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1、过滤网冲压模具设计解析过滤网的冲压模具设计第一章 绪论1.1冷冲压与模具设计简介冲压是通过模具对板材施加压力或拉力,使板材塑性成型,有时对板材施加剪切力而使板材分离,从而获得一定尺寸、形状和性能的一种零件加工方法。由于冲压加工经常在材料冷状态下进行，因此也称冷冲压。冲压加工的原材料一般为板材或带材，故也称板材冲压。冲压加工需要研究冲压工艺与模具两个方面的问题。冲压工艺可以分为分离工序和成形工序。而分离工序又有落料、冲孔、切断、切边、剖切等工序；成型工序又包括卷圆、扭曲、拉深、变薄拉深、翻孔、翻边、拉弯、胀形、起伏、扩口、缩口、旋压、校形等。冲压加工作为一个行业，在国民经济的加工业中占有重要的地

2、位。根据统计，冲压件在各个行业中均占相当大的比重，尤其在汽车、电机、仪表、军工、家用电器等方面所占的比重更大。冲压加工的应用范围极广，从精细的电子元件、仪表指针到重型汽车的覆盖件和大梁、高压容器封头以及航天器的蒙皮、机身等均需冲压加工。冲压件在形状和尺寸精度方面的互换性较好，一般情况下，可以直接满足装配和使用要求。此外，在冲压过程中由于材料经过塑性变形，金属内部组织得到改善，机械强度有所提高，所以，冲压件具有质量轻、刚度好、精度高和外表光滑、美观等特点。冲压加工是一种套高生产率的加工方法，如汽车等大型零件每分钟可生产几件，而小零件的高速冲压则每分钟可生产千件以上。由于冲压加工的毛坯是板材或卷材

3、，一般又在冷状态下加工，因此轻易实现机械化和自动化，比较适宜配置机械人而实现无人化生产。特别是适用于定型产品的中大批生产。“冲压要发展，模具是关键”，提高模具的效率需从冲模设计和制造开始。冲压加工的材料利用率较高，一般可达70%85%，冲压加工的能耗低，由于冲压生产具有节材、节能和高生产率等特点，所以冲压件呈批量生产时，其成本比较低，经济效益较高。当然，冲压加工与其他加工方法一样，也有其自身的局限性，例如，冲模的结构比较复杂，模具价格偏高。因此，对小批量、多品种生产时采用昂贵的冲模，经济上不合算，目前为了解决这方面的问题，正在努力发展某些简易冲模，如聚氨脂橡胶冲模、低合金冲模以及采用通用组合冲

4、模、钢皮模等，同时也在进行冲压加工中心等新型设备与工艺的研究。1.2冷冲压与模具技术现状 在2000多年前，我国已有冲压模具被用于制造铜器，证明了中国古代冲压成型和冲压模具方面的成就就在世界领先。 1953年，长春第一汽车制造厂在中国首次建立了冲模车间 ，该厂于1958年开始制造汽车覆盖件模具 。我国于20世纪60年代开始生产精冲模具。在走过了温长的发展道路之后，目前我国已形成了300多亿元, 各类冲压模具的生产能力。改革开放之后，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。近年来，模具工业一直大幅度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、

5、独资和私营也得到了快速发展。浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”；近年许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。一些国内模具企业已普及了二维CAD，并陆续开始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等国际通用软件，个别厂家还引进了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE软件，并成功应用于冲压模的设计中。随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一个国家工业

6、发展水平的重要标准。模具在日本被誉为“进入富裕社会的原动力”，在德国被成为“金属加工业中的帝王”。1.2.1、模具CAD/CAM技术发展状况我国模具CAD/CAM技术的发展已有20多年历史。由原华中工学院和武汉733厂于1984年共同完成的精神模CAD/CAM系统是我国第一个自行开发研制的模具CAD/CAM系统。华中工学院和北京模具厂等于1986年共同完成的冷冲模CAD/CAM系统是我国自行开发的第一个冲裁模CAD/CAM系统。上海交通大学开发的冷冲模CAD/CAM系统也于同年完成。20世纪90年代以来，国内汽车行业的模具设计制造中开始采用CAD/CAM技术。国家科委863计划将东风汽车公司作

7、为CIMS应用示范工厂，由华中理工大学作为技术依托单位，开发的汽车车身与覆盖模具CAD/CAPP/CAM集成系统于1996年初通过鉴定。在此期间，一汽和成飞汽车模具中心引进了工作站和CAD/CAM软件系统，并在模具设计制造中实际应用，取得了显著效益。1997年一汽引进了板料成型过程计算机模拟CAE软件并开始用于生产。 21世纪开始CAD/CAM技术逐渐普及，现在具有一定生产能力的冲压模具企业基本都有了CAD/CAM技术。其中部分骨干重点企业还具备各CAE能力。 模具CAD/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量，已成为人们的共识。在“八五”、九五“期间，已有一大批模

8、具企业推广普及了计算机绘图技术，数控加工的使用率也越来越高，并陆续引进了相当数量CAD/CAM系统。国内汽车覆盖件模具生产企业普遍采用了CAD/CAM技术/DL图的设计和模具结构图的设计均已实现二维CAD，多数企业已经向三维过渡，总图生产逐步代替零件图生产。且模具的参数化设计也开始走向少数模具厂家技术开发的领域。在冲压成型CAE软件方面，除引进的软件外，华中科技术大学、吉林大学、湖南大学等都已研发了较高水平的具有自主知识产权的软件，并已在生实践中得到成功应用，产生了良好的效益。快速原型（RP）传统的快速经济模具相结合，快速制造大型汽车覆盖件模具，解决了原来低熔点合金模具靠样件浇铸模具，模具精度

9、低、制件精度低，样样制作难等问题，实现了以三维CAD模型作为制模依据的快速模具制造，它标志着RPM应用于汽车身大型覆盖件试制模具已取得了成功。1.2.2、模具设计与制造能力状况在国家产业政策的正确引导下，经过几十年努力，现在我国冲压模具的设计与制造能力已达到较高水平，包括信息工程和虚拟技术等许多现代设计制造技术已在很多模具企业得到应用。然而，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。这主要表现在高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模方面，无论在设计还是加工工艺和能力方面，都有较大差距。轿车覆盖件模具，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

10、水平。虽然在设计制造方法和手段方面基本达到了国际水平，模具结构周期等方面，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，是我国重点发展的精密模具品种。有代表性的是集机电一体化的铁芯精密自动阀片多功能模具，已基本达到国际水平。 但总体上和国外多工位级进模相比，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，仍存在一定差距。模具制造技术正在不断地提高和完美，高精度、高效益加工设备的使用越来越广泛。NC、DNC技术的应用越来越成熟，可以进行倾角加工超精加工。这些都提高了模具面加工精度，提高了模具的质量，缩短了模具的制造周期。模具表面强化技术也得到广泛应用。工艺成熟、无污染、成

11、本适中的离子渗氮技术越来越被认可，碳化物被覆处理（TD处理）及许多镀（涂）层技术在冲压模具上的应用日益增多。真空处理技术、实型铸造技术、刃口堆焊技术等日趋成熟。激光切割和激光焊技术也得到了应用从技术角度来看，模具制造（包括设计和加工）技术大致可分为五个发展阶段：手工操作阶段、手工操作加机械化（普通通用机床与工具）阶段、数字控制阶段、计算机化阶段和CAD/CAE/CAM信息网络技术一体化，我国目前主要以数字控制阶段为主。就冲模的结构和类型而言，目前国内在定型的机电产品生产中，至今仍然是单工序冲模多，复合模与多工位连续模、复合模占的比例很小，多工位连续模则更少见。近年来在仪表行业的调研统计表明：在

12、较先进、经营形式良好的企业中，按冲模分类具有套数比，只能达到单工序模：复合模：多工位连续模=5.5:3:1.5,沿海乡镇企业仅为:7.2:2:0.8,内地决大多数企业只用单工序模,多数为没有模架的的敞开模.第二章 冲压件工艺性分析 图1.1 零件图 (过滤网)2.1分析技术要求是否合理2.1.1工件的尺寸精度：冲裁件的精度要求，应在经济精度范围内（所谓经济精度是指在正常加工条件下，采用符合标准的设备工艺装备和标准技术等级工人、不延长加工时间所能保证的加工精度），对于普通冲裁件，其经济精度不高于IT11级，冲孔比落料件高一级。对与本次设计，未标注有尺寸精度，考虑到成本，按照一般精度要求来加工应该

13、可以满足其工作性能，本工件要求内精度，故除特别要求工件精度等级选取IT14。2.1.2 热处理要求：没有热处理要求。2.2审查零件材料选用是否得当考虑到产品成本和零件的使用性能，选用常用材料08F，是 优质碳素结构钢，屈服强度180MPa，抗拉强度280390MPa，抗剪强度200310延伸率32，适宜冲压选择。2.3冲裁件工艺性分析一般情况下，对冲裁件工艺性影响最大的是制件的结构形状、精度要求、形位公差及技术要求。冲裁件的工艺性合理与否、，影响到冲裁件的质量、模具寿命、材料消耗、生产率等，在设计中应尽可能提高其工艺性。冲裁件的形状尽可能简单、对称、避免复杂形状的曲线，在许可的情况下，把冲裁件

14、设计成少、无废料排样的形状，以减少废料。矩形孔两端宜用圆弧连接，以利于模具加工。冲裁件各直线或曲线的连接处，尽量避免锐角，严禁尖角。除在少、无废料排样或采用镶拼模结构，都应有适当的圆角相连，以利于模具制造和提高模具寿命。冲裁减凸出或凹入部分不能太窄，尽可能避免过长的悬臂和窄槽。最小宽度b一般 不小于1.5t，若冲裁材料为高碳钢时，b2t，Lmax5b，当材料厚度t1mm时，按t=1mm计算。冲裁件的孔径因受孔凸模刚度和强度的限制，不宜太小，否则容易折断或压弯，冲孔的最小尺寸取决与冲压材料的力学性能、凸模强度和模具结构。冲孔件上孔与孔、孔与边缘之间的距离不能过小，以避免工件变形、模壁过薄或因材料

15、易被拉入凹模而影响模具寿命。本次设计，该零件是轴对称件，冲裁结构较为简单，厚度仅为0.5mm，冲裁性能较好，工艺性容易满足材料。2.4翻边工艺性分析 一般情况下，圆孔翻边时的孔缘在单向拉应力作用下，切向伸长变形引起的厚度减薄最大，最容易破裂，由于材料性质不均匀，孔缘各处允许的切向延伸率不一样，一旦孔缘某处的伸长变形超过了该处延允许的材料伸率，该处就会因厚度减薄过大而破裂。翻边时的变形区基本上限制在凹模圆角区之内，凸模底部材料为只要变形区，处于切向、径向二向受拉伸的应力状态。切向应力在孔边缘最大，径向应力在孔边缘为零。图1.2圆孔翻边时的应力与变形情况圆孔翻边时的变形程度用翻边系数K表示： 式中

16、 d毛坯上圆孔的初始直径；D翻边后竖边的中径。影响圆孔翻边成形极限的因素如下： 材料伸长率和硬化指数n大，小，成形极限大。孔缘如无毛刺和无冷作硬化时，较小，成形极限较大。为了改善孔缘状况，可采用钻孔代替冲孔，或在冲孔后进行整修，有时还可在冲孔后退火，以消除孔缘表面的硬化。用球形、锥形和抛物线凸模翻边时，变形条件比平底凸模优越，较小。在平底凸模中，其相对圆角半径/t越大，极限翻边系数可越小。板材相对厚度越大，越小，成形极限越大。毛坯尺寸的计算：（1）毛坯翻边预制孔直径 由参考文献1）式（6-4）P195式中 D翻边直径（按中线计）（mm）； H翻边高度（mm），H=4mm； R竖边与凸缘的圆角半

17、径（mm），r=0.5mm； R料厚（mm），t=1.5mm。则： 已知预制孔直径为19.6mm （2）毛坯的直径 当零件的弯曲角为时，则毛坯的展开长度为： =（41.98+0.92）*2 =85.8mm 第三章 冲压工艺方案的确定考虑到需落料、冲孔、落料，拉深、翻边成形四道工序，可以有以下种方案：方案一：先落料冲孔，后拉深翻边成形，采用单工序生产。方案二：落料-冲孔-翻边-拉深复合模，采用复合模生产。方案三：落料-冲孔-翻边-拉深级进模，采用级进模生产。方案一结构简单，但需两道工序、两副模具才能完成，效率较低，且精度不易保证。如此浪费了人力，物力，财力。从经济角度考虑不妥当，难以满足大批量生

18、产要求。方案二只需一副模具即可成型，该工艺特点首先进行落料，再冲孔，翻边，拉深成型。采用这种方法加工的工件外观平整、毛刺小、产品质量高，而且大大的提高了生产效率，也解决了操作者将手放入模具内的不安全因素，复合模能在压力机的一次行程内，完成落料、冲孔、及拉深、翻边数道工序。在完成这些工序的过程中，冲件材料无须进给移动。 复合模具具有以下主要特点：冲件精度较高，不受送料误差影响，内外形相对位置一直性好。冲件表面较为平整。适宜冲薄料，也适宜冲脆性或软质材料。可从充分利用短料和边角余料。、冲裁件内孔和外缘的相对位置精度容易保证，而且板料的定位精度要求比级进模低冲模面积较小。复合模也存在一定的问题，如凸

19、凹模内、外形间的壁厚，或内形与外形间壁厚，都不能过薄，以免影响强度。另外，冲件不能漏下，需要解决出件问题。同时，复合模具结构也较为复杂。 同样用复合模生产可分为采用筒形料加工和板料加工。 筒形料加工：工件厚度不能保证。 板料加工：模具结构相对复杂。方案三：级进模是在压力机一次行程中完成多个工序的模具，它具有操作安全的显著特点，模具强度较高，寿命较长。使用级进模便于冲压生产自动化，可以采用高速压力机生产，也只需要一副模具，制造精度较高，先落料后冲孔，再进行拉伸翻边成形，但是级进模较难保证内、外相对位置的一直性，材相对生产周期长，其模具结构复杂，成本高，料的定位与送进是级进模设计中的关键问题。通过

20、上述三种方案的分析比较，该工件的冲压生产采用方案二的板料加工为佳。第四章 排样及材料利用率的计算4.1排样的设计冲裁件在板、条等材料上的布置方法称为排样。排样的合理与否，影响到材料的经济利用率，还会影响到模具结构、生产率、制件质量、生产操作方便与安全等，因此，排样是冲裁工艺与模具设计中一项很重要的工作。冲压件大批量生产成本中，毛坯材料费用占60%以上，排样的目的就在于合理利用原材料。衡量排样经济性、合理性的指标是材料利用率。要提高材料利用率，就必须减少废料面积，冲裁过程中所产生的废料，可分为两种情况。结构废料 由于工件结构形状的需要，如工件内孔的存在而产生的废料称为结构废料，它取决于工件的形状

21、，一般不能够改变。工艺废料 工件之间和工件与条料边缘之间存在的搭边，定位需要切去的料边与定位孔，不可避免的料头和料尾废料称为工艺废料，它决定于冲压方式和排样方式。因此，提高材料利用率要从减少工艺废料着手，同一个工件，可以有几种不同的排样方法。根据材料的利用情况，排样的方法可以有三种：（1）有废料排样沿工件的全部外形冲裁，工件与工件之间，工件与条料侧边之间都有工艺余料（搭边）存在，冲裁后搭边成为废料，如图a所示。（2）少废料排样 沿工件的部分外形轮廓切断或冲裁，只在工件之间或是工件与条料侧边之间有搭边存在，如图b所示。（3）无废料排样工件与工件之间。工件与条料侧边之间均无搭边存在，条料沿直线或曲

22、线切断而得工件。如图c所示。 图 a) 有废料排样 b) 少废料排样 c)无废料排样 4.2排样方法 有废料的排样法材料利用率较低，但制件的质量和冲模寿命较高，常用于工件形状复杂、尺寸精度要求较高的排样。少、无废料排样法的材料利用率较高，在无废料排样时只有料头、料尾损失，材料利用率可达85%95%，少废料排样法也可达70%90%。少、无废料排样法有利于一次冲裁多个工件，可以提高生产率。由于这种排样法冲切周边减少，所以还可以简化模具结构，降低冲裁力。但是，少、无废料排样的应用范围有一定的局限性，受到工件形状结构的限制，且由于条料本身的宽度公差，条料导向与定位所产生的误差，会直接影响工件尺寸而使工

23、件的精度降低。在几个工件的汇合点容易产生毛刺。由于采用单边剪切，也会加快模具磨损而降低冲模寿命，并直接影响工件的断面质量，所以少、无废料排样常用于精度要求不高的工件排样。有废料、少废料或无废料排样。按工件的外形特征、排样的形式又可分为直排、斜排、对排、混合排、多排和裁搭边等考虑到造作方便及模具结构简单，故采用单排排样设计。搭边值要合理确定。搭边值过大，材料利用率低。搭边值小，材料利用率虽高，但过小时就不能发挥搭边的作用，在冲裁过程中会被拉断，造成送料困难，使工件产生毛刺，有时候还会被拉入凸模和凹模间隙，损坏模具刃口，降低模具寿命。搭边值过小，会使作用在凸模侧表面上的法向应力沿着落料毛坯周长的分

24、布不均匀，引起模具刃口的磨损。影响搭边值的因素主要有以下几点：1.材料的力学性能 塑性好的材料，搭边值要大一些，硬度高与强度大的材料，搭边值可小些。2.材料的厚度 材料越厚，搭边值也越大。3.工件的形状和尺寸 工件外形越复杂，圆角半径越小，搭边值越大。4.排样的形式 对排的搭边值大雨直排的搭边。5.送料及挡料的方式 用手工送料，有侧压板导向的搭边值可小一些。查参考文献1）P72表2-13查得搭边值=1.5mm，=2.1mm。条料送进步距h=85.8+1.5=87.3mm 排样图如下：4.3材料利用率的计算 一个步距内的材料利用率 式中 A冲裁件面积（包括冲出的小孔在内）（） 一个步距内的冲件数

25、目；n取1 B条料宽度（mm）； h进距（mm） A=3.1485.8/285.8/2=5779（）=74.8%第五章 各部分工艺力的计算5.1冲裁力的计算冲裁力计算包括冲裁力、卸料力、推件力、顶件力的计算。冲裁力是凸模与凹模相对运动使工件与板料分离的力，其大小主要与材料力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度等参数有关。冲裁力是设计模具、选择压力机的重要参数。计算冲裁力的目的是为了合理的选用冲压设备和设计模具。选用冲压设备的标称压力必须大于所计算的冲裁力，所设计的模具必须能传递和承受所计算的冲裁力，以适应冲裁的要求。 5.1.1冲压力的行程曲线 在冲裁过程中，冲裁力的大小是不段变化的，图4-1为

26、冲裁时冲裁力-凸模行程曲线。图中AB段相当于冲裁的弹性阶段，凸模进入材料后，载荷急剧上升，但当凸模刃口一旦挤入材料，即进入塑性变形阶段，载荷的上升就缓慢下来，如BC段所示。虽然由于凸模挤入材料使承受冲裁力的材料面积秒减小，但只要材料加工硬化的影响超过受剪切面积小的影响，冲裁力就继续上升，当两者达到相当的影响的瞬间，冲裁力达最大值，即图中C点。此后，受剪面积的减少超过硬化的影响，于是冲裁力下降。凸模再继续下压，材料内部产生裂纹并迅速扩张，冲裁力急剧下降，如图中CD段所示，此为冲裁的断裂阶段。此后所用的力仅是克服摩擦阻力,推出已分离的料。5.1.2冲裁力的计算公式冲裁力的大小主要与材料力学性能、厚

27、度及冲裁件分离的轮廓长度有关。考虑到成本和冲裁件的质量要求，此用平刃口模具冲裁，冲裁力F（N）： （4-1） 式中 L冲裁件周边长度（mm）； t材料厚度（mm）；材料抗剪强度（MPa）；K系数。考虑到模具刃口的磨损，模具间隙的波动，材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素，一般取系数K=1.3。冲裁件周边长度L=3.1485.8=269.4mm,取270mm材料的抗剪强度（MPa）查文献1P25表2-7：取b=310 MPa一般情况下，材料的b=1.3，故冲裁力F（N） F1=LTb=229.61.5310=163215N =0.04163215=65284N =0.063163216=102

28、82.5N F1=163215+65284+10282.5=180026N 式中b材料的抗拉强度（MPa）。5.1.3降低冲裁力的方法在冲裁高强度材料或厚度大、周边长时，所需的冲裁力较大。如果超过现有压力机吨位，就有必须采取措施降低冲裁力，主要有以下几种方法：（一）阶梯凸模冲裁在多凸模冲裁模具中，为避免各凸模冲裁力的最大值同时出现，可根据凸模尺寸的大小，做成不同高度，形成阶梯布置，从而减少冲裁力。这种模具的缺点是长凸模插入凹模较深，容易磨损，修磨刃口也比较麻烦。（二）斜刃口冲裁在用平刃口模具冲裁时，整个刃口同时与冲裁件周边接触，同时切断，所需冲裁力大。若采用斜刃口模具冲裁，也就是将凸模（或凹模

29、）刃口做成有一定斜度的斜刃，冲裁时刃口就不是同时切入，而是逐步切入材料，逐步切断，这样，所需的冲裁力可以减小，并能减小冲击、振动和噪声，对于大型冲压件，斜刃冲裁用的比较广泛。斜刃冲裁降低了冲裁力，使压力机性能在比较柔和、平稳的条件下工作。但模具制造与修磨比较复杂，增加了困难，刃口容易磨损，工件不够平整，一般只用于大型工件冲裁及厚板冲裁。除上述两种方法外，将材料加热冲裁也是一种行之有效的降低冲裁力的方法，因为材料在加热状态的抗剪强度有明显下降。但材料加热后产生氧化皮，且因为要加热，劳动条件差。另外，在保证冲裁件断面质量的前提下，也可适当增大冲裁间隙等方法来降低冲裁力。5.2冲孔力的计算 式中 L

30、冲裁件周边长度（mm）； t材料厚度（mm）； 材料抗剪强度（MPa）； K系数，考虑到模具刃口的磨损，模具间隙的波动，材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素，一般取K=1.3。 所以，一般情况下，上式也可以写成 L=3.14*19.6=61.5mm =310MPa则 =1.361.51. 5310=37176.8N推件力： 式中 推件力因素，由参考文献1）表2-2查得 =0.063； n工件卡的凹模内的个数，取n=1。则 =0.06537176.8=2416.5N F2=37176.8+2416.5=39513N5.3翻边力的计算 （参考文献1）P196 式6-12）式中 翻边后竖边的中径（

31、mm），=29mm； 圆孔初始直径（预制孔）（mm），=19.6mm； 毛坯厚度（mm），=1.5mm； 材料屈服点（MPa）。查参考文献8）P108表8-4 10#钢 =180MPa则 F3=1.13.14（32-19.6）1.5180=11564N5.4浅拉深成形力 式中 d拉深件的直径（mm），d=71.5mm； 材料抗拉强度（MPa），由参考文献8）P108 表8-4得=390MPat材料厚度（mm），t=1.5mmm=d/D=71.5/85.8=0.82 K修正系数，由参考文献1）P158表4-20 取K=0.8。则 F4=0.83.1471.51.5390=10507.725.5总的冲裁力的计算 因此，总的冲裁力为： =F1+F2+F3+F4 =180026+105070.72+11564+39513 =336173.72N5.