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本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
題目：筒形傳感器外殼沖壓模具設(shè)計
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
2013年05月
筒形傳感器外殼沖壓模具設(shè)計
摘要
沖壓加工是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中先進(jìn)高效的加工方法之一。它是利用安裝在壓力機(jī)上的模具，在常溫或加熱的條件下對板材施加壓力使其變形和分解，從而獲得一定形狀、尺寸的零件加工方法。采用普通的沖壓的模具生產(chǎn)較率低，且費(fèi)用較高，經(jīng)估算占沖壓件總成本的30%～40%，甚至更高一些。根據(jù)工件特點(diǎn)選擇采用級進(jìn)模沖壓生產(chǎn)以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。本次設(shè)計采用級進(jìn)模沖壓生產(chǎn)。本文對采用級進(jìn)模沖壓生產(chǎn)彎角的分析，計算以及具體方案做了介紹。
關(guān)鍵詞：彎角；級進(jìn)模；沖壓
II
Cylindrical Sensor Housing Stamping Die Design
Abstract
The stamping is one of the modern machinery manufacturing state-of-the-art and efficient processing methods. It is installed in the press mold, and applying pressure to deform and decomposition of the plate under the conditions of room temperature or heated to obtain a certain shape, the size of the parts processing method. The ordinary stamping mold production is relatively low, and the cost is higher, the estimate accounted for 30% to 40% of the total cost of stamping parts, and even higher. According to the work piece characteristics of progressive die stamping production in order to improve production efficiency, reduce production costs. The design uses a progressive die stamping production. Analysis of progressive die stamping corner, computing, and specific programs is introduced.
Key Words: Corners; Progressive die; Stamping
II
目 錄
1 緒論.......................................................................................................................1
1.1全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù).............................................................................1
1.2高速銑削加工........................................................................................................1
1.3模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)..........................................................................................1
1.4電火花銑削加工.....................................................................................................2
1.5提高模具標(biāo)準(zhǔn)化程度..............................................................................................2
1.6優(yōu)質(zhì)材料及先進(jìn)表面處理技術(shù)................................................................................2
1.7模具研磨拋光將自動化、智能化............................................................................2
1.8模具自動加工系統(tǒng)的發(fā)展.......................................................................................2
1.9級進(jìn)模的優(yōu)缺點(diǎn).....................................................................................................2
2 設(shè)計初始資料.......................................................................................................4
2.1技術(shù)要求...............................................................................................................4
2.2工件生產(chǎn)批量........................................................................................................5
2.3原材料規(guī)格及毛坯情況..........................................................................................5
3 分析沖壓零件（彎角）的工藝性.......................................................................6
3.1沖壓件經(jīng)濟(jì)性分析.................................................................................................6
3.2沖壓件工藝性分析.................................................................................................6
3.3沖模制造精度的選擇..............................................................................................6
3.4其他方面...............................................................................................................7
4 確定工藝方案及模具形式...................................................................................8
4.1排樣.....................................................................................................................8
4.2工序的確定...........................................................................................................8
4.3搭邊類型的確定....................................................................................................8
4.4卸料板的選擇........................................................................................................9
5 工藝計算.............................................................................................................10
5.1毛坯工藝計算......................................................................................................10
5.1.1排樣及搭邊值的計算........................................................................................10
5.1.2步距的計算.....................................................................................................10
5.1.3條料寬度的確定...............................................................................................11
5.1.4材料利用率的計算...........................................................................................11
5.1.5板料的裁剪.....................................................................................................12
5.2沖壓力的計算......................................................................................................12
5.2.1沖裁力計算.....................................................................................................12
5.2.2卸料力、推件力和頂件力計算..........................................................................13
5.2.3計算總沖壓力..................................................................................................14
5.3確定壓力中心......................................................................................................14
5.3.1壓力中心.........................................................................................................14
5.3.2壓力中心的計算..............................................................................................15
5.4凸凹模工作部分尺寸計算.....................................................................................16
5.4.1尺寸計算原則..................................................................................................16
5.4.2沖裁間隙的選擇..............................................................................................16
5.4.3凸凹模刃口尺寸..............................................................................................17
5.5確定各主要零件結(jié)構(gòu)尺寸（凹凸模的設(shè)計）..........................................................20
5.5.1凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)化.................................................................................20
5.5.2凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)化.................................................................................22
5.6初選沖壓設(shè)備......................................................................................................23
6 模具強(qiáng)度校核.....................................................................................................24
6.1模具失效形式......................................................................................................24
6.2對沖裁部分的模具零件進(jìn)行校核計算....................................................................24
7 壓力機(jī)的選用.....................................................................................................25
7.1壓力機(jī)的校核......................................................................................................25
8 模具零部件設(shè)計.................................................................................................27
8.1模具標(biāo)準(zhǔn)件的選擇...............................................................................................27
8.1.1模架的選用.....................................................................................................27
8.1.2導(dǎo)向裝置的確定..............................................................................................27
8.1.3模柄的選擇.....................................................................................................28
8.1.4沖壓加工時定位部分的設(shè)計.............................................................................29
8.1.5卸料形式的確定..............................................................................................29
8.1.6導(dǎo)料裝置的確定..............................................................................................29
8.2模具材料的選用...................................................................................................30
9 模具的裝配.........................................................................................................31
10 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析...............................................................................................32
10.1沖裁件的經(jīng)濟(jì)性分析..........................................................................................32
10.2模具的經(jīng)濟(jì)性分析..............................................................................................32
11 結(jié)論...................................................................................................................34
參考文獻(xiàn)...............................................................................................................35
致謝.......................................................................................................................36
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明.......................................................................37
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明...........................................................................38
附錄.......................................................................................................................39
VI
1 緒論
1 緒論
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求各行各業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代快，對模具的需求量加大。我國設(shè)計生產(chǎn)的沖壓模大多為簡單模、單工序模和符合模等，精沖模，精密多工位級進(jìn)模還為數(shù)不多，模具平均壽命不足100萬次，模具最高壽命達(dá)到1億次以上，精度達(dá)到3～5um，有50個以上的級進(jìn)工位，與國際上最高模具壽命6億次，平均模具壽命5000萬次相比，處于80年代中期國際先進(jìn)水平。一般模具國內(nèi)可以自行制造，但很多大型復(fù)雜、精密和長壽命的多工位級進(jìn)模大型精密塑料模復(fù)雜壓鑄模和汽車覆蓋件模等仍需依靠進(jìn)口，近年來模具進(jìn)口量已超過國內(nèi)生產(chǎn)的商品模具的總銷售量。為了推進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展的需要，模具工業(yè)面臨著進(jìn)一步技術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整和加速國產(chǎn)化的繁重任務(wù)。目前我國模具產(chǎn)品水平和生產(chǎn)工藝水平總體上比國際先進(jìn)水平低許多，而模具生產(chǎn)周期卻要比國際先進(jìn)水平長許多。產(chǎn)品水平低主要表現(xiàn)在精度、型腔表面粗糙度、壽命及模具的復(fù)雜程度上；工藝水平低主要表現(xiàn)在設(shè)計、加工、工藝裝備等方面。
模具技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該為適應(yīng)模具產(chǎn)品“交貨期短”、“精度高”、“質(zhì)量好”、“價格低”的要求服務(wù)。達(dá)到這一要求急需發(fā)展如下幾項：
1.1全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)
模具CAD/CAM/CAE技術(shù)是模具設(shè)計制造的發(fā)展方向。隨著微機(jī)軟件的發(fā)展和進(jìn)步，普及CAD/CAM/CAE技術(shù)的條件已基本成熟，各企業(yè)將加大CAD/CAM技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)的力度；進(jìn)一步擴(kuò)大CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍。計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展正使CAD/CAM/CAE技術(shù)跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨院所地在整個行業(yè)中推廣成為可能，實現(xiàn)技術(shù)資源的重新整合，使虛擬制造成為可能。
1.2 高速銑削加工
國外近年來發(fā)展的高速銑削加工，大幅度提高了加工效率，并可獲得極高的表面光潔度。另外，還可加工高硬度模塊，還具有溫升低、熱變形小等優(yōu)點(diǎn)。高速銑削加工技術(shù)的發(fā)展，對汽車、家電行業(yè)中大型型腔模具制造注入了新的活力。目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展。
1.3模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)
高速掃描機(jī)和模具掃描系統(tǒng)提供了從模型或?qū)嵨飹呙璧郊庸こ銎谕哪Ｐ退璧闹T多功能，大大縮短了模具的在研制制造周期。有些快速掃描系統(tǒng)，可快速安裝在已有的數(shù)控銑床及加工中心上，實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集、自動生成各種不同數(shù)控系統(tǒng)的加工程序、不同格
2
畢業(yè)設(shè)計（論文）
式的CAD數(shù)據(jù)，用于模具制造業(yè)的“逆向工程”。模具掃描系統(tǒng)已在汽車、摩托車、家電2等行業(yè)得到成功應(yīng)用，相信在“十五”期間將發(fā)揮更大的作用。
1.4電火花銑削加工
電火花銑削加工技術(shù)也稱為電火花創(chuàng)成加工技術(shù)，這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工型腔的新技術(shù)，它是有高速旋轉(zhuǎn)的簡單的管狀電極作三維或二維輪廓加工(像數(shù)控銑一樣)，因此不再需要制造復(fù)雜的成型電極，這顯然是電火花成形加工領(lǐng)域的重大發(fā)展。國外已有使用這種技術(shù)的機(jī)床在模具加工中應(yīng)用。預(yù)計這一技術(shù)將得到發(fā)展。
1.5提高模具標(biāo)準(zhǔn)化程度
我國模具標(biāo)準(zhǔn)化程度正在不斷提高，估計目前我國模具標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率已達(dá)到30%左右。國外發(fā)達(dá)國家一般為80%左右。
1.6優(yōu)質(zhì)材料及先進(jìn)表面處理技術(shù)
選用優(yōu)質(zhì)鋼材和應(yīng)用相應(yīng)的表面處理技術(shù)來提高模具的壽命就顯得十分必要。模具熱處理和表面處理是否能充分發(fā)揮模具鋼材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模具熱處理的發(fā)展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善應(yīng)發(fā)展工藝先進(jìn)的氣相沉積(TiN、TiC等)、等離子噴涂等技術(shù)。
1.7模具研磨拋光將自動化、智能化
模具表面的質(zhì)量對模具使用壽命、制件外觀質(zhì)量等方面均有較大的影響，研究自動化、智能化的研磨與拋光方法替代現(xiàn)有手工操作，以提高模具表面質(zhì)量是重要的發(fā)展趨勢。
1.8模具自動加工系統(tǒng)的發(fā)展
這是我國長遠(yuǎn)發(fā)展的目標(biāo)。模具自動加工系統(tǒng)應(yīng)有多臺機(jī)床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的機(jī)具、刀具數(shù)控庫；有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng)；有質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)。
彎角是機(jī)器中的常用零件，現(xiàn)在已大批量生產(chǎn)。方法是分兩道工序完成，一個沖孔，一個落料。設(shè)計一個安全，高效，高精度，低成本的模具具有很現(xiàn)實的意義。這里我要設(shè)計一個級進(jìn)模來完成這個零件的生產(chǎn)。
1.9級進(jìn)模的優(yōu)缺點(diǎn)：
在一副級進(jìn)模內(nèi)，可以包括沖裁，彎曲，成型，拉伸等多道工序，故用一臺沖床可完成從板料到成品的各種沖壓過程，從而免去了用單工序模的周轉(zhuǎn)和每次沖壓的定位過程，提高了勞動生產(chǎn)率和設(shè)備利用率。有些復(fù)雜的小型零件，若不采用級進(jìn)模幾乎是不能生產(chǎn)的。
級進(jìn)模的設(shè)計和制造都比較費(fèi)事，與其他模具相比，好像是成本高，但如果用許多單工序模代替一副級進(jìn)模，其許多單工序模的總造價比一副級進(jìn)模要高得多，因此在條件允許的情況下采用級進(jìn)模往往是減低模具成本的較好措施。采用級進(jìn)模可以用一臺沖床取代數(shù)臺甚至幾十臺沖床的工作。對提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本十分有利。另外，級進(jìn)模自動化程度高，操作者可在沖床危險區(qū)以外操作，具有操作安全的顯著特點(diǎn)。對于工序復(fù)雜的工作應(yīng)首先考慮采用級進(jìn)模。
采用級進(jìn)模也受到一些限制。首先是工件的大小，太大的工件，工位數(shù)較多，模具自然也就比較大，這時要考慮模具與沖床工作臺面的匹配性。其二是級進(jìn)模要采用條料，對某些形狀復(fù)雜的工件產(chǎn)生的廢料較多，在選用級進(jìn)模的時候要注意材料利用率。一般級進(jìn)模的材料利用率偏低。其三是級進(jìn)模由于連續(xù)地進(jìn)行各種沖壓，必然會引起條料載體和工序件的變形，一般來說級進(jìn)模生產(chǎn)的工件精度偏低。
3
2 設(shè)計初始資料
2 設(shè)計初始資料
2.1 技術(shù)要求
注有技術(shù)要求的產(chǎn)品零件圖如下：
圖2.1 零件成型圖
4
畢業(yè)設(shè)計（論文）
圖2.2 展開圖
2.2工件生產(chǎn)批量
此零件的生產(chǎn)批量為大批量生產(chǎn)。為提高生產(chǎn)效率，在這個生產(chǎn)中是利用級進(jìn)模沖壓加工，生產(chǎn)出彎角。
2.3原材料規(guī)格及毛坯情況
在本次設(shè)計中，沖壓零件使用的材料為08F鋼板 t=2mm
5
3 分析沖壓零件（彎角）的工藝性
3分析沖壓零件（彎角）的工藝性
由產(chǎn)品零件簡圖中可以得到以下信息：在彎角這個零件中，沒有不規(guī)則的曲線及棱角，且在各曲線相接之處均有圓角過渡，沒有一處為尖角，所以從這一點(diǎn)來看，彎角這個零件可以用沖壓工藝生產(chǎn)。而且，這些圓滑過渡還有利于模具制造及提高模具的使用壽命。
分析沖壓零件的工藝性主要包括以下兩個方面：即經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面。
3.1沖壓件經(jīng)濟(jì)性分析
分析沖壓零件的工藝性主要包括以下兩個方面：即經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面。由于該工件為大批量生產(chǎn)，故可采用沖模沖壓加工生產(chǎn)，采用普通的沖壓的模具生產(chǎn)較率低，且費(fèi)用較高，經(jīng)估算占沖壓件總成本的30%～40%，甚至更高一些。因此，在選擇生產(chǎn)方法時，根據(jù)工件特點(diǎn)選擇采用級進(jìn)模沖壓生產(chǎn)以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。另外，在設(shè)計時盡量簡化加工工序、采用簡單的沖模結(jié)構(gòu)也可降低模具的生產(chǎn)成本，以取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。
3.2沖壓件的工藝性分析
由工件圖可看出，該工件圖上除孔3.2外尺寸未標(biāo)注尺寸偏差，屬未注公差尺寸，可按IT14級確定工件尺寸的公差。經(jīng)查公差表，各尺寸公差值確定如下表：
表3.1 工件的尺寸精度 mm
尺寸值
18
8.2
8
7
5.5
2
公差值
0.52
0.36
0.36
0.36
0.3
0.25
沖裁件為08F鋼板，是高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的可沖壓性能；工件的形狀較為簡單。由2.1的零件圖可看出：內(nèi)、外型均有尖銳清角。為了提高模具的使用壽命，將外部尖銳清角改為R1的工藝圓角。
3.3 沖模制造精度的選擇
沖模的制造精度根據(jù)沖壓件的精度及厚度確定，數(shù)據(jù)見表下表
6
畢業(yè)設(shè)計（論文）
表3.2 沖模精度
沖模制造精度
板料厚度（mm）
0.5
0.8
1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
8.0
IT6-IT7
IT8
IT8
IT9
IT10
IT10
—
—
—
—
—
IT7-IT8
IT9
IT10
IT10
IT12
IT12
IT12
—
—
—
IT9
—
—
—
IT12
IT12
IT12
IT12
IT12
IT14
IT14
由于此工件沒有標(biāo)注公差，按國家標(biāo)準(zhǔn)《非配合尺寸的公差數(shù)值》規(guī)定，沖模的公差等級可選比工件精度高2～3級，因此沖模按IT12精度設(shè)計制造。
3.4其他方面
沖壓件的工藝分析除了考慮其形狀，尺寸，精度，尺寸標(biāo)注及生產(chǎn)批量等主要方面外，還應(yīng)分析沖壓件的厚度，板料性能以及沖壓基本工序中常見問題對沖壓工藝性的影響。
7
4 確定工藝方案及模具形式
4 確定工藝方案及模具形式
4.1排樣
排樣是沖裁件在條料上的布置方法。合理的排樣可以提高材料的利用率，從而降低生產(chǎn)成本。因此，合理的排樣是沖裁模設(shè)計的重要內(nèi)容。
排樣主要依據(jù)工件的外形特征，主要分為直排、斜排、直對排、混合排、多行排等形式?？紤]到壓力機(jī)的使用以及模具的設(shè)計成本，本次設(shè)計的工件采用直排可使生產(chǎn)成本最少。
4.2 工序的確定
在級進(jìn)模設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品零件的技術(shù)要求和形狀特點(diǎn)選擇合適的沖壓工序，確定各工位所完成的工序，這一工作成為工序排樣。根據(jù)零件圖的特點(diǎn)初步確定工序性質(zhì)、工序數(shù)目、工序順序。由于此工件采用級進(jìn)模具加工，考慮到模具的制造難易成度以及材料的利用率，加工步驟暫定如下：
（1） 沖圓孔
（2） 落料
4.3 搭邊類型的確定
在條料上沖裁時，工件之間以及工件和條料側(cè)邊之間的余料稱為搭邊。搭邊分為三種：有搭邊、少搭邊和無搭邊。搭邊的作用是補(bǔ)償送料誤差，以保證沖出合格工件；保持條料剛度利利于送料避免廢料絲進(jìn)入模具間隙導(dǎo)致模具損壞。搭邊值要合理確定，從節(jié)省材料出發(fā)搭邊值越小越好，但搭邊值小于一定數(shù)值后，對模具壽命和剪切表面質(zhì)量不利。
搭邊值的大小與下列因素有關(guān)：
（1）材料的力學(xué)性能 硬材料的搭邊值可小一些，軟材料、脆材料的搭邊值要大一些。
（2）零件的形狀與尺寸 零件尺寸大或有尖角和突出等復(fù)雜開頭時，搭邊值應(yīng)大一些。
（3）材料厚度 厚度大的材料搭邊值取大一些。
（4）送料及擋料方式 手工送料時，有側(cè)壓板導(dǎo)向的搭邊值可以小些。
排樣圖如下：
8
畢業(yè)設(shè)計（論文）
圖4.1 工序圖
4.4 卸料板的選擇
卸料板的主要作用是把材料從凸模上卸下，有時也可作壓料板用以防止材料變形，并能幫助送料導(dǎo)向和保護(hù)凸模等。卸料板有固定卸料板（又稱鋼性卸料板）和彈性卸料板兩種。固定卸料板用于厚料或硬材，特點(diǎn)是卸料力大，使用安全，但送料操作受約束；彈性卸料板具有卸料和壓料的雙重作用，多用于沖制薄料，使工件的平面主提高，借助彈簧、橡膠或氣墊等彈性裝置卸料，常兼作壓邊、壓料裝置或凸模導(dǎo)向。因此本次設(shè)計選擇使用剛性卸料裝置。
9
5 工藝計算
5 工藝計算
5.1 毛坯工藝計算
5.1.1 排樣及搭邊值的計算
在條料上沖裁時，工件之間以及工件和條料側(cè)邊之間的余料稱為搭邊。搭邊的作用是：補(bǔ)償送料誤差，以保證沖出合格產(chǎn)品；保持條料剛度利于送料，避免廢料絲進(jìn)入模具間隙損壞模具。搭邊值要合理確定，從節(jié)省材料出發(fā)，搭邊值越小越好，但搭邊值小于一定數(shù)值后，對模具壽命和剪切表面質(zhì)量不利。綜合考慮工件質(zhì)量及成本，根據(jù)零件形狀尺寸，材料厚度，材料的力學(xué)性能以及送料及擋料方式，我們來選擇合理的搭邊值。
表5.1 工件的搭邊值
卸料板形式
條料厚度t/mm
搭邊值/mm
料寬≤50
料寬＞50
剛性卸料板
≤0.25
2.2
2.2～3.2
＞0.25～0.5
2.0
2.0～3.0
＞0.5～1.0
1.5
1.5～2.5
＞1.0～1.5
1.8
1.8～2.8
＞1.5～2.0
2.0
2.0～3.0
＞2.0～2.5
2.5
2.2～3.2
彈性卸料板
≤0.25
1.5
1.8～2.6
＞0.25～0.5
1.2
1.5～2.5
＞0.5～1.0
1.8～2.6
＞1.0～1.5
1.5
2.2～3.2
此次設(shè)計采用的是剛性卸料裝置，根據(jù)表5.1確定工件的側(cè)搭邊值為2mm。
5.1.2 步距的計算
步距是指沖壓過程中壓力機(jī)每沖壓一次條料向前送進(jìn)的距離，其值為排樣沿送進(jìn)方向兩相鄰毛坯之間的最小距離值
步距可定義為：
S=L+b (5.1)
11
畢業(yè)設(shè)計（論文）
式中 S—沖裁步距；
L—沿條料送進(jìn)方向，毛坯外形輪廓的最大寬度值；
b—沿送進(jìn)方向的搭邊值
本設(shè)計沿條料送進(jìn)方向，毛坯外形輪廓的最大寬度值L=18mm, 沿送進(jìn)方向的搭邊值b=2mm所以步距
S=L+b
=18+2
=20mm
5.1.3 條料寬度的確定
條料寬度指根據(jù)排樣結(jié)果確定的毛坯所需條料寬度方向的最小尺寸。通過計算展開長度寬度為15.18mm，理論上條料寬度可按下式計算：
(5.2)
式中 B—條料寬度的基本尺寸；
D—工件在寬度方向的尺寸；
a—側(cè)搭邊最小值。
△—條料寬度偏差（查表得本設(shè)計△=0.5）
由于模具加工誤差，條料的裁剪誤差及送料時的誤差。實際的條料寬度應(yīng)有一定的裕度，具體尺寸可根據(jù)不同的送料側(cè)定位方式計算。
本設(shè)計條料寬度可用下式計算：
=mm
5.1.4 材料利用率的計算
材料利用率定義為：
η=A/BS×100% (5.3)
式中 η—材料利用率
A—產(chǎn)品毛坯外形所包容的面積
B—條料寬度
S—沖裁步距
η=A/BS×100%
=(18×7+8.18×8)/20×19.18×100%
=191.6/383.6×100%
=50.0%
η越大，廢料多占面積越小。因此，一般將η作為衡量毛坯排樣方案友優(yōu)劣的指標(biāo)。材料利用率的計算有時也可以整個條料為基礎(chǔ)計算。
即 在沖壓生產(chǎn)中，材料利用率為50.01%。
5.1.5 板料的裁剪
板料尺寸為2×1000×1300（單位：mm）。
每個工件實際占用尺寸為2×20×15（單位：mm）。
若橫裁，每張板料可沖裁［1000/15］×［1300/20］=86×65=5590個工件
若豎裁，每張板料可沖裁［1300/15］×［1000/20］=86×50=4300個工件。
因此將板料橫裁（即條料尺寸為2mm×62mm×1300mm），原料的利用率較高。
5.2 沖壓力的計算
沖壓力計算包括沖裁力，卸料力，推件力，頂出力的計算。本設(shè)計由于沖模采用剛性卸料裝置和自然漏料方式，故總沖壓力為推件力，落料時的沖裁力和沖孔時的沖裁力的和。
沖裁力是凸模和凹模相對運(yùn)動使工件與板料分離所需要的力，它與材料厚度，工件周邊長度，材料的力學(xué)性能等參數(shù)有關(guān)。沖裁力是設(shè)計模具，選擇壓力機(jī)的重要參數(shù)。計算沖裁力的目的是為了合理的選用沖壓設(shè)備和設(shè)計模具。選用沖壓設(shè)備的標(biāo)稱壓力必須大于所計算的沖裁力，所設(shè)計的模具必須能傳遞和承受所計算的沖裁力，以適應(yīng)沖裁的要求。
5.2.1 沖裁力計算
影響沖裁力的因素很多，主要的有材料力學(xué)性能，厚度，沖裁件周邊長度，模具間隙大小以及刃口鋒利程度等。
一般平刃口模具沖裁時，其沖裁力可按下式計算，即
== (5.4)
式中 A—剪切斷面面積，;
t—材料厚度，mm;
L—沖裁周長，mm;
—材料的抗剪強(qiáng)度，MPa。
也可以按下式計算，即
=Lt (5.5)
式中 —系數(shù)，取決于材料的屈強(qiáng)比，一般取0.6～0.9。
L—沖裁內(nèi)外周邊的總長，mm;
t—材料厚度，mm;
—材料的抗拉強(qiáng)度,MPa。
本設(shè)計中沖裁力P包括落料時的沖裁力和沖孔時的沖裁力
P=+ (5.6)
計算沖裁力
=Lt 查表得=300MPa
=1.3[2(58-16)+2(30-16)+16π]2300/100
=126(kN)
=1.34π3.52300/1000=34(kN)
注：考慮到?jīng)_裁厚度不一致，模具刃口的磨損，凸凹模間隙的波動，材料性能的變化等因素，實際沖裁力還需要增加30%。如用平刃口模具沖裁時，實際沖裁力應(yīng)為=1.3P= 1.3Lt。
5.2.2 卸料力，推件力和頂件力計算
由于沖裁中材料的彈性變形及摩擦的存在，在沖裁后帶孔部分的材料會緊箍在凸模上，而沖落的材料會緊卡在凹模洞口中。從凸模上卸下板料的力稱為卸料力；把落入凹模洞口中的沖壓件或廢料順著沖裁方向推出的力稱為推件力；把落入凹模洞口中的沖壓件或廢料逆著沖裁方向頂出來的力稱為頂件力。
a．卸料力 卸料力的大小與凸模和凹模之間的間隙，工件的形狀，材料的種類及材料上所圖的潤滑劑的質(zhì)量等因素有關(guān)。
b. 間隙 若凸模和凹模具有合理的間隙，則卸料力可按下列公式計算，即
=P (5.7)
式中 P—沖裁力，N；
—脫料力，N；
—推出系數(shù)力，查表5.2可得
3) 推件力 推件力可按下列公式計算，即
=nP (5.8)
式中 P—沖裁力，N；
—推件力，N；
n—同時卡在凹模中的工件（或廢料）數(shù)目，n=h/t,h為凹模腔口高度，mm，t為材料厚度，mm；
—推出系數(shù)，查表5.2可得
4) 頂件力 頂件力可按下列公式計算，即
=P (5.9)
式中 —沖裁力，N；
—頂件力，N；
—頂出系數(shù)。查表5.2可得
表5.2 卸料力，推件力和頂件力系數(shù)
料厚/mm
鋼
≤0.1
0.065～0.075
0.1
0.14
＞0.1～0.05
0.045～0.055
0.063
0.08
＞0.5～2.5
0.04～0.05
0.055
0.06
＞2.5～6.5
0.03～0.04
0.045
0.05
＞6.5
0.02～0.03
0.025
0.03
鋁，鋁合金
0.025～0.08
0.03～0.07
紫銅，黃銅
0.02～0.06
0.03～0.09
若工件的形狀復(fù)雜，沖裁間隙又小時，系數(shù)應(yīng)采用最大值。用大間隙沖裁時，系數(shù)應(yīng)采用最小值。在沖多孔，搭邊大和沖件輪廓復(fù)雜的情況下，K應(yīng)取上限值。
本設(shè)計由于沖模采用剛性卸料裝置和自然漏料方式，故總沖壓力為推件力，落料時的沖裁力和沖孔時的沖裁力的和。這里我們只計算推件力：
計算推料力
=nP 取n=3，查表=0.55
=30.055（126+34）
=26.4（kN）
5.2.3 計算總沖壓力
=P+ (5.10)
=+
=++
=126+34+26.4
=186.4（kN）
5.3 確定壓力中心
5.3.1 壓力中心
沖模對工件施加的沖壓力合力的中心稱為沖壓壓力中心。沖裁模對工件施加的沖裁合力的中心稱為沖裁壓力中心，拉深模對工件施加的拉深力合力的中心稱可稱為拉深壓力中心。
要使沖壓模具正常的工作，必須使壓力中心與模柄的中心線相重合，從而使壓力中心與所選沖壓設(shè)備滑塊的中心相重合。否則在沖壓時將產(chǎn)生彎矩，使沖壓設(shè)備的滑塊和模具發(fā)生歪斜，引起凸，凹模間隙不均勻，刃口迅速變鈍，并使沖壓設(shè)備和模具的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻磨損。
沖壓形狀對稱的沖壓件，如圓形，正多邊形，矩形時，壓力中心位于其對稱中心線的交點(diǎn)，即幾何中心上。沖壓形狀不對稱的沖壓件和多工位連續(xù)沖壓的壓力中心位于其形狀的重心，例如沖裁弧形件時，壓力中心即為該弧形的重心。對復(fù)雜形狀的沖裁，多凸模的沖孔及多工位連續(xù)沖壓確定壓力中心更為重要。確定重心的方法可參閱相應(yīng)的靜力學(xué)書籍。
5.3.2 壓力中心的計算
在沖壓彎角的過程中，設(shè)計選用了兩個凸模，這兩個凸模都屬于非復(fù)雜凸模，他們的壓力中心都在幾何中心上。容易找到重心，即求得壓力中心。
根據(jù)圖分析。工件圖形對稱，故落料時的壓力中心在上；沖孔時的壓力中心在上，折彎時P折壓力中心在O3上
設(shè)沖模壓力中心離點(diǎn)的距離為X（因沖壓形狀以連線上），根據(jù)力矩平衡原理得
X=（21-X）
由此算得X=5mm
圖5.2 壓力中心
5.4 凸，凹模工作部分尺寸計算
5.4.1 尺寸計算原則
實踐證明，落料件尺寸和沖孔時的尺寸都是以光亮帶尺寸為準(zhǔn)的，而落料件上光亮帶的尺寸等于凹模的刃口尺寸。因此，計算刃口尺寸時，應(yīng)該落料和沖孔兩種情況分別處理，其原則如下：
a．設(shè)計落料 因落料件尺寸等于凹?？诔叽?，故應(yīng)先確定凹模尺寸，間隙取在凸模上?？紤]沖裁中模具的磨損，凹?？诔叽缭侥ピ酱?，因此凹模刃口的基本尺寸應(yīng)取工件尺寸公差范圍內(nèi)的最小值，以保證刃口磨損到一定程度時，仍能沖出合格的零件。凸，凹模之間的間隙應(yīng)取最小合理間隙，以保證凸模磨損到一定程度時，間隙仍然在合理間隙內(nèi)。
b．設(shè)計沖孔 因孔的尺寸等于凸模刃口尺寸，故先確定凸模刃口尺寸，間隙取在凹模上，考慮到?jīng)_裁模的磨損，凸模刃口尺寸越磨越小，因此，凸模刃口的基本尺寸應(yīng)取工件尺寸公差范圍內(nèi)的較大尺寸，以保證凸模磨損到一定程度時，仍可使用；凸，凹模之間的間隙值應(yīng)取最小合理間隙值。
c．凸、凹模的制造公差 應(yīng)考慮工件的基本要求。如果對刃口精度要求過高，勢必使磨具制造困難，成本增加，生產(chǎn)周期延長；如果對刃口精度要求過低，則生產(chǎn)出的零件可能不合格。
5.4.2 沖裁間隙的選擇
沖裁間隙指凸，凹模刃口間縫隙的距離。沖裁間隙是沖壓工藝和模具設(shè)計中的重要參數(shù)，它直接影響沖裁件的質(zhì)量，模具壽命和力能的消耗。應(yīng)根據(jù)實際情況和需要合理的選用，沖裁間隙有雙面間隙和單面間隙之分，未注單面的即為雙面間隙。
考慮到模具制造的偏差及模具使用過程中的磨損，生產(chǎn)中通常選擇某一適當(dāng)?shù)姆秶鳛楹侠淼臎_裁間隙，其最小值稱為最小合理間隙，最大值稱為最大合理間隙。
沖裁間隙的選用依據(jù)：
沖裁間隙的大小主要與材料性質(zhì)及厚度有關(guān)，材料越硬，厚度越大，則間隙值應(yīng)越大。由于生產(chǎn)中對沖裁件質(zhì)量和尺寸精度的要求不同，因此，沖裁間隙值的確定應(yīng)在保證沖裁件尺寸精度和滿足剪切面質(zhì)量要求的前提下，考慮模具壽命，模具結(jié)構(gòu)，沖裁見尺寸和形狀，生產(chǎn)條件等因素綜合分析后確定。對下列情況應(yīng)酌情增減沖裁間隙值。
（1） 在同樣條件下，沖孔間隙比落料間隙大些。
（2） 沖小孔（一般為孔徑d小于料厚t時），凸模容易折斷，間隙應(yīng)取大些，但這時要采取有效措施防止廢料回升。
（3） 硬質(zhì)合金沖裁模由于熱膨脹系數(shù)小，其間隙值可比鋼模大30%。
（4） 復(fù)合模的凸、凹模壁單薄時，為防止脹裂，應(yīng)放大沖孔凹模間隙。
（5） 沖裁硅鋼片時隨著含硅量增加，間隙相應(yīng)取大些。沖裁熱軋硅鋼片應(yīng)比冷軋硅鋼片的間隙大；對需攻絲的孔，間隙應(yīng)取小些。
（6） 采取彈性壓料裝置時，間隙應(yīng)該取大些。
（7） 高速沖孔時，模具容易發(fā)熱，間隙應(yīng)增大。如行程次數(shù)超過200次/min時，間隙應(yīng)增大10%左右。
（8） 電火花穿孔加工凹模型孔時，其間隙應(yīng)比磨削加工取?。?.5%～2%）t。
（9） 加熱沖裁時，間隙應(yīng)減小。
（10） 凹模為斜壁刃口時，應(yīng)比直壁刃口間隙小。
落料時凹模尺寸為工件要求尺寸，間隙值由減小凸模尺寸獲得；沖孔時，凸模尺寸為工件要求尺寸，間隙值由增大凹模尺寸獲得。
凸、凹模的制造偏差和磨損均使間隙變大，故新模具的初始間隙應(yīng)取最小合理間隙。
采用彈頂裝置向上出件時，其間隙可比下落出件大50%左右。
表5.3 金屬材料沖裁間隙值 /mm
材料
抗剪強(qiáng)度/MPa
初始間隙（單邊間隙）
Ⅰ類
Ⅱ類
Ⅲ類
低碳鋼
08F,10F,10,20,Q235A
≥210～400
(0.03～0.07)t
＞(0.07～0.10)t
＞(0.10～0.125)t
高碳鋼
T8A,T10A,65Mn
≥590～930
(0.08～0.12)t
＞(0.12～0.15)t
＞(0.15～0.18)t
5.4.3 凸，凹模刃口尺寸
a．刃口尺寸確定的原則
（1） 凸、凹模刃口尺寸和公差的確定，直接影響沖裁生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，是沖裁模設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，必須根據(jù)沖裁的變形規(guī)律，沖裁模的磨損規(guī)律和經(jīng)濟(jì)的合理性綜合考慮，遵循以下原則：
（2） 設(shè)