电机炭刷架冷冲压模具设计.docx

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电机炭刷架冷冲压模具设计

前言

冷冲模是冲压加工工艺的装备之一，被广泛地运用在汽车、飞机、电机、仪表以及在国防工业中。

冲压工艺具有生产效率高、生产成本低、材料利用率高、能成形复杂零件，适合大批量生产的优点，在某些领域已取代机械加工，并正逐步扩大其工艺范围。

因此，冲压技术对发展生产、增强效率、更新产品等方面具有重要的作用。

但同时，冲压技术的推广受到投入成本低，模具成本高，不适应中小生产规模的特点。

但是总的说来，随着我国经济实力的进一步加强，模具行业，包括冷压模一定会得到更普及地应用。

随着冲压工艺的广泛应用于国民经济中，再加上随着数控技术和机械CAD/CAM的发展，冷冲模的发展和迅速。

它以生产率高、成本相对低廉被广泛应用。

外国的冲压模发展水平相当高，无论是设计还是制造，都达到较高的水平。

以精确的定位，合理的工艺，连续加工精度很高的薄臂零件。

而国内模具行业的起步较晚，基本上以单模为主，因此，加工精度够高。

冷冲模的设计包括冲裁模设计、弯曲模设计、拉伸、胀形等模具的设计。

冷冲模的设计也用到材料学、机械设计、工程材料、特种加工等方面的知识。

因此它是一门综合性很强的学科。

经过了三个多月的学习，设计，绘图，我学会了冲裁的机理，冲压的基本理论；理解了冲裁力，卸料力等工艺参数的确定；熟悉了冲裁模的结构，内部的结构零件及其设计的控制点；同时对于弯曲模、冲孔模、拉深模、落料模的结构能够熟悉了解。

电机碳刷架的加工包括了冲孔、落料、和弯曲的加工。

通过对冲孔模、落料模、弯曲模的学习，分析和比较了各加工工艺方案，完成了模具总体的结构分析，进行毛坯尺寸、排样、工序尺寸、冲压压力、压力中心、模具工作部分尺寸等工艺计算。

绘制了装配草图并进行零部件初步选用设计,然后确定外形尺寸,选择冲压设备,绘制总的装配图和非标准的零件图。

落料和冲孔都属于冲裁模。

冲裁模是从条料、带料或半成品上使材料烟规定的轮廓产生分离的模具，随着科学技术的发展，冲压技术也向高速化、自动化、精密化的方向发展。

冲裁模一般分为简单模、级进模、和复合模。

简单模在国内应用比较广泛，它是在压力机的冲压行程中完成一次冲裁工艺。

简单模也分为无导向简单模、导板式简单模，和导柱式简单模；级进模是在单工序冲模基础上发展的一种多工序、高效率冲模。

在压力机一次冲程中，级进模在其有规律排列的几个工位上分别完成一部分冲裁工艺，在最后工位冲出完整的工件。

由于级进模是连续冲压，因此生产效率高，适用于大规模生产，但是因为其结构复杂，定位要求比较严格，因此说制造成本高。

复合模是指在压力机的一次冲压行程中，经一次送料定位，在模具的同一部位可以同时完成几道冲裁工序的模具称为复合模。

复合模同连续模一样，也是在简单模的基础上发展的一种较先进的模具。

与连续模相比，冲裁模冲裁件的位置精度高，对条料的定位精度要求低，复合模的轮廓尺寸较小。

复合模虽然生产效率高，冲压件精度高，但模具结构复杂，制造精度要求高，适用于生产批量大，精度要求高，内外形尺寸差较大的冲裁件。

电机的炭刷架的材料是冷轧钢板，适用于冷冲压加工。

如何去安排合理的加工工艺，确保生产的效率最高，同时也能满足零件的加工要求。

这是整个设计的重点。

在该零件的加工中，包括了冲孔，落料，以及弯曲等冷冲加工。

冲孔属于冲裁加工的一种。

冲裁模的结构比较简单，冲裁过程分为弹性变形阶段，塑性变形阶段，断裂分离阶段。

其断层直接关系到冲裁加工质量的好坏，一般的，断面分为四个特征区，即圆角带，光亮带，断裂带，和毛刺。

我们必须有合理的冲裁模的间隔来保证良好的特征带的分布。

冲裁模有刃口尺寸、冲裁力等工艺参数的确定。

在设计电机炭刷架的冲孔和落料加工时，须首先确定其力学性能，然后设计主要零件，完成结构草图，最后完成装配图。

弯曲是将金属材料完成一定的角度、曲率和形状的冲压工艺方法。

通常弯曲加工的材料有板料、棒料、管材和型材。

弯曲有回弹的现象，因此回弹会降低弯曲件的精度，是在弯曲加工中不易解决的问题，因此在设计的时候必须考虑这个问题，例如可以考虑通过利用回弹规律补偿回弹，改变弯曲变形区应力状态校正回弹等。

在了解了弯曲加工的特点及工艺参数后，安排了炭刷架的合理的工序，熟悉各种模具结构。

进而完成零件设计和结构设计，绘制零件工作图。

在冲压模的设计过程中，还必须考虑到模具的成本，因此在进行选材，结构设计时，必须尽量不去设计形状复杂的结构，同时采用镶嵌式代替整体式的结构。

针对模具的定位要求高的特点，在零件的设计中必须要有比较高的加工精度要求。

总的一句话，必须在有高的模具寿命和满足加工精度要求的基础上，尽量降低模具材料的成本，简化模具的结构，这样才能有利于这个行业在我国的发

1确定件的工序方案

根据工件的形状.材料.厚度及实际加工的需要,生产工件的工序过程如下:

1.从板料上冲出落料件（该落料件即为弯曲体的展开图的外轮廓形体。

根据弯曲体的展开尺寸,设计出冲模,将所需工件冲下。

所冲工件如图所示：

2．第一次冲孔，冲五个间距要求不太高的圆孔。

（这五个圆孔如上图所示的五处分布）。

3．第二次冲孔，冲方孔。

4．第一次弯曲，选弯曲复杂部分，即如上图所示的a.b部分。

5．第二次弯曲，弯曲两边，即U形弯曲。

弯折线如上图中虚线所示。

6．第三次弯曲，弯曲中间，弯折线如上图红线所示。

　７.第三次冲孔，此乃最后一道工序，因为此两孔间距要求较高，如果放在其它工序中冲，则可能影响定位要求，故最后工序冲此两孔比较合适。

2弯曲件的展开尺寸

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需要整套设计请联系q：

1293142242。

3.10.2压力机的各参数选择如下

发生公称压力时滑块离下死点距离为SP=8mm,滑块行程

（Ｐ

）

a.固定行程S=120mm

b.调节行程Smax=120mm

Smin=12mm

最大闭合高度H=360mm

闭合高度调节量ΔH=90mm

工作台尺寸左右L=710mm

前后B=480mm

立柱间距A=340mm

3.11导向零件

由模具架中的上下模座上的导柱孔知，两侧的导柱为形状相同而尺寸不同、分别为Φ32、Φ35mm。

选用不同的尺寸，目的是为了防止安装时装反，不至于损坏模具，起到安全保护模具的作用。

3.12落料模的说明

本落料模具是一套用侧刃定距的导柱导向的落料模。

侧刃断面的长度等于送料步距。

在压力机的每次行程中，侧刃在条料的边缘冲下一块长度等于送料步距的料边。

用侧刃定距，其应用不受冲裁结构限制，并且操作方便安全，送料速度高，便于实现自动化。

适用于大批量生产。

凹模直接固定在模架上，凹模内所积压的料最多为两件。

所落料和侧刃冲裁的废料烟凸凹模和下模座的出料口落下。

工作原理：

第一步落下一个料；第二步落下两个料，以后每步是落两个料。

4冲孔模的设计

4.1冲裁件的工艺性

本工件所冲孔的直径为3mm。

根据有关标准d>t，Φ3mm大于允许的最小冲孔直径，所以能够用冲孔模冲孔。

4.1.1冲裁体的尺寸精度和断面粗糙度

a.精度IT10级。

（依据［9］第三章第一节）

b.表面（即断面）的粗糙度

∵材料为厚度t=2mm

∴冲裁件断面的粗糙度为6.3um。

表４－１

材料厚（mm）

≤１

＞１～２

２～３

＞３～４

＞４～５

粗糙度Ra（um）

３.２

６.３

１２.５

２５

５０

4.2冲裁间隙

由于材料为08钢，料厚t=2mm,因此查《冷冲模设计》表3-3知：

Zmax=0.360mm

Zmin=0.246mm

由于模具使用过程中会使间隙增大，所以在设计与制造模具时要选用最小合理间隙即Zmin=0.246mm。

4.3凸凹模工作部分尺寸与公差

4.3.1冲孔凸、凹模尺寸计算的原则

a.冲孔时的尺寸由凸模决定，因此应该以冲孔凸模为设计基准。

b.凸模尺寸做得趋向于冲孔件的最大极限尺寸。

c.凸、凹模的合理间隙对于冲孔件凸模是设计基准，间隙应由增大凹模尺寸取得。

4.3.2用配合加工法的尺寸计算

由［1］第44页可知，这里x取0.75。

由《冷冲模设计》表3-6查得凸、凹模的制造偏差:

δ凸=—0.020

δ凹=+0.020

∵︱δ凸︱+︱δ凹︱=0.04mm

∴能满足分别加工时︱δ凸︱+︱δ凹︱≤Zmax-Zmin的要求

∴d1凸=（d1min+xΔ）

=（3.1+0.75×0.08）

=3.16

d2凸=（d2min+xΔ）

=（3+0.75×0.08）

=3.06

d1凹=（d1凸+Zmin）

=（3.16+0.246）

=3.406

d2凹=（d2凸+Zmin）

=（3.06+0.246）

=3.306

4.4冲裁工艺力的确定

4.4.1冲裁力

F=1.3τLt

L为冲孔件的周长

L=5πd=5×3.14×3=47.123（mm）

∴冲裁力F冲=1.3×300×47.123×2=36755.55（N）

4.4.2卸料力

F卸=K卸F冲

查表３－１

得K卸为0.55

∴F卸=0.05×36755.55=18377.775（N）

4.4.3推件力

F推=n推K推F冲

查表３－１

得K推为0.055

∴F推=n推K推F冲

=2×0.055×36755.55=4043.11（N）

4.5冲模的压力中心的确定

由于各个圆孔的压力中心在各自的圆心,所以总压力中心通过几何作图法即为该规则图形的几何中心。

每三个圆心组成一个三角形，找出其重心，这样可以找出三个重心，再由这三个重心组成一个三角形，最后一个重心即为总的压力中心

4.6凹模设计

4.6.1凹模孔口形式

整个凹模采用嵌入式，整个凹模可由标准查得，其标准为GB2863.4-81。

4.6.2工件的长度

凹模固定板的长度L选用125mm,宽度B为80mm,凹模嵌入到固定板中。

4.7凸模设计

4.7.1因为凸模为标准圆形凸模,所以可以由GB2863.1-81、GB2863.2-81、GB2863.3-81查得。

4.7.2凸模长度

凸模长度L=l1+l2+l3+l

其中:

L为凸模总长

l1为凸模固定板厚度;

l2为卸料板厚度;

l3为导尺厚度;

l为附加长度,一般取15～20mm。

由设计可知：

l1=20mm;

l2=10mm;

l3=3mm;

l取15mm

∴L=20+10+3+15=48（mm）

4.8凸模与凹模的固定

4.8.1凸模的固定

凸模为圆形,形状比较简单,所以选用固定板固定凸模。

4.8.2凹模的固定

凹模使用固定板固定,凹模与固定板采用过渡配合H7/m6。

4.9定位装置

采用定位板定位，定位板中间孔部分与工件外形相同，尺寸（基本）一样，使得定位比较精确，提高了冲孔的质量。

4.10卸料装置

为了在冲压开始时起到压料作用，冲压结束后起到卸料作用，所以选择弹压卸料装置。

4.10.1弹压卸料板的设计

（1）弹压卸料板的结构如落料模中图所示。

（2）弹压卸料板的有关尺寸

a.弹压卸料板的厚度

由［10］查得，卸料板厚度H=10mm。

b.卸料板孔与凸模的单板间隙Z/2为0.15mm。

c.卸料板导向孔的高度h=3～5mm;

d.卸料板底面高出凸模底面的尺寸K=0.2～0.8mm;

e.卸料螺钉孔直径d1处的L最小植为：

因为模座材料为钢，Lmin=0.75d;

4.10.2卸料螺钉的结构形式

采用标准卸料螺钉结构。

凸模刃磨后须在卸料螺钉头下家垫圈调节。

4.10.3卸料板弹簧安装方法与有关尺寸

根据有关标准,选用弹簧外径D=20mm。

其安装方法及有关尺寸见落料模总装图。

．

4.11漏料孔

漏料孔的形状如下图所示：

其d1与d2关系为d2=（0.5～2）d1mm,在本冲小孔模中d2=4×1.5=6mm

4.12模架的结构形式和有关尺寸

4.12.1模具的主体结构是模架,模架是连接冲模主要工作零件的部件。

冲模的主要零件都是通过螺钉、销钉连到模架上，构成一副完整的冲模结构才可使用。

模架都由上、下模座、导柱、导套零件组合而成。

因为本冲小孔模不属于大型和高精密的模具，只需中等复杂和一般精度的模具，因此选用后侧导柱的模架。

后侧导柱模架是指两个导柱导套分别装在模架的后侧。

凹模面积是导套前面的有效区域。

4.12.2模架的有关尺寸

根据凹模的外形尺寸（长×宽）=125×80mm,可由《冷冲压及塑料成型工艺与模具设计资料》第九章国标GB2851.1-811～GB2853.2-81查得。

4.13导向零件

4.13.1为了保证上模相对于下模或凸模相对于凹模能够正确运动,就必须采用导向零件以达到规定要求。

由于所加工的零件为一般精度要求的工件，故采用应用最广的导向零件即滑动导柱、导套。

导套内有油槽，便于贮油经常保持润油。

4.13.2导柱、导套的尺寸结构

导柱尺寸根据模架中下模座的导柱孔确定为φ20mm。

导柱导套的结构由国标GB2861.1-81、GB2861.6-81查得。

4.14压力机的选择与模具的安装

4.14.1作用在模柄上的冲裁力必须不小于P

P=5F=5×18.369=91.845（KN）

根据P的大小可以选择公称压力为10KN的压力机。

4.14.2各压力机的各参数选择如下

发生公称压力时滑块离下死点距离SP=4mm;

滑块行程:

固定行程S=60mm

调节行程S1=60mm

S2=8mm

最大闭合高度H=180mm

闭合高度调节量ΔH=50mm

滑块中心到压力机的距离C=130mm

工作台尺寸:

前后B=240mm

左右L=360mm

立柱间距A≥180mm

4.14.3模具的安装

（1）模具安装的注意事项

检查模具的闭合高度与压力机的闭合高度是否合理;

模具安装前应将上下模和滑块底面的油污揩试干净;并且还要检查有无遗物,防止影响正常安装和发生意外事故。

（2）模具安装的一般顺序

a.根据冲模的闭合高度调整压力机滑块的高度，使滑块在下死点时其底面与工作台面之间的距离大于冲模的闭合高度。

b.先将滑块升到上死点，冲模放在压力机工作台面规定位置，再将滑块停止在下死点，然后调节滑块高度，使其底平面与冲模上模座上平面接触。

c.带有模柄的冲模应使模柄进入模柄孔，并通过滑块上的压块和螺钉将模柄固定。

对于无模柄的大型冲模，一般用螺钉等将上模座紧固在压力机滑块上，并将下模座初步固定在压力机的台面上（不拧紧螺钉）。

d.将压力机滑块上调3～5mm,开动压力机，行程1～2次，将滑块停于下死点，固定在下模座。

e.进行试冲，并逐步调整滑块到所需的高度。

如上模有顶杆，则应将压力机上的卸料螺栓调整到所需要的高度。

4.15说明

这是一套冲小孔圆形模，凹模为嵌入式。

不但节约了贵重材料，而且便于维修。

卸料装置采用弹压性卸料。

在冲压过程中工件具有良好的压平作用。

冲击的工件表面比较平稳，质量较好。

定位板中间开出与工件相同的形状。

由于工作一端伸出模具外面，便于上下料，较安全。

5第一道弯曲模设计

5.1弯曲件的工艺性

5.1.1最小弯曲半径

弯曲件的最小弯曲半径与材料的力学性能、硬化程度、纤维方向、表面质量有关。

根据《冷冲压及塑料成型工艺与模具设计资料》表1-3-1查得最小弯曲半径为

r=0.1t=0.1×2=0.2mm

但实际弯曲件的弯曲半径为0.5mm大于0.2mm，所以该弯曲是符合要求的。

5.1.2弯曲件的直边高度

根据标准规定,弯曲件直边高度H>2t=4mm,而实际弯曲的弯曲件高度为34mm远大于4mm,因此弯曲件直边高度也符合弯曲要求。

5.1.3弯曲件孔边距离

当需要冲孔之后再弯曲时，孔的位置处于弯曲变形区之外，孔壁到弯边的最小距离由

s≥t+r=2+0.5=2.5mm

弯曲件的孔边距离实际上为2.7mm大于s=2.5mm，所以弯曲时孔的精度是不受影响的。

5.1.4弯曲件的精度

弯曲件的精度要求应合理,弯曲件角度公差为±2°。

弯曲件的直线尺寸公差精度为IT14级。

5.2弯曲件的回弹

5.2.1影响回弹的因素

（1）材料的力学性能与材料屈服点ъ成正比,与弹性模数Ε成反比。

（2）相同弯曲半径，r/t愈大，则　Δα愈大。

（3）弯曲中心角α，α愈大，则回弹角愈大。

（4）弯曲方式，本模具采用自由弯曲，因此回弹角较大。

（5）制件形状,这一道工序结构形状较简单,回弹量也稍大。

5.2.2回弹角的大小

回弹角的大小通常按实验总结的数据修正或经试冲后再修正。

单角90°自由弯曲时可由《冷冲压及塑料成型工艺与模具设计资料》中表1-3-5查得回弹角Δα=2°。

5.2.3减少回弹角的措施

由于弯曲件已经设计好，所以只有在以下两个方面采取措施。

（1）弯曲工艺方面：

采用压弯前先将坯料进行退火处理。

（2）在模具结构方面采取以下措施：

a.补偿回弹。

根据弯曲件的回弹方向和回弹量的大小，控制模具工作部分的几何形状和尺寸，使弯曲件弯曲后的回弹得到补偿。

b.增加压料力或减小凸、凹模之间的间隙的方法减小回弹。

c.弯曲时在弯曲件的端部加压。

5.3弯曲力的计算

5.3.1弯曲力的大小

弯曲力的大小通常采用经验公式进行计算。

本弯曲模为自由弯曲，采用以下弯曲力公式：

F=0.6KBt2бb/（r+t）

其中：

F—自由弯曲力

B—弯曲件的宽度

t—弯曲件的厚度

r—弯曲的内弯曲半径

бb—材料的抗拉强度

K—安全系数，一般取K=1.3

弯曲件的宽度B1=28mmB2=4mm

材料的抗拉强度бb=400MPa

由前面知r=0.5mm

∴F=F1+F2

=0.6×1.3×2〗×400×（28+4）/（2+0.5）

=1.3×4×0.6×400×32/2.5

=15974.4（N）

=15.9744（KN）

5.3.2顶件力

对于有顶件装置的弯曲模,其顶件力可取自由弯曲力的30%～80%,这里取50%

∴顶件力F1=15.9744×50%

=7.9872（KN）

5.3.3弯曲时压力机公称压力的确定

F压力机≥F自+F1

=15.9744+7.9872

=23.9616（KN）

5.4弯曲模的间隙

凸、凹模间隙的大小对弯曲件质量有直接影响,过大的间隙会引起较大的回弹;过小的间隙会使制件边薄,增加了模具的磨损。

因此，必须确定合理的间隙值。

凸、凹模的合理间隙值可由公式单边间隙：

Z=t+Δ+ct

其中：

t—坯料厚度

Δ—材料厚度正偏差

C—间隙系数

由《冷冲压及塑料成型工艺与模具设计资料》中表1-3-15查得

t=2mm　Δ=0C=0.04

∴Z=t+Δ+ct

=2+0+0.04

=2.08（mm）

5.5弯曲模工作部分尺寸计算

5.5.1凸模圆角半径

弯曲件的内侧弯曲半径r=0.5mm

材料所允许的最小弯曲半径rmin=0.2mm

∴r≥rmin

∴rp=r=0.5mm

5.5.2凹模圆角半径

（1）凹模圆角半径一般不小于3mm，以免弯曲时对材料表面产生划痕。

弯曲凹模的半径

rd=5mm

（2）凹模深度

凹模深度

L0=20mm

5.5.3凸、凹模工作部分的尺寸与公差

因为弯曲件标注的为外形尺寸，且为单向偏差，所以公式为：

L凹1=（Lmax1-0.75Δ）

=（8-0.75×0.36）

=7.73

（mm）

L凸1=（L凹1-Z）

=（7.73-2.08）

=6.65

（mm）

5.6压力机的选择

5.6.1压力机的公称压力

由前面有关计算，公称压力F≥23.9616KN，根据F≥23.9616KN选择公称压力为40KN的压力机。

5.6.2压力机各参数如下：

发生公称压力时滑块离下死点距离SP=3mm

滑块行程:

固定行程S=40mm

调节行程S1=40mm

S2=6mm

标准行程次数n=200次/min

最大闭合高度H=160mm

闭合高度调节量ΔH=35mm

滑块中心到压力机的距离C=100mm

工作台尺寸:

前后B=180mm

左右L=280mm

工作台孔尺寸前后B1=60mm

左右L1=130mm

立柱间距A≥130mm

5.7模架的设计与有关尺寸

5.7.1模架的结构形式

模架是模具的主体结构，它是连接冲模工作零件的部件。

冲模的主要零件都要通过螺钉、销钉连接到模架上构成一副完整的冲模结构，才可使用。

本弯曲模选用后侧导柱模架，两个导柱导套分别装在模架的后侧，凹模面积是导套前面的有效区域。

由于导柱装在一侧，因重力产生力矩而会引起模座歪斜，上模座在导柱上滑动不够平稳，影响模具寿命。

但是本弯曲模为中型模具，精度要求不太高，所以上述缺点对工件质量并不会产生太大影响。

5.7.2模架的有关尺寸

由凹模的外形尺寸（L×B）为125×80，由《冷冲压及塑料成型工艺与模具设计资料》中的国家标准GB2851.3-81可查得。

5.8导向零件

为了保证上模相对于下模或凸模相对于凹模能够正确运动，就必须采用导向零件以达到规定要求。

5.8.1导柱、导套的尺寸、结构

导柱尺寸根据模架中下模座的导柱孔确定为φ20mm,选用A型。

同样，导套与导柱配套，也选用A型。

导柱导套的结构可由《冷冲压及塑料成型工艺与模具设计资料》中国家标准GB2861.1-81和GB2861.6-81查得。

5.9顶出机构

5.9.1顶板与凹模的配合

弯曲件的形状相对比较复杂，所以顶板与凹模为非配合关系。

5.9.2顶板的尺寸

（1）顶板的长度

顶板的长度一般根据弯曲件的长度而确定，此弯曲模长度确定为108mm。

（2）顶板的尺寸中的厚度

顶板的厚度由国家标准GB2858.2-81查得为10mm。

5.10模具的安装

5.10.1模具安装的注意事项：

（1）检查模具的闭合高度与压力机的闭合高度是否合理；

（2）模具安装前应将上下模板和滑块底面的油污揩试干净，并检查有无遗物，防止影响正确安装和发生意外事故。

5.10.2模具安装的一般次序如下：

（1）根据冲模的闭合高度调整压力机滑块的高度，使滑块在下死点时其底面与工作台面之间的距离大于冲模的闭合高度。

（2）先将滑块升到上死点，冲模放在压力机工作台面规定位置，再将滑块停在下死点，然后调节滑块的高度，使其底平面与冲模上模座上平面接触。

（3）将压力机滑块上调3～5mm，开动压力机，空行程1～2次，将滑块停于下死点，固定住下模座。

6最后一道弯曲模设计

6.1弯曲件的工艺性

6.1.1弯曲件如图所示：

6.1.2最小弯曲半径

弯曲件的最小弯曲半径与材料的力学性能、硬化程度、纤维方向、表面质量等因素有关。

其值：

r=0.1t=0.2×2=0.2mm

6.1.3弯曲件直边高度

如上图所示的弯曲件，直边高度为H=33mm,满足H〉2t=2×2=4mm,所以符合弯曲条件。

弯曲件孔边距离为15.5，最小