冷冲压模具设计资料

冲裁模设计题目

如图1所示零件：垫扳

生产批量：大批量

材料：08F t=2mm

设计该零件的冲压工艺与模具

2 零件的工艺分析

2.1 结构与尺寸

该零件结构简单,形状对称。

硬钢材料被自由凸模冲圆形孔,查《冷冲压工艺及模具设计》表3-8,可知该工件冲孔的最小尺寸为1.3t,该工件的孔径为:Φ6>1.3t=1.3×2=2.6。

由于该冲裁件的冲孔边缘与工件的外形的边缘不平行,故最小孔边距不应小于材料厚度t,该工件的空边距(20)>t=2,(10)>t=2,均适宜于冲裁加工。

2.2 精度

零件内、外形尺寸均未标注公差,属自由尺寸,可按IT14级确定工件尺寸的公差,经查表得,各尺寸公差分别为：

利用普通冲裁方式可以达到零件图样要求。

2.3 材料

08F，属于碳素结构钢,查《冷冲压工艺及模具设计》附表1可知抗剪强度τ=260MPa,断后伸长率=32％。此材料具有良好的塑性和较高的弹性,其冲裁加工性能好。

根据以上分析,该零件的工艺性较好,可以进行冲裁加工。

3 确定冲裁工艺方案

该零件包括落料、冲孔两个基本工序，可以采用以下几种工艺方案：

(a)先落料，再冲孔，采用单工序模生产；

(b)采用落料——冲孔复合冲压，采用复合模生产；

(c)用冲孔——落料连续冲压，采用级进模生产。

方案(a)模具结构简单，但需要两道工序，两套模具才能完成零件的加工，生产效率低，难以满足零件大批量生产的要求。由于零件结构简单，为了提高生产效率，主要采用复合冲裁或级进冲裁方式。采用复合冲裁时，冲出的零件精度和平直度好，生产效率高，操作方便，通过设计合理的模具结构和排样方案可以达到较好的零件质量。

根据以上分析，该零件采用复合冲裁工艺方案。

4 确定模具总体结构方案

4.1 模具类型

根据零件的冲裁工艺方案，采用复合冲裁模。复合模的主要结构特点是存在有双重作用的结构零件——凸凹模，凸凹模装在下模称为倒装式复合模。采用倒装式复合模省去了顶出装置，结构简单，便于操作，因此采用倒装式复合冲裁模。

4.2 操作与定位方式

虽然零件的生产批量较大，但合理安排生产，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，宜采用导料板导向，固定挡料销挡料，并与导正销配合使用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，采用始用挡料销，采用使用挡料销的目的是为了提高材料利用率。

4.3 卸料与出件方式

采用弹性卸料的方式卸料，弹性卸料装配依靠橡皮的弹力来卸料，卸料力不大，但冲压时可兼起压料作用，可以保证冲裁件表面的平面度。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凹模洞口推下的下出件方式。

4.4 模架类型及精度

考虑到送料与操作的方便性，模架采用后侧式导柱的模架，用导柱导套导向。由于零件精度要求不是很高，但冲裁间隙较小，因此采用I级模架精度。

4.5 凸模设计

凸模的结构形式与固定方法：

落料凸模刃口部分为非圆形，为便于凸模与固定板的加工，可设计成固定台阶式，中间台阶和凸模固定板以H7/m6过渡配合，凸模顶端的最大台阶是用其台肩挡住凸模，在卸料时不至于凸模固定板中拉出。并将安装部分设计成便于加工的长圆形，通过接方式与凸模固定板固定。

5 工艺设计计算

5.1 排样设计与计算

零件外形近似矩形，轮廓尺寸为58×30。考虑操作方便并为了保证零件精度，采用直排有废料排样。如图1所示：

查《冷冲压工艺及模具设计》表3-13，工件的搭边值a=2，沿边的搭边值a1=2.2。级进模送料步距为S=30+2=32mm

条料宽度按表3-14中公式计算：

由零件图近似算得一个零件的面积为1354.8㎜2，一个进距内的坏料面积

B×S=62.4×32=1996.8㎜2　。因此一个进距内的材料利用率为：=（A/BS）×100﹪=67.8﹪查《冷冲压工艺及模具设计》附表3选用板料规格为710×2000×2。

采用横裁时，剪切条料尺寸为62.4。一块板可裁的条料为32，每间条可冲零件个数22个零件。则一块板材的材料利用率为：=（n×A0/A）×100﹪=（22×32×1354.8/710×2000）×100﹪=67.2﹪

采用纵裁时，剪切条料尺寸为62.4。一块板可裁的条料为11，每条可冲零件个数62个零件，则一块板材的材料利用率为：=（n×A0/A）×100﹪=（11×62×1354.8/710×2000）×100﹪=59.2﹪

根据以上分析，横裁时比纵裁时的板材的材料利用率高，因此采用横裁。

5.2 计算冲压力与压力中心，初选压力机

冲裁力：根据零件图可算得一个零件外周边长度：

L1=16π+8+28+38×2=162.27 内周边长度之和：L=2π×3=18.84㎜

查《冷冲压工艺及模具设计》附表1可知：MPa;

查《冷冲压工艺及模具设计》附表3可知：Kx=0.05, KT=0.055.

落料力：F落=KL1 t T=1.3×162.27×2×260=109.69KN

冲孔力：F孔=KL2 t T=1.3×6×2×260=12.74KN

卸料力：Fx=KxF落 =0.05×109.69=5.48KN

推件力：

根据材料厚度取凹模刃口直壁高度h=6,

故:n=h/t=3      

FT=nKtF孔

=3×0.055×25.47

=4.20KN

总冲压力：

FЁ= F落+ F孔+Fx+ FT

则FЁ=109.69+12.74+5.48+4.20

             =132.11KN

应选取的压力机公称压力：25t.

因此可初选压力机型号为J23-25。

当模具结构及尺寸确定之后，可对压力机的闭合高度，模具安装尺寸进行校核，从而最终确定压力机的规格。

确定压力中心：画出凹模刃口，建立如图所示的坐标系：

由图可知，该形状关于X轴上下对称，关于Y轴左右对称，则压力中心为该图形的几何中心。即坐标原点O。该点坐标为（0，0）。

5.3  计算凸、凹模刃口尺寸及公差

由于模具间隙较小，固凸、凹模采用配作加工为宜，由于凸、凹模之间存在着间隙，使落下的料或冲出的孔都带有锥度。落料件的尺寸接近于凹模刃口尺寸，而冲孔件的尺寸接近于凸模刃口尺寸。固计算凸模与凹模刃口尺寸时，应按落料与冲孔两种情况分别进行。由此，在确定模具刃口尺寸及其制造公差时，需遵循以下原则：

（I）落料时以凹模尺寸为基准，即先确定凹模刃口尺寸；考虑到凹模刃口尺寸在使用过程中因磨损而增大，固落料件的基本尺寸应取工件尺寸公差范围较小尺寸，而落料凸模的基本尺寸则按凹模基本尺寸减最小初始间隙；

（II）冲孔时以凸模尺寸为基准，即先确定凸模刃口尺寸，考虑到凸模尺寸在使用过程中因磨损而减小，固冲孔件的基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大尺寸，而冲孔凹模的基本尺寸则按凸模基本尺寸加最小初始间隙；

（III）凸模与凹模的制造公差，根据工件的要求而定，一般取比工件精度高2~3级的精度，考虑到凹模比凸模的加工稍难，凹模比凸模低一级。

a): 落料凹模刃口尺寸。按磨损情况分类计算：

i)凹模磨损后增大的尺寸，按《冷冲压工艺及模具设计》公式：DA=(Dmax-X△);计算，取 δA=△/4，制件精度为IT14级，故X=0.5

58

:     DA1 =(58-0.5×0.74 )

=57.63

 （㎜） 

38

:     DA2=（38-0.5×0.62）

=37.69

 （㎜）

30

:     DA3=（30-0.5×0.52）

=29.74

   （㎜）

16

:     DA4=（16-0.5×0.43）

=15.785

（㎜）

8

:      DA5=（8-0.5×0.36）

=7.18

（㎜）

ii)凹模磨损后不变的尺寸，按《冷冲压工艺及模具设计》公式：CA=（Cmin+X△）±0.5δA: 计算，取δA=△/4 ，制件精度为IT14级，故X=0.5

18±0.215:    Cd1=(17.785+0.5×0.43)±0.43/8=18±0.05375（㎜）               

冲裁间隙影响冲裁件质量，在正常冲裁情况下，间隙对冲裁力的影响并不大，但间隙对卸力、推件力的影响却较大。间隙是影响模具寿命的主要因素。间隙的大小则直接影响到摩擦的大小，在满足冲裁件质量的前提下，间隙一般取偏大值，这样可以降低冲裁力和提高模具寿命。

查《冷冲压工艺及模具设计》表3-3可知Zmax=0.360㎜ ,  Zmin=0.246㎜

相应凸模按凹模实际尺寸配作，保证最小合理间隙为0.246mm

冲孔凸模刃口尺寸。冲孔凸模为圆形，可按《冷冲压工艺及模具设计》公式dT=(dmin+x△)

  计算，取δT=△/4，制件精度为IT14级，故X=0.5

12

:      dT1=(6+0.5×0.30)

=6.15

6  设计选用零件、部件，绘制模具总装草图

6.1  凹模设计

凹模的结构形式和固定方法：凹模采用矩形板状结构和通过用螺钉、销钉固定在凹模固定板内，其螺钉与销钉与凹模孔壁间距不能太小否则会影响模具强度和寿命，其值可查《冷冲压工艺及模具设计》表3-23。

凹模刃口的结构形式：因冲件的批量较大，考虑凹模有磨损和保证冲件的质量，凹模刃口采用直刃壁结构，刃壁高度取6mm, 漏料部分沿刃口轮廓单边扩大0.5 mm

凹模轮廓尺寸的确定：

查《冷冲压工艺及模具设计》表3-24，得：K=0.28;

查《冷冲压工艺及模具设计》表3-25,  得:  s2=36;

        凹模厚度H=ks=0.28×58=16.24（㎜）

 B=s+（2.5～4.0）H

=58+（2.5～4.0）×16.24

=98.6～122.96 （㎜）

         L=s1+2s2

=30+2×36

=102 （㎜）

根据算得的凹模轮廓尺寸，选取与计算值相接近的标准凹模板轮廓尺寸为L×B×H=125×125×28.5（㎜）

凹模材料和技术要求：凹模的材料选用T10A。工件部分淬硬至HRC58~62。外轮廓棱角要倒钝。

如图2所示：

6.2  凸模设计

6.2.1  凸模的结构形式与固定方法

冲孔部分的凸模刃口尺寸为圆形，为了便于凸模和固定板的加工，将冲孔凸模设计成台阶式。为了保证强度、刚度及便于加工与装配，圆形凸模常做成圆滑过渡的阶梯形，小端圆柱部分。是具有锋利刃口的工作部分，中间圆柱部分是安装部分，它与固定板按H7/m6配合，尾部台肩是为了保证卸料时凸模不致被拉出，圆形凸模采用台肩式固定。

6.2.2  凸模长度计算

凸模的长度是依据模具结构而定的。

采用弹性卸料时，凸模长度按公式L=h1+h2+h3计算，

式中 L---凸模长度，mm；

 h1---凸模固定板厚度，mm;  

h2----卸料板厚度，mm ;  

h3----卸料弹性元件被预压后的厚度

L=22mm+10mm+18.5mm

=50.5mm

6.2.3  凸模的强度与刚度校核

一般情况下，凸模强度与刚度足够，由于凸模的截面尺寸较为积适中，估计强度足够，只需对刚度进行校核。

对冲孔凸模进行刚度校核：

凸模的最大自由长度不超过下式：

由此可知：冲孔部分凸模工作长度不能超过24.00mm，根据冲孔标准中的凸模长度系列，选取凸模的长度：50.5

6.2.4  凸模材料和技术条件

凸模材料采用碳素工具钢T10A，凸模工作端（即刃口）淬硬至HRC 56～60，凸模尾端淬火后，硬度为HRC 43～48为宜。

如图3所示：

  图3  冲孔凸模

 

6.3  凸凹模的设计

6.3.1  凸凹模的结构形式与固定方法

凸凹模的结构简图如图4所示：

   图4  凸凹模

凸凹模与凸凹模固定板的采用H7/m6配合。

6.3.2  校核凸凹模的强度

冲孔边缘与工件外开边缘不平行时，凸凹模的最小壁厚不应小于材料厚度t=2mm，而实际最小壁厚为5mm，故符合强度要求。

6.3.3  凸凹模尺寸的确定

凸凹模的外刃口尺寸按凹模尺寸配作并保证最小间隙为Zmin=0.246mm,内形刃口尺寸按凸模尺寸配做并保证最小间隙为Zmin=0.246mm。

6.3.4  凸凹模材料和技术条件

凸凹模材料采用碳素工具钢T10A，淬硬至56～60HRC。

6.4  定位零件

定位零件的作用是使坯料或工序件在模具上相对凸、凹模有正确的位置。

    选用固定挡料销一个。挡料销的作用是挡住条料搭边或冲件轮廓以限定条料送进的距离，固定挡料销固定在位于下模的凸凹模上，规格为GB/T7694.10-94，材料45号钢，硬度为43～48HRC

选用导料销两个。导料销的作用是保证条料沿正确的方向送进，位于条料的后侧（条料从右向左送进）尺寸规格为6X2，如图5所示：

6.5  卸料与出件装置

出件方式是采用凸模直接顶出的下出料方式。

由于卸料采用弹性卸料的方式，弹性卸料装置由卸料板、卸料螺钉和弹性元件组成。

卸料板：

弹性卸料板的平面尺寸等于或稍大于凹模板的尺寸，厚度取凹模厚度的0.6～0.8倍, 卸料板与凸模的单边间隙按《冷冲压工艺及模具设计》表3-32选取,t＞1mm时,单边间隙为0.15mm。

为了便于可靠卸料，在模具开启状态时，卸料板工作平面应高出凸模刃口尺寸端面0.3～0.5，卸料板的尺寸规格为：125mmX125mmX10mm，材料为:45#钢。如图6所示：

卸料螺钉：

卸料螺钉采用标准的阶梯形螺钉，根据卸料板的尺寸选择4个卸料螺钉，规格为，JB/T7650.5-94。如图7所示：

图7  卸料螺钉

 

卸料装置：

由于橡皮允许承受的负荷较大，安装调整方便，因此选用橡皮作为弹性元件，

卸料橡皮的选择原则：

    为了保证卸料正常工作，应使橡皮工作时的弹力大于或等于卸料力FX

FXY=AP≥FX=5.48KN

式中FXY—橡皮工作时的弹力，A—橡皮的横截面积，P—与橡橡皮压缩量有关的单位压力，一般预压时压缩量为10%～15%。由《冷冲压工艺及模具设计》图3-64知，取P=0.6MPa，求得A=91.3cm2,由《冷冲压工艺及模具设计》表3-33中的公式求得橡皮尺寸规格为35×26×24

根据工件材料厚度为2mm，冲裁时凸模进如凹模的深度为1mm，模具维修时刃磨留量为2mm，开启时卸料板高于凸模1mm，则求得总工作行程：h工件=6mm,

    使用橡皮时，不应使最大压缩量超过橡皮自由高度的35%～45%否则是皮的自由高度应为：

           H=h/(0.25～0.30)

            =6/(0.25～0.30)

            =20～24mm

模具组装时的预压缩量为：

           H预=（10%～15%）H

              =2.4～3.6mm

取H预=3mm

由此可知：安装橡皮高度尺寸为21mm,

式中的H———所需的工作行程。

由上式所得的高度，还在按下式进行校核:

    0.5≤H/B≤1.5

如果H/D超过1.5,应把橡皮分成若干段,并在橡皮之间垫上钢圈。

由《冷冲压工艺及模具设计》表3-33中的公式求得橡皮尺寸规格为35×26×24

6.6  模架及其它零件的选用

6.6.1  模柄

模柄的作用是把上模固定在压力机滑块上，同时使模具中心通过滑块的压力中心，模柄的直径与长度与压力机滑块一致，模柄的尺寸规格选用凸缘模柄，用3～4个螺钉固定在上模座上。

如图8所示:

6.6.2  模座

标准模座根据模架类型及凹模同界尺寸选用，

上模座：125mm ×125mm×35mm；

下模座：125mm×125mm×45mm；

模座材料采用灰口铸铁，它具有较好的吸震性，采用牌号为HT200。

6.6.3  垫板

垫板的作用是承受并扩散凸模或凹模传递的压力，以防止模座被挤压损伤。

是否要用板，可按下式校核：

P=F12/A

式中P—凸模头部端面对模座的单位面积压力；

F12—凸模承受的总压力；

 A—凸模头部端面与承受面积。

由于计算的P值大于《冷冲压工艺及模具设计》表3-34模座材料的许应压力，因此在工作零件与模座之间加垫板。

    垫板用45号钢制造，淬火硬度为HRC43～48，其尺寸规格为：

125mm×125mm×10mm。

上下面须磨平，保证平行。

如图9所示：

模架选用后侧导柱标准模架：

上模座：L×B×H =125mm×125mm×35mm

下模座：L×B×H=125mm×125mm×45mm

导柱：D×L=￠22mm×150mm

导套：d×L×D=Φ35mm×85mm×Φ38mm

模架的闭合高度：160～190mm

垫板厚度：10mm；

凸模固定板厚度：22 mm

上模底板厚：35 mm，

凹模厚度：28.5mm

橡皮厚：24mm

卸料板厚度10 mm

凸凹模固定板厚度：45 mm，

下模底板厚：45 mm

模具的闭合厚度：

Hd=35+10+22+28.5+2+1+45+45=188.5mm

6.6.4  冲压设备的选择

选用开式双柱可倾压力机J23-25。

公称压力为25t，

滑块行程为65mm,

最大闭合高度270mm,

滑块中心线至床身距离200 mm，

工作台尺寸：370 mm×560 mm，

垫板厚度：50 mm，

模柄孔尺寸：Φ40 mm×60 mm.

6.6.5  紧固件的选用

上模螺钉：螺钉起联接紧固作用，上模上6个，45钢，尺寸为M8X70下模螺钉：6个，45钢，尺寸为M6X55.销钉起定位作用，同时也承受一定的偏移力.上模3个，45钢，尺寸为Φ6X60.7  压力机的校核

7.1  公称压力   

根据公称压力的选取压力机型号为J23-25,它的压力为25t>15.79t,所以压力得以校核;

7.2  滑块行程 

滑块行程应保证坯料能顺利地放入模具和冲压能顺利地从模具中取出.这里只是材料的厚度t=2mm,卸料板的厚度H=10mm,及凸模冲入凹模的最大深度2mm,即S1=2+10+2=14mm<S=65mm,所以得以校核.

7.3  行程次数  

行程次数为105次/min.因为生产批量为中批量,又是手工送料,不能太快,因此是得以校核.

7.4  工作台面的尺寸  

根据下模座L×B=125mm×125mm,且每边留出60~100mm,即L1×B1=325mm×325mm,而压力机的工作台面L2×B2=560mm×370mm,冲压件和废料从下模漏出, 漏料尺寸小于58mm×30mm,而压力机的孔尺寸为250×250,故符合要求,得以校核;

7.5  滑块模柄孔尺寸

滑块上模柄孔的直径为40mm,模柄孔深度为60mm,而所选的模柄夹持部分直径为30mm,长度为48mm,故符合要求,得以校核;

7.6  闭合高度  

由压力机型号知Hmax=270mm   M=80    H1=70

Hmin=Hmax–M= 270-80=190

(M为闭合高度调节量/mm,H1为垫板厚度/mm)

由公式得:( Hmax–H1)-5≥H≥( Hmin–H1)+10,得

(270–70)-5≥188.5≥(190–70)+10

即  195≥188.5≥120 ,所以所选压力机合适,即压力机得以校核.

 

8 模具主要零件加工工艺规程的编制

8.1 冲压模具制造技术要求

模具精度是影响冲压件精度的重要因素之一，为了保证模具精度，制造时应达到以下技术要求：

a、组成冲压模具的所有零件，在材料加工精度和热处理质量等方面均应符合相应图样的要求。

b、组成模架的零件应达到规定的加工要求，装配成套的模架应活动自如，并达到规定的平行度和垂直度要求

c、模具的功能必须达到设计要求.

d、为了鉴别冲压件的质量，装配好的模具必须在生产条件下试模，并根据试模存在问题进行修整，直至试出合格的冲压件为止。

8.2 总装工艺

总装图如图15所示：

1—  下模座 2—导柱 3—内六角螺钉￠8×70 4—内六角螺钉￠8×60

     5—导套 6—凸模固定板 7—冲孔凸模 8—垫板 9—上模座 10—销钉

     11—模柄 12—打料杆 13—连接推杆 14—凸凹模 15—卸料板

     16—推件块 17—凹模 18—活动挡料销 19—推板 20—弹性橡胶

      21—凸凹模固定板 22—卸料螺钉 23—导料销

加工工艺路线：

1备料

2 把导柱2安装在下模座1上。

3 把凸凹模14放在下模座1上面，按中心线装上凸凹模固定板21，用螺钉4把凸凹模固定在下模座上。

4 通过卸料螺钉22把橡皮20和卸料板15固定好，在卸料板上装好导料销23和挡料销18。

5 把导套安装在上模座上6 把4个冲孔凸模通过凸模固定板6和垫板8一起固定到上模座9上，连同凹模17一起用螺钉3和销钉10紧固。

7 把模柄11装在上模座9上，用螺钉紧固，装上打杆12。

8把组装好的上模座和下模座通过导柱导套组装起来，中间装上2mm厚的材料。

9试模

10调整到合格

11入库

8.3 加工要求

1）模具配合加工零件在允许间隙内加工,落料凸凹模,冲孔凸模与固定板配合后,底部磨平。

2）图样中未注明公差的一般尺寸其极限偏差按14级精度加工,未注粗糙度的按Ra6.3um处理。

3）模具中各垫板的两承压面的平行度公差按GB1184 为5级。

4）模具中安装镙钉（镙栓）之螺纹孔及其通孔的位置公差不大于 2mm，或相应各孔配作。

5）模具、模架及其零件的工件表面，不应有碰伤、凹痕、裂纹、毛刺、锈蚀等缺陷。

6）经热处理后的零件，硬度应均匀，不允许有脱碳、软点、氧化斑点及裂纹等缺陷。热处理后应清除氧化皮，脏物油污。

7）配通用模架模具，装配后两侧面应进行同时磨削加工，以保证模具能顺利装入模架。

8.4 主要零、部件加工工艺

8.4.1 垫板的加工工艺

1备料（外购标准模块125mm×125mm×10mm）

2按图纸要求画线，

3在钻铣床上加工

4检验

5入库

8.4.2 凸模固定板的加工工艺

1备料（外购标准模块125mm×125mm×20mm）

2按图纸要求画线，

3在钻铣床上加工四个￠8的凸模孔和两个￠6的销钉孔和六个￠9的螺钉通孔

4在电火花慢走丝加工落料凸模孔

5检验

6入库

8.4.3 冲孔凸模的加工工艺

1备料

2锻造成直径为14mm×55mm的胚料

3在数控车床上加工零件按图纸要求

4按图纸要求热处理

5检验

6入库

8.4.4 卸料板加工工艺

1备料（外购标准模块125mm×125mm×10mm）

2按图纸要求画线，

3在钻铣床上加工六个M6的螺钉通孔和一个￠6的挡料销孔，和两个￠8的导料销及一个通过冲裁零件的孔

4在铣床上加工剩余的部分

5检验

6入库

8.4.5 落料凹模加工工艺

1备料（外购标准模块125mm×125mm×28.5mm）

2按图纸要求画线，

3在钻铣床上加工两个￠6的销钉孔和六个M6的螺纹孔

4攻M6的螺纹孔

5用电火花加工工作刃口

6按图纸要求做热处理

7检验

8入库

8.4.6 凸凹模的加工工艺

1备料

2锻造成75mm×75mm×45mm的胚料

3 按图纸要求画线

4 在钻铣床上加工四个￠4和￠6组成的阶梯孔

5用电火花加工工作刃口

6按图纸要求做热处理

7 检验

8 入库

8.4.7 凸凹模固定板的加工工艺

1备料（外购标准模块125mm×125mm×22mm）

2按图纸要求画线，

3在钻铣床上加工1个￠10.6×12的盲孔和四个M6.6的螺纹孔

4攻M6.6的螺纹孔

5用电火花加工工作刃口

6按图纸要求做热处理

7检验

8入库