多工位级进冲压工艺及模具设计
多工位级进冲压工艺及模具设计
摘要：本文主要阐述垫片级进冲压的模具结构设计。对垫片的基本结构工艺，精度要求进行分析。阐述多工位级进模总体结构设计和排样方案，叙述了关键部件的设计计算方法和校核，并利用autocad软件对零件排样进行设计绘图。
关键词：垫片级进冲压模具设计
0 引言
级进模是在连续模基础上发展起来的一种更多工艺加工、更多工序组合的冲压模具，是一种先进的、有更多发展空间和使用价值的工艺设备。
本文结合现有的生产水平，采用多工位级进模生产垫片，以实现自动化生产，提高冲压生产效率。
1 设计任务与分析
1.1 设计任务
1.2 零件工艺性分析
垫片零件图如图1所示，材料选用10号钢，厚度为2mm。10号钢为优质碳素结构钢，具有良好的塑性性以及压力加工性，适合冲裁加工。该零件形状简单，精度要求不高。仅为简单冲孔落料件，根据零件结构，选取单工序简单模能完成零件的加工，但因零件外形尺寸不大，不利手工操作且不安全，若选用冲孔、落料复合模加工，因零件最小壁厚处仅为3mm，小于文献表[2]表1-9凹凸模的壁
厚中同料厚复合模冲裁时要求凹凸模最小壁厚4.9cm，因此，不利于模具寿命的保证。综合上述分析，从其操作性及加工的经济性考虑，拟采用多工位级进模对零件进行加工。
2 零件工艺计算
2.1 排样计算
2.1.1 排样方式的选择
综合考虑模具寿命和冲件质量，采用有废料排样，沿冲件外形冲裁，在冲件周边都留有搭边。冲件尺寸完全由冲模来保证，因此冲件精度高。
2.1.2 计算条料宽度
根据零件形状，查表文献[3]表2-10最小工艺搭边值得，
a=1.2mm，a1=1.5mm，条料是有板料裁剪下料而得，查文献[3]表2-12剪板机下料公差△得，△=0.6mm，查文献[3]表2-14侧刃余量及出端导料间隙c2得，b1=2.0。由文献[3]得条料宽度：
b=(d+2a1+nb1)n-△
=（50＋2×1.5＋2×2）■■
=57■■mm
2.1.3 确定步距与定距定位方式
由文献[4]得，级进模送料步距
s＝d+a
＝50＋1.2
＝51.2mm
本模具采用侧刃定距。在条料送进过程中，切下的缺口向前送进被侧刃挡块挡住，送进的距离即等于步距。
结合以上分析，本零件成形的排样图如图2所示。
2.1.4 计算材料利用率
冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料的利用率，它是衡量合理利用材料的重要指标。
一个步距内冲裁件的实际面积
a=π×252-π×72-3×π×22-3(π×222×34/360-π×182×34/360)=1628.7mm2
所以，一个步距内的材料利用率
η=■×100%=1628.7／51.2×57×100%=55.8%
查板材标准，宜选用650mm×1300mm的钢板，每张钢板可剪裁为11张条料（57mm×1300mm），每张条料可以冲25个工件，由文献[4]得，每张钢板的材料利用率
η总=■×100%
=25×1628.7/57×1300×100%
=54.9%
根据计算结果知道选用直排材料利用率可达54.9%，满足要求。
2.2 冲压力计算
2.2.1 冲裁力的计算
查文献[5]表3-12常用材料的力学性能，得τ0=380 mpa，由文献[1]得，冲裁力为：
f=ktlτ0=1.3×2×500.2×380=494197.6n
2.2.2 卸料力、推件力的计算
查文献[1]表2-10卸料力、顶件力和推件力系数，得k卸=0.04，k推=0.055
卸料力f卸=k卸f=0.04×494197.6n=19767.9n
推件力f推=k推f=0.055×494197.6n=27180.868n
所以，由参考文献[1]得，总冲压力：
f总=f+f推+f卸
=494197.6n+19767.9n+27180.868n
=541146.368n
压力机公称压力应大于或等于冲压力，据冲压力计算结果拟选压力机为j23—63。
2.3 压力中心的计算
对于复杂制件或多凸模冲裁件的压力中心，可根据力矩平衡原理进行计算。由文献[4]可得，
x中心＝■
＝■
＝35.95
y中心＝■
＝■
＝0
所以模具的压力中心为（35.95，0）
2.4 凸凹模刃口尺寸的计算
2.4.1 间隙分析
查文献[4]表3－4冲裁模初始双面间隙值z（二）和表3－6规则形状（圆形、方形）冲裁凸、凹模的制造偏差，得
zmin＝0.246mmzmax=0.360mm
δt=0.020mm δa=0.030mm
|δt|＋|δa|=0.020+0.030=0.050mm
zmax－zmin=0.360－0.246＝0.114mm
滿足|δt|＋|δa|≤zmax－zmin，所以可用凸模与凹模分别加工法。
2.4.2 落料尺寸
φ50■■落料件精度为it14，查文献[4]表3－5系数x，x＝0.5，得：
da＝（dmax－xδ）■■=（50-0.62×0.5）■■=49.69■■
dt=（da－zmin）-δt＝（49.69-0.24）■■=4.37■■
3.4.3 冲孔尺寸
冲裁件精度为it14，查文献[4]表3－5系数x， x＝0. 5，得：冲孔φ14■■mm
dt＝（dmin＋xδ）■■=（14＋0.5×0.43）■■＝14.22■■ mm da= （dt＋zmin）■■=（14.22＋0.24）■■＝14.46■■mm
冲孔r2■■mm
dt＝（dmin＋xδ）■■=（4＋0.5×0.25）■■＝4.13■■ mm da= （dt＋zmin）■■=（4.13＋0.24）■■＝4.37■■mm
3 模具结构设计
3.1 凹模设计
因制件形状简单，总体尺寸并不大，故选用整体式矩形凹模较为合理。因生产批量较大，查文献[5]表3－16 冲模工作零件常用材料及热处理要求，选用cr12mov为凹模材料。
3.1.1 确定凹模厚度h值：查文献[1]表2-12凹模厚度系数k得，k=0.35，由文献[1]凹模厚度的计算公式得，凹模厚度为：
h=kb
=0.35×50
≈18
3.1.2 确定凹模壁厚c：由文献[1]凹模壁厚的计算公式得：
c=（1.5～3）h
所以，凹模壁厚取c=30mm
3.2 凸模设计
为满足凹模强度和刚性，将凸模设计成台阶式，使装配修模方便。采用成形铣、成形磨加工。查文献[5]表3－16 冲模工作零件常用
材料及热处理要求，选用cr12mov为凸模材料。由文献[1]得，采用弹性卸料时，落料凸模总长为：
l=18+16+20
=54mm
3.3 模柄设计
综合考虑到导向精度、制造成本，安装难易程度等因素，现采用压入式模柄，通过过渡配合■，将模柄压入上模座，并用止转销防止转动。查文献[5]表10-47压入式模柄得，模柄a50×
100gb2862.1-81.a3。
3.4 卸料装置设计
3.4.1 卸料板的设计
工件平直度较高，料厚为2mm相对较薄，卸料力不大，由于弹压卸料模具比刚性卸料模具方便，操作者可看见条料在模具中的送进动态，且弹性卸料板对工件施加的是柔性力，不会损伤工件表面，故采用弹性卸料。
卸料板采用45钢制造，厚度根据jb/t 8066.2-1995规定，选用160mm×125mm×140-170组模具参考，其厚度为16mm。
3.4.2 卸料螺钉的选用
卸料板上设置2个卸料螺钉，公称直径为10mm，螺纹部分为m8×6mm，卸料螺钉尾部应留有足够的行程空间，以保证卸料的正常
运动。
3.5 模架及零部件的选用
该模具采用对角导柱模架。上模座按gb2856.1-81规定，厚度取40mm，垫板厚度取8mm，固定板厚度取18mm，卸料板厚度取16mm，下模座按gb2856.2-81规定，厚度取45mm。导柱分别为φ28h5mm
×160mm，φ25h5mm×160mm；导套分别为φ28h6mm×105 mm×28mm，φ25h6mm×105mm×28mm。
3.6 校核模具闭合高度
模具闭合高度h
h＝h上模座＋h垫片＋h固定板＋h卸料板＋h下模座＋h橡胶＋h凹模座+h导料板＝40mm＋8mm＋18mm＋16mm＋45mm＋20mm＋
18mm+5mm=170mm
由文献[5]得：hmin－h1＋10≤h≤hmax－h1－5，根据拟选压力机j23—63，查开式压力机参数表得：
hmax＝460mm，hmin＝210mm，h1＝80mm
所以，140＜h＜365，且开式压力机j23—63最大装模高度250mm，大于模具闭合高度170mm，可以使用。
3.7 冲压设备的选定
通过较核，选择开式双柱可倾式压力机j23—63能满足使用要求。其主要技术参数如下：
公称压力：630kn
滑块行程：120mm
最大闭合高度：460mm
最大装模高度：250mm
工作台尺寸（前后×左右）：710mm×480mm
最大倾斜角度：300°
3.8 装配图和零件图
按已确定的模具形式及参数，从冲模标准中选取标准件。绘制模具装配图，如图。
4 结论
本文简略概述了垫片级进冲压模具的设计过程，采用了冲孔落料多工位级进冲压工艺，大大提高冲件的尺寸精度和生产效率，降低了冲压生产成本和模具制造成本。模具经试模和调整后，达到了设计要求，能冲出完全合格的零件。
参考文献：
[1]陈永主编.冲压工艺与模具设计. 北京：机械工业出版社，2009：30-187.
[2]钟毓敏主编. 冲压工艺与模具设计.北京：机械工业出版社，2000：30-101.
[3]魏春雷主编.冲压工艺与模具设计.北京：北京理工大学出版社，2007：50-87.
[4]付宏生主编.模具制图与cad.北京：化学工业出版社，
2007:47-255.
[5]王孝培主编.冲压手册.北京：机械工业出版社，2000:287-398.