模具设计.docx
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模具设计
引言
模具工业是国民经济的重要基础工业之一。
模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高精密集型产品，也是高新技术产业化的重要领域，其技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。
20世纪80年代以来，国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，同时为模具的发展提供了巨大的动力。
这些年来，中国模具发展十分迅速，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展。
振兴和发展中国的模具工业，日益受到人们的重视和关注。
“模具是工业生产的基础工艺装备”已经取得了共识。
目前，中国有17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。
在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其他各类模具约占11%。
近年来，中国模具工业企业的所有制成分也发生了变化。
除了国有专业厂家外，还有集体企业、合资企业、独资企业和私营企业，他们都得到了迅速的发展。
许多模具企业十分重视技术发展。
加大了用于技术进步的投入力度，将技术进步作为企业发展的重要动力。
此外，许多研究机构和大专院校也开展了模具技术的研究与开发。
中国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。
在大型模具方面已能生产48in（约122cm）大屏幕彩电塑壳注射模具、6.5kg大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具，精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。
经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型模具材料[1]等方面取得了显着进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献。
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，中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，这是各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求。
随着电子、信息等高新技术的不断发展，模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展。
模具CAD/CAE/CAM技术是模具设计、制造技术的发展方向，模具和工件的检测数字、模具软件功能集成化、模具设计、分析及制造的三维化、模具产业的逆向工程以及模具软件应用的网络化是主趋势。
“目前，欧洲模具已越来越感受到来自中国同行所带来的影响和压力,预计到2018年,中国将一跃成为全球最大的模具制造业基地之一。
相信通过双方的共同努力和合作,宁海模具必将在这个广阔的舞台上占有一席之地。
”德国亚琛工业大学的亚力山大教授对宁海乃至中国的模具发展未来充满信心。
据统计,前些年全球58%的模具是由德国等西欧国家生产,中国等亚洲国家的比例只占到1%,但今后东欧国家的模具将会有较大幅度的增长,而亚洲国家的生产比例将提高至22%左右。
未来中国模具发展的前景十分广阔。
1工艺性分析
1.1毛坯展开图
图1.1
1.2工艺性分析
该零件是一个简单支撑托架，通过孔Φ10mm和Φ5mm分别与心轴和机身相连，零件工作时受力不大对强度和刚度精度要求不高，零件形状简单对称，大批量生产，冲裁弯曲即可成形。
冲裁难点在于四角弯曲回弹较大，之间变形较大，可通过模具措施控制。
该零件具体工艺性见表1.
表1.1
工艺性
冲压件工艺项目
工艺允许值
工艺性评价
冲裁工艺
性
孔径
冲圆孔Φ10和Φ5
最小孔径d≥1.3t=1.95
合理
落料圆角
R3
落料件最小圆角半径r≥0.25t=0.375
合理
孔边距
Φ5孔边距3mm
l≥R+0.5t=2.25
合理
弯曲工艺性
形状
U形件死角弯曲对称
合理
弯曲半径
R1.5
最小弯曲半径rmin/t=0.1
合理
孔边距
Φ10孔边距5.5mm
t<2mm时，L≥t=1.5mm
合理
精度
所有尺寸精度为IT15
合理
材料
20钢
常用材料范围
合理
弯曲高度
h=28.5mm
直边高度h>r+2t=4.5mm
合理
（1）零件精度符合一般级进冲压的经济要求，模具精度取IT9即可。
（2）材料为20钢，能进行一般的冲压加工，市场上易得材料，价格适中。
（3）外形落料工艺性：
零件属于中小尺寸零件，料厚1.5mm，外形复杂程度一般，尺寸精度要求一般，因此可用冲裁落料工艺。
（4）冲孔工艺性分析：
孔径为Φ10和Φ5mm，孔精度要求一般，可采用冲孔。
（5）弯曲工艺性：
该零件包含两个弯曲部位，弯角可以弯一次。
综合以上分析，零件主要冲压工序的工艺性良好。
2冲压方案的确定
2.1模具结构形式的选择
由于该零件属于大批量生产所以选择级进模冲制。
2.2工艺方案确定
图中零件所需基本工序为冲孔、弯曲、落料，故可制定方案：
方案一：
冲孔φ10——冲孔φ5——弯曲——落料
方案二：
冲孔φ10——弯曲——冲孔φ5——落料
分析：
方案一有设计图知两φ5孔工序基准为φ10孔轴线，且呈对称分布。
先冲孔后弯曲不能保证位置精度要求。
方案二可保证孔的位置精度和形状精度要求。
故选择方案二。
3工艺计算
3.1排样方案选择
（1）提高材料利用率：
冲裁间生产批量大，生产效率高，材料费用一般会占总成本的60%以上，所以材料利用率是衡量排样经济性的一项重要指标。
在不影响零件性能的前提下，应合理设计零件外形及排样，提高材料利用率。
（2）改善操作性：
冲裁件排样应使工人操作方便、安全、劳动强度低。
一般来说，在冲裁生产时，应尽量减少条料的翻动次数，在材料利用率相同或相近时，应选用调料宽度及步距小的排样方式。
（3）使模具结构简单合理，使用寿命高。
（4）保证冲裁件质量。
3.1.1排样方案设计
图3.1方案一
图3.2方案二
3.1.2搭边、条料宽度及送进步距的确定
（1）搭边
由表查的a=2mm，a1=1.8mm，但由于冲裁工艺设计要求应尽量避免冲裁件上过长的悬臂与窄槽，应取a≥1.5t，所以取a1=2.25mm。
（2）条料宽度
由于零件要求精度一般，所以条料在送进方向上的送进步距控制选用单侧刃。
（3-1）
方案一
方案二
3.1.3方案分析及选择
经济利用率
（3-2）
方案一：
方案二：
方案一要求条料的宽度小，模具宽度也小，模具长度长，采用这种方案不便于弯曲加工；
方案二虽然模具宽度增加但长度会缩短，便于弯曲，而且送进步距，有利于提高生产率经济利用率高。
综合考虑应选择方案二。
并由此确定导料板间距
3.1.4工位顺序安排
图3.3
工位顺序安排如下：
第一工位：
切槽
第二工位：
冲孔φ10
第三工位：
空工位
第四工位：
弯曲
第五工位：
冲孔φ5
第六工位：
落料
3.2冲压力计算及压力机选择
3.2.1冲压力计算
计算冲裁力的目的是为了合理选用冲压设备、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，以适应冲裁的需求。
平刃冲裁模，其冲裁力
按下式计算：
（3-3）
式中，
τ
—
材料抗剪强度，当查不到材料抗剪强度时，可用抗拉强度代替，MPa；
L
—
冲裁周边总长，mm；
t
—
材料厚度，mm；
KP
—
安全系数，一般取1.3，当式中抗剪强度用抗拉强度代替时，取Kp=1。
卸料力：
FQ=KFP（3-4）
推料力：
FQ1=nK1FP（3-5）
式中，
FP
—
冲裁力，N；
K
—
卸料力系数，其值为0.02-0.06（薄料取大值，厚料取小值）；
K1
—
推料力系数，其值为0.03-0.07（薄料取大值，厚料取小值）；
n
—
梗塞在凹模内的制件或废料数量，n=h/t，h为直刃口部位的高，mm；
t为材料厚度，mm。
选择凹模洞口类型为直筒式刃口凹模且h=4mm，则n=h/t=2.67。
K取0.04，K1取0.05，σb取410MPa。
冲裁力计算如下：
侧刃L=33.6mm
FP刃=1×1.5×33.6×410=20664N
FQ刃=0.04×20664=826.56N
FQ1刃=2.67×0.05×20664=2758.6N
工位Ⅰ切槽
L=237.485mm
FPⅠ=1×1.5×237.485×410=146053.28N
FQⅠ=0.04×146053.28=5842.13N
FQ1Ⅰ=2.67×0.05×146053.28=19498.11N
工位Ⅱ冲孔φ10
L=31.4mm
FPⅡ=1×1.5×31.4×410=19311N
FQⅡ=0.04×19311=772.44N
FQ1Ⅱ=2.67×0.05×19311=2578N
工位Ⅲ空位
工位Ⅴ冲孔φ5
L=31.4mm
FPⅤ=1×1.5×31.4×410=19311N
FQⅤ=0.04×19311=772.44N
FQ1Ⅴ=2.67×0.05×19311=2578N
工位Ⅵ落料
L=44mm
FPⅦ=1×1.5×44×410=27060N
FQⅦ=0.04×27060=1082.4N
FQ1Ⅶ=2.67×0.05×27060=3612.51N
工位Ⅳ弯曲
U形弯曲件弯曲力
（3-6）
压料力FQ=（0.3～0.8）F自（3-7）
式中，
F自
—
冲压行程结束时的自由弯曲力，N；
k
—
安全系数，一般取1.3；
b
—
弯曲件的宽度，mm；
t
—
材料厚度，mm；
r
—
弯曲件的内弯曲半径，mm；
—
材料的强度极限，MPa。
F自=（0.7×1.3×30×1.52×410）/（1.5+1.5）=8394.75N
FQⅣ=0.5F自=4197.38N
3.2.2压力机的选择
采用弹压卸料装置和下出件的模具：
Fp总=Fp+FQ+FQ1（3-8）
Fp总=285312.6N=286kN
冲裁时，压力机的公称压力必须大于或等于冲裁时各工艺力的总和Fp总。
查表得压力机型号为JG23-40。
3.2.3压力中心的计算
为了确保压力机和模具正常工作，应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。
形状复杂的零件、多凸模的压力中心应用解析法计算，其计算依据是：
各分力对某坐标轴的力矩之代数和等于诸力的合力对该坐标轴的力矩求出合力作用点的位置即为所求模具的压力中心。
图3.4
工位坐标表3-2
侧刃
工位Ⅰ
工位Ⅱ
工位Ⅲ
工位Ⅳ
工位Ⅴ
工位Ⅵ
x/mm
97.05
48.375
32．25
—
-32.25
-64.5
-81.75
y/mm
58.027
0
0
—
0
0
0
Fp/N
20664
146053.28
19311
—
8394.75
19311
27060
采用解析法计算压力中心
（3-9）
（3-10）
由上式计算得
x0=24.77
y0=4.98
3.3凸凹模刃口尺寸计算
凸模与凹模分别加工计算模具刃口尺寸
冲孔凸模尺寸
（3-11）
冲孔凹模尺寸
（3-12）
在同一工步中冲出制件两个以上孔时，凹模孔中心距
（3-13）
式中，
dd
—
冲孔凹模基本尺寸，mm；
dp
—
冲孔凸莫基本尺寸，mm；
dmin
—
冲孔件最小极限尺寸，mm；
Ld
—
同一工步中凹模孔距基本尺寸，mm；
Lmin
—
制件孔距最小极限尺寸，mm；
Δ
—
制件公差，mm；
2cmin
—
凸模、凹模最小初始双面间隙，mm；
δp
—
凸模下偏差，可按IT6选用，mm；
δd
—
凹模上偏差，可按IT7选用，mm；
x
—
系数。
该零件属于无要求的一般冲裁件。
Φ10孔和2×Φ5孔由冲孔获得，查表得2cmin=0.132mm,2cmax=0.24mm。
Φ10与Φ5均为IT14，取x=0.5,
工位Ⅱ：
冲孔（Φ10±0.18），查表得IT6=0.009mm，IT7=0.0015mm。
校核：
|δp|+|δd|≤2cmax－2cmin
0.009+0.015≤0.24-0.132
0.024≤0.108（满足间隙公差条件）
工位Ⅴ：
冲孔（Φ5±0.015），查表得IT6=0.008mm，IT7=0.012mm。
校核：
|δp|+|δd|≤2cmax－2cmin
0.009+0.012≤0.24-0.132
0.02≤0.108（满足间隙公差条件）
孔距尺寸（36±0.31）
工位Ⅳ：
弯曲件标注外形尺寸（25±0.5）查得IT6=0.013，IT7=0.021
弯曲件为对称偏差时，
凹模尺寸：
（3-14）
凸模尺寸：
（3-15）
弯曲凸凹模单面间隙c=t+nt（3-16）
式中
t
—
材料厚度，mm；
n
—
间隙系数，查表取0.05；
则c=1.5+0.5
1.5=1.575
凸模和凹模配制加工计算刃口尺寸
冲孔件
凸模磨损后变大的尺寸
（3-17）
凸模磨损后变小的尺寸
（3-18）
凸模磨损后不变的尺寸
（3-19）
图3.5工位一切槽凸模图3.6冲孔凸模图3.7侧刃
查表得磨损系数均为x=0.5
工位Ⅰ：
凸模磨损后变大的尺寸a1（112±0.435）
变小的尺寸b1（32.25±0.31）
凸模刃口尺寸
工位Ⅴ：
凸模磨损后变小的尺寸b1（2.25±0.26）
凸模磨损后不变的尺寸c1（25±0.26）
凸模刃口尺寸
凹模工作部分尺寸按凸模配制，双面间隙0.21～0.25mm。
凸模尺寸、凹模公称尺寸如下：
凸模尺寸/mm凹模公称尺寸/mm
工位Ⅰ
112
工位Ⅰ
32.25
工位Ⅴ
32.25
工位Ⅴ
25
侧刃
32.25
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