冲孔落料连续模设计

冲孔落料连续模设计及三维CAD实体动画仿真

摘要

连续模，又称为多工位连续模、级进模、跳步模，它是在一副模具内，按所

加工的工件分为若干等距离的工位，在每个工位上设置一个或几个基本冲压工序，来完成冲压工件某部分的加工。被加工材料，事先加工成一定宽度的条料，采用某种送进方法，每次送进一个步距。经逐个工位冲制后，便得到一个完整的冲压工件。在一副级进模中，可以连续完成冲裁、弯曲、拉深、成形等工序。一般来说，无论冲压零件形状怎样复杂，冲压工序怎样多，均可用一副级进模冲制完成。

本设计为冲孔、落料两工位级进冲裁模。首先，分析工件的尺寸及精度要求

等个方面的信息和要求，确定排样图和模具型式及总体结构方案。然后根据工件分别计算和设计各2D零件草图及修改、检验、校核。接着，设计挡料装置及定位装置，由于本设计工件的精度要求不高且生产为中、大批量故采用自动挡料装置和定位销装置即可满足要求。最后，检验无误后，用Pro/E软件生成3D实体进行动画仿真，以校验该设计的合理性及正确性。

关键词连续模具；冲裁模；模具设计；仿真动画；Pro/E

Punching cut Multi-position progressive mold Design And 3D-CAD Animation Simulation

Abstract

Consecutive modules, also known as the multi-national industrial spaces in a row, the class into modules, jump-state, it is in a warning, according to the final processing is divided into equidistance of the spaces in each of the spaces on one or several basic stamping processes, to complete the processing of certain ram her. Were processed materials

prior to the processing of materials into a certain width, using a hospital means a step away from each hospital. After-work spaces salt system, the ram will be a complete piece. In a class into modules that can be completed for arbitration, bending, pulling deep and formative processes. Generally, whether ram parts shape how complex, how much ram processes may use a salt-class system into modules completed.

The design of accessible, public spaces class into two or expected arbitration modules. First, the size and accuracy of her analysis of the information and requirements for establishing emission maps and layout patterns and overall structure. According to her calculation and design, respectively, and then the 2D parts and the draft revision, testing, verification. Then, the design and positioning devices turned Liu devices, because the final design and production of precision do not ask for, the use of large quantities Zidongdang expected to be installed and positioning devices to meet local requirements. Finally, testing accuracy, the software used Pro/E generated 3D animation simulation entities to examine the reasonableness of the design and accuracy

Keywords Multi-position progressive mold; Punching cut mold; Mold design; Animation simulation; Pro/E

不要删除行尾的分节符，此行不会被打印

目录

摘要

Abstract

第1章绪论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 现状与差距 1

1.1.2 冲模设计技术的发展方向 1

1.1.3 冲模加工技术的发展方向 2

1.1.4 设计内容 3

第2章模具结构总体设计 4

2.1 级进模简介 4

2.1.1 级进模的特点 4

2.2 排样及裁板方案设计 5

2.2.1 工艺分析 5

2.2.2 工艺方案的确定 5

2.2.3 排样图的设计 6

2.2.4 裁板方案设计 6

2.2.5 计算工艺力及确定模具压力中心 7 2.3 模具结构设计 8

2.3.1 模具型式的选择 8

2.3.2 模具工作部分尺寸计算： 8

2.3.3 模具其他主要零部件的设计及选取： 10 2.4 模具闭合高度及压力机的选取： 10

2.5 本章小结 10

第3章 Pro-E三维实体造型及仿真 11

3.1 Pro/E发展状况简介 11

3.2 Pro/Engineer的CAD/CAM/CAE功能介绍` 12 3.3 Pro/E的三维造型功能及意义 12

3.4 底座部分的三维造型制作 12

3.4.1 建立新文件 13

3.4.2 创建拉伸特征 13

3.4.3 创建孔特征 15

3.4.4 创建阵列特征 17

3.4.5 创建圆角特征 17

3.4.6 着色 18

3.5 实体仿真 20

3.6 本章小结 20

结论 21

致谢 22

参考文献 23

附录 24

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行

第1章绪论

1.1 课题背景

冲压是一项量大而广、应用广泛的金属压力加工工艺，是机电制造行业中普遍使用的少切削或无切削的加工方法之一，其优点是操作简单、生产效率高、材料利用率高、生产成本低、易于事先自动化生产，特别是适用于定型产品的中大批量生产。冲压要发展，模具是关键，提高模具的效率，需从冲模设计和制造开始。从瑞士Feintool AG Lyss精密机械制造公司、美国Moore公司及德国、日本等发达国家购进了一批NC及CNC冲模制造设备，对国内的模具设计制造产生了巨大的促进和推动作用。

1.1.1 现状与差距

从技术角度来看，模具制造(包括设计和加工)技术大致可分为五个发展阶段：手工操作阶段、手工操作加机械化(普通通用机床与工具)阶段、数字控制阶段、计算机化阶段和CAD/CAR/CAM信息网络技术一体化阶段，我国目前主要以数字控制阶段为主。

就冲模的类型与结构而言，目前国内在定型的机电产品生产中，至今仍然是单工序冲模多，多工位连续模与复合模、复合模占的比例很小，多工位连续模则更少见。近年来在仪表行业的调研通缉表明：在较先进、经营形势良好的企业中，按冲模分类具有套数比，只能达到：单工序模：复合模：多工位连续模=5.5：3：1.5，沿海乡镇企业仅为：7.2：2：0.8。内地的绝大多数企业只用单工序模，多数为没有模架的敞开模。

冲模设计方面的另一个重大问题是标准化问题。国内1984年实施有史以来第一个<<冷冲模>>国家标准----GB2851-2875-81。这个标准的局限性很大，除开关电器、骑车拖拉机行业外，对诸如电子、精密机械、仪表、兵器、航空等行业适用性较差，且错误较多。虽然在1990年修订过一次，仍然存在问题。因而，我们应当努力去推动模具行业的标准化，为模具的行业的标准化进一步推广做出更大的贡献。

1.1.2 冲模设计技术的发展方向

自从20世纪80年代我国发展模具CAD以来，这项技术已在设计中显示出了巨大的优越性，改变了模具设计长期以来靠人的经验和机械制图来完成的历史。一些发达国家的模具CAD技术已从二维发展到三维设计，且三维设计已达70% 以上。我国大部分企业还不到20%。CAE软件的应用国外已较普遍，国内应用还比较少，而且在用于预测零件成形过程中可能发生的缺陷方面，水平还比较低。所以，要充分发挥CAD/CAE在模具设计中的作用，应从以下几点去进行考虑：

1. 大力推进模具设计和适用的标准化，健全模具设计资料库和知识库系统，加强模具刚性、强度设计。

我们应该加强对模具设计资料的收集健全模具知识库，为模具的设计和模具CAD/CAPP/CAM积累更多的有价值的资料，为模具标准化的推广和适用做出努力。

2. 加强冲压模金属成形过程的模拟起皱及破裂分析、应力应变回弹分析等。同时提高涉及和分析软件的快速性、智能化和集成化水平，并强化它们的功能，以适应模具的不断发展。

为了提高模具设计效率和可靠性，除了大力应用模具CAD/CAE之外，计算机辅助工艺设计技术在我国模具企业中也开始应用，为了较好的应用CAPP 技术，模具企业自身必须搞好开发和研究。虽然CAPP技术的应用和推广要比CAD和CAE难的多，但这也是一个发展方向，应予以重视。

基于知识工程技术近年来已越来越受重视。它是面向现代设计决策自动化的重要工具，已成为促进工程设计字能化的重要途径，KBE技术作为一种新兴的智能设计思想，将对模具的智能、优化设计产生重要的影响。

3. 专家系统在模具设计中的大力应用。

专家系统是一种通过模拟人类专家求解问题的过程来求解特定领域类的某些问题的一种软件系统。人类专家在解决问题时是一个有机的整体过程，是在常识知识的约束下，利用专业知识和经验及从各种渠道得到的信息，综合运用理解、识别、规划、类比、推理等各种智能行为，最后得出问题的解决方案，这一点在目前的专家系统中没有得到良好的体现。因而，面对复杂费时是冲模设计，应该大力去发展和完善专家系统，以提高设计效率和减轻设计人员的工作强度。

1.1.3 冲模加工技术的发展方向

据统计，我国模具共分10大类46小类。模具加工方法主要有精密铸造、金属切削加工、电火花加工、电化学加工、激光及其他高能波束加工及集两种以上加工方法为一体的复合加工等。用户对模具制造的要求是交货期短、精度高、质量好、价格低。这就给模具加工技术提出了相应的更高的要求，未来模具的加工在以下几个方面应加大发展的力度：

1. 模具自动加工系统的研制和发展，目前主要是模具CAM、DNC、FMS技术及软件的发展和推广应用。

目前众多软件中，针对模具加工特点而开发的专用软件较少，针对高速加工的软件也少。适应模具加工特点、具有高水平数控加工能力和后处理程序、有完善的精密加工和告诉加工功能、界面友好、简单易学、备有多种数据格式转换功能和能为系统集成准备条件的软件将是发展方向。

2. 加强高速铣削技术、电火花加工技术、快速原型制造和快速制模技术等先进加工方法的进一步发展及其推广应用。

模具未来的最大竞争因素是如何快速、高质量的制造车用户所需求的模具。这就必须借助一些先进的加工技术去完成。国外高速加工机床主轴最高转速可达100000r/min,快速进给速度可达120m/min,换刀时间可提高到1—2s，这样就可大幅度提高加工效率，并可获得Ra<1um的加工表面粗糙度。可切削HRC60以上的高硬度材料，形成了对电火花成型加工的挑战。但对于HRC60以上的高硬度材料，EDM要比HSM成本低，同时较之铣削加工，EDM更易实现自动化。复杂、精密小型腔及微细型腔和去除刀痕、完成尖角、窄缝、沟槽、深坑加工及花纹加工等将是今后EDM应用的重点。金属模具快速制造技术的目标是直接制造可用于工业化生产的高精度耐久金属硬模。间接法制模的关键技术是开发短流程工艺、减少精度损失、低成本的层积和表面光整技术的集成。RPM技术与RMT技术的结合，将是传统快速制模技术进一步深入发展的方向。RPM技术与陶瓷型精密铸造相结合，为模具型腔精铸成形提供了新途径。应用RPM/RMT技术，从模具的概念设计到制造完成，仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4左右，因而具有广阔的发展前景。要进一步提高RMT技术的竞争力，需要开发加工数据生成更容易、高精度、尺寸及材料限制小的直接快速制造金属模具的方法。

3. 先进表面处理技术、超精加工、微细加工、研磨抛光和复合加工技术将进一步受到重视。

模具发生的许多破坏是从模具的表面开始的，主要原因是表面处理技术不过关。模具的研磨抛光目前仍以手工为主，虽然我国已进口了可实现三维曲面模具自动研磨抛光的数控研磨机，但我国应加大本国自身这方面的研发力度。随着模具向精密化行业大型化方向发展，超精度加工、微细加工和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工将得到发展。目前超精加工已可稳定达到亚微米级、纳米精度的超精加工技术也已被应用到生产中。电加工、电化学加工、束流加工等多种加工技术已成为微细加工技术中的重要组成部分。国外已有用波长仅0.5nm的辐射波制造出的纳米级塑料模具。

1.1.4 设计内容

本设计主要对冲裁连续模具总体结构进行设计及三维实体造型和仿真。

第2章模具结构总体设计

2.1 级进模简介

级进模是这样一种模具，在其模座上按工序设计设置了所需的多个共位，最少为二工位，可以是落料、冲孔、弯曲、拉深等各种功能。工作时从第一个工位开始，压力机在有送料配合的情况下，每行程一次完成一个中间冲压工序，待逐一轮完全部工位后，才得到一个完整的冲压制件，并从此开始进入稳定生产，压力机每行程一次，即可获得一个成品制件，直至整卷条料用完。级进模也称连续模或跳步模。

2.1.1 级进模的特点

1. 级进模是连续冲压的多工序冲模。在一副模具内可以包括冲裁、弯曲、拉深等多道工序内容。利用这种优势，它可以对一些看来难于冲压的零件，采取化整为零或化繁为简的方法冲制出来。它是在单工序冲模基础上发展起来的一种多工序、高效率冲模。

2. 由于级进模是将工序分散开来，而不是集中在一个工位上，所以不存在类似复合模的“最小壁厚”问题，一般，模具强度相对较高，寿命较长。

3. 在级进模上所产出的冲压制件和废料，多数都取下漏方式排出，从而为安装在高速压力机上使用提供了必要条件。此举对冲压生产效率的提高至关重要。

4. 级进模是以卷料或带料为原材料的，可方便实现自动送料、自动出料、自动叠片等功能，从而实现冲压自动化生产。

5. 从生产投入和管理的角度看，采用级进模冲压，可以减少设备和模具的数量，从而减少车间的占地面积，省去半制品的运输和存储。

6. 从安全生产的角度看，由于级进模必定配有自动送、出料装置，先进一些的级进模还配有故障检测等装置，一般不需要人手进入危险区工作，因而大大提高了安全性。

7. 级进模的结构比较复杂，对制造精度要求高，一般生产周期较长，成本较高，维护也比较困难。

8. 由于不同的工序是在各自的工位上完成的，因此，这种多次定位所产生的累积误差，必定会影响冲压制件的精度，所以级进模生产的零件精度不高。

9. 级进模只适用于生产批量大，制件精度要求不高，且需要多工序冲成的小型零件加工。

2.2 排样及裁板方案设计

2.2.1 工艺分析

图2-1工件图

由上图2-1工件图可知，此工件具有普通的精度要求，只有落料和冲孔两个工序。将外形视为落料，则需要冲的孔有3个，一个Φ18mm的孔和3个不规则的孔。Φ18mm和3个不规则孔之间只有8.5mm距离。如果设计成复合模，模具制造难度较大，并且冲压后成品件留在模具上，在清理模具上的物料是会影响冲压速度。因此，选用级进模更为合理。

2.2.2 工艺方案的确定

根据以上的分析和计算，可以进一步明确，该零件的冲压加工需包括以下工序：冲孔、调整、落料。根据这些基本工序，可拟出如下工艺方案：

1. 同时冲中间孔和周围三个不规则孔

2. 调整（空工位）

3. 落料成形（成品）

2.2.3 排样图的设计

设计多工位级进模，首先要设计条料排样图。工件的形状具有规则的圆形的特点，故用于排样的方式比较单一，故采用经济排样。材料的经济排样是指冲压件（大多数情况下是在冲裁工序中）在条料及板料上的合理布置问题。衡量排样是否合理、是否经济，可用材料的利用率这一指标。材料的利用率是用工件的实际面积F0与所用材料的面积F之比值来表示的，即

(2-1)

据此并从冲制垫圈的排样图2-2可以看出：图中1为结构废料，由工件尺寸决定；2是搭边；3是余料。2和3组成工艺废料。若能减少工艺废料，则能提高材料利用率。

因此，一张板料或一段定长条料上材料利用率

为：

(2-2)

式中 F —工件的实际面积（有时也包括结构废料）；

n总—板（条）料上冲压件总数；

A —板（条）料长度；

B —板（条）料长度。

图2-2排样图

2.2.4 裁板方案设计

这里毛坯直径Φ50mm不算太小，考虑到操作方便，采用单排。取其搭边数值：条料两边a=3mm、进距方向a1=2mm。于是有：

进距： h=D+a1=50+2=52mm

条料宽度： b=D+2a=50+2

板料规格拟选用：1.2

900

1800（钢板）

若用纵裁：裁板条数

每条个数

每板总个数

材料利用率

(2-3)

若用横裁：裁板条数

每条个数

每板总个数

材料利用率

(2-4)

计算零件的净重G：

(2-5)

由此可见，该零件纵、横裁都能得出一样的工件个数和材料利用率，

且该零件没有纤维方向性的考虑，故决定采用纵裁。要减少工艺废料，应该根据零件的形状设计出搭边和余量尽量少的排样。对于本设计的圆形工件，采用如上图2.2所示的排样图。

2.2.5 计算工艺力及确定模具压力中心

1. 冲裁力计算：

冲裁周长计算：

(2-6)

冲裁力计算：

(2-7)

总冲裁力计算：

(2-8)

卸料力计算：

(2-9)

2. 压力中心的确定：

冲裁时的合力作用点或多工序模各工序冲压力的合力作用点，称为模具压力中心。设计时，模具压力中心应与压力机滑块中心一致，如果不一致，冲压时会产生偏裁，导致模具以及压力机滑块与导轨的急剧摩损，降低模具和压力机的使用寿

命。所以在落料模、多凸模冲孔模和多工位连续模等模具设计时，必须确定模具压力中心。

由以上的工件工艺分析可知，本设计为形状简单的冲裁件。由分析可知，该模具的压力中心为两工序的中间，即两个圆心的连线的中点。

2.3 模具结构设计

2.3.1 模具型式的选择

根据确定的工艺方案和零件的形状特点、精度要求、所选设备的主要技术参数、模具制造条件以及安全生产等选定其型式为冲孔落料连续模。考虑到装模方便，模具采用后侧布置的导柱导套模架。

2.3.2 模具工作部分尺寸计算：

由于模具加工和测量方法的不同，凹模与凸模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差的标注也不同，基本上可分为两类。即：凸模与凹模分开加工和凸模与凹模配合加工。本设计可选择凸模与凹模分开加工的方法来进行。采用这种方法，要分别标注凹模和凸模刃口尺寸与制造公差，它适用于圆形或竟但形状的工件。为了保证间隙值，必须满足下列条件：

或取：

下面对冲孔和落料两种情况进行分别讨论：

2.3.2.1 凸、凹模尺寸的计算：

1. 冲孔[1]：根据以上原则，冲孔时首先确定凸模刃口尺寸，使凸模基本尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸，再增大凹模尺寸以保证最小合理间隙Zmin。凸模制造偏差取负偏差。

其计算公式如下：

(2-10)

(2-11)

2. 落料：设工件尺寸为D-Δ 。根据上述原则，落料时首先确定凹模尺寸，使凹模公称尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸，再减小凸模尺寸以保证最小合理间隙Zmin。各部分分配位置见图。其公式如下：

(2-12)

式中：dp、dd ——冲孔凸、凹模直径；

Dp、Dp ——落料凸、凹模尺寸；

dmin ——冲孔工件的最小极限尺寸；

Dmax——落料工件外径的最大极限尺寸；

Δ——工件制造公差；

Zmin——最小合理间隙（双面）；

——凸、凹模的制造公差；

xΔ——磨损量，其中系数x是为了使冲裁件的实际尺寸尽量接近冲裁件公差带的中间尺寸。x值在0.5~1之间，与工件制造精度有关，可查表2-7取得。故本设计的凸、凹模设计尺寸可计算如下：

由表2-4查出：

Zmax=0.36mm，Zmin=0.246mm

Zmax-Zmin=0.36-0.246=0.114mm

由表2-6查出凸、凹模制造公差：

落料部分：

冲孔部分：

由表2-7查出： x=0.5，

所以落料部分：

(2-13)

(2-14)

冲孔部分：

(2-15)

(2-16)

由以上计算可对照标准件手册查去相应的凸、凹模。

其长度取 L=60mm

2.3.2.2 凸、凹模强度校核：

由于该模具是标准件故不再需要强度校核。但是对于细长的或冲厚料的凸模，为防止纵向失稳和折断，应进行凸模承压能力和抗弯能力的校核。凹模的形状和尺寸一般按经验公式计算，可以保证有足够的强度和刚度。所以凹模外形尺寸确定后，一般不作强度校核。

2.3.3 模具其他主要零部件的设计及选取：

模具其他主要零件的设计和选取可根据设计好的凸、凹模的尺寸和形状来选择。其选取结果见附图（零件图及总装图）。

2.4 模具闭合高度及压力机的选取：

模具闭合高度可由计算得到：H=184mm

经上面的计算和查表，该复合工序的工艺力可在250KN压力机上得到。故选用250KN开式双柱可倾压力机 J23-25。其主要参数如下：

公称压力：250KN

滑块行程：65mm

最大闭合高度：270mm

连杆调节长度：55mm

滑块中心线至床身的距离：200mm

工作台尺寸（前后×左右）：370mm×560mm

垫板尺寸（厚度×孔径）：50mm×Φ200mm

模柄孔尺寸（直径×深度）：Φ40mm×60mm

最大倾角：30°

2.5 本章小结

本章节主要介绍了级进模的相关概念和特点及模具的设计步骤和主要零部件的设计与计算。主要是二维零件图的设计和选取，以及冲压设备的选取。简单介绍了工艺方案的确定与排样图的设计和裁剪原则。在本章节基本解决了该模具设计的二维设计相关工作和要求，接下来在下一章将对该二维设计用Pro-E等相关软件进行三维实体造型并装配和模拟防真。

第3章 Pro-E三维实体造型及仿真

3.1 Pro/E发展状况简介

Pro/Engineer 是美国PTC（Parametric Technology Corporation,参数技术公司）公司推出的工程设计软件，简称Pro/E。其功能强大，参数化特征造型使其占据的三维设计领域的软件市场份额越来越大，尤其在我国的CAD/CAN研究所和工厂中得到了广泛的应用。