支架冲压工艺及模具设计说明书

1. 引言
本课题为支架冲压工艺及模具设计。

该件结合生产实践，是为XXX厂生产制氮机控制系统配电柜内仪表支架。

旧加工工艺是采用单工序模成形,具体工艺过程为:冲孔落料、成形、撕口弯曲、最终弯曲成形，需要4副模具,且多次定位,易造成零件精度低,外观质量差,生产效率低,不能满足生产需要。

新工艺采用采用级进模生产,效率高,零件表面质量及精度也高。

这样要求进行冲裁、弯曲工序计算、零件展开计算。

图1. 支架零件图
支架其零件结构如图2所示：选用材料为20钢，厚度为1mm。

它的各项机械性能在表1中描述，该零件为典型的冲压件，其特点是具有竖直轴向的对称性，水平方向四个切口与水平对称线成8°夹角，孔型间相对位置精度要求较高。

成型时，应全面考虑级进模的排样设计、弯曲回弹角以及工件的尺寸精度要求。

弯曲圆角半径R=0.8mm，回弹角为1°30′，尺寸精度均IT12级，机械性能要求有一定的强度和抗冲击性。

该零件外形对称，尺寸不大，轮廓线主要由直线和圆弧组成，其中有四个底孔，侧壁有两个不通孔。

加工精度要求不高，符合一般冲压件生产的要求。

传统加工工艺需要多次反复定位，使得零件的精度不高，况且需要设计多套模具，使得加工成本较高。

如果采用级进模加工，多道工序在一套模具中成型，零件精度相对高。

因此，对该工件的加工采用级进模，能节省生产成本，提高工作效率，以及提高零件的精度，符合批量生产的要求。

2. 材料分析
2. 1 冲压对板料的基本要求
冲压对板料的要求首先要满足对产品的技术要求，如强度、刚度等力学性能指标要求，还有一些物理化学等方面的特殊要求，如电磁性、防腐性等；其次还必须满足冲压工艺的要求，即应具有良好的冲压成形性能[1]。

1、力学性能的要求
一般说来，伸长率大、屈强比小、弹性模数大、硬化指数高和后向异性系数大有利于各种冲压成型工序[2]；
2、对于化学成分的要求
如钢中存在碳、硅、锰、磷、硫等元素的含量增加，就会使材料的塑性降低、脆性增加，导致材料冲压成型性能变坏[3]。

3、对金相组织的要求
由于对产品的强度要求与对材料成形性能的要求，材料可取不同的热处理状态。

使用时可根据产品对强度的要求及对材料成形性能的要求进行选择。

对晶粒大小也有一定的规定，晶粒大小合适、均匀的晶相组织拉伸性能好，晶粒大小不均易引起裂纹。

过大的晶粒在拉伸时产生粗糙的表面。

此外，在钢板中的带状组织与游离的碳化物和非金属夹杂物，也会降低材料的冲压成形性能[4-6]。

2. 2 板材材料分析
支架是由1mm厚度的20钢板冲压工艺加工制成，该材料具体力学性能如下：
表一零件材料性能[7]
该材料冲压性能好,伸长率较好,抗拉强度和抗剪强度适中。

适合应用与冲压生产。

3. 工艺确定
3．1 冷冲压工艺的分类
由于各种零件的形状、尺寸、公差要求和批量的不同，所以生产中所采用的冲压工序种类繁多。

通常可按下述方法分类。

一、按变形性质分类
（1）分离工序包括剪裁、冲孔、切口等。

（2）成形工序包括弯曲、拉深、翻边、胀形等[8]。

二、按工序组合形式分
（1）简单工序，即在一副模具内只完成零件的一个工序。

（2）组合工序，即将两种或两种以上简单集中在一副模具内完成。

根据工序组合的方法，将其分为三类：
a.复合冲压在压力机的一次形成过程中，在一副模具的同一个位置上同时完成两种或两种以上的简单工序的加工方法。

b.连续冲压在压力机的一次行程中，在一副模具的不同位置上同时完成两种或两种以上的简单工序的加工方法[9-10]。

c.连续-复合冲压在一副模具内包括连续冲压和复合冲压的组合方法[11]。

此外，在生产也常用冷冲压方法使零件产生局部的塑性变形来进行装配，次工序称为冷冲压装配工序。

如铆接、弯接、冷塑压焊接等[12]。

3. 2 工艺方案分析比较和确定
冲压工艺按其变形性质可以分为分离和成形两大类，每一类中又包括许多不同的工序。

冲压生产中，工艺合理化是降低成本的有利手段，一般在制定新产品工艺时进行。

当产量发生变化时，模具寿命短或因事故发生损坏时由于更改产品设计而改变模具时，以及变更设备等生产条件发生变化时要重新讨论产品的工艺[13]。

由于工艺的合理化能降低模具费用，节约加工工时，降低材料费等，所以必然降低零件总的成本。

所以制定合理的工艺方案是十分重要的。

通过以上的分析可知，该支架零件冲压时的工序包括：弯曲、切断、冲孔、切舌。

其中冲孔有3个φ3.2的小圆孔和一个内切圆直径为φ9.5的八方孔；切舌部位一共五个,有四个的对称线与水平中轴线成8°夹角，另外一个在水平中轴线下方8.9mm处。

初步拟定方案如下：
方案一：采用四套单工序模（1）冲孔——（2）落料——（3）U形件弯曲——（4）切舌
方案二：采用压铸配合机械加工方法(1) 压力铸造U形毛坯——（2）机械加工——（3）整形——（4）切舌
方案三：采用两套复合模(1) 冲孔落料复合模——（2）弯曲切舌复合模——（3）侧面底部整形
方案四：采用级进模与单工序模配合加工 (1)切边、冲小圆孔——（2）弯曲——（3）冲八方孔——（4）切断——（5）切舌模切舌
方案五：采用一套级进模（1）切边冲孔——（2）切舌——（3）切断——（4）弯曲
分析以上五种方案：
方案一用四套单工序模，反复定位，容易给工件带来累计误差，使得工件的精度难以得到保证；
方案二生产的零件精度可以的到很好的保证，但是涉及到了压铸与机械加工两方面，从设备和能源的成本来看，其经济性不高；
方案三采用两套复合模加工，较高的精度和可靠性都能得以实现，但不适合在大批量生产中；
方案五采用了级进模加工，在大批量生产中适用，方案五中利用浮顶器在切口
和弯曲将工件顶出，使得所有工序能在一套模具中的一实现，但无疑增加了模具制造的难度，增加了模具的制造成本；
方案四在级进模的基础上另增加了一套切舌模，精度、可靠性和经济性都能得到很好的保证。

因此，综合考虑这几方面的因素，采用方案四较为合理。

确定工艺方案为：采用级进模与单工序模配合加工 (1)切边、冲小圆孔——（2）弯曲——（3）冲八方孔——（4）切断——（5）切舌模切舌
4. 级进模设计
4.1 级进模基本概念及其特点
本课题零件支架采用级进模进行生产。

所谓级进模，也叫连续模，由多个工位组成，各工位完成不同的加工，各工位顺序关联，在冲床的一次行程中完成一系列的不同的冲压加工级进模，都是用在冲压模具上的。

就是同一个工作，由多个工序组成，一般有冲孔，落料，折弯，切边，拉伸等多个工序[14]。

多工位级进模是在普通级进模的基础上发展起来的一种高精度、高效率、高寿命的模具，是技术密集型模具的重要代表，是冲模发展方向之一。

级进模的特点如下：
1)级进模是多工序冲模，在一副模具内，可以包括冲裁、弯曲、成形和拉深等多种多道工序，具有比复合模更高的劳动生产率，也能生产相当复杂的冲压件[15]；
2)级进模操作安全，因为人手不必进入危险区域；
3)级进模设计时，工序可以分散。

不必集中在一个工位，不存在复合模中的“最小壁厚”问题。

因而模具强度相对较高，寿命较长[16-17]。

4)级进模易于自动化，即容易实现自动送料，自动出件，自动叠片；
5)级进模可以采用高速压力机生产，因为工件和废料可以直接往下漏[18]；
6)使用级进模可以减少压力机，减少半成品的运输。

车间面积和仓库面积可大大减小[19-21]。

级进模的缺点是结构复杂，制造精度高，周期长，成本高。

因为级进模是将工件的内、外形逐次冲出的，每次冲压都有定位误差，较难稳定保持工件内、外形相对位置的一次性[22]。

但精度高的零件，并非全部轮廓的所有内、外形相对位置要求
都高，可以在冲内形的同一工位上，把相对位置要求高的这部分轮廓同时冲出，从而保证零件的精度要求[23-25]。

根据以上的方案分析，级进模设计与计算过程如下:
4.2 级进模的排样计算
搭边值：查文献[10]表2-18，工件间间隙
1
a=1.5,沿边a=1.8；
材料利用率：η= nA
bh
⨯100%
=
43058
441.793.1
⨯
⨯⨯
⨯100%
=78.8%
排样图如图3所示：
图3. 排样图
4.3 冲裁刃口计算
4.3.1 冲小圆孔凸凹模
查表2-24得，冲裁刃口单面间隙值：
min Z = 0.050 ， max Z =0.085
凸凹模极限偏差：δ凸=-0.020，δ凹=+0.020 根据以上数据有：δδ+凸凹>max Z -min Z 于是，凸凹模按以下公式来计算：
δ凸=0.4（max Z -min Z ），δ凹=0.6（max Z -min Z ） 即：δ凸=0.02，δ凹=0.02
查文献[10]表2-30，磨损系数：x=0.5,工件公差：△=0.24
设冲孔尺寸为∆+0d ，根据以上原则，冲孔时以凸模设计为基准，首先确定凸模
刃口尺寸，使凸模基本尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸，再增大凹模尺寸，凸模制造偏差为负偏差，凹模取正偏差，名部分分配位置如图4所示，其计算公式如下：
d d p d p
c d c d d n d dp δδδ++-+∆+=+=∆+=0
min min min 0min )2()2()(
图4. 冲孔间隙分配图
因此，凸凹模各部分尺寸为：
d 凸=(d+x △) δ-凸
=(3.2+0.5⨯0.24) 00.02-
=3.320
0.02
-
d 凹=(d+ x△+2
min
C)δ+凹
=(3.2+0.5⨯0.24+0.05)0.02
+
=3.370.02
+
小孔凸凹模零件结构如图5(a),(b)所示，材料采用T10A，淬硬热处理，热处理硬度为：凸模HRC56-60，凹模HRC58-62。

图5.(a) 冲圆孔凸模
图5. (b) 冲圆孔凹模4.3.2 冲八方孔凸凹模
d 凸=(d+x△)
δ-凸
=（9.5+0.5⨯0.36）0
0.02
-
=9.680
0.02
-
d 凹=(d+ x△+2
min
C)δ+凹=（9.5+0.5⨯0.36+0.05）0.02
+
=9.730.02
+
八方孔的凸凹模零件结构图如图 6 (a),(b)所示，采用直通式凸模，热处理方式同小圆凸凹模。

图6. (a)冲八方孔凸模
图6. (b)冲八方孔凹模
4.3.3 切边凸凹模 切边凸模的尺寸分三类：
第一类尺寸（12345A A A A A ，，，，），凹模不断磨损以后尺寸增大； 第二类尺寸（1B ），凹模不断磨损以后尺寸减小；
第三类尺寸（12C C ，），凹模不断磨损以后尺寸保持不变。

各类尺寸如图7所示：
图7. 侧刃尺寸
根据凸凹模尺寸计算原则，凸模尺寸分别为： 第一类尺寸：
1A =（1A +x ∆）δ-凸=（41.7+0.1）4
∆-=41.800.03-，同理可得出，
2A =（30+0.1）
4
∆
-=30.100.03-，
3A =（3.5+0.048）4
∆-
=3.5500.03-，4A =5.050
0.02-， 5A =28.8±0.04=28.840
0.08-
第二类尺寸：
1B =（1B - x ∆）4∆+=(3.1-0.08) 0.0844
+=3.02 0.02
0+ 第三类尺寸：
1C =（1C + x ∆）±δ凸=（7+0.5⨯0.12）±0.03 =7.06±0.03， 2C =（3.1+0.5⨯0.08）±0.02=3.14±0.02
其中，1C 是未注公差，查文献[10]表2-34，按IT11级计算，∆=0.12，δ凸=-0.03，凸模加工成直通形式的，长度为65mm 。

凹模按凸模尺寸配制，保持其双面间隙为2min C -2max C ，即0.050-0.070。

4.4 弯曲计算
在设计的这套级进模中，弯曲凹模在上模，弯曲凸模固定在下模的凹模固定板上，为了克服弯曲回弹带来的工件精度误差，采用补偿法弯曲。

弯曲时，凸凹模的单边间隙:
c=t+∆+kt 其中，t ——板料厚度， ∆——料厚正偏差，
k ——系数，由弯曲件高度h 和弯曲线长度b 决定 查冲压手册表3-18，k=0.10, ∆=0.035 计算得，c=1.1
凸凹模工作部分宽度的尺寸计算：
b 凸=（L+0.5∆）δ凸-=（47.9+0.5⨯0.05）00.039-=48.150
0.039-
b 凹按凸模尺寸配制，保证双面间隙为2c
弯曲凸凹模零件结构如图8所示：
图8.（a）弯曲凸模
图8. (b)弯曲凹模
回弹角度为1°30′，因此凸凹模单面均补偿45′，如图8.（a ）。

凸模材料为T8A ，淬硬HRC58-60，凹模材料为T8A ，淬硬HRC58-62。

4. 5 各工位的工艺力及设备选取 4.5.1 冲裁力
查文献[10]可得，各孔的冲裁力分别是：
3.2φ的小圆孔：F dt πτ== 3.21334N π⨯⨯⨯=3358N 八方孔：F=L t τ=42.4 ⨯1 ⨯334N=14162N 切边力：F=L t τ=15
4.2⨯1⨯334N=51503N
切断力：F=L t τ=2⨯（34.1+3.5）⨯1⨯334N=25117N 总的冲裁力为：F 冲=152.4kN
由于该模具采用弹性卸料装置，计算得总的卸料力为：
F 推=n 1k F 冲=3⨯0.055⨯152.4kN=25.14kN
4.5.2 弯曲力
查文献[13]，U 型件自由弯曲力：
F 自
=20.7b kbt r t σ+=0.7 1.338.214250.81
⨯⨯⨯⨯+=8208N 其中，b ——弯曲件宽度；k ——安全系数，一般取1.3； r ——弯曲件内弯曲半径；t ——料厚；b σ——材料强度极限 综合4.4.1和4.4.2可知，总压力为：
F 总=(152.4+25.14+8.21)kN=185.75 kN
4.5.3 压力中心
查文献[10]有，压力中心计算公式为：
1
1
n
i i
i o n
i
i F X
X F
='==
∑∑，11
n
i i
i o n
i
i FY
Y F
='==
∑∑
参考图3的排样图，以左端面和水平对称线的交点为中心，带入数据得：
o X '=94.2，o Y '=-0.2
4.5.4 压力机的选取
查文献[13]P989的相关资料，选用250kN 的开式压力机，以下是该压力机的各项参数：
公称压力行程：6mm 滑块固定行程：80 mm
滑块调节行程：1S =80mm , 2S =10mm 标准行程次数：100次/min 最大封闭高度：250mm 封闭高度调节量：70mm 立柱间距：260mm
工作台尺寸：左右L=560mm,前后B=360mm
工作台孔尺寸：左右1L =260mm,前后=130mm,直径=180mm
喉深：290mm
φ⨯
模柄孔尺寸：5070
工作台板厚度：70mm
4.6 模具的其它零件
4.6.1 模架
模具除简单冲模外，一般冲模多利用模架的结构。

模架的和种类很多，要根据模具的精度要求，模具的类别，模具的大小选择合适的模架.
如图9所示，模架的选择可从文献[13]P192页选择标准架。

根据查阅的内容及分析，此级进模可选用后侧导柱模架导、导柱安装在后侧，有偏心裁荷时容易歪斜，滑动不够平稳，可从左右前三个方向关料操作比较方便。

常用于一般要求的小型工件的冲裁和拉深模。

所选模架的结构及尺寸关系如图9所示：
图9. 后侧导柱式模架
各项参数如下：
L =200mm B=125mm ；
上模座：250×160×45 ；
下模座250×160×50；
导柱25×180 ；
导套 25×95×38 ；
闭合高度： Hmax=210mm Hmin=170mm ；
其余尺寸见上下模座零件图，可以文献[10]冲压模具常用标准件选择。

4.6.2模柄
模柄有多种形式，要根据模具的结构特点，选用模柄的形式模柄的直径根据所选压力机的模柄孔径确定，模柄可根据文献[13] P586页选择，经查阅各种模柄的特点，选用旋入式模柄，这种模柄应用比较广泛。

旋入模柄的结构和尺寸，可参文献[13]表11-10制造，模柄的结构及尺寸关系如图10所示。

图10. 旋入式模柄
各部分参数为：
d =M30⨯2.0
d=50 ±0.050，
1
L=91mm ，1L =68mm ，
2L =5mm ，S=41mm 2d =27.5mm ，3d =15mm 4d =M8，b=4.5mm
C=2mm
4.6.3 导向装置（导柱 导套）
导向装置指得是模架上的导柱、导套。

模具在开模，闭模过程中，导柱和导套起导向的作用，使得凸凹模正确的闭合，故此，导柱、导套需要有严格的配合精度及尺寸要求，导柱、导套的选择可以《冲压手册》中选取，（取H7/h6配合） 如图11 a 导柱的具体尺寸为： d=25
mm 0016
.0- L=180mm
导套的具体尺寸为(图11 .b)
图11. 导柱与导套
D=25
025.00
+
D(r6)=400050.0034
.0++
L=105mm h=43mm L=25mm
油槽数为2 b=3；a=1 4.6.4 连接零件
此类零件包括螺钉、销钉等，主要作用是联接其它零部件，使之共同完成工件的制造，螺钉和销钉可由文献[10]第十章、第七、八章查选，形状及尺寸见七、八节图所示现选螺钉M10，圆柱销d=8，则冲压模上有关螺钉孔的尺寸见文献[10]表10-28；卸料螺钉选M5，具体尺寸见文献[10]表10-29。

4.6.5 其余零件
垫板，卸料板，凸模固定板，凹模固定板的零件形状结构、尺寸，参照零件图。

5. 切口模设计
5.1 切口工艺力
该零件的90°切口，实际是切口和弯曲的复合，弯曲角度α=90°，弯曲半径
min r =0.8mm 。

切口一共五个。

第一类：四个3.2⨯4.8的切口，其中心线与水平对称线成8°夹角； 第二类：一个3.2⨯3.2切口位于竖直中轴线上，水平对称线下方8.1mm 处。

查冲压手册，两类切口的成型工艺力为： 第一类：F 冲=Lt τ=12.8⨯1⨯334N=4275N
F 弯=20.7b kbt r t σ+=0.7 1.3 3.214250.81
⨯⨯⨯⨯+N=688N
第二类：F 冲=Lt τ=9.6⨯1⨯334N=3206N F 弯=
0.7 1.3 3.21425
0.81
⨯⨯⨯⨯+N=688N
查阅文献[13]，最后选择弹性卸料装置、下出料方式，卸料力和推件力分别为：
F 卸=K 卸F=0.04⨯（4275⨯4+3206）N=812N F 推=K 推F=0.055⨯（4275⨯4+3206）N=1117N
总压力为：F 总=（4275⨯4+3206）N+812N+1117N=22.23kN 综合以上参数，选择63 kN 的开式压力机。

5.2 压力中心
查文献[10]P240，切口时的压力中心计算如下：
图12
0x =
5
15
1
i i
i i
i s x
s
==∑∑=
1122334455
12345
s x s x s x s x s x s s s s s ++++++++
=
14.3(8.9835.9112.4939.46)10.624.2
14.3410.6
⨯++++⨯⨯+
=24.2
0y =
5
15
1
i i
i i
i s y
s
==∑∑=
1122334455
12345
s y s y s y s y s y s s s s s ++++++++
=
14.3(29.6833.47 4.738.5)10.68.6
14.3410.6
⨯++++⨯⨯+
=17.45
其中，i S 为各凸模的周边长度。

即图12中，压力中心在竖直中心线上，水平中心线下方1.65mm 处。

5.3 模具闭合高度
查文献[18]P23，模具闭合高度：
105h mm h h mm +≤≤-最小最大模
由于63kN 开式压力机的最大封闭高度H=170mm ，封闭高度调节量∆H=40mm ，于是：
（130+10）mm h ≤≤模(170-5)mm 即：140mm h ≤≤模165mm
5.4 模架的选取
查文献[13]P454有，后侧导柱式模架参数（后侧导柱式模架结构参考图9），各项参数如下：
L =100mm B=63mm ； 上模座：100×63×30 ； 下模座100×63×40；
导柱18×130 ；
导套 18×70×28 ；
闭合高度： Hmax=165mm Hmin=140mm ；
其余尺寸见上下模座零件图，可以文献[10]冲压模具常用标准件选择。

5.5 模柄的选取
模柄有多种形式，要根据模具的结构特点，选用模柄的形式模柄的直径根据所选压力机的模柄孔径确定，模柄可根据文献[13]P201页选择，经查阅各种模柄的特点，选用压入式模柄，这种模柄应用比较广泛压入模柄的结构和尺寸，可参考文献[13]表11-10制造，表中B型模柄中间有孔可按装打料杆，用压力机的打料模杆进行打料，模柄的结构及尺寸关系如图13所示。

图13. 压入式模柄
各项参数为： d=30mm 065.01950
.0--
D=32
mm 025.0009
.0++
D 1=42mm h=78mm h 2=30mm h 1=5mm b=2mm a=0.5mm d1(H7)=6+0.0120 d2=11mm
5.6 导向装置（导柱 导套）
导向装置指得是模架上的导柱、导套。

模具在开模，闭模过程中，导柱和导套起导向的作用，使得凸凹模正确的闭合，故此，导柱、导套需要有严格的配合精度及尺寸要求，导柱、导套的选择可以文献[10]中选取，（取H7/h6配合） 如图11 a 导柱的具体尺寸为： d=18
mm 0016
.0- , L=130mm
导套的具体尺寸为(图11 .b)： D=18
025.00
+
D(r6)=320050.0034
.0++
L=85mm h=34mm L=22mm
油槽数为2 b=2.5；a=1
5.7 固定零件（固定板、垫板）
垫板的作用是承受凸模和凹模的压力，防止过大的冲压，在上下模座上压出凹坑，影响模具的正常工作，垫板厚度根据压力机的大小选择，一般取5-12mm ，外形与固定板相同，材料45钢，热处理后硬度为45-48HRC ，如图14a .b 所示： 垫板在模具中的安装与受力情况
图14. 垫板
固定板的作用起固定凸、凹模，防止其在冲压过程中松动，造成模具的损坏，固定板的形状要根据凸、凹模而定，而外形尺寸与垫板相似。

固定板和垫板具体形状尺寸见零件图所示。

5.8 连接零件
此类零件包括螺钉、销钉等，主要作用是联接其它零部件，使之共同完成工件的制造，螺钉和销钉可由文献[10]第十章、第七、八章查选，形状及尺寸见七、八节图所示现选螺钉M10，圆柱销d=6，卸料螺钉选M5，具体尺寸见文献[10]表10-29。

6.结论
本设计主要介绍了支架冲压工艺制定及模具设计的全过程。

（1）本次设计针对零件的外形及尺寸要求，着重分析了模具的结构，对重要模具零部件进行了详细的计算，设计了一套级进模以及一套切口模，编写了设计说明书，确定了模具结构的各项参数。

（2）在设计过程中认识到，制定工艺以及选择模具类型时，不仅要考虑生产批量，工件的大小，还考虑模具制造出来装配到压力机后的运动可行性。

（3）在级进模的设计过程中，其实还有更好的方案可以采纳，使整个工件的成型在一套级进模中完成，其中成型的难点是切口和弯曲部分，可以加入浮顶器，使整个零件的生产能在一套模具中生产出来，但模具的生产成本就无形中增加了。

附录冲模所用材料
模具涉及到的零件的材料，根据其工作条件、特点及零件加工的精度等等要求，并考虑其经济性，选择合适的材料便于加工。

表二模具中各零件材料[21-22]
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