冷冲压模具设计与制造实例

　　1．冲压件工艺性分析此工件只有落料和冲孔两个工序。材料为Q235-A钢，具有良好的冲压性能，适合冲裁。工件结构相对简单，有一个φ8mm的孔和5个φ5mm的孔；孔与孔、孔与边缘之间的距离也满足要求，最小壁厚为3．5mm(大端4个φ5mm的孔与φ8mm孔、φ5mm的孔与R16mm外圆之间的壁厚)。工件的尺寸全部为公差，可看作IT14级，尺寸精度较低，普通冲裁完全能满足要求。

　　2．冲压工艺方案的确定该工件包括落料、冲孔两个基本工序，可有以下三种工艺方案：

　　方案一：先落料，后冲孔。采用单工序模生产。

　　方案二：落料-冲孔复合冲压。采用复合模生产。

　　方案三：冲孔-落料级进冲压。采用级进模生产。

　　方案一模具结构简单，但需两道工序两副模具，成本高而生产效率低，难以满足中批量生产要求。方案二只需一副模具，工件的精度及生产效率都较高，但工件最小壁厚3．5mm接近凸凹模许用最小壁厚3．2mm，模具强度较差，制造难度大，并且冲压后成品件留在模具上，在清理模具上的物料时会影响冲压速度，操作不方便。方案三也只需一副模具，生产效率高，操作方便，工件精度也能满足要求。通过对上述三种方案的分析比较，该件的冲压生产采用方案三为佳。

　　3．主要设计计算（1）排样方式的确定及其计算

　　设计级进模，首先要设计条料排样图。手柄的形状具有一头大一头小的特点，直排时材料利用率低，应采用直对排，如图8.2.2所示的排样方法，设计成隔位冲压，可显著地减少废料。隔位冲压就是将第一遍冲压以后的条料水平方向旋转180°，再冲第二遍，在第一次冲裁的间隔中冲裁出第二部分工件。搭边值取2．5mm和3．5mm，条料宽度为135mm，步距离为53mm，一个步距的材料利用率为78%（计算见表8.2.1）。查板材标准，宜选950mm×1500mm的钢板，每板可剪裁为7张条料（135mm×1500mm），每张条料可冲56个工件，故每板的材料利用率为76%。

　　（2）冲压力的计算

　　该模具采用级进模，拟选择弹性卸料、下出件。冲压力的相关计算见表8.2.1。

　　根据计算结果，冲压设备拟选J23-25。

　　（3）压力中心的确定及相关计算

　　计算压力中心时，先画出凹模型口图，如图8.2.3所示。在图中将xoy坐标系建立在图示的对称中心线上，将冲裁轮廓线按几何图形分解成L1～L6共6组基本线段，用解析法求得该模具的压力中心C点的坐标（13.57，11.64）。有关计算如表8.2.2所示。

　　由以上计算结果可以看出，该工件冲裁力不大，压力中心偏移坐标原点O较小，为了便于模具的加工和装配，模具中心仍选在坐标原点O。若选用J23-25冲床，C点仍在压力机模柄孔投影面积范围内，满足要求。

　　冷冲压模具上模材质（4）工作零件刃口尺寸计算

　　在确定工作零件刃口尺寸计算方法之前，首先要考虑工作零件的加工方法及模具装配方

　　法。结合该模具的特点，工作零件的形状相对较简单，适宜采用线切割机床分别加工落料凸

　　模、凹模、凸模固定板以及卸料板，这种加工方法可以这些零件各个孔的同轴度，使装

　　配工作简化。因此工作零件刃口尺寸计算就按分开加工的方法来计算，具体计算见表8.2.3所示。

　　4．模具总体设计（1）模具类型的选择

　　由冲压工艺分析可知，采用级进冲压，所以模具类型为级进模。

　　（2）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板，无侧压装置。控制条料的送进步距采用挡料销初定距，导正销精定距。而第一件的冲压因为条料长度有一定余量，可以靠操作工目测来定。

　　（3）卸料、出件方式的选择

　　因为工件料厚为1.2mm，相对较薄，卸料力也比较小，故可采用弹性卸料。

　　又因为是级进模生产，所以采用下出件比较便于操作与提高生产效率。

　　（4）导向方式的选择

　　为了提高模具寿命和工件质量，方便安装调整，该级进模采用中间导柱的导向方式。

　　5．主要零部件设计（1）工作零件的结构设计

　　①落料凸模

　　结合工件外形并考虑加工，将落料凸模设计成直通式，采用线切割机床加工，2个M8螺钉固定在垫板上，与凸模固定板的配合按H6/m5。其总长L可按公式2.9.2计算：

　　=20+14+1.2+28.8=64mm

　　具体结构可参见图8.2.4（a）所示。

　　②冲孔凸模

　　因为所冲的孔均为圆形，而且都不属于需要特别的小凸模，所以冲孔凸模采用台阶式，一方面加工简单，另一方面又便于装配与更换。其中冲5个φ5的圆形凸模可选用标准件BⅡ型式（尺寸为5.15×64）。冲φ8mm孔的凸模结构如图8.2.4（b）所示。

　　③凹模

　　凹模采用整体凹模，各冲裁的凹模孔均采用线切割机床加工，安排凹模在模架上的时，要依据计算压力中心的数据，将压力中心与模柄中心重合。其轮廓尺寸可按公式2.9.3、2.9.4计算：

　　凹模厚度H=kb=0.2×127mm=25.4mm（查表2.9.5得k=0.2）

　　凹模壁厚c=（1.5～2）H=38～50.8mm

　　取凹模厚度H=30mm，凹模壁厚c=45mm，

　　凹模宽度B=b+2c=（127+2×45）mm=217mm

　　凹模长度L取195mm（送料方向）

　　凹模轮廓尺寸为195mm×217mm×30mm，结构如图8.2.4（c）所示。

　　（2）定位零件的设计

　　落料凸模下部设置两个导正销，分别借用工件上φ5mm和φ8mm两个孔作导正孔。φ8mm导正孔的导正销的结构如图8.2.5所示。导正应在卸料板压紧板料之前完成导正，考虑料厚和装配后卸料板下平面超出凸模端面lmm，所以导正销直线部分的长度为1．8mm。导正销采用H7/r6安装在落料凸模端面，导正销导正部分与导正孔采用H7/h6配合。

　　起粗定距的活动挡料销、弹簧和螺塞选用标准件，规格为8×16。

　　（3）导料板的设计

　　导料板的内侧与条料接触，外侧与凹模齐平，导料板与条料之间的间隙取1mm，这样就可确定了导料板的宽度，导料板的厚度按表2.9.7选择。导料板采用45钢制作，热处理硬度为40～45HRC，用螺钉和销钉固定在凹模上。导料板的进料端安装有承料板。

　　（4）卸料部件的设计

　　①卸料板的设计

　　卸料板的周界尺寸与凹模的周界尺寸相同，厚度为14mm。

　　卸料板采用45钢制造，淬火硬度为40～45HRC。

　　②卸料螺钉的选用

　　卸料板上设置4个卸料螺钉，公称直径为12mm，螺纹部分为M10×10mm。卸料

　　钉尾部应留有足够的行程空间。卸料螺钉拧紧后，应使卸料板超出凸模端面lmm，有误差时通过在螺钉与卸料板之间安装垫片来调整。

　　（5）模架及其它零部件设计

　　该模具采用中间导柱模架，这种模架的导柱在模具中间，冲压时可防止由于偏心力矩而引起的模具歪斜。以凹模周界尺寸为依据，选择模架规格。

　　导柱d/mm×L/mm分别为φ28×160，φ32×160；导套d/mm×L/mm×D/mm分别为φ28×115×42，φ32×115×45。上模座厚度H上模取45mm，上模垫板厚度H垫取10mm，固定板厚度H固取20mm，下模座厚度H下模取50mm，那么，该模具的闭合高度：

　　H闭=H上模＋H垫＋L＋H＋H下模－h2=（45＋10＋64＋30＋50－2）mm=197mm

　　式中L——凸模长度，L=64mm；

　　H——凹模厚度，H=30mm；

　　h2——凸模冲裁后进入凹模的深度，h2=2mm。

　　可见该模具闭合高度小于所选压力机J23-25的最大装模高度（220mm），可以使用。

　　6．模具总装图通过以上设计，可得到如图8.2.6所示的模具总装图。模具上模部分主要由上模板、垫板、凸模（7个）、凸模固定板及卸料板等组成。卸料方式采用弹性卸料，以橡胶为弹性元件。下模部分由下模座、凹模板、导料板等组成。冲孔废料和成品件均由漏料孔漏出。

　　条料送进时采用活动挡料销13作为粗定距，在落料凸模上安装两个导正销4，利用条料上φ5mm和φ8孔作导正销孔进行导正，以此作为条料送进的精确定距。操作时完成第一步冲压后，把条料抬起向前移动，用落料孔套在活动挡料销13上，并向前推紧，冲压时凸模上的导正销4再作精确定距。活动挡料销的设定比理想的几何向前偏移0．2mm，冲压过程中粗定位完成以后，当用导正销作精确定位时，由导正销上圆锥形斜面再将条料向后拉回约0．2mm而完成精确定距。用这种方距，精度可达到0．02mm。

　　8．模具零件加工工艺本副冲裁模，模具零件加工的关键在工作零件、固定板以及卸料板，若采用线切割加工技术，这些零件的加工就变得相对简单。

　　图8.2.4（a）所示落料凸模的加工工艺过程如表8.2.5所示。

　　凹模、固定板以及卸料板都属于板类零件，其加工工艺比较规范。图8.2.4（c）所示凹模的加工过程与图7.2.1所示落料凹模的加工过程完全类似，见表7.2.4，在此不再重复。

　　1．冲压件工艺性分析该工件属于较典型圆筒形件拉深，形状简单对称，所有尺寸均为公差，对工件厚度变化也没有作要求，只是该工件作为另一零件的盖，口部尺寸φ69可稍作小些。而工件总高度尺寸14mm可在拉深后采用修边达要求。

　　2．冲压工艺方案的确定该工件包括落料、拉深两个基本工序，可有以下三种工艺方案：

　　方案一：先落料，后拉深。采用单工序模生产。

　　方案二：落料-拉深复合冲压。采用复合模生产。

　　方案三：拉深级进冲压。采用级进模生产。

　　方案一模具结构简单，但需两道工序两副模具，生产效率低，难以满足该工件大批量生产的要求。方案二只需一副模具，生产效率较高，尽管模具结构较方案一复杂，但由于零件的几何形状简单对称，模具制造并不困难。方案三也只需一副模具，生产效率高，但模具结构比较复杂，送进操作不方便，加之工件尺寸偏大。通过对上述三种方案的分析比较，该件若能一次拉深，则其冲压生产采用方案二为佳。

　　3．主要设计计算（1）毛坯尺寸计算

　　根据表面积相等原则，用解析法求该零件的毛坯直径D，具体计算见表8.2.7。

　　（2）排样及相关计算

　　采用有废料直排的排样方式，相关计算见表8.2.7。查板材标准，宜选750mm×1000mm的冷轧钢板，每板可剪裁为8张条料（93mm×1000mm），每张条料可冲10个工件，故每板的材料利用率为68%。

　　（3）成形次数的确定

　　该工件底部有一台阶，按阶梯形件的拉深来计算，求出h/dmin=15.2/40=0.38，根据毛坯相对厚度t/D=1/90.5=1.1，查表4.4.3发现h/dmin小于表中数值，能一次拉深成形。所以能采用落料-拉深复合冲压。

　　（4）冲压工序压力计算

　　该模具拟采用正装复合模，固定卸料与推件，具体冲压力计算见表8.2.7所示。根据冲压工艺总力计算结果并结合工件高度，初选开式双柱可倾压力机J23-25。

　　（5）工作部分尺寸计算

　　落料和拉深的凸、凹模的工作尺寸计算见表8.2.8所示。其中因为该工件口部尺寸要求要与另一件配合，所以在设计时可将其尺寸作小些，即拉深凹模尺寸取φ68.1+0.08mm，相应拉深凸模尺寸取φ66.1-0.05mm。工件底部尺寸φ43mm、φ40mm、3mm与R2mm因为属于过渡尺寸，要求不高，为简单方便，实际生产中直接按工件尺寸作拉深凸、凹模该处尺寸。

　　4．模具的总体设计（1）模具类型的选择

　　由冲压工艺分析可知，采用复合冲压，所以模具类型为落料-拉深复合模。

　　（2）定位方式的选择

　　因为该模具使用的是条料，所以导料采用导料板（本副模具固定卸料板与导料板一体），送进步距控制采用挡料销。

　　（3）卸料、出件方式的选择

　　模具采用固定卸料，刚性打件，并利用装在压力机工作的标准缓冲器提供压边力。

　　（4）导向方式的选择

　　为了提高模具寿命和工件质量，方便安装调整，该复合模采用中间导柱的导向方式。

　　5．主要零部件设计（1）工作零件的结构设计

　　由于工件形状简单对称，所以模具的工作零件均采用整体结构，拉深凸模、落料凹模和凸凹模的结构如图8.2.8所示。

　　为了实现先落料后拉深，模具装配后，应使拉深凸模的端面比落料凹模端面低。所以图8.2.8a）所示拉深凸模，其长度L可按下式计算：

　　[img]

　　图8.2.8b）所示凸凹模因为型孔较多，为了防止淬火变形，除了采用工作部部淬火（硬度58～62HRC）外，材料也用淬火变形小的CrWMn模具钢。

　　（2）其它零部件的设计与选用

　　①弹性元件的设计

　　顶件块在成形过程中一方面起压边作用，另一方面还可将成形后包在拉深凸模上的工件卸下。其压力由标准缓冲器提供。

　　②模架及其它零部件的选用

　　模具选用中间导柱标准模架，可承受较大的冲压力。为防止装模时，上模误转180°装配，将模架中两对导柱与导套作成粗细不等：

　　[img]

　　模具工作过程：将条料送入刚性卸料板3下长条形槽中，平放在凹模面上，并靠槽的一侧，压力机滑块带着上模下行，凸凹模1下表面首先接触条料，并与顶件块4一起压住条料，先落料，后拉深；当拉深结束后，上模回程，落料后的条料由刚性卸料板3从凸凹模上卸下，拉深成形的工件由压力机上活动横梁通过推件块2从凸凹模中刚性打下，用手工将工件取走后，将条料往前送进一个步距，进行下一个工件的生产。

　　8．工作零件的加工工艺本副模具工作零件都旋转体，形状比较简单，加工主要采用车削。

　　图8.2.8b）所示凸凹模的加工工艺过程如表8.2.9所示。拉深凸模和落料凹模的加工方法与凸凹模相似，限于篇幅，在此就不介绍了。

　　9．模具的装配本模具的装配选凸凹模为基准件，先装上模，再装下模。具体装配过程见第7章。装配后应间隙均匀，落料凹模刃口面应高出拉深凸模工作端面3mm，顶件块上端面应高出落料凹模刃口面0.5mm，以实现落料前先压料，落料后再拉深。