第四章 模具设计
4.1零件工作尺寸计算要遵循的原则
首先简单介绍一下刃口尺寸及公差计算须遵循的一些原则，在以后的计算中就不再重叙。
1.拉深模工作部分尺寸计算的基本原则
确定凸模和凹模工作部分尺寸时，应考虑模具的磨损和拉深件的弹复。其尺寸公差只在最后一道工序考虑。对最后一道工序的拉深模，其凸、凹模的尺寸及其公差应按工件尺寸标注方式的不同，不同的计算方法。如果标注的尺寸是外形尺寸则凹模尺寸计算式为D
=(D
-0.75△)
凸模尺寸计算式为D
=( D-Z
)
如果标注的是内形尺寸，凹模尺寸计算式为D=(d+0.4△)
凸模尺寸计算式为D=( d+0.4△).
2.冲孔和落料模工作部分尺寸计算的基本原则
（1）根据冲孔和落料的特点 落料件的尺寸决定于凹模尺寸，故落料模以凹模为设计基准，先确定凹模的刃口尺寸，再按间隙值确定凸模的刃口尺寸；冲孔时孔径的尺寸决定于凸模的尺寸，故冲孔模以凸模为设计基准，先确定凸模的刃口尺寸，再按间隙值确定凹模的刃口尺寸。
（2）考虑凸、凹模的磨损 凸、凹模在冲裁过程中有磨损，凸模刃口尺寸磨损使冲孔尺寸减小，凹模刃口尺寸磨损则使落料尺寸增大。为了保证冲裁件的尺寸精度要求，并尽可能提高模具的使用寿命，设计落料模时，凹模刃口的基本尺寸应取落料件尺寸公差范围内的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模刃口的基本尺寸应取工件孔尺寸公差范围内较大的尺寸。这样就能保证凸、凹模磨损到一定程度后仍能冲裁出合格的工件。不论落料还是冲孔，凸、凹模间隙都应取用合理间隙范围内的最小值。
（3）刃口制造精度与工件的关系 凸、凹模刃口尺寸精度的选择应以能保证工件的精度要求为准，保证合理的凸、凹模间隙值，保证模具的一定的使用寿命，一般情况下，模具刃口制造精度可按工件公差的1/3～1/4选取。对于圆形凸、凹模，由于制造容易，精度易保证，制造公差可按IT6～IT7级选取。
为了保证凸、凹模间一定的间隙，必须满足关系式︱Tp︱+︱Td︱≤Zmax-Zmin（Tp——凸模刃口制造公差，Td——凹模刃口制造公差），这对于Zmax、Zmin差值很小时，将使凸、凹模刃口尺寸更小，给凸、凹模的制造带了困难。因此凸、凹模采用配合加工。采用配合加工只需在基准件工作图上标注尺寸和制造公差，另一件配模工作图只须标注有关的基本尺寸，并注明配制应留的间隙值。这种加工方法容易保证很小的间隙值，制造时可以放大基准件的公差，Tp与Td不再受间隙值的限制，工艺比较简单，制造容易。
4.2 工序的工艺设计
4.2.1拉深工序工艺计算
工艺计算主要是指冲压件毛坯尺寸的计算，合理间隙值的确定与凸、凹模工作部分尺寸的计算，冲压力的计算，模具压力中心与闭合高度的计算等等。在本次设计中涉及到拉深的计算，在具体计算之前，首先要确定拉深的次数和各次拉深的直径。在第二章里，初步确定了拉深部分毛坯直径
，并且通过论证，可以采用落料前凸缘直径
=28.5+2×1.8=32.1。由
×100=
×100=1.12查得
～0.8，实际相对高度
0.3〈～0.8，可以一次拉深成形。
一：拉深模工作部分尺寸计算
毛坯尺寸、主要工艺尺寸已在前面计算过，因此还需进行下列内容的计算。1）拉深模工作部分尺寸计算，图形落料凹模和凹凸模中的凹模部分，用分开加工。
拉深的坯料直径取自由公差，拉深部分的直径为
27
,拉深凹模及凸模的工作部分尺寸可按[2]式（3-63），并结合查表3-64，表3-62计算如下：
拉深凸、凹模工作部分尺寸，
(
△)=（27+0.4×0.08）
=27.03
(△+Z)=(27.032+1) 
=28.03
2）拉深凸、凹模的圆角半径
凹模的圆角半径
将数值代入式中，计算可得
2.2，与设计要求相差较大，不能一次拉深成形，需要另外加整形工序。拉深凸模圆角半径
取0.7
则 
。初步确定各次拉深整形凹模圆角半径2.2，1.3， 0.8。 按中线计算：2.45，1.55，1.05。
在本工序中 2.2
4.2.2压凸台工序工艺计算
在压凸台工序的工艺计算中，凸模的直壁部分与拉深工序的直壁部分尺寸相同，即：
(△)=（27+0.4×0.08）=27.03
(△+Z)=(27.032+1) =28.03
在凸模的工作部分按工件各部分要求圆角半径加工，其工艺尺寸见零件图，凹模的圆角半径为R1.3，顶件器的圆角半径为R0.8
4.2.3整形工序工艺计算
凸模的直壁部分也与拉深工序的直壁部分尺寸相同，即：
(△)=（27+0.4×0.08）=27.03
(△+Z)=(27.032+1) =28.03
在这道工序中，主要是完成前两次工序没有成形到位的凸缘处圆角半径，根据前面的计算可知，凹模的圆角半径为R0.8。
4.2.4 落料工艺计算
此落料工序的工作任务是落料（冲制出工件的外形尺寸），下面进行较详细的工艺计算。
1、落料工序刃口尺寸的计算
1>确定间隙值
从[2]表2-2查出尺寸间隙范围为（7%～10%）料厚为0.5mm,则计算可得
=0.035mm; 
=0.050mm
2>确定磨损系数
工件形状比较复杂，属于落料工序，在制造中以凹模为基准件，模具磨损后工作部分尺寸变化有三种情况：
A类尺寸：工作部分磨损后尺寸减小。
B类尺寸：工作部分磨损后尺寸增加。
C类尺寸：工作部分磨损后尺寸基本不变。
图（4）
从工件图可知尺寸可知
28.5 R1.25 R2 2 
为B类尺寸。3.2 21 4.2 属于C类， 未注悬臂间尺寸为A类尺寸。根据[3]表3-8查分别查处各尺寸的系数X， 
0.75 
。而3.2 21 4.2的X值取0.5。
3>确定制造公差
分别取
—凸凹模刃口尺寸制造公差，按冲件尺寸公差的一定比例选取。
，
落料以凹模为设计基准
先计算B类尺寸：
尺寸由于 
缩小
.
取 =0.4
（
）=0.40.015=0.006mm
=0.6（）=0.60.015=0.009mm
尺寸的计算由于
缩小.
取 =0.4（）=0.40.015=0.006mm
=0.6（）=0.60.015=0.009mm
由于工件形状复杂，薄料，从计算的尺寸公差看，配合间隙很小，精度要求比较高（用分开加工法需要保证
，故需要将制造公差控制很严，制造难度大。）根据实际情况，可以采用凸、凹模配合加工的方法，配合加工时刃口尺寸的基本计算方法是先给出基准尺寸和公差，然后根据其实际尺寸，按最小合理间隙配做另一件。这样间隙由配做保证，模具制造公差可比分别加工法放宽，且模具公差不受间隙限制，不必验算，这样做制造周期比较长，不能互换。标注方法：是先按计算结果标注基准件刃口基本尺寸及公差，配做件基本尺寸同基准件，并注明：尺寸按基准件实际尺寸配做，保证双面间隙值
～
以凹模为基准尺寸计算如下：
尺寸
尺寸
尺寸
尺寸R2
尺寸2
尺寸R1.25
C类尺寸计算：在本次设计中C类尺寸均为自由尺寸，取公差等级为IT14计算
尺寸21
尺寸3.2
尺寸4.2
4.3各工序冲压力的计算
冲压力包括冲裁力、卸料力、推件力和顶件力等。冲裁力是指在冲裁过程中，模具工作部分对材料的压力，冲裁力在冲裁过程中随上模行程而变化，冲裁力是选用压力机、模具设计和强度校核的依据。冲裁时由于弹性变形的恢复，落下的料径向胀大，有可能梗塞在凹模内；冲出的孔径向收缩，有可能将凸模箍紧，为取下工件或废料需要施加相应的力，就是卸料力、推件力和顶件力。从凸模上将零件或废料脱下所需的力称卸料力；从凹模内顺着冲裁方向把零件或废料推出的力称推件力；从凹模内逆着冲裁方向把零件或废料顶出的力称顶件力。这些力又称为辅助工艺力，是设计模具卸料装置选择压力机和调整某些工艺条件的依据。这些力的计算公式以及计算过程如下：
1）冲切槽孔工序
冲孔力： 
式中 
—冲裁力，单位为N；
—冲裁件周边长度，单位为mm；
—冲裁件厚度，mm;
—材料抗剪切强度，单位为Mpa;
—系数，一般取=1.3。
实际生产中还必须考虑各种因素对冲裁力的影响，如模具刃口磨损钝化，凸、凹模间隙不均匀，板料力学性能和厚度波动因素等，因此冲裁力应适当增大。为便于估算，可近似取
0.8
。
估算公式 
=92.2×0.5×350=16100N
卸料力：
N
推料力：
N
这道工序最大的压力:
≈25.6KN
2）拉深工序（模具结构见装配图）
查表[2]3-16得
拉深力： 
式中 F—拉深力，单位为N；
d—拉深直径；
—毛坯厚度，单位为mm;
—材料的抗拉强度，单位为Mpa；
—修正系数；
将数据代入公式得：
式中 
查[2]表5-7得：
压边力：为
=1753 N/
式中P=1.8MPa
顶件力：取拉深力的10%，则
=1483N
这道工序最大的压力:
18072N≈18.1KN
3）压凸台兼整形
整形力：
N
≈66.5KN
4）整形
≈23.1KN
5）落料工序
落料力： 
估算公式 
=27910N
卸料力： 
N
推料力：
N
这道工序最大的压力:
≈44.3KN
整个冲压过程所需总压力之和为：
25.6+18.1+66.5+23.1+44.3=385.5KN
三、压力中心的计算
冲裁力的合力中心称为压力中心。对于中小型模具，压力中心应与模柄中心线大体重合。冲裁力的合力中心可视冲裁力为沿冲裁刃口均布载荷加以确定。对于复杂的零件，可将刃口分成若干段，由各线段的重心位置决定合力的中心位置，或将各个简单图形的合力中心合成为整个图形的压力中心。根据计算公式，结合零件的简图，视冲裁力为均布载荷，落料工序的压力中心计算图解如下：
图（5）
原点为落料凹模的最左端中心，计算如下：
56.2mm，
0.81mm
（以到毛坯工件两水平侧面距离相等的水平线为x轴）。其他四道工序形状规整，压力中心均为拉伸件中心。整个冲压过程的压力中心计算如下：
图（6）
mm，
mm
四、橡皮的计算
冲裁模的弹压卸料装置中要用到弹性元件，常用的弹性元件有弹簧和橡皮。由于橡皮允许承受的负荷较大，安装调整都较灵活、方便，是冲裁模中常使用的弹性元件，因此选用橡皮作为弹性元件
（1）为了保证橡皮不会过早的失去弹性而损坏，其允许的最大压缩量不得超过自由高度h也就是橡皮厚度的45%，一般取总的高度h
=（0.35～0.45）h。
模具安装时，橡皮应预先压缩，预压缩量h
一般取其自由高度h的10%～15%，即h
=（0.1～0.15）h，由此可求出橡皮的许可工作行程：
h
=h
-h=（0.25～0.3）h，
由所需工作行程可按上式求出橡皮的厚度h。
取h=h/0.3，算得：
h=9/0.3=27（mm），h。
取h=h/0.25，算得：
h=9/0.25=32（mm）,
这里取h为32，压缩后的高度为
（mm）。
（2）计算橡皮产生的压力 橡皮产生的压力与其形状、尺寸和压缩量有关，按下式计算：
式中 F—橡皮所产生的压力（N）；
A—橡皮横截面积（
）
p—与橡皮的形状、压缩量有关的单位压力，一般取
=2～3Mpa
在这里A=35500 取2.5Mpa。
（3）校验 校验橡皮应使其所产生的压力大于卸料力；橡皮许可工作行程大于模具需要的压缩量；此外，对计算出的橡皮厚度
与直径D之比应按下式进行校验
如过
1.5，则应将橡皮在厚度方向分成若干块，使每块橡皮的值在上式范围内，并在每块橡皮之间垫以钢块。在本次设计中显然必须采用多块橡皮。
根据前面的计算可知橡皮的高度为32，按=0.5计算，初步估计约需要10块橡皮。每块橡皮所需要的力为：
=
N
假使所选橡皮为方形，则a=
28
在设计弹压装置时应充分注意，弹压卸料板应有足够的刚度，选用的卸料螺钉长度应严格一致，弹压力分布力求均匀，以保证工作时弹压卸料板运动平稳、不发生偏移或倾斜。
五、模具闭合高度的计算
冲模的闭合高度是指模具在最低工作位置时，下模座底面至上模座顶面之间的距离。压力机的闭合高度是指滑块在下止点位置时，滑块下端面至压力机垫板面之间的距离。大多数压力机的连杆长度可以调节，即压力机的闭合高度可以调整。当连杆调至最短时压力机的闭合高度最大，称最大闭合高度
；连杆调至最长时压力机的闭合高度最小，称最小闭合高度
。连杆的调节量M为：
冲模的闭合高度H应该介于压力机的最大闭合高度和最小闭合高度之间。一般按下列关系选择：
最好取 
对于此次跳步引伸自动模：
模具闭合高度
H=上模厚度+下模厚度 +凸模垫板+凸模固定板+橡皮的压缩状态厚度+卸料板厚度+料厚+凹模固定板厚度+垫块厚度=50+50+8+22+21+20+0.5+20+30
=232mm
4.4模具结构型式和技术要求
一、工作部件的结构型式和定位方式
凸模：本次设计中，共有五个凸模，包括冲工艺切槽孔凸模，拉深凸模，压凸台凸模，整形凸模，以及落料凸模，考虑到现代制造工艺中，除圆截面凸模外，对于具有复杂截面形状的凸模，现在一般设计成直通式，以适应成型磨削、线切割和电火花加工工艺。从凸模的结构形状分析，冲切槽孔凸模和落料凸模的形状比较复杂，为了统一加工，其余三个凸模亦加工为直通式样，凸模的固定方式常用的是采用机械固定。在本次设计中，凸模直接固定在凸模固定板上，采用H7/n6或H7/m6过渡配合，为防止卸料力将凸模拉出，在凸模尾部铆开固定。
凹模：本次设计中用到了镶块凹模。这种凹模的采用主要考虑到级进模工序较多，修模比较困难，如果直接在模板上加工凹模，某一工序凹模损坏，整个凹模都必须更换，造成对模具钢的浪费。采用镶块凹模较好的解决了这一问题。
本次设计的落料工序和冲工艺切槽孔工序采用了单独的模板加工凹模，在这两道工序中，落料工序要用来保证工件尺寸精度。所以对它的设计要求比较严格，而冲工艺切槽孔工序在整过冲压过程中只起辅助作用，对它的尺寸要求不是很严格，可以采用自由尺寸公差。经查阅有关资料，并根据模具设计要求；在非标准尺寸的凹模设计时，应确定凹模的外形尺寸。由于凹模受力状态比较复杂，目前还不能用理论方法精确计算，生产中凹模厚度尺寸H和壁厚尺寸C常用下面的经验公式确定。
1）尺寸：为防止凹模受力后产生过大弯曲变形，凹模应有足够的厚度，常按以下经验公式确定：H=（0.2～0.6）B（mm）
式中：H—凹模厚度（mm）
B—凹模孔口最大尺寸
本次设计中，B的最大值为42.6代入上式可得H的范围是8.52～25.56在这里取中间值20
2）模壁厚度C：影响凹模强度。可取C=（1.5～2）H
代入H值可得C的范围是30～40，
二、凸模、凹模工作表面的技术要求
在拉深过程中，凸缘变形区的变形程度最大，与凹模接触的面积也最大。筒壁部分由于凸、凹模间隙的存在，接触面积较小。在凸模圆角处，筒壁与凸模完全脱离，接触面最小。由于以上原因，毛坯在拉深的过程中受到不同程度和不同性质的力的作用，特别是凸缘变形区除了受径向拉力外，还受摩擦阻力和凹模圆角处的弯曲阻力的作用。为了提高成形质量和成形极限，尽量降低筒壁传力区的最大拉力，或提高危险断面的承载能力，杂模具设计和制造中，除了对凸、凹模的尺寸公差严格要求外，对其表面质量还应有以下要求：
凸、凹模加工后的表面，不允许有影响使用的砂眼、缩孔、裂纹和机械损伤等缺陷；
凹模工作表面和型腔表面的粗糙度应达到Ra0.8um,而凹模圆角处的表面粗糙度数值一般要求为Ra0.4um。目的是降低径向拉应力，保证拉深顺利进行；
在拉深过程中，凸模的工作表面特别是凸模的圆角处对材料的摩擦阻力有利于抵制材料的变薄。因此，在不影响工件表面质量的条件下，凸模圆角区的表面粗糙度植达到Ra1.6～0.8um即可。
二、定位零件的结构与设计
定位零件的作用是保证坯料的正确送进及对工作零件处于正确的位置。因此为了保证模具正常工作和冲出合格冲裁件，必须保证坯料或工序件对模具的工作刃口处于正确的相对位置，即必须定位。选择定位方式及定位零件应根据坯料形式、模具结构、冲件精度和生产率的要求等。在本次设计中采用自动送料装置粗定位，在落料工序采用导正销精定位。
导正销：导正销是用以校正定位误差，提高送料的步距精度。导正销有两种安装形式：一是导正销像凸模一样安装在凸模固定板上，二是导正销安装在落料凸模刃口端面。在此设计中导正销直接安装在凸模刃口端面上，通过条料上的拉深部位对条料进行导正定位。导正销由导入、定位和连接三部分组成，连接部分的圆柱直径与凸模体采用压入式配合，取过盈配合H7/r6。
三、卸料装置的结构及推（顶）件装置的结构与设计
卸料装置：用来将冲裁后因弹性变形恢复而卡在凸模上或凹模型孔内的工件或废料脱卸下来，为了保证冲裁过程能连续、顺利地进行，必须在模具上设置卸料。在本次设计中，采用了三块卸料板卸料，这样做主要减少各工序卸料干涉现象。使模具工作时稳定性更好。
顶件装置：在拉深工序中要使用顶件装置。将拉深的工件从下模的凹模型孔内向上顶出的装置称顶件装置。本次设计中用到顶件块与小间隙凹模配合，顶件块不仅起到了将工件顶出的作用，而且在拉深整形的过程中，始终有弹簧的弹力使顶件块与工件底部接触，使拉深件的底部很平整。特别是在压凸台工序中，兼有凸模的作用。
四、导向装置及模架的结构与设计
导向装置用于冲裁模上、下模之间的定位连接和运动导向。导向零件可以消除压力机滑块运动误差对模具运动精度的影响，保证凸、凹模间隙分布均匀，便于模具安装和调整，因而提高模具的使用寿命和冲裁件精度。因此，在设计冲裁模时一般均采用导向装置，以保证上、下模的精确导向。
常用的导向装置有导板式、导柱导套式、滚珠导向式。由于圆柱形导柱、导套加工容易，装配简单，滑动导向刚度大，精度高、稳定性好，是冷冲模应用最广泛的导向装置。根据本次设计的特点，选用导柱导套式导向装置。导柱装于下模座，导套装于上模座。导柱与导套之间采用间隙配合，其配合精度为H7/h6。导柱与下模座、导套与上模座采用过盈配合H7/r6。导柱与导套相对滑动，要求配合表面有足够的硬度，又要有足够的韧性。通常选用20刚制造，表面经渗碳淬火处理，表面硬度为58～62HRC。同时为了避免因调整不当而使压力机滑块与导柱相撞，在模具闭合高度状态下应使导柱长度符合下了条件：上模座的上平面与导柱上端面的距离应大于10～15mm，下模座的下平面与导柱下端面的距离应大于2～3mm，导套上端面与上模座的上平面的距离应大于3mm，用以排气和出油。
模架是上、下模间的定位连接体，是用于固定模具零件、保证凸、凹模的良好导向和传递冲压力的组合装置，由上、下模座和导柱、导套组装构成。设计模具采用标准模架可以简化模具设计，缩短模具设计和制造周期，提高模具质量，降低模具成本。在此，选用四导柱模架。
五、固定与联接零件的结构与设计
固定与联接零件用来将凸、凹模固定在上、下模座上，以及将上、下模座固定在压力机上。设计模具时这些零件可以按标准选用。
（1）模柄： 模柄是将上模安装在压力机滑块上的零件。在此选用旋入式模柄。
（2）模座： 上、下模座用以安装全部模具零件，构成模具的总体和传递冲压力。因此，模座不仅应具有足够的强度，还要有足够的刚度。按标准选用模座。根据零件尺寸大小分析，选取铸造模座，上模座的厚度为50mm，下模座的厚度为60mm。
（3）垫板：垫板厚度可在4～12mm内按标准选用，在此上下垫板的厚度取8mm。
（4）固定板： 分为凸模固定板和凹模固定板，凸模固定板材料一般为Q235，或45钢，板料厚度根据凸模长度确定，一般取凸模长度的40%左右，在本次设计中，考虑到模具冲压力比较小的特点，凸模固定板选较小值为22mm。凹模固定板厚度一般取凹模镶块的配合长度，底部与垫板配磨，保证定位精准。
（5）螺钉与销钉： 螺钉与销钉用于对模具板件固定与定位，通常两者选用相同的直径。螺钉的直径与布置间距可参考文献[3]表3-6按凹模厚度选定。螺钉以选用内六角型为宜，拧入被连接件的深度为1.5d（d为螺钉工作直径）。销钉与孔采用H7/m6过渡配合。销钉压入连接件与被连接件的深度应分别不小于1.5d和2.5d。
至此，模具的结构设计已基本完成。
4.5 选择冲压设备
在冷冲压生产中，为适应不同工作的需要采用不同类型的压力机。压力机的类型按传动方式不同可分为机械压力机（包括曲柄压力机和摩擦压力机等）和液压压力机（包括油压机和水压机等）两大类。其中最常用的是曲柄压力机。
在选用压力机时，必须使冲压工艺力曲线不超过压力曲线，在使用中为简便起见，在施力行程很小的冲压工序，（冲孔，落料，浅拉伸等）可直接选用公称压力大于冲压所需工艺力总和的压力机，对于施力行程较大的冲压工序（如深拉深，深弯曲等）应按冲压所需工艺力总合小于或等于压力机公称压力的50%～60%的条件下来选择。
工作台面的尺寸指工作台面的长，宽尺寸、与允许安装模具下模座尺寸大小有关。一般比冲模下模座大50～70mm以便于安装固定模具用的螺钉和压板。
综上所叙，根据前面所计算的冲压力选得压力机为开式双柱可倾压力机型号为J23-40。其压力机的技术规格及参数如下表：
表1 开式双柱可倾压力机J23-40的技术规格
|
公称压力（KN）
|
滑块行程（mm）
|
滑块行程次数（min ）
|
最大闭合高度（mm）
|
闭合高度调节量（mm）
|
工作台尺寸（mm）
|
垫板尺寸（mm）
|
|
400
|
80
|
55
|
330
|
65
|
前后460
|
厚度65
|
|
左右700
|
|
