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湖 南 農 業(yè) 大 學 全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設 計 沖孔落料級進模設計 THE DESIGN OF PROGRESSIVE DIE FOR PUNCHING AND BLANKING 學生姓名： 李燦 學 號： 200940614311 年級專業(yè)及班級： 2009 級機械設計制造及其自動 化(3)班 指導老師及職稱： 周光永 副教授 學 院： 工學院 湖南·長沙 提交日期：2013 年 05 月 湖南農業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設計 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師的指導下，進行研究工 作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文 不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻 的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律 結果由本人承擔。 畢業(yè)設計作者簽名： 2013 年 5 月 26 日 目錄 摘要……………………………………………………………………………………1 關鍵詞……………………………………………………………………………1 前言………………………………………………………………………………2 1.1 模具在國民經濟中的地位………………………………………………………2 1.2 各種模具的分類和占有量………………………………………………………3 1.3 我國模具工業(yè)的現狀……………………………………………………………4 1.4 我國模具技術的發(fā)展趨勢………………………………………………………5 2 沖壓模具三維 CAD 設計…………………………………………………………6 2.1 工件的三維 CAD 設計…………………………………………………………6 2.2 工藝結構零件的三維 CAD 設計………………………………………………7 2.2.1 工作零件的三維 CAD 設計……………………………………………………7 2.2.2 定位零件的三維 CAD 設計…………………………………………………9 2.2.3 卸料件的三維 CAD 設計……………………………………………………9 2.3 輔助結構零件的三維 CAD 設計………………………………………………10 2.3.1 導向零件的三維 CAD 設計…………………………………………………10 2.3.2 固定零件的三維 CAD 設計…………………………………………………11 2.3.3 緊固零件的三維 CAD 設計…………………………………………………11 2.4 沖孔落料模的裝配過程三維 CAD 設計………………………………………13 2.5 生成爆炸圖………………………………………………………………………16 3 沖裁件的工藝分析…………………………………………………………………17 3.1 工件材料…………………………………………………………………………17 3.2 工件結構形狀……………………………………………………………………17 3.3 工件尺寸精度……………………………………………………………………17 4 沖裁工藝方案………………………………………………………………………17 5 模具結構形式的選擇………………………………………………………………18 5.1 模具的類型的選擇………………………………………………………………18 5.2 卸料裝置…………………………………………………………………………19 5.2.1 條料的卸除……………………………………………………………………19 5.2.2 卸料方式………………………………………………………………………19 5.3 定位裝置…………………………………………………………………… ………19 5.3.1 送料形式…………………………………………………………………………19 5.3.2 定位零件…………………………………………………………………………19 5.4 模架類型……………………………………………………………………………19 6 沖壓工藝計算…………………………………………………………………19 6.1 排樣…………………………………………………………………………………19 6.2 沖壓力計算…………………………………………………………………………20 6.3 沖裁間隙的計算……………………………………………………………………21 6.4 壓力中心的計算…………………………………………………………………21 6.5 模具工作部分尺寸及公差………………………………………………………22 6.5.1 切斷凸模尺寸……………………………………………………………………23 6.5.2 沖孔凸凹模尺寸………………………………………………………………………23 7 主要零部件設計………………………………………………………………………24 7.1 凹模的設計…………………………………………………………………………24 7.2 凸模的設計…………………………………………………………………………25 7.3 凸模固定板的設計………………………………………………………………………26 7.4 墊板的設計…………………………………………………………………………27 7.5 卸料橡膠的計算……………………………………………………………………28 8 設計并繪制模具總裝圖及選取標準件……………………………………………28 8.1 模具總體設計及壓力機的選型…………………………………………………28 8.2 模具裝配圖…………………………………………………………………………29 9 結論………………………………………………………………………………………30 參考文獻…………………………………………………………………………………………30 致謝………………………………………………………………………………………………31 1 客車車門墊板級進模設計 學 生：李燦 指導老師：周光永 (湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128) 摘 要：該論文是對客車車門墊板零件沖孔、落料的級進模設計。進行零件的形狀、尺寸、 精度工藝分析，確定合理的工藝方案，確定工序數目。確定毛坯尺寸，合理排樣，繪制排樣圖。 計算沖孔力、切斷力、卸料力、推件力、總沖壓力，確定壓力中心。計算主要結構零件的尺寸。 確定凸、凹模結構，并繪制零件圖，設計定位零件，壓料、卸料零部件。設計固定零件，選擇其 他標準件。最后用 CAD 和 pro-e 分別畫出二維與三維裝配圖，三維圖并生成爆炸圖。 關鍵詞：客車車門墊板；落料；沖孔；級進模； The Progressive Die Design of Passenger Car Door Plate Student:Lican Tutor:Zhouguangyong (College of engineering and technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: This article was the progressive die design of passenger car door plate for punching and blanking. Analyzed Parts of shape, size, and precision process, determined the reasonable process scheme and the number of processes. Determined the size of blank and reasonable layout, drew layout. Calculated punching force, cutting force, stripping force, pushing force, and total punching pressure, determined the center of pressure. Calculated the main structure size of parts. Determined structure of convex and concave die, and drew the drawing of parts, designed positioning parts, pressing parts, unloading parts. Designed Fixed parts, selected other standard parts. Finally, used CAD and Pro-E to draw 2D and 3D assembling drawings, and generated explosive view. Key words: The passenger door plate; Blanking; Punching; Progressive die; 1 前沿 模具工業(yè)作為一種新興工業(yè)，它有節(jié)約原材料、節(jié)約能源、較高的生產效率，以 2 及保證較高的加工精度等特點，在國民經濟中越來越重要。模具技術成為衡量一個國 家制造水平的重要依據之一，其中沖裁模具在模具工業(yè)中占有舉足輕重的地位。 沖壓是使板料經分離或成形而得到制件的加工方法。沖壓利用沖壓模具對板料進 行加工。常溫下進行的板料沖壓加工稱為冷沖壓。因此冷沖壓模具在工業(yè)生產中的地 位：是大批生產同形產品的工具，同時也是工業(yè)生產的主要工藝裝備。所以模具工業(yè) 是國民經濟的基礎工業(yè)。 模具可保證沖壓產品的尺寸精度和質量穩(wěn)定，而且在加工中不破壞產品表面。用 模具生產零件可以采用冶金廠大量生產的廉價的軋制鋼板或鋼帶為坯料，且在生產中 不需要加熱，具有生產效率高、質量好、重量輕、成本低且節(jié)約能源和原材料等一系 列優(yōu)點，是其它加工方法所不能比擬的。使用模具已成為當代工業(yè)生產的重要手段和 工藝發(fā)展方向。現代制造工業(yè)的發(fā)展和技術水平地提高，在很大程度上取決于模具工 業(yè)的發(fā)展。 目前，工業(yè)生產中普遍采用模具成形工藝方法，以提高產品的生產效率和質量。 一般采用壓力機進行零件加工，一臺普通壓力機每分鐘可生產零件幾件到幾十件，而 高速壓力機的生產效率已達到每分鐘數百件甚至上千件。據不完全統(tǒng)計，飛機、汽車、 拖拉機、電機、電器、儀器、儀表等產品，有 60﹪左右的零件是利用模具加工出來的； 而自行車、手表、洗衣機、電冰箱及電風扇等輕工業(yè)產品，90﹪左右的零件是利用模 具生產出來的；至于日常生活所用的五金、餐具等的大批量生產基本上也是靠模具來 進行生產的。顯而易見，模具作為一種專用的工藝裝備，在生產中的作用和地位正日 趨上升。 1.1 模具在國民經濟中的地位 模具是制造業(yè)的一種基本工藝裝備，它的作用是控制和限制材料（固態(tài)或液態(tài)） 的流動，使之形成所需要的形體。用模具制造零件以其效率高，產品質量好，材料消 耗低，生產成本低而廣泛應用于制造業(yè)中。 模具工業(yè)是國民經濟的基礎工業(yè)，是國際上公認的關鍵工業(yè)。模具生產技術水平 的高低是衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志，它在很大程度上決定著產品的 質量，效益和新產品的開發(fā)能力。振興和發(fā)展我國的模具工業(yè)，正日益受到人們的關 注。早在 1989 年 3 月中國政府頒布的《關于當前產業(yè)政策要點的決定》中，將模具 列為機械工業(yè)技術改造序列的第一位。 模具工業(yè)既是高新技術產業(yè)的一個組成部分，又是高新技術產業(yè)化的重要領域。 模具在機械，電子，輕工，汽車，紡織，航空，航天等工業(yè)領域里，日益成為使用最 3 廣泛的主要工藝裝備，它承擔了這些工業(yè)領域中 60％~90％的產品的零件，組件和部 件的生產加工。 模具制造的重要性主要體現在市場的需求上，僅以汽車，摩托車行業(yè)的模具市場 為例。汽車，摩托車行業(yè)是模具最大的市場，在工業(yè)發(fā)達的國家，這一市場占整個模 具市場一半左右。汽車工業(yè)是我國國民經濟五大支柱產業(yè)之一，汽車工業(yè)重點是發(fā)展 零部件，經濟型轎車和重型汽車，汽車模具作為發(fā)展重點，已在汽車工業(yè)產業(yè)政策中 得到了明確。汽車基本車型不斷增加，2005 年將達到 170 種。一個型號的汽車所需模 具達幾千副，價值上億元。為了適應市場的需求，汽車將不斷換型，汽車換型時約有 80％的模具需要更換。中國摩托車產量位居世界第一，據統(tǒng)計，中國摩托車共有 14 種排量 80 多個車型，1000 多個型號。單輛摩托車約有零件 2000 種，共計 5000 多個， 其中一半以上需要模具生產。一個型號的摩托車生產需 1000 副模具，總價值為 1000 多萬元。其他行業(yè)，如電子及通訊，家電，建筑等，也存在巨大的模具市場。 目前世界模具市場供不應求，模具的主要出口國是美國，日本，法國，瑞士等國 家。中國模具出口數量極少，但中國模具鉗工技術水平高，勞動成本低，只要配備一 些先進的數控制模設備，提高模具加工質量，縮短生產周期，溝通外貿渠道，模具出 口將會有很大發(fā)展。研究和發(fā)展模具技術，提高模具技術水平，對于促進國民經濟的 發(fā)展有著特別重要的意義。 1.2 各種模具的分類和占有量 模具主要類型有：沖模，鍛摸，塑料模，壓鑄模，粉末冶金模，玻璃模，橡膠模， 陶瓷模等。除部分沖模以外的上述各種模具都屬于腔型模，因為他們一般都是依靠三 維的模具形腔是材料成型。 1）沖模：沖模是對金屬板材進行沖壓加工獲得合格產品的工具。沖模占模具總 數的 50％以上。按工藝性質的不同，沖模可分為落料模，沖孔模，切口模，切邊模， 彎曲模，卷邊模，拉深模，校平模，翻孔模，翻邊模，縮口模，壓印模，脹形模。按 組合工序不同，沖模分為單工序模，復合模，連續(xù)模。 2）鍛模：鍛模是金屬在熱態(tài)或冷態(tài)下進行體積成型是所用模具的總稱。按鍛壓 設備不同，鍛模分為錘用鍛模，螺旋壓力機鍛模，熱模鍛壓力鍛模，平鍛機用鍛模， 水壓機用鍛模，高速錘用鍛模，擺動碾壓機用鍛模，輥鍛機用鍛模，楔橫軋機用鍛模 等。按工藝用途不同，鍛模可分為預鍛模具，擠壓模具，精鍛模具，等溫模具，超塑 性模具等。 3）塑料模：塑料模是塑料成型的工藝裝備。塑料模約占模具總數的 35％，而且 4 有繼續(xù)上升的趨勢。塑料模主要包括壓塑模，擠塑模，注射模，此外還有擠出成型模， 泡沫塑料的發(fā)泡成型模，低發(fā)泡注射成型模，吹塑模等。 4）壓鑄模：壓鑄模是壓力鑄造工藝裝備，壓力鑄造是使液態(tài)金屬在高溫和高速 下充填鑄型，在高壓下成型和結晶的一種特殊制造方法。壓鑄模約占模具總數的 6％。 5）粉末冶金模：粉末冶金模用于粉末成型，按成型工藝分類粉末冶金模有：壓 模，精整模，復壓模，熱壓模，粉漿澆注模，松裝燒結模等。 模具所涉及的工藝繁多，包括機械設計制造，塑料，橡膠加工，金屬材料，鑄造 （凝固理論） ，塑性加工，玻璃等諸多學科和行業(yè)，是一個多學科的綜合，其復雜程 度顯而易見。 1.3 我國模具工業(yè)的現狀 自 20 世紀 80 年代以來，我國的經濟逐漸起飛，也為模具產業(yè)的發(fā)展提供了巨大 的動力。20 世紀 90 年代以后，大陸的工業(yè)發(fā)展十分迅速，模具工業(yè)的總產值在 1990 年僅 60 億元人民幣，1994 年增長到 130 億元人民幣，1999 年已達到 245 億元人民幣， 2000 年增至 260~270 億元人民幣。今后預計每年仍會以 10％~15％的速度快速增長。 目前，我國 17000 多個模具生產廠點，從業(yè)人數五十多萬。除了國有的專業(yè)模具 廠外，其他所有制形式的模具廠家，包括集體企業(yè)，合資企業(yè)，獨資企業(yè)和私營企業(yè) 等，都得到了快速發(fā)展。其中，集體和私營的模具企業(yè)在廣東和浙江等省發(fā)展得最為 迅速。例如，浙江寧波和黃巖地區(qū)，從事模具制造的集體企業(yè)和私營企業(yè)多達數千家， 成為我國國內知名的“模具之鄉(xiāng)”和最具發(fā)展活力的地區(qū)之一。在廣東，一些大集團 公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，為了提高其產品的市場競爭能力，紛紛加入了對模具制 造的投入。例如，科龍，美的，康佳和威力等知名集團都建立了自己的模具制造中心。 中外合資和外商獨資的模具企業(yè)則多集中于沿海工業(yè)發(fā)達地區(qū)，現已有幾千家。 在模具工業(yè)的總產值中，企業(yè)自產自用的約占三分之二，作為商品銷售的約占 三分之一。其中，沖壓模具約占 50％（中國臺灣：40％） ，塑料模具約占 33％（中國 臺灣：48％） ，壓鑄模具約占 6％（中國臺灣：5％） ，其他各類模具約占 11（中國臺 灣：7％） 。 中國臺灣模具產業(yè)的成長，分為萌芽期（1961——1981） ，成長期（1981—— 1991） ，成熟期（1991——2001）三個階段。 萌芽期，工業(yè)產品生產設備與技術的不斷改進。由于紡織，電子，電氣，電機和 機械業(yè)等產品外銷表現暢旺，連帶使得模具制造，維修業(yè)者和周邊廠商（如熱處理產 5 業(yè)等）逐年增加。在此階段的模具包括：一般民生用品模具，鑄造用模具，鍛造用模 具，木模，玻璃，陶瓷用模具，以及橡膠模具等。 1981 年——1991 年是臺灣模具產業(yè)發(fā)展最為迅速且高度成長的時期。有鑒于模 具產業(yè)對工業(yè)發(fā)展的重要性日益彰顯，自 1982 年起，臺灣地區(qū)就將模具產業(yè)納入 “策略性工業(yè)適用范圍” ，大力推動模具工業(yè)的發(fā)展，以配合相關工業(yè)產品的外銷策 略，全力發(fā)展整體經濟。隨著民生工業(yè)，機械五金業(yè)，汽機車及家電業(yè)發(fā)展，沖壓模 具與塑料模具，逐漸形成臺灣模具工業(yè)兩大主流。從 1985 年起，模具產業(yè)已在推行 計算機輔助模具設計和制造等 CAD/CAM 技術，所以臺灣模具業(yè)接觸 CAD/CAM/CAE/CAT 技術的時間相當早。 成熟期，在國際化，自由化和國際分工的潮流下，1994 年，1998 年，由臺灣地 區(qū)政府委托金屬中心執(zhí)行“工業(yè)用模具技術研究與發(fā)展五年計劃”與“工業(yè)用模具技 術應用與發(fā)展計劃” ，以協(xié)助業(yè)界突破發(fā)展瓶頸，并支持產業(yè)升級，朝向開發(fā)高附加 值與進口依賴高的模具。1997 年 11 月間臺灣憑借模具產業(yè)的實力，獲得世界模具協(xié) 會（ISTMA）認同獲準入會，正式成為世界模具協(xié)會會員， 。整體而言，臺灣模具產業(yè) 在這一階段的發(fā)展，隨著機械性能，加工技術，檢測能力的提升，以及計算機輔助設 計，臺灣模具廠商供應對象已由傳統(tǒng)的民用家電，五金業(yè)和汽機車運輸工具業(yè)，提升 到計算機與電子，通信與光電等精密模具，并發(fā)展出汽機車用大型鈑金沖壓，大型塑 料射出及精密鍛造等模具。 1.4 我國模具技術的發(fā)展趨勢 20 世紀 80 年代開始，發(fā)達工業(yè)國家的模具工業(yè)已從機床工業(yè)中分離出來，并發(fā) 展成為獨立的工業(yè)部門，其產值已超過機床工業(yè)的產值。改革開放以來，我國的模具 工業(yè)發(fā)展也十分迅速。近年來，每年都以 15％的增長速度快速發(fā)展。許多模具企業(yè)十 分重視技術發(fā)展。加大了用于技術進步的投入力度，將技術進步作為企業(yè)發(fā)展的重要 動力。此外，許多科研機構和大專院校也開展了模具技術的研究與開發(fā)。模具行業(yè)的 快速發(fā)展是使我國成為世界超級制造大國的重要原因。今后，我國要發(fā)展成為世界制 造強國，仍將依賴于模具工業(yè)的快速發(fā)展，成為模具制造強國。 盡管我國模具工業(yè)有了長足的進步，部分模具已達到國際先進水平，但無論是數 量還是質量仍滿足不了國內市場的需要，每年仍需進口 10 多億美元的各類大型，精 密，復雜模具。與發(fā)達國家的模具工業(yè)相比，在模具技術上仍有不小的差距。今后， 我國模具行業(yè)應在以下幾方面進行不斷的技術創(chuàng)新，以縮小與國際先進水平的距離。 1）注重開發(fā)大型，精密，復雜模具；隨著我國轎車，家電等工業(yè)的快速發(fā)展， 6 成型零件的大型化和精密化要求越來越高，模具也將日趨大型化和精密化。 2）加強模具標準件的應用；使用模具標準件不但能縮短模具制造周期，降低模 具制造成本而且能提高模具的制造質量。因此，模具標準件的應用必將日漸廣泛。 3）推廣 CAD/CAM/CAE 技術；模具 CAD/CAM/CAE 技術是模具技術發(fā)展的一個重要 里程碑。實踐證明，模具 CAD/CAM/CAE 技術是模具設計制造的發(fā)展方向，可顯著地提 高模具設計制造水平。 4）重視快速模具制造技術，縮短模具制造周期；隨著先進制造技術的不斷出現， 模具的制造水平也在不斷地提高，基于快速成形的快速制模技術，高速銑削加工技術， 以及自動研磨拋光技術將在模具制造中獲得更為廣泛的應用。 2 沖壓模具三維 CAD 設計 三維 CAD 技術的出現，使零件設計及模具結構的設計可以直接在非常直觀的三維 環(huán)境下進行，模具設計完成后，可直接根據投影關系自動生成工程圖，徹底解決了傳 統(tǒng)二維設計的弊端。目前，三維 CAD 技術已廣泛地應用于模具的設計，縮短了新產品 的開發(fā)周期和產品的更新周期，使得開發(fā)新產品達到“高質量、低成本、上市快”的 目標成為可能。 下面我將應用 PRO-E 軟件進行如圖 2.1 所示的沖孔落料級進模的三維 CAD 設計。 圖 2.1 沖孔落料級進模裝配圖 Fig. 2.1 Assembling drawing of progressive die for punching and blanking 2.1 工件的三維 CAD 設計 客車車門墊板工程圖如圖所示 2.2 所示，它的實體圖如圖 2.3 所示： 7 圖 2.2 客車車門工程圖 Fig. 2.2 Engineering drawing of passenger car door 圖 2.3 客車車門實體圖 Fig. 2.3 Entitative graph of passenger car door 2.2 工藝結構零件的三維 CAD 設計 2.2.1 工作零件的三維 CAD 設計 工作零件包括沖孔凸模、落料凸模、凹模。首先根據工件的具體尺寸，繪制出工 作零件的草圖，然后根據設計出的大致尺寸進行三維 CAD 設計，初步三維零件圖繪制， 圖形繪制完后根據后續(xù)零件的設計可在命令界面上對已完成的零件進行修改，圖 2.4、圖 2.5、圖 2.6、圖 2.7 為已修改完畢后的沖孔凸模、落料凸模以及凹模三維圖： 8 圖 2.4 沖孔凸模 Fig. 2.4 Punching die 圖 2.5 沖孔凸模 Fig.2.5 Punching die 9 圖 2.6 切斷凸模 Fig.2.6 Convex die of cutting 圖 2.7 凹模 Fig. 2.7 Concave die 10 2.2.2 定位零件的三維 CAD 設計 定位零件的三維 CAD 設計，定位零件就是一個其控制條料送進距離和保證送進方 向的定位銷。是標準件 GB119-86，定位銷 φ12，其零件實體如圖 2.8： 圖 2.8 定位銷 Fig.2.8 Locating pin 2.2.3 卸料件的三維 CAD 設計 卸料零部件包括彈壓卸料板和卸料橡膠。卸料板具有卸料和壓料的雙重作用。卸 料板的設計在已經設計出零件的基礎上得出具體尺寸。下圖 2.9 為卸料板的三維實體 圖： 圖 2.9 卸料板 11 Fig. 2.9 Stripper 2.3 輔助結構零件的三維 CAD 設計 2.3.1 導向零件的三維 CAD 設計 首先是導向零件的三維 CAD 設計，對于生產批量大，要求模具壽命高，工件精度 較高的冷沖壓模具，一般采用導柱、導套來保證上下模的精確導向。它們是標準零件， 導柱 GB2861.1-81、導套 GB2861.6-81。標準件號為：導柱 A32h5×220，導套 A32H6×75。它們的實體圖如圖 2.10 所示： 圖 2.10 導柱和導套 Fig. 2.10 Guide pillar and guide bushing 2.3.2 固定零件的三維 CAD 設計 接下來是固定零件的三維 CAD 設計，包括上下模座三維 CAD 設計和模柄三維 CAD 設計。上下模座已有國家標準，分別為 GB2855.5-81、GB2855.6-81。標準件號為：上 模座 610×310×65、下模座 610×310×75。它們的具體結構根據出料方式和已設計 出的具體零部件進行設計修改。實體圖如圖 2.11 所示： 圖 2.11 上模座和下模座 Fig. 2.11 The base of upper die and the base of lower die 模柄的作用是將模具的上模座固定在壓力機的滑塊上，按 GB2862.3-81 標準選取， 它的實體圖如圖 2.12 所示： 12 圖 2.12 模柄 Fig. 2.12 Shank of die 2.3.3 緊固零件及其他零件三維 CAD 設計 最后是緊固及其他零件的三維 CAD 設計，螺釘與銷釘是用于模具零部件進行固定 于定位的元件。通常兩者選用相同的直徑，按標準選取。螺釘選用內六角形為宜，設 計時，應不少于 3 個螺釘，擰入被連接件的深度：鑄鐵為 2d；鋼為 1.5d(d 為螺釘直 徑)，標準為：GB70-85。銷釘設計為 2 個，壓入連接件與被連接件的深度為直徑的 2 倍，標準為：GB119-86，連接件的銷釘孔應同時鉆、鉸；卸料螺釘標準為 GB2867.5- 81，標準為 M12×120。螺紋用修飾命令表示。它們的實體圖如圖 2.13 所示： 圖 2.13 緊固零件實體 Fig. 2.13 Entity of fastenings 根據沖裁模具在沖裁過程中的功能需要，還需要設計出墊板、凸模固定板以及擋 鐵。其具體尺寸也是根據已經設計出和選好的一些零部件，配合其具體要求設計出具 13 體尺寸結構。具體實體圖如圖 2.14、2.15、2.16 所示： 圖 2.14 墊板 Fig. 2.14 Plate 圖 2.15 凸模固定板 Fig. 2.15 Fixed plate of punching die 14 圖 2.16 擋鐵 Fig. 2.16 Iron for stopping 2.4 沖孔落料模的裝配過程三維 CAD 設計 裝配過程即是 PRO-E 的組件功能，它能將之前所有的零部件全都整合到一個界面， 可根據設計人員的需要進行不同零部件之間的裝配與組合。最后組裝成為一個完整的 模具。圖 2.17 為沖孔落料模的裝配過程： （a） 插入模柄 （b）插入導柱導套 （c）插入下模座 15 （d）插入凹模 （e）插入卸料板 （f）插入墊板 （g）插入凸模固定板 （h）插入沖孔凸模 （i）插入落料凸模 （j）插入擋鐵 （k）插入零件圖 16 （l）插入模柄螺釘 （m）插入凹模螺釘 （n）插入凸模固定板螺釘 （o）插入卸料螺釘 （p）插入圓柱銷 （q）插入定位銷 （r）插入卸料橡膠 圖 2.17 沖孔落料模的裝配過程 Fig.2.17 Assembling process of punching and blanking die 2.5 生成爆炸圖 17 三維 CAD 爆炸圖的生成是在將組件裝配完成后，將各零件在視圖中分解開來，可 以在爆炸圖中清晰地看到各個零件的形態(tài)，圖 2.18 為爆炸圖： 圖 2.18 爆炸圖 Fig. 2.17 Explosive view 3 沖裁件的工藝分析 3.1 工件材料 該沖裁件材料為 Q235 是普通碳素鋼，具有較好的沖壓性能。 3.2 工件結構形狀 圖 2.1 所示為客車車門墊板，每輛車數量為 6 個，材料為 Q235，厚度 t=4mm。 未標注公差均按 14 級處理。 18 圖 3.1 客車車門工程圖 Fig. 3.1 Engineering drawing of passenger car door 零件結構:該沖裁件外形簡單，形狀規(guī)則，比較適合沖裁。 3.3 工件尺寸精度 根據零件圖上所注尺寸，工件要求不高，尺寸精度要求較低，采用 IT14 級精度， 普通沖裁完全可以滿足要求。 根據以上分析：該零件沖裁工藝性較好，綜合評比適宜沖裁加工。 4 沖裁工藝方案 完成此工件需要沖孔、落料兩道工序。其加工工藝方案分為以下 3 種： 1.方案一：單工序模生產。先沖孔，后落料； 2.方案二：級進模生產。沖孔—落料級進沖壓； 3.方案三：復合模生產。沖孔—落料復合沖壓。 各模具結構特點及比較如下表 3.1： 表 3.1 各類模具結構及特點比較 Table3.1 All kinds of die structure and characteristics of the comparison 模具種類比較項 目 單工序模 （無導向） （有導向） 級進模 復合模 19 零件公差等級 低 一般 可達 IT13～IT10 級 可達 IT10～IT8 級 零件特點 尺寸不受 限制厚度 不受限制 中小型 尺寸厚 度較厚 小零件厚度 0.2～6mm 可 加工復雜零件，如寬度極 小的異形件 形狀與尺寸受模具結構 與強度限制，尺寸可以 較大，厚度可達 3mm 生產效率 低 較低 工序間自動送料，可以自 動排除制件，生產效率高 沖件被頂到模具工作表 面上，必須手動或機械 排除，生產效率較低 安全性 不安全，需采取安 全措施 比較安全 不安全，需采取安全措 施 模具制造工作量 和成本 低 比無導向的 稍高 沖裁簡單的零件時，比復 合模低 沖裁較復雜零件時，比 級進模低 適用場合 料厚精度要求低的 小批量沖件的生產 大批量小型沖壓件的生產 形狀復雜，精度要求較 高，平直度要求高的中 小型制件的大批量生產 根據分析結合表分析： 方案一模具結構簡單，制造周期短，制造簡單，但需要兩副模具，成本高而生產 效率低，難以滿足大批量生產的要求。 方案二只需一副模具，生產效率高，操作方便，精度也能滿足要求，模具制造工 作量和成本在沖裁簡單的零件時比復合模低。 方案三只需一副模具，制件精度和生產效率都較高，且工件最小壁厚大于凸凹模 許用最小壁厚模具強度也能滿足要求。沖裁件的內孔與邊緣的相對位置精度較高，板 料的定位精度比方案二低，模具輪廓尺寸較小。 綜上對上述三種方案的分析比較，該工件的沖壓生產采用方案二為佳。 5 模具結構形式的選擇 5.1 模具的類型的選擇 由沖壓工藝分析可知，采用級進模方式沖壓，所以模具類型為級進模。 5.2 卸料裝置 5.2.1 條料的卸除 因采用級進模生產，故采用向下落料出件。 5.2.2 卸料方式 20 彈性卸料板有敞開的工作空間,操作方便,生產效率高,沖壓前對毛坯有壓緊作用, 沖 壓后又使沖壓件平穩(wěn)卸料,從而制件較為平整,而且本模具所需的卸料力不大,適合用彈 性卸料。 5.3 定位裝置 5.3.1 送料形式 因選用的沖壓設備為開式壓力機且垂直于送料方向的凹模寬度 B 小于送料方向的 凹模長度 L 故采用橫向手動送料方式，即由右向左（或由左向右）送料既能滿足生產 要求，又可以降低生產成本，提高經濟效益。 5.3.2 定位零件 零件尺寸較大，厚度較薄，形狀較為簡單規(guī)范，采用定位銷即可。 5.4 模架類型 1.中間導柱模架：省料，導向精度較高；不能左右進料。 2.四角導柱模架：導向精度高，前后左右都可以進料；取放工件不夠方便。 3.后側導柱模架：導向精度較高，前后左右都可以進料，取放工件方便，導柱阻 力不對稱。 4.對角導柱模架：導向精度較高，前后左右都可以進料；取放工件不夠方便。 綜上，結合本沖孔、落料級進模的特點，決定采用后側導柱模架。 由于零件材料較薄，尺寸較大，沖裁間隙較小，又是級進模因此采用導向精度較 高的后側導柱模架，考慮零件精度要求不是很高，沖裁間隙較小，因此采用Ⅰ級模架 精度。 6 工藝計算 6.1 排樣 本零件形狀規(guī)則，為提高材料的利用率采用無廢排樣方式。考慮到零件的壁厚較 小，為提高凹模刃口強度，其中間還需要留一空步，排樣如下圖： 21 圖 6.1 排樣圖 Fig. 6.1 Layout 由于采用無廢排樣方式，材料的利用率近似為 100%，大大提高了材料的利用率。 6．2 沖壓力計算 沖裁力 F 一般按下式計算： bLtF?? （1） 式中：F—沖裁力； L—沖裁周邊長度； t—材料厚度； b—材料抗剪強度；Q235， b 的值查《沖壓成型工藝與模具設計》,取?? b=450Mpa 1）沖孔力計算 F1=Lt b=494×4×450=889KN 2）切斷力計算 F2=Lt b=375×4×450=675KN? 3）卸料力計算 Fx= Kx(F1+ F2)=0.05×(889+675)=78.2KN 4）推件力計算 22 FT=nKT((F1+ F2)=2×0.05×(889+675)=156.4KN 5）總壓力計算 F 總= F1+ F2+ Fx +FT=889+675+78.2+156.4=1798.6KN 表 4.1 卸料力、推件力和頂件力系數 Table 4.1 The unloading force and pushing force and coefficient of punching force 材料 料厚 t/mm KX KT KD 鋼 ≤0.1 ＞0.1~0.5 ＞0.5~2.5 ＞2.5~6.5 ＞6.5 0.06~0.075 0.045~0.055 0.04~0.05 0.03~0.04 0.02~0.03 0.1 0.063 0.050 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 6.3 沖裁間隙的計算 沖裁模的凸凹模刃口部分尺寸之差稱為沖裁間隙，其雙面間隙用 Z 表示，單面間 隙為 Z/2，從沖裁過程分析中可知，它對沖裁件斷面的質量有極大的影響；此外，它 還影響模具的壽命、沖裁力、推件力、頂件力和沖裁的尺寸精度，是一個非常重要的 工藝參數。設計模具時一定要選擇合理的間隙，才能使沖裁件斷面質量較好，所需沖 裁力較小，模具壽命較長?？捎靡韵鹿竭M行沖裁間隙的計算 Z/2=(t-b)tanβ=t(1-b/t) tanβ （2） 式中：Z/2—單面間隙； t—材料厚度； b—光亮寬度，即產生裂紋時凸模擠入的深度； b/t—產生裂紋時凸模擠入材料的相對深度； β—剪裂紋與垂線的夾角。 查《冷沖壓模具設計與制造》表 2.11 得 b/t=60%，β=5°帶入公式（2） ，計算得 到 Z/2≈0.14（mm） 。 6.4 壓力中心的計算 用解析計算法求出沖模壓力中心。 X0=（L1x1＋L2x2＋…Lnxn）/(L1＋L2＋…Ln) Y0=（L1y1＋L2y2＋……Lnyn ）/（L1＋L2＋…＋Ln） 23 （3） 用解析法計算壓力中心時，先畫出凹模形口圖，如圖 6.2 所示。在圖中將 XOY 坐 標系建立在圖示對稱中心線上，將沖裁輪廓線按幾何圖形分解成 L1~L5共 3 組基本線 段 (注：由于圖中 3 個圓弧形孔均以一個點為圓心的等分列陣排列，所以其幾何圖形 為一組) ，用解析法求得該模具壓力中心的坐標。 圖 6.2 壓力中心圖 Fig. 6.2 The drawing of center of pressure 將數據帶入公式（3） ，故 X0=375×187.5+214×95.5+20×215+130×247.5+5×280+100×305+25×330/（375+2 14+20+130+5+100+25）=192.6 取整為 193，Y0=375×71.5+214×12.5+280×12.5/（375+214+280）=37.96 取整為 38。 6.5 模具工作部分尺寸及公差 沖裁件的尺寸精度取決于凸、凹模刃口部分的尺寸。沖裁的合理間隙也要靠凸、 凹模刃口部分的尺寸來實現和保證。正確地確定凸、凹模刃口部分尺寸是相當重要的。 確定凸、凹模刃口尺寸及制造公差時，需考慮下述原則。 1）落料件的尺寸取決于凹模尺寸，沖孔件的尺寸取決于凸模尺寸。因此，設計 落料模時，應先決定凹模尺寸，用減少凸模尺寸來保證合理間隙；設計沖孔模時，應 先決定凸模尺寸，用增大凹模尺寸來保證合理間隙。 2）考慮刃口的磨損對沖裁件尺寸的影響。凹模刃口磨損后尺寸變大，其刃口的 24 基本尺寸應接近或等于沖裁件的最小極限尺寸；凸模刃口磨損后尺寸減小，應取取接 近或等于沖裁件的最大極限尺寸，這樣，在凸、凹模磨損到一定程度的情況下，扔能 沖出合格的零件。 3）考慮沖裁件的精度與模具精度間的關系。在選擇模具制造公差時，既要保證 沖裁件的精度要求，又要保證有合理的間隙值。一般沖模精度較沖裁件精度高 2-3 級。 對于形狀復雜或厚度較薄的沖裁件，為了保證凸、凹模之間一定的間隙值，必須 采用配合加工。用該方法加工凸?；虬寄r，在圖紙上只需要標注作為基準件的凹模 或沖孔凸模的尺寸和公差，對于配制的落料凸?；驔_孔凹模只標注基本尺寸，并在圖 紙上注明要保證的間隙。這種加工方法的特點是模具間隙在配制中保證，因此不需要 校核 δp+δd≦Zmax-Zmin，加工基準件時可以適當放寬公差，使加工容易，且尺寸標 注簡單。 6.5.1 切斷凸模尺寸 凸凹模配合加工時，對工件的形狀進行分析后凹模尺寸全為 A 類尺寸則凹模尺寸 按照以下公式進行計算 Ad= ???25.0)(x （4） 式中 Ad—凹模刃口尺寸，mm A—工件基本尺寸，mm —工件公差，mm? X—磨損系數。 為保證沖出合格沖件。沖裁件精度 IT10 以上，X 取 1. 沖裁件精度 IT11~IT13,X 取 0.75. 沖裁件精度 IT14，X 取 0.5。由于本產品采用 IT14 級精度，所以 X 取 0.5. 由厚度與材料查表知：Z max =0.58，Z min =0.50。將數據代入公式（4） 經計算得 = =?0A15.0)62.4(???15.0693? = =.375.7 凸模尺寸按凹模尺寸配制，其雙面間隙為 Zmin —Zmax。 6.5.2 沖孔凸凹模尺寸 凸凹模配合加工時，對工件的形狀進行分析后凹模尺寸全為 B 類尺寸則凸模尺寸 按照以下公式進行計算 Bp= 025.)(???xB 25 （5） 式中 Ad—凹模刃口尺寸，mm A—工件基本尺寸，mm —工件公差，mm? X—磨損系數。 為保證沖出合格沖件。沖裁件精度 IT10 以上，X 取 1. 沖裁件精度 IT11~IT13,X 取 0.75. 沖裁件精度 IT14，X 取 0.5。由于本產品采用 IT14 級精度，所以 X 取 0.5. 由厚度與材料查表知：Z max =0.58，Z min =0.50。將數據代入公式（5） = =0??B013.)52.(???013.26? = =.0.0 = =0??13.).(?13.? = =B02.587??02.48 = = 0??13.0)6.(?13.06? = = 9. 9. 凹模尺寸按凸模尺寸配制，其雙面間隙為 Zmin —Zmax。 7 主要零部件設計 7.1 凹模的設計 H=ks，其中 k=0.3（按大孔 s=115mm） 。故，H=ks=0.3×115=34.5mm。 如壓力中心分析圖所示沖裁左側小孔和切斷工序都在同一凹模上進行，所以凹模 厚度應適當增加，取 H=40mm。 凹模板寬度 B=s+（2.5~4.0）H=375+100=475 （這里 s 為切斷刃口長） ，取整數 B=480mm。 凹模板長度 L=s1+s2=(60+12.5)+55=127.5,取整 L=120mm。 故凹模尺寸為 480mm×120mm×40mm 材料選用 T8A。 凹模的固定方法采用螺釘、銷釘直接固定在模座上。零件圖如下： 26 圖 7.1 凹模零件圖 Fig. 7.1 Drawing of concave die 7.2 凸模的設計 1）沖孔凸模： 沖孔凸模的結構圖如下： 圖 7.2 凸模零件圖 27 Fig. 7.2 Drawing of punching die 凸模結構基本類型采用整體式，凸模的基本結構形式為直通式兩類。 凸模的固定方式采用固定板固定，采用臺階固定，凸模材料選用 T8A。 凸模的長度凸模的尺寸根據凸模固定板尺寸 h1、卸料板尺寸 h2、材料厚度 h3 和 安裝橡膠高度 h。所以凸模的尺寸為： L=30+20+4+28=82mm. 2）落料凸模 長度：有關計算基本與沖孔凸模相同，材料也是選用 T8A。但由于是直接固定在 上模座上的，所以要加上墊板的厚度。 其零件圖如下： 圖 7.3 切斷凸模零件圖 Fig. 7.3 Drawing of Convex die of cutting 3）凸模的校核： 沖孔力最大且孔的面積又比落料的面積小，故只需要對最小凸模進行強度和剛度 校核。 a）強度校核 參照資料《冷沖壓模具設計與制造》P46 中公式 2.26 進行計算的最小刃口承受的 28 壓應力 σc=F/S=889×1000/22×85=475(MPa)遠小于許用應力[σc]（普通沖裁，模具 鋼的許用應力可以取[σc]=1000~1600MPa。 b）剛度校核 參照資料《冷沖壓模具設計與制造》P46 中公式 2.32 進行計算。 計算得出其壓桿失穩(wěn)臨界載荷 F=π2EJ/（μlmax） 2=3.142×2.1×105×20×823/12(0.7×82) 2=5.77×105KN 遠大于 F 總=1798.6KN 。 經計算凸模強度和剛度符合要求。 7.3 凸模固定板的設計 H 固=（0.8~0.9 ）H 凹=27.6~31mm， （H 凹按安全厚度 34.5mm 計算） ，取整數 H 固=30mm。材料選用 45 鋼。其零件圖如下： 圖 7.4 凸模固定板零件圖 Fig. 7.4 Drawing of fixed plate of punching die 7.4 墊板的設計 是否采用墊板是通過計算判斷模座是否能夠承受承壓面較小的凸模的壓力。沖小 矩形孔的凸模承壓面的尺寸如圖小矩形凸模： 29 圖 7.5 凸模零件圖 Fig. 7.5 Drawing of punching die 其承壓力計算如下： =F/A=（22+85）×2×4×450/（8×22）MPa=205.99 ? MPa，查閱有關資料得鑄鐵 為 90~140 MPa，所以需要采用墊板，材料選用 45 鋼。 其厚度取 8mm。 7.5 卸料橡膠的計算 工件材料厚度為 4mm，沖裁時凸模進入凹模深度取 1mm，考慮模具維修時預留 2mm 的刃磨量，再考慮開啟時卸料板高出凸模 1mm，則總的工作行程 H1=8mm。? 橡膠自由高度為 Ho= H1/（0.25~0.30 ）=27~32mm，取自由度為 32mm。? 模具裝配時橡膠的預壓量 Ho=（0.10~0.15 ）Ho=3.2~4.8mm，取預壓量為 32mm。 所以，模具中安裝橡膠的空間高度尺寸為 28mm。 8 設計并繪制模具總裝圖及選取標準件 8.1 模具總體設計及壓力機的選型 根據上面的計算數據及確定的工藝方案，對模具進行總體設計如下圖所示： 30 圖 8.1 總體示意圖 Fig. 8.1 Schematic diagram of the overall 該模具為采用手工送料的級進模，切斷凸模面積較大可直接用螺釘與圓柱銷固定， 沖孔凸模則由固定板固定，凹?？芍苯佑寐葆斉c圓柱銷固定。切斷凸模的外側須有擋 塊以克服側壓力，擋塊同時起定位作用。另外，橫向的定位可在凹模上增設一個定位 銷。卸料裝置采用彈性的，導向裝置采用導柱導套。 從圖中可初步計算出模具的閉合高度為： H=（65+8+65+40+82）mm=260mm 根據凹模的外形尺寸，確定下模座的外形尺寸為 610mm×310mm。 根據模具總壓力 1798.6KN、閉合高度為 261mm、外輪廓尺寸為 610mm×310mm 等 參數，可選用閉式單點壓力機，J31-250 公稱壓力 2500KN。該壓力機的主要技術規(guī)格 為： 最大沖壓力： 2500KN 滑塊行程： 315mm 31 公稱壓力行程： 10.4mm 最大閉合高度： 490mm 工作臺尺寸： 950mm×1000mm 滑塊底面尺寸： 850mm×850mm 因此，該設備滿足模具的沖壓力、閉合高度、外形輪廓尺寸等要求。 8.2 模具裝配圖 模具總裝配圖是裝配、安裝及拆繪模具零件圖的依據，能更清楚的表達模具的主 要結構形狀、工作原理、各零件之間的裝配關系及固定連接方式。模具視圖一般為主 視圖和俯視圖兩個，主視圖應標明模具的閉合高度，裝配圖的右上角畫出三維示意圖， 還應有標題欄、明細表等。 由以上設計得到下圖的模具裝配圖。模具上模部分主要由模柄、上模座、墊板、 凸模、凸模固定板、墊板、卸料橡膠、卸料板等組成。條料從右方送進，第一工位為 沖孔，第二工位為落料，下模部分由下模座、凹模、凹模墊板等組成，有排廢料斜口。 模具總裝配圖二維圖如下圖所示： 圖 8.2 裝配圖 Fig. 8.2 Assembling drawing 32 9 結論 通過本次畢業(yè)設計，使我能夠真正的鞏固所學的專業(yè)知識。在這次畢業(yè)設計中， 我運用到了許多繪圖和分析軟件，在此基礎上掌握了運用專業(yè)軟件解決實際問題的能 力。本課題的研究涉及了一些二維和三維的軟件的應用，如 AUTO CAD，PRO/E 等。這 使我運用這些軟件的能力得到了提升。同時本次畢業(yè)設計還涉及到沖孔模的相關知識。 因此通過本次學習對我進一步鞏固所學知識及靈活應用所學知識來解決實際問題有著 深遠的意義。 另外，通過本次畢業(yè)設計，使我掌握了寫論文的一般步驟及方法。同時也提高了 我如何快速而有效的查閱相關信息的方法，不僅鍛煉了我在遇到困難時冷靜分析、獨 立思考及解決問題的能力，而且培養(yǎng)了我和同學相互討論，相互學習的習慣。在今后 的工作中，我應該保持嚴謹的態(tài)度去學習，去工作，爭取成為一名優(yōu)秀的設計人員， 為機械行業(yè)的發(fā)展貢獻自己的一份力量。 參考文獻 [1]王秀鳳，張永春.冷沖壓模具設計與制造（第二版）[M].北京航空航天大學出版社,2010. 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