冲压件模具工艺性分析毕业论文

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第一章 引言

是工业产品生产用的重要工艺装备，它是以其自身的特殊形状通过一定的方

式使原材料成形（成型）。现代产品生产中，模具由于其加工效率高、互换性好、节约原材料，所以得到广泛的应用[1]。

冲压加工是利用安装在压力机上的模具, 对放置在模具内的板料施加变形力,

使板料在模具内产生变形, 从而获得一定形状、尺寸和性能的产品零件的生产技

术。由于冲压加工常在室温下进行，因此也称冷冲压。冲压成形是金属压力加工

方法之一，是建立在金属塑性变形理论基础上的材料成形工程技术。冲压加工的

原材料一般为板料或带料，故称为板料冲压。冲压工艺是指冲压加工的具体方法

和技术经验，冲压模具是指将板料加工成冲压零件的特殊专用工具。

冲压生产靠模具和压力机完成加工过程, 其特点有:质量稳定, 互换行好; 可以

获得难以制造的壁薄、重量轻、刚性好、表面质量高、形状复杂的零件; 不但节能,

而且节约金属; 它是一种高效率的加工方法。

生产中为满足冲压零件形状、尺寸、精度、批量大小、原材料性能的要求, 冲

压加工的方法是多种多样的。但是, 概括起来可以分为分离工序与成形工序两大

类。分离工序又可分为落料、冲孔和剪切等, 目的是在冲压过程中使冲压件与板料

沿一定的轮廓线分离。成形工序可分为弯曲、拉深、翻孔、翻边、胀形、缩口等,

目的是使冲压毛坯在不破坏的条件下发生塑性变形, 并转化成所要求的制件形状。

第二章 冲压件工艺性分析

2.1冲裁件的工艺性分析

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、

尺寸及公差等技术要求是否符合冲裁加工的工艺要求，难易程度如何。工艺性是

否合理，对冲裁件的质量、模具寿命和生产效率有很大影响。良好的冲裁工艺性

能使材料消耗少、工序数量少、模具结构简单且使用寿命长、产品质量稳定。

2.1.1 冲裁件的形状和尺寸

(1)冲裁件的形状设计应尽量简单、对称, 同时应减少排样废料。

(2)除在少、无废料排样或采用镶拼模结构是，允许工件有尖锐的清角外，冲

裁件的外形或内孔交角处应采用圆角过渡，避免清角。

(3)尽量避免冲裁件上过长的悬臂与窄槽，它们的最小宽度b ≥1. 5t 。

(4)冲裁件的凸起和凹槽宽度不应小于板料厚度t 的两倍, 冲裁件孔与孔之间，

孔与零件边缘间的壁厚，因受模具强度和零件质量的限制，其值不能太小。一般

要求c ≥1.5t ，c' ≥t 。

(5)冲裁件的孔径因受冲孔凸模强度和刚度的限制, 不宜太小, 否则容易折断

和压弯。冲孔最小直径与孔的形状、板料力学性能、板料厚度有关。

2.1.2 冲裁件的尺寸精度和表面粗糙度

(1)冲裁件的尺寸精度要求，应在经济精度范围以内，对于普通冲裁件，起经

济精度不高于IT11级，冲孔件比落料件高一级。金属冲裁件的内、外形的经济精

度不高于IT11级。一般落料精度最好低于IT10级，冲孔精度最好低于IT9级。

(2)非金属冲裁件、内外形的经济精度为IT14、IT15级。

(3)冲裁尺寸标注符合冲压工艺要求。

2.2 异形垫圈工艺分析

冲裁件材料是08钢，属于优质碳素结构钢, 具有较好的塑性和韧性, 主要用来

制造冷冲压零件。冲裁件结构形状简单, 无尖角, 零件图上所有尺寸均未标注公差,

属于自由尺寸, 按IT14级确定工件的尺寸公差，如图2.1所示。经查公差表, 各

尺寸为:

+0. 52+0. 52+0. 3+0. 25Φ600mm , 300mm ，R 60mm ，R 30mm 。

-0. 74mm , 300[3]

图2.1 制件图

经上诉分析，产品的材料性能符合冲压加工要求。

2.3 制定工艺方案

2.3.1 冲裁模的选择

(1)单工序冲裁模

单工序冲裁模是指在压力机一次行程内只完成一种冲压工序, 而不论冲裁的

凸(或凹) 模是单个还是多个. 单工序模有落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边

模等。

如采用单工序冲裁模, 该零件需落料单工序模和冲孔单工模。由于采用单工序

模进行加工，模具制造简单、维修方便，但加工效率底、零件精度较低，所以不

适合大批量生产。若采用单工序冲裁模，需要落料和冲孔两道工序才能完成，不

但零件的精度难以保证，模具数量和工序会增加，而且工序管理也变得复杂。

(2)级进冲裁模

级进冲裁模又称连续冲裁模, 是指压力机在一次行程中，依次在模具几个不同

位置上同时完成多到冲压工序的冲模。

连续冲裁模生产效率高，便于实现生产的自动化，操作方便、安全，适零件

大批量生产。其缺点是模具结构复杂、制造加工困难、模具成本较高。

(3)复合冲裁模

复合冲裁模是指压力机在一次行程中, 在模具同一部位同时完成数倒冲压工

序的模具。

复合模结构紧凑、生产效率高、工件精度高，特别是制件孔对外形的位置容

易保证。对条料的要求不高, 对边角余料也可进行加工。但是模具结构复杂，模具

制造成本低、周期长。适用于大批量生产。

因此适用于大批量加工冲孔和落料两道工序的零件的是连续冲裁模和复合冲

裁模，两者比较后采用复合冲裁模。

2.3.2 确定复合模类型

按照凹模位置的不同, 复合模分为倒装复合模和顺装复合模两种。

(1)顺装复合模冲裁时冲孔的废料在下模或条料上, 不易清除, 故很少采用。

(2)倒装式复合模废料直接由凸模从凸凹模孔推出, 零件被凸凹模顶入凹模孔

内, 待冲压结束后由推件板推出。

因此加工该零件采用倒装式复合模。

2.4 排样设计

排样设计是指冲裁件在条料或板料上的布置方式。排样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[9]。

2.4.1 排样设计原则

(1)提高材料利用率。

(2)改善操作性。

(3)使模具结构简单合理、寿命高。

(4)保证制件质量。

2.4.2 排样的选择

(1)有废料排样

有废料排样是指在冲裁件与冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间均有工艺余

料废料, 冲裁是沿冲裁件的封闭轮廓进行的。

(2)少废料排样

少废料排样是指只在冲裁件之间或只在冲裁件与条料侧边之间留有搭边。冲

裁只沿冲裁件的部分轮廓进行，材料利用率可达70%～90%。

(3)无废料排样

无废料排样是指在冲裁件与冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间均无搭边存

在, 冲裁件直接由切断条料获得的。材料利用率可高达85%～90%。

采用少废料、无废料排样时，材料利用率高，不但有利于一次行程获得多个

冲裁，还可以简化模具结构、降低冲裁力，但是因为条料本身的公差以及条料导

向与定位所产生的误差将直接影响冲裁件，所以冲裁件的尺寸精度较低。同时，

在有些无废料排样中，冲裁时模具会单面受力，不但会加剧模具的磨损，降低模

具寿命，而且也直接影响到冲裁件的断面质量。有废料排样时冲裁件质量和模具

寿命较高。

所以，在排样设计中选择有废料排样。

2.4.3排样形式

根据冲裁件板料上的排样方式，有直排、单行排、多行排、斜排、对头直排和

对头斜排等多种排列方式。

2.4.4 排样设计

(1)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余料称为搭边。

搭边的作用：补偿定位误差，保持条料有一定的距离，以保证零件质量和送

料方便[9]。

冲裁件冲裁时，搭边过大，会造成材料浪费，搭边太小，冲裁是容易翘曲或

被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还会拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降

低模具寿命，或影响送料工作。搭边值的合理数值主要取决于冲裁件的板料厚度，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，搭边值应取大些，板料厚度大，需要的搭边值大，冲裁件的形

状复杂，尺寸大，过渡圆角半径小，需要的搭边值大，手工送料或有侧压板导时， 搭边值可取小些。

根据此零件材料的厚度0.8mm 、外轮廓形状及尺寸查找有关资料：

a 1=0.8 a =1. 0

(2)送料进距与条料宽度

模具每冲裁一次, 条料在模具上前进的距离称为送料进距。当单个进距内只冲

裁一个零件时, 送料进距的大小等于条料上两个零件对应点之间的距离：

A =D +a 1

式中 A —送料进距，mm 。

D —平行于送料方向的冲裁件宽度，mm 。

a 1—冲裁件之间搭边值，mm 。

在式中 D =60mm a 1=0. 8

故： A =D +a 1=60+0.8=60.8mm

(3)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

因条料过宽而发生卡死现象，条料的下料公差规定为负偏差，条料在模具上送进

时，一般都有导料装置，有时还要使用侧压装置（侧压装置是指在条料送进过程

中，在条料侧边作用一横向压力，使条料紧贴料板一侧送进的装置）。

当条料在无侧压装置的导料板之间送料时, 条料宽度B 按下式

计算:

B =[D + （2a +δ+c ）]0

-δ

式中 B — 条料宽度的基本尺寸,

D — 条料宽度方向零件轮廓的最大尺寸,

a — 侧搭边值,

δ— 条料下料剪切公差,

c — 条料与导料板之间的间隙,

本设计采用的是无侧压装置的, 公式为:

B =[D + （2a +δ+c ）]0

-δ

在式中 L =60

a =1. 0 δ=0. 5 c =0. 1

故： B =[D + （2a +δ+c ）]0

-δ

0 =[ 60+ 2⨯(1.0+0.5+0.1)]-0. 5

=63. 20

-0. 5mm

(4)排样图

图2.2 排样图

(5)材料利用率

材料利用率是冲压工艺中一个非常重要的经济技术指标。其计算可用一个进距内冲裁件的实际面积与毛坯面积的百分比表示：

η=A /BS ⨯100%

式中 A— 一个进距内冲裁件实际面积, mm 2。

S— 送料进距, mm 。

B— 条料宽度，

A 经cad 软件画图后直接测量出面积为2296.8mm 2

B=63.2mm,S=60.8mm

故: η=A /BS ⨯100%

==2296. 8⨯100% 63. 2⨯60. 82296. 8⨯100% 3842. 56

≈60%

此制件排样利用率为60%。

第三章 冲裁工艺计算

3.1 冲裁模刃口尺寸计算

3.1.1 凸、凹模刃口尺寸计算原则

(1)落料件尺寸由凹模尺寸决定, 冲孔时孔的尺寸由凸模尺寸决定。

(2)设计落料模时，凹模基本尺寸应取尺寸公差范围的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取工件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。

(3)凹模和凸模制造公差主要与冲裁件的精度和形状有关。

3.1.2 凸、凹模刃口尺寸计算

由于模具加工方法不同，凸模与凹模刃口部分尺寸的计算公式与制造的表注也不同，刃口尺寸的计算方法可分为两种情况，一种是互换法，另一种是配作法。

互换法适于加工圆形和规则形状的冲裁件。

配作法适于加工形状复杂或薄料冲裁件。

在这里根据该零件料厚t=0.8选用配作法加工。

(1)查找有关资料[1]：

+0. 52+0. 52X =0. 5，B=300 A =Φ600mm X =0. 5，C=300mm X =0. 5， -0. 74mm ,

+0. 3+0. 25D=R 60mm X =0. 5，E=R 30mm , X =0. 5。

(2)凹模尺寸

刃口尺寸计算公式：

+0. 25∆ A =(A max -x ∆) 0

式中 A — 磨损后增大的刃口尺寸,mm 。

X — 系数与工件制造精度有关。

+0. 25∆ A =(A max -x ∆) 0

+0. 25⨯0. 74 =(60-0.5⨯0.25 ) 0

=59. 880

-0. 185mm

(3)凸模尺寸

刃口尺寸计算公式：

B =(B min +x ∆) 0

-0. 25∆

式中 B — 磨损后变小的刃口尺寸,mm 。

X — 系数与工件制造精度有关。

B =(B min +x ∆) 0

-0. 25∆

=(30+0. 5⨯0. 52) 0

-0. 25⨯0. 52

=30. 260

-0. 13mm

C =(B min +x ∆) 0

-0. 25∆

=(30+0. 5⨯0. 52) 0

-0. 25⨯0. 52

=30. 260

-0. 13mm

D =(B min +x ∆) 0

-0. 25∆

=(6+0. 5⨯0. 3) 0

-0. 25⨯0. 3

=6. 150

-0. 075mm

E =(B min +x ∆) 0

-0. 25∆

=(3+0. 5⨯0. 25) 0

-0. 25⨯0. 25

=3. 1250

-0. 063mm

(4)不变的尺寸

刃口尺寸计算公式：

C =(C min +0. 5∆) ±0. 125∆

式中 C — 磨损后不变的刃口尺寸,mm 。

X — 系数与工件制造精度有关。

(5)凸凹模刃口尺寸的确定 凸凹模刃口尺寸按凸模、凹模相应部位的尺寸

000配制分别为59. 880

-0. 188mm 、30. 26-0. 13mm 、30. 26-0. 13mm 、6. 15-0. 075mm 、

3. 1250

-0. 063mm ，尺寸间隙（0.072-0.104）配作。

3.2 冲裁力及压力中心计算

3.2.1 冲裁力计算

冲裁力是选择压力机的重要依据, 也是模具设计和模具强度校核的依据。压力机选择时必须使压力机吨位大于设计所需的冲裁力。对于平刃口模具冲裁，冲裁力可按下式计算：

F =kA τ=ktL τ

式中 F — 冲裁力，KN 。

L — 冲裁断面周长，mm 。

τ — 材料抗剪强度，MPa 。

t — 冲裁件厚度，mm 。

k — 系数，一般为1.3mm 。；

为了加工简便，也可用材料的抗拉强度σb 按下式估算：

F =Lt σb

在式中查找有关资料:τ=300MPa

L =282. 74mm t =10. 8mm

故： F =ktL τ=1. 3⨯282. 74⨯0. 8⨯300=88214. 88N ≈89kN

3.2.2总压力计算

为了使冲裁过程连续，操作方便，就需要把箍在凸模上的材料卸下，把卡在凹模孔内的冲件或废料推出。顺着冲裁方向将零件或废料从凹模形腔推出的力称推件力F 推。

F 卸=K 卸F

式中 K 卸— 卸料力系数，查表[1]K 卸=0. 05。

F — 冲裁力，N 。

故： F 卸=K 卸F =0. 05⨯89KN =4. 5KN

公式： F 推=nK 推F

式中 K 推— 推件力系数，查表[1]K 顶=0. 05。

F — 冲裁力，N 。

故: F 推=n K 推F =3⨯0. 05⨯89KN =13. 35KN

总压力为；

F ∑=F 卸+F 推+F =(89+4. 5+13. 35) KN ≈106. 85KN

3.2.3 压力中心的确定

冲裁压力中心就是冲裁力的合力作用点。

确定原则：

(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对称中心重合。

(3)形状复杂的零件、多凸模的压力中心可用解析计算法求出。

该设计属于形状对称的冲裁件，所以压力中心就是该工件的几何中心。

3.3 压力机的选择

选择的压力机的公称压力要大于106.85KN ，所选择压力机的型号为J23-16表

3.1。该压力机公称压力为160KN ，机身刚度大，适用于大中型压力机[8]。

表3.1 J23-16压力机参数

模具的闭合高度H 是指模具在最低工作位置时，上、下模之间的距离。在确定模具闭合高度之前，应先了解冲床的闭合高度。冲床的闭合高度是指滑块在下止点时，滑块底平面到工作台（不包括冲床垫板厚度）的距离。冲床的调节螺杆可以上、下调节，当滑块在上止点位置，调节螺杆向上调节，将滑块调整到最上位置时，滑块底面到工作台的距离，称为冲床的最大闭合高度H 最大；当滑块在下

止点位置，调节螺杆向下调节，将滑块调整到最下位置时，滑块底面到工作台的距离，称为冲床的最小闭合高度H 最小。

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，介于冲床最大和最小闭合高度之间，一般要满足下式：

H 最大-5≥H ≥H 最小+10

根据冲裁力选择的压力机 H 最大=220mm ，H 最小=165mm ，H =184mm

H 最大-5=220-5=215mm

H 最小+10=110+10=120mm ，H 最小+10=165+10=175mm

故满足条件： 215≥184≥175