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黑龍江東方學院本科生畢業(yè)論文（設計）
汽車發(fā)動機墊片復合模設計
第1章 緒 論
1.1 選題的背景和意義
1.1.1 選題的背景
隨著科學技術的發(fā)展需要，模具已成為現(xiàn)代化不可缺少的工藝裝備，模具設計是模具專業(yè)一個最重要的教學環(huán)節(jié),是一門實踐性很強的學科，是我們對所學知識的綜合運用，通過對專業(yè)知識的綜合運用，使學生對模具從設計到制造的過程有了一個基本的了解和認識，為以后的工作及進一步學習深造打下了堅實的基礎。
畢業(yè)設計的主要目的有兩個：一是讓學生掌握查閱查資料手冊的能力，能夠熟練的運用工程軟件進行模具設計。二是掌握模具設計方法和步驟,了解模具的加工工藝過程。
本文是連接板落料、沖孔復合模設計說明書，結合模具的設計，廣泛聽取各位人士的意見，經(jīng)過多次修改和驗證編制而成。為了達到設計的規(guī)范化，標準化和合理性，本人通過查閱多方面的資料文獻，力求內(nèi)容簡單扼要，文字順通，層次分明，論述充分。文中附有必要的插圖和數(shù)據(jù)說明
1.1.2 課題的主要目的和意義
該課題主要針對汽車發(fā)動機墊片零件，在對墊片沖孔、落料等成形工藝分析的基礎上，提出了該零件采用落料-沖孔復合沖壓，采用復合模的沖壓方案；根據(jù)零件的形狀、尺寸精度要求，設計過程中綜合考慮采用“縱排方案”排樣，成形側刃定位，保證工件的尺寸和形狀位置精度要求的同時，提高了材料的利用率和勞動生產(chǎn)率。
本課題涉及的知識面廣，綜合性較強，在鞏固大學所學知識的同時，對于提高設計者的創(chuàng)新能力、協(xié)調(diào)能力，開闊設計思路等方面為作者提供了一個良好的平臺。
1.2沖壓模具在加工工業(yè)中的地位
中國沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀改革開放帶了我國的經(jīng)濟進入高速發(fā)展的時期，模具的市場的需求量也進一步的增加。模具行業(yè)也一直以15%左右的增速再發(fā)展。因此帶來的模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分的巨大變化，一些國有專業(yè)模具廠也如雨后春筍般的建立起來，同時也帶來了以集體、獨資、私營和合資等形式的快速發(fā)展。
沖壓成形作為現(xiàn)代工業(yè)中一種十分重要的加工方法，用以生產(chǎn)各種板料零件,具有很多獨特的優(yōu)勢，其成形件具有自重輕、剛度大、強度高、互換性好、成本低、生產(chǎn)過程便于實現(xiàn)機械自動化及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，是一種其它加工方法所不能相比和不可替
現(xiàn)代的先進制造技術，在制造業(yè)中具有很強的競爭力，被廣泛應用于汽車、能源、機械、信息、航空航天、國防工業(yè)和日常生活的生產(chǎn)之中。
在吸收了力學、數(shù)學、金屬材料學、機械科學以及控制、計算機技術等方面的知識后，已經(jīng)形成了沖壓學科的成形基本理論。以沖壓產(chǎn)品為龍頭，以模具為中心，結合現(xiàn) 代先進技術的應用，在產(chǎn)品的巨大市場需求刺激和推動下，沖壓成形技術在國民經(jīng)濟發(fā)展、實現(xiàn)現(xiàn)代化和提高人民生活水平方面發(fā)揮著越來越重要的作用。
1.3 我國沖壓模具工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向
1.3.1 沖壓模具的現(xiàn)狀
目前我國模具年生產(chǎn)總量雖然已位居世界第三，其中，沖壓模占模具總量的40%以上，但在整個模具設計制造水平和標準化程度上，與德國、美國、日本等發(fā)達國家相比還存在相當大的差距。以大型覆蓋件沖模為代表，我國已能生產(chǎn)部分轎車覆蓋件模具。轎車覆蓋件模具設計和制造難度大，質(zhì)量和精度要求高，代表覆蓋件模具的水平。在設計制造方法、手段上已基本達到了國際水平，模具結構功能方面也接近國際水平，在轎車模具國產(chǎn)化進程中前進了一大步。但在制造質(zhì)量、精度、制造周期和成本方面，與國外相比還存在一定的差距。標志沖模技術先進水平的多工位級進模和多功能模具，是我國重點發(fā)展的精密模具品種，在制造精度、使用壽命、模具結構和功能上，與國外多工位級進模和多功能模具相比，存在一定差距。
展望國內(nèi)外模具CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展，本世紀的科學技術正處于日新月異的變革之中，通過與計算機技術的緊密結合，人工智能技術、并行工程、面向裝配、參數(shù)化特征建模以及關聯(lián)設計等一系列與模具工業(yè)相關的技術發(fā)展之快，學科領域交叉之廣前所未見。今后10年新一代模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)必然是當今最好的設計理念、最新的成形理論和最高水平的制造方法相結合的產(chǎn)物，其特點將反映在專業(yè)化、網(wǎng)絡化、集成化、智能化四個方面。即：模具CAD/CAM的專業(yè)化程度不斷提高、基于網(wǎng)絡的CAD/CAE/CAM一體化系統(tǒng)結構初見端倪、模具CAD/CAE/CAM的智能化引人注目、與先進制造技術的結合日益緊密。
模具是工業(yè)生產(chǎn)中的基礎工藝裝備，是一種高附加值的高技術密集型產(chǎn)品，也是高新技術產(chǎn)業(yè)的重要領域，其技術水平的高低已成為衡量一個國家制造水平的重要標志。隨著國民經(jīng)濟總量和工業(yè)產(chǎn)品技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對模具的需求量越來越大，技術要求也越來越高。目前我國模具工業(yè)的發(fā)展步伐日益加快，“十一五期間”產(chǎn)品發(fā)展重點主要應表現(xiàn)在 汽車覆蓋件模精密沖模、大型及精密塑料模、主要模具標準件、其它高技術含量的模具。
1.3.2中國沖壓模具的發(fā)展方向
模具技術的發(fā)展應該為適應模具產(chǎn)品“交貨期短”、“精度高”、“質(zhì)量好”、“價格低”的要求服務。達到這一要求急需發(fā)展如下幾項：
(1)全面推廣CAD/CAM技術模具CAD/CAM技術是模具設計制造的發(fā)展方向。
(2)高速銑削加工國外近年來發(fā)展的高速銑削加工，大幅度提高了加工效率，并可獲得極高的表面光潔度。另外，還可加工高硬度模塊，還具有溫升低、熱變形小等優(yōu)點。高速銑削加工技術的發(fā)展，對汽車、家電行業(yè)中大型型腔模具制造注入了新的活力。目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展。
(3)模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)高速掃描機和模具掃描系統(tǒng)提供了從模型或實物掃描到加工出期望的模型所需的諸多功能，大大縮短了模具的在研制制造周期。
(4)電火花銑削加工電火花銑削加工技術也稱為電火花創(chuàng)成加工技術，這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工型腔的新技術，它是有高速旋轉的簡單的管狀電極作三維或二維輪廓加工(像數(shù)控銑一樣)，因此不再需要制造復雜的成型電極，這顯然是電火花成形加工領域的重大發(fā)展。國外已有使用這種技術的機床在模具加工中應用。預計這一技術將得到發(fā)展。
(5)提高模具標準化程度我國模具標準化程度正在不斷提高，估計目前我國模具標準件使用覆蓋率已達到30%左右。國外發(fā)達國家一般為80%左右。
(6)優(yōu)質(zhì)材料及先進表面處理技術選用優(yōu)質(zhì)鋼材和應用相應的表面處理技術來提高模具的壽命就顯得十分必要。模具熱處理和表面處理是否能充分發(fā)揮模具鋼材料性能的關鍵環(huán)節(jié)。模具熱處理的發(fā)展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善應發(fā)展工藝先進的等離子噴涂等技術。
(7)模具研磨拋光將自動化、智能化模具表面的質(zhì)量對模具使用壽命、制件外觀質(zhì)量等方面均有較大的影響，研究自動化、智能化的研磨與拋光方法替代現(xiàn)有手工操作，以提高模具表面質(zhì)量是重要的發(fā)展趨勢。
(8)模具自動加工系統(tǒng)的發(fā)展這是我國長遠發(fā)展的目標。模具自動加工系統(tǒng)應有多臺機床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的機具、刀具數(shù)控庫；有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng)；有質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)。
我國沖壓模具與發(fā)達國家企業(yè)之間的差距不小，因此要發(fā)揮整體優(yōu)勢和綜合競爭力，要加強統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、完善合作機制，創(chuàng)造性地工作。也需要加大對模具相關專業(yè)人才的綜合素質(zhì)培訓投入。[1]
1.4 本文內(nèi)容
對工藝方案的確定，沖壓件的結構和技術要求進行了分析，并簡要介紹了沖壓件材料的特性與工藝參數(shù)；介紹了模具材料的選取及熱處理方法，和壓力機的選取。
對刃口尺寸計算、排樣計算、沖裁間隙計算、沖壓力計算、壓力中心計算，對模具工作壓力機的校核；對凹、凸模中的部分尺寸、精度進行了計算與查表，并選取了模架各板尺寸；
模具零部件結構的確定，標準模架的選用，卸料裝置中彈性元件的計算。
簡要介紹了CAD在模具設計中的應用和發(fā)展。
第2章產(chǎn)品工藝分析和工藝方案確定
2.1產(chǎn)品工藝性分析
工件為圖所示的落料沖孔件，材料為Q235鋼，材料厚度為2mm,生產(chǎn)批量為大批。工藝性分析內(nèi)容如下：
圖 2-1
材料分析
Q235為普通碳素結構鋼，具有較好的沖裁成型性能。
（1）結構分析
零件結構簡單對稱，無尖角對沖裁加工較為有利。零件中部有一異形孔，孔的最小尺寸為6mm,滿足沖裁最小孔徑dmin≥1.0t=2mm的要求。另外，經(jīng)計算，異形孔距零件外形的最小孔邊距為5.5mm,滿足沖裁件最小孔邊距l(xiāng)min≥1.5t=3mm的要求。所以，該零件的結構滿足沖裁要求。
（2）精度分析
零件上有4個尺寸標注了公差，由附錄E查得其公差等級都屬IT13，所以普通沖裁可以達到零件的精度要求。對于未注公差尺寸按IT14等級查補。
由以上分析可知，該零件可以用普通沖裁的加工方法制得。
2.2工藝方案的確定
加工方案的分析.由零件圖可知，該零件包含沖孔和落料兩個工序。形狀較為規(guī)則，精度要求IT13。材料低硬度，強度極限為40MPa.
根據(jù)鑲片（如圖1）包括沖孔、落料兩道沖壓工序。模具形狀較為規(guī)則即可以在一個工位完成所有工序。可采用以下兩種方案可采用以下幾個方案：
方案一（級進模）
夾頭鑲片包括沖孔、落料兩道沖壓工序在內(nèi)。形狀較為規(guī)則，精度要求IT13。可采用級進模。
方案二（倒裝復合模）
將沖孔、落料兩道沖壓工序用一副模具直接完成沖孔、落料兩道工序。采用沖孔、落料倒裝復合模（彈性卸料）。模具結構參看所附裝配圖。
方案三（正裝復合模）
正裝復合模方案完成工序和倒裝復合模完成的工序一樣。凸凹模在上模。彈性卸料板卸料。
方案比較：
方案一：采用級進模，安全性好，，但是考慮到級進模結構復雜，工件精度加工精度不高,對稱度和位移誤差較大,以及加工難度較大，裝配位置精度要求高，按照實際生產(chǎn)，級進模成本也高。
方案二：倒裝復合模，沖孔廢料由下模漏出，工件落在下模表面，需要及時清理。安全性相對較低。但工件精度較高,同軸度,對稱度及位置度誤差較小,生產(chǎn)效率較高,對材料要求不嚴,可用邊角料.
方案三：正裝復合模，沖孔廢料和工件都落在下模表面，安全性更差。
比較三個方案欲采用復合模后，便要考慮采用正裝式還是倒裝式復合模。大多數(shù)情況優(yōu)先采用倒裝式復合模，這是因為倒裝式復合模的沖孔廢料可以通過凸凹模從壓力機工作臺孔中漏出。工件由上面的凹模帶上后，由推薦裝置推出，再由壓力機附上的接件裝置接走。條料由下模的卸料裝置脫出。這樣操作方便而且安全，能保證較高的生產(chǎn)率。而正裝式復合模，沖孔廢料由上模帶上，再由推料裝置推出，工件則由下模的推件裝置向上推出，條料由上模卸料裝置脫出，三者混雜在一起，如果萬一來不及排出廢料或工件而進行下一次沖壓，就容易崩裂模具刃口。
所以，比較三個方案欲采用方案二生產(chǎn)?，F(xiàn)對復合模中凸凹模壁厚進行校核，當材料厚度為2mm時，可查得凸凹模最小壁厚為4.9mm，現(xiàn)零件上的最小孔邊距為5.5mm，所以可以采用倒裝復合模生產(chǎn)，即采用方案二。
確定沖壓工藝方案后，應通過分析比較，選擇合理的模具結構型式，使其盡量滿足以下要求：能沖出符合技術要求的工件；能提高生產(chǎn)率；模具制造和維修方便；模具有足夠的壽命；模具易于安裝調(diào)整，且操作方便、安全。[5]
第3章 產(chǎn)品工藝計算和設計
3.1沖裁間隙的影響與沖裁模間隙的確定
3.1.1沖裁間隙的影響
沖裁間隙對沖裁過程有著很大的影響。在前述中已經(jīng)分析了間隙對沖裁件質(zhì)量起著決定性作用。除此以外，間隙對沖壓力和模具壽命也有著較大的影響。
間隙對沖壓力的影響:
間隙很小時，因材料的擠壓和摩擦作用增強，沖裁力必然較大。隨著間隙的增大，材料所受的拉應力增大，容易斷裂分離，因此沖裁力減小。但試驗表明，當單面間隙介于材料厚度的6％～15％范圍內(nèi)時，沖裁力降低不多，不超過5％～10％。
a b c
圖3-1 間隙大小對沖裁件斷面質(zhì)量的影響
間隙對卸料力、頂件力、推件力的影響比較顯著。由于間隙的增大，使沖裁件的光亮帶變窄，材料彈性回復使落料件尺寸小于凹模尺寸，沖孔件尺寸大于凸模尺寸，因而使卸料力、推件力或頂件力隨之減小。一般當單面間隙增大到材料厚度的15％～25％左右時，卸料力幾乎達到零，但間隙繼續(xù)增大會使毛刺增大，又將引起卸料力、頂件力的迅速增大。
間隙對模具壽命的影響:
模具壽命通常是用模具失效前所沖得的合格沖裁件數(shù)量來表示。沖裁模的失效形式一般有磨損、變形、崩刃和凹模脹裂。間隙大小主要對模具的磨損及凹模的脹裂產(chǎn)生較大影響。在沖裁過程中，由于材料的彎曲變形，材料對模具的反作用力主要集中在凸、凹模刃口部分。如果間隙小，垂直沖裁力和側向擠壓力將增大，摩擦力也增大，且間隙小時，光亮帶變寬，摩擦距離增長，摩擦發(fā)熱嚴重，所以小間隙將使凸、凹模刃口磨損加劇，甚至使模具與材料之間產(chǎn)生動結現(xiàn)象，嚴重的還會產(chǎn)生崩刃。另外，小間隙因落料件堵塞在凹模洞口的脹力也大，容易產(chǎn)生凹模脹裂。小間隙還易產(chǎn)生小凸模折斷，凸、凹模相互啃刃等異?，F(xiàn)象。
凸、凹模磨損后，其刃口處形成圓角，沖裁件上就會出現(xiàn)不正常的毛刺，且因刃口尺寸發(fā)生變化，沖裁件的尺寸精度也降低，模具壽命減小。因此，為了減少模具的磨損，延長模具使用壽命，在保證沖裁件質(zhì)量的前提下，應適當選用較大的間隙值。若采用小間隙，就必須提高模具硬度和精度，減小模具表面粗糙度值，提供良好潤滑，以減小磨損。
3.1.2沖裁間隙值的確定
由上述分析可以看出，沖裁間隙對沖裁件質(zhì)量、沖壓力、模具壽命等都有很大的影響，但影響的規(guī)律各有不同。因此，并不存在一個絕對合理的間隙值，能同時滿足沖裁件斷面質(zhì)量最佳、尺寸精度最高、沖裁模壽命最長、沖壓力最小等各方面的要求。在沖壓實際生產(chǎn)中，為了獲得合格的沖裁件、較小的沖壓力和保證模具有一定的壽命，我們給間隙值規(guī)定一個范圍，這個間隙值范圍就稱為合理間隙，這個范圍的最小值稱為最小合理間隙（Zmin），最大值稱為最大合理間隙（Zmax）。考慮到?jīng)_裁模在使用過程中會逐漸磨損，間隙會增大，故在設計和制造新模具時，應采用最小合理間隙。
確定合理間隙的方法有理論確定法和經(jīng)驗確定法兩種。但在實際工作中主要采用比較簡單的經(jīng)驗法來確定合理間隙的數(shù)值。
理論確定法:
沖裁模間隙主要是根據(jù)凸、凹模刃口產(chǎn)生的裂紋相互重合的原則進行計算。
Z=2(t-h0)tanβ=2t〔1-(h0/t)〕tanβ
式中：t---材料厚度；
h0---產(chǎn)生裂紋時凸模擠入材料深度；
h0/t---產(chǎn)生裂紋時凸模擠入材料的相對深度；
β---剪切裂紋與垂線間的夾角。
經(jīng)驗確定法:
經(jīng)驗確定法是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定間隙值。有關間隙值的數(shù)值，可在一般沖壓手冊中查到。選用時結合沖裁件的質(zhì)量要求和實際生產(chǎn)條件考慮。常用材料的沖裁模初始雙面間隙見附錄F。
間隙值可按要求分類查表確定。
Zmax=0.16mm 可詳見GB/T16743--1997.[1]
3.2刃口尺寸計算
確定沖模磨刃口尺寸須考慮的幾個因素：
沖裁時，由于裂紋是斜的，沖出來的“孔”或“料”的尺寸沿板料厚度上并不一致。一沖孔來說，我們測量孔的尺寸只能是它的最小尺寸，也就是，量得的孔的尺寸與凹模的尺寸相同。這樣我們得到確定沖模模刃尺寸的基本概念如下：
沖孔時：
凸模尺寸=圖紙上要求的孔的尺寸
凹模尺寸=凹模尺寸+間隙
落料時：
凹模尺寸=圖紙上要求的料的尺寸
凸模尺寸=凹模尺寸—間隙
在沖模使用過程中，沖模模刃受到磨損。凸模模刃由于磨損而逐漸減小，凹模模刃由于磨損而逐漸增大。這樣，沖空件的孔就逐漸縮小，落料件的外形尺寸就逐漸增大。所以，為了保證工件符合公差的要求，沖孔時，凸模尺寸應按孔的最大極限尺寸確定；落料時，凹模尺寸應按落料件的最小極限尺寸確定。
板料在沖裁后，材料內(nèi)部金屬顆粒由于強大壓力的突然消失而有彈性回跳現(xiàn)象，這樣就使落料件尺寸比凹模尺寸大一些，沖孔件孔的尺寸比凸模尺寸小一些。在沖模設計時，有時要考慮這個因素，即落料時，凹模尺寸要比落料件的最小極限尺寸再小一些。沖孔時，凸模尺寸要比孔的最大極限尺寸再大一些。
本設計中根據(jù)材料性質(zhì)，模具結構，潤滑情況等，選用彈性回跳數(shù)值r：
沖孔時：D=111 r=0.015mm
落料時：彈性回跳數(shù)值很小，一般不考慮。
沖模在制造時必須有制造公差。模具公差通常這樣考慮：沖孔時，凸模尺寸按孔的最大極限尺寸確定，其公差為孔的公差的25～35％，取負號：落料時，凹模尺寸按落料件的最小極限尺寸確定，其公差為孔公差的25～35％，取正號。上述考慮的根據(jù)是：沖模的精度等級必須比工件的精度等級高，隨著工件精度等級降低，沖模的精度等級也可以適當降低。
根據(jù)零件形狀特點，刃口尺寸計算采用分開制造法。
落料件尺寸的基本計算公式
DA=（Dmax-X△)0+δA
DT=(DA-Zmin)0-δT=(Dmax-X△-Zmin)0-δT
尺寸R100-0.22mm可以查得凸、凹模最小間隙Zmin=0.246mm,最小間隙Zmax=0.360mm,凸模制造公差δT=0.020mm,凸模制造公差δA=0.030mm.將以上各值代入 δT+δA≤Zmax-Zmin校驗是否成立。經(jīng)校驗，不等式成立，所以可按公式計算工作零件刃口尺寸。
DA1=（10-0.75×0.22）+0.0300mm=9.835+0.0300mm
DT1=(9.835-0.246)0-0.22mm=9.580-0.229mm
沖孔基本公式為
dT=（dmax+X△)0-δ
dA=(dmin+Zmin)0-δT=(Dmax-X△-Zmin)+δA0
尺寸R4.5+0.180mm,查附錄D得其凸模制造公差δT=0.020mm，凹模制造公差δA=0.020mm。經(jīng)驗算，滿足不等式δT+δA≤Zmax-Zmin，因該尺寸為單邊磨損尺寸，所以計算時沖裁間隙減半，得
dT1=(4.5+0.75×0.18) 0-0.22mm=4.6350-0.22mm
dA1=(4.635+0.246/2)+0.0200mm=4.758+0.0200mm
尺寸R3+0.180mm,查附錄D得其凸模制造公差δT=0.020mm，凹模制造公差δA=0.020mm經(jīng)驗算，滿足不等式δT+δA≤Zmax-Zmin，因該尺寸為單邊磨損尺寸，所以計算時沖裁間隙減半，得
dT1=(3+0.75×0.18) 0-0.22mm=3.1350-0.22mm
dA1=(3.135+0.246/2) +0.0200mm=3.258+0.0200mm
中心距
尺寸（57±0.2）mm
L=（57±0.2/4）mm=（57±0.05）mm
尺寸（7.5±0.12）mm
L=(7.5±0.12/4)mm=(7.5±0.03)mm
尺寸（4.5±0.12）
L=（4.5±0.12/4）mm=(4.5±0.03)mm[6]
3.3排樣計算
分析零件形狀，應采用單直排的排樣方式，零件可能的排樣方式有圖所示兩種。
a b
圖 3-2
比較兩種方案，圖 3-2（b）所示橫排方案所裁條料寬度過窄，剪板時容易造成條料變形和卷曲，所以應采用圖 3-2（a）所示縱排方案?，F(xiàn)選用4000mm×1000mm的鋼板，則需計算采用不同的裁剪方式時，每張板料能出的零件總個數(shù)。
裁成寬81.4 mm、長1000mm的條料，則一張板料能出的零件總個數(shù)為
〔4000/81.4〕×〔1000/22〕=49×45=2205
裁成寬81.4 mm、長4000mm的條料，則一張板料能出的零件總個數(shù)為
〔1000/81.4〕×〔4000/22〕=12×181=2172
比較以上兩種方法，應采用第一種裁剪方式，即裁成為寬81.4 mm、長1000mm的條料。其具體排樣圖如圖 3-3所示。
圖 3-3
確定排樣方式和計算材料利用率
在沖壓零件的成本中，材料費用占60%以上，因此材料的經(jīng)濟利用是一個重要問題。沖裁件在板料上的布置叫排樣。合理排樣，充分利用材料具有重大的意義，排樣的經(jīng)濟程度中材料的利用率K表示為：
式中 K—材料利用率（%）；
n—條料上生產(chǎn)的沖件數(shù)；
a—每一沖件的面積（）；
A0—條料面積（）。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計算出落料面積為1454，代入公式得：
2205×1454/4000000×100%=80.15%,
2172×1454/4000000×100%=78.95%?？梢缘贸龅谝环N排樣材料利用率高。[4]
3.4沖壓力計算
計算沖裁力的目的是為了合理地選擇壓力機和設計模具，壓力機的噸位必須大于所計算的沖裁力，以適應沖裁的要求。
沖裁力
沖裁力的大小主要與材料力學性能、厚度及沖裁件分離的輪廓長度有關。
平刃口模具沖裁時，沖裁力F（N）可按下式進行計算F=KLtτ
式中 L—沖裁件周邊長度（216mm）；
t —材料厚度（2mm）；
τ—材料抗剪強度（350M Pa）；
K—系數(shù)。（考慮到模具刃口的磨損，模具間隙的波動，材料力學性能的變化及材料厚度偏差等因素，一般取K=1.3）
一般情況下，材料的 ，為計算方便，也可用下式計算沖裁力F（N）
式中 —材料的抗拉強度（MPa）。
此例中零件的周長為216mm，材料厚度為2mm，Q235鋼的抗剪強度取350 M Pa，則沖裁該零件所需沖裁力為
F=1.3×216×2×350N=196560N≈197kN
卸料力F卸、推件力F推和頂件力F頂?shù)挠嬎?
當上模完成一次沖裁后，沖入凹模內(nèi)的制件或廢料因彈性擴張而梗塞在凹模內(nèi)，模面上的材料因彈性收縮而會緊箍在凸模上。為了使沖裁工作連續(xù)，操作方便，必須將套在凸模上的材料刮下，將梗塞在凹模內(nèi)的制件或廢料向下推出或向上頂出。從凸模上刮下材料所需的力，稱為卸料力；從凹模內(nèi)向下推出制件或廢料所需的力，稱為推料力。從凹模內(nèi)向上頂出制件所需的力，稱頂件力。
是由壓力機和模具的卸料、推料、頂件裝置獲得的。影響這些力的因素主要有材料的力學性能、材料厚度、模具間隙、凸、凹模表面粗糙度、零件形狀和尺寸以及潤滑情況等。要準確計算這些力是困難的，實際生產(chǎn)中常用下列經(jīng)驗公式計算
F卸=K卸F沖
F推= nK推F沖
F頂=K頂F沖
式中 F沖----沖裁力（kN）
F卸\K推—系數(shù)，由《冷沖壓模具設計指導書》表2-20即附錄H查得，
卸料力、推件力和頂件力系數(shù)，F(xiàn)卸 =0.05， K推=0.055；
F卸=K卸 F=0.05×197 kN=9.85 kN
F推=N K推 F=3×0.055×197 kN≈32.5 kN
則零件所需的沖壓力為
F總=F＋F卸＋F推=（197＋9.85＋32.5）kN=239.35 kN
初選設備為開始壓力機J23-35.
型號為JC23—35壓力機的基本參數(shù)如：
公稱壓力/KN
350
墊板尺寸/mm
厚度60
滑塊行程/KM
80
直徑150
滑塊行程次數(shù)/（次/min）
50
模柄孔尺寸/mm
直徑50
深度70
最大封閉高度/mm
280
滑塊底面積尺寸/mm
前后190
封閉高度調(diào)節(jié)量
60
左右210
滑塊中心線至床身距離/mm
205
床身最大可傾角
20°
立柱距離/mm
300
工作臺尺寸/mm
前后380
左右610
工作臺孔尺寸
前后200
左右290
直徑260
3.5壓力中心計算
零件外形為對稱件，中間的異形孔雖然左右不對稱，但孔的尺寸很小，左右兩邊圓弧各自的壓力中心距零件中心線的距離差距很小，所以該零件的壓力中心可近似認為就是零件外形中心線的交點。[6]
3.6沖壓設備的選用
根據(jù)沖壓力的大小，選取開式雙柱可傾壓力機JH23-35，其主要技術參數(shù)如下：
公稱壓力 350 k N
滑塊行程 80 mm
最大閉合高度 280 mm
閉合高度調(diào)節(jié)量 60 mm
滑塊中心線到床身距離 205 mm
工作臺尺寸 380 mm×610 mm
工作臺孔尺寸 200 mm×290 mm
模柄孔尺寸 ?50 mm×70 mm
墊板厚度 60 mm
第4章 模具零部件結構的確定
4.1標準模架的選用
標準模架選用的依據(jù)為凹模的外形尺寸。所以應首先計算凹模周界的大小。由凹模高度和壁厚的計算公式得，凹模高度H=Kb=0.28×77mm≈22mm,凹模壁厚C=（1.5~5）H=1.8×22mm≈40mm。
所以，凹模的總長為L≈(77+2×40)mm≈100mm。
模具采用后置導柱模架，根據(jù)以上計算結果，可查得模架規(guī)格為:
上模座160mm×125mm×35mm；
下模座160mm×125mm×40mm；
導柱25mm×150mm；
導套25mm×85mm×33mm。[2]
4.2卸料裝置中彈性元件的計算
模具采用彈性卸料裝置，彈性元件選用聚氨酯橡膠，其尺寸計算如下：
確定橡膠墊的自由高度Ho≈(3.5～4)Hx
Hx=h工作+h修磨=t+1mm+(5～10)mm=(2+1+7)mm=10mm
由以上兩個公式，取H0=40mm
確定橡膠墊的橫截面積A
A=FX/p
查得巨型橡膠在預壓量為10%時的單位壓力為0.6MPa,所以
確定橡膠墊的平面尺寸
根據(jù)零件的形狀特點，橡膠墊的外形應為矩形，中間開有矩形孔以避讓凸模。結合零件的具體尺寸，橡膠墊中間的避讓孔尺寸為82mm×25mm,外形暫定一邊長為160mm，則另一邊長 b為
b×160mm-82mm×25mm=A
B=(16417+82×25)/160≈115mm
校該橡膠墊的自由高度H0
為滿足橡膠墊的高徑比要求，將橡膠墊分割成四塊裝入模具中，其最大外形尺寸為80mm,H0/D=40/80=0.5所以橡膠墊的高徑比在0.5～1.5之間，所以選用的橡膠墊規(guī)格合理。橡膠的裝模高度約為0.85×40mm=34mm.[9]
4.3沖裁模凸凹模材料選取的原則
沖裁模的凹模承受較大的拉應力，凸模承受力較大的壓應力。凸凹模正常失效一般是由于刃口部位的磨損。因為這類模具，特別是工件批量大，加工板料強度高的模具，要求模具材料必須有較高的強度和耐磨性。其中凸模還必須擁有良好的韌性，以防止由于承受較強的彎曲和沖擊載荷造成折斷，崩刃而早期失效。大截面的凸凹模應重視模具材料的淬透性，形狀復雜的模具應重視氣熱處理變形性，淬透性和加工性，磨削性。[8]
4.4其他零部件結構
凸模由凸模固定版固定，兩者采用過渡配合。模柄采用凸緣式模柄，根據(jù)設備上模柄孔尺寸，選用規(guī)格A50×100的模柄
4.5定位裝置
為了使條料送料時有準確的位置,保證沖出合格的制件,同時考慮到零件生產(chǎn)批量不多,且要求模具結構盡量簡單,所以采用定位銷定位。
因為板料厚度t=2mm,固采用側面兩個固定擋料銷定位導向,在送料方向由于受凸模和凹模的影響,為了不至于削弱模具的強度,在送給方向采用一個彈簧擋料裝置的活動擋料銷.
4.6推件裝置
在倒裝式復合模中，沖裁后工件嵌在上模部分的落料凹模內(nèi)，需由剛性或彈性推件裝置推出。剛性推件裝置推件可靠，可以將工件穩(wěn)當?shù)赝瞥霭寄?。但在沖裁時，剛性推件裝置對工件不起壓平作用，故工件平整度和尺寸精度比用彈性推件裝置時要低些。
由于剛性推件裝置已能保證工件所有尺寸精度，又考慮到剛性推件裝置結構緊湊，維護方便，故這套模具采用剛性結構。為兼顧工件的平整度和尺寸精度，可在剛性推件裝置和凸模固定板之間鑲嵌橡膠。
4.7卸料裝置
復合模沖裁時，條料將卡在凸凹模外緣，因此需要在下模設置卸料裝置。
在下模的彈性卸料裝置一般有兩種形式：一種是將彈性零件（如橡膠），裝設在卸料板與凸凹模固定板之間；另一種是將彈性零件裝設在下模板下。由于該零件的條料卸料力不大，故采用前一種結構，并且使用橡膠作為彈性零件。
4.8導向裝置
導向零件是為了保證模具沖壓時，上、下模有一精確的位置關系。在中，小型模具中最廣泛才用的導向零件是導柱和導套。導柱（導套）常用兩個。對中型沖模或制件精度要求高的自動化沖模，則采用四個導柱。在安裝圓形制件等一類無方向性的沖模時，為避免裝錯，對對角模架和中間模架的兩導柱，可做成直徑不等的各一個；對四導柱的模架，可做成前后導柱的間距不同的模座。對可能產(chǎn)生側向推力時，要設置止推塊，使導柱不承受彎曲力。
一般導柱安裝在下模座，導套安裝在上模座，分別采用過盈配合。
根據(jù)主要工件部分尺寸、精度、結構以及彈性元件的尺寸，參照有關資料，可選取兩個相同后導柱模架。[3]
第5章 模具的裝配
5.1裝配工藝
采用配作裝配法，其裝配工藝過程：
圖 5-1
5.1.1組件裝配
組裝模架：采用廠家生產(chǎn)的標準模架。
組裝模柄：將模柄（過盈）壓入上模座。
組裝凸模：將沖孔小沖頭壓入凸模固定板，并保證小沖頭與其固定板垂直，裝配后磨平小沖頭底面。再裝上凸模和凸模墊板，用螺釘將凸模固定，配鉆四個推料桿通孔φ10mm。然后放上凹模，磨平凸模、小沖頭和凹模的刃口面。
組裝凸凹模，將凸凹模壓入凸凹模固定板，并保證凸凹模與其固定板垂直，然后凸凹模墊板上，用螺釘在凸凹模墊板下面固定好凸凹模。
5.1.2總裝配
裝上模，首先翻轉上模座找出模柄孔中心，劃出中心線和安裝用的輪廓邊線。然后再按照外輪廓線，放下上下模墊板、凸模固定板及落料凹模。一起夾緊后，按照凸模固定板推料桿通孔配鉆上模推料桿通孔，按凹模螺釘孔鉆螺釘通孔并擴孔Ф10mm，锪上模座螺釘通孔Ф10mm。再裝上凸模墊板和頂出器、推料桿等全部推件裝置，用螺釘將上模部分聯(lián)接起來，并檢查推件裝置的靈活性。
配下模，首先將凸凹模壓入凸凹模固定板，并保證凸凹模與固定板垂直。合上下模，根據(jù)上模找凸凹模在下模座上的位置；夾緊下模部分后移去上模，按照凸凹模固定板螺釘孔配鉆下模座螺釘孔。在下模座上劃出排料孔并按凸凹?？酌窟吋哟蠹s1-1.5mm，加工出漏料孔。再用螺釘聯(lián)接凸凹模固定板和其墊板及下模座，并鉆鉸銷釘孔，打入銷釘。
調(diào)整凸凹模間隙,以凸凹模為基準,用墊片法調(diào)整沖裁間隙.調(diào)整合適后,緊固上模,再鉆鉸銷釘孔,打入圓柱銷。
其他輔助零件的安裝。安裝和調(diào)整卸料板、導料、檔料銷及卸料橡皮等，將厚22mm的橡膠墊在凸凹模固定板上，將卸料板和擋料銷裝上。然后，均勻上裝螺釘。使卸料板四邊等高，并高出凸凹模0.3-0.5mm。合上上模。
5.2調(diào)試工藝
試沖準備。全面檢驗模具和壓力機操作機構。
試模材料。試沖材料的性質(zhì)應符合技術協(xié)議的規(guī)定要求。試沖材料表面要求平整、干凈。
安裝沖模。嚴格遵守沖模在沖床上安裝、調(diào)試的要求。
試沖樣件。試模后的制品零件，應不少于20件，并妥善保存，以便作為交付模具的依據(jù)。
質(zhì)量檢驗。檢查沖件的質(zhì)量和尺寸是否符合圖紙規(guī)定的要求，模具動作是否合理、可靠。
5.3技術要點
5.3.1加工
螺釘?shù)卓滓@垂直，螺紋要攻垂直，不亂牙，尤其是凸凹模、凹模上的螺釘孔一定要垂直，否則，會影響模具的后期裝配和調(diào)試。
先加工凹模和凸模配件，除凸模、凸凹模、凹模上的螺釘孔一定要垂直，否則，會影響模具的后期裝配和調(diào)試。
在上模中，凸模固定板按凸模配作，除凸模墊板（40-45HRC）外，凸模固定板，上模墊板和上模座的螺釘通孔和銷釘孔均按凹模配作。
在下模中，凸凹模固定板按凸凹模配作，除凸凹模墊板（40-45HRC）外，下模座的螺釘通孔、銷釘孔和漏料孔均按凸凹模固定板和凸凹模配作。
為了方便后期的裝配，最好在各個板上按裝配順序和結構關系打上標記。
5.3.2裝配
裝配前要認真清理場地并擦干凈零件，裝配過程中要小心勿碰傷工作刃口。
凸模小沖頭壓入凸模固定板中，并保證小沖頭與其固定板垂直，裝配后磨平小沖頭底面。
在調(diào)整間隙前，要先檢查上模板中的推料桿、推料板和頂出器是否能自如推料。以免凸模墊板，上模板錯位使推料桿不能自如上下移動。
用墊片法調(diào)整間隙時要用等高墊鐵墊起上模，使凸凹模鑲入有4mm左右，銅皮（厚0.08mm）塞入配合間隙并保證配合間隙均勻。
間隙調(diào)整好后，反復用薄紙切紙試模，檢查紙樣，如果紙樣輪廓整齊，沒有毛刺或毛刺小而均勻，說明間隙均勻一致。確定無誤后，才可配鉆鉸銷釘孔，打入圓柱銷。
5.3.3調(diào)試
在試模前，首先對模具進行一次全面的檢查，檢查無誤后，才能安裝。
模具各活動部分，在試模前和試模中要加潤滑油潤滑。
在壓力機上安裝模具，應調(diào)節(jié)壓力機連桿使壓力機滑塊底面與模具上平面貼平、壓緊，鎖緊上模，用壓板輕輕預緊下模。然后將滑塊稍往上調(diào)一些，大于模具的閉合高度，以免模具頂死。
安裝模具后，一定要緊固，不可松動。模具在開始使用前，要對模具進行一次全面檢查，經(jīng)過外觀和空載試驗合格、無誤后再進行試模。
試沖過程中，應逐步調(diào)節(jié)滑塊的高度，使模具剛好能沖斷板料為止。調(diào)節(jié)打料桿螺釘?shù)竭m當?shù)母叨龋勾蛄蠗U能正常工作。
試沖材料的性質(zhì)和牌號，厚度要符合圖樣的技術要求。另外，條料表面平直，干凈。[10]
5.4 模具零件圖
模具中上模座、下模座、墊板、凸模固定板、卸料板、凸凹模固定板、沖孔凸模、凸凹模、凹模、推件塊零件圖如提供圖紙所示。即：
上模座：208mm×169mm×40mm HT200
下模座：208mm×169mm×40mm HT200
墊板：160mm ×116mm ×10mm 45#
凸模固定板：160mm ×116mm ×15mm 45#
凸凹模固定板: 60mm ×116mm ×25mm 45#
沖孔凸模: Cr12 硬度 56-60HRC
凸凹模: Cr12 硬度 56-60HRC
凹模: Cr12 硬度 53-58HRC[8]
第6章模具典型零件加工路線
模具沖孔凸模、凸凹模、凹模加工工藝過程見下表：
表6-1 凸模加工工藝過程
工序號
工序名稱
工序內(nèi)容
設備
工序簡圖
1
備料
鋸床下圓棒料?40mm×54mm
鋸床
2
鍛造
將毛坯鍛成45mm×34mm×39mm的長方體
鍛床
3
熱處理
退火
4
初銑
銑六面至尺寸35mm×30mm×41.6mm，且互為直角（用90°角尺檢驗）
銑床
5
鉗工劃線并加工
鉗工劃線并加工?4mm孔
鉆床
6
熱處理
硬度保證60-64HRC
7
磨平面
磨上、下平面至要求尺寸
磨床
8
線切割
按圖樣線割至要求尺寸
9
鉗工精修
全面達到設計要求
10
檢驗
表6-2 凸凹模加工工藝過程
工序號
工序名稱
工序內(nèi)容
設備
工序簡圖
1
備料
鋸床下圓棒料?60mm×120mm
鋸床
2
鍛造
將毛坯鍛成106mm×50mm×75mm的長方體
鍛床
3
熱處理
退火
4
初銑
銑六面至尺寸102mm×45mm×71.2mm，且互為直角（用90°角尺檢驗）
銑床
5
磨平面
磨上、下平面至要求尺寸70.6mm，
磨床
6
鉗工劃線并加工
劃出孔位置線、型孔輪廓線
加工工藝孔?5mm
攻2×M8螺紋
7
銑漏料孔
達到設計要求，預留線切割尺寸
銑床
8
熱處理
硬度保證60-64HRC
9
磨平面
磨上、下平面至要求尺寸
磨床
10
線切割
按圖樣切割至要求尺寸
線切割機床
11
鉗工精修
全面達到設計要求
12
檢驗
表6-3 凹模加工工藝過程
工序號
工序名稱
工序內(nèi)容
設備
工序簡圖
1
備料
鋸床下圓棒料?75mm×165mm
鋸床
2
鍛造
將毛坯鍛成166mm×122mm×32mm的長方體
鍛床
3
熱處理
退火
4
初銑
銑六面至尺寸160.4mm×116.4mm×26.2mm，且互為直角
銑床
5
磨平面
磨上、下平面（單面留磨量0.2mm）和相鄰兩側面，保證各面相互垂直（用90°角尺檢驗）
磨床
6
鉗工劃線并加工
劃線、打螺紋孔、銷釘孔和穿絲孔
7
鉆孔銑孔
達到設計要求，預留線切割尺寸
鉆床銑床
8
攻絲
至要求尺寸
鉆床
9
熱處理
硬度保證53-58HRC
10
線切割
按圖樣線切割至要求尺寸
線切割機床
11
鉗工精修
全面達到設計要求
12
檢驗
[6]
結 論
經(jīng)過這幾個月的努力，我的畢業(yè)設計工作即將結束。這次畢業(yè)設計成功完成了汽車發(fā)動機墊片的工藝分析和沖壓模具的設計。同時部分工序毛坯件的三維實體繪制應用了CAD實體設計軟件，提高了我應用軟件的能力。
在設計中通過參考、查閱資料，請教老師等途徑解決了模具在生產(chǎn)實際中可能遇到的具體問題，使我在這短暫的時間里，對模具的工作原理和合理的沖裁間隙有了更深層次的認識。在設計中我也同時注重了模具零件的多功能應用，沖孔模中卸料板兼起壓料和卸料作用。
這次設計不僅僅是沖壓模具的簡單設計，它是圍繞汽車發(fā)動機墊片成品件制造的整個過程，包括落料、切邊、沖孔等工序，需要統(tǒng)籌安排加工方法，對制件形狀精度的影響，必須安排在最后等。這些鍛煉了我總體布局的統(tǒng)籌規(guī)劃能力。此外本設計還充分考慮了加工實際，從經(jīng)濟性著手，提高了生產(chǎn)效率，更為生產(chǎn)實際所取。
從了解到熟悉再到掌握，這是每個人學習事物所必經(jīng)的一般過程，我對模具設計的認識過程亦是如此。通過設計，我對沖壓基本工序有了詳盡的了解，掌握了沖壓成型工藝的基本知識要點，完成了任務要求，達到了預期效果。設計是源頭，設計雖然只占模具成本的10%左右，卻決定了整個模具成本的80%左右。所以，作者在設計時詳盡地考慮了模具結構，考慮提高生產(chǎn)率，如何方便維修。但是，又不能完全依賴于設計，在實際生產(chǎn)中要具體問題具體分析，根據(jù)實際狀況進行模具調(diào)整也是必需的。在生產(chǎn)中模具的維修、保養(yǎng)也是很重要的。在模具維修時，應該多注意細節(jié)，找出根本原因，針對其維修。在拆裝模具時，要認真仔細，以防損傷模具。定期的維護、保養(yǎng)也可以大大提高模具壽命。
從整個設計過程來看，該汽車發(fā)動機墊片倒裝復合模具，模具結構設計合理，加工簡單，操作方便，通過連續(xù)沖裁等幾道工序一次成形，工作效高，零件成形質(zhì)量好，大大提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，滿足了生產(chǎn)需求，而且該設計思路可擴展推廣到其它類似零件的產(chǎn)品模具設計中。當然，由于作者知識水平有限，對實踐的缺乏，當中不乏有不足之處，還有待在以后的工作實踐當中不斷地完善和創(chuàng)新！
參考文獻
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[12] Peter Rohner. Industrial Hydraulic Control. Prentice-Hall Inc.1990:P40-51
附 錄
附錄A 條料裁剪公差和與導料板的間隙 單位：mm
條料厚度
∽1.0
〉1.0∽2.0
〉2.0∽3.0
〉3.0∽4.0
公差與間隙
△
Z
△
Z
△
Z
△
Z
條
料
寬
度
∽50
0.4
0.1
0.5
0.2
0.7
0.4
0.9
0.6
〉50∽100
0.5
0.6
0.8
1.0
〉100∽150
0.6
0.2
0.7
0.3
0.9
0.5
1.1
0.7
〉150∽220
0.7
0.8
1.0
1.2
〉220∽300
0.8
0.3
0.9
0.4
1.1
0.6
1.3
0.8
附錄B 條料寬度偏差Δ 單位：mm
條料寬度B
材 料 厚 度 t
～0.5
0.5~1
1~2
2~3
3~5
～20
20～30
30～50
～50
50～100
100～150
150～220
220～300
0.05
0.08
0.10
0.08
0.10
0.15
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.10
0.15
0.20
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
附錄C 螺釘規(guī)格的選用 單位：mm
凹模厚度H/mm
螺釘規(guī)格
≤13
M4、M5
＞13～19
M5、M6
＞19～25
M6、M8
＞25～32
M8、M10
＞32
M10、M12
附錄D 沖裁件精度 單位：mm
精度等級
零件尺寸
材料厚度
＜1
1～2
2～4
4～6
經(jīng)濟級
＜10
0.12/0.08
0.18/0.10
0.24/0.12
0.30/0.15
10～50
0.16/0.10
0.22/0.12
0.28/0.15
0.35/0.20
50～150
0.22/0.12
0.30/0.16
0.40/0.20
0.50/0.25
150～300
0.3
0.50
0.70
1.00
精密級
＜10
0.03/0.025
0.04/0.03
0.06/0.04
0.12/0.10
10～50
0.04/0.03
0.06/0.05
0.08/0.06
0.12/0.10
50～150
0.06/0.05
0.08/0.06
0.10/0.08
0.15/0.12
150～300
0.10
0.12
0.15
0.20
附錄E 卸料力、推件力系數(shù)表
材料種類
板料厚度/mm
K1
K2
鋼
~0.1
0.06~0.09
0.1
>0.1~0.5
0.045~0.07
0.065
>0.5~2.5
0.025~0.06
0.050
>2.5~6.5
0.02~0.05
0.045
>6.5
0.15~0.04
0.025
附錄F 沖裁模初始雙面間隙Z