“垫片”零件冲压工艺及模具设计.doc

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JIUJIANGUNIVERSITY

课程设计

题目“垫片”零件冲压工艺及模具设计

院系机械与材料工程学院

专业模具设计与制造

姓名XXX

年级XXX

指导教师XXX

2014年5月

目录

前言………………………………………………………………………………1

第一章概论……………………………………………………………………2

1.1冲压的概念和其加工特点……………………………………………………3

1.1.1冲压的概念……………………………………………………………………3

1.1.2冲压技术的加工特点…………………………………………………………3

1.2冲压技术和模具工业的重要地位……………………………………………4

1.3冲压工序的分类………………………………………………………………5

1.4冲压模具技术的发展前景……………………………………………………5

第二章冲裁件的工艺设计………………………………………………………6

2.1冲裁件的工艺性分析…………………………………………………………6

2.1.1结构工艺性分析………………………………………………………………6

2.1.2尺寸精度和粗糙度分析………………………………………………………7

2.1.3冲裁件材料分析………………………………………………………………7

2.1.4生产批量分析…………………………………………………………………8

2.2工艺方案的确定………………………………………………………………8

2.3冲裁件的排样与搭边值的确定………………………………………………8

2.3.1排样方式的确定……………………………………………………………8

2.3.2搭边值与条料宽度的确定…………………………………………………9

2.3.3材料利用率的计算…………………………………………………………11

2.4冲裁力和压力中心的计算……………………………………………………11

2.4.1冲裁力的计算………………………………………………………………11

2.4.2卸料力、推件力的计算………………………………………………………11

2.4.3冲模压力中心的确定………………………………………………………13

2.5压力机的选用…………………………………………………………………13

2.5.1压力机的分类………………………………………………………………13

2.5.2压力机类型的选择…………………………………………………………13

第三章冲裁模结构设计………………………………………………………14

3.1冲模分类及其特点……………………………………………………………14

3.1.1冲裁模的分类………………………………………………………………14

3.1.2冲裁模的特点分析…………………………………………………………14

3.2冲裁模具的选择………………………………………………………………15

3.3冲模零部件分类及功能………………………………………………………15

3.4凸、凹模刃口尺寸的计算……………………………………………………16

3.4.1凸、凹模刃口尺寸计算的依据和计算原则…………………………………17

3.4.2凸、凹模刃口尺寸的计算方法………………………………………………18

3.5冲模主要零部件结构设计……………………………………………………21

3.5.1工作零件……………………………………………………………………21

3.5.2定位零件……………………………………………………………………24

3.5.3卸料、推件零件………………………………………………………………25

3.5.4模架及其零件………………………………………………………………25

3.5.5其他支撑零件………………………………………………………………26

3.5.6弹性元件（橡胶）的选用与计算……………………………………………26

结束语………………………………………………………………………………27

参考文献……………………………………………………………………………29

谢辞…………………………………………………………………………………29

5/15/2014编

1

前言

冷冲压工艺应用范围十分广泛，具有效率高、精度高、质量稳定、材料利用

率高、操作简易、适合批量生产及实现制造自动化；在国民经济的各个部门中，

几乎都有冲压加工产品。

本设计主要对冲孔、落料的冲压工艺分析、数据的计算

及根据工件选取冲压的L方法并进行对凸、凹模及其他辅助零件的设计，主要

是进行毛坯尺寸、排样、工序尺寸、冲压压力、压力中心、模具工作部分尺寸等

工艺计算，力争以最好的性价比设计了模具各零件的结构及装配关系，在此基础

上确定模具的外形，完成了装配图和非标准的零件图。

最后确定压力机类型及主

要参数。

在设计过程中主要注重于设计的方法与需要注意的事项。

2

第一章概论

冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使

其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件（俗称冲压或冲压件）的一种压力加

工方法。

冲压通常是在常温下对材料进行变形加工，且主要采用板料来加工成所

需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。

冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方

法之一，隶属于材料成型工程。

冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。

冲模是将材料（金属或非金属）

批量加工成所需冲件的专用工具。

冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，

批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。

冲压

工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素，只有它们相互结合才

能得出冲压件。

与机械加工及塑件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，易于实现机械化和自动化。

（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，加工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，且不需要其它加热设备，

因为是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。

由于冲压加工的零件种类繁多，各类零件的形状、尺寸和精度要求又各不相

同，因而生产中采用的冲压工艺方法也是各种各样的。

概括起来，可分为分离工

序和成形工序两大类：

分离工序是指将坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形

状、尺寸和断面质量的冲压（俗称冲压件）的工序；成形工序是指使坯料在不破

坏的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。

上述两类工序，按基本变形方式不同又可分为冲裁、弯曲、拉伸和成形四种

基本工序，每种基本工序还包括有多种单一工序。

3

在实际生产中，当冲压件的生产批量较大、尺寸较少而公差要求较小时，若

用分散的单一工序来冲压是不经济甚至难于达到要求。

这时在工艺上多采用集中

的方案，即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成，称为组合的方

法不同。

复合冲压—在压力机的一次工作行程中，在模具的同一个工位上同时完成两

种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。

级进冲压—在压力机上的一次工作行程中，按照一定的顺序在同一模具的不

同工位上完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。

复合-级进—在一副冲模上包括复合和级进两种方式的组合工序。

冲模的结构类型也很多。

通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉伸模和

成形模等；按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。

但不论何种

类型的冲模，都可看成是由上模和下模两部分组成，上模被固定在压力机工作台

或垫板上，是冲模的固定部分。

工作时，坯料在下模面上通过定位零件定位，压

力机滑块带动上模下压，在模具工作零件（即凸模、凹模）的作用下坯料便产生

分离或塑性变形，从而获得所需形状与尺寸的冲件。

上模回升时，模具的卸料与

出件装置将冲件或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来，以便进行下一次冲压循

环。

1.1冲压的概念和其加工特点

1.1.1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。

1.1.2冲压技术的加工特点：

冲压件与铸件、锻件相比，具有薄、匀、轻、强的特点。

冲压可制出其他方

法难于制造的带有加强筋、肋、起伏或翻边的工件。

以提高其刚性。

由于采用精

密模具，工件精度可达微米级，且重复精度高、规格一致，可以冲压出孔窝、凸

台等。

冷冲压件一般不再经切削加工，或仅需要少量的切削加工。

热冲压件精度

和表面状态低于冷冲压件，但仍优于铸件、锻件，切削加工量少。

4

冲压是高效的生产方法，采用复合模，尤其是多工位级进模，可在一台压力

机（单工位或多工位的）上完成多道冲压工序，实现由带料开卷、矫平、冲裁到

成形、精整的全自动生产。

生产效率高，劳动条件好，生产成本低，一般每分钟

可生产数百件。

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。

1.2冲压技术和模具工业的重要地位

5

冲压模具是大批生产同形产品的工具，是工业生产的主要工艺装备。

冲压模

具工业是国民经济的基础工业。

冲压模具可保证冲压产品的尺寸精度，使产品质

量稳定，而且在加工中不破坏产品表面。

用冲压模具生产零部件可以采用冶金厂

大量生产的廉价的轧制钢板或钢带为坯料，且在生产中不需加热，具有生产效率

高、质量好、重量。

轻、成本低且节约能源和原材料等一系列优点，是其他加工

方法所不能比拟的。

使用模具已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。

现代制造工业的发展和技术水平的提高，很大程度上取决于模具工业的发展。

目

前，工业生产中普遍采用模具成形工艺方法，以提高产品的生产率和质量。

一般

压力机加工，一台普通压力机设备每分钟可生产零件几件到几十件，高速压力机

的生产率已达到每分钟数百件甚至上千件。

据不完全统计，飞机、汽车、拖拉机、

电机、电器、仪器、仪表等产品，有60％左右的零件是用模具加工出来的；而

自行车、手表、洗衣机、电冰箱及电风扇等轻工产品，有90％左右的零件是用

模具加工出来的；至于日用五金、餐具等物品的大批量生产基本上完全靠模具来

进行。

显而易见，模具作为一种专用的工艺装备，在生产中的决定性作用和重要

地位逐渐为人们所共识。

1.3冲压工序的分类

冲压主要是按工艺分类，可分为分离工序和成形工序两大类。

分离工序也称

冲裁，其目的是使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离，同时保证分离断面的质量

要求（表1）。

成形工序的目的是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形，制成

所需形状和尺寸的工件。

在实际生产中,常常是多种工序综合应用于一个工件。

冲裁、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压、矫正是几种主要的冲压工艺。

1.4冲压模具技术的发展前景

在国家产业政策的正确引导下，经过几十年努力，现在我国冲压模具的设计

与制造能力已达到较高水平，包括信息工程和虚拟技术等许多现代设计制造技术

已在很多模具企业得到应用。

虽然如此，我国的冲压模具设计制造能力与市场需要和国际先进水平相比仍

有较大差距。

这一些主要表现在高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模

6

方面，无论在设计还是加工工艺和能力方面，都有较大差距。

轿车覆盖件模具，

具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点，可代表覆盖件模具的水平。

虽然在设计制造方法和手段方面基本达到了国际水平，模具结构周期等方面，与

国外相比还存在一定的差距。

标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精

密模具品种。

有代表性的是集机电一体化的铁芯精密自动阀片多功能模具，已基

本达到国际水平。

但总体上和国外多工位级进模相比，在制造精度、使用寿命、模具结构和功

能上，仍存在一定差距。

汽车覆盖件模具制造技术正在不断地提高和完美，高精度、高效益加工设备

的使用越来越广泛。

高性能的五轴高速铣床和三轴的高速铣床的应用已越来越

多。

NC、DNC技术的应用越来越成熟，可以进行倾角加工超精加工。

这些都提

高了模具面加工精度，提高了模具的质量，缩短了模具的制造周期。

模具表面强化技术也得到广泛应用。

工艺成熟、无污染、成本适中的离子渗

氮技术越来越被认可，碳化物被覆处理（TD处理）及许多镀（涂）层技术在冲

压模具上的应用日益增多。

真空处理技术、实型铸造技术、刃口堆焊技术等日趋

成熟。

激光切割和激光焊技术也得到了应用。

第二章冲裁件的工艺设计

2.1冲裁件的工艺性分析

2.1.1结构工艺性分析

7

名称：

垫片

批量：

大批量

材料：

10号钢

厚度：

0.5mm

该零件的外形规则结构对称，适用于普通冲压加工，材料为10号钢，厚度

t=0.5mm，零件无特殊要要求，按IT=14级选取。

2.1.2尺寸精度和粗糙度分析

其公差查《互换性与测量技术基础》P18页得到如下图：

由于t=0.5mm，所以近似粗糙度为6.3微米。

2.1.3冲裁件材料分析

材料为10号钢，厚度t=0.5mm，零件无特殊要要求，按IT=14级选取。

8

2.1.4生产批量分析

该零件的外形规则结构对称，适用于普通冲压加工，零件无特殊要要求，适

合大批量生产。

2.2工艺方案的确定

该工件包括落料冲孔两个基本工序，可有以下几种方案：

方案一：

先落料后冲孔，采用单工序模生产。

方案二：

先冲孔后落料，采用级进模生产。

方案三：

冲孔落料同时进行，采用复合膜生产

各方案的特点比较如下：

方案一：

结构简单制造方便，但需要两道工序，两幅模具，成本相对较高，

生产效率低，在第一道工序完成后进入第二道工序，必然会增加误差，使工件精

度降低，达不到要求，故不选用。

方案二：

级进模能满足生产效率高的要求，但其难以保证内部的相对精度，

故不选用。

方案三：

复合膜适用于生产效率高，精度高，结构形状简单的工件，其最窄

的距离为4，而工件厚度为t=0.5mm，能满足a³1.5t的要求。

故选用此方案。

2.3冲裁件的排样与搭边值的确定

2.3.1排样方式的确定

可采用以下两种排样方式

方案一：

少废料排样

方案二：

无废料排样

9

由于该工件结构比较简单，无论采用一方案还是二方案都能满足要求。

相比

而言少废料排样材料利用率低，但无废料排样会加快模具的磨损，使模具寿命减

少，并直接影响工件的断面质量，所以采用少废排样即一方案。

2.3.2搭边值与条料宽度的确定

查冲压模具与制造表搭边值如下：

根据制件的厚度和排样方法得到如下：

搭边值工件间

mma21=

，沿边mma2.1=

横排

10

纵排

2条料宽度的确定

采用有侧压装置，条料宽度公差查下表：

条料宽度偏差D（单位mm）

条

料宽度b

材料厚度t

～

1

1

～2

2

～3

3

～5

～50

50～

100

100

～150

150

～220

220

～300

-0.

4

-0.

5

-0.

6

-0.

7

-0.

8

-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

条料宽度：

11

mmaDB05.005.00max046）0.2242（）2（--D-D-=´+=+=

2.3.3材料利用率的计算

条料的步距：

mmaDs2.432.142=+=+=

一个步距内材料利用率h为：

%5.95%100=´=ABSh

2.4冲裁力和压力中心的计算

2.4.1冲裁力的计算

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。

平刃口冲裁模的冲裁力F一般按下式计算：

bKLtFt=

式中F——冲裁力（N）

L——冲裁周边长度（mm）

t——材料厚度（mm）

b

t

——材料抗剪强度（MPa）查表的

Mpab340260-=t

K——系数

系数K是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动和不均匀、刃口的磨损、

板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

N8.348733405.0304623.1KLt=´´´+´´´==D）（落ptF

2.4.2卸料力、推件力的计算

xF、TF、DF——卸料力、推件力、顶件力系数，见下表

料厚K卸K推K顶

12

表2-8卸料力、推件力和顶件力系数注：

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FKFxx=

推件力FnKFTT=

顶件力FKFDD=

式中F——冲裁力（N）；

n——同时梗塞在凹模内的工件（或废料）数；n=h/t

h——凹模洞口的直壁高度（mm）;

t——材料厚度（mm）；

卸料力

NFKFxx059.19188.34873055.0=´==

推件力1/==thn

NFnKFTT0494.21978.34873063.01=´´==

顶件力

根据模具结构，总的冲压力为

N428124.41778FFTKFFFDx»=+++=落

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

13

2.4.3冲模压力中心的确定

模具压力中心是诸冲压合力作用点的位置，为了确保压力机和模具正常工

作，应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。

否则，会使冲模和压力机

滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨间产生过大磨损，模具导向零件加速磨损，降

低了模具和压力机的使用寿命。

模具的压力中心，可按以下原则来确定

（1）对称零件的单个冲裁件，冲模的压力中心为冲裁的几何中心。

（2）工件形状相同且分布对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。

（3）各分力对某坐标轴的力矩之代数和等于诸力的合力对该轴的力矩。

求出

合力作用点的坐标位置0,0（x=0，y=0），即为所求模具的压力中心。

n

nn

LLL

XLXLXLX

+·····++

+·····++=

21

22110

n

nn

LLL

XLXLXLY

+·····++

+·····++=

21

22110

由于该零件是一个矩形图形，属于对称中心零件，所以该零件的压力中心在

图形的几何中心O处。

如图

2.5压力机的选用

2.5.1压力机的分类

常用压力机有开式双柱可倾压力机、闭式单点压力机、单柱固定台压力机、

开式双柱固定台压力机等。

2.5.2压力机类型的选择

14

压力机公称压力的确定：

对于冲裁工序，压力机的公称压力应大于或等于冲

裁时总压力的1.1-1.3倍，即

KNFP55~47）3.11.1（=-³

根据冷冲压模具设计指导书