订书机针槽冲压模设计.docx

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订书机针槽冲压模设计

摘要

在我们的日常生活中，冲压件随处可见，如不锈钢脸盆，USB接口，指甲刀，夹子等，它与我们生活息息相关，它们都是通过冲压模具制造而成。

随着社会的发展，冲压件的形状变得越来越复杂，越来越小，对质量要求也越来越高，一些按传统冲压工艺要多副模具分序冲制的中小型复杂零件，更多地采用多工位级进模成形。

级进模具有成型质量好，生产效率高等特点，在冲压成型中占有很重要的低位。

本毕设设计是针对日常办公用品的Mini订书机上的针槽来设计其模具，由于该零件较小，包含的成型工序较多，材料厚度较薄，选择级进模来成型该零件。

在进行模具设计之前先对该零件进行工艺分析，将工件展开，进行排样设计，排样设计好了之后确定整个模具的结构，对每个工位上的凸模凹模进行具体设计，再进行必要的校核，再对其它零件进行设计，最后再设计零件的加工工艺。

按照这个步骤，一般计算一边绘图，逐步完成本次设计。

关键字：

级进模；排样；冲裁；弯曲；凸、凹模

Abstract

Inourdailylife,stampingpartscanbeseeneverywhere,suchasmetalwashbasin,USBinterface,nailclippers,clamps,etc,itwithourlifeiscloselylinked,theyareallmanufacturedbystampingmould.Withthedevelopmentofsociety,theshapeofthestampingpartsisbecomingmoreandmorecomplex,moreandmoresmall,thequalityrequirementsarealsomoreandmorehigh,someinthetraditionalstampingprocesstomoldorderpunchinginsmallcomplexparts,moreofthemulti-positionprogressivedieforming.Therearemoldedintoamoldlevelofgoodquality,highproductionefficiency,playedanimportantroleinstampingforming.ThisgraduationdesignistodesignthestampingmouldofMinistaplernailgroove,asthepartissmall,materialisthinner,it'ssuitabletoselecttheprogressivedietoformingtheparts.Inthemoulddesign,atfirstdothelayoutdesign,andthendeterminethestructureofthemould,oneachstationonthepunchofconcavemodulesspecificdesign,andthenecessarycheck,tootherpartsdesign,andfinallytodesignmachiningprocessoftheparts.Accordingtothismeasure,thegeneralcalculationofsidedrawing,andgraduallycompletedthedesign.

Keywords:

progressivedie;layout;blanking;bending;cavityandcore

第一章绪论

1.1级进模的含义

级进模，又称为多工位级进模、连续模、跳步模、顺送模，它是在一副模具内按所加工的零件分为若干个等距离的工位，在每个工位上设置一个或几个基本冲压工序，来完成冲压工件某部分的加工。

对冲压材料，事先加工成一定宽度的条料，采用某种送进方式，每次送进一个步距。

经过逐个工位冲制后，便得到一个完整的冲压工件。

在一副级进模中，可以连续完成冲裁、弯曲、拉深、成型等一些列的工序。

一般来说，无论冲压零件形状如何复杂，冲压工序怎样多，均可用一副级进模冲制完成（但对于特别复杂的工件，有时需要在级进模后加单冲模，才能完成整个工件的生产）。

用于级进模加工的材料，都是长条状的板料。

材料较厚、生产批量较小时，可以剪成条料；生产批量大时应该选择卷料，卷料可以自动送料，在需要时可以自动收料，可以使用高速冲床自动冲压。

级进模对于材料的厚度和宽度都有严格的要求。

宽度过大条料不能送进模具的导料板或通行不畅；宽度过小则影响定位精度，还容易损坏模具等零件。

材料的厚度公差可以查询材料手册或供应商提供的资料，材料宽度公差、材料个导料板间的间隙均可查有关模具设计表格。

材料的宽度是由工件展开料和排样方式决定的。

级进模在冲压过程中，压力机每次行程完成一个或几个工件的冲压。

条料要及时向前送进一个步距，称为送料。

送料的方法可分为三种：

（1）手工送料。

常用于生产批量不大、材料较厚、工件较大时的送进

（2）自动送料器送料，所用的材料一般是成卷的条料。

自动送料装置由放料架（放在距冲床（1~3）m的地方，装有电动机，按照材料消耗的速度，自动间断地向外送料）、气动送料器有标准的产品可供选用，其送料精度相当高，在模具中一般只需要加导正销导正，不必再设定距装置、收料架（或卷料架，如果冲压的工件不脱离条料，则可以用其收卷起来供进一步加工使用。

一般经冲床冲压后，条料已分为工件和废料，就不用收料架了）等三部分组成。

（3）在模具上附设自制的送料装置，常采用斜楔、小滑块驱动，在级进模中应用较少。

1.2级进模的特点

由于级进模通常是连续冲压，故要求冲床应有足够的刚性及与模具相适应的精度。

级进模有一些特点：

（1）冲压生产效率高。

在一副级进模内，可以包括冲裁、弯曲、成型、拉深等多道工序，故用一台冲床可完成从板料到成品的各种冲压工序，从而免去了用单工序模具的周转和每次冲压的定位工作，提高了劳动生产率和设备利用率。

（2）操作安全简单。

级进模具冲压时操作者不必将手伸入模具的危险区域。

对大量生产还采用自动送料机构，模具内有安全监测装置，便于实现机械化和自动化。

（3）模具寿命长。

复杂内形、外形和分解为简单的凸模和凹模外形，分段逐次冲压，工序可分散到若干个工位，同时还可设置空工位，从而改变了凸、凹模受力状态，提高模具强度，延长模具寿命。

（4）产品质量高。

（5）生产成本低。

（6）设计和制造难度大，对经验的依赖性强。

1.3级进模的功能

级进模的基本功能是利用一定形状的凸模和凹模在模板上施加一定的作用力，使材料产生分离或塑性变形，从而使毛坯材料转变为产品零件的能力，即“誉”写出产品外形的能力。

例如冲裁是冲裁模的基本功能，而使毛坯凸缘材料收缩为杯形件是拉深模的基本功能。

实现基本功能的零件称为模具的工作零件。

级进模的辅助功能是为支持完成基本功能所必备的功能，主要包括模具零件安装紧固和定位功能；模具导向功能；上料、出件和卸料功能；板料、工序件定位功能；模具刚性和安全保障。

1.4级进模的构成

级进模的功能与结构式统一的，功能只有通过一定的结构来实现，而模具的基本结构必须满足功能需要为前提，根据级进模的功能，其基本构成要素和划分为工作单元、卸料单元、导向单元、定位单元和紧固单元。

如表1.1所列。

表1.1级进模的构成

结构单元

典型零件

工作单元

凸模、凹模

卸料单元

卸料板、卸料螺钉、卸料弹簧（聚氨酯橡胶）

导向单元

外导向

模架、导柱、导套、导板

内导向

小导柱、小导套

定位单元

X向：

挡料销、侧刃、导正销；Y向：

导料板、侧压装置；Z向：

浮料销

安装锁固单元

上下模座、模柄、凸/凹模固定板、螺钉、圆柱销

其他单元

承料板、限位板、安全检测装置等

第二章冲压件成型工艺分析

本设计中的冲压零件是Mini订书机上的针槽零件，如图2.1所示。

零件外形尺寸：

长×宽×高＝53mm×14.5mm×13.5mm。

材料：

10号钢。

材料厚度：

1.0mm，钢板厚度极限偏差为±0.10mm。

生产批量：

1万件/月。

由产品零件图可知，该零件的外形比较规则，左右对称，结构相对简单，需要经过多次冲压才能完成加工，其中包含冲孔，切舌，弯曲，胀形等工序。

该零件有两处向内的切舌，两处向外的凸包，四处直角弯曲，弯曲内半径为零，因为材料为塑性很好的10号钢，且板材又不太厚，所以经分析能满足成型工艺的要求（折弯处不会开裂）。

图2.1订书机针槽零件图

第三章冲压工艺方案的选择

3.1单工序模

经过分析，此工件要经过落料、冲孔、切舌、压凸包和多次不同方向的弯折等工序，前后需要7~8副模具，工件需多次定位，定位误差大、精度差，产品质量低，占用设备多，生产效率低。

3.2复合模

该工件比较小，孔间间距有的很小，对模具造成很大影响，况且复合模也只能冲裁工件展开料的外形和部分孔，仍然需要大量的单工序模来完成后续工序，没有发挥出复合模的优势。

3.2级进模

此零件须采用切废料的排样方法。

通过对零件的初步分析可知，要完成该零件的生产，需要经过冲孔、切舌、压凸包、弯曲和最终切断等工序。

材料的厚度为1.0mm，由于生产批量不大，选用条料手动送料。

由冲裁件结构形状与尺寸可以知道：

工件在冲裁外形时要求两个相交边尽量避免锐角，严禁尖角，圆角半径r≥0.25t，冲裁件的凸出或凹入不宜太小，应避免长悬臂和过窄的凹槽，要求悬臂和槽长L于宽度b有一定的比例。

当材料为高碳钢、合金钢板材时b≥2t，当材料为软钢、黄铜等软材料时b≥1.5t，板料厚度小于1mm时按1mm考虑。

悬臂与凹槽的长度最大为L≤5b。

冲裁孔与孔之见、孔与冲裁边缘之见的壁厚不应太小，否则会影响凹模强度、寿命和冲件质量。

通过对工件零件图分析可知，均满足以上要求。

由于工件材料是低碳钢，具有良好的弯曲工艺性，在设计中应该考虑到纤维方向，多方向折弯时折弯线与纤维方向角度最好成45°；弯曲件的弯曲半径不宜过小或过大，如果弯曲半径过小，则容易弯裂；若弯曲半径过大，因受到回弹影响，弯曲成形角度和圆角半径的精度不容易得到保证；同时，在设计中还应该考虑到弯曲件直边高度不宜过短，即使弯曲半径r=0时，也要使最小直边长度大于1.3t，一般弯曲件直边高度h大于2t。

由工件零件图可以知，弯曲工艺满足以上要求。

冲压工件的产量为1万件/月，属于中小批量生产；工件外观的最大长度为53mm，宽度为14.5mm，属于小型工件，由于其工序较多，生产效率要求高，因此采用生产效率高的级进模来完成此工件的加工是符合冲压生产要求的。

第四章工件的排样

排样是模具设计的核心部分，是级进模设计的重要依据。

工件排样图的设计可以确定：

模具的工位数和各工位的工序内容；被冲制工件各工序的安排及先后顺序；工件的排列方式；模具的步距、条料的宽度和材料利用率；导料的方式、弹顶器的设置和导正销的安排；（基本确定）模具结构。

排样图设计的好坏，对模具设计影响很大，因此要设计出多种方案进行比较，选出最合理的方案。

在进行排样设计之前，首先需要对工件图进行展开，其过程如下。

4.1工件的展开

4.1.1展开原理

材料在弯曲时，一边压缩变形，另外一边会拉伸变形，但在材料弯曲过程中，有一层不发生压缩或拉伸变形，其长度在整个弯曲过程中不发生变化，叫做中性层。

工件展开尺寸的准确性决定于中性层计算得准确性。

弯曲展开应注意如下几点：

（1）折弯的形式不同，弯曲的系数也就不同。

（2）同样的弯曲形式，材料不同，弯曲系数也不同。

（3）折弯角度和r值变化，则计算方法也发生变化。

在此工件图中，设计要求的弯曲内半径为r=0，即直角折弯，根据参考文献[2]中式（4-37），弯角部分的补偿长度l0=π（r+Kt）/2，当r=0时，l0=πKt/2。

根据生产实际经验当料厚t≤1.5mm时中性层位置系数K=0.28，料厚1.5mm≤t≤3mm时K取0.3。

在此设计中t=1.0mm，故中性层位移系数K=0.28，中性层位置Kt=0.28×1.0=0.28（mm），如图4.1所示。

以折弯内侧线为基准，计算折弯部分的补偿尺寸，补偿尺寸l0=3.14×0.28/2≈0.44（mm），l0在参考文献[2]中式（4-38）（0.4~0.6）t的范围内。

当然对于形状复杂的工件，又无经验可借鉴的情况下，在初步确定毛坯长度后，还需反复试弯，不断修正，才能最后确定合适的毛坯长度。

图4.1中性层位置

4.1.2展开过程

（1）确定展开基准面，设计中以俯视图为其基准面（图2.1）。

（2）以折弯线内侧线为基准，计算折弯部分的补偿尺寸。

如图4.2所示，工件有四处折弯，且都为直角折弯，其补偿尺寸计算得Δl=0.44mm。

图4.2折弯位置示意图

（3）将工件按长度方向和宽度方向对弯曲面进行拉直，加上上面计算得到的补偿量，分别得到长度L和宽度B方向的总尺寸为

L＝（53－1）＋6.2=58.2（mm）

B＝（10－1）＋0.44＋（14.5－2）＋0.44＋（10－1）＋3.5×2＝38.38（mm）

展开图尺寸详图如图4.3所示。

图4.3工件展开图

4.2工件成型工艺设计及工位确定

由工件的结构形状可以知道，要冲压出该工件需要经过的基本工序为冲孔、切舌、压凸包、弯曲、最终切断（载体与工件分离）等工艺过程。

为了方便叙述和在设计中思路清晰，首先将工件各部分的冲裁与弯曲各处按A、B、C……进行分区，冲压件分区图如图4.4所示。

图4.4工件冲压部位

4.2.1成型工艺方案设计

该工件内外形状较复杂，经过分析，得出最佳成型工艺方案：

冲裁转轴孔及导正孔→冲裁工件外形C区和D区→冲裁E区长条孔，冲裁工件外形F区，G处切舌→I处压两凸包，工件前端J处弯曲→K处弯曲→H处切断分离、出件。

经过分析可知，该方案具有模具结构简单，易加工，制造周期短，工件的弯曲精度、平面度、尺寸、外观形状容易得到保证，在设计中设置空工位（有必要时）既有利于调节有效工位数又有利于产品变更时模具的改进设计等优点。

4.2.2确定各工位的内容

由上面工艺过程分析可以设计出级进模各有效工位的工序内容。

1工位：

冲裁转轴孔A及导正孔B。

2工位：

冲裁外形C区、D区。

3工位：

冲裁E区两长条孔，冲裁外形F区，G处切舌。

4工位：

压制I处两个凸包，弯曲工件前端J处。

5工位：

弯曲工件两侧K处。

6工位：

载体切断H处取件。

4.3工件的排样

在冲压件的成本中，材料的费用占用60%以上，因此材料的经济利用有非常重要的意义。

冲压件在材料上的布置方法称为排样。

衡量排样经济型的指标是材料的利用率。

不合理的排样方法会浪费材料，并且还可能影响到工件的质量，影响模具结构的合理性，影响模具的使用寿命、工件的生产效率和模具的成本等技术和经济指标等。

排样的常用方法：

有废料排样法；少废料排样法；无废料排样法。

设计中由于工件的外形较为复杂，采用切余料（裁搭边）法，将工件的加工通过分次裁切来完成。

通过分次裁切排样法设计加工出来的工件具有精度高，有利于凹模、凸模外形的简化、制造和排布等优点。

对于该工件，需采用有废料排样，工件的排样的具体过程如下。

4.3.1工件的排样方法

工件的排样方法为：

可制作冲压件展开毛坯样板（3至5个），在图面上反复试排，综合考虑材料利用率、条料纤维方向等因素，确定初步方案，再在AutoCAD软件中对工件展开图进行排布，在初步排样图中按照冲压工序设计的基本原则，进行冲压工位设计。

在排样图的开始端一般安排冲孔、切废料等分离工位，再向另外一端依次安排成型工位，最后安排工件和载体的分离工位。

在安排工位时，要尽量避免冲小半孔，以防凸模因受力不均而折断。

在模具上可设计初始挡料针来防止。

4.3.2工件的排样原则

（1）第一工位一般安排冲孔和冲工艺导正孔，第二工位设置导正销对带料导正，在以后的工位中，视其工位数和易发生窜动的工位设置导正销，也可以在以后工位中每隔2至3个工位设置导正销，本设计工件的精度要求比较高，为了保证工件的精度，每一个工位均设计导正销。

在第一工位和最后工位设置两个侧刃用来定距。

（2）冲压件上孔数较多，且孔的位置相隔太近时可以分布在不同工位上冲出，但孔的位置不能因后续成型工序而影响变形。

对位置要求高的一组孔，应考虑同一工位冲出。

（3）为提高凹模镶块、卸料板和固定板的强度，便于产品的变更和保证各成型零件安装位置不发生干涉，可在排样中设置空工位。

数量根据模具的结构要求设定。

（4）为了提高材料利用率，在不影响工件使用性能指标的前提下，可以适当地改变工件的形状。

（5）排样时应考虑使设计出来的模具使用方便，易维修且安全。

（6）模具结构应当尽量简单。

（7）保证工件质量和工件对条料纤维方向的要求。

4.3.3载体设计

载体是指连续模冲压时，条料内连接工序件并运载其稳定前进的部分材料。

从保证载体强度出发，载体宽度远大于搭边宽度。

但条料载体强度的强弱，并不能单纯靠增加载体宽度来保证，重要的是要合理选择载体形式。

由于被加工件的形状和工序的要求不同，其载体的形式是各不相同的。

载体形式主要有双侧载体、单侧载体和中间载体三种。

双侧载体是在条料的两侧设计载体，被加工的零件连接在两侧载体的中间。

支架工件富恶化选用双侧载体的条件，因此选择等宽双侧载体。

该模具属于冲裁弯曲级进模，根据精度要求应先冲裁部分孔和弯曲部分的外形余料再进行弯曲，然后再冲靠近弯曲部分的孔，最后分离冲下工件。

4.3.4搭边值的确定

排样时工件与工件之间以及工件与侧边之间留下的工艺材料，叫做搭边。

其作用是补偿定位误差，保证条料强度，以保证在冲裁过程中条料的送料顺畅。

搭边应选择适当，过大会造成材料的浪费，过小不利于工件的成型，或者冲裁不出合格的工件。

搭边值的大小通常是由经验所确定。

查参考文献[1]表19.1-18得

材料厚度t≤1mm，手工送料，对于非圆形，侧搭边值a=2mm，间隙搭边值b=1.5mm，在级进模设计中料带要设计载体，并且载体的宽度要远大于搭边值的宽度。

由于载体的存在，以及考虑到模具制造、凸模强度等多种因数，搭边值将大大增加。

搭边值的确定如下：

（1）间隙搭边值：

间隙搭边是指相邻两个工件之间的间隙，因材料厚度t=1.0mm，按理间隙搭边值b=1.5mm，但由于要设计作为载体，搭边值将增加，为保证工件送进的平稳性，中间载体宽度为5mm，同时为保证冲裁工件外形的凸模的强度，将两工件之间的搭边值定为8.8mm。

（2）侧搭边值的确定：

侧搭边是指在级进模中将每个产品沿料宽方向连接起来的部分。

按理论料厚t=1.0，侧搭边值a=2mm。

为了使料带在送进过程中具有较好的强度，保证带料在冲压过程中送料的顺畅性，同时确保冲裁工件外形的凸模的强度，此外在料宽方向还需要冲裁侧刃，查得侧刃冲掉的料宽为1.5mm，综合以上分析，确定侧搭边值为7.81mm。

4.3.5排样的步骤

由工件的外观形状和展开的平面形状可知，排样方式如果将工件设计成直排，材料利用率会比较高，但由于工件在两个相互垂直的方向上都有弯曲，这样必然会有一个弯曲线与板料纤维方向平行。

但如果设计成斜排则材料利用率会大大降低，并不利于模具设计。

由于该工件时订书机上的一个零件，强度要求不高，而材料的塑性又比较好，即使弯曲线与纤维方向平行也不会发生破坏。

因此设计成直排排样。

在AutoCAD软件中对工件的展开图进行试排，可以有如图4.5所示两种排列方式。

a）

b）

图4.5工件的排列方式

采用AutoCAD计算出工件展开后实际所需的板料面积为1498.5mm2，经比较，a种排列的材料利用率为53.5%，b种排列的材料利用率为41.4%，显然a中排列的材料利用率高，但a为单侧载体，b为双侧载体，设计好各工位的工序后，得到a、b两排样图如图4.6。

a）

b）

图4.6排样图

对比分析，虽然排样a的材料利用率高，但为单侧载体，而浮顶销只能设在载体一侧，整个条料送进的刚度不够，送进不顺畅，将影响工件的制造精度。

而排样b为双侧载体，连接到工件的尾部，条料的刚性好，送进顺畅，同时采用双侧刃定距，条料的送进步距精度高，有利于简化模具结构，保证模具使用寿命。

（1）条料宽度。

零件展开宽度Bmax=38.38mm，载体宽度5.5mm，工件宽度方向轮廓最大处废料切除宽度为2.31mm，得到条料的宽度B＝38.38＋（5.5＋2.31）×2＝54mm。

（2）步距的确定。

间隙搭边值通常是根据经验确定的，在不影响产品质量情况下尽量取小些。

本设计中，考虑到模具制造和强度方面因素，工件之间的搭边距离按以上分析，载体宽度5mm，外形冲裁最窄处2mm，取工件间搭边值8.8mm，则步距S=工件排样同一水平宽度+8.8=58.2+8.8=67（mm），工件在条料上的布置如图4.5b）所示。

（3）步距精度的计算。

参照参考文献[1]第336页，多工位级进模步距精度一般按如下经验公式进行估算：

（mm）

式中

——多工位级进模步距对称极限偏差值（mm）；

——沿送料方向毛坯轮廓展开尺寸的精度提高三级后的公差值，零件未

标注公差尺寸为一般尺寸，通常取IT12级，按工件长度为58.2mm，

查标准公差值为0.3mm，提高三级后公差值为0.074mm；

——级进模工位数，设计中工位数为6；

——修正系数根据参考文献[1]表19.6-1取

。

其中双面间隙查参考文献[2]表3-4得Zmin=0.100mm。

见后面冲裁间隙的确定。

通过上述一些列的工作，最后得到工件冲压排样图4.7所示。

图4.7排样图

（4）接刀点的确定。

工件完整外形的成形需要经过多次分段切除才能完成，各分段点即为工件的接刀点。

由冲压工位可知，设计中共有4处接刀点，其中都为圆角接刀，各接刀点的为位置如图4.8所示。

为了避免工件在冲裁过程中产生毛刺、带料等不良现象，将接刀点设计为如图4.9所示的形状。

图4.8工件接刀点位置图4.9接刀示意图

（5）凹模凸模刃口形状的确定。

由工件展开图可以知道，要完成工件的加工，需要将带料上的余（废）料冲裁掉，各工位冲裁掉余料的外部形状即为凹模、凸模的刃口形状；对于冲孔凸模，展开图中所取得计算值即为凸模刃口的形状尺寸。

对于工件内外形状不规则部分的冲裁，其中冲裁凸模。

凹模叫做异形凸模或者异形凹模。

异形凹模或凸模的刃口形状没有固定的设计标准，在满足工件外形的情况下刃口形状可以自己确定，但必须考虑形状应力求简单，以利于材料的合理利用，同时要避免细长悬臂结构；转角处要尽量避免尖角，尖角处应该用圆弧连接，以避免尖角处因应力集中而使冲模裂开的危险。

对于此设计中的材料，其最小圆角半径的选取标准为：

①落料部分：

当圆弧角大于或等于90°时，最小圆角半径等于0.25t；当圆弧角小于90°时，最小圆角半径等于0.5t。

②冲孔部分：

当圆弧角大于或等于90°时，最小圆角半径等于0.3t；当圆弧角小于90°时，最小圆角半径等于0.6t。

各凹模和凸模的刃口形状如AutoCAD中的排样图档所示。

（6）带料的定位方式。

对于条料采用手工送料，选用双侧刃进行粗定位，导正销精确定位相结合的定位方式。

（7）浮顶销的布置。

托料（浮顶）销在排样图中分布在不与其他