绪论 1.1 概述 冲压成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法，用以生产各种板料零件,具有很多独特的优势，其成形件具有自重轻、刚度大、强度高、互换性好、成本低、生产过程便于实现机械自动化及生产效率高等优点，是一种其它加工方法所不能相比和不可替代的先进制造技术，在制造业中具有很强的竞争力，被广泛应用于汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活的生产之中。 在吸收了力学、数学、金属材料学、机械科学以及控制、计算机技术等方面的知识后，已经形成了冲压学科的成形基本理论。以冲压产品为龙头，以模具为中心，结合现代先进技术的应用，在产品的巨大市场需求刺激和推动下，冲压成形技术在国民经济发展、实现现代化和提高人民生活水平方面发挥着越来越重要的作用。 1.2 冲压技术的进步 进几十年来，冲压技术有了飞速的发展，它不仅表现在许多新工艺与新技术在生产的广泛应用上，如：旋压成形、软模具成形、高能率成形等，更重要的是人们对冲压技术的认识与掌握的程度有了质的飞跃[1]。 现代冲压生产是一种大规模继续作业的制造方式，由于高新技术的参与和介入，冲压生产方式由初期的手工操作逐步进化为集成制造（图1-1）。生产过程逐步实现机械化、自动化、并且正在向智能化、集成化的方向发展。实现自动化冲压作业，体现安全、高效、节材等优点，已经是冲压生产的发展方向。 图1-1 冲压作业方式的进化 冲压自动化生产的实现使冲压制造的概念有了本质的飞跃。结合现代技术信息系统和现代化管理信息系统的成果，由这三方面组合又形成现代冲压新的生产模式—计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）。把产品概念形成、设计、开发、生产、销售、售后服务全过程通过计算机等技术融为一体，将会给冲压制造业带来更好的经济效益，使现代冲压技术水平提高到一个新的高度。 1.3 模具的发展与现状 模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高技术密集型产品，也是高新技术产业的重要领域，其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造水平的重 1
要标志。随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。目前我国模具工业的发展步伐日益加快，“十一五期间”产品发展重点主要应表现在 [2]：（1）汽车覆盖件模； （2）精密冲模； （3）大型及精密塑料模； （4）主要模具标准件； （5）其它高技术含量的模具。
目前我国模具年生产总量虽然已位居世界第三，其中，冲压模占模具总量的40%以上[2]，但在整个模具设计制造水平和标准化程度上，与德国、美国、日本等发达国家相比还存在相当大的差距。以大型覆盖件冲模为代表，我国已能生产部分轿车覆盖件模具。轿车覆盖件模具设计和制造难度大，质量和精度要求高，代表覆盖件模具的水平。在设计制造方法、手段上已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步。但在制造质量、精度、制造周期和成本方面，以国外相比还存在一定的差距。标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，与国外多工位级进模和多功能模具相比，存在一定差距[2-3]。
1.4 模具CAD/CAE/CAM技术
冲压技术的进步首先通过模具技术的进步来体现出来。对冲模技术性能的研究已经成为发展冲压成形技术的中心和关键。
20世纪60年代初期，国外飞机、汽车制造公司开始研究计算机在模具设计与制造中的应用。通过以计算机为主要技术手段，以数学模型为中心，采用人机互相结合、各尽所长的方式，把模具的设计、分析、计算、制造、检验、生产过程连成一个有机整体，使模具技术进入到综合应用计算机进行设计、制造的新阶段。模具的高精度、高寿命、高效率成为模具技术进步的特征。
模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化[4]。模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。
模具CAD/CAE/CAM在近20年中经历了从简单到复杂，从试点到普及的过程。进入本世纪以来，模具CAD/CAE/CAM技术发展速度更快，应用范围更广。 在级进模CAD/CAE/CAM发展应用方面，本世纪初，美国UGS公司与我国华中科技大学合作在UG-II（现为NX）软件平台上开发出基于三维几何模型的级进模CAD/CAM软件NX-PDW。该软件包括工程初始化、工艺预定义、毛坯展开、毛坯排
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样、废料设计、条料排样、压力计算和模具结构设计等模块。具有特征识别与重构、全三维结构关联等显著特色，已在2003年作为商品化产品投入市场。与此同时，新加波、马来西亚、印度及我国台湾、香港有关机构和公司也在开发和试用新一代级进模CAD/CAM系统。
我国从上世纪90年代开始，华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学和北京机电研究院等相继开展了级进模CAD/CAM系统的研究和开发。如华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，包括板金零件特征造型、基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具和线切割自动编程5个模块。上海交通大学为瑞士法因托（Finetool）精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAC/CAM系统。西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等。近年来，国内一些软件公司也竞相加入了级进模CAD/CAM系统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统CmCAD、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统Fox-CAD等[4]。 展望国内外模具CAD/CAE/CAM技术的发展，本世纪的科学技术正处于日新月异的变革之中，通过与计算机技术的紧密结合，人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快，学科领域交叉之广前所未见。今后10年新一代模具CAD/CAE/CAM系统必然是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物，其特点将反映在专业化、网络化、集成化、智能化四个方面。主要表现在[4]： （1）模具CAD/CAM的专业化程度不断提高；
（2）基于网络的CAD/CAE/CAM一体化系统结构初见端倪； （3）模具CAD/CAE/CAM的智能化引人注目； （4）与先进制造技术的结合日益紧密。
1.5 课题的主要特点及意义
该课题主要针对电器开关过电片零件，在对过电片冲孔、落料和压弯等成形工艺分析的基础上，提出了该零件采用多工位级进模的冲压方案；根据零件的形状、尺寸精度要求，设计过程中综合考虑采用“双列直对排法”排样，成形侧刃定位，保证工件的尺寸和形状位置精度要求的同时，提高了材料的利用率和劳动生产率。
本课题涉及的知识面广，综合性较强，在巩固大学所学知识的同时，对于提高设计者的创新能力、协调能力，开阔设计思路等方面为作者提供了一个良好的平台。
2 冲压工艺方案的制定
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该零件为某电器开关过电片，是一家电器生产企业产品中的一个主要零件，如图2-1所示,其作用是通过开关扳手的运动由过电片让电流通或断。该零件生产属于大批量生产，零件结构紧凑，冲裁壁厚很小（最小处为0.75mm），成形过程相互干涉，在复合模中难于实现；若用简单的落料、冲孔、弯曲模等单工序模也可达到冲压要求，这样模具虽然简单了，图2-1 零件图 材料：H68普通黄铜 料厚：0.5mm 但是冲压所用的设备和人员较多，冲压工序中的定位也较麻烦，加上零件较小，装料时易产生不安全的现象，而且工序较多效率较低故不被推广。为减少零件在生产中的多次定位对其精度和生产率的影响，一要产品批量较大，对零件的一致性要求较高，二是具有H68良好的弯曲和冲裁性能，经过反复比较，适宜采用较为复杂的多工位级进模制造。 2.1 工艺分析 本电器开关过电片从总体上看是一个带双孔的“制的尺寸有，，，”形弯曲件，该零件需要控，分别为公差等级IT11，IT12级，其余尺寸均为未注公差，可以按IT12级取公差。该零件材料为H68普通黄铜，料厚为0.5mm，因而从尺寸精度和材料方 面分析比较适合用冲压加工。经计算得零件毛坯展开尺寸，如图2-2所示，最长处为22.86mm，最宽处为6.8mm，属于小型冲压件。由于“”形弯 图2-2 零件展开图 曲件两直边折弯方向相反，故弯曲模必须有两个方向的弯曲动作。现改为“对弯曲，然后再切断为二个“也减少了弯曲时的毛坯移动。 ”形弯曲件，它是“”形件的成”形件，这样使两边的弯曲力相互平衡，同时2.2 排样图设计 4
排样图是多工位级进模设计的关键，它具体反映了零件在整个冲压成形过程中，毛坯外形在条料上的截取方式及与相邻毛坯的关系，而且对材料的利用率、冲压加工的工艺性以及模具的结构和寿命等有着显著的影响[5]该过电片零件形状一头大一头小，若采用单列排样则材料的利用率较低，故采用双列排样；又为了减少制件在冲压时的移动和抵消弯曲力，综合考虑采用“双列直对排法”，由于制件较小，采用“双列直对排法”排样的模具体积也不会很大，同时按“双列直对排法”排样为“一模四件”生产，大大提高了生产效率，因此这样的排样比较科学合理。查文献[6]表2-13取搭边值a=1.2mm，冲切外形时工件间的搭边连接最小宽度取1.8mm。故应针对零件和零件展开后的工艺特点，并综合考虑工艺分析各个因素后，设计合理的排样图及具体工位安排。 故：条料宽度 b=22.86mm×2 + 1.2mm×2 + 1.8mm =49.92mm，取b=50mm； 冲压进距 h=6.8mm + 5mm + 1.2mm×2 =14.2mm 毛坯排样图如图2-3所示： 根据以上分析，冲压如图2-1所示的零件的级进模分为四个工位。 第一工位：定距冲外形； 第二工位：冲圆孔和腰形孔； 第三工位：“圆孔中定位； 第四工位：切断“个“”形制件。 ”形件，分离得四图2-3 排样图 ”形弯曲，由导正销在计算材料的利用率，一个进距内的冲裁面积A： A=92.5mm2+19.6mm2×4+15.9mm2×4+51.8 mm2=286.3 mm2 其中，A包括一个进距内冲出的小孔面积142mm 故一个进距的材料利用率为： ==59.7% 若冲出的小孔材料可以加以利用，则由本排样方案计算一个进距的材料利用率为： 3 模具总体结构设计 模具总体结构如图3-1所示，该模具采用后侧导柱模架，冲圆孔凸模19，冲腰形孔凸模18，切断凸模15，切边凸模20，压弯凸模（成形侧刃）16，导正销29分别和凸模固定板5采用压入式装配，用圆柱销23在上模座上定位，与垫板4
5
一起固定在上模座上；凹模11采用整体加工而成，为了便于制造、试模和维修，压弯凹模镶块17两件采用镶拼结构，嵌入冲裁凹模槽孔内，并用螺钉加以固定；条料送进步距由成形侧刃定位控制，制件弯曲由导正削精定位，所有凸模卸料由弹性卸料板7完成，冲孔、切边和切断废料由凹模下面的漏料孔逐步排出，制件从料头分离，由模具终端沿凹模斜面自动落下。
3.1 条料定位装置
由于侧刃定距方式使冲压时材料送进准确可靠，但增加了材料的消耗，也使模具的制造维修趋于复杂。侧刃的成形冲切即发挥了侧刃定距的优点，又使得有搭边排样的有废料冲压变为无废料、少废料冲压。
成形侧刃冲压是将拟选用的侧刃与工件某部分的冲裁结合，利用冲切出条（带）料的缺口代替普通侧刃的切边缺口实现送料限位定距，省去普通侧刃冲切后仍需留出落料冲切的搭边，实现少无废料排样的冲裁[7]。资料表明：在级进模上使用成形侧刃与使用普通侧刃相比，不仅可以节省冲压材料6%-10%，成本降低2%-6%，而且可以使连续冲压保持较高的劳动生产率的同时，保证工件具有较高的尺寸和形状位置精度。
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图3-1 模具结构示意图 1-模柄 2-上模板 3-圆柱头内六角卸料螺钉 4-垫板 5-凸模固定板 6-弹簧 7-卸料板 8-导套 9-导柱 10-下模板 11-凹模 12-垫板 13-内六角圆柱头螺钉 14-圆柱销 15-切断凸模 16-压弯凸模 17-凹模镶块 18-冲腰形孔凸模 19-冲圆孔凸模20-切边凸模（成形侧刃） 21-开槽圆柱头螺钉22-承料板 23-圆柱销24-内六角圆柱头螺钉25-圆柱销26-圆柱销27-开槽沉头螺钉 28-导料板 29-导正销 30-开槽沉头螺钉 31-螺塞 32-弹簧 本设计在送料前进方向的两侧采用双成形侧刃定距，如图2-3所示，即为使用成形侧刃的排样图，侧刃长度稍大于送料进距，以便导正销伸入预冲孔时导料略后退。成形侧刃尺寸按式（3-1）计算： L=h+（0.05～0.10） （3-1） 式中，L—成形侧刃断面沿送料方向的长度（mm），这里； 7
h—步距（mm）
精确定位由导正销29与条料上的导正孔φ5来实现，该模具装有2件导正销，结构形式如图3-1所示，条料宽度方向由左、右导料板28导向，承料板22承料。
3.2 出料装置
采用弹性卸料板7卸料，弹性卸料板由弹簧6产生的弹性实现卸料，并穿过卸料螺钉3杆部安装在凸模固定板与卸料板之间。导正销与导正孔之间存在一定的间隙，一般可以避免导正销卡在导正孔内，若为了防止导正销卡在导正孔内，可以采用在局部设计卸料块与弹簧，靠弹簧产生的弹性实现卸料。冲孔、切边废料和切断废料由凹模下方的漏料孔逐步排出，制件由模具终端沿斜面自动落下。
3.3 模具结构特点
采用双成形侧刃对称布置，切边定距，冲出工件部分外形，充分利用料头和料尾。为了便于送料，在冲切外形时工件之间留有一定的搭边连接，在冲弯后再切去，工件成形后由凹模11终端的斜面滑出。
3.4 模具工作过程
将裁剪好的宽度为50mm的条料放在下模上，并依靠成形侧刃定位。
第一步：上模下行卸料板在弹簧作用下压住坯料，切边凸、凹模完成切废料工序； 第二步：上模上行条料靠手动向前送一步，上模下行冲孔凸、凹模完成冲孔工序，废料从下模的下漏料孔排出；
第三步：上模上行条料靠手动向前送一步，上模下行由导正销精确定位，弯曲凸、凹模完成弯曲工序；
第四步：上模上行条料靠手动继续向前送一步，上模下行由切断凸、凹模完成切断工序，废料从下模的下漏料孔排出，同时有四个制件从模具终端落下，完成整个冲压过程。
4 模具零件的设计与计算
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4.1 凸、凹模刃口尺寸的计算 4.1.1 凸、凹模间隙的选择 凸、凹模间隙值的大小对冲压制件质量、模具寿命、冲压力的影响很大，是冲压工艺与模具设计中的一个极其重要的工艺参数。根据零件材料及料厚，查文献[8]表2-10，确定冲裁刃口始用双面间隙值：Zmin=0.025 mm， Zmax=0.045 mm。至于压弯时凸模与凹模之间的间隙，按材料的性能、厚度以及弯曲件的高度和宽度（弯曲线的长度），取单边间隙C=（1.0～1.1）t，这里取C=0.5 mm。另外，设计中考虑在合模时使毛坯完全压靠，以保证弯曲件的质量和尺寸精度。 4.1.2 凸、凹模刃口尺寸计算 冲压制件的尺寸精度主要决定于模具刃口的尺寸精度，合理间隙的数值也必须靠模具的刃口尺寸来保证。因此，正确确定模具刃口尺寸极其公差，是设计冲模的主要任务之一。 （1）切边凸、凹模刃口尺寸计算 由于该零件切边形状比较复杂，且为薄材料，为了保证凸、凹模之间的间隙值，拟采用凸、凹模配合加工的方法。先做凸模，然后配做凹模，具体可采用成形磨削加工刃口。 根据零件切边形状，如图4-1所示，其中未标注公差的尺寸，按IT12级取公差。凸模磨损后尺寸变小的记为A类，有A1=A3=，A4=, A2=，A5=, , 尺寸变大的记为B类，有B1=B2=,B3= ① 对于A类尺寸： 查文献[6]表2-11得：磨损系数x1=0.75, x2=1, x3=0.75, 图4-1 零件切边尺寸 x4=1, x5=1 A类尺寸按式(4-1)计算： （4-1） 式中，—凸模制造公差， 9
② 对于B类尺寸： 查文献[6]表2-11得：x1=1, x2=1, x3=1 B类尺寸按式(4-2)计算： （4-2） 图4-2 切边凸模尺寸 该零件切边凹模刃口各部分尺寸按上述切边凸模的相应部分尺寸配制，保证双面间隙值Zmin～Zmax=0.025～0.045mm。切边凸模尺寸标注如图4-2所示。 （2）冲圆孔凸、凹模刃口尺寸计算 圆孔形状简单，为制造方便，凸、凹模拟采用分开加工。 圆孔尺寸如图4-3，未注公差按IT12级处理有，按一般要求：模具精度较工件精度高2～3级，查文献[6]表2-10得， 图4-4 冲圆孔凸模尺寸 图4-3 圆孔尺寸 ，这样将不满足分开加工条件：。 考虑到圆孔容易加工，可以适当的提高凸、凹模制造精度，按:取，，，这样就满足分开加工条件： 先确定凸模刃口尺寸，查文献[6]表2-11得：x=0.75，按（4-3）式计算： (4-3)
10
则：凹模刃口尺寸，按（4-4）式计算： （4-4） 则：（3）冲腰形孔凸、凹模刃口尺寸计算 腰形孔尺寸如图4-5，未注公差按IT12级处理有。 腰形孔和圆孔同样，比较容易加工，按上述冲圆孔凸、凹模刃口计算方法，适当提高模具制造精度，以满足分开加工的条件，取，。 图4-5 腰形孔尺寸 冲腰形孔凸模尺寸标注如图4-6所示。 由式（4-4）得，凹模刃口尺寸为： ② 孔心距 图4-6 冲腰形孔凸模尺寸 —凸、凹模孔心距的标称尺寸（mm）； （4-5） ，孔心距,冲圆孔凸模尺寸标注如图4-4所示 ① 确定凸模刃口尺寸，查文献[6]表2-11得：x=1，根据（4-3）式有： 式中 、 —工件孔心距的标称尺寸（mm）； —工件孔心距的公差（mm） 则： 11
（4）切断凸模刃口尺寸计算 零件切断搭边废料形状尺寸如图4-7所示，其中未标注公差的尺寸，按IT12级取公差。按上述切边凸、凹模刃口尺寸计算方法，凸、凹模采用配合加工，先加工凸模，然后配做凹模。 同样，凸模磨损后尺寸变小的记为 A类，有A1=A3=, A4=, A2=； 。 , 图4-7 切断搭边尺寸 尺寸变大的记为B类，有B1=① 对于A类尺寸： 查文献[6]表2-11得：x1=0.75, x2=1, x3=1, x4=1，由式（4-1）得： ② 对于B类尺寸： 查文献[6]表2-11得：x=1 由式（4-2）得： 图4-8 切断凸模尺寸 该零件搭边废料切断凹模刃口各部分尺寸按上述切断凸模的相应部分尺寸配制，保证双面间隙值Zmin～Zmax=0.025～0.045mm，切断凸模尺寸标注如图4-8所示。 （5）压弯凸、凹模刃口尺寸计算 12
压弯型槽相对位置关系，如图4-9所示，相对宽度尺图4-9 压弯型槽相对位置 寸标注在内侧，故应以凸台（相当于凸模）为基准，先计算凸台尺寸。考虑到模具磨损和弯曲件的回弹，凸台尺寸按（4-6）计算： （4-6） 式中，—弯曲件基本尺寸(mm)； —弯曲件制造公差(mm)； —凸台制造公差，按IT8级选取 则： 两个压弯凸模刃边相对位置尺寸（相当于凹模）按凸台尺寸控制，保证单边间隙C, 即： （4-7） 故： 4.2 凸、凹模的设计 4.2.1 凸模的结构和固定形式 由于冲件的形状和尺寸的不同，冲模的加工以及装配工艺等实际条件亦有所不同，所以在实际生产中使用的凸模结构形式也就有很多种形式。一般冲裁凸模的形状是由产品的形状决定的，它可以采用直身结构也可采用加强型结构。主要的固定方式有：台肩固定、铆接、螺钉和销钉固定以及粘结剂浇注法固定等[9]。 本设计中采用用圆形和方形两种形式的凸模，材料选用T10A钢，淬火硬度HRC56-60 必要时表面可进行渗氮处理。圆凸模可采用高精度外圆磨床加工，异形凸模可以采用慢走丝线切割加工或成形磨削加工（成形磨削是模具零件成形表面精加工的一种方法，可以获得高尺寸精度、高表面加工质量[7]。 凸模固定方式如图4-10所示：凸模以过渡配合（K6）固紧在凸模固定板上，顶端形成台肩，以
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图4-10 凸模固定方式
便固定，并保证在工作时不被拉出，安全可靠。
4.2.2 凸模长度的确定
凸模工作部分的长度应根据模具的结构来确定。一般不宜过长，否则往往因纵向弯曲而使凸模工作时失稳。致使模具间隙出现不均匀，从而使冲件的质量及精度有所下降，严重时甚至会使凸模折断。 根据模具设计结构形式，凸模的长度为
（4-8）
式中，—凸模的长度（mm）；
—凸模固定板的厚度（mm），它取决于冲件的厚度t，一般在冲制
t<1.5mm的板料时，取15～20mm；当t=1.5～2.5mm时，取20～25mm；这里取
；
—卸料板的厚度（mm），取—导料板的厚度（mm），取
； ；
—附加长度（mm）。主要考虑凸模进入凹模的深度（对于冲裁凸模取
1mm，对于压弯凸模根据零件弯曲高度取5.2mm）以及模具闭合状态下卸料板的到凸模固定板间的安全距离（取20mm） 将各数据代入式（4-8）中得： 冲裁凸模长度 压弯凸模长度
4.2.3 凸模的强度计算
冲裁时凸模因承受了全部的压力，所以它承受了相当大的压应力。而
在卸料时，又承受有拉应力。因此，在一次冲裁的过程中，其应力为拉伸和压缩交变反复作用。在一般情况下，凸模的强度是足够的，因此没有必要作强度的校核[9]。但针对本过电片零件特点，其中有的凸模断面尺寸很小，因此必须对相应凸模的强度—包括凸模的最小断面（危险断面）的承压能力和抗弯能力进行校核。 （1）凸模承受能力的校核
对凸模最小断面上的承受能力进行计算时，必须使冲裁力小于或等于危险断面所允许的最大压应力。由[9]表2-9查得，对于材料为黄铜的冲件，最小的允许凸模
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相对直径（）为0.61～0.85，而该模具中凸模刃口最小壁厚1.2mm，,故凸模承受能力满足要求。 （2）失稳弯曲应力的校核 凸模在中心轴向压力的作用下，保持稳定（不产生弯曲）的最大长度与导向方式有关，由卸料板导向凸模最大允许长度按式（4-9）计算： （4-9） 式中， —凸模最大允许长度（mm）； —凸模材料弹性模量，对于钢材可取； —凸模或冲孔直径（mm）； —冲件材料厚度（mm）； —冲件材料抗剪强度（现今对最小凸模直径），这里对于H68普通黄铜 进行校核计算，将各数据代入式（4-9）中得： 所以大于凸模长度，故满足要求。显然，其它凸模也满足弯曲校核要求。 4.2.4 凹模结构形式设计 凹模在设计中采用整体加工而成，为了便于设计、制造、维修，压弯凹模两件采用镶拼结构，嵌入冲裁凹模孔内，并用螺丝固定，凸、凹之间的间隙为一个料厚。压弯凸模头部设计为圆弧角（R=1），以避免压弯时擦伤产品。在直角弯曲的压弯凹模靠近折弯线处，设计一条校正筋，如图4-11所示，使压弯时在产品根部产生塑性变形，减小回弹，保证弯曲角。图4-12 凹模刃壁形式 图4-11 压弯凹模镶块 凹模材料与凸模相同，选用T10A钢，淬火硬度HRC58-62。 如图4-12所示，为冲裁凹模刃壁形式，适用于薄料冲裁模[10]。一般可以使用电火花穿孔加工凹模[7]。 4.2.5 凹模结构尺寸的确定
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凹模设计应考虑的事项是关于凹模强度、制造方法及其加工精度等。特别是凹模孔的尺寸，在实用上是和制件尺寸一起来考虑的。它关系到制件质量的好坏，因此对其加工表面质量亦必须予以充分的考虑。
凹模的厚度和外形尺寸，对于其承受的冲裁力，必须具有不引起破损和变形的足够强度。冲裁时，凹模承受冲裁力和水平方向的作用，由于凹模的结构形式不一，受力状态又比较复杂，特别是对于复杂形状的冲件，其凹模的强度计算就相当的复杂。因而，在目前一般的生产实际情况下，通常都是根据冲裁件的轮廓尺寸和板料厚度、冲裁力的大小等来进行概略的估算及经验修正的[9]。结构尺寸计算如下：
（1）凹模壁厚
凹模壁厚b按文献[10]表14-5选择。
从排样图2-3知冲件料宽50 mm（>40-50 mm），料厚0.5 mm（≤0.8 mm），由文献[10]表14-5取b=30mm。
（2）凹模厚度：凹模厚度h根据冲裁力F按文献[10]图14-15选择。 先算冲裁力：
（4-10）
式中，L— 冲裁件周边长度（mm）； t— 材料厚度（mm），t=0.5mm； t— 材料抗剪强度（MPa），τ=240MPa；
K— 系数。考虑到模具刃口的磨损，模具间隙的波动，材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素，一般取K=1.3。
算得整个冲压工序中冲裁周边长度L=388mm，代入式（4-10）得：
F=1.3×388×240×0.5≈60KN
由文献[10]图14-15中取凹模厚度h=20mm。 （3）凹模外形尺寸
根据排样图2-3所注尺寸和上述凹模厚度h与壁厚b，可以得出： 凹模长L=124 mm； 凹模宽B=110 mm；
故初步有了凹模外形尺寸L×B×h=124×112×20 mm。
根据要求，上述凹模外形尺寸须向国家标准靠拢，对照文献[10]表14-6（摘自GB2858-81），将上述尺寸改为125×125×20 mm。 （4） 刃壁高度
垂直于凹模平面的刃壁，其高度h0可以按下列规则计算[10]： 冲件料厚t≤3 mm，h0=3 mm； 冲件料厚t>3 mm，h0=t；
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所以，这里取h0=3 mm。 （5） 凹模镶块尺寸设计
对于凹模镶块的尺寸，可以参见相关零件图纸。
4.3 模板的设计
标准的级进模模板包括：卸料板、固定板、凹模板、垫板、上模板、下模板，其中卸料板、固定板、凹模板是关键的三块模板，也是级进模比不可少的[11]。该模具中固定板起着固定凸模的作用，卸料板主要起卸料、压料同时还具有一定的导向作用；凹模板前面已经提到，既充当凹模刃口，又可以在其上镶拼凹模镶块。 另外，在进行级进模设计时，有一项很重要，就是设计让位，一般弯曲或成形等工位的所有后续工位都需要让位，而且要充分让位，不但需要考虑静态让位，还要考虑动态让位[11]。本设计中在凹模板上直接开槽让位，工件成形后由凹模终端的斜面滑出，保证了送料的顺畅。
凹模外形尺寸前面已述，该级进模其它模板的外形尺寸设计如下： 凸模固定板 上垫板 下垫板 导料板 卸料板
； ； ； ；
；卸料板凸台高度根据导向装置导料板
厚度来确定，取h =H-(0.1～0. 3)t=3-0.2×0.5=2.9 mm，所以卸料板整体高度为14.9 mm； 上模板 下模板 故：模具闭合高度
（标准件）； （标准件）；
4.4 卸料弹簧的选用
先算卸料力，查文献[8]表2-15得卸料力系数
，则：
（1）根据模具的结构初定8根弹簧，每根弹簧分担的卸料力为：
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（2）查文献[12]表10-1，并考虑到模具结构尺寸，初选弹簧参数为：弹簧钢丝直径d=2mm，弹簧中径D2=12mm，节距t=4.28mm，工作极限负荷Fj=188N，自由高度h0=40mm，有效圈数n=8.5，工作极限负荷下变形量hj=17.3mm，展开长度L=396mm。[规格标记为：弹簧2×12×40]
（3）弹簧预压量。由Fj=188N，hj=17.3mm，考虑卸料的可靠性，取弹簧在预压量为h1时就应有150N的压力，故：
（4）检查弹簧最大压缩量是否满足上述条件：冲裁时卸料板的工作行程h2=6.2mm;考虑凸模的修模量h3=4mm;弹簧的预压量为h1=14.4mm；故弹簧总压缩量为 h1+h2+h3=14.4mm+6.2mm+4mm=24.6mm hj=17.3mm<24.6mm ，故所选的弹簧不合适。
所以，改选弹簧钢丝直径d=3.0mm，弹簧中径D2=18mm，节距t=6.13mm，工作极限负荷Fj=388N，自由高度h0=45mm，有效圈数n=6.5，工作极限负荷下变形量hj=18.2mm，展开长度L=481mm。[规格标记为：弹簧3×18×45] 计算弹簧预压量：
故弹簧总压缩量为：h1+h2+h3=7.0mm+6.2mm+4mm=17.2mm hj=18.2mm>17.2mm，所以该规格的弹簧满足要求。
4.5 其它零件的设计
在级进模中，一些辅助零件对模具的顺利工作也起着重要的作用。针对该级进模，这里主要介绍导正销的设计。
本级进模设计当中，通过导正削与在前一个工位上冲了的两个
的孔实现精确
定位，保证产品的精度。进行导正销设计时注意到控制导正销的长度，保证当模具在自由状态时导正销的直壁部分伸出卸料板的长度要小于产品的一个料厚，这样就可以有效地避免带料现象[11]。模具在自由状态时导正销的直壁部分伸出卸料板的长度为0.3mm。
5 冲压设备的选用
根据所要完成的冲压工艺性质、生产批量的大小、冲压件的几何尺寸和精度要求来选定设备类型。
开式曲柄压力机虽然刚度差，但它成本低，且有三个方向可以操作的优点，故广泛应用于中小型冲裁件、弯曲件、拉深件的生产中。
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闭式曲柄压力机刚度好、精度高，只能靠两个方向操作，适用于大中型件的生产。 双动曲柄压力机有两个滑块，压边可靠易调，适用于较复杂的大中型拉深件的生产。
综合考虑，采用开式曲柄压力机。
5.1 冲压力的计算
该级进模采用弹性卸料和下出料方式。 由4.2节及4.4节计算知：
；
，则：
（5-1）
式中，—卡在凹模孔口中的工件个数，取
计算弯曲力，应该是自由弯曲力与校正弯曲力之和。即
（5-2）
由于校正弯曲时，校正弯曲力比自由弯曲力大得多，故大小取决于压力即的调整，根据相关经验计算初定为所以，
所选压力机的公称压力
必须大于
。
可以忽略，而
的
，故
计算推件力，查文献[8]表2-15得推件力系数
5.2 选择压力机
根据上述冲压力的计算，初步选用型号为J23-16开式双柱可倾压力机。该型号压力机主要技术规格如下[8]： 公称压力 160KN; 滑块行程 55mm; 最大闭合高度 220mm; 最大装模高度 180mm; 连杆调节量 45mm;
工作台尺寸（前后mm左右mm） 垫板尺寸（厚度mm孔径mm）
; ;
19
模柄孔尺寸（直径mm深度mm） 滑块中心至床身中心距离 160mm; 最大倾斜角 35°
由4.3节计算知：模具闭合高度
;
故，所选压力机装模高度与模具闭合高度满足下式
还可以看出
取在：
，这样可以避免连杆调节过
长，螺纹接触面积过小而被压坏。
6 压力中心的计算
冲裁时的合力作用点或多工序模各工序冲压力的合力作用点，称为模具压力中心。如果模具压力中心与压力机滑块中心不一致，冲压时会产生偏载，导致模具以及滑块与导轨的急剧磨损，降低模具和压力机的寿命。因此，设计时应该正确算出冲裁时的压力中心，并使压力中心和模柄轴心线重合；若因冲件的形状特殊，从模具结构方面考虑不宜使压力中心与模柄轴心线相重合，也应注意尽量使压力中心的偏离不超过所选压力机模柄孔投影面积的范围，以下通过解析法确定模具的压力中心。
6.1 计算步骤
（1）建立平面直角坐标系
；
（2）计算出各单一图形的压力中心到坐标轴的距离x1、x2、x3、?xn和y1、 y2、 y3、? yn ；
（3）将计算数据分别代入式（6-1a）和（6-1b），即可求得压力中心坐标 （x0, y0）。
（6-1a）
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（6-1b） 6.2 计算压力中心 根据排样图设计及各工位在模具上的相对位置，建立直角坐标系， 如图6-1所示： 图6-1 压力中心计算图 由对称性可知，各工序冲压力的合力作用点落在x轴上，即坐标，将所计算的各工位上的冲压力及图6-1中所标注的x坐标值代入式（6-1）中得：坐标，故在此坐标系中模具压力中心坐标为（7，0）。所以该模具压力中心（机床滑块中心）与模具中心左右偏移10.5mm(可供模具安装时参考)。 7 总结 设计是源头，设计虽然只占模具成本的10%左右，却决定了整个模具成本的70%～80%。所以，作者在设计时详尽地考虑了模具结构，考虑提高生产率，如何方便维修。但是，又不能完全依赖于设计，在实际生产中要具体问题具体分析，根据实际状况进行模具调整也是必需的。在生产中模具的维修、保养也是很重要的。在模具维修时，应该多注意细节，找出根本原因，针对其维修。在拆装模具时，要认真仔细，以防损伤模具。定期的维护、保养也可以大大提高模具寿命。 21
从整个设计过程来看，该电器开关过电片采用多工位级进模，模具结构设计合理，加工简单，操作方便，通过连续冲裁、弯曲等几道工序一次成形，工作效高，零件成形质量好，大大提高了生产率，降低了生产成本，满足了生产需求，而且该设计思路可扩展推广到其它类似零件的产品模具设计中。当然，由于作者知识水平有限，对实践的缺乏，当中不乏有不足之处，还有待在以后的工作实践当中不断地完善和创新！
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