圆垫片落料冲孔复合模设计

垫片34复合模CAD 设计

第2章 工艺分析及模具结构设计

2.1 制件的工艺性分析及工艺计算

2.1.1 工艺分析

由图可知，产品为圆片落料、圆片冲孔。产品形状结构简单对称，无狭槽、尖角；孔与孔之间、孔与零件之间的最小距离满足c>1.5t要求。 （c =

80-40

2

-2. 5=17. 5

1.5t=1.5）

（1）尺寸精度

任务书对冲件的尺寸精度要求为IT12级，

查参考文献[2]知，普通冲裁时对于该冲件的精度要求为IT12～IT11级，所以尺寸精度满足要求。 （2）冲裁件断面质量

因为一般用普通冲裁方式冲1mm 以下的金属板料时，其断面粗糙度Ra 可达12.5～3.2μm ，毛刺允许高度为0.05～0.1mm ；本产品在断面粗糙度上没有太

严格的要求，单要求孔及轮廓边缘无毛刺，所以只要模具精度达到一定要求，在冲裁后加修整工序，冲裁件断面的质量就可以保证。 （3）产品材料分析

对于冲压件材料一般要求的力学性能是强度低，塑性高，表面质量和厚度公差符合国家标准。本设计的产品材料为08钢，属优质碳素结构钢，其力学性能是强度、硬度低而塑性较好，非常适合冲裁加工。另外产品对于厚度与表面质量没有严格要求，所以尽量采用国家标准的板材，其冲裁出的产品表面质量和厚度公差就可以保证

经上述分析，产品的材料性能符合冷冲压加工要求。

2.1.2 排样及工艺计算

2.1.2.1排样

零件外形为圆形 ，可以采用单排、交叉双排或多排；考虑到零件为中等批量生产，如果采用交叉双排或多排，则模具尺寸和结构就会相应增大，从而增加模具生产成本，所以本设计决定采用单排结构。如图所示。

图2.1 排样图

2.1.2.2 搭边

查参考文献[1] ，确定搭边值a ，b 。 当t=1时，a=2，b=1.5 2.1.2.3条料宽度

B=D+2a=80+2*2=84mm 2.1.2.4材料利用率η

η=

nA SB

⨯100%

式中 n —一个歩距内冲裁件数目； A ——冲裁件面积（包括内形结构废料）； S ——歩距长度； B ——板料宽度； 取：n=1; A =π*40²=5026.55；S=81.5；B=84 η=5026.55／81.5*84=73.4

2.2 冲压力及压力中心的计算

2.2.1 计算冲压力

2.2.1.1 冲裁力

冲裁力公式为 P =P 孔+P 落 式中 P —冲裁力； P 孔—冲孔冲裁力； P 落—落料冲裁力。 2.2.1.2 冲孔冲裁力P 孔

P 孔=n K L 孔t τ

式中 K—系数（取K=1.3）； n —孔的个数，n=3。

L 孔—冲孔周长，L 孔1=πd =π⨯40=125. 66mm L 孔2=πd =π⨯5=15. 7mm t —材料厚度，t =1mm

τ—材料抗剪强度，查参考文献[2]知LY12，τ=280～320MPa ，取

τ=300MPa 。

P 孔=P 1+P 2=1. 3⨯125. 66⨯1⨯300+2⨯1. 3⨯15. 7⨯1⨯300=61253.4=61.25KN 2.2.1.3 落料冲裁力P 落。

P 落=KL 落t τ L 落=πD =π⨯80=251.33mm

所以 P 落=1. 3⨯251.33⨯1⨯300=98018.7N =98.02KN 2.2.1.4卸料力P 卸。

P 卸=K 卸P 卸

式中 K 卸—卸料系数，查参考文献[1]知K 卸=0. 01～0.05，取K 卸=0. 03。 所以 P 卸=0. 03⨯98.02=2.94KN 2.2.1.5 推料力P 推

P 推=nK

推

P 推

式中 K 推—推料系数，查参考文献[1]取K 卸=0. 055。 n —同时卡在凹模洞孔内的件数，n =3。 所以 P 推=3⨯0.055⨯61. 25=10. 1KN 2.2.1.6 顶件力P 顶

P 顶=K 顶（P 孔+P 落）

式中 K 顶—顶件系数，查参考文献[1]取K 顶=0. 06。 所以 P 顶=0. 06⨯(61. 25+98.02)=9. 56KN 2.2.1.7 总冲压力P 总

冲裁时，压力机的压力值必须大于或等于冲裁各工艺力的总和，即大于总的冲压力。总的冲压力根据模具结构不同计算公式不同，当采用弹压卸料装置和下出件的模具时，总的冲压力为

P 总=P +P 卸+P 推=P 孔+P 落+P 卸+P 推=61. 25+98. 02+2. 94+10. 1+9. 56

=181.87K

N

初选压力机：Jc23-35。

2.2.2 计算模具压力中心

由于该零件完全对称于相互垂直大大两条多层次线，所以模具的压力中心在几何图形的狭槽点上。

2.3 凸模 凹模 凸凹模刃口及结构尺寸计算

2.3.1计算模具刃口尺寸

模具采用复合模结构，计算刃口尺寸时宜采用尺寸转换法计算。 零件上包含三个尺寸：落料尺寸A =φ800-0. 74；

+0. 62+0. 3

冲孔尺寸B 1=φ400, B 2=φ50；

位置尺寸H =30±0. 105。

查得冲裁模刃口双间隙

Z min =0. 24mm ， Z max =0. 36mm 。

1）落料刃口尺寸计算：

φ80-0. 74的凸凹模的制造公差由表查得 δ凹=0. 030mm ，

δ凸=0. 020mm 。

由于δ凹+δ凸=0. 05

D 凹=（D -X ∆）0

+δ凹

=（80-0. 5⨯0. 74）0

+0. 03

=79. 630

+0. 03

mm

000

D 凸=(D 凹-Z min ) -δ凸=(79. 63-0. 5⨯0. 24) -0. 02=79. 51-0. 02mm

其工作部分结构尺寸如图所示：

2）冲40mm 孔刃口尺寸计算：

+0. 62

φ400的凸凹模的制造公差由表查得

δ凹=0. 030mm ，

δ凸=0. 020mm .

由于δ凹+δ凸=0. 050

000

d 凸=（d +X ∆）=（40+0. 5⨯0. 62）=40. 31-0. 02mm -δ凸-0. 02

+δ+0. 03+0. 03

=(40. 31+0. 24) 0=40. 550mm , d 凹=(d 凸+Z min ) 0

凹

其工作部分结构尺寸如图所示：

3）冲5mm 孔刃口尺寸计算：

+0. 3

φ50的凸凹模的制造公差由表查得

δ凹=0. 020mm ， δ凸=0. 020mm .

由于δ凹+δ凸=0. 040

d 凸=（d +X ∆）=（5+0. 5⨯0. 3）=5. 15-0. 02mm -δ凸-0. 02

+δ+0. 02+0. 02

d 凹=(d 凸+Z min ) 0=(5. 15+0. 24) 0=5. 390mm

其工作部分结构尺寸如图所示：

凹

6 其他零件的设计

2.3.2落料凹模结构尺寸计算

落料凹模尺寸如图5.1所示。

图5.1 落料凹模尺寸

2.3.2.1厚度H d

H d =H 理+h 式中 H 理—凹模的理论厚度。

H 理=0. 25L 落P 落

2

=0. 25⨯

251. 33⨯98018. 7

2

=28. 96

mm

进一位取整数取 H 理=29mm 查参考文献[4]知刃磨余量为 h =6。 所以凹模厚度为 29+6 = 35mm。

因为落料冲裁力P 落=98. 02KN

H 凹=23mm ，夹板厚度为12mm 。

2.3.2.2 凹模板直径D d

零件外形为圆形，而且完全对称，所以将凹模板做成圆形。

D d =D +2W 1

式中 W 1—切断轮廓线到凹模边缘的尺寸，轮廓为平滑曲线时，W 1≥1. 2H 理。 所以 D d =80+2⨯1. 2⨯29=149. 6mm 查参考文献[2]按推荐值取 D d =150mm 所以凹模板外形尺寸φ150⨯35

2.3.3冲孔凸模与凸凹模结构尺寸确定

图5.2 凸模尺寸

2.3.3.1冲孔凸模长度L 如图所示

L =H 1+l 自 H 1=（0. 6～0.8）H p H

p

=0. 256L 孔P 孔

2

l 自=H d +h

式中 H 1—凸模固定板厚度；

H p —冲孔凸模厚度，H p 1=21mm ；H p 2=10mm l 自—凸模自由长度。

所以 H 1=（0. 6～0.8）H p =（0. 6～0.8）⨯21=12.6～16.8mm ，取H 1=14mm 。

H 1=

'

（0. 6～0.8）H p =（0. 6～0.8）×10=6～8mm, 取H 1=8mm 。

mm （考虑到在落料前冲孔凸模先接触板料，所以取

l 自=H d +h =23+12=35

。 l 自=35. 5mm ）

所以 取H 1=14mm

L 1=H 1+l 自=14+35.5=49.5mm L 2=H 1+l 自=14+35=49mm 2.3.3.2 凸模强度（压应力）校核 校核公式为

P 孔F m

i n

2

2

≤[σ]压

式中 F m i n —凸模最小断面积，F min

⎛d ⎫⎛5. 13⎫2

=π ⎪=π⨯ ⎪=20. 67mm ； ⎝2⎭⎝2⎭

[σ]压—凸模材料的许用压应力，凸模材料选用Cr12MoV ，查参考文献[2]知，[σ]压=（1000～1600）MPa ，取[σ]压=1200 MPa。 因为

P 孔F min

=612320. 67

=296 MPa

所以凸模强度校核符合要求。

2.3.3.3凸模刚度（细长杆失稳）校核。 校核公式 l max ≤

πμ

EJ

max

nP 孔

式中 l m a x —凸模最大自由高度；

E —凸模材料弹性模量，一般取E =2. 1⨯105MPa ； J m a x —凸模最小断面惯性矩，圆形断面J max = μ—支承系数，无导板导向μ=2；

n —安全系数，钢取n =2～3。

πd 64

4

；

代入公式得 l max ≤

πμ

EJ

max

nP 孔

=

π

2

210000⨯π⨯5. 1364⨯3⨯6123

4

=80. 96

mm

实际 l 自=35. 5mm

图5.3凸凹模各部分尺寸

1）凸凹模长度H H

pd pd

确定

=h 自由-h 预+H 卸+H 2=14-2+10+24=46

mm

式中 H 卸—卸料板厚度，取H 卸=10mm ；

H 1—凸凹模固定板厚度，H 1=（0. 6～0.8）(H 凹+h )=（0. 6～0.8）

⨯35=

21～28mm ，取H 1=24mm 。

2）凸凹模壁厚校核

查参考文献[2]知，倒装复合模凸凹模最小壁厚n min =2.7（料厚t =1mm ）； 本设计中n =(79.49-60-5.39)/2=7.05>n min

所以凸凹模壁厚校核合格，按图设计的凸凹模符合要求。 3）其他

漏料孔直径取φ1=44mm φ2=7mm ，刃口直边设计存三片料，高为5mm ，凸凹模和凸凹模固定板之间在装配时安装止转销防转。

2.4 模具总体结构设计

冲孔废料由冲孔凸模冲入凹模洞口中，积累到一定数量，由下模漏料孔排出，不必清除废料，操作方便，应用很广，但工件表面平直度较差，凸凹模承受的张力较大，因此凸凹模的壁厚应严格控制，以免强度不足。

经分析，此工件有三个孔，若采用正装式复合模，操作很不方便；另外，此工件无较高的平直度要求，工件精度要求也较低，所以从操作方便、模具制造简单等方面考虑，决定采用倒装式复合模。

2.4.1送料定位机构设计

采用伸缩式挡料销纵向定位，安装在橡胶垫和活动卸料板之间。工作时可随凹模下行而压入孔内，工作很方便.

2.4.2卸料机构设计

2.4.2.1条料的卸除

采用弹性卸料板。因为是倒装式复合模，所以卸料板安装在下模。

2.4.2.2 工件的卸除

采用打料装置将工件从落料凹模中推下，罗在模具工作表面上。 2.4.2.3 冲孔废料的卸除

下模座上采用漏料孔排出。冲孔废料在下模的凸凹模内积聚到一定数量，便从下模座的漏料孔中排出。

2.4.3 出件机构设计

因为是复合模结构，所以采用上出件机构

2.5 其他零件尺寸的确定

2.5.1橡胶垫

为保证橡胶垫不过早失去弹性而破坏，其允许的最大压缩两不得超过摘要高度的45%，一般取自由高度的35%～45%。橡胶垫的预压缩量一般取自由高度的10%～15%。

橡胶垫产生的力

F Ap

式中 F —压力；

A —橡胶垫横截面积；

p —与橡胶垫压缩量有关的单位压力，如表5.1所示。

表5.1 橡胶压缩量和单位压力

取 A =

π

4⨯150

(

2

-80

2

)=12644

=

. 9mm

2

，则

p =

P 卸A

294012644. 9

=0. 23MPa

取压缩量为25%，预压缩量为10%，工作行程s =t +1≈2mm 。 所以橡胶垫的自由高度为 h 自由=

s 0. 25-0. 10

=13. 3mm ，取

14mm

预压缩量取为 h 预=2m 。

2.5.2 凸凹模固定板

凸凹模固定板形状与凹模板一致，如图5.3所示，厚度为24mm 。

2.5.3凸模固定板

凸模固定板将凸模固定在模座上，其平面轮廓尺寸与凹模板外形尺寸相同，但还应考虑紧固螺钉及销钉的位置。固定板的凸模安装孔与凸模采用过渡配合H7/m6、H7/n6，压装后将凸模端面与固定板一起磨平。凸模固定板为圆形，厚度一般取凹模厚度的0.6~0.8倍，材料为Q235 H 凸固定=14mm

2.5.4垫板

冲裁时，如果凸模的端部对模座的压应力超过模座材料的许用压应力，这时需

要在凸模端部与模座之间加上一块强度较高的垫板。即下列情况下雨加垫板。

σ

y

式中 σy —凸模端面的压应力，其数值为

P F

；

[σy ]—模座材料下雨压应力，其数值：铸铁约为100MPa ，钢约为200 MPa ； P —冲裁力；

F —凸模上端面面积。

垫板的下载与凸模固定板一致，厚度一般取4～12mm 。垫板淬硬后两面应磨平，表面粗糙度Ra ≤0.32～0.63。

由于本套模具选用压入式模柄，在上模座与凸模固定板之间也必须安装垫板，厚度取为8mm 。

下面校核一下凸凹模与下模座之间是否下雨加垫板。 已知凸凹模下端面直径D pd =90mm ，所以 F =

π

4D

2

=

π

4

⨯90

2

=6361.73mm

2

P =P 孔+P 落=61253.4+98018.7=159272.1N 所以 σy =

P F =

159272.16361.7

=25MPa

模座采用铸铁，[σy ]=100MPa >σy ，所以不用加垫板。

2.5.5 卸料板

卸料板同样为圆形板，直径和凹模板一致，如图5.3所示，厚度为10mm 。卸料板材料选A3或（45）钢，不用热处理淬硬。 取卸料板与凸凹模的双面间隙为0.1～0.3mm.

卸料板上设置4个卸料螺钉，公称直径为10mm ，螺纹部分为M10×10mm 。卸料钉尾部应留有足够的行程空间。卸料螺钉拧紧后，应使卸料板超出凸模端面lmm ，有误差时通过在螺钉与卸料板之间安装垫片来调整。

2.5.6模座

根据凹模板的尺寸，模座采用标准的中间导柱圆形模座，材料采用HT200。

标记为：上模座160⨯40 GB2855.11—81；

下模座160⨯45 GB2855.12—81。

2.6 压力机的确定

模具的闭合高度为

H 闭=H上模＋ H垫＋L ＋ H ＋ H下模－h2 =（40+8+14+35+46+45-2）mm=186mm

式中 L——凸模长度，L=49mm；

H ——凹模厚度，H=35mm；

h2——凸模冲裁后进入凹模的深度，h2=2mm。 选择压力机JC23-35 公称压力350KN

最大闭合高度280mm 最小闭合高度220mm

所以H max -5>H 模>H min +10

压力机工作台尺寸380⨯610，一般工作台面尺寸每边应大于模具下模座尺寸50～70mm ， 所以压力机合格，可用

第3章 零件建模 装配体及工程图

3.2零件建模

通过前面的设计可知，该套模具共包含28种零件，其中6种标准可从软件的零件库中调用，剩余的22种则要有设计者之间设计。

在CATIA 中，可以通过多种方式将曲面转换为实体，下面为两种典型的零件的画法。

（1） 凹模板

操作步骤为：1. 在草绘平面内作凹模板外形、刃口和销孔；2. 用拉伸命令将平面拉伸为实体；3. 用异性孔向导命令端面上相应的位置作出螺纹孔；4. 用环形阵列命令作出另外两个螺纹孔；4. 用拉伸切除命令作出大孔。 （2） 凸凹模

操作步骤为：1. 用旋转命令作出凸凹模的外形；2. 用拉伸切除命令分别在上下端面作出冲孔孔和漏料孔；3. 用拉伸切除命令在下端面上作出销孔。

刚才图对于产品设计而言有重要作用，它是传递产品信息的规范。在3D 零件制作完成以后，需要按照一定的标准绘制2D 展开。

在CATIA 中，可以直接由实体生成二维的投影图，然后再对二维图形进行诸如剖视、标注等基本操作，最终完成工程图的绘制