摘 要
沖壓模具類型中，級進模生產(chǎn)效率高，容易實現(xiàn)生產(chǎn)機械化和自動化，常用于在批量生產(chǎn)。
本文依據(jù)自行車腳蹬內(nèi)板沖壓落料模，沖壓零件結(jié)構(gòu)簡單，精度要求不高，尺寸不大，屬于常年大批量生產(chǎn)。經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析和工藝分析，擇優(yōu)方案如下：采用多工位級進模生產(chǎn)，分別進行沖孔、翻邊、整形、沖大孔、沖小孔、落料六道基本工序。零件材料為Q235，此材料塑性好，有一定強度，適用于受力不大的零件。除了凹、凸模之外，定位是級進模設(shè)計的重點，經(jīng)過計算與比較，第一工位設(shè)置始用擋料裝置、第二工位采用彈頂擋料銷、其余工位采用導(dǎo)正銷結(jié)合導(dǎo)料板進行定位，以保證定位的準(zhǔn)確和沖壓件的尺寸要求。并配合對角型導(dǎo)柱模架進行導(dǎo)向，以提高模具壽命和工作質(zhì)量。此外，托料桿保證送料，彈性卸料板卸料，卸料力不太大并且沖壓時可兼起壓料作用。該級進模方案可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高工作效率，并且降低成本，同時保證工件的生產(chǎn)要求。
關(guān)鍵字：沖壓；級進模；沖孔；翻邊；落料
Abstract
In the different types of stamping die, the progressive die is commonly used in mass production because of high production efficiency, and it is easy to implement mechanization and automation in the production
On the basic of the bicycle pedal board stamping blanking die, this stamping parts has simple structure, the precision of the part is not too high, the size is not big, shape is not complex, and it belongs to high-volume production. After the structural analysis and process analysis, the final program has been determine, that is, the multi-position progressive die is used in production, next, it respectively finishes six basic processes including piercing ,flanging, shaping, punching the large holes, punching the small holes and blanking. the material of the part is Q235 which has good plastic and certain strength,it is usually used for the parts which is not force heavily.In addition to the terrace die and the lower die, positioning is the focus of progressive die design,. After calculated and compared, the always-used trigger device is used in the first operating station, the trigger stop is used in the second operating station, the other station use guide pins to work with the guide plate for positioning which will ensure the accurate position and size requirements of the stampings. diagonal guide pillars die set with spring stripper is for guide to improve die life and quality of the workpieces. The holding pole is used to ensure the material feeding, the spring stripper to discharge, its discharge power is not too large and it can binder in the stamping. This program of progressive die can automate the production, improve efficiency and reduce costs, at the same time, it can ensure the production requirements of the workpiece
Key words: stamping ; progressive die ; punching ; flanging ; blanking
目 錄
引言 1
1 零件工藝分析及工藝方案的確定 2
1.1 零件結(jié)構(gòu)分析 2
1.2 工藝方案分析及確定 3
1.3 沖壓零件材料的選擇 4
2 零件排樣方案的確定及計算 4
2.1 排樣方法 4
2.2 搭邊和料寬 5
3 各工序中所需力的計算 8
3.1 翻邊力的計算 8
3.2 沖裁力的計算 9
3.3 整形壓力： 10
3.4 卸料力、頂件力及推件力的計算 11
4 沖壓設(shè)備的選擇. 12
4.1 壓力中心的計算 12
4.2 沖壓設(shè)備類型的選擇 12
4.3 沖壓設(shè)備規(guī)格的選擇 13
5 模具主要尺寸的計算 13
5.1 翻邊工序凸、凹模計算 13
5.2 各沖裁工位凸、凹模計算 14
5.2.1沖裁間隙影響及合理選值 14
5.2.2各沖裁工序凹凸模刃口尺寸計算 15
5.3 整形工序的凸凹模設(shè)計 18
6 沖裁模具主要零部件設(shè)計 18
6.1 凸模類型及長度計算 19
6.1.1凸模的類型 19
6.1.2各個凸模長度計算 19
6.1.3各凸模的強度校核 20
6.2 凹模結(jié)構(gòu) 23
6.3 定位零件 24
6.3.1導(dǎo)料板 24
6.3.2 擋料銷、導(dǎo)正銷 25
6.4 卸料、托料裝置： 26
6.4.1卸料裝置 26
6.4.2托料裝置 28
6.5 模架及零件 28
6.5.1模架 28
6.5.2導(dǎo)柱、導(dǎo)套 29
6.5.3模柄 29
6.5.4墊板 30
7 模具材料的選用和熱處理方法 30
7.1 凸模與凹模材料和熱處理 30
7.2 沖裁模零部件的材料和熱處理 30
8 模具的裝配、調(diào)試與工作流程 31
8.1 模具的裝配 31
8.2 沖裁模具的調(diào)試 34
8.3 最終方案級進模的工作過程概述 35
9 級進模工作流程及零部件工藝卡 36
10 總結(jié) 40
謝 辭 41
參考文獻 42
引言
模具是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的主要工藝裝備，是最重要的工業(yè)生產(chǎn)手段和工藝發(fā)展方向，一個國家工業(yè)水平的高低在很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平，模具設(shè)計與制造技術(shù)水平的高低，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。模具是利用其特定形狀去成型具有一定的形狀和尺寸制品的工具。在各種材料加工工業(yè)中廣泛的使用著各種模具，例如金屬鑄造成型使用的砂型或壓鑄模具、金屬壓力加工使用的鍛壓模具、冷壓模具等各種模具。對模具的全面要求是：能生產(chǎn)出在尺寸精度、外觀、物理性能等各方面都滿足使用要求的公有制制品。以模具使用的角度，要求高效率、自動化操作簡便；從模具制造的角度，要求結(jié)構(gòu)合理、制造精確、價格低廉。
沖壓就是利用沖壓模具（凸模與凹模及附件）安裝在壓力機（例如：沖床、油壓機等設(shè)備）或其他相關(guān)設(shè)備上，對黑色金屬板材和有色金屬板材（在常溫下）施加壓力，使其產(chǎn)生分離或變形，從而獲得一定形狀和尺寸零件的加工方法。沖壓模具，是在冷沖壓加工中，將材料（金屬或非金屬）加工成零件（或半成品）的一種特殊工藝裝備，稱為冷沖壓模具（俗稱冷沖模）。沖壓模具是沖壓生產(chǎn)中必不可少的工藝裝備，是技術(shù)密集型產(chǎn)品。
沖壓加工的三要素：模具、沖床和材料。此三要素是決定沖壓質(zhì)量、精度和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素，是不可分割的。沖壓件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本等，與模具設(shè)計和制造有直接關(guān)系。先進的模具只有配備先進的壓力機和優(yōu)質(zhì)的材料，才能充分發(fā)揮作用，做出一流產(chǎn)品，取得高的經(jīng)濟效益。
隨著計算機技術(shù)和制造技術(shù)的迅速發(fā)展，沖壓模具設(shè)計與制造技術(shù)正由手工設(shè)計、依靠人的經(jīng)驗和常規(guī)機械加工技術(shù)轉(zhuǎn)向以計算機輔助設(shè)計（CAD/三維軟件）、數(shù)控加工（CNC）的計算機輔助設(shè)計與制造（三維造型/CAM）技術(shù)轉(zhuǎn)變。并且，計算機技術(shù)、信息、自動化技術(shù)等先進技術(shù)正不斷向傳統(tǒng)制造技術(shù)滲透、交叉、融合，對其實施改造，形成先進制造技術(shù)。此舉改變使得設(shè)計、制造一體化，并降低了生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。模具制造技術(shù)的現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，沖壓模具占模具總量的40%以上。目前又出現(xiàn)了在沖壓模內(nèi)攻牙技術(shù),引導(dǎo)了不少沖壓廠家為了降低成本,引起了一股搶購熱潮。
在本次設(shè)計中我所設(shè)計的是自行車腳蹬內(nèi)板沖孔翻邊落料模，此模具是小型大批量生產(chǎn)，對模具的壽命和精密度要求都很高，所以設(shè)計的任務(wù)主要是模具類型的選擇和工作部分的制造。模具制造時的材料選擇，在滿足工作負(fù)載的前提下盡量采用價格低廉的材料，多采用先進的模具材料。這樣不僅能設(shè)計和制造出合格的模具，也能充分地利用現(xiàn)代科技為工業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。
1 零件工藝分析及工藝方案的確定
圖1-1 內(nèi)板零件圖
1.1 零件結(jié)構(gòu)分析
本零件精度要求不高，尺寸不大，形狀不復(fù)雜，但屬于大批量常年生產(chǎn)，如圖1-1。本零件中有一個Φ19mm和兩個Φ5.5mm的孔，并且中間帶有凸臺。因此，不僅要沖孔、落料，還要進行翻邊，由于翻邊處沒有圓角，還要進行整形才能達到要求?？紤]到零件精度，以及保證零件在翻邊工序過程中有不會出現(xiàn)外緣破裂的現(xiàn)象，可以考慮如以下兩種工序方案：
方案一：是先做淺拉伸，然后從底部沖壓，在進行拉伸時，圓錐部位的材料一部分是從底面流動得來的，另一部分主要從主板上流動而來，而后者若材料流動留有余量，就要增加工件排樣的步距，從而造成材料消耗增加。
方案二：沖預(yù)備孔，然后進行翻邊，最后沖孔落料。翻邊時材料流動的特點是預(yù)孔周圍的材料沿著圓周方向伸長，使材料變??；而在徑向材料長度幾乎沒有變化，即材料在徑向沒有伸長，因而不會引起主板上材料的流動，在排樣時按正常沖裁設(shè)計的搭邊值即可，可節(jié)省材料。
因此，綜合考慮兩種方案，方案二顯然更合適沖裁，對沖裁有利，故將工序細(xì)分為：沖預(yù)制孔——翻邊——整形——沖中心Φ19mm大孔——沖兩個小孔——外形落料。
1.2 工藝方案分析及確定
本次沖模設(shè)計包含了沖孔、翻邊、落料三個基本工序，，設(shè)計以下四種工藝方案：
方案一：沖預(yù)制孔——翻邊——整形——沖大孔——沖小孔——落料，采用單工序模生
產(chǎn)。
單工序模又稱為簡單沖裁模，是指在壓力機一次行程內(nèi)只完成一種沖裁工序的
模具。模具結(jié)構(gòu)簡單，工藝簡單，所需工藝力較小，易于保證零件精度，易于
生產(chǎn)及維護，單個模具的制造成本低，但考慮零件沖壓成形需6道工序，即需要沖預(yù)制孔模、 翻邊模、整形模、沖大孔模、沖小孔模、落料模共6副模具，綜合工序的模具數(shù)量過多，生產(chǎn)分序過多而導(dǎo)致總成本增加，生產(chǎn)效率低，難以滿足該零件的批量要求。
方案二：沖預(yù)制孔——翻邊復(fù)合模沖裁，整形——沖大孔——沖小孔復(fù)合模沖裁，落料單工序模沖裁，采用復(fù)合模、單工序模組合生產(chǎn)。
采用復(fù)合模與單工序模配合加工的方法，需要3套模具。復(fù)合模的特點是，沖壓件的形位精度和尺寸精度易保證，且生產(chǎn)效率也高。但復(fù)合模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，成本高。盡管模具結(jié)構(gòu)較方案一稍復(fù)雜，但由于零件的幾何形狀簡單對稱，模具制造并不困難。
方案三：沖預(yù)制孔——翻邊——整形、沖大孔——沖小孔——落料，采用級進模生產(chǎn)。
多工位級進模是連續(xù)沖壓的多工序沖模，在一副模具內(nèi)可以完成多道工序，具有比復(fù)合模更高的勞動生產(chǎn)率。但級進模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度高，周期長，成本高，維護困難。工位產(chǎn)生的累積誤差將會影響工件的精度，因此級進模適用于生產(chǎn)批量大，精度要求不高，需要多工序沖裁的小工件加工。
方案四：沖預(yù)制孔——翻邊——整形——沖大孔——沖小孔——落料，采用級進模生產(chǎn)。
同樣采用多工位級進模，唯一不同的是在整形工序與沖大孔工序分離，方案三只需5個工位就能完成零件的沖裁，而方案四則需6個工位方能完成整個零件的沖裁。
通過對于上述四種方案的分析比較，考慮到零件的精度，及生產(chǎn)需求為大批量生產(chǎn)，方案一無法滿足制造要求，而比較方案二和方案三，復(fù)合模的零件制造精度相比級進模的精度更能得到保證，而且復(fù)合模只需3副模具就能完成，但考慮到復(fù)合模模具的制造成本及制造精度要求高，且零件要求為大批量生產(chǎn)，從零件精度上分析，精度要求不高，若采用復(fù)合模生產(chǎn)，將大大提升零件的成本，對生產(chǎn)不利。而級進模的特點相比復(fù)合模更適合零件的生產(chǎn)加工，可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率大大提高，在成本上也能大大降低。而方案三與方案四比較，在于整形工序與沖大孔工序是否在同一工位上進行沖裁。整形工序的目的是在翻邊工序后，對凸臺進行整形，以便使工件可以達到標(biāo)注尺寸，由于整形工序需要較大的整形力，若整形、沖孔兩道工序集中在一個工位，可能會對整個模架造成過大的負(fù)載，且整形、沖孔都會對材料的性能產(chǎn)生影響，材料會有徑向的流動，因此，會造成整形或沖孔工序后的尺寸有較大的偏差；而整形、沖孔兩道工序分離，則可以避免上述問題，但增加了一個工位，將使方案四的級進模的模具成本相對方案三的級進模偏高。
但為了保證不合格產(chǎn)品出現(xiàn)的概率最低，滿足零件要求，綜合考慮，選擇方案四，即沖預(yù)制孔——翻邊——整形——沖大孔——沖小孔——落料，采用級進模生產(chǎn)。并采用導(dǎo)正銷，始用擋料裝置定位、彈性卸料裝置、卸料板卸料方式。
1.3 沖壓零件材料的選擇
根據(jù)沖壓件的使用要求，本次設(shè)計中的自行車腳蹬內(nèi)板主要是通過沖裁的方法加工而成。零件應(yīng)具有一定的抗拉強度和塑性，并且屈服極限不應(yīng)太高。故可以使用黑色金屬作為原材料，查資料可知普通碳素鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼均可以滿足使用要求。但從生產(chǎn)成本上考慮，首選普通碳素鋼Q235為沖壓材料。此材料塑性好，有一定強度，用于制造受力不大的零件。價格便宜，工藝性能良好，所以大量用于金屬結(jié)構(gòu)件和不重要的機械零件。它的屈服強度為240MPa，抗剪強度為310～380MPa，抗拉強度為380～470MPa，這樣可以達到降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益的目的。
本次條料材料為Q235，條料厚度為t=1.5mm。
2 零件排樣方案的確定及計算
2.1 排樣方法
排樣，是指沖裁件在條料、板料上的布置方法。設(shè)計級進模時，首先要考慮條料的排樣圖。合理的排樣可以提高材料的利用率，排樣方法的不同，材料利用率有明顯的差別。排樣方法按照有無廢料可分為三種：
① 有廢料排樣。指沿工件全部外形沖裁，工件與工件、工件與條料邊緣都留有搭邊，此種排樣的缺點是利用率低，但有了搭邊就能保證沖裁件的質(zhì)量，模具壽命也高。
②少廢料排樣。指模具只沿著工件部分外形輪廓沖裁，只有局部搭邊存在。
③無廢料排樣。指工件與工件之間及工件與條料側(cè)邊之間均無搭邊的存在，模具刃口沿條料順序切下，直接獲得工件。此種排樣雖然利用率高，但受條料下料質(zhì)量和定位誤差的影響，其沖件尺寸不準(zhǔn)確，因此實際生產(chǎn)中，這種方法應(yīng)當(dāng)少用。
分析本次零件的外形特點與應(yīng)用要求，零件對壽命有較高要求，工件與條料邊緣都留有搭邊，因此本次設(shè)計采用有廢料排樣。
2.2 搭邊和料寬
（1）搭邊
搭邊，是指沖裁件之間以及沖裁件與條料側(cè)邊之間留下的余料。作用有：第一，它能補償條料送進時的定位誤差和下料誤差，確保沖出合格的制件。第二，保持條料的剛性，方便送進，提高勞動效率。第三，避免沖裁時條料邊緣的毛刺被帶入模具間隙，從而可以提高模具壽命。搭邊值的大小對沖裁件生產(chǎn)有很大的影響。一般來說，過小的搭邊，使條料剛性降低，從而條料容易產(chǎn)生變形，進而影響到條料的正確送進，而在沖制非金屬材料或者脆性材料時，搭邊值過小，極容易造成角部開裂。而搭邊值過大，則材料利用率低。
表2.1 最小搭邊值
材料
厚度
圓形或者圓角r＞2t的工件
矩形邊長L＜50mm
矩形邊長L≥50mm
或圓角r＜2t
工件間a1
側(cè)面a
工件間a1
側(cè)面a
工件間a1
側(cè)面a
≦0.25
2.0
2.0
2.2
2.5
2.8
3.0
0.25-0.5
1.2
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
0.5-0.8
1.0
1.2
1.5
1.8
1.8
2.0
0.8-1.2
0.8
1.0
1.2
1.5
1.5
1.8
1.2-1.6
1.0
1.2
1.5
1.8
1.8
2.0
1.6-2.0
1.2
1.5
1.8
2.0
2.0
2.2
2.0-2.5
1.5
1.8
2.0
2.2
2.2
2.5
2.5-3.0
1.8
2.2
2.2
2.5
2.5
2.8
3.0-3.5
2.2
2.5
2.5
2.8
2.8
3.2
3.5-4.0
2.5
2.8
2.8
3.2
3.2
3.5
4.0-5.0
3.0
3.5
3.5
4.0
4.0
4.5
5.0-12
0.6t
0.7t
0.7t
0.8t
0.8t
0.9t
本次材料厚度t為1.5mm，查表2.1可得，最小搭邊值為:a=1.0mm,a1=1.2mm
（2）材料利用率
材料利用率是直接影響產(chǎn)品成本的主要因素之一。相比一般結(jié)構(gòu)的模具而言，級進模的材料利用率較低。少或無廢料沖壓最為理想，材料利用率也最高，但由于各類沖壓零件的結(jié)構(gòu)形狀存在較大的差異、尺寸的離散型也較大，從概率上講，少或無廢料沖壓件較為少見。因此，在設(shè)計級進模排樣圖時，應(yīng)盡量提高材料利用率，力爭使廢料的產(chǎn)生達到最小限度。
為了提高材料利用率，根據(jù)《沖壓模具設(shè)計師手冊》——表6-32，即《零件形狀與經(jīng)濟排樣方式》，本次沖裁零件為盤形零件，宜采用斜排方式。本次排樣采用30o斜排方法。
（3）條料尺寸計算
材料寬度可由公式計算： B-Δ0=[Dmax+2a+?+b0]?
式中 Dmax — 條料寬度方向沖裁件的最大尺寸（mm）；
a — 側(cè)搭邊值（mm），可參考表2.1
? — 條料寬度的單向偏差（mm）；
b 0 — 導(dǎo)料板與最寬條料之間的間隙（mm）；查資料得 b 0=0.8mm
可得： Dmax=52×cos30°+7×2=59.2mm
代入公式得： B=[59.2+2×(1.0+1.0）+0.8]=64.0mm
由計算出的板料寬度，驗證排樣方式，及材料利用率：
η=S0S×100%=S0Lmax×100%=1297.964×42.4×100%=47.8%
步距可由公式計算： S = D+a1
式中 D—工件送進方向的最大尺寸（mm）；
a1—送進方向的工件間搭邊值（mm）。
由以上計算可知，D=30mm，a1=1.2mm. 則：
S= 30 + 1.2 = 31.2mm
通過計算得出排樣圖如下圖2.1所示：
圖2-1 排樣圖
第一工位：沖Φ15mm的工藝預(yù)備孔；
第二工位：翻邊；
第三工位: 整形
第四工位：沖Φ19mm底孔；
第五工位：沖兩個Φ5.5mm孔；
第六工位：落料，工件從底孔中漏出。
翻邊凸模必須有圓角，工件Φ22.5mm的部位有公差要求，而且不允許有圓角，因此該工位要有整形工序，即在第三工位進行整形，第四工位再沖Φ19mm底孔。
模具使用條料，用手工送進，沒有設(shè)置定位裝置。第二個工位翻邊以后，板料下面形成明顯凸包。手工送料時，放在下一個工位的凹模即可。第二、三、四和第六工位的凸模設(shè)有導(dǎo)正銷進行精確定位，在第一工位設(shè)置一個始用擋料銷，供條料開始送進的第一工位使用。
由以上排樣圖及分析可知，該模具的動作過程為：沖出翻邊時所用的工藝孔——翻邊——整形——沖Φ19mm孔——沖兩個Φ5.5mm孔——落料。
模具的動作需要在不同的工位上完成不同的動作，所以模具的定位要絕對正確，只有這樣才能保證送進步距的精確，沖制出合格的產(chǎn)品。本次設(shè)計采用級進模，級進模中最重要的設(shè)計工作就是送料裝置的設(shè)計與制造。
3 各工序中所需力的計算?
3.1 翻邊力的計算
在翻邊力的計算應(yīng)當(dāng)包括：①翻邊前的毛坯孔徑；②變形程度的計算；③翻邊力。
根據(jù)工件圖計算翻邊前的毛坯孔徑，即底孔孔徑。底孔周邊材料在翻邊時沒有徑向流
動，在分析它的橫截面時，可將其看作彎曲。如圖3.1紅線所示的部位。翻邊后移動
到實線位置，而其長度不變，前后兩部分中心線長度相等，這與彎曲材料展開的計算
是相同的。計算時應(yīng)按點劃線的圓弧和直線，通過幾何關(guān)系計算其長度。先計算BC段
長，用作圖法求出點劃線上的B點、C點的位置。在直角三角形BDC中，用勾股定理計
算BC長，如圖3-1。
圖3-1 翻邊底孔尺寸計算
BD=2mm
DC=26.4-23.62=1.4mm
BC=22+1.42=2.44mm
AB=23.6-192=2.3mm
EC=AB+BC=2.3+2.44=4.74mm
因此，底孔所需的直徑為：
d0=26.4-2×4.74=16.92mm
考慮到翻邊后還有沖裁Φ19mm的孔，故應(yīng)留有余量，將工藝孔定為Φ15mm。校核
變形程度。材料翻邊過程是底孔沿著圓周方向被拉伸的過程，其變形量不應(yīng)超過材料的
伸長率，否則會出現(xiàn)裂紋。用變形前、后圓周長之比，表示變形程度。在翻邊計算中稱
其為翻邊系數(shù)K'。
K'=rR=dD=1519=0.789
式中 d—翻邊前的孔徑，mm
D—翻邊后的孔徑，mm
查表3.1，可知允許的翻邊系數(shù)為0.72，而計算值為0.789>0.72，即設(shè)計
合理，翻邊時不會出現(xiàn)裂紋。
表3.1 一些材料的翻邊系數(shù)
退火材料
翻邊系數(shù)
K
Kmin
白鐵皮
0.70
0.65
黃銅t=0.5～6mm
0.68
0.62
鋁t=0.5～5mm
0.70
0.64
硬鋁
0.89
0.80
軟鋼t=0.25～2mm
0.72
0.68
翻邊力的計算公式如下：
F翻=1.1πtσs(D-d0)
式中 D —翻邊后孔的中徑，mm；
d0 —翻邊底孔直徑，mm；
t —板料厚度，mm；
σs —板料屈服應(yīng)力，mm。
在計算翻邊力時，翻邊孔徑取實際孔徑值Φ15mm，與翻邊所需孔徑相比縮小了
1.92mm，則Φ19也應(yīng)縮小1.92mm，即翻邊后的實際孔徑應(yīng)為17.08mm。故將
d0=15mm,D=17.08mm代入上式，得：
F翻=1.1×3.14×1.5×240×17.08-15=2587N
3.2 沖裁力的計算?
材料對凸模的最大抗力就是沖裁力，計算沖裁力的目的是為了合理選擇壓力機和設(shè)計模具。
本次模具采用平刃口模具進行沖裁，其理論沖裁力F（N）按下式計算：
F沖=KLtτ
式中 F沖 —沖裁力，N；
L—沖裁件周長，mm；
t—材料厚度，mm；
τ—材料剪切強度，MPa
K—系數(shù)，考慮到模具刃口的磨損，模具間隙的波動，材料力學(xué)性能的變化及材料厚度偏差等因素，一般K取1.3
該模具中需要沖壓的部位主要有外形，兩個直徑為Φ5.5的孔、直徑為Φ19的孔和直徑為Φ15的工藝孔。其對應(yīng)的周長分別為：106.4mm，17.27mm，59.66mm，47.1mm.
已知材料厚度，t=1.5mm
材料抗剪切強度τ=340MPa
故：F外形=1.3×106.4×1.5×340 =70543.2（N）
FΦ5.5=1.3×17.27×1.5×340 =11450.1(N)
FΦ19=1.3×59.66×1.5×340 =39554.8(N)
FΦ15 =1.3×47.1×1.5×340 =20818.5(N)
3.3 整形壓力：
校平與整形力F取決于材料的力學(xué)性能、厚度等因素，可以用下列公式做概略的計算：
F=Ap
式中 F—校平或整形力（N）；
A—工件的校平面積（mm2）
p—校平和整形單位壓力，見表3.2.
表3.2 整形單位壓力
校形方式
單位壓力p
備注
敞開形制件剖面整形
50～100
用于薄料
拉伸件減小圓角及整形
150～200
本次工件為敞開形制件剖面整形，單位壓力可選80MPa.
A=24.52-1524×3.14=294.72mm2
因此：F整=294.72×80=233577.6N
綜上所述，總沖裁力為：
F總=F翻+F沖+F整
=2587+70543.2+11450.1×2+39554.8+20818.5+233577.6
=389981.3N
3.4 卸料力及推件力的計算
以上三力一般采用經(jīng)驗公式：
① 卸料力 F卸=K卸×F
② 推件力 F推=2K推×F
式中 F—總沖裁力
K卸，K頂，K推分別為卸料力、頂件力、推件力的系數(shù)?？刹殚啽?.3
表3.3 卸料力、推件力、頂件力系數(shù)
料厚
K卸
K推
K頂
鋼
～0.1
＞0.1～0.5
＞0.5～2.5
＞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
由表可知， K卸=0.045
K推=0.055
因此： F卸=0.045×389981.3=17549.2N
F推=0.055×389981.3=21448.9N
4 沖壓設(shè)備的選擇.
4.1 壓力中心的計算
壓力中心，即輪廓各部分沖裁力的合力作用點。沖模的壓力中心，理應(yīng)盡可能通過模具中心并與壓力機滑塊中心重合，以避免偏心載荷使模具歪斜，間隙不均，從而加速壓力機與模具的導(dǎo)向部分及凸、凹模刃口的磨損。
壓力中心的位置（x ,y）可按下式計算：
x =l1x1+l2x2+l3x3+??+lnxnl1+l2+l3+??+ln
y=l1y1+l2y2+l3y3+??+lnynl1+l2+l3+??+ln
本次沖裁模的全部沖裁輪廓可分成六部分，分別為預(yù)備孔Φ15mm, 翻邊Φ24.5mm, 沖孔Φ19mm,兩個Φ5.5mm的孔及零件外形尺寸。每部分的長度分別為：
l1=3.14×15=47.1mm
l2=3.14×24.5=76.9mm
l3=3.14×19=59.6mm
l4=3.14×19=59.6mm
l5=3.14×5.5=17.27mm
l6=3.14×5.5=17.27mm
l7=106.4mm
根據(jù)排樣圖，以條料左端輪廓中點為坐標(biāo)中心，則按照排樣順序，各輪廓的幾何中心坐標(biāo)從右到左分別為：（177.0,0）（145.8,0）、（114.6,0）、（83.4,0）、（65.2,22.52）、（39.2,-22.52）、（21,0）
根據(jù)公式，壓力中心的位置為：
x =47.1×177.0+76.9×145.8+59.6×114.6+59.6×83.4+65.2×17.27+39.2×17.27+106.4×2147.1+76.9+59.6+59.6+17.27+17.27+106.4=92.1
y=17.27×22.52-17.27×22.5217.27+17.27=0
因此，計算得知壓力中心為（92.1,0）.
4.2 沖壓設(shè)備類型的選擇
沖壓設(shè)備屬于鍛壓機械，其類型很多，以適應(yīng)不同的沖壓工藝要求。冷沖壓設(shè)備的選擇是沖壓工藝及其模具設(shè)計中的一項重要內(nèi)容，它直接影響到設(shè)備的安全和合理使用，也關(guān)系到?jīng)_壓生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及成本，以及模具壽命等一系列重要問題。沖壓設(shè)備的選擇一般分為以下幾種情況：
（1）對于大型或形狀較復(fù)雜的拉伸件，常采用上傳動的閉式雙動拉伸壓力機。此模具結(jié)構(gòu)簡單，壓迫可靠易調(diào)，特別適于大量生產(chǎn)。
（2）有校正彎曲、校平整形工序的用精壓機。
（3）精密沖裁一般選用專用的精沖壓力機。機身精度要求高、剛性好、沖裁速度較低。
（4）導(dǎo)板?；蛞髮?dǎo)套不離開導(dǎo)柱的模具，最好選用行程可調(diào)的偏心式壓力機。
（5）冷擠壓工藝盡量選用剛度大、精度較高的專用冷擠壓壓力機或液壓機。
4.3 沖壓設(shè)備規(guī)格的選擇
精沖壓力機適用于精沖模，能沖裁出具有光潔平直剪切面的精密沖裁件，也可以進行沖裁—彎曲、沖裁—成形等連續(xù)工序。精沖壓力機除主滑塊外，還設(shè)有壓邊和反壓裝置，其壓力可以調(diào)整。
壓力機的選擇應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：
P0> P+Q
式中 P0—壓力機的公稱壓力；
P —工序所需的工作壓力；
Q —緩沖及頂件裝置等所需的力。
P=F沖ˊ=389981.3N
Q=F卸+F推=17549.2+21448.9=38998.1N
因此， P+Q=389981.3+38998.1=428979.4N=429KN
本次選用壓力機可采用型號為：J84—4000
且 P0=4000KN> P+Q=429KN，滿足要求。
5 模具主要尺寸的計算?
5.1 翻邊工序凸、凹模計算
（1）圓角半徑
翻邊凸模圓角半徑一般對翻邊成形影響不大，可取該值等于零件的圓角半徑 rp=1.5mm。
（2）翻邊凸、凹模間隙
由于零件要求翻邊后板料厚度不變，故單邊間隙Z為：
Z=1.0～1.05t=1.5mm～1.575mm
（3）翻邊凸模和凹模的尺寸及公差
當(dāng)翻邊時內(nèi)孔有尺寸要求時，尺寸精度由凹模保證，此時應(yīng)按下式來計算凸、凹
模的尺寸：
凸模尺寸： Dp =(D0+?)δp0
凹模尺寸： Dd=(Dp+2Z)0-δd
式中 dp，dd — 凸、凹模直徑；
δd — 凸、凹模公差；
? — 豎孔內(nèi)徑公差。
取D0=22.5mm，Z=1.5mm，查表6.2得，δp=-0.02mm δd=+0.025mm，則求得：
Dp =(D0+?)δp0=(23+0.045)-0.020=(23.045)-0.020
Dd=(Dp+2Z)0δd=(23.045+2×1.5)0+0.025=（26.045)0+0.025
5.2 各沖裁工位凸、凹模計算
5.2.1沖裁間隙影響及合理選值
（1）沖裁間隙的影響
沖裁間隙是指凸模與凹模刃口橫向尺寸的差值。間隙值的大小，影響沖裁時上、下裂紋的會合，變形應(yīng)力的性質(zhì)和大小，對沖裁斷面質(zhì)量有極其重要的影響。此外，沖裁間隙還影響著，模具壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖裁件的尺寸精度。
① 間隙過?。郝淞霞驈U料往往梗塞在凹模洞口，易導(dǎo)致凹模脹裂.
② 間隙過大：零件毛刺增大，卸料力增大，反而使刃口磨損加大
③ 合理間隙：模具磨損最小，模具壽命最高。
（2）間隙值的合理選擇
選擇一個合理的間隙值，以保證沖裁件的斷面質(zhì)量、尺寸精度、沖裁力大小及模具壽命。但分別從質(zhì)量、沖裁力、壽命等方面的要求確定的合理間隙值并不少同一個數(shù)值，只是彼此接近。因此，生產(chǎn)中通常選擇一個合理的間隙值范圍。
查表5.1得： Zmax=0.240mm Zmin=0.132mm
5.2.2各沖裁工序凹凸模刃口尺寸計算
凸、凹模加工方法的不同，刃口尺寸的計算方法也不同，本次自行車腳蹬內(nèi)板屬于圓形和簡單規(guī)則形狀的工件，其計算分析如下：
① 落料 落料件光面尺寸與凹模尺寸相等，故應(yīng)與凹模尺寸為基準(zhǔn)。又因落料件尺寸會隨凹模刃口的磨損而增大，為保證凹模磨損到一定程度仍能沖出合格零件，故落料凹?；境叽鐟?yīng)取工件尺寸公差范圍內(nèi)的較小尺寸。而落料凸?；境叽?，則按凹?；境叽鐪p最小初始間隙。
② 沖孔 工件光面的孔徑與凸模尺寸相等，故應(yīng)以凸模尺寸為基準(zhǔn)。又因沖孔的尺寸會隨凸模的磨損而減小，故沖孔凸?；境叽鐟?yīng)取工件孔尺寸公差范圍內(nèi)的較大尺寸。而沖孔凹?；境叽鐒t按凸模基本尺寸加最小初始間隙。
因此，根據(jù)刃口尺寸計算原則，計算公式如下：
落料： Dd=(Dmax-x?)0+δd
Dp=(Dd-Zmin)-δp0
沖孔： dp=(dmin+x?)-δp0
dd=(dp+Zmin)0+δd
孔心距： Ld=Lmin+?2+δd2
式中 Dd、Dp—落料凹、凸模尺寸；
dp、dd—沖孔凸、凹模尺寸；
Ld —凹模孔心距的尺寸，公差δd取工件公差的1/4.
Lmin—工件孔心距的最小極限尺寸
Dmax —落料件的最大極限尺寸；
dmin—沖孔件孔的最小極限尺寸；
Δ —沖孔件制造公差；
Zmin—最小初始雙面間隙；
δp、δd—凸、凹模的制造公差，可查有關(guān)資料，或取δp≤0.4Zmax- Zmin、δd≤0.6Zmax-Zmin；
x—系數(shù)，為了避免沖裁件尺寸都偏向于極限尺寸，應(yīng)使沖裁件的實際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的中間尺寸。x值在0.5～1之間，與 沖裁件的精度等級有關(guān)，見表4.3.
本次設(shè)計中，第一、第四、第五工位為沖孔工序，第六工位為落料工序。
查表5.1、5.3和有關(guān)資料得：
Zmax=0.240 Zmin=0.132
（1）沖Φ15mm的孔
查表5.2和表5.4得：δp=-0.02mm δd=+0.03mm x=0.75
?=0.03--0.02=0.05mm
dp=(dmin+x?)-δp0=（15+0.75×0.05）-0.020=（15.0375）-0.020mm
dd=(dp+Zmin)0+δd=（15.0375+0.132）0+0.03=(15.17）0+0.03mm
校核： 所取凸、凹模公差|δp+|δd=0.05≤Zmax-Zmin=0.108mm，滿足要求。
（2）沖Φ19mm的孔
查表5.2和表5.4得：δp=-0.02mm δd=+0.03mm x=0.75
dp=(dmin+x?)-δp0=（19+0.75×0.05）-0.020=（19.04）-0.020mm
dd=(dp+Zmin)0+δd=（19.04+0.132）0+0.03=(19.17）0+0.03mm
校核： 所取凸、凹模公差|δp+|δd=0.05≤Zmax-Zmin=0.108mm，滿足要求.
（3）沖兩個Φ5.5mm的孔
查表5.2，δp=-0.02mm δd=+0.02mm x=0.75
?=0.02--0.02=0.04mm
dp=(dmin+x?)-δp0=（5.5+0.75×0.04）-0.020=（5.53）-0.020mm
dd=(dp+Zmin)0+δd=（5.53+0.132）0+0.03=(5.662）0+0.02mm
校核： 所取凸、凹模公差|δp+|δd=0.04≤Zmax-Zmin=0.108mm，滿足要求。
中心距：Ld=Lmin+?2±0.125?=52+0.042±0.125×0.04=52.03±0.005mm
（4）落料 落料的外形尺寸長度為66mm，寬度為30mm。
① 長度方向：查表5.2，δp=-0.025mm δd=+0.035mm x=0.75
?=0.035--0.025=0.07mm
Dd=(Dmax-x?)0+δd=（66-0.75×0.07)0+0.035=65.9480+0.035mm
Dp =(Dd-Zmin)-δp0=（65.948-0.132)-0.0250=65.816-0.0250mm
校核： 所取凸、凹模公差|δp+|δd=0.06≤Zmax-Zmin=0.108mm，滿足要求。
② 寬度方向：查表5.2，δp=-0.020mm δd=+0.025mm x=0.75
Dd=(Dmax-x?)0+δd=（30-0.75×0.045)0+δd=29.970+0.025mm
Dp=(Dd-Zmin)-δp0=（29.97-0.132)-δp0=29.84-0.0200mm
校核： 所取凸、凹模公差|δp+|δd=0.06≤Zmax-Zmin=0.108mm，滿足要求。
表5.1 雙面沖裁間隙表
材料厚 度
t/mm
08、10、35
09M2\Q235
16Mn
40、50
65Mn
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
0.5
0.060
0.040
0.060
0.040
0.060
0.040
0.060
0.040
0.6
0.072
0.048
0.072
0.048
0.072
0.048
0.072
0.048
0.7
0.092
0.064
0.092
0.064
0.092
0.064
0.092
0.064
0.8
0.104
0.072
0.104
0.072
0.104
0.072
0.104
0.072
0.9
0.126
0.090
0.126
0.090
0.126
0.090
0.126
0.090
1.0
0.140
0.100
0.140
0.100
0.140
0.100
0.140
0.100
1.2
0.180
0.126
0.180
0.132
0.180
0.132
----
----
1.5
0.240
0.132
0.240
0.170
0.230
0.170
----
----
1.75
0.320
0.220
0.320
0.220
0.320
0.220
----
----
2.0
0.360
0.246
0.380
0.260
0.380
0.260
----
----
表5.2 規(guī)則形狀沖裁模凸、凹模制造公差 mm
基本尺寸
基本尺寸
≦18
-0.020
+0.020
>180～260
-0.030
+0.045
>18～30
-0.020
+0.025
>260～360
-0.035
+0.050
>30～80
-0.020
+0.030
>360～500
-0.040
+0.060
>80～120
-0.025
+0.035
>500
-0.050
+0.070
>120～180
-0.030
+0.040
表5.3 沖裁件和拉伸件未注公差尺寸的偏差值
基本尺寸
尺寸類型
包容表面
被包容表面
孔中心距
≦3
+0.25
-0.25
±0.15
3-6
+0.30
-0.30
6-10
+0.36
-0.36
±0.215
10-18
+0.43
-0.43
18-30
+0.52
-0.52
±0.31
30-50
+0.62
-0.62
50-80
+0.74
-0.74
±0.435
80-120
+0.87
-0.87
120-180
+1.00
-1.00
±0.575
180-250
+1.15
-1.15
表5.4 系數(shù)x
料厚t/mm
非圓形
圓形
1
0.75
0.5
0.75
0.5
工件公差Δ/mm
1
1～2
2～4
＞4
＜0.16
＜0.20
＜0.24
＜0.30
0.17～0.35
0.21～0.41
0.25～0.49
0.31～0.59
≥0.36
≥0.42
≥0.50
≥0.60
＜0.16
＜0.20
＜0.24
＜0.30
≥0.16
≥0.20
≥0.24
≥0.30
5.3 整形工序的凸凹模設(shè)計
（1）整形模具設(shè)計要點：
（1）.工作零件的尺寸及形位精度高于制件1—2級；
（2）.整形前制件內(nèi)徑?jīng)_壓成為制件公差；
（3）.凸模的外徑加工成；
（4）.整形凸、凹模的間隙?。▎芜叄瑃為料厚）
根據(jù)以上要點，進行整形凸、凹模的設(shè)計：
（1）.根據(jù)所要求零件精度，整形模具的尺寸及形位精度為IT8級；
（2）.查閱IT公差等級表，的IT8級的制件公差為；
（3）.整形凸、凹模的間隙??；
（4）.整形模具以凹模為基準(zhǔn)設(shè)計，凹模的凸臺內(nèi)徑尺寸為，凸臺外徑尺寸為。
（5）.整形凸模設(shè)計保證于整形凹模的間隙，故凸模內(nèi)徑尺寸為，凸模外徑尺寸為
6 沖裁模具主要零部件設(shè)計
盡管各類沖裁模的結(jié)構(gòu)形式和復(fù)雜程度不同，但組成模具的零件種類是基本相同的，根據(jù)它們在模具中的功用和特點，可以分為兩類。
（1）工藝零件 這類零件直接參與完成工藝過程并和毛坯直接發(fā)生作用，包括：工作零件、定位零件、卸料和壓料零件。
（2）結(jié)構(gòu)零件 這類零件不直接參與完成工藝過程，也不和毛坯直接發(fā)生作用，包括：導(dǎo)向零件、支撐零件、緊固零件和其他零件。
6.1 凸模類型及長度計算
6.1.1凸模的類型
本次設(shè)計采用了兩種類型的凸模，圓形凸模和非圓形凸模。
（1）圓凸模
圓凸模分為固定式圓凸模和可卸式圓凸模。其中，固定式圓凸模一般在沖裁的多工位級進模中經(jīng)常使用，工作直徑也較大（Φ6mm以上），多用凸臺式過盈配合固定，如H7/r6配合.本次設(shè)計的第一到第五工位皆適用圓形凸模即可。
（2）非圓形凸模
本次設(shè)計最后一個工位的工序為落料，因為零件屬于不規(guī)則零件，因此采用具有凸臺式的非圓形凸模。此種凸模適合在純沖裁多工位級進模中安裝控件足夠的情況下使用。
6.1.2各個凸模長度計算
凸模長度主要根據(jù)模具結(jié)構(gòu)，并考慮修磨、操作安全、裝配等的需要來確定。
采用彈性卸料板和導(dǎo)料板的沖模，其凸模長應(yīng)按下式計算：
L=h1+h2+H+t'
式中 h1 —凸模固定板厚度（mm）；
h2 —彈性卸料板厚度（mm）；
—模具閉合時凸模固定板與卸料板之間的安全距離（mm）；
t' —凸模進入凹模的深度。
（1） 第一工位凸模
第一工位凸模的作用是沖預(yù)制孔，長度計算公式為：
L1=h1+h2+H+t'=20+24+7+1.5=52.5mm
（2） 第二工位凸模
第二工位凸模的作用是翻邊，長度為：
L2=h1+h2+H+t'=20+24+7+2=53mm
（3） 第三工位凸模
第三工位凸模的作用是整形，采用D型導(dǎo)正銷導(dǎo)正，長度為：
L3=h1+h2+H+t'=20+24+7+2=53mm
（4） 第四工位凸模
第四工位凸模的作用是沖大孔，采用D型導(dǎo)正銷導(dǎo)正，長度為：
L4=h1+h2+H+t'=20+24+7+3.5=54.5mm
（5） 第五工位凸模
第五工位凸模的作用是沖兩個小孔，長度公式為：
L5=h1+h2+H+t'=20+24+7+1.5=52.5mm
（6） 第六工位凸模
第六工位凸模的作用是落料，采用D型導(dǎo)正銷導(dǎo)正，完成零件的加工，凸模長度公式為：
L6=h1+h2+H+t'=20+24+7+1.5=52.5mm
6.1.3各凸模的強度校核
對于細(xì)長的凸模，或斷面尺寸較小而沖壓毛坯厚度又比較大的情況下，必須進行承壓能力和抗縱向彎曲能力兩方面的校驗，以保證凸模設(shè)計的安全。
對于圓形凸模，孔徑大于沖件材料厚度時，接觸應(yīng)力σk大于平均壓應(yīng)力σ，因而強度校核的條件就是接觸應(yīng)力σk小于或等于凸模材料的許用應(yīng)力［σ］。
σk=2τ/(1-0.5t/d)=≤［σ］
式中 t—沖裁材料厚度；mm
d—凸?；驔_孔直徑；mm
τ—材料剪切強度，MPa
σk—凸模刃口的接觸應(yīng)力；MPa
［σ］—凸模材料的許用應(yīng)力；MPa，高碳鋼的許用應(yīng)力可取850MPa.
（1）第一工位凸模
σk=2τ/(1-0.5t/d)=2×340/(1-0.5×1.5/15)=716MPa≤［σ］
滿足要求。
（2）第二工位凸模
σk=2τ/(1-0.5t/d)=2×340/(1-0.5×1.5/23)=705MPa≤［σ］
滿足要求。
（3）第三工位凸模
σk=2τ/(1-0.5t/d)=2×340/(1-0.5×1.5/26.5)=701MPa≤［σ］
滿足要求。
（4）第四工位凸模
σk=2τ/(1-0.5t/d)=2×340/(1-0.5×1.5/19)=708MPa≤［σ］
滿足要求。
（5）第五工位凸模
σk=2τ/(1-0.5t/d)=2×340/(1-0.5×1.5/5.5)=787MPa≤［σ］
滿足要求。
各工位凸模如下圖6-1所示：
圖6-1（a）沖預(yù)孔凸模
圖6-1（b）翻邊凸模
圖6-1（c）整形凸模 圖6-1（d）沖大孔凸模
圖6-1（e）沖小孔凸模
圖6-1（f）外形凸模
6.2 凹模結(jié)構(gòu)
根據(jù)凹模刃口部分的結(jié)構(gòu)，凹