垫片制件工艺标准分析与模具设计课程教学设计.doc

.- 钣金成形课程设计说明书 1042 制件工艺分析与模具设计 院系 航空航天工程学部（院） 专业 飞行器制造工程 班号 84030102 学号 2008040301042 姓名 郭芷岑 指导教师 王巍 沈阳航空航天大学 2011 年 12 月 1 日 .- 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 钣金成形课程设计任务书钣金成形课程设计任务书 航空航天工程学部 学院 飞行器制造工程 专业 班级 84030102 姓名 郭芷岑 课程设计题目： 1042 制件工艺分析与模具设计 课程设计时间： 2011 年 11 月 21 日起 至 2011 年 12 月 02 日 课程设计的内容及要求： （一） 基本内容： 1、 学会查阅资料和有关手册； 2、 按要求绘制被加工件零件图 A4 一张； 3、 对所给零件进行成形工艺分析，拟定最佳成形工艺方案并进行工艺 设计、计算； 4、 合理地选择模具结构，进行有关的结构设计和计算； 5、 能够正确地进行凸、凹模工作尺寸计算和尺寸标注； 6、 正确地选择压力机设备，进行有关使用参数的校核和计算； 7、 按照有关国家标准正确地绘制模具装配图及非标准件零件图（总量 不少于一张 0＃图纸）： 8、 编写课程设计说明书（正文字数不少于 3500 字） ； （二）基本要求： 1、 借阅参考资料。独立完成零件工艺分析及资料收集工作； 2、 模具结构类型合理，尺寸计算正确； .- 3、 绘制的模具装配图及零件图符合国家机械制图标准规定； 4、 设备选择合理实用； 5、 设计说明书思路清晰； （三）主要参考书： 1、 田嘉生. 冷冲模设计基础. 航空工业出版社，1994. 2、 虞传宝. 冷冲压及塑料成型工艺模具设计资料. 机械工业出版社， 1993. 3、 许发樾. 模具标准应用手册. 机械工业出版社，1994. 4、 郑大忠. 模具结构图册. 机械工业出版社，1995. 5、 王孝培. 冲压手册. 机械工业出版社，1990. 6、 国家标准总局. 冷冲压国家标准. 国家标准出版社. 1981. （四）评 语 （五）成 绩 指导教师 王巍 负责教师 学生签名 郭芷岑 .- .- 摘摘 要要 本次综合实训设计垫片的冲压模具，零件结构简单对称，料厚较小，设计 者将其设计为级进模模具，主要有冲孔落料两道工序。本说明书以图文并茂的 方式对此零件的模具设计加以介绍，主要叙述了从零件的工艺性分析到模具结 构的设计、工艺计算、冲模结构的设计以及主要零件设计等，直到最后的模具 装配图、零件图、排样图等一系列的设计过程。其中详尽的分析讲述了针对于 该零件的冲压模具完整设计方法，读者可以从本说明书中简单、明确的了解该 设计的主要思想路线及合理设计制造方案，加深对级进模模具设计知识的了解、 应用以及提升关于级进模模具的分析问题、解决问题的能力。 关键词：关键词：垫片、级进模、冲孔落料、模具、设计 .- 目录目录 第第 1 章章 冲压工艺分析冲压工艺分析...........................................................................................- 7 - 1.1 零件工艺分析..................................................................................................- 7 - 1.1.1 产品结构形状及材料分析.......................................................................- 7 - 1.1.2 产品尺寸精度、粗糙度、断面质量分析...............................................- 7 - 1.2 冲压工艺方案的确定 .....................................................................................- 7 - 1.2.1 第一种方案...............................................................................................- 8 - 1.2.2 第二种方案...............................................................................................- 9 - 1.2.3 第三种方案...............................................................................................- 9 - 第第 2 章章 冲压工艺计算冲压工艺计算.........................................................................................- 11 - 2.1 排样................................................................................................................- 11 - 2.1.1 搭边.........................................................................................................- 11 - 2.1.2 条料宽度和导尺间距离.........................................................................- 11 - 2.1.3 送料步距.................................................................................................- 12 - 2.1.4 材料利用率.............................................................................................- 12 - 2.2 计算冲压力....................................................................................................- 13 - 2.2.1 冲裁力计算.............................................................................................- 13 - 2.2.2 卸料力、推件力与顶件力的计算.........................................................- 14 - 2.3 压力中心的计算............................................................................................- 14 - 第第 3 章章 级进模凸凹模设计级进模凸凹模设计...................................................................................- 16 - 3.1 模具刃口尺寸的计算....................................................................................- 16 - 3.1.1 冲孔凸、凹模.........................................................................................- 16 - 3.1.2 落料凹、凸模.........................................................................................- 17 - 3.2 凹模的设计....................................................................................................- 19 - 3.2.1 凹模厚度 H 的计算................................................................................- 19 - 3.2.2 凹模长度和宽度.....................................................................................- 19 - 3.2.3 凹模材料.................................................................................................- 20 - 3.2.4 凹模固定方法.........................................................................................- 20 - 3.3 凸模的设计....................................................................................................- 20 - 3.3.1 凸模强度——压应力校核.....................................................................- 20 - 3.3.2 凸模材料.................................................................................................- 21 - 第第 4 章章 基本冲模结构的确定基本冲模结构的确定.............................................................................- 22 - 4.1 模具的形式....................................................................................................- 22 - 4.2 定位装置........................................................................................................- 22 - 4.3 卸料装置........................................................................................................- 22 - 4.3.1 条料的卸除.............................................................................................- 22 - 4.3.2 废料及工件的卸除.................................................................................- 22 - 4.4 导向装置........................................................................................................- 22 - .- 4.5 模架 ...............................................................................................................- 23 - 第第 5 章章 级进模主要零件设计级进模主要零件设计.............................................................................- 24 - 5.1 卸料弹簧设计................................................................................................- 24 - 5.2 凸模固定板设计............................................................................................- 24 - 5.3 垫板设计........................................................................................................- 24 - 5.4 卸料板设计....................................................................................................- 25 - 5.5 模座的选择....................................................................................................- 25 - 第第 6 章章 压力机校核压力机校核.............................................................................................- 26 - 6.1 模柄孔的校核................................................................................................- 26 - 6.2 模具闭合高度的校核....................................................................................- 26 - 6.3 压力机工作台尺寸的校核............................................................................- 26 - 6.4 冲裁力校核....................................................................................................- 27 - 总结总结.........................................................................................................................- 28 - 参考文献参考文献.................................................................................................................- 29 - .- 第第 1 章章 冲压工艺分析冲压工艺分析 1.1 零件工艺分析零件工艺分析 1.1.1 产品结构形状及材料分析产品结构形状及材料分析 由零件图可知，该零件为菱形片落料圆形冲孔，外形简单对称，整个外 形光滑、圆整，无狭槽、尖角；孔与孔之间、孔与零件边缘之间最小距离 c 满足 c>1.5t 要求（其中料厚 t 为 1.0mm, 可得出 c=8-8.2／2=3.9mm, 1.5t=1.5mm） 。 对于冲压件材料一般要求的力学性能是强度低，塑性高，表面质量和厚度 公差符合国家标准。本设计的产品材料是 10 号钢，其力学性能是强度、硬度 和塑性指标适中，用冲裁的加工方法是完全可以成形的。另外产品对于表面质 量等没有严格要求，所以尽量采用国家标准板材，其冲裁出的产品的表面质量 等就可以保证。 经上述分析，产品的材料性能符合冷冲压加工要求。 1.1.2 产品尺寸精度、粗糙度、断面质量分析产品尺寸精度、粗糙度、断面质量分析 1) 尺寸精度 根据零件图上所注尺寸，工件要求不高，采用 IT14 级精度，普通冲裁 可满足要求。 2) 粗糙度、断面质量 查《冲压手册》表 2-12 得，一般冲裁件冲材料厚度 t≤1.0mm 金属板 料时，其断面粗糙度为 3.2μm；本产品在断面粗糙度和尺寸精度上均要求 不高，所以断面质量可以保证，用冲裁的加工方法是完全可以成形的。 1.2 冲压工艺方案的确定冲压工艺方案的确定 完成此工件需要冲孔、落料两道工序。其加工的工艺方案分为以下三种： .- 1.2.1 第一种方案第一种方案 采用单工序逐步加工 1)冲孔落料单工序模，工序简图见图 1-2-1-1。 2)落料冲孔单工序模，工序简图见图 1-2-1-2。 特点：由于单工序模，模具制造简单，维修方便。但生产率低，工件精度 低，不适合大中批件的生产。 图 1-2-1-1 冲孔落料单工序模简图 图 1-2-1-2 落料冲孔单工序模简图 .- 1.2.2 第二种方案第二种方案 采用复合模加工成形，工序简图见 1-2-2。 特点：生产率较高，工件精度高。但模具制造较复杂，调整维修较麻烦， 使用寿命低。 图 1-2-2 冲孔落料复合模 1.2.3 第三种方案第三种方案 采用级进模加工成形，工序简图见图 1-2-3。 特点：生产率高，便于实现机械化、自动化，适合加工复杂的小型冲裁件， 但模具制造复杂，调整维修麻烦，工件精度较低。 .- 图 1-2-3 冲孔落料级进模 根据本零件的设计要求以及各方案的特点，决定采用第三种方案级进模加 工成形比较合理。 .- 第第 2 章章 冲压工艺计算冲压工艺计算 2.1 排样排样 采用直排有废料排样，虽然此零件斜排能够提高材料利用率，但是设计计 算复杂。排样图见 2-1-1。 图 2-1-1 排样图 2.1.1 搭边搭边 查《冲压手册》表 2-17 得，当 t=1.0mm 时，确定侧搭边值 a=2mm,工件间 搭边值 a1=1.5mm。 2.1.2 条料宽度和导尺间距离条料宽度和导尺间距离 采用单边侧刃。 条料宽度：B=L+2a’+nb=L+1.5a+nb (a’=0.75a) 式（2- 1） 导尺间距离：A=B+Z0=L+1.5a+nb+ Z0 式（2- 2） A 1=L+1.5a+Y 式（2- 3） 式中 L——冲裁件垂直于送料方向的尺寸,L=62.5mm; .- n——侧刃数,n=1； b——侧刃切去的条料宽度,查《冷冲压模具设计难点与技巧》表 1-7 得 b=1.5mm； Y——冲切后条料宽度与导料板的间隙，查《冷冲压模具设计难点 与技巧》表 1-7 得 Y=0.10mm； Z0——条料与导料板之间的间隙，查《冷冲压模具设计难点与技巧》 表 1-6 得 Z0=0.1mm； ∴ B=62.5+1.52+11.5=67mm A=67+0.1=67.1mm A 1=62.5+1.52+0.10=65.6mm 2.1.3 送料步距送料步距 级进模送料步距 S=D+a1=40+1.5=41.5 式（2- 4） 式中 D——冲裁件横向最大尺寸,D=40mm; 2.1.4 材料利用率材料利用率 一个步距内材料利用率 η=A/BS100％ 式（2- 5） 式中 A——一个步距内冲裁件的实际面积 B——条料宽度 S——步距 .- 图 2-1-4 面积计算参照图图 2-1-4 α=arccos(20-8)/23=58.55 β=90-α=31.45 A=π84α/360+π204β/360+2（8+20）（23-12）1/2 -2π4.1-2π11 =1182.97mm ∴η=1182.97/(6741.5)100%=42.5% 2.2 计算冲压力计算冲压力 2.2.1 冲裁力计算冲裁力计算 采用平刃口模具冲裁时，其冲裁力 F 可按下式计算： F=KLtτ 式（2- 6） 式中 F——冲裁力 L——冲裁件周边长度 t——材料厚度，t=1.0mm τ——材料抗剪强度，查《手册》10 钢，τ=255~333，取 τ=300 K——修正系数，一般取 k=1.3 .- 冲裁力公式为 P=P孔＋P落 式 （2-7） ①冲孔冲裁力 P孔 其中 L孔=22π+2π8.2=38.4πmm P孔=1.338.4π1.0300=47048N 取 P孔=47KN ②落料冲裁力 P落 其中 L落=40π431.45/360+16π458.55/360+4（23-12） 1/2 =155.1mm P落=1.3155.11.0300=60489N 取 P落=60.5KN ∴ 冲裁力 P=P孔＋P落 =47+60.5=113.5KN 式（2- 8） 2.2.2 卸料力、推件力与顶件力的计算卸料力、推件力与顶件力的计算 常用下列经验公式：PX=KXP 式（2- 9） PT=nKTP 式（2- 10） PD=KDP 式（2- 11） 式中：KXKTKD——分别为卸料力系数、推件力系数与顶件力系数，查 《冲压模具设计》表 2-20 得 KX =0.045，KT =0.055，KD =0.06 F——冲裁力 .- n——同时卡在凹模孔内的冲裁件数 采用弹性卸料装置和下出料方式冲模时 PΣ=P+ PX +PT ∴ 卸料力 PX =0.045113.5=5.1KN 冲孔推件力 PT1 =20.05547=5.17KN 落料推件力 PT2=10.05560.5=3.33KN ∴总冲压力 PΣ=P+ PX +PT1 + PT2 =113.5+5.1+5.17+3.33=127.1KN 式（2- 12） 对于冲裁工序，压力机的公称压力应大于或等于冲裁时总压力的 1.1~1.3 倍，即 P0 ≥（1.1~1.3）PΣ =139.8~165.2 ，查《冲压手册》表 9-3 得，选择 开式压力机，公称压力 250KN。 2.3 压力中心的计算压力中心的计算 图 2-3-1 建立坐标系于落料中心，如图 2-3-1。 压力中心到 Y 轴距离 X=（L落 0+L孔 41.5+ 2L销 41.5/2+ L刃 32.8）/（L落 +L孔 +L销+L刃）=25.5mm 式（2-13） 压力中心到 X 轴距离 Y 近似看作 0。 .- 第第 3 章章 级进模凸凹模设计级进模凸凹模设计 3.1 模具刃口尺寸的计算模具刃口尺寸的计算 3.1.1 冲孔凸、凹模冲孔凸、凹模 冲孔（φ22 φ8.2 φ3 ） ，设计时大孔小孔参考图 3-1-1-1，导正钉孔参 .- 考图 3-1-1-2。 冲孔件时，尺寸为内形尺寸，基准型面为凸模。 d凸=（d+xΔ） 式（3- 0 t 1） 其中 d凸——冲孔凸模刃口尺寸； d凹——冲孔凹模刃口尺寸； x——摩擦系数,冲裁件精度为 IT14 时，x=0.5； Δ——工件孔径公差，mm，Δ=0.16mm; δt——凸模刃口尺寸制造偏差，mm，查《冲压手册》表 2-28 得， δt大 =0.020mm，δt小=0.020； δa——凹模刃口尺寸制造偏差，mm,查《冲压手册》表 2-28 得， δa大 =0.020mm，δa小=0.020mm； Zmin——凸、凹模最小合理间隙，mm，查《冲压模具设计》表 2-10 得，Zmin=0.100mm，Zmax=0.140mm； 大孔：d凸=（22+0.50.16）=22.08 mm 0.02 0  0.02 0  d凹=*22.08mm 小孔：d凸=（8.2+0.50.16）=8.28 mm 0.02 0  0.02 0  d凹=*8.28mm 导正钉孔：d凸=（3+0.50.16）=3.05 mm 0.02 0  0.02 0  d凹=*3.08mm 校核间隙：Zmax-Zmin=0.04mm；δt +δa =0.04mm；所以满足 Zmax- Zmin≥δt +δa 的条件；所以各孔凸、凹模刃口尺寸均计合理。 .- 图 3-1-1-1 图 3-1-1-2 3.1.2 落料凹、凸模落料凹、凸模 落料件时，尺寸为外形尺寸，基准型面为凹模。设计参考图 3-1-2-1。 A1=62.5 d凹1=(A1-xΔ）+0δt 式 （3-2） .- A2=40 d凹2=(A1-xΔ）+0δt 式（3- 3） 其中 d凸——落料凸模刃口尺寸； d凹——落料凹模刃口尺寸； x——摩擦系数,冲裁件精度为 IT14 时，x=0.5； Δ——工件孔径公差，mm，Δ=0.74mm; δt——凸模刃口尺寸制造偏差，mm 查《冲压手册》表 2-28 得， δt =0.020mm；。 δa——凹模刃口尺寸制造偏差，mm,查《冲压手册》表 2-28 得， δa =0.020mm d凹 1=（62.5-0.50.74）=62.13mm 0. 0.02 0.02 0  d凹 2=（40-0.50.74）=39.63mm0. 0.02 0.02 0  d凸 1=*62.13 d凸 2=*39.63 校核间隙：Zmax-Zmin=0.04mm；δt +δa =0.04mm；所以满足 Zmax- Zmin≥δt +δa 的条件；所以各孔凸、凹模刃口尺寸均计合理。 为了方便加工，因为凸模较多，以先加工凸模，再凹模配合凸模加 工的方法。所以用尺寸转化法将凹模尺寸转化到凸模上。 D凸 1 =（d凹 1 +δ-Zmin）=(62.13+0.02-0.100) =62.05mm 式 0 t 0 t0. 0.02 （3-4） D凸 2 =（d凹 2 +δ-Zmin）=(39.63+0.02-0.100) =39.55mm 式 0 t 0 t0. 0.02 （3-5） D凹 1 = *62.05 D凹 2 =*39.55 .- 图 3-1-2-1 3.2 凹模的设计凹模的设计 3.2.1 凹模厚度凹模厚度 H 的计算的计算 凹模厚度：H=Kb 式（3- 6） 式中 K——系数，查《冲压手册》表 2-40 得 K=0.22 b——工件最大外形尺寸 ∴ H=0.2262.5=13.75mm 取凹模厚度为 25mm 凹模壁厚：C=（1.5~2）H 式（3- 7） 取 C=30mm 3.2.2 凹模长度和宽度凹模长度和宽度 B=62.5+2C=122.5mm L=2(C+20+25.5)=151mm .- 按照《冲压模具设计手册》取 BLH=12516040 3.2.3 凹模材料凹模材料 凹模材料一般选择 Cr12MoV 3.2.4 凹模固定方法凹模固定方法 凹模与下模座用 4 个 M8 的螺栓装配，4 个 M6 的销钉固定。 3.3 凸模的设计凸模的设计 凸模的长度 L=H1＋H2＋H3＋Y 式中： H1—为凸模固定板的厚度 H2—为卸料板的厚度 H3—为导料板的厚度 Y—为附加的长度，包括凸模刃口尺寸的修磨量，凸模进入凹模的 深 度（0.5～1mm），凸模固定板与卸料板的安全距离 A 等。其中 A 取 15～20. L=28+15+6+5+15=63mm 3.3.1 凸模强度凸模强度————压应力校核压应力校核 校核公式为： 式（3- 压 孔 ][ min  F P 8） 式中 P——冲孔冲裁力，N，P=47KN， 孔孔 F——凸模最小断面积，F=r =3.144.1=52.8mm ， minmin  22 []——凸模材料的许用压应力，MPa，材料为 Cr12MoV，查手 压 册，[]=(1000~1600)Mpa。 压 .- 因为 ==890MPa<[] min F P孔 8 .52 47000  压 所以凸模强度符合要求。 3.3.2 凸模材料凸模材料 凸模材料一般选择 Cr12MoV .- 第第 4 章章 基本冲模结构的确定基本冲模结构的确定 4.1 模具的形式模具的形式 级进模按其自动化程度，分为级进模和自动模两类；按其完成冲压工序的 不同，主要分为冲裁类级进模、成形类级进模两大类。其中，冲裁类级进模常 见的形式有冲孔、落料级进模，冲孔、切断级进模，拉伸、弯曲级进模等。很 明显，本零件的加工采用冲孔、落料级进模。 4.2 定位装置定位装置 采用导料板和长方形定距侧刃进行粗定位。 定距侧刃切去条料旁侧少量材料而达到挡料的目的。由于条料厚度较薄所 需送料力较小，若采用双边侧刃浪费原材料，且模具尺寸增大浪费模具成本， 所以本设计采用单边侧刃。 采用梯形导正钉导正进行精定位，以保证相对位置和步距的精度。 4.3 卸料装置卸料装置 4.3.1 条料的卸除条料的卸除 采用弹性卸料板。卸料板不仅起卸料作用或兼保导向作用，而且还起到 压料作用。 4.3.2 废料及工件的卸除废料及工件的卸除 废料和工件经过漏料孔及冲床工作台面的漏料孔落出。 4.4 导向装置导向装置 采用滑动式导柱导套导向，主要是为保证凸模和凹模之间的小间隙，满足 .- 零件较大的生产批量，并使零件的冲裁质量得到保证。 4.5 模架模架 采用四导柱模架，导柱对称分布，受力平衡，滑动平稳，能承受级进模高 速冲压次数。具备导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点，所以采用四导柱 模架。 .- 第第 5 章章 级进模主要零件设计级进模主要零件设计 5.1 卸料弹簧设计卸料弹簧设计 1．根据总卸料力 PX 估计拟用弹簧个数 n，算出每个弹簧所承受负荷 P弹 。 取卸料弹簧个数为 n=4 P弹 =PX /n=51/4=12.5 式（5- 1） 2．查表《冲压手册》10-1 弹簧选 21822 3．Fj=135N hj=12.3mm h预=F预Fj/hj =12.512.3/135=1.14 式（5- 2） h预+h工作+h修磨=1.14+2+6=9.14＜hj 式 （5-3） 故所选弹簧是合适的。 5.2 凸模固定板设计凸模固定板设计 凸模固定板形状为矩形 125160,厚度约取凸模的 40%，取厚度为 28mm。 5.3 垫板设计垫板设计 理论上，，确定是否需要垫板的方法如下： 条件：冲裁时，如果凸模的端部对模座的压应力超过模座材料的许用压应力， 这时需要凸模端部与模座之间加上一块强度较高的垫板。即下列情况需要加垫 板。 ， ; 式（5- []yy P y F  5） .- 式中 ——凸模端面压应力，MPa； y  ——模座材料许用压应力，铸铁约为 100MPa，钢约为 200MPa；][ Y  P——冲裁力，N； F——凸模上端面面积，mm ； 2 式（5-6） ay MP F P F 38 2968 113500 296832211421 . 4497.1182 2    ππ 因上模板采用铸铁材料，所以＞38M，不用加上垫板。 ay MP100][ a P 垫板厚度一般为 3~10mm，取 10mm。 垫板材料常用 T7 或 T8 工具钢，热处理硬度为 48~52HRC。垫板淬硬后两面 应磨平，表面粗糙度 R0.32~0.63um。 本设计中，有有级进模冲裁力较大，生产批量较大，给凸模的后面加上淬 过火的凸模垫板，目的是增加凸模的强度，防止凸模的后座回缩，增加使用寿 命。 5.4 卸料板设计卸料板设计 1）卸料板的形状和尺寸。 卸料板取矩形板，厚度为 H=15mm，卸料板材料选 45 钢，不用热处理淬硬。 2）卸料板上成形孔的设计。取弹压卸料板与凸模的双面间隙为 0.1~0.3mm。 5.5 模座的选择模座的选择 四导柱模架查《冲压模具设计手册》表 1-79 得 LB 取 160125 范围， 高度 H 取 140~170，h1=35，h2=40,L2=240,B2=230,S=175,S1=190 导柱 B 型 22150；导套 A 型 227035。 .- 第第 6 章章 压力机校核压力机校核 初选压力机为公称压力 250KN 的开式压力机。 该压力机的主要参数： 公称压力 250KN 滑块行程 80mm 最大封闭高度 250mm 封闭高度调节量 70mm 工作台尺寸 560360 模柄孔尺寸5070 6.1 模柄孔的校核模柄孔的校核 模柄的尺寸为5070，上模