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江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目 扣環(huán)沖壓模具的設(shè)計
姓 名 學(xué) 號
系 部 機電工程系
專 業(yè) 模具設(shè)計與制造
指導(dǎo)教師 職 稱 副教授
摘 要
本設(shè)計重點是扣環(huán)沖裁、彎曲兩個基本工序及其模具的計算和設(shè)計，本畢業(yè)設(shè)計在沖壓基本理論的基礎(chǔ)上，詳盡的針對沖裁模和彎曲模的設(shè)計原理、方法的應(yīng)用，還特別對沖裁、各類彎曲工藝及模具的設(shè)計計算。本文介紹的模具實例結(jié)構(gòu)簡單實用，使用方便可靠，首先根據(jù)工件圖算工件的展開尺寸，在根據(jù)展開尺寸算該零件的壓力中心，材料利用率，畫排樣圖。根據(jù)零件的幾何形狀要求和尺寸的分析，采用復(fù)合模沖壓，這樣有利于提高生產(chǎn)效率，模具設(shè)計和制造也相對于簡單。當(dāng)所有的參數(shù)計算完后，對磨具的裝配方案，對主要零件的設(shè)計和裝配要求技術(shù)要求都進行了分析。
關(guān)鍵詞：沖裁；沖壓 ；設(shè)計；彎曲
Abstract
The design is focused on the calculation and design of retaining ring of blanking, bending and two basic processes and mold, the graduation design based on the basic theory of the stampings, detailed application according to the design principle, method of blanking die and bending die, the calculation of bending technology and die design of blanking, all kinds of special still. This article introduced mold example structure simple and practical, convenient and reliable use, first of all, according to the extended size of work piece work piece map calculation, according to the center of pressure is in the parts of the size, material utilization, drawing layout. According to the analysis of the geometric shape and size requirements, the use of compound die stamping, which helps to improve the production efficiency, mold design and manufacturing are also compared with the simple. When all the parameters calculated after assembly scheme of abrasive tools, the main parts of the design and assembly requirements of the technical requirements are analyzed.
Keywords: stamping; stamping; design; bending
目錄
1 扣環(huán)的工藝分析 5
2 確定工藝方案及模具的結(jié)構(gòu)形式 7
3 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
3.1 模具類型的選擇 7
3.2定位方式的選擇 8
3.3卸料方式的選擇 8
3.4導(dǎo)向方式的選擇 8
4 模具設(shè)計工藝計算 8
4.1計算毛坯尺寸 8
4.2排樣、計算條料寬度及步距的確定 10
4.2.1搭邊值的確定 10
4.2.2條料寬度的確定 11
4.2.3 排樣 12
4.2.4材料利用率的計算 12
5 沖裁力的計算 13
5.1計算沖裁力的公式 13
5.2 總沖裁力、卸料力、推料力、頂件力、彎曲力和總沖壓力 14
6 模具壓力中心與計算 17
7 沖裁模間隙的確定 18
8 刃口尺寸的計算 19
8.1刃口尺寸計算的基本原則 19
8.2刃口尺寸的計算 20
8.3計算凸、凹模刃口的尺寸 21
8.4沖裁刃口高度 23
8.5彎曲部分刃口尺寸的計算 23
8.5.1最小相對彎曲半徑rmin/t 23
8.5.2彎曲部分工作尺寸的計算 24
9 主要零部件的設(shè)計 27
9.1 工作零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 27
9.1.1凹模的設(shè)計 27
9.1.2凸凹模的設(shè)計 29
9.1.3外形凸模的設(shè)計 29
9.1.4內(nèi)孔凸模設(shè)計 30
9.1.5彎曲凸模的設(shè)計 30
9.2卸料部分的設(shè)計 31
9.2.1卸料板的設(shè)計 31
9.2.2卸料彈簧的設(shè)計 31
9.3定位零件的設(shè)計 33
9.4模架及其它零件的設(shè)計 33
9.4.1上下模座 34
9.4.2模柄 34
9.4.3模具的閉合高度 35
10 模具總裝圖 35
11 壓力機的選擇 35
總 結(jié) 37
致 謝 38
參考文獻 39
41
1 扣環(huán)的工藝分析
沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料（金屬或非金屬）批量加工成所需沖件的專用工具。沖模在沖壓中至關(guān)重要，沒有符合要求的沖模，批量沖壓生產(chǎn)就難以進行；沒有先進的沖模，先進的沖壓工藝就無法實現(xiàn)。沖壓工藝與模具、沖壓設(shè)備和沖壓材料構(gòu)成沖壓加工的三要素，只有它們相互結(jié)合才能得出沖壓件。與機械加工及塑性加工的其它方法相比，沖壓加工無論在技術(shù)方面還是經(jīng)濟方面都具有許多獨特的優(yōu)點。
圖2—1 零件圖
如圖2—1所示零件圖。
生產(chǎn)批量：大批量;
材料： LY21
該材料，經(jīng)退火及時效處理，具有較高的強度、硬度，適合做中等強度的零件。
尺寸精度：零件圖上的尺寸除了1個孔的定位尺寸標(biāo)有偏差外，其他的形狀尺寸均未標(biāo)注公差，屬自由尺寸，可安IT14級確定工件的公差。
表1.2部分標(biāo)準(zhǔn)公差值（GB/T1800.3—1998）
公差等級
IT6
IT7
IT8
IT9
IT10
IT11
IT12
IT13
IT14
IT15
基本尺寸
/μm /mm
＞3～6
8
12
18
30
48
75
0.12
0.18
0.30
0.48
＞6～10
9
15
22
36
58
90
0.15
0.22
0.36
0.58
＞10～18
11
18
27
43
70
110
0.18
0.27
0.43
0.70
＞18～30
13
21
33
52
84
130
0.21
0.33
0.52
0.84
＞30～50
16
25
39
62
100
160
0.25
0.39
0.62
1.00
＞50～80
19
30
46
74
120
190
0.30
0.46
0.74
1.20
＞80～120
22
35
54
87
140
220
0.35
0.54
0.87
1.40
經(jīng)查公差表，各尺寸公差為：?30 +0.30 7 0-0.36 17 0-0.43 120-0.43
工件結(jié)構(gòu)形狀：制件需要進行落料、沖孔、彎曲三道基本工序，尺寸較小。
結(jié)論：該制件可以進行沖裁
制件為大批量生產(chǎn)，應(yīng)重視模具材料和結(jié)構(gòu)的選擇，保證磨具的復(fù)雜程度和模具的壽命。
2 確定工藝方案及模具的結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)制件的工藝分析，其基本工序有落料、沖孔、彎曲三道基本工序，按其先后順序組合，可得如下幾種方案;
(1) 落料——彎曲——沖孔；單工序模沖壓
(2) 落料——沖孔——彎曲；單工序模沖壓。
(3) 沖孔——落料——彎曲；連續(xù)模沖壓。
(4) 沖孔——落料,然后進行彎曲；復(fù)合模沖壓。
方案（1）（2）屬于單工序模沖裁工序沖裁模指在壓力機一次行程內(nèi)
完成一個沖壓工序的沖裁模。由于此制件生產(chǎn)批量大，尺寸又較這兩種方案生產(chǎn)效率較低，操作也不安全，勞動強度大，故不宜采用。
方案（3）屬于連續(xù)模，是指壓力機在一次行程中，依次在模具幾個不同的位置上同時完成多道沖壓工序的模具。于制件的結(jié)構(gòu)尺寸小，厚度小，連續(xù)模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又因落料在前彎曲在后，必然使彎曲時產(chǎn)生很大的加工難度，因此，不宜采用該方案。
方案（4）屬于復(fù)合沖裁模，復(fù)合沖裁模是指在一次工作行程中，在模具同一部位同時完成數(shù)道沖壓工序的模具。采用復(fù)合模沖裁，其模具結(jié)構(gòu)沒有連續(xù)模復(fù)雜，生產(chǎn)效率也很高，又降低的工人的勞動強度，所以此方案最為合適。
根據(jù)分析采用方案（4）復(fù)合沖裁。
3 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 模具類型的選擇
???? ?由沖壓工藝分析可知，采用復(fù)合沖壓，所以模具類型為復(fù)合模。
3.2定位方式的選擇
? ?因為該模具采用的是條料，控制條料的送進方向采用導(dǎo)料銷，有側(cè)壓裝置?？刂茥l料的送進步距采用導(dǎo)正銷定距。
3.3卸料方式的選擇
? 因為工件料厚為1.2mm，相對較薄，卸料力不大，故可采用彈性料裝置卸料。
3.4導(dǎo)向方式的選擇
? 為了提高模具壽命和工件質(zhì)量，方便安裝調(diào)整，該復(fù)合模采用對角導(dǎo)柱的導(dǎo)向方式。
4 模具設(shè)計工藝計算
4.1計算毛坯尺寸
相對彎曲半徑為：R/t=6/1.2=5>0.5
式中：R——彎曲半徑（mm）
t——材料厚度（mm）
由于相對彎曲半徑大于0.5，可見制件屬于圓角半徑較大的彎曲件，應(yīng)該先
求變形區(qū)中性層曲率半徑β（mm）。
β=r0+kt 公式(5—1)
式中：r0——內(nèi)彎曲半徑
t——材料厚度
k——中性層系數(shù)
表5—1 板料彎曲中性層系數(shù)
r0/t
0.1
0.2
0.25
0.3
0.4
0.5
0.6
0.8
1.O
K1(V)
0.30
0.33
0.35
0.36
0.37
0.38
0.39
0.41
0.42
K2(U)
0.23
0.29
0.31
0.32
0.35
0.37
0.38
0.40
0.41
K3(O)
—
—
—
—
—
0.72
0.70
0.67
0.63
r0/t
1.2
1.5
1.8
2
3
4
5
6
8
K1(V)
0.43
0.45
0.46
0.46
0.47
0.48
0.48
0.49
0.50
K2(U)
0.42
0.44
0.45
0.45
0.46
0.47
0.48
0.49
0.50
K3(O)
0.49
0.56
0.52
0.50
查表5—1，K=0.45
根據(jù)公式5—1 β= r0+kt
=0.38+0.45X1.2
=4.34（mm）
根據(jù)零件圖上得知，圓角半徑較大（R>0.5t），彎曲件毛坯的長度
公式為：
LO=∑L直+ ∑L彎 公式（5—2）
式中： LO——彎曲件毛坯張開長度 （mm）
∑L直 ——彎曲件各直線部分的長度 （mm）
∑L彎——彎曲件各彎曲部分中性層長度之和（mm）
在圖5—1中： A= 公式（5—3）
COS∠P=(RA+RC-B)/(RA+RC) 公式（5—4）
RA=3.8+0.6=4.4 （mm） RC=1.2+0.6=1.8（mm） B=3.8（mm）
根據(jù)公式5—3 A=
=2×3.8(4.4+1.8)-3.82
≈5.6（mm）
根據(jù)公式5—4 COS∠P= (RA+RC-B)/(RA+RC)
= ( 4.4+1.6-3. 8)/(4.4+1.6)
= 0.367
則 ∠P=carCOS0.367=68.47。
2∠P=2×68.47。=136.94。
根據(jù)公式5—2 ∑L直=L總長-2A
=20-2×5.6
=8.8（mm）
∑L彎=2πβ（∠P／180+∠P／180）
=2×3.14×4.34×(68.47/180+68.47/180)
=42.7（mm）
LO =∑L直+ ∑L彎
=51.5（mm）
取LO=51.5（mm）
根據(jù)計算得：工件的展開尺寸為51.5×7（mm）,如圖4—2所示。
圖5—2 尺寸展開圖
4.2排樣、計算條料寬度及步距的確定
4.2.1搭邊值的確定
排樣時零件之間以及零件與條料側(cè)邊之間留下的工藝余料，稱為搭邊。搭邊的作用是補償定位誤差，保持條料有一定的剛度，以保證零件質(zhì)量和送料方便。搭邊過大，浪費材料。搭邊過小，沖裁時容易翹曲或被拉斷，不僅會增大沖件毛刺，有時還有拉入凸、凹模間隙中損壞模具刃口，降低模具壽命?；蛴绊懰土瞎ぷ?。
搭邊值通常由經(jīng)驗確定，表所列搭邊值為普通沖裁時經(jīng)驗數(shù)據(jù)之一。
表5—2 搭邊a和a1數(shù)值
表5.1搭邊值和側(cè)邊值
材料厚度t
手動送料
自動送料
圓形
非圓形
往復(fù)送料
a
a1
a
a1
a
a1
a
a1
1以下
1.5
1.5
2
1.5
3
2
1～2
2
1.5
2.5
2
3.5
2.5
3
2
2～3
2.5
2
3
2.5
4
3.5
3～4
3
2.5
3.5
3
5
4
4
3
4～5
4
3
5
4
6
5
5
4
5～6
5
4
6
5
7
6
2.0
5
該制件是矩形工件，根據(jù)尺寸從表4—2中查出：兩制件之間的搭邊值a1=1.2（mm）,側(cè)搭邊值a=1.5(mm)。
由于該制件的材料使LY21—Y（硬鋁），所以兩制件之間的搭邊值為：
取a1=2(mm)
取a=2.5(mm)
4.2.2條料寬度的確定
計算條料寬度有三種情況需要考慮；
有側(cè)壓裝置時條料的寬度。
無側(cè)壓裝置時條料的寬度。
有定距側(cè)刃時條料的寬度。有定距側(cè)刃時條料的寬度。
有側(cè)壓裝置的模具，能使條料始終沿著導(dǎo)料板送進。
條料寬度公式：
B=（D+2a） 公式（5—2）其中條料寬度偏差上偏差為0，下偏差為—△，見表4—3條料寬度偏差。
D ——條料寬度方向沖裁件的最大尺寸。
a——側(cè)搭邊值。
查表4—3條料寬度偏差為0.15
根據(jù)公式4 —1 B=（D+2a）
=（51.5+2×2.5）0-0.1
=56.50-0.1
表5—3 條料寬度公差(mm)
條料寬度
B/mm
材料厚度t/mm
～0.5
>0.5～1
>1～2
～20
0.05
0.08
0.10
>20～30
0.08
0.10
0.15
>30～50
0.10
0.15
0.20
4.2.3 排樣
根據(jù)材料經(jīng)濟利用程度，排樣方法可以分為有廢料、少廢料和無廢料排樣三種，根據(jù)制件在條料上的布置形式，排樣有可以分為直排、斜排、對排、混合排、多排等多重形式。
采用少、無廢料排樣法，材料利用率高，不但有利于一次沖程獲得多個制件，而且可以簡化模具結(jié)構(gòu)，降低沖裁力，但是，因條料本身的公差以及條料導(dǎo)向與定位所產(chǎn)生的誤差的影響，所以模具沖裁件的公差等級較低。同時，因模具單面受力（單邊切斷時），不但會加劇模具的磨損，降低模具的壽命，而且也直接影響到?jīng)_裁件的斷面質(zhì)量。
4.2.4材料利用率的計算
沖裁零件的面積為：通過測量得到S=353.16mm2
沖裁零件的周長為：L=126.35 mm
一個步距內(nèi)的材料利用率為：
n11=(nF/Bh)×100%
n為一個步距內(nèi)沖件的個數(shù)。
n11=(nF/Bh)×100%
=81.96%
圖5—3 排樣圖
5 沖裁力的計算
5.1計算沖裁力的公式
計算沖裁力是為了選擇合適的壓力機，設(shè)計模具和檢驗?zāi)＞叩膹姸龋瑝毫C的噸位必須大于所計算的沖裁力，以適宜沖裁的要求，普通平刃沖裁模，其沖裁力F p一般可以按下式計算：
Fp=KptLτ 公式（6—1）
式中 τ——材料抗剪強度，見附表（MPa）；
L——沖裁周邊總長（mm）；
t——材料厚度（mm）;
系數(shù)Kp是考慮到?jīng)_裁模刃口的磨損，凸模與凹模間隙之波動（數(shù)值的變化或分布不均），潤滑情況，材料力學(xué)性能與厚度公差的變化等因數(shù)而設(shè)置的安全系數(shù)Kp，一般取1~3。當(dāng)查不到抗剪強度r時，可以用抗拉強度σb代替τ，而取Kp=1的近似計算法計算。
根據(jù)常用金屬沖壓材料的力學(xué)性能查出LY21—Y的抗剪強度為280～310(MPa)，
取τ=300(MPa)
5.2 總沖裁力、卸料力、推料力、頂件力、彎曲力和總沖壓力
由于沖裁模具采用彈壓卸料裝置和自然落料方式。總的沖裁力包括
F——總沖壓力。
Fp——總沖裁力。
FQ——卸料力
FQ1——推料力。
FQ2——頂件力
FC——彎曲力
根據(jù)常用金屬沖壓材料的力學(xué)性能查出LY21—Y的抗剪強度為280～310(MPa )
5.2.1 總沖裁力：
Fp=KptLτ
=1×1.2×126.35×300
=45.486(KN)
表6—5 卸料力、推件力和頂件力系數(shù)
料厚t/mm
Kx
Kt
Kd
鋼
≤0.1
＞0.1~0.5
＞0.5~0.25
＞2.5~6.5
＞6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.03
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
鋁、鋁合金
純銅，黃銅
0.025~0.08
0.02~0.06
0.03~0.07
0.03~0.09
對于表中的數(shù)據(jù)，后的材料取小直，薄材料取值。
5.2.2 卸料力FQ的計算
FQ=Kx Fp 公式(6—2)
K——卸料力系數(shù)。
查表6—5得KＸ＝0.025~0.08，取KＸ＝0.08
根據(jù)公式6—2 FQ=KＸ Fp
＝0.08×45.486
＝3.638(KN)
5.2.3推料力FQ1的計算
FQ1=KtFp 公式(6—3)
Kt——推料力系數(shù)。
查表6—5得Kt＝0.03~0.07, 取Kt=0.07
根據(jù)公式6—3 FQ1=KtFp
=0.07×45.486
≈3.18(KN)
5.2.4頂件力FQ2的計算
FQ2=KdFp 公式(6—4)
Kd——頂件力系數(shù)。
查表6—5得Kd＝0.03~0.07, 取Kt=0.07
根據(jù)公式6—4 FQ2=KdFp
=0.07×45.486
≈3.18(KN)
5.2.5彎曲力FC的計算
影響彎曲力大小的基本因素有變形材料的性能和質(zhì)量；彎曲件的形狀和尺寸；模具結(jié)構(gòu)及凸凹模間隙；彎曲方式等，因此很難用理論的分析法進行準(zhǔn)確的計算。實際中常用經(jīng)驗公式進行慨略計算，以作為彎曲工藝設(shè)計和選擇沖壓設(shè)備的理論。
?形彎曲件的經(jīng)驗公式為：
Fu=0.7KBt2σb/γ+t 公式(6—5)
Fu——沖壓行程結(jié)束時不校正時的彎曲力。
B——γ彎曲件的寬度（mm）。
t——彎曲件的厚度（mm）。
γ——內(nèi)彎曲半徑（等于凸模圓角半徑）（mm）。
σb——彎曲拆料的抗拉強度(MPa)(查機械手冊σb=400(MPa)。
K——安全系數(shù)，一般取1.3.
根據(jù)公式6—5 Fu=0.7KBt2σb/(γ+t)
=0.7×1.3×25×1.22×400/(5+1.2)
=21.45(KN)
對于頂件或壓料裝置的彎曲模，頂件力或壓料力可近似取彎曲力的30%～80%。
F壓=80% Fu
=80%×21.45
=17.159(KN)
彎曲力: FC= Fu+ F壓
=21.45+17.15
=38.6(KN)
5.2.6總的沖壓力的計算
根據(jù)模具結(jié)構(gòu)總的沖壓力： F=Fp+FQ+FQ1+FQ2+FC
F=Fp+FQ+FQ1+FQ2+FC
=108.03(KN)
根據(jù)總的沖壓力，初選壓力機為：開式雙柱可傾壓力機J23—25。
6 模具壓力中心與計算
模具壓力中心是指諸沖壓合力的作用點位置，為了確保壓力機和模具正常工作，應(yīng)使沖模的壓力中心與壓力機滑塊的中心相重合。否則，會使沖模和壓力機滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導(dǎo)軌間產(chǎn)生過大磨損，模具導(dǎo)向零件加速磨損，降低了模具和壓力機的使用壽命。
模具的壓力中心，可安以下原則來確定：
1、對稱零件的單個沖裁件，沖模的壓力中心為沖裁件的幾何中心。
2、工件形狀 相同且分布對稱時，沖模的壓力中心與零件的對稱中心相重合。
3、各分力對某坐標(biāo)軸的力矩之代數(shù)和等于諸力的合力對該軸的力矩。求出合力作用點的坐標(biāo)位置0，0（x=0,y=0），即為所求模具的壓力中心。
Xo=L1X1+L2X2+……LnXn/L1+L2+……Ln
Yo=L1Y1+L2Y2+……LnYn/L1+L2+……Ln
由于該零件是一個矩形圖形，屬于對稱中心零件，所以該零件的壓力中心在圖形的幾何中心O處。如圖6—1所示：
圖7—1 壓力中心
7 沖裁模間隙的確定
設(shè)計模具時一定要選擇合理的間隙，以保證沖裁件的斷面質(zhì)量、尺寸精度滿足產(chǎn)品的要求，所需沖裁力小、模具壽命高，但分別從質(zhì)量，沖裁力、模具壽命等方面的要求確定的合理間隙并不是同一個數(shù)值，只是彼此接近?？紤]到制造中的偏差及使用中的磨損、生產(chǎn)中通常只選擇一個適當(dāng)?shù)姆秶鳛楹侠黹g隙，只要間隙在這個范圍內(nèi)，就可以沖出良好的制件，這個范圍的最小值稱為最小合理間隙Cmin，最大值稱為最大合理間隙Cmax?？紤]到模具在使用過程中的磨損使間隙增大，故設(shè)計與制造新模具時要采用最小合理間隙值Cmin。
沖裁間隙的大小對沖裁件的斷面質(zhì)量有極其重要的影響，此外，沖裁間隙還影響模具壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖裁件的尺寸精度。沖裁過程中，凸模與被沖的孔之間，凹模與落料件之間均有摩擦，間隙越小，模具作用的壓應(yīng)力越大，摩擦也越嚴重，而降低了模具的壽命。較大的間隙可使凸模側(cè)面及材料間的摩擦減小，并延緩間隙由于受到制造和裝配精度的限制，雖然提高了模具壽命而，但出現(xiàn)間隙不均勻。因此，沖裁間隙是沖裁工藝與模具設(shè)計中的一個非常重要的工藝參數(shù)。
由于硬呂與中碳剛的間隙取值是一樣的，所以硬呂材料的間隙值與中碳剛的間隙取值一樣。
根據(jù)實用間隙表 8—1 查得材料的最小雙面間隙2Cmin=0.126mm，最大雙面間隙2Cmax=0.180mm
表8—1 沖裁模初始用間隙2c(mm)
材料
厚度
08、10、35、
09Mn、Q235
16Mn
40、50
65Mn
2Cmin
2Cmax
2Cmin
2Cmax
2Cmin
2Cmax
2Cmin
2Cmax
小于0.5
極小間隙
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
1.5
1.75
2.0
2.1
2.5
2.75
3.0
.3.5
4.0
4.5
5.5
6.0
6.5
8.0
0.040
0.048
0.064
0.072
0.092
0.100
0.126
0.132
0.220
0.246
0.260
0.260
0.400