冲压工件的工艺分析及设计Word文件下载.docx
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1、级进模是多工序冲摸。
在一副模具内，可以包括冲裁、弯曲、成形和拉深等多种多道工序，具有比复合模更高的劳动生产效率。
2、级进模具有操作安全这样一个显著特点，因为手不必进入危险区域。
3、因为工序可以分散，不必集中在一个工位，不存在复合模“最小壁厚”的问题，因而模具强度较高，寿命较长。
4、级进模易于自动化，包括自动送料，自动出件（料），自动叠铆。
5、级进模工件和废料均往下漏，因而可以采用高速压力机生产。
6、使用级进模可以减少压力机，车间面积，半制品运输及仓库面积。
7、级进模较难保持内、外形相对位置的一致性，其原因是内、外形是逐次冲出的，每次冲压都有定位误差。
但是内、外形相对位置精度要求高的零件，有时不一定是全部轮廓有这样的要求，可能只是部分的。
碰到这种情况，可以在冲内形的同一工位上，把这部分轮廓同时冲出，从而保证零件的要求。
主要工艺参数计算
1、毛坯的尺寸计算：
该毛坯的工件展开图如图3所示
图3
按弯曲件展开尺寸来计算。
弯曲件的毛坯长度，是根据应变中性层在弯曲前后长度不变的原则来计算的。
应变中性层的位置常用曲率半径
表示，它与弯曲半径r，板厚t和应变中性层位移系数x等有关，可参见x0t=ρε-r，式中x0的数值由下表查得
表2弯曲90º
时变薄系数η和x0的数值
r/t
0.1
0.25
0.5
1.0
2.0
3.0
4.0
>
η
0.82
0.87
0.92
0.96
0.99
0.992
0.995
X0
0.32
0.35
0.38
0.42
0.445
0.47
0.475
所以x取值0.42
因为r=0.5>
0.5t=0.25
所以这类零件变薄不严重且断面畸变较轻，可以按中性层长度等于毛坯长度的原则来计算且零件弯曲角度为90º
，见图4所示。
图4
则毛坯展开长度为
L=l1+l2+Π/2（r+x0t）
式中：
r—弯曲半径（mm）；
r=0.5mm。
x0—应变中型层位移系数，x0=0.42。
t—材料厚度，t=0.5mm。
l1=10.5-r-t=9.5mm。
l2=22-r-t=21mm。
L=9.5+21+Π/2（0.5+0.42*0.5）=31.68mm则毛坯的外形尺寸为：
l3=13mm。
l4=L-6.5=25.18mm大半圆弧长l=2ΠR/2=20.41.
工序安排：
1、冲裁工序尽量避免采用复杂形状的凸模。
宁可多增加一个冲裁工序，以简化凸模形状。
2、U形件可分两次冲出，以避免材料拉长，冲出工件尺寸不一。
3、在不对称的弯曲中，工件易于滑动，可以用带齿镶块分别镶入弯曲凸模和顶板中，以防止工件滑动。
4、近弯曲的孔，弯曲后再冲，以防止孔变形。
5、轮廓旁的突起要先冲，以避免轮廓变形。
突起中间如有孔，可先冲一小孔；
冲突起后再将孔按要求冲足以便于突起成形时，材料流动。
如突起高度公差较紧，需考虑弹性回跳。
6、弯曲或拉深要求高时应加整形工序。
7、废料如连续，应增加切断工序，用废料切刀切断。
某些自动压力机本身有废料切刀，就不必在模具上考虑。
8、可以用冲压获得沉头孔。
合模时凸模平面与凹模小平头均伸入工件孔内并相互接触，以防止孔向内变形。
由于在合模方向有严格的尺寸要求，故凸模高度须待总装时修准。
9、为了防止在落料时引起离边缘很近的内孔发生变形，可将孔旁的边缘以冲孔方式先于内孔冲出。
10、有严格相对位置要求的局部内、外形，应考虑能否在同一工位上冲出，以保持精度。
搭边和料宽
排样中相邻两工件之间的余料或工件与条料边缘间的余料称为搭边。
搭边的作用是补偿定位误差，防止由于条料的宽度误差、送料步距误差、送料歪斜误差等原因而冲裁出残缺的废品。
此外，还应保持条料有一定的强度和刚度，保证送料的顺利进行，从而提高制件质量，使凸、凹模刃口沿整个封闭轮廓线冲裁，使受力平衡，提高模具的寿命和工件断面质量。
搭边值要合理确定。
搭边值过大，材料利用率低。
搭边值小材料利用率虽高，但过小时就不能发挥搭边的作用，在冲裁过程中会被拉断，造成送料困难，使工件产生毛刺，有时还会被拉入凸模和凹模间隙，损坏模具刃口，降低模具寿命。
搭边值值过小，会使作用在凸模侧表面上的法向应力沿着落料毛坯周长的分布不均匀，引起模具刃口的磨损，为避免这些现象，搭边值的最小宽度大约取为毛坯的厚度，使之大于塑变区的宽度。
影响搭边值大小的因素主要有：
1、材料的力学性能
2、材料的厚度
3、工件的形状和尺寸
4、排样的形式
5、送料及挡料方式
搭边a和a1的数值
材料厚度t（mm）
工件间a
侧面a1
0.25以下
1.8
0.25~0.5
1.2
1.5
0.5~0.8
0.8~1.2
0.8
1.2~1.6
1.6~2.0
2.0~2.5
2.5~3.0
2.2
3.0~3.5
2.5
表3
综合上述因素：
搭边值a取为1.2mm，a1=0见下面排样图
图5
所以送步进距为：
h=L+a=31.68+1.2=32.88mm。
材料的利用率:
排样时,在保证工件质量的前提下,主要考虑如何提高材料的利用率.材料利用率的计算公式如下:
一个进距的材料利用率η的计算见下式
η=nA/bh*100%
式中A-冲裁件面积（包括内形结构废料）;
n-一个进距内冲裁件数目
b-条料宽度
h-进距
η={1*[（6.52*π）/2+13*25.18]}/（13*32.88）*100%
=92.09%
各部分工艺力计算：
（1）落料力计算
计算冲裁力的目的是为了合理地选择压力机和设计模具，压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应冲裁的要求。
在冲裁过程中冲裁力的大小是不断变化的，下图所示为冲裁时冲裁力-凸模行程曲线。
图中AB段相当于冲裁的弹性
图6
变形阶段，凸模接触材料后，载荷急剧上升，但当凸模刃口一旦挤入材料，即进入塑性变形阶段后，载荷的上升就缓慢下来，如BC段所示。
虽然由于凸模挤入材料使承受冲裁力的材料面积减小，但只要材料加工硬化的影响超过受剪面积的影响，冲裁力就继续上升，当两者达到相等影响的瞬间，冲裁力达最大值，即图中的C点。
次后，受剪面积的减少超过加工硬化的影响，于是冲裁力下降。
凸模再继续下压，材料内部产生裂纹并迅速扩张，冲裁力急剧下降，如图中CD段所示，次为冲裁的断裂阶段。
次后所用的力仅是克服摩擦阻力，推出已分离的料。
落料力的大小主要与材料力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度有关。
F落=kltτ
式中l-冲裁周边长度件（mm）;
t-材料厚度（mm）;
τ-材料抗剪强度（MPa）;
k-系数,考虑到模具刃口的磨损,模具间隙的波动,材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素,一般取k=1.3.
L=2l4+l3+l=83.77mm
则;
F落=83.77*1.3*0.5*520
=28.32KN
（2）冲孔力计算
F冲=kltτ
式中l-工件内轮廓周长（mm）.
l=π（D1+D2+D3）=π（7+3+3）
=40.82（mm）
则F冲=1.3*40.82*0.5*520=13.80（KN）
（3）卸料力的计算
无论采用何种刃口冲模,当冲裁工件完成后,由于弹性变形,在板材上冲裁出的废料（或工件）孔径沿着径向发生弹性收缩,会紧箍在凸模上.而冲裁下来的工件（或废料）径向会扩张,并因要力图恢复弹性弯曲,所以会卡在凹摸孔内.为了使冲裁过程连续,操作方便,就需把套在凸模上板材卸下,把卡在凹模孔内的冲件或废料排出.从凸模上将零件或废料卸下来所需要的力称卸料力F卸顺着冲裁方向将零件或废料从凹模腔内推出的力称推件力F推,逆着冲裁方向将零件或废料从凹模腔顶出的力称为顶件力F顶.
F卸.F推.F顶.是由压力机和模具的卸料.顶件装置获得的影响.这些力的因素主要有材料的力学性能.材料的厚度.模具间隙.凸.凹模表面粗糙度.零件形状和尺寸以及润滑情况等.要准确计算这些力是困难的,实际生产中常用下列经验公式计算.
F卸=K卸F
F推=K推F
F顶.=K顶F
式中F=冲裁力（N）
由下表知:
卸料力.推件力顶件力系数
料厚
K卸
K推
K顶
钢
≤0.1
0.065~0.075
0.14
0.1~0.5
0.045~0.055
0.063
0.08
0.5~2.5
0.04~0.05
0.055
0.06
2.5~6.5
0.03~0.04
0.045
0.05
6.5
0.02~0.03
0.025
0.03
铝铝合金
0.025~0.08
0.03~0.07
紫铜黄铜
0.02~0.06
0.03~0.09
表4
故K卸为0.02~0.06
K推=K顶为0.03~0.09
所以F卸=K卸（F落+F冲）=0.06*（28.32+13.80）
=2.53KN
F推=K推F冲n
冲孔凹模刃口直壁高度h=1.5mm,则
n=1.5/0.5=3
所以F推=3*0.09*13.80=3.73KN
（4）弯曲力计算
自由弯曲力
弯曲力的数值与毛坯尺寸（B,T）,材料力学性能,凹模支点间距L等因素有关,同时还与弯曲形式和模具结构等多种因素有关.因此生产中通常采用经验公式来计算弯曲力.最大自由弯曲力（N）为:
F自=ckBt2σb/（r+t）
式中C-与弯曲形式有关的系数,对于V形件C取0.6,U形件C取0.7;
K-安装系数,一般取1.3;
B-条料宽度（mm）;
r-弯曲半径（mm）;
σb-材料强度极限（MPa）;
所以F自=0.6*1.3*13*0.52*650/（0.5+0.5）
=1.65KN
校正弯曲力
为了提高弯曲件的精度,减小回弹,在板材自由弯曲的终了阶段,凸模继续下行将弯曲件压靠在凹模上,其实质是对弯曲件的圆角和直边进行精压,此为校正弯曲.此时弯曲件受到凸凹模的挤压,弯曲力急剧增大.校正弯曲力（N）可用下式计算.
F校=pA
式中p-单位面积上的校正力
A-校正面垂直投影面积（mm2）
单位校正压力的数值
p值可查下表
材料厚度
t（mm）
<
3
3～10
铝
30～40
50～60
黄铜
60～80
80～100
10～20钢
100～120
25～35钢
120～150
（BT1）
钛合金
（BT3）
160～180
180～210
160～200
200～260
表5
由表5查得
p取80
A=4*13+π*6.52/2-π*1.52
=0.11（KN）
所以F校=80*0.11=8.8（KN）
则总冲压力为
F总=F落+F冲+F卸+F推+F弯+F校+F压
=28.32+13.80+2.53+3.73+1.65+8.8+1.32
=60.15（KN）
提高弯曲件精度的工艺措施
弯曲时的主要质量问题有：
拉裂、截面畸变、翘曲及回弹
一、拉裂
拉裂多发生在弯曲半径和弯曲角度要求过于严格的情况下。
当板材较厚时应变梯度较小，抑制裂纹产生和发展的能力也小，更易产生拉裂现象。
解决措施：
1、适当增加凸模圆角半径，或者用经退火和塑性较好的材料；
2、使弯曲线与板材纤维方向垂直或成45°
方向；
3、将有毛刺的一面放在弯曲凸模一侧；
4、采用附加反压的弯曲方法。
二、截面畸变
窄板弯曲时，外层切向受拉伸长，引起板宽和板厚的收缩；
内层切向受压收缩，使板宽和板厚增加。
因此，弯曲变形的结果，板材截面为梯形，同时内外层表面发生微小的翘曲。
如果弯曲件的宽度B精度要求较高时，不允许有鼓起现象，这时可在弯曲线两端先做出工艺切口。
三、翘曲
宽板弯曲时，变形区内横截面形状变化不大，仍为矩形。
在弯曲过程中为保持弯.
曲线的笔直状态，这两个拉压相反的应力在横向形成一平衡力矩。
当卸去外载和取处弯曲件后，引起回弹的同时，在宽度方向也引起与弯矩方向相反的弯曲。
解决办法：
从模具结构上采取措施，如采用带侧板的弯曲模，可以阻止材料沿弯曲线侧向流动而减小翘曲；
还可以在弯曲模上将翘曲量设计在与翘曲方向相反的方向上。
三、弯曲回弹
卸载后弯曲角形状和尺寸发生变化的现象，称为弯曲回弹，简称回弹
影响弯曲回弹量的因素：
1、材料力学性能：
材料的屈服强度越大，弹性模量越小，加工硬化越严重，则弯曲回弹量也越大。
2、相对弯曲半径r/t，当r/t较小时，弯曲毛坯内，外表面上切向变形的总应变值较大。
虽然弹性应变的数值也在增加，但在总应变当中所占比例却是在减小，因而回弹量小。
3、弯曲角越大，表示变形区长度越大，角度回弹也越大。
但对曲率半径的回弹没有影响。
4、弯曲方式和模具结构：
在无低凹模作自由弯曲时，回弹量最大，较正弯曲时，变形区的应力和应变状态都与自由弯曲差别很大，增加校正力可以减小回弹。
对相对弯曲半径小的V形件进行校正弯曲时，角度回弹量有可能为负值。
5、摩擦：
毛坯和模具表面之间的摩擦，尤当一次弯曲多个部位时，对回弹的影响较为显著。
一般认为摩擦可增大变形区内的拉应力，是零件的形状更接近于模具形状。
但是，拉弯时摩擦的影响是非常不利的。
弯曲件的回弹量大小，还受弯曲件的形状。
板材厚度偏差、模具间隙和模具圆角半径等因素的影响。
但是，可以采取一些工艺措施，使回弹量控制在许可范围内，以提高弯曲件的质量。
减小弯曲回弹的措施：
根据以上对弯曲回弹诸因素的分析,可得出下面几种减小回弹的措施.
1、合理设计产品
2、改变应力状态
（1）校正法
（2）纵向加压法
（3）拉弯法
2、利用回弹规律
（1）补偿法
（2）软模法
冲压设备的选择
冲压设备的选择
（a）冲压设备类型的选择根据所要完成的冲压工艺的性质，生产批量的大小，冲压件的几何尺寸和精度要求等来选择设备的类型。
对于中小型的冲裁件,弯曲件或拉伸件的生产，主要采用开式机械压力机。
虽然开式冲床的刚度差,在冲压力的作用下床身的变形能够破坏冲裁模的间隙分布，降低模具的寿命或冲裁件的表面质量。
可是，由于它提供了极为方便的操作条件和非常容易安装机械化附属装置的特点，使它成为目前中、小型冲压设备的主要形式。
（b）冲压设备规格的确定在冲压设备的类型选定之后，应该进一步根据冲压件的尺寸、模具的尺寸和冲压力来确定设备的规格。
压力机的行程大小应适当。
由于压力机的行程影响到模具的张开高度，因此对于冲裁、弯曲等模具，其行程不宜过大，以免发生凸模与导板分离或滚珠导向装置脱开的不良后果。
对于拉伸模，压力机的行程至少应大于成品零件高度的两倍以上，一保证毛胚的放进和成形零件的取出。
所选压力机的闭合高度应与冲模的闭合高度相适应。
即满足：
冲模的闭合高度介于压力机的最大闭合高度和最小闭合高度之间的要求。
压力机工作台面的尺寸必须大于模具下模座的外形尺寸，并还要留有安装固定的余地。
但在过大的工作台面上安装过小尺寸的冲模时，对工作台面的受力条件也是不利的。
为安全起见,防止设备的超载,可按公称压力F压≥（1.6～1.8）F总的原则（则F压≥60.15*1.8=108KN）选取压力机.查阅参考资料可选取公称压力为160KN的开式双柱可倾压力机（J23-16）,该压力机与模具设计的有关系数为:
公称压力/KN160
滑块行程/mm55
滑块行程次数/（次/min）120
最大闭合高度/mm220
最大装模高度/mm180
连杆调节高度/mm45
滑块中心线至床身距离/mm160
床身两力柱间距离/mm220
工作台尺寸/mm前后300
左右450
垫板尺寸/mm厚度40
孔径210
模柄尺寸/mm直径40
深度60
最大倾斜角度/%35
电动机功率/KW1.50
前后1130
床身外形尺寸/mm左右921
高度1890
机床总质量/kg1055
模具工作零件的设计
落料、冲孔、弯曲模刃口始用间隙根据下表查出。
材
料
名
称
45
T7、T8
65Mn
铍青铜
力学性能
HBS≥190σb≥600MPa
厚度t
始用间隙Z
Zmin
Zmax
0.015
0.035
0.2
0.3
0.04
0.10
0.13
0.16
0.17
0.20
表6
σb=600～650MPa，t=0.5mm
所以Zmin=0.08Zmax=0.10
1、凸模的设计：
A、圆凸模
1、凸模的形式：
主要根据冲裁件的形状和尺寸而定。
常见的圆凸模结构形式如下图所示：
图中a、c适用于冲裁直径d=1～20mm的冲裁件，为避免应力集中和保证强度与刚度方面的要求，而作成圆滑过度的阶梯形式或在中部增加过度阶段。
图b适用的冲裁直径d=8～30mm。
图d适用于冲制孔径与料厚相近的小孔。
采用保护套结构既可以提高抗弯能力，又能够节省模具钢。
本设计采用图a形式，此形式凸模与固定板紧配合，上端带台阶，以防拉下。
2、凸模的尺寸计算：
刃口尺寸计算
模具工作部分尺寸及公差的计算方法与加工方法有关，基本可分为两类。
1、与凹模分开加工：
2、与凹模配合加工：
首先按分开加工方法计算
凸模与凹模分开加工是指凸模与凹模分别按图样加工至尺寸。
次种方法适用于圆形成形状简单的工件，为了保证凸模与凹模间初始间隙小于最大合理间隙Zmax，不仅凸模与凹模分别标注公差而且要求有较高的制造精度，以满足如下条件：
δp+δd≤Zmax–Zmin
冲裁凸模的制造公差等级查下表得
规则形状（圆形、方形件）冲裁时凸、凹模的制造公差
基本尺寸
凸模公差
δ凸
凹模公差
δ凹
≤18
0.020
＞18～30
＞30～80
0.030
＞80～120
＞120～180
0.040
表7
所以
Ф3凸模尺寸3-0.020凹模尺寸30+0.02
校核
δ凸+δ凹=0.02+0.02=0.04
Zmax-Zmin=0.10-0.08=0.02
δ凸+δ凹＞Zmax-Zmin
所以凸凹模只能采用配合加工的方法计算。
对于冲制形状复杂或薄板制件的模具,其凸凹模往往采用配合加工的方法。
次方法是先加工好凸模或凹模作为基准件,然后根据次基准件的实际尺寸,配做凹模或凸模,使它们保持一定的间隙因此只需在基准件上标注尺寸及公差,另一件只标注标准尺寸,并注明“╳╳尺寸按凸模或凹模配件，保证双面间隙╳╳”。
这样，可放大基准件的制造公差。
其公差不再受凸、凹模间隙大小的限制，制件容易，并容易保证凸、凹模间的间隙。
由于复杂形状工件各部分尺寸性质不同，凸、凹模磨损后，尺寸变化的趋势也不同，所以基准件的刃口尺寸计算的方法也不相同。
对于冲Ф3、Ф7的孔，冲裁凸、凹模的制造公差可查表7
δ凸=0.02δ凹=0.02Δ=0.2
则对冲Ф3的孔
d凸=（d+xΔ）0-δ凸=3.10-0.02
d凹=（d+xΔ+Zmin）0+δ凹=3.180+0.02
对冲Ф7的孔
d凸=（d+xΔ）0-δ凸=7.10-0.02
d凹=（d+xΔ+Zmin）0+δ凹=7.18+0.020
B对于异形凸模
落料应以凹模为基准件，然后配做凸模。
先做凹模，凹模磨损后，刃口尺寸的变化有增大、减小和不变三种情况。
显然次设计的工件凹模磨损后尺寸变大。
计算这一类尺寸，先把工件尺寸化为A0-Δ,再按落料凹模公式计算：
Ad=（A+xΔ）0δd
Ad-凹模刃口尺寸（mm）
Δ-工件公差Δ=0.2
δd-凹模制造偏差（mm）,δd=Δ/4
X-摩擦因数
摩擦因数x的值查下表
t/mm
非圆形x值
圆形x值
1
0.75
工件公差Δ/mm
0.17～0.35
≥0.36
≥0.16
1～2
0.21～0.41
≥0.42
≥0.20
2～4
0.24
0.25～0.49
≥0.50
≥0.24
＞4
0.30
0.21～0.59
≥0.60
≥0.30
表8
所以XAB=XDC=XAD=0.75
XBC=0.5
XABd=XDCd=（9.7-0.75*2）Δ/40=9.55+0.050
XBCd=（20.41-0.5*0.2）Δ/40
=20.40+0.050
XAdd=（15.28-0.75*0.2）Δ/40
=15.13+0.050
该零件凸模刃口按上述凹模的相应尺寸配制，保证双面间隙值Zmin～Zmax=0.08～0.10mm
其余尺寸采用国家标准
表9
d
D
D1
h
L
极限偏差
6
+0.012
+0.004
9
36
7.0
10
+0.015
+0.006
13
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