模具结构设计与工艺设计.docx
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模具结构设计与工艺设计
模具结构设计与工艺设计
前言
冲压是在室温下，利用安装在压力机上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。
冲压模具在冷冲压加工中，将材料〔金属或非金属〕加工成零件〔或半成品〕的一种专门工艺装备，称为冷冲压模具〔俗称冷冲模〕。
冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。
冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直截了当关系。
模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在专门大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。
我国的冲压模具设计制造能力与市场需要和国际先进水平相比仍有较大差距。
这些要紧表现在飞行器钣金件、高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模方面，不管在设计依旧加工工艺和能力方面，都有较大差距。
覆盖件模具，具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点，可代表覆盖件模具的水平。
尽管在设计制造方法和手段方面已差不多达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在模具国产化进程中前进了一大步，但在制造质量、精度、制造周期等方面，与国外相比还存在一定的差距。
标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点进展的周密模具品种。
有代表性的是集机电一体化的铁芯周密自动阀片多功能模具，已差不多达到国际水平。
因此我们在学习完«飞机钣金成形原理和工艺»等模具相关基础课程后，安排了模具设计课程设计，以关心我们把握模具设计的过程，为以后参加工作打下基础。
设计内容
一、零件的工艺性分析
图1零件图
1）零件的尺寸精度分析如图1所示零件图，该零件外形尺寸为R11，19；内孔尺寸为R3，6，均未标注公差，公差等级选用IT14级，那么用一样精度的模具即可满足制件的精度要求。
2）零件结构工艺性分析零件形状简单，适合冲裁成形。
3）制件材料分析制件材料为45钢，抗剪强度为432～549Mpa，抗拉强度为540～685Mpa，伸长率为16%。
适合冲压成形。
综合以上分析，得到最终结论:
该制件能够用冲压生产的方式进行生产。
但有几点应注意：
1）孔与零件左边缘最近处仅为2mm，在设计模具是应加以注意。
2）制件较小，从安全方面考虑，要采取适当的取件方式。
3）有一定批量，应重视模具材料和结构的选择，保证一定的模具寿命。
二、工艺方案的确定
由零件图可知，该制件需落料和冲孔两种冲压工艺，设计模具时可有以下三种方案：
方案一：
先落料，再冲孔，采纳单工序模生产。
方案二：
冲孔、落料连续冲压，采纳级进模生产。
方案三：
落料和冲孔复合冲压，采纳复合模生产。
方案一采纳单工序模生产，模具结构简单，但需要两道工序、两套模具才能完成零件的加工，生产效率较低，难以满足零件年产20万件的需求，而且要考虑第二套模具中工序件的定位问题，操作不便。
方案二采纳级进模生产，可有效地提高生产效率，但连续模制造和设计难度大，费用高，用于生产该制件达不到经济性要求。
方案三采纳复合模生产，亦有专门高的生产效率，复合模能在压力机一次行程内，完成落料、冲孔两道工序，所冲压的工件精度较高，不受送料误差阻碍，能较好的满足该制件内孔与外形同心的要求。
通过对比，故采纳方案三，比较适合该零件。
三、模具结构形式的确定
〔一〕模具类型及卸料方式分析
因制件材料较薄，为了保证制件的平坦度，因此采纳正装式复合模，即凸凹模安装在上模，如此，从模柄中穿入导杆能够直截了当把嵌在凸凹模里的废料从刃口中打下，卡在凸凹模凸模刃口上的材料能够用弹性卸料板卸料；冲孔凸模与落料凹模安装于下模，用顶件器带动卸料板顶出制件。
〔二〕模具定位方式分析
在模具设计中，抛弃了传统的销钉定位，而是把凸凹模和凹模分别在上、下模座定位，上、下模座的定位沉台在制造时是和导柱、导套固定在一起加工完成的，如此保证了上、下模工作零件的同轴度，从而达到保证零件尺寸精度的目的。
同时没有使用销钉，也使模具的修理方便了专门多，即使多次拆卸也能保证零件的精度不变。
四、工艺设计与运算
〔一〕制件排样与材料利用率运算
采纳单排直排有废料排样，如图2所示。
由文献【1】表3-17查得制件间搭边值a=0.8mm，侧搭边值a1=1mm,那么送料步距L=19+0.8=19.8；条料宽度B=22+1+1=24；经运算制件面积S=284.73mm2，一个步距的材料利用率为：
η=S/（BL）×100%=284.73/（24×19.8）×100%=59.92%
图2排样图
由文献【2】表4-1冷轧钢板的尺寸，选板料规格为1200mm×600mm×1mm，剪裁条料时采纳横裁法，因此条料尺寸为24mm×600mm。
每板条料数n1=1200/24=50（条）；
每条制件数n2=（600-0.8×2）/19.8=30（件）；
每块板制件数n3=n1×n2=50×30=1500（件）
材料总利用率η，=1500×284.73/〔1200×600〕=59.3﹪
〔二〕冲压力的运算
冲裁力可按以下公式[1]运算：
F=KLtτkp
式中：
t—材料厚度〔mm〕；L—冲裁件周长〔mm〕；τkp--材料抗剪强度〔Mpa〕。
K=1.3,t=1mm；查文献【2】表4-12得τkp=432～549，取τkp=500；经运算得外形周长L1=67.57mm，内孔周长L2=30.85mm。
因此
落料冲裁力F1=KL1tτkp=1.3×67.57×500×1=43.92kN
冲孔冲裁力F2=KL2tτkp=1.3×30.85×500×1=20.05kN
推件力和卸料力可用以下体会公式[1]进行估算：
F推件=nK推F
F卸料=K卸F
式中：
F—冲裁力；n为同时卡塞在凹模内的零件数，一样为3～5；K推—推件力系数；K卸—卸料力系数。
查文献【1】表3-15得，K推=0.055，K卸=0.04～0.05，因此
F卸料=K卸F1=0.04×43.92=1.7568kN
F推件=nK推F2=5×0.055×20.05=5.51kN
由于该制件模具采纳弹性卸料装置，因此总冲压力的运算公式为：
F总=F1+F2+F卸料+F推件=43.92+20.05+1.7568+5.51=71.24kN
（三）初选压力机
依照总压力71.24kN,查文献【2】表4-33开式压力机的要紧技术参数，初选压力机型号规格为J23-10，其要紧参数如下：
公称压力：
100kN
滑块行程：
45mm
最大闭合高度：
180mm
最大装模高度：
145mm
工作台尺寸：
370mm×240mm
模柄孔尺寸：
∅30mm×55mm
（四〕运算压力中心
该制件图形较规那么，上下对称，故采纳解析法求压力中心较为方便。
建立如以下图所示坐标系。
设压力中心为〔x0,y0〕,因为上下对称，因此y0=0，只需求x0，又因为内孔为轴对称图形，因此只需考虑外形。
经运算得L1=15.1mm,L2=52.47mm,x2=3.165,
x1=-8。
依照合力矩定理得
因此，压力中心为〔0.72，0〕。
〔五〕运算凸凹模刃口尺寸
本制件形状简单，可按分别加工方法制造凸、凹模，凸、凹模的制造公差
δp和δp必须满足不等式[1]：
δp+δd≤Zmax-Zmin。
依照制件的材料和厚度,由文献【3】表2-14汽车、拖拉机等行业冲裁模初始双边间隙值，查得：
Zmax=0.140mm,Zmin=0.100mm；
依照制件的差不多尺寸和厚度，由文献【3】表2-19汽车、拖拉机等行业简单形状制件凸、凹模的制造偏差，查得：
落料部分：
凸模-0.020mm,凹模+0.020
冲孔部分：
凸模-0.020mm,凹模+0.020
验证制造偏差是否合格：
δp+δd=0.02+0.02=0.04
Zmax-Zmin=0.140-0.100=0.04
因此，δp+δd=Zmax-Zmin=0.04，合格，能够采纳该公差值。
由于零件图未注公差，为了降低工作难度，因此在实际生产中按照IT14等级确定制件各尺寸公差，查文献【3】附录一标准公差数值和表2-17磨损系数x得：
落料部分：
尺寸R11，公差为0.43mm，取x=0.5；
尺寸19，公差为0.52mm，取x=0.5；
冲孔部分：
尺寸R3,公差为0.25mm，取x=0.5；
尺寸6，公差为0.3mm，取x=0.75。
1〕落料尺寸R
Dd=（Dmax-xΔ
=（11.215-0.5×0.43
=
Dp=（Dd-Zmin
=（11-0.100
=
尺寸
Dd=（Dmax-xΔ
=（19.26-0.5×0.52
=
Dp=（Dd-Zmin
=（19-0.100
=
2）冲孔尺寸R
dp=（dmin+xΔ
=（2.875+0.5×0.25
=
dd=（dp+Zmin
=（3+0.100
=
尺寸
dp=（dmin+xΔ
=（5.85+0.75×0.3
=
dd=（dp+Zmin
=（6.075+0.100
=
五、模具结构设计
〔一〕凹模设计
因制件形状简单，轮廓近似圆形，且总体尺寸不大，选用整体式圆形凹模较为合理。
因制件精度较低，厚度较小，由文献【2】表3-5冷冲模工作零件的材料及热处理要求，选用9Mn2V为凹模材料。
1）确定凹模厚度H值:
由凹模厚度体会公式[4]估算：
H=K1K2
式中，F—冲裁力，N；K1—凹模材料修正系数，合金钢取1，碳素钢取1.3；K2—凹模刃口周边长度修正系数。
本例中冲裁力F=43.92kN；凹模材料为合金钢，故K1取1；凹模刃口周边长度为67.57mm，查文献【4】表3-34凹模刃口周边长度修正系数，得K2=1.12，因此
H=K1K2
=1×1.12×
=19.06mm
2）确定凹模周界尺寸D：
依照条料宽度B=24mm,材料厚度t=1mm,由文献【4】表3-33，查得凹模孔壁厚c=22mm。
因此
D=2R+2c=22+2
66mm
由文献【2】表5-45圆形凹模板尺寸，可查到较为靠近凹模周界尺寸为63mm×20mm，故凹模周界尺寸取为63mm×20mm。
其结构图如图3所示。
图3凹模
〔二〕其他冲模零件设计
据以上确定的凹模周界尺寸，查文献【2】表5-5复合模圆形厚凹模典型组合尺寸，可得其他冲模零件的数量、尺寸及要紧参数。
1）卸料板标准编号JB/T7643.5-1994,周界尺寸63mm×8mm,结构图如图4所示。
图4卸料板
2）凸凹模固定板标准编号JB/T7643.5-1994,周界尺寸63mm×12mm，结构图如图5所示。
图5凸凹模固定板
3）顶件块非标准件，尺寸依照凸、凹模尺寸确定，结构图如图6所示。
图6顶件块
4〕凸凹模
凸凹模采纳直通式结构，固定部分简化为圆形，因采纳弹压卸料，因此凸凹模长度按下式[6]运算
L=h1+h2+t+h
式中，h1—凸凹模固定板厚度，mm；h2—卸料板厚度，mm；t—材料厚度，mm；h—增加长度。
它包括凸凹模修磨量、凸凹模进入凹模的深度〔0.5～1mm〕、凸凹模固定板与卸料板之间的安全距离等，一样取10～20mm。
本例中，h1=12mm，h2=8mm，t=1mm，h取14mm，因此凸凹模长度
L=h1+h2+t+h=12+8+1+14=35mm
凸凹模结构图如图7所示。
图7凸凹模
5）凸模
凸模亦采纳直通式，固定部分简化成圆形，长度L=19.5mm,其结构图如图8所示。
图8凸模
〔三〕选择模架
由凹模周界尺寸63mm×20mm及模架闭合高度110mm，查文献【2】表5-8滑动导向后侧导柱模架规格，选用后侧导柱模座,其要紧参数如下：
上模座63mm×63mm×25mm（GB/T2855.5-1990）；
下模座63mm×63mm×30mm（GB/T2855.6-1990）；
导柱16mm×110mm×30mm（GB/T2861.2-1990）；
导套16mm×50mm×23mm（GB/T2861.6-1990）。
模架具体结构尺寸，参照文献【5】表4-6后侧导向模柱、表3-38导柱和表3-39导套设计。
〔四〕模柄设计
本例采纳凸缘模柄，尺寸与模柄孔配做。
六、校核压力机安装尺寸
模座外形尺寸为63mm×63mm，闭合高度为110mm，J23-10型压力机工作台尺寸为370mm×240mm，最大闭合高度为180mm，故此压力机能满足要求。
七、绘制装配图
图9装配图
终止语
钣金冲压成形课程设计是我们在大学期间的一门重要课程，是对我们将理论应用于实践能力的考核。
通过这次课程设计我加深了对冲压成形的明白得，把握了模具设计的差不多方法，专门好地巩固了往常所学的知识，相信对我今后从事工作将有专门大关心。
在本设计过程中，各位老师和同学们给予我大量的指导和关心，在此表示衷心的感谢。
由于个人水平有限，在设计中难免显现错误和不足，还请老师批判指正。
致谢
通过两周的忙碌和工作，本次课程设计终于完成了，作为一个本科生的课程设计，由于体会的匮乏，难免有许多考虑不周全的地点，假如没有老师的督促指导，以及一起工作的同学们的关心，想要完成那个设计是专门难的。
在那个地点第一要感谢郭拉凤和张春元老师。
他们平日里工作繁多，但在我做课程设计的整个过程中都给予了我尽心的指导。
我的装配图较为复杂，然而郭老师仍旧细心地纠正图纸中的错误。
除了佩服老师的专业水平外，他们严谨的治学态度和科学的研究精神也是我学习的榜样，并将对我今后的学习和工作产生积极阻碍。
其次要感谢和我一起作课程设计的谢现龙同学，在本次设计中他给了我极大的关心。
然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓舞。
此次课程设计才会顺利完成。
参考文献
【1】翟平.飞机钣金成形原理与工艺.西安：
西北工业大学出版社，1995
【2】史铁梁.模具设计指导.北京:
机械工业出版社，2006
【3】孙京杰.冲压模具设计与制造实训教程.北京：
化学工业出版社，2020
【4】康俊远.冲压成型技术.北京:
北京理工大学出版社.2020
【5】王立人.冲压模设计指导.北京:
北京理工大学出版社.2020
【6】李奇涵.冲压成形工艺与模具设计.北京：
科学出版社，2007
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