冲压模具课程设计

1前言冲压是在室温下，利用安装在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，从而获得所需零件的一种压力加工方法。冲压模具在冷冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冷冲压模具（俗称冷冲模）。冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。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。这些主要表现在飞行器钣金件、高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模方面，无论在设计还是加工工艺和能力方面，都有较大差距。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已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在模具国产化进程中前进了一大步，但在制造质量、精度、制造周期等方面，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。因此我们在学习完《飞机钣金成形原理和工艺》等模具相关基础课程后，安排了模具设计课程设计，以帮助我们掌握模具设计的过程，为以后参加工作打下基础。2设计内容一、零件的工艺性分析图1零件图1）零件的尺寸精度分析如图1所示零件图，该零件外形尺寸为R11，19；内孔尺寸为R3，6，均未标注公差，公差等级选用IT14级，则用一般精度的模具即可满足制件的精度要求。2）零件结构工艺性分析零件形状简单，适合冲裁成形。3）制件材料分析制件材料为45钢，抗剪强度为432～549Mpa，抗拉强度为540～685Mpa，伸长率为16%。适合冲压成形。综合以上分析，得到最终结论:该制件可以用冲压生产的方式进行生产。但有几点应注意：1）孔与零件左边缘最近处仅为2mm，在设计模具是应加以注意。2）制件较小，从安全方面考虑，要采取适当的取件方式。3）有一定批量，应重视模具材料和结构的选择，保证一定的模具寿命。二、工艺方案的确定由零件图可知，该制件需落料和冲孔两种冲压工艺，设计模具时可有以下三种方案：方案一：先落料，再冲孔，采用单工序模生产。方案二：冲孔、落料连续冲压，采用级进模生产。方案三：落料和冲孔复合冲压，采用复合模生产。3方案一采用单工序模生产，模具结构简单，但需要两道工序、两套模具才能完成零件的加工，生产效率较低，难以满足零件年产20万件的需求，而且要考虑第二套模具中工序件的定位问题，操作不便。方案二采用级进模生产，可有效地提高生产效率，但连续模制造和设计难度大，费用高，用于生产该制件达不到经济性要求。方案三采用复合模生产，亦有很高的生产效率，复合模能在压力机一次行程内，完成落料、冲孔两道工序，所冲压的工件精度较高，不受送料误差影响，能较好的满足该制件内孔与外形同心的要求。通过对比，故采用方案三，比较适合该零件。三、模具结构形式的确定（一）模具类型及卸料方式分析因制件材料较薄，为了保证制件的平整度，所以采用正装式复合模，即凸凹模安装在上模，这样，从模柄中穿入导杆可以直接把嵌在凸凹模里的废料从刃口中打下，卡在凸凹模凸模刃口上的材料可以用弹性卸料板卸料；冲孔凸模与落料凹模安装于下模，用顶件器带动卸料板顶出制件。（二）模具定位方式分析在模具设计中，抛弃了传统的销钉定位，而是把凸凹模和凹模分别在上、下模座定位，上、下模座的定位沉台在制造时是和导柱、导套固定在一起加工完成的，这样保证了上、下模工作零件的同轴度，从而达到保证零件尺寸精度的目的。同时没有使用销钉，也使模具的维修方便了很多，即使多次拆卸也能保证零件的精度不变。四、工艺设计与计算（一）制件排样与材料利用率计算采用单排直排有废料排样，如图2所示。由文献【1】表3-17查得制件间搭边值a=0.8mm，侧搭边值a1=1mm,则送料步距L=19+0.8=19.8；条料宽度B=22+1+1=24；经计算制件面积S=284.73mm2，一个步距的材料利用率为：η=S/(BL)×100%=284.73/(24×19.8)×100%=59.92%4图2排样图由文献【2】表4-1冷轧钢板的尺寸，选板料规格为1200mm×600mm×1mm，剪裁条料时采用横裁法，于是条料尺寸为24mm×600mm。每板条料数n1=1200/24=50(条)；每条制件数n2=(600-0.8×2)/19.8=30(件)；每块板制件数n3=n1×n2=50×30=1500(件)材料总利用率η，=1500×284.73/（1200×600）=59.3﹪（二）冲压力的计算冲裁力可按以下公式[1]计算：F=KLtτkp式中：t—材料厚度（mm）；L—冲裁件周长（mm）；τkp--材料抗剪强度（Mpa）。已知K=1.3,t=1mm；查文献【2】表4-12得τkp=432～549，取τkp=500；经计算得外形周长L1=67.57mm，内孔周长L2=30.85mm。所以落料冲裁力F1=KL1tτkp=1.3×67.57×500×1=43.92kN冲孔冲裁力F2=KL2tτkp=1.3×30.85×500×1=20.05kN推件力和卸料力可用以下经验公式[1]进行估算：F推件=nK推FF卸料=K卸F式中：F—冲裁力；n为同时卡塞在凹模内的零件数，一般为3～5；K推—推件力系数；K卸—卸料力系数。5查文献【1】表3-15得，K推=0.055，K卸=0.04～0.05，所以F卸料=K卸F1=0.04×43.92=1.7568kNF推件=nK推F2=5×0.055×20.05=5.51kN由于该制件模具采用弹性卸料装置，所以总冲压力的计算公式为：F总=F1+F2+F卸料+F推件=43.92+20.05+1.7568+5.51=71.24kN(三)初选压力机根据总压力71.24kN,查文献【2】表4-33开式压力机的主要技术参数，初选压力机型号规格为J23-10，其主要参数如下：公称压力：100kN滑块行程：45mm最大闭合高度：180mm最大装模高度：145mm工作台尺寸：370mm×240mm模柄孔尺寸：∅30mm×55mm(四）计算压力中心该制件图形较规则，上下对称，故采用解析法求压力中心较为方便。建立如下图所示坐标系。x1设压力中心为（x0,y0）,因为上下对称，所以y0=0，只需求x0，又因为内孔为轴对称图形，所以只需考虑外形。经计算得L1=15.1mm,L2=52.47mm,x2=3.165,x1=-8。根据合力矩定理得6所以，压力中心为（0.72，0）。（五）计算凸凹模刃口尺寸本制件形状简单，可按分别加工方法制造凸、凹模，凸、凹模的制造公差δp和δp必须满足不等式[1]：δp+δd≤Zmax-Zmin。根据制件的材料和厚度,由文献【3】表2-14汽车、拖拉机等行业冲裁模初始双边间隙值，查得：Zmax=0.140mm,Zmin=0.100mm；根据制件的基本尺寸和厚度，由文献【3】表2-19汽车、拖拉机等行业简单形状制件凸、凹模的制造偏差，查得：落料部分：凸模-0.020mm,凹模+0.020冲孔部分：凸模-0.020mm,凹模+0.020验证制造偏差是否合格：δp+δd=0.02+0.02=0.04Zmax-Zmin=0.140-0.100=0.04所以，δp+δd=Zmax-Zmin=0.04，合格，可以采用该公差值。由于零件图未注公差，为了降低工作难度，所以在实际生产中按照IT14等级确定制件各尺寸公差，查文献【3】附录一标准公差数值和表2-17磨损系数x得：落料部分：尺寸R11，公差为0.43mm，取x=0.5；尺寸19，公差为0.52mm，取x=0.5；冲孔部分：尺寸R3,公差为0.25mm，取x=0.5；尺寸6，公差为0.3mm，取x=0.75。1）落料尺寸RDd=(Dmax-xΔ=(11.215-0.5×0.43=Dp=(Dd-Zmin=(11-0.100=7尺寸Dd=(Dmax-xΔ=(19.26-0.5×0.52=Dp=(Dd-Zmin=(19-0.100=2)冲孔尺寸Rdp=(dmin+xΔ=(2.875+0.5×0.25=dd=(dp+Zmin=(3+0.100=尺寸dp=(dmin+xΔ=(5.85+0.75×0.3=dd=(dp+Zmin=(6.075+0.100=五、模具结构设计（一）凹模设计因制件形状简单，轮廓近似圆形，且总体尺寸不大，选用整体式圆形凹模较为合理。因制件精度较低，厚度较小，由文献【2】表3-5冷冲模工作零件的材料及热处理要求，选用9Mn2V为凹模材料。1)确定凹模厚度H值:由凹模厚度经验公式[4]估算：H=K1K2式中，F—冲裁力，N；K1—凹模材料修正系数，合金钢取1，碳素钢取1.3；K2—凹模刃口周边长度修正系数。本例中冲裁力F=43.92kN；凹模材料为合金钢，故K1取1；凹模刃口周边长度为67.57mm，查文献【4】表3-34凹模刃口周边长度修正系数，得K2=1.12，所以H=K1K2=1×1.12×=19.06mm2)确定凹模周界尺寸D：根据条料宽度B=24mm,材料厚度t=1mm,由文献【4】表3-33，查得凹模孔壁厚c=22mm。所以8D=2R+2c=22+266mm由文献【2】表5-45圆形凹模板尺寸，可查到较为靠近凹模周界尺寸为63mm×20mm，故凹模周界尺寸取为63mm×20mm。其结构图如图3所示。图3凹模（二）其他冲模零件设计据以上确定的凹模周界尺寸，查文献【2】表5-5复合模圆形厚凹模典型组合尺寸，可得其他冲模零件的数量、尺寸及主要参数。1)卸料板标准编号JB/T7643.5-1994,周界尺寸63mm×8mm,结构图如图4所示。图4卸料板2)凸凹模固定板标准编号JB/T7643.5-1994,周界尺寸63mm×12mm，结构图如图5所示。9图5凸凹模固定板3)顶件块非标准件，尺寸根据凸、凹模尺寸确定，结构图如图6所示。图6顶件块4）凸凹模凸凹模采用直通式结构，固定部分简化为圆形，因采用弹压卸料，所以凸凹10模长度按下式[6]计算L=h1+h2+t+h式中，h1—凸凹模固定板厚度，mm；h2—卸料板厚度，mm；t—材料厚度，mm；h—增加长度。它包括凸凹模修磨量、凸凹模进入凹模的深度（0.5～1mm）、凸凹模固定板与卸料板之间的安全距离等，一般取10～20mm。本例中，h1=12mm，h2=8mm，t=1mm，h取14mm，所以凸凹模长度L=h1+h2+t+h=12+8+1+14=35mm凸凹模结构图如图7所示。图7凸凹模115)凸模凸模亦采用直通式，固定部分简化成圆形，长度L=19.5mm,其结构图如图8所示。图8凸模（三）选择模架由凹模周界尺寸63mm×20mm及模架闭合高度110mm，查文献【2】表5-8滑动导向后侧导柱模架规格，选用后侧导柱模座,其主要参数如下：上模座63mm×63mm×25mm(GB/T2855.5-1990)；下模座63mm×63mm×30mm(GB/T2855.6-1990)；导柱16mm×110mm×30mm(GB/T2861.2-1990)；导套16mm×50mm×23mm(GB/T2861.6-1990)。12模架具体结构尺寸，参照文献【5】表4-6后侧导向模柱、表3-38导柱和表3-39导套设计。（四）模柄设计本例采用凸缘模柄，尺寸与模柄孔配做。六、校核压力机安装尺寸模座外形尺寸为63mm×63mm，闭合高度为110mm，J23-10型压力机工作台尺寸为370mm×240mm，最大闭合高度为180mm，故此压力机能满足要求。七、绘制装配图图9装配图13结束语钣金冲压成形课程设计是我们在大学期间的一门重要课程，是对我们将理论应用于实践能力的考核。通过这次课程设计我加深了对冲压成形的理解，掌握了模具设计的基本方法，很好地巩固了以前所学的知识，相信对我将