落料冲孔复合模设计.docx
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落料冲孔复合模设计
1绪论
1.1模具工业的地位
模具工业是国民经济的基础工业，是工业生产的重要工艺装备。
先进国家的模具工业已摆脱从属地位，发展为独立的行业。
日本工业界认为：
“模具工业是其它工业的先行工业,是创造富裕社会的动力”。
美国工业界认为：
“模具工业是美国工业的基石”。
在德国模具被冠以“金属加工业中的帝王”之称。
在我国，1998年3月在《国务院关于当前产业政策要点的决定》模具被列为机械工业技术改造序列的第一位，生产和基本建设序列第二位，把发展模具工业摆在发展国民经济的重要位置。
目前，我国冲压模具在产值占模具总产值的40%以上，处于主导地位。
1.2冷冲压的应用
冲压工艺是塑性加工的基本加工方法之一。
它主要用于加工板料零件，所以有时也叫板料冲压。
冲压不仅可以加工金属板料，而且也可以加工非金属板料。
冲压加工时，板料在模具的作用下，于其内部产生使之变形的内力。
当内力的作用达到一定程度时，板料毛坯或毛坯的某个部位便会产生与内力的作用性质相对应的变形，从而获得一定的形状、尺寸和性能的零件。
冲压生产靠模具与设备完成加工过程，所以它的生产率高，而且由于操作简便，也便于实现机械化和自动化。
利用模具加工，可以获得其它加工方法所不能或难以制造的、形状复杂的零件。
冲压产品的尺寸精度是由模具保证，所以质量稳定，一般不需再经过机械工业加工便可使用。
冲压加工不一般不需要加热毛坯，也不像切削加工那样大量切削材料，所以它不但节能，而且节约材料。
冲压产品的表面质量较好，使用的原材料是冶金工厂大量生产的轧制板料或带料，在冲压过程中材料表面不受破坏。
因此，冲压工艺是一种产品质量较好而且成本低的加工艺。
用它生产的产品一般还具有重量轻且刚性好的特点。
冲压工艺在汽车、拖拉机、电机、电器、仪器、仪表、各种民用轻工产品以及航空、航天和兵工等的生产方面占据十分重要的地位。
现代各先进工业化国家的冲压生产都是十分发达的。
在我国的现代化建设进程中，冲压生产占有重要的地位。
1.3冷冲压的发展趋势
（1）工艺分析计算方法的现代化。
例如，生产汽车覆盖件的冲压工艺，传统方法是根据已有的设计资料和设计者的经验，进行对比分析，确定工艺方案和有关参数，然后设计模具，进行试冲，经过反复试验和修改，才能转入批量生产。
近几年来，国外有的公司已开始采用有限变形的弹塑性有限元法，对覆盖件成形过程进行计算模拟，分析应力应变关系，从而预测某一工艺方案的可行性和可能会产生的问题，并将结果显示在图形终端上，供设计人员进行选择和修改。
这样，不仅可以节省昂贵的模具试制费用，缩短产品试制周期，而且可以建立符合生产实际的先进设计方法；既促进了冷冲压工艺的发展，又可以发挥塑性成形理论对生产实际的知道作用。
（2）模具设计及制造技术的现代化。
为了加快产品的更新换代，缩短工装设计、制造周期，正在大力开展模具的计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）技术的研究和应用。
采用这一技术，一般可以提高模具设计和制造效率2～3倍，模具生产周期可缩短1/2～1/3。
发展这一技术的最终目标，是要达到模具CAD/CAM一体化，而模具图纸将只作为检验模具之用。
采用模具CAD/CAM技术，还可提高模具质量，大大减少设计与制造人员的重复劳动，使设计者有可能把精力用在创新和开发上。
（3）冲压生产的机械化和自动华。
为了满足大量生产的需要，冲压设备已由单工位低速压力机发展到多工位高速自动压力机。
一般中小型冲压件，既可在多工位压力机上生产，也可以在高速压力机上采用多工位连续模加工，使冲压生产达到高度自动化。
大型冲压件（如汽车覆盖件）可在多工位压力机上利用自动送料和取件装置，进行机械化流水线生产，从而减轻劳动强度和提高生产率。
（4）为了满足产品更新换代加快和生产批量减小的发展趋势，发展了一些新的成形工艺、简易模具、通用组合模具以及数控冲压设备和冲压柔性制造系统（FMS）等。
这样，就使冲压生产既可适合大量生产，又可适用于小批量生产。
（5）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；研制新型材料板，用来生产航空构件等。
1.4毕业设计的主要目的
毕业设计做为大学教学中的一个必不可少的环节，是对我们三年所学专业知识的最后一次也是最全面的一次检查。
通过这次毕业设计可以很好的使我们辛勤的老师了解学生掌握知识的程度，也可以使我们很好的加强对专业知识的巩固，对以后我们踏足社会和在实践工作中起到了不可估量的作用。
毕业设计的主要目的有：
综合运用本专业所学课程的理论和生产实习知识，进行一次冲孔落料弯曲模具设计工作的实际训练，从而培养和提高学生自己的独立工作能力；
巩固“冲压模具设计与制造”等课程所学的内容，掌握模具设计的方法和步骤；掌握冲压模具设计与基本技能，如模具相关尺寸计算、绘图、查阅设计资料和手册，熟悉标准和规范等。
在完成大学三年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了机械制图、机械设计、机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，对机械制造、加工的工艺有了一个系统、全面的理解，达到了学习的目的。
对于模具设计这个实践性非常强的设计课题，我们进行了大量的实习。
经过在新飞电器有限公司、在洛阳中国一拖、中信重型矿山机械厂的生产实习，我对于冷冲模具、塑料模具的设计步骤有了一个全新的认识，丰富和加深了对各种模具的结构和动作过程方面的知识，而对于模具的制造工艺更是有了全新的理解。
在指导老师的细心指导下和在工厂师傅的讲解下，我们对于模具的设计和制造工艺有了系统而深刻的认识。
同时在实习现场亲手拆装了一些典型的模具实体并查阅了很多相关资料，通过这些实践，我们熟练掌握了模具的一般工作原理、制造、加工工艺。
通过在图书馆借阅相关手册和书籍，更系统而全面了细节问题。
锻炼了缜密的思维和使我们初步具备了设计工作者应有的素质。
设计中，将充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大努力搞好本次毕业设计。
在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。
由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中难免有不妥之处，肯请各位老师指正。
设计者：
赵广艳
2落料冲孔复合模设计
2.1工艺性分析和工艺方案的确定
2.1.1工艺性分析
该零件形状简单，结构对称，是由圆弧和直线组成的。
冲裁件的内外形所能达到的经济精度为IT11—IT14级，由于该冲裁件没有经济要求，但其生产批量、尺寸要求等情况符合冲裁件工艺要求，故采用冲裁工艺进行加工。
2.1.2工艺方案的确定
该零件所需的冲裁工序为：
冲孔和落料，可以拟定出以下三种工艺方案：
方案一：
采用单模分两次加工，即：
冲孔和落料；
方案二：
冲孔落料复合模；
方案三：
冲孔落料级进模。
采用方案一，生产效率低，工件累积误差大，操作不方便，由于该工件为大批量生产，方案二和方案三更具有优越性。
2.2必要工艺参数的计算
2.2.1压力中心的确定
由于该零件为轴对称件，故不必进行压力中心的计算。
2.2.2排样和材料利用率
该工件排样根据落料工序设计。
考虑操作方便及模具结构简单，故采用单排排样设计。
由表2-16[3]查得搭边值a1=2mm，a=2.5mm，采用双排挡料销挡料，则：
条料宽度b=36.5+2a=41.5mm
条料的进距h=22+a1=24mm
冲裁单件材料的利用率，即：
=nA/hS×100%=687/41.5×24=70%
式中：
A——冲裁件面积；
n——一个进距的冲裁件数量；
b——条料宽度；
h——进距。
2.2.3计算工序压力
1）落料力的计算
F落=
式中：
F落——落料力（N）；
L——工件轮廓周长（
mm）；
t——材料厚度，t=2.0mm；
——材料的抗剪强度（Mpa），附录[3]得
Mpa。
落料力为：
F落=1.3×94.4×2.0×310=76.08KN
2）卸料力的计算
F卸=K卸×F落
式中：
K卸——卸料力因数。
其值由表2-51[3]查得K卸=0.03
卸料力为：
F卸=0.03×76.08=2.28KN
3）冲孔力的计算
F冲=
式中：
L——工件轮廓周长（mm）；L=
D=3.14×5=15.7mm
冲孔力则为：
F冲=1.3×15.7×2.0×310=12.65KN
4）推件力的计算
F推=nK推F冲
式中：
K推——推件力因数，由表2-15[3]查得K推=0.05；
n——卡在凹模内的工件数，n=2。
推件力则为：
F推=2×0.05×12.65=1.3KN
则总的冲压力为：
F总=F落+F卸+F冲+F推+F拉
=76.08+2.28+12.65+1.3
=92.31KN
初选压力机型号为J23-63的开式压力机。
2.3模具总体设计
该工作的模具结构如图，主要由上下模、落料凹模、凸凹模、冲孔凸模、冲孔凹模、镶拼凹模、下顶块、上顶块、卸料板等零件组成。
2.3.1模具类型的选择
由冲压工艺分析可知，采用复合冲压，所以模具为类型为落料——冲孔倒装复合模。
2.3.2定位方式的选择
因为该模具使用的是条料，落料为圆故采用导料销，送进步距方式采用挡料销。
2.3.3卸料、出件方式
该模具的顶件压边装置安装在下模，妨碍了冲孔废料的排出。
下模座开设了一个斜漏料孔，并用螺钉来限位，使卸料板与下模座之间保持一定的间距，从而保证废料能依靠自重顺利排出。
出件方式可采用上下顶块分别顶出。
2.3.4导向方式
该复合模采用后侧导柱的导向方式。
2.4工作部分尺寸计算
模具的落料凹模、凸凹模、冲孔凹模、冲孔凸模及镶件，凸、凹模的工作关系：
工件未注公差可按照表4[7]计算。
根据表2-10查得，冲裁模刃口双面间隙Zmin=0.22mmZmax=0.26mm
2.4.1落料刃口尺寸计算
的凸、凹模的制造公差由表2-12得
凹=0.035mm
凸=0.025mm。
由于：
凹+
凸＞Zmax-Zmin，故采用凸模配合加工法。
因数由表2-13[3]查得X=0.5则：
mm.
2.4.2冲孔刃口尺寸计算
的凸、凹模的制造公差由表2-12查得
凸=0.02mm，
凹=0.03mm。
由于
凹+
凸＞Zmax-Zmin，故采用凸模与凹模配合加工方法。
因数由表2-13[3]查得：
X=0.5，则：
mm
d凸按照凸模尺寸配制，双面间隙为：
0.22～0.26mm
2.4.3弹性元件的设计计算
为了得到较平稳的工件此模具采用弹压式卸料结构，使条料在落料、拉深过程中始终处在一个稳定的压力之下，从而改善了毛坯的稳定性，避免材料在切向应力的作用下起皱的可能。
1）上卸料采用橡胶作为弹性元件
H自由=（3.5～4）S工作
式中H自由——橡胶的自由高度
S工作——工作行程与模具修磨量或调整量（4～6mm）之和
S工作=（3.5+1+5）=9.5mm
则H自由=（3.5～4）×9.5=33.25～38mm
取H自由=35mm
由式（1-50）[3]计算橡胶的装配高度为：
H2=（0.85～0.9）H自由=（0.85～0.9）×35=29.75～31.5mm
取H2=30mm
橡胶的断面面积，在模具装配时按模具空间大小确定。
2）下顶块压边采用橡胶作为弹性元件
H自由=（3.5～4）S工作
S工作=（3.5+5）=8.5mm
则H自由=（3.5～4）×8.5=29.75～34mm
取H自由=30mm
由式（1-50）[3]计算橡胶的装配高度为：
H2=（0.85～0.9）H自由=（0.85～0.9）×30=25.5～27mm
取H2=26mm
橡胶的断面面积，在模具装配时按模具空间大小确定。
2.4.4模架及其他零部件的选用
据主要工作部分尺寸、结构及弹性元件的尺寸，参照有关资料可选取I级精度的后侧导柱模架，即
上模座160×100×40HT200
下模座160×100×50HT200
导柱A25h5×13020钢
导套A25h5×85×3820钢
导柱、导套渗碳深度为0.8～1.2mm，硬度为58～62HRC。
模具闭合高度：
H闭合=H上模+H垫板+H上固定板+H盖板+H卸料板+H橡胶+H凹模+H下固定板+H下模
=（45+10+40+8+12+60+18+10+55）mm
=187mm
可见该模具的闭合高度小于所选压力机J23-63的最大装模高度（315mm），可以使用。
2.5模具总装图
2.6冲压设备的选定
压力机吨位可按式4-38[3]F压≥（1.7～2）F总估算公称压力来选取压力机。
选用公称压力为630KN的开式压力机。
其主要技术参数为：
公称压力：
630KN
滑块行程：
130mm
最大闭和高度：
360mm
封闭高度调节量：
80mm
工作台尺寸：
（前后）480mm×（左右）710mm
最大装模高度：
250～315mm
模柄孔尺寸：
50mm×80mm
2.7工作零件的加工工艺性
本副模具的工作零件都是旋转体，形状比较简单，加工主要采用车削。
拉深凸模、冲孔凸模、凸凹模和落料凹模的加工工艺过程见加工工艺卡
2.7.1冲孔凸模加工工艺过程卡
机械加工工艺过程卡片
产品型号
零（部）件图号
08
产品名称
凸模
零（部）件名称
冲孔凸模
共（）页
第（）页
材料牌号
Cr12
毛坯
种类
圆棒料
毛坯外型尺寸
Φ30mm
每个毛坯可制件数
5
每台
件数
5
备注
工序号
工序名称
工序内容
车间
工段
设备
工艺
装备
工时
准终
单件
05
下料
锯割下料
Φ25mm×60mm
下料车间
锯床
10
锻
锻成Φ20mm×55mm
锻造
车间
空气锤
15
热处理
退火
热处理车间
热处理炉
20
车削
车外圆Φ20.5，留磨量0.5mm；掉头车左端，留磨量0.2mm
车外圆Φ15.5，留磨量0.5mm
车外圆Φ5.15，留磨量0.5mm
模具车间
车床
25
热处理
淬火并回火达
58～62HRC
热处理车间
30
磨外圆和右端面
磨外圆Φ62.5和
Φ20.5达到要求
模具车间
磨床
35
研磨
研磨Φ5.15
达图样要求
模具车间
标记
记数
更改文件号
签字
日期
标记
处数
更该
文件号
设计日期
审
核
日
期
标准化日期
会签
日期
2.7.2凸凹模加工工艺过程卡
机械加工工艺过程卡片
产品型号
零（部）件图号
06
产品名称
凸模
零（部）件名称
凸凹模
共（）页
第（）页
材料牌号
Cr12
毛坯
种类
圆棒料
毛坯外型尺寸
Φ85mm
每个毛坯可制件数
5
每台
件数
5
备注
工序号
工序名称
工序内容
车间
工段
设备
工艺
装备
工时
准终
单件
05
下料
锯成Φ85mm×65mm
下料车间
锯床
10
车削
粗车外圆Φ100mm;车退刀槽2×1；粗车外圆95mm
模具车间
车床
15
铣
铣外型左端为
20右端为长26.5宽为20mm内孔达图纸要求
模具车间
铣床
20
钻
在钻头下钻
5的两孔达尺寸要求
模具车间
车床
25
热处理
淬火并回火达
58～62HRC
热处理车间
30
磨外圆和右端面
磨外圆Φ20mm达到要求
模具车间
磨床
35
钳
研磨外圆达图样要求
模具车间
标记
记数
更改文件号
签字
日期
标记
处数
更该
文件号
设计日期
审
核
日
期
标准化日期
会签
日期
2.7.3落料凹模加工工艺过程卡
机械加工工艺过程卡片
产品型号
零（部）件图号
05
产品名称
凸模
零（部）件名称
冲孔凸模
共（）页
第（）页
材料牌号
Cr12
毛坯
种类
圆棒料
毛坯外型尺寸
100㎜×80㎜×25㎜
每个毛坯可制件数
1
每台
件数
1
备注
工序号
工序名称
工序内容
车间
工段
设备
工艺
装备
工时
准终
单件
05
下料
锯割下料
120mm×40㎜
下料车间
锯床
10
锻
粗锻106mm×90mm×35mm
锻造
车间
空气锤
15
钻
钻Φ8mm销孔和螺孔
钻Φ6mm限位孔
钻床
20
铣
精铣100mm×80mm×25mm；
铣床车间
铣床
25
电火花
电火花加工
形如制件左端为
20mm右端为长26.5㎜宽为20的槽
电火花车间
电火花
30
热处理
淬火并回火达58～62HRC
热处理车间
35
磨外圆和右端面
磨外形达到要求
模具车间
磨床
40
钳
研磨达图样要求
模具车间
标记
记数
更改文件号
签字
日期
标记
处数
更该
文件号
设计日期
审
核
日
期
标准化日期
会签
日期
3.弯曲模设计
在确定工件的类型是弯曲件后，要根据零件图及生产批量要求，分析弯曲件的工艺性。
3.1分析弯曲件产品图
阅读弯曲件产品图的主要目的是了解产品图中弯曲件的尺寸要求、材料要求是否满足弯曲件的工艺要求，若某个尺寸不能满足弯曲工艺要求时，要在不影响整体产品质量的前提下，要尽可能的使工件最终能满足弯曲工艺的要求。
3.2弯曲件的工艺分析
此工件属于V性弯曲，弯曲模没有固定的结构形式，有可能设计的很简单，也可能设计的很复杂，这需要根据工件的材料性能、形状、精度要求和产量进行综合分析，确定的模具的结构形式。
本工件为边缘压平的V型件（如图1—1）中的尺寸公差为未注公差，在处理这类零件公差的等级时均按IT14级要求，弯曲圆角半径R为4mm、6mm大于最小弯曲半径（rmin=0.6t=0.6x2=1.2mm）,故此件形状、尺寸、精度均满足弯曲工艺要求，可采用弯曲工序加工。
3.3工艺方案的确定
该零件所需的冲压工序为简单弯曲，采用弯曲单工序模。
3.4必要尺寸的计算
3.4.1弯曲件展开尺寸长度的计算
当无圆角半径（较小）的弯曲件（r<0.5t）根据毛坯与制件等体积法计算；当有圆角半径（较大）的弯曲件（r>0.5t）根据中性层长度不变原理计算。
因为r=4>0.5t=0.5x2=1mm,r=6>0.5t=0.5x2=1mm属于有圆角半径（较大）的弯曲件，所以弯曲件的展开长度按直边与圆角区域进行计算。
视直边在弯曲前后长度不变，圆角区展开长度按弯曲前后中性层长度不变条件进行计算。
1）变形区中性层曲率半径ρ：
ρ=r+kt=4+0.46×2×㎜=4.92㎜
由于r/t=4/2=2查表3.4得：
k=0.46
同理由于r/t=6/2=3查表3.4得：
x=0.47
ρ1=r+kt=6+0.47×2㎜=6.94㎜
2）毛坯尺寸（中性层长度）
L总=∑直+∑弧=L1+L2+L3+L4+Lw
其中∑直——弯曲件直线部分长度
∑弧——弯曲件圆角部分长度
L总——坯料展开总长度
式中
Lw=（3.14×60+∑弧6.94）/180+（3.14×60×4.92×2）/180
≈7.26+10.3㎜
＝17.56㎜
L总=（65-32.33-4×1.732）+20.33×2+17.56
=（65-64x1.732/3+72x1.732/3）+17.56㎜
=87.18㎜
3.4.2弯曲模工作部分尺寸计算
1.弯曲模工作部分尺寸计算
弯曲凸模
1）凸模圆角半径由于此工件的R/t=6/2=3较小，且R为6大于最小弯曲半径（rmin=0.6t=0.6×2㎜=1.2㎜）故凸模的圆角半径为rt=6mm
2）凹模圆角半径凹模圆角半径rao的大小对弯曲力以及弯曲件的质量均有影响。
凹模圆角半径一般按材料的厚度来选取，对于V型弯曲模的凹模底部圆角半径可以依据变形区坯料变薄的特点取rao=（0.6～0.8）（ra+t），故取凹模圆角半径ra1=5mm.
3）凹模工作部分深度的计算凹模工作部分的深度将决定板料的进料深度，同时也影响到弯曲件直边的平直度，对工件的尺寸精度造成一定的影响.因此弯曲件的L为20.33mm,板料的厚度为2mm.查表3.11知:
凹模的底部最小厚度为h0=20mm，因此，弯曲模凹模工作部分的深度为h1=（30+20）mm=50mm
4）凸凹模间隙V型件弯曲时，凸凹模的间隙是靠调整压力机的闭合高度来控制的，不需要在设计制造时确定，但在设计的过程中必须要考虑到模具的闭合高度时，使模具的工作部分与工件能紧密的贴合，以保证弯曲质量。
弯曲模的凸凹模间隙是指单边间隙。
1一般情况下，Z/2=t+△1+Ct
2工件精度要求较高时，Z/2=t
以上各式中：
Z/2——凸、凹模单边间隙（mm）;
t——工件材料厚度的基本尺寸（mm）;
C——间隙系数，可查表得；
△1——材料厚度的正偏差（mm）;
由于设计模具结构是把凹模设计为可调式，故也可将模具的凸凹模间隙Z/2处选为材料的厚度，即Z/2=2mm.
5）凸凹模横向尺寸及公差
①工件标注外型尺寸时，以凹模为基准，间隙取在凸模上。
La=（L-X1△）+0δa
Lt=（La-Z）0-δt
2工件标注内形尺寸时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。
Lt=（L+X1△）0-δt
La=（Lt+Z）+0δa
依据产品零件图可知，本零件标注的是外型尺寸，故设计凸凹模时应以凹模为基准，间隙取在凸模上。
查表2.5得:
δt=0.020mm,
δa=0.025mm.
凹模横向尺寸
La=（L-X1△）+0δa=（L-0.75△）+00.025mm=64.445+00.025mm
凸模横向尺寸
Lt=（La-Z）0-δt=（64.445-2）0-0.020mm=62.2250-0.020mm
以上各式中δa、δb——凸凹模的制造公差；
La、Lt——凸凹模横向尺寸mm;
Z——双边间隙；
X——弯曲件的尺寸公差mm;
2.弯曲回弹的计算
1）小变形（r/t≥10）时的回弹值小变形程度，回弹大，先计算凸模圆角半径，再计算凸模角度。
①凸模工作部分的圆角半径
rt=r/〔1+3×∮s.r/Et〕（mm）
②凸模角度
at=r.a/rt=（r/rt）（180°-a1）
2）大变形程度（r/t﹤10）时的回弹值大变形程度，圆角半径回弹小，不比计算，只计算凸模角度。
①a为90
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