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摘要
本次设计了一套冲孔﹑落料的模具。经过查阅资料，首先要对零件进行工艺分析，经过工艺分析和对比，采用冲孔落料工序，通过冲裁力、顶件力、卸料力等计算，确定模具的类型。得出将设计的模具类型后将模具的各工作零部件设计过程表达出来。
在论文中第一部分，主要叙述了冲压模具的发展状况，说明了冲压模具的重要性，接着是对冲压件的工艺分析，完成了工艺方案的确定。第二部分，对零件排样图的设计，完成了材料利用率的计算。再进行冲裁工艺力的计算和冲裁模工作部分的设计计算，对选择冲压设备提供依据。最后对主要零部件的设计和标准件的选择，为本次设计模具的绘制和模具的成形提供依据。通过前面的设计方案画出模具各零件图和装配图。
本模具性能可靠，运行平稳，能够适应大批量生产要求，提高了产品质量和生产效率，降低劳动强度和生产成本。
关键词：冲压；落料冲孔模；模具结构
目录
摘要............................................................................................................................ I
1 绪论 (1)
2 冲压件工艺分析 (2)
2.1 材料分析 (2)
2.2 零件结构 (3)
2.3 尺寸精度 (3)
3 冲裁方案的确定 (4)
3.1 冲裁工艺方案的确定 (4)
3.2 冲裁工艺方法的选择 (4)
3.3 冲裁结构的选取 (5)
4 模具总体结构的确定 (6)
4.1 模具类型的选择 (6)
4.2 送料方式的选择 (6)
4.3 定位方式的选择 (6)
4.4 卸料、出件方式的选择 (6)
4.5 导向方式的选择 (6)
5 工艺参数计算 (8)
5.1 排样方式的选择 (8)
5.2 冲压力的计算 (10)
6 刃口尺寸计算 (15)
6.1 冲裁间隙的确定 (15)
6.2 刃口尺寸的计算及依据与法则 (16)
7 主要零部件设计 (20)
7.1 凹模设计 (20)
7.2 凸模的设计 (21)
7.3 凸凹模设计 (22)
7.4 卸料板的设计 (23)
7.5 上下模座、模柄的选用 (24)
8 冲压设备的校核与选定 (26)
8.1 冲压设备的校核 (26)
8.2 冲压设备的选用 (26)
9 绘制模具总装图及零件图 (27)
9.1装配图绘制 (27)
致谢 (28)
参考文献 (29)
1 绪论
近年来，冲压成形工艺有很多新的进展，特别是精密冲裁、精密成形、精密剪切、复合材料成形、超塑性成形、软模成形以及电磁成形等新工艺日新月异，冲压件的精度日趋精确，生产率也有极大提高，正在把冲压加工提高到高品质的、新的发展水平。前几年的精密冲压主要市是指对平板零件进行精密冲裁，而现在，除了精密冲裁外还可兼有精密弯曲、压延、压印等，可以进行复杂零件的立体精密成形。过去的精密冲裁只能对厚度为5~8mm以下的中板或薄板进行加工，而现在可以对厚度达25mm 的厚板实现精密冲裁，并可对σb>900MPa的高强度合金材料进行精冲。
由于引入了CAE，冲压成形已从原来的对应力应变进行有限元等分析而逐步发展到采用计算机进行工艺过程的模拟与分析，以实现冲压过程的优化设计。在冲压毛坯设计方面也开展了计算机辅助设计，可以对排样或压延毛坯进行优化设计。
此外，对冲压成形性能和成形极限的研究，冲压件成形难度的判定以及成形预报等技术的发展，均标志着冲压成形以从原来的经验、实验分析阶段开始走上由冲压理论指导的科学阶段，使冲压成形走向计算机辅助工程化和智能化的发展道路。
为了满足制件更新换代快和生产批量小的发展趋势，发展了一些新的成形工艺(如高能成形和旋压等)、简易模具（如软模和低熔点合金模等）、通用组合模具和数控冲压设备等。这样，就使冲压生产既适合大量生产，也同样适用于小批生产。不断改进板料性能，以提高其成形能力和使用效果，例如研制高强度钢板，用来生产汽车覆盖件，以减轻零件重量和提高其结构强度。
底板零件是冲压生产的一个典型零件，在生产中有很强的作用，其模具设计有一定的实用价值。对于该制件我们利用先进的模具生产提高生产效益、保证产品质量、节约成本，从而取得很高的经济效益。
2 冲压件工艺分析
图2-1 零件简图生产批量：大批量；
材料：45；
材料厚度：1.0mm.
2.1 材料分析
表2-1 部分碳素钢抗剪性能
求较高的零件。综合评比均适合冲裁加工。
2.2 零件结构
零件结构形状相对简单，无尖角，对冲裁加工较为有利。零件中有三个圆孔，最小孔的直径为4mm ，孔离工件边缘的距离最小为6mm 。根据该零件形状来分析，该零件的结构满足冲裁要求。 2.3 尺寸精度
零件图的技术要求中，未注明尺寸公差，所以公差等级取IT12，经查参考文献[2]公差表，各尺寸公差为：1.04φ、1.012φ、1.040、1.028。又因该冲件结构简单、基本对称、尺寸不大。从零件的形状、尺寸标注及生产批量等分析均符合冲裁的工艺要求。
注解：
（1）包容表面取+ （2）被包容表面取-
（3）暴露表面及孔中心距取±
包容尺寸：测量时包容量具的表面尺寸。如：孔径、槽宽。
被包容尺寸：测量时被量具包容的表面尺寸。如：圆柱体直径、板厚。 暴露表面尺寸：不属于包容尺寸和被包容尺寸的表面尺寸称为暴露尺寸。如：凸台高度、不通孔深度、孔中心距。
3 冲裁方案的确定
3.1 冲裁工艺方案的确定
在冲裁工艺分析和技术经济分析的基础上，根据冲裁件的特点确定工艺方案。工艺方案分为冲裁工序的组合和冲裁顺序的安排。
3.2 冲裁工艺方法的选择
冲裁工序分为单工序冲裁、复合冲裁和级进冲裁三种。
单工序冲裁是在压力机一次行程内只完成一个冲压工序的冲裁模。
复合冲裁是在压力机一次行程内，在模具的同一位置同时完成两个或两个以上的冲压工序。
级进冲裁是把冲裁件的若干个冲压工序，排列成一定的顺序，在压力机的一次行程中条料在冲模的不同位置上，分别完成工件所要求的工序。
其三种工序的性能见表3-1：
表3-1 单工序冲裁、级进冲裁和复合冲裁性能
的定位精度要求比级进模低，而且生产要求大批量生产。为提高生产率，根据上述方案分析、比较，宜采用复合模冲裁。
3.3 冲裁结构的选取
按照复合模工作零件的安装位置不同，分为正装式复合模和倒装式复合模两种，两种的优点、缺点及适用范围见表3-2：
表3-2 正装式复合模、倒装式复合模的优点、缺点及适用范围
较，正装式复合模适合于冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件，还可以冲制孔边距离较小的冲裁件。而倒装式复合模不宜冲制孔边距离较小的冲裁件，但倒装式冷冲模结构简单，可以直接利用压力机打杆装置进行推件，卸件可靠，便于操作，并为机械化出件提供了有利条件，故应用十分广泛。综上所述，该制件结构形状简单，精度要求较低，孔边距较大，宜采用倒装式复合模。
4 模具总体结构的确定
4.1 模具类型的选择
由以上冲压工艺分析可知，采用复合模冲压，模具类型为倒装式复合模。4.2 送料方式的选择
由于零件的生产批量是大批量及模具类型的确定，合理安排生产可采用前后自动送料方式。
4.3 定位方式的选择
因为该模具采用的是条料，控制条料的送进方向采用导料销，无侧压装置。控制条料的送进布局采用挡料销定距。而第一件的冲压位置因为条料长度有一定余量，可以靠操作工目测来定。
4.4 卸料、出件方式的选择
刚性卸料是采用固定卸料板结构，常用于较硬、较厚且精度要求不高的工件冲裁后卸料。
弹性卸料具有卸料与压料的双重作用，主要用在冲料厚在2mm及以下厚度的板料，由于有压料作用，冲裁件比较平整。弹压卸料板与弹性元件、卸料螺钉组成弹压装置。
因为工件料厚为1.0mm，卸料力一般，可采用弹性卸料装置。又因为是倒装式复合模生产，所以采用下出件比较便于操作与提高生产效率。
4.5 导向方式的选择
方案一：采用对角导柱模架。由于导柱安装在模具压力中心对称的对角线上，所以上模座在导柱上滑动平稳。常用于横向送料级进模或纵向送料的落料模、复合模。
方案二：采用后侧导柱模架。由于前面和左、右不受限制，送料和操作比较方便。因为导柱安装在后侧，操作者可以看见条料在模具中的送进动作。但是不能使用浮动模柄。
方案三：采用四导柱模架。具有导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点。常用于冲压件尺寸较大或精度要求较高的冲压零件及大量生产用的自动冲压模架。
方案四：采用中间导柱模架。导柱安装在模具的对称线上，导向平稳、准确。
只能一个方向送料。
（a）（b）（c）（d）
图4-1 导柱模架
（a）下模座（b）导柱（c）导套（d）上模座根据以上方案比较并结合模具结构形式和送料方式，为提高模具寿命和工件质量，采用后侧导柱模架，操作者可以看见条料在模具中的送进动作。由于前面和左、右不受限制，能满足工件成型的要求。即方案二最佳。
5 工艺参数计算
5.1 排样方式的选择
冲裁件在板料、带料或条料上的布置方法称为排样。排样的意义在于减小材料消耗、提高生产率和延长模具寿命，排样是否合理将影响到材料的合理利用、冲件质量、生产率、模具结构与寿命。
排样的方法有：直排、斜排、对直排、混合排，根据设计模具制件的形状、厚度、材料等方面全面考虑。因此有下列三种方案：
方案一：有废料排样沿冲件外形冲裁，在冲件周边都留有搭边。冲件尺寸完全由冲模来保证，因此冲件精度高，模具寿命高，但材料利用率低。
方案二：少废料排样因受剪切条料和定位误差的影响，冲件质量差，模具寿命较方案一低，但材料利用率稍高，冲模结构简单。
方案三：无废料排样冲件的质量和模具寿命更低一些，但材料利用率最高。
采用少、无废料排样法，材料利用率高，不但有利于一次冲程获得多个制件，而且可以简化模具结构，降低冲裁力，但受条料宽度误差及条料导向误差的影响，冲裁件的尺寸精度不易保证，分析零件形状，应采用单直排的排样方式，排样图如图5-1所示。
图5-1 排样图示意图
搭边值的确定
排样中相邻两工件之间的余料或工件与条料边缘间的余料称为搭边。搭边是废料，从节省材料出发，搭边值应愈小愈好。但过小的搭边容易挤进凹模，增加刃口磨损，降低模具寿命，并且也影响冲裁件的剪切表面质量。一般来说，搭边
值是由经验和查表来确定的，该制件的搭边值采用查表取得。
如表5-1所示：根据此表和工件外形可知L﹥50mm，可确定搭边值a和a1，a取1.3mm，a1取1.5mm，较为合理。
表5-1 搭边a和a1数值（低碳钢）mm
送料步距A：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，每次只冲一个零件的步距按式：S＝D＋a1，S＝28＋1.5＝29.5mm 条料宽度B：B＝（40+2×1.3）mm=42.6mm
材料利用率的计算
冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比就叫材料利用率，它是衡量合理利用材料的经济性指标。关于材料利用率，可用下式表示：
η=A/BS×100% (5-2) 式中: A-一个步距内冲裁件的实际面；
B-条料宽度；
S-步距。
由cad测量工具求得面积：
A≈63.44(mm2)
纵排：η=A/BS×100%
=[（28×40-3.14×2×2）÷(42.6×29.5)]×100%
≈88.1(％)
最终的排样图如图5-2所示：
图5-2 最终排样图
5.2 冲压力的计算
计算冲裁力是为了选择合适的压力机，设计模具和检验模具的强度，压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适宜冲裁的要求，普通平刃冲裁模，其冲裁力Fp一般可以按下式计算：
Fp=KptLτ (5-3) 式中:τ-材料抗剪强度，见表5-3(MPa)；
L-冲裁周边总长(mm)；
t-材料厚度(mm);
系数Kp是考虑到冲裁模刃口的磨损，凸模与凹模间隙之波动（数值的变化或分布不均）润滑情况，材料力学性能与厚度公差的变化等因数而设置的安全系数Kp，一般取1～3。当查不到抗剪强度τ时，可以用抗拉强度σb代替τ，而取Kp=1.3的近似计算法计算。
由于45钢的力学性能查表可得：抗剪强度τ取350MPa。
τ的数值取决于材料的种类和坯料的原始状态，可在设计资料及有关手册中查找，本设计τ取值的通过查下表2-1确定，材料厚度t=1.0mm，取τ=350MPa。
5.2.1 总冲裁力的计算
由于冲裁模具采用弹性卸料装置和自然落料方式。
F冲= F1+F2(5-4)
式中: F
冲
-总冲裁力；
F1-落料时的冲裁力；
F2-冲孔时的冲裁力。
冲裁周边的总长(mm)，落料周长为：
L1≈116.52(mm)(利用CAD测量工具)
冲孔周长为：
L2≈88 (mm) (利用CAD测量工具)
落料冲裁力由公式(5-3)得：
F1=KptL1τ
=1.3×1.0×116.52×350
=53(KN)
冲孔冲裁力由公式(5-3)得：
F2=KptL2τ
=1.3×1.0×88×350
=40(KN)
5.2.2 卸料力、推件力的计算
当上模完成一次冲裁后，冲入凹模内的制件或废料因弹性扩张而梗塞在凹模内，模面上的材料因弹性收缩而会紧箍在凸模上。为了使冲裁工作连续，操作方便，必须将套在凸模上的材料刮下，将梗塞在凹模内的制件或废料向下推出或向上顶出。从凸模上刮下材料所需的力，称为卸料力；从凹模内向下推出制件或废料所需的力，称为推料力。
模具采用弹性卸料装置和推件结构，凹模型口直壁高度h=5mm，所需卸料
力F
卸和推件力F
推
分别为：
推件力、卸料力计算公式如下：
F推=nK推F冲(5-5)
F卸=K卸F落(5-6) 式中：F推-推件力；
F卸-卸料力；
F冲-冲裁力；
K卸-卸料力系数，见表5-5；
K推-推件力系数，见表5-5；
n-卡在凹模里的工件个数，n=h/t。
表5-4 卸料力、推件力和顶件力系数mm
由公式(5-5)得：推件力F
推=nK
推
F
冲
=4/1.0（取整5）×0.055×40
=8.8（KN）
K卸—卸料力系数通过查表5-4确定，卸料力系数取K卸＝0.045；
由公式(5-6)得：卸料力F卸= K卸F落
=0.045×53
=2.4（KN）
5.2.3 总冲压力的计算
F= F冲+F落+F卸+F推
=53+40+8.8+2.4
≈104.2KN
5.2.4 初选压力机
压力机可分为机械式和液压式，机械式分为摩擦压力机、曲柄压力机、高速冲床，液压式分为油压机、水压机，而在生产中一般常选用曲柄压力机，曲柄压力机分有开式和闭式两种，开式机身形状似英文字母C，其机身前端及左右均敞开，操作可见大，但机身刚度差，压力机在工作负荷作用下会产生变形，一般压力机吨位不超过2000KW。闭式机左右两侧封闭，操作不方便，但机身刚度好，压力机精度高。考虑到经济性能、加工要求和操作方便在此选开式压力机。根据以上计算数值，查下表5-5初选压力机为J23-16型压力机。
表5-5 开式压力机规格及参数
5.2.5 压力中心的确定
模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。为了确保压力机和模具正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心相重合，否则会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨之间产生过大的摩擦，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。
冲模的压力中心，可按下述原则来确定：
（1）对称形状的单个冲裁件，冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。
（2）工件形状相同且分布位置对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。
（3）形状复杂的零件、多孔冲模、级进模的压力中心可用解析计算法求出冲模压力中心。
解析法的计算依据是：各分力对某坐标轴的力矩之代数和等于诸力的合力对该轴的力矩。求出合力作用点的坐标位置X0，Y0（即x=0，y=0），即为所求模具的压力中心。
单个零件的压力中心计算如下：
X0＝(L1X1+L2X2+……L n X n)／(L1+L2+……L n) （5-7）Y0＝(L1Y1+L2Y2+……L n Y n)／(L1+L2+……L n) 式中：X0-压力中心的横坐标；
Y0-压力中心的纵坐标；
L-各线段的长度；
X-各线段重心的横坐标；
Y-各线段重心的纵坐标。
本产品为对称产品，为了模具加工制造的方便，压力中心仍然选择为（0.0）。
6 刃口尺寸计算
冲裁件的尺寸精度主要决定于模具的刃口尺寸精度，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。正确确定模具刃口尺寸及其制造公差，是设计冲裁模主要任务之一。
6.1 冲裁间隙的确定
冲裁间隙是影响冲裁工序最重要的工艺参数，其定义为冲裁凸模与凹模之间的空隙尺寸，如图6-1所示。设计模具时一定要选择合理的间隙，以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求，所需冲裁力小、模具寿命高。冲裁过程中模具的失效形式一般有磨损、变形、崩刀和凹模刃口胀裂四种。间隙大小主要对模具磨损及胀裂产生影响,间隙增大可以使冲裁力、卸料力等减小，因而模具的磨损也减小。但当间隙继续增大时，卸料力增加，又影响模具寿命。一般间隙为（10%～15%）t时的磨损最小，模具寿命较高。
图6-1 冲裁间隙图
由于冲裁间隙对断面质量、工件尺寸精度、模具寿命、冲裁力等的影响规律并非一致，所以，并不存在一个绝对合理的间隙数值，能同时满足断面质量最佳、尺寸精度最高、模具寿命最长、冲裁力最小等各方面的要求。所以在实际生产中，其总的原则应该是在保证满足冲裁件剪切断面质量和尺寸精度的前提下，使模具寿命达到最长。目前在生产中，广泛采用经验法和查表法来确定合理的间隙植。本套模具采用查表法予以确定其间隙植。
根据实用间隙表6-1查得材料45钢的最小双面间隙Z min=0.1mm，最大双面间隙Z max=0.14mm。
表6-1 冲裁模初始双边间隙值mm
在确定冲模凸模和凹模刃口尺寸时，必须遵循以下原则：
（1）根据落料和冲孔的特点，落料件的尺寸取决于凹模尺寸，因此落料模应先决定凹模尺寸，用减小凸模尺寸来保证合理间隙；冲孔件的尺寸取决于凸模尺寸，故冲孔以凹模为基准件，用增大凹模尺寸来保证合理间隙。
（2）根据凸、凹模刃口的磨损规律，凹模刃口磨损后使落料件尺寸变大，其刃口的基本尺寸应取接近或等于工件的最小极限尺寸；凸模刃口磨损后使冲孔件孔径减小，故应使刃口尺寸接近或等于工件的最大极限尺寸。
（3）凸模和凹模之间应保证有合理的间隙。
（4）凸模和凹模的制造公差应与冲裁件的尺寸精度相适应。
制造模具时常用以下两种方法来保证合理间隙：
①分别加工法。分别规定凸模与凹模的尺寸和公差的尺寸及制造公差来保证间隙要求。凸模与凹模分别加工，成批制造，可以互换。这种加工方法必须把模具的制造公差控制在间隙的变动范围之内，使模具制造难度增加。这种方法主要用于冲裁形状简单、间隙较大的模具或用精密设备加工凸模和凹模的模具。
②单配加工法。用凸模和凹模相互单配的方法来保证合理间隙。先加工基准件，然后非基准件按基准件配做，加工后的凸模和凹模不能互换。通常落料件选择凹模为基准模，冲孔件选择凸模为基准模。这种方法多用于冲裁件的形状复杂、间隙较小的模具。
根据上述计算法则，对于采用分别加工的凸模和凹模，应保证下述关系：
│δ凸│＋│δ凹│≤Z max －Z min
所以，新制造的模具应该保证│δ凸│＋│δ凹│＋Z min ≤Z max ，否则，模具的初始间隙已超过了允许的变动范围Z min ～Z max ，影响模具使用寿命。本套模具采用分别加工法进行加工。
分开加工时计算公式如下：
落料 D 凹=(D max -χ△)凹δ+0 (6-1)
D 凸=(D 凹-Z min )=(D max -χ△-Z min )0凸δ- (6-2) 冲孔 d 凸=(d min +χ△)0凸δ- (6-3)
d 凹=(d 凸+ Z min )=( d min +χ△+ Z min )凹
δ+0 (6-4)
孔心距 Ld=L±1/8△ (6-5)式中:D 凸、D 凹-分别为落料凹模和凸模的基本尺寸； d 凸、d 凹-分别为冲孔凹模和凸模的基本尺寸； D max -落料件的最大极限尺寸； d min -冲孔件的最小极限尺寸；
L 、Ld-工件孔心距和凹模孔心距的公称尺寸； △-冲裁件公差； χ-磨损系数；
δ凸、δ凹-分别为凹模和凸模的制造公差，凸模偏差取值负向，凹模偏差取正向。