毕业设计（论文）-脚手架冲孔模具的研制设计（全套图纸）.doc

台州职业技术学院第一章 绪论冲压加工是利用安装在压力机上的模具，对模具里的板料施加变形力，使板料在模具里产生变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的产品零件的生产技术。由于冲压加工经常在材料的冷状态下进行，为此也称冷冲压。冷冲压是金属压力加工方法之一，是建立在金属塑性变形理论基础上的材料成型工程技术。冲压加工的原材料一般为板料或带料，故也称板料冲压。冲压工艺是指冲压加工的具体方法（各种冲压工序的总和）和技术经验，冲压模具是指将板料加工成冲压零件的专用工艺装备。冲裁是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。根据变形机理的差异，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。 我所设计的脚手架冲孔模，作为冲裁模，重要的就是冲裁力的大小。本模具要求的就是冲头两端冲裁力大小相同，做到对零件冲裁的同步。模具材料的选用和热处理也关系着模具的使用寿命等等因素。全套完整版CAD图纸，联系153893706第二章 简 介2.1 模具及模具的类型模具是由机械零件构成，在与相应的压力成形机械（如冲床、塑料注射机、压铸机等）相配合时，可直接改变金属或非金属材料的形状、尺寸、相对位置和性质，使之成形为合格制件或半成品的成形工具。模具的种类很多，按材料在模具内成形的特点，模具可分为冷冲模及型腔模两大类型。冲裁模就属于冷冲模。通常说的冲裁指普通冲裁，包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等。冲裁所使用的模具称为冲裁模，如落料模、冲孔模、切边模、冲切模。冲裁工艺与冲裁模在生产中使用广泛，它可为弯曲、拉深、成形、冷挤压等冲压工序准备毛坯，也可直接制作零件。冲孔模是在落料板材或成形冲件上，沿封闭的轮廓分离出废料得到带孔制件的冲模。1.冲单孔的冲孔模 其结构大致与落料模相同。冲孔模的凸模、凹模类似于落料模。但冲孔模所冲孔与工件外缘或工件原有孔的位置精度是由模具上的定位装置来决定的。常用的定位装置有定位销、定位板等。 2.冲多孔的冲孔模 图1是印制板冲孔模，用于冲裁印制板小孔，孔径为1.3mm，材料为复铜箔环氧板，厚1.5mm。为得到较大的压料力，防止孔壁分层，上模采用六个矩形弹簧。导板材料为CrWMn，并淬硬至5054HRC，凸模3采用弹簧钢丝，拉好外径后切断、打头，即可装入模具中使用。凸模与固定板动配合。下模为防止废料胀死，漏料孔扩大，工件孔距较近时，漏料孔可以相互开通。 图1 印制板冲孔模 1-矩形弹簧 2-导板 3-凸模 4-凸模固定板 5-凹模3.深孔冲模 当孔深化t/D（料厚/孔径）1，即孔径等于或小于料厚时，采用深孔冲模结构。图2是凸模导向元件在工作过程中的始末情况，该结构给凸模以可靠的导向。主要的特点是导向精度高，凸模全长导向以及在冲孔周围先对材料加压。图2 凸模导向元件在工作行程中的始末情况 a)冲孔开始 b)冲孔结束第三章 模具材料的分析和热处理模具的寿命除了取决于模具结构设计及其使用与维护情况外，最根本的问题是制模材料的基本性能是否和模具加工要求与使用条件相适应。因此，根据模具结构和使用情况，合理选用制模材料是模具设计人员的重要任务之一。目前，制模材料仍以钢为主，包括冲压模、塑料模、压铸模、锻模等。3.1 模具用钢一、基本要求制造模具所采用的钢材应具备下列基本性能：1、加工性能良好，热处理后变形小2、抛光性良好3、耐磨性良好4、较好的淬透性5、耐腐蚀性好二、常用模具用钢材品种1、碳素钢：碳素结构钢、碳素工具钢2、合金钢：合金工具钢、合金结构钢3.2 钢制热塑模的热处理一、热塑模主要零件的热处理工序1、采用冷挤压成型的模具热处理工序安排锻造正火或退火粗加工冷挤压型腔（多次挤压时中间退火）加工成型渗碳或碳氮共渗等淬火与回火钳修抛光镀铬钳工装配。1、接淬硬的热处理工序安排锻造退火粗加工调质或高温回火精加工淬火与回火钳修抛光镀铬钳工装配。3、精加工在调质后的热处理工序安排锻造退火粗加工调质精加工钳修抛光镀铬钳修装配4、采用合金渗碳钢制作模具的热处理工序安排锻造正火+高温回火精加工渗碳淬火与回火钳修抛光镀铬钳工装配二、渗碳钢的预热处理工艺1、正火 2、安全退火钢的热处理就是采用适当的方式对钢进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。通过热处理，不仅可以充分发挥材料的潜力，显著提高力学性能，提高产品质量，延长使用寿命，而且能够消除毛坯缺陷，改善工艺性能，有利于进行冷、热加工。据统计，在机床制造中，有60%70%的零件需要进行热处理；在汽车、拖拉机制造中，70%80%的零件需要进行热处理；各类工具几乎100%需要热处理。因此，热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。热处理方法虽然很对，但都是由加热、保温和冷却三个阶段组成。 本模具的材料有45钢，65Mn，Cr12。45钢属中碳钢。有较高的强度和硬度。这类钢经调质后，能获得较好的综合力学性能，主要用来制作受力较大的机械零件。65Mn属高碳钢，有较高的强度、硬度和弹性。Cr12是一种常用的冷作模具钢，这种钢具有较高的硬度、强度和耐磨性。第四章 冲裁模的结构类型及其应用4.1冲裁模零件的类型尽管冲裁模有简单的，也有复杂的，但总是分为上模与下模。上模固定在压力机滑块上，并随滑块一起运动，称为冲模的活动部分；下模固定在压力机的工作台上，称为冲模的固定部分。4.2 冲裁模的结构设计冲裁模是冲裁工序所用的模具。冲裁模的结构型式很多，为研究方便，对冲裁模可按不同的特征进行分类。1、按工序性质可分为落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等；2、按工序组合方式可分为单工序模、复合模和级进模；3、按上、下模的导向方式可分为无导向的开式模和有导向的导板模、导柱模、导筒模等。4、按凸、凹模的材料可分为硬质合金冲模、钢皮冲模、锌基合金冲模、聚氨脂冲模等；5、按凸、凹模的结构和布置方法可分为整体模和镶拼模，正装模和倒装模。6、按自动化程度可分为手工操作模、半自动模、自动模。4.3 冲裁模结构图例冲孔模的结构与一般落料模相似。但冲孔模有其自己的特点，特别是冲小孔模具，必须考虑凸模的强度和刚度，以及快速更换凸模的结构。在已成形零件侧壁上冲孔时，要设计凸模水平运动方向的转换机构。1、单工序冲孔模1）带固定卸料板的冲孔模 衬套经淬火、磨削后压入固定卸料板内，其内孔与凸模滑配，以保护凸模，防止折断和提高冲孔精度。冲孔时，卸料板不能压住板料，否则冲裁件容易变形，平整度较差，该模具适用于冲小直径的孔。2）带弹压卸料板的冲孔模 弹压卸料板装于上模。冲孔时，弹压卸料板始终压住板料，所以冲孔件比较平整。因模具的弹压卸料板的宽度与凹模宽度相同，工作时，容易发生压手事故。3）弹压卸料板装在下模的冲孔模 相比板料压紧方式相同。冲裁时，零件变形很小，平整度高。该模具适用于冲孔精度要求高的冲裁件，缺点是零件和废料同时落在压料板上，每次冲压后，必须同时取件和清理废料。2、侧壁冲孔模 冲压图2.7.4b)零件侧壁孔，a)图是依靠固定在上模的斜楔1来推动滑块4，使凸模5作水平方向移动，完成零件侧壁冲孔（也可或冲槽、切口等）。斜楔的返回行程运动是靠橡皮或弹簧完成。斜楔的工作角度以 4045为宜。40的斜楔滑块机构的机械效率最高，45时滑块的移动距离与斜楔的行程相等。需较大冲裁力的冲孔件，可采用 35，以增大水平推力。此种结构凸模常对称布置，最适宜壁部对称孔的冲裁。图c)是采用的是悬臂式凹模结构，可用于圆筒形件的侧壁冲孔、冲槽等。毛坯套入凹模体3，由定位环7控制轴向位置。此种结构可在侧壁上完成多个孔的冲制。在冲压多个孔时，结构上要考虑分度定位机构。（a） （b） （c）图2.7.4 侧壁冲孔模3、单工序多凸模冲孔模图2.7.5所示为单工序多凸模冲孔模，电机转子片37个槽孔全部均在一次冲程中完成。冲孔前将毛坯套在定位块14上，模具采用双导向装置。模具靠导柱6与导套7对上、下模导向,同时,卸料板通过导套8与导套7滑配,使卸料板以导套为导向,增加了工作的可靠性与稳定性。推件采用推件力较大的刚性装置，对于多孔冲模或卸料力较大的工件,能可靠地卸下冲件。1-上模座；2-标记槽凸模；3-凸模垫板；4-凸镆固定板；5-槽形凸模；6-导柱；7、8-导套；9-卸料板；10-凹模；11凹模套圈；I2-下垫板；13-下模座；14-定位块；15-推杆螺钉；16-推板；17-打杆图2.7.5(单工序)多凸模冲孔模4、冲小孔模 (图2.7.6) 这副模具冲制的工件如图右上角所示。工件板厚4mm，最小孔径为0.5。模具结构采用缩短凸模长度的方法来防止其在冲裁过程中产生弯曲变形而折断。采用这种结构制造比较容，凸模使用寿命也较长。这副模具采用冲击块5冲击凸模进行冲裁工作。小凸模由小压板7进行导向，而小压板由两个小导柱6进行导向。当上模下行时，大压板8与小压板7先后压紧工件，小凸模2、3、4上端，露出小压板7的上平面，上模压缩弹簧继续下行，冲击块5冲击凸模2、3、4对工件进行冲孔。卸件工作由大压板8完成。厚料冲小孔模具的凹模洞口漏料必须通畅，防止废料堵塞损坏凸模。冲裁件在凹模上由定位板9与1定位，并由后侧压块10使冲裁件紧贴定位面。 图 2.7.6 超短凸模的小孔冲模第五章 冲裁力和压力中心的计算5.1冲裁力的计算本模具装配好以后，压力机向下用力，把上模上的斜滑块5压下，碰到滑块11，利用斜面和弹簧座7限定位，用冲头14对套在芯棒16上的圆管零件进行冲裁。这就需要斜滑块冲下去的力度要保持一致，使滑块上前端固定的两个冲头同时冲到芯棒上，如果不是同步的话，两边力的大小不一样，芯棒就有可能会断裂。要想保证两个冲头的同步，就必须计算冲裁力的大小。计算冲裁力的目的是为了选用合适的压力机、设计模具和检验模具的强度。压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应冲裁的需求。普通平刃冲裁模 ，其冲裁力 P一般可按下式计算：FPKptL式中 材料抗剪强度 ，见附表 (MPa)；L冲裁周边总长(mm)；t材料厚度(mm)系数 Kp是考虑到冲裁模刃口的磨损、 凸模与 凹模间隙之波动(数值的变化或分布不均)、润滑情况 、材料力学性能与厚度公差的变化等因素而设置的安全系数，一般取 13。 当查不到抗剪强度 时，可用抗拉强度 b代替，而取Kp1的近似计算法计算。当上模完成 一次冲裁后，冲入凹模内的制件或废料因弹性扩张而梗塞在凹模内，模面上的材料因弹性 收缩而紧箍在 凸模上 。为了使冲裁工作继续进行，必须将箍在凸模上的材料料刮下 ,将梗塞在凹模内的制件或废料向下推出或向上顶出。从凸模上刮下材料所需的力，称为卸料力 ；从凹模内向下推出制件或废料所需的力，称为推料力；从凹模内向上顶出制件需的力，称为 顶件力 (图2.4.1)。影响卸料力、推料力和 顶件力 的因素很多，要精确地计算是困难的。在实际生产中常采用经验 公式计算：卸料力FF( 2.4.2)推料力F1n1F （ 2.4.3)顶件力 FF （ 2.4.4 ） 图 2.4.1 工艺力示意图式中 P冲裁力(N)；K卸料力系数，其值为0.020.06(薄料取大值， 厚料取小值)；K推料力系数，其值为0.030.07(薄料取大值， 厚料取小值)；K2 顶件力系数，其值为0.040.08(薄料取大值， 厚料取小值)；n梗塞在凹模内的制件或废料数量(nh/t);h直刃口部分的高(mm)；t材料厚度(mm)。卸料力和 顶件力还是 设计卸料装置和弹顶装置中弹性元件的依据。5.2 压力机公称压力的选取冲裁时，压力机的公称压力必须大于或等于冲裁各工艺力的总和。采用弹压卸料装置和下出件的模具时：FP总 FFF (2.4.5)采用弹压卸料装置和上出件的模具时：FP总 FF2 (2.4.6)采用刚性卸料装置和下出件模具时：FP总FF (2.4.7)5.3 降低冲裁力的措施在冲压高强度材料、厚料和大尺寸冲压件时，需要的冲裁力较大，生产现场压力机的吨位不足时，为不影响生产，可采用一些有效措施降低冲裁力。1.凸模的阶梯布置 图2.4.2凸模阶梯布置凸模阶梯布置由于各凸模工作端面不在一个平面，各凸模冲裁力的最大值不同时出现，从而达到降低冲裁力的目的。当凸模直径有较大差异时，一般把小直径凸模做短一些，高度差H=(0.51 )t。凸模的阶梯布置会给刃磨造成一定困难，仅在小批量生产采用。图2.4.3 斜刃冲裁（a）、（b）落料凹模为斜刃；（c）、（d）、（e）、冲孔凸模为斜刃；（f）用于切口或切断的单边斜刃斜刃冲裁（图2.4.3）斜刃是将冲孔凸模或落料凹模的工作刃口作成斜刃，冲裁时刃口不是全部同时切入，而是逐步地将材料分离，能显著降低冲裁力，但斜刃刃口制造和刃磨都比较困难，刃口容易磨损，冲件也不够平整。为了能得到较平整的工件，落料时斜刃做在凹模上；冲孔时斜刃做在凸模上。 另外，加热冲裁使金属抗剪强度降低，也能降低冲裁力。5.4 冲压模具压力中心的确定模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。为了确保压力机和模具正常工作，应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。对于带有模柄的冲压模，压力中心应通过模柄的轴心线。否则会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨之间产生过大的磨损，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。 冲模的压力中心，可按下述原则来确定： （1）对称形状的单个冲裁件，冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。 （2）工件形状相同且分布位置对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。 （3）形状复杂的零件、多凸模的压力中心可用解析计算法求出冲模压力中心。 解析法的计算依据是：各分力对某坐标轴的力矩之代数和等于诸力的合力对该坐标轴力矩。求出合力作用点的座标位置 O0(x0, y)，即为所求模具的压力中心(图2.4.4)。图 2.4.2 解析法求压力中心（a）复杂零件冲压压力中心; （b）多凸模冲压压力中心计算公式为： （2.4.8）（2.4.9） 因冲裁力与冲裁周边长度成正比， 所以式中的各冲裁力 FP1、FP2、FP3FPn，可分别用各冲裁周边长度L1、L2、L3Ln代替，即： （2.4.10） （2.4.11）第六章 精密冲裁工艺与精冲模具简介6.1 精密冲裁概述（1）精密冲裁的工作原理及过程精密冲裁属于无屑加工技术，是在普通冲压技术基础上发展起来的一种精密冲压方法，简称精冲。它能在一次冲压行程中获得比普通冲裁零件尺寸精度高、冲裁面光洁、翘曲小且互换性好的优质冲压零件，并以较低的成本达到产品质量的改善。为了能更好地应用精冲技术，必须充分了解和掌握其基本要素： 精冲机床、精冲模具、精冲材料、精冲工艺及精冲润滑等。图 2.9.1所示为普通冲裁和精冲两种工艺方法的比较。 图 2.9.1 普通冲裁的精冲的区别1-落料凸模；2-凹模；3-冲孔凸模；4-顶件板；5-顶杆；6-压板；7-压杆；8-齿圈；9-精冲材料；10-精冲件；11-内形废料；c-冲裁间隙图 2.9.2 精冲过程示意图精冲是塑性剪切过程。是在专用( 三动 )压力机上，借助于特殊结构的精冲模，在强力的作用下使精冲材料产生塑性剪切。图2.9.2所示的冲裁过程中落料凸模1接触材料9之前，通过压力FR使V形齿圈8将材料压紧在凹模上，从而在V形齿的内面产生横向侧压力，以阻止材料在剪切区内撕裂和金属的横向流动。在冲孔凸模压入材料的同时，利用顶件板4的反压力FG，将材料压紧；并在压紧状态中，在冲裁力FS作用下进行冲裁。剪切区内的金属处于三向压应力状态，从而提高了材料的塑性。此时，材料就沿着凹模的刃边形状，呈纯剪切的形式冲裁零件。1齿圈压板2凹模(落料)3凸凹模4顶板5 材料 6零件7冲孔废料图 2.9.3 精冲过程 a)模具初始位置b)齿圈压入c)冲裁d)冲裁过程结束e)模具开启f)卸出冲孔废料g)顶出零件及卸出带料h)排出零件和废料，向前送料(二)普通冲裁与精密冲裁的工艺特点对比(表2.9.1)表 2.9.1 普通冲裁与精冲的工艺特点技术特征普通冲裁精密冲裁1.材料分离形式剪切变形、断裂分离塑性剪切变形2.尺寸精度ISO1113ISO693.冲裁断面质量：表面粗糙度Ra/m不垂直度 平面度Ra6.3大 大Ra=1.60.4小（单面0.0026/1） 小（0.02/10）4.模具 ：间隙 刃口双边（515）t%锋利单边0.5t%小圆角5.冲压材料无要求塑性好（球化处理）6.毛刺双向、大单向、小7.塌角（2030）%（1025）%8.压力机普通（单向力）特殊（三向力）9.润滑一般特殊10.成本低高（回报周期短）根据表2.9.1分析可知，要实现精密冲裁，工艺上必须采取一些特殊措施（1）采用带齿圈的压板，产生强烈压边作用力，使塑性剪切变形区形成三向压应力状态，且增加变形区及其邻域的静水压力。（2）凹模(或凸模)刃尖处制造出0.020.2mm左右的小圆角，抑制剪裂纹的发生，限制断裂面的形成，有利工件断面的挤光作用。（3）采用较小的间隙，甚至为零间隙。使变形区的拉应力尽量小，压应力增大。（4）施加较大的反顶亚压力，减小材料的弯曲，同时起到增加压应力的作用。图9 .2.3所示为一带强力齿圈压板精冲模精冲过程。6.2 精密冲裁的工艺方法冲裁工艺除上述带强力齿圈压板的精冲方法外，还有一些通过工艺措施来提高冲裁质量的工艺方法，这些变形条件要求不高，主要有：1. 整修它是将普通冲裁后的毛坯放在整修模中，进行一次或多次的整修加工，除去粗糙不平的冲裁断面和锥度，从而得到光滑平整的断面。经整修后，零件的尺寸精度可达IT67 级；表面粗糙度可达Ra0.40.8m。常用的修整方法主要有外缘整修、内孔整修、叠料整修和振动整修。图 2.9.4为外缘整修，图2.9.4b)为内孔整修。1凹模2切屑3凸模4工件图 2.9.4 整修2. 光洁冲裁（1）小间隙圆角刃口冲裁小间隙圆角刃口冲裁 (图2.9.5)与普通冲裁相比，其差别在于为廖6加强了冲裁区的静水压，起到了抑制裂纹的作用，采用了小圆角刃口和极小的冲裁间隙。落料时，凹模带有小圆角刃口 (图a)；冲孔时，凸模带有小圆角刃口(图b)。小圆角半径的数值。一般可取材料厚度的10%，模具间隙可取0.010.02mm。此方法适用于塑性较好的材料，如软铝、紫铜、软黄铜、05F和08F等。制件公差可达IT118级，粗糙度Ra可达1.60.4m。但冲裁力比普通时冲裁力大50%左右。图.9.5 小间隙圆角刃口冲裁(a)落料 (b)冲孔（2）负间隙冲裁(图2.9.6)负间隙冲裁的机理与小间隙圆角刃口冲裁基本相同。负间隙冲裁的凹模也带有小圆角刃口，其半径可取材料厚度的510，而凸模刃口保持锋利。由于采用了凸模刃口尺寸比凹模刃口尺寸大，间隙为负值；冲裁时小圆角刃口凹模处静水压作用很强。冲裁时，凸模工作端面在下止点位置不能与凹模面接触，而应保持0.10.2mm的距离，工件虽未全部挤入凹模，但可借助下一个工件冲裁时将它全部挤入并推出凹模。因此，冲裁力比普通冲裁大得多(冲裁铝件时，大3060%；冲裁软黄铜时，大2.252.8倍)，凹模也容易开裂。为防止开裂，可采用多层组合凹模；冲裁时，保持良好润滑，可延长模具寿命。负间隙冲裁时，由于凸模比凹模尺寸大，冲裁过程中出现的裂纹方向与普通冲裁相反，形成间隙冲裁可认为是落料与整修复合的工序。该工艺适用于冲压塑性较好的铝、铜和软钢。 图 2.9.6 负间隙冲裁3. 对向凹模精冲法目前，在精冲工艺中，常用强力压板精冲来获得工件的光洁冲裁面。然而，其静水压力大。凸模、凹模间的间隙小, 影响模具寿命；材料的金相组织要求高，精冲前需对材料球化处理；且搭边较宽，降低了材料的利用率；而塌角和毛刺也难以消除。对向凹模精冲法，是利用与负间隙整修相似的“准切削机理”，将冲裁废料(搭边)向外挤压流动的同时，而进行冲裁的方法。第七章 模具装配、使用寿命一、模具装配的技术