垫片制件工艺分析与模具设计.docx
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垫片制件工艺分析与模具设计
（一）基本内容：
1、学会查阅资料和有关手册；
2、按要求绘制被加工件零件图A4一张；
3、对所给零件进行成形工艺分析，拟定最佳成形工艺方案并进行工艺设计、计算；
4、合理地选择模具结构，进行有关的结构设计和计算；
5、能够正确地进行凸、凹模工作尺寸计算和尺寸标注；
6、正确地选择压力机设备，进行有关使用参数的校核和计算；
7、按照有关国家标准正确地绘制模具装配图及非标准件零件图（总量不少于一张0＃图纸）：
8、编写课程设计说明书（正文字数不少于3500字）；
（二）基本要求：
1、借阅参考资料。
独立完成零件工艺分析及资料收集工作；
2、模具结构类型合理，尺寸计算正确；
3、绘制的模具装配图及零件图符合国家机械制图标准规定；
4、设备选择合理实用；
5、设计说明书思路清晰；
（三）主要参考书：
1、田嘉生.冷冲模设计基础.航空工业出版社，1994.
2、虞传宝.冷冲压及塑料成型工艺模具设计资料.机械工业出版社，1993.
3、许发樾.模具标准应用手册.机械工业出版社，1994.
4、郑大忠.模具结构图册.机械工业出版社，1995.
5、王孝培.冲压手册.机械工业出版社，1990.
6、国家标准总局.冷冲压国家标准.国家标准出版社.1981.
摘要
本次综合实训设计垫片的冲压模具，零件结构简单对称，料厚较小，设计者将其设计为级进模模具，主要有冲孔落料两道工序。
本说明书以图文并茂的方式对此零件的模具设计加以介绍，主要叙述了从零件的工艺性分析到模具结构的设计、工艺计算、冲模结构的设计以及主要零件设计等，直到最后的模具装配图、零件图、排样图等一系列的设计过程。
其中详尽的分析讲述了针对于该零件的冲压模具完整设计方法，读者可以从本说明书中简单、明确的了解该设计的主要思想路线及合理设计制造方案，加深对级进模模具设计知识的了解、应用以及提升关于级进模模具的分析问题、解决问题的能力。
关键词：
垫片、级进模、冲孔落料、模具、设计
65mn钢板应用：
65mn钢板强度、硬度、弹性和淬透性均比65号钢高，具有过热敏感性和回火脆性倾向，水淬有形成裂纹倾向。
退火态可切削性尚可，冷变形塑性低，焊接性差。
受中等载荷的板弹簧，直径达7-20mm的螺旋弹簧垫圈弹簧环。
高耐磨性零件，如磨床主轴、弹簧卡头、精密机床丝杆、切刀、螺旋辊子轴承上的套环、铁道钢轨等。
力学性能：
抗拉强度>=980（100）
屈服强度>=784（80）
伸长率？
10（%）>=8
断面收缩率（%）>=30
硬度：
热轧<=302hb;冷拉+热处理<=321hb
第1章冲压工艺分析-7-
1.1零件工艺分析-7-
1.1.1产品结构形状及材料分析-7-
1.1.2产品尺寸精度、粗糙度、断面质量分析-7-
1.2冲压工艺方案的确定-7-
1.2.1第一种方案-8-
1.2.2第二种方案-9-
1.2.3第三种方案-9-
第2章冲压工艺计算-11-
2.1排样-11-
2.1.1搭边-11-
2.1.2条料宽度和导尺间距离-11-
2.1.3送料步距-12-
2.1.4材料利用率-12-
2.2计算冲压力-13-
2.2.1冲裁力计算-13-
2.2.2卸料力、推件力与顶件力的计算-14-
2.3压力中心的计算-14-
第3章级进模凸凹模设计-16-
3.1模具刃口尺寸的计算-16-
3.1.1冲孔凸、凹模-16-
3.1.2落料凹、凸模-17-
3.2凹模的设计-19-
3.2.1凹模厚度H的计算-19-
3.2.2凹模长度和宽度-19-
3.2.3凹模材料-20-
3.2.4凹模固定方法-20-
3.3凸模的设计-20-
3.3.1凸模强度——压应力校核-20-
3.3.2凸模材料-21-
第4章基本冲模结构的确定-22-
4.1模具的形式-22-
4.2定位装置-22-
4.3卸料装置-22-
4.3.1条料的卸除-22-
4.3.2废料及工件的卸除-22-
4.4导向装置-22-
4.5模架-23-
第5章级进模主要零件设计-24-
5.1卸料弹簧设计-24-
5.2凸模固定板设计-24-
5.3垫板设计-24-
5.4卸料板设计-25-
5.5模座的选择-25-
第6章压力机校核-26-
6.1模柄孔的校核-26-
6.2模具闭合高度的校核-26-
6.3压力机工作台尺寸的校核-26-
6.4冲裁力校核-27-
总结-28-
参考文献-29-
第1章冲压工艺分析
1.1零件工艺分析
1.1.1产品结构形状及材料分析
由零件图可知，该零件为菱形片落料圆形冲孔，外形简单对称，整个外形光滑、圆整，无狭槽、尖角；孔与孔之间、孔与零件边缘之间最小距离c满足c>1.5t要求（其中料厚t为1.0mm,可得出c=8-8.2／2=3.9mm,1.5t=1.5mm）。
对于冲压件材料一般要求的力学性能是强度低，塑性高，表面质量和厚度公差符合国家标准。
本设计的产品材料是10号钢，其力学性能是强度、硬度和塑性指标适中，用冲裁的加工方法是完全可以成形的。
另外产品对于表面质量等没有严格要求，所以尽量采用国家标准板材，其冲裁出的产品的表面质量等就可以保证。
经上述分析，产品的材料性能符合冷冲压加工要求。
1.1.2产品尺寸精度、粗糙度、断面质量分析
1）尺寸精度
根据零件图上所注尺寸，工件要求不高，采用IT14级精度，普通冲裁可满足要求。
2）粗糙度、断面质量
查《冲压手册》表2-12得，一般冲裁件冲材料厚度t≤1.0mm金属板料时，其断面粗糙度为3.2μm；本产品在断面粗糙度和尺寸精度上均要求不高，所以断面质量可以保证，用冲裁的加工方法是完全可以成形的。
1.2冲压工艺方案的确定
完成此工件需要冲孔、落料两道工序。
其加工的工艺方案分为以下三种：
1.2.1第一种方案
采用单工序逐步加工
1）冲孔落料单工序模，工序简图见图1-2-1-1。
2）落料冲孔单工序模，工序简图见图1-2-1-2。
特点：
由于单工序模，模具制造简单，维修方便。
但生产率低，工件精度低，不适合大中批件的生产。
图1-2-1-1冲孔落料单工序模简图
图1-2-1-2落料冲孔单工序模简图
1.2.2第二种方案
采用复合模加工成形，工序简图见1-2-2。
特点：
生产率较高，工件精度高。
但模具制造较复杂，调整维修较麻烦，使用寿命低。
图1-2-2冲孔落料复合模
1.2.3第三种方案
采用级进模加工成形，工序简图见图1-2-3。
特点：
生产率高，便于实现机械化、自动化，适合加工复杂的小型冲裁件，但模具制造复杂，调整维修麻烦，工件精度较低。
图1-2-3冲孔落料级进模
根据本零件的设计要求以及各方案的特点，决定采用第三种方案级进模加工成形比较合理。
第2章冲压工艺计算
2.1排样
采用直排有废料排样，虽然此零件斜排能够提高材料利用率，但是设计计算复杂。
排样图见2-1-1。
图2-1-1排样图
2.1.1搭边
查《冲压手册》表2-17得，当t=1.0mm时，确定侧搭边值a=2mm,工件间搭边值a1=1.5mm。
2.1.2条料宽度和导尺间距离
采用单边侧刃。
条料宽度：
B=L+2a’+nb=L+1.5a+nb（a’=0.75a）式（2-1）
导尺间距离：
A=B+Z0=L+1.5a+nb+Z0式（2-2）
A1=L+1.5a+Y式（2-3）
式中L——冲裁件垂直于送料方向的尺寸,L=62.5mm;
n——侧刃数,n=1；
b——侧刃切去的条料宽度,查《冷冲压模具设计难点与技巧》表1-7得b=1.5mm；
Y——冲切后条料宽度与导料板的间隙，查《冷冲压模具设计难点与技巧》表1-7得Y=0.10mm；
Z0——条料与导料板之间的间隙，查《冷冲压模具设计难点与技巧》表1-6得Z0=0.1mm；
∴B=62.5+1.5×2+1×1.5=67mm
A=67+0.1=67.1mm
A1=62.5+1.5×2+0.10=65.6mm
2.1.3送料步距
级进模送料步距S=D+a1=40+1.5=41.5式（2-4）
式中D——冲裁件横向最大尺寸,D=40mm;
2.1.4材料利用率
一个步距内材料利用率η=A/BS×100％式（2-5）
式中A——一个步距内冲裁件的实际面积
B——条料宽度
S——步距
图2-1-4
面积计算参照图图2-1-4
α=arccos（20-8）/23=58.55°
β=90°-α=31.45°
A=π×8²×4α/360+π×20²×4β/360+2×（8+20）×（23²-12²）1/2
-2π×4.1²-2π×11²
=1182.97mm²
∴η=1182.97/（67×41.5）×100%=42.5%
2.2计算冲压力
2.2.1冲裁力计算
采用平刃口模具冲裁时，其冲裁力F可按下式计算：
F=KLtτ式（2-6）
式中F——冲裁力
L——冲裁件周边长度
t——材料厚度，t=1.0mm
τ——材料抗剪强度，查《手册》10钢，τ=255~333，取τ=300
K——修正系数，一般取k=1.3
冲裁力公式为P=P孔＋P落式（2-7）
①冲孔冲裁力P孔
其中L孔=22π+2π×8.2=38.4πmm
P孔=1.3×38.4π×1.0×300=47048N
取P孔=47KN
②落料冲裁力P落
其中L落=40π×4×31.45/360+16π×4×58.55/360+4（23²-12²）1/2
=155.1mm
P落=1.3×155.1×1.0×300=60489N
取P落=60.5KN
∴冲裁力P=P孔＋P落=47+60.5=113.5KN式（2-8）
2.2.2卸料力、推件力与顶件力的计算
常用下列经验公式：
PX=KXP式（2-9）
PT=nKTP式（2-10）
PD=KDP式（2-11）
式中：
KXKTKD——分别为卸料力系数、推件力系数与顶件力系数，查《冲压模具设计》表2-20得KX=0.045，KT=0.055，KD=0.06
F——冲裁力
n——同时卡在凹模孔内的冲裁件数
采用弹性卸料装置和下出料方式冲模时PΣ=P+PX+PT
∴卸料力PX=0.045×113.5=5.1KN
冲孔推件力PT1=2×0.055×47=5.17KN
落料推件力PT2=1×0.055×60.5=3.33KN
∴总冲压力PΣ=P+PX+PT1+PT2=113.5+5.1+5.17+3.33=127.1KN式（2-12）
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P0≥（1.1~1.3）PΣ=139.8~165.2，查《冲压手册》表9-3得，选择开式压力机，公称压力250KN。
2.3压力中心的计算
图2-3-1
建立坐标系于落料中心，如图2-3-1。
压力中心到Y轴距离X=（L落×0+L孔×41.5+2L销×41.5/2+L刃×32.8）/（L落+L孔+L销+L刃）=25.5mm式（2-13）
压力中心到X轴距离Y近似看作0。
第3章级进模凸凹模设计
3.1模具刃口尺寸的计算
3.1.1冲孔凸、凹模
冲孔（φ22φ8.2φ3），设计时大孔小孔参考图3-1-1-1，导正钉孔参考图3-1-1-2。
冲孔件时，尺寸为内形尺寸，基准型面为凸模。
d凸=（d+xΔ）
式（3-1）
其中d凸——冲孔凸模刃口尺寸；
d凹——冲孔凹模刃口尺寸；
x——摩擦系数,冲裁件精度为IT14时，x=0.5；
Δ——工件孔径公差，mm，Δ=0.16mm;
δt——凸模刃口尺寸制造偏差，mm，查《冲压手册》表2-28得，δt大=0.020mm，δt小=0.020；
δa——凹模刃口尺寸制造偏差，mm,查《冲压手册》表2-28得，δa大=0.020mm，δa小=0.020mm；
Zmin——凸、凹模最小合理间隙，mm，查《冲压模具设计》表2-10得，Zmin=0.100mm，Zmax=0.140mm；
大孔：
d凸=（22+0.5×0.16）
=22.08
mm
d凹=*22.08mm
小孔：
d凸=（8.2+0.5×0.16）
=8.28
mm
d凹=*8.28mm
导正钉孔：
d凸=（3+0.5×0.16）
=3.05
mm
d凹=*3.08mm
校核间隙：
Zmax-Zmin=0.04mm；δt+δa=0.04mm；所以满足Zmax-Zmin≥δt+δa的条件；所以各孔凸、凹模刃口尺寸均计合理。
图3-1-1-1
图3-1-1-2
3.1.2落料凹、凸模
落料件时，尺寸为外形尺寸，基准型面为凹模。
设计参考图3-1-2-1。
A1=62.5d凹1=（A1-xΔ）+0δt式（3-2）
A2=40d凹2=（A1-xΔ）+0δt式（3-3）
其中d凸——落料凸模刃口尺寸；
d凹——落料凹模刃口尺寸；
x——摩擦系数,冲裁件精度为IT14时，x=0.5；
Δ——工件孔径公差，mm，Δ=0.74mm;
δt——凸模刃口尺寸制造偏差，mm查《冲压手册》表2-28得，δt=0.020mm；。
δa——凹模刃口尺寸制造偏差，mm,查《冲压手册》表2-28得，δa=0.020mm
d凹1=（62.5-0.5×0.74）
=62.13
mm
d凹2=（40-0.5×0.74）
=39.63
mm
d凸1=*62.13
d凸2=*39.63
校核间隙：
Zmax-Zmin=0.04mm；δt+δa=0.04mm；所以满足Zmax-Zmin≥δt+δa的条件；所以各孔凸、凹模刃口尺寸均计合理。
为了方便加工，因为凸模较多，以先加工凸模，再凹模配合凸模加工的方法。
所以用尺寸转化法将凹模尺寸转化到凸模上。
D凸1=（d凹1+δ-Zmin）
=（62.13+0.02-0.100）
=62.05
mm式（3-4）
D凸2=（d凹2+δ-Zmin）
=（39.63+0.02-0.100）
=39.55
mm式（3-5）
D凹1=*62.05
D凹2=*39.55
图3-1-2-1
3.2凹模的设计
3.2.1凹模厚度H的计算
凹模厚度：
H=Kb式（3-6）
式中K——系数，查《冲压手册》表2-40得K=0.22
b——工件最大外形尺寸
∴H=0.22×62.5=13.75mm
取凹模厚度为25mm
凹模壁厚：
C=（1.5~2）H式（3-7）
取C=30mm
3.2.2凹模长度和宽度
B=62.5+2C=122.5mm
L=2（C+20+25.5）=151mm
按照《冲压模具设计手册》取B×L×H=125×160×40
3.2.3凹模材料
凹模材料一般选择Cr12MoV
3.2.4凹模固定方法
凹模与下模座用4个M8的螺栓装配，4个M6的销钉固定。
3.3凸模的设计
凸模的长度L=H1＋H2＋H3＋Y
式中：
H1—为凸模固定板的厚度
H2—为卸料板的厚度
H3—为导料板的厚度
Y—为附加的长度，包括凸模刃口尺寸的修磨量，凸模进入凹模的深度（0.5～1mm），凸模固定板与卸料板的安全距离A等。
其中A取15～20.
L=28+15+6+5+15=63mm
3.3.1凸模强度——压应力校核
校核公式为：
式（3-8）
式中P
——冲孔冲裁力，N，P
=47KN，
F
——凸模最小断面积，F
=
r
=3.14×4.1²=52.8mm
，
[
]
——凸模材料的许用压应力，MPa，材料为Cr12MoV，查手册，[
]
=（1000~1600）Mpa。
因为
=
=890MPa<[
]
所以凸模强度符合要求。
3.3.2凸模材料
凸模材料一般选择Cr12MoV
第4章基本冲模结构的确定
4.1模具的形式
级进模按其自动化程度，分为级进模和自动模两类；按其完成冲压工序的不同，主要分为冲裁类级进模、成形类级进模两大类。
其中，冲裁类级进模常见的形式有冲孔、落料级进模，冲孔、切断级进模，拉伸、弯曲级进模等。
很明显，本零件的加工采用冲孔、落料级进模。
4.2定位装置
采用导料板和长方形定距侧刃进行粗定位。
定距侧刃切去条料旁侧少量材料而达到挡料的目的。
由于条料厚度较薄所需送料力较小，若采用双边侧刃浪费原材料，且模具尺寸增大浪费模具成本，所以本设计采用单边侧刃。
采用梯形导正钉导正进行精定位，以保证相对位置和步距的精度。
4.3卸料装置
4.3.1条料的卸除
采用弹性卸料板。
卸料板不仅起卸料作用或兼保导向作用，而且还起到压料作用。
4.3.2废料及工件的卸除
废料和工件经过漏料孔及冲床工作台面的漏料孔落出。
4.4导向装置
采用滑动式导柱导套导向，主要是为保证凸模和凹模之间的小间隙，满足零件较大的生产批量，并使零件的冲裁质量得到保证。
4.5模架
采用四导柱模架，导柱对称分布，受力平衡，滑动平稳，能承受级进模高速冲压次数。
具备导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点，所以采用四导柱模架。
第5章级进模主要零件设计
5.1卸料弹簧设计
1．根据总卸料力PX估计拟用弹簧个数n，算出每个弹簧所承受负荷P弹。
取卸料弹簧个数为n=4
P弹=PX/n=51/4=12.5式（5-1）
2．查表《冲压手册》10-1弹簧选2×18×22
3．Fj=135N
hj=12.3mm
h预=F预×Fj/hj=12.5×12.3/135=1.14式（5-2）
h预+h工作+h修磨=1.14+2+6=9.14＜hj式（5-3）
故所选弹簧是合适的。
5.2凸模固定板设计
凸模固定板形状为矩形125×160,厚度约取凸模的40%，取厚度为28mm。
5.3垫板设计
理论上，确定是否需要垫板的方法如下：
条件：
冲裁时，如果凸模的端部对模座的压应力超过模座材料的许用压应力，这时需要凸模端部与模座之间加上一块强度较高的垫板。
即下列情况需要加垫板。
，
;式（5-5）
式中
——凸模端面压应力，MPa；
——模座材料许用压应力，铸铁约为100MPa，钢约为200MPa；
P——冲裁力，N；
F——凸模上端面面积，mm
；
式（5-6）
因上模板采用铸铁材料，所以
＞38M
，不用加上垫板。
垫板厚度一般为3~10mm，取10mm。
垫板材料常用T7或T8工具钢，热处理硬度为48~52HRC。
垫板淬硬后两面应磨平，表面粗糙度R
0.32~0.63um。
本设计中，有有级进模冲裁力较大，生产批量较大，给凸模的后面加上淬过火的凸模垫板，目的是增加凸模的强度，防止凸模的后座回缩，增加使用寿命。
5.4卸料板设计
1）卸料板的形状和尺寸。
卸料板取矩形板，厚度为H=15mm，卸料板材料选45钢，不用热处理淬硬。
2）卸料板上成形孔的设计。
取弹压卸料板与凸模的双面间隙为0.1~0.3mm。
5.5模座的选择
四导柱模架查《冲压模具设计手册》表1-79得L×B取160×125范围，高度H取140~170，h1=35，h2=40,L2=240,B2=230,S=175,S1=190
导柱B型22×150；导套A型22×70×35。
第6章压力机校核
初选压力机为公称压力250KN的开式压力机。
该压力机的主要参数：
公称压力250KN
滑块行程80mm
最大封闭高度250mm
封闭高度调节量70mm
工作台尺寸560×360
模柄孔尺寸
50×70
6.1模柄孔的校核
模柄的尺寸为
50×70，上模座厚度为35mm，则模柄伸出上模座的高度为35mm<70-5mm，因此合适。
6.2模具闭合高度的校核
模具的闭合高度H=40+25+1+15+15+28+10+35=169mm，而压力机的最大封闭高度250mm，其调节量为70mm，则压力机的最小闭合高度为180mm，大于模具的闭合高度，所以此项也可满足要求。
6.3压力机工作台尺寸的校核
查手册，该型号模座的外形尺寸为：
240×230mm，压力机的工作台尺寸为560×360mm，符合每边留出60~100mm的要求，用来安装固定模具用的螺栓、垫块和压板，所以合适。
6.4冲裁力校核
冲裁合格产品所需的冲裁力P
为113.5KN<压力机的公称压力250KN，所以合适。
综上所述：
此250公称压力开式压力机符合要求。
总结
通过这次课程设计使我对模具行业的发展现状及未来的发展趋势有了更深刻的了解，通过整个模具设计流程并在在老师的悉心指导下，使我掌握了冲压模具的总体设计思路及在模具设计中经常出现的一些问题、及处理方法，对设计中一些常规方法了有了进一步的了解，为以后的工作打下了坚实的基础。
导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
通过计算机辅助手段实现了对模具零件的三维造型，同时利用软件完成了相关零部件的装配过程，实现了模具结构的总装配，同时，使用了CATIA完成了相关结构及图型。
这次课程设计让我巩固了专业知识，对知识有了更深刻的认识。
参考文献
[1]王孝培主编.冲压手册.机械工业出版社1990.11
[2]王一梅主编.典型实用模具图册.江苏科学技术出版社1991.8
[3]周玲主编.冲模设计实例详解.化学工业出版社.2000.4
[4]刘占军、高铁军主编.冷冲压模具设计难点与技巧.电子工业出版社.2010.7
[5]邹爱丽、秦政琪、崔旭主编.飞机钣金零件模具设计与设备.沈阳航空航天大学出版社.
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