1、学 号 14111900584湖南理工学院模具制造工艺课程考查论文题目：连接板冲模设计与制造工艺作 者 杨 晶 届 别 2011 届 学 院 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 邱 兴 海 职 称 教 授 完成时间 2014.11 摘 要本课程考查任务是设计一副连接板（大批量）冲压模具。课题进行过程中，主要以冲压工艺及冲模设计课程的理论为依据，同时结合机械设计 、 机械制图 、 互换性与技术测量 、机械制造技术基础等相关课程 的知识，首先根据课程考查任务书的要求，利用 Auto CAD 软件完成了连接板零件 图的绘制，然后进行冲压工艺分析并确定合理的冲压工艺方案，选择排样方式与
2、模具 类型，并进行具体工艺计算和校核，选择定位和卸料方式，选择冲压设备，而且对如何保证冲压件精度要求，提高冲压生产效率，保证模具可靠工作，降低模具制造成本 也进行了充分的考虑，最后利用 Auto CAD 软件完成了连接板冲压模具装配图的设 计和凸、凹模零件图的绘制。通过连接板冲压模具设计，达到了预期的设计意图，巩固和深化了所学的知识， 取得了比较满意的效果。关键词：连接板；冲压模具；冲压工艺；模具设计绪 论在现代工业生产中，模具是十分重要的工艺装备，在铸造、锻造、冲压、塑料、粉末冶金、陶瓷制品等行业应用非常广泛。由于采用模具加工能提高生产效率、节省 材料、降低制造成本，并且可以保证一定的加工质
3、量要求，所以，航空航天、道路车辆、农业机械、舰船、电器仪表、IT 行业、玩具和日常用品等领域的许多产品和零 件都采用模具加工。随着社会发展的需要，工业产品的品种和数量不断增加，产品的更新换代速度加快，对产品质量、外观不断提出新的更为苛刻的要求。在制造业中，模具的应用已越 来越受到重视，对模具质量的要求也越来越高。因此，研究和发展模具技术，对于促进国民经济的快速发展和科学技术的进步，具有十分重要的现实意义和深远的历史意 义。目前，模具所发挥的作用越来越大，模具工业的地位日益提高，模具技术水平已成为衡量一个国家产品制造技术水平的重要标志之一。专家预测，在未来几年中，中国冲压模具工业还将持续保持年均
4、增长 15%左右的高速度的发展。采用冲压模具，可以显著提高劳动生产效率，减轻工人劳动强度和工作量，可以实现高速大批量生产，显著降低单件加工成本，经济性好；可以节省原材料，实现无切屑加工；可以保证产品质量的稳定性和良好的互换性；可以一次成形某些精密零件，不需要再进行机械加工；可以制造其它工艺方法难以加工的大型复杂零件和制品。同时，采用冲压模具生产，由于操作简单，因此操作人员不需要很高的技术水平，而且还具有容易实现自动化生产的特点。正确合理的设计冲压模具，不仅能够提高冲压产品质量和生产率，而且可以提高模具使用寿命，从而显著提高经济效益。因此，在冲压模具设计过程中，必须清楚冲压件的结构、使用功能要求
5、和加工工艺方法，掌握典型冲压模具的结构和冲压性能，熟悉机械设计各相关方面的理论知识，才能形成正确明晰的模具设计思路和方法，甚至有所创新，从而保证所设计的模具结构简单，工作安全可靠，并具有良好的使用性能。第一章 冲压件零件图的绘制根据给定尺寸，用 AutoCAD 软件绘制冲压件零件图见图 1-1。 制 件 名 称 ： 连 接 板制 件 材 料 ： Q235图 1-1 连接板零件图第二章冲压件的工艺分析2.1 工件材料连接板材料为 Q235 碳素结构钢，其综合性能较好，强度、塑形和焊接等性能得到较好配合，主要用于制作连接等零件。2.2 工件结构形状连接板结构形状简单，外部为椭圆形，轮廓长 86mm
6、，宽 40mm，外缘半径 20mm，内部为圆形孔，2 个圆均匀分布，直径 20mm，内孔与外缘之间的最小距离以及过渡圆角能够满足冲裁要求；材料厚度 1.5mm，满足冲裁厚度要求，材料未退火，故该零件可以进行冲裁加工。2.3 工件尺寸精度该工件结构简单，形状对称。零件图上所有未标注公差的尺寸，属于自由尺寸，可按 IT14 级确定工件尺寸的公差；孔心距精度要求较高按 IT11 级。第三章 冲裁工艺方案的确定方案一：采用连续冲裁模生产，先冲孔，后落料。方案二：采用复合模生产，冲孔落料同时在一个工位上完成。 方案三：单工序模，分别采用两次单工序模加工，模料与冲孔。综合分析认为：方案一：工序分散，不存在
7、最小壁厚问题（与复合冲料模相比） ，易于实现自动化，结构复杂，但生产率高，定位多精度不太高，适合用于批量大，精度要求不太高的制件。方案二：只需一副模具，冲压件精度和生产率较高，冲压件内孔与外缘相对位置精度高，板料定位精度比方案一低，模具轮廓尺寸较小，成本高制造周期长，适用于冲裁批量大、精度要求高的制件。方案三：模具结构简单，制造周期短，由于需要两副模具，其成本高，且生产效率低，难以满足大批量生产要求。通过对上述三种方案的对比分析说明，本零件可由方案一、方案二完成。作者将采用复合模生产冲压方案。第四章 模具总体方案4.1 模具类型由冲压工艺分析可知，本模具类型为复合模，即在压力机一次行程中，板料
8、同时完成冲孔和落料等多个工序的冲裁模。该模具结构中有一个零件为落料凸模又为冲孔凹模的凸凹模，根据凸凹模位置的不同，复合模分为正装式和倒装式。本次冲裁采用倒装复合模结构。4.2 操作与定位方式零件为大批量生产，通过合理安排生产，可用手工送料方式能够达到批量要求，且能降低模具成本，因此采用手工送料方式。考虑到零件尺寸大小，材料厚度，为了便于操作和保证零件的精度，宜采用导料销导向，以保证送料位置的准确性，进而保证零件精度。为了保证首件冲裁的正确定距，采用活动挡料销，目的是为了提高材料利用率。4.3 卸料及出料方式冲压模具卸料通常有刚性卸料与弹性卸料两种方式。刚性卸料常用于工件材料较硬、厚度较大、尺寸
9、精度要求不高的冲压模，弹压卸 料主要用于工件厚度小于或等于 2mm 的冲压模。由于弹压卸料板具有压料作用，故 冲压件比较平整。由于本零件应具有一定的平直度要求，同时弹压卸料比刚性卸料操作方便，操作者可以目视条料送进动态。另外，弹压卸料板对工件施加的是柔性力，不会损伤工件表面。故本模具拟采用弹性卸料。为了方便操作，提高零件生产率，冲件和废料采用由凸模直接从凸凹模洞口推下的下出件方式4.4 确定导向方式方案一：采用对角导柱模架。导柱安装在对称于模具压力中心对角线上，故上模座在导柱上滑动平稳。而且采用这种模架可以在导柱两侧腾出较大的空间，以方便手 工送料的操作。方案二：采用后侧导柱模架。由于前面和左
10、、右不受限制，送料和操作比较方便。 但因导柱安装在后侧，工作时，偏心距会造成导套导柱单边磨损，严重影响模具使用 寿命。方案三：四导柱模架。具有导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点。常用于冲 压件尺寸较大或精度要求较高的冲压零件，以及大量生产用的自动冲压模架，但模具 较昂贵，手工操作也不太方便。方案四：中间导柱模架。导柱安装在模具的对称线上，导向平稳、准确。但只能从一个方向送料。根据以上方案比较，结合模具结构形式和送料方式，为提高模具寿命和冲压件质量，该复合模采用四导柱模架方式，即方案二即可。第五章 模具设计计算5.1 排样方式选择按照材料的利用程度，排样可分为：有废料排样、少废料排样和无废料排
11、样三种。有废料排样：冲裁件的质量和模具寿命较高，但材料的利用率低；少废料排样和无废料排样：材料的利用率高，且可以简化模具结构，但制件的尺寸精度不易保证，且制件还必须具备特定的形状。通过比较三种排样方式，采用有废料排样为最佳。排样的布置选择单列直排方式，见图 5-1图 5-1 连接板的排样5.2 计算条料宽度及送料步距冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间的工艺废料称为搭边，图5-1 所示的 a 和 a1就是搭边值。搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。搭边过大，浪费材料、利用率低。搭边过小，冲裁时条料容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还有拉入凸、凹模间隙中
12、损坏模具刃口，降低模具寿命。手动送料时，冲裁金属材料的最小搭边值可按表 5-1 确定；普通剪床用料宽度偏差 按表 5-2 确定。表 5-1 冲裁金属材料的最小搭边值圆形冲压件 非圆形冲压件 往复送料材料厚度t（ mm） a a1 a a1 a a1 12 2 1.5 2.5 2 3.5 2.5 23 2.5 2 3 2.5 4 3.5 34 3 2.5 3.5 3 5 4表 5-2 普通剪床用带料宽度偏差 （mm）条料宽度 b（mm）材料厚度t（mm ） 50 50100 100200 20012 0.5 0.6 0.7 0.823 0.7 0.8 0.9 135 0.9 1 1.1 1.2表
13、 5-3 条料与倒料板之间的间隙 c无侧压装置 有侧压装置条料宽度 C/mm材料厚度t（mm）100 100200 200300 100 1001 0.5 0.6 1.0 5.0 8.015 0.8 1.0 1.0 5.0 8.0根据零件形状查表 5-1 得，搭边值 a=2.5mm a1=2mm由于条料由板料剪下获得，为保证顺利送料，规定条料的上偏差为零，下偏差为负值，则条料宽度 B(公式 1-1)0max2CDB其中 Dmax条料宽度方向冲压件的最大尺寸；课题Dmax=86mma冲压件之间的搭边值，由表 5-1,a1=2mmC条料之间的间隙；表 5-3 得 C=0.8板料剪裁下的偏差；查表
14、3-2 得 =0.5mm00.5.586298B 故条料的宽度 B=90mm送料步距即条料在模具冲压生产中每次送进的距离，用 A 表示。计算得步距：A=D max +a1=40+2=42mm 根据上面所计算的搭边值和送料步距绘制连接板复合模冲裁排样图，见图 5-2。图 5-2 连接板排样图5.3 计算材料利用率冲压件实际面积与所用材料面积的百分比，称为材料利用率，它是衡量合理利用材料的重要指标。一个送料步距内材料利用率为（公式1-2）%10ABS式中，S工件的实际面积，mm 2A送料步距，mmB条料宽度，mm对于本冲压件，一个步距内冲压件的实际面积S=2468.32mm 2，故一个步距内的材料
15、利用率为 2468.310%1065.3%9SAB5.4 冲压力的计算在冲压生产过程中，冲压力包括使材料产生塑性变形以获得工件形状的对应各工序的冲裁力、卸料力、推件力和顶件力等。所有冲压力的合力中心称为压力中心。 计算冲压力的目的，是为了合理选择冲压设备、正确设计模具并校验其强度，同时合理选择弹性元件。在选定压力机时，必须保证其吨位大于所计算的冲压力。 当冲压力过大时，可以通过冲压阶梯凸模冲裁、斜刃冲裁和加热冲裁等措施减小冲裁力。计算压力中心的目的，是为了使压力中心位于冲压设备允许的偏心范围内，以防 偏心过大造成模具受力不均匀，影响冲压设备和模具的使用寿命。5.4.1冲裁力的计算冲裁力即冲裁过
16、程中凸模对板料施加的压力，其值随凸模进入材料深度而变化，通常取最大值。采用普通平刃冲裁时，冲裁力一般按下式计算：FC=KLt b （公式13）式中，F冲裁力； t材料厚度K系数； b材料抗剪强度L冲裁周长；系数是考虑实际生产中模具间隙值的波动和不均匀、刃口磨损、板料力学性能和厚度波动等原因对冲裁力的影响而确定的修正系数，一般取=1.3。工件厚度t=1.5mm，工件材料为Q235查表可得 b=380Mpa,L1=462+40=217.64mm L2=220=125.64mm根据以上数据，可以计算出冲裁力为落料力：F 1=KLt b=1.3 217.64 1.5 380=161.27KN冲孔力:
17、F 2=KLt b=1.3125.64 380 1.5=93.10KNFc=161.27+93.10=254.37KN5.4.2卸料力，推件力，顶件力的计算由于冲裁时材料的弹性变形和摩擦，在一般冲裁条件下，冲裁后材料将发生弹性恢复，使落料件或冲孔废料梗塞在凹模中，而板料则紧卡在凸模上，为使冲裁工作继续进行，必须将卡在凸模上的板料卸下，将卡在凹模中的工件或废料向上或向下推出。将紧卡在凸模上的料卸下所需要的力称为卸料力；将卡在凹模中的料推出所需要的力称为推件力；将卡在凹模中的料逆着冲裁方向顶出所需的力称为顶件力。由经验公式可得以上推件力，卸料力和顶件力的计算公式为： 卸料力：F x=KxFC推件力
18、：F t=nKtFC 顶件力：F d=KdFC式中，F x、 Kt、 Kd分别为卸料力、推件力、顶件力系数，可在表2-4查取。n同时卡在凹模内的冲落部分制件或废料的数量表5-4 钢板材料的卸料力、推件力、顶件力系数材料厚度t（mm） KX Kt Kd0.52.5 0.040.05 0.05 0.062.56.5 0.030.04 0.04 0.056.5 0.020.03 0.025 0.03通过计算可得 卸料力：F x=KxF=0.05254.37=12.72KN卸料力：F t=nKtF=20.05254.37=25.44KN顶件力：F d=KdFC=0.06254.37=15.26KN总冲
19、压力为F z=Fc+Fx+Ft+Fd=254.37+12.72+25.44+15.26=308KN5.5压力机的选择选择压力机时，最好按其公称压力的70%80%等于或大于所计算的冲压力，故选择J23-40型开式双柱可倾式压力机。该压力机主要参数如下表：J23-40 型开式可倾式曲柄压力机主要技术参数公称压力（KN）滑块行程（mm）行程次数（次/分）最大封闭高度（mm）封闭高度调节量（mm）滑块中心到机身距离（mm）400 100 80 300 80 220工作台尺寸（mm）工作台孔尺寸（mm）立柱间距离（mm）模柄孔尺寸（直径X 深度mm）工作台板厚度（mm）倾斜角（度）630420 3001
20、50200 300 5070 80 305.6压力中心的确定模具压力中心是指冲压时所有冲压力合力的作用点位置，根据力矩平衡原理计算。为确保压力机和模具正常工作，应使模具压力中心与压力机滑块中心相重合，以 防两者偏心造成偏心载荷，引起滑块和导轨之间产生过大的摩擦，模具导向零件加速 磨损，降低模具和压力机的使用寿命。冲模压力中心可按下述原则来确定：（1）冲裁直线段时，压力中心为该线段的中点。（2）冲裁具有对称形状的工件时，压力中心为工件的几何中心。（3）形状和尺寸相同的多个凸模对称分布时，压力中心与多个凸模的对称中心 相重合。（4）形状复杂的零件、多孔冲模或级进模的压力中心，可以用以下解析计算法求
21、出。nLLxxx.210（公式 14）nyyy210用解析法计算级进模冲裁压力中心时，首先绘制模具各工位的冲裁轮廓线图，然后在该图中将 XOY 坐标系建立在图中的各冲裁轮廓线的对称中心线上（坐标原点可设置在对称中心线上的任意位置，但为了计算简便，最后设置在某一冲裁轮廓线的几 何中心位置上），将冲裁轮廓线按几何图形分解成 L 1L3 共 3 组基本线段，分别计算各基本线段的长度和压力 中心坐标值，并将计算结果列表，最后按公式计算模具压力中心坐标。由于次连接板是X与Y轴均对称的图形，所以其压力中心在该零件的几何中心位子。5.7 模具刃口尺寸计算一般情况下，在冲裁凸、凹模设计中，应使凹模刃口的基本尺
22、寸接近于冲裁件的最小极限尺寸，以保证凹模磨损到一定程度时仍能冲制出合格的零件，而凸模的基本尺寸则为凹模的基本尺寸减去模具的冲裁间隙值。按分别制造法冲孔凸、凹模刃口尺寸计算以凸模为基准件进行计算。设冲裁件孔的直径为 ，根据刃口尺寸计算原则，计算公式0d为0ppdxdmin0dxZ落料时以凹模为基准件进行计算。设落料尺寸为 ，根据刃D0口尺寸计算原则，计算公式为d0dDx0minppZ式中，d p、d d冲孔凸、凹模直径（mm）；Dd、D p落料凹、凸尺寸（mm）； p、 d凸、凹模的制造公差（mm）；Zmin最小合理间隙（mm）工件制造公差（mm）x磨损系数，与工件制造精度有关。表 5-5 磨损
23、系数非圆形工件 x 值 圆形工件 x 值1 0.75 0.5 0.75 0.5材料厚度t（mm）工件公差 /mm1 0.16 0.170.35 0.36 0.16 0.1612 0.20 0.210.41 0.42 0.20 0.2024 0.24 0.250.49 0.50 0.24 0.244 0.30 0.310.59 0.60 0.30 0.30表5-6 标准公差表（GB/T 1800.3-1998）公差等级 IT10 IT11 IT12 IT13 IT14 IT15基本尺寸 mm10 18 0.07 0.11 0.18 0.27 0.43 0.7018 30 0.08 0.13 0.
24、21 0.33 0.52 0.8430 50 0.10 0.16 0.25 0.39 0.62 1.00表 5-7 冲裁模初始双面间隙材料名称45；T7，T8；磷青铜（硬）；铍青铜（硬）10,15,20 冷轧钢；30 钢板；H62，H68（硬）；硅钢片Q215,Q235;08,10,15;H62,H68(半硬)H62,H68(软);纯铜（软）；3A12,5A02厚度 初始间隙Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax1.0 0.17 0.20 0.13 0.16 0.10 0.13 0.065 0.0951.5 0.27 0.31 0.21 0.25 0.1
25、5 0.19 0.10 0.142.0 0.38 0.42 0.30 0.34 0.22 0.26 0.14 0.182.5 0.49 0.55 0.39 0.45 0.29 0.35 0.18 0.24表 5-8 冲裁时凸模、凹模的制造偏差基本尺寸/mm 18 1830 3080 80120凸模偏差 p/mm 0.020 0.020 0.020 0.025凹模偏差 d/mm 0.020 0.025 0.030 0.035由上表数据和公式计算结果为冲孔= 0ppdx00.2.22.56=dmin0dZ0.50.25.141落料= d0dDx0.20.24.53974=minppZ0.30.3.159第六章 模具零件及结构的详细设计6.1 凹模设计凹模厚度Ha= mm301.3F凹模壁厚C=（1.32.0）Ha=60mm查GB/T2855.5-1990确定凹模外形尺寸长=125mm、宽=100mm； 凹模设计如下图连接板凹模图6.2 凸模设计凸模长度L=h1+h2+hh1凸模固定板高度h2卸料板厚度h自由尺寸，h=20计算结果L=73凸模设计如下图连接板凸模图6.3 凹凸模设计凸凹模长度L=h1+h2+hh1凸凹模固定板高度h2卸料板厚度h自由尺寸 ，h=20计算结果L=75凸凹模设计如下图连接板凹凸模图
