U形支板冲压模具设计(2)

第1章 绪论

1.1 模具选材的意义

随着市场经济的迅猛发展和材料加工新技术新发明的不断采用，产品更新换代的速度加快，对成形模具数量的需求也不断增加，模具材料的正确选择与合理使用已经制约高精度、长寿命、高效率模具制造的瓶颈之一。国内外通常按用途将模具材料分为三大类：冷作模具材料、热作模具材料和塑性成形模具材料。目前，这三大类模具材料仍以黑色金属及其合金为主。

合理选择模具材料具有非常重要的意义，首先是由模具在现代生产工业中的重要作用所决定；其次，合理选材也是保证模具寿命、提高材料利用率的基本要求之一。

模具材料的选择是指：针对具体的模具零件，在相应的模具材料中选择一、两种较为理想或合适的材料的过程。一般来说，模具零件的选材要求所选材料满足：

（1）使用性能足够 根据工作条件，失效形式、寿命要求、可靠性的高低等提出材料的强度、硬度、塑性、韧性等使用性能要求，其中应考虑尺寸效应及主要的、关键的性能指标。

（2）工艺性良好 根据制造工艺流程及方法不同，保证所选材料具有良好的工艺性能，首先是能将模具零件制造出来。

（3）供应上能保证 所选材料应考虑地方资源市场供应情况，尽量少用进口材料，并且品种规格应尽量少而集中，以便于采购和管理。

（4）经济性合理 要求所选材料，生产过程简单、成品率高、成本低。也就是业界提出的“满足制品要求，发挥材料潜力，经济技术合理”原则。

由此可见，模具的选材决策是一个系统工程，涉及因素多，工作量大。根据系统工程的原理，系统的组成要素越多，亦即模具选材考虑的因素越多，其系统就越大，方案优化决策的工作量也越大。然而，系统工程认为，最终得出的决策只能是相对理想的而决不是最好的。因此，为了简化相关问题的解决过程，系统所包括的要素应尽量少。

1.2 模具选材的原则

模具选材的原则一般按下面三个方面考虑：

1） 满足工作要求

a。耐磨性

坯料在模具型腔中塑性变形时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所有材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影响耐磨性的主要因素之一。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。

b．强韧性

模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零件在工作是突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。模具韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织形态。

c．疲劳断裂性能

模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂、接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度以及材料中夹杂物的含量。

d. 高温性能

当模具的工作温度较高时，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。

e．耐冷热疲劳性能

有些模具在工作的工程中处于反复冷却和加热的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和脱落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，因此这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。

f。耐蚀性

有些模具如塑料模在工作时，由于塑料中存在氯、氟等元素，受热后分解出HCI，HF等强腐蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加剧磨损失效。

2）

满足工艺性能要求

模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本 ，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。

a．可锻性

具有较低的热锻变形抗力，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。

b．退火工艺性

球化退火温度范围宽，退火硬度低且波动范围小，球化率高。 c．切削加工性

切削用量大，刀具磨损低，加工表面粗糙度低。 d．氧化、脱碳敏感性

高温加热时抗氧化性能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。

e. 淬硬性

淬火后具有均匀而高的表面硬度。 f. 淬透性

淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬。 g. 淬火变形开裂倾向

常规淬火体积变形小，形状翘曲、畸变轻微，异常变形倾向低。常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及工作形状不敏感。

h. 可磨削性

砂轮相对损耗小，无烧伤，极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤及磨削裂纹。

3） 满足经济性要求

在给模具选材时，必须考虑经济性这一原则，尽可能降低制造成本。因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。另外，在选材时还应考虑市场的生产和供求情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。

1.3 冷冲压模具的选材原则

冷冲压模具（简称冷冲模，下同）主要用在使金属板料产生塑性变形或分离而加工成形所需制件方面。由于被成形对象在成形过程中存在加工硬化现象，加之其它一些模具工作环境因素，所以，对模具的强度、硬度、韧性、耐磨性和抗疲劳性等性能指标要求较高。而这些性能指标，主要是通过正确的选材和合理的热处理工艺搭配老保障。

冷冲模在选材时，通常应遵循下述原则： 1） 选择淬透性良好的材料

在使用过程中，大多数冷冲模除要求表面有足够的硬度外，还要求芯部具有足够的韧性。例如：对于大型冷冲模，若用淬透性较差的材料，则淬火回火后很难达到表里一致的组织，从而影响模具的强度和韧性。所以，在选择材料时，一般应选用淬透性能良好的钢材。此外，为了使模具零件在淬火后能获得较均匀的应力状态，以避免开裂或变形，也应该选用淬透性较好的材料。

2）

选择抗回火稳定性高的材料

冷冲模在工作时，由于和被加工材料发生强烈的挤压和摩擦，会形成较高的温度，这就要求模具材料本身要具有较高的抗回火稳定性，也就是要具有在一定温度下保证硬度的能力。一般来说，碳素钢和低合金钢抗回火能力差，若采用不同程度的含铬和含铝的合金钢，则能显著提高模具零件的回火稳定性。

3）

根据制品批量选择材料

对于冲压数量较大的模具一般选用优质合金工具钢制造，而对于制件数量较小的模具则可采用廉价的碳素工具钢制造。

4） 根据模具的精密程度和使用寿命选择材料

制造小型精密而复杂的冷冲模，宜选用优质钢材；而对于结构比较简单、且使用寿命要求不高的模具，则可采用相对便宜的材料制作。对于大型凸、凹模，可以采用局部镶嵌结构，以节省贵重钢材。

5） 根据模具零件的作用选择钢材

冷冲模的关键零部件，如凸、凹模，可采用优质钢材制作，而其它零件可以采用一般钢材制作。但对于结构比较的冲裁凸模和凹模，以及弯曲模和拉伸模，如果是用来冲制数量不多或者厚度不大的有色金属和黑色金属，则多半可以选用优质碳素工具钢。例如，在工作中承受较大冲击的模具，可选用T8A钢，但对于基本不承受冲击的模具，则可选用T10A钢。对于成产批量较大的模具，其凸、凹模可采用Cr12钢制造。

总之，在选择冷冲模材料时，既要考虑其使用性能，又要考虑其总成本，两者综合，才是最佳的选择。

第2章零件的分析

2.1 零件的工艺性分析

原始设计题目如下图所示：

图 1冲件零件图

该零件为圆形零件形，简单且对称，无悬臂、凹槽。 结论：从结构分析，该零件适合冲裁生产。 注：《冲压模具及设备》194页

?b =322～441Mpa，该零件材料为Q235，其抗拉强度：抗剪强度：?=265～

343Mpa，延伸率：?s=29%。而该零件要求拉深性能较好，即塑性较好，从该材料的这三个方面可见，符合该零件。

结论：综上分析，符合零件要求。 注：《冲压模具及设备》28页表2-3。

该零件落料尺寸按IT14级，普通冲裁落料可达IT10级，故普通冲裁可以达到该零件精度要求。

该零件断面粗糙度、飞边毛刺都无特殊要求，普通冲裁可以达到Ra=3.2～6.4μm，故普通冲裁可达到零件要求。

结论：综上所述，该零件适合普通冲裁。 注：《冲压模具及设备》191页。

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