1. 引言
本课题为支架冲压工艺及模具设计。该件结合生产实践，是为XXX厂生产制氮机控制系统配电柜内仪表支架。旧加工工艺是采用单工序模成形,具体工艺过程为:冲孔落料、成形、撕口弯曲、最终弯曲成形，需要4副模具,且多次定位,易造成零件精度低,外观质量差,生产效率低,不能满足生产需要。新工艺采用采用级进模生产,效率高,零件表面质量及精度也高。这样要求进行冲裁、弯曲工序计算、零件展开计算。
图1. 支架零件图
支架其零件结构如图2所示：选用材料为20钢，厚度为1mm。它的各项机械性能在表1中描述，该零件为典型的冲压件，其特点是具有竖直轴向的对称性，水平方向四个切口与水平对称线成8°夹角，孔型间相对位置精度要求较高。
成型时，应全面考虑级进模的排样设计、弯曲回弹角以及工件的尺寸精度要求。弯曲圆角半径R=0.8mm，回弹角为1°30′，尺寸精度均IT12级，机械性能要求有一定的强度和抗冲击性。
该零件外形对称，尺寸不大，轮廓线主要由直线和圆弧组成，其中有四个底孔，侧壁有两个不通孔。加工精度要求不高，符合一般冲压件生产的要求。
传统加工工艺需要多次反复定位，使得零件的精度不高，况且需要设计多套模具，使得加工成本较高。如果采用级进模加工，多道工序在一套模具中成型，零件精度相对高。因此，对该工件的加工采用级进模，能节省生产成本，提高工作效率，以及提高零件的精度，符合批量生产的要求。
2. 材料分析
2. 1 冲压对板料的基本要求
冲压对板料的要求首先要满足对产品的技术要求，如强度、刚度等力学性能指标要求，还有一些物理化学等方面的特殊要求，如电磁性、防腐性等；其次还必须满足冲压工艺的要求，即应具有良好的冲压成形性能[1]。 1、力学性能的要求
一般说来，伸长率大、屈强比小、弹性模数大、硬化指数高和后向异性系数大有利于各种冲压成型工序[2]； 2、对于化学成分的要求
如钢中存在碳、硅、锰、磷、硫等元素的含量增加，就会使材料的塑性降低、脆性增加，导致材料冲压成型性能变坏[3]。 3、对金相组织的要求
由于对产品的强度要求与对材料成形性能的要求，材料可取不同的热处理状态。使用时可根据产品对强度的要求及对材料成形性能的要求进行选择。对晶粒大小也有一定的规定，晶粒大小合适、均匀的晶相组织拉伸性能好，晶粒大小不均易引起裂纹。过大的晶粒在拉伸时产生粗糙的表面。此外，在钢板中的带状组织与游离的碳化物和非金属夹杂物，也会降低材料的冲压成形性能[4-6]。 2. 2 板材材料分析
支架是由1mm厚度的20钢板冲压工艺加工制成，该材料具体力学性能如下：
表一 零件材料性能
材料名称 牌号 材料状态 抗拉强度 MPa 抗剪强度MPa 伸长率 % 屈服强度 MPa [7]
优质碳素结构钢 20 900℃正火 410 285-390 25 245
该材料冲压性能好,伸长率较好,抗拉强度和抗剪强度适中。适合应用与冲压生产。
3. 工艺确定
3．1 冷冲压工艺的分类
由于各种零件的形状、尺寸、公差要求和批量的不同，所以生产中所采用的冲压工序种类繁多。通常可按下述方法分类。 一、按变形性质分类
（1） 分离工序 包括剪裁、冲孔、切口等。 （2） 成形工序 包括弯曲、拉深、翻边、胀形等。 二、按工序组合形式分
（1） 简单工序，即在一副模具内只完成零件的一个工序。
（2） 组合工序，即将两种或两种以上简单集中在一副模具内完成。根据工序组合的方法，将其分为三类：
a.复合冲压 在压力机的一次形成过程中，在一副模具的同一个位置上同时完成两种或两种以上的简单工序的加工方法。
b.连续冲压 在压力机的一次行程中，在一副模具的不同位置上同时完成两种或两种以上的简单工序的加工方法[9-10]。
c.连续-复合冲压 在一副模具内包括连续冲压和复合冲压的组合方法[11]。 此外，在生产也常用冷冲压方法使零件产生局部的塑性变形来进行装配，次工序称为冷冲压装配工序。如铆接、弯接、冷塑压焊接等[12]。
[8]
3. 2 工艺方案分析比较和确定
冲压工艺按其变形性质可以分为分离和成形两大类，每一类中又包括许多不同的工序。
冲压生产中，工艺合理化是降低成本的有利手段，一般在制定新产品工艺时进行。当产量发生变化时，模具寿命短或因事故发生损坏时由于更改产品设计而改变模具时，以及变更设备等生产条件发生变化时要重新讨论产品的工艺[13]。
由于工艺的合理化能降低模具费用，节约加工工时，降低材料费等，所以必然降低零件总的成本。所以制定合理的工艺方案是十分重要的。
通过以上的分析可知，该支架零件冲压时的工序包括：弯曲、切断、冲孔、切舌。其中冲孔有3个?3.2的小圆孔和一个内切圆直径为?9.5的八方孔；切舌部位一共五个,有四个的对称线与水平中轴线成8°夹角，另外一个在水平中轴线下方8.9mm处。初步拟定方案如下：
方案一：采用四套单工序模（1）冲孔——（2）落料——（3）U形件弯曲——（4）切舌
方案二：采用压铸配合机械加工方法(1) 压力铸造U形毛坯——（2）机械加工——（3）整形——（4）切舌
方案三：采用两套复合模(1) 冲孔落料复合模——（2）弯曲切舌复合模——（3）侧面底部整形
方案四：采用级进模与单工序模配合加工 (1)切边、冲小圆孔——（2）弯曲——（3）冲八方孔——（4）切断——（5）切舌模切舌
方案五：采用一套级进模（1）切边冲孔——（2）切舌——（3）切断——（4）弯曲
分析以上五种方案：
方案一用四套单工序模，反复定位，容易给工件带来累计误差，使得工件的精度难以得到保证；
方案二生产的零件精度可以的到很好的保证，但是涉及到了压铸与机械加工两方面，从设备和能源的成本来看，其经济性不高；
方案三采用两套复合模加工，较高的精度和可靠性都能得以实现，但不适合在大批量生产中；
方案五采用了级进模加工，在大批量生产中适用，方案五中利用浮顶器在切口
和弯曲将工件顶出，使得所有工序能在一套模具中的一实现，但无疑增加了模具制造的难度，增加了模具的制造成本；
方案四在级进模的基础上另增加了一套切舌模，精度、可靠性和经济性都能得到很好的保证。
因此，综合考虑这几方面的因素，采用方案四较为合理。
确定工艺方案为：采用级进模与单工序模配合加工 (1)切边、冲小圆孔——（2）弯曲——（3）冲八方孔——（4）切断——（5）切舌模切舌
4. 级进模设计
4.1 级进模基本概念及其特点
本课题零件支架采用级进模进行生产。所谓级进模，也叫连续模，由多个工位组成，各工位完成不同的加工，各工位顺序关联，在冲床的一次行程中完成一系列的不同的冲压加工 级进模，都是用在冲压模具上的。 就是同一个工作，由多个工序组成，一般有冲孔，落料，折弯，切边，拉伸等多个工序[14]。
多工位级进模是在普通级进模的基础上发展起来的一种高精度、高效率、高寿命的模具，是技术密集型模具的重要代表，是冲模发展方向之一。
级进模的特点如下：
1)级进模是多工序冲模，在一副模具内，可以包括冲裁、弯曲、成形和拉深等多种多道工序，具有比复合模更高的劳动生产率，也能生产相当复杂的冲压件[15]；
2)级进模操作安全，因为人手不必进入危险区域；
3)级进模设计时，工序可以分散。不必集中在一个工位，不存在复合模中的“最小壁厚”问题。因而模具强度相对较高，寿命较长
[16-17]
。
4)级进模易于自动化，即容易实现自动送料，自动出件，自动叠片； 5)级进模可以采用高速压力机生产，因为工件和废料可以直接往下漏[18]； 6)使用级进模可以减少压力机，减少半成品的运输。车间面积和仓库面积可大大减小[19-21]。
级进模的缺点是结构复杂，制造精度高，周期长，成本高。因为级进模是将工件的内、外形逐次冲出的，每次冲压都有定位误差，较难稳定保持工件内、外形相对位置的一次性[22]。但精度高的零件，并非全部轮廓的所有内、外形相对位置要求
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