垫片冲压模具设计

目录

一冷冲压工艺分析 (1)

1.1 零件工艺性分析 (1)

1.2 结构分析 (1)

1.3精度分析 (1)

二确定工艺方案 (2)

三确定毛坯画出排样图 (3)

3.1 排样与材料利用率 (3)

3.2 固定板排样与材料利用率 (4)

四确定模具类型 (7)

4.1 凹模设计主要内容 (7)

4.2 凹模型孔侧壁形状的确定 (7)

4.3 凹模外形与装配结构 (8)

4.4 凹模外形的确定 (9)

五主要零件图和总装图 (10)

5.1 凸凹模 (10)

5.2 凹模 (11)

5.3 下垫块 (12)

5.4 卸料板 (13)

5.5 导套 (14)

5.6 总装图 (15)

六模具工作部分尺寸计算 (18)

7.1 计算冲裁力公式 (20)

7.2 计算相关卸料力、推件力和顶件力公式 (20)

7.3 固定板冲压力的计算 (21)

7.4 压力机的选择 (22)

总结 (25)

参考文献 (26)

致谢 (27)

一 冷冲压工艺分析

1.1 零件工艺性分析

1.零件：固定板

2.材料：08钢

3.批量：大批量

4.料厚：2.0mm

1.2 结构分析

零件结构容易对称，方便冲裁加工。零件冲压两个圆孔，孔尺寸为10mm ，符合冲裁最小孔径min d =10mm≥mm 0.20.1=t 的要求，此外，通过冲裁的最小孔边距min l =5mm≥mm 0.35.1=t 要求，所以，该零件结构满足于冲裁要求。

1.3精度分析

工件上有4个尺寸未标注公差要求，从公差表查得其公差要求均属于IT13，普通冲裁可以达到零件的精度要求。

二确定工艺方案

落料冲孔零件，加工方案可以使用如下：

方案一：先落料，后冲孔。采用两套单工序模生产。

方案二：落料—冲孔复合冲压，采用复合模生产。

方案三：冲孔—落料连续冲压，采用级进模生产。

方案一模具结构固然简单，但是需两道工序、两副模具，生产效率比较低，零件的精度差，不适用于生产批量较大的情况下。方案二需1副模具，冲压件的形位精度和尺寸精度容易保证，而且生产效率很高。虽然模具结构比方案一复杂，但由于零件的几何形状较简单，模具制造并不困难。方案三也只需一副模具，生产效率也很高，与方案二比生产的零件精度稍差。保证冲压件的形位精度，必须在模具，导向销的导向设计，模具制造，装配是稍微复杂的复合模具。

检查在凸模和凹模的复合模壁的厚度，当材料厚度t为 2.0mm，凸模、凹模、凸凹最小壁厚为5.0mm，因此采用方案二。

三确定毛坯画出排样图

3.1 排样与材料利用率

1、排样的概念与方法

冲裁件在板料、带料或条料上布置排列的方法称为排样。排样设计的内容包括：选择排样方法、确定搭边数值、计算条料宽度、计算送料步距、计算材料利用率、绘制排样图。

好的排样，可以减少废品率，保证制件的质量，使模具结构简单，使用寿命延长。

排样时，制件与制件间，制件与条（板）料边缘之间的余料称为搭边。搭边过大，浪费材料；搭边太小，可能会被拉入凸模和凹模的间隙，使模具容易磨损，甚至损坏模具刃口。一般来说，材料越厚，越软以及冲裁件尺寸越大，形状越复杂，则搭边值也应越大。搭边值通常是由经验值确定。

根据冲裁件在条料上的布置方法，排样有直排、斜排、对排、混合排等多种形式。在冲压生产中，减少废料的产生是节约成本的有效措施之一。采用何种方式需要分析哪种排样方式的材料利用率比较高。

2、排样图的画法

一张完整的排样图应标注条料宽度尺寸B、条料长度L、板料厚度t、端距l、步距S、工件间搭边和侧搭边a;并以剖面线表示冲压位置。

其中条料长度L的给定可以计算出加工该制件需要的条料数目或钢板数目，便于采购原材料。需要注意的是计算出的数值只是理论数值，在采购时考虑冲压时出现的废品量。

排样图不仅要表示清楚冲裁件轮廓形状和冲压顺序，还要表示出凸模刃口的截面形状、凹模的型孔形状、数量和位置。而且沿送料方向应画出数个制件的外形形状，表示落料后留在条料上的废料孔的形状。

如果是对排等多排排样图，或者双、多凸模结构，在条料上的工件轮廓至少画出三个，用带阴影的线表示出凹模型孔的位置与形状，粗实线表示已经冲完的孔，用双点划画表示预冲工件。这样才能清楚地表达出制件的冲

裁过程，并使凹模上型孔间的尺寸关系非常清楚，计算方便。 3、如何计算材料利用率

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。材料利用率是衡量合理利用材料的经济性指标。要确定材料利用率，首先要确定关料步距S 。

条料在模具上每次送进的距离称为送料步距，简称跳距。送料步距的大小应为条料上两个对应冲裁件的对应点之间的距离。一个步距就等于零件直径与两个两件间搭边值的和。 材料利用率的具体公式为： %100BS

A

?=

η 如果是板料冲裁，也可以用如下公式： %100n 1

?=

LB

A 总η 式中 A 1—— 一个工件的实际面积；

n —— 一张板料上能加工工件的总数量； L —— 板料长度； B —— 板料宽度；

排样时搭边值的选取直接影响到材料利用率的大小，但是提高材料利用率不能以提高模具制造难度为代价。

3.2 固定板排样与材料利用率

固定板外形类似于矩形，一般可以采用直排或者多排，但是由于该制件尺寸较大，所以采用单排直排的排样方案如下所示。

图3-1 排样方案一

图3-2 排样方案二

图3-3 排样方案三

A ：排样方案一材料利用率 条料宽度B=50+2?2.5=55mm 步距S=60.5mm

已知制件面积A ≈2194.5mm 2.一个步距的材料利用率为：

%100BS A ?=

η=%1005

.60555.2194??=66.0% B ：排样方案二材料利用率 条料宽度B=80+2?2.5=85mm 步距S=52.5mm

已知制件面积A ≈2194.5mm 2.一个步距的材料利用率为：

%100BS A ?=

η=%1005

.52855.2194??=49.2% C ：排样方案三材料利用率 条料宽度B=50+2?2.5=55mm 步距S=82.5mm

已知制件面积A ≈2194.5mm 2.一个步距的材料利用率为：

%100BS A ?=

η=%1005

.82555.2194??=48.4% 通过上面材料利用率的计算知，排样方案一利用率最高，故采

用方案一。

四确定模具类型

4.1 凹模设计主要内容

凹模设计时的主要内容包括：

确定凹模材料；

确定凹模型孔侧壁形状；

确定外形形状与装配结构；

确定凹模周界尺寸；

确定凹模板上型孔、螺钉孔、销钉孔的位置及尺寸等；

确定凹模板的厚度尺寸。

4.2 凹模型孔侧壁形状的确定

①、凹模刃孔口结构

凹模刃口结构有直壁式、斜壁式两类。从刃口强度方面，直壁式刃口比斜壁式高；从加工角度，斜壁式刃口更容易加工。一般情况下，全直壁式型孔和斜壁式只适用于逆出式模具，顺出式模具常用阶梯形直壁型孔；漏料口可以采用钻孔或铣削制成。但是无论采取哪种结构，都要注意凹模刃口高度h的取值。

②、废料堆积

在选择刃口形式时，还要考虑防止废料堆积的问题。以下是常见的容易产生废料堆积的因素：

凹模刃口有效高度（直线部位）过长；

骨表面让位形状不适合；

凹模内部的表面较粗糙；

凹模、模具垫板、模座的孔中心偏移造成台阶；

冲裁废料相互连接，呈棍状下落时，堆积住让位孔；

废料带磁性；

薄板或小孔冲裁，因冲裁废料重量轻，即使一个小障碍也会导致废料

堆积。

例如，凹模刃口有效高度h过大，在冲裁过程中积存在凹模型孔内的落料件或冲孔废料的片数将增加，结果一方面是凸模受到的反顶力增大，会使

凸模，尤其是细长凸模在冲压时容易损坏。另一方面孔口内堆积材料过多，会直接导致凹模刃口崩裂，导致模具报废等严重后果。所以在设计时要综合考虑刃口形状。

又如在冲裁0.5mm以下的薄板时，台阶式直壁凹模孔口容易塞料，材料从孔口被推出后，材料会在凹模内翻转，所以，凹模底部扩孔尺寸不宜过大（一般比型孔尺寸大0.5~1mm），否则容易因为材料的翻转导致堵塞孔口，导致废料堆积；而斜壁式则可防止废料转落，减少由于废料堆积带来的故障，但是孔口是倾斜的，刃口强度不如直壁式高。

③、废料回跳

冲裁时，废料回跳会引起制件质量缺陷、模具损伤等，特别是薄板小径冲裁，凹模之间的约束力较少的切边容易引起废料回跳。废料产生回跳的主要原因有真空产生的吸附、吸附到凸模刃口处、油液产生的吸附、凸模的磁力和凹模压缩空气引起的负压等。一般的冲裁间隙中，排出废料的尺寸小于凹模孔径尺寸，也容易发生回跳。

解决废料回跳的方法有以下几种：

选用特种凸模斜刃口凸模、顶料凸模、带气孔凸模等。

凹模结构改变以真空产生吸引，增加刃口内面的粗糙度，切刃采

用微小侧角等。

其他措施改变轮廓形状，减小冲裁间隙，加大凸模进入凹模的深

度。

专用防废料回跳型凹模一些提供模具标准件的厂家，有一种防废

料回跳型凹模。在这种凹模内表面加工了两条以上的斜槽，这样在

冲裁时，冲裁废料被压入凹模型孔，废料对应于凹模斜槽的小突起

部位，再经过凸模往下压，突起部位会被凹模侧面压缩，因而达到

防止废料回跳的作用。但是由于是通过在废料上形成小突起部位而

防止回跳的，所以这种结构不适合精密孔冲裁、下料等情况。4.3 凹模外形与装配结构

确定凹模尺寸前，要先考虑凹模的外形及装配结构。

凹模的外形有圆形和矩形，装配结构有整体式和镶拼式，刃口也有平刃

和斜刃。实际生产中，在凹模上开设所需要的凹模型孔，用螺钉、销钉将凹模板直接固定在下模座上。

由于该制件外形近似于矩形，且尺寸不大，所以该套模具凹模外形为矩形，并采用整体式凹模结构。

4.4 凹模外形的确定

1）、确定原则

凹模外形尺寸指的是凹模板的整体尺寸。凹模的外形有矩形和圆形两种，需要根据模具结构确定。下面以矩形凹模为例说明如何确定凹模板尺寸。

凹模板的尺寸包括长（L）?宽（B）?高（H），从凹模刃口（b?l）至凹模板外边缘的最短距离称为凹模壁厚C。

凹模壁厚C值的选取直接影响凹模板登外形尺寸，即长度L与宽度B的值。其最小值可以参考

凹模外形尺寸并不能简单地从凹模型孔向四周扩大一个壁厚C来决定，因为凹模板上还会有定位零件，如导料板等结构、还要考虑凹模板的安装尺寸等。在确定凹模外形尺寸时，还需要注意如下身体上内容：相关螺纹孔、销钉孔与刃口边的最小距离；

螺纹孔与销钉孔与刃口之间的最小距离；

弹性元件的外形尺寸；

进料方式；

定位、定距方式。

在实际生产计算中，螺孔中心到刃口边缘或者销钉孔边缘的距离，一般可以按照≥1.5~2d取最小值。

冲模中的定位销常选用圆柱销，选用直径与螺钉直径相等或小一个规格，一组定位采用两个销钉，在模具内部的长度一般是其直径的2~2.5倍。

固定常采用内六角螺钉，这类螺钉坚固可靠，螺钉头不外露，整个模具外形齐整。拧入铸铁件的螺钉深度一般是螺钉的2~2.5倍；拧入一般钢件的深度是螺钉直径的1.5~2倍。螺钉直径的选用与模板厚度有关，如表2-23给出了凹模固定用螺钉直径与凹模厚度的关系。

表2-23 固定螺钉直径与凹模厚度的关系

凹模厚度/mm ≤13 >13~19 >19~25 >25~35 >35 螺钉规格

M4、M5

M5、M6

M6、M8

M8、M10

M10、M12

2）、固定板模具的凹模周界尺寸

确定凹模周界时，首先将凹模刃口1：1绘制出来，然后以此为界画一个外框，由于本例中选择M8螺钉和Φ6的销钉，所以以该线框为界向外扩展2倍直径，即是螺钉、销钉中心线位置；再由此位置往外扩展2倍直径尺寸，即是凹模周界尺寸，则推出凹模周界尺寸为88.5mm ?78mm ，根据标准模架，选择160mm ?125mm 。

五 主要零件图和总装图

5.1 凸凹模

凸凹模与凸凹模固定板的采用H7/m6。材料采用Cr12MoV ，调质处理至50～55HRC 。凸凹模的外刃口尺寸按凹模尺寸配作并保证最小间隙为Z min =0.246mm,内形刃口尺寸按凸模尺寸配做并保证最小间隙为Z min =0.246mm ，凸凹模形状如下图5-1所示。

图5-1 凸凹模

5.2 凹模

凹模的结构形式和固定方法：凹模采用圆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，形状如图5-2所示。

图5-2 落料凹模

5.3 下垫块

下垫块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：

/A

P=F1

2

式中P—凸模头部端面对模座的单位面积压力；

—凸模承受的总压力；

F1

2

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：

160mm?125mm?18mm。

上下面须磨平，保证平行。

5.4 卸料板

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：160mm?125mm?12mm，材料为:45#。

5.5 导套

导套材料采用20#，导套先淬火再回火至HRC40～45，形状如图5-4所示。

5.6 总装图

图5-5 主视图

图5-6 剖视图一

图5-7 剖视图二

图5-8 明细表

说明

本模具是倒装复合模，采用刚性推件装置把卡在凹模中的冲件推下，刚性推件装置由打杆12和推件块8组成。冲孔废料直接由冲孔凸模24从凸凹模6

内孔推下，无顶件装置。

六模具工作部分尺寸计算

计算刃口尺寸需要遵循以下原则：

落料件光亮带处于大端尺寸，其光亮带是因凹模刃口挤材料产生

的，且落料件的大端（光面）尺寸等于凹模尺寸；所以落料外形

尺寸主要决定与凹模孔口尺寸，即落料模需要先计算凹模尺寸。

冲孔件光亮带处于小端尺寸，其光亮带是凸模刃口挤切材料产生

的，且冲孔件的小端（光面）尺寸等于凸模尺寸；所以冲孔孔径

尺寸主要决定于凸模尺寸，即冲孔模需要先计算凸模尺寸。

凸、凹模刃制件应有合理间隙值。不管落料还是冲孔，冲裁间隙

一般选用最小合理间隙值（Z

min

）。

凸、凹模刃口计算公式由于落料与冲孔的基准尺寸不同而不同。

落料时，首先确定凹模刃口尺寸，凸模刃口的基本尺寸等于凹模

刃口的基本尺寸减去最小间隙值得到；冲孔时，首先确定凸模刃

口尺寸，凹模基本刃口尺寸等于凸模刃口的基本尺寸加上最小间

隙值得到。具体公式见表2-16所示。

凸、凹模的制造公差应与制件尺寸精度相适应，偏差值按照入体

原则标注。

综上所述，计算刃口尺寸的基本步骤如表2-16所示。

表2-16 分开加工法刃口尺寸计算基本步骤

序号步骤公差依据

1 确定间隙值

Z/mm

(双边值) Z=D

A

- d

T

D

A

——凹模尺寸（D

d

）

d

T

——凸模尺寸（d

p

）查表确定或经验值确定

落料时，首先确定凹模刃口尺寸D

A

D

A

=（D

max

- ?

χ）(+0/

δ)

2 确定凸、凹

模基准刃口

尺寸/mm

冲孔时，首先确定凸模刃口尺寸d

p

d

p

=（d

min

+ ?

χ）（0/-δ）

χ—磨损系数；?—制件公差

区分落料和冲孔工序：

落料尺寸=凹模尺寸

冲孔尺寸=凸模尺寸

3 计算凸、凹

模刃口尺寸

/mm 落料时，凸模刃口的基本尺寸d

p

= D

A

- Z

min

冲孔时，凹模基本刃口尺寸D

d

= d

p

+ Z

min

4 刃口偏差/mm 凹模刃口偏差(+0/

δ)

凸模刃口偏差（0/-δ）

入体原则

5 刃口精度/mm 凹模刃口公差+凸模刃口公差≤ Z

max - Z

min

与制件尺寸精度相适应

计算设计基准刃口尺寸时，需要查表确定参数χ（磨损系数），该值在0.5~1之间。

制件尺寸未标注公差，为了降低工作难度，所以在实际生产中按照IT14等级确定各尺寸公差；零件为不规则形状，属于落料件，所以凹模尺寸按零件图尺寸加工，各尺寸减去一个间隙值即为凸模尺寸。本例中间隙按表2-15选取0.120。