模具结构形式与模具设计计算

PAGE26/NUMPAGES26HYPERLINK"/"第1章冲裁件的工艺分析图1-1技术要求：材料：10钢材料厚度:2mm生产批量：1万件未注公差：IT121.1工件材料由图1-1分析知：10#钢为优质碳素结构钢，具有良好的塑性性、焊接性以及压力加工性，要紧用于制作冲击件、紧固件，如垫片、垫圈等。适合冲裁加工。1.2工件结构形状工件结构形状相对简单，有四个圆孔，孔与边缘之间的距离满足要求，料厚为2mm满足许用壁厚要求（孔与孔之间、孔与边缘之间的壁厚），能够冲裁加工。1.3工件尺寸精度依照零件图上所注尺寸，工件要求不高，尺寸精度要求较低，采纳IT12级精度，一般冲裁完全能够满足要求。依照以上分析：该零件冲裁工艺性较好，综合评比适宜冲裁加工。第2章冲裁工艺方案的确定方案一：先冲孔，后落料。单工序模生产。方案二：冲孔—落料复合冲压。复合模生产。方案三：冲孔—落料级进冲压。级进模生产。表2-1各类模具结构及特点比较模具种类比较项目单工序模（无导向）（有导向）级进模复合模零件公差等级低一般可达IT13～IT10级可达IT10～IT8级零件特点尺寸不受限制厚度不受限制中小型尺寸厚度较厚小零件厚度0.2～6mm可加工复杂零件，如宽度微小的异形件形状与尺寸受模具结构与强度限制，尺寸能够较大，厚度可达3mm零件平面度低一般中小型件不平直，高质量制件需较平由于压料冲件的同时得到了较平，制件平直度好且具有良好的剪切断面生产效率低较低工序间自动送料，能够自动排除制件，生产效率高冲件被顶到模具工作表面上，必须手动或机械排除，生产效率较低安全性不安全，需采取安全措施比较安全不安全，需采取安全措施模具制造工作量和成本低比无导向的稍高冲裁简单的零件时，比复合模低冲裁较复杂零件时，比级进模低适用场合料厚精度要求低的小批量冲件的生产大批量小型冲压件的生产形状复杂，精度要求较高，平直度要求高的中小型制件的大批量生产依照分析结合表分析：方案一模具结构简单，制造周期短，制造简单，但需要两副模具，成本高而生产效率低，难以满足大批量生产的要求。方案二只需一副模具，制件精度和生产效率都较高，且工件最小壁厚大于凸凹模许用最小壁厚模具强度也能满足要求。冲裁件的内孔与边缘的相对位置精度较高，板料的定位精度比方案三低，模具轮廓尺寸较小。方案三只需一副模具，生产效率高，操作方便，精度也能满足要求，模具制造工作量和成本在冲裁简单的零件时比复合模低。通过对上述三种方案的分析比较第3章模具结构形式的确定级进模是指在条料的送料方向上，具有两个以上的工位，并在压力机的一次行程中，在不同的工位上同时完成两道或两道以上的冲压工序的冲模。级进模的定距方式有两种：挡料销定距和侧刃定距。本模具采纳侧刃定距。侧刃代替了挡料销操纵条料送进距离（步距），侧刃是专门功用的凸模，其作用是在压力机每次冲压行程中，沿条料边缘切下一块长度等于送料近距的料边。在条料送进过程中，切下的缺口向前送进被侧刃挡块挡住，送进的距离即等于步距。第4章模具总体设计4.1模具类型的选择由冲压工艺分析可知，采纳级进模方式冲压，因此模具类型为级进模。4.2操作方式 零件的生产批量为1万件，但合理安排生产可用手动送料方式，既能满足生产要求，又能够降低生产成本，提高经济效益。4.3卸料、出件方式4.3.1卸料方式刚性卸料与弹性卸料的比较：刚性卸料是采纳固定卸料板结构。常用于较硬、较厚且精度要求不高的工件冲裁后卸料。当卸料板只起卸料作用时与凸模的间隙随材料厚度的增加而增大，单边间隙取（0.2～0.5）t。当固定卸料板还要起到对凸模的导向作用时卸料板与凸模的配合间隙应该小于冲裁间隙。现在要求凸模卸料时不能完全脱离卸料板。要紧用于卸料力较大、材料厚度大于2mm且模具结构为倒装的场合。，该工件的冲压生产采纳方案三第5章模具设计计算5.1排样、计算条料宽度、确定步距、材料利用率5.1.1排样方式的选择方案一：有废料排样沿冲件外形冲裁，在冲件周边都留有搭边。冲件尺寸完全由冲模来保证，因此冲件精度高，模具寿命高，但材料利用率低。方案二：少废料排样因受剪切条料和定位误差的阻碍，冲件质量差，模具寿命较方案一低，但材料利用率稍高，冲模结构简单。方案三：无废料排样冲件的质量和模具寿命更低一些，但材料利用率最高。通过上述三种方案的分析比较，综合考虑模具寿命和冲件质量，该冲件的排样方式选择方案一为佳。考虑模具结构和制造成本有废料排样的具体形式选择直排最佳。5.1.2计算条料宽度搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。搭边过大，白费材料。搭边过小，冲裁时容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还有拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降低模具寿命。搭边值通常由表4所列搭边值和侧搭边值确定。依照零件形状，查表4工件之间搭边值a=1.2mm,工件与侧边之间搭边值a1=1.5mm,条料是有板料裁剪下料而得，为保证送料顺利，规定其上偏差为零，下偏差为负值—△B0△=（Dmax＋2a1＋2b1）0△公式（5-1）式中Dmax—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；a1冲裁件之间的搭边值；b1侧刃冲切得料边定距宽度；（其值查表6）可得△=2.0mm。△—板料剪裁下的偏差；（其值查表5）可得△=0.6mm。B0△=50＋2×1.5＋2×2.0=57.00-0.60mm故条料宽度为57.0mm。为佳。表5-1搭边值和侧边值的数值材料厚度t（mm)圆件及类似圆形制件矩形或类似矩形制件长度≤50矩形或类似矩形制件长度＞50工件间a侧边a1工件间a侧边a1工件间a侧边a1≤0.251.01.21.21.51.5~2.51.8~2.6＞0.25～0.50.81.01.01.21.2~2.21.5~2.5＞0.5～1.00.81.01.01.21.5~2.51.8~2.6＞1～1.51.01.31.21.51.8~2.82.2~3.2＞1.5～2.01.21.51.51.82.0~3.02.4~3.4＞2.0～2.51.51.91.82.22.2~3.22.7~3.7表5-2一般剪床用带料宽度偏差△（mm）条料厚度t(mm)条料宽度b(mm)≤50＞50～100＞100～200＞200≤１0.40.50.60.7＞１～20.50.60.70.8＞2～30.70.80.91.0＞3～50.91.01.11.2表5-3侧刃冲切得料边定距宽度b1（mm）条料厚度t(mm)条料宽度b(mm)金属材料非金属材料≤1.51.52.0＞1.5～2.52.03.0＞1.5～2.52.54.05.1.3确定步距送料步距S：条料在模具上每次送进的距离称为送料步距，每个步距可冲一个或多个零件。进距与排样方式有关，是决定侧刃长度的依据。条料宽度的确定与模具的结构有关。进距确定的原则是，最小条料宽度要保证冲裁时工件周边有足够的搭边值；最大条料宽度能在冲裁时顺利的在导料板之间送进条料，并有一定的间隙。级进模送料步距SS=Dmax+a1公式（5-2）Dmax零件横向最大尺寸，a1搭边S＝50＋1.2＝51.2mm排样图如图5-1所示。图5-15.1.4计算材料利用率冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料的利用率，它是衡量合理利用材料的重要指标。一个步距内的材料利用率η＝Ａ/BS×100%公式（5-2）式中A—一个步距内冲裁件的实际面积；B—条料宽度；S—步距；由此可之，η值越大，材料的利用率就越高，废料越少。废料分为工艺废料和结构废料，结构废料是由本身形状决定的，一般是固定不变的，工艺废料的多少决定于搭边和余量的大小，也决定于排样的形式和冲压方式。因此，要提高材料利用率，就要合理排样，减少工艺废料。排样合理与否不但阻碍材料的经济和利用，还阻碍到制件的质量、模具的的结构和寿命、制件的生产率和模具的成本等指标。因此，排样时应考虑如下原则：1）、提高材料利用率（不阻碍制件使用性能的前提下，还能够适当改变制件的形状）。2)、排样方法使应操作方便，劳动强度小且安全。3)、模具结构简单、寿命高。4)、保证制件质量和制件对板料纤维方向的要求。一个步距内冲裁件的实际面积A=π×252-π×72-3×π×22-3(π×222×34/360-π×182×34/360)=1628.7mm2因此一个步距内的材料利用率Η=Ａ／BS×100%公式（5-2）=1628.7／51.2×57×100%=55.8%考虑料头、尾料和边角余料消耗，一张板材上的总利用率η总为η总=nA1／LB×100%公式（5-3）式中n—一张板料上冲裁件的总数目；A1—一个冲裁件的实际面积；L—板料长度；B—板料宽度。查板材标准，宜选用650mm×1300mm的钢板，每张钢板可剪裁为11张条料（57mm×1300mm）,每张条料能够冲25个工件，因此每张钢板的材料利用率η总=nA1/LB×100%公式（5-2）=25×1628.7/57×1300×100%=54.9%依照计算结果明白选用直排材料利用率可达54.9%，满足要求。5.2冲压力的计算5.2.1冲裁力的计算在冲裁过程中，冲裁力是随凸模进入凹模材料的深度而变化的。通常讲的冲裁力是指冲裁力的最大值，它是选用压力机和设计模具重要依据之一。用平刃冲裁时，其冲裁力Ｆ一般按下式计算：F=KLtτb公式（5-4）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；L=π×50+π×14+3π×4+3π（44+36）×34/360+2×51.2+2×8=500.2mm系数Ｋ是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动和不均匀，刃口磨损、板料力学性能和厚度波动等缘故的阻碍而给出修正系数，一般取Ｋ=1.3。τb的值查表2为310~380Ｍpa,取τb=380Mpa因此F=KLtτb=1.3×500.2×2×380=494197.6N5.2.2卸料力、顶件力的计算在冲裁结束时，由于材料的弹性回复（包括径向回复和弹性翘曲回复）及摩擦的存在，将使冲落的材料梗塞在凹模内，而冲裁剩下的材料则紧箍在凸模上。为使冲裁工作接着进行，必须将紧箍在凸模上的料卸下，将梗塞在凹模内的材料推出。从凸模上卸下箍着的料称卸料力；逆冲裁方向将料从凹模内顶出所需要的力称为顶件力。一般按以下公式计算：卸料力FX=KXF公式（5-5）顶件力FD=KDF公式（5-6）FX=KXF=0.04×494197.6N=19767.9N（KX、KD为卸料力系数，其值查表7可得）FD=KDF=0.06×494197.6N=29651.9N因此总冲压力FZ=F+FX+FD=494197.6N+19767.9N+29651.9N=543617.4N压力机公称压力应大于或等于冲压力，依照冲压力计算结果拟选压力机为J23—63。表5-4卸料力、推件力和顶件力系数料厚t/mmKXKTKD钢≤0.1＞0.1~0.5＞0.5~2.5＞2.5~6.5＞6.50.06~0.0750.045~0.0550.04~0.050.03~0.040.02~0.030.10.0630.0500.0450.0250.140.080.060.050.03铝、铝合金纯铜，黄铜0.025~0.080.02~0.060.03~0.070.03~0.095.3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，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心相重合，否则，会使冲模和力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨之间产生过大的摩擦，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，能够按下述原则来确定：1）.对称形状的单个冲裁件，冲模的压力中心确实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、多孔冲模、级进模的压力中心能够用解析计算法求出冲模压力中心。X0=（L1x1＋L2x2＋…Lnxn）/(L1＋L2＋…Ln)公式（5-7）Y0=（L1y1＋L2y2＋……Lnyn）/（L1＋L2＋…＋Ln）公式（5-8）用解析法计算压力中心时，先画出凹模形口图，如图5-5所示。在图中将XOY坐标系建立在建立在图示对称中心线上，将冲裁轮廓线按几何图形分解成L1~L5共3组差不多线段(注：由于图中3个圆弧形孔均以一个点为圆心的等分列阵排列，因此其几何图形为一组)，用解析法求得该模具压力中心的坐标。有关计算如表5-5所示。由以上计算结果能够看出，该工件冲裁力不大，压力中心偏移坐标原点O较小，为了便于模具的加工和装配，模具压力中心依旧选在坐标原点。图5-2表5-5压力中心的计算差不多要素长度L/mm差不多要素压力中心的坐标值（mm)XYL1=15700L2=180.851.20L3=4451.20L4=102.451.20L5=1676.80合计500.233.3（取33）05.4模具刃口尺寸的计算5.4.1冲裁间隙分析依照JB/Z271——86规定，冲裁间隙是指凸，凹模刃口间隙的距离，用符号C表示，其值可为正也可为负，在一般冲裁模中均为正值。它对冲裁件的断面质量有极其重要的阻碍，此外，冲裁间隙还阻碍模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。因此，冲裁间隙是冲裁工艺与模具设计中的一个特不重要的工艺参数。1）、间隙对冲裁件尺寸精度的阻碍冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与差不多尺寸的差值，差值越小，则精度越高，那个差值包括两方面的偏差，一是冲裁件相关于凸模或凹模的偏差，二是模具本身的制造偏差。2）、间隙对模具寿命的阻碍模具寿命受各种因素的综合阻碍，间隙是也许模具寿命诸因数中最要紧的因数之一，冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间，凹模与落料件之间均有摩擦，而且间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严峻，因此过小的间隙对模具寿命极为不利。而较大的间隙可使凸模侧面及材料间的摩擦减小，并延缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，出现间隙不均匀的不利阻碍，从而提高模具寿命。3）、间隙对冲裁工艺力的阻碍随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，因此冲裁力减小。通常冲裁力的降低并不显著，当单边间隙在材料厚度的5~20%左右时，冲裁力的降低不超过5~10%。间隙对卸料力推料力的阻碍比较显著。间隙增大后，从凸模里卸料和从凹模里推料都省力当当单边间隙达到材料厚度的15~25%左右时的卸料力几乎为零。但间隙接着增大，因为毛刺增大，又将引起卸料力、顶件力迅速增大。4）、间隙值的确定由以上分析可见，凸、凹模间隙对冲裁件质量、冲裁工艺力、模具寿命都有专门大的阻碍。因此，设计模具时一定要选择合理的间隙，以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求，所需冲裁力小、模具寿命高，但分不从质量，冲裁力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值，只是彼此接近。考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在那个范围内，就能够冲出良好的制件，那个范围的最小值称为最小合理间隙Cmin，最大值称为最大合理间隙Cmax。考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时要采纳最小合理间隙值Cmin。确定合理间隙的方法有经验法、理论确定法和查表法。依照近年的研究与使用的经验，在确定间隙值时要按要求分类选用。关于尺寸精度，断面垂直度要求高的制件应选用较小的间隙值，关于垂直度与尺寸精度要求不高的制件，应以降冲裁力、提高模具寿命为主，可采纳较大的间隙值。其间隙暂取厚度的12%，因此由公式：Zmin=厚度×12%公式（5-9）取中间间隙可得：Zmin=2×12%=0.24mm由于工件形状较简单，因此可分不加工凹、凸模。5.4.2落料尺寸落料尺寸大小为：为保证冲出合格冲件。冲裁件精度IT10以上，X取1.冲裁件精度IT11~IT13,X取0.75.冲裁件精度IT14，X取0.5。由于本产品采纳IT14级精度，因此X取0.5.Φ500-0.62DA=(Dmax－△x)+0.020=(50－0.62×0.5)+0.020=49.69+0.020DT=(DA－Zmin)0-0.02=(49.69－0.24)0-0.02=49.450-0.025.4.3冲孔尺寸冲孔尺寸大小为：Φ140+0.43dT=(dmin＋△x)0-0.02=(14＋0.43×0.5)0-0.02=14.220-0.02dA=(dT＋Zmin)+0.020=(14.22＋0.24)+0.020=14.46+0.020Φ20+0.25dT=(dmin＋△x)0-0.02=(4＋0.25×0.5)0-0.02=4.130-0.02dA=(dT＋Zmin)+0.020=(4.13＋0.24)+0.020=4.37+0.020第6章要紧零部件设计6.1工作零部件的结构设计6.1.1凸模零件外形相对简单，依照实际情况并考虑加工，为了满足凸模强度和刚性，将凸模设计成阶梯式，使装配修磨方便。采纳成形铣、成形磨削加工。落料凸模总长L：L＝H1＋H2＋H3＋H4公式（6-1）＝18＋15＋16＋2＝51mmH1为凸模固定板厚度，H2为橡胶安装高度，H3为卸料板厚度，H4为凸模凹进卸料板的深度。6.1.2落料凹模落料凹模采纳整体凹模，采纳线切割机床加工，安排凹模在模架上的位置时，要依据计算压力中心的数据，将压力中心与模柄中心重合。其外形尺寸按相关公式计算：凹模厚度H＝KS公式（6-2）＝0.35×50＝17.5mm(查表6-1取K＝0.2)取凹模厚度H＝18mm凹模宽度B=料宽＋2预设导料板宽度公式（6-3）=57＋2×32=121mm依照JB/T7643.1-1994规定，取凹模宽度B=125mm凹模长度L＝n（次数）×步距+两边距离公式（6-4）＝2×51.2+2×15~20＝132.4~142.4mm依照JB/T7643.1-1994规定，以及凹模宽度对比，取凹模长度L=160mm。（其中S为垂直于送料凹模刃壁间最大距离，K为系数查相关图表可得。）凹模整体轮廓尺寸L×B×H=160mm×125mm×18mm表6-1凹模厚度系数KS/mm材料厚度t/mm≤1＞1～3＞3～6≤500.30～0.400.35～0.500.45～0.60＞50～1000.20～0.300.22～0.350.30～0.45＞100～2000.15～0.200.18～0.220.22～0.30＞2000.10～0.150.12～0.180.15～0.226.2卸料部件的设计6.2.1卸料板的设计卸料板采纳Q235制造，卸料板轮廓尺寸与落料凹模轮廓尺寸相同，厚度依照JB/T8066.2-1995规定，选用160mm×125mm×140-170组模具参考，其厚度为16mm。6.2.2卸料螺钉的选用卸料板上设置4个卸料螺钉，公称直径为10mm,螺纹部分为M8×6mm,卸料螺钉尾部应留有足够的行程空间，以保证卸料的正常运动。卸料螺钉拧紧后，应使卸料螺板超出凸凹模端面1mm,有误差时通过在螺钉与卸料板之间安装垫片来调整。6.3模架以及其他零部件的选用该模具采纳对角导柱模架。由于导柱安装在模具压力中心对称的对角线上，因此上模座在导柱上滑动平稳。常用于横向送料级进模或纵向送料的落料模、复合模。以凹模轮廓尺寸为依据，选择模架规格。上模座按GB/T2855.2-1990规定，厚度取30mm,垫板厚度取6mm,固定板厚度取18mm,卸料板厚度取16mm,下模座按GB/T2855.2-1990