~0.025
约为0.01
4
>0.10~0.15
>0.025~0.035
约为0.02
3.凹模的设计
凹模的结构形式有很多，按外形可分为标准圆凹模和板状凹模；按结构分为整体式和镶拼式；按刃口形式分为平刃和斜刃。
而该零件的凹模采用整体凹模。
凹模采用线切割机床加工。
设计凹模需要确定凹模的轮廓尺寸L×B（长×宽）和厚度H。
凹模平面尺寸应按下面公式计算：
所以L=50+0.8+2×28
=106.8mm
B=（30+10+2×1）+2×28
=98mm
l——沿凹模长度方向刃口型孔的最大距离；
b——沿凹模宽度方向刃口型孔的最大距离；
c——凹模壁厚，查表9—2选取；
模具厚度的计算公式：
H=K1K2
所以H=1.3×1.25×
=37.88mm
式中：
F——冲裁力（N）
K1——凹模材料修正系数；
K2——刃口周边长度修正系数（查表9—3）
根据算得的凹模轮廓尺寸，选取标准轮廓尺寸L×B×H=250×250×40查表（9—4）
凹模的材料选用：
T10A,工作部分热处理淬硬58~62HRC
表9—2凹模壁厚P（140）
条料宽度/mm
冲件材料厚度t/mm
≤0.8
>0.8~1.5
>1.5~3
>3~5
≤40
20~25
22~28
24~32
28~36
>40~50
22~28
24~32
28~36
30~40
>50~70
28~36
30~40
32~42
35~45
>70~90
32~42
35~45
38~48
40~52
>90~120
35~45
40~52
42~54
45~58
>120~150
40~50
42~54
45~58
48~62
注：
1、冲件料薄时取表中较小值，反之取较大值；
2、型孔为圆弧时取小值，为直边时取中值，为尖角时取大值。
表9—3凹模刃口周边长度修正系数K2P（140）
刃口长度/mm
<50
50~75
75~150
150~300
300~500
>500
修正系数K2
1
1.12
1.25
1.37
1.5
1.6
表9—4矩形和圆形凹模的外形尺寸（GB2858—81）
矩形凹模的宽度和长度
B×L
矩形和圆形凹模厚度
H
63×5063×63
10、12、14、16、18、20
80×6
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