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目 錄
1 緒論 1
2 沖壓件工藝分析 2
2.1 材料分析 2
2.2 尺寸結(jié)構(gòu) 2
2.3 尺寸精度 2
3 沖壓方案的確定 4
3.1 沖裁工藝方案的確定 4
3.2 沖裁工藝方法的選擇 4
3.3 沖裁結(jié)構(gòu)的選取 5
4 模具總體結(jié)構(gòu)的確定 6
4.1 模具類型的選擇 6
4.2 送料方式的選擇 6
4.3 定位方式的選擇 6
4.4 卸料、出件方式的選擇 6
4.5 導(dǎo)向方式的選擇 6
5 工藝參數(shù)計算 8
5.1 排樣方式的選擇 8
5.1.1 搭邊值的確定 9
5.1.2 材料利用率的確定 10
5.2 沖壓力的計算 11
5.2.1 總沖裁力的計算 12
5.2.2 卸料力、推件力的計算 13
5.2.3 總沖壓力的計算 14
5.2.4 初選壓力機(jī) 14
5.2.5 壓力中心的確定 15
6 刃口尺寸計算 17
6.1 沖裁間隙確定 17
6.2 刃口尺寸的計算及依據(jù)與法則 18
7 主要零部件設(shè)計 23
7.1 凹模的設(shè)計 23
7.1.1 凹模外形的確定 23
7.1.2 凹模刃口結(jié)構(gòu)形式的選擇 23
7.1.3 凹模精度與材料的確定 23
7.2 凸模的設(shè)計 26
7.2.1 凸模的結(jié)構(gòu)確定 26
7.2.2 凸模的材料確定 26
7.2.3 凸模精度的確定 26
7.2.4 凸模高度的確定 26
7.3 凸凹模的設(shè)計 27
7.3.1 凸凹模外形的確定 27
7.3.2 凸凹模材料的確定 27
7.3.3 凸凹模精度的確定 28
7.3.4 凸凹模壁厚的確定 28
7.3.5 凸凹模洞口類型的選取 28
7.3.6 凸凹模尺寸的設(shè)計 29
7.4 定位零件的選用 30
7.4.1擋料銷、導(dǎo)料銷的選用 30
7.5 卸料裝置的選定 30
7.5.1 卸料裝置的選用 30
7.5.2 卸料螺釘?shù)倪x用 31
7.5.3 卸料板外型設(shè)計 31
7.5.4 卸料板材料的選用 31
7.5.5卸料板結(jié)構(gòu)的設(shè)計 31
7.5.6卸料板整體精度的確定 32
7.5.7 卸料橡膠的選用 32
7.6 推件裝置的選定 34
7.6.1推件塊的設(shè)計 34
7.6.2推板的選用 34
7.6.3推桿的選用 35
7.7上下模座的選用 35
7.7.1上下模座的選定 35
7.8連接及固定零件的選用 36
7.8.1螺釘與銷釘?shù)倪x用 36
7.8.2模柄的選用 36
7.8.3凸模固定板的設(shè)計 37
7.8.4凸凹模固定板的設(shè)計 37
7.8.5墊板的設(shè)計 38
8 沖壓設(shè)備的校核 39
8.1 沖壓設(shè)備的校核 39
8.2 沖壓設(shè)備的選用 39
9 壓力機(jī)的選用 40
10 模具結(jié)構(gòu)簡述 41
11 結(jié)論 42
致謝 43
參考文獻(xiàn) 44
附錄 45
III
1 緒論
模具，作為高效率的生產(chǎn)工具的一種，它是工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛與重要的工藝裝備。采用模具生產(chǎn)制造零件，具有生產(chǎn)效率高，可實現(xiàn)高速大批量生產(chǎn)；節(jié)約原材料，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，具有良好的互換性。操作簡單，對操作人員沒有很高的技術(shù)要求。利用模具批量生產(chǎn)的零件加工費用低，所加工出的零件與制造一次成形。不需進(jìn)行再加工，能制造出其他加工工藝方法難以加工的、形狀比較復(fù)雜的零件。
改革開放以來，我國的工業(yè)和經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，以前的手工作坊和落后的生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，迫切需要尋找另一種更有效率的方式來適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)。而在現(xiàn)代制造業(yè)中，企業(yè)的生產(chǎn)一方面朝著多品種、小批量和多樣式的方向發(fā)展，加快換型，采用柔性化加工，以適應(yīng)不同用戶的需要；另一方面朝著大批量、高效率生產(chǎn)的方向發(fā)展，以提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)規(guī)模來創(chuàng)造更多效益，生產(chǎn)上采取專用設(shè)備生產(chǎn)的方式。于是模具技術(shù)及模具工業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。
設(shè)計出正確合理的模具不僅能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、使用壽命。還可以提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益。在進(jìn)行模具設(shè)計時，必須清楚模具的加工工藝，設(shè)計出的零件要能加工、易加工。充分了解模具基礎(chǔ)知識和應(yīng)用是設(shè)計者進(jìn)行模具設(shè)計的前提。
門鎖墊片是沖壓生產(chǎn)的一個典型零件，在生活中有很強(qiáng)的實用性，其模具設(shè)計有一定的實用價值。對于該制件利用先進(jìn)的模具生產(chǎn)提高生產(chǎn)效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約成本，從而取得較高的經(jīng)濟(jì)效益。
2 沖壓件工藝分析
圖2-1 門鎖墊片零件簡圖
工件名稱：門鎖墊片
生產(chǎn)批量：大批量；
材料：10鋼；
材料厚度：2mm；
未注公差：IT12。
2.1 材料分析
表2-1 部分碳素鋼抗剪性能
材料名稱
牌號
材料狀態(tài)
抗剪強(qiáng)度（Mpa）
抗拉強(qiáng)度（Mpa）
屈服點（Mpa）
伸長率（%）
碳素結(jié)構(gòu)鋼
10
已退火
260~340
290~430
210
26
15
270~380
335~470
230
25
由上表2-1可知：10鋼是碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有較好的沖裁成形性性能，適合要求較高的零件。綜合評比均適合沖裁加工。
2.2 零件結(jié)構(gòu)
零件結(jié)構(gòu)形狀相對簡單，無尖角，對沖裁加工較為有利零件結(jié)構(gòu)簡單，對沖裁加工較為有利。零件包括兩個φ15的孔、兩個φ6的螺釘孔、一個12mm×20mm長方形的孔，孔的最小尺寸為6mm，滿足沖裁最小孔徑dmin≥1.0t=2mm的要求。最小壁厚大于5mm滿足許用壁厚要求（兩孔之間，大孔與小孔之間、孔與矩長方形之間、孔與邊緣之間的壁厚），零件的結(jié)構(gòu)滿足沖裁要求。
2.3 尺寸精度
該零件由公差等級表查得：其孔的公差要求都屬IT11，所以普通沖裁可以達(dá)到零件的精度要求。對于未注公差尺寸，屬于自由尺寸，按IT12查表2-1得到： 100-0.15、 120+0.18、12.50-0.18、20±0.21、250-0.21、30±0.21、350-0.25、370-0.25、450-0.25、60±0.3、1200-0.35。
通過查公差等級表，該零件沖裁工藝性能較好，能夠滿足普通沖裁零件精度要求。
表2-1 常見零件公差等級表
公差等級
IT4
IT5
IT6
IT7
IT8
IT9
IT10
IT11
IT12
IT13
IT14
基本尺寸/mm
/μm
/mm
≤3
＞3~6
＞6~10
＞10~18
＞18~30
＞30~50
＞50~80
＞80~120
＞120~180
＞180~250
＞250~315
＞315~400
＞400~500
3
4
4
5
6
7
8
10
12
14
16
18
20
4
5
6
8
9
11
13
15
18
20
23
25
27
6
8
9
9
13
16
19
22
25
29
32
36
40
10
12
15
18
21
25
30
35
40
46
52
57
63
14
18
22
27
33
39
46
54
63
72
81
89
97
25
30
36
43
52
62
74
87
100
115
130
140
155
40
48
58
70
84
100
120
140
160
185
210
230
250
60
75
90
110
130
160
190
220
250
290
320
360
400
0.10
0.12
0.15
0.18
0.21
0.25
0.30
0.35
0.40
0.46
0.52
0.57
0.63
0.14
0.18
0.22
0.27
0.33
0.39
0.46
0.54
0.63
0.72
0.81
0.89
0.97
0.25
0.30
0.36
0.43
0.52
0.62
0.74
0.87
1.00
1.15
1.30
1.40
1.55
3 沖裁方案的確定
3.1 沖裁工藝方案的確定
在沖裁工藝分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)沖裁件的特點確定工藝方案。工藝方案分為沖裁工序的組合和沖裁順序的安排。
3.2 沖裁工藝方法的選擇
沖裁工序分為單工序沖裁、復(fù)合沖裁和級進(jìn)沖裁三種。
方案一：先落料，后沖孔。單工序沖裁是在壓力機(jī)一次行程內(nèi)只完成一個沖壓工序的沖裁模。
方案二：落料沖孔復(fù)合沖壓，采用復(fù)合模生產(chǎn)。復(fù)合沖裁是在壓力機(jī)一次行程內(nèi)，在模具的同一位置同時完成兩個或兩個以上的沖壓工序。
方案三：級進(jìn)沖裁是把沖裁件的若干個沖壓工序，排列成一定的順序，在壓力機(jī)的一次行程中條料在沖模的不同位置上，分別完成工件所要求的工序。
其三種工序的性能見表3-1。
表3-1 單工序沖裁、級進(jìn)沖裁和復(fù)合沖裁性能
比較項目
單工序模
復(fù)合模
級進(jìn)模
生產(chǎn)批量
小批量
中批量和大批量
中批量和大批量
沖壓精度
較低
較高
較高
沖壓生產(chǎn)率
低，壓力機(jī)一次行程內(nèi)只能完成一個工序
較高，壓力機(jī)一次行程內(nèi)可完成二個以上工序
高，壓力機(jī)在一次行程內(nèi)能完成多個工序
實現(xiàn)操作機(jī)械化自動化的可能性
較易，尤其適合于多工位壓力機(jī)上實現(xiàn)自動化
制件和廢料排除較復(fù)雜，只能在單機(jī)上實現(xiàn)部分機(jī)械操作
容易，尤其適應(yīng)于單機(jī)上實現(xiàn)自動化
生產(chǎn)通用性
通用性好，適合于中小批量生產(chǎn)及大型零件的大量生產(chǎn)
通用性較差，僅適合于大批量生產(chǎn)
通用性較差，僅適合于中小型零件的大批量生產(chǎn)
沖模制造的復(fù)雜性和價格
結(jié)構(gòu)簡單，制造周期短，價格低
沖裁較復(fù)雜零件時，比級進(jìn)模低
沖裁較簡單零件時低于復(fù)合模
根據(jù)分析結(jié)合表3-1得出結(jié)論：
方案一模具結(jié)構(gòu)簡單，但需兩道工序兩副模具，生產(chǎn)效率低，難以滿足該零件的年產(chǎn)量要求。
方案二只需一副模具，沖壓的形狀精度和尺寸容易保證且生產(chǎn)效率也高，盡管模具結(jié)構(gòu)較方案一復(fù)雜，但由于零件的幾何形狀簡單，模具制造難度較小。
方案三只需一副模具，生產(chǎn)效率很高，但零件的沖裁精度稍差。欲保證沖壓件的形狀精度，需要在模具上設(shè)置導(dǎo)正銷導(dǎo)正，故模具制造、安裝較復(fù)合模具復(fù)雜。
通過對上述三種方案的分析比較，該零件的沖壓生產(chǎn)采用方案二為佳。
3.3 沖裁結(jié)構(gòu)的選取
按照復(fù)合模工作零件的安裝位置不同，分為正裝式復(fù)合模和倒裝式復(fù)合模兩種，兩種的優(yōu)點、缺點及適用范圍見表3-2。
表3-2 正裝式復(fù)合模、倒裝式復(fù)合模的優(yōu)點、缺點及適用范圍
比較項目
正裝(順裝)式復(fù)合模
倒裝式復(fù)合模
結(jié)構(gòu)
凸凹模裝在上模，落料凹模和沖孔凸模裝在下模
凸凹模裝在下模，落料凹模和沖孔凸模裝在上模
優(yōu)點
沖出的沖件平直度較高
結(jié)構(gòu)較簡單
缺點
結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沖件容易被嵌入邊料中影響操作
不宜沖制孔邊距離較小的沖裁件
適用范圍
沖制材質(zhì)較軟或板料較薄的平直度要求較高的沖裁件，還可以沖制孔邊距離較小的沖裁件
不宜沖制孔邊距離較小的沖裁件，但倒裝式復(fù)合模結(jié)構(gòu)簡單、又可以直接利用壓力機(jī)的打桿裝置進(jìn)行推件，卸料可靠，便于操作，并為機(jī)械化出件提供了有利條件，故應(yīng)用十分廣泛
正裝式復(fù)合模適合于沖制材質(zhì)較軟或板料較薄的平直度要求較高的沖裁件，還可以沖制孔邊距離較小的沖裁件。倒裝式冷沖模不宜沖制孔邊距離較小的沖裁件，但倒裝式冷沖模結(jié)構(gòu)簡單，可以直接利用壓力機(jī)打桿裝置進(jìn)行推件，卸件可靠，便于操作，并為機(jī)械化出件提供了有利條件，故應(yīng)用十分廣泛。綜上所述，該制件結(jié)構(gòu)形狀簡單，精度要求較低，孔邊距較大，宜采用倒裝式復(fù)合模。
4 模具總體結(jié)構(gòu)的確定
4.1 模具類型的選擇
由以上沖壓工藝分析可知，采用復(fù)合模沖壓，模具類型為倒裝式復(fù)合模。
4.2 送料方式的選擇
由于零件的生產(chǎn)批量是大批量及模具類型的確定，合理安排生產(chǎn)可采用前后自動送料方式。
4.3 定位方式的選擇
因為該模具采用的是條料，控制條料的送進(jìn)方向采用導(dǎo)料銷，無側(cè)壓裝置?？刂茥l料的送進(jìn)布局采用擋料銷定距。而第一件的沖壓位置因為條料長度有一定余量，可以靠操作工目測來定。
4.4 卸料、出件方式的選擇
剛性卸料是采用固定卸料板結(jié)構(gòu)，常用于較硬、較厚且精度要求不高的工件沖裁后卸料。當(dāng)卸料版只起卸料作用時與凸模間隙隨材料厚度的增大而增加，單邊間隙取（0.2～0.5）t。當(dāng)固定卸料板還要起到對凸模的導(dǎo)向作用時卸料板與凸模的配合間隙應(yīng)該小于沖裁間隙，此時要求凸模卸料時不能完全脫離卸料板。主要用于卸料力較大，材料厚度大于2mm的材料。
彈性卸料具有卸料與壓料的雙重作用，主要用在沖料厚在2mm及以下厚度的板料，卸料板與凸模之間的單邊間隙選擇（0.1～0.2）t，若彈性卸料板還要起對凸模導(dǎo)向作用時，二者的配合間隙性小于沖裁間隙，常用作落料模、沖孔模、癥狀復(fù)合模的卸料裝置。由于有壓料作用，沖裁件比較平整。彈壓卸料板與彈性元件、卸料螺釘組成彈壓裝置。
工件平直度較高，料厚為2mm相對較薄，卸料力不大，由于彈性卸料模具比剛性卸料模具方便，操作者可以看見條料在模具中的送進(jìn)狀態(tài)，且彈性卸料板對工件施加的柔性力，不會損傷工件表面，故可采用彈性卸料。
4.5 導(dǎo)向方式的選擇
方案一：采用對角導(dǎo)柱模架。由于導(dǎo)柱安裝在模具壓力中心對稱的對角線上，所以上模座在導(dǎo)柱上滑動平穩(wěn)。常用于橫向送料級進(jìn)?；蚩v向送料的落料模、復(fù)合模。
方案二：采用后側(cè)式導(dǎo)柱模架。由于前面和左右不受限制，送料和操作比較方便。因為導(dǎo)柱安裝在后側(cè)，工作時，偏心距會造成導(dǎo)套導(dǎo)柱單邊磨損對模具使用壽命有一定影響。
方案三：采用四導(dǎo)柱模架。具有導(dǎo)向平穩(wěn)、導(dǎo)向準(zhǔn)確可靠、剛性好等優(yōu)點。常用于沖壓件尺寸較大或精度要求較高的沖壓零件及大量生產(chǎn)用的自動沖壓模架。
方案四：采用中間導(dǎo)柱模架。導(dǎo)柱安裝在模具的對稱線上，導(dǎo)向平穩(wěn)、準(zhǔn)確。只能一個方向送料。
（a） （b） （c） （d）
圖4-1 導(dǎo)柱模架
（a）下模座 （b）導(dǎo)柱 （c）導(dǎo)套 （d）上模座
根據(jù)以上方案比較并結(jié)合模具結(jié)構(gòu)形式和送料方式，為提高模具壽命和工件質(zhì)量，采用后側(cè)導(dǎo)柱模架，操作者可以看見條料在模具中的送進(jìn)動作。由于前面和左、右不受限制，能滿足工件成型的要求。即方案二最佳。
5 工藝參數(shù)計算
5.1 排樣方式的選擇
沖裁件在板料、帶料或條料上的布置方法稱為排樣。排樣的意義在于減小材料消耗、提高生產(chǎn)率和延長模具壽命，排樣是否合理將影響到材料的合理利用、沖件質(zhì)量、生產(chǎn)率、模具結(jié)構(gòu)與壽命。
排樣的方法有：縱排、橫排、對直排、混合排 ，根據(jù)設(shè)計模具制件的形狀、厚度、材料等方面全面考慮。因此有下列三種方案：
方案一：有廢料排樣。沿沖件全部外形沖裁，沖件與沖件之間、沖件與條料
之間都存在搭邊廢料沖件尺寸完全由沖模來保證，因此精度高，模具壽命高，但材料利用率低。
方案二：少廢料排樣。因受剪裁條料質(zhì)量和定位誤差的影響。其沖件質(zhì)量稍差，同時邊緣毛刺被凸模帶入間隙也影響模具壽命。但材料利用率稍高。沖模結(jié)構(gòu)簡單。
方案三：無廢料排樣。沖件與沖件之間或沖件與條料側(cè)邊之間均無搭邊，沿直線或曲線切斷條料而獲得沖件，但對材料利用率最高。
采用少、無廢料排樣法，材料利用率高，不但有利于一次沖程獲得多個制件，而且可以簡化模具結(jié)構(gòu)，降低沖裁力，但受條料寬度誤差及條料導(dǎo)向誤差的影響，沖裁件的尺寸精度不易保證，故應(yīng)采用方案一。
分析零件形狀，應(yīng)采用單縱排的排樣方式，零件可能的排樣方式有圖5-1和圖5-2所示兩種。
圖5-1 縱排示意圖
圖5-2 橫排示意圖
5.1.1 搭邊值的確定
排樣中相鄰兩工件之間的余料或工件與條料邊緣間的余料稱為搭邊。搭邊是廢料，從節(jié)省材料出發(fā)，搭邊值應(yīng)愈小愈好。但過小的搭邊容易擠進(jìn)凹模，增加刃口磨損，降低模具壽命，并且也影響沖裁件的剪切表面質(zhì)量。一般來說，搭邊值是由經(jīng)驗和查表來確定的，該制件的搭邊值采用查表取得。
如表5-1所示：根據(jù)此表和工件外形可知L﹥50mm，可確定搭邊值a和a1，a取2.2mm，a1取2.0mm，較為合理。
表5-1 搭邊a和a1數(shù)值（低碳鋼）
mm
材料厚度t
矩形件邊長L≥50mm或圓角r≤2t的工件
工件間a1
沿邊a
0.25以下
2.8
3.0
0.25~0.5
2.2
2.5
0.5~0.8
1.8
2.0
0.8~1.2
1.5
1.8
1.2~1.6
1.8
2.0
1.6~2.0
2.0
2.2
2.0~2.5
2.2
2.5
2.5~3.0
2.5
2.8
寬度的確定：
搭邊的作用是補(bǔ)償定位誤差，保證條料有一定的剛度，同時保證零件質(zhì)量和送料方便。根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)不同，可分為有側(cè)壓裝置的模具和無側(cè)壓裝置的模具，側(cè)壓裝置的作用是用于壓緊送進(jìn)模具的條料（從料帶側(cè)面壓緊），使條料不至于側(cè)向竄動，以利于穩(wěn)定地加工生產(chǎn)。本套模具無導(dǎo)料板為無側(cè)壓裝置。
故按下式計算：
B0-△=（DMAX+2a）0-△ (5-1)
式中: B-條料寬度；
Dmax-條料寬度方向沖裁件的最大尺寸；
a-沖裁件之間的搭邊值；可參考表5-1；
-△-條料寬度的單向（負(fù)向）偏差，見表5-2；
C-導(dǎo)料板與最寬條料之間的間隙，其最小值見表5-3。
表5-2 剪料公差及條料與導(dǎo)料板之間隙 mm
條料寬度
B/mm
材料厚度t/mm
0~1
1~2
2~3
3~5
~50
50~100
100~150
150~220
220~300
0.4
0.5
0.7
0.8
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
表5-3 有側(cè)壓裝置和無側(cè)壓裝置對照表 mm
材料厚度t（mm）
無側(cè)壓裝置
有側(cè)壓裝置
條料寬度B（mm）
<100
≥100~200
≥200~300
<100
≥100
0~0.5
0.5~1
1~2
2~3
3~4
4~5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
5
5
5
5
5
5
8
8
8
8
8
8
所以根據(jù)以上理論數(shù)據(jù)由公式（5-1）得出：
縱排：
條料寬度 B=（Dmax+2a1+C）=120+4.0=124-00.35
橫排：
條料寬度 B=（Dmax+2a1+C）=120+2.0=1220-0.35
5.1.2 材料利用率的計算
沖裁件的實際面積與所用板料面積的百分比就叫材料利用率，它是衡量合理利用材料的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。關(guān)于材料利用率，可用下式表示：
η=A/BS×100% (5-2)
式中: A-一個步距內(nèi)沖裁件的實際面；
B-條料寬度；
S-步距。
由圖5-1和圖5-2；公式（5-2）得：
A=120×25+45×12-2×5×12/2
=3480(mm2)
縱排 ： η=A/BS×100%
=[3480÷(122×39.2)]×100%
≈72.76％
橫排 ： η=A/BS×100%
=[3480÷(124×39.2)]×100%
≈71.6％
根據(jù)上述縱排、橫排兩個式子的計算對比，可確定縱排的材料利用率比橫排的材料利用率高。結(jié)合模具結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)，方便操作，最終選用圖5-1縱排作為零件的排樣圖，具體如圖5-3所示。
圖5-3 排樣示意圖
5.2 沖壓力的計算
計算沖裁力是為了選擇合適的壓力機(jī)，設(shè)計模具和檢驗?zāi)＞叩膹?qiáng)度，壓力機(jī)的噸位必須大于所計算的沖裁力，以適宜沖裁的要求，普通平刃沖裁模，其沖裁力Fp一般可以按下式計算：
Fp=KptLτ (5-3)
式中: τ-材料抗剪強(qiáng)度，見表5-3(MPa)；
L-沖裁周邊總長(mm)；
t-材料厚度(mm);
系數(shù)Kp是考慮到?jīng)_裁模刃口的磨損，凸模與凹模間隙之波動（數(shù)值的變化或分布不均）潤滑情況，材料力學(xué)性能與厚度公差的變化等因數(shù)而設(shè)置的安全系數(shù)Kp，一般取1～3。當(dāng)查不到抗剪強(qiáng)度τ時，可以用抗拉強(qiáng)度σb代替τ，而取Kp=1.3的近似計算法計算。
由于10鋼的力學(xué)性能查表5-4可得：抗剪強(qiáng)度τ取350MPa。
τ的數(shù)值取決于材料的種類和坯料的原始狀態(tài)，可在設(shè)計資料及有關(guān)手冊中查找，本設(shè)計τ取值的通過查下表確定，材料厚度t=2mm，取τ=300MPa。
表5-4 部分材料抗剪強(qiáng)度 τ/MPa
材料名稱
牌號
材料狀態(tài)
抗剪強(qiáng)度τ/MPa
碳素結(jié)構(gòu)鋼
10
已退火
260~340
15
270~380
20
280~400
35
400~520
5.2.1 總沖裁力的計算
由于沖裁模具采用彈性卸料裝置和自然落料方式。
F沖= F1+F2 (5-4)
式中: F沖-總沖裁力；
F1-落料時的沖裁力；
F2-沖孔時的沖裁力。
沖裁周邊的總長(mm)
落料周長為：
L1=(120+25)×2
=145×2(mm)
=290(mm)
沖孔周長為：
L2=2×3.14×3＋2×3.14×7.5+12+20
=97.94(mm)
落料沖裁力由公式(5-3)得：
F1=KptL1τ
=1.3×2×290×300
=226200(N)
沖孔沖裁力由公式(5-3)得：
F2=KptL2τ
=1.3×2×97.94×300
=76393.2(N)
所以可求總沖裁力由公式(5-4)得：
F沖=F1+F2=226200+76393.2=302593.2(N)
5.2.2 卸料力、推件力的計算
當(dāng)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(kuò)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。
模具采用彈性卸料裝置和推件結(jié)構(gòu)，凹模型口直壁高度h=6mm，所需卸料力F卸和推件力F推分別為：
推件力、卸料力計算公式如下：
F推=nK推F沖 (5-5)
F卸= K卸 F沖 (5-6)
式中： F推-推件力；
F卸-卸料力；
F沖-沖裁力；
K卸-卸料力系數(shù)，見表5-5；
K推-推件力系數(shù)，見表5-5；
n-卡在凹模里的工件個數(shù)，n=h/t。
表5-5 卸料力、推件力和頂件力系數(shù) mm
料厚/mm
K卸
K推
K頂
鋼
≤0.1
＞0.1~0.5
＞0.5~2.5
＞2.5~6.5
＞6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.02
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
鋁及鋁合金
紫銅、黃銅
0.025~0.08
0.02~0.06
0.03~0.07
0.03~0.09
注：卸料力系數(shù)K卸在沖多孔、大搭邊和輪廓復(fù)雜時取上限值。
K推—推件力系數(shù)通過查表5-5確定，推件力系數(shù)取K推＝0.055；
由公式(5-5)得： 推件力 F推=nK推F沖
=6/2×0.055×302593.2
=49927.878（N）
K卸—卸料力系數(shù)通過查表5-5確定，卸料力系數(shù)取K卸＝0.045；
由公式(5-6)得： 卸料力 F卸= K卸 F沖
=0.05×302593.2
=15129.66（N）
5.2.3 總沖壓力的計算
F= F沖+F卸+F推
=302593.2 +49927.878+15129.66
=367650.74（N）
5.2.4 初選壓力機(jī)
壓力機(jī)可分為機(jī)械式和液壓式，機(jī)械式分為摩擦壓力機(jī)、曲柄壓力機(jī)、高速沖床，液壓式分為油壓機(jī)、水壓機(jī)，而在生產(chǎn)中一般常選用曲柄壓力機(jī)，曲柄壓力機(jī)分有開式和閉式兩種，開式機(jī)身形狀似英文字母C，其機(jī)身前端及左右均敞開，操作可見大，但機(jī)身剛度差，壓力機(jī)在工作負(fù)荷作用下會產(chǎn)生變形，一般壓力機(jī)噸位不超過2000KW。閉式機(jī)左右兩側(cè)封閉，操作不方便，但機(jī)身剛度好，壓力機(jī)精度高?？紤]到經(jīng)濟(jì)性能、加工要求和操作方便在此選開式壓力機(jī)。根據(jù)以上計算數(shù)值，查下表5-6初選壓力機(jī)為J23-40型壓力機(jī)。
表5-6 開式壓力機(jī)規(guī)格及參數(shù)
型號
J23-10
J23-16
J23-25
J23-35
J23-40
公稱壓力/KN
100
160
250
350
400
滑塊行程/mm
45
55
65
100
100
最大閉合高度/mm
180
220
270
290
330
閉合高度調(diào)節(jié)/mm
35
45
55
60
65
滑塊中心線至床身
距離/mm
130
160
200
200
250
滑塊底面尺寸/mm
前后
150
180
220
220
260
左右
170
200
250
250
300
工作臺板厚度/mm
35
40
50
290
65
模柄孔尺寸/mm
直徑
30
40
40
40
50
深度
35
60
60
60
70
5.2.5 壓力中心的確定
模具壓力中心是指沖壓時諸沖壓合力的作用點的位置。為了確保壓力機(jī)和模具正常工作，應(yīng)使模具的壓力中心與壓力機(jī)滑塊的中心相重合，否者，會使沖模和壓力機(jī)滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生過大的摩擦，模具導(dǎo)向零件加速磨損，降低模具和壓力機(jī)的使用壽命。
沖模的壓力中心，可按下述原則來確定：
（1）對稱形狀的單個沖裁件，沖模的壓力中心就是沖裁件的幾何中心。
（2）工件形狀相同且分布位置對稱時，沖模的壓力中心與零件的對稱中心相重合。
（3）形狀復(fù)雜的零件、多孔沖模、級進(jìn)模的壓力中心可用解析計算法求出沖模壓力中心。
解析法的計算依據(jù)是：各分力對某坐標(biāo)軸的力矩之代數(shù)和等于諸力的合力對該軸的力矩。求出合力作用點的坐標(biāo)位置X0，Y0（即x=0，y=0），即為所求模具的壓力中心。
單個零件的壓力中心計算如下：
X0＝(L1X1+L2X2+……LnXn)／(L1+L2+……Ln) （5-7）
Y0＝(L1Y1+L2Y2+……LnYn)／(L1+L2+……Ln)
式中： X0-壓力中心的橫坐標(biāo)；
Y0-壓力中心的縱坐標(biāo)；
L-各線段的長度；
X-各線段重心的橫坐標(biāo)；
Y-各線段重心的縱坐標(biāo)。
用解析法計算壓力中心時，先畫出凹模型口圖，如圖5-3所示。在坐標(biāo)系建立在圖示左下角，將沖裁輪廓按幾何圖形分解成L1~L14共14組基本線段，用解析幾何法求得該模具的壓力中心的坐標(biāo)。
由圖5-3分析壓力中心：
圖5-3 壓力中心分析圖
表5-7 零件壓力中心坐標(biāo)
線段長度（mm）
各線段壓力中心坐標(biāo)
X
Y
L1=25
0
0
L2=37.5
37.5
12.5
L3=13
5
18.5
L4=35
35
24.5
L5=13
5
18.5
L6=37.5
37.5
12.5
L7=120
25
0
L8=28.26
10
0
L9=176.625
30
0
L10=176.625
60
0
L11=20
90
6
L12=12
80
0
L13=12
100
0
L14=20
20
-6
L15=28.26
110
0
L15=120
60
-12.5
根據(jù)公式(5-7)計算落料凹模的壓力中心坐標(biāo)為：
X0=(L1X1+L2X2+……+LnXn)／(L1+L2+……+Ln)
=(25×0+37.5×37.5+……+120×60) ／(25+37.5+……+120)
=38415/874.77
≈43.91
Y0=(L1Y1+L2Y2+.............+LnYn)/(L1+L2+.................Ln)
=(25×0+12.5×37.5+..........+120×(-12.5)/(25+37.5+......+120)
=776/74
≈10.49
根據(jù)計算得出壓力中心的坐標(biāo)為（43.91、10.49）。
6 刃口尺寸計算
沖裁件的尺寸精度主要決定于模具的刃口尺寸精度，模具的合理間隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度來保證。正確確定模具刃口尺寸及其制造公差，是設(shè)計沖裁模主要任務(wù)之一。
6.1 沖裁間隙的確定
沖裁間隙是影響沖裁工序最重要的工藝參數(shù)，其定義為沖裁凸模與凹模之間的空隙尺寸，如圖6-1所示。設(shè)計模具時一定要選擇合理的間隙，以保證沖裁件的斷面質(zhì)量、尺寸精度滿足產(chǎn)品的要求，所需沖裁力小、模具壽命高。沖裁過程中模具的失效形式一般有磨損、變形、崩刀和凹模刃口脹裂四種。間隙大小主要對模具磨損及脹裂產(chǎn)生影響,間隙增大可以使沖裁力、卸料力等減小，因而模具的磨損也減小。但當(dāng)間隙繼續(xù)增大時，卸料力增加，又影響模具壽命。一般間隙為（10%～15%）t時的磨損最小，模具壽命較高。
圖6-1 沖裁間隙圖
由于沖裁間隙對斷面質(zhì)量、工件尺寸精度、模具壽命、沖裁力等的影響規(guī)律并非一致，所以，并不存在一個絕對合理的間隙數(shù)值，能同時滿足斷面質(zhì)量最佳、尺寸精度最高、模具壽命最長、沖裁力最小等各方面的要求。所以在實際生產(chǎn)中，其總的原則應(yīng)該是在保證滿足沖裁件剪切斷面質(zhì)量和尺寸精度的前提下，使模具壽命達(dá)到最長。目前在生產(chǎn)中，廣泛采用經(jīng)驗法和查表法來確定合理的間隙植。本套模具采用查表法予以確定其間隙植。
根據(jù)實用間隙表 6-1查得材料10鋼的最小雙面間隙Zmin=0.246mm，最大雙面間隙Zmax=0.360mm。
表6-1 沖裁模初始雙邊間隙值 mm
材料
厚度
08、10、35、
09Mn、Q235
16Mn
40、50
65Mn
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
Zmin
Zmax
小于0.5
極小間隙(或無間隙)
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
1.5
1.75
2.0
2.1
2.5
2.75
3.0
3.5
4.0
4.5
5.5
6.0
6.5
8.0
0.040
0.048
0.064
0.072
0.092
0.100
0.126
0.132
0.220
0.246
0.260
0.260
0.400
0.460
0.540
0.610
0.720
0.940
1.080
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.240
0.320
0.360
0.380
0.500
0.560
0.640
0.740
0.880
1.000
1.280
1.440
0.040
0.048
0.064
0.072
0.090
0.100
0.132
0.170
0.220
0.260
0.280
0.380
0.420
0.480
0.580
0.680
0.680
0.780
0.840
0.940
1.200
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.240
0.320
0.380
0.400
0.540
0.600
0.660
0.780
0.920
0.960
1.100
1.200
1.300
1.680
0.040
0.048
0.064
0.072
0.090
0.100
0.132
0.170
0.220
0.260
0.280
0.380
0.420
0.480
0.580
0.680
0.780
0.980
1.140
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.240
0.320
0.380
0.400
0.540
0.600
0.660
0.780
0.920
1.040
1.320
1.500
0.040
0.048
0.064
0.064
0.090
0.090
0.060
0.072
0.092
0.092
0.126
0.126
6.2 刃口尺寸的計算及依據(jù)與法則
在確定沖模凸模和凹模刃口尺寸時，必須遵循以下原則：
（1）根據(jù)落料和沖孔的特點，落料件的尺寸取決于凹模尺寸，因此落料模應(yīng)先決定凹模尺寸，用減小凸模尺寸來保證合理間隙；沖孔件的尺寸取決于凸模尺寸，故沖孔以凹模為基準(zhǔn)件，用增大凹模尺寸來保證合理間隙。
（2）根據(jù)凸、凹模刃口的磨損規(guī)律，凹模刃口磨損后使落料件尺寸變大，其刃口的基本尺寸應(yīng)取接近或等于工件的最小極限尺寸；凸模刃口磨損后使沖孔件孔徑減小，故應(yīng)使刃口尺寸接近或等于工件的最大極限尺寸。
（3）凸模和凹模之間應(yīng)保證有合理的間隙。
（4）凸模和凹模的制造公差應(yīng)與沖裁件的尺寸精度相適應(yīng)。
制造模具時常用以下兩種方法來保證合理間隙：
（1）分別加工法。分別規(guī)定凸模與凹模的尺寸和公差的尺寸及制造公差來保證間隙要求。凸模與凹模分別加工，成批制造，可以互換。這種加工方法必須把模具的制造公差控制在間隙的變動范圍之內(nèi)，使模具制造難度增加。這種方法主要用于沖裁形狀簡單、間隙較大的模具或用精密設(shè)備加工凸模和凹模的模具。
（2）單配加工法。用凸模和凹模相互單配的方法來保證合理間隙。先加工基準(zhǔn)件，然后非基準(zhǔn)件按基準(zhǔn)件配做，加工后的凸模和凹模不能互換。通常落料件選擇凹模為基準(zhǔn)模，沖孔件選擇凸模為基準(zhǔn)模。這種方法多用于沖裁件的形狀復(fù)雜、間隙較小的模具。
根據(jù)上述計算法則，對于采用分別加工的凸模和凹模，應(yīng)保證下述關(guān)系：
│δ凸│＋│δ凹│≤Zmax－Zmin
所以，新制造的模具應(yīng)該保證│δ凸│＋│δ凹│＋Zmin≤Zmax，否則，模具的初始間隙已超過了允許的變動范圍Zmin～Zmax，影響模具使用壽命。本套模具采用分別加工法進(jìn)行加工。
分開加工時計算公式如下：
落料 D凹=(Dmax-xΔ) (6-1)
D凸=( D凹-Zmin)=(Dmax-xΔ-Zmin) (6-2)
沖孔 d凸=(dmin+xΔ) (6-3)
d凹=( d凸+ Zmin)=( dmin+xΔ+ Zmin) (6-4)
孔心距 Ld=L±1/8Δ (6-5) 式中: D凸、D凹-分別為落料凹模和凸模的基本尺寸；
d凸、d凹-分別為沖孔凹模和凸模的基本尺寸；
Dmax-落料件的最大極限尺寸；
dmin -沖孔件的最小極限尺寸；
L、Ld-工件孔心距和凹?？仔木嗟墓Q尺寸；
Δ-沖裁件公差；
x-磨損系數(shù)；
δ凸、δ凹-分別為凹模和凸模的制造公差，凸模偏差取值負(fù)向，凹模偏差取正向。
由上表6-1可得： Zmin=0.246mm Zmax=0.360mm
Zmax－Zmin=(0.360－0.246)mm=0.114mm
（1）對落料件尺寸250- 0.02的凹、凸模偏差值查下表6-2得：
δ凸=－0.020mm δ凹=+0.025mm
根據(jù)條件 │δ凸│＋│δ凹│≤Zmax－Zmin
則 (0.020＋0.025)mm=0.045mm＜0.114mm
所以，滿足分別加工條件。
（2）對沖孔尺寸Ф6+00.22的凸、凹模偏差查表6-2得：
δ凸=－0.020mm δ凹=+0.020mm
根據(jù)條件 │δ凸│＋│δ凹│≤Zmax－Zmin
(0.020＋0.020)mm=0.040mm＜0.114mm
所以，滿足分別加工條件。
（3）對沖孔件尺寸Ф15+00.22的凸、凹模偏差查表6-2得：
δ凸=－0.020mm δ凹=+0.025mm
根據(jù)條件 │δ凸│＋│δ凹│≤Zmax－Zmin
(0.020＋0.025)mm=0.045mm＜0.114mm
所以，滿足分別加工條件。
（4）對沖長方形尺寸12+00.22的凸、凹模偏差查表6-2得：
根據(jù)條件 │δ凸│＋│δ凹│≤Zmax－Zmin
(0.020＋0.025)mm=0.045mm＜0.114mm
所以，滿足分別加工條件。
表6-2 簡單形狀（方形、圓形）沖裁時凸、凹模制造偏差 mm
公稱尺寸
凸模偏差
δ凸
凹模偏差
δ凹
公稱尺寸
凸模偏差
δ凸
凹模偏差
δ凹
≤18
＞18~30
＞30~80
＞80~120
＞120~180
－0.020
－0.020
－0.020
－0.025
－0.030
＋0.020
＋0.025
＋0.030
＋0.035
＋0.040
>180~260
＞260~360
＞360~500
＞500
－0.030
－0.035
－0.040
－0.050
＋0.045
＋0.050
＋0.060
＋0.070
由下表6-3可查得：按照圓形公差查得磨損系數(shù)x=0.75，非圓形件磨損系數(shù)x=0.5。
表6-3 磨損系數(shù) mm
材料厚度
工件公差△
1
1~2
2~4
＞4
≤0.16
≤0.20
≤0.24
≤0.30
0.17~0.35
0.21~0.41
0.25~0.49
0.31~0.59
≥0.36
≥0.42
≥0.50
≥0.60
＜0.16
＜0.20
＜0.24
＜0.30
≥0.16
≥0.20
≥0.24
≥0.30
磨損系數(shù)
非圓形χ值
圓形χ值
1
0.75
0.5
0.75
0.5
工作零件刃口尺寸如圖6-1，根據(jù)以上公式（6-1）、（6-2）、（6-3）、（6-4）、（6-5）分別計算工作零件刃口尺寸見表6-4。
（a） （b）
圖6-1 工作零件刃口尺寸
（a）落料 （b）沖孔
表6-4 工作零件刃口尺寸的計算
尺寸及分類
尺寸轉(zhuǎn)換
計算公式
結(jié)果
落料
120
1200-0.35
D凹=(Dmax-χ△)
D凸=(Dmax-χ△-Zmin)
D凹=119.740+0.08
D凸=119.4940+0.08
25
250-0.21
D凹=24.8420+0.05
D凸=24.8420+0.0254
45
450-0.25
D凹=44.8130+0.06
D凸=44.8129186
D凹=34.8130+0.06
35
350-0.25
D凸=34.8129186
37
370-0.25
D凹=36.8130+0.06
D凸=36.8129186
沖孔
Ф6
Ф6+00.12
d凸=(dmin+χ△) d凹=( dmin+χ△+ Zmin)
d凸=5.910-0.03
d凹=6.270-0.03
Ф12
Ф12+00.18
d凸=11.8650-0.04
d凹=12.2250-0.04
Ф15
150+0.18
D凸=14.9650-0.04
d凹=15.3250-0.04
孔心距
60
60±0.20
Ld=L±1/8△
Ld=60±0.025
20
20±0.12
Ld=20±0.025
30
20±0.15
Ld=30±0.025
通過上述對工作零件刃口尺寸的計算，落料凹模、凸模的尺寸如圖6-2。
（1） （2）
圖6-2 落料凹模、凸模的尺寸
（1）落料凹模尺寸 （2）落料凸模尺寸
7 主要零部件設(shè)計
雖然各類沖裁模的結(jié)構(gòu)形式和復(fù)雜程度不同，但組成模具的零件種類是基本相同的，根據(jù)它們在模具中的功用和特點，可以分為工藝零件和結(jié)構(gòu)零件兩類。
設(shè)計主要零部件時，首先要考慮主要零部件的定位、固定以及總體裝配方法，本套模具主要采用螺釘固定模具零件，銷釘起零件的定位作用，采用擋料銷送進(jìn)定距和導(dǎo)料銷送進(jìn)定位，無側(cè)壓裝置。下面就分別介紹各個零部件的設(shè)計方法。
7.1 凹模設(shè)計
7.1.1 凹模外形的確定
凹模的外形一般有矩形和圓形兩種。凹模的外形尺寸應(yīng)保證有足夠的強(qiáng)度、剛度和修磨量。凹模的外形尺寸一般是根據(jù)被沖材料的厚度和沖裁件的最大外形尺寸來確定的，如圖7-1所示。
7.1.2 凹模刃口結(jié)構(gòu)形式的選擇
沖裁凹模刃口形式有直筒式和錐形兩種，選用時主要根據(jù)沖件的形狀、厚度、尺寸精度以及模具結(jié)構(gòu)來確定。由于本模具沖的零件尺寸較大，所以采用刃口為直通式，該類型刃口強(qiáng)度高，修磨后刃口尺寸不變。
7.1.3 凹模精度與材料的確定
根據(jù)凹模作為工作零件，其精度要求較高，外形精度為IT11級，內(nèi)型腔精度為IT7級，表面粗糙度為Ra3.2um，上下平面的平行度為0.02，材料選Cr12MoV。
圖7-1 凹模外形尺寸的確定
凹模各尺寸計算公式如下：
凹模邊壁厚 H=Kb1 （7-1）
凹模邊壁厚 c=(1.5～2)H （7-2）
凹模板邊長 L=b1+2c （7-3）
凹模板邊寬 B=b2+2c （7-4）
式中： b1-沖裁件的橫向最大外形尺寸；
b2-沖裁件的縱向最大外形尺寸；
K-系數(shù)，考慮板料厚度的影響，查表7-1。
表7-1 系數(shù)K值
材料料寬s/mm
材料厚度t/mm
≤1
>1～3
>3～6
≤50
0.30～0.40
0.35～0.50
0.45～0.60
>50～100
0.20～0.30
0.22～0.35
0.30～0.45
>100～200
0.15～0.20
0.18～0.22
0.22～0.30
>200
0.10～0.15
0.12～0.18
0.15～0.22
查表7-1得：K=0.2。
根據(jù)公式（7-1）可計算落料凹模板的尺寸：
凹模厚度：
H=Kb1
=0.2×120
=24（mm）
根據(jù)公式（7-2）可計算凹模邊壁厚：
c=(1.5～2)H
=(1.5～2)×24
=36～48（mm）
取凹模邊壁厚為40mm。
根據(jù)凹模厚度和邊壁厚可確定凹模板的長、寬的尺寸。
根據(jù)公式（7-3）可計算凹模長：
L=b1+2c
=120+2×40
=200（mm）
根據(jù)公式（7-4）可計算凹模寬：
L=b2+2c
=37+2×40
=117（mm）
即：L×B×H=200mm×117mm×24mm
查表7-2得凹模尺寸為200mm×125mm×25mm。