摘要
模具在当今工业领域占据着关键地位，模具产业具备显著作用，驱动着社会前进，促进着国家制造业的提升。借助这个模具零件的构思，设计者得以提升融合跨学科知识进行创新的能力，以便应对实际制造过程中棘手的挑战。
本课题探讨支架精密冲压模具的构思，经对工件对比分析，决定选用级进模和弯曲模进行制造。选用级进模的优势在于能提升工件制造效能，减少人力物力投入，有助于加速机械加工的自动化进程。同时，级进模在加工时便于操控，有助于保障作业人员安全，因此更适宜大规模生产。但是使用级进模需要关注条料的准确放置，而且级进模构造繁杂，零件制作过程耗时较多，零件制作费用也相对较高。所以，全面分析这些因素，专门针对级进模和弯曲模进行研究课题，具有显著的研究意义。
这项研究工作涵盖了级进模和弯曲模的布局规划、凸模构造、凹模构造、裁剪力估算、冲压机械的挑选、施压点的定位，冲压模具的切割边缘尺寸的设定以及排料装置、取出结构的构思等，同时依照设计规范对各个零件实施了精确的测算，确保所有组件的匹配得当。
关键词：
模具设计；冲压模具；级进模；弯曲模
Abstract
模具在现代工业发展中作用显著，模具行业有力促进着国家产业的进步与繁荣，模具零件的设计需要设计师通过深入培训综合运用多学科理论进行构思，解决生产实践中遇到的诸多难题。
研究尝试精密冲压模具设计，通过分析比较工件，采用渐进式模具，弯曲模生产确定工件。渐进式模具采用优势在于工件能提升生产效率，节省人力，材料资源，可尽快实现自动化加工。结合高进给率，在方便时机进行加工操作，确保施工人员安全，更适合大批量生产。然而，我们必须考虑渐进式模具脱料时出现的具体问题，以及渐进式模具结构复杂工件加工时间长，工件加工成本高等问题。因此，全面，有针对性地开展渐进式模具弯曲研究，探索相关课题，尤其有价值。
这项课题的研究范畴涵盖了确定渐进式冲压和弯曲模具的排样布局，以及进行冲头设计，模具设计，冲压力计算，选择冲压机构以确定冲裁模具边缘的压力中心，并确定卸料和送料装置，需要完成一套设计，进行构建，并针对每个零件根据设计要求进行详细计算，确保各个部件的合理性。
Keywords:
模具设计，冲压模具，级进模，弯曲模量
引言
刚毕业的学生即将进入社会，希望借助毕业论文完成的机会，增强运用已学知识处理现实难题的本领。这能让自己在实践中掌握CAD制图和文献检索等本领，了解冲压模具设计的技巧方法及规律，提升动手实践能力，也锻炼了设计方面的思路。
冲压制造主要借助冲头完成，构思阶段务必确保冲头构思得当，如此方能不干扰制品质量、制造效能与经济收益。因此构思者须明了冲头构造规划和技术指标。
冲裁是基础加工方式，其流程通常包含三个步骤。首先进入弹性变形环节，接着是塑性变形环节，最后是断裂环节。完成这三个环节后，零件的截面并非平整垂直，而是由四部分构成。这四部分分别是圆角区、亮面区、断裂区和环形毛边。圆角区是在塑性变形环节形成的，原因是材料在受力时发生弯曲和拉伸。制件塑性的优劣影响着冲裁后圆角的形成程度；光亮带是在塑性变化过程中形成的，其表面呈现垂直光泽；断裂带在断裂分离过程中形成，材料承受拉应力作用，导致制件裂纹扩展；环状毛刺的产生源于凸凹模刃口间的间隙，且裂纹并非在刃口尖端形成。冲裁加工时出现毛边是常见情况，能够通过缩小上下模刃口距离等手段来降低毛边的形成。要提升零件的截面品质，需要增加抛光区域，降低圆角区域和断裂区域。可以采用高精度机器进行加工，合理应用减摩材料，选用延展性强的材料进行加工等途径。
模具是制造业中不可或缺的核心工具，已构成产业运作的根本要素。采用模具制造零件能够显著提升作业效能，同时有效减少物料损耗。当前模具领域尚存广阔的市场空间亟待开拓，全球各国均致力于探索更先进的模具构造方案。伴随现代工业的持续进步，模具产业将在未来国民经济体系中占据关键地位。未来模具制造将着重于提升精密程度、加快运作效率、增强耐用性，并且会配备先进的自动化装置。
1 工艺分析和工艺方案确定
1.1冲压模的分类和结构型式
模具属于工业制造中核心的器具。制造模具时必须符合零件的技术参数，模具与产品的外形、大小、材质、品质及表面情况必须完全相同。每件产品都需配备专属的模具进行加工。
冲模的结构形式很多，可以根据以下特征进行分类：
根据组合方式的不同，冲压工序可分为单工序的简单模具和复合模具，以及连续模具等类别；按照冲压的具体性质，可分为落料模具、切边模具、冲孔模具、弯曲模具、成形模具和翻边模具等类型；依据模具的结构形式，以及上下模的导向方式，可分为无导向模具、导板模具和导柱模具等；根据卸料装置的差异，可分为固定卸料板的冲模和弹性卸料板的冲模；按照挡料形式的不同，可分为固定挡料钉、活动挡料钉、活动挡料销、导正销和侧刃定距冲模。
冲模的典型结构和特点：
（1）单工序冲模（亦称单冲模）
单冲模是借助压力机运作时，每次行程仅能执行一个冲压步骤的装置。该类模具构造简易，体积与重量均不大，工件精确度不高，而生产费用也较为经济。
（2）级进模（亦称多工序连续模）
当压力机运作时，模具能在各个工位上，同步完成两个以上的冲压步骤，这种模具称为级进模。级进模所处理的冲压流程，都沿着材料输送的方向排列，比如在钢带上进行连续拉深作业，就运用到级进模。
（3）复合模
复合模具是压力机在模具特定位置连续执行两个或多个冲压工序的装置。例如常见的落料模具、拉深模具都属于此类复合模具，制造垫圈时就会使用复合模具进行冲压加工。
这三种模具存在差异，它们各有长处也有短处，工业制造时需要根据自身条件挑选合适的模具类型。单工序冲模体积不大，使用方便，造价不高，不过效率不高，精度也差，适合少量生产；级进模和复合模的长处在于效率高，设备性能好，精度高，工作环境优越，适合大量生产。缺点就是模具比较复杂，制作成本较大，外形尺寸较大。
1.2冲模设计的步骤和内容
冲压制作与模具规划互相依存，必须全面考量制造场所的机器配置，工作者的组织等现实状况，依据制造成本，产出速率，生态平衡，机器稳固性等众多层面，制定并挑选出既经济又实用，又安全可靠的冲压制作与模具规划方案。根据冲压模架图和相关零件图的技术指标、现场冲压机械的使用指南等开展模具设计，通常需要执行的核心任务和流程包括：
工艺方案需参照零件图纸，综合考量其轮廓规格、公差标准、制造规模等要素，评估该产品的成型可行性，在保障制件品质的前提下，优化模具制作流程并延长其使用周期。要确保构思周全，做到原料利用率高、所需装备精简、模具构造明晰、作业过程安全可靠。
（2）查看与冲模设计有关的工艺文件是否齐全。
审查冲压流程的适宜性，考察排版图与冲压模具构造的选用是否领先、适宜、具备经济性。
按照冲压流程的特点和机器操作手册的指引，要周全考虑冲压流程中必须的形变能力以及模具边界的尺寸等核心要素，科学规划工场的机器配置，依据配置状况恰当挑选机器的种类和承载能力。
根据工艺图纸的要求，结合模具制造的实际状况，同时兼顾使用便捷性与安全性，最终确定了模具的冲压构造方案。
模具的冲模结构形式选定以后，需要计算并校验模具结构的各项指标，例如凸凹模的轮廓规格尺寸，以及运动零件的运动指标等。
制作模具图纸时，既要画出整体组合图，也要绘制特殊零件的细节图。整体组合图的作用是明确展示各个构件的相互装配方式，通常包含构件的主要视角图、水平视角图以及部分内部结构图。细节图是以整体组合图为依据绘制的，必须注明构造尺寸、表面光洁程度、误差范围等技术规范。
最终需要撰写工艺设计方案与计算说明文档，以便日后便捷地检索相关资料。该设计说明文档应涵盖工艺设计及模具设计两大核心构成部分。
1.3设计任务
零件简图如图1所示
该物品叫做支架，采用Q235制造，其规格为厚度1.0毫米，每年生产大约三十万个单位，每套包含两个相同的部件，一个为左件，一个为右件，两者对称分布，如图所示为左件部分
图1 弯曲件图
1.4工艺性分析
工艺性评估需兼顾经济效益与技术可行性。就经济角度而言，须周全考量制件制造开销与生产规模，力求实现收益最优化。从技术角度出发，须严格依照产品图纸开展设计，剖析零件基础表面与特殊表面的构成方式及规格参数，务求制件的外形特征、精确度标准等能满足冲压制造工艺的规范。
主要影响冲压件工艺性的因素有冲压件的形状尺寸和冲裁精度。
1）冲压件形状和尺寸
冲压零件的外形和规格尽量做到简洁且对称，这样做在制造过程中产生的边角料会变少，从而降低费用。
零件设计时，冲压件外轮廓和内部孔洞不允许存在锋利的棱角，必须采用圆滑过渡连接。冲裁件上突出的臂状结构以及凹陷的槽体，其尺寸不能过于微小。各个孔洞之间的布局间距需足够宽敞，当孔壁与冲裁件边缘保持平行状态时，其最小距离应达到t值的合理倍数，而孔壁若与冲裁件主体平行时，最小间距则应不小于1.5t的合理标准。务必保证零件构造完全符合冲裁工艺规范。
2）冲裁精度与粗糙度
冲压零件的精确度与表面光洁度，跟模具构造的样式以及制造水准等状况有关联。多数的落料工件能够实现的经济性标准，两个孔洞中心点的距离允许偏差，以及孔洞边缘到构件边界的尺寸容许范围等数据，都可以通过表格查询得到。
通常情况下，冲裁零件的公差标准不会超过IT15, 落料零件的精度要求低于IT11, 冲孔零件的允许偏差小于IT10。由于冲裁零件对断面光洁度没有规定, 因此无需顾及这一方面。
这种零件适合冲压制造，因为它批量生产，体积不大，构造不复杂，厚度较薄，未标注公差为IT14级，也没有其他特殊条件限制。
1.5 工艺方案的分析和确定
1.5.1确定冲压工序数量和顺序
这种零件的常规制作流程通常涉及切割或下料、打孔、折弯这三种核心步骤，具体采用何种冲切方式，主要取决于其轮廓规格特点以及所选材料的物理属性，大致可分为以下四种不同的方案：
方案一：在落料、冲孔、弯曲过程中所用的工序模具不同。
方案二：首先通过落料和冲孔的联合模具制作出所需的基本形状，接着借助弯曲模具对基本形状实施弯曲加工，从而完成最终成型。
方案三：首先使用级进模对弯曲毛坯进行加工，接着使用弯曲模完成弯曲成形的加工。
方案四：直接采用多工位级进模同时加工冲压、弯曲成形。
这四种方法里，第一种模具构造虽然简单，不过需要很多辅助模具，不适合大规模制造。第二种和第三种方法都要两套模具，制造效率高，不过也导致模具构造相对复杂，适合大规模制造。第四种方法只需要一套模具，制造效率高，但是模具构造过于复杂，操作起来很麻烦。
这个弯曲件每年的生产量达到三十万件，属于大规模生产，可以考虑方案二或者方案三，不过从生产过程的安全性和便捷性角度考虑，最好选择方案三，先用级进模来制作弯曲毛坯，接着再使用弯曲模完成最终的弯曲加工。
1.5.2计算毛坯尺寸
该零件的弯曲半径r大于0.5t，属于带圆角的弯曲件，需依据中性层长度计算展开尺寸，取中性层系数K值为0.41。参考弯曲件的结构特征，以φ5孔与2-φ4.2孔中心之间的距离L作为展开尺寸，具体尺寸标注如图2所示
图2 毛坯尺寸计算图
则：
（1-1）
其中：
（1-2）
（1-3）
（1-4）
所以：
（1-5）
展开后的毛坯图如图3所示，
图3 毛坯图
1.6模具类型的选择
依照零件的冲压方案，选用级进模来加工弯曲的初坯，再借助弯曲模来成型零件。
2 级进模总体结构设计
2.1级进模总体结构方案
根据零件薄厚程度和冲切件品质的规范，优先考虑采用弹压卸料，利用导柱进行导向，通过两侧刃完成定位，并选用从下方排出的构造方案。
2.2排样设计
冲压零件的成本构成里，材料开支超过六成，所以怎样节省材料是个关键点。
材料利用率：
（2-1）
A:一个零件的面积
B×S：一个步距内坯料的面积
排样方法可分为三种：
（1）有废料排样
要保证产品的品质和模具的使用期限，需要沿着零件的整体轮廓进行切割，零件的边缘都设有连接边，不过这样就会导致原料的使用效率下降。
（2）少废料样
沿工件部分外形冲裁，只局部有搭边与余料。
（3）无废料排样
无任何搭边。
毫无关联之处。若要节约用料，能够采用少料或无废料排版方式，进而有助于提升生产效能。又因削减了周边的冲切环节，因而材料的利用程度也较为理想。
少废料排样的材料利用程度能超过七成。不过也存在缺陷：零件的精确度和品质会受材料本身偏差和方向性偏差的影响而下降。此外，模具的使用期限也会因单面剪切而缩短。之所以选择有废料排样的方案，是因为产品数量对模具耐用度有明确标准
排版时零件彼此之间以及零件与带料边缘处残留的少量材料就是搭边部分。搭边尺寸要恰当，一般而言，搭边最薄的程度差不多等于毛坯的厚度。搭边宽窄程度受多种条件制约：
（1）材料的机械性能
材料的软硬可与搭边值的大小成反比。
（2）工件的形状与尺寸
工件尺寸大或是有尖突的复杂时，搭边值应大些。
（3）材料厚度
厚材料的搭边值取大一些。
（4）送料及挡料方式
用手工送料，有侧压板导向的搭边值可以小一些。
依照零件的外形特征，为了提升材料的使用效益，决定采用斜向布局的方案，这样能够绘制出相应的排列示意图，具体呈现于下方的图示中。
图4 排样图
零件的侧面连接宽度设定为1.2毫米，正面连接宽度确定为1毫米，零件侧面的加工余量为1.5毫米，工件切割允许的偏差范围是0.4毫米，其余各项规格请参照图5的内容。具体运算过程如下：
斜排角：
（2-2）
送料步距L：
L=（2-3）
条料宽度B：
图5 排样参数计算图
2.3冲裁力和压力中心计算
依照排版图的要求，能够将冲压边界线条分解成由直线片段和弧形片段构成的若干部分，同时需要精确标注位置数据。各个部分的尺寸参数和质心位置信息具体为：长度数值与重心坐标值（规格单位为毫米）。
l1 = 18.4x 1 = -16.2y1 = 36.7
l2 = 1.5x 2 = -7y2 = 37.45
l3 = 18.8x 3 = -2.7y3 = -2.7
l4 = 19.2x 4 = 2.55y4 = 11
l5 = 4x 5= 7.9y5= 19.2
l6 = 1x 6 = 6.7y6 = 21
l7 = 10x 7 = 3.8y7 =24.9
l8 =10x 8=3.8y8 =32
l9 =10x 9=10.75y9=32
l10 =1x 10=14.6y10 =28.8
l11 =16x 11=20.65y11 =23.5
l12 =31.2x 12=15.3y12 =6.8
l13 =15.7x 13=36.8y13=0
l14 =13.2x 14=44y14 =28.4
l15 =13.2x 15=54.6y15=17.8
l16 =18.4x 16=57.4y16=-7.2
l17 =1.5x 17=66.6y17=-7.95
计算压力中心：
（2-5）
（2-6）
计算冲裁力：
（2-7）
工件承受的剪切应力为380兆帕，选取的安全倍率为1.3，卸料时的摩擦系数为0.04，推出时的摩擦系数为0.05，当凹模内卡住8个零件时，凹模孔深设为8毫米，零件厚度为1毫米，那么
冲裁力
（2-8）
卸料力
（2-9）
推料力
（2-10）
冲裁工艺总动力
（2-11）
根据冲压工艺总力，J23-16B型压力机。
2.4压力机选择
冲压设备的选用需要考虑下述几个因素：
该设备的种类及其运作模式能否满足作业流程的需要；它是否满足安全作业与环境友好的标准；
（2）冲压设备的压力和功率是否满足应完成工序的需要；
压机模具的安装高度、工作台尺寸、行程等参数是否满足加工工序对模具的要求
（4）冲压设备的行程次数是否满足生产率的要求等。
根据表2-7可知，公称压力为160千牛的开放式倾斜压力机J23-16B的参数，如表1所示。
表1压力机参数
规格 承受力/千牛 往复距离/毫米 往复频率/次每分钟
J23-16B 160 70 120
最大闭合尺寸以毫米计,滑块调整幅度以毫米计,工作台规格以毫米计 长度乘以宽度
220 60 450×300
2.5刃口尺寸的计算
2.5.1刃口尺寸计算的一般原则
保证冲压件符合标准，需要精确控制模具的切割规格，首先必须确定凹模的切割规格，这样才能明确适宜的切割间隙，凸模的切割规格大致等于冲裁时孔的最终规格，因此要对凸模的切割规格进行测算，而且调整凹模的切割规格，也能帮助确定适宜的切割间隙。
轻微的刃口损耗不会妨碍冲压件的达标性，冲裁件的数量越多，凸模和凹模的刃口损耗就越严重，刃口尺寸也会发生相应的变化，只要损耗程度控制在一定限度内，都不会对冲压件的达标性造成影响。
设计时，要选用恰当冲裁间隙的最小数值：凸模和凹模刃口的磨损程度同冲裁间隙大小直接相关。因此，在模具设计环节，冲裁间隙宜取其适宜范围的最小值。需要特别关注的是，冲裁间隙的具体数值会受到凸模与凹模刃口尺寸制造精度的制约。因此，必须保证既能加工出符合标准的零件，又能维持恰当的裁切缝隙，然后才能进行刀具尺寸的计算和调整。
2.5.2凸、凹模刃口尺寸的计算
模具刃口尺寸计算的方法可分为两种：
（1）凸模与凹模分开加工
（2）凸模与凹模配合加工
对于形状复杂度较高的零件，必须实施协同制作，才能确保凸模和凹模之间预留的合理间隙。
冲压零件的经济精度需低于IT14标准，一般情况下，切割零件的精度等级要低于IT10，打孔零件的精度通常不能超过IT9，根据图表3-5可知，切割零件和打孔零件的精度分别是0.04和0.80。但是落料加工的允许偏差为0.50，冲孔加工的最大精度为0.15，根据图表3-6可知孔心距的误差范围是±0.15，而冲裁件孔心距的最高精度允许值为±0.25，因此可以判定适用于常规精度的冲裁作业，常规冲裁基本能够满足精度标准。
根据零件毛坯图纸标注的轮廓规格，确定冲裁模的切割边缘规格。依照毛坯图上尺寸的形态，分配不同的代号名称，具体如图6所示。
图6弯曲模工作部分尺寸代号图
图中标注的d1、d2为冲制圆孔的规格，图中A1至A5为模具受损后扩大的裁切尺寸数值，图中L1、L2为孔洞中心间的距离，图中A4、A5为单边磨损的宽度，图中C为模具受损后维持不变的裁切尺寸数值。d1的加工精度等级为IT12，对应的读取系数为0.75，其余的冲孔和落料尺寸均属于IT14级公差，其读取系数为0.5。冲裁的间隙范围设定在14%到20%t之间，最大间隙值达到0.20毫米。工件冲孔的凸模宜选用外圆磨削工艺进行制作，其加工精度要求达到IT6级。落料用的凸模和凹模则通过快走丝线切割技术完成，加工精度控制在0.02毫米以内。计算凸模、凹模的刃口尺寸如下：
