冲孔落料弯曲复合模具设计.docx
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冲孔落料弯曲复合模具设计
1绪论
改革开放以来，随着国民经济的高速发展，工业产品的品种和数量的不断增加，更新换代的不断加快，在现代制造业中，企业的生产一方面朝着多品种、小批量和多样式的方向发展，加快换型，采用柔性化加工，以适应不同用户的需要；另一方面朝着大批量，高效率生产的方向发展，以提高劳动生产率和生产规模来创造更多效益，生产上采取专用设备生产的方式。
模具，做为高效率的生产工具的一种，是工业生产中使用极为广泛与重要的工艺装备。
采用模具生产制品和零件，具有生产效率高，可实现高速大批量的生产；节约原材料，实现无切屑加工；产品质量稳定，具有良好的互换性；操作简单，对操作人员没有很高的技术要求；利用模具批量生产的零件加工费用低；所加工出的零件与制件可以一次成形，不需进行再加工；能制造出其它加工工艺方法难以加工、形状比较复杂的零件制品；
容易实现生产的自动化的特点。
2弯曲件的工艺分析
图2—1零件图
如图2—1所示零件图。
生产批量：
大批量;
材料：
LY21-Y;
该材料，经退火及时效处理，具有较高的强度、硬度，适合做中等强度的零件。
尺寸精度：
按公差IT14查出来的。
尺寸精度较低，普通冲裁完全能够。
其他的形状尺寸均未标注公差，属自由尺寸，可安IT14级确定工件的公差。
经查公差表，各尺寸公差为：
Ø90+0。
30200-0.52600-0.52
工件结构形状：
制件需要进行落料、冲孔、弯曲三道基本工序，尺寸较小。
结论：
该制件可以进行冲裁
制件为大批量生产，应重视模具材料和结构的选择，保证磨具的复杂程度和模具的寿命。
3确定工艺方案及模具的结构形式
根据制件的工艺分析，其基本工序有落料、冲孔、弯曲三道基本工序，按其先后顺序组合，可得如下几种方案;
（1落料——弯曲——冲孔；单工序模冲压
（2落料——冲孔——弯曲；单工序模冲压。
（3冲孔——落料——弯曲；连续模冲压。
（4冲孔——落料——弯曲；复合模冲压。
方案
（1）
（2）属于单工序模冲裁工序冲裁模指在压力机一次行程内
完成一个冲压工序的冲裁模。
由于此制件生产批量大，尺寸又较这两种方案生产效率较低，操作也不安全，劳动强度大，故不宜采用。
方案（3）属于连续模，是指压力机在一次行程中，依次在模具几个不同的位置上同时完成多道冲压工序的模具。
由于制件的结构尺寸小，厚度小，连续模结构复杂，又因落料在前弯曲在后，必然使弯曲时产生很大的加工难度，因此，不宜采用该方案。
方案（4）属于复合冲裁模，复合冲裁模是指在一次工作行程中，在模具同一部位同时完成数道冲压工序的模具。
采用复合模冲裁，其模具结构没有连续模复杂，生产效率也很高，又降低的工人的劳动强度，所以此方案最为合适。
根据分析采用方案（4）复合冲裁。
3.1模具类型的选择
由冲压工艺分析可知，采用复合冲压，所以模具类型为复合模。
3.2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板。
控制条料的送进步距采用导正销定距。
3.3卸料方式的选择
因为工件料厚为1.5mm，相对较厚，卸料力大，故可采用刚性料装置卸料。
3.4导向方式的选择
为了提高模具寿命和工件质量，方便安装调整，该复合模采用中间导柱模架的导向方式。
4模具设计工艺计算
4.1计算毛坯尺寸
相对弯曲半径为：
R/t=2/1.5=1.33>0.5
式中：
R——弯曲半径（mm）
t——材料厚度（mm）
由于相对弯曲半径大于0.5，可见制件属于圆角半径较大的弯曲件，应该先
求变形区中性层曲率半径β（mm）。
β=r0+kt公式（4—1
式中：
r0——内弯曲半径
t——材料厚度
k——中性层系数
表4—1板料弯曲中性层系数
r0/t
0.1
0.2
0.25
0.3
0.4
0.5
0.6
0.8
1.O
K1（V
0.30
0.33
0.35
0.36
0.37
0.38
0.39
0.41
0.42
K2（U
0.23
0.29
0.31
0.32
0.35
0.37
0.38
0.40
0.41
K3（O
—
—
—
—
—
0.72
0.70
0.67
0.63
r0/t
1.2
1.5
1.8
2
3
4
5
6
8
K1（V
0.43
0.45
0.46
0.46
0.47
0.48
0.48
0.49
0.50
K2（U
0.42
0.44
0.45
0.45
0.46
0.47
0.48
0.49
0.50
K3（O
0.49
0.56
0.52
0.50
查表4—1，K=0.45
根据公式4—1β=r0+kt
=2+0.45X1.5
=2.675（mm）
图4—1算展开尺寸示意图
毛坯总展开长度L0：
L0=2L3+L1+L2
由毛坯图的：
L1=13L2=60
L3=π/2（R+KT=3.14/2×（2+0.45×1.5=6.2mm
所以L0=2×6.2+60+13=85.4mm（取85.40-0.87mm）
根据计算得：
工件的展开尺寸为20×85.4（mm）,如图4—2所示。
图4—2尺寸展开图
4.2排样、计算条料宽度及步距的确定
4.2.1搭边值的确定
排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的工艺余料，称为搭边。
搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。
搭边过大，浪费材料。
搭边过小，冲裁时容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还有拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降低模具寿命。
或影响送料工作。
搭边值通常由经验确定，表4—2所列搭边值为普通冲裁时经验数据之一。
表4—2搭边a和a1数值
材料厚度
圆件及r＞2t的工件
矩形工件边长L＜50mm
矩形工件边长L＞50mm
或r＜2t的工件
工件间a1
沿边a
工件间a1
沿边a
工件间a1
沿边a
＜0.25
0.25~0.5
0.5~0.8
0.8~1.2
1.2~1.6
1.6~2.0
2.0~2.5
2.5~3.0
3.0~3.5
3.5~4.0
4.0~5.0
5.0~12
1.8
1.2
1.0
0.8
1.0
1.2
1.5
1.8
2.2
2.5
3.0
0.6t
2.0
1.5
1.2
1.0
1.2
1.5
1.8
2.2
2.5
2.8
3.5
0.7t
2.2
1.8
1.5
1.2
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
2.5
3.5
0.7t
2.5
2.0
1.8
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.2
4.0
0.8t
2.8
2.2
1.8
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.2
4.0
0.8t
3.0
2.5
2.0
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.2
3.5
4.5
0.9t
搭边值是废料，所以应尽量取小，但过小的搭边值容易挤进凹模，增加刃口磨损表4—2给出了钢（WC0.05%～0.25%）的搭边值。
对于其他材料的应将表中的数值乘以下列数：
钢（WC0.3%～0.45%）0.9
钢（WC0.5%～0.65%）0.8
硬黄钢1～1.1
硬铝1～1.2
软黄铜，纯铜1.2
该制件是矩形工件，根据尺寸从表4—2中查出：
两制件之间的搭边值a1=1.8（mm）,侧搭边值a=2.0（mm。
由于该制件的材料使LY21—Y（硬铝），所以两制件之间的搭边值为：
a1=1.8×（1～1.2）=1.8～2.16（mm
取a1=1.8（mm
侧搭边值a=2.0×（1～1.2）=2～2.4（mm
取a=2.0（mm
4.2.2条料宽度的确定
计算条料宽度有三种情况需要考虑；
有侧压装置时条料的宽度。
无侧压装置时条料的宽度。
有定距侧刃时条料的宽度。
有定距侧刃时条料的宽度。
条料宽度公式：
B=（D+2a）公式（4—2）其中条料宽度偏差上偏差为0，下偏差为—△，见表4—3条料宽度偏差。
D——条料宽度方向冲裁件的最大尺寸。
a——侧搭边值。
查表4—3条料宽度偏差为0.15
根据公式4—1B=（D+2a）
=（20+2×1.5）0-0.15
=230-0.15
表4—3条料宽度公差（mm
条料宽度
B/mm
材料厚度t/mm
～0.5
>0.5～1
>1～2
～20
0.05
0.08
0.10
>20～30
0.08
0.10
0.15
>30～50
0.10
0.15
0.20
4.2.3导板间间距的确定
导料板间距离公式：
A=B+Z公式（4—3）
Z——导料板与条料之间的最小间隙（mm）；
查表4.3—3得Z=5mm
根据公式4—2A=B+Z
=23+5
=28（mm）
表4—4导料板与条料之间的最小间隙Zmin（mm）
材料厚度t/mm
有侧压装置
条料宽度B/mm
100以下
100以上
~0.5
0.5~1
1~2
2~3
3~4
4~5
5
5
5
5
5
5
8
8
8
8
8
8
4.2.4排样
根据材料经济利用程度，排样方法可以分为有废料、少废料和无废料排样三种，根据制件在条料上的布置形式，排样有可以分为直排、斜排、对排、混合排、多排等多重形式。
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，但是，因条料本身的公差以及条料导向与定位所产生的误差的影响，所以模具冲裁件的公差等级较低。
同时，因模具单面受力（单边切断时），不但会加剧模具的磨损，降低模具的寿命，而且也直接影响到冲裁件的断面质量。
由于设计的零件是矩形零件，且中间一个个孔均有要求，所以采用有费料直排法。
4.2.5材料利用率的计算：
材料利用率通常以一个进距内制件的实际面积与所用毛坯面积的百分率η表示：
η=（nA1/hB×100%（公式4—4）
式中η——材料利用率（%）；
n——冲裁件的数目；
A1——冲裁件的实际面积（mm2；
B——板料宽度（mm；
h——进距
计算冲压件的面积：
A1=85.4×20-（4.52π）
=1708mm-64mm
=1644（mm2
条料宽度计算：
B=85.4mm+2mm×2mm
=89.4mm
进距的计算：
h=20+1.8
=21.8mm
一个进距的材料利用率：
η=（nA1/hB×100%
=（1×1636/21.8×89×100%
=84.3%
总材料利用率
根据冷冲模设计指导书取板的长×宽×厚为1410×710×1.5
采用纵向剪切的方法剪钢板没张钢板上可剪得的条料数：
n1=1410/89.4=15条余16（mm
每条板材上可剪得的冲压件数：
n2=710/21.8=32（个）
材料的总利用率：
η2=n1n2A1/LB×100%=15×32×1636/1410×710×100%=82.15%
由此可之，η值越大，材料的利用率就越高，废料越少。
工艺废料的多少决定于搭边和余量的大小，也决定于排样的形式和冲压方式。
因此，要提高材料利用率，就要合理排样，减少工艺废料。
图4—3排样图
5冲裁力的计算
5.1计算冲裁力的公式
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公式（5—1）
表5—1部分常用冲压材料的力学性能
材料名称
牌号
材料状态
抗剪强度（τ
抗拉强度（σb
伸长率
屈服强度
优质碳素结构钢
08F
已退火
220～310
280～390
32
180
08
260～360
330～450
32
200
10
260～340
300～440
29
210
20
280～400
360～510
25
250
45
440～560
550～700
16
360
65Mn
已退火
600
750
12
400
不锈钢
1Cr13
已退火
320～380
400～470
21
—
1Cr18Ni9Ti
处理软化
430～550
540～700
40
200
铝
L2、L3、L5
已退火
80
75～110
25
50～80
冷作硬化
100
120～150
4
—
铝锰合金
LF21
已退火
70～110
110～145
19
50
硬铝
LY12
已退火
105～150
150～215
12
—
淬硬后冷作硬花
280～320
400～600
10
340
纯铜
T1、T2、T3
软态
160
200
30
7
硬态
240
300
3
—
铜
H62
软态
260
300
35
—
半硬态
300
380
20
200
H68
软态
240
300
40
100
式中τ——材料抗剪强度，见附表（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r时，可以用抗拉强度σb代替τ，而取Kp=1的近似计算法计算。
根据常用金属冲压材料的力学性能查表5—1得出LY21—Y的抗剪强度为280～310（MPa，
取τ=300（MPa
5.2总冲裁力、卸料力、推料力、顶件力、弯曲力和总冲压力
由于冲裁模具采用刚性卸料装置推料装置和打料装置。
总的冲裁力包括
F——总冲压力。
Fp——总冲裁力。
FQ——卸料力
FQ1——推料力。
FQ2——顶件力
FC——弯曲力
F校————校正力
根据常用金属冲压材料的力学性能查出LY21—Y的抗剪强度为280～310（MPa
5.2.1总冲裁力：
Fp=F1+F2公式（5—2
F1——落料时的冲裁力。
F2——冲孔时的冲裁力.
落料时的周边长度为：
L1=2×（85.4+20）=210.8（mm）
根据公式5—1F1=KptLτ
=1×1.5×210.8×300
=94.5（KN
冲孔时的周边长度为：
L2=πd=3.14×9=28.26（mm）
F2=KptLτ
=1×1.5×28.26×300
=12.74（KN
总冲裁力：
Fp=F1+F2=94.5+12.74=107.24（KN
表5—2卸料力、推件力和顶件力系数
料厚t/mm
Kx
Kt
Kd
钢
≤0.1
＞0.1~0.5
＞0.5~0.25
＞2.5~6.5
＞6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.03
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
铝、铝合金
纯铜，黄铜
0.025~0.08
0.02~0.06
0.03~0.07
0.03~0.09
对于表中的数据，厚的材料取小直，薄材料取值。
5.2.2卸料力FQ的计算
FQ=KxFp公式（5—3
K——卸料力系数。
查表5—2得KＸ＝0.025~0.08，取KＸ＝0.08
根据公式5—3 FQ=KＸFp
＝0.08×107.24
＝8.57（KN
5.2.3推料力FQ1的计算
FQ1=KtFp公式（5—4
Kt——推料力系数。
查表5—2得Kt＝0.03~0.07,取Kt=0.07
根据公式5—4FQ1=KtFp
=0.07×107.24
≈7.5068（KN
5.2.4顶件力FQ2的计算
FQ2=KdFp公式（5—5
Kd——顶件力系数。
查表5—2得Kd＝0.03~0.07,取Kt=0.07
根据公式5—5FQ2=KdFp
=0.07×107.24
≈7.5068（KN
5.2.5弯曲力FC的计算
影响弯曲力大小的基本因素有变形材料的性能和质量；弯曲件的形状和尺寸；模具结构及凸凹模间隙；弯曲方式等，因此很难用理论的分析法进行准确的计算。
实际中常用经验公式进行慨略计算，以作为弯曲工艺设计和选择冲压设备的理论。
Ư形弯曲件的经验公式为：
Fu=0.7KBt2σb/γ+t公式（5—6
Fu——冲压行程结束时不校正时的弯曲力。
B——γ弯曲件的宽度（mm）。
t——弯曲件的厚度（mm）。
γ——内弯曲半径（等于凸模圆角半径）（mm）。
σb——弯曲拆料的抗拉强度（MPa（查机械手册σb=400（MPa。
K——安全系数，一般取1.3.
根据公式5—6Fu=0.7KBt2σb/（γ+t
=0.7×1.3×85.4×1.52×400/（2+1.5
=23.20（KN
对于顶件或压料装置的弯曲模，顶件力或压料力可近似取弯曲力的30%～80%。
F压=80%Fu
=80%×23.20
=18.56（KN
弯曲力:
FC=Fu+F压
=23.20+18.56
=41.76（KN
5.2.6校正弯曲力的计算
校正弯曲是在自由弯曲阶段后进一步对贴合于凸凹模表面的弯曲件进行挤压，其弯曲力比自由弯曲力大的多，而且两个力并非同时存在。
因此校正弯曲时只需计算校正弯曲力，即：
F校=qA
式中:
F校——校正力（N）
q——单位面积上的校正力（Mpa），其值见表5—4
A——弯曲件被校正部分的投影面积（mm）。
当凸模圆角半径r材料厚度t与凹模支点间的距离L之比很小时，在V行件校正弯曲中，投影面积按A=BL计算：
在U型件弯曲中，投影面积按A=B×（L-2r-2t）计算。
因为工件为U形件所以计算投影面积公式选用：
A=B×（L-2r-2t）
计算投影面积A=20×（85.4-2×2-2×1.5）
=20×78.4
=1568（mm2）
表5—4单位面积上的校正力
材料
料厚t（mm
1——3
3——10
硬铝
30——40
50——60
黄铜
60——80
80——100
综上所述弯曲校正力F校=qA
=40×1568
=62720（N）
=62.72（KN）
5.2.7模具总冲压力的计算
根据模具结构总的冲压力：
F=Fp+FQ+FQ1+FQ2+FC+F校
F=Fp+FQ+FQ1+FQ2+FC+F校
=107.24+8.57+7.5068+7.5068+41.76+62.72
=235.3（KN
选择压力机时应用总冲压力乘1.3
所以总冲压力F=235.3×1.3=305.89（KN）
根据总的冲压力，初选压力机为：
开式双柱可倾压力机J23—35。
6模具压力中心与计算
模具压力中心是指诸冲压合力的作用点位置，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。
否则，会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨间产生过大磨损，模具导向零件加速磨损，降低了模具和压力机的使用寿命。
模具的压力中心，可安以下原则来确定：
1、对称零件的单个冲裁件，冲模的压力中心为冲裁件的几何中心。
2、工件形状相同且分布对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。
3、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0，0（x=0,y=0），即为所求模具的压力中心。
Xo=L1X1+L2X2+……LnXn/L1+L2+……Ln
Yo=L1Y1+L2Y2+……LnYn/L1+L2+……Ln
图6—1压力中心
1、按比例画出凸模刃口的轮廓形状，选坐标XOY。
如图6—1所示
2、把刃口轮廓分为7段并确定各段长度，具体数值列于下表6—1中。
表6.1—1落料件的压力中心计算数据
线3.5（mm）
力压中心位置
压力中心坐标
x
Y
L1=-42.7
L2=42.7
L3=20
L4=42.7
L5=-42.7
L6=20
L7=28.26
C1=0.5×-42.7=-21.35
C2=0.5×42.7=21.35
C3=0.5×20=10
C4=0.5×42.7=21.35
C5=0.5×42.7=21.35
C6=0.5×20=10
C7=0.5×28.26=14.13
0
42.7
42.7
0
-42.7
-42.7
0
1
1
21
21
21
1
11.05
落料凸模的压力中心坐标：
Xn=L1X1+L2X2+……LnXn/L1+L2+……Ln
=（-42.7×0+42.7×42.7+20×42.7+……28.26）/（42.7+42.7……+28.26）
=0
Yn=L1Y1+L2Y2+……LnYn/L1+L2+……Ln
=（-42.7×1+42.7×1+20×21……+28.26×11.05）/（42.7+42.7……+28.26）
=6.01
所以求得模具压力中心的坐标值为（0,6.01）。
7冲裁模间隙的确定
设计模具时一定要选择合理的间隙，以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求，所需冲裁力小、模具寿命高，但分别从质量，冲裁力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值，只是彼此接近。
考虑到制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就可以冲出良好的制件，这个范围的最小值称为最小合理间隙Cmin，最大值称为最大合理间隙Cmax。
考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值Cmin。
冲裁间隙的大小对冲裁件的断面质量有极其重要的影响，此外，冲裁间隙还影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。
冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间，凹模与落料件之间均有摩擦，间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严重，而降低了模具的寿命。
较大的间隙可使凸模侧面及材料间的摩擦减小，并延缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，虽然提高了模具寿命而，但出现间隙不均匀。
因此，冲裁间隙是冲裁工艺与模具设计中的一个非常重要的工艺参数。
根据表5—1查出材料LY12—Y的力学性能与10钢相近表7—1查得最小双面间隙2Cmin=0.132mm，最大双面间隙2Cmax=0.240mm
8刃口尺寸的计算
8.1刃口尺寸
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