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硅钢片的冲压模具设计

襄樊学院

毕业设计（论文）正文

题目

变压器硅钢片的冲裁工艺分析及模具设计

专业

班级

姓名

学号

指导教师

职称

2010年月1日

变压器硅钢片的冲裁工艺分析及模具设计

摘要：

山字形铁心片在小型变压器中有着十分广泛的应用。

本文介绍了变压器硅钢片的冲裁工艺分析及模具设计，根据给定的具体零件图的尺寸和公差要求,并结合模具生产实际中的使用条件,设计了生产变压器硅钢片的级进冲裁模具。

包括冲压工艺设计、排样图与定位设计、冲裁力的计算、压力中心的计算和级进模主要零部件的设计要点等。

关键词：

硅钢片冲裁模 多工位 级进 冲压凸模凹模；

Transformersiliconsteelsheetoftheblankingprocessanalysisandmolddesign

Abstract：

Hillshapedlaminationsinthetransformerhasaverysmallrangeofapplications.Thisarticledescribestheprocessoftransformersiliconsteelsheetofpunchinganddiedesign,accordingtothespecificpartsdiagramgiventhesizeandtolerancerequirements,combinedwiththeuseofmoldintermsoftheactualdesignoftheproductionoftransformersteelsheetofgradeenterdies.Includingthestampingprocessdesign,layoutandlocationplandesign,calculationofblankingforcecenterofpressurecalculationandprogressivediedesignofthemaincomponentsofthemainpoints.

Keywords:

Siliconsteel;Die;Multi-Position;Progressive;stamping;punch;die;

1绪论

模具是工业生产的基础工艺装备,在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中,60-80%的零部件,都要依靠模具成形,来生产出具有高精度、高复杂程度、高一致性的制件。

模具生产技术水平的高低,已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志,在很大程度上决定着国民生产的命脉。

近年来，我国冲压模具水平已有很大提高。

大型冲压模具已能生产单套重量达50多吨的模具。

为中档轿车配套的覆盖件模具国内也能生产了。

精度达到1~2μm，寿命2亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产。

表面粗糙度达到Ra≦1.5μm的精冲模，大尺寸（Φ≧300mm）精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。

1.1冲压工艺的特点

冲压是利用冲模在压力机上对金属（或非金属）板料施加压力使其产生分离或塑料变形，从而得到一定形状，并且满足一定使用要求的零件的加工方法。

由于通常是在常温（冷态）下进行的，所以又称为冷冲压。

又由于它主要用于加工板料零件，所以有时也叫板料冲压。

日常生活中人们使用的很多用具是用冲压方法制造的，比如搪瓷面盆，它是用一块圆形金属板料，在压力机上利用模具对板料加压力而冲出来的。

1.1.1冲压加工的三要素

1.冲床供给变形所需的力。

2.模具冲压所用的用具是各种形式的冲模，冲模对材料塑性变形加以约束，并直接使材料变形所需的零件。

3.原材料所用的原材料多为金属和非金属的板料。

1.1.2冲压生产的特点

冲压是一种先进的板料加工方法，与其他加工方法（切削）比较，在技术上、经济上有如下优点。

1.它是无屑加工，被加工的金属在再结晶温度以下产生塑性变形，不产生切屑，变形中金属产生加工硬化。

2.在压力机的简单冲压下，能得到形状复杂的零件，而这些零件用其他的方法是不可能或者很难得到的。

3.制得的零件一般不进一步加工，可直接用来装配，而且有一定的精度，具有互换性。

4.在耗料不大的情况下，能得到强度高、足够刚性而质量轻的零件，由于加工过程中不损坏原材料的表面质量，制得的零件外表光滑美观。

5.生产效率高，冲床一次一般可得一个零件，而冲床一分钟的行程少则几十次，多则几百次、千次以上。

同时，毛坯和零件形状规则，便于实现机械化和自动化生产。

6.冲压零件的质量主要靠冲模保证，所以操作简单，便于组织生产。

7.在大量生产的条件下，产品的成本低。

冲压工艺存在的不足之处有：

对于批量较小的制件，模具费用使得成本明显增高，所以一般要有经济批量，同时，模具需要一个生产准备周期；冲压生产会产生噪声和振动，劳动保护不到位时，还存在安全隐患；冲压件的精度取定于模具精度，如零件的精度要求过高，用冷冲压生产就难以达到。

总体上看，冲压是一种制件质量较好、生产效率高、成本低，其他加工方法无法替代的加工工艺，在机械、车辆、电机、电器、仪器仪表、农机、轻工、日用品、航空航天、电子、通信、船舶、铁道、兵器等制造业中获得了十分广泛的应用。

表1.1各类产品中冲压加工零件所占比例

产品

汽车

仪器仪表

电子

电机电器

家用电器

自行车、手表

比例%

60～70

70～70

＞85

70～80

≤90

＞80

工业发达国家（如美国、日本等）模具工业的产值已超过机床工业，从这些国家钢材品种的构成可看出冷冲压的发展趋势，如表1.2所示，其中钢带和钢板占全部品种的67%，说明冲压加工方法已成为现代工业生产的重要手段和发展方向。

表2.2工业发达国家钢材品种构成

钢材品种

钢带

钢板

棒材

型材

线材

管材

其他

比例%

50

17

13

9

7

2

2

1.2冲压工艺的分类

生产中为满足冲压零件形状、尺寸、精度、批量大小、原材料性能的要求，冲压加工方法是多种多样的。

但是，概括起来可分为分离工序和成形工序两类。

分离工序又可分为落料、冲孔和剪切等，目的是在冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓相互分离。

成形工序可分为弯曲、拉深、翻孔、翻边、胀形、缩口等，目的是使冲压毛坯在不破坏的条件下发生塑性，并转化成所需制件形状。

在实际生产中，为生产批量大时，如果仅以基本工序组成冲压工艺过程，生产率可能很低，不可能满足生产需要。

因此，一般采用组合工序，即把两个以上的单独工序组成一道工序，构成所谓的复合、级进、复合—级进的组合工序。

1.3课题的内容安排

第一章：

介绍了冲压工艺的特点、分类及本论文的内容安排。

第二章：

介绍了零件的冲裁工艺及结构形式，根据任务要求,提出了不同的设计方案.，选择最佳。

第三章：

对结构设计及尺寸计算进行分析。

包括冲压工艺设计、排样图与定位设计、冲裁力的计算、压力中心的计算和级进模主要零部件的设计要点等。

第四章：

对本论文的工作做了一个总结并提出了进一步工作的展望。

2零件的冲裁工艺及结构形式

2.1毕业论文设计题目

山字形铁心片在小型变压器中有着十分广泛的应用。

变压器硅钢片的零件图如下2.1所示：

图2.1铁心片

零件名称：

铁心片

材料：

硅钢片

料厚：

0.35mm

生产批量：

大批量

精度：

IT12

2.2冲裁工艺分析

率有很大的影响。

良好的冲裁工艺性应保证材料利用率高，工序数目少，模具结构简单且寿命高，产品质量稳定。

一般情况下，对冲裁件工艺性影响最大的是精度要求和几何形状冲裁件的工艺性，是指冲裁件对冲压工艺的适应性，即冲裁件的材料、结构、尺寸、形状及公差等技术要求是否符合加工的工艺要求。

工艺性是否合理，对冲裁件的质量，模具寿命和生产及尺寸。

2.2.1冲裁的工艺分析

该零件形状简单，对称，是由圆弧和直线组成。

查参考文献[3]表2-3，表2-5可知，冲裁件内外形所能达到的经济精度为IT12~IT13，孔中心与边缘距离尺寸公差为±0.5mm，将以上精度与零件简图中所标注的尺寸公差相比较，可以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，故决定采用冲孔落料复合冲裁模进行加工，且一次冲压成形。

2.3冲裁工艺方案的确定

  在冲裁工艺分析和技术经济分析的基础上根据变压器硅钢片的特点确定冲裁工艺方案。

2.3.1冲裁工序的组合

冲裁工序可分为单工序冲裁、复合冲裁和级进冲裁。

复合冲裁是在压机一次行程中，在模具的同一位置同时完成两个或两个以上的冲压工序；级进冲裁是把冲裁件的若干个冲压工序，排列成一定的顺序，在压机一次行程中条料在冲模的不同工序位置上，分别完成工件所要求的工序。

除最初几次冲程外，以后每次冲程都可以完成一个冲裁件。

组合的冲裁工序比单工序冲裁生产效率高，获得的制件精度等级高。

 冲裁组合方式的确定应根据下列因素决定。

１．生产批量一般来说，小批量与试制采用单工序冲裁，中批和大批量生产采用复合冲裁或级进冲裁。

２．工件尺寸公差等级复合冲裁所得到的工件尺寸公差等级高，因为它避免了多次冲压的定位误差，并且在冲裁过程中可以进行压料，工件较平整。

级进冲裁所得到的工件尺寸公差等级较复合冲裁低，在级进冲裁中采用导正销结构，可提高冲裁件精度。

３．对工件尺寸、形状的适应性工件的尺寸较小时，考虑到单工序上料不方便和生产率低，常采用复合冲裁或级进冲裁。

对于尺寸中等的工件，由于制造多副单工序模的费用比复合模昂贵，也宜采用复合冲裁。

但工件上孔与孔之间或孔与边缘之间的距离过小时，不宜采用复合冲裁和单工序冲裁，宜采用级进冲裁。

所以级进冲裁可以加工形状复杂、宽度很小等异形工件，且可冲裁的材料厚度比复合冲裁时要大，但级进冲裁受压机台面尺寸与工序数的限制，冲裁工件尺寸不宜太大。

４．模具制造、安装调整和成本对复杂形状的工件，采用复合冲裁比采用级进冲裁为宜。

因模具制造、安装调整较易，成本较低。

５．操作方便与安全复合冲裁出件或清除废料较困难，工作安全性较差。

级进冲裁较安全。

 综合上述分析，对于一个工件，可以得出多种工艺方案。

必须对这些方案进行比较，选取在满足工件质量与生产率的要求下，模具制造成本低、寿命长、操作方便又安全的工艺方案。

2.3.2冲裁顺序的安排

１．级进冲裁的顺序安排

（1）先冲孔或切口，最后落料或切断，将工件与条料分离。

首先冲出的孔可作后续工序的定位用。

在定位要求较高时，则可冲出专供定位用的工艺孔。

（2）采用定距侧刃时，定距侧刃切边工序安排与首次冲孔同时进行，以便控制送料进距。

采用两个定侧距刃时，可以安排成一前一后，也可并例。

２．多工序工件用单工序冲裁时的顺序安排

（1）先落料使毛坯与条料分离，再冲孔或冲缺口。

后继各冲裁工序的定位基准要一致，以避免定位误差和尺寸链换算。

（2）冲裁大小不同、相距较近的孔时，为减少孔的变形，应先冲大孔，后冲小孔。

2.4模具的结构设计

分析该零件的结构，该零件有落料、冲孔两个工序。

在一套模具中，若一次完成落料、冲孔、拉深、弯曲等工序中的两个或两个以上工序，这样的模具称为复合模。

冲孔落料复合模的基本结构，在模具的一方是落料凹模，中间装着冲孔凸模，另一方面是凸凹模，外形是落料的凸模，内孔是冲孔的凹模。

若落料凹模装在上模上，称为倒装复合模，反之，称为顺装复合模。

复合模广泛应用于大批量生产，尤其适合于形状复杂，对精度和表面质量要求较高的零件。

2.4.1复合模的特点：

生产效率高，由于一套模具能完成若干个工序，所以大大地减少了冲压设备的占用，减少了操作人员，减少了周转时间，提高了生产率。

提高了冲裁件的质量，在复合模中几道冲压工序是在同一共位上完成的，不用重新定位，可以避免重新定位产生的误差，从而保证了冲压见的位置精度。

对模具制造要求要高，复合模的结构比单工序模复杂，要求模具制造应有较高的精度。

早周期相对较长，因此模具制造成本显著增加。

对复杂形状零件，用复合模比用级进模的制造难度低。

通用性差，适用于形状复杂、尺寸不大、精度要求较高零件的大批量生产。

2.4.2选择复合模的原则：

确定是否采用复合模要考虑以下几个方面：

生产批量由于复合模成本较高，小批量生产时易采用单工序模，几个单工序模可能比一套复合模成本低，在大批量生产时适合采用复合模。

冲压零件的精度当冲压件的尺寸或同轴度、对称度等位置精度要求较高时，应该考虑采用复合模；对于形状复杂、重新定位可能产生较大误差的冲压工件，也应采用复合模。

复合工序数量一般复合模工序数量在四道工序以下，否则模具过于复杂，同时模具的强度、刚度、可靠性也随之降低。

结合复合模的特点和复合模的选用原则，该工件是大批量生产，形状也比较简单，只有落料、冲孔两个工序，它能依次完成落料、冲孔两个工序，所以决定采用复合模。

进一步确定该复合模采用倒装形式，即凸凹模装在下模。

倒装式复合模的优点是冲孔废料直接由冲孔凸模从凸凹模内孔推下，无顶件装置，结构简单，操作方便，但如果采用直刃壁凹模洞口，凸凹模内有积存废料，胀力较大，当凸凹模壁厚较小时，可能导致凸凹模胀裂。

挡料装置采用活动挡料销，卸料装置采用弹性卸料装置，弹性卸料装置的基本零件是卸料板、弹性元件（选用橡胶）、卸料螺钉等。

3结构设计及尺寸计算

3.1排样图设计

3.1.1排样

排样是指冲裁件在条料或板料上的布置的方法。

工件的合理布置（即材料的经济利用）与零件的形状有密切关系。

排样的合理与否不但影响材料的利用率，而且影响模具的寿命与生产率。

排样时应考虑下面两个问题：

1.材料利用率力求在相同的材料面积上得到最多的工件，以提高材料的利用率。

一个进距的材料利用率k的计算式：

k＝nA／bh×100%

式中：

k——材料利用率

n——个进距内冲裁件数目

b——条料宽度（mm）

h——进距（mm）

2.生产批量

排样时必须考虑生产批量的大小

决定排样方案时应遵循的原则；保证在最低的材料消耗和最高的劳动生产率的条件下得到符合技术要求的零件，同时要考虑方便生产操作、冲模结构简单、寿命长以及车间生产条件和原材料供应情况等，从各方面权衡利弊，以选择出较为合理的排样方案。

方案一：

采用直对排

根据材料厚度t=0.35mm，查参考文献[2]表2-7可得最小搭边值a=2.5mm，工件间搭边值a1=2.5mm。

查参考文献[2]表2-18得条料宽度公差△=0.6mm。

（1）计算冲压件毛坯面积：

A＝16×10×2＋16×14＋60×12－6×π×1.6

＝1215.77mm

（2）条料宽度：

b＝28＋3×2.5＋10＝45.5mm

（3）进距：

h＝60＋2×5＋10＝80mm

（4）一个进距的材料利用率：

K＝n×A／（b×h）×100%＝2×1215.77／（45.5×80）×100%＝66.8%

方案二：

采用直排

条料宽度：

b＝60＋2a＝105＋2×2.5＝110mm

进距：

h＝28＋2.5＝30.5mm

一个进距的材料利用率：

K＝n×A／（b×h）×100%＝1×1215.77／（110×30.5）×100%＝36.23%

从材料的利用率和经济效益等方面考虑，选用方案一作为本设计的排样方式。

3.1.2排样图

按零件的不同几何形状，可得出其相适合的排样类型，而根据排样类型又可分为有搭边与无搭边两种。

根据零件的形状分析和考虑到冲裁时的工艺合理性与经济合理性，采用有搭边的排样方案比较合理。

方案一的排样图，见图3.1所示：

图3.1排样图一

方案二的排样图，见图3.2所示：

图3.2排样图二

3.1.3搭边

排样时工件之间以及工件与条料侧边之间留下的余料叫搭边。

搭边虽然是废料，但在工艺上却有很大的作用，搭边的作用是补偿定位误差，保证冲出合格的零件，搭边还可以保证条料有一定的刚度，利于送进。

搭边值要合理确定，搭边值过大，材料利用率低；搭边值过小，在冲裁中有可能被拉断，使零件产生毛刺，严重时会拉入凸模与凹模间隙之中，损坏模具刃口。

搭边值的大小通常与材料的机械性能、工件的形状和尺寸、材料的厚度以及送料和挡料方式等因素有关。

硬材料的搭边值比软材料的搭边值可小一些；工件尺寸大或是有尖突的复杂形状时，搭边值取大些，厚材料的搭边值应取大些；用手工送料，有侧压装置时，搭边值可取小一些。

搭边值大小的确定，目前是由经验确定的，实际生产中，考虑材料的利用率，可根据条料的长度作适当的增减。

3.2冲裁力的计算

在冲裁过程中，冲裁力是随着凸模进入材料的深度（凸模行程）而变化的。

用平刃口模具冲裁时，其落料力F1一般按下式计算：

F1＝KLt

b

式中F1——落料力（N）

L——冲裁周边长度（mm）

t——材料厚度（mm）

b——材料抗剪强度（Mpa）

K——系数

由于K是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动、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

为方便计算，也可按下式：

F1≈L1tσb

式中σb——材料的抗拉强度

该工件材料是硅钢片，它的抗剪强度

b=190Mpa，经计算，该工件冲裁周边长度：

L1＝28×2＋60＋16×4＋14×3＋10×2=242mm

计算落料力：

F1＝KL1t

b=1.3×242×0.35×190=20920.9N

冲孔力：

F2＝KL2t

b

L2=4π×3.5=43.96mm

则F2=1.3×43.96×0.35×190=3800.342N

3.3推件力和卸料力的计算

冲裁过程中，材料由于弹性变形和摩擦使带孔部分的板料紧在凸模上，而冲落部分的板料紧卡在凹模洞口内，为继续下一步的冲裁工作，必须将在凸模上的板料卸下，将卡在凹模洞口的板料推出，从凸模上卸下紧着的板料叫卸料，所需的力叫卸料力；顺着冲裁方向将卡在凹模洞口内的板料推出叫推件，所需的力叫推件力；有时需将卡在凹模洞口内的板料逆着冲裁方向顶出，这就叫顶件，顶件所需的力叫顶件力。

推件力、顶件力和卸料力是从冲床、卸料装置或顶件器获得的，所以，选择设备吨位或设计冲模的卸料装置以及顶件器时，都需要对卸料力、推件力及顶件力进行计算。

影响推件力、顶件力和卸料力的因素很多，主要有材料的机械性能、材料厚度、模具间隙、零件的形状和尺寸以及润滑条件等。

大间隙冲裁时，由于板料所受拉伸变形大，故冲裁后的弹性回复使落料件比凹模尺寸小，而冲下的孔比凸模尺寸大，因此卸料力、推件力都有显著下降，要准确地计算这些力是困难的，生产中常用以下经验公式进行计算。

推件力：

Ft＝nKtF

卸料力：

Fx＝KxF

式中F——冲裁力

Kt、Kx——推件力和卸料力系数

n——同时卡在凹模洞口的零件数，n=h/t

式中h——凹模洞口的直刃壁高度

查参考文献[2]表2-8取凹模刃口直壁高度h＝4mm，则n＝h／t＝4／0.35＝11

由文献[2]表2-5，当t＝0.35mm时，Kx＝0.05，Kt＝0.063

推件力Ft＝nKtF＝11×0.063×3.8×10

＝2.63×10

N

卸料力Fx＝KxF＝0.05×51.87×10

＝2.6×10

N

采用弹性卸料装置和下出料方式的冲裁模：

F总＝F1＋F2＋Ft＋Fx=51.87×103+3.8×103+2.63×10

+2.6×10

=60.9×10

N

3.4压力机公称压力的确定

压力机公称压力必须大于或等于冲压力。

由于确定模具结构为倒装复合模，卸料装置为弹性卸料装置，出料方式是下出料。

则计算冲压力为

F总＝F1＋F2＋Ft＋Fx=60.9×10

N

因计算出冲压力为60.9×10

N，查[13]表1.3及以后模柄孔径的标准，选用开式固定台压力机，所选压力机的基本参数是：

公称力/KN

160

滑块行程/mm

70

滑块行程次数/（次/min）

120

最大封闭高度/mm

205

封闭高度调节量/mm

45

喉深/mm

160

两立柱距离/mm

220

工作台尺寸/mm

前后300，左右450

垫板厚度/mm

40

最大倾斜角/（°）

35

模柄孔尺寸/mm

直径

40，深度60

电动机功率/kw

1.5

3.5冲模压力中心的确定

冲裁力合力的作用点称为冲模压力中心。

为保证冲模正确和平衡地工作，冲模的压力中心必须通过模柄轴线而和压力机滑块的中心线相重合，以免滑块受偏心载荷，从而减少冲模和压力机导轨的不正常磨损，提高模具寿命，避免冲压事故。

确定复杂形状冲裁件的压力中心和多凸模模具的压力中心，常用下面几种方法：

按比例画出冲压件形状

选定坐标XOY。

将工件冲裁周边分成若干基本线段，求出各段长度，并同时求出各段重心。

按比例画出零件行状，选定坐标系XOY，如图所示,因零件左右对称，即Xc=0，故只需计算Yc，将零件冲裁周边分成L1、L2…L6基本线段，求出各段长度及各段的中心位置。

图3.3压力中心

L1=60mmY1=0mm

L2=56mmY2=14mm

L3=13mmY3=28mm

L4=26mmY4=15mm

L5=13mmY5=12mm

L6=30mmY6=7.5mm

L7=14mmmY7=28mm

Yc＝（L1×Y1＋L2×Y2＋L3×Y3＋…＋L6×Y6+L7×Y7）/（L1＋…＋L6+L7）=15.37mm

计算出的压力中心（0，15.37）

3.6冲模闭合高度的计算

冲模的闭合高度H是指模具在最低的工作位置时，下模座的底面至上模座的顶面的距离。

在设计模具时，应与压力机的闭合高度相协调。

压力机的闭合高度h是指滑块在下死点时，工作台面至滑块的距离。

大多数压力机，其连杆长度可以调节，即压力机的闭合高度可以调整。

当连杆调至最短时，压力机闭合高度最大，称为最大闭合高度Hmax，连杆调至最长时，压力机闭合高度最小，称为最小的闭合高度Hmin（Hmax－Hmin＝M其中M为连杆的调节量）

冲模闭合高度H，一般应满足如下关系

Hmin＋10mm≤H≤Hmax－5mm

无特殊情况，H应取上限值，最好取在H≥Hmin+M/3，这是为里避免连杆调节过长，螺纹接触面过小容易被压坏。

如果冲模闭合高度小于压力机的最小闭合高度，则可以在压力机工作台面上加垫板。

查[13]附表8-1，所选压力机最大闭合高度Hmax=205mm，最小闭合高度Hmin=135mm，计算模具的闭合高度为：

H=188mm

Hmin＋10=145mm≤H≤Hmax－5mm=200mm

满足要求。

3.7工作零件的设计与计算

3.7.1凹模及凸凹模刃口尺寸计算

根据冲裁件结构的不同，刃口尺寸的计算方法如下：

落料落料时应以凹模为基准件来配作凸模。

凹模磨损后刃口尺寸有变大，变小，不变三种情况，故凹模刃口尺寸也应分三种情况进行计算

第一类凹模磨损后变大的尺寸，按一般落料凹模尺寸公式计算，

即：

Ad＝（A－x△）

第二类当凹模磨损后变小的尺寸，按一般冲