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摘要：冲压模具广泛应用于各行各业，在经济体系中占重要地位，CAD软件广泛应用于机械设计领域，但很多初学者很难掌握冲压模具设计技术，或需花费大量时间来绘制设计图及进行三维造型，为解决该难题，以项目案例形式，设计出用导正销定位的连接片级进冲压模具工作零件，采用导正销定位，有效解决定位精度问题，并对凸模、凹模等关键尺寸进行设计计算。采用方程式及尺寸标注驱动，基于SolidWorks软件，快速创建凸模、凹模的草图，通过基于特征进行三维造型，并基于三维模型进行关联性装配，有效快速检查出凸模安装是否相互干扰，模具设计是否合理。最后通过三维模型转换为工程图，得到对应的模具设计图样。结果表明基于SolidWorks进行模具设计，快速、高效，可节约设计时间。
关键词：SolidWorks；模具设计；定位；装配
0引言
冲压模具是完成冲压工作不可缺少的工艺装备，冲压零件广泛应用于工业、民用等众多领域，在国民经济中占有重要的地位[1]，冲压模具设计与制造技术已越来越引起各产业部门的重视。级进模具常用于高速连续的冲压工艺中，是应用最广泛的冲压模具。CAD是指工程人员用计算机来辅助高效完成设计的工具，目前常用的CAD软件有AutoCAD、SolidWorks、UG、Pro/E等，其中SolidWorks具有易学易懂的特点，被广泛应用于模具设计、夹具设计、机床设计等非标准机械设计领域，以及汽车、航空等领域，软件基于特征的建模方法，具有强大的三维建模和装配功能。此外，还能进行产品设计、工程分析、运动仿真、生产以及产品数据管理、零件装配设计、材料分析、渲染和动画制作等[2]。该软件具备友好的用户界面和大量的预置工具，使用户能在短时间内快速、高效地进行设计和模拟，将产品投放市场。但生产过程中，从事模具设计及制造技术人员不能及时将CAD技术与模具行业发展紧密结合起来，导致模具发展模式处于落后状态[3]。
本文以某规格的圆头连接片为例，通过CAD技术，设计出该零件冲孔落料级进模具凸、凹模，计算出压力中心等关键尺寸。基于SolidWorks技术，进行凸、凹模三维造型通过软件的关联性，将模具三维模型导入后[4]，快速将凸、凹模三维模型进行模具零件装配，并将三维模型转换为工程图，为加工凸、凹模提供工程图样，直观地为读者展示冲压模具的设计及零件装配过程，验证了基于SolidWorks技术能快速高效完成冲压模具设计。
1连接片与连接片冲裁级进模具
1.1连接片
圆头连接片俗称角码，如图1所示，广泛用于两零件之间的连接，可连接金属材料，也可连接木材、塑料件等非金属材料，有各种规格以适用于不同场合的需要，厚度主要在0.5~3 mm之间，综合考虑冲压加工性能、连接强度、加工成本、使用性能等方面因素，大多数连接片材质为不锈钢4Cr13，抗剪强度可达320~380 MPa，强度极限可达到400~470 MPa[5]。
1.2连接片冲裁级进模具
为了提高生产效率，连接片采用高效的自动化连续冲压生产方式，所用的模具为级进模，其工序流程为冲孔、落料，即在压力机的一次行程中在前后两个工位上完成冲孔、落料两道工序[6-7]。级进模具又称连续模具，普遍精度较高[8]，代表着现代冲压生产的先进制造技术，级进模设计关键问题是保证送料定距方向上的限位，常用挡料销、侧刃、导正销等定位。考虑到材料比较厚，模具采用挡料销与导正销共同定位。图2为用导正销定位的连接片级进模装配图[5]。
凸模与固定板之间采用H7/m6配合，模具是以凸模与导板（卸料板）12间隙配合导向，在冲裁过程中两者不能完全分离，导板还承担卸料作用。采用导料板11作为送料方便的导向，首次采用始用挡料销9定位，用手压始用挡料销7，使它从导料板中伸出抵住条料的前端，第一工位完成2个ϕ10小孔的加工，工作零件是冲孔凸模4，送料步距S由冲裁件与搭边确定，以保证材料送进第二工位时正确定距，第二工位由安装在凹模8上的固定挡料销7进行粗定位，两个装在落料凸模5上的导正销6插入2个小孔进行精定位，以后各次冲裁由固定挡料销7和导正销6同时定位，周而复始，实现“一冲两工序”[9]。
2连接片级进模具设计
2.1排样设计
模具设计前要在板料上合理地进行工序排样，以保证冲压件质量，提高材料的利用率，降低生产成本，延长模具寿命。采用无、少废料（无搭边）的排样，材料利用率提高，冲裁模结构简化，但是因条料本身有误差，条料定位、导向不精准会使条件偏移，冲出来的零件无法保证冲裁件的精度及断面质量，同时，由于条料没有搭边，凸模单边剪切板料，受力不平衡，加剧凸模刃口受损，降低模具寿命，为此，本模具采用有废料的排样，图3所示为连接片典型冲压工序排样图。由于冲件是大批量生产，零件尺寸小，形状简单，尺寸精度要求不高，可考虑用无侧压装置进级模。由文献[5]得材料的宽度计算公式：
B0-Δ=(Dmax+2a+C)0-Δ（1）
式中：B为条料宽度；Dmax为条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；a为侧面搭边；C为导料板与最宽条料之间的间隙；Δ为条料的宽度的单向公差。
由文献[5]得a=2.5 mm，a1=1.8 mm，C=0.8 mm，Δ=0.20 mm。则条料宽度B0-Δ=45.8 mm；步矩S=21.8 mm。
2.2模具间隙
冲裁间隙是指冲裁的凸模刃口与凹模刃口之间的间隙[10-11]。冲裁间隙是影响冲裁的最重要参数，它的大小对冲裁件的精度及质量有极重要的影响，而且还影响模具寿命、冲压力等。冲裁间隙的选取主要与材料的种类、厚度有关[12]，考虑到凸、凹模使用中的磨损及制造偏差，设计时选择最小的合理间隙来计算。
2.2.1理论确定法
用理论法确定合理间隙值，是根据冲裁过程中板料上、下裂纹相重合的几何关系计算，如图4所示，单边间隙C为：
C=(t-h0)tanβ=t(1-h0/t)tanβ（2）
式中：h0为产生裂纹时凸模挤入材料深度[13]；t为材料厚度；β为垂线与裂纹间的夹角。
2.2.2经验查表法
目前生产中主要是通过经验数据来确定间隙数值，以规避理论计算的不方便，常用冲压材料间隙值的数值，可在相关标准中查到，间隙值的选择根据冲裁件质量、厚度、材料条件考虑。在冲裁不锈钢的连接片时，合理的间隙值如表1所示[14]，根据冲裁件精度及断面质量要求，可选Ⅲ档，由图1得材料厚度t=2 mm，则Cmin=8%t=0.16 mm，Cmax=11%t=0.22 mm，凸、凹模工作时产生磨损，磨损后间隙增大，设计时选用最小间隙值0.16 mm。
2.3凸、凹模刃口尺寸计算
2.3.1落料凸、凹模刃口
连接片外形尺寸属于带圆头的落料件，内形尺寸有两个小孔，工件内外形公差等级均为IT14级。连接片级进模的冲孔凸模、落料凸模和凹模形状简单，采用分开加工方式，因此要分别计算凸模和凹模的刃口尺寸和制造公差，图5（a）为落料凸模和凹模的刃口尺寸和制造公差，图5（b）为冲孔凸模和凹模的刃口尺寸和制造公差[15]。
设落料工件尺寸为D,根据文献[5]，考虑到凹模使用过程中产生磨损，设计时凹模的基本尺寸要考虑磨损量，确定凹模刃口尺寸时，使其等于或接近工件轮廓的最小极限尺寸，再根据凹模尺寸确定凸模尺寸，两者相差双边最小合理间隙[16]，按入体原则，凹模属于孔类零件，制造偏差取上偏差，凸模属于轴类零件，制造偏差取下偏差。根据文献[10]，其计算如下。
式中：Dd为落料凹模基本尺寸；Dmax为落料件最大极限尺寸；Dp为落料凸模基本尺寸；Δ为制件尺寸公差值；x为磨损系数；δd、δp分别为凹、凸模上、下偏差；Cmin为凸、凹模最小初始单向间隙。
确定凹模的制造公差取IT7级，凸模的制造公差取IT6级，磨损系数x=0.5。由式（3）、式（4）得凸、凹模刃口尺寸及公差为：
为了保证新模具的初始间隙不超过2Cmin，应满足以下条件：
由式（5）得凸、凹模的制造公差：
(0.009+0.015)mm<(0.44-0.32)mm
说明所取凸、凹模制造公差均能满足条件。
2.3.2冲孔凸、凹模刃口
设冲孔工件尺寸为d，根据文献[5]，考虑到凸模使用过程中产生磨损，设计时凸模的基本尺寸要考虑磨损量，确定凸模刃口尺寸时，使其等于或接近工件轮廓的最大极限尺寸，再根据凸模尺寸确定凹模尺寸，两者相差双边最小合理间隙，同理，凹模属于孔类零件，制造偏差取上偏差，凸模属于轴类零件，制造偏差取下偏差。根据文献[10]，其计算如下：
式中：dp为冲孔凸模基本尺寸；dmin为冲裁件孔的最小极限尺寸；dd冲孔凹模基本尺寸。
由式（6）、式（7）得冲孔凸、凹模刃口尺寸及公差为：
由式（5）得凸、凹模的制造公差：
(0.011+0.018)mm<(0.44-0.32)mm
说明所取凸、凹模制造公差均能满足条件。
2.3.3孔中心距尺寸计算
孔中心距尺寸属于磨损后无变化的尺寸，工件上冲出两个孔的中心距尺寸为L±Δ/2，模具孔距可按下式确定[5]。
式中：Ld为同一工步中凹模孔距基本尺寸；Lm为孔矩平均尺寸。
由式（8）得凹模孔距尺寸及公差为：
Ld=20±0.065 mm 2.4确定压力中心
模具的压力中心是指冲压时冲压力合力的作用点位置。对于有模柄的冲压模，应使模具的压力中心与模柄的轴心线、压力机滑块的中心三者重合，否则会使压力机滑块和模具产生偏心载荷[17]，使导轨与滑块间产生不正常的磨损，导致模具不能正常工作，模具导柱导套等零件也急剧磨损，导致压力机和模具的使用寿命降低。压力中心可通过下式计算[5]。
xi、yi分别是单个凸模或轮廓线的压力中心，如图6所示。
压力中心计算是模具工艺设计的难点，是确保压力机和模具正常工作的重要参数，压力中心的计算关键是要建立合理的坐标系，根据连接片冲孔、落料排样图，建立图7所示的坐标系，落料凸模的压力中心为（0，0），冲孔凸模的压力分别为（21.8，10）、（21.8，-10），由式（9）、式（10）可计算得到模具的压力中心为（8.27，0）。
2.5凸、凹模结构设计
2.5.1凹模
由于冲裁件结构简单，凹模外形采用矩形整体式结构，凹模的外形尺寸根据凹模刃口的最大尺寸和冲压材料厚度确定[5]，如图8所示。
凹模厚（高）度：
H=Kb≥15 mm（11）
凹模壁厚：
C=(1.5~2)H≥30~40 mm（12）式中：K为系数，由相关标准可查得；b为凹模刃口的最大宽度；A、B为凹模外形尺寸。
为保证凹模有足够的强度和刚度，根据式（11）、式（12），以及《矩形和圆形凹模外形尺寸》（B2858—81），确定凹模长宽高为125 mm×100 mm×20 mm。
根据凹模板厚度，选择直径M10的螺钉和直径ϕ6的销钉，凹模板螺钉孔与销钉孔及刃口壁间最小距离如表2所示，由表可确定4个螺孔、2个销孔及刃口壁间最小距离，从而设计出凹模的结构，如图9所示。
2.5.2凸模
（1）凸模结构确定。凸模的结构有阶梯式和直通式，阶梯式凸模强度较好，但考虑到级进模具凸模固定板的强度，避免凸模相互干扰，凸模采用直通式整体结构。
（2）凸模长度确定。在满足凸模强度、刚性、修磨方便等使用要求的前提下，凸模长度应尽量短。凸模的长度主要由卸料板、凸模固定板、导料板的厚度决定，如图10所示。凸模长度按下式计算[5]。
L=h 1+h2+h3+h（13）
式中：L为凸模长度；h1为凸模固定板厚度，由文献[5]知，h1可取凹模厚度的0.8倍，故h1=16 mm；h2为卸料板厚度，查相关手册得h2=10 mm；h3为导料板厚度，h3=6 mm；h一般等于15~20 mm，含冲模在闭合状态下刚性卸料板与凸模固定板之间的安全距离、凸模进入凹模的长度、凸模的修磨量等；落料凸模、冲孔凸模长度L=(47~52)mm，可取L=50 mm。
（3）凸模建模。新建SolidWorks文档，以【零件】方式打开，单击【工具】功能区中的【方程式】[18]，设置如图11所示的参数，设置方程式的目的是约束和控制设计模型的尺寸、形状和运动，绘图更加方便快捷，便于修改。
通过方程式约束相应尺寸，基于特征绘制凸模草图，基于草图通过拉伸等命令进行三维建模，落料凸模、冲孔凸模结构图如图12所示，落料凸模通过拉伸切割开设两个通孔，用于安装导正销，为防止凸模安装时相互干扰，落料凸模压入部分采用锥面。冲孔凸模带有砂轮越程槽，目的是凸模圆柱外表面磨削精加工时方便砂轮或砂带退出，也保证凸模与凸模固定板之间装配的定位精度。
2.6导正销与挡料距离计算
使用导正销保证孔与落料外形相对位置公差要求，消除挡料销6粗定位的误差。导正销的结构形式有固定式和活动式，根据孔的尺寸选择，已标准化。为使导正销工作可靠，直径一般大于2 mm，不适合孔径小于2 mm场合，避免导正销折断。由于固定挡料销与导正销配合使用，固定挡料销的位置应远离导正销0.1 mm活动量，确保导正销正确导正。导正销与固定挡料销位置关系，如图13所示，挡料销与导正销的中心距为：
式中：s 1为挡料销与落料凸模的中心距；s为送料步距；D为固定挡料销头部直径，由文献[5]知D=6 mm；Dp为落料凸模的直径。
根据2.1、2.3.2和式（14），可计算出s=15.08 mm。
3凸、凹模装配
以装配体方式打开SolidWorks新文档，选择凹模作为装配体，点击“插入零部件”，浏览选择之前创建的落料凸模和冲孔凸模，分别置于合适位置。选择【配合】功能，令两个凸模底面与凹模上表面通过【距离】配合，凸、凹模之间保留5 mm间距，再通过配合让落料凸模与凹模洞孔相应中心线重合，同理，冲孔凸模轴线与凹模冲孔洞口轴线重合，装配后结构如图14所示。通过装配图可观察到3个凸模安装部分的情况，从图中可以看到，3个凸模安装部分不存在相互干扰的情况，且距离合适。
4凸、凹模工程图
SolidWorks的工程图功能强大，能提供与三维模型相应的二维工程图，具有工程图图纸环境设置、视图创建与编辑、尺寸标注、注释创建与编辑等功能[19]。可根据需要生成标准三视图，还可生成派生视图，如剖面视图、移出断面图、投影视图、相对视图、局部视图等，表达方案可多样化[20]。下面以凹模为例，以【工程图】方式打开SolidWorks新文档，设置图纸格式为A4横向，通过【模型视图】导入凹模零件，置于合适位置，点击【剖视图】，选择合适的切割线，将主视图修改为全剖视图。单击【注解】中的【模型项目】，在【来源】处选择【整个模型】为标注对象，同时勾选【将项目输入到所有视图】，为工程图标注所有线性直径等尺寸，注意要消除重复，标注的尺寸要调整合适，保证完整、清晰、合理。同理在【注解】工具栏下可标注形位公差和表面粗糙度，凹模工程图如图15所示。
5结束语
（1）设计出圆头连接片级进模具的总体结构，计算出凸模、凹模的刃口尺寸及公差，以及压力中心等关键参数。
（2）基于SolidWorks零件设计模块，采用尺寸驱动法及方程式方法基于特征进行凸、凹模三维造型，通过修改尺寸标注或方程式参数，高效获得同类凸模、凹模几何形状及相对位置。
（3）基于SolidWorks装配体模块，对凸、凹模零件进行装配，直观观察出凸、凹模装配后是否存在干扰情况，通过尺寸驱动法或方程式修改凸、凹模相应尺寸，关联自动重建装配体，获得合理的模具结构，高效、快捷、准确，减少视觉干扰。
（4）基于SolidWorks工程图模块，将凸、凹模三维模型转换为工程设计图，能在有限的时间内快速高效完成模具零件设计图，节约重新绘图时间，降低人工成本。
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基于SolidWorks的冲压模具设计及装配论文
人参与 2025-02-06 11:38:39 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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