毕业设计——齿形冲压模具设计与工艺分析

齿形冲压模具设计与工艺分析
【摘要】
本设计主要进行了冲孔、落料模的工艺分析与设计。

对产品进行了详细工艺分析和工艺方案的确定。

依据冲压模具设计的一般步骤，计算并设计了本套模具上主要的零部件，例如：凸模、凹模、凸凹模、凸模固定板、垫板、凹模固定板、卸料板等。

模架选用了标准模架，选用了合适的冲压设备。

本设计对工作零件和压力机规格都进行了必要的校核计算。

【关键词】：冲压模具；工艺计算；冲压设备；校核；冲孔；落料
目录
引言 1
一、冲裁件的结构工艺性分析 2
（一）零件分析 2
（二）材料分析 2
（三）尺寸精度 3
（四）冲压工序 3
二、冲压工艺设计 3
（一）冲裁工艺方案的确定 3
（二）冲裁工艺方案的选择 4
三、冲孔落料模的工艺设计 5
（一）冲裁间隙 5
（二)凸、凹模刃口尺寸的确定 6
(三）排样 7
（四）冲压力的计算 9
（五）压力中心的计算 9
（六）冲孔落料模主要零部件的结构设计 10 四、冲孔冲齿模的工艺设计 17
（一）冲裁间隙 17
（二）凸凹模刃口尺寸的确定 17
（三）冲压力的计算 17
（四）压力中心的计算 18
（五）冲孔冲齿模主要零部件设计 18
总结 24
致谢 25
参考文献 25
引言
一转眼就到了每一个毕业生的最后一课——毕业论文设计，这是每一个毕业生必需要完成的任务。

作为苏州工业职业技术学院的毕业生，到工厂去实地实习是非常有必要的。

毕业实习使学生能够直接参与生产加工，进一步了解产品的实际生产流程，并通过撰写模具设计专业论文，学生学习知识的综合应用，提高应用专业知识的能力，在实践中接受教育，锻炼解决生产中的实际问题的能力。

本次设计以冲压模具为中心，综合了成型工艺分析，模具结构设计和模具总的装配等一系列模具生产制造的全部过程。

在设计该模具的同时总结了以往模具设计的基本步骤，如模具设计中常用的公式、数据、模具结构及零部件。

把以前学过的各种知识综合应用到本次设计当中来，所谓学以致用。

由于实际经验和理论技术有限，设计的不足之处在所难免，恳求老师批评指正。

一、冲裁件的结构工艺性分析
图1-1
图1-2
（一）零件分析
从上面图1-1、图1-2可以看出这个零件结构简单，上下、左右对称，外形轮廓主要是由圆和圆弧组成的，最小的圆角为R1，该冲裁件厚度为1mm，而且零件几乎没有什么尖角，因此该零件的外形比较适合冲裁模具的加工。

生产：大批量生产；厚度：1mm
（二）材料分析
本零件的材料为2 0钢，强度、硬度都不是很高，适合冲裁出要求较高的零件。

表1-1 20钢力学性能表
（三）尺寸精度
零件图上的外形尺寸除了已经标注的，其余的尺寸要求都按照IT13级进行加工，尺寸精度要求较低，一般冲裁基本能满足要求。

经查表图中零件各个外形尺寸分别为
Φ132±0.5Φ3600.39Φ10±0.05 R100.14 Φ49.100.39
表1-2 标准公差数值表
（四）冲压工序
根据图纸可以知道零件为片状，零件的外形轮廓采用落料形式加工，内部齿形和小孔形状采用冲孔形式加工。

二、冲压工艺设计
（一）冲裁工艺方案的确定
分析冲裁工艺和技术成本等因素，再根据冲裁件的特点，确定工艺方案。

工艺方案采用落料与冲孔孔相结合的方式。

（二）冲裁工艺方案的选择
方案一：采用先落料，再冲孔，最后再冲齿冲孔，加工形式为单工序模加工，需要三套模具。

方案二：采用先冲孔，再冲齿冲孔，最后再进行落料，加工形式为级进模生产，需要三套模具。

方案三：采用先落料冲中间大孔孔，再冲一周小孔和中间齿形孔，加工形式为复合模加单工序模，需要两套模具。

冲裁种类如下图2-1所示
图2-1 三种冲裁种类的定义
复合模具的主要特点是生产效率高，零件的中间孔与外圆的相对位置精度比较高，板料的定位比级进模相对简单且精度要求较低，还有就是模具整体尺寸相对较小。

由于零件的生产是大批量生产，零件的尺寸稍大而且结构稍复杂，制造难度有点大，所以为提高生产率，保证精度。

根据上述方案进行分析、比较，决定采用方案三。

其中复合模又分为正装式和倒装式。

两种方式的优缺点和适用范围如下：
正装式复合模的冲裁件的平整度相对较好，废料也不易在凸凹模内积聚，压力机回程时，废料通过打杆从凸凹模内推出，更适合冲裁一些比较薄的板料，以及壁厚较小、强度较差的凸凹模，但结构复杂，退料过程会影响操作。

倒装式复合模与正装式复合模最明显的区别是凸凹模安装在模具的下模，而落料凹模和冲孔凸模安装在模具的上模，模具整体结构比较简单，加工相对容易，缺点就是不冲孔边距离较小的冲裁件。

通过对零件的结构、尺寸精度要求和经济成本综合分析决定采用倒装复合模。

三、冲孔落料模的工艺设计
（一）冲裁间隙
图3-1
选取合理的冲裁间隙是我们设计一套模具所必须考虑的，因为它是冲裁件的截断面质量、工作尺寸精度能够满足产品要求的有力保障。

如果所需的冲裁力越小，那么模具寿命越高。

如果只是单纯的分别从质量、冲裁力、模具寿命等各个方面计算并确定出来的合理间隙可能并不是同一个数值，它们可能只是彼此相近而已。

因为在制造的过程中难免会有偏差或者使用过程中模具会有磨损。

一般情况下，我们在生产过程中通常只选取一个相对合适的范围作为合理间隙，只要我们加工制作的间隙在这个范围之内，正常情况下就能够冲出良好的制件，Cmin是这个范围的最小值，Cmax是这个范围的最大值。

结合实际，因为模具在使用过程中肯定会有磨损等因素的影响，从而会造成间隙值的增大的情况，所以我们设计和制造新的模具的时候最好采用最小合理间隙Cmin。

其实，冲裁间隙影响的方面还有很多。

比如模具的使用寿命、冲压力和零件的尺寸精度等等。

在冲压加工过程中，因为凸模与零件的孔之间，凹模与零件的落料之间都存在摩擦力。

如果冲裁间隙过小，那么模具与零件的摩擦力肯定会更大，需要的冲压力肯定也会更大，进而影响到模具的寿命。

如果冲裁间隙过大，模具是可以提高寿命，但零件的精度就没法保证了。

所以，冲裁间隙是我们在模具设计中需要用到的一个十分重要的参数。

表3-1 冲裁模初始双面间隙Z
冲裁间隙其实就是指模具中凸、凹模刃口之间的间隙。

冲裁间隙的数值等于凸、凹模刃口尺寸的差值。

即 Z=DA-DT
根据上表查得20钢的最小双间隙2Cmin=0.10mm
最大双间隙2Cmax=0.14mm
（二)凸、凹模刃口尺寸的确定
保证冲裁件尺寸精度还有一个重要因素，就是凸、凹模刃口尺寸及公差。

凸、凹模刃口尺寸及其公差也是确定模具的合理间隙值的一个重要数据。

所以，能否计算确定出凸、凹模刃口尺寸及其公差，在模具设计中也是一项十分重要的任务。

模具的加工方法其实也分为很多种，凸模与凹模的刃口部分尺寸的计算方法与制造公差的标注也不同，一般情况下刃口尺寸的计算方法可以分为以下两种情况。

分别是凸模与凹模分开加工的方法和凸模与凹模配合加工的方法两种。

就本零件来说，选用凸模与凹模配合加工方法是最合适的。

在计算形状稍微复杂的凸凹模工作部分的尺寸时，我们会发现凸模和凹模磨损后，在其中一个凸模或凹模上会同时存在三种全然不同磨损结果的尺寸，这时需要区别认真对待。

尺寸磨损变化如下图3-2所示：
图3-2 尺寸磨损变化
零件外形轮廓采用落料加工，落料时应以凹模为基准来配作凸模。

查教材《冲压模具及设备》表4-14得
对于尺寸为132的x=0.5
落料凹模的计算尺寸如下
D凹=（Dmax-xΔ）0+Δ/4=（132.5-0.5×1）0+1/4=1320+0.25
查表得Zmin=0.100 Zmax=0.140,故落料凸模的刃口尺寸按凹模实际刃口尺寸配作制作，保证双面间隙值在0.1～0.14mm之间。

中间圆孔采用冲孔，冲孔时应以凸模为基准来配作凹模。

查《冲压模具及设备》表4-14得
对于尺寸为36的x=0.5
冲孔凸模的计算尺寸如下
D凸=（Dmin+xΔ）0-Δ/4=（36+0.5×0.39）0-Δ/4=36.1950-0.0975
查表得Zmin=0.100 Zmax=0.140,故冲孔凹模刃口尺寸按凸模的实际刃口尺寸配作，保证双面间隙值在0.1～0.14mm之间。

(三）排样
1.搭边值的确定
搭边就是排样时冲件与冲件之间以及与冲件与条料边缘之间留下的工艺余料。

补偿定位误差和送料误差是搭边的主要作用。

我们可以让条料保持一定的刚度，这样更容易实现送料的方便和保证零件的质量。

如果搭边过大，会造成材料浪费，增加成本。

如果搭边过小，冲裁时会导致零件容易弯曲或者被拉断，不仅会让冲件毛刺变大变多，有时还会拉入凸、凹模间隙中从而损坏模具刃口，降低模具寿命，进而有可能会影响到送料工作。

表3-2 最小搭边值
因为该零件是圆形零件，根据尺寸可以从上表中查出：两工件之间的搭边值a1=0.8mm，侧边搭边值a=1mm。

2.条料宽度的确定
确定条料的尺寸当然还要计算条料的宽度
条料宽度的计算有几种情况需要考虑，如下图3-3所示：
图3-3 计算条料宽度的三种情况
结合实际，本套模具适合采用无侧压装置。

条料宽度公式 B0-Δ=（Dmax+2a）0-Δ
Dmax——条料宽度方向冲件的最大尺寸
a——侧搭边值查教材《冲压模具及设备》表4-18
Δ——条料宽度的单向偏差查教材《冲压模具及设备》表4-19
B=（132.5+2×1）0-0.7 =134.50-0.7
3.排样
冲裁件在板料、带料或条料上的布置方法称为排样。

降低材料消耗、提高产品生产效率和提高材料利用率是排样的主要意义所在。

排样的合不合理将直接影响到材料的利用率、零件精度、产品生产效率和模具寿命等方
面。

排样的方法有分为直、斜排、直对和混合排等方法，要根据零件的形状、厚度、材料等方面全面考虑。

排样有无废料三种方案如下图3-4所示：
图3-4 有无废料的排样方案
由于本设计的工件是圆形工件，所以不可能无废料排样，故采用有废料排样。

4.材料利用率
材料利用率通常以一个步距内冲件的实际面积与所用毛坯面积的百分比η来表示：
η=(A/Bs)×%100
η—材料利用率（%）；
A—一个步距内冲裁件的实际面积(mm2 )；
B—板料宽度(mm)；
S—步距。

η值越大，说明废料越少，材料利用率就越高。

η=(A/Bs)×%100=（3.14×662 /134.9×133.5）×%100≈76％
（四）冲压力的计算
在冲裁过程中，冲压力是指冲裁力、卸料力、推件力和顶件力的总和。

冲压力的大小是选择合适的压力机、设计冲裁模和校核模具强度的重要依据。

冲裁力
F p=KLtτ
L——冲件周边长度mm
T——材料厚度mm
τ——材料抗剪强度MPa
K——考虑模具间隙的大小不一、刃口的磨损情况不同、材料的力学性能与厚度的波动等因素而引入的修正系数，一般取K=1.3
Fp=KLtτ=1.3×（132×3.14+36×3.14）×1×300≈206.345×103N
卸料力
Fx=KxFp
顶件力
Fd=KdFp
查教材《冲压模具及设备》表4-22取Kx=0.045，Kd=0.06
Fx=0.045×206.345×103N≈9.29×103N
Fd=0.06×206.345×103N≈12.38×103N
所以总冲压力=冲裁力+卸料力+顶件力
F总=Fp+Fx+Fd=206.345×103N+9.29×103N+12.38×103N=228.012×103N
（五）压力中心的计算
压力中心是指冲压力中所有合力的中心点。

为确保压力机和模具的正常工作，其中一个重要因素就是模具的压力中心与压力机滑块的中心是否在同一点，如果不是，会使模具和压力机的滑块产生严重不同心载荷，使滑块和导轨之间产生超负荷的摩擦，模具导向零件会加速磨损，从而降低模具和压力机的使用寿命。

由于本套模具加工的零件结构简单且上下左右对称，其压力中心位于冲件轮廓图形的几何中心即零件的圆心处。

（六）冲孔落料模主要零部件的结构设计
1.冲孔凸模的结构设计
其零件图如下图3-5所示
图3-5
材料为Cr12MoV(高碳高铬冷作模具钢)
表3-3 Cr12MoV的各成分含量
这套模具中凸模采用圆形凸模，安装部分与固定板按H7/m6配合。

凸模的实际长度应根据冲模的具体结构确定,应留有修改余量,并且模具在闭合状态下,卸料板与凸模固定板间应留有一定的的安全距离以保证不能压到手。

所以凸模的长度应为75mm。

2.落料凹模的结构设计
其零件图如下图3-6所示
图3-6
材料为Cr12MoV(高碳高铬冷作模具钢)
其刃口孔型见上图
其刃口孔型的特点是: 优点是刃口强度较好, 刃口尺寸不会随修磨刃口而增大,
缺点是容易堆积废料,孔壁磨损和压力比较大,修磨时刃口磨去的尺寸较多，大批量生产时需要经常更换。

凹模的厚度
H=K1×K2（0.1F）1／3
F——冲裁力
K1——凹模材料的修正系数，K1=1.3
K2——凹模刃口周边长度修正系数，查教材表4-30得K2=1.25 H=K1×K2（0.1F）1／3=38
所以H取45
根据实际安装需要，凹模尺寸为200×200×45
3.凸凹模的结构设计
其零件图如下图3-7、图3-8所示
图3-7
图3-8
凸凹模是复合模中的主要工作与成形部位，工作平面的内外部分都是刃口，一般里面的部分与凹模刃口结构形式相同，外面的部分与凸模刃口结构形式相同。

冲孔凹模与落料凸模尺寸按冲孔凸模与落料凹模实际尺寸配作，保证双面间隙0.5
厚度=顶料板的厚度+弹簧预压的厚度+零件的厚度+安全距
根据实际需要厚度取45
4.卸料与顶料装置设计
卸料板
这套模具采用弹性卸料装置，采用弹簧来卸料，卸料力为9290N。

卸料版按落料凸模实际尺寸制作，厚度为15，弹簧按实际要求选用。

顶料板
此模具采用弹性卸料装置，采用弹簧卸料，顶件力为12380。

顶料板按落料凹模实际尺寸制作，厚度为15，弹簧按实际要求选用。

5.固定板的结构设计
凸模固定板将凸模固定在模座上,其平面轮廓尺寸除应保证凸模安装孔外,还要考虑螺钉与销孔的设置,厚度一般是凹模厚度的0.6到0.8倍.所以凸模固定板的厚度为25mm，大小按凹模尺寸制作，为200×200。

其零件图如下图3-9所示
图3-9
6.垫板的结构设计
取垫板厚度为10mm，大小为200×200。

7.模具的闭合高度
冲模的闭合高度H应介于压力机的最大装模高度Hmax和最小装模高度Hmin 之间,其关系为Hmax-5≧H≧Hmin+10。

所以取H=260mm。

8.模架的选用与设计
落料模一般采用后侧导柱模架,因为此模架受力较均匀.
L×B=350×260最大行程为80mm 最小闭合高度为220mm。

实际尺寸以图纸为准。

图纸如下图3-10、图3-11所示
图3-10上模架
图3-11下模架
9.总装图
将以上各零部件组装得到总装图，如下图3-12所示：图3-12
四、冲孔冲齿模的工艺设计
（一）冲裁间隙
冲裁间隙其实就是指模具中凸、凹模刃口之间的间隙。

冲裁间隙的数值等于凸、凹模刃口尺寸的差值。

即 Z=DA-DT
根据上表查得20钢的最小双间隙2Cmin=0.1mm
最大双间隙2Cmax=0.14mm
（二）凸凹模刃口尺寸的确定
零件内部形状采用冲孔，冲孔时应以凸模为基准来配作凹模。

查《冲压模具及设备》表4-14得
对于尺寸为φ10的x=0.75
冲孔凸模的计算尺寸如下
D凸=（Dmin+xΔ）0-Δ/4=（9.95+0.75×0.1）0-Δ/4=10.0250-0.025
查表得Zmin=0.100 Zmax=0.140,故冲孔凹模刃口尺寸按凸模实际刃口尺寸配作，保证双面间隙值0.10～0.14mm
中间齿形轮廓凸模按电子档割。

（三）冲压力的计算
冲裁力
Fp=KLtτ
L——冲件周边长度mm
T——材料厚度mm
τ——材料抗剪强度MPa
K——考虑模具间隙的不均匀、刃口的磨损、材料力学性能与厚度的波动等因素引入的修正系数，一般取K=1.3
φ10孔周长L=πd=π×10=31.4mm
齿形孔周长L=πd=π×49.1=154.174mm
Fp=KLtτ=1.3×（12×31.4+154.174）×1×300≈207.08×103N
卸料力
Fx=KxFp
推件力
Ft=nKtFp
查教材《冲压模具及设备》表4-22取Kx=0.045，Kt=0.055
Fx=0.045×207.08×103N≈9.31×103N
Ft=13×0.055×207.08×103N≈148.06×103N
所以总冲压力=冲裁力+卸料力+推件力
F总=Fp+Fx+Ft=207.08×103N+9.31×103N+148.06×103N=364.45×103N
（四）压力中心的计算
本套模具所成形部分前后左右对称且结构简单，其压力中心与冲件轮廓图形的几何中心重合。

（五）冲孔冲齿模主要零部件设计
1.冲孔凸模的结构设计
其零件图如下图4-1所示
图4-1
根据冲压手册P88表2-46选择凹模的结构形式，在经过比较之后，选择刚度较好，方便装配和方便固定的圆形凸模B
凸模的长度根据模具结构可知，即长度可按下面公式：
L= 凸模固定板的厚度+橡胶放松状态的厚度+卸料板的厚度=70.5mm
其余尺寸以图纸为准
2.齿形凸模的结构设计
实际尺寸如下图4-2所示
图4-2
厚度与冲孔凸模相同，为70.5,。

外形尺寸按照已给的数据线切割。

3.冲孔凹模的设计
其零件图如下图4-3所示
图4-
3
根据冲压手册P53表2-20查得冲间隙为0.25，故凹模尺寸为10.5，其余尺寸以图纸为准。

4.卸料板的结构设计
本套模具采用弹性卸料装置，采用橡胶来卸料，卸料力为9310N。

根据
F=A·P得,橡胶的压缩量为25%。

所以橡胶选用国产聚氨酯橡胶,经计算其厚度为30mm，卸料板厚度为15。

卸料板和橡胶尺寸按凸模实际尺寸制作，为
200×200mm。

5.凸模固定板的结构设计
凸模固定板的厚度为凹模厚度的60%到80%，所以厚度取25。

固定板与凹模H7/m6配合，压装后应将凸模端面与固定板一起磨平。

外形尺寸按凸模实际尺寸制作，为200×200mm。

6.垫板的结构设计
垫板的厚度取10mm，外形尺寸按凸模实际尺寸制作，为200×200mm。

7.定位销的结构设计
凹模上设置三个定位销钉，公称直径是5mm，以保证零件的准确定位。

8.模具的闭合高度
冲模的闭合高度H应介于压力机的最大装模高度Hmax和最小装模高度Hmin 之间,其关系为Hmin+10≦H≦Hmax-5。

所以取H=200mm。

9.模架的选用与设计
落料模一般采用后侧导柱模架,因为这个模架受力较均匀。

L×B=350×260最大行程为100mm 最小闭合高度为160mm。

实际尺寸以图纸为准。

图纸如下图4-4、图4-5所示
图4-4 上模架
图4-5 下模架
10.总装图
将以上各零部件组装得到总装图，如下图4-6所示：
图4-6
总结
本次毕业论文设计是我大学三年最后的全面的综合测试，也是大学中所学的知识最后的系统的总结。

我在做毕业论文设计的过程中，遇到了很多问题。

比如在设计和绘图方面，一些零部件的设计总是偏离实际，特别是在设计模具结构中凸模、凹模和凸凹模等主要成形零部件的时候，出现了理论知识和实践经验上的不足的情况。

绞尽脑汁还不能解决后，我决定求助于老师和同学们。

经过老师和同学的热心帮助指导，再加上自身的不懈努力，问题最终得到了及时解决。

这次的毕业论文设计使我对冷冲压模具设计有了更多的的认识。

在模具设计过程中，不仅把大学两年所学到知识全部贯穿起来，还学会了查阅相关书籍和资料，能够把各科的知识灵活的运用到设计中去。

毕业论文设计不但让我复习并巩固了大学两年所学的知识，丰富了我的的知识面，更重要的是它让我学会了做事的恒心、处理问题的虚心、接到任务的信心等“心”的重要性。

“学习如逆水行舟不进则退”，我相信通过此次设计的经验和总结，我在今后的生活、工作中一定能够乘风破浪，勇创佳绩。