1、 冲 孔 复 合 模 具 设 计 第 0 页 共 20 页冲孔复合模具设计作者：陆强强 指导老师：许良元（安徽农业大学工学院 09 级农业机械化及其自动化 合肥 230036）摘要：垫圈冲孔复合模设计，它的结构的主要特征是有一个既是落料凸模又是冲孔凹模的凹凸模。这一复合模为倒装式复合模，凹凸模装在下模，落料凹模和冲孔凸模装在上模。采用刚性推件装置把卡在凹模中的冲件推下，刚性冲件由打杆、推板、连接推杆组成。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，主要完成冲孔、落料两道工序。由打杆顶出制件，橡胶垫驱动的卸料板卸除条料。由弹性挡料销和导料销定位、导料。模架为后侧导柱圆
2、形模架，压入式模柄。由于垫圈的生产为大批量生产，所以在使用模具的前后都应注重模具的保养和修复，防止生产出误差过大的不合格产品。本次设计使用 CATIA 绘制零件实体并完成装配，进而生成装配工程图和相关的零件图。关键词：冲孔复合模具 CATIA 设计1 引言1.1CATIA 简介本次设计主要运用了 CATIA 进行作图设计，下面是关于 CATIA 的简单介绍。CATIA 具有完备的设计能力和很大的专业覆盖面，它是一套集成的软件应用包，内容覆盖了产品设计的各个方面，包括：计算机辅助设计（CAD） ，计算机辅助工程分析（CAE）和计算机辅助制造（CAM） 。它既具有各种类型的协同产品设计的必要功能，
3、也可以进行无缝集成完成支持“端到端”的企业流程解决方案，其特有的 DMU电子样机模块功能及混合建模技术更使企业竞争力和生产力的提高。使用 CATIA V5版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品的开发过程进行仿真，实现工人之间的电子通信和产品整个开发过程，包括概念设计、详细设计、工程设计、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。总的来说，CATIA 具有以下几个方面的特点和应用。（1）先进的混合建模技术和后期修改性。设计对象的混合建模：在 CATIA V5 的设计环境中，无论是实体还是曲面，都做到了真正的互操作。变量和参数化混合建模：在设
4、计时，用户不必考虑参数化设计目标，CATIA V5提供了变量驱动和后参数化能力。几何和智能工程混合建模：对于一个企业来说，可以将企业多年的经验积累到CATIA V5 的知识库中，用于指导企业新员工，或者指导新产品的开发，以缩短新产品推向市场的时间。冲 孔 复 合 模 具 设 计 第 1 页 共 20 页方便的修改性：CATIA V5 具有方便的修改能力。无论是实体建模还是曲面造型，由于 CATIA V5 提供了智能化的树结构，用户方便快捷的对产品进行重复修改。在设计的过程中做修改，或者是对方案的更换，都是很简单的事情。（2）CATIA V5 提供了各模块的全相关性和完备的设计能力。CATIA
5、V5 的各个模块以相同的数据裤为前提，因此 CATIA V5 的各个模块存在着真正的全相关性。三维模型的修改能完全体现在二维、有限元分析、模具和数控加工的程序中。这样就使产品就从概念设计到最终产品的形成，从单个零件的设计到最终电子样机的建立，具有统一的数据结构，也将机械设计、工程分析及仿真、数控加工和网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供完整的解决方案和严密的无纸工作环境。（3）并行工程的设计环境。CATIA V5 提供了多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是概念，总设计部门只要把基本的结构尺寸发放下层部门，各分系统的人员便可以开始工作，即可协同工作又不互相牵连
6、：由于模型之间的相互联结性，使得上游设计结果可作为下游设计的参照，同时，上游设计的修改可直接对下游工作进行刷新，实现真正的并行设计工作环境，从而大大缩短设计周期。（4）强大电子商务能力。CATIA V5 的基础结构支持即插即用功能的扩展，如OLE；可使用 Visual Basic 进行高级宏编程。因此，不管工厂规模如何，使用电子设计和文件资料的二次开发应用，会大大增强企业的竞争力。（5）与 NT 和 UNIX 硬件平台的独立性。CATIA V5 是在 Windows NT 平台和 UNIX平台上开发完成的，并在所有其支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、版本发放日期、操作环境和应用支持。1.2
7、 模具工业及其发展1、模具工业在国民经济中的地位模具是制造业的一种基础工艺装备，在机械、电子、轻工、汽车、纺织、航空航天等工业领域里，日益成为使用最广泛的主要工艺装备，它承担了这些工业领域中 60%90%的产品零件、组件和部件的生产加工。 、模具生产出的制件具有较高的精度、复杂度、一致性、生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。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产品的质量、效益和新产品的开发能力。模具工业是国民经济的基础工业，是国际上公认的关键工业。模具制造的重要性还体现在市场需求上，仅以汽车摩托车行业的模具市场为例。在发达的国家中
8、，模具的最大市场主要在汽车摩托车这一块，占市场的 50%左右。汽车基本车型不断增加，模具的更新换代也会随之而来。汽车换型时约有 80%的模具需要更换。中国摩托产量位居世界第一，据统计，我国摩托车共有 14 种排量、80 多个车型，1000 多个型号。单辆摩托车的零部件有过半的零件生产需要模具。其他的行业，如电子，通信，家电及建筑等，也存在巨大的模具市场。冲 孔 复 合 模 具 设 计 第 2 页 共 20 页2、我国模具技术的现状及发展趋势我国模具工业从起步到现在，历经了半个多世纪，近几年来，我国模具技术有了很大的发展，模具水平有了较大的提高。大型、精密、复杂、高效和长寿命的模具有了很好的提升
9、。我国主要汽车模具企业，已能生产部分轿车覆盖件模具体现高水平制造技术的多工位级进模，已经从电机、电铁芯片模具，扩大到接插件、电子零件、汽车零件、空调器散热片等家电零件模具上。塑料模热流道技术更趋成熟，气体辅助注射技术已开始采用。模具质量、寿命显著提高，模具交货期较前缩短。模具 CAD/CAM/CAE 技术在大范围内得到较为广泛的应用。电加工在制造模具的发展中有着举足轻重的作用。模具加工机床品种增多，水平明显提高。模具标准件应用更加广泛，品种有所扩展。模具材料方面由于对模具寿命的重视，优质模具钢的应用有较大进展。正由于模具行业的技术进步，模具水平得以提高，模具国产化取得了可喜的成就。历年来进口模
10、具不断增长的势头得到控制，模具出口量稳步增长。模具技术有以下发展趋势：（1）模具 CAD/CAM/CAE 正向集成化、三维化、正能化和网络化方向发展（2）模具制造向高效、精密、复合和多功能方向发展（3）快速经济制模技术得到应用（4）特种加工技术有了进一步发展（5）高速铣削加工得到更广泛的应用（6）模具高速扫描及数字化系统将在逆向工程中发挥更大作用（7）超精加工和复合加工将得到发展（8）模具标准化程度将不断提高（9）模具材料及表面处理技术发展迅速2 工艺分析及模具结构设计2.1 设计要求图 1 零件图如图 1 所示零件：垫圈（摘自 GB/T97、1-2002）生产批量：大批量冲 孔 复 合 模
11、具 设 计 第 3 页 共 20 页材料：08F 优质碳素结构钢 t=2mm设计该零件的冲压工艺与模具 2.2 零件的工艺析产品为规则圆形，落料和冲孔也均为圆形。形状结构对称且简单，无狭槽和尖角；孔与零件边缘之间的最小距离满足 c1.5t 要求。（ 1.5t=3）75.24c（1）尺寸精度 任务书对冲件的尺寸精度没有作要求。所以根据其他技术要求来确定尺寸精度。（2）冲裁件断面质量 本零件在断面粗糙度上没有要求，所以只要模具精度达到一般要求，在冲裁后加修整工序，冲裁件断面的质量就可以保证。（3）产品材料分析 对于冲压件材料的要求是低强度，高塑性，表面质量和厚度公差符合国家标准。本设计的产品材料为
12、 08 钢，属优质碳素结构钢，其力学性能是强度、硬度低而塑性较好，非常适合冲裁加工。其冲裁出的产品表面质量和厚度公差可以很好的得到保证。经上述分析，该零件适合冲裁加工。选用一般模具材料就能够满足该模具对材料强度的要求，又由于零件为大批量生产，选用模具材料时适当提高模具材料的一个档次。从零件精度方面看，该零件对公差等级没做特别要求，设计精度要求较低，普通冲裁模生产的冲件一般都可以达IT11 级，所以选用的冲裁模为一般精度就可以满足此零件的生产要求。查看参考文献5中的表格 11-9，比较三种主要冲模，根据零件的实际尺寸情况，决定采用复合模冲裁该零件。由于冲模的结构简单、制造周期短，价格低，而且通用
13、性好，所以采用复合模冲裁该零件。2.3 排样和压力计算1、排样零件为规则圆形 ，考虑到零件为大批量生产，如果采用交叉双排或多排，则模具尺寸和结构就会相应增大，从而增加模具生产成本，所以本设计决定采用单排结构。如图2所示。冲 孔 复 合 模 具 设 计 第 4 页 共 20 页图2 排样查看参考文献10，确定搭边当 t=2时，a=2.4mm,b=2mm所以条料宽度B=44+2.4*2=48.8mm材料利用率 ： %10SBnA式中 一个歩距内冲裁件数目； A冲裁件面积；nS歩距长度； B板料宽度；取：n=1; A=*22=1520.53；S=46；B=48.8=1520.5346*48.8=67
14、.73%2、计算冲压力（1）冲裁力冲裁力公式为 落孔 P式中 冲裁力；冲孔冲裁力；孔落料冲裁力。落（2） 冲孔冲裁力 孔PtnKL孔孔 式中 K系数（取 K=1.1） ；孔的个数，n=1。n冲孔周长， mm孔L54.7821d孔材料厚度，tmt冲 孔 复 合 模 具 设 计 第 5 页 共 20 页材料抗剪强度，查参考文献10知， MPa。 90NP46.7590154.78孔（3） 落料冲裁力 。落tKL落落mD23.18落所以 05 6923.18.落P（4）卸料力 卸落卸卸 PK式中 卸料系数，查参考文献 10知 ，取 。卸K 08.卸 06.卸K所以 NP61905.86.卸（5）推料
15、力 推孔推推 n式中 推料系数，查参考文献 10取 。推 .推K同时卡在凹模洞孔内的件数， 。n 1所以 NP65.427.75.01推（6）顶件力 顶）（ 落孔顶顶 P式中 顶件系数，查参考文献 10取 。顶K0.顶K所以 P19.5861864.7506.顶（7）总冲压力 总冲裁时，压力机的压力值必须大于或等于冲裁各工艺力的总和。总的冲压力为 KNPP57.2901.2957 19.586.4276.1864 顶推卸落孔顶推卸总选定符合压力供给要求的压力机 J23-16。3、计算模具压力中心 该零件完全对称，模具的压力中心即是几何图形的中心。2.4 凹模设计1、凹模刃口的结构型式该设计选取
16、整体式的凹模，冲裁凹模的刃口型式有直筒形和锥形两种，冲裁的垫圈的形状为规则的圆形，厚度薄，尺寸的精度要求不严格，零件是机械力推出，不自动下落。所以选用直筒形式的凹模刃口，强度较高，修模后刃口尺寸不变，适于大批量生产。查参考文献5可知，其形式如下图 3冲 孔 复 合 模 具 设 计 第 6 页 共 20 页图 3 凹模刃口2、凸凹模外形尺寸的计算与选取（1）凹模壁厚和厚度由参考文献5中查表知，凹模的壁厚最小为 2836mm。凹模的厚度不小于10mm。（2）凸凹模的最小壁厚凸凹模的内外缘均为刃口。壁厚的尺寸，从强度方面考虑，其壁厚应受最小值限制。凹凸模的最小壁厚与模具结构有关：当模具为正装时，内孔
17、不积存废料，胀力小，最小壁厚应小一些；当模具为倒装结构时，若刃口为直筒形式，且采用下出料方式，则内孔积存废料，胀力大，故最小壁厚应大些。本设计中采用倒装复合模，查参考文献5知，当材料厚度 t=2mm 时，最小壁厚为 4.9mm。3、冲孔凸模尺寸图 4 凸模冲 孔 复 合 模 具 设 计 第 7 页 共 20 页（1）冲孔凸模长度 L如图 4L=H1+H2+t+H3 式中 凸模固定板厚度； 18mm1H1H凹模厚度，2 m20t板材的厚度,t=2mm H3超出的余量，取 2mm因此有42018321 HtL（2）凸模强度（压应力）校核校核公式为 压孔 minFP式中 凸模最小断面积， ；minF
18、 222in 87.4905md凸模材料的许用压应力，凸模材料选用 Cr12MoV，查参考文献5知，压（10001600）MPa，取 1200 MPa。压 压因为 MPa84.157.4906minFP孔 压所以凸模强度校核符合要求。（3）凸模刚度（细长杆失稳）校核。校核公式 孔nPEJlmaxmax式中 凸模最大自由高度；maxlE 凸模材料弹性模量，一般取 MPa；510.2凸模最小断面惯性矩，圆形断面 ；axJ 64maxdJ支承系数，无导板导向 ；安全系数，钢取 23。nn代入公式得mm64.52.764104maxmax 孔PEJl实际 mm4652mm5.3自l所以凸模刚度符合要求
19、2.5 模具总体结构设计冲 孔 复 合 模 具 设 计 第 8 页 共 20 页冲孔废料由冲孔凸模冲入凹模洞口中，积累到一定数量，由下模漏料孔排出，不必清除废料，操作方便，应用很广，但工件表面平直度较差，凸凹模承受的张力较大，因此凸凹模的壁厚应严格控制，以免强度不足。经分析，此工件有一个孔，若采用正装式复合模，操作很不方便；另外，此工件无较高的平直度要求，工件精度要求也较低，所以从操作方便、模具制造简单等方面考虑，决定采用倒装式复合模。1、送料定位机构设计采用定位销纵向定位，安装在凹模和活动卸料板之间。工作时可随凹模下行而压入让位孔内，工作很方便.2、卸料机构设计（1）条料的卸除 采用弹性卸料
20、板。因为是倒装式复合模，所以卸料板安装在下模。（2）工件的卸除 采用刚性推件装置将工件从落料凹模中推下，落在模具工作表面上。（3）冲孔废料的卸除下模座上采用漏料孔排出。冲孔废料在下模的凸凹模内积聚到一定数量，便从下模座的漏料孔中排出。 3、出件机构设计因为是复合模结构，所以采用上出件机构2.6 其它模具零件的设计及选用根据复合模具形式特点:凹模板尺寸并查标准 JB/T-6743.1-94,确定其它模板尺寸列于表 1:表 1 模板尺寸表序号 名称 直径厚 材料 数量1 上垫板 1006 45 钢 12 凸固定板 10018 45 钢 13 空心垫板 1006 45 钢 14 上卸料板 10014
21、 45 钢 15 凸凹模固定板 10023 45 钢 16 下卸料板 1008 45 钢 1橡胶弹性体的选用：在这里橡胶板的主要作用就是利用橡胶给卸料板施加一个卸料力，关于橡胶的厚度根据经验选用 h=8mm。凹模固定板、橡胶板与卸料板固定在一起，固定的时候使橡胶收缩 5mm，然后再根据试模的情况适当调整橡胶需要收缩的厚度。冲 孔 复 合 模 具 设 计 第 9 页 共 20 页模架的选择：根据 GB/T2851.5-90,由凹模周界 LB 100100，根据 GB/T2851.1-1990 及安装要求选取：上模座：18016230，下模座：18016240。导柱：1890，导套：184033。
22、模柄的选择：由装配要求，模柄与模柄孔配合为 H7/m6 并加销钉防转，查参考文献5第 348页得尺寸，模柄形状如图 5 所示：图 5 模柄3 零件建模 机械装配及工程图3.1 零件建模在 CATIA V5 中可以方便快捷的设计出所需要的零件，下面具体介绍上模座、固定板和弹簧的建模步骤。1、上模座（1）打开软件，新建文档。 “开始机械设计零件设计” ，新建文档进入工作界面。（2）在 XY 坐标平面内绘图。点中 XY 坐标平面，点“草图 ”进入绘图平面。（3）以坐标原点为基点，在 X、Y 坐标轴的四个方向点击 各画四条直线，定位出上模座界限，用 使下左各为长 55mm 的直线，向上为 75mm 的直线，以向上
