手柄冲孔落料级进模的设计与制造.docx

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手柄冲孔落料级进模的设计与制造

手柄冲孔、落料级进模的设计与制造

一、前言

模具是工业生产中使用极为广泛的基础工艺装备。

在汽车、电机、仪表、电器、电子、通信、家电和轻工等行业中，60%~80%的零件都要依靠模具成形，并且随着近年来这些行业的迅速发展，对模具的要求越来越迫切。

精度要求越来越高，结构也越来越复杂，用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产效率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。

模具生产技术的高低，已成为衡量一个国家产品的制造水平的重要标志。

目前，国内模具工业发展很快，其产值已超过机床工业的产值。

我国模具工业作为一个独立的新型的工业，正处于飞速发展阶段，已成为国民经济的基础工业之一，其发展前景十分广阔。

据预测，未来我国将成为世界的制造中心，这更加给模具工业带来前所未有的发展机遇和空间。

但由于我国模具工业起步较晚，底子薄“九五”期间虽有较快发展，但与发达国家相比，差距还相当大。

许多模具还需要进口，模具制造高级人才也供不应求。

为进一步加快我国模具工业的发展，基本任务之一就是加快人才的培养，普及先进的模具设计与制造技术，培养模具专业的高级人才。

为满足模具制造业对技术工人的需求，很多职业技能培训学校都开设了模具制造相关专业，而目前我国模具制造工还没有成为独立的专业工种，还没有统一的模具制造专业教学大纲和教材，也没有统一的技能鉴定标准，各学校和企业都只能在摸索中自行组织安排，这种状况显然不利于该专业的发展和人才培养的规范性。

三百六十行，各行各业对从业人员都有自己特有的职业技能要求。

从业人员必须熟练掌握本行业、本岗位的职业技能，具备一定的包括职业技能在内的职业素质，才能胜任工作，把工作做好，为社会做出应有的贡献，实现自己的人生价值，在激烈的市场竞争中立于不败之地。

在此次毕业设计当中，我设计的产品零件是一个手柄。

该产品采用级进模加工成型。

经过本人的努力，查阅了大量资料，加上指导老师的精心指导，完成了此副模具的设计。

在设计过程中难免有些不足之处，恳请各位专家和老师加以批评指正。

二、零件的工艺性分析

工件名称：

手柄

生产批量：

小批量

材料：

Q235-A：

料厚1.2mm

工件简图：

如图1所示

冲裁工件的工艺性，是指冲裁工件对冲压工艺的适应性，既冲裁件的形状结构、尺寸大小、尺寸偏差、形位公差与尺寸基准等是否符合冲裁工艺的要求。

冲裁工件的工艺性对冲裁工件的质量、材料利用率、生产率、模具制造难易、模具寿命、操作方式及冲压设备的选用等都有很大的影响。

一般情况下，对冲裁工件的工艺性影响最大的是几何形状、尺寸和精度要求。

良好的冲裁工艺性应能够满足材料省、工序少、产品质量稳定、模具较易加工。

此工件只有冲孔和落料两个工序，将外形视为落料，则需要冲的孔有2个，大端冲一个ф8mm的孔，小端冲一个ф5mm的孔。

三、工艺方案的确定

拟定工艺方案：

方案一：

先落料，后冲孔的单工序冲裁；

方案二：

冲孔、落料的一次复合冲裁；

方案三：

冲孔、落料级进冲裁。

采用方案一：

生产率低工件尺寸误差大；采用方案二：

模具制造难度较大，并且冲压后成品件留在模具具上，在清理模具上的物料时会影响冲压速度。

采用方案三：

生产率高，工件夹带可提高工件尺寸精度、操作安全。

相比较：

故采用方案三加工此模具。

因为此工件加工精度不是很高，所以在制造过程中采用普通精度的冲床加工就能够保证制件精度。

冲压设备的选择是根据冲压工艺性质、生产批量大小、冲压件的几何形状、尺寸及精度要求等因素开确定的。

因为是小批量生产，冲压件的精度不高，所以采用普通冲床加工就可以了。

四、冲压工艺计算及设计

（一）排样图设计

设计多工位级进模，首先要设计条料排样图。

手柄的形状具有一头大一头小的特点，单向排列时材料利用率低。

按图2所示的排样方法，可显著提高材料利用率。

但由于凸模和凹模都要制成两套，从而增加模具成本，所以设计成隔位冲压，条料完成冲压以后，将条料水平方向旋转180°，再冲第二遍，在第一次冲裁的间隔中冲裁出第二部分工件。

（二）裁板设计

搭边值的确定：

搭边是指冲裁件是制件之间，制件与条（板）斜边缘之间的余料。

搭边的作用是：

补偿定位误差，保证冲出合格的制件，保持条料具有一定的刚性，便于送料；保护模具，以免模具过早地磨损而报废。

搭边值的大小取决于制件的形状、材质、料厚及板料的下料方法，搭边值大小影响材料的利用率，经查表得出搭边值为1.4和2.2mm，但考虑到此模具要双向冲裁，如果搭边值太小，很可能导致条料弯曲变形，所以取2.5和3.5mm为宜，根据排样图，L取127mm。

送料间隙C=1.0~1.5mm,这里取1mm。

a=2.5mmb=3.5mmc=1mmL=127mm

条料宽度：

B=（L+2b+c）

=（127mm+2×3.5mm+1）=135mm

板料规格：

1500mm×1000mm×1.2mm

剪切条料尺寸：

135mm×1000mm

条料数n1=1500/135=11条

每条个数n2=1000/26.5=37个

每板个数n3=11×37=407个

冲片面积：

S=3.14×82/2+3.14×62/2+16×95+8×95=2782.4mm2

条料利用率：

η1=37×2782.4/135×1000×100%=76%

板料利用率：

η2=37×2782.4/1000×100%=75%

此工件的尺寸在级进模中是较大的，只有2个工位，又是小批量生产，因此采用挡料销定位。

送料时废料孔与挡料销作为粗定距，在大凸模上安装两个导正销，利用条料上ф5mm和ф8mm孔作导正销孔进行导正，以此作为条料送进的精确定距。

因为这是一副级进模，所以操作时完成第一步冲压后，把条料抬起向前移动，用落料孔套在挡料销上，并向前推紧。

冲压时凸模上的导正销再作精度定距。

挡料销位置的设定比理想的几何时位置向前偏移0.2mm，冲压过程中精度定位元件完成以后，当用导正销作精确定位时，由导正销上圆锥形斜面再将条料向后拉回约0.2mm，而完成精确定距，用这种方法定距精度可达到0.02mm。

（三）卸料力计算

查表得K卸=0.05

F卸=K卸F0=0.05×117834.2=5892N

（四）冲裁力的计算

冲裁力用公式F0=ltτ计算，查表得取材料抗剪强度τ=320MPa，板料厚t=1.2mm，L值为2个孔的总周长与工件外轮廓线周长之和，即L=306.86mm。

则冲裁力为：

F0=ltτ=306.86mm×1.2mm×320MPa=117834.2N=118KN。

（五）总压力计算

F总=F+F卸=117834+5892=123736N=124KN

确定压力机的规格时应遵循如下原则：

（1）压力机的标称压力必须大于冲压工序所需压力，当冲压行程较长时，还应注意在全部工作行程上，压力机许可压力曲线应高于冲压变形力曲线。

（2）机床滑块行程应满足制件在高度上能获得所需尺寸，并在冲压工序完成后能顺利地从模具取出来。

（3）压力机的行程次数应符合生产率和材料变形速度的要求。

（4）压力机的闭合高度、工作台面尺寸、滑块尺寸、模柄孔尺寸等都能满足模具的正确安装要求。

根据计算结果以及上述原则，查表得J23-16可倾式压力机最大封闭高度220、封闭高度调节量60、模柄孔尺寸直径40　深度60工作台尺寸450×300，符合使用要求。

（六）模具压力中心计算

冲裁模压力中心就是冲裁合力作用点，冲压时模具的压力中心一定要与冲床滑块中心重合，避免产生偏弯矩。

减少模具导向机构的不均匀磨损；保证冲裁工作间隙的稳定性，防止刃口局部迅速变钝，提高冲裁件的质量和模具的作用寿命，合理布置凹模型孔的位置，因此设计模具时，要使模具的压力中心通过模柄的轴线，从而保证模具压力中心和冲床滑块中心重合。

计算压力中心时，应首先画出凹模型口图，如图—3所示，在图中将X、Oy坐标建立在图示的对称中心线上，在图中将冲裁线按几何图形分成L1~L6共6组线段，每组线段都要计算出线段总长度力的作用点到力轴的距离及到y轴的距离，L1是半圆弧其力在X方向的作用点可以有关手册中查出，位于距圆心2R/п处，L4也是半圆弧，计算方法同上：

L2、L3是直线，力的作用点位于直线中间，L6是ф8mm的圆，力的作用点位于ф8mm的中心，根据公式计算：

计算压力中心数据表（mm）

编号

冲裁线长度L

力中心到y轴距离x

力中心到x轴距离y

25.12

-52.59

26.5

95.34

38.5

95.34

14.5

50.24

57.856

26.5

15.7

-47.5

-26.5

25.12

47.5

-26.5

将表中的数据代入下式计算，

Xc=L1X1+L2X2+……L6X6/L1+L2+……+L6=19.45mm

yc=L1y1+L2y2+……L6y6/L1+L2+……+L6=6.60mm

压力中心是图—3所注的C点。

冲裁间隙所选工件材料为低碳钢，取Ⅲ型截面，查表得出Z/2t=9%其中Z为间隙值，t为板料厚度，则单面间隙为：

Z/2=0.09t=0.09×1.2mm=0.108mm。

（七）弹性橡胶板计算

本模具中橡胶板的工件行程由以下几个部分组成：

凸模修磨量5mm，凸模凹进卸料板1mm，工作厚度1.2mm，凸模冲裁后进入凹模2mm，以上四项长度之和就是橡胶板的工作行程S2作：

即

S2作=（5+1+1.2+2）mm=9.2mm

取压缩量为自由高度的0.25，则橡胶板的自由高度为：

H自由=S工作/0.25=9.2mm/0.25=36.8mm

预压缩量取15%，查表得P=0.5MPa，此时橡胶板应具有足够的即料力，其卸料力的大小根据公式F=AP（N），计算橡胶板所需的面积，则：

A=F/P=5891.7N/0.5=11783mm2=117.83cm2

结合模具实际结构，将橡胶板分成四块安装，橡胶板高度H自由与直径D之此需要满足下式：

0.5≤H自由/D≤1.5

（八）凸凹模刃口尺寸计算

根据冲裁特点，落下来的料和冲出的孔都是带有锥度的，过落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。

在测量与使用中，落料件是以大端尺寸为基准，，即冲裁件的尺寸是以测量光亮带尺寸为基准的，冲裁时凸、凹模将与冲裁件或废料发生摩擦，凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，从而导致凸、凹模间隙愈用愈大。

1、凸凹模间隙

已知工件材料为Q235，材料厚度t=1.2mm,

查表得Zmax=0.16mm，Zmin=0.13mm

2、冲孔

冲孔时，冲孔件尺寸决定于凸模尺寸，以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得。

为增加模具使用奏，应加上一个备磨量X△按自由公差IT14级，查出ф5mm孔△=0.3mm，ф8mm孔△=0.36mm，ф16mm孔△=0.43mm，ф32mm孔△=0.62mm，磨损系数×查表取X=0.5，凸凹模制造公差δd=0.6（Zmax-Zmin）=0.6×0.03=0.018mm，δP=0.4（Zmax-Zmin）=0.4×0.03=0.012mm

ф5mm孔d凸=（dmin+X△）-δp=（5+0.5×0.3）-δp=5.15+0.012mm

d凹=（d凸+Zmin）+δd=（5.15+0.13）+δd=5.28-0.018mm

ф8mm孔d凸=（8+0.5×0.36）–0.018=8.18-0.018mm

d凹=（8.18+0.13）+0.012=8.31+0.012mm

3、落料

落料时，落料件尺寸取决于凹模尺寸，以凹模为基准，间隙取在凸模上，冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来获得，所以应减去一个备磨量X△

ф16mm孔D凹=（D-X△）+δd=（16-0.5×0.43）+δd=15.785+0.012mm

D凸=（D凹-Zmax）-δp=（15.785-0.13）-δp=15.655-0.018mm

ф32mm孔D凹=（32-0.5×0.62）+δd=31.69+0.012mm

D凸=（31.69-0.13）–δd=31.56-0.018mm

五、模具类型及结构的确定

模具总体结构如图4所示：

由于凸、凹模间隙比较大，所以模具采用滑动中间导柱模架。

模具上模部分主要由上模板、垫板、凸模固定板、凸模及卸料板等组成。

卸料方式采用弹性卸料以橡胶为弹性元件。

上模部分共有3个凸模，下模部分由下模座、凹模板、导料板和挡料装置等组成。

冲孔废料的成品件均由漏料孔漏出。

六、模具材料的选用

模具材料是模具的制造基础，合理选择模具材料，正确实施模具热处理工艺是保证模具寿命，提高模具质量和使用效能的关键。

冷冲模是在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具。

在使用中受到压缩、拉深、弯曲、冲击、摩擦等机械力的作用。

正常失效形式是磨损，脆断、弯曲、啃伤等，因此要求冷冲模具在相应的热处理后，具有较高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳等能力，以保证模具的精度和寿命。

1、选择材料的一般原则

（1）要有足够的使用性能

（2）良好的工艺性能。

（3）合理的经济性能。

2、选择模具材料应考虑的因素

（1）模具的工作条件：

如模具的受力状态，工作温度，腐蚀性等。

（2）模具的工作性质。

（3）模具结构因素：

如模具的大小，形状，各部件的作用，使用性质

等。

（4）模具的加工手段。

（5）热处理要求

主要零件材料表

序号

名称

材料

备注

凸模固定板

45钢

热处理HRC40～45

凸凹模

Gr12

热处理HRC58～62

卸料板

45钢

淬火硬度HRC40～45

始用挡料装置

45钢

导料板

45钢

热处理HRC40～45

七、主要零部件的设计

设计主要零部件时，首先要考虑主要零部件用什么方法加工制造及总体装配的方法，结合模具的特点，本模具适宜采用线切割机床加工凸模固定板、卸料板、凹模以及外形凸模。

这种方法可以保证这些零件各个孔的同轴度，使装配工作简化，下面分别介绍各个零件的设计方法：

（一）凹模设计

凹模采用整体凹模，各冲裁的凹模孔均采用线切割机床加工，刃口部分深度h，根据材料厚度1.2mm，h一般取5~10mm，这里取8mm。

落料部分可采用电火花成型加工机床进行扩孔加工。

安排凹模在模架上位置时，要依据计算压力中心的数据，将压力与模柄中心重合，查表得出凹模壁厚45mm。

如图5所示：

凹模厚度：

H=kb1（不小于8mm）

K—系数查表取K=0.2

b1根据排样图取127mm

H=kb1=0.2×127mm=25.4mm

凹模长度：

L=L1+2L1

L1取81.5mm,l1取45mm

L=81.5mm+2×45mm=171.5mm

凹模宽度B=b1+（2.5~4.0）×H1取3

B=b1+3H=127+3×25.4=203.2mm

查GB/T7643.1~1994得凹模标准件尺寸200mm×200mm×25mm材料选取Cr12，热处理58~62HRC。

（二）凸模设计

外形凸模用线切割机床加工成直通凸模，用2个M8螺钉固定在垫板上，与凸模固定板的配合按H6/m5。

外形凸模的高度是凸模固定板、卸料板、橡胶板的总和减去凸模凹入卸料板的1mm。

外形凸模下部设置两个导正销，分别借用工件上ф5mm和ф8mm两个孔作导正销，导正销尺寸如图所示：

导头的直线部分应为（0.5~0.8）t，取0.8mm，导正销伸入定位孔时，板料应处于自由状态。

在手工送料时，板料已由挡料销粗定位，导正销将工件导正的过程是将板料向后拉回约0.2mm，一般凸模应进入卸料报0.8~2.5mm，此值定为1mm，必须在卸料板压紧板料之前完成导正，所以导正销直线部分的长度为0.8mm+1mm=1.8mm。

导正销可采用标准件，标准件可查JB/T7648.5—1994

根据制件的形状，把外形凸模设计成直通式凸模，如图6所示。

在外形凸模的底部钻孔安装导正销，采用H7/r6的配合，为防止脱落，在凸模上打横向孔，用销钉固定导正销。

ф5mm的圆形凸模，采用尾部带台阶的固定方法，尾部台阶直径为ф6.5mm，与固定板接角的中部直径为ф6mm，因其直径较小，易损坏，故按常拆结构设计，与固定板接触部分为ф10mm，尾部没有台阶，用M5的螺钉固定在垫片上，其与固定板配合采用H7/m6。

（三）卸料板的设计

弹性卸料板应对小凸模具有保护作用，故凸模下卸料板的间隙的选择应小一点，使用外形凸模对卸料板起导向作用。

级进模中卸料板与凸模的间隙查表得出，选0.025mm。

如图7所示：

其外形尺寸与凹模边界尺寸相同，200mm×200mm。

根据公式：

H=h1-t+kt+h2+h3

K—系数，t=1.2mm,所以K取0.1H—导尺厚度12mm

h=12-1.2+0.1×1.2+8=11mm

卸料板总厚度为25m，卸料板与凸模的间隙已在凸模设计中确定，卸料板上设置4个卸料螺钉，公称直径为12mm，螺纹部分为M10，长紧后，应使卸料板超出凸模1mm，有误差时通过左螺钉与卸料板之间安装垫片来调整。

卸料板工作时，进入导尺压紧条料，卸料板在导尺的位置留出台阶，

在凹模上没有条料的情况下，卸料板的下平面与导尺的上表面之间保留0.5mm的间隙，卸料板水平方向与两导尺之间的双边间隙为0.5mm，橡胶板厚度不可低于要求的尺寸，超出要求尺寸的应考虑到每加厚1mm，就将增加工作载荷1000N橡胶板分为四块，每个卸料螺钉安装一块，中间钻孔ф11mm，四块橡胶板的厚度务必一致，不然会造成受力不均匀运动产生歪斜，影响模具的正常工作，卸料板采用45钢制造，淬火硬度为40~45HRC。

卸料螺钉的尾部在上模座的台阶孔中定位，卸料螺钉工作时的行程为4.2mm，上模座在螺钉尾部应留有足够的行程空间。

（四）导尺的设计

导尺也称为导料板，导尺工作的侧壁设计成平直的，导尺的内侧与条料接触，外侧与凹模齐平，这样就确定了导尺的宽度，条料宽度是135mm，凹模宽度是200mm，导尺与条料之间的间隙一般为0.03mm~0.2mm，这里选0.2mm则导尺宽度为（200mm-135mm-0.2mm）/2=32.4mm。

导尺厚度

查表取为8mm，但考虑到始用挡料装置的安装，这里加厚到12mm。

如图8所示，导尺用螺钉和螺钉固定在凹模上，导尺采用45钢制作，热处理硬度为40-45HRC，导尺的进料端安装承料板，外形尺寸60mm×200mm×6mm，厚度为8mm，用四个螺钉吊装在导尺上。

导尺长度为凹模长度与承料板长度之和，为260mm，入口设计成15º的斜角。

　　（五）始用挡料装置

如图9所示，始用挡料装置由螺塞、支撑座、弹簧和顶杆四部分组成。

支撑座用2个M6螺钉固定在导尺上，支撑座材料选用45钢，顶杆选用T10A。

（六）凸模固定板的设计

凸模固定板的外形尺寸与凹模一致，为200mm×200mm，凸模孔可采用线切割机床加工，两个圆柱凸模的沉孔可用普通机床，装上镗刀进形镗孔。

固定板用螺钉吊在上模座上，材料采用45钢，热处理HRC40~45。

（七）、模架的选用

根据模具类型和卸料、出料形式选择典型组合形式，采用中间导柱

模架，依据凹模尺寸确定

上模座GB/T2855.9~1990

下模座GB/T2855.10~1990

导柱GB/T2861.1~1990

导套GB/T2861.6~1990

八、主要零部件的制造

（一）凹模

凹模总体的制造工艺过程为：

锻造——热处理（退火）——机械加工——热处理（淬火+回火）——线切割——热处理（回火）。

凹模采用Cr12钢。

由于Cr12型高碳高铬冷作模具刚结晶过程中析出的碳化物极其稳定，以常规热处理方法无法细化。

在较大规格钢材中残留有明显的带状或网状碳化物，而且钢材规格越大，碳化物不均匀度越严重。

碳化物严重偏析，不仅易产生淬火变形及开裂，而且会使热处理后的力学性能变坏，尤其是横向性能下降更多，严重影响模具使用寿命。

因此对Cr12钢必须进行锻造以改善碳化物的不均匀性，保证模具的强度、韧性及使用寿命。

锻造实际操作时一定要严格按照锻造工艺规范，其关键在于毛坯加热温度及保温时间。

温度低、时间短、透烧不足或变形抗力太大，会产生件内裂或裂纹；而加热温度过高，会使毛坯过热或过烧，导致锻打碎裂而报废；保温时间长，会造成晶粒长大及表面严重脱碳。

加热时要先预热，再逐渐升温，注意工件放置的位置要适当，且应注意翻料，以使加热均匀。

锻打时坚持多向墩拔，反复墩粗、拔长，将网状碳化物和共晶碳化物打碎，消除碳化物的不均匀性。

锻后应注意暖冷并及时退火。

锻后一般退火：

加热温度为850~870℃，保温4~5h，炉冷至500℃以下出炉空冷，退火后硬度≤229HBS，组织为粒状珠光体+碳化物。

锻后进行机械加工。

这里的加工主要是对凹模外行尺寸及各螺纹孔的加工。

外行可用刨床对其进行粗加工，然后用磨床进行半精加工。

在电火花线切割加工之前还应进行热处理，即淬火和回火。

淬火：

加热温度为950~980℃，油冷，硬度≥60HRC。

回火：

一般回火温度为180~200℃，这里为了防止电火花线切割裂纹和磨削裂纹，提高Cr12钢模具的韧性，建议采取400℃回火。

回火后硬度为54~58HRC。

电火花线切割加工，凹模加工是去除内腔，所以线切割前须先打好钼丝孔，钼丝孔打在R8圆弧的中心O点，走丝路线如图10中虚线所示。

手工编程采用3B格式，编制的程序见表—1。

表—1凹模线切割程序

序号

线段

7793

15586

NR3

7793

94793

7793

15586

NR1

7793

94793

线切割结束后还要进行回火热处理，以消除加工产生的残余内应力。

（二）凸模凸模制造工艺与凹模差不多，只是电火花线切割加工部分不同。

凸模走丝路线如图—11虚线所示。

凸模线切割程序见表—2。

表—2凸模线切割程序

序号

线段

5000

7928

15586

NR1

7928

94928

7928

15536

NR3

7928

94928

九、模具装配

模具是专用成型工具是专用技术产品，所以必须进行专门设计与制造，而模具装配却是模具制造工艺过程的最后工艺阶段，包括装配，调整，检验和试模等工艺。

冲裁模是冲压生产中不可缺少的工艺装备，良好的模具结构是实现工艺方案的可靠保证。

冲压零件的质量好坏和精度高低，主要决定于冲裁模的质量与精度。

冲裁模的结构是否合理，先进，都直接影响到生产效率及冲裁模自身的使用寿命和操作的安全，方便性等。

由于冲裁件形状、尺寸、精度和生产批量及生产条件不同，冲裁模的结构类型也不同。

此模具是一副级进模，在送料方向上没有多个冲压定位，在不同工位上进行连续的冲压，压力机每次行程完成一部分冲压，通过连续的多次

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