1、弹簧片冲压模具设计摘要本文对于弹簧片的冲压分析和模具设计的工作内容如下：首先，对于弹簧片做深入的了解，查阅相关资料，了解其一般工作环境、工作条件、加工的要求以及生产的一般步骤；其次，结合收集到的材料，进行工艺方案的确定以及排样设计，并对于需要设计的模具进行受力分析计算与工作部分的设计计算；最后，设计模具的主要工作零部件结构，并且使用CAD设计软件绘制包含零件图和装配图的模具结构。经过分析弹簧片制作工艺，和对这款产品的制作工序进行了各种的排料方式进行对比，经过了仔细的对比和慎重的考虑之后，决定对弹簧片选择使用级进模来进行生产成型加工。这款产品是用到了AutoCAD进行产品图纸的绘画，再去使用NX
2、UG软件进行模具设计，使用这些软件来进行模具设计，可以在软件里面分析对比这款产品的各种设计，最后选择最适合的方案来进行模具设计，这样设计出来的模具才能保证少走甚多的弯道，才能保证模具的可生产性。关键词：弹簧片；级进模；AutoCAD；冲压工艺；弯曲工序ABSTRACTTheworkcontentsoframanalysisanddiedesignareasfollows:first,makeindepthunderstandingofspringblade,refertorelevantdata,understandthegeneralworkingenvironment,workingcon
3、ditions,processingrequirementsandgeneralproductionsteps;secondly,combinedwiththecollectedmaterials,determinetheprocessschemeandsampledesign,forceanalysisandcalculationofthemoldandworkingpart;Finally,designthemainworkingpartsstructureofthemold,anduseCADdesignsoftware.Aftertheanalysisofthespringbladep
4、roductionprocess,andtheproductionprocessofthisproductforavarietyofmaterialdischargemethodsforcomparison,aftercarefulcomparisonandcarefulconsideration,decidedtochoosethespringbladetousethegrademoldforproductionmoldingprocessing.ThisproductisusedinAutoCADproductdrawingspainting,touseNXUGsoftwareformol
5、ddesign,usingthesesoftwareformolddesign,canbeanalyzedinthesoftwaredesignoftheproduct,finallychoosethemostsuitableforthemolddesign,sodesignmoldtoensurelessgomuchcomers,toensuretheproductivityofthemold.Keywords:Springsheet;Progressivedie;AutoCADStampingprocess;Bendingprocess目录摘要IABSTRACTII目录I第1章绪论11.1
6、 冲压模具的概述11.2 研究现状11.3 国内外发展现状2第2章冲裁件工艺分析42.1 材料分析42.2 零件结构52.3 尺寸精度52.4 工件展开图52.5 本章小结6第3章冲裁工艺方案的确定及排样图确定73.1 冲裁工艺方法的选择73.2 方案分析；73.3 排样方式的选择83.4 条料宽度与步距的确定93.5 步距的确定103.6 排样图113.7 材料利用率113.8 本章小结12第4章总冲压力计算、选用压力机及计算压力中心134.1 计算总冲裁力134.2 计算卸料力、推料力、顶件力144.2.1 计算卸料力F卸154.2.2 计算推料力F推154.2.3 计算顶件力F顶154.
7、3 总冲压力计算154.4 压力中心计算154.5 压力机的选用174.6 本章小结17第5章凸、凹模刃口尺寸计算185.1 冲裁间隙185.2 凸、凹模刃口尺寸计算原则195.2.1 凸、凹模工作部分尺寸计算的基本原则195.2.2 凸、凹模工作部分加工方法的选择195.3 凹、凸模刃口尺寸的计算195.4 冲裁刃口高度225.5 本章小结22第6章模具的结构设计246.1 凹模设计246.1.1 凹模外形的确定246.1.2 凹模材料的确定256.2 凸模的设计276.2.1 凸模的结构确定276.2.2 凸模的高度确定276.2.3 凸模的固定方式286.3 固定板的设计306.3.1
8、凸模固定板的设计306.3.2 上下垫板设计316.4 卸料装置的设计316.4.1 卸料板的设计316.4.2 卸料弹簧的设计326.5 弹性浮料装置的设计326.6 上下模座、模柄的选用336.6.1 上下模座的选用336.6.2 模柄的选用336.7 本章小结34第7章模具装配、原理及三维结构357. 1级进模的装配358. 2凸、凹模间隙的调整369. 31-*3610. 4冲压设备的校核3711. 51、2吉37第8章工程影响分析3811.1 持续性分析3811.2 全性分析3811.3 康影响分析3811.4 章小结38结论39参考文献40致谢42第1章绪论1.1 冲压模具的概述冲
9、压是基于板料发生塑性变形的一种加工方式。适合于冲压加工的板料厚度WOmm冲压的三要素是压力机、冲压设备和板料。压力机提供板料发生变形的外力，冲压设备即模具为板料变形提供符形空间。冲压成型从板料最终形态变化分为分离工序和成形工序，分离工序是要在原有板料上去除一部分材料得到所需工件，去除的材料为废料，或者从原有的板料上直接分离出所需工件，剩余的板料为废料。成形工序即是将需成形的板料定位与模具腔内，通过压力机的运动和施压，使得板料发生贴紧型腔的塑性变形，从而得到预期形状的工件。在制造行业中，冲压工艺具有易操作、无环境限制、通融性强和质量可靠等优势，其在我国制造业行业和汽车行业应用极为广泛。模具装备是
10、冲压工艺的主要载体，模具的整体结构和模腔的参数直接影响板料的流动和冲压制件的成形质量。经过长时间发展，简易单工序模具已经在制作成本、生产效率上逐渐失掉优势，模具的复合化、集成化等先进的技术也应运而生。模具结构设计需要从减少冲压工序方面综合考虑，将原来的13个单工序复合至一套模具中，设计一模N腔模具，这种复合模具会节约模具材料成本，显著提高生产效率，可以保证工件定位精度，实现统一定位基准，消除工件在不同工序中出现的定位误差，更好的保证工件的冲压质量。为实现精密小工件的高效率生产，技术人员逐渐开发出级进模具，该模具可集合多种工序，实现板料到工件的一模出，最大的级进模具可以集合100多种工序，其板料
11、送进、板料定位、废料排出和工件脱件等是级进模具的关键技术，在这些领域，我们还有很大的提升空间。模具作为冲压生产的主要设备，如何提升模具质量，是冲压领域一直致力研究的主要问题。一个工件需要采用何种结构的模具取决于该工件的精度、产量及形状。在工业生产中，弹簧片为重要的工业零件，其年产量巨大，如果通过一次冲裁来实现生产，目前面临的问题即是生产效率低下，弹簧片的精度低，尺寸不易保证。随着国内模具行业的发展，目前多采用多工位半自动冲压生产，如此，生产效率大大提高，利润也得到大大得提升。1.2 研究现状在具体制造过程中，为了切实满足冲压构件在精度、形状以及尺寸等方面的要求，需要合理应用各种类型的冲压工艺。
12、通常情况下，冲压工艺主要可以划分为以下两种类型，即：分离工艺和成型工艺。其中成型工艺是当前冲压工艺中常用的类型，该项工艺主要是指，在不破坏坯体性能和形状的基础上，保证加工板料可以形成塑性变形，获得满足规格要求的冲压件工艺形式。成型工艺的应用工序主要分为以下几种类型：校形工序、扩口工序、卷圆工序、挤压工序、缩口工序、膨形工序、翻边工序、工序以及弯曲工序。分离工艺主要是指，将冲压件按照规定的轮廓线，将加工板料和冲压模具分离，进而保证分离断面符合技术要求，通过分离的形式保证构件的制造质量。分离工艺的应用工序可以划分为以下几种类型：剖切工序、冲槽工序、切边工序、切断工序、冲孔工序以及落料序。冲压工艺在
13、经过长期的发展，其开始呈现复合化、智能化、综合化以及集成化的趋势，从总体角度分析，以现代技术为重要支撑的冲压工艺主要呈现以下三个发展方向：第一，数字化方向发展，当前，随着智能技术在制造业中的应用，冲压成型开始趋于可控化以及数字化方向发展，并且已经取得了较大的进展。同时，在计算机技术和信息技术的支撑下，冲压工艺在应用过程中，可以通过数字技术提升产品的成品率和实用性，但是这种技术需要制造系统与工艺应用的高度统一和集成，配合对控制技术和智能化技术的应用，可以大规模的生产各种形状简单的零件。第二，整体性方向发展，冲压产品在整个制造过程中，需要对所有环节加以重视，传统的单一性生产模式已经逐渐被时代淘汰，
14、冲压工艺开始向全生命性、全过程性以及整体性的方向发展。通过整体性的生产模式，可以实现对工艺实施中全局性以及多目标的综合优化。1.3 国内外发展现状90年代初期，国外汽车制造企业就开始用有限元技术模拟板料的成形和分析。在产品开发的初期预测制件的冲压破裂、起皱和回弹等缺陷，优化成型参数，已经成为必不可少的环节。运用了有限元CAE分析后，模具开发费用同比降5060%,模具开发周期缩短至原有的约70%。很多汽车企业将数值模拟编制为企业标准，数值模拟技术趋于成熟，实现其规模化和标准化。根据CAE模拟结果，提出变更产品建议，优化冲压工艺和工序，可以更有效指导模具设计，提高模具开发的稳定性、可靠性。在CAD
15、的应用方面，三维设计已普遍存在。三维设计的输出物是三维模型，可以数控加工铸件的泡沫实型，提高铸件的加工精度，为后续的精细化加工提供条件。模具工作部件的三维模面可直接用于数控编程，模具的关键安装面和配合面可预留合适的加工余量，节约模具加工成本。另外，应用三维设计，装配完成后可检查装配干涉区域，确保模具结构准确。国外的模具，除了基本的结构设计，也集成电动、气动结构，更大程度实现了模具的智能化和自动化。近些年，日本的汽车企业将多工序模具高度集成，传统要四套冲压模具的设计，经过严格的工艺分析研究后，集成到两序模具即可实现。级进模这种技术密集模具因为其高精度定位、高效率和长寿命的特点，也是众多企业研究对
16、象。CAD/CAE的作用日益凸显，国外知名汽车企业建立了自己特有的数据库，如通用、丰田等。将以往的设计经验数据化集成到数据库中，丰富的数据可指导后期模具开发，新车覆盖件的开发甚至可以借用已有的CAE数据。数据库的建立，可以最大程度地避免根据设计经验产生的不确定性。同时可以作为一个基础平台，设计人员可以根据数据库的精准数据对模具设计和开发迅速开展工作，缩短学习时间。能保证不同的人共用同样的数据开发类似的产品，这样既可以保证产品质量，又能显著降低了时间和资金成本。本文主要研究的弹簧片的冲压模具，内容如下：（1）展开弹簧片，研究其冲压冲裁工艺方案；（2）工艺计算及工作部件尺寸计算；（3）设计弹簧片级
17、进模具结构；（4）绘制弹簧片级进模具装配图和零件图。第2章冲裁件工艺分析1.1 材料分析锡青铜抗拉强度是600MPa,伸长率10%,有良好的力学性能，强度低、韧性、塑性和焊接性都比较好，现在很多领域都采用这种材料的冲压工件，所以广受好评。该种材料可用于冲压加工。本设计的零件是弹簧片，本设计的基本内容是设计成型工艺及模具，零件的三维工程图见图2.1,零件二维图见图2.2。生产批量为大批量生产，材料为锡青铜，材料的厚度为0.5mm。图2.1弹簧片1.2 零件结构工件结构复杂，无尖角。料厚为0.5mm,最大高度为9.3mm,外周最大尺寸23mm,工件有1个大圆孔，2个长方孔，主面需要压型，左右还有2
18、处反向弯曲，需要将先后顺序和冲压方向确定好。1.3 尺寸精度零件外形：230.12mm,19.40.12mm,R12+0.1mm,R1.5+0.05mm结合上述尺寸及表2.1,该弹簧片的精度为ITll级。初判适合冲裁。表2.1标准公差数值公差等级IT4IT5IT6IT7IT8IT9ITlOITlIIT12IT13IT14基本尺mmmmm6-1046915223658900.150.220.3610-1858918274370IlO0.180.270.43183O6913213352841300.210.330.5230-50711162539621001600.250.390.6250-808
19、13193046741201900.300.460.7480-120IO15223554871402200.350.540.87120-18012182540631001602500.400.631.00180-25014202946721151852900.460.721.15250-31516233252811302103200.520.811.30315-40018253657891402303600.570.891.40400-50020274063971552504000.630.971.551.4 工件展开图弹簧片的属于形状复杂的冲压件，为了得到更精准的展开轮廓，利用CAD软件对其
20、网格化处理，选取冲压方向为展开矢量方向，将上述弹簧片网格件沿着矢量方向展开后得到弹簧片的展开图轮廓如图2.3。图2.3弹簧片展开轮廓2. 5本章小结这一章主要是对冲裁件的工艺分析，分析该件的材料和零件结构，选择这个冲裁件的尺寸精度。第3章冲裁工艺方案的确定及排样图确定2.1 冲裁工艺方法的选择该零件必须通过落料、冲孔、弯曲工序获得，这三道工序的排序和组合方案如下：方案一：先将弹簧片展开轮廓落料，后冲大圆孔和长方孔，再分2次弯曲，每个工序都由单工序模具完成，需5套模具。方案二：将弹簧片的展开轮廓中落料、冲孔复合冲裁，得到的半成品工件再进行弯曲，1处弯曲采用单工序模实现，该套方案共需要模具2套。方
21、案三：将弹簧片的轮廓按直排排列，将需要弯曲部分周围的余料切边、冲圆孔和长方孔、弯曲、切断等合理排布，实现级进冲压，采用1套级进模生产。2.2 方案分析；方案一从模具结构看来较为粗略，所需要的模具都是简单的单工序模，需要1套落料模具冲裁落料毛坯料，通过1套单工序冲孔模具完成冲孔，2套弯曲模实现弯曲。利用单工序冲裁方案，该零件需要制作至少5套模具才能实现其冲压，从模具材料成本、制作成本来说不可取。再就是毛坯料多次定位冲压，累计的定位误差会对最终制件的精度有很大影响。该方案不可取。方案二将冲孔落料结合成一套模具，减少了板料定位误差累积，制件精度更高，减少模具数量等材料成本，冲压效率相对较高。复合冲压
22、却不适合用于大批量生产，而且模具制造较困难，加工、维护成本高；方案三冲孔落料弯曲排布在一套排样图中，该方案一般适用于大批量的生产，板料弯曲可以分布于不同工位中，冲压定位基准统一，虽然模具制造相对复杂，却能很好的保证冲压件的精度。冲压效率也比较高。弹簧片的产量大，从产量方面考虑，上述三种方案中，级进模方案最易保证其产量要求。弹簧片的结构较复杂，需要将多种工序结合才能实现其结构，在冲压过程中，板料的定位误差是影响最终制件的重要因素，方案一和方案二中，需要先冲裁出半成品，半成品要多次定位得到最后的成品，每次定位基准不同，定位误差会越积累越多，该方案冲压得到的成品残次率太高，而且其冲压效率又极其低。方
23、案三中，不会出现反复定位累积误差，能有效保证最后成品的形状和尺寸精度，正品率高，同时效率也高，经过上述分析，弹簧片冲压方案选取为级进模冲压。表3.1单工序冲裁、级进冲裁和复合冲裁性能比较项目方案一方案二方案三生产批量小批量中批量和大批量中批量和大批量冲压精度较低较高较高冲压生产率低，压力机一次行程内只能完成一个工序较高，压力机一次行程内可完成二个以上工序高，压力机在一次行程内能完成多个工序实现操作机械化自动化的可能性较易，尤其适合于多工位压力机上实现自动化工件和废料排除较复杂，只能在单机上实现部分机械操作容易，尤其适应于单机上实现自动化生产通用性通用性良好，适合于中小批量生产及大型零件的大量生
24、产通用性较差，仅适合于大批量生产不能通用，仅适合于中小型零件的大批量生产冲模制造的复杂结构简单，制造周冲裁较复杂零件冲裁较简单零件时性和价格期短，价格低时，比级进模低低于复合模2.3 排样方式的选择弹簧片级进冲裁，需要排列组合多种工位，使得板料每次送进一定距离，从板料上切下废料得到制件或者切下制件，这种排列统称为排样。排样的方法有：直排、斜排、对直、混合排。这些排样方式是常见的，具体采用哪种是根据设计师的设计经验和实用的冲压设备等主观和客观因素决定。也有厂家有自己一套排样方式，宗旨是便于生产，提高材料利用率。本文弹簧片展开图接近矩形，采用直排的排样方式，将冲孔和切边合理排布在排样图中。搭边，是
25、冲裁用的板料上除去制件轮廓的废料余量。搭边的作用主要是将制件排列组合搭载在板料上，方便送料，同时送进的板料还具有强度，适合冲裁。表3.2所列搭边值为普通冲裁时经验数据之一。表格中，是表示普通冲裁材料的搭边值，级进模具的排样搭边可适当增大数值。材料厚度圆形件半径r2t的工件矩形工件边长L50mm或r2t的工件工件间al沿边a工件间al沿边a工件间al沿边a0.251.82.02.22.52.83.00.250.51.21.51.82.02.22.50.50.81.01.21.51.81.82.00.81.20.81.01.21.51.51.81.21.61.01.21.51.81.82.01.6
26、2.01.21.51.82.02.02.22.02.51.51.82.02.22.22.52.53.01.82.22.22.52.52.82.4 条料宽度与步距的确定本设计采用的是无侧压装置的模具。条料宽度公式：B.=(Dma+2al),(3.1)式中：B-条料宽度;Dmk平行于条料方向冲裁件的最大轮廓尺寸；al-侧刃余量值，可参考表3.2；-条料主尺寸的公差；G送料导料装置与条料间隙，表3.3。表3.3送料最小间隙(mm)材料厚度I无侧压装置有侧压装置条料宽度B(mm)(mm)100100-20022003000.1-0.50.045-0.0550.0630.08低碳钢0.52.50.04-
27、0.050.0550.062.56.50.03-0.040.0450.056.50.02-0.020.0250.03铝及铝合金0.025-0.080.03-0.07紫铜黄铜0.02-0.060.03-0.093.2.1 计算卸料力F卸查表4-2可取：K产0.05F却二K却F(4-5)=0.05124189=6209N3.2.2 计算推料力F推查表4-2可取：K推=0.055F拼二nK卸F(4-6)=1B0.055124189=6830.4N3.2.3 计算顶件力F顶查表4-2可取：K顶=0.06F顶二K顶F(4-7)=0.06307989.6=745IN3.3 总冲压力计算该弹簧片级进模选用的
28、是常用弹性卸料和上出件的方式。其冲裁力的计算入下式：FP总=Fp+F卸+F推(4-8)弹簧片的模具中卸料装置采用弹性卸料。最后完成的制件从开模中取得，不是从冲床的废料孔中取得，根据这两种形式所以根据4-8得：Fp总=Fp+F却+F推=124189+62096830.4=1372288137KN4.3 压力中心计算冲压过程中的模具和压力机是必备的、而且是匹配的装备，压力机有偏载范围，同时冲压模具设计时要选确定好模具的承力中心，即冲裁压力中心。弹簧片的排样是直排，计算压力中心就要采集不同冲裁部位的力矩之和等于零。计算公式如下:(4-8)=JX1+GX2LnXn1.i+A.LnY=L1Y1+L2Y2
29、LnYn(4-Li+L2Ln该排样图投影到凹模上的冲裁轮廓共包含9个，如图4.1所示。可利用CAD软件查询每段冲裁轮廓坐标如表4.3o以凹模10孔圆心为坐标原点。凸模序号凸模周长L/mm各凸模压力中心坐标XYLl862216.3L28322-16.3L331.400L412-2211.5L512-22-11.5L6109.1-558.7L7109.1-55-8.7L815.3-1430表4.3冲裁轮廓坐标将上表中的数据带入公式4.8、4.9中，计算得到X0=55,Yo=O,所以求得模具压力中心的坐标值为(-55,0)o4.4 力机的选用如何对压力机进行选择：在对选择冲压模具选择压力机的时候，应
30、该考虑怎么样冲下产品方便。压机的工作行程需要考虑工件的方便成形和方便取件，选择闭式压机，因为机身左右封闭，刚度好。弹簧片属于小制件，级进模具的尺寸适中，常采用冲床加工，其中J23系列冲床比较合适，通过计算的冲裁力为选取压力机的依据F1.3F总，所以初选压力机的型号为J23-63。其技术参数如下：表4.4J2363参数公称压力/KN630垫板厚度mm120滑块行程mm160滑块行程次数/(次min)70模柄孔尺寸/丽直径40深度60最小封闭高度三220滑块底面积尺寸三前后700封闭高度调节量90左右600滑块中心线至床身距离mm750床身最大可倾角30立柱距离mm900工作台尺寸mm前后900左
31、右7004.5本章小结这一章主要是对冲裁力、冲压力的计算，以为材料本身的物理性能，本身会收缩，所以会加外力进行限制，最后初步选定了压力机，和压力中心保证了冲裁精度。第5章凸、凹模刃口尺寸计算1.1 冲裁间隙模具工作的凸模与凹模呈切入状态，冲裁板料时，二者的间隙选取是否合理，决定冲裁件是否有良好的断面质量及能否顺利排出模具之外。根据表5.1查得弹簧片冲裁的最小双面间隙Zmin=0.04mm,最大双面间隙Zmax=0.06mmo表5.1冲裁模初始用间隙（mm）材料厚度08、10、35、09Mn.黄铜、不锈钢40、5065MnZllnZaZ,lnZaZnlnZ皿Z,lnZaax小于0.5极小间隙（或
32、无间隙）0.50.0400.0600.0400.0600.0400.0600.0400.0600.60.0480.0720.0480.0720.0480.0720.0480.0720.70.0640.0920.0640.0920.0640.0920.0640.0920.80.0720.1040.0720.1040.0720.1040.0640.0920.90.0920.1260.0900.1260.0900.1260.0900.1261.0O.1000.140O.1000.140O.1000.1400.0900.1261.20.1260.1800.1320.1800.1320.1801.50.
33、1320.2400.1700.2400.1700.2401.750.2200.3200.2200.3200.2200.3202.00.2460.3600.2600.3800.2600.3802.10.2600.3800.2800.4000.2800.4002.50.2600.5000.3800.5400.3800.5402.750.4000.5600.4200.6000.4200.6003.00.4600.6400.4800.6600.4800.6603.50.5400.7400.5800.7800.5800.7804.00.6100.8800.6800.9200.6800.9204.50.7
34、201.0000.6800.9600.7801.0401.2 凸、凹模刃口尺寸计算原则1.2.1 凸、凹模工作部分尺寸计算的基本原则（1）冲裁分为冲孔，就冲切废料后得到制件的轮廓，落料是将制件从板料上切除，这两个不同的方式凸凹模尺寸基准也不同，其中冲孔是凸模为准，落料是凹模为准。（2）不断的冲压动作中，工作部位会有不同程度额的磨损，凹模在不断的冲压加工过程中，刃口磨损会导致尺寸变大，凸模经过磨损，尺寸会变小。（3）冲压过程中，工作部件要完全切入，才会顺利实现冲裁动作，落料以凹模为准，在不断的冲压过程中，磨损会导致该尺寸变大，所以其公差以下偏差为负来抵消其磨损，冲孔以凸模为准，在不断的冲压过程中
35、磨损会导致尺寸变小，所以其公差以上偏差为正抵消其磨损。1.2.2 凸、凹模工作部分加工方法的选择凸凹模的加工分为分体加工和合体加工。该套模具的设计拟采用分体加工，凸模加工按照自己的尺寸和公差加工，凹模也是按照自己的主体尺寸和公差加工，在后续装配中要试模，配合二者的间隙，知道间隙合理，冲裁件周边质量符合要求为准。1.3 凹、凸模刃口尺寸的计算凸模和凹模根据实际形状其计算公式：磨损后凸模尺寸变大（a类），设工件尺寸为贝U:%,=（4W-心）产（5.1）磨损后凸模尺寸变小（b类），设工件尺寸为则：2=Smin+幻4（5.2）磨损后凸模尺寸不变（C类），设工件尺寸为cA2,贝I，5A）A8（5.3）180-260-0.030+0.045
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