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宜宾职业技术学院模具毕业设计
车门垫板零件的冲裁模设计
摘要
本文介绍了客车上车门垫板的冲裁模设计全过程。
首先对制件进行分析、冲压工艺分析以及确定模具的总体结构、计算推件装置的工艺参数、搭边值等，又确定了该冲压模工作零件的结构形式以及加工工艺流程，并对所设计的工作零件进行分析说明，采用CAD软件绘制冲压模具工作零件的零件图。
关键词：
垫板；冲裁模；推件装置
1绪论
近年来，冲压成形工艺有很多新的进展，特别是精密冲裁、精密成形、精密剪切、复合材料成形、超塑性成形、软模成形以及电磁成形等新工艺日新月异，冲压件的精度日趋精确，生产率也有极大提高，正在把冲压加工提高到高品质的、新的发展水平。
前几年的精密冲压主要市是指对平板零件进行精密冲裁，而现在，除了精密冲裁外还可兼有精密弯曲、压延、压印等，可以进行复杂零件的立体精密成形。
过去的精密冲裁只能对厚度为5～8mm以下的中板或薄板进行加工，而现在可以对厚度达25mm的厚板实现精密冲裁，并可对σb>900MPa的高强度合金材料进行精冲。
为了满足制件更新换代快和生产批量小的发展趋势，发展了一些新的成形工艺（如高能成形和旋压等）、简易模具（如软模和低熔点合金模等）、通用组合模具和数控冲压设备等。
这样，就使冲压生产既适合大量生产，也同样适用于小批生产。
不断改进板料性能，以提高其成形能力和使用效果，例如研制高强度钢板，用来生产汽车覆盖件，以减轻零件重量和提高其结构强度。
客车上车门垫板零件是冲压生产的一个典型零件，在客车生产中有很强的作用，其模具设计有一定的实用价值。
对于该制件我们利用先进的模具生产提高生产效益、保证产品质量、节约成本，从而取得很高的经济效益。
2冲压件工艺分析
图2-1零件简图
生产批量：
大批量；
材料：
10钢；
材料厚度：
2mm；
未注公差：
IT14。
2.1材料分析
表2-1部分碳素钢抗剪性能
材料名称
牌号
材料状态
抗剪强度（Mpa）
抗拉强度（Mpa）
屈服点（Mpa）
伸长率（%）
碳素结构钢
10
未退火
260~340
290~430
210
26
15
270~380
335~470
230
25
由上表2-1可知：
10钢是碳素结构钢，具有较好的冲裁成形性性能，适合要求较高的零件。
综合评比均适合冲裁加工。
2.2零件结构
零件结构形状相对简单，无尖角，对冲裁加工较为有利。
零件中有一个矩形孔和一个不规则的矩形孔，孔的边长最小尺寸为10mm，孔离工件边缘的距离最小为5mm。
根据该零件形状来分析，该零件的结构满足冲裁要求。
2.3尺寸精度
该零件上尺寸都未注尺寸公差，所以尺寸公差由公差等级表查得：
对于未注公差尺寸，属于自由尺寸，按IT14查表2-2得到：
落料尺寸：
800-0.74，250-0.52。
冲孔尺寸：
100+0.43，150+0.43。
距离尺寸：
200-0.52，100-0.43。
通过查公差等级表，我们发现普通冲裁能够满足零件精度要求。
表2-2常见零件公差等级表
公差等级
IT4
IT5
IT6
IT7
IT8
IT9
IT10
IT11
IT12
IT13
IT14
基本尺寸/mm
/μm
/mm
≤3
＞3~6
＞6~10
＞10~18
＞18~30
＞30~50
＞50~80
＞80~120
＞120~180
＞180~250
＞250~315
＞315~400
＞400~500
3
4
4
5
6
7
8
10
12
14
16
18
20
4
5
6
8
9
11
13
15
18
20
23
25
27
6
8
9
9
13
16
19
22
25
29
32
36
40
10
12
15
18
21
25
30
35
40
46
52
57
63
14
18
22
27
33
39
46
54
63
72
81
89
97
25
30
36
43
52
62
74
87
100
115
130
140
155
40
48
58
70
84
100
120
140
160
185
210
230
250
60
75
90
110
130
160
190
220
250
290
320
360
400
0.10
0.12
0.15
0.18
0.21
0.25
0.30
0.35
0.40
0.46
0.52
0.57
0.63
0.14
0.18
0.22
0.27
0.33
0.39
0.46
0.54
0.63
0.72
0.81
0.89
0.97
0.25
0.30
0.36
0.43
0.52
0.62
0.74
0.87
1.00
1.15
1.30
1.40
1.55
3冲裁方案的确定
3.1冲裁工艺方案的确定
在冲裁工艺分析和技术经济分析的基础上，根据冲裁件的特点确定工艺方案。
工艺方案分为冲裁工序的组合和冲裁顺序的安排。
3.2冲裁工艺方法的选择
冲裁工序分为单工序冲裁、复合冲裁和级进冲裁三种。
单工序冲裁是在压力机一次行程内只完成一个冲压工序的冲裁模。
复合冲裁是在压力机一次行程内，在模具的同一位置同时完成两个或两个以上的冲压工序。
级进冲裁是把冲裁件的若干个冲压工序，排列成一定的顺序，在压力机的一次行程中条料在冲模的不同位置上，分别完成工件所要求的工序。
其三种工序的性能见表3-1：
表3-1单工序冲裁、级进冲裁和复合冲裁性能
比较项目
单工序模
复合模
级进模
生产批量
小批量
中批量和大批量
中批量和大批量
冲压精度
较低
较高
较高
冲压生产率
低，压力机一次行程内只能完成一个工序
较高，压力机一次行程内可完成二个以上工序
高，压力机在一次行程内能完成多个工序
实现操作机械化自动化的可能性
较易，尤其适合于多工位压力机上实现自动化
制件和废料排除较复杂，只能在单机上实现部分机械操作
容易，尤其适应于单机上实现自动化
生产通用性
通用性好，适合于中小批量生产及大型零件的大量生产
通用性较差，仅适合于大批量生产
通用性较差，仅适合于中小型零件的大批量生产
冲模制造的复杂性和价格
结构简单，制造周期短，价格低
冲裁较复杂零件时，比级进模低
冲裁较简单零件时低于复合模
复合模的特点是生产效率高，冲裁件的内孔与外缘的相对位置精度高，板料的定位精度要求比级进模低，冲模的轮廓尺寸较小。
由于零件的生产要求的是大批量生产、零件的尺寸较小，制造相对比较难，为提高生产率，根据上述方案分析、比较，宜采用复合模冲裁。
3.3冲裁结构的选取
按照复合模工作零件的安装位置不同，分为正装式复合模和倒装式复合模两种，两种的优点、缺点及适用范围见表3-2：
表3-2正装式复合模、倒装式复合模的优点、缺点及适用范围
比较项目
正装（顺装）式复合模
倒装式复合模
结构
凸凹模装在上模，落料凹模和冲孔凸模装在下模
凸凹模装在下模，落料凹模和冲孔凸模装在上模
优点
冲出的冲件平直度较高
结构较简单
缺点
结构复杂，冲件容易被嵌入边料中影响操作
不宜冲制孔边距离较小的冲裁件
适用范围
冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件，还可以冲制孔边距离较小的冲裁件
不宜冲制孔边距离较小的冲裁件，但倒装式复合模结构简单、又可以直接利用压力机的打杆装置进行推件，卸料可靠，便于操作，并为机械化出件提供了有利条件，故应用十分广泛
通过对正装式复合模和倒装式复合模两种优点、缺点及适用范围的分析比较，正装式复合模适合于冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件，还可以冲制孔边距离较小的冲裁件。
而倒装式复合模不宜冲制孔边距离较小的冲裁件，但倒装式冷冲模结构简单，可以直接利用压力机打杆装置进行推件，卸件可靠，便于操作，并为机械化出件提供了有利条件，故应用十分广泛。
综上所述，该制件结构形状简单，精度要求较低，孔边距较大，宜采用倒装式复合模。
4模具总体结构的确定
4.1模具类型的选择
由以上冲压工艺分析可知，采用复合模冲压，模具类型为倒装式复合模。
4.2送料方式的选择
由于零件的生产批量是大批量及模具类型的确定，合理安排生产可采用前后自动送料方式。
4.3定位方式的选择
因为该模具采用的是条料，控制条料的送进方向采用导料销，无侧压装置。
控制条料的送进布局采用挡料销定距。
而第一件的冲压位置因为条料长度有一定余量，可以靠操作工目测来定。
4.4卸料、出件方式的选择
刚性卸料是采用固定卸料板结构，常用于较硬、较厚且精度要求不高的工件冲裁后卸料。
弹性卸料具有卸料与压料的双重作用，主要用在冲料厚在2mm及以下厚度的板料，由于有压料作用，冲裁件比较平整。
弹压卸料板与弹性元件、卸料螺钉组成弹压装置。
因为工件料厚为2mm，卸料力一般，可采用弹性卸料装置。
又因为是倒装式复合模生产，所以采用下出件比较便于操作与提高生产效率。
4.5导向方式的选择
方案一：
采用对角导柱模架。
由于导柱安装在模具压力中心对称的对角线上，所以上模座在导柱上滑动平稳。
常用于横向送料级进模或纵向送料的落料模、复合模。
方案二：
采用后侧导柱模架。
由于前面和左、右不受限制，送料和操作比较方便。
因为导柱安装在后侧，操作者可以看见条料在模具中的送进动作。
但是不能使用浮动模柄。
方案三：
采用四导柱模架。
具有导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点。
常用于冲压件尺寸较大或精度要求较高的冲压零件及大量生产用的自动冲压模架。
方案四：
采用中间导柱模架。
导柱安装在模具的对称线上，导向平稳、准确。
只能一个方向送料。
（a）（b）（c）（d）
图4-1导柱模架
（a）下模座（b）导柱（c）导套（d）上模座
根据以上方案比较并结合模具结构形式和送料方式，为提高模具寿命和工件质量，采用后侧导柱模架，操作者可以看见条料在模具中的送进动作。
由于前面和左、右不受限制，能满足工件成型的要求。
即方案二最佳。
5工艺参数计算
5.1排样方式的选择
冲裁件在板料、带料或条料上的布置方法称为排样。
排样的意义在于减小材料消耗、提高生产率和延长模具寿命，排样是否合理将影响到材料的合理利用、冲件质量、生产率、模具结构与寿命。
排样的方法有：
直排、斜排、对直排、混合排，根据设计模具制件的形状、厚度、材料等方面全面考虑。
因此有下列三种方案：
方案一：
有废料排样沿冲件外形冲裁，在冲件周边都留有搭边。
冲件尺寸完全由冲模来保证，因此冲件精度高，模具寿命高，但材料利用率低。
方案二：
少废料排样因受剪切条料和定位误差的影响，冲件质量差，模具寿命较方案一低，但材料利用率稍高，冲模结构简单。
方案三：
无废料排样冲件的质量和模具寿命更低一些，但材料利用率最高。
采用少、无废料排样法，材料利用率高，不但有利于一次冲程获得多个制件，而且可以简化模具结构，降低冲裁力，但受条料宽度误差及条料导向误差的影响，冲裁件的尺寸精度不易保证，故应采用方案一。
分析零件形状，应采用单直排的排样方式，零件可能的排样方式有图5-1和图5-2所示两种。
图5-1竖排示意图
图5-2横排示意图
5.1.1搭边值的确定
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。
搭边是废料，从节省材料出发，搭边值应愈小愈好。
但过小的搭边容易挤进凹模，增加刃口磨损，降低模具寿命，并且也影响冲裁件的剪切表面质量。
一般来说，搭边值是由经验和查表来确定的，该制件的搭边值采用查表取得。
如表5-1所示：
根据此表和工件外形可知L﹥50mm，可确定搭边值a和a1，a取2.2mm，a1取2.0mm，较为合理。
表5-1搭边a和a1数值（低碳钢）
mm
材料厚度t
矩形件边长L≥50mm或圆角r≤2t的工件
工件间a1
沿边a
0.25以下
2.8
3.0
0.25~0.5
2.2
2.5
0.5~0.8
1.8
2.0
0.8~1.2
1.5
1.8
1.2~1.6
1.8
2.0
1.6~2.0
2.0
2.2
2.0~2.5
2.2
2.5
2.5~3.0
2.5
2.8
宽度的确定：
根据模具的结构不同，可分为有侧压装置的模具和无侧压装置的模具，侧压装置的作用是用于压紧送进模具的条料（从料带侧面压紧），使条料不至于侧向窜动，以利于稳定地加工生产。
本套模具无导料板为无侧压装置。
故按下式计算：
B
=（Dmax+2a+C）
（5-1）式中:
B—条料宽度；
Dmax—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；
a1—侧搭边值，可参考表5-1；
-△—条料宽度的单向（负向）偏差，见表5-2；
C—导料板与最宽条料之间的间隙，其最小值见表5-3。
表5-2剪料公差及条料与导料板之间隙mm
条料宽度
B/mm
材料厚度t/mm
0~1
1~2
2~3
3~5
~50
50~100
100~150
150~220
220~300
0.4
0.5
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
表5-3有侧压装置和无侧压装置对照表mm
材料厚度t（mm）
无侧压装置
有侧压装置
条料宽度B（mm）
<100
≥100~200
≥200~300
<100
≥100
0~0.5
0.5~1
1~2
2~3
3~4
4~5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
5
5
5
5
5
5
8
8
8
8
8
8
所以根据以上理论数据由公式（5-1）得出：
纵排：
条料宽度B
=（Dmax+2a+C）
=80+4.4+0.5=84.9-00.6
横排：
条料宽度B
=（Dmax+2a+C）
=25+4.4+0.5=29.9-00.6
5.1.2材料利用率的计算
冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比就叫材料利用率，它是衡量合理利用材料的经济性指标。
关于材料利用率，可用下式表示：
η=A/BS×100%（5-2）
式中:
A—一个步距内冲裁件的实际面；
B—条料宽度；
S—步距。
由图5-1和图5-2；公式（5-2）得：
A=80×25
=2000（mm2）
纵排：
η=A/BS×100%
=[2000÷（27×84.4）]×100%
≈87.66（％）
横排：
η=A/BS×100%
=[2000÷（82×29.4）]×100%
≈82.68（％）
根据上述纵排、横排两个式子的计算对比，可确定纵排的材料利用率比横排的材料利用率高。
结合模具结构总体结构，方便操作，最终选用图5-1纵排作为零件的排样图，具体如图5-3所示：
图5-3排样示意图
5.2冲压力的计算
计算冲裁力是为了选择合适的压力机，设计模具和检验模具的强度，压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适宜冲裁的要求，普通平刃冲裁模，其冲裁力Fp一般可以按下式计算：
Fp=KptLτ（5-3）
式中:
τ—材料抗剪强度，见表5-3（MPa）；
L—冲裁周边总长（mm）；
t—材料厚度（mm）;
系数Kp是考虑到冲裁模刃口的磨损，凸模与凹模间隙之波动（数值的变化或分布不均）润滑情况，材料力学性能与厚度公差的变化等因数而设置的安全系数Kp，一般取1～3。
当查不到抗剪强度τ时，可以用抗拉强度σb代替τ，而取Kp=1.3的近似计算法计算。
由于10钢的力学性能查表5-1可得：
抗剪强度τ取350MPa。
τ的数值取决于材料的种类和坯料的原始状态，可在设计资料及有关手册中查找，本设计τ取值的通过查下表确定，材料厚度t=2mm，取τ=300MPa。
表5-4部分材料抗简强度τ/MPa
材料名称
牌号
材料状态
抗剪强度τ/MPa
碳素结构钢
10
已退火
260~340
15
270~380
20
280~400
35
400~520
5.2.1总冲裁力的计算
由于冲裁模具采用弹性卸料装置和自然落料方式。
F冲=F1+F2（5-4）
式中:
F冲—总冲裁力；
F1—落料时的冲裁力；
F2—冲孔时的冲裁力。
冲裁周边的总长（mm）
落料周长为：
L1=（80+25）×2
=210（mm）
冲孔周长为：
L2=2×（10+15）＋2×（25+2.5）+10+15
=130（mm）
落料冲裁力由公式（5-3）得：
F1=KptL1τ
=1.3×2×210×300
=163800（N）
冲孔冲裁力由公式（5-3）得：
F2=KptL2τ
=1.3×2×130×300
=101400（N）
5.2.2卸料力、推件力的计算
当上模完成一次冲裁后，冲入凹模内的制件或废料因弹性扩张而梗塞在凹模内，模面上的材料因弹性收缩而会紧箍在凸模上。
为了使冲裁工作连续，操作方便，必须将套在凸模上的材料刮下，将梗塞在凹模内的制件或废料向下推出或向上顶出。
从凸模上刮下材料所需的力，称为卸料力；从凹模内向下推出制件或废料所需的力，称为推料力。
模具采用弹性卸料装置和推件结构，凹模型口直壁高度h=6mm，所需卸料力F卸和推件力F推分别为：
推件力、卸料力计算公式如下：
F推=nK推F冲（5-5）
F卸=K卸F落（5-6）
式中：
F推—推件力；
F卸—卸料力；
F冲—冲裁力；
K卸—卸料力系数，见表5-4；
K推—推件力系数，见表5-4；
n—卡在凹模里的工件个数，n=h/t。
表5-5卸料力、推件力和顶件力系数mm
料厚/mm
K卸
K推
K顶
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
0.02~0.02
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
铝及铝合金
紫铜、黄铜
0.025~0.08
0.02~0.06
0.03~0.07
0.03~0.09
注：
卸料力系数K卸在冲多孔、大搭边和轮廓复杂时取上限值。
K推-推件力系数通过查表5-4确定，推件力系数取K推＝0.055；
由公式（5-5）得：
推件力F推=nK推F冲
=6/2×0.055×101400
=16731（N）
K卸—卸料力系数通过查表5-4确定，卸料力系数取K卸＝0.045；
由公式（5-6）得：
卸料力F卸=K卸F落
=0.045×163800
=7371（N）
5.2.3总冲压力的计算
F=F冲+F落+F卸+F推
=101400+163800+16731+7371
=289302（N）
5.2.4初选压力机
压力机可分为机械式和液压式，机械式分为摩擦压力机、曲柄压力机、高速冲床，液压式分为油压机、水压机，而在生产中一般常选用曲柄压力机，曲柄压力机分有开式和闭式两种，开式机身形状似英文字母C，其机身前端及左右均敞开，操作可见大，但机身刚度差，压力机在工作负荷作用下会产生变形，一般压力机吨位不超过2000KW。
闭式机左右两侧封闭，操作不方便，但机身刚度好，压力机精度高。
考虑到经济性能、加工要求和操作方便在此选开式压力机。
根据以上计算数值，查下表5-5初选压力机为J23-35型压力机。
表5-6开式压力机规格及参数
型号
J23-10
J23-16
J23-25
J23-35
J23-40
公称压力/KN
100
160
250
350
400
滑块行程/mm
45
55
65
100
100
最大闭合高度/mm
180
220
270
290
330
闭合高度调节/mm
35
45
55
60
65
滑块中心线至床身
距离/mm
130
160
200
200
250
滑块底面尺寸/mm
前后
150
180
220
220
260
左右
170
200
250
250
300
工作台板厚度/mm
35
40
50
290
65
模柄孔尺寸/mm
直径
30
40
40
40
50
深度
35
60
60
60
70
5.2.5压力中心的确定
模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。
为了确保压力机和模具正常工作，应使模具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，使滑块和导轨之间产生过大的摩擦，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。
冲模的压力中心，可按下述原则来确定：
（1）对称形状的单个冲裁件，冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。
（2）工件形状相同且分布位置对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。
（3）形状复杂的零件、多孔冲模、级进模的压力中心可用解析计算法求出冲模压力中心。
解析法的计算依据是：
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X0，Y0（即x=0，y=0），即为所求模具的压力中心。
单个零件的压力中心计算如下：
X0=（L1X1+L2X2+……LnXn）／（L1+L2+……Ln）（5-7）
Y0=（L1Y1+L2Y2+……LnYn）／（L1+L2+……Ln）
式中：
X0—压力中心的横坐标；
Y0—压力中心的纵坐标；
L—各线段的长度；
X—各线段重心的横坐标；
Y—各线段重心的纵坐标。
分析本制件图2-1可知，该图关于X轴对称，外轮廓为中心对称。
所以压力中心的Y轴为0只需要求X值。
由图5-3分析压力中心：
图5-3压力中心分析
表5-7零件压力中心坐标
线段长度（mm）
各线段压力中心坐标
X
L1=210
0
L2=50
-22.5
L3=10
5
L4=20
12.5
L5=5
20
L6=20
25
L7=15
30
根据公式（5-7）计算落料凹模的压力中心坐标为：
X0=（L1X1+L2X2+……+L8X8）／（L1+L2+……+L8）
=（210×0+50×（-22.5）+……+15×30）／（210+50+……+22.5）
=（0+1125+50+250+100+500+450）／330
≈0.68
根据计算得出压力中心的坐标为（0.68,0）。
6刃口尺寸计算
冲裁件的尺寸精度主要决定于模具的刃口尺寸精度，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。
正确确定模具刃口
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