垫片的冲压成形工艺及其模具设计.docx

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垫片的冲压成形工艺及其模具设计

垫片的冲压成形工艺及模具设计

1绪论

目前，我国冲压技术与工业发达国家相比还相当的落后，主要原因是我国在冲压基础理论及成形工艺、模具标准化、模具设计、模具制造工艺及设备等方面与工业

1.1国内模具的现状和发展趋势

发达的国家尚有相当大的差距，导致我国模具在寿命、效率、加工精度、生产周期等方面与工业发达国家的模具相比差距相当大。

1.1.1国内模具的现状

我国模具近年来发展很快，据不完全统计，2003年我国模具生产厂点约有2万多家，从业人员约50多万人，2004年模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2004年模具产值530亿元。

进口模具18.13亿 美元，出口模具4.91亿美元，分别比2003年增长18%、32.4%和45.9%。

进出口之比2004年为3.69:

1，进出口相抵后的进净口达13.2亿美元，为净进口量较大的国家。

在2万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。

在模具企业中，产值过亿元的模具企业只有20多家，中型企业几十家，其余都是小型企业。

 近年来， 模具行业结构调整和体制改革步伐加快，主要表现为：

大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于一般模具产品；专业模具厂数量增加，能力提高较快；"三资"及私营企业发展迅速；由于这里不能上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要其他资料的朋友，请加叩扣:

贰二壹伍八玖壹壹五一国企股份制改造步伐加快等。

虽然说我国模具业发展迅速，但远远不能适应国民经济发展的需要。

我国尚存在以下几方面的不足:

第一，体制不顺，基础薄弱。

“三资”企业虽然已经对中国模具工业的发展起了积极的推动作用，私营企业近年来发展较快，国企改革也在进行之中，但总体来看，体制和机制尚不适应市场经济，再加上国内模具工业基础薄弱，因此，行业发展还不尽如人意，特别是总体水平和高新技术方面。

   第二，开发能力较差，经济效益欠佳.我国模具企业技术人员比例低，水平较低，且不重视产品开发，在市场中经常处于被动地位。

我国每个模具职工平均年创造产值约合1万美元，国外模具工业发达国家大多是15～20万美元，有的高达25～30万美元，与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理，真正实现现代化企业管理的企业较少。

  第三，工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低．虽然国内许多企业采用了先进的加工设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控化率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多。

由于体制和资金等原因，引进设备不配套，设备与附配件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较好解决。

装备水平低，带来中国模具企业钳工比例过高等问题。

 第四，专业化、标准化、商品化的程度低、协作差．由于长期以来受“大而全”“小而全”影响，许多模具企业观念落后，模具企业专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。

目前国内每年生产的模具，商品模具只占45%左右，其余为自产自用。

模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务，与国际水平相比要落后许多。

模具标准化水平低，标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，对模具制造周期影响尤甚。

第五，模具材料及模具相关技术落后．模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢相比，无论是质量还是品种规格，都有较大差距。

塑料、板材、设备等性能差，也直接影响模具水平的提高。

1.1.2国内模具的发展趋势

巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。

虽然我国的模具工业和技术在过去的十多年得到了快速发展，但与国外工业发达国家相比仍存在较大差距，尚不能完全满足国民经济高速发展的需求。

未来的十年，中国模具工业和技术的主要发展方向包括以下几方面:

1）模具日趋大型化；   

 2）在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术；  

 3）模具扫描及数字化系统；

4）在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术； 

  5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率；   

6）发展优质模具材料和先进的表面处理技术；   

7）模具的精度将越来越高； 

 8）模具研磨抛光将自动化、智能化；  

  9）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；  

 10）开发新的成形工艺和模具

1.2国外模具的现状和发展趋势

模具是工业生产关键的工艺装备，在电子、建材、汽车、电机、电器、仪器仪表、家电和通讯器材等产品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。

用模具生产制作表现出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清洁环保的特性，是其他加工制造方法所无法替代的。

模具生产技术水平的高低，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着产品的质量、效益和新产品的开发能力。

近几年，全球模具市场呈现供不应求的局面，世界模具市场年交易总额为600～650亿美元左右。

美国、日本、法国、瑞士等国家年出口模具量约占本国模具年总产值的三分之一。

国外模具总量中,大型、精密、复杂、长寿命模具的比例占到50%以上；国外模具企业的组织形式是"大而专"、"大而精"。

2004年中国模协在德国访问时，从德国工、模具行业组织--德国机械制造商联合会（VDMA）工模具协会了解到，德国有模具企业约5000家。

2003年德国模具产值达48亿欧元。

其中（VDMA）会员模具企业有90家，这90家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的90%，可见其规模效益。

随着时代的进步和技术的发展，国外的一些掌握和能运用新技术的人才如模具结构设计、模具工艺设计、高级钳工及企业管理人才，他们的技术水平比较高．故人均产值也较高．我国每个职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右，而国外模具工业发达国家大多15～20万美元，有的达到25～30万美元。

1.3垫片模具设计与制造方面

1.3.1垫片模具设计的思路

冲裁是冲压工艺的最基本工序之一，它是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。

它包括落料、冲孔、切边、修边、切舌、剖切等工序，其中落料和冲孔是最常见的两种工序。

冲裁在冲压加工中应用极广。

它既可直接冲出成品零件，还可以对已成形的工件进行再加工。

普通冲裁加工出来的制件的精度不高，一般情况下，冲裁件的尺寸精度应在IT12级以下，不宜高于IT10级。

只有加强冲裁变形基础理论的研究，才能提供更加准确、实用、方便的计算方法，才能正确地确定冲裁工艺参数和模具工作部分的几何形状与尺寸，解决冲裁变形中出现的各种实际问题，从而，进一步提高制件质量。

垫片是典型的冲压件，该模具工作过程就是很简单的落料、冲孔，根据零件图的结构和尺寸精度以及材料的性能确定完成该冲压件所需要的模具类型。

因此，综合考虑各种因素后采用复合模。

根据计算的结果和选用的标准模架，判断此次冲裁能不能采用标准的模架。

为了保证制件的顺利加工和顺利取件，模具必须有足够高度。

要改变模具的高度，只有从改变导柱和导套的高度,改变导柱和导套的高度的同时,还要注意保证导柱和导套的强度.导柱和导套的高度可根据冲裁凸凹模与落料凹模工作配合长度决定．设计时可能高度出现误差，应当边试冲边修改高度。

1.3.2垫片模具设计的进度

1.了解目前国内外冲压模具的发展现状，所用时间20天；

　　2.确定加工方案，所用时间5天；

　　3.模具的设计，所用时间30天；

4.模具的调试．所用时间5天．

在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。

由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中难免有不妥之处，肯请各位老师指正。

设计者：

周海宁

2垫片冲压工艺的分析

2.1垫片件工艺分析

零件名称：

垫片

生产批量：

大批量

材料：

Q235

厚度：

1.2mm

工件图：

见图1

图1制件图

该零件由Q235号钢组成，具有良好的塑性、韧性、冷冲压性能，能够进行一般的冲压加工。

多处用圆角过度，以便于模具加工，减少热处理开裂，减少冲裁时尖角处的崩刃和过快磨损，尺寸精度要求一般。

该零件形状简单、对称，是由圆弧和直线组成的。

冲裁件内外形所能达到的经济精度为IT11～IT14，孔中心与与边缘距离尺寸公差为±0.5mm。

将以上精度与零件的精度要求相比较，可认为该零件的精度要求能够在冲裁加工中得到保证，其它尺寸标注、生产批量等情况，也均符合冲裁工艺要求，故决定采用冲压方式进行加工。

3工艺方案的确定

该零件所需的冲压工序为落料和冲孔，可拟定出以下三种工艺方案；

方案一：

用简单模分两次加工，即落料——冲孔。

方案二：

冲孔、落料复合模。

方案三：

冲孔、落料级进模。

采用方案一，生产效率低，工件累计失误大，操作不方面，由于该工件为大批量生产，方案二和方案三更具有优越性。

该零件φ10mm和两个30×10mm的孔与外缘之间的最小距离为15mm，大于此零件要求的最小壁厚（4.9mm），可以采用冲孔、落料复合模或冲孔、落料级进模。

复合模模具的形位精度和尺寸精度容易保证，且生产率也高，尽管模具结构比较复杂，但由于零件的几何形状简单对称，模具制造并不困难。

级进模虽生产率也高，但零件冲裁精度稍差，欲保证冲压件的形位精度，需要在模具上设置导正销导正，故模具制造、安装较复合模复杂。

通过对上述三种方案的分析比较，该零件的冲压生产采用方案二的复合模为佳。

4必要的工艺计算

4.1排样设计

设计复合模时，首先要设计条料排样图。

该零件具有T形的特点，直排列时材料的利用率较低，采用直对排（见图2）的排样方案可以提高材料的利用率，减少废料。

图2排样图

查表2.9取得搭边直为：

工件间a为1.8mm，侧面a为2.0mm。

计算条料宽度：

B=（75+2×2+1.8+40）mm=120.8mm

步距：

S=（100+1.8）mm=101.8mm

材料利用率的计算：

计算冲压件毛坯的面积：

A=（100×40＋30×20＋0.5π×15²）mm

=4953.25mm²

一个步距的材料利用率：

η=nA／BS×100%

=2×4953.25／120.8×101.8×100%

=80.55%

4.2计算凸、凹模刃口尺寸

查表2.4得间隙值Zmin=0.126mm,Zmax=0.180mm

4.2.1冲孔凸、凹模刃口尺寸计算

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加工的方法制作凸、凹模。

由于该零件没有公差要求，故按公差等级为IT14计算。

δ凹=0.6（Zmax－Zmin）=0.6（0.180－0.126）mm=0.0324mm

δ凸=0.4（Zmax－Zmin）=0.4（0.180－0.126）mm=0.0216mm

校核：

︳δ凹︳+︳δ凸︳≤Zmax－Zmin

0.0324+0.0216≤0.180－0.126

0.054mm≤0.054mm（满足间隙公差）

工件图中未标注公差的尺寸，查相关文献得出其极限偏差：

100+0.36mm

冲圆孔时查表2.6得磨损系数X=0.5

A凸=（Amin+X△）0-S凹mm

=（10+0.5×0.36）0-0.0216mm=10.180-0.0216mm

A凹=（A凸＋Zmin）0+δ凹mm

=（10.18+0.126）0+0.0324mm=10.3060+0.0324mm

工件图中未标注公差的尺寸，查相关文献得出其极限偏差：

100+0.36mm、300+0.52mm

冲方孔时查表2.6得磨损系数X1=0.75，X2=0.5

B凸=（Bmin+X△）0-S凹mm

=（30+0.75×0.36）0-0.0216mm=10.180-0.0216mm

B凹=（B凸＋Zmin）0+δ凹mm

=（30.27+0.126）0+0.0324mm=10.3060+0.0324mm

C凸=（Cmin+X△）0-S凹mm

=（10+0.5×0.52）0-0.0216mm=10.260-0.0216mm

C凹=（C凸＋Zmin）0+δ凹mm

=（10.26+0.126）0+0.0324mm=10.3860+0.0324mm

4.2.2外形落料凸、凹模刃口尺寸计算

对外轮廓的落料，由于形状较复杂，故采用配合加工法，这种方法有利于获得最小合理间隙，放宽对模具加工设备的精度要求，其凸、凹模刃口尺寸计算如下：

落料时应以凹模为基准件，当凹模磨损后，刃口部分尺寸都增大，因此属于A类尺寸。

工件图中未标注公差的尺寸，查相关文献得出其极限偏差：

1000-0.87mm、400-0.62mm、300-0.52mm、750-0.74mm

查表2.6得磨损系数X=0.5

按刃口尺寸计算公式D凹=（D-XΔ）0+S／4凹

D凹=（D-XΔ）0+S／4凹=（100-0.5×0.87）0+0.87／4=99.5650+0.22mm

D凹=（D-XΔ）0+S／4凹=（40-0.5×0.62）0+0.62／4=39.690+0.155mm

D凹=（D-XΔ）0+S／4凹=（75-0.5×0.74）0+0.74／4=74.630+0.185mm

D凹=（D-XΔ）0+S／4凹=（30-0.5×0.52）0+0.52／4=29.740+0.13mm

落料凸模的基本尺寸与凹模相同，分别为99.565mm、39.69mm、74.63mm、29.74mm,不必标注公差，但要在技术要求中注明：

凸模实际刃口尺寸与落料凹模配制，保证最小双面合理间隙值Zmin=0.126mm（落料凹模刃口部分尺寸见图3）。

图3落料凹模刃口部分尺寸

4.3冲压力的计算

4.3.1落料力的计算

按式：

F落=1.3Ltτ

F落------落料力（N）

L------工件外轮廓周长

t-------材料的厚度t=1.2mm

τ-----材料的抗剪强度由书本附录查得

τ=310Mpa

落料力则为：

F落=1.3×337.1×1.2×310KN=182.034KN

4.3.2冲孔力的计算

按照式：

F冲=1.3Ltτ

L------工件孔的周长

则冲孔力为:

F冲圆=1.3×31.47×1.2×310=16.956KN

F冲方=1.3×160×1.2×310=86.4KN

4.3.3推件力计算

按照式：

F推=nK推F冲

K推-----推件力因数其值由表2.21查得

K推=0.05

n-----卡在凹模内的工件数n=5

则推件力为：

F推=5×0.05×（86.4+16.956）KN=25.839KN

4.3.4卸料力的计算

按照式：

F卸=K卸F落

K卸----卸料力因数其值由表查得K卸=0.04

K卸=0.04×128.034KN=7.28KN

故总冲压力为：

F总=F落+F孔+F推+F卸

=182.034+（86.4+16.956）+25.839+7.28

=318.509KN

为了保证压力足够，一般冲裁时压力机的吨位应比计算的吨位大30%左右，即：

F总’=1.3F总=1.3×318.509KN=414.06KN

4.4压力中心的计算

用解析法求模具的压力中心的坐标。

按比例画出工件尺寸，选用坐标系XOY，如图4。

图4压力中心

因工件左右对称，即Xc=0，故只需计算Yc。

将工件冲裁周边分成L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8基本线段，求出各段长度的重心位置：

L1=100mmY1=0mm

L2=80mmY2=20mm

L3=70mmY3=40mm

L4=40mmY4=50mm

L5=47.1mmY5=69.55mm

L6=31.4mmY6=60mm

L7=80mmY7=15mm

L8=80mmY8=15mm

Yc=L1Y1+L2Y2+……+L7Y7+L8Y8／L1+L2+……+L7+L8

=26.414

4.5冲压设备的选择

选择型号为JB23——100的开式双柱可倾压力机能满足使用要求。

其主要技术参数如下：

公称压力：

1000KN

滑块行程：

130mm

最大闭合高度：

480mm

最大装模高度：

380mm

工作台尺寸（前后×左右）:

710mm×1080mm

垫板尺寸（厚度×孔径）：

100mm×250mm

模柄孔尺寸：

φ60mm×75mm

最大倾斜角度：

30°

5模具总体设计

根据上述分析，本零件的冲压包括冲孔和落料两个工序，且孔边距较大，可采用倒装复合模具，可直接利用压力机的打杆装置进行推件，卸料可靠，便于操作。

工件留在落料凹模孔洞中，应该在凹模孔设置推件块；卡于凸凹模上的废料可由鞋料版推出；而冲孔废料则可以在下模座中开设通槽，使废料从空洞中落下。

由于在该模具中压料是由落料凸模于鞋料版一起配合工作来实现的，所以卸料板还应具有压料作用，应选用弹性卸料板来卸下条料废料。

因是大批量生产，采用手动送料方式，从右往左送料。

因该制件采用的是倒装复合模，所以直接用挡料销和导料销即可。

为确保零件的质量及稳定性，选用导柱和导套导向。

由于该零件导向尺寸较小，且精度要求不高，所以宜采用后侧导柱模架。

6主要工作部分尺寸计算

6.1凸模、凹模、凸凹模的结构设计

6.1.1落料凸模、凹模的结构设计

在落料凹模内部，由于要设置推件块，所以凹模刃口应采用直筒形刃口，并查表2.21，取得刃口h=6mm。

该凹模的结构简单，采用整体式。

查表2.22，得k=0.22

即凹模高度H=KS=0.22×75=16.5mm

凹模壁厚S=1.5H=1.5×16.5=24.75mm

凹模外形尺寸的确定：

凹模外形长度L=（75+2×24.75）mm=124.5mm

凹模外形宽度B=（100+2×24.75）mm=149.5mm

凹模整体尺寸标准化，取180mm×180mm×20mm

6.1.2冲孔凸模设计

冲孔φ10mm的凸模，为了增加凸模的强度和刚度，凸模非工作部分直径应制成逐渐赠大的多级形式，且它的外形尺寸较大，所以选用B形圆凸模凸模国定板厚度取28mm，凸模长度根据结构上的需要来确定。

L=h凸模固定板+h落料凹模=（28+16.5）mm=44.5mm（取50mm）

由于凸模直径较大，且长度较短，刚度和强度足够，所以无需对其进行校核。

冲裁时凸模进入凹模1mm。

冲孔30mm×10mm的凸模，由于方凸模的外形尺寸较大，且长度较短，刚度和强度足够，无需对其进行校核。

冲裁时凸模进入凹模1mm。

小凸模的外形尺寸及公差要求如图5所示。

大凸模的外形尺寸及公差要求如图6所示。

图5小凸模

图6大凸模

6.1.3凸凹模的结构设计

本模具为复合冲裁模具，除了冲孔凸模和落料凹模外，还右一个凸凹模。

根据整体模具的结构设计需要，凸凹模的结构简图应如图7所示。

确定凸凹模安排在模架上的位置时，要依据计算的压力中心的数据，使压力中心与模柄中心重合。

图7凸凹模的结构

校核凸凹模的强度：

查表2.23得凸凹模的最小壁厚为3.2mm，而实际最小壁厚为20.21mm。

故符合强度要求。

凸凹模的刃口尺寸按落料凹模配制，并保证双面间隙为0.126mm～0.180mm。

凸凹模上孔中心与边缘距离尺寸的公差，应比此零件所标注的精度高3～4级。

6.2卸料弹簧的设计

根据模具结构初选6根弹簧，没根弹簧的预压力为

F0≥F卸／n=7280／6=1214N

根据预压力和模具结构尺寸，初选序号为53～57的弹簧，其最大工作负荷F1=1800N＞1214N。

试选53～57号中的58号弹簧，效验弹簧最大许可压缩量Lmax＞弹簧的实际总量L总。

58号弹簧的具体参数是：

弹簧外径30mm,材料直径6mm,自由高度H0=120mm，节距t=12.5mm,F1=1780N,极限载荷时弹簧高度H1=85.4mm。

弹簧最大许可压缩量Lmax=（120－85.4）mm=34.6mm

弹簧与压缩量L=F0×Lmax／F1=1214×34.6／1780=21.55mm

校核：

卸料板工作行程t+h1+h2=（1.2+1+0.5）=2.7mm

凸模刃磨量和调节量h3=6mm

弹簧实际总压缩量L总=L+h1+h2+h3=（21.55+2.7+6）=30.25mm

由于34.6＞30.25，即Lmax＞L总,所以所选弹簧合适。

装配高度：

H2=H0－L=（120-21.55）mm=98.45mm

弹簧的窝座深度:

h=H0-Lmax+h卸料板+t+1-h凸凹模-h修模

=（120-34.6+16+1.2+1-80-6）mm

=24.4mm

弹簧的外露高度：

H3=H2－h-H卸料板窝深

=（98.45-24.4-7）mm=67.05mm

6.3模架的设计

模架个零件标记如下：

上模座：

250mm×360mm×50mm

下模座：

250mm×360mm×50mm

导柱：

B35h5×180mm×40mm

导套：

B35H6×110×46

模柄：

φ60mm×115mm

垫板厚度：

180mm×180mm×12mm

卸料板厚度：

250mm×180mm×16mm

凸模固定板厚度：

180mm×180mm×28mm

模具闭合高度：

H闭=h上模座+h垫板+h凸模固定板+h落料凹模+t+h卸料板+h弹簧外露+h下模座

=（50+12+28+20+1.2+16+67.05+50）mm

=244.25mm≈250mm

7模具的总装图

7.1冲裁模的总装图

图8模具总装图

由以上设计，可得到模具的总装图，其工作过程是：

上模部分通过模柄安装在压力机滑块上,下模部分通过螺栓压板安装在压力机工作台面上。

导料销和挡料销固定在凸凹模上,条料沿导料销送进,由挡料销控制其送进步距。

压力机行程一次冲压一次；冲裁完毕,压力机滑块回程,带动上模部分上行,卡在凹模内的制件由推件块推出；卡在凸凹模内从下模座的孔洞中落下；卡在凸凹模外的料由卸料板卸下，完成一次冲压。

结束语

垫片属于典型的冲裁件，分析其工艺性，并确定工艺方案。

根据计算确定该制件的冲裁力及模具刃口尺寸，然后选取相应的压力机。

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。

由于在零件制造前进行了预测，分析了制件在生产过程中可能出现的缺陷，采取了相应的工艺措施。

因此，模具在生产零件的时候才可以减少废品的产生。

垫片冲裁件的形状结构较为简单，但是其尺寸相对较大不适合选用标准模架。

要保证零件的顺利加工和取件，模具必须有足够的长度，因此需要改变上、下模座的长度，以达到要求。

模具工作零件的结构也较为简单，它可以相应的简化模具结构。

便于以后的操作、调整和维护。

历经近三个月的毕业设计即将结束，敬请各位老师对我的设计过程作最后检查。

在这次毕业设计中通过参考、查阅各种有关模具方面的资料，请教各位老师有关模具方面的问题，并且和同学的探讨，模具设计在实际中可能遇到的具体问题，使我在这短暂的时间里，对模具的认识有了一个质的飞跃。

通过这次毕业设计使我在温习学过的知识的同时又学习了许多新知识，对一些原来一知半解的理论也有了进一步的的认识。

特别是原来所学的一些专业基础课：

如机械制图、模具材料、公差配合与技术测量、冷冲模具设计与制造等有了更深刻的理解，使我进一步的了解了怎样将这些知识运用到实际的设计中。

同时还使我更清楚了模具设计过