垫板的冲压成形工艺及模具设计

1 绪论

模具工业是国民经济的基础工业,是工业生产的重要工艺装备.先进 国家的模具工业已摆脱从属地位,发展为独立的行业.

我国1998年3月在《国务院关于当前产业政策要点的决定》模具被列 为机械工业技术改造序列的第一位,生产和基本建设序列第二位,把发展 模具工业摆在发展国民经济的重要位置.目前,我国冲压模具在产值占模 具总产值的40%以上,处于主导地位.

冲压是一种先进的少无切削加工方法 ,具有节能省材,效率高,产品 质量好,重量轻,加工成本低等一系列优点,在汽车,航空航天,仪器仪表, 家电,电子,通讯,军工,日用品等产品的生产中得到了广泛的应用.据统 计,薄板成型后,制造了相当于原材料的12倍的附加值, 在国民经济生产 总值中,与其相关的产品占四分之一,在现代汽车工业中,冲压件的产值 占总产值的59%.随着我国经济的迅速发展，采用模具的生产技术得到愈 来愈广泛的应用。

在完成大学三年的课程学习、生产实习，我熟练地掌握了机械制图、 机械设计、机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，对机械制造、 加工的工艺有了一个系统、全面的理解，达到了学习的目的。对于模具 设计这个实践性非常强的设计课题，我们进行了大量的实习。经过在新 飞、洛阳中国生产实习，我对于冷冲模具、塑料模具的设计步骤有了一 个全新的认识，丰富和加深了对各种模具的结构和动作过程方面的知识， 而对于模具的制造工艺更是有了全新的理解。在指导老师的细心指导下 和在工厂师傅的讲解下，我们对于模具的设计和制造工艺有了系统而深 刻的认识。同时在实习现场亲手拆装了一些典型的模具实体并查阅了很 多相关资料，通过这些实践，我们熟练掌握了模具的一般工作原理、制 造、加工工艺。通过在图书馆借阅相关手册和书籍，更系统而全面了细 节问题。锻炼了缜密的思维和使我们初步具备了设计工作者应有的素质。 设计中，将充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大 努力搞好本次毕业设计。

在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自 己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。由于学生水平有限，而且

缺乏经验，设计中难免有不妥之处，肯请各位老师指正。

2 制件的工艺性分析

工件名称：垫板

生产批量：大批量

材料：A3

厚度：0.5mm

工件简图见图 1

图 1 制件图

制件的总体分析

工艺性：垫板属于中等尺寸零件，料厚 0.5mm，外形复杂程度一般， 尺寸精度要求一图示零件材料为 A3 钢，能够进行一般的冲压加工，市场 上也容易得到这种材料，价格适中。

因此零件外形可采用落料工艺获得。

冲孔的工艺性：φ4.5mm 的孔，尺寸精度要求一般，可采用冲孔。

此工件只有外形落料和冲孔两个工序。

图示零件尺寸均为未注公差的一般尺寸，按惯例取 IT14 级，符合一 般级进冲压的经济精度要求。

由以上分析可知，图示零件具有比较好的冲压工艺性，适合冲压生 产。

3 工艺方案的确定

垫板零件所需的基本冲压工序为落料和冲孔，可拟订出以下三种工 艺方案。

方案一：用简单模分两次加工，即先落料,后冲孔。采用单工序模生 产。

方案二：落料——冲孔复合模。采用复合模生产。

方案三：冲孔——落料级进模。采用级进模生产。

分析各方案的优缺点

方案一：生产率低，工件的累计误差大，操作不方便，由于该工件 为大批量生产，方案二和方案三更具有优越性。

方案二：冲压生产率较高，压力机一次行程内可完成两个以上工序， 实现操作机械化，自动化难，制件和废料排除较复杂，另外复合模制造 的复杂性和价格较高。

方案三：只需要一副模具，生产率高，压力机一次行程内可完成多 个工序，实现操作机械化自动化容易，尤其适应于单机上实现自动化， 冲模的制造复杂性和价格低于复合模，精度也可也得到保证。

通过上述三个方案的比较，该件的冲压生产采用方案三更佳。

4 主要工艺参数计算

4.1 排样的设计与计算

设计级进模时，首先要设计条料排样图。

根据工件的形状选择有废料排样，且为直排的形式，虽然材料的利 用率低于少废料和无废料排样，但工件的精度高

垫板零件设计为单向排列，采用直排的排样方案（如图 2 所示

）

图 2 排样图

4.1.1 确定搭边与搭肩值

搭边和搭肩值一般是由经验确定的查表而取最小搭边值为 a=1.0mm

和 b=1.2mm 表 1 最小搭边值

材料厚 度 t

圆形或圆角 r＞2t

的工件

矩形边长 L＜50mm

的工件

矩形边长 L≥50mm

或圆角 r≤2t 的工

件

工件间 a 侧面 a 工件间 a 侧面 a 工件间 a 侧面 a

＜0.25 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 3.0 0.25～

0.5 1.2 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5

0.5～

0.8 1.0 1.2 1.5 1.8 1.8 2.0

0.8～

1.2 0.8 1.0 1.2 1.5 1.5 1.8

1.2～

1.6 1.0 1.2 1.5 1.8 1.8

2.0

4.1.2 计算送料步距和条料的宽度

条料宽度的计算：拟采用无侧压装置的送料方式，由

B - 0

Δ = 〔D m a x +2a＋C〕 0 - Δ

D m a x

—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸 a—侧搭边值

c—导料板与最宽条料之间的间隙由表查得 C＝0.5

代入数据计算，取得条料宽度为 31.9mm。

导料板间距离的计算：由 s=D+2(a+c 1

),代入数据计算得导料板间距 离为 32.4mm。

4.1.3 计算材料的利用率：

材料利用率 h 的计算公式为

h = % 100 ′ Bl

nA 式中 A—一个冲裁件的面积，mm 2 ;

n—板料（或条料.带料）上冲压件的数量；

B—条料（或条料.带料）宽度，mm;

L—板料（或条料.带料）长度， mm

若取工件 n＝20 件，则料长

L=20D+19b+2b=20×29+19×1+2×1=601mm

所以条料规格为 601×31.9×0.5

所以材料的利用率为

h ＝ 22 20 3.14(14.53) 100% 60131.9 ′- ′ ′ ＝66％

4.2 冲压力的计算并初步选取压力机的吨位

4.2.1 冲裁力的计算

冲裁力的大小随凸模进入材料的深度（凸模行程）而变化，本模具 采用普通平刃口模具冲裁，其冲裁力 F 按下式计算：

F =KLtΓb

冲裁力公式为 P ＝P 孔 +P 落

式中 P—冲裁力

P 孔 —冲孔冲裁力

P 落 —落料冲裁力

表 2 卸料力、推件力、顶件力系数 料厚/mm K 卸 K 推 K 顶

钢 ≤0.1 0.06～0.09 0.1 0.14

＞0.1～0.5 0.04～0.07 0.065 0.08

＞0.5～2.5 0.025～0.06 0.05 0.06

＞2.5～6.5 0.02～0.05 0.045 0.05

＞6.5 0.015～0.04 0.025 0.03

纯铜、黄铜 0.02～0.06 0.03～0.09

铝、铝合金 0.03～0.08 0.03～0.07

① 冲孔冲裁力 P 孔

P 孔 ＝K L 孔 tτ

式中 K—系数，查表取 K＝1.3

L 孔 —冲孔周长，L＝3.14×4.5＝14.13mm

t—材料厚度，t＝0.5mm

τ—材料抗剪强度，MPa，查手册 A3 钢 τ＝（370～460）MP a，

取 τ＝400 MP a

所以 P 孔 ＝K L 孔 tτ＝1.3×14.13×0.5×400＝3673.8N

取 P 孔 ＝3.68KN

② 落料冲裁力 P 落

P 落 ＝K L 落 tτ

式中 L 落 —落料件外形周边尺寸

L 落 ＝3.14×29－12＋3.14×6＝97.9mm

所以 P 落 ＝KLtτ＝1.3×97.9×0.5×400=25454N

取 P 落 ＝25.5K N

4.2.2 卸料力、推件力及顶件了力的计算：

卸料力是将废料或工件从凸凹模上刮下的力。而推件力是将梗塞在 凹模内的料顺冲裁方向推出所需的力。顶件力逆冲裁方向将料从凹模内 顶出所需的力。卸料力、推件力和顶件力是由压力机和模具卸料装置或 顶件装置传递的，所以在选择设备公称压力或设计冲裁的时候应分别予 以考虑，影响这些力的因素较多，主要有材料的力学性能、厚度、模具 间隙、凹模洞口结构、搭边大小、润滑情况、制件的形状和尺寸等。现 在按照下面的经验公式计算：

卸料力 P x

P x

＝ x K P 落 式中 P x

—卸料力 x K —卸料系数，查表 x K ＝0.04～0.05，取 x K ＝0.045

所以 P x

＝0.045×25.5＝1.15K N 推料力 t

P t P ＝ t K P 孔 n

式中 t K —推料系数,查表取 t K =0.055

n—同时卡在凹模洞孔内的件数,取 n=10

所以 t P =0.055×3.68×10=2.024KN

顶件力 d

P d P = Kd (P 孔 ＋P 落 ）

式中 d P —顶件力

d K =顶件系数,查表取 d K =0.06

所以 d P =0.06×(3.68+25.5)=1.7508KN

4.2.3 总冲压力 P

总

冲裁时,压力机的压力值必须大于或者等于冲裁各工艺力的总和,即 大于总的冲压力,总的冲压力根据模具结构不同计算公式不同,当采用弹 性卸料装置和下出件的模具时,总的冲压力为

P 总 =P+ P

x + t P = P 孔 +P 落 + P x + t P =3.68+25.5+1.15+2.024=32.36KN 4.3 压力机的公称压力的确定：

初选开式可倾压力机参数压力机型号为 J23-6.3

查手册选择压力机的公称压力为：63KN

滑块固定行 35mm

(最大闭合高度)150 mm

闭合高度调节量 35mm

(标准型)工作台尺寸(左右×前后)200×310mm

(标准型)工作台孔尺寸(左右×前后) 160×140mm

(标准型)立柱间距离(不小于) 150mm

模柄孔尺寸(直径×深度) Ф25×40mm

4.4 压力中心的确定

模具的压力中心就是冲压力合力的作用点。为了保证压力机和模具 的正常工作，应使模具的压力中心和压力机滑块的中心线相重合。否则 冲压时滑块会承受偏心载荷，导致滑块的滑轨和模具的导向部分不正常 磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而影响制件的质量降低模具寿命 甚至损坏模具。而本模具所冲裁的制件形状完全对称于相互垂直的 两条 对称线，所以模具的压力中心在几何图形的中心点上。

4.5 工作部分的尺寸计算

4.5.1 计算凸凹模工作部分的尺寸（冲孔）并确定其公差：

该零件在弯曲前属于无特殊要求的一般冲孔落料件，外形尺寸由落 料 获得，而中间的小孔尺寸则是由冲孔得到。

查表而知：Zmin = 0.06max = 0.04mm

Zmax –Zmin = 0.02mm

因为模具的精度等级为 IT14 级 取 X = 0.5

设凸、凹模分别按 IT9、IT10 级精度制造，分别计算 Dt、Da 如下： 冲 ?4.5mm 的孔

冲孔时，间隙取在凹模上，则：

凸模尺寸

t d =(d min + χ△) 0　

d

- 凹模尺寸

a d =( t d + Zmin) d + 0

式中： t d ---冲孔凸模刃口尺寸

a d ---冲孔凹模刃口尺寸

d min ---冲孔件孔的最小极限尺寸，mm, d min =4.5mm

Z m i n

——双面间隙，mm △——工件公差，mm，△=0.3mm

x——磨损系数，查表得 IT14 级时 x=0.5

δ——凸模和凹模的制造公差，mm,查表δ=0.02mm

所以 t d =(4.5+0.5×0.3) 0 -0.02 =4.65 0 -0.02 mm

a d =(4.65+0.04) 0.02

0 mm

校核 ： | δ T|+| δ A|= 0.02 mm +0.02 mm =0.04 mm ＞ Zmax –Zmin=0.02mm 不满足间隙公差条件

因此：只有缩小δT，δA ，提高制造精度，才能保证间隙配合在合 理范围内

可取δT≤0.4（Zmax–Z min）=0.4×0.02=0.08mm

δA≤0.6(Zmax－Zmin)=0.6×0.02=0.012mm

故： t d =4.65 0 008 . 0 - mm

a d = 012 . 00 69 . 4 + mm

4.5.2 外形落料凸模、凹模刃口尺寸的计算

因此落料件为复杂的制件，所以利用凸凹模配合法，这种方法有 利于获得最小的合理间隙，放宽对模具的加工设备的精度要求。

采用配作法，计算凹模的刃口尺寸，首先是根据凹模磨损后轮廓

变化情况正确判断出模具刃口各个尺寸在磨损过程中是变大还是变小， 还是不变这三种情

况，然后分别按不同的计算公式计算。

a、凹模磨损后会增大的尺寸-------第一类尺寸 A

第一类尺寸：A j =(A m a x -x△) 0

+0.25△ b、凹模磨损后会减小的尺寸-------第二类尺寸 B

第二类尺寸：B j =(B m a x

+x△) -0.25△ c、凹模磨损后会保持不变的尺寸 第三类尺寸 C

第三类尺寸：C j =(C m i n

+0.5△)60.125△

图 3 落料凹模刃口部分尺寸

图 4 落料凸模刃口部分尺寸

由手册表查得:尺寸 29m m 的工件制造公差为 0.52mm

尺寸 3mm 的工件制造公差为 0.25m

第一类尺寸：磨损后增大的尺寸：

A 1 =(A m a x －x△) 0 +0.25△ =（29－0.5×0.52） ?.52 25 . 0 0 + = 74 . 28 13 . 00 + mm

A 2 =(A m a x

－x△) 0 +0.25△ =(3－0.5×0.25)= 0625 . 00 875 . 2 + mm 落料凸模的基本尺寸与凹模相同， 分别是 28.74mm,2.875mm, 不必标

注公差，但要在技术条件中注明：凸模实际刃口尺寸与落料凹模配制， 保证最小双面合理间隙值 Zmin=0.02mm. （落料凸模、凹模刃口部分尺寸 分别见图 3,4）

5 模具总体设计

5.1 模具类型的选择

由冲压工艺分析可知，采用级进方式冲压，所以模具类型为级进模， 本零件的冲压包括冲孔和落料两个工序，为方便小孔废料和成形工件的 落下，采用正装结构，即冲孔凹模和落料凹模都安排在下模。

5.2 定位方式的选择

本工件是中批量生产，第一个工位采用始用挡料销定位，第二个工 位采用固定挡料销定位。送料时始用挡料销与固定挡料销作为粗定距， 在大凸模上安装一导正销，利用条料上φ4.5 mm 的孔做导正销孔进行导 正，依此作为条料送进的精确定距。

5.3 导向方式的选择

为确保零件的质量及稳定性，选用导柱、导套导向。采用手工送料 方式，为了提高开敞性和导向均匀性，采用对角导柱模架。

5.4 卸料方式的选择

本模具采用正装结构，冲孔废料和工件留在凹模孔洞中，为了简化 模具结构，可以在下模座中开有通槽，使废料和工件从孔洞中落下。工 件厚度为 0.5 mm，料厚比较薄，选用弹性卸料板来卸下条料废料。

6 模具主要零部件的设计

6.1 工作零件的结构设计

6.1.1 凹模的设计

在本模具中采用螺钉和销钉将凹模直接固定在支撑件上,凹模刃口 为直壁式 ,凹模采用销钉和螺钉固定时要保证螺钉(或沉孔)间、螺孔与 销孔间及螺孔与凹模刃壁间的距离不能太近,否则会影响模具的寿命。

图 5 整体式凹模的局部结构

整体式凹模的局部结构 如图 5 所示。整体式凹模装于下模座上， 由于下模座孔口较大因而使工作时承受弯曲力矩，若凹模高度 H 及模壁 厚度 C 不足时，会使凹模产生较大变形，甚至破坏。但由于凹模受力复 杂，凹模高度可按经验公式计算，即

凹模高度 H=KB

凹模壁厚 C=(1.5~2)H

式中 B----凹模孔的最大宽度，m m 但 B 不小于 15mm

C-----凹模壁厚，m m 指刃口至凹模外形边缘的距离；

K=系数，取 0.40

所以 凹模高度 H=KB=0.40×31.9=13mm 查表取标准值 H=16mm

C=2H=32mm

凹模上螺孔到凹模外缘的距离一般取（1.7~2.0）d

d 为螺孔的距离，由于凹模厚度为 16mm, 所以根据查得螺孔选用 4 ×M8 的螺钉

固定在下模座。故选用如图 6

图 6 凹模上的螺孔设计与选用

螺孔到凹模外缘的最小距离 a2=1.5d=1.5×4=6mm

a3=1.13d≈5mm

螺孔到销孔的距离一般取 b>2d,所以 b 应大于 8

根据上述方法确定凹模外形尺寸须选用矩形凹模板 125×100×16mm

6.1.2 冲孔凸模的设计：

冲小圆孔的凸模，为了增加凸模的强度与刚度，凸模非工作部分直 径应作成逐渐增大的多级形式如图 7 所示：

图 7 冲孔凸模的结构形式

凸模长度一般是根据结构上的需要而确定的，设计该模具为冲孔落 料级进模，采用刚性卸料板，其凸模长度用下列公式计算：

L=h 1 +h 2 +h 3

+h

式中 L—凸模长度， mm

h 1

—凸模固定板高度，mm h 2

—卸料板高度，mm h 3

—导料板厚度，mm h—附加高度，一般取 15~20mm

冲裁 φ4.5m m 孔凸模、凹模各尺寸及其组件确定和标准化（包括外 形尺寸和厚度）

小凸模长度

L=14+12+0.5+14.5=50mm 小凸模强度校核 要使凸模正常工作，必须使凸模最小断面的压 应力不超过凸模材料的许用压应力，即

校核公式为

min F P 孔

≤ [ ] s 式中 P 孔 —冲孔冲裁力,N , P 孔 =3680N

Fmin—凸模最小断面积， 2 mm , Fmin= 2 14 . 3 d /4=15.9 2

mm [ ] s ---凸模材料的许用压力，Mpa,如凸模材料选用 Cr12，

查手册 [ ] s =（1000～160）Mpa,取 [ ] s =1200 Mpa

因为 min F P 孔 =

9 . 15 3680 =231.5 Mpa＜ [ ] s 所以凸模强度符合要求。

外形落料凸模、凹模各尺寸及其组件的确定和标准化（包括外形尺 寸和厚度）

外形凸模的设计：外形凸模用线切割机床加工成直通式凸模，用两 个 M8 的螺钉固定在垫板上，由于采用弹性卸料板，凸模按下式计算

L=h1+h2+t+h

其中： h 1 为固定板厚度（14 mm），h 2

为卸料板厚度（12mm ），t

为材料的厚度

（0.5 mm），h为附加长度，主要考虑凸模进入凹模的深度（1mm） 及模具闭合状态下 卸料板到凸模固定板间的安全距离（15mm～20mm） 等因素

所以：L=14+12+0.5+7.5+1+15=50 mm

凸模固定板材料可用 Cr12MOV， 结构形式和尺寸规格 查 手册可得 200mm×160mm

凹模组件的尺寸确定和示意图

凹模采用整体式凹模，各冲裁的凹模孔均采用线切割加工，安排凹 模在模架上的位置时，要依据计算的压力中心的数据，使压力中心与模 柄中心重合。（图 8）

图 8 整体式凹模的尺寸

凹模的长度选取要考虑以下因素：

a)保证有足够的安装弹性卸料板的位置。

b)便于导尺发挥作用，保证送料粗定位精度。

选取凹模边界为 125mm×100mm。凹模材料选用 Cr12MoV 制造，热处 理硬度为 60～64HRC。