冲压模具设计计算.docx
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冲压模具设计计算
第二章冲压工艺设计和冲压力的计算
2.1冲压件（链轮）简介
链轮三维图如图2.1，材料为Q235，工件厚度3mm，模具精度：
IT13为一般精度。
图2.1零件三维图
图2.2零件二维图
零件图如图2.2，从零件图分析，该冲压件采用3mm的Q235钢板冲压而成，可保证足够的刚度与强度。
并可看出该零件的成形工序有落料、冲孔、拉深、翻边，其难点为该成形件的拉深和翻边。
该零件形状对称，无尖角和其它形状突变，为典型的板料冲压件。
通过计算此零件可按圆筒件拉深成形，因其尺寸精度要求不高，大批量生产，因此可以用冲压方法生产，并可一次最终成形，节约成本，降低劳动。
2.2确定冲压工艺方案
经过对冲压件的工艺分析后，结合产品图进行必要的工艺计算，并在分析冲压工艺类型、冲压次数、冲压顺序和工序组合方式的基础上，提出各种可能的冲压分析方案10。
1）冲压的几种方案
（1）落料、冲孔、拉深、翻边单工序模具生产。
（2）落料、冲孔复合模，拉深、翻边复合模生产。
（3）落料、冲孔连续进行采用级进模生产，拉深、翻边复合模生产。
（4）落料、冲孔、拉深、翻边复合模生产。
方案一：
结构简单，需要四道工序，四套模具才能完成工件的加工，成本高。
方案二：
加工工序减少，节省加工时间，制造精度高，成本相应减少，提高了劳动生产率。
方案三：
在方案二的基础上加大了制造成本，既不经济又不实惠。
方案四：
在方案二的基础上又减少了加工工序，又节省加工时间，制造精度高，成本相应减少，又提高了劳动生产率。
一个工件往往需要经过多道工序才能完成，编制工序方案时必须考虑两种情况：
单工序模分散冲压或工序组合采用复合模连续冲压，这主要取决于冲压件的生产批量，尺寸大小和精度等因素。
通过产品质量、生产率、设备条件、模具制造和寿命、操作安全以及经济效益等方面的综合分析，比较决定采用方案四。
即：
落料、冲孔、拉深、翻边→成品。
2）各加工工序次数的确定根据工件的形状和尺寸及极限变形程度可进行以下决定：
落料、冲孔、拉深、翻边各一次。
3）加工顺序决定的原则
（1）所有的孔，只要其形状和尺寸不受后续工序的影响，都应该在平板毛坯上冲出，因为在成型后冲孔模具结构复杂，定位困难，操作也不便，冲出的孔有时不能作为后续工序的定位孔使用。
（2）凡是在位置会受到以后某工作变形影响的孔（拉深件的底部孔径要求不高和变形减轻孔除外）都应在有关的成型工序后再冲出。
（3）两孔靠近或者孔距边缘很小时，如果模具强度足够，最好同时冲出，否则应先冲大孔和一般情况孔，后冲小孔和高精度孔，或者先落料后冲孔，力求把可能产
生的畸变限制在最小范围内。
（4）整形或较平工序，应在冲压件基本成型后进行。
4）成型过程根据加工顺序的原则，确定成型过程如下：
首先是落料、冲孔，形成精确的外形形状；其次是拉深、翻边，也就是成形过程；最后出来的是成品。
采用这种冲压方案，从模具的结构和寿命考虑，有利于降低冲裁力，提高模具的使用寿命，同时结构简单，操作方便，而且减少了不必要的工序，节省了生产资料，提高了经济效益。
适合加工厂生产，此种方案最合适。
综上所述，确定使用此方案。
2.3工件的毛坯尺寸计算
根据产品零件图，标注的螺纹尺寸M641—7H为其大径，那么可以计算出小径d=64-1.08251=62.92mm
由于工件主要成型的工序是落料、冲孔、拉深和翻边，工件变形量不是很大，可以直接落下工件的实际尺寸，根据《冲压工艺学》可知毛坯大径为：
D=d2+4dh=1782+41239=190.03mm
链轮要经过四道工序加工成型，按落料、冲孔、拉深、翻边的先后顺序进行加工，那么其最初原始毛坯尺寸的计算应先计算翻边，然后拉深，最后冲孔和落料。
由于链轮的翻边高度不大，假设可一次翻边成形。
那么翻边前毛坯上圆孔的初始直径d0为
d=D-r+t+2（H-r）=33.78mm
但零件的精度要求为IT13级，那么毛坯件的尺寸为：
d=33.78+0.39mm
图2.3毛坯形状及尺寸
2.4计算拉深和翻边次数
由于链轮要经过四道工序加工成型，按落料、冲孔、拉深、翻边的先后顺序进行加工，那么其最初原始毛坯尺寸的计算应先计算翻边，然后拉深，最后冲孔和落料。
根据零件的形状和尺寸，其翻边高度不大，假设可一次翻边成形。
那么翻边系数：
d
33.78
K=d0=
33.78=0.537
D
m
62.91
根据《冲压工艺学》查表5.5得Kl=0.52，于是KKl，则能够一次翻边成形。
又链轮的拉深为带法兰圆筒件的拉深，那么首先得判断是否可一次拉深成形，计算得第一次拉深可能达到的值h/d和dF/d分别为0.071和1.413，根据《冲压工艺学》在图4-38中得零件的h/d和dF/d所决定的点位于曲线下侧，则可一次拉深成形10。
2.5确定其搭边值
考虑到成型范围，应考虑以下因素：
材料的机械性能软件、脆件搭边值取大一些，硬材料的搭边值可取小一些。
2）冲件的形状尺寸冲件的形状复杂或尺寸较大时，搭边值大一些。
3）材料的厚度厚材料的搭边值要大一些。
4）材料及挡料方式用手工送料，且有侧压装置的搭边值可以小一些，用侧刃定距的搭边值要小一些。
卸料方式弹性卸料比刚性卸料大搭边值小一些。
综上所述，根据《冲压工艺学》确定其搭边值：
两工件间的搭边值：
a1=2.2mm
工件侧面搭边值：
a=2.5mm条料宽度：
B=D+2a=190+2×2.5=195mm
2.6确定排样图
2.6.1利用率的计算
在冲压零件的成本中，材料费用占60%以上，因此材料的经济利用是一个重要问
题。
冲裁件在板料上的布置叫排样10。
合理排样，充分利用材料具有重大的意义，排样的经济程度中材料的利用率K表示为：
ns
K=ns100（2.1）
K=A0100（2.1）
式中K—材料利用率（%）；
n—条料上生产的冲件数；
s—每一冲件的面积（mm2）；
A0—条料面积（mm2）。
根据以上数据，确定两工件间的搭边值：
a1=2.2mm；
工件侧面搭边值：
a=2.5mm。
A=（92.2+22.5+19010）（190+22.5）=375336mm2s=r2=952=28440.4mm2
一块板料上冲10个，那么取n=10；则利用率：
2.6.2确定其排样图
2.7计算各工序冲压力
链轮冲压力包括落料力、冲孔力、拉深力、翻边力。
材料Q235、板材厚度3mm，材料的抗剪强度=450MPa，屈服点数值为235MPa。
1）冲裁力为了合理设计模具和正确选用压力机，就必须计算冲裁力12。
计算公式如下：
P=Lt（2.2）
式中P0—冲裁力（N）；
—材料抗剪强度（MPa）；
L—材料轮廓长度（mm）；
t—材料厚度（mm）。
本次设计中，冲裁力包括：
落料力、冲孔力、拉深力、翻边力。
一般K取1.3，那么
落料力为：
P=1.3Lt=1.3596.903450N=1047564.05N
冲孔力为：
P=1.3Lt=1.3102.643450N=180034.57N
拉深力为：
P=dtK=12334500.5=260830.73N
翻边力为：
P=1.1（D-d）t=1.1（66-33.78）3235=78497.75N其中d——拉深毛坯的直径，mm
K——修正系数
K1——拉深系数
Dm——翻边后竖边的中径，mm
d0——毛坯上圆孔的初始直径，mm
s——材料的屈服点数值，MPa
2）卸料力
卸下包在凸模上材料所需要的力一般叫做卸料力。
卸料力的计算公式如下：
P=KP（2.3）
式中Px——卸料力（KN）；
Kx——卸料力系数，查表取0.05；
Pl——落料力（KN）。
则P=0.051047564.05=52378.20N
3）推件力顺着冲裁方向推出卡在凹模里的材料所需的力，一般叫做推件力。
推件力的计算公式如下：
2.4）
P=nKP
式中PT—推件力（KN）；
KT—推件力系数，查表取0.055；
n—卡在凹模里的料的个数n=h/t，其中，h为凹模刃壁垂直部分高度（mm）；t为料厚（mm）；
P=10.0551047564.05=57616.02N
4）顶料力逆着冲裁方向顶出卡在凹模里的料所需要的力一般叫做顶料力。
顶料力的计算公式如下：
PD=KDPc（2.5）
式中PD—顶料力（KN）；
KD—顶料力系数，查表取0.06；
P=0.06180034.57=10802.07N，
则根据式2.6得出，总的冲压工艺力为：
F=Pl+Pc+Pls+Pfb+PX+PT+PD=1047564.05+180034.57+260830.73+78497.75+52378.20+57616.02+10802.07=1784941.76N
=1785KN则复合模选择冲床时的总压力为F=1.3F=2320.42KN。
第三章落料、冲孔、拉深、翻边复合模的设计
3.1模具零件刃口尺寸计算
3.1.1尺寸计算原则
刃口尺寸精度是影响冲裁件尺寸精度的首要因素，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及其公差来保证13。
生产实践中存在如下问题：
1）由于凸凹模之间存在间隙，使落下的料或冲出的孔都是带有锥度的，且落料大端尺寸等与凹模尺寸，冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。
2）在测量与使用中，落料件是以大端尺寸为基准，冲孔孔径是以小端尺寸为基准。
3）冲裁时，凸凹模要与冲裁零件或废料发生摩擦，凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，结果使间隙愈用愈大。
4）拉深时，凸凹模工作部分的尺寸和拉深方法有关，可查设计资料确定，也可按卡契马列克经验公式计算。
5）圆孔翻边的尺寸计算采用翻边高度计算翻边圆孔的初始直径d0和翻边系数计算可以达到翻边高度。
由此，在决定模具刃口尺寸及其制造公差时，应考虑：
1）落料制件尺寸由凹模尺寸决定，冲孔时的尺寸由凸模尺寸决定。
故设计落料模时，以凹模为基准，间隙取在凹模上。
2）设计落料模时，凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取工件的尺寸公差范围内的较大尺寸。
这样在凸凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格的零件。
凸凹模间隙择取最小合理间隙值。
3）设计拉深、翻边模时，其基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大尺寸，这样在凸凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格的零件。
凸凹模间隙择取最小合理间隙值。
4）确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的精度要求。
根据以上原则：
落料部分以落料凹模为基准计算，落料凸模按间隙值配制。
由于此工件属薄板料的冲裁件，因此采用凸凹模配合加工。
3.1.2模具间隙的选择
模具间隙是指凸凹模刃口间缝隙的距离，用C表示，俗称单面间隙。
双面间隙用Z表示。
拉深、翻边V形工件时，凸、凹模间隙是靠调整压力机闭合高度来控制的，不需要在模具结构上确定间隙15。
以下为落料、冲孔复合模间隙的确定：
1）冲裁间隙对冲裁件质量的影响
冲裁件质量是指切断面质量，尺寸精度及形状误差。
切断面应平直、光洁，即无裂纹、撕裂、夹层、毛刺等缺陷。
零件表面应尽量可能平整，即穹弯小。
尺寸应保证不超过图纸规定的公差范围。
当把凸、凹模间隙值控制在一定范围内时，冲件比较平直、光洁、毛刺很小，且所需冲裁力小。
间隙过小时，在断面出现挤长的毛刺。
间隙过大时，材料的弯曲与拉深增大，材料易破裂，致使制件光亮带减小，塌角与断裂斜度都增大，毛刺大而厚。
2）间隙对冲裁力的影响
当间隙小于合理间隙时，不仅冲裁力增大，而且剪切力减小。
3）间隙对模具寿命的影响为了提高模具的寿命，一般采用较大的间隙。
若采用小间隙，就必须提高模具硬度与模具制造光洁度、精度，改善润滑条件，以减小磨损。
4）凸、凹模间隙的确定
根据以上条件综合确定：
间隙选择：
选择Ⅲ型，间隙适中，R减小，α正常，拉毛正常。
则根据《冲模设计手册》，落料、冲孔复合模刃口始用间隙为：
Zmin～Zmax=0.210mm～0.270mm。
（由表2—3查得）。
3.1.3尺寸分类
工件毛坯尺寸如图3.1所示，将工件尺寸进行分类如下：
1）外形尺寸
A类：
刃磨后凹模尺寸两边增大的，把产品零件图尺寸化成A0-△，△为工件公差；
2）内形尺寸
B类：
刃磨后凹模尺寸两边增大的，把产品零件图尺寸化成B+△。
3.1.4落料冲孔凸凹模刃口尺寸计算
根据零件的类型，那么尺寸的分类如图3-3所示。
该模具为复合模，落料以凹模为基准，根据零件情况，凹模磨损后的尺寸变化
为A类尺寸；故查表2—7【1】得x1=0.5，那么
A=（A-x•）+=（190.03-0.50.72）+0.72/4=190.39+0.18mm。
冲孔以凸模为基准，凸模磨损后的尺寸变化为B类尺寸，查表2—7【1】得x2=0.5，
那么Bp=（Bmin+x•）0+=（33.78+0.50.39）-00.39/4=33.98-00.10mm。
该零件凸模（或凹模）刃口尺寸按上述凹模（或者凸模）的相应部分尺寸配置，
保证双面间隙Zmin～Zmax=0.210mm～0.270mm。
（由表2—3查得）【10】。
所以各刃口的尺寸分别为Ad=190.390+0.18mm
A=190.180mm
B=34.19+0.10mm
Bp=33.98-00.10mm
3.1.5拉深凸凹模刃口尺寸计算
（1）凹模圆角半径rd和凸模圆角半径rp
由于链轮为一次拉深成型，那么凸凹模的圆角等于零件的圆角半径，
即r=r=3mm
（2）凸凹模间隙
根据链轮的材质和板厚，链轮的尺寸精度和表面质量要求，那么凸凹
模间隙c=1.1tmax=1.13=3.3mm
（3）凸凹模尺寸及制造公差链轮的拉深为一次拉深成形，链轮在装配的时候对链轮的内形尺寸有要求，所以凸模尺寸为Dp=（d+0.4）-
凹模尺寸为Dd=（Dp+2c）+d
又根据表4-7，那么凸凹模的制造公差p和分别为0.06和0.10。
那么凸模尺寸Dp=（120+0.40.63）0-0.06=120.250-0.06mm
凹模尺寸D=（120.25+23.3）+0.10=126.85+0,10mm
3.1.6翻边凸凹模刃口尺寸计算
链轮的翻边为圆孔一次翻边成形，其结构与拉深模相似，凹模圆角对翻边成形影响不大，可按工件圆角确定，则圆角半径为3mm。
凸模圆角半径rp4t，根据零件的要求，rp=24mm。
单边间隙c=（0.75～0.85）t，取最小值，则c=2.55mm.凸凹模内径可按拉深模具的凸凹模内径计算，则
凸模内径Dp=（62.92+0.40.46）0-0.06=63.100-0.06mm
凹模内径D=（63.10+23.3）+0.10=69.70+0.10mm
3.2冲模工作零件的设计与计算
3.2.1凸模的计算和校核
1）冲孔凸模
（1）凸模的结构形式
落料、冲孔复合模的冲孔凸模选用带台肩的阶梯形凸模，此凸模与上模座紧配合，
上端带台肩，以防拉下16，基本形状如图3.2所示：
（2）凸模的长度计算
根据模具的具体结构形式，冲孔凸模固定圈厚度h1=46mm；
卸料板厚度h2=12mm；
凸模进入凹模的深度为40mm。
则冲孔凸模总长为：
L=h1+h2+h=46+12=98mm，
则根据《模具设计大典》，落料、冲孔模凸模选择圆凸模33.78×98JB/T8057-1995T10A。
图3.2冲孔凸模
（3）凸模强度校核
凸模长度确定后，为防止纵向失稳和折断，应进行凸模承压能力和抗弯能力的校核。
冲裁时凸模所受的应力，有平均压应力和刃口的接触应力K两种。
孔径大于冲件材料厚度时，接触应力大于平均压应力，因而强度核算的条件是接触应力小于或等于凸模材料的许用应力［］，孔径小于或等于冲件材料厚度时，强度核算条件可以是平均压应力小于或等于凸模材料的许用应力［］。
本次设计中，凸模材料选取Cr12MoV，HRC58~62。
由于孔径远远大于冲件材料的厚度。
则可以满足其强度要求。
凸模在中心轴向压力的作用下，保持稳定（不产生弯曲）的最大长度与导向方式有关。
本次设计所采用的带台肩式的凸模，其最大允许长度按下式计算：
d2
llmax=90（3.1）
式中F—冲孔力，N；
d—凸模最小直径（mm）；
33.782
那么l=9033.78=242.04mm
max180034.57
综上所述，该凸模结构符合强度要求。
3.2.2凸凹模
（1）结构形式凸凹模存在于复合模中，在本次设计中，它既是拉深凹模，又是落料凸模，它的内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚决定冲裁件的尺寸，不像凹模那样可以将外缘轮廓尺寸扩大，所以从强度考虑，壁厚受最小值限制。
凸凹模的最小壁厚受冲模结构影响。
凸凹模装于上模（正装复合模）时，内孔不积存废料，胀力小，最小壁厚可以小一些17；凸凹模装于下模（倒装复合模）时，如果是柱形孔口，则内孔积存废料，胀力大，最小壁厚要大一些。
作为冲孔凹模时，选为柱形孔口锥形凹模，刃口强度高，修磨后孔口尺寸不变，但在孔口内可能积存工件和废料，增加冲裁力和孔壁的磨损，磨损后每次的修磨量较大，凹模的总寿命较低，这种型式的凹模适用于形状复杂、精度要求较高的工件的冲裁。
其通过台肩，紧固在凸凹模固定板上，以保证卸料时凸凹模的稳定及下次冲压时的精度。
其上螺钉孔和销钉孔离断面的距离满足最小尺寸，即L1.25d，结构形式如图3.3所示：
图3.3翻边、拉深凹模
（2）凹模的长度计算根据模具的具体结构形式，则凹模总长为：
L=98mm.
3.2.3拉深凸模
（1）结构形式拉深凸模存在于复合模中，在本次设计中，它起到了对工件的拉深成形，并且是一次拉深成形，那么其形状尺寸就是零件的尺寸。
在设计时主要考虑其精度和强度，所以从强度考虑，高度受最小值限制，以防止在工作时发生变形。
拉深凸模的最小高度还受冲模结构影响。
根据冲模的结构，我们取高度为28mm，材料为Cr12MoV。
那么其结构形式如图3.4。
图3.4拉深凸模
（2）强度校核由于拉深凸模的材料为Cr12MoV，那么在工作过程中其压应力为
F260830.73N
=F=260830.73N=38.89N/mm2，又Cr12MoV的压应力为780N/mm2，
压A（892-34.852）
压＜,满足强度要求。
3.2.4凹模的计算和校核
1）落料凹模
根据模具结构要求，落料凹模高度也应该为98mm，但是这样成本会大幅提高，所以在此采用拼接式落料凹模，用内六角螺钉和销钉相连接。
螺钉孔和销钉孔里断面的距离满足最小尺寸，即L1.25d。
下面部分用铸铁，上面工作部分用T10A，总的图形如图3.5所示。
图3.5落料凹模根据《冲模设计手册》，有凹模高度H=kb,其中K为系数，根据《冲压工艺学》查表8—3得K=0.22，b为凹模孔的最大宽度。
带入数据计算得H=41.2mm，我们选用42mm。
又根据冲裁件料宽为190.03mm，冲件料厚为3mm，经查表取壁厚为85mm。
那么凹模工作部分的外形尺寸为D×d×h=360×190×42，下半部分非工作部分尺寸为360×200×88。
1）翻边、冲孔凹模
翻边、冲孔凹模其形式如下图3.6；根据零件的外形尺寸和工艺要求，凹模外
形尺寸为：
d×D×h=38×64×155。
由于中间是用于落料的通孔，长度比较大，为防止纵
向失稳和折断，应进行承压能力和抗弯能力的校核。
首先对于承压能力，即最小断面
的压应力小于或等于凸模材料的许用压应力，那么
dmin为最小直径，t为材料厚度，为T10A的抗剪强度，经查表得190MPa。
压为
T10A的许用应力，淬火硬度58~62HRC时，=（1～1.6）103MPa。
对于抗剪能力的校核，有
d2
llmax=90d（3.2）
式中F—冲孔力，N；
d—凸模最小直径（mm）；
那么llmax=90（63.10-33.78）2=182.35mm，大于其设计长度155mm，满足使用
要求。
图3.6翻边、冲孔凹模
第四章模具结构零件设计
4.1确定模具的结构形式
根据冲压工艺过程选定的模具类型，此次工艺选取的是落料、冲孔、拉深、翻边复合模。
确定模具形式时综合考虑冲压件的形状特点、尺寸大小、精度要求及冲压设备与制模条件，操作方便与安全的前提下，应解决模具的正、倒装结构选择和定位、卸料、顶件、导向方式的选择等。
4.1.1正、倒装结构的选择
复合模的结构特点主要表现在具有复合形式的凸凹模，它既起落料凸模作用，又起冲孔凹模的作用。
当凸凹模装在下模，落料凹模装在上模，成为倒装复合模。
反之称为正装复合模。
本次设计的落料、冲孔、拉深、翻边复合模就采用正装复合模的结构。
这种结构冲孔废料由凸凹模孔下漏出，结构简单，操作方便17。
4.1.2定位方式的选择
为保证冲压质量和稳定冲压生产过程，冲压用毛坯（条料、带料、单个毛坯等）在模具中必须具有正确的位置。
因此，定位方式的选择，是模具结构设计的重要内容。
根据毛坯的形状、尺寸和模具结构的不同，可用不同的定位方式。
根据定位零件的功能不同，常见的定位方式有以下几种：
1）条料在模具中的定位方式，控制条料的送进距离。
零件包括挡料销、定距侧刃、导正销。
挡料销又分为固定式、活动式和初始挡料销三种，可用于各种类型的模具。
定距侧刃和导正销多用于级进模，分别起初始定位和精确定位的作用。
2）控制条料的送进方向。
定位零件包括导料板、侧压板。
导料板可用于各种模具，有时也可用两个导料销代替。
侧压板常用于级进模，以保证条料沿着导料板基准面送进18。
4.1.3卸料、出件方式的选择
在确定模具结构形式时，必须选择确定其卸料、出件的方式。
模具的卸料方式包括刚性卸料、弹性卸料和废料切刀卸料三种，出件方式包括刚性推件和弹性推件两种。
选择卸料出件方式时，应综合考虑模具类型、工件质量要求及操作方便等因素，以使模具结构简单，工件安全可靠。
根据上述原则采用弹性推件方式。
4.1.4导向方式的选择
一般来说，对于单工序模的弯曲模、拉深模以及其他简单成型模，由于凸凹模的单边间隙较大，压力机滑块导轨的导向精度一般能满足凸凹模对中的要求，故各类模具大都不采用导向装置。
对于生产批量较小，工件精度较低，冲裁厚料的单工序模，也不考虑导向装置。
但因冲裁间隙较小，故对压力机滑块导轨的导向精度要求精度较高。
无导向模的主要优点是加工制造简单，模具成
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