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1、三角形水阀垫片倒装复合模设计与加工摘 要本文设计的是冲孔、落料、复合模，模具结构比较简单实用，使用方便可靠。因为模具生产大批量的生产，而且模具可以保证冲压产品的尺寸精度和产品质量，模具的设计与加工主要考虑到模具的设计能否满足工作的工艺性设计，能否加工出合格的零件，以及后来的维修和存放是否合理等。在本次设计中除垫片孔的精度外更重要的是外圆圆角尺寸精度，不仅要考虑做出的零件能满足工作要求，还要保证它的使用寿命，最后加工出三角形水阀垫片冲压模具模型产品一套。关键词：倒装复合模；冲压；设计；加工 Valve gasket Stamping die Design and ProcessingAbstra
2、ct Author：SheJiWuZu Tutor：YuanYongFu This article is designed punching, blanking, Progressive Die, Die practical examples of relatively simple structure, easy to use and reliable. Stamping die mainly of sheet metal forming have been separated or parts of the processing methods. Because the productio
3、n of large quantities of mold manufacturing, mold and stamping products to ensure dimensional accuracy and quality of products, Die Design and Manufacture of the main mold design, taking into account the work of the process can meet the requirements of design, can be processed into qualified parts,
4、as well as subsequent maintenance and storage, such as is reasonable. In the design of the gasket hole accuracy is more important outside the outer fillet size precision, not only have to consider so that the parts made to meet the job requirements, but also to ensure his life. the card order proces
5、s, non-standard parts of the process of card processing technology.Keywords: Progressive Die；Stamping；Design；Processing目 录1绪论.11.1课题背景.11.2课题相关工作.11.3本文主要研究内容12 冲裁模设计与制造简介.23零件工艺性分析.23.1工艺分析.23.2冲裁工艺方案的确定.44 模具总体结构设计方案.54.1模具类型的选择.54.2操作与定位方式.54.3卸料和出料方式.54.4导向方式的选择55 模具设计工艺计算.55.1排样、计算条料宽度及步距的确定.5
6、5.1.1排样设计与计算.5 5.1.2搭边值的确定.6 5.1.3送料步距与条料宽度计算.7 5.1.4计算材料利用率.96 冲压力的计算.116.1计算冲裁力的公式.11 6.1.1冲孔力F冲计算.12 6.1.2落料力F落计算.12 6.1.3卸料力和推件力的计算.12 6.1.4总压力的计算.136.2压力中心的确定和初选压力机.13 6.2.1确定压力中心.13 6.2.2初选压力机.147冲裁间隙的确定.168 凸模和凹模刃口尺寸计算.178.1冲裁模刃口尺寸计算基本原则.178.2冲裁模刃口尺寸的方法.188.3落料凹模、凸模刃口尺寸磨损分析方法.209 模具主要工作零件部件设计
7、.239.1凹模的设计.239.1.1冲孔凸模的设计.259.1.2校核冲孔凸模的强度.269.1.3凸模与卸料板间隙选取.279.1.4凸凹模高度的确定.279.1.5冲裁刃口高度.289.1.6凸凹模内外刃口间隙壁厚校核.289.2卸料装置的确定.28 9.2.1卸料零件.28 9.2.2卸料板的设计.28 9.2.3卸料螺钉的选用.28 9.2.4弹性元件的选用和计算.289.3推件装置设计309.3.1定位方式的选择.309.4模架及导柱导套的设计.32 9.4.1上下模坐的确定.32 9.4.2导柱与导套的设计.339.4.3模柄及尺寸的计算.349.4.4确定模具闭合高度.349.
8、5工作零件结构材料的选用349.6其它螺钉长度选用标准.359.7圆柱销尺寸选用标准359.8其它模具零件结构确定.359.9冲压设备的选用.3510 模具三位建模.3610.1三维装配模型.3610.2三维爆炸图.3710.3装配图.3711 主要模具零件加工工艺过程的确定.3811.1工作零件加工工艺过程3811.1.1 落料凹模加工工艺过程3911.1.2 冲孔凸模加工工艺过程3911.1.3 凸凹模加工工艺过程3911.2 其它模具零件的加工4011.2.1凸模固定板加工工艺过程4011.2.2卸料板加工工艺过程4011.2.3上垫板加工工艺过程4111.2.4上模座加工工艺过程411
9、1.2.5下模座加工工艺过程4111.2.6推件块加工工艺过程4111.2模具的装配41结论 .43致谢 .44参考文献 .45附录 46附录A .47附录B .48IV1 绪论1.1课题背景近年许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。一些国内模具企业已普及了二维CAD，为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”和“价格低”的服务要求，并陆续开始使用UGNX4.0、CAXA、Solidworks、AutoCAD2007、Pro/Engineer等国际通用软件，个别厂家还引进了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMAS
10、OFT等CAE软件，并成功应用于冲压模的设计中。UGNX4.0和Solidwork是比较常用的三维机械设计软件，能满足中小型企业模具设计需求。并能大大减少了设计师的工作量，节约了工作时间，提高了工作效率，使设计师把更多的精力用在新产品的开发及创新上。1.2课题相关工作通过老师的指导及同学的讨论，了解本次毕业设计的主要任务，确定各自完成的重点部分。我们小组所要完成的重点部分是冲压模具的总体设计与加工，绘制模具的三维模型和装配图。查阅相关资料，完成开题报告，做好毕业设计前期的知识储备等。由给定的目标冲压零件对其进行冲压模具的设计。其过程包括分析冲压件工艺，确定工艺方案及模具结构类型，进行必要的毛坯
11、尺寸计算及工艺计算，模具的总体设计，模具主要零部件的结构设计，选定冲压设备，绘制模具各零部件的三维图，总装成三维装配图，再制作出模具实物模型。最后整理资料，做好毕业答辩的最后准备。1.3本文主要研究内容（1）根据所提供的零件图纸，对其进行冲压件工艺分析，确定工艺方案及模具结构类型，进行必要的毛坯尺寸计算及工艺参数计算。（2）在上述分析的基础上，进行模具的总体设计，并初步确定模具的闭合高度，概略地定出模具的外形尺寸。（3）进行模具主要零部件的结构设计，确定工作部分零件、定位零件、卸料和推件装置、导向零件、紧固零件的结构形式和尺寸及固定形式，选定合理的冲压设备。（4）利用AutoCAD 、CAXA
12、、Solidworks和UGNX4.0软件绘制模具零件图和装配图及三维图。 2 冲裁模设计与制造简介冲裁是冲压工艺中最基本的工序之一，它即可直接冲出成品零件，又可为弯曲、拉深和成形等其他工序制备工序件，因此在冲压加工应用非常广泛。冲裁可以分为普通冲裁和精密冲裁两大类。普通冲裁是以凸、凹模之间产生剪切裂纹的形式实现板料的分离；精密冲裁是以塑性变形的形式实现板料的分离精密冲裁冲出的零件不但断面垂直、光洁，而且精度也比较高，但一般需要专门的精冲设备和精冲模具。根据制件精度选择为普通冲裁。3 零件工艺性分析3.1工艺分析 工件简图：如图3-1所示； 零件名称：三角形水阀垫片； 生产批量：中批量； 材料
13、：Q235； 材料厚度：t=1.0mm。 图3-1 制件图分析如下： 材料：该冲裁件的材料Q235钢，具有较好的可冲压性能，适合冲裁。 零件结构：该冲裁件结构相对简单，需要进行冲孔、落料两道基本工序，尺寸适中有30mm的孔，R5mm、R7 mm和R23 mm的圆弧和3个8mm的孔，孔与孔、孔与边缘之间的距离也满足要求。尺寸精度：零件图上的形状尺寸均未标注公差，属自由尺寸，尺寸精度较低，可按IT14级确定工件的公差，普通冲裁完全能满足冲裁要求。查公差表可得各尺寸公差为：零件外形：mm 、mm 、 mm。零件内形：mm 、mm 。孔心距： 23mm。结论：经分析该制件可以进行冲裁。 由于制件为大批
14、量生产，应重视模具材料和结构的选择，保证模具的复杂程度 和模具的寿命。表3-1 普通结构碳素钢的成分、性能钢号等级化学成分s/Mpa5/Mpab/Mpa钢材厚度或直径16mmWC/%不小于Q1950.060.1219533315390Q215A0.190.1521531335410BQ235A0.140.2223526375460B0.120.20C0.18D0.17Q255A0.180.2825524410510BQ2750.280.3827520490610表3-2 部分碳素钢抗剪性能材料名称牌号材料状态抗剪强度/Mpa普通碳素钢Q195未退火260320Q235310380Q275400
15、500从表3-1、表3-2中查出Q235。抗剪强度：=310380Mpa。抗拉强度：=375460Mpa。伸 长 率： =26%。屈服强度：s=235Mpa。分析其化学性能较好，此材料具有较高的弹性和良好的塑性，其冲裁加工性好，故选择Q235钢材料。根据以上分析：该零件的工艺性较好，可以冲裁加工。3.2 冲裁工艺方案的确定该零件生产为冲孔、落料工序，由于零件结构较简单，精度较较高，采用装复合模冲裁时。倒装复合模结构简单，又可以直接利用压力机的打杆装置进行推件，卸件可靠，便于操作。通过设计合理的模具结构和排样方案可以达到较好的零件质量和避免模具强度不够的问题。该零件在冲裁时它包括冲孔和落料两道基
16、本工序。可采用以下三种方案：(1)先落料，再冲孔，采用单工序模生产。(2)冲孔落料复合冲压，采用复合模生产。(3)冲孔落料连续冲压，采用连续模生产。 其三种方案的性能比较见表3-3表3-3 单工序模、级进模、复合模比较比较项目单工序模级进模复合模工件尺寸精度较低一般IT11较高一般IT9工件形位公差工件不平整，同轴度、对称度及位置度误差大不太平整，有时要校平，同轴度、对称度及位置度误差大工件平整，同轴度、对称度及位置度较小冲压生产率低，冲床一次行程内只能完成一个工序高、冲床一次行程内完成多个工序较高、冲床一次行程可完成两个以上工序实现操作机械化自动化的可能性较易，尤其适合多共位冲床上实现自动化
17、容易，尤其适合于单机上实现自动化难，工作与废料排除较复杂，只能在单机上实现部分机械化操作对材料的要求对条料要求不严，可用边角料对条料或宽度要求严格对条料要求不严，可用边角料生产安全性安全性较差比较安全安全性较差模具制造的难易程度较易，结构简单，制造周期短，价格低形状简单件，比用复合模制造难度低形状复杂件，比用级进模的制造难度低应用通用性好，使用中，小批量生产和大型件大批量生产通用性好，适合于形状简单，尺寸不大，精度要求不高件的大批量生产通用性差，适合于形状复杂，尺寸不大、精度要求较高件的大批量生产综合表3-3分析：由于零件的结构简单，制造相对比较简单，操作也方便，为提高生产率，综合以上三种方案
18、分析采用第二种冲孔、落料倒装复合冲裁模作为冲裁工艺方案。4 模具总体结构设计方案4.1 模具类型的选择由冲压工艺分析可知，采用复合冲压，即模具类型为倒装复合模。4.2 操作与定位方式根据零件的生产批量小，但合理安排生产可用手工送料方式一能够达到批量要求，且能降低模具成本，因此采用手工送料的方式。考虑零件尺寸较小，材料厚度较薄，为了便于操作和保证零件精度，采用后侧导柱的导向方式；定位方式为导料销（同侧2个）定位，采用固定挡料销定距控制条料的送进步距。4.3 卸料和出料方式由于冲裁件厚度为1.0mm，相对较薄，卸料力不大，故采用弹性卸料装置由卸料板、卸料螺钉和弹簧组成。出件方式为下出件方式，由推杆
19、和推件块组成的刚性推件装置推出，冲孔的废料可通过凸凹模的内孔从冲床台面孔掉下。4.4 导向方式的选择为了提高模具寿命和工作质量，方便安装调整，该复合模采用后侧导柱的导向方式。5 模具设计工艺计算5.1 排样、计算条料宽度及步距的确定5.1.1 排样设计与计算 排样合理与否不但影响材料的经济利用，还影响到制件的质量、模具的结构与寿命、制件的生产率和模具的成本等技术、经济指标。因此，排样时应考虑如下原则： 9.提高材料利用率（不影响制件使用性能前提下，还可适当改变制件形状）。 2.排样方法应使操作方便，劳动强度小且安全。 3.模具结构简单、寿命高。 4.保证制件质量和制件对板料纤维方向的要求。如图
20、5-1 排样图根据材料经济利用程度，排样方法可以分为有废料、少废料和无废料排样三种，根据制件在条料上的布置形式，排样有可以分为直排、斜排、对排、混合排、多排等多重形式。该零件厚度较薄，尺寸较小，3个R7的圆弧位于整个圆的120的特点，考虑到模具寿命要求不是很高，为了保证加工和设计计算方便，采用直排排样方法，这种排样有很大的缺点就是材料利用率很低，如图2所示的排样方法 。5.1.2 搭边值的确定表5-1 搭边a和a1数值(低碳钢)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，搭边值是由经验确定的。考虑
21、： 1)材料的力学性能。塑性好的材料，搭边值要大些，硬度高与强度大的材料，搭边值小一些。 2)材料的厚度。材料越厚，搭边值也越大。 3)工件的形状和尺寸。工件外形越复杂，圆角半径越小，搭边值也越大。4)排样的形式对排的搭边值大于直排的搭边。5)运料及挡料方式用手工送料，有侧压板导向的搭边值可小一些。 该制件是非圆形制件，根据尺寸从表5-1中查出，两制件之间的搭边值a1=0.8（mm）,侧搭边值a=1.0(mm)。 由于该制件的材料是Q235钢，所以两制件之间的搭边值为： a1=0.8（11.2）=0.80.96(mm)取a1=0.8(mm) 侧搭边值： a=1.0（11.2）=1.01.2(m
22、m)取a=1.0(mm)5.1.3送料步距与条料宽度计算在排样方案和搭边值确定之后，就可以确定条料的宽度，进而确定导料板间的距离。（1）送料步距A：条料在模具上每次送进的距离称为送料步距，每个步距可冲出一个或多个零件。送料步距公式由公式5-1计算。A=D+a1 (5-1) 式中 D平行于送料方向的冲裁件宽度；a1冲裁件之间搭边值。A=D+a1 =53.8+0.8 =54.6mm （2）计算条料宽度有三种情况需要考虑；有侧压装置时条料的宽度。无侧压装置时条料的宽度。有定距侧刃时条料的宽度。 表5-2 条料宽度偏差（mm）条料宽度B/mm材料厚度t/mm0.50.5112200.050.080.1
23、020300.080.100.1530500.100.150.20根据模具设计要求和每次能保证顺利冲裁采用无侧压装置的模具，能使条料始终沿着导料销（两个）送进。 条料宽度B计算：条料是由板料剪裁下料而得，为保证送料顺利，规定其上偏差为零，下偏差为负值。条料宽度由公式5-2计算。 B=（D+2a+C） (5-2)式中 D冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸；a冲裁件与条料侧边的搭边；C条料与导料板之间的间隙（即条料的可能摆动量）。经查表5-2和表5-3得 =0.15mm C=0.5mm。B =（D+2a+C） =（53.8+21+0.5）0-0.15= 56.30-0.15 mm 表5-3 导料板与条
24、料之间的最小间隙Zmin（mm）材料厚度t/mm无 侧 压 装 置条 料 宽 度B/mm100以下100以上0.50.51122334450.50.50.50.50.50.50.50.511115.1.4 计算材料利用率定义：冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料的利用率，它是衡量合理利用材料的指标。一个步距内的材料利用率计算公式如下： (5-3) 式中 一个步距内冲裁件的实际面积； 条料宽度； 步距。由公式（5-3）得 查板材标准，宜选的钢板，横裁时的条料数为： n1 =1000/B=1000/56.3=17 可冲17条，每条件数为： n2 =(500-a)/S=(500-0.8)/5
25、4 =9 可冲9件，板料可冲总件数为： n=n1n2=179=153(件)横裁时一张板料的利用率由公式（5-3）计算得出。 式中 一张板料上冲裁件的总数目； 一个冲裁件的实际面积； 板料（或带料、条料）长度； 板料（或带料、条料）宽度。 由公式（5-3）得 即一张板材的材料利用率为32 纵裁时的条料数为： n1=500/56.3 =500/28 =8.8 可冲8条， 每条件数为： n2=(1000-a)/S =(1000-0.8)/54.6 =18.5 可冲18件，板料可冲总件数为： n= n1n2=818=144（件）纵裁时一张板料的利用率由公式（5-3）计算得出。 式中 一张板料上冲裁件的
26、总数目； 一个冲裁件的实际面积； 板料（或带料、条料）长度； 板料（或带料、条料）宽度。由公式（5-3）得 即一张板材的材料利用率为30.5经分析计算板料横裁的利用率要高于竖裁，所以选用横裁。由于采用的是直排排样方法在加上冲裁件的本身外形决定了材料利用率很低。6 冲压力的计算6.1计算冲裁力的公式 计算冲裁力的目的是为了选用合适的压力机、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，以适应冲裁的需求。普通平刃冲裁模，其总冲裁力FP按公式（6-1）计算： Fp=KptL （6-1） 式中 材料抗剪强度，见附表（MPa）； L冲裁周边总长（mm）； t材料厚度（mm）。 系数是考虑
27、到冲裁模刃口的磨损、凸模与凹模间隙之波动（数值的变化或一般取13。在此模具中取1.3。当查不到抗剪强度r时，可以用抗拉强度b代替，而取Kp=1的近似计算法计算。 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，本设计的取值通过查表3-2确定，取320。6.1.1 冲孔力的的计算冲孔时的周边长度为：L1=32d+2d =323.144+23.1415=169.56（mm）冲孔力由公式（6-1）计算 6.1.2落料力的计算 冲裁落料周边总长为L2=170.25 落料力由公式（6-1） 总冲裁力Fp=+=70536.96+70824=141360.966.1.3 卸料力和推件力
28、的计算在冲模结束时，由于材料弹性回复（包括径向弹性回复和弹性翘曲的回复）及摩擦的存在，将冲落部分材料强塞到凹模内，而冲裁剩下的材料则紧箍在凸模上。为使冲裁工作继续进行，必须将紧箍在凸模上的料卸下，将凹模内的料推出。从凸模上卸下箍着的料所需力称卸料力，将强塞到凹模内的料顺冲裁方向推出所需要的力称推件力。因此，需要有推件力和卸料力的作用。卸料力和推件力计算公式如下：卸料力 (6-2) 推件力 (6-3)式中 冲裁力（）； 卸料力系数，其值为0.020.06（薄料取大值，厚料取小值）； 推料力系数，其值为0.030.07（薄料取大值，厚料取小值）；梗塞在凹模内的制件或废料数量（）； 直刃口部分的高（
29、）。卸料力和推料力的系数通过查表6-1确定，卸料力系数取K0.05，推件力系数取0.055。 梗塞在凹模内的制件或废料数量取4 由公式（6-2）得卸料力 由公式（6-3）得推料力 表6-1 卸料力、推件力和顶件力系数料厚t/mm钢0.10.10.50.50.252.56.56.50.0650.0750.0450.0550.040.050.030.040.020.030.10.0630.0550.0450.0250.140.080.060.050.03铝、铝合金纯铜，黄铜0.0250.080.020.060.030.070.030.096.1.4 总压力的计算总压力等于该模具中所用压力之和，采用
30、弹性卸料装置下出件的模具时的总压力为： 故模具的总压力为179.536.2压力中心的确定和初选压力机6.2.1 确定压力中心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，应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。对于带有模柄的冲压模，压力中心应通过模柄的轴心线。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磨损，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。模具的压力中心，可安以下原则来确定： 1.对称零件的单个冲裁件，冲模的压力中心为冲裁件的几何中心。2.工件形状相同且分布对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。 3.各分力对某坐
31、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0，0（x=0，y=0），即为所求模具的压力中心。其中L1、L2、L3LN分别为各冲裁周边长度。图6-1 压力中心简图按比例画出零件形状，选定坐标系XoY。因零件形状相同且分布位置对称，压力中心中心与零件的对称中心相重合，即、。所以该零件的压力中心在图形的几何中心O处。如图6-1所示：6.2.2初选压力机图6-2 开式固定压力机J21G-20表八 压力机规格表型号JG21-14J21-16J21G-20J12-25JA21-35公称压力/吨1416202535划块行程/mm5056306035划块行程次数/（次/min）10
32、080100-350105130最大闭合高度/mm175200280312280闭合高度调节量/mm4040505560划块中心线至床身距离/mm130140150200205工作台尺寸/mm前后185185280160210左右190190165215270垫块厚度/mm4040755060模柄孔尺寸/mm直径2525405060深度3040558080根据冲压力的计算和压力中心的计算，选择开式固定压力机的型号为J21G-20如图6-2所示。7 冲裁模间隙的确定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、尺寸精度满足面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值，只是彼此接近。考虑到制造
33、中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就可以冲出良好的制件，这个范围的最小值称为最小合理间隙Cmin，最大值称为最大合理间隙Cmax。考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值Cmin。冲裁间隙的大小对冲裁件的断面质量有极其重要的影响，此外，冲裁间隙还影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间，凹模与落料件之间均有摩擦，间隙越小，模具作用的压力越大，摩擦也越严重，而降低了模具的寿命。较大的间隙可使凸模侧面及材料间的摩擦减小，并延缓间隙由于受到制造和装配精度的限制
34、，虽然提高了模具寿命，但出现间隙不均匀。因此，冲裁间隙是冲裁工艺与模具设计中的一个非常重要的工艺参数。根据实用间隙表 7-1 查得材料Q235钢的最小双面间隙2Cmin=0.100mm，最大双面间隙2Cmax=0.140mm。表7-1 冲裁模初始用间隙2c(mm)材料厚度08、10、35、09Mn、Q23516Mn40、5065Mn2Cmin2Cmax2Cmin2Cmax2Cmin2Cmax2Cmin2Cmax小于0.5极 小 间 隙0.50.60.70.80.91.01.21.51.752.02.12.52.753.0.3.54.04.55.56.06.58.00.0400.0480.0640.0720.0920.1000.1260.1320.2200.2460.2600.2600.