第4章 模具总体设计
4.1 模具类型的选择
由冲压工艺分析可知，采用级进模方式冲压，所以模具类型为级进模。
4.2 操作方式
零件的生产批量为大批量，但合理安排生产可用手动送料方式，既能满足生产要求，又可以降低生产成本，提高经济效益。
4.3 卸料、出件方式
4.3.1 卸料方式
刚性卸料与弹性卸料的比较：
刚性卸料是采用固定卸料板结构。常用于较硬、较厚且精度要求不高的工件冲裁后卸料。当卸料板只起卸料作用时与凸模的间隙随材料厚度的增加而增大，单边间隙取（0.2～0.5）t。当固定卸料板还要起到对凸模的导向作用时卸料板与 凸模的配合间隙应该小于冲裁间隙。此时要求凸模卸料时不能完全脱离卸料板。主要用于卸料力较大、材料厚度大于2mm且模具结构为倒装的场合。
弹压卸料板具有卸料和压料的双重作用，主要用于料厚小于或等于2mm的板料由于有压料作用，冲件比较平整。卸料板与凸模之间的单边间隙选择（0.1～0.2）t,若弹压卸料板还要起对凸模导向作用时，二者的配合间隙应小于冲裁间隙。常用作落料模、冲孔模、正装复合模的卸料装置。
工件平直度较高，料厚为0.8mm相对较薄，卸料力较小，弹压卸料模具比刚性卸料模具方便，操作者可以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，所以采用弹性卸料。
4.3.2 出件方式
因采用连续模生产，故采用向下落料出件。
4.4 确定送料方式
因选用的冲压设备为开式压力机且垂直于送料方向的凹模宽度B小于送料方向的凹模长度L故采用横向送料方式，即由右向左（或由左向右）送料。
4.5 确定导向方式
方案一：采用对角导柱模架。由于导柱安装在模具压力中心对称的对角线上，所以上模座在导柱上滑动平稳。常用于横向送料级进模或纵向送料的落料模、复合模。
方案二：采用后侧导柱模架。由于前面和左、右不受限制，送料和操作比较方便。因为导柱安装在后侧，工作时，偏心距会造成导套导柱单边磨损，严重影响模具使用寿命，且不能使用浮动模柄。
方案三：四导柱模架。具有导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点。常用于冲压件尺寸较大或精度要求较高的冲压零件，以及大量生产用的自动冲压模架。
方案四：中间导柱模架。导柱安装在模具的对称线上，导向平稳、准确。但只能一个方向送料。
根据以上方案比较并结合模具结构形式和送料方式，为提高模具寿命和工件质量，该级复合模采用对角侧导柱模架的导向方式，即方案一最佳。
第5章 模具设计计算
5.1 排样、计算条料宽度、确定步距、材料利用率
5.1.1 排样方式的选择
方案一：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，模具寿命高，但材料利用率低。
方案二：少废料排样 因受剪切条料和定位误差的影响，冲件质量差，模具寿命较方案一低，但材料利用率稍高，冲模结构简单。
方案三：无废料排样 冲件的质量和模具寿命更低一些，但材料利用率最高。
通过上述三种方案的分析比较，综合考虑模具寿命和冲件质量，该冲件的排样方式选择方案一为佳。考虑模具结构和制造成本有废料排样的具体形式选择直排最佳。
5.1.2 计算条料宽度
搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。搭边过大，浪费材料。搭边过小，冲裁时容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还有拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降低模具寿命。
搭边值通常由表4所列搭边值和侧搭边值确定。
根据零件形状，查表4，并考虑到工件的切边，工件之间搭边值a=1.5mm, 工件与侧边之间搭边值取a1=2mm, 条料是有板料裁剪下料而得，为保证送料顺利，规定其上偏差为零，下偏差为负值—△
B0△=（Dmax＋a1＋2b1）0△ 公式（5-1）
式中 Dmax—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；
a---冲裁件之间的搭边值；
a1---工件与侧边之间搭边值取。
△—板料剪裁下的偏差；（其值查表5）可得△=0.4mm。
B0△=38.26＋2×1.2＋2×1.5
=43.660-0.40mm
故条料宽度为43.66mm。
表5-1 搭边值和侧边值的数值
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材料厚度t（mm)
|
圆件及类似圆形制件
|
矩形或类似矩形制件长度≤50
|
矩形或类似矩形制件长度＞50
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|
工件间a
|
侧边a1
|
工件间a
|
侧边a1
|
工件间a
|
侧边 a1
|
|
≤0.25
|
1.0
|
1.2
|
1.2
|
1.5
|
1.5~2.5
|
1.8~2.6
|
|
＞0.25～0.5
|
0.8
|
1.0
|
1.0
|
1.2
|
1.2~2.2
|
1.5~2.5
|
|
＞0.5～1.0
|
0.8
|
1.0
|
1.0
|
1.2
|
1.5~2.5
|
1.8~2.6
|
|
＞1～1.5
|
1.0
|
1.3
|
1.2
|
1.5
|
1.8~2.8
|
2.2~3.2
|
|
＞1.5～2.0
|
1.2
|
1.5
|
1.5
|
1.8
|
2.0~3.0
|
2.4~3.4
|
|
＞2.0～2.5
|
1.5
|
1.9
|
1.8
|
2.2
|
2.2~3.2
|
2.7~3.7
|
表5-2 普通剪床用带料宽度偏差△（mm）
|
条料厚度t(mm)
|
条料宽度b(mm)
|
|
≤50
|
＞50～100
|
＞100～200
|
＞200
|
|
≤１
|
0.4
|
0.5
|
0.6
|
0.7
|
|
＞１～2
|
0.5
|
0.6
|
0.7
|
0.8
|
|
＞2～3
|
0.7
|
0.8
|
0.9
|
1.0
|
|
＞3～5
|
0.9
|
1.0
|
1.1
|
1.2
|
表5-3 侧刃冲切得料边定距宽度b1（mm）
|
条料厚度t(mm)
|
条料宽度b(mm)
|
|
金属材料
|
非金属材料
|
|
≤1.5
|
1.5
|
2.0
|
|
＞1.5～2.5
|
2.0
|
3.0
|
|
＞1.5～2.5
|
2.5
|
4.0
|
5.1.3 确定步距
送料步距S：条料在模具上每次送进的距离称为送料步距，每个步距可冲一个或多个零件。进距与排样方式有关，是决定侧刃长度的依据。条料宽度的确定与模具的结构有关。
进距确定的原则是，最小条料宽度要保证冲裁时工件周边有足够的搭边值；最大条料宽度能在冲裁时顺利的在导料板之间送进条料，并有一定的间隙。
级进模送料步距S
S=Dmax+a1 公式（5-2）
Dmax零件横向最大尺寸，a1搭边
S＝11.52＋1
＝12.52mm
排样图如图5-1所示。
图5-1 排样图
5.1.4 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。
一个步距内的材料利用率
η＝Ａ/BS×100% 公式（5-2）
式中 A—一个步距内冲裁件的实际面积；
B—条料宽度；
S—步距；
由此可之，η值越大，材料的利用率就越高，废料越少。废料分为工艺废料和结构废料，结构废料是由本身形状决定的，一般是固定不变的，工艺废料的多少决定于搭边和余量的大小，也决定于排样的形式和冲压方式。因此，要提高材料利用率，就要合理排样，减少工艺废料。
排样合理与否不但影响材料的经济和利用，还影响到制件的质量、模具的的结构和寿命、制件的生产率和模具的成本等指标。因此，排样时应考虑如下原则：
1）提高材料利用率（不影响制件使用性能的前提下，还可以适当改变制件的形状）。
2) 排样方法使应操作方便，劳动强度小且安全。
3) 模具结构简单、寿命高。
4) 保证制件质量和制件对板料纤维方向的要求。
一个步距内冲裁件的实际面积，运用CAD软件，工具-查询-面积：
A=296.2mm2
所以一个步距内的材料利用率
Η=Ａ／BS×100% 公式（5-2）
=296.2／43.66×12.52×100%
=54.5%
根据计算结果知道选用直排材料利用率可达54.5%，满足要求。
5.2 冲压力的计算
5.2.1 冲裁力和弯曲力的计算
在冲裁过程中，冲裁力是随凸模进入凹模材料的深度而变化的。通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值，它是选用压力机和设计模具重要依据之一。
用平刃冲裁时，其冲裁力Ｆ一般按下式计算：
F=KLtτb 公式（5-4）
式中 F—冲裁力；
L—冲裁周边长度；
t—材料厚度；
τb—材料抗剪强度；
Ｋ—系数；
运用CAD软件，工具-查询-长度：
L=132mm
系数Ｋ是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动和不均匀，刃口磨损、板料力学性能和厚度波动等原因的影响而给出修正系数，一般取Ｋ=1.3。
τb的值查表2为τb=245Mpa
所以
=1.3×132×0.8×245/1000
=33.63（KN）
P2=1.3×12.87×0.8×245/1000
=3.3(KN)
计算总冲压力PZ：
PZ=P1+P2=33.63+3.3=36.93(KN)
根据计算，模具冲裁力为36.93KN。
弯曲力是指弯曲件在完成预定弯曲时所需要的压力机施加的压力，是设计冲压工艺过程和选择设备的重要依据之一。弯曲力的大小与毛坯尺寸、零件形状、材料的机械性能、弯曲方法和模具结构等多种因素有关，理论分析方法很难精确计算，在实际生产中常按经验公式进行计算。
1）自由弯曲时的弯曲力公式
V形弯曲件：
； U形弯曲件：
；
式中：
、
——自由弯曲力；B——弯曲件的宽度；t——弯曲件厚度；r——内圆弯曲半径；
——弯曲材料的抗拉强度；K——安全系数，一般取1.3。
2）、校正弯曲力公式
式中：
——校正力；
——单位面积上的校正力，Mpa，见表-3；A——弯曲件被校正部分的投影面积，mm2。
表-3 单位校正弯曲力 单位（MPa）
3）计算
本弯曲件弯曲部分，有3处V形弯曲。20F钢的
V形弯曲力：
=
=2663.6N
5.2.2 卸料力的计算
在冲裁结束时，由于材料的弹性回复（包括径向回复和弹性翘曲回复）及摩擦的存在，将使冲落的材料梗塞在凹模内，而冲裁剩下的材料则紧箍在凸模上。为使冲裁工作继续进行，必须将紧箍在凸模上的料卸下，将梗塞在凹模内的材料推出。从凸模上卸下箍着的料称卸料力；一般按以下公式计算：
卸料力
F X=KXF 公式（5-5）
FX=KXF
=0.055×36.93KN=2.03KN
（KX 、KD为卸料力系数，其值查表7可得）
所以总冲压力
FZ=F+FX+FD
=36.93N+2.663KN+2.03N
=41.623KN
压力机公称压力应大于或等于冲压力，根据冲压力计算结果拟选压力机为J23—10。
表5-4 卸料力、推件力和顶件力系数
|
料厚t/mm
|
KX
|
KT
|
KD
|
|
钢
|
≤0.1
＞0.1~0.5
＞0.5~2.5
＞2.5~6.5
＞6.5
|
0.06~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.03
|
0.1
0.063
0.050
0.045
0.025
|
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
|
|
铝、铝合金
纯铜，黄铜
|
0.025~0.08
0.02~0.06
|
0.03~0.07
0.03~0.09
|
|
|
|
|
|
|
5.3 压力中心的确定
模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。为了确保压力机和模具正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心相重合，否则，会使冲模和力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨之间产生过大的摩擦，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。冲模的压力中心，可以按下述原则来确定：
1）对称形状的单个冲裁件，冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。
2）工件形状相同且分布位置对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。
3）形状复杂的零件、多孔冲模、级进模的压力中心可以用解析计算法求出冲模压力中心。
X0=（L1x1＋L2x2＋…Lnxn）/(L1＋L2＋…Ln) 公式（5-7）
Y0=（L1y1＋L2y2＋……Lnyn ）/（L1＋L2＋…＋Ln）公式（5-8）
由于该工件在Y方向上高度对称，所以代入数据计算得：压力中心为（21.6，11）。
