YB149垫片冲压级进模设计论文.docx
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YB149垫片冲压级进模设计论文
课程论文
题目
垫片冲压级进模设计
学生姓名
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指导教师
2014-10-20
摘要
垫片属于典型的冲裁件，本文在分析其工艺性的基础上，根据生产要求，确定采用级进模结构。
本设计主要是落料凸、凹模及冲孔凸、凹模的设计，需要计算凸凹模的间隙、工作零件的尺寸和公差。
此外,还需要确定模具工艺零件和结构零件以及模具的总体尺寸，然后根据上面的设计绘出模具的总装图。
关键词：
垫片级进模冲孔落料
第一章绪论
1.1课题背景
我国把模具行业纳入高新技术产业重点领域，另一方面，冲压工艺广泛应用于民用、航空航天、汽车和工艺品等领域，在产品组件中所占的比例也越来越大。
但由于我国模具工业起步较晚，起点较低，加工制造手段落后，尤其是技术应用人才缺乏，技术水平落后，制约了该产业的迅猛发展,已使之成为制约其他相关行业发展的“瓶颈”。
模具技术是上世纪下半叶制造业中发展最快的技术之一，由于模具的设计和制造是一个非常复杂的过程，并且是一个不断反复的过程，目前，采用具有三维参数化特征造型功能的CAD支撑软件，在模具设计中应用并行工程原理，实现模具管理、工艺分析与设计及模具结构设计的一体化是一种较有代表性也很有应用前景的模具CAD系统开发方法。
如图，典型冲压模具图形。
图1-1冲压模具
1.2冲压模具发展现状和前景
1.2.1冲压模具发展现状
改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。
近年来，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。
浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”；广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心；中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。
随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。
而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定企业的生存空间。
近年许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。
一些国内模具企业已普及了二维CAD，并陆续开始使用UG，Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等国际通用软件，个别厂家还引进了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE软件，并成功应用于冲压模的设计中。
虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。
例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重比较低；CAD/CAE/CAM技术的普及率不高；许多先进的模具技术应用不够广泛等等，致使相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口。
1.2.2冲压模具的前景
模具技术的发展应该为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求服务。
下列几方面发展趋势预计会在行业中得到较快应用和推广：
1.超大型、超精密、长寿命、高效模具将得到发展。
2.多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化的模具将得到发展。
3.为各种快速经济模具，特别是与快速成型技术相结合的RP/RT技术将得到快速发展。
4.模具设计、加工及各种管理将向数字化、信息化方向发展CAD/CAE/CAM/CAPP及PDM/PLM/ERP等将向智慧化、集成化和网络化方向发展。
更高速、更高精度、更加智慧化的各种模具加工设备将进一步得到发展和推广应用。
5.更高性能及满足特殊用途的模具新材料将会不断发展，随之将产生一些特殊的和更为先进的加工方法。
6.各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补、研磨和抛光等新工艺也会不断得到发展。
7.逆向工程、并行工程、复合加工乃至虚拟技术将进一步得到发展。
8.热流道技术将会迅速发展，气辅和其它注射成型工艺及模具也将会有所发展。
9.模具标准化程度将不断提高。
10.在可持续发展和绿色产品被日益重视的今天，“绿色模具”的概念已逐渐被提到议事日程上来。
1.3课题研究的内容和意义
本课题研究的内容如下：
第1章为绪论，论述了本课题的研究背景和意义，总结了冲压模具技术的发展历史和在国内外的发展现状及趋势。
第2章为本次设计的任务书，介绍了设计的零件图和设计的具体得要求，包括零件的名称、材料和生产批量等等，有技术要求和设计要求。
第3章为设计的第一步，首先分析零件的工艺性，包括尺寸和精度的分析，还有材料性质的重点分析，然后按照以上的分析初步确定设计的大体方案，从简单模、复合模和级进模中选择，最终选用级进模设计。
最后查阅相关资料，确定模具的一些工作零件和辅助零件的设计，以至于确定模具的总体方案。
第4章为设计中的重点部分，是承接上一章工艺分析的，所以我们将进行工艺计算，有排样的设计和计算、材料利用率的计算，冲裁力图形设计和具体的计算，还有最重要的就是压力机的确定和数据的校核。
第5章为设计的中心部分，有凸、凹模的间隙和凸、凹模设计的原则，还有凸、凹模的人口尺寸计算，包括基本尺寸的计算和公差的确定。
第6章为模具工作零件的具体设计，包括凹模的设计和尺寸的计算，还有凸模的长度和硬度校核，还有卸料板、垫板、导料板及标准件的设计、选用和计算，并有非标准件的零件图形和最终的装配草图和装配图。
模具生产技术水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。
模具质量及附加值的高低，取决于模具专业人才的技术水平。
随着产品市场的国际化，如何降低生产成本以适应竞争的激烈和残酷越来受关注，产品制造的批量化、集约化和标准化，就越来越显得十分重要了。
目前，在全世界，模具快速发展，已成为大国的重要工业发展对象，各个行业都需要模具的辅助制造，所以模具对工业的发展有个不可替代的重要性。
未来，模具的发展也许有将成为国家第一产业的可能。
1.4发展方向
本章首先介绍了研究该课题的背景和优势，就模具的发展已经纳入高技术的行业，成为我国工业中重要的一部分，最具有潜力的工业之一。
并促进我国的软件（如CAD、ProE和UG）的快速研发。
随后介绍了冲压模具的发展现状和前景，随着国民经济的快速增长，模具的需求量也随着增长，国内沿海地区已经把模具行业列为重要产业，建立了大型的模具城。
在过去十年中，模具发展有着瞩目的发展，但是距离国外，仍有不小的差距，所以未来的模具发展就向模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求服务，以求早日跟上国际的脚步。
第二章冲裁模具课程设计任务书
2.1任务书设计内容
课题名称：
垫片级进模设计
零件名称：
垫板
材料：
10
厚度：
t=1mm
生产批量：
大批量
工件图：
如图所示
图2-1零件图
2.2任务书的要求
2.2.1技术要求：
1、冲裁件内外精度均为IT14
2、毛刺小于0.1mm
3、要求设计制造此工件的冲裁模
2.2.2设计要求：
1、绘制制作该工件所需的冲裁模具总装图
2、绘制构成该模具的所有非标准零件图
3、编制设计说明书
4、将设计说明书装订成册、图纸折叠成A4尺寸并装订成册
5、把审题表、任务书……全部装入档案袋
第三章零件的工艺性分析和方案确定
3.1零件的工艺分析
冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适用性，即冲裁加工的难以程度。
冲裁件的工艺性主要包括冲裁件的结构与尺寸、精度与断面粗糙度和材料3个方面。
3.1.1结构与尺寸的分析
冲裁件的结构分析需要对零件的形状、外形、冲裁件的悬臂件和窄槽、冲孔的最小尺寸、孔间距的要求和孔壁、冲裁宽度的要求。
零件材料为10，适合一般的冲压加工。
该零件形状对称、简单，为长方形结构，结构相对比较简单，只有2个φ6的孔。
此工件只有落料和冲孔两个工序，图示零件的尺寸全部为未注公差的一般尺寸，一般按IT14级取，尺寸精度较低，可认为该零件的精度要求能够在冲裁加工中得到保证，其他尺寸标注、生产批量等情况，也符合冲裁的工艺要求，普通冲裁完全可以满足要求
该零件结构较简单，形状对称，尺寸较小。
因此，均适宜冲裁加工。
3.1.2精度与断面粗糙度分析
冲裁件的精度一般可分为精密级和经济级两大类。
精密级是冲压工艺技术所允许的精度，而经济级是可以用经济手段达到的精度。
冲裁件的尺寸精度是在合理间隙的情况下，对铝、铜、软钢等常用材料冲裁加工数据。
精度要求特别高的工件，需要增加整修等精密冲裁工件。
在冲裁件内外所能达到的经济精度，见表所示。
表3-1冲裁件内外形所能达到的经济精度
材料厚度
（mm）
基本尺寸
≤3
3～6
6～10
10～18
18～500
≤1
IT12～IT13
IT11
1～2
IT14
IT12～IT13
IT11
2～3
IT14
IT12～IT13
3～5
IT14
IT12～IT13
零件的尺寸公差精度均为IT14级，未注公差精度也为IT14级，并无其他特殊要求，因此，利用普通冲裁的方式就可以满足零件的图样要求。
由以上可以看出，该零件工艺性较好，可以冲裁加工。
3.2冲裁工艺方案的确定
冲裁方案的选择：
在冲裁工艺分析的基础上，根据冲裁件的特点确定冲裁工艺方案。
确定工艺方案首先要考虑的问题是确定冲裁的工序数，冲裁工序的组合以及冲裁工序顺序的安排。
冲裁工序数一般容易确定，关键是确定冲裁工序的组合与冲裁工序的顺序。
冲裁模的结构形式多种多样，如果按工序的组合分类，可分为单工序模、级进模（连续模或跳步模）、复合模等各种冲裁摸的构成大体相同，主要由于工作零件、定位零件、卸料与推料零件、导向零件、联接与固定零件组成。
该零件包括落料、冲孔两个基本工序，可有一下三种方案：
方案一：
先落料，后冲孔，采用单工序模生产
方案二：
落料—冲孔复合冲压，采用复合模生产
方案三：
冲孔—落料连续冲压，采用级进模生产
单工序模、级进模、复合模比较如表所示
表3-2各类模具结构及特点比较
模具种类比较项目
单工序模
（无导向）（有导向）
级进模
复合模
零件公差等级
低
一般
可达IT13～IT10级
可达IT10～IT8级
零件特点
尺寸不受限制厚度不受限制
中小型尺寸厚度较厚
小零件厚度0.2～6mm可加工复杂零件，如宽度极小的异形件
形状与尺寸受模具结构与强度限制，尺寸可以较大，厚度可达3mm
零件平面度
低
一般
中小型件不平直，高质量制件需较平
由于压料冲件的同时得到了较平，制件平直度好且具有良好的剪切断面
生产效率
低
较低
工序间自动送料，可以自动排除制件，生产效率高
冲件被顶到模具工作表面上，必须手动或机械排除，生产效率较低
安全性
不安全，需采取安全措施
比较安全
不安全，需采取安全措施
模具制造工作量和成本
低
比无导向的稍高
冲裁简单的零件时，比复合模低
冲裁较复杂零件时，比级进模低
适用场合
料厚精度要求低的小批量冲件的生产
大批量小型冲压件的生产
形状复杂，精度要求较高，平直度要求高的中小型制件的大批量生产
根据分析结合表分析：
方案一的模具结构简单，但需要两道工序两套模具，成本高而且生产效率低，难以满足大批量生产的要求
方案二只需要一副模具，工件的精度及生产效率都高，由于查表2.9.6可知材料厚度为1mm时凸、凹模的许用的最小壁厚为2.7mm,由图形可知孔边距小于凸、凹模许用最小壁厚，用方案二模具强度较差，制造难度大，并且冲压后成品留在模具上，在清理模具上的物料时会影响冲压的速度，操作不方便
方案三也只需要一副模具，生产效率高，操作方便，工件精度也能满足要求，且安全性高。
通过对比以上方案可知，该工件的冲压生产采用方案三较好
通过对上述三种方案的分析比较，该工件的冲压生产采用方案三级进模最佳
3.3模具总体方案的确定
（1）模具类型
根据零件的冲裁工艺方案，采用级进冲裁模。
（2）操作与定位方式
为了提高生产效率和质量，可以采用配合自动装置送料方式。
由于零件尺寸小且厚度适中，可以采用导正销与自动送料装置联合定距的方式。
（3）卸料与出件方式
考虑到零件厚度薄，可以采用弹性卸料方式，并采用由凸模直接从凹模洞口直接推下的下出件方式以提高生产率。
（4）模架类型及精度
考虑到零件的结构工艺特点，可以采用导向平稳的中间导柱模架，。
由于零件的精度要求不是很高，可以采用I级模架精度。
以上的各项将在第五章详细说明解释。
第四章零件工艺的设计计算
4.1排样设计与计算
冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样。
合理的排样是提高材料利用率、降低成本，保证冲件质量及模具寿命有效措施。
4.1.1材料利用率
冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料利用率，它是衡量合理利用材料经济性指标。
材料利用率通用计算公式
=
/A×100%
式中
—冲裁件的总面积
A——个步距的条料面积（L×B）
通过CAD软件计算得到制件的总面积是1243.45mm2
经计算得:
=
×100%
=70.2%
故材料的利用率为70.2%
废料可分为工艺废料与结构废料两种。
结构废料由工件的形状特点决定，一般不能改变；搭边和余料属于工艺废料，是与排样形式及冲压方式有关的废料，设计合理的排样方案，减少工艺废料，才能提高材料利用率。
4.1.2排样设计
根据材料的合理利用情况，条料排样方法可分为三种：
有废料排样、少废料排样和无废料排样。
采用少、无废料的排样可以简化冲裁模结构，减小冲裁力，提高材料利用率。
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影响，冲裁件公差等级低。
同时，由于模具单边受力（单边切断时），不但会加剧模具磨损，降低模具寿命，而且也直接影响冲裁件的断面质量。
为此，排样时必须统筹兼顾、全面考虑。
对有废料排样，少、无废料排样还可以进一步按冲裁件在条料上的布置方法加以分类，其主要形式可分为：
直排、斜排、直对排、斜对排、混合排、多排和冲裁搭边。
该零件结构简单，生产批量大，精度要求一般，综合上述可以使用直排少废料的排样的设计。
垫片零件外形是矩形只有冲孔，所以结构比较简单，只需要直排就可以。
因此，如图所示。
查表可得，两工件间的搭边a1=1.5mm，工件边缘搭边a=1.2mm。
具体排样设计如图所示：
图4-1零件排样图
4.2冲裁力
4.2.1冲裁力的计算
冲裁力是冲裁过程中凸模对板料施加的压力，它是随凸模进入材料的深度（凸模行程）而变化的。
通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值，它是选用压力机和设计模具的重要依据之一。
用普通平刃口模具冲裁时，其冲孔力F一般按下式计算：
F=KLt
式中：
F—冲孔力
L—冲裁周边长度
t—材料厚度
K—系数（K一般取1.3）
—材料抗剪强度（
=294MPa）
系数K是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动和不均匀、刃口的磨损、板料力学性能和厚度波动等因素的影响而给出的修正系数（一般取K=1.3）。
经计算得：
F=
=87KN
所以，在实际生产中应用冲压力为132KN来参考
一般在实际生产中，需要用系数K来计算，为计算方便，落料力可按以下公式计算：
F0=Lt
式中
—材料抗拉强度（
=373MPa）
经计算得：
F0=30.1KN
所以，在实际生产中应用切断力为26.476KN来参考。
4.2.2卸料力、推件力和顶件力的计算
在冲裁结束时，由于材料的弹性回复（包括径向弹性回复和弹性翘曲的回复）及摩擦的存在，将使冲落部分的材料硬塞在凹模内，而冲裁剩下的材料则紧固在凸模上。
所以卸料力、推件力和顶件力是在选择冲压设备和校核公称压力应分别考虑的，因为他们都是由压力机和模具卸料装置或顶出装置传递的。
且在选择设备的公称压力或设计冲模时，应分别予以考虑。
因此要准确的计算这些力是困难的，生产中常用下列经验公式计算：
卸料力：
查手册表取
，则
FX=KXF
代入数据得：
FX=26.476KN
推件力：
查手册表取
，则
FT=nKTF
n=h/t
代入数据得：
FT=7.92KN
顶件力：
查手册表取
，则
FD=KDF
代入数据得：
FD=3.61KN
式中：
F—冲裁力
KX—卸料力系系数数
KT—推件力
KD—顶件力系数
n—同时卡在凹模内的冲裁件（或废料）数
h—凹模洞口的直刃壁高度
t—板料厚度
可查手册表
表4-1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
＞0.5～2.5
＞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
0.63
0.55
0.45
0.25
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
注：
卸料力系数KX，在冲多孔、大搭边和轮廓复杂制件时取上限值。
然而压力机的公称压力必须大于或等于各种冲压工艺的总和，则计算如下所示：
=F+F0+FX+FT=110.316KN
4.3压力机的确定
4.3.1压力机的选择
对于中小型冲裁件常采用开式曲柄压力机。
根据总冲压力
=110.316KN，模具闭合高度，冲床工作台面尺寸等，并结合现有设备，选用J23-250开式双柱可倾冲床，并在工作台面上备制垫板。
其主要工艺参数如下：
公称压力：
250KN
滑块行程
：
80mm
行程次数：
100次/分
最大封闭高度：
220mm
封闭高度调节量：
70mm
工作台尺寸（左右*前后）：
560mm×360mm
工作台板厚度：
70mm
模柄尺寸：
ø50×70
倾斜角：
30°
4.3.1开式压力机机床有关参数
1、机床控制系统：
（1）开门断电，漏电保护。
电控系统符合国家安全标准。
（2）电动式油缸行程调节，显数器显示。
（3）电动式挡料尺寸调节，显数器显示。
2、机床后挡料的基本配置：
（1）普通电机
（2）普通丝杆和光杆
（3）后挡料链轮传动
注：
机床参数及配置如需变动敬请另外说明，作为合同附件
3、机床结构：
（1）采用全钢焊接机架，（、拼装工作台组成）振动时效处理，具有足够的强度和刚性。
（2）双油缸控制，机械挡块机构保护，液压上传动，扭轴强迫同步机构。
（3）滑块行程电动快速调节，并有手动微调，显数器显示
（4）上模具配有斜楔式挠度补偿机构，以补充折弯精度。
（5）单边/双边T型槽口工作台，调整分段下模快速方便。
（6）可进行多机联动（需同时购买一台该型号的机床并加装联动同步装置），也可单机单动。
（7）该设备可折板厚是根据10钢板/A3板的抗拉强度（450N/mm2）和折弯槽口比例1比8来计算的，敬请核实好各种锰板的抗拉强度后与Q235板比较进行折算，另外可以通过扩大折弯下模的槽口尺寸来取得更厚的折板尺寸。
（8）工作台主立板和台面均可调节。
可根据折弯力的需要，适当调整工作台的加凸量来弥补由于工作台的变形而出现的挠度进行补偿。
4.4压力中心的计算
模具的压力中心就是冲压合力的作用点。
为了保证压力机的模具的正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心线相重合。
否则，冲压时滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分不正常在磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而影响制件质量和降低模具寿命甚至损坏模具。
在实际生产中，可能会出现由于冲件的形状特殊或排样特殊，从模具结构设计与制造考虑不宜使压力中心与模柄中心线重合，这时应注意使压力中心的偏离不致超出所选用压力机允许的范围。
确定该零件的压力中心计算步骤如下：
（1）选定坐标轴X和Y
（2）计算出各单一图形的压力中心到坐标轴的距离x1、x2、x3、…xn和y1、y2、y3、…、yn
（3）将组成图形的轮廓线划分为若干简单的线段，求出各线段长度L1、L2、L3、…、Ln.
（4）按如下公式算出压力中心的坐标（X0、Y0）
根据力学定理，合力对某轴的力矩等于各分力对同轴力矩的代数和，则可得压力中心坐标（x0、y0）计算公式：
因为冲裁力与周边长度成正比，所以式中各冲裁力F1、F2、F3、…、Fn可分别用冲裁周边长度L1、L2、L3、…、Ln代替，即
其中：
L—为每段线段的长度或圆弧的周长
X—为每段线段的中点或圆弧的中心到X轴的距离；
Y—为每段线段的中点或圆弧的中心到Y轴的距离；
模具的结构的制造压力中心与模柄中心线重合，故压力中心点就是几何对称点。
若选用坐标系XOY，即xc＝0，yc＝0
由以上计算可以得出模具的压力中心以便装模时与压力机滑块的中心线相重合
第五章计算凸、凹模刃口尺寸及公差
5.1凸、凹模间隙值
冲裁间隙是指冲裁模凸、凹模刃口之间的空隙。
凸模与凹模间每侧的间隙称为单面间隙，用Z/2表示；两侧间隙之和称为双面间隙，用Z表示。
如无特殊说明，冲裁间隙都是指双面间隙。
冲裁间隙的数值等于凸、凹模刃口尺寸的差值，如图所示，即
式中
—凹模刃口尺寸；
—凸模刃口尺寸。
冲裁间隙对冲裁过程有着很大的影响。
此外，间隙对冲压力和模具寿命也有着较大的影响。
图5-1凸、凹模刃口尺寸的差值
5.1.1间隙对冲压力和模具寿命的影响
间隙很小时，因材料的挤压和摩擦作用增强，冲裁力必然较大。
随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，容易发生断裂分离，因此冲裁力减小。
但试验表明，当单面间隙在材料厚度的5﹪～20﹪范围内时，冲裁力降低不多，不超过5﹪～10﹪。
因此，在正常情况下，间隙对冲裁力的影响不是很大。
模具寿命通常是用模具失效前所冲的合格冲裁件数量来表示。
冲裁模的失效形式一般有磨损、变形、崩刃和凹模胀裂。
间隙大小主要对模具的磨损及凹模胀裂产生较大影响。
模具刃口磨损看，使刃口钝化、间隙增加，从而导致制件的尺寸精度降低冲裁能量增大，断面粗糙。
所以必须注意尽量减少模具的磨损。
为提高模具寿命，一般需要采用较大间隙。
5.1.2冲裁间隙的确定
凸、凹模间隙对冲裁件断面质量、尺寸精度、模具寿命以及冲裁力等有较大影响，所以必须选择合理的间隙。
在冲压的实际生产中，为了获得合格的冲裁件、较小的冲压力，并保证模具有一定寿命，我们规定一个间隙值范围，称为合理间隙。
这个范围的最小值称为最小合理间隙（Zmin），最大值称为最大合理间隙（Zmax）。
因冲模在使用过程中会逐渐磨损，间隙增大，再设计和制造新模具时，一般采用最小合理间隙。
冲裁间隙数值主要按制件质量要求，根据经验数值来选用。
然而对于电子、电器、仪器等行业对制件断面质量和尺寸精度要求较高，可选用较小的间隙值。
如下图要求零件内外尺寸精度为14级，且该零件属于无特殊要求的一般冲孔、落料。
5.2凸、凹模刃口分别加工的计算法
冲裁件的尺寸精度主要取决于模具刃口的尺寸精度，合理间隙的数值也必须靠模具刃口的尺寸及公差来保证。
正确确定模具刃口尺寸及其公差，将会直接影响到冲裁生产的技术经济效果，因此它是设计冲裁模的主要任务之一。
由于制件结构简单精度要求不高，所以采用凸模和凹模分开
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