卡通图案冲裁模的设计与模拟.docx

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卡通图案冲裁模的设计与模拟

目录

1绪论1

2分析冲压件的工艺性2

3模具材料的选择原则2

4模具结构型式的确定3

5确定工艺方案4

5.1分析产品图样，确定模具结构4

5.2确定零件的排样次序，画出排样图5

5.3确定冲裁位置5

5.4确定步距长度6

5.5计算条料的宽度6

5.6侧刃长度计算6

5.7勾画草图，确定凹模外形尺寸7

5.8选定标准模具结构8

5.9计算凹模与凸模工作尺寸10

5.10绘制其他零件图10

5.10.1上模板与底座的选定11

5.10.2模柄的选定12

5.10.3导柱导套的选定12

5.10.4定位零件的选定13

5.10.5紧固零件的选定13

5.11绘制图样14

6利用CAXA建立模具型腔及数控仿真14

6.1CAXA制造工程师14

6.2模具型腔的建立15

6.3模具型腔的数控加工仿真15

6.4生成数控程序16

7画装配图18

8运用Pro/ENGINEER对模具进行装配19

9结束语20

致谢20

参考文献21

1绪论

我国冲压模大多为简单模、单工序模和复合模等，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3～5μm，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。

在现代日趋发达的社会里，模具工业是国民经济的基础产业。

模具工业的发展标志着国家工业水平及产品开发能力。

模具是工业生产的基础工艺装备。

在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60%～80%的零部件都要依靠模具成形。

用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。

模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具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。

随着计算机技术的迅速发展和应用,使一直被手工操作和传统工艺所垄断的模具制造行业正逐步被高新技术所渗透。

尤其是计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）技术给模具设计与制造的发展带来了美好前景，同时模具的复杂型腔、较高的精度、复杂的结构和运动的完整性给CAD／CAM技术提供了最好的表现平台，这不仅在应用深度，而且在应用广度上都比其他行业更为突出。

我国模具CAD／CAM的研究开发，是从20世纪70年代末期开始的，当时只是在高校和研究所作为研究课题，如今许多企业已采用了先进的CAD／CAM软件系统，更多的企业正在计划购置相应的软件。

CAD／CAM技术在模具制造业中应用越来越广泛,而软件系统是CAD／CAM系统的核心。

模具CAD／CAM无论是在提高生产率、改善设计质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有突出的优越性。

采用模具CAD／CAM技术提高了模具的设计与制造质量。

因为在计算机系统内存储了各有关专业的综合性技术知识，为模具设计与制造提供了科学的基础。

计算机与人的交互作用，有利于发挥人、机各自的特长，使模压成形艺、模具结构及模具制造工艺设计更加合理化。

CAD／CAM系统中采用了优化设计方法，可使某些工艺参数和模具结构优化。

利用CAD／CAM技术设计制造模具可节省时间，提高工作效率。

设计计算、图纸绘制和数控编程的自动化大大缩短了设计时间，节省了劳动力，优化设计与制造带来了原材料的节省。

进入21世纪，在经济全球化的新形势下，随着资本、技术和劳动力市场的重新整合，我国装备制造业在加入WTO以后，将成为世界装备制造业的基地。

而在现代制造业中，无论哪一行业的工程装备，都越来越多地采用由模具工业提供的产品。

为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求，模具工业正广泛应用现代先进制造技术来加速模具工业的技术进步，满足各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求。

本文应用CAXA制造工程师软件对设计的模具型腔进行模拟加工仿真，利用Pro/ENGINEER把模具的装配关系表达清楚。

2分析冲压件的工艺性

本次设计的图案是一朵小花，材料厚度为3mm的纯铜板，经过分析可以知道零件的尺寸精度在IT11级以下的冲裁精度，查冲压手册表2-5需要采用IT7级的冲裁模具，才能满足零件的精度要求。

此件要求的外形尺寸及内孔尺寸精度不高，况且需用的零件批量又较大，所以选用级进模结构比较合适。

综上所述，零件的冲裁工艺与模具设计中需要着重解决以下几个问题：

（1）工艺方案和模具结构应保证能达所要求的高精度；

（2）冲模结构应能冲出冲件的复杂外形；

（3）冲裁模的制造精度和导向精度应适应冲件的厚度，模具间隙小的特点；

（4）冲裁模的强度和耐磨性应适应冲压材料强度高的特点。

3模具材料的选择原则

模具材料的选择原则为：

（1）要选择能满足模具工作要求的最佳综合性能的材料；

（2）要针对模具失效形式选用钢材；

（3）要根据制品批量大小，以最低成本的选材原则选择材料；

（4）要根据冲模零件的作用选择材料；

（5）要根据冲模精密程度选用钢材。

[1]

模具的尺寸小于80㎜或80～120㎜之间时，模具成型零件的尺寸公差取制件尺寸公差的1/4～1/3。

当模具的尺寸大于120～500㎜时，模具成型零件的尺寸取制件尺寸公差的1/9～1/8。

[2]

表1模具工作条件及对模具工作零件材料的性能要求

模具类型

工作条件

模具工作零件材料的性能要求

冲裁模

主要用于各种板料的冲切成形，其刃口在工作过程中受到强烈的摩擦和冲击

具有高的耐磨性、冲击韧性以及耐疲劳断裂性能

冲压模具中凸、凹模等工作零件所用的材料主要是模具钢，常用的模具钢包括碳素钢、合金工具钢、轴承钢、高速工具钢、基体钢、硬质合金和钢基硬质合金等（可参见GB/T699-1999、GB/T1298-1986、GB/T1299-2000、JB/T5826-1991、JB/T5825-1981、JB/T5827-1991等）。

凸、凹模的材料一般采用Cr12系列冷作模具钢,这类钢材具有良好的淬透性和耐磨性，但韧性较差，淬火后变形较大。

常用的材料为Cr12MoV，热处理硬度为55～60HRC。

因此凸凹模的材料选Cr12MoV比较合适。

采用淬火加低温回火的热处理方法。

[3]

表2冷冲模工作零件的材料选用与热处理技术要求

模具种类

冲压条件

凹模

凸模

硬度/HRC

冲裁模

形状简单、小批量

T8A、T10A

58～62

形状较复杂、中批量、厚板

Cr12、9CrWMn、Cr12MoV

60～62

形状复杂、高耐磨

Cr12MoV

60～62

粉末高速钢

64～67

GCr9

58～62

硬质合金

88～89HRA

抗腐、防磁特殊要求

GCr9、GCr15

58～62

薄板、大批量

Cr12MoV

60～62

粉末高速钢

64～67

硬质合金

88～89HRA

4模具结构型式的确定

确定冲压工艺芳案以后应通过分析比较选择合理的模具结构形式，使它尽可能满足以下要求：

（1）能冲出符合技术要求的工件；

（2）能提高效率；

（3）模具制造的修模方便；

（4）模具有足够的寿命；

（5）模具易于安装调试，且操作方便安全。

5确定工艺方案

5.1分析产品图样，确定模具结构

如图1所示零件，此件要求的外形尺寸及内孔尺寸精度不高，况且需用的零件批量又较大，所以选用级进模结构比较合适。

级进模设计要求有以下几方面：

（1）要合理地进行工序安排；

（2）要正确绘制排样图；

（3）要合理地确定工位数及空位工位；

（4）要设计完好的导料及浮顶装置；

（5）要设计出可靠的卸料机构；

（6）要设计出精确的定距机构；

（7）凸凹模结构设计要合理；

（8）要有可靠的安全监测机构。

图1零件图

5.2确定零件的排样次序，画出排样图

鉴于零件的外形尺寸是800-0。

02×530-0。

12mm，为了不使模具的整体尺寸过大和便于手工送料故选用单排排样。

在冲压零件的成本中，材料费用一般占60％以上。

因此设法减少废料才能提高材料的利用率。

排样方法有三类：

（1）有废料排样是指沿工件全部外形冲裁，工件周边都留有搭边的排样，这种排样的缺点是材料利用率低，但有了搭边能保证冲裁件的质量，模具寿命也高。

（2）少废料排样是指工件部分外形冲裁，只有局部有搭边的排样。

（3）无废料排样是指工件与工艺之间及工件与条料侧边之间均无搭边的排样。

条料与直线或曲线的切断而得到工件。

少、无废料排样的缺点是工件质量较差，模具寿命不高。

但这两类排样可以节省材料，还具有简化模具结构提高生产率等优点。

经筛选后，其排样图如下图。

图2排样示意图

5.3确定冲裁位置

在冲孔与落料工序次序安排时，应先安排冲孔，后安排落料，以便于使先冲好的孔作为导正定位孔，以提高制作精度。

据图2所示的排样图，以φ20孔的位置为落料，整个零件的位置为冲孔。

5.4确定步距长度

由于选用级进模结构，为了确保精度，采用双侧刃定距，其步距大小可按下式计算：

x=L+a1、

（1）

式中x------------步距（mm）；

L------------工作沿送料方向最大长度（mm）；

a1-----------工作搭边宽度（mm）。

若选取:

a1=2,故:

x=L+a1=53+2=55mm

故取步距x=55mm

5.5计算条料的宽度

条料的宽度可以按下式计算：

B0-△=L+2a+hc

（2）

式中

B-----条料的公称尺寸（mm）；

a-----边距（mm）；

h-----侧刃数量，即单侧刃为1，双侧刃为2；

c-----侧刃裁切的条边宽度。

为定位准确，本模具准备采用双侧刃，故h=2；而从表2-34查取，当材料t=3mm时，a=3mm；当零件材料厚度t=3时，c=2.5mm，故条料的宽度应该是：

B=L+2a+hc=80+2×3+2×2.5=91（mm）

5.6侧刃长度计算

侧刃的长度一般应等于步距的长度，而宽度在6～8mm之间。

故取侧刃长度为55mm，宽度为8mm。

侧刃的位置，根据资料所述：

侧刃的位置可以根据冲模的具体情况而定。

但侧刃孔应尽量避开螺钉孔（最小距离不应小于4～5mm）。

若采用双向侧刃时，前一个侧刃中心位置，尽可能与被冲工件的中心线重合，后一个侧刃的位置可以任意选定。

5.7勾画草图，确定凹模外形尺寸

确定凹模外形尺寸时，可按选择冲件的冲裁位置来确定凹模各孔，即先画出各形孔及侧刃形孔位置,然后再确定凹模外形尺寸大小。

确定时，应注意凹模强度的要求。

其确定方法按手册所述确定。

根据以下公式：

H凹=k·b≧15式中（3）

H凹-----凹模厚度（mm）；

k-----修正系数，一般取0.2～0.6，材料越厚应取偏大值；

b-----凹模刃口最大长度（mm）。

根据零件图，t=3mm，刃口长度为55mm，而k=（0.2～0.6）取中间值0.35，故：

H凹=0.35×55=19.25（mm）

因此符合H凹=k·b≧15mm的要求，即查表得本凹模的厚度H凹=22mm。

因此，根据手册公式可直接算出凹模长度及宽度，即按以下的公式可知：

B=b+（3～4）H凹=（91-2×2.5+2×8）+4×20=182mm

A=a+（3～4）H凹=（55+6+20+55）+4×20=216mm

故经查表后初步确定凹模的外形尺寸为

A×B×H=216×182×22（mm）

其草图见图3。

图3凹模草图

5.8选定标准模具结构

根据所确定出的凹模外形尺寸（216×182×20）mm在手册中查到，05H基本与其接近，故选用05H级进模标准结构，其总图见附图的装配图。

从手册中查得的05H可知：

选定的标准级进模结构：

工作外形：

200×150（mm）

闭模宽度：

180（mm）

凸模长度：

65（mm）

而冲模标准坯件为：

凹模：

凹模是直接与材料接触去完成冲压工作的零件，也是直接影响冲件的质量的关键部件。

根据手册来选择05H级级进模的外形尺寸

A×B×H=200×150×22（mm）

其凹模示意图如下。

图4凹模示意图

刮料板：

刮料板（卸料板）是用来对条料进行推、卸、顶出模具的结构。

根据手册选择05H级级进模外形尺寸

A×B×H=200×150×14（mm）

其刮料板示意图如下。

图5刮料板示意图

凸模固定板：

凸模固定板是支撑零件，主要用来连接及固定模具工作零件，使之成为完整模具结构，支撑零件要有足够的刚度及强度。

根据手册选择05H级级进模外形尺寸

A×B×H=200×150×25（mm）

其凸模固定板示意图如下。

图6凸模固定板示意图

垫板：

垫板主要用来保护模板不因凸模压顶力过大而被损坏或出现凹窝。

根据手册选择05H级级进模外形尺寸

A×B×H=200×150×8（mm）

图7垫板示意图

导料板：

导料板外形尺寸由手册查得，其示意图如下：

图8导料板示意图

5.9计算凹模与凸模工作尺寸

凹模标准坯件选定后，可直接画出其外形尺寸，并在其内部按排样图画出各凹模型孔（包括侧刃）位置、形状、按照手册中查得的外形尺寸来绘制，按照手册中的计算方法计算出凹模形孔尺寸，并标出尺寸。

凸模，凸凹模固定板的外形与凹模的轮廓尺寸基本上是一致的，各凸模属于非标准件，按上述同样的方法计算后，分别画出各凸模零件图。

5.10绘制其他零件图

模具的卸料板，凸模固定板坯件外形尺寸在标准中已规定，其内部形孔尺寸，可以以画得的凹模形孔尺寸影印，其形状基本上与凹模孔相同，而尺寸可在技术要求上注出：

凸模固定板固定凸模孔，与凸模配合加工，并加工成H7/m6。

配合形式；而卸料板形孔与凸模配合加工，并加工成H7/h6配合形式。

5.10.1上模板与底座的选定

上模板和底座是模具和压力机工作台直接接触的零件，同时起支承模具零部件的作用，材料为HT200。

图9上模板示意图

图10底座示意图

5.10.2模柄的选定

模柄是连接上模与压力机的零件，1000KN以下的压力机的模具安装一般均采用模柄连接，由于该模具属于高精度冲裁，为了弥补压力机滑块的导向误差模柄采用浮动式模柄。

查手册选用05H级，材料为45钢淬硬处理硬度HRC43-48。

图11模柄示意图

5.10.3导柱导套的选定

模具导向有导板、导柱和导套、滚珠导柱和导筒等几种方式，最常见的是导柱和导套。

由于导柱、导套都是圆柱形加工方便、装配容易故在这副模具中选导柱和导套作为导向零件。

参照《模具设计与加工速查手册》导柱选05H级与之相配套的导套，在装配时把导柱装错位是为了便于装配是辨认避免装错提高装配效率。

导柱和导套的配合采用H6/h5。

导柱和导套为间隙配合。

要求配合表面坚硬和耐磨，且有一定的强韧性，材料选用20号钢，表面经过渗碳淬火处理，使导柱硬度达到HRC60-62，导套硬度达到HRC58-62，渗碳层深度0.8-1.2mm。

图12导柱示意图

图13导套示意图

5.10.4定位零件的选定

挡料销是用于限定条料送进距离的一种定位装置。

它在冲模中主要起条料定距、定位作用。

导正销多用于级进模中，在与其他机械配合下，对条料在前一个工位上冲出的圆孔进行精确的定位，以达到更高定距、定位的效果。

导正销一般装在后面工位的凸模上，以消除送料步距的误差，起精确定距的作用。

侧刃定距用在设计级进模时，为了限定条料的送进步距而采用的一种方式，即在冲模位于条料的侧边位置上加一个或两个切边凸模，并将条料每次冲程中切去一个窄条，其窄条长度恰好等于步距大小。

待下一个冲程来临时，窄条的后沿边被挡料块挡住而无法通过，则可以定距这就是侧刃。

利用侧刃定距，条料送料准确可靠，能保证有较高的送料精度和较高的生产率。

5.10.5紧固零件的选定

冲模中的紧固零件主要是内六角螺钉及圆柱销、安全销等，这些都是些标准件。

螺钉的作用主要是拉紧、连接冲模各零件。

而圆柱销除了起紧固作用外，还兼起定位作用。

因此选用级进模的05H级结构。

设计时，对标准件螺钉及销钉选用应遵循以下原则：

（1）螺钉最好选用内六角螺钉，其优点是紧固牢固，外形美观。

（2）销钉采用圆柱形，一套模具中应不少于两组。

（3）螺钉一般采用45号钢制成，其头部淬火硬度应为35～40HRC；销钉用T7、T8钢制成，其淬火硬度应为48～52HRC。

（4）销钉表面粗糙度应为：

Ra＜1.60μm。

（5）在设计时同一板上销钉孔与螺钉孔距离不应太小，以防降低模板强度。

（6）销钉与销孔配合。

销钉与销孔配合应设计加工成H7/m6精度。

（7）螺钉拧入基体内深度及圆柱销配合深度查手册。

图14安全销示意图

5.11绘制图样

绘制图样及出图方式可以采用如下两种方法：

第一种出图方法：

当工厂标准化程度较高时，设计者只画出凹模图及其他非标准件如凸模和某些标准件内孔即可，如凸模固定板、卸料板内部形孔，其余按标准件加工。

第二种出图方法：

在一些标准化程度不高的工厂，为方便装配与加工，采取将标准件影印后填空法设计，即方便又简单，达到模具快速设计的目的。

是将总图中的中间部位空白处，填上凹模。

而各标准件，和总图一样，在标准外形内部，填画上各形孔，并标注尺寸及公差。

尽管图样份数比第一种方法有所增加，但设计及画、描图时间大大缩短。

6利用CAXA建立模具型腔及数控仿真

6.1CAXA制造工程师

CAXA是北京华正软件工程研究所开发的系列软件,是具有独立知识产权的我国自主开发的CAD/CAM软件。

CAXA制造工程师具有较强的三维造型功能和灵活多样的加工方式,可自动生成加工刀具轨迹，通过后置处理生成数控加工代码,并能进行仿真、检查和编辑；最后利用数控机床加工出符合要求的零件。

[4]

6.2模具型腔的建立

利用CAXA对该零件生成模具的型腔，单击特征工具的型腔生成按钮，系统出现型腔对话框，输入各参数，确定后得到包围零件的长方体，进入草图界面拾取零件的一条棱边，使其投影到草图上。

这条边实际上是圆弧属性，但投影到草图上就变成了样条属性，样条线不能用来作为草图分模线，所以必须用一条直线来替换此样条线，方法是通过两端点画一条正交直线，然后删除样条线，并使直线向两边延长，超出长方体左右两边。

单击工具条中的分模按钮，选择除料方向，旋转显示分模后的实体就可以看到零件的型腔。

图15模具型腔示意图

6.3模具型腔的数控加工仿真

因为型腔坐标系相当于零件的坐标系沿X轴旋转了180度，坐标系的变化对造型本身并没有影响，但对于轨迹生成和仿真显示是有影响的。

如果要进行CAM自动编程还需要建立用户坐标系，CAXA制造工程师的轨迹仿真功能只能在编程坐标系和系统坐标系一致的情况下才有效。

因此在这里就对型腔在零件的基础上进行仿真。

图16模具型腔的数控仿真示意图

6.4生成数控程序

根据轨迹所仿真的结果来生成G代码，从应用工具条中选择后置处理中的生成G代码命令。

······

图17G代码示意图

7画装配图

利用AUTOCAD的绘图功能来完成装配图，了解各部分零件的作用来进行绘制。

绘制过程中要认真分析各部分零件的尺寸达到最佳的装配效果，绘制装配图时已经确定好的尺寸要符合国家标准，根据所选择的标准来绘制，虽然零件的尺寸是根据自己的设计而定的但是有些零件比如：

底座、导料板、上模板、凸模固定板、垫板、导柱、导套等一些零件是根据设计时选择的05H级进模的标准结构，因此这些零件只需要根据这些标准来绘图。

图18装配图

模具的工艺性零件主要包括冲孔凸模14和落料凸模5、凹模3、卸料板4和定位销9；结构性零件主要包括上模板6、底座5及导柱15、导套12等。

其凸模是由螺钉直接与上模板6固定，而凹模3是由销钉和螺钉固定在底座5上。

其中上模板6、底座5、导柱15、导套12组成模架，其功能是连接与承载工艺零件，使之成为一体组成模具。

模具在工作时，条料通过拖料板18导向送进模内，并由定位销20定位。

当压力机滑块下降时，通过模柄装在滑块上的上模板6、冲孔凸模14和落料凸模5也随之下降，冲孔凸模14和落料凸模5与板料接触并与凹模侧刃口作用将板料沿封闭的周边切断而冲下制品零件。

待压力机滑块回升是装在导料板16上的卸料板4将包在凸模上面的条料刮下，而零件制品则从底座5、漏料孔中漏下，完成全部冲压过程。

材料继续送进，再进行第二次冲压成形。

8运用Pro/ENGINEER对模具进行装配

Pro/ENGINEER是一款基于全参数化的计算机三维辅助设计软件，在业界享有极高的声誉，并拥有数以万计的用户。

由于其强大的功能、全参数化的设计方式，它被广泛应用于机械、汽车、航天、电子、家用电器等行业中，是目前全球领先的专业CAD／CAM类软件之一。

[5]

利用Pro/ENGINEER的功能对冲裁模的各部分结构进行分析，了解那些放在合适的位置才能发挥出最佳的效果，知道定位元件的位置如何定位的，这些定位是否符合要求，整体的立体图效果如下图所示。

图19立体装配示意图

装配时，将凸模压入凸模固定板，在垫板上钻孔，将外形凸模固定在垫板上，再与卸料板穿在一起。

将已组装为一体的凸模固定板、凸模、卸料板、垫板一同，将上模板通过导柱、导套与底座装在一起。

通过上模板钻、攻螺孔，使上模板、垫板、凸模固定板固定。

检查无误后钻、铰销钉孔，打入销钉，再钻螺纹孔，安装卸料螺钉。

上模全部拆开，将垫板淬硬磨平，再次装配上模，完成模具的装配。

9结束语

本论文主要论述了冲裁模的设计过程，通过对零件的分析选择合适的模具结构，确定零件的排样次序以及冲裁的位置、步距、条料的宽度和凸凹模的工作尺寸，利用CAXA生成模具型腔并进行数控仿真以及数控程序的编制，对这些方面本文都作了相应的介绍。

为了更好的了解模具的装配还运用Pro/ENGINEER进行了装配。

通过本论文的设计我学到了很多知识，在实践过程中本设计也收到良好的效果，因为在现代制造业中，无论哪一行业的工程装备，都越来越多地采用由模具工业提供的产品。

在论文设计过程中，对我所磨练出的敬业精神和团结精神一定会在今后的工作中发挥巨大的作用。

同时我相信这种精神一定会使我一步一步迈向成功。

参考文献

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[14]王利民.小型薄片冲裁