U形支板冲压模具设计.docx

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U形支板冲压模具设计

辽宁工程技术大学

课程设计

题目：

U形支板冲压模具设计

班　　级：

姓　　名：

指导教师：

完成日期：

摘要

冲压模具在实际工业生产中应用广泛。

在传统的工业生产中，工人生产的劳动强度大、劳动量大，严重影响生产效率的提高。

随着当今科技的发展，工业生产中的模具的使用已经越来越引起人们的重视，而被大量应用到工业生产中来。

冲压模具的自动送料技术也投入到实际生产中，冲压模具可以大大的提高劳动成产率，减轻工人的负担，具有重要的技术进步意义和经济价值。

本文对冷冲压技术的分类、特点及发展方向作了简略的概述：

论述了冲压零件的成形原理、基本模具结构与运动过程及其设计原理；对典型的冲压件零件进行了设计：

此设计解决了冲压模具的加工难题,冲压模具的设计充分利用了机械压力机的功用特点，在室温的条件下对坯件进行冲压成形，生产效率高，经济效益显著。

关键词：

冲压、模具、模具设计、工艺

Abstract

Punchingdiehasbeenwidelyusedintheactualindustrialproduction.Intraditionalindustrialproduction,theworkerworkhard,andtherearetoomuchworks,sotheefficiencyislow.Withthedevelopmentofthescienceandtechnologynowdays,theuseofpunchingdieintheindustialproductiongainmoreattention,andbeusedintheindustrailproductionmoreandmore.Self-actingfeedtechnologyofpunchingdieisalsousedinproduction,punchingdiecouldincreasetheefficienceofproductionandcouldalleviatetheworkburden,soithassignificationmeaningintechnologicprogressandeconomicvalue.

Thearticlemainlydiscussedtheclassification,featureandthedevelopmentaldirectionofthepunchingtechnology.Elaboratedthepunchingcomonentsformationprinciple,thebasicdiesstructureandtherateprocessandtheprincipleofdesign;anddesignedsomeconventionalpunchingdie:

thedieforbigdiameterthreedirectionpipewhichsolvedtheproblemoftraditionalmaching,thedarwingandpunchingcompounddiewithfloatpunch-matrix,thedrawingandcuttingcompounddieswithunalteredpress,thecompounddieforthebackbowlofthenoisekeeper,thedesignofthecompounddiewhichcouldproducetwoworkpiecesinonepunching,thebendingdieforringshapepart,thebendingdiewhichusedthegemel,automateloadingdieforcutting,thedrawing,punchingandburringcompounddiewithslidingautomatedloading,thepunchingdieforthelongpipewithtworowofhole,thedrawingdieforthesquareboxshapeworkpieceandtheburringdiefortheboxshapeworkpiece.

KeyWord：

punching,die,diedesign,punching,,drawing

第1章绪论

1.1模具选材的意义

随着市场经济的迅猛发展和材料加工新技术新发明的不断采用，产品更新换代的速度加快，对成形模具数量的需求也不断增加，模具材料的正确选择与合理使用已经制约高精度、长寿命、高效率模具制造的瓶颈之一。

国内外通常按用途将模具材料分为三大类：

冷作模具材料、热作模具材料和塑性成形模具材料。

目前，这三大类模具材料仍以黑色金属及其合金为主。

合理选择模具材料具有非常重要的意义，首先是由模具在现代生产工业中的重要作用所决定；其次，合理选材也是保证模具寿命、提高材料利用率的基本要求之一。

模具材料的选择是指：

针对具体的模具零件，在相应的模具材料中选择一、两种较为理想或合适的材料的过程。

一般来说，模具零件的选材要求所选材料满足：

（1）使用性能足够根据工作条件，失效形式、寿命要求、可靠性的高低等提出材料的强度、硬度、塑性、韧性等使用性能要求，其中应考虑尺寸效应及主要的、关键的性能指标。

（2）工艺性良好根据制造工艺流程及方法不同，保证所选材料具有良好的工艺性能，首先是能将模具零件制造出来。

（3）供应上能保证所选材料应考虑地方资源市场供应情况，尽量少用进口材料，并且品种规格应尽量少而集中，以便于采购和管理。

（4）经济性合理要求所选材料，生产过程简单、成品率高、成本低。

也就是业界提出的“满足制品要求，发挥材料潜力，经济技术合理”原则。

由此可见，模具的选材决策是一个系统工程，涉及因素多，工作量大。

根据系统工程的原理，系统的组成要素越多，亦即模具选材考虑的因素越多，其系统就越大，方案优化决策的工作量也越大。

然而，系统工程认为，最终得出的决策只能是相对理想的而决不是最好的。

因此，为了简化相关问题的解决过程，系统所包括的要素应尽量少。

1.2模具选材的原则

模具选材的原则一般按下面三个方面考虑：

1）满足工作要求

a。

耐磨性

坯料在模具型腔中塑性变形时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。

所有材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。

硬度是影响耐磨性的主要因素之一。

一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。

另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。

b．强韧性

模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。

为防止模具零件在工作是突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。

模具韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织形态。

c．疲劳断裂性能

模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。

其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂、接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。

模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度以及材料中夹杂物的含量。

d.高温性能

当模具的工作温度较高时，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。

因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。

e．耐冷热疲劳性能

有些模具在工作的工程中处于反复冷却和加热的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和脱落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。

冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，因此这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。

f。

耐蚀性

有些模具如塑料模在工作时，由于塑料中存在氯、氟等元素，受热后分解出HCI，HF等强腐蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加剧磨损失效。

2）满足工艺性能要求

模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。

为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。

a．可锻性

具有较低的热锻变形抗力，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。

b．退火工艺性

球化退火温度范围宽，退火硬度低且波动范围小，球化率高。

c．切削加工性

切削用量大，刀具磨损低，加工表面粗糙度低。

d．氧化、脱碳敏感性

高温加热时抗氧化性能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。

e.淬硬性

淬火后具有均匀而高的表面硬度。

f.淬透性

淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬。

g.淬火变形开裂倾向

常规淬火体积变形小，形状翘曲、畸变轻微，异常变形倾向低。

常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及工作形状不敏感。

h.可磨削性

砂轮相对损耗小，无烧伤，极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤及磨削裂纹。

3）满足经济性要求

在给模具选材时，必须考虑经济性这一原则，尽可能降低制造成本。

因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。

另外，在选材时还应考虑市场的生产和供求情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。

1.3冷冲压模具的选材原则

冷冲压模具（简称冷冲模，下同）主要用在使金属板料产生塑性变形或分离而加工成形所需制件方面。

由于被成形对象在成形过程中存在加工硬化现象，加之其它一些模具工作环境因素，所以，对模具的强度、硬度、韧性、耐磨性和抗疲劳性等性能指标要求较高。

而这些性能指标，主要是通过正确的选材和合理的热处理工艺搭配老保障。

冷冲模在选材时，通常应遵循下述原则：

1）选择淬透性良好的材料

在使用过程中，大多数冷冲模除要求表面有足够的硬度外，还要求芯部具有足够的韧性。

例如：

对于大型冷冲模，若用淬透性较差的材料，则淬火回火后很难达到表里一致的组织，从而影响模具的强度和韧性。

所以，在选择材料时，一般应选用淬透性能良好的钢材。

此外，为了使模具零件在淬火后能获得较均匀的应力状态，以避免开裂或变形，也应该选用淬透性较好的材料。

2）选择抗回火稳定性高的材料

冷冲模在工作时，由于和被加工材料发生强烈的挤压和摩擦，会形成较高的温度，这就要求模具材料本身要具有较高的抗回火稳定性，也就是要具有在一定温度下保证硬度的能力。

一般来说，碳素钢和低合金钢抗回火能力差，若采用不同程度的含铬和含铝的合金钢，则能显著提高模具零件的回火稳定性。

3）根据制品批量选择材料

对于冲压数量较大的模具一般选用优质合金工具钢制造，而对于制件数量较小的模具则可采用廉价的碳素工具钢制造。

4）根据模具的精密程度和使用寿命选择材料

制造小型精密而复杂的冷冲模，宜选用优质钢材；而对于结构比较简单、且使用寿命要求不高的模具，则可采用相对便宜的材料制作。

对于大型凸、凹模，可以采用局部镶嵌结构，以节省贵重钢材。

5）根据模具零件的作用选择钢材

冷冲模的关键零部件，如凸、凹模，可采用优质钢材制作，而其它零件可以采用一般钢材制作。

但对于结构比较的冲裁凸模和凹模，以及弯曲模和拉伸模，如果是用来冲制数量不多或者厚度不大的有色金属和黑色金属，则多半可以选用优质碳素工具钢。

例如，在工作中承受较大冲击的模具，可选用T8A钢，但对于基本不承受冲击的模具，则可选用T10A钢。

对于成产批量较大的模具，其凸、凹模可采用Cr12钢制造。

总之，在选择冷冲模材料时，既要考虑其使用性能，又要考虑其总成本，两者综合，才是最佳的选择。

第2章零件的分析

2.1零件的工艺性分析

原始设计题目如下图所示：

图1冲件零件图

该零件为圆形零件形，简单且对称，无悬臂、凹槽。

结论：

从结构分析，该零件适合冲裁生产。

注：

《冲压模具及设备》194页

该零件材料为Q235，其抗拉强度：

=322～441Mpa，抗剪强度：

=265～343Mpa，延伸率：

=29%。

而该零件要求拉深性能较好，即塑性较好，从该材料的这三个方面可见，符合该零件。

结论：

综上分析，符合零件要求。

注：

《冲压模具及设备》28页表2-3。

该零件落料尺寸按IT14级，普通冲裁落料可达IT10级，故普通冲裁可以达到该零件精度要求。

该零件断面粗糙度、飞边毛刺都无特殊要求，普通冲裁可以达到

=3.2～6.4µm，故普通冲裁可达到零件要求。

结论：

综上所述，该零件适合普通冲裁。

注：

《冲压模具及设备》191页。

2.2工艺方案比较及确定

2.2.1方案的确定

该零件包括落料,冲孔,弯曲3个基本工序，可以采用以下3种工艺方案：

方案一：

直接每道工序一个模具。

方案二：

采用冲孔落料弯曲的级进模具

方案三：

采用先冲孔再落料的复合模具具,在单工序弯曲。

2.2.2方案比较

方案一:

模具结构相对而言比较简单，经济性高，但相对精度较低，不能很好的保证产品的允许公差尺寸。

方案二:

先采用冲孔来定位工件毛坯料，然后再落下成品,复合模具。

既能很好的保证工件有一定的定位精度，又能减少一次冲压的合力，并且保证机构能在相对小的载荷下工作。

方案三：

采用此种生产方式可以大大的提高工作效率，而且可以提高毛坯料的利用效率，但是该种方式会大大增加压力机的吨位，在实际生产中还得考虑减噪、安全、灵活等。

况且该零件垫片本来就已经属于尺寸较大的工件了，采用一次落两个会使模具的体积扩大，不便于装卸等。

综上所述以及实际生产的相关条件和要求，我决定选择第二种方案。

2.3冲压工艺与模具设计的内容及步骤

冲压工艺与模具设计应结合工厂的设备、人员等实际情况，从零件的质量、生产效率、生产综合考虑,选择全性各个方面和设计出技术先进、经济上合理、使用安全可靠的工艺方案和模具结构，应使冲压件的生产在保证达到设计图样上所提出的各项技术要求的基础上，尽可能降低冲压件的工艺成本和保证安全生产。

一般来讲，设计的主要内容及步骤包括：

成本、劳动强度、环境的保护以及生产的安全。

1.零件及其冲压工艺分析

根据冲压件产品图，分析冲压件的形状特点、尺寸大小、精度要求、原材料尺寸规格和力学性能,并结合可供选用的冲压设备规格以及模具制造条件/生产批量等因素，分析零件的冲压工艺性能的冲压工艺方案，内容包括工序性质、供序数目、工序顺序及组合方式等。

工艺参数指制定工艺方案所依据的数据,计算有两种情况,第一种是工艺参数可以计算的比较准确，如零件材料的排样利用率、冲裁压力中心、工件面积等；第二重视工艺参数只能作近似计算，如一般弯曲或拉深成形力、复杂零件的坯料展开尺寸。

2.4零件及其冲压工艺性分析

冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲压工艺的适应性，即冲裁件的结构形状、尺寸大小、精度等级是否符合冲裁加工的工艺要求。

良好的结构工艺性应保证材料消耗少，工序数目少，模具结构简单而寿命高，产品质量稳定，操作简单单等等。

通常对冲裁件的工艺性影响最大的是几何形状尺寸和精度要求。

对几何形状的要求是冲裁件的形状应尽可能简单、对称，最好采用圆形、矩形等规则的几何形状或由这些形状所组成，使排样时废料最少；冲裁件的凸出悬臂和凹槽的宽度不宜太小，以免凸模折断；冲裁件的外形或内形的转角出，要避免夹角出现，应以圆弧过渡，以便于模具加工，减少热处理或冲压时的在尖角处开裂的现象，同时可以防止尖角部位的刃口磨损过快而使模具寿命降低。

对精度的要求是冲裁件的经济精度一般不高于IT11级，最高可达

2.5弯曲工艺计算

（1）无圆角半径（较小）的弯曲件（r〈0.5t）根据毛坯与制件等体积法计算。

（2）有圆角半径（较大）的弯曲件（r>0.5t）根据中性层长度不变原理计算。

因为r=2>0.5t=0.5*2=1mm,属于有圆角半径（较大）的弯曲件.所以弯曲件的展开长度按直边区与圆角区分段进行计算.视直边区在弯曲前后长度不变,圆角区展开长度按弯曲前后中性层长度不变条件进行计算.

①    变形区中性层曲率半径p

           P=r+kt=3+0.38*1.2=3.456（mm）

           LZ=∑l+∑A

其中       A=（180°-β）∏/180°*ρ（中性层圆角部分的长度）

该零件的展开长度为

Lz≈147（mm）

以上格式中 P---中性层曲率半径,mm;          

k---中性层位系数,查表得k=0.16          

r---弯曲内弯曲半径,mm           

t---弯曲件材料厚度,mm          

LZ----弯曲件的展开长度,mm          

a-----弯曲中心角           

β---弯角

2.6搭边

冲裁件与冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间留下的工艺预料称为搭边。

搭边的作用是避免因误送发生零件缺角、搭边或尺寸超差；使凸凹模刃口受力均匀，提高模具的使用寿命及冲裁件的断面质量,此外利用搭边还可以实现模具的自动送料。

搭边的合理数值主要取决与冲裁件的板料厚度、材料性质、外廓形状及尺寸大小等。

一般来说，材料硬时，搭边值可取小些；软材料或脆性材料，搭边值可取大些；板料厚度大，需要的搭边值大；冲裁件的形状复杂，尺寸大，过度圆角半径小，需要的搭边值大；手工送料或有侧压板导料时，搭边值可取小些。

链板片搭边设计：

查表得a

=3mm。

2.7送料进距

模具每冲裁一次，条料在模具上前进的距离称为送料进距或步距。

当单个进距内只冲裁一个零件时，送料进距的大小等于调料上两个对应点之间的距离。

A=D+a

（2.2）

式中：

A为送料进距，单位mm；D为平行于送料方向的冲裁件宽度，单位mm；a

为冲裁件之间的搭边值，单位mm。

所以板的送料进距为：

A=D+a

=30

2.8条料宽度

冲裁前通常需要按要求将板料裁剪为适当宽度的条料。

为保证送料顺利，不因过宽而发生卡死现象，条料的下料公差规定为负偏差。

条料在模具上送料时，一般都有导料装置，有时还要使用测压装置。

条料宽度：

B=L+2a+Δ（2.3）

式中：

B为条料宽度，单位mm；L为冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸，单位mm；a为冲裁件与条料之间的搭边，单位mm；Δ为条料下料时的下偏差值，单位为mm。

所以条料宽度B=L+2a+Δ=155

2.9排样设计与计算

根据冲裁件形状特征，质量要求，模具类型与结构方案，材料利用率等方面因素进行冲裁件的排样设计。

鉴于生产批量大重点考虑节省材料，提高材料利用率排样方式显得尤为重要。

该零件材料厚度较大，尺寸大，因此可采用直排的排样方式。

如图4.1.1所示：

图4.1.1排样图

由零件图算得一个零件的面积为3788.48mm2,一个进距内冲1件，因此材料的利用率为：

η=A/BS=3788.48/155x30×100%=81.5%

2.10冲裁力的计算与压力机的选择

根据冲裁件尺寸，排样图和模具结构方案，计算冲裁力，卸料力，推件力，及总冲压力，并计算模具的压力中心。

根据冲压总力，冲件尺寸，模架类型与精度等初步选定压力机的类型与规格。

2.10.1冲裁力的计算

本模具采用刚性卸料装置和下出料方式，考虑到在实际生产中模具间隙值的波动及均匀性，刃口磨损，材料机械性能及厚度的波动，润滑情况等因素对冲压力的值都有影响

冲孔力

由[2]得冲裁力的计算公式

F冲孔孔=KLtτ（3.1）

式中：

K—系数，K=1.3；

L—冲裁周边长度（mm）；

t—冲裁件的厚度（mm）；

τ—材料的抗剪强度（MPa）。

F冲孔孔=KLtτ

=1.3×31.42×2×350×1.2

=34.3（kN）

落料力

=KLtτ（3.2）

式中：

K—系数，K=1.3；

L—冲裁周边长度（mm）；

t—冲裁件的厚度（mm）；

τ—材料的抗剪强度（MPa）。

=KLtτ

=1.3×345.78×350×1.2

=188.8（kN）

卸料力

由[2]得卸料力的计算公式

F卸料=K卸料F落料（3.3）

式中：

K卸料—卸料力系数，查表3.1。

F卸料=K卸料F落料

=0.034×188.8

=6.42（kN）

推件力

由[2]中推件力的计算公式

F推件=nK推件F冲孔（3.4）

式中：

K推件—推件力系数，查表3.1。

n—同时梗塞在凹模内的工件数（废料数）；

F推件=nK推件F冲孔

=2×0.045×34.3

=3.09（kN）

顶件力

由[2]中顶件力的计算公式

F顶件=K顶件F落料（3.5）

式中：

K顶件—顶件力系数，查表3.1。

F顶件=K顶件F落料

=0.06×188.8

=11.33kN）

自由弯曲力的计算

U形件弯曲

（2-7）

式中

——自由弯曲力（N）；

K——安全系数，一般取K=1.3；

B——弯曲件的宽度（mm）；

T——弯曲件的材料的厚度（mm）；

r——弯曲件的内圆角半径（mm）；

——弯曲材料的抗拉强度（

），查课本1.6，

取350

则

总压力为34.3+188.8+6.42+3.09+11.33+3.1=247.04KN

2.10.2压力机的选择与模具闭合高度

计算得总冲压力是247.04KN，压力机的公称压力必须大于或等于总冲压力。

所以选用公称压力为100吨的压力机。

压力机主要参数经查[2]、[10]、[14]得表3.2。

表3.2压力机参数

序号

项目

数值

单位

1

冲压设备型号

J23-100

2

公称压力

100

吨

3

滑块行程

130

毫米

4

滑块每分钟行程次数

38

次

5

最大闭合高度

480

毫米

6

闭合高度调节量

400

毫米

7

滑块中心线至床身距离

380

毫米

8

立柱距离

530

毫米

9

工作台尺寸

前后

710

毫米

左右

1080

毫米

10

工作台孔尺寸

前后

380

毫米

左右

560

毫米

直径

500

毫米

11

垫板尺寸

厚度

100

毫米

直径

—

12

模柄孔尺寸

直径

φ60

毫米

深度

75

毫米

13

滑块底面尺寸

前后

360

毫米

左右

430

毫米

14

机床最大可倾角

30

度

模具的闭合高度H模是指模具在最低工作位置时，上、下模之间的距离。

为使模具正常工作，模具闭合高度必须与冲床的闭合高度相适应。

应介于冲床最大和最小闭合高度之间:

H最大-5≥H模≥H最小+10（3.7）

H=432mm

475mm≥H模≥90mm

2.11压力中心的选择

计算压力中心时，先画出凹模型口图，如图示。

在图中将

坐标建立在图示的对称中心线上，将冲裁轮廓按几何图形分解成

共16组基本线段，