冲孔切边冲压成型工艺及模具设计说明书

1绪论

目前，我国冲压技术与工业发达国家相比还相当的落后，主要原因是我国在冲压基础理论及成形工艺、模具标准化、模具设计、模具制造工艺及设备等方面与工业发达的国家尚有相当大的差距，导致我国模具在寿命、效率、加工精度、生产周期等方面与工业发达国家的模具相比差距相当大。

1.1国内模具的现状和发展趋势

1.1.1国内模具的现状

我国模具近年来发展很快，据不完全统计，2003年我国模具生产厂点约有2万多家，从业人员约50多万人，2004年模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2004年模具产值530亿元。进口模具18.13亿美元，出口模具 4.91亿美元，分别比2003年增长18%、32.4%和45.9%。进出口之比2004年为 3.69:1，进出口相抵后的进净口达13.2亿美元，为净进口量较大的国家。

在2万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。在模具企业中，产值过亿元的模具企业只有20多家，中型企业几十家，其余都是小型企业。近年来，模具行业结构调整和体制改革步伐加快，主要表现为：大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于一般模具产品；专业模具厂数量增加，能力提高较快；"三资"及私营企业发展迅速；国企股份制改造步伐加快等。

虽然说我国模具业发展迅速，但远远不能适应国民经济发展的需要。我国尚存在以下几方面的不足:

第一，体制不顺，基础薄弱。“三资”企业虽然已经对中国模具工业的发展起了积极的推动作用，私营企业近年来发展较快，国企改革也在进行之中，但总体来看，体制和机制尚不适应市场经济，再加上国内模具工业基础薄弱，因此，行业发展还不尽如人意，特别是总体水平和高新技术方面。

第二，开发能力较差，经济效益欠佳.我国模具企业技术人员比例低，水平较低，且不重视产品开发，在市场中经常处于被动地位。我国每个模具职工平均年创造产值约合1万美元，国外模具工业发达国家大多是15～20万美元，有的高达25～30万美元，与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理，真正实现现代化企业管理的企业较少。

第三，工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低．虽然国内许多企业采用了先进的加工设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控化率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多。由于体制和资金等原因，引进设备不配套，设备与附配件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较好解决。装备水平低，带来中国模具企业钳工比例过高等问题。

第四，专业化、标准化、商品化的程度低、协作差．由于长期以来受“大而全”“小而全”影响，许多模具企业观念落后，模具企业专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。目前国内每年生产的模具，商品模具只占45%左右，其馀为自产自用。模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务，与国际水平相比要落后许多。模具标准化水平低，标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，对模具制造周期影响尤甚。

第五，模具材料及模具相关技术落后．模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢相比，无论是质量还是品种规格，都有较大差距。塑料、板材、设备等性能差，也直接影响模具水平的提高。

1.1.2 国内模具的发展趋势

巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。虽然我国的模具工业和技术在过去的十多年得到了快速发展，但与国外工业发达国家相比仍存在较大差距，尚不能完全满足国民经济高速发展的需求。未来的十年，中国模具工业和技术的主要发展方向包括以下几方面:

1）模具日趋大型化；

2）在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术；

3）模具扫描及数字化系统；

4）在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术；

5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率；

6）发展优质模具材料和先进的表面处理技术；

7）模具的精度将越来越高；

8）模具研磨抛光将自动化、智能化；

9）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；

10）开发新的成形工艺和模具。

1.2 国外模具的现状和发展趋势

模具是工业生产关键的工艺装备，在电子、建材、汽车、电机、电器、仪器仪表、家电和通讯器材等产品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。用模具生产制作表现出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清洁环保的特性，是其他加工制造方法所无法替代的。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。近几年，全球模具市场呈现供不应求的局面，世界模具市场年交易总额为600～650亿美元左右。美国、日本、法国、瑞士等国家年出口模具量约占本国模具年总产值的三分之一。

国外模具总量中,大型、精密、复杂、长寿命模具的比例占到50%以上；国外模具企业的组织形式是"大而专"、"大而精"。2004年中国模协在德国访问时，从德国工、模具行业组织--德国机械制造商联合会（VDMA）工模具协会了解到，德国有模具企业约5000家。2003年德国模具产值达48亿欧元。其中（VDMA）会员模具企业有90家，这90家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的90%，可见其规模效益。

随着时代的进步和技术的发展，国外的一些掌握和能运用新技术的人才如模具结构设计、模具工艺设计、高级钳工及企业管理人才，他们

的技术水平比较高．故人均产值也较高．我国每个职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右，而国外模具工业发达国家大多15～20万美元，有的达到 25～30万美元。

国外先进国家模具标准件使用覆盖率达70%以上，而我国才达到45％．

2 U形件工艺性分析

名称：凸圆U形件

材料：08钢

厚度：1mm

生产批量：大批

图1工件图

2.1冲压零件的工艺性分析

图示零件材料为08号钢板，能够进行一般的冲压加工，市场上也容易得到这种材料，价格适中。

外形切边的工艺性：U形件属于中等尺寸零件，料厚1mm，外形复杂程度一般，尺寸精度要求一般，因此可采用落料工艺获得。

冲孔的工艺性：φ14的孔，尺寸精度要求一般，可采用冲孔。

此工件只有外形切边和冲孔两个工序。图示零件尺寸均为未注公差的一般尺寸，按惯例取IT14级，符合一般级进冲压的经济精度要求，模具精度取IT9级即可。

由以上分析可知，图示零件具有比较好的冲压工艺性，适合冲压生产。

2.2冲压工艺方案的选择

根据制件的形状分析其冲压工艺方案可以采用以下三种方案：

第一：先切边，后冲孔。

第二：先冲孔，后切边。

第三：同时进行切边，冲孔。

方案对比：方案一与方案二的设计增加了一套模具，同时制件的精度不高，并且成本也大大增加。方案三不仅一副模具可以完成，也提高了制件的精度，同时也大大降低了制造模具的成本。

综合以上分析，采用第三种方案进行冲压生产。

3模具结构形式的选择与确定

3.1模具结构形式的选择

1）正倒装结构：根据上述分析，本零件的冲压包括切边和落料两个工序，由于制件的形状要求，采用正装结构，即冲孔凹模和落料凹模都安排在下模。

2）定位装置：本工件在复合模中尺寸是较小的，又是大批量生产，制件的精度要求不是太高，又由于制件的特殊性，只须凸凹模与冲孔凸模同时定位就符合要求了。

3）导向方式：为确保零件的质量及稳定性，选用导柱、导套导向。由于已经采用了手工送料方式，为了提高开敞性和导向均匀性，采用对角导柱模架。

4）卸料方式：本模具采用正装结构，冲孔废料和工件留在凹模孔洞中，为了简化模具结构，可以在下模座中开有通槽，使废料和工件从孔洞中落下。工件厚度为 1 mm，料厚比较薄，为了简化模具结构和达到可靠的卸料力，选用打料快卸料和废料切刀。

3.2冲压力与压力中心的计算，初选压力机

3.2.1冲裁工序总力的计算

由工件结构和前面所定的冲压方案可知，本工件的冲裁力包括以下部分。

冲φ35mm孔的力P

1、冲φ14mm孔的力P

2

，

考虑到模具刃部被磨损、凸凹模间隙不均匀和波动、材料力学性能及材料厚度偏差等因素的影响，实际计算冲裁力时按下面公式：

P=KLtτ

式中 P—冲裁力（kN）

L—冲裁件剪切周边长度（mm）

t—冲裁件材料厚度（mm）

τ—被冲材料的抗剪强度(MPa)

K—系数，一般取 1.3。

上式中抗剪强度τ与材料种类和坯料的原始状态有关，可在手册中

查询。为方便计算，可取材料的τ=0.8σ

b

,故冲裁力表达式又可表示为：

P=1.3Ltτ≈Ltσ

b

式中σ

b —被冲材料抗拉强度(MPa)。查手册表得10钢的σ

b

=335MPa

P

1

=2×17..5π×1×335=41.76kN

P

2

=2π×7×2.2×335=16.7kN

工序总力P

总=P

1

+P

2

=41.76+16.76=58.52kN

3.2.2初选压力机

（1）压力机类型的选定。其依据是所要完成工序的工艺性质，批量大小，工件的几何尺寸和精度。通用压力机适合完成冲裁，弯曲，浅拉深等工艺。对于大型，较复杂的拉深件多采用拉深压力机。对于批量小，厚板冲压或工艺力的施力行程较大者多采用液压机。对于精度要求不大高的中小型冲压机，尽量选用开式压力机。这是因为开式压力机具有三面敞开的操纵空间，使用方便，容易实现机械化，成本低。

1.制品工序性质

2.生产纲领

3.工件几何尺寸

4.制件精度

5.工厂条件

由以上可知，该模具选用开式压力机。

（2）压力机吨位的选定。对于一般的冲孔，落料和压印工艺，工作行程较短，不会出现标称压力行程和许用能量不足的问题，在选用压力

机吨位时，可以只考虑标称压力的选择。在实际工作中，从模具寿命，加工精度，压力机疲劳强度，维修等方面考虑，通常所选用压力机的标称压力不小于总工艺力的 1.25—1.35倍。可选的压力机为及可以满足压力的要求：J23—3.15具体的参数如下表：

表1 压力机的参数表

J23—10压力机参数表

（3）最大装模高度的选择

所选用压力机的最大装模高度应大于冲模的闭合高度，一般至少要大于5mm 。由于希望以缩短的连杆工作，并考虑到以后模具的修模会使模具高度减少，可以选择最大装模高度模具闭合高度相近的压力机。如果压力机装模高度过高，当然可以在压力机工作台面上加垫板。

3.2.3压力中心的计算

模具的压力中心就是冲压力合力的作用点。为了保证压力机和模具的正常工作，应使模具的压力中心与压力机的中心滑块中心线重合。否则，冲压时滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨与模具的导向部分不正常的磨损，还会使合理的间隙得不着保证，从而影响制件的质量和降低模具的寿命，甚至损坏模具。

由于此工件为中心对称的圆形工件，所以压力中心与工件的中心重合。

4 模具工作零件的计算

图示零件尺寸均为未注公差的一般尺寸，按惯例取IT14级，符合

一般级进冲压的经济精度要求，模具精度取IT9级即可。查有关手册得：

00.4300

0.6200.430.5235,14,16,22.φφφ+---

冲孔时，间隙取在凹模上，则： 凸模尺寸

d a p =（d+x △）-δp 0 凹模尺寸

d d =(d+x △+Z m i n )0+δ

式中 D d D p ——落料凹模和凸模的刃口尺寸，mm d p d d ——冲孔凹模和凸模的刃口尺寸，mm

x ——磨损系数，由手册﹝1﹞查表2-30得：IT14级时x=0.5。 Z m i n ——双面间隙，mm △——工件公差，mm

δ——凸模和凹模的制造公差，mm

落料时，间隙取在凹模上，则：

凸模尺寸

0()d

d D D x δ+=-?

凹模尺寸

min ()p

p d d D Z δ-=- 式中 D d D p ——落料凹模和凸模的刃口尺寸，mm d p d d ——冲孔凹模和凸模的刃口尺寸，mm

x ——磨损系数，由手册﹝1﹞查表2-30得：IT14级时x=0.5。 Z m i n ——双面间隙，mm △——工件公差，mm

δ——凸模和凹模的制造公差，mm

查冲裁模初始双面间隙值为7.0—10.0mm,

min max max min 2(7.02/100)0.282(10.02/100)0.40.40.280.12Z mm mm Z mm mm Z Z mm

=?==?=-=-= 落料：0.020,0.030d p δδ=-=+

max min 0.0200.0300.0500.12d p Z Z δδ+=+=<-=符合要求。

0.0300.030

000

min 0.020

0.020

()(350.50.62)34.69()(34.690.28)

34.41

d p d p d D D x d D Z δδ+++---=-?=-?==-=-=

冲孔：，0.020,0.020p d δδ=-=+

max min 0.0200.0200.0400.12d p Z Z δδ+=+=<-=

000

0.0200.020

0.0200.020min 0

()(140.50.43)14.23()(14.230.28)

14.50

p d

p d p d D x D d Z

δδ---+++=+?=+?==+=+=

5 模具工作零件的设计

5.1 凸模设计

冲圆孔的凸模，为了增加凸模的强度与刚度，凸模非工作部分直径应作成逐渐增大的多级形式如图6所示：

图 2 冲孔凸模的结构形式

凸模长度一般是根据结构上的需要而确定的，其凸模长度用下列公式计算：

L=h

1+h

2

+h

3

+h

式中 L—凸模长度， mm

h

1

—凸模固定板高度，mm

h

2

—工件高度，mm

h

3

—导尺高度，mm

h—附加高度，一般取15~20mm

①冲裁φ14mm孔凸模、凹模各尺寸及其组件确定和标准化（包括外

形尺寸和厚度）

凸模长度 L=25+26+22+1=74mm

由小凸模刃口d=14.23mm 查手册﹝2﹞表2.54可知 h=3mm, D=21mm, L=74

凸模强度校核：要使凸模正常工作，必须使凸模最小断面的压应力不超过凸模材料的许用压应力，即

对于圆形凸模 d m i n ≥

]

[4στ

t 式中 d m i n —圆形凸模最小截面直径，mm t —冲裁材料厚度，mm τ—冲裁材料的抗剪强度，MPa

[]σ—凸模材料许用强度，取（1.0~1.6）×103MPa d m i n ≥

][4στt =3

100.1335

14???=1.34mm 所以承压能力足够。 抗纵向弯曲力校核 对于圆形凸模（有导向装置） Ｌｍａｘ≤270d 2/F 式中 Lmax ——允许的凸模最大自由长度，mm

F ——冲模力,N

ｄ——凸模最小截面的直径，mm

Lmax≤270d 2/F =270×14.232/7.16=66.5mm 所以长度适宜。

凸模固定端面的压力 q =

A

F

<[]σ 式中 q —凸模固定端面的压力，MPa F —落料或冲孔的冲裁力，N

[]σ—模座材料许用压应力，MPa

q =

9510

7.

163

?

=175.79MPa

凸模固定板端面压力超过了80～90ＭＰa，为此应在凸模顶端与模座之间加一个淬硬的垫板。矩形垫板材料可用45钢，结构形式和尺寸规格见手册﹝２﹞表15.60，查得125×100×8

5.2 凹模的设计

整体式凹模如图7装于上模座上，若凹模高度H及模壁厚度C不足时，会使凹模产生较大变形，甚至破坏。但由于凹模受力复杂，凹模高度可按经验公式计算，即

凹模高度H=KB

凹模壁厚C=(1.5~2)H

式中B----凹模孔的最大宽度，mm但B不小于15mm

C-----凹模壁厚，mm 指刃口至凹模外形边缘的距离；

K=系数，取0.20

凹模高度H=KB=0.20×34.69=6.94mm 按表取标准值25mm

凹模壁厚C=1.5H = 1.2×25=30mm

图（3）整体式凹模的局部结构

凹模上螺孔到凹模外缘的距离一般取（1.7~2.0）d。

图（4）凹模上的螺孔设计与选用

d 为螺孔的距离，由于凹模厚度为25mm，所以根据表 2.46﹝2﹞查得螺孔选用4×M8的螺钉固定在上模座。故选用如图8：

=1.5d=1.5×8=12mm

螺孔到凹模外缘的最小距离a

2

=1.13d≈9mm

a

3

凹模上螺孔间距由表 2.47查得最小间距为40mm，最大间距为90mm。

螺孔到销孔的距离一般取b>2d,所以b应大于１６。

根据上述方法确定凹模外形尺寸须选用矩形凹模板125×100×25（JB/T7643.1）如图：

图（5）凹模外形

落料凹模的长度选取要考虑以下因素：

a)保证有足够的安装刚性卸料板的位置。

b)便于导尺发挥作用，保证送料粗定位精度。

选取凹模边界为125mm×100mm。凹模材料选用Cr12制造，热处理硬度为58～62HRC。

由于采用整体式凹模，所以由外形落料凹模确定其凹模板厚度，其

凹模刃口高度由表 2.40查得h=6mm，β=20

5.3 凸凹模的设计

冲孔，落料复合模、凹模各尺寸及其组件确定和标准化（包括外形尺寸和厚度）

凸凹模长度 L=27+10+1.50=38

由凸模刃口d=34.69mm查得D=45mm, h=7.5mm,L=38mm。

123134.69,16,14.51,22,7.5,9,38.d mm d mm d mm d mm h mm h mm L mm =======

图（6）凸凹模

凸凹模固定板端面压力超过了80～90ＭＰa ，为此应在凸模顶端与模座之间加一个淬硬的垫板。矩形垫板材料可用45钢，结构形式和尺寸规格见手册﹝２﹞表15.60，查得125×100×8

6模具标准件和零件的选取

6.1模具标准件

模架125100160190/2851.5JB T ??-- 垫板125100845/7643.3JB T ??-钢

凸模固定板1251002545/4643.2JB T ??-钢

凸凹模固定板1251002845/4643.2JB T ??-钢

上模座12510035/2855.9JB T ?? 下模座12510045/2855.10JB T ?? 导柱226120/2861.1A h GB T ? 导柱256120/2861.1A h GB T ? 导套2567028/2861.1A h GB T ?? 导套2267028/2861.1A h GB T ?? 6.2标准件

固定螺钉578286860GB M -?

固定螺钉578286880GB M -?

固定螺钉578286830GB M -? 6.3模柄

1345120,67,44,9,15,58,18,9.

d mm d mm d mm d mm d mm L mm L mm H mm ======== 图（7）模柄