拉杆冲裁模具设计.docx
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拉杆冲裁模具设计
本课题拟采用先绘制出总体装配图再对各零部件进行拆分设计的方案。
学生在查阅相关文献资料的基础上，需要独立完成的主要任务包括：
1、对制品进行工艺性分析。
2、进行相关分析计算。
3、绘制模具装配图。
4、拆分成型零部件零件图。
5、撰写设计说明书。
拉杆冲裁模具设计
摘要：
本文首先介绍了冲压、模具CAD技术及冲压模具。
然后以拉杆为研究对象，对零
件进行结构工艺和尺寸精度的分析，确定了工艺方案。
合理选择间隙，然后计算凸、凹模刃口
尺寸，设计模具的整体结构，计算冲裁力确定压力中心、选择压力机。
在有关的设计及计算完
成之后，应用二维设计软件AutoCAD建立模具各个零部件的二维模型，然后根据要求进行零件装配，并绘出零件图和装配图。
关键词：
拉杆冲裁模具设计
引言
在现代工业生产中，用各种压力成形机械和装在其上的专用成形工具，通过压力把金属或非金属材料制成所需形状的零件或制品，这种专用成形工具成为模具。
模具是一种高效率的工艺设备，模具在工业生产中的应用日益广泛，模具工业的水平和发展状况已被认为是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
利用模具生产毛坯或零件与切削加工相比具有材料利用率高、能耗低、产品性能好、互换性好、生产效率高和成本低等显著优点[1]。
按我国产品分类标准，模具产品共分为十大类：
冲压模具、塑料模具、铸造模具、锻造模具、粉末冶金模具、橡胶模具、拉丝模具、无机材料或成型模具、模具标准件及其他模具。
十大类产品中冲压模具和塑料模具占的比重最大，约占模具总量的80%以上。
冲压模具的设
计是否合理对冲压件的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益等影响很大。
因此，研究冲压模具的结构，提高冲压模具的各项技术指标，对冲压模具设计和冲压技术的发展十分必要[1]。
拉杆冲裁模是典型的冲压模具，该零件的冲压内容包括对两个小圆孔的冲压和对一个不规则形状外形的落料冲压，包含冲压过程中的两类重要的工艺类型。
通过对拉杆冲裁模进行设计有利于增强对基础模具设计思路的理解，有利于加深模具专业课知识、有利于综合所学专业课知识。
从而形成一条线将我在大学的知识结构联系起来，有助于我将来从事机械行业能够利用所学专业知识来解决专业问题。
1模具CAD技术概述及相关软件的选用
CAD即计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）是以计算机系统为支持,进行产品的方案设计、解析计算、判断优化、分析评估和详细设计的一门技术。
模具CAD是现代模具技术的一个重要方面；模具CAD是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。
人将设计方法转换成计算机可以处理的数学模型和解析这些模型的程序，并在程序运行过程中评价设计结果，控制设计过程；计算机发挥其分析计算和存储信息的能力完成设计各个环节的工作，包括设计构思、资料查询、计算分析、自动绘制零件图与装配图；还可模拟零件成形过程并对冲模过程进行动态分析，减少了试模、返修等工作。
一些复杂形状零件成形模制前可以利用计算机在显示屏上形象地模拟成形过程中材料的变形与流动，显示温度场、压力场的分布，缩短了试模周期，增大了试模的一次成功率。
采用模具CAD/CAM促进了设计制造一体化进程［2］。
在模具CAD各类通用软件中，使用较多的一般是AutoCAD、Catia、UG、Pro/E、Cimatrom等，本次设计按实际情况及要求采用AutoCAD软件绘制相关的图形。
2冲压模具概述
2.1冲压模具
在工业生产中，用各种压力成形机械（如压力机、塑料注射机、压铸机等）和装在其上的专用成形工具，通过压力把金属或非金属材料制成所需形状的零件或制品，这种专用成形工具统称为模具。
模具是由机械零件构成，它与相应的压力成型机械相配合，具有直接改变金属或非金属材料的形状、尺寸、相对位置和性质，使之成形为合格制品或半成品零件。
它是一种高效率的工艺装备。
在工业生产中，用模具进行各种材料的成形，可实现高速度的大量生产，并能在大量生产条件下稳定地保证制件的质量。
同时，具有节约原材料、制件成本低廉等一系列优点。
因此。
在现代工业生产中模具的应用日益广泛，已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。
模具工业的水平和发展状况已被认为是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
冲压加工简称冲压又称为冷冲压或板料冲压，是借助于常规或专用设备的动力，使板料在模具里直接得到变形力并进行变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的生产技术，它是塑性成形的加工方法之一。
冲压是一项应用广泛、量大面广的金属压力加工工艺，也是机电产品制造也尤其是电子与仪表行业以及其他各金属加工业普遍使用的少无切削废料排样的金
属加工方法之一。
实施冲压工艺的主要工具及手段，就是用各种不同类型的冲模在压力机上对金属或非金属板、条、棒、块料以及各种断面的型材，在常温或加热状态下，进行分离、变形等冲压加工，获得一定形状和尺寸的零件或毛坯件。
冲压工艺已突破常规的毛皮加工范围，不仅能直接从原材料冲制出能与机械加工媲美的成品零件，还可以沉孔、攻丝及铆接，更为重要的是，冲压加工能完成其它工艺方法所无法完成的形状复杂的工件。
而其所使用的
成型工具称为冷冲压模具，简称冲模。
冲模设计的是否合理对冲压件的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益等影响很大［2］。
因此，研究冲压模具的结构，提高冲压模具的各项技术指标，对冲压模具设计和冲压技术的发展是十分必要的⑶0
2.2冲压加工特点
随着科学技术的进步和工业生产的迅速发展，模具已成为当代工业生产的重要手段，冲压生产和模具工业得到了世界各国的高度重视。
由于冲压加工具有节材、节能和生产率高等突出特点，决定了冲压产品成本低廉，效益较好，因而冲压生产在制造行业中占有重要地位。
冲压生产主要是利用冲压设备和模具实现对金属材料（板材）的加工过程。
所以冲压加工有如下特点［4］:
（1）生产率高、容易实现机械化和自动化，特别适合于成批大量生产；
（2）冲压零件表面光洁，尺寸精度稳定，互换性好，成本低廉；
（3）在低耗材的情况下，可以获得强度高、刚度大、而重量小的零件；
（4）可得到其他加工方法难以加工或无法加工的复杂形状零件。
3零件工艺性分析
1648
图1零件图表1零件设计相关要求
零件名称生产批量材料厚度
表208钢金属板料的力学性能⑷
材料名称
牌号
材料状态
抗剪强度
/MPa
抗拉强度
b/MPa
伸长率
10/%
屈服强度
s/MPa
优质碳素
08
已退火
260~360
330~450
32
200
结构钢
拉杆冲裁模为平面零件落料冲孔的一道复合工序，零件要求在金属板上一次性冲出满足
形状尺寸的工件。
该冲裁件形状简单，但却不对称。
现对该工件进行工艺性分析：
（1）、冲裁件的悬臂和凹槽宽度a不应小于板料厚度t的两倍，即a2t；
（2）、冲裁件上孔与孔、孔与边缘的距离b、d不应过小，一般b1.5t，dt；
（3）、为防止冲裁时凸模折断或弯曲，冲裁时孔径不能太小。
冲孔最小直径与孔的形状、板料力学性能、板料厚度有关，见表1所示；
（4）、冲裁件的尺寸精度。
金属冲裁件的内、外形的经济精度不高于IT11级，见表二所示
般落料精度最好低于IT10级，冲孔精度最好低于IT9级
（5）、冲裁件的外形或内孔应避免尖角，各直线或曲线的连接处应当有适当的圆角转接，转接半径r的最小值可以根据材料、转角角度来确定，见下表[5]o
表3冲裁件转接圆角r（mr）
材料
转接圆角r（90°）
低碳钢
0.3t
由上表可以计算出冲裁件转接圆角半径为0.15mm
bn
Qi
图2冲裁件狭槽尺寸、孔边距和孔间距要求
表4一般冲孔模可冲压的最小孔径（t为材料厚度，m）
材料
一~<
d
■F-
钢400MPad1.0t
ai12t
a21.63.2t
经分析知：
b2.65.2t
bii0.71.4t
bi21.252.5t
d22t
据以上数据显示此次冲裁件的各项尺寸满足冲裁工艺要求⑹
4排样方式的设计
4.1搭边
冲裁件与冲裁件之间、冲裁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:
避免因送料误差发生零件缺角、缺边或尺寸超差；使凸、凹模刃口受力均衡，提高模具使用寿命及冲裁件断面质量；此外利用搭边还可以实现模具的自动送料。
冲裁时，搭边过大，会造成材料浪费，搭边太小，则起不到搭边应有的作用，过小的搭边还会导致板料被拉进凸、凹模间隙，加剧模具的磨损，甚至会损坏模具刃口。
搭边的合理数值主要取决于冲裁件的板料厚度、材料性质、外廓形状及尺寸大小等。
一般说来，材料硬时，搭边值可取小些；材料软或脆性材料时，搭边值应取大些；板料厚度大，需要的搭边值大；冲裁件的形状复杂，尺寸大，过渡圆角半径小，需要的搭边值大；手工送料或有侧压板导料时，搭边值可取小些。
搭边值通常由经验确定，表四列出了此次冲裁时用到的最小搭边值⑺。
表5最小工艺搭边值（mn）
1.82.0
4.2送料步距与条料宽度
4.2.1送料步距A:
模具没冲裁一次，条料在模具上前进的距离称为送料步距。
当单个步距内只冲裁一个零
件时，送料步距的大小等于条料上两个零件对应点之间的距离，如表三所示；
ADai
式中：
A送料步距，mm;
D――平行于送料方向的冲裁件宽度，mm
ai冲裁件之间的搭边值，mm
则：
ADa116.181.817.98mm
4.2.2条料宽度B:
冲裁前通常需按要求将板料裁剪为适当宽度的条料。
为保证送料顺利，不因条料过宽而发生卡死现象，条料的下料公差规定为负偏差。
相关数据计算：
B（I2abo）0
式中：
B――条料宽度，mm
I—冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸，mma冲裁件与条料侧边之间的搭边，mm
――条料下料时的下偏差值，见表五，mm
bo――条料与导料板之间的间隙，见表六，mm
则：
B（I2ab0）0（6.322.00.5）00.510.800.5mm
表6条料下料宽度偏差表（mm
材料厚度
t/mm条料宽度
15050~100100~200200~400
0.50.50.51.0
表7条料与导料板之间的间隙b0
材料厚度无侧压装置有侧压装置
t/mm
条料宽度
1100100~200200~300100100
0.50.61.05.08.0
423材料利用率
材料利用率是冲压工艺中一个重要的经济技术指标。
其计算可用一个步距内冲裁件的实际面积与毛坯面积的百分比表示：
Sl100%
So
式中：
Si一个步距内冲裁件实际面积，mm
2
S1一个步距内所需毛坯面积，mm
则：
旦100%67.616100%24.6%
S0278.424
4.2.4送料方式
自动送料装置的作用：
送料装置是冲压自动化的主要组成部分。
在通用压力机上采用自动送料装置进行自动或半自动生产，一般可使生产效率提高2〜3倍。
在高效自动冲压设备上配以相应的自动检测装置及送料装置等，其生产率可提高4〜5倍，甚至更高。
所以，冲压加工过程实行自动化是提高生产效率和保障安全生产的根本途径⑹。
拉杆冲裁模的冲裁件的生产纲领是大批量生产，采用半自动送料和自动送料设计的送料
装置会使模具很复杂，为了降低成本，满足加工需要，故选择手工送料方式进行送料。
5冲裁模刃口尺寸的设计
5.1冲裁间隙的作用
冲裁模凸、凹模刃口部分尺寸之差称为冲裁间隙，用Z表示，又称双面间隙（单面间隙用Z/2表示）。
1间隙对冲裁过程的影响
（1）间隙对冲裁件质量的影响
一般说来，冲裁间隙小，冲裁件断面质量就高；间隙过大，板料的弯曲、拉伸严重，断面产生撕裂，光亮带减小，圆角带与断裂斜度增加，毛刺较大。
另外，冲裁间隙过大时，冲裁件尺寸及形状也不易保证，零件精度较低。
（2）间隙对冲裁力的影响
冲裁间隙小，所需的冲裁力大；冲裁间隙大，材料容易分离，所需的冲裁力就小，但过大的冲裁间隙会导致毛刺过大，造成卸料力、推件力等迅速增加，反而对减小冲裁力不利。
（3）间隙对模具寿命的影响
增大模具间隙，有利于减小模具磨损，避免凹模刃口胀裂，提高模具的使用寿命⑹。
5.2合理冲裁间隙的确定
（1）经验确定法
生产中常用下述经验公式计算合理间隙Z的数值。
Zct
式中：
t——材料厚度，mm
c――系数，与材料性能及厚度有关，当t3mm时，c6%~12%当t3mm时，c15%~25%。
当材料软时，取小值；当材料硬时，取值。
贝U:
Zct（6%~12%）0.050.03~0.06mm
（2）查表法
下表所提供的经验数据为落料、冲孔模具的初始间隙，可用于一般条件下的冲裁。
表中初始间隙的最小值Zmin为最小合理间隙，而初始间隙的最大值Zmax是考虑到凸模和凹模的制造误差，在Zmin的基础上增加一个。
表8落料、冲孔模具刃口初始间隙（mm
Q235Q21508、10、15
材料名称
H62、
H68（半硬）、
纯铜、磷青铜、铍青铜（软）
力学性能
HBS
70~140,
b300~400MPa
厚度
初始间隙
Z
min
Zmax
0.5
0.04
0.06
对比两组数据，最终确定：
Zmin
0.04mm，Zmax
0.06mm
5.3模具刃口尺寸设计计算
5.3.1凸、凹模刃口尺寸的计算原则
由于冲裁时凸、凹模之间存在间隙，所落的料和冲出的孔的断面都是带有锥度的，而且落料时工件的大端尺寸近似等于凹模的刃口尺寸。
冲孔时工件的小端尺寸近似等于凸模刃口
尺寸。
因此，在计算刃口尺寸时，应按落料、冲孔两种情况分别进行。
（1）落料工序以凹模为基准件，先确定凹模刃口尺寸。
凹模刃口尺寸接近或等于工件最小
极限尺寸，以保证模具在一定范围内磨损后，仍能冲出合格零件。
凸模刃口尺寸则按凹模刃口尺寸减去最小合理间隙确定。
（2）冲孔工序以凸模为基准件，先确定凸模刃口尺寸。
凸模刃口尺寸接近或等于孔的最大极限尺寸，以保证模具在一定范围内磨损后，仍能冲出合格零件。
凹模刃口尺寸则按凸模刃口尺寸加上最小合理间隙确定。
（3）凹模和凸模制造公差主要与冲裁件的精度和形状有关。
模具制造精度应比冲裁件精度高2-3级，一般为IT6级左右，也可按表七中选取。
为了使新模具间隙不小于最小合理间隙，一般凹模极限偏差标成d，凸模极限偏差标成p[10]o
532凸凹模刃口尺寸计算
根据冲裁件形状的复杂程度，模具制造中凸、凹模的加工有两种方式：
一种是按互换原则组织生产；另一种是按配合加工组织生产。
现根据冲裁件的具体形状，对冲孔工序的凸、凹模刃口计算采用互换加工法，对落料工序的凸、凹模采用配合加工法。
表9规则形状冲裁凸、凹模制造极限偏差
材料厚度t/mm
基本尺寸/mm
~10
0.5
d
p
+0.006
-0.004
表10磨损系数x
材料厚度
非圆形工件x值
圆形工件
x值
t/mm
1
0.750.5
0.75
0.5
1
工件公差/mm
0.16
0.17~0.350.36
0.16
0.16
（1）对于冲孔工序采用互换加工法计算根据刃口尺寸计算原则，计算公式为：
凸模
dp
（dx）0p
凹模
dd
（dXZmin）0
式中：
dp、dd冲孔凸、凹模刃口尺寸，mrp
d冲孔工件基本尺寸，mm
工件公差，mm
p、d凸、凹模制造公差，见表八，mm
x磨损系数，见表九。
经表中所提供的数据知：
0.006mm
p0.004mm
x0.75
经验算知：
p||d0.0060.0040.01ZmaxZmin0.060.040.02，满足要求
将上述数据进行计算后有：
dp（10.750.1几0041.07500.°04mm；
dd（10.750.10.04）00.0061.1150°.°06mm。
（2）对于落料工序采用配合加工法
由于零件是一落料件，所以在采用配合加工法时应以凹模为基准件，在计算出凹模的相
关刃口尺寸，在加工出相关凹模后，根据实际的凹模刃口尺寸及尺寸偏差，在保证双面间隙的前提下，确定凸模的具体尺寸偏差，但是凸模的基本尺寸还是和凹模保持一致的⑹。
根据凹模的磨损情况可以将尺寸具体分为三类：
第一类尺寸是凹模磨损后增大的尺寸，A类尺寸；第二类是凹模磨损后减小的尺寸，B类尺寸；第三类是凹模磨损后保持不变的尺
寸，C类尺寸⑻。
而根据具体的零件图可知，该零件只包含A、C两类尺寸，其计算公式如下:
A类尺寸A（AmaxX）0
C类尺寸CC/2
式中：
A,C——基准件基本尺寸，mm
11
模具制造公差，可取（3〜J，或取IT7级左右精度，mm
工件公差，mm
图4冲裁件尺寸类型的确定
相关计算：
A1（16.180.090.750.18）。
16.1350mm；
A2
（3.5
0.06
0.030.03
10.12）03.440mm
A
（1
0.051
0.1）00.
0250.9500.025mm；
A
（1.6
0.05
10.1）
00.025mm-
G
1.5
0.02/2
1.5
0.01mm；
C2
2.8
0.02/2
2.8
0.01mm；
C3
3.5
0.03/2
3.5
0.015mm-
C4
1.9
0.02/2
1.9
0.01mm。
表11各尺寸的标准公差（IT12,mm）
基本尺寸
16.18
3.5
1
1.6
1.5
2.8
3.5
1.9
标准公差
0.18
0.12
0.1
0.1
0.1
0.1
0.12
0.1
图5落料凹模刃口尺寸
6冲裁模具结构类型的选用及整体外形设计
根据排样方式的设计，由于采用的是对排方式，为了满足模具冲裁需要，现初步确定采用连续冲裁模。
所谓冲裁模就是在压力机的一次行程中，在模具的不同部位上同时完成数道冲压工序的模具。
而采用连续模生产效率较高，便于实现生产的自动化，操作方便、安全，
适用于零件大批量生产
而根据零件的结构类型，冲裁时要在冲出整体外形的同时在零件上冲出两个相同的孔，而这样就需要采用复合冲裁模，所谓冲裁模就是在压力机的一次行程中，在模具的同一位置完成两道以上工序的模具称为复合模。
复合冲裁模在结构上有一个既为落料凸模又为冲孔凹模的凸凹模。
根据凹模的不同，复合冲裁模有倒装式与正装式两种。
相关的模具类型见下图。
而冲裁时冲孔的废料落在下模或条料上，不易清除，故一般很少采用。
而倒装式复合冲裁模结构中冲孔废料有凸凹模孔直接漏下，零件被凸凹模顶入凹模孔内，待冲压结束时有推件板推出。
而复合冲裁模结构紧凑，生产效率高，工件精度高，特别是工件内孔对外形的位置精度容易
保证。
并且这类模具对条料的要求低，边角余料也可以进行冲压，复合冲裁模适用于大批量
6.1凸、凹模外形尺寸设计
6.1.1凹模外形尺寸的设计
冲裁凹模的外形尺寸可按经验计算：
凹模高度：
haKb（ha15mm）
式中：
ha——凹模厚度，mm
K――修正系数；
b最大空口尺寸，mm
查阅资料后可知，修正系数取0.3，则可计算其数据如下：
ha0.316.184.854mm，取值为20mm
凹模壁厚：
c（1.5~2.0）ha且c30~40mm
6.1.2对于有导向装置的凸模承载能力校核
4t
式中：
dmin圆形凸模最小截面的直径，mn；
t—冲裁材料厚度，mm——冲裁材料抗剪强度，MPa
——凸模材料的许用应力，取为1300MPa
405310
则经计算后有：
dm^—300.48mm,而凸模直径为1mm故满足要求
1300
有导向装置的圆形凸模抗纵向弯曲应力校核：
Lmax270d2八F
式中：
Lmax――允许的凸模最大自由长度，mn；
F――冲裁力，N;
d——凸模最小截面直径，mm］。
经计算后知：
Lmax2701/62810.77mm，取其长度为10mm
6.2凸模结构及凹模刃口形式的确定
根据冲裁材料的类型，查阅文献后可选用凸台式凹模刃口。
而对于冲孔凸模，因为需要冲出直径较小的孔，避免在冲裁时折断凸模，应采用带保护套的圆形凸模，但考虑到四个凸模的集体位置过于接近，保护套的厚度不能很好的起到保护作用，故采用推件板代替凸模保
护套。
而对于落料凸模则考虑到采用复合冲裁模具，故采用整体式凸模。
而对于凹模的刃口采用直筒式。
此种刃口强度高，加工方便，并且冲压时刃口的尺寸和间隙不会因修磨而变化，冲裁件的质量稳定［12］。
为保证顺利落料，故采用下图中的b类刃口结构。
具体的结构形式详见凸模结构图。
图6直筒式凹模刃口
6.3凸模、凹模固定形式的确定
|£
图7正装式复合模
1――凸凹模；2――顶料板；3――落料凹模；4――冲孔凸模；5――推件板
图8倒装复合模
1――冲孔凸模；2――落料凹模；3――卸料板；4――凸凹模；5――打料杆；6――推件板
凸模结构形式总的来说包含两大部分：
凸模的工作部分与安装部分。
凸模的工作部分直接用来完成冲裁加工，其形状、尺寸应根据冲裁件的形状和尺寸以及冲裁工序性质、特点进行设计。
而凸模的安装部分多数十通过与固定板结合后安装于模座上[13]。
根据实际设计需要现确定冲孔凸模的固定方法采用台阶式固定法。
对于落料凸模和冲孔凹模，由于采用的是复合模结构所以直接采用台阶式固定方法固定在下模座上。
对于落料凹模由于采用的是整体式凹模，所以直接通过螺钉销钉固定在固定板上，通过固定板与上模座连接在一起。
具体的凸、凹模尺寸见下图：
0.95
16135
5
elwe
3,5+n015
iiS乂血
33,7U
Ifi
图10落料凹模
寸i¥RI0
图11冲孔凸模
7冲裁工艺力及冲裁压力中心的计算
7.1冲裁力的计算
冲裁力是选择压力机的重要依据，也是模具设计和模具强度校核的依据。
对于平刃口模具冲裁，冲裁力可按下式计算：
Lt
式中：
F——冲裁力，N;
L冲裁断面周长，mm
t冲裁件厚度，mm
b――抗拉强度，mpS4］。
7.2卸料力及推件力的计算
为了使冲裁过程连续，操作简便，就需要吧箍在凸模上的材料卸下，把卡在凹模内的冲
件或废料推出。
从凸模上将零件或废料卸下来所需的力称为卸料力F卸，顺着冲裁方向将零
件或废料从凹模型孔推出的力称为推件力F推。
其相关计算公式如下所示:
式中：
F——冲裁力，N;
K卸、K推一一分别为卸料力、推件力系数，其值见下表。
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