安全带卡扣冲压工艺分析与模具设计

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毕 业 设 计（论 文）

说 明 书

题 目 安全带卡扣冲压工艺分析与模具设计 学 生

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1

安全带卡扣冲压工艺分析与模具设计

摘 要

先分析零件的冲压工艺；确定模具的总体结构；结合零件的冲压工艺及模具的总体 结构设计排样图；根据排样图，计算利用率、冲载力、压力、选用设备及刃口的尺寸。 根据资料再用PRO/E，对模具进行设计，然后将三维图转成二维的装配图和零件图进行 标注，并编制零件的加工工艺卡。

关键词：落料?冲孔

Abstract

First analysis of the stamping process parts? to determine the overall structure of mold? combination of parts stamping process and die design of the overall structure of the layout graph? layout plan based on calculating the utilization rate, red edge is contained, pressure, choice of equipment and cutting the size of . According to the information re-use PRO / E, the design of the mold, and then converted into two-dimensional three-dimensional map of assembly drawings and parts marked maps and compile card processing parts.

Key words: Blanking ? Punching

第 1章 绪论

1 中国模具工业技术发展概况

80年代以来，中国模具工业发展十分迅速。国民经济的高速发展对模具工业提出 了越来越高的要求， 也为其发展提供了巨大的动力。 这些年来， 中国模具工业一直以15% 左右的增长速度快速发展。目前，中国17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。 1999年中国模具工业总产值已达245亿元人民币(表 1)。工业总产值中企业自产自用的 约占三分之二，作为商品销售的约占三分之一。在模具工业的总产值中，冲压模具约占

50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。

改革开放以来，中国模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化。除了国有专业 模具厂外，其他所有制形式的模具厂家，包括集体企业、合资企业、独资企业和私营企 业，都得到了快速发展，集体和私营的模具企业在广东和浙江等省发展得最为迅速。例 如，浙江宁波和黄岩地区，从事模具制造的集体企业和私营企业多达数千家，成为国内 知名的“模具之乡”和最具发展活力的地区之一。在广东，一些大集团公司和迅速崛起 的乡镇企业，为了提高其产品的市场竞争能力，纷纷加入了对模具制造的投入，例如科 龙、美的、康佳和威力等集团都建立了自己的模具制造中心。中外合资和外商独资的模 具企业多集中于沿海工业发达地区，现已有几千家。例如，江苏无锡的微研有限公司为 一日本独资企业，员工有200余人，拥有精密数控模具加工设备60余台，1998年其模 具产值超过2亿元。 中国模具工业的技术水平近年来也取得了长足的进步。

目前，国内已能生产精度达2微米的精密多工位级进模，工位数最多已达160个， 寿命1～2亿次。在大型塑料模具方面，现在已能生产48英寸电视的塑壳模具、6.5Kｇ 大容量洗衣机的塑料模具，以及汽车保险杠、整体仪表板等模具。在精密塑料模具方面， 国内已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具等。在大型精密复杂 压铸模方面，国内已能生产自动扶梯整体踏板压铸模及汽车后桥齿轮箱压铸模。在汽车 模具方面，现已能制造新轿车的部分覆盖件模具。其他类型的模具，例如子午线轮胎活 络模具、铝合金和塑料门窗异型材挤出模等，也都达到了较高的水平，并可替代进口模 具。

虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达 国家相比仍有较大的差距。例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低， CAD/CAE/CAM技术的普及率不高，许多先进的模具技术应用还不够广泛等等。特别在 大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在明显差距，这些类型模具的生产能力也不能 满足国内需求，因而需要大量从国外进口。在中国，人们已经越来越认识到模具在制造 中的重要基础地位，认识到模具技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低 的重要标志，并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。许多模具企 业十分重视技术发展，加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重 要动力。此外，许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发。

目前，从事模具技术研究的机构和院校已达30余家，从事模具技术教育的培训的 院校已超过50余家。其中，获得国家重点资助建设的有华中理工大学模具技术国家重 点实验室，上海交通大学CAD国家工程研究中心、北京机电研究所精冲技术国家工程

研究中心和郑州工业大学橡塑模具国家工程研究中心等。经过多年的努力，在模具 CAD/CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型 模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出 了贡献。

1.1冲模技术

以汽车覆盖件模具为代表的大型冲压模具的制造技术已取得很大进步，东风汽车公 司模具厂、一汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具。在设计制造方法和 技术手段方面不断改善，在轿车模具国产化方面迈出了可喜的步伐。

多工位级进模和多功能模具是我国重点发展的精密模具品种。目前，国内已可制造 具有自动冲切、叠压、铆合、计数、分组、转子铁芯扭斜和安全保护等功能的铁芯精密 自动叠片多功能模具。 生产的电机定转子双回转叠片硬质合金级进模的步距精度可达20 μm，寿命达到 1亿次以上。其他的多工位级进模，如用于集成电路引线框架的20～30 工位的级进模，用于电子枪零件的硬质合金级进模和空调器散热片的级进模，也已达到 较高的水平。

1.2塑料模具技术

近年来，塑料模具发展很快，在国内模具工业产值中塑料模具所占比例不断扩大。 电视机、 空调、 洗衣机等家用电器所需的塑料模具基本上可立足于国内生产。 重量达10～ 20吨的汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具和多达600腔的塑封模具已可自行生产。 在 精度方面，塑料尺寸精度可达IT6-7级，型面的粗糙度达到 Ra0.05-0.025μm，塑料模 使用寿命达100万次以上。在塑料模具的设计制造中，CAD/CAM技术得到较快的普及， CAE软件已经在部分厂家应用。热流道技术得到广泛应用，气辅注射技术和高效多色注 射技术也开始成功应用。

1.3 CAD/CAE/CAM 技术

目前，国内模具企业中已有相当多的厂家普及了计算机绘图，并陆续引进了高档 CAD/CAE/CAM，UG、Pro/Engineer、I-DEAS、 Euclid-IS等著名软件在中国模具工业 应用已相当广泛。一些厂家还引进了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和 MAGMASOFT等 CAE软件，并成功应用于塑料模、冲压模和压铸模的设计中。

近年来，我国自主开发CAD/CAE/CAM系统有很大发展。例如，华中理工大学模 具技术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模CAD/CAE/CAM软件， 上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开发的冷冲模和精冲研究中心开发的冷冲模 和精冲模CAD软件，北京机电研究所开发的锻模CAD/CAE/CAM软件，北航华正软件

工程研究所开发 CAXA软件，吉林汽车覆盖件成型技术所独立研制的商品化覆盖件冲 压成型分析 KMAS软件等在国内模具行业拥有不少的用户。

1.4 快速成形/快速制模技术

快速成形/快速制模技术在我国得到重视和发展， 许多研究机构致力于这方面的研究 开发，并不断取得新成果。清华大学、华中理工大学、西安交通大学和隆源自动成形系 统公司等单位都自主研究开发了快速成形技术与设备，生产出分层物体(LOM)、立体光 固化(SLA)、熔融沉积(FDM)和选择性烧结(SLS)等类型的快速成形设备。这些设备已在 国内应用于新产品开发、精密铸造和快速制模等方面。快速制模技术也在国内多家单位 开展研究，目前研究较多的有电弧喷涂成形模具技术和等离子喷涂制模技术。中、低熔 点合金模和树脂冲压模制造技术已获得成功应用，硅橡胶模也应用于新产品的开发中。

1.5其他相关技术

近年来，国内一些钢铁企业相继引进和装备了一些先进的工艺设备，使模具钢的品 种规格和质量都有较大的改善。在模具制造中已较广泛地采用新的钢材，如冷作模具钢 D2、 D3、 A1、 A2、 LD、 65Nb等； 热作模具钢H10、 H13、 H21、 4Cr5MoVSi、 45Cr2NiMoVSi 等；塑料模具钢 P20、3Cr2Mo、PMS、SMI、SMII等。这些模具材料的应用在提高质 量和使用寿命方面取得了较好的效果。 国内一些单位对多种模具抛光方法开展研究， 并开发出专用抛光工具和机械。花纹蚀刻技术和工艺水平提高较快，在模具饰纹的制作 中广泛应用。高速铣削加工是近年来发展很快的模具加工技术。国内已有一些公司引进 了高速铣床，并开始应用。国内机床厂陆续开发出一些准高速的铣床，并正开发高速加 工机床。但是，高速铣削的应用面在国内尚不广泛。

2 中国模具工业技术发展展望

2.1市场需求推动模具工业发展

1999年中国大陆制造工业对模具的总市场需求量约为330亿元， 今后几年仍将以每 年10%以上的速度增长。对于大型、精密、复杂、长寿命模具需求的增长将远超过每年 10%的增幅。

汽车、摩托车行业的模具需求将占国内模具市场的一半左右。1999年，国内汽车年 产量为183万辆，。保有量为1500万辆，预计到2005年汽车年产量将达300万辆。汽 车、摩托车行业的发展将会大大推动模具工业的高速增长，特别是汽车覆盖件模具、塑 料模具和压铸模具的发展。例如，到2005年汽车行业将需要各种塑料件36万吨，而目

前的生产能力仅为20多万吨，因此发展空间十分广阔。

家用电器，如彩电、冰箱、洗衣机、空调等，在国内的市场很大。目前，我国的彩 电的年产量已超过3200万台，电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过了1000万台。家 用电器行业的发展对模具的需求量也将会很大。

其他发展较快的行业，如电子、通讯和建筑材料等行业对模具的需求，都将对中国 模具工业和技术的发展产生巨大的推动作用。

早在1989年，在国务院颂布的《关于当前产业政策要点的决定》中，模具被列为 机械工业技术改造序列的首位。 1997年以来， 又相继把模具及其加工技术和设备列入 《当 前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》和《鼓励外商投资产业目录》。经国务 院批准，从1997年开始对部分模具企业实行了增值税返还 70%的优惠政策。所有这些 国家对模具工业采取的优惠政策也将对其发展提供有力支持。

2.2 未来十年模具技术发展方向

虽然我国的模具工业和技术在过去的十多年得到了快速发展，但与国外工业发达国 家相比仍存在较大差距，尚不能完全满足国民经济高速发展的需求。

未来的十年，中国模具工业和技术的主要发展方向包括：

①提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平；

②在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术；

③大力发展快速制造成形和快速制造模具技术；

④在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术；

⑤提高模具标准化水平和模具标准件的使用率；

⑥发展优质模具材料和先进的表面处理技术；

⑦逐步推广高速铣削在模具加工的应用；

⑧进一步研究开发模具的抛光技术和设备；

⑨研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；

⑩开发新的成形工艺和模具。

第 2章 设计任务书及产品图

技术要求：

产品图详见图2-1 ，材料：Q235A2

未注公差按照IT13

图 2-1

零件的 3D图：

静线框图如图2-2所示：

图 2-2 3D渲染图如图2-3所示：

图 2-3

第 3章 零件的工艺分析

如上图所示，此制件为简单型冷冲件，形状比较简单。需要冲孔落料两道工序完成 加工。

首先定义冲裁：

冲裁是利用安装在压力机上的冲裁模，使材料产生分离的冲压工序，包括落料、冲 孔、切口、剖切、切断等。

3.1 分析零件的结构工艺性

1、该零件形状较为简单，规则。

2、该零件底面的平面度要求比较高在进行模具设计的同时需要注意在这方面把好 关。

3、冲件有尺寸要求

4、该产品中间有孔。

制件的材料为Q235，冲裁性能好。

在整个模具的设计工程中，模具的结构设计安排的是否合理将极大的影响整副模具 的使用性能。此工件需要冲孔落料，成型两个工序。材料为Q235，具有良好的冲压性 能，适合冲裁。工件结构相对简单，工件尺寸精度较低，普通冲裁完全能满足要求

3.2 分析公差和表面粗糙度

1、公差 该零件上的尺寸公差均有要求，按照其公差要求进行计算。

2、表面粗糙度 此制件未作特殊要求。

3）被冲材料为Q235，冲裁性能比较好。材料的厚度在2mm，具有足够的塑性、较 低的屈服极限和较高的弹性模量。

根据以上分析的结果。此件的冲裁工艺性良好，适合冲裁和成型。工件结构相对简 单，工件尺寸精度较低，普通冲裁完全能满足要求.

第 4章 冲压工艺方安的制定

方案一、先落料再冲孔，采用两幅副模具。

方案二、冲孔落料一副膜。

方案三、先冲孔再落料，在冲孔采用一级进模。

方案一、方案三、的模具结构复杂，生产率高，即不能能满足要求又不经济。

第 5章 模具结构形式的论证和确定

分析该制件的结构特征后，初步确定冲压工序：采用两幅幅模具加工。

一副冲孔落料模。足以满足制件的精度要求。

因为级进模因为成本偏高，难度加大，所以不考虑。

第 6章 胚料形状和尺寸的确定

图 6-1

6.1毛胚尺寸的计算

据上图6-1所示，此工件比较简单，尺寸上图都以标注。毛呸的尺寸L为

毛呸长度方向尺寸L1

L1=40

宽度方向尺寸L2=30

产品的厚度尺寸为1.5

经过计算，该弯曲件的毛胚尺寸为40X30X1.5mm.

6.2条料宽度的确定:

排样图既要在冷冲压工艺规程中反映出来，以指导冲压生产，又要在模具装配的右 边反映出来，在模具加工和装配中起参考作用，所以画排样图是冷冲压工艺和模具设计 中极为重要，且技术性很强的设计工作。

排样的方法有很多，如：直排、斜排、直对排、混合排、多行排，等等。方式。中 和此制件的特点和加工工艺要求，和经济性的考虑，采用直排较为可行。

条料宽度的确定如图6-2所示:

图6-2

查表2－6得，a=1.5 1 a =1.8,考虑此制件的特殊性，取a=1.5mm 1

a =1.8mm =（40+2X1.8）

0.5 0

43.6 + = 式中：B=料宽基本尺寸

l =条料宽度方向制件轮廓最大尺寸

n=侧刃个数

b=侧刃切料宽度

d =条料剪切公差，见表2-7，2-8 此处查表得d =0.5

附表6-1

表 6-1 5.3 毛胚排样图

毛坯排样图如图6-3所示

图6-3

第 7章 模具工作零件刃口尺寸计算

凸模和凹模刃口尺寸直接决定工件的尺寸和模具间隙的大小，是模具上最重要的尺 寸。

刃口尺寸计算的基本原则

1、 由于冲孔落料件都是测量其光亮带部分的尺寸，而冲孔的光亮带是凸模挤入 而形成的， 落料的光亮带是落料件挤入凹模型孔形成的， 故冲孔时孔的尺寸由凸模决定， 落料时的外形尺寸由凹模决定。

2、 由于冲裁时凸、凹模的磨损，使凸、凹模实体尺寸变小，故在设计凸、凹模 尺寸时应考虑凸、凹模的磨损方向，使其磨损之后还能保证冲件尺寸的要求。

3、 考虑凸、凹模制造公差的方向，确定凸、凹模的基本尺寸。

4、 其凸、凹模制造公差为：

max min ,0.4,0.6

Z Z Z Z Z d d d d ￡D =D -=D = D 凸 凹 凸 凹 ＋ 刃口尺寸计算公式：

（1）、冲孔磨后变小的公式：

( ) ( ) 0 min min 0 b b x b b Z d

d - + =+ D =+ 凸 凹

凸凹 凸 （2）、落料磨后变大的公式：

( ) ( ) max 0

0 min A A x A A Z d d + - =- D =- 凹 凸

凹凸 凹

按以上（1）、（2）之法可得出：

（3）、冲孔磨后变大的公式：

( ) ( ) max 0

0 min a a x a a Z d d + - =- D =- 凹 凸

凹凸 凹 （4）、落料磨后变小的公式：

( ) ( ) 0 min min 0 B b x B b Z d

d

- + =+ D =+ 凸 凹 凸凹 凸 （5）、C 是磨后不变的尺寸，其公式为

( ) min /2 8

C C C

D ==+D ± 凸 凹 以上各式中：b 凸 、b 凹 、A 凹 、A 凸

―― 为凸、凹模基本尺寸 max A 、 min

b ―― 为最大、最小极限尺寸 min

Z ――为最小初始间隙 D ――为工件公差

x

――精度等级系数，并有：（高于）IT11时

x=1?IT11~IT13时 x=0.75?(低于)IT13级

时，x=0.5 d 凸 、d 凹

――凸、凹模制造公差

具体的计算如下：

1、查表确定初始间隙

0.2

0.2

4

0.04

2、计算凸、凹模制造公差

0.40.40.040.0016

0.60.60.040.0024

Z mm Z mm d d =D =′= =D =′= 凸凹

图 7-1

3、代入公式计算各尺寸

未注公差均按IT14级计算。

尺寸Ⅰ 45 mm 为落料磨后变大D ＝0.36mm ?IT14?x=0.5

( ) ( ) 0.0060.006 max 00 0

0 00 min 0.0040.004 (450.50.1)44.95 (44.950.2)44.75 A A x X A A Z d d + ++ ++ - =-D =-= =-=-= 凹凸

凹凸 凹 尺寸2 6 mm 为落料磨后变大D ＝0.36mm ?IT14?x=0.5

( ) ( ) 0

0.0060 min 00.04 0.060 min 00.004

0 (60.50.1) 6.05 (6.050.2) 6.25 B b x X B b Z d

d + - - + ++ =+D =+= =+=+= 凸 凹 凸凹 凸 第 8章 压力计算及压力中心的计算

落料周边总厂

L1=150

中间冲孔总长

L2=39

图8-1

8.1冲裁力的计算

在冲裁模设计中，冲压力是指冲裁力、卸料力、推件力和顶件力的总称。它是冲裁 时选择压力机，进行模具设计、校核模具强度和刚度的重要依据。

1.冲裁力的计算 冲裁力是冲裁过程中凸模对板料的压力，它是随凸模行程而变化 的。对冲裁力有直接影响的因素主要有板料的力学性能、厚度与冲裁件的轮廓周长。平 刃口冲裁力可按下式计算：

dt KL F = （公式3-12）

式中 F ——冲裁力（N ）； L ——冲裁件周边长度（mm ）；

t ——材料抗剪强度（ a MP ）

d ——材料厚度（mm ）

； K ——系数，通常 3 . 1 = K 。 查表可知 b =460~520MPa t 抗剪强度按 b =490MPa t 计算，冲裁力为：

T

KL F 5 . 18 450 2 6 . 156 3 . 1 ? ′ ′ ′ = = dt 2.卸料力、推件力及顶件力的计算

根据冲裁件料厚查《冷冲模设计及制造》表3-16可得：

06

. 0 055 . 0 045 . 0 = = = 顶 、 推 、 卸 K K K 所以： 0.04518.50.85 F K F T

==′= 卸 卸 T

F nK F 2 . 1 5 . 18 055 . 0 1 = ′ ′ = = 推 推 T

F K F 2 . 1 5 . 18 06 . 0 = ′ = = 顶 顶 孔的冲裁力

T

KL F 8 . 4 450 2 3 . 40 3 . 1 ? ′ ′ ′ = = dt T

F nK F 1 8 . 4 055 . 0 3 = ′ ′ = = 推 推 T

F K F 35 . 0 8 . 4 06 . 0 = ′ = = 顶 顶 压力机公称压力的确定

冲裁时，压力机的公称压力必须大于或等于冲压力 ) ( 总 F ， ) ( 总 F 为冲裁力和与冲裁

力同时发生的卸料力、推件力或顶出力的总和。根据不同的模具结构，冲压力计算应分 别对待，即

当模具结构采用弹压卸料装置和下出件方式时：

推 卸 总 F F F F + + = （公式3-16）

当模具结构采用弹压卸料装置和上出件方式时：

顶 卸 总 F

F F F + + = （公式3-17） 当模具结构采用刚性卸料装置和下出件方式时： 推

总 F F F + = （公式3-18） 本论题模具采用弹压卸料装置和下出件方式，其总压力包括：冲裁力、卸料力和推

件力。所以其总压力为： 24.8 F F F F T

=++= 总 卸 推 一般按公称压力的80%要大于等于冲压总压力来选用压力机，即

总

公称 F F 3 ′ % 80 （公式3-19）

所以：预选压力机的公称压力为： TKN 31 3 公称 F 8.2压力中心的计算

模具的压力中心，就是冲压力合力的作用点。求压力中心的方法是：采用求空间平 行力系的合力作用点。

根据力学原理，各分力对某轴力矩之和等于某合力对同轴之矩，则可得压力中心坐 标计算公式：

1122331 0 123 1 n i i n n i n n i i F x F x F x F x F x x F F F F F

= = ++++ == ++++ ? ? … … （公式3-20）

1122331

0 123 1 n i i n n i n n i i F y F y F y F y F y y F F F F F

= = ++++ == ++++ ? ? … … （公式3-21）

据此，本设计确定零件的压力中心如下：

1）选坐标x-x ；y-y 位置，如图3-2所示。

2）把整个刃口轮廓按基本要素划分成 1 L 、 2 L 、… 10 L ，并计算各基本线段长度，其

具体数值见表3-3。

112233 0 123 103.15mm n n n L x L x L x L x x L L L L

++++ == ++++ … … 112233 0 123 31.06mm n n n L y L y L y L y y L L L L ++++ =

= ++++ … … 图 3-3 压力中心计算

表 3-3 压力中心计算数据

X=15+45.3+45.8+70.29+70.29/7=17.38

Y=0.35+21.5+43+43+42.65/7=21.5

第 9章 冲压设备的选择及核

为使压力机能安全工作，

选择压力机型号为JC23-30式压力机，其主要参数为:

公称压力：830KN

滑块行程：80mm

最大封闭高度：360mm

最大封闭高度调节量:80mm

工作台垫板孔尺寸：f250

模柄孔尺寸：f40X60m

垫板厚度：90mm

第 10章 弹性元件的设计计算

为了得到平整的工件，模具采用弹压式卸料结构，使条料在冲孔后可以脱离凸模， 所以用橡胶为弹性元件。卸料力由聚酯橡胶提供。

聚酯橡胶的自由高度取10m

图10-1 冲孔落料模具

第 11章 模具零件的选用、设计及必要的设计

各种结构的冲裁模，一般都是由工作零件(包括凸模、凹模)、定位零件(包括挡料销、 导尺等)、卸料零件(如卸料板)、导向零件(如导柱、导套)和安装固定零件(包括上下模座、 垫板、凸凹模固定板、螺钉和定位销)等5种基本零件组成。