《一种钢制扣件的冲压模具设计》15000字（论文）

摘要近年来扣件在很多领域上都有重要的地位，尤其是在建筑领域上。它一般作为两个构件的零件，为脚手支撑的稳定提供了很好的基础。正是因为如此，扣件的需求量也在不断增加。但随之而来就是对扣件的质量和性能要求也变高了，特别是在施工时优先考虑它的安全性。扣件质量与它所使用的材料和加工工艺有关，在材料上，人们往往可以通过材料的机械性能的筛选得到刚性和韧性好的材料。相对而言是提高扣件质量的一种简单的方式，在加工上，一套良好的设计方案才可以生产出一个合格的零件。

传统的扣件铸造会出现刚性差和韧性低等问题，还有就是生产过程中会产生材料利用率低和污染环境的问题。对此本文设计了一个扣件新的加工方案。在模具技术成熟的背景下，对扣件进行冲压工艺设计。在对扣件外形和结构分析后，确定了扣件的成形工艺，就是使用弯曲冲压模具生产。研究模具的设计方法，保证模具的设计合理性。

对扣件的加工方案为采用相对简单的单工序模，工件采用的成形工序是切断工序和弯曲工序。并对此展开一系列的计算，和二维图纸的绘制，分析出本次设计的优缺点。关键词：扣件成形工艺冲压弯曲模具1绪论1.1课题研究的目的和意义脚手架钢扣件拥有良好性能，在建筑中的广泛应用。它的抗变形能力和抗滑性能都很强，所以能够有效减少施工中出先的安全事故，具有很好的安全优势。所以它的日益完善以及性能的增强有很重大的意义。再者扣件本身不易生锈和破损，减少了成本和提高了工作效率。

本文在对扣件进行冲压弯曲模具设计时，可以进一步完善加工工艺，缩短生产所需要的时间，提高弯曲件的性能。对扣件投入生产起着指导性意义，还有就是可以发现在冲压过程所产生的缺陷。1.2国内外冲压模具技术的发展现状1.2.1国内发展现状随着国民经济的高速发展，模具在市场上中有着很重要的地位。模具产业的增长速度保持在15%左右稳步发展提升，模具工业企业的所有制成分也发生了很大变化，不但国有专业模具厂快速发展，集体、合资、私营等企业也得到了快速发展[1]。在汽车、电子产品、仪表设备、家电等产品中，一大半以上的零部件都要需要模具成形（型）。用模具成形的制件拥有高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗的特点[7]，是其它加工生产的产品所不能相比的。模具可以实现利益的最大化，用模具生产的产品带来的效益，常常比模具自身价值高个几十倍、上百倍。如今全球模具年产值大概是6000千万美元，日本、美国等工业发达国家的模具产业产值已超过了机床产业。我国的冲模不但在设计和制造的方案和途径上基本接触到国际水平，而且结构功能也往国际水平靠近。但在产品的质量、精度、制造周期和成本上仍比不上于发达国家水平[2]。

另一方面，大量制造电器类产品的商家引入CAD/CAM系统并且达到了集成化发展程度。在数控加工上的使用率越来越高，获得了一定的经济价值，促进了我国在模具CAD/CAE/CAM技术上的发展。目前的国内许多冲压模具企业淘汰了传统的绘图板和落后的手工绘图途径。人气最高的软件是由美国Autodesk公司出品的AutoCAD软件，另外，一些商家在这个平台上还研究了二次开发。然而我国的CAD/CAM/CAE等计算机辅助技术的软件开发还在落后的程度，仍需要积蓄知识和经验。据统计我国对此技术的普及率并不高，应用仍不够广泛。仅有约10%的模具在设计中使用了CAD技术。而在使用CAE进行模具方案的设计和分析方面起步更晚，在这一方面的技术不足是由于缺乏先进的制造设备和工艺设备，只有5%左右的模具制造设备被应用于这项工作。

国内的制造技术水平高的仅出现在少数重点公司，行业内整体技术水平还在落后阶段上。具体表现于质量低的冲压件，不节能，经济价值低，工件精度差，污染较严重等方面。另外我国的生产管理还很落后，手工制作工艺比例高，工人技术质量低，这在一个企业中是非常大的弊端。在精度方面，我国整体冲压件的尺寸精度和表面粗糙度水平低，即使有在这方面的技术改良，但在许多企业形成一个标准的体系非常困难。大量的企业常常被动执行标准，体现在低于标准国标(GB)和国际标准（ISO）上。因此一些企业制造的产品的不良率达到30%左右，从此可以看出我国的生产技术有待提高和完善。

再者就是我国冲模的动力来源压力机，越来越多的高速精密压力机投入市场生产，冲孔的实力速率可达2000次/分钟，弯曲处理可达500～800次/分钟。还有就是级进模的重量从几公斤增加了几百公斤。综上所述我国的发展空间很大，需要不断积累经验和知识才能使模具行业各方面都可以达到世界领先水平[6]。1.2.2国外发展现状国外的模具行业因为起步较早，所以具有很先进的生产管理知识和经验，尤其在欧美和日韩等国家。他们的拥有优秀的基础很值得国内的各种模具企业学习和参考。国外的模具企业常常把高技术手段实践在模具的设计和制造上，可以从在高速切削、五轴高速加工技术的普及，快速成形和制模技术的普遍应用看出。国外高素质人才济济，工作于模具行业的人员可以做到拥有多种工作能力，还可以从事多个工位，精益生产。这些企业将生产的产品在市场的精准定位，另一方面很多企业都在使用优秀的信息管理系统完成了集成化管理，它们在工艺设计和标准化方面的成就都很高[4]。

据统计，在国外发达国家的机械制造业在整个国家制造业上的占有率为60%以上，所以国外的机械制造有些开发和现代设计理念。它们的计算机辅助设计、可靠性设计等优秀的方案和技术，从内在里改变了落后的设计的思想和方式。国外可以做到从设计到售后实现一体化服务，而且目前还在研发新科技。发达国家体现在冲压技术先进，良品好，效率高，节能等优点上，值得一提的是材料的供应已发展为商业化标准。综上所述国外的模具行业大部分可以做到机械化、自动化和智能化生产[5]。1.3冲压模具内容1.3.1冲压的基本概念冲压是将模具在冷冲压的环境中，把材料在压力机提供压力的条件下使之分离或者变形，最后得到所需求形状的工件。常用的材料有板料、带料和棒料，本次设计用到的材料为棒料。这种在冲压的方法加工出来的工件叫做冲压件[9]。冲压在原料方面的选取条件因料厚薄程度而定，比如薄板冲裁时需要用到耐磨性和硬度高的材料，厚板冲裁时需要用到具耐磨性、抗压屈服点高的材料。另外为阻止模具损坏，还需要求材料的断裂抗力、较高的抗弯强度和韧性等性能良好。1.3.2冲压加工工序冲压工序可分为两大工序，分离工序和成形工序。分离工序就是在冲压成形时，材料内在的应力大于强度极限，工件和胚料沿着所需的工件轮廓线分开，然后得到所需零件，这时还要求断面质量要满足所需的要求。分离工序包括落料、冲孔、切断、切边、切舌、剖切、整修、精冲等基本工序[11]。成形工序指的是在冲压成形时，材料内在的应力大于屈服极限，但这时候胚料还没被毁坏，材料发生塑性变形，然后得到所需零件，这时还要满足所需的精度要求。成形工序包括弯曲、拉深、翻边、等工序。两大工序的基本工序的工序特征。分离工序中，落料：板材在冲压时，冲下的材料为零件。冲孔：板材在冲压时，冲下的材料是废料。切断：模具切断板料时，切断线是不封闭的曲线。修边：使用模具把冲压件的边缘上多余材料切掉。成形工序中，弯曲：使用模具把材料弯成所需的形状。拉深：使用模具把材料压成任何外形的空心零件。翻边：将工件半成品的边边成形成竖直边。整形：把冲压件不平的面压平，使已经弯曲或者拉深的冲压件压成准确的外形。1.3.3冲压的注意事项落料和冲孔时应该考虑落料件的外形和冲孔件的孔形对称，尽量使用规则类型的形状。孔径的尺寸，还有冲裁件的结构尺寸尽量定大一些为了保证模具的强度。工件上的直线无论是与直线还是与曲线的交接，在交接处都采取圆弧连接，可以规避交接处的应力集中而破损。这样做还可以保护模具，减少磨损[14]。

拥有弯曲结构的工件的形状应该尽可能保证对称性，另外弯曲半径不可以小于材料的许用最小弯曲半径。这样可以保护材料的外层，不使它发生断裂。弯曲一些有孔的工件时，孔和弯曲部分的最小距离应参考下列的不等式。当t＜2mm时，l＞t。反之，l＞2t。上述的t为材料厚度，l为孔到弯曲部分的长度。这样可以避免孔发生变形。在无法满足条件时，可以优先加工弯曲部分，最后再加工孔的部分。

拉深时，拉深件的外形应该简易且对称，它的深度不必过大。这样做最大作用就是减少拉深次数。拉深件的圆角半径可以设计大一些，方成形和减少拉深的次数。1.4AutoCAD、Solidworks的使用AutoCAD即计算机辅助设计，拥有强大的绘图和编辑功能，常用来绘制二维图形，也可以绘制三维模型。机械制图与CAD的结合使用，可以节省很多时间和提高精度。本次设计的二维图全程使用CAD绘制[18]，可以清晰表达出模具的尺寸以及便于理解模具结构。在此过程会用到不同类型的线条绘制装配图和零件图，有轮廓线，虚线等线条，零件图。

SolidWorks的使用更能直观的看出零件的模型。由于立体图形，可以进行剖切来观察零件内部结构。另外使用SolidWorks绘制的三维模型可以导出工程图，可以方便的得到零件某些部位的尺寸[19]。在此过程用到的命令主要是扫描曲线命令，非常快速的得到扣件的三维模型。1.5冲压工艺设计的内容及步骤1.5.1工艺的设计

（1）通过冲压件的产品图，分析出冲压件的外形特点，尺寸大小，精度多少，坯料尺寸和物理力学性能。分析可以选择的压力机的规格和模具的生产条件，判断能否批量生产。另外还要分析工件的冲压工艺性。以上的分析目的是为了减少材料的消耗、工序数目、占用设备数和提高模具的使用寿命、产品质量。也使得整体操作简单化[14]。

（2）对工艺方案的确定，还有参数的计算[8]。在冲压工艺分析后，找到工艺和模具设计的特征和难点，然后根据实际情况得到每个冲压工艺方案的可能。其中的内容包括工艺性质、工序数目、工序顺序和组合方式等等[16]。当一个工件存在好几种可用的冲压工艺方案时，还需要再仔细分析。可以考虑产品的质量、生产效率、设备占用情况、模具制造的难易和寿命高低，还有就是从生产成本、操作方便和安全可靠程度进行综合考虑。还需知道工艺方案所依据的数据即工艺参数，一般的工艺参数有成型系数、零件的展开尺寸和冲裁力、成形力和卸料力等。在计算时，可以获取较精准的数据，包括工件排样的利用率、冲裁压力中心、工件的面积等。有些数据无法算出准确值，但可以使用近似值，比如一般弯曲或拉深的成形力、复杂零件坯料展开长度等等。它们的值可以参考经验公式和图表进行简单计算。

（3）选择冲压设备时，优先考虑冲压工序性质和冲压设备的力值，综合考虑冲压加工需要的变形力、变形功、模具闭合高度和轮廓尺寸大小[13]。选择的压力机应是工厂现有设备。工厂常用的压力机主要有曲柄压力机、液压机和伺服压力机。曲柄压力机的冲压速度较快且成本较低，液压机虽然可以提高很大的压力但冲压速度较慢，一般用在大型零件上。伺服压力机虽然可以控制压力的变化，但是压力有限且成本昂贵[12]。所以对于冲压设备的选择，一般选择曲柄压力机。1.5.2模具设计程序（1）模具种类和结构形式的确定常常考虑工艺方案、冲压件的形状特征、精度要求、生产数量和安全性能等[17]。

（2）选择工位定位方式时，常常依据定位基准、上料方式和操作安全等因素。工位的定位基准与设计基准必须重合，不重合则需考虑尺寸链计算，重新分配公差，把设计尺寸换算成工艺尺寸。当零件采用多工序在不同的模具冲压时，每个工序都应采用统一基准。为了增加定位的可靠性，可以选取精度高、冲压不良变形和移动小的表面作为定位表面[8]。定位的表面会随着零件的形状改变，比如，板件要用相距较远的两个孔定位，或一个孔和外形定位。弯曲件可以用孔或者形体来定位。拉深件可以根据外形、底面或者切边后的凸缘定位。

（3）选择卸料方式时，考虑到要把冲压件或废料卸掉以保证下一次冲压的顺利进行，所以应该选取合适卸料方式和设计出合理的卸料装置。操作方式选择压料、卸料装置的形式可以作为依据。操作方式可以是板料的送进方式包括自动或手动操作，另外可以分析是上出料还是下出料的出料方式也可作为依据。而卸料装置可以考虑冲压件的平整度要求和料厚程度。比如，对于硬厚且加工精度要求不高的冲压件，可选用刚性卸料；对于料厚在小于1.5mm且冲裁精度要求较高的工件，可选用弹性卸料；对于弯曲和拉深工艺成形的工件，要考虑不损坏成形部位又能满足卸料要求，选取相应的卸料方式或者卸料装置[10]。我认为卸料装置的设计，可以直接影响工件的质量甚至生产效率和安全程度。

(4)模具设计计算时，需要计算模具的压力中心以防止模具会受到偏心载荷的作用导致减少模具的精度和使用寿命。此外还要计算出模具的重要零件的外形尺寸，比如，凹模、凸模固定板、垫板等的尺寸。然后是选择合适的标准模架和计算卸料弹簧或者橡胶的自由高度。确定好凸、凹模间隙和计算凸、凹模工作部分的尺寸。最后是关于压力机型号的选择，必须满足Hmax≥5mm+Hm，Hmin≤Hm-10mm的要求，在此式中Hmax、Hmin分别为压力机的最大和最小装模高度，Hm为模具闭合高度，它们的单位都为mm[15]。一台压力机上无论模具的安装数量多少都应保持一样的闭合高度。而且压力机的公称压力Fg一定要大于冲压计算的总压力F总。在压力机的滑块行程选择，必须满足工件的成形要求，而对于拉深工艺而言，它的行程就考虑大于拉深件的高度2～2.5倍，目的是方便放料和取件。在选取压力机的工作台面时，其尺寸必须大于模具尺寸，一般每边都应大于50～70mm，这样的设计既方便安装模具，还可以保证冲压件或废料的顺利取出[11]。

(5)模具设计最后还应通过以上计算绘制出模具总装配图和零件图。一些非标准件还可以根据以上计算出最终结果后而设计。2钢制扣件冲压工艺分析本次冲压的工件为扣件，常用于连接固定两个构件，保证整个系统稳定，因此需要较好的性能，此扣件的的材质为Q235，零件的直径为5mm。此产品为弯曲件，需满足其表面质量良好、变形程度的充分、弯曲过程无裂痕等要求[20]。从图2.1可看出该冲压件，整体呈现弯曲状，空间结构复杂，需要用到弯曲模具进行加工。图2.1扣件图2.1材料分析经查表，Q235的抗剪强度τ=310~380MPa，抗拉强度σb=260~350MPa，伸长率为δ=21%~30%，其力学性能良好[28]。材料的化学成分可见表2.1。表2.1Q235化学成分元素CSiMnPS质量分数（%）0.32~0.370.25~0.450.50~0.80<0.04<0.042.2冲压工艺方案确定根据钢制扣件的空间结构复杂特点，在模具的选择上，采用单工序模具。选择的冲压工艺方案为切断和弯曲，分四道工序设计。第一道工序为切断工序，第二道、第三道和第四道工序为弯曲工序。其成形过程如图2.2所示。图2.2成形过程图3切断工艺分析3.1毛坯尺寸的计算已知棒料的厚度t=5mm，材料为Q235。弯曲部分的尺寸在满足r>条件下，定下尺寸[21]r1=5.91，r2=7.5，r3=32.5。如图3.1所示为毛坯的尺寸图。图3.1毛坯尺寸图3.2切断力的计算切断坯料所需要的的力：查材料力学性能：=300MPa[28]F===241.5KN（3-2）式中，F为切断力（KN），L为有效接触周长（mm）,t为厚度（mm），为材料的抗剪强度。3.3卸料力的计算根据公式计算卸料力：F卸=K卸F=0.03241.5=7.245KN（3-3）式中，K卸为卸料力系数，F为冲裁力。3.4压力机的选用本次的冲裁件的尺寸相对较小，而且切断工序的行程较短，所以可选用开式曲柄压力机。其操作空间较大，方便操作、安装和维修，且成本较低。切断力始终处于压力机滑块的许用负荷曲线之内[23]。选择压力机时，需满足Fg>F切，上式计算结果为F切=241.5KN，所以选择压力机型号为J23-25，表3.1为它的技术规格。表3.1J23-25型号主要技术规格型号J23-25公称压力（104牛）25滑快行程（毫米）65滑块行程次数（次/分）55最大封闭高度（毫米）270封闭高度调节量（毫米）55滑块中心线至床身距离（毫米）200立柱距离（毫米）270工作台尺寸（毫米）前后370左右560工作台孔尺寸（毫米）前后200左右290直径260垫板尺寸（毫米）厚度50直径模柄孔尺寸（毫米）直径40深度60滑块底面尺寸（毫米）前后左右床身最大可倾角30°3.5变形功计算根据公式：W===483J（3-4）式中，W为冲裁变形功（J）；F为冲裁力（N）；t为料厚（mm）；x为系数，由材料的种类及厚度决定，见表3-2。校核所选取的压力机的电动机功率。根据公式：N=KW（3-5）式中N为电动机功率（KW）；K为不平衡系数，K=1.2~1.4；η1为压力机效率，η1=0.6~0.8；η表3-2系数x的数值材料材料厚度1以下材料厚度1~2材料厚度2~4材料厚度4以上软钢中等硬度钢硬钢0.70~0.650.60~0.550.45~0.400.65~0.600.55~0.500.40~0.350.60~0.500.50~0.420.35~0.300.45~0.350.40~0.300.30~0.153.6切断模结构设计3.6.1凸、凹模间隙凸、凹模间隙会直接影响冲压件的断面质量、尺寸精度和模具寿命，如果二者间隙过小就会损坏模具，从而降低模具寿命，如果间隙过大，则坯料表面粗糙和形成较多的废料[24]。凸、凹模间隙一般与材料性能、厚度和冲压件外形有关。综合考虑之下，C=kt==0.35,式中，C为间隙值，k为间隙系数，t为材质厚度。k的值可查表3-3，可得k=0.07表3-3冲裁间隙（单面间隙C=kt）材料小间隙中等间隙大间隙低碳钢中碳钢高碳钢0.03~0.070.035~0.080.08~0.120.07~0.10.08~0.110.12~0.150.1~0.1250.11~0.150.15~0.184切断模零件4.1模架考虑到送料以及取件方便，选用后侧导柱模架GB/T2851.4-90，其材料为HT20-40，I级精度。其零件图如图4.1所示。图4.1后侧导柱模架凹模周界选取L=315mm、B=200mm、闭合高度H=240~285mm，查表后，相关零件尺寸如表4.1所示。表4.1GB/T2851.4-90零件件号、名称及标准编号规格上模座GB/T2855.5315×200×50下模座GB/T2855.6315×200×65导柱GB/T2861.135×230导套GB/T2861.635×125×484.2上模座根据凹模周界L=315，B=200，查国标GB/T2855.5，得：H=50，S=305，R=55，L1=355，材质为HT200的后侧导柱上模座，其零件图，如图4.2所示。图4.2上模座零件图4.3下模座根据凹模周界L=315，B=200，查国标GB/T2855.6得：H=65，S=305，R=55，L1=355，材质为HT200的后侧导柱下模座，其零件图，如图4.3所示。图4.3下模座零件图4.4导柱根据表4.1模架相关的零件规格，选取A型导柱，查国标GB2861.1，D=，L=230。其零件图比例为1:2，如图4.4所示。图4.4导柱零件图4.5导套根据表4.1模架相关的零件规格，选取A型导套，查国标GB2861.6。得d=，D=。其零件图比例为1:2，如图4.5所示。图4.5导套零件图4.6凸模凸模的结构设计为台阶式凸模，固定的方式为采用螺钉固定，便于拆换凸模。其外形尺寸，无法选取国标。其零件图，如图4.6所示。图4.6凸模零件图4.7凹模本次工艺的凹模，其沟槽有着定位的作用。沟槽的最大极限尺寸为：5+0.02=5.02mm，最小极限尺寸为5+0.01=5.01mm，所以其外形尺寸为D=，凹模的零件图，如图4.7所示。图4.7凹模零件图4.8沉头螺钉查国标GB68-76得：D=22，d=12，n=3，t=2.5，，h=5.8，L=85，L0=40。其零件图如图4.8所示。图4.8沉头螺钉零件图4.9垫板选用矩形垫板，查国标GB2858.3-81，L=379，B=200，材质为45号钢，其零件图如图4.9所示，比例为1:4。图4.9垫板零件图4.10卸料板采用四根卸料螺钉连接，所以在卸料板上留有四个螺钉孔，材质为45号钢。其零件图如图4.10所示，比例为1:4。图4.10卸料板零件图4.11挡料块位于凹模左边，用于控制工件毛坯的送进距离。所以在其表面设有沟槽，用于导向。挡料块尺寸如图4.11所示。图4.11挡料块零件图4.12装配图工作过程为：人工将工件从右边向左送进模具，经过承料块17，凹模16进行导料，挡料块4控制毛坯送进距离，当毛坯到位时，上模下行，承料块和橡胶19承载，然后切断，最后上模上行，承料块和橡胶恢复原状，取下工件。整个切断模具的结构相对简单，且操作方便。图4.12装配图5预弯弯曲工艺分析经过切断工序后得到的一定长度的毛坯，可进行下一道弯曲工艺的完成得到的零件如图5.1所示。图5.1预弯曲零件5.1最小弯曲半径由于弯曲半径越小，棒料外表面的变形程度越大。反之，则棒料外表面会因大于材料的最大许用变形而发生裂痕。影响最小弯曲变形的因素有材料的力学性能、弯曲线方向、材料的表面质量、弯曲角度等[27]，所以最小弯曲半径会很大程度上影响弯曲工艺。最小弯曲半径可根据以下公式计算。=(5-1)r==(5-2)式中，r为最小半径（mm）；t为材料厚度（mm）；为收缩率；为伸长率，一般为30%。5.2应变中性层应变中性层的半径可根据以下公式计算。=5.91+0.335=7.56（5-3）式中，为应变中性层半径（mm）；r1为弯曲半径（mm）；t为材料厚度（mm）；x为中性层的位移系数，查表5.1可得。表5.1中性层的位移系数x值r/tx1.20.331.50.366.50.485.3弯曲件毛坯长度弯曲件的尺寸如图5.2所示，该冲压件满足r1>0.5t的要求，这类弯曲件的展开长度可以根据应变中性层在弯曲时不变[29]的原则进行计算。L=2a+b+2==273.95mm(5-4)式中，L为毛坯展开长度（mm）；a和b为直边长度（mm）；为中性层半径（mm）。图5.2弯曲毛坯5.3弯曲力计算（1）自由弯曲力的计算：预弯弯曲力计算公式为：F1==N(5-5)式中，F1为自由弯曲力（N）；S1为弯曲件截面面积（mm2）；t为材料厚度（mm）；r1为弯曲件内弯曲半径（mm）；σb为材料抗拉强度（MPa）；K（2）校正弯曲力的计算：校正弯曲力的计算公式为：F=PA=N（5-6）式中，F为校正弯曲力（N）；A为矫正的投影面积（mm2）；P为单位面积上的矫正力（MPa）查表5.2可得，P=80。表5.2单位矫正力P值材料板料厚度t/mm1~33~6铝20~3030~40黄铜30~4060~8010~20号钢40~6080~1005.4顶件力和压料力的计算对于设有顶件装置或压料装置的弯曲模，顶件力或压料力可近似取自由弯曲力的60%~80%，即1411.824N。5.5压力机的选用选择压力机时应满足，因为校正力是发生在下死点附近处，与自由弯曲力不存在重叠关系[30]，数值也比压料力大很多。所以可以根据校正力选择压力机。综合考虑，选取J23-16型号压力机，其技术规格如表5.3所示。表5.3J23-16型号主要技术规格型号J23-16公称压力（104牛）16滑快行程（毫米）55滑块行程次数（次/分）120最大封闭高度（毫米）220封闭高度调节量（毫米）45滑块中心线至床身距离（毫米）160立柱距离（毫米）220工作台尺寸（毫米）前后300左右450工作台孔尺寸（毫米）前后160左右240直径210垫板尺寸（毫米）厚度40直径模柄孔尺寸（毫米）直径40深度60滑块底面尺寸（毫米）前后左右床身最大可倾角35°6弯曲模零件设计6.1凸模、凹模的间隙考虑到弯曲U型件时，凸模、凹模之间的间隙会影响弯曲件的质量，需要确定合理的间隙值。因为间隙值太小会使得材料厚度变小，影响模具寿命。太大的间隙值，则增加弹复角[31]。间隙值的大小可依据下式计算：mm（6-1）式中，c为间隙值（mm）；t为材料厚度（mm）；K为依据工件高度H和弯曲线长度b决定的系数，其大小如表6.1所示。表6.1系数K的数值弯曲件高度H/mm板料厚度t/mm＜0.5 4.1~5b≤2h200.050.03350.070.031000.070.056.2弯曲模工作部分尺寸计算（1）凸模圆角半径在满足内弯曲半径大于最小弯曲半径的条件下，弯曲半径一般取r凸=r，本次弯曲件的内弯曲半径为5.91mm，大于rmin=5.87，满足r凸>rmin所以r凸=5.91。凸模宽度尺寸计算LP==（6-2）式中，L为弯曲件公称尺寸（mm）；LP为凸模工作部分尺寸（mm）；δ凹模圆角半径凹模圆角半径满足r凹>3mm，防止弯曲过程中材料表面被破坏[28]，且两边圆角半径相等，即r凹=6mm。凹模宽度尺寸计算Ld=（6-3）式中，Ld为凹模工作部分尺寸（mm）；Lp为凸模工作部分尺寸（mm）δd（5）凸模承压能力校核：σ=FA≤σ式中σ（6）凸模失稳弯曲应力校核：Lmax≤π2EJ4nF式中E为凸模弹性模量，可取E=2.2×105MPa,J为凸模最小截面惯性矩，n为安全系数，取2。经计算，凸模满足该条件。6.3凸模该凸模的外形设计，来源于预弯曲件的形状，其固定方式为：与凸模固定板配合，上面留有台阶。凸模的尺寸大小如图6.1所示，比例为1：4。图6.1凸模零件图6.4凹模凹模外形依据弯曲件形状设计，其固定方式为：通过销钉与模座连接，所以在设计时需要在凹模合适的地方设计销钉孔的尺寸。具体尺寸如图6.4所示，比例为1:4。图6.4凹模零件图6.5上模座考虑到需要螺钉和销钉连接其他零件，所以在模座上需要设计销钉和螺钉孔。根据凹模周界L=315，B=200，查国标GB/T2855.5，得：H=50，S=305，R=55，L1=355，材质为HT200的后侧导柱上模座，其零件图，如图6.5所示。图6.5上模座零件图6.6下模座因为考虑到需要顶杆、螺钉和销钉，所以在下模座上需要预留销钉孔、螺钉孔和顶杆孔。根据凹模周界L=315，B=200，查国标GB/T2855.6,得：H=65，S=305，R=55，L1=355，材质为HT200的后侧导柱下模座，其零件图，如图6.6所示。图6.6下模座零件图6.7模柄模柄的选用为压入式模柄，查国标GB2862.1-81得：D=，d=。具体尺寸，如图6.7所示。图6.7模柄零件图6.8销钉查国标GB119-76得：L=120.32，d=8。材料为35号钢，热处理硬度HRC28~38不经表面处理，具体尺寸如图6.8所示。图6.8销钉零件图6.9垫板垫板需要与螺钉和销钉配合在上模座下表面，所以垫板上留有销钉和螺钉孔，具体尺寸可见图6.9。图6.9垫板零件图6.10顶件块顶件快位于凹模、挡料块之间，下端通过顶杆连接，可提供推力给顶件快将制件顶出。此装置需要与凹模内径相配合，所以可以根据凹模尺寸确定顶件快尺寸。具体尺寸如图6.10所示。图6.10顶件块零件图6.11装配图整套模具采用单工序模结构，装配图如图6.11所示。冲压过程如下：人工将已经切好的坯料通过凹模3上的沟槽送入模具内，挡料块4控制送进距离，压力机开始工作，模具上模6下行，将坯料弯至开口形状，然后，上模上行，顶杆17推动推件块14将制件顶出，人工取出制件，完成整个弯曲过程。图6.11装配图7U形弯曲工艺分析7.1弯曲力计算（1）自由弯曲力的计算：U形件弯曲力计算公式为：F2==N(7-1)式中，F2为自由弯曲力（N）；S2为弯曲件截面面积（mm2）；t为材料厚度（mm）；r2为弯曲件内弯曲半径（mm）；σb为材料抗拉强度（MPa）；K（2）校正弯曲力的计算：校正弯曲力的计算公式为：F=PA2=N（7-2）式中，F为校正弯曲力（N）；A2为矫正的投影面积（mm2）；P为单位面积上的矫正力（MPa）查表5.2可得，P=80。7.2顶件力和压料力的计算对于设有顶件装置或压料装置的弯曲模，顶件力或压料力可近似取自由弯曲力的60%~80%，即1466.464N。7.3压力机的选用选择压力机时应满足，因为校正力是发生在下死点附近处，与自由弯曲力不存在重叠关系，数值也比压料力大很多。所以可以根据校正力选择压力机。综合考虑，选取J23-3.15型号压力机。7.4凸模、凹模的间隙考虑到弯曲U型件时，凸模、凹模之间的间隙会影响弯曲件的质量，需要确定合理的间隙值。因为间隙值太小会使得材料厚度变小，影响模具寿命。太大的间隙值，则增加弹复角。间隙值的大小可依据下式计算：mm（7-3）式中，c为间隙值（mm）；t为材料厚度（mm）；K为依据工件高度H和弯曲线长度b决定的系数，其大小如表6.1所示。7.5弯曲模工作部分尺寸计算（1）凸模圆角半径在满足内弯曲半径大于最小弯曲半径的条件下，弯曲半径一般取r凸=r，本次弯曲件的内弯曲半径为7.5mm，大于rmin=5.87，满足r凸>rmin，所以r凸=7.5。（2）凸模宽度尺寸计算LP1==（7-4）LP2==（7-5）式中，L为弯曲件公称尺寸（mm）；LP为凸模工作部分尺寸（mm）；δ（3）凹模圆角半径凹模圆角半径满足r凹>3mm，防止弯曲过程中材料表面被破坏，且两边圆角半径相等，即r凹=6mm。（4）凹模宽度尺寸计算LD1=（7-6）LD2=（7-7）式中，Ld为凹模工作部分尺寸（mm）；Lp为凸模工作部分尺寸（mm）δd（5）凸模承压能力校核：σ=FA≤σ式中σ（6）凸模失稳弯曲应力校核：Lmax≤π2EJ4nF式中E为凸模弹性模量，可取E=2.2×105MPa,J为凸模最小截面惯性矩，n为安全系数，取2。经计算，凸模满足该条件。7.6凸模根据工件外形设计出凸模，整体呈T形状，凸模上部分与凸模固定板配合紧固。具体尺寸可见图7.1。图7.1凸模零件图7.7凹模因为工件高度尺寸较大，所以凹模整体尺寸较大，凹槽和沟槽也是根据工件外形而确定的，整个凹模需要4颗螺钉和2颗销钉固定。具体尺寸可见图7.7。图7.7凹模零件图7.8上模座考虑到需要螺钉和销钉连接其他零件，所以在模座上需要设计销钉和螺钉孔。根据凹模周界L=315，B=200，查国标GB/T2855.5，得：H=50，S=305，R=55，L1=355，材质为HT200的后侧导柱上模座，其零件图，如图7.8所示，比例为1:4。图7.8上模座零件图7.9下模座根据凹模周界L=315，B=200，查国标GB/T2855.6得：H=65，S=305，R=55，L1=355，材质为HT200的后侧导柱下模座，其零件图，如图7.9所示，比例为1:4。图7.9下模座零件图7.10凸模固定板因为需要与凸模上部配合，因此应设计合适大小的槽，固定板与上模座通过2颗销钉和4颗沉头螺钉紧固。具体尺寸如图7.10所示。图7.10凸模固定板零件图7.11挡料块根据预弯模具冲压后的零件外形而确定其内部挡料部分的形状，具体尺寸如图7.11所示。图7.11挡料块零件图7.12垫板选用矩形垫板，查国标GB2858.3-81，L=280，B=200，材质为45号钢，其零件图如图7.12所示，比例为1:2。图7.12垫板零件图7.13顶件块根据零件外形，需在顶件快上部留下沟槽，方便将制件顶出，位于凹模下方与下模座之间。具体尺寸如图7.13所示。图7.13顶件块零件图7.14装配图将上道工序的坯料，从右边通过挡料块15送入模具，然后压力机开始工作，上模下行，凸模14将预弯曲件压成U形弯曲件，在这过程压力始终集中在压力中心上，然后压力机回程，上模上行，顶件块16将制件顶出，完成冲压过程。图7.14装配图8压弯弯曲工艺分析8.1手动弯曲端口压弯前需进行人工弯曲上道工序的端口，弯曲过程如图8.1所示，最终形状如图8.2所示。图8.1人工弯曲图图8.2压弯坯料图8.2弯曲力计算（1）自由弯曲力的计算：压弯弯曲力计算公式为：F3==N(8-1)式中，F3为自由弯曲力（N）；S3为弯曲件截面面积（mm2）；t为材料厚度（mm）；r3为弯曲件内弯曲半径（mm）；σb为材料抗拉强度（MPa）；K（2）校正弯曲力的计算：校正弯曲力的计算公式为：F=PA3=N（8-2）式中，F为校正弯曲力（N）；A3为矫正的投影面积（mm2）；P为单位面积上的矫正力（MPa）查表5.2可得，P=80。8.3顶件力和压料力的计算对于设有顶件装置或压料装置的弯曲模，顶件力或压料力可近似取自由弯曲力的60%~80%，即869.016N。8.4压力机的选用选择压力机时应满足，为了节约成本，和减少维修费用，可以使用第一道弯曲工序的压力机。综合考虑，选取J23-16型号压力机，其技术规格如表5.3所示。8.5凸模、凹模的间隙间隙值的大小可依据下式计算：mm（8-3）式中，c为间隙值（mm）；t为材料厚度（mm）；K为依据工件高度H和弯曲线长度b决定的系数，其大小如表6.1所示。8.6弯曲模工作部分尺寸计算（1）凸模圆角半径在满足内弯曲半径大于最小弯曲半径的条件下，弯曲半径一般取r凸=r，本次弯曲件的内弯曲半径为32.5mm，大于rmin=5.87，满足r凸>rmin所以r凸=32.5。（2）凸模宽度尺寸计算LP==（8-4）式中，L为弯曲件公称尺寸（mm）；LP为凸模工作部分尺寸（mm）；δ（3）凹模圆角半径凹模圆角半径满足r凹>3mm，防止弯曲过程中材料表面被破坏，且两边圆角半径相等，即r凹=6mm。（4）凹模宽度尺寸计算Ld=（8-5）式中，Ld为凹模工作部分尺寸（mm）；Lp为凸模工作部分尺寸（mm）δd（5）凸模承压能力校核：σ=FA≤σ式中σ（6）凸模失稳弯曲应力校核：Lmax≤π2EJ4nF式中E为凸模弹性模量，可取E=2.2×105MPa,J为凸模最小截面惯性矩，n为安全系数，取2。经计算，凸模满足该条件。8.7凸模根据制件最终的外形确定凸模处，呈半圆凹槽状，为了方便冲压，凸模处应设计圆角r=5.58。具体尺寸如图8.3所示。图8.3凸模零件图8.8凹模凹模上部需要比制件宽，所以D=58>d=57，D为凹模宽度，d为制件宽度。凹模与下模座采用螺钉连接，凹模上的螺钉孔合理安排尺寸及距离，具体尺寸如图8.4所示。图8.4凹模零件图8.9上模座考虑到需要螺钉和销钉连接其他零件，所以在模座上需要设计销钉和螺钉孔，且孔的尺寸和距离合理安排。根据凹模周界L=315，B=200，查国标GB/T2855.5，得：H=50，S=305，R=55，L1=355，材质为HT200的后侧导柱上模座，其零件图，如图8.5所示，比例为1:4。图8.5上模座零件图8.10下模座根据凹模周界L=315，B=200，查国标GB/T2855.6得：H=65，S=305，R=55，L1=355，材质为HT200的后侧导柱下模座，其零件图，如图8.6所示，比例为1:4。图8.6下模座零件图8.11上垫板选用矩形垫板，孔的尺寸和大小根据凸模尺寸合理安排。查国标GB2858.3-81，L=280，B=200，材质为45号钢，其零件图如图8.7所示，比例为1:2。图8.7上垫板零件图8.12下垫板考虑到实际情况，下垫板尺寸无法根据国标设计，所以根据凹模尺寸合理确定垫板的长宽，厚度及倒角仍可参照国标选取。具体尺寸如图8.8所示。图8.8下垫板零件图8.13挡料块挡料块处的槽，可起到挡料和导料作用，因此需要合理控制槽宽大小，挡料块中部还需留有凹模通过的口，合理使用间隙。具体尺寸如图8.9所示。图8.9挡料块零件图8.14装配图上道工序完成后，经过人工弯曲端口部分后，得到的坯料从左边经挡料块6送进入模具内，到达合适位置后，压力机工作，上模下行制件开始完成最后的弯曲，凸模7压弯到所需尺寸后，上模上行，同时弹簧14将顶板4复位，进而将弯曲件顶出，完成最后的弯曲工艺。图8.10装配图9总结本文对钢制扣件进行冲压工艺分析，设计了几副单工序模具，即切断、三道弯曲模具，模具结构简单，易于操作，造价成本较低，适合小型零件的生产。介绍了冲压模具的工作原理、结构和零件的参数，最后得出以下结论：首先，本次设计在确定毛坯尺寸时，需要用到Solidworks进行建模生成合适的制件，最后才得到长度L=274.84mm，d=5mm的毛坯。虽然和后几道工序所需要的毛坯长度有点出入，但是大体上还是可以用切断模生产的物料。需要注意的是，切断模具切下来的棒料，需要保证断面质量，所以凸模和凹模之间的间隙值要设计合理，C=0.35mm。另外也保护了模具，增加模具的使用寿命。本次的切断模具，凸模并不在模具中部位置，因为考虑到，凸模靠右设计更方便切断线材，且操作更容易。凹模处的沟槽尺寸应设计大一些，这样线材进入模具，由于减少了摩擦力，更易进入。根据经验公式计算出冲裁力、卸料力以及变形功，选出合理的压力机。根据凹模周界和模具闭合高度选出合适的模架，一些零件的尺寸可直接使用国标。画出相对应的二维图，完成冲压模具设计。弯曲过程中，不容易设计送料的零件。预弯曲件的外形较长，弯曲部分的角度需合理安排，方便下一道弯曲工序的进行U形弯曲，角度设计不合理，凸模难以设计尺寸，且会发生冲突。弯曲工艺的计算中，需确定好最小弯曲半径，rmin=5.87mm，后面的弯曲工序中弯曲件内弯曲半径都应大于5.87，以提高制件质量。根据最经验公式可计算出应变中性层的半径。压力机的选用可根据计算完自由弯曲力后，再计算校正弯曲力确定，压力机的公称压力只需大于校正弯曲力即可。凸模的外形可根据弯曲件外形而确定，同时还需计算出凸模、凹模的圆角半径和工作尺寸。弯曲工艺使用到的卸料装置有弹性卸料和刚性卸料装置，根据凸模、凹模工作而定。为降低成本可用同一套模架生产扣件，且两个制件结构对称，可以确定压力中心在对角线的交点处。模具上的零件上的螺钉孔和销钉孔合理安排孔径和距离。根据各道工序的特点以及模具结构合理设计出各零部件的外形和尺寸，并遵循设计手册上的规范，完成总装图。参考文献邱建新,李发根等.模具工业发展趋势综述[J].CAD/CAM与制造业信息化,2013,(12)周永泰.模具产品目前水平及今后发展趋势[J].模具技术,1998,(2)钟佩思等.模具先进制造技术发展趋势综述[J].模具制造,2005,(3)中国模协技术委员会专家组.第八届国际模展技术综述[J].电加工与模具，2000,(4)吴丽萍,施法中,许鹤峰.有关模具先进制造