模具毕业设计39垫板冲压模具设计

题目：冲压模具设计

学生姓名

所在系部机械电力工程系年级

专业模具设计与制造指导教师

成绩

目录

第一章概论 (4)

1.1模具工业的发展与现状 (4)

1.1.1模具工业发展状况 (4)

1.1.2模具工业未来前景 (4)

1.2 CAD在模具设计中的应用 (5)

1.3 Pro/e在模具设计中的应用 (5)

第二章工艺分析与模具结构形式设计 (6)

2.1 工艺分析 (6)

2.1.1冲裁件的形状与尺寸要求 (6)

2.2 制定工艺方案 (7)

2.2.1零件工艺要求 (7)

2.2.2工序顺序的编排与工序组合 (7)

第三章工艺计算 (8)

3.1 毛坯展开计算 (8)

3.2 排样优化设计 (8)

3.2.1搭边 (8)

3.2.2 排样方案设计 (8)

3.2.3 排样方案比较 (9)

3.2.4 排样方案选择 (10)

3.3 冲压力的计算 (10)

3.3.1冲裁力的计算 (10)

3.3.2退料力、顶出力的计算 (11)

3.3.3降低冲裁力的方法 (11)

3.4计算压力中心 (11)

第四章冲压设备选择 (14)

4.1典型冲压设备概述（曲柄压力机) (14)

4.2冲压设备选择原则 (14)

4.2.1冲压设备类型的选择 (14)

4.2.2冲压设备规格的确定件 (14)

4.3选择冲压设备 (15)

第五章模具结构设计 (16)

5.1 模具总体结构设计 (16)

5.1.1方案分析 (16)

5.2模具闭合高度分析 (16)

5.2.1闭合高度概述 (16)

5.2.2估算模具闭合高度 (16)

第六章模具主要零部件设计 (17)

6.1 凸、凹模设计 (17)

6.1.1计算冲裁间隙 (17)

6.1.2凸、凹模刃口尺寸计算 (17)

6.1.3凸模结构设计 (18)

6.1.4凹模结构设计 (18)

6.2 卸料装置设计 (20)

6.3 弹性元件的选择 (20)

6.3.1 橡胶的选择原则 (20)

6.3.2 卸料装置橡胶的选择 (21)

6.4螺钉和销钉的选择 (22)

6.4.1 螺钉的选择 (22)

6.4.1 销钉的选择 (22)

6.5定位方式设计 (22)

6.6导向零件选择 (22)

6.6.1 分析 (22)

6.6.2 导柱、导套选择 (23)

6.7支撑零件选择（上、下模座） (23)

6.7.1上、下模座选择原则 (23)

6.7.2上、下模座的选择 (23)

6.8模架的选择 (23)

第七章模具总图绘制 (25)

7.1绘制二维工程图 (25)

7.2 三维建模 (25)

第八章模具主要零部件制造工艺的编制 (25)

8.1上模板 (26)

8.2下模板 (26)

8.3凸模 (26)

8.4凹模 (27)

8.5退料板 (27)

8.6导柱 (28)

8.7导套 (29)

第九章总结 (30)

结束语 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

第一章概论

1.1模具工业的发展与现状

1.1.1模具工业发展状况

据有关方面预测，模具市场的总体趋热是平稳向上的，在未来的模具市场中，冲压模具的发展速度将高于其它模具，在模具行业中的比例将逐步提高。随着冲压工业的不断发展，对冲压模具提出越来越高的要求是正常的，因此，精密、大型、复杂、长寿命冲压模具的发展将高于总量发展速度。同时，由于近年来进口模具中，精密、大型、复杂、长寿命模具占多数，所以，从减少进口、提高国产化率角度出发，这类高档模具在市场上的份额也将逐步增大。建筑业的快速发展，使各种异型材挤出模具、PVC冲压管材管接头模具成为模具市场新的经济增长点，高速公路的迅速发展，对汽车轮胎也提出了更高要求，因此子午线橡胶轮胎模具，特别是活络模的发展速度也将高于总平均水平；以塑代木，以塑代金属使冲压模具在汽车、摩托车工业中的需求量巨大；家用电器行业在“十五”期间将有较大发展，特别是电冰箱、空调器和微波炉等的零配件的冲压模需求很大；而电子及通讯产品方面，除了彩电等音像产品外，笔记本电脑和网机顶盒将有较大发展，这些都是冲压模具市场的增长点。

1.1.2模具工业未来前景

模具标准件的应用将日渐广泛，模具标准化及模具标准件的应用能极大地影响模具制造周期。使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，而且能提高模具质量和降低模具制造成本。同时，快速经济模具的前景十分广阔。由于人们要求模具的生产周期越短越好，因此开发快速经济模具越来越引起人们的重视。例如研制各种超塑性材料来制作模具；用环氧、聚酯或在其中填充金属、玻璃等增强物制作简易模具。这类模具制造工艺简单，精度易控制，收缩率较小，价格便宜，寿命较高。还可用水泥冲压制作汽车覆盖件模具。中、低熔点合金模具，喷涂成型模具，电铸模，精铸模，层叠模，陶瓷吸塑模及光造型和使用热硬化橡胶快速制造低成本模具等快速经济模具将进一步发展。快换模架、快换冲头等也将日益发展。另外采用计算机控制和机械手操作的快速换模装置、快速试模装置技术也会得到发展和提高。

1.2 CAD在模具设计中的应用

一般说来，模具零件的图形都是由直线、曲线等图象对象构成的。AutoCAD完全满足模具制图过程中的各种制图要求。例如，利用AutoCAD可以方便地绘制点、直线、圆弧、圆等基本图形对象，还可以对基本图形进行编辑，以构成复杂的模具图形。与传统的手工绘图相比，AutoCAD具有无法比拟的优点。

1 . 减少重复性工作

当图纸上有多个相同图形、或者所绘图形对称于某一轴线时，可利用复制、镜像、阵列等功能快速地从已有图形得到其他部分。还可以方便的将已有零件图组装模具装配图，就如实际装配模具零件一样，从而验证零件尺寸是否正确，以及是否会出现零件之间的干涉问题。同样，利用AutoCAD的复制等功能，可以方面的把模具装配图坼分成所需的模具零件图。当设计系列产品时，可以根据已有图形，通过比例缩放功能派生出新的图形出来。

2 . 便于建立图形库

AutoCAD可以将常用图形，如符合国家标准的轴承、螺栓、螺母和垫圈等分别建成图形库，当需要绘制这些图形时，可以调用插入即可。

3 . 易规范标准

国家机械制图标准对机械制图的线型、线宽、尺寸标柱样式、文字样式等均有明确的规定，利用AutoCAD相应的样式设置，可以相应的满足这些标准要求。

4 . 便于图形的保存和打印

AutoCAD设计的图形，可直接通过绘图仪打印到硫酸纸，不再需要描图员描图，无论绘制的图形有多大量，均可运用磁盘、光盘等储存介质进行保存，图纸保存质量高、寿命长。

基于上述优点，利用AutoCAD进行模具绘图时，能大大提高绘图效率，减轻设计工作量。虽然用AutoCAD有很多优点，但也有不足之处，如绘制零号、一号图幅的图形时，由于计算机屏幕的限制，用户不能直观查看整个图形只能通过AutoCAD提供的鸟瞰试图、显示缩放、移动等功能了解全图，这对没多少设计经验的用户来说，会影响设计中的直观判断。

1.3 Pro/e在模具设计中的应用

在这次设计过程中，采用Pro/e绘图的次数并不多，但是在绘制三维图时，全部采用Pro/e，在导图时也采用了。

第二章工艺分析与模具结构形式设计

2.1 工艺分析

2.1.1冲裁件的形状与尺寸要求

工件名称：垫板

工件简图：如图2.1.1所示

生产批量： 10万件（大批量）

材料： QS n6.5-0.1

材料厚度t： 0.3mm

(图2.1.1）

冲裁件的尺寸要求：㈠零件图上所有没注公差的尺寸，属自由尺寸，可按IT14级确定工件的尺寸的公

差，最小孔边距2.1mm公差为-0.11.属11级精度。查公差表可得歌尺寸公差：

零件外形：25-00.52mm;

零件内形：40+0.3mm; 10+0.25mm

孔心距： 5.5±0.3mm

2.2 制定工艺方案

2.2.1零件工艺要求

此工件只有冲孔和落料两个工序。材料为QS n6.5-0.1，具有良好的冲压性能，适合冲裁。工件结构简单，有一个Φ4mm的椭圆孔和两个Φ1mm的孔孔与孔、孔与边缘之间的距离也满足要求，最小壁厚为2.1mm（椭圆与Φ1、两个Φ1的孔之间、及椭圆、Φ1与外圆之间的厚度）。工件的尺寸全部为自由公差，可看着IT14级，尺寸精度较低，普通冲裁完全能满足要求。

2.2.2工序顺序的编排与工序组合

该工件包括落料、冲孔两个基本工序，可以有以下三种工艺方案：

方案一：先落料，后冲孔。采用单工序模。

方案二：落料——冲孔复合冲压。采用复合模生产。

方案三：冲孔——落料级进冲压。采用级进模生产。

方案一模具结构简单，但是需要两道工序两副模具，成本要求高而且生产效率低，难以满足大批量生产要求。方案二只需一副模具，工件的精度及生产效率都较高，但工件最小壁厚2.1mm小于凸、凹模许用的最小壁厚尺寸3.2mm，模具强度较差，制造困难大，并且冲压后成品件留在模具上，在清理模具上的物料时会影响冲压速度，操作不方便。方案三也只要一副模具，生产效率高，操作方便，工件精度也能满足要求。通过对上述三种方案的比较分析，该件的冲压生产采用方案三为佳。

第三章工艺计算

3.1 毛坯展开计算

毛坯长L

毛坯宽B=（ Lmax + 2a + C ) = 25+2×1.5+ 0.5 = 28.5mm

式中： L——毛坯长度；

B——毛坯宽度；

D——条料宽度方向冲裁件最大尺寸；

A——侧搭边值，见《冲压模具设计与制造》表2.5.2；

C——导料板与最宽条料之间的间隙，其最小值见《冲压模具设计与制造》表

2.5.5。

3.2 排样优化设计

3.2.1搭边

此工件中的圆形或圆角r > 2t 。所以工件与侧面的距离a取1.5mm，工件与工件之间取a1为1.2mm。式中：t ——为材料厚度；

3.2.2 排样方案设计

排样方式最主要采用提高材料的利用率，降低成本及保证冲裁件及模具的使用寿命为前提。故方案有废料的直排方式，如图3.2.2所示：

(图3.2.2）方案二：有废料直对排：

（图3.2.3）

3.2.3 排样方案比较

排样图方案一

一个步距的材料利用率：η= A/Bsｘ100％

A = 220 - 2πφ-(πR+0.6ｘ4)=198.8mm

工件的步距s为：B+ a = 12.2mm

η= A/Bs=198.8/28.5ｘ12.2ｘ100％=57.1％

方案二的材料利用率：η= A/Bsｘ100％

s =B + a =26.2mm

η= 198.8／14 ｘ26. Ｘ100％＝54.4％

查板材标准选用700mm×800mm的刚板，每张刚板可剪裁25张条料（28mm×800mm），每张条料可冲1625个工件，则ηθ：

Ηθ=nA1÷LB×100％

=1625×198.8÷770×800×100%

=52.4%

故一张刚板的材料利用率为25.4%

式中：η——一个步距的材料利用率；

B ——工件宽度；

A——一个步距内冲裁件的实际面积；

B——条料宽度；

s——步距.

根据选择的排样方式冲裁件的冲裁步骤：

（1）先冲两个φ1和椭圆

（2）对工件的外形状落料

3.2.4 排样方案选择

方案一的材料利用率比方案二的高，方案一在冲裁过程中工件飞的刚性、强度都相较方案二好。在满足材料利用率及工件最后的刚性等条件下，排样方式选择方案一。

3.3 冲压力的计算

3.3.1冲裁力的计算

冲裁力是冲裁过程中凸模对板料施加的压力，它是随凸模进入材料的深度（凸模行程）而变化的。通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值。

工件的冲裁力为：

F = KLtτb

= 1.3ｘ68ｘ0.3ｘ300=7956(N)

式中： F——冲裁力；

L——冲裁周边长度；

t——材料厚度；

τb——材料抗剪强度；

K——系数（一般取值1.3）

3.3.2退料力、顶出力的计算

退料力﹑顶出力包括卸料力、推件力和顶件力

卸料力：从凸模上卸下卡住的料所需要的力；

推件力：将梗塞在凹模内的料顺冲裁方向推出所需要的力；

顶件力：逆冲裁方向将料从凹模内顶出所需要的力。

卸料力的计算：Fx=KxF

=0.05 Ｘ7956=397.8(N)

推件力的计算: Ft=nKt F

n =h/t =3/0.3 =10

Ft = 10 Ｘ0.063Ｘ7956=5014.3(N)

顶出力的计算: Fd=Kd F

=0.08 Ｘ7956= 636.5(N)

式中: F ——冲裁力;

Kx、Kt、Kd ——卸料力、推件力、顶件力系数,见《冲压模具设计与制造》

表2.6.1;

n ——同时卡在凹模内的冲裁件(或废料)数;

n = h/t

h ——凹模洞口的直刃壁高度;

t ——板料厚度。

3.3.3降低冲裁力的方法

为了实现小设备冲裁大工件,或使冲裁过程平稳以减少压力机振动,常采用以下方法降低冲裁力。

1.阶梯凸模冲裁

在多凸摸的冲模中,将凸模设计成不同的长度,使工件端面呈阶梯式布置,这样,各凸模冲裁力的最大峰值不同时出现,从而达到降低冲裁力的目的。

2.斜刃冲裁

用平刃口冲裁模具时,沿刃口整个周边同时冲切材料,故冲裁力很大。若将凸模(或凹模)刃口平面作成与其轴线倾斜一个角度的斜刃,则冲裁时刃口就不是全部同时切入,而是逐步地将材料切离,这样就相当于把冲裁件整个周边长分成若干小段进行剪切分离,因而能明显降低冲裁力。

3.加热冲裁(红冲)

3.4计算压力中心

模具的压力中心就冲压合力的作用点。

确定模具的压力中心

(1) 按比例画出图形的轮廓，如图3.4.1

图3.4.1

（2）任意位子画出坐标轴X、Y，如图3.4.1所示。

（3）将组成图形的轮廓划分为若干简单的线段求出各线段长L1、L2 、L3…L n

L1=πR1=3.14×4.1 = 12.9mm

L2=1/4 πR2 =1/4 × 3.14×4＝3.14mm

L3＝8.46mm

L4= 1/2πD=1/2×3.14×11＝17.3mm

L5=15.4mm

（4）确定各段的重心位置X1、X2、... X3和Y1、Y2、 (3)

L1 (6,6.9) ; L2 (12.94,4) ; L3 (13.7,0) ; L4 (21.4,5.5) ; L5 (17.17,11) (5) 按《冲压模具与设计》公式（2.6.12）、（2.6.13）算出压力中心坐标（X0、Y0)。

X0=L1X1+L2X2+L3X3+L4X4+L5X5÷L1+L2+L3+L4+L5

=77.4+40.6+115.9+370.22+264.4÷12.9+3.14+8.46+17.3+15.4

=14.08

Y0=L1Y1+L2Y2+L3Y3+L4Y4+L5Y5÷L1+L2+L3+L4+L5

=89+12.56+0+95.15+169.4÷57.2

=6.4

零件的压力中心即所求的中心如图3.4.2所示：

（图3.4.2）

第四章冲压设备选

4.1典型冲压设备概述（曲柄压力机)

曲柄压力机的工作原理：利用曲柄连杆机构进行工作，电动机通过带轮及齿轮带动曲轴运动，经连杆使滑块作直线往复运动。曲柄压力机分为偏心压力机和曲轴压力机，二者区别主要在主轴，前者主轴是偏心轴，后者主轴是曲轴。偏心压力机一般是开式压力机，而曲轴压力机有开式和闭式之分。

曲柄压力机的特点有：生产率高，适合与各种冲压加工。

4.2冲压设备选择原则

4.2.1冲压设备类型的选择

（1）中小型冲压件选择开式机械压力机

（2）大中型冲压件选择双柱闭式机械压力机

（3）导板模或要求导套不离开导柱的模具选择偏心压力机

（4）大量生产的冲压件选择高速压力机或多工位自动压力机

4.2.2冲压设备规格的确定

压力机的选用原则：

（1）公称压力公称压力的大小，表示压力机本身能够承受的冲击大小。

（2）滑块行程长度是指曲柄旋转一周滑块所移动的距离，其值为曲柄半径的两倍。

（3）行程次数行程次数即指滑块每分钟冲击次数。

（4）工作台面尺寸

（5）滑块模柄孔

（6）闭合高度

（7）电动机功率的选择

4.3选择冲压设备

对于曲柄压力机来说，必须满足以下要求：

（1）压力机的标称压力必须大于冲压的工艺力的总和F Z。即 F Z>ΣF。

更确切地说，应该是冲压过程的负荷曲线必须在压力机的许用负荷曲线之下。

该工件采用刚性卸料：

ΣF=F+F T=7956+5014.3(N)=12970.3(N)

即：

F Z≥1297.0（N)≈12.97（KN)

（2）压力机的装模高度必须符合模具闭合高度的要求。

（3）压力机的行程要满足工件成形的要求。

（4）压力机的台面尺寸必须大于模具下模座的外形尺寸，并要留有固定模具的位置。一般每边应大出50～70mm以上。压力机台面上的漏料孔尺寸必须大于大件（或废料）的尺寸。

鉴于该工件属小型大批量生产，在保证费用地等情况下，选择开式机械压力机。根据工件的冲压总工艺力选择：

J23 - 3.15开式可倾压力机（3.15表示公称压力为31.5KN）压力机的技术参数为：

滑块公称压力P0：31.5KN

滑块行程S： 25mm

行程次数（快速）：200次/s

连杆调节量：25mm

最大闭合高度：120mm

最大装模高度：100mm

工作台尺寸（前后×左右）：100mm×90mm

模柄孔尺寸：φ25mm×40mm

最大倾斜角度：450

垫板尺寸（厚度×孔径）：25mm ×φ50mm

第五章模具结构设计

5.1 模具总体结构设计

5.1.1方案分析

由冲压工艺分析得知，冲裁该工件选择级进模，所以该模具类型为级进模。

5.2模具闭合高度分析

5.2.1闭合高度概述

模具的闭合高度是指冲裁模在最低工作位置时，上模座板上平面至下模座下平面之间的距离。

5.2.2估算模具闭合高度

模具的闭合高度与压力机装模高度的关系：

Hmax - M - H1 ≤ H ≤ Hmax - H1

实际上使用：

Hmin -H1 + 10mm ≤ H ≤ Hmax - H1 - 5mm

式中： H——模具闭合高度；

Hmin——压力机的最小闭合高度；

Hmax——压力机的最大闭合高度；

H1——垫板厚度；

M——连杆调节量；

Hmin - H1——压力机的最小装模高度；

Hmax - H1——压力机的最大装模高度。

根据所选的压力机可知：

Hmin = 120mm

装模高度调节量为 25mm

Hmax = 145mm

估算模具闭合高度：

100 - 25 + 10 ≤ H ≤ 120 - 25 -5

即 85 ≤ H ≤ 90

估取模具闭合高度为： 88mm

第六章模具主要零部件设计

6.1 凸、凹模设计

6.1.1计算冲裁间隙

根据冲裁件的要求,对于尺寸精度和表面质量要求不高的零件，在满足冲裁件的要求的前提下，以降低冲裁力、提高模具寿命的目的下，根据《冲压模具设计与制造》表2.3.3得双面冲裁间隙值： Zmin = 0.021; Zmax = 0.027

6.1.2凸、凹模刃口尺寸计算

⑴落料

设工件的尺寸为D-△0，根据计算原则，落料时以凹模为设计基础。首先确定凹模尺寸，使凹模的基本尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸；将凹模尺寸减去最小合力间隙值即得到凸模。

D A = (D A -Zmin)0+δT

D T = (Dmax －χ△－Zmin）0-δT

Φ11 R A = ( 11 - 0.052 )0+δT=10.950+0.0.02

R T = ( 11 - 0.5×0.14 -0.052 )0-δT

= 10.890-0..02

Φ8.2 R A = （8.2 - 0.052）0+0.02 = 8.150+0.02

R T = ( 8.2 - 0.5×0.14 -0.052 )0-δT

= 8.080-0.02

⑵设冲孔尺寸为d0+△，根据计算原则，冲孔时以凸模为设计基准。首先确定凸模尺寸，使凸模的基本尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸；将凸模尺寸增大最小合理间隙值即得到凹模尺寸。

d T = ( d min + x△）0-δT

d A = ( d T + Z min )0+δA = ( dmin + x△ + Zmin )0+δA

Φ1 R T = ( 1 + 0.5×0.14 ）0-0.02 = 1.070-0.02

R A= ( 1 +0.5×0.14+0.021）0+0.021 = 1.090+0.02

Φ4 R T = ( 4 + 0.5×0.14 ）0-0.02 =4.070-0.02

R A= (4 +0.5×0.14+0.03）0+0.02 = 4.100+0.02

⑶孔心距属于磨损厚基本不变的尺寸。在痛一工步中，在工件上冲出孔距为L±△／2两个孔时，其凹模型孔中心距L d可按下式计算：

L d = L ±1/8△

两个φ1 5.5 L d = 5.5 ± 1/8 ×0.14 = 5.5 ± 0.018

上述式中：D A 、D T——落料凸、凹模尺寸；

d T 、d A ——冲孔凸、凹模尺寸；

Dmax ——落料件的最大极限尺寸；

d min ——冲孔件孔的最小极限尺寸；

L、L d ——工件孔心距和凹模孔心距的公称尺寸；

△——工件制造公差，查表值0.14；

Zmin ——最小合理间隙；

X ——磨损系数，取0.5，按IT8级制造；

δT、δ A ——凸、凹模的制造公差，可按IT6~IT7级选取，查《冲压模具设计与制造表2.4.1得。

6.1.3凸模结构设计

Φ1的两个孔的凸模采用加全程保护与向导如图6.1.3所示

Φ4的椭圆选择圆形凸模.

采用固定卸料板卸料及导料板时，凸模按下式计算：

L = h1 + h2 + h3 + h

导料板h1 = 6mm ，卸料板厚h2 =12mm , 凸模固定板厚 =12mm , 凸模修模量h = 15mm.则：

L = 6 + 12 + 12 + 15 = 45mm

注：凸模固定板厚度是凹模厚度的0.6—0.8倍取得，凸模修模量包括凸模的修模量、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等，一般取10—20mm。

6.1.4凹模结构设计

凹模的采用圆形凹模，使用螺钉固定。

图6.1.4

凹模厚度

H = (0.1×P)-3 P取12 971 N

≈ 10.9mm

凹模的长度

L = b + 2c

= 25 + 2×26

= 77mm

凹模的宽度

B =步距 + 工件宽 + 2c

= 12.2 + 11 + 2×26

= 75.2mm

步距 = 12.2mm , 工件宽 = 11mm

式中： H ——凹模厚度；

P ——总冲裁力；

L ——凹模的长度；

B ——凹模的宽度；

b ——冲裁件长度；

c ——凹模壁厚26；见《模具设计与制造实训》表6-2

根据GB/T 8057—95，确定凹模外形尺寸为100×80×20。

凹模的刃口形式，如又图所示：

刃口高度H = 3 （《冲压模具设计与制造》表2.9.4所示）

6.2 卸料装置设计

卸料装置分为固定卸料装置、弹性卸料装置和废料切刀三种。质量要求高而且板料较薄的宜选用弹性卸料装置。此工件选用弹性卸料装置。

图6.2.1

1——弹性元件（橡胶）； 2 ——卸料板

卸料板厚经验值取 = 12 mm,外形尺寸与凹模一致。

6.3 弹性元件的选择

弹性元件主要包括弹簧和橡胶，主要为弹性卸料提供作用力和行程。在此工件中，选用橡胶作为弹性元件。

6.3.1 橡胶的选择原则

橡胶的允许承受的负荷较大，安装调整灵活方便，是冲裁模中常用的弹性元件。

橡胶的选择原则：

⑴为保证橡胶正常工作，所选橡胶应满足预压力要求：

F0≥

式中： F0 ——橡胶在预压缩状态下的压力（N)；

F X——卸料力。

⑵为保证橡胶不过早失效，其允许最大压缩量不应超过其自由高度的45%。一般取：

△H2 = (0.35～0.45）H0

式中：△H2——橡胶允许的总压缩量；