本科毕业论文---基于solidworks机床中心轴托架模具设计.doc

基于SolidWorks机床中心轴托架模具设计

摘 要：本设计为机床中心轴托架的工艺分析与冷冲压模具设计以及基于solidworks三维建模、动画模拟的毕业设计。根据设计零件的尺寸、材料、批量生产等要求，首先分析零件的工艺性，确定其工艺方案，再根据工艺方案设计了四个模具共同完成制件的冲制，完成模具零件的设计选用并完成三维建模和主要零件的CAD二维零件图纸的绘制，并在三维建模的基础上用solidworks进行动画模拟。
关键词：模具设计 机床中心轴托架 solidworks模拟加工 CAD零件图
1 绪论
冲压是通过模具对板材施加相关力，使板材发生塑性变形，同时对板料施加剪切力使板材分离，从而获得所需尺寸、形状和性能的零件的加工方法。由于冲压加工经常在材料冷状态下进行，因此也称为冷冲压。冲压加工的原材料一般是板材或带材，故也称为板材冲压。
冲压加工主要需要研究冲压工艺和模具两个方面的问题。冲压加工有其自身的优势，其缺点在于冲模的结构比较复杂，模具制造价格较高。因此冲压加工一般只适用于大批量、单一品种的生产。目前为了解决这方面的问题，正在努力发展某些简易冲模，如聚氨酯橡胶冲模、低合金冲模以及采用通用组合冲模、钢皮模等，同时也在进行冲压加工中心等新型设备和工艺的研究。
1.1 冲压成形工艺与理论研究
由于引入了计算机辅助工程（CAE），冲压成形从原来对应力、应变为切入口进行有限元分析，逐步发展到借助于计算机模拟和分析工艺过程以此实现优化冲压过程。对于冲压毛坯设计也开发了计算机辅助设计，可以实现优化对排样或拉伸毛坯的设计。
在现阶段，冲压成形已走向计算机辅助工程化和智能化的发展道路，冲压成形已从原来的实验和经验阶段慢慢的走向由冲压理论指导的现代科学阶段。很多研究机构已经开始进行冲压成形性能和冲压件成形难度的判定等的预测。
1.2 冲压加工自动化和柔性化
为满足大批高效生产的要求，在冲压模具和设备上大量采用各种进、出料自动化装置。至于大型的冲压件，还专门配置了机械手等自动化机械装置，大大提高了冲压件的品质和效率。对于中、小件的大批生产，现在较多的应用多工位级进模或高速压力机等。对于多品种生产现已成功的开发一套快速转换系统。此外，冲压加工系统正在逐步的引入集成制造系统（CIMS），如冲压加工中心，并且全面实现了设计、运输零件及生产管理等自动化。
2 工艺分析
加工工艺的确定需要考虑多种因素，最重要的是要兼顾质量与效率。下面将对托架的加工工艺选择做详细阐述。
2.1 工件分析
此模具用于加工下图所示的机床中心轴托架，材料为08钢。

图2-1
根据所给出的的零件二维图，首先在solidworks中运用参数化建模技术实现零件的三维建模，如右图2-2所示

图2-2 工件三维图
该工件是中心轴托架工件，φ10mm孔内装有心轴，托架通过4个φ5孔与机身连接，为保证良好的装配工件，5个孔的公差等级均为IT9级，表面不允许有严重的划伤，该零件选用08钢，其弯曲半径均大于该种材料的最小弯曲半径，且工件精度要求不高，不需要校形，所有的孔可用高精度冲模冲出。因此，该零件还可以用冷冲压加工成形。
2.2 确定工艺方案
根据给出的工件结构进行详细分析得出：冲压该零件所需的基本孔为冲孔、落料及弯曲，其弯曲工艺方案有三种，因此，冲压工艺方案可以有以下主要三种。
方案一：首先为落料冲孔级进模冲制，然后为弯曲外部两角同时预弯中间两角45°，然后弯曲中间两角，最后冲4个φ5mm孔，弯曲部分如图3-5所示。
方案二：首先为落料冲孔级进模冲制（同方案一），然后弯外部两角，然后压弯中间两角，最后冲4个孔（φ5mm，同方案一），如图3-6所示。

图3-5 方案一工件变形路线图 图3-6 方案二工件变形路线图
方案三：首先落料冲孔级进模冲制（同方案一），然后直接压弯四角，最后冲4个孔（φ5mm，同方案一）如下图

图3-7 方案三工件变形路线图
2.3 工艺方案的比较
综合运用弯曲模成型原理和模具设计技术对上述三个方案进行比较，可以得出如下结论。
①　 方案一工序分散，所用模具、压力机和操作人员较多，但是生产效率高，成产成本低廉，本设计针对中批量生产方案较为可行。
②方案二和方案一相比，零件的回弹难以控制，尺寸和形状不明确，且存在工序分散、劳动量大、占用设备的缺点。
③方案三的工序比较集中，占用设备和人员少，但是模具寿命低，工件表面有划伤，厚度变薄，回弹不易控制，尺寸的控制不够精确。
通过比较可以得出，当进行中批量生产时宜选择方案一。本次设计针对中量生产，故综合各种因素，采用方案一。
3 落料冲孔级进模设计
3.1 条料宽度和排样方式及材料利用率计算
为保证零件的精确，条料的强度和刚度，方便手工送料，采用单排有废料排样，差《冲压模具简明设计手册》表2.26搭边a和a1的数值的a=1.2mm,a1=1.8mm.由《冲压工艺与模具设计》表2-14得△=0.4mmm，查《冲压模具简明设计手册》P18页，计算出条料标称宽度B=(L+2a1+△)0-△=(30+2X 1,8) 0-0.4mm=340-0.4mm.式中：
B-----条料宽度，mm
L-----冲裁件垂直送料方向的尺寸，mm
a1--------搭边，mm
△--------条料宽度公差，mm
考虑到定位方式为侧刃定位，则应使条料标称宽度增加1mm至3mm，则可取B=370-0.4，步距A=B+a=106mm+1.2mm=107.2mm
对于材料利用率的计算，查百度文档知道，钢带版的规格尺寸为厚度1.2mm至13mm，宽度700mm至1300mm,长度2000mm至12000mm，考虑到材料的充分利用，经计算后在本设计中选取08钢板规格为长X宽X厚=4200mmX1000mmX1.5mm,在剪床上进行剪裁。则每块钢板剪裁成可用于级进模冲裁的块数为[4200/1050]X[1000/37]=4X27=108块，每块可加工出的工件数为n,则n满足n=[1050-2a-(n-1)a1]/106=[1050-2x1.2-(n-1)x1.8]/106,由此可得n=10.04,
则可加工出10个工件，则材料的利用率为：
=（10x108x30x106）/(4200x1000)x100%=81.77%

排样方式
3.2 凸模和凹模的刃口尺寸计算
由于工件结构简单，精度要求不高，所以考虑采用凸凹模分开加工的方法制作凸凹模，这时需要分别计算和标注凸模和凹模的尺寸及公差。由于只有一个尺寸标注了公差，由公差表查的要求为IT13等级，因此在这里均按照IT13等级要求。根据工件的结构特点，分开制造法计算刃口尺寸如下：
1).落料件的基本尺寸计算
查《冲压工艺与模具设计》教材表3-14，计算公式为：
Dd=(Dmax-X△) Dp=(Dd-Zmin)
其中： Dd,Dp--------落料凹模和凸模基本尺寸，mm
△-----------制件制造公差，mm
Zmin-------最小合理间隙，mm
X----------因数
查《冲压工艺与模具设计》教材表3-2得间隙极限尺寸Zmin=0.15mm,Zmax=0.19mm,Zmax-Zmin=0.19mm-0.15mm=0.04mm.
查《冲压工艺与模具设计》教材表3-16，得：
尺寸106mm:||+||=0.035mm+0.025mm=0.060mm.
尺寸30mm: ||+||=0,025mm+0,020mm=0.045mm.
均不满足||+||<=Zmax-Zmin,考虑到该制件为简单件取:
=0.4(Zmax-Zmin)=0.016mm
=0.4(Zmax-Zmin)=0.024mm
△=0.4mm,X=1
则尺寸106mm: Dd=(Dmax-X△) =105.6mm,
Dp=(Dd-Zmin) =105.45mm
尺寸30mm: Dd=(Dmax-X△) =29.6mm
Dp=(Dd-Zmin) =29.45mm
其中X由《冲压工艺与模具设计》表3-15查的
，由《冲压工艺与模具设计》表3-16查的
2)冲孔件尺寸计算
查《冲压工艺与模具设计》教材表3-16，冲孔部分公差==0.020mm，满足||+||<=Zmax-Zmin。
△可查《互换性与测量技术基础》表3-6知△=0.4mm。
dp=(d+X△) X=0.75, △=0.4mm. 则dp=10.30mm.
dd=(d+X△) X=0.75, △=0.4mm. 则dd=10.45mm.
3.3 冲裁力的计算与压力中心的确定
在冲裁过程中，冲裁力是不断变化的 。对于普通平刃刃口冲裁冲裁力F按照《冲压工艺与模具设计》教材P48式（3-4）进行计算。
F=KLtτ，式中：
F---冲裁力，N L—冲裁件的周长，mm
t---材料的厚度，mm τ材料的抗剪强度 ，MPa
K---系数，常取K=1.3
在本设计中，冲裁件周长L=（106+30）x 2+2πR =136 x 2 + 3.14 x 2 x 10 mm=334.8mm.材料厚度t=1.5mm，08钢抗剪强度取350MPa.则冲裁本设计零件所需冲裁力：
F=1.3x334.8x1.5x350N≈228.5KN.
侧刃凸模冲裁力很小，可以忽略。
压力中心的确定：在冲裁时，为使模具能平衡工作，必须使模具压力中心、模具导向部分的对称中心和压力机滑块中心重合，否则在冲裁过程中要产生偏心力矩，从而使冲压件外形扭曲，切口断面质量变坏，甚至会导致压力机滑块导轨和蜜桔的严重损坏。由于此次加工的工件较简单，故可以利用几何关系确定压力中心。由F=KLtτ，其中L=L矩形+L圆，则冲裁落料与冲孔所需冲裁力的大小与其各自周长成正比。式中L矩形 =（106+30）x 2mm=272mm,L圆=2πR=62.8mm,L矩形：L圆=4.33:1。则因此可确定压力中心位置，距离落料凹模几何中心处31.35mm。
3.4 冲压设备的选择
根据冲裁力的大小，查《冲压工艺与冲模设计手册》表2-7，选
取开式可倾压力机J23-25B，其部分参数列举如下：
公称压力：250KN 滑块行程：70mm 最大闭合高度175mm
闭合高度调节量：60mm 模柄孔尺寸40X60mm
3.5 侧刃的设计
查《冲压模具与简明手册》15.74定位尺寸有关标准
1) 侧刃断面长度等于步距，侧刃的公称尺寸等于步距的公称尺寸，其偏差值一般为±0.01mm。则b=A=107.2±0.01mm
2) 侧刃断刃宽度B=6～10mm,取B=6mm.
3) 侧刃切下的料边的宽度近似等于材料厚度，则所切料边宽度取1.5mm
4) 侧刃的孔安侧刃的实际尺寸配制来保证要求的单面间隙。
5) 侧刃的固定：采用压配合固定。
6) 侧刃的数量：单侧布置一个侧刃，利用侧刃进行送料定距。
7) 考虑到t>1mm,侧刃端面制成台阶式，冲裁时侧刃端面的台阶部分先进入凹模进行导向，然后侧刃冲裁，此时侧刃的台阶部分平衡侧刃单边冲裁时产生的侧向力，防止侧刃折断。

侧刃CAD简图
3.6 落料凸模的设计
从工件的外形形状特点和加工方便等因素综合考虑，将落料凸模设计为直通式，与凸模固定板的固定方式是压入凸模固定板内。采用N7/h6配合。凸模装入固定板后其顶面要与固定板顶面一起磨平。凸模长度一般根据模具结构确定。本模具中，查《冲压模具简明手册》2.5.6节。显然可知落料凸模长度：
H=L凸模固定板+L导板+L导料板+L自由长度
式中L自由长度一般取15～20mm，由于本设计采用导板进行凸模导向，凸模始终不与导板分离，则可取L自由长度=12mm.
则H=24+20+4+12mm=56mm.

落料凸模CAD简图
3.7 冲孔凸模的设计与标准化
本设计中凸模所冲的孔为直径为10的圆孔 ，而且凸模是不需要特别保护的小凸模并且有导板起保护凸模的作用。所以冲孔凸模采用圆柱头直杆圆凸模。查《冲压模具与简明设计手册》表2.55，得相关尺寸如下：
D=10.0mm, H=5.0mm, D1=13.00-0.35mm, L=56+1.00mm, r=0.25mm.
由于凸模比较细长并且冲裁件料厚1.5mm，因此有必要进行凸模承压能力和抗纵向弯曲能力的校核。正常工作
1) 凸模承压能力的校核
要使凸模正常工；作，必须使凸模最小断面的应力不超过凸模材料的许用应力，即：
σ=F∑/Amin≥ [σ] 即Amin≥F∑/[σ]
对于圆形凸模有：
dmin≥4 tτ/[σ]
σ—凸模最小断面的压应力，MPa t—冲裁材料厚度，mm
τ—冲裁材料抗剪强度，MPa [σ]—凸模材料允用压力，MPa
查《冲压模具与简明设计手册》P39得08钢淬火硬度为58～62HRC时，凸模导向时取[σ]=440～470MPa, τ=310～380 MPa, 则：
dmin≥4 tτ/[σ]=4.67mm，所以承压能力足够。
2) 抗纵向弯曲力校核
对于有导向装置圆形凸模有：
Lmax≤270d2/F½mm
Lmax——允许凸模最大自由长度，mm d----凸模最小直径，mm
F----冲裁力，N
其中F=KLtτ=1.3×62.8×1.4×350N=42.861KN 则：
Lmax≤270×102/42861½mm=130mm。
因此凸模抗纵向弯曲应力也符合要求。

冲孔凸模CAD简图
3.8 压力机校核
前面已选择J23-25B型号开式可倾压力机。最大闭合高度Hmax=175mm,闭合高度调节量：60mm.则Hmin=115mm.模具闭合高度H0=30＋6＋24＋20＋4＋24＋40＋12=160mm。满足Hmax－5≥H0≥Hmin ＋10mm.模柄孔尺寸为∅40×60mm。查《冲压模具简明设计手册》表15.18选择压入式模柄A40×100mm.
3.9 凸、凹模固定板与垫板
凹模采用整体式，安排凹模在模架上的位置时是根据压力中心的数据的，压力中心必须与模柄中心线重合。凹模参数如下：
凹模高度H=30 mm，凹模壁厚C=45mm，凹模宽度B=120mm，凹模长度L=92mm，按照《冲压模具简明设计手册》标准化后考虑到凹模板与下模座用4个螺钉和4个圆柱销固定，查《冲压模具简明设计手册》P253～P254，凹模上螺孔边距最小为15mm，最大为50mm，螺孔与圆柱销孔一般取b＞2d即可。
考虑以上问题，查《冲压模具简明设计手册》表15.57选取固定板规格：200mm×125mm×24mm.
垫板依据《冲压模具简明设计手册》表15。60，选取垫板规格为：200mm×125mm×6mm.材料用45钢。
3.10 导板的标准化选择
在导板模中，以导板对凸模导向，同时导板也对凸模进行卸料起固定卸料版的作用。导板对凸模采用H7/h6配合。导板厚度取凹模厚度（0.8～1）倍，在这里取导板厚度H=20mm。导板的选取可查《冲压工艺与模具设计》选取规格200mm×125mm×20mm.材料选用Q235钢。
3.11 导料板的设计
本设计中，条料的送料方式是靠导料板向前导送以免条料送偏，为使条料从两导料板间顺利通过，两导料板的间距要大于条料宽度0.2～1mm，导料板厚度查《冲压模具实用设计手册》表3-39取4mm。导料板之间距离是条料标称宽度与和导料板与条料双侧间隙之和，则可取导料板之间距离为38mm.导料板可设计为230mm×83.5mm×4mm,材料选用Q235钢。为了方便送料，增强可操作性，提高送料效率，现设计一个矩形板辅助送料，其参数为125mm×30mm×4mm,材料选用Q235钢。
3.12 标准模架的使用
标准木架的选用依据为凹模外形尺寸，所以应该首先计算凹模周界的大小，查阅《冲压模具简明设计手册》由凹模高度和壁厚的经验计算公式得：
凹模高度：H=Kb=0.28×106mm≈30mm.
凹模壁厚：C=（1.5～2）H=45mm.
凹模总长:L=（106+45×2）mm=196mm.
凹模宽度：B=(30+2×45)mm=120mm.
模架采用对角导柱模架，根据以上计算结果可由尹成龙主编《冲压模具》课程设计指导书表一查的模架规格为：200mm×125mm×(140～170)mm.I级精度的对角导柱模架。导柱导套H6/h6配合。
模架上模座：200mm×125mm×40mm 模架下模座：200mm×125mm×50mm
导柱： A28h6×150mm 导套：A28H6×100×38mm
对角导柱上、下模架结构以及其尺寸可《冲压模具设计实用手册》表5-77和表5-78查阅。
3.13 螺钉和销的选择
查阅《机械设计手册》选择如下：
上模座、垫板和凸模固定板的固定：螺钉：M5×44,圆柱销：6n6×60.
导料板和矩形辅料版的固定：螺钉：M8×28.
下模座、凹模、导料板和导板的固定：螺钉M5×44，圆柱销：6n6×55.
4 弯外角并预弯45度内角
4.1 毛坯展开尺寸计算
毛坯的展开尺寸计算必须依据工件二维图经行计算,由《冲压工艺与模具设计》P129式（5-7）可得：
L=L1＋L2＋Π/2×(r＋λt)
式中：L1，L2---直边长度，mm r---弯曲半径，mm
λ---应变中性层位移系数 L1＋L2=103mm r=1.5mm
查《冲压工艺与模具设计》P129表5-6知λ=0.33，则：
L=L1＋L2＋Π/2×(r＋λt)
=103+Π/2×（1.5+0.33×1.5）
=107.134mm。
考虑到弯曲时板料纤维的伸长，实际毛坯长度取L=107mm
4.2 弯曲半径的说明
查阅《冲压工艺与模具设计》第五章知，弯曲半径不能过大，过大会受回弹的影响，弯曲件的精度不宜保证。弯曲半径也不能过小，过小时会产生拉裂。弯曲半径应大于材料的许可最小半径，否则应采用多次弯曲并增加中间退火的工艺，或者是先在弯曲角内侧压槽后在进行弯曲。
4.3 直边高度的说明
查阅《冲压工艺与模具设计》第五章知，应保弯曲件的高度不小于弯曲件厚度的2倍，即H≥2t，否则应先压槽或加高直边，弯曲后在切掉。
4.4 孔边距的说明
弯曲时毛坯上有预先冲制的孔∅10mm,为使孔不发生变形必须使孔放置于变形区之外。弯曲件t=1.5mm＜2mm,则使L≥t，中心孔∅10mm孔边距计算可知为7.5mm>1.5mm，满足要求。
4.5 形状与尺寸对称性的分析
当弯曲件不对称时，因受力不均匀毛坯容易偏移，尺寸较难保证。为防止毛坯的偏移设计模具时可增加压料板、定位销等定位零件。本设计中工件为完全对称，因此可省去以上设计。
4.6 弯外角的计算
按照前述方案执行，应先预弯两45度内角，预弯45度内角和两端外角工艺计算如下：
凸模圆角半径R/r=1.5/1.5=1,大于其最小圆角半径 ，则r凸=1.5mm。
由《冲压工艺与模具设计》第五章圆角半径选用原则可知，t=1.5mm＜2mm时，r凹=(3～6)t,顾可取r凹=4×1.5mm=6mm.
弯曲凹模深度计算如下：
由专业知识储备知道凹模深度L0要适当，若L0过小则使弯曲件两端的自由部分长，回弹大且不平直。如果L0过大，则凹模用料过多且要较大行程的冲床，因此LO的大小必须要严格根据弯曲件的要求确定。通过几何关系粗略计算如下：
L=30mm，L0=Lsin450=21.21mm.
考虑到下一次弯曲会使工件变薄拉伸，故取L0=21mm，此时由于内角的弯曲角度较小，故凸凹模的圆角半径粗略设为r凸=10mm,r凹=20mm.
参阅《冲压模具简明设计手册》第三章弯曲可知，如果弯曲零件的角度不等于90度时。凸凹模的尺寸差值ΔX与角度α有一个正切关系：ΔX=t·tan[(900-α)/2],因此可求得ΔX=0.621mm，利用此ΔX值便可以对凸凹模进行SolidWorks三维建模。当对V形件弯曲时，凸模与凹模之间的间隙是依靠调整压力机的闭合高度来控制的，因此便不需要在设计制造模具时确定间隙。
4.7 冲压力的计算与压力中心的确定
由《冲压工艺与模具设计》P130～P131弯曲力计算知：
1）：最大自由弯曲力计算
最大自由弯曲力为：F自＝0.6kbt2σb/(r＋t) 式中:
k---安装系数，一般取k=0.3 σb---材料强度极限，MPa
b---料宽，mm t---料厚，mm
其中08钢σb＝300MPa，b＝30mm, t=1.5mm, r=1.5mm.则由公式得：
F自＝0.6×1.3×30×1.52×300/(1.5＋1.5) N＝5265N
2)：校正弯曲力计算
校正弯曲力远远大于自由弯曲力，其近似计算如下：
F校＝qA 式中：
F校---校正力，N q—单位校正力，MPa
A---工件被校正部分在垂直于凸模运动方向上的投影面积，mm
经过计算的A＝1683mm2,查阅《冲压工艺与模具设计》表5-9，可取q＝90MPa,则：
F校＝qA＝1683×90N＝151470N
3):弯曲时压力机的压力确定
弯曲时压力机的压力可用式（5-14）计算
F≥F自＋F校
F为压力机的公称压力，自由弯曲时校正弯曲力不计。校正弯曲时，校正弯曲力与自由弯曲力不是同时产生，且校正弯曲力比自由弯曲力大得多。因此只按校正弯曲力F校大小选择压力机。
查《冲压模具简明设计手册》表13.9开式可倾工作压力机主要参数选取压力机型号为J23-25，其公称压力为250KN。
由于本设计中工件是完全对称的，因此压力机中心与工件几何中心重合。
4.8 模架设计与标准化
模架包括上模架、下模架、导柱和导套。选择模架尺寸时要根据凹模的轮廓尺寸，在长度和宽度上都应该比凹模大30～40mm，模板厚度一般等于凹模厚度1～1.5倍，还应该考虑到模架与压力机的安装关系，冲压模具的闭合高度应大于压力机的最小装模高度并且小于压力机的最大装模高度。小型冲模常采用后侧式、对角式等导柱型模架。因此根据以上诸多考虑，选用后侧式导柱模架，其结构及尺寸可查阅《冲压模具简明设计手册》表15.2。选取I级精度的后侧导柱模架型号为：模架160mm×100mm×(190～225)mm
上模座：160mm×100mm×40mm 下模座：160mm×100mm×50mm
导柱：A25H6×180 导套：A25h6×90×38
4.9 模柄
对于小型模具来说模柄用于固定上模，冲模的上模则通过模柄安装在冲床滑块上。本设计中可以选取压入式模柄，模柄规格查《冲压模具简明设计手册》表15.18选取规格为A50×110.材料选用Q235，其结构尺寸也可以由表15。18中查得，采用压入式安装。
4.10 闭合高度计算
冲模的闭合高度是指冲模处于闭合状态时上模板的上平面到下模板的下平面的高度，冲模设计时必须要让冲模的闭合高度与压力机的闭合高度相适应，即要满足Hmax-5≥H0≥Hmin+10其中Hmax是指压力机的最大闭合高度，单位mm。H0是指冲模的闭合高度，单位mm。Hmin是指压力机的最小闭合高度，单位,mm。计算冲模闭合高度时，对于弯曲冲模应考虑工件的料后t，在本设计中，冲模闭合高度可由下式计算：
H0＝L下模座＋L上模座＋L凸模＋L凹模＋t＝210mm
在前面，通过冲裁力大小已经初选了J23-25型号的压力机，其参数为Hmax＝220mm,Hmin＝160mm.满足条件 Hmax-5≥H0≥Hmin+10。则压力机选择可靠。
4.11 凸模的结构设计
凸模的结构设计包括两大部分内容，凸模工作部分和安装部分。其中直接完成冲压加工的是凸模的工作部分，其形状、尺寸都要根据冲压件的形状、尺寸和冲压工序性质及特点进行相应设计。凸模的安装部分在本设计中是与固定板结合后安装在模座上的。凸模的安装形式种类较多，考虑到凸模安装位置，凸模自身形状及其工艺特性等因素，本设计采用安装方式为压入式固定法。

4.12 凹模的结构设计
以凸模实际尺寸为基准配作凹模，凹模的结构及尺寸主要是为了与凸模相适应。根据凸模的结构尺寸特点，设计出如下凹模的二维尺寸图形及三维模型。

4.13 垫板的设计与标准化
查《冲压模具简明设计手册》表15.60，选取矩形垫板，具体参数为125mm×80mm×6mm.材料45钢，技术条件按JB/T7653的规定。
4.14 凸模固定板
查《冲压模具简明设计手册》表15.57，选取矩形固定板，其规格为：125mm×80mm×20mm，材料45钢或Q235A.F。
4.15 导料板的设计
为了方便送料，保证送料不扭曲，现设计导料板。由于弯曲模的形状不是规则的本次单独设计导料板并用螺钉紧固于凹模上。导料板的高度H参考《实用冲压手册》选取，取H＝6mm。导料板厚度取材料厚度2.5～4倍，即导料板厚度为3.75mm～6mm,取厚度为5mm，材料用45钢。导料板的主要功能说明如下：单侧导料，使工件单侧紧靠导料板送料 ，导料板的前侧90度弯角是用来定位工件起定位作用。工件利用导料板、凹模、导正销进行定位，定位精度高，可操作性良好。
4.16 导正销的设计
导正销可消除导正送料定位中的误差，起到精确定位的作用。在本设计中，利用∅10mm孔进行定位，因此导正销定位是最好的选择。本设计导正销安装在凸模中，凹模上的让位孔采用通孔以排除可能产生的废料等杂物。凹模让位孔与导正销的间隙Z取（0.06～0.1）t，因此可取Z＝0.1t＝0.15mm。导正销直径D＝10mm, 查阅《冲压模具简明设计手册》P538～P539有关导正销的设计知识知：C＝D－d’ ＝0 025mm。为了实现导正销精确定位工件的目的，导正销需要凸出凸模一定高度h。查《冲压模具简明设计手册》表15.55知h＝(0.8～1)t，取h＝1mm。采用圆锥形凸模式导正销，导正销工作段直径d’ ＝D－C＝10mm－0.025mm＝9.975mm,则凹模上的让位孔的直径为：d’ ＋2Z＝9.975mm＋2×0.15mm＝10.275mm。导正销的形状与∅10mm凸模导正孔一致，只是头部增加了导正部分。导正销材料选用T8A。导正销二维图及三维模型如下：

4.17 螺钉和销钉的选择
螺钉是用来紧固模具零件的，冲模中多采用内六角或者圆角螺钉，对 于小型和中型模具采用M3、M6、M8、M12等。冲模中圆柱销其定位作用，圆柱销一般承受错移力。圆柱销的使用一般采取2个及以上，布置时一般离模具刃口较远，对于中小型模具一般选用d＝3mm、4mm、6mm、8mm、10mm等几种尺寸。本设计中查阅《机械设计教材》选取如下：
上模座和固定板连接螺钉为：内六角圆柱头螺钉M10×40.
下模座和凹模连接螺钉为：内六角圆柱头螺钉M10×30,制出全螺纹。
导板在凹模上的固定螺钉：内六角圆柱头螺钉：M3×10.
与上模座连接销钉为：圆柱销定6m6×55.
与下模座连接销钉为：圆柱销定6m6×55.
5. 弯内角的设计
5.1 弯内角的计算
前面已经进行过外角的工艺分析计算，弯内角的工艺分析计算与外角相同，其工艺分析计算如下：R/t=1 大于其最小圆角半径，因此可取r凸=1.5mm，查阅《冲压模具与工艺设计》凸凹模的圆角半径选取规则，t=1.5mm﹤2mm,则可取r凹=（3～6）t=(4.5～9)mm,取r凹=6mm.参阅《冲压工艺与模具设计》教材书关于V形和U形弯曲凸凹模间隙论述知：对于U形弯曲间隙过大则制件精度低，而间隙过小则弯曲力增大，并且制件直边薄而且模具寿命降低。可按C=t+Δ+kt计算合理的弯曲凸凹模单边间隙。式中：
C---弯曲凸凹模单边间隙,mm. t---材料厚度，mm.
Δ---材料厚度正偏差，mm.
k---可查 《实用冲压技术手册》知k=0.05。则：
C=t＋Δ＋kt=1.5＋0＋0.05×1.5＝1.575（mm）.
5.2 弯内角凸模与凹模宽度尺寸计算
因为工件为內形尺寸标注形式，则：
Bp=（B+0.25Δ）
Bd=（Bp +2C）
式中：B----弯曲件基本尺寸 Δ---弯曲件制造公差
，---凸凹模制造公差，按IT6～IT8级公差选取
查阅《冲压模具简明设计手册》附录3得，Δ=0.21mm。查阅《冲压模具简明设计手册》附录1，选取凸凹模的制造公差为IT8级，则：==0.033mm。故：
Bp=（B+0.25Δ）=（25＋0.25×0.21）mm=25.0525mm
Bd=（Bp +2C）=(25.0525＋2×1.575) mm=28.2025mm
我们知道，机械是一门以实践为基础的课程，在制造过程中其尺寸需要按生产实践的经验进行修正，故尺寸修正如下：
Bp＝25.052mm Bd＝28.2025mm
凸凹模长度等于弯曲件长度30mm，凸模高度比弯曲件高15～20mm.凹模深度大于弯曲件深度。
5.3 弯内角的冲压力计算与压力中心的确定
最大自由弯曲力计算公式为：F自＝ckbt2σb/(r＋t) 查阅相关参数如下：
C=0.7（U形件），k=1.3，B=30mm，t=1.5mm,R=1.5mm, σb=300MPa,
F自=0.7×1.3×30×1.52×300/(1.5＋1.5)N=6142.5N
校正力公式为：F校＝qA，式中A=750mm2,取q=90MPa.因此：
F校＝qA=750×90N＝67500N
弯曲工艺采用自由弯曲，则根据F压力机≥F校和F压力机≥F自，知F压力机≥67500N=67.5KN.查《冲压模具简明设计手册》开式可倾工作台压力机主要参数，选用压力机型号为：J23-16A，公称压力为160KN，压力机最大闭合高度Hmax＝180mm,最小闭合高度Hmin＝130mm。仿照弯外角的模具闭合高度计算得H0，满足Hmax－5mm≥H0≥Hmin＋10mm.故压力机的选择可靠。
由于此时的工件仍为完全对称，因此压力中心可确定为与工件几何中心重合。
5.4 模架的设计与标准化
模架包括上模架、下模架、导柱和导套四部分，模架的设计与标准化要考虑凹模周界以及模具闭合高度等因素。在此可参考弯外角的模架设计方法查阅《冲压模具简明设计手册》表15.2选择模架规格为：125mm×100mm×(140～165)mm.I级精度的后侧导柱模架。导柱导套采用H6/h6配合。
上模座：125mm×100mm×30mm 下模座：125mm×100mm×35mm
导柱型号：A22h6×150 导套型号：A22H6×80×28
5.5 模柄的选择
在本设计中采用压入式模柄，查《冲压模具简明设计手册》表15.18选取模柄规格为：A25×70，其结构尺寸也可由表15.18中查的，采用压入式安装。

5.6 凸模的结构设计
凸模的结构设计要考虑凸模工作部分和安装部分，凸模装在下模座上采用与下模座过盈配合压入模座中。考虑到工件的一边长度为30mm，因此可把凸模的长度设定为50mm，凸模的宽度在前面计算中已给出，Bp=25.052mm,凸模圆角半径r凸=1.5mm.凸模的结构尺寸设计和三维模型如下图：

5.7 凹模的结构设计
由弯曲内角工艺计算知，凸凹模单边间隙C=1.575mm,则凹模内芯宽度为：Bp＋2C =25.052＋2×1.575=28.2025(mm)。查《实用冲压技术手册》表3-12，凹模深度L=30mm，U形件弯曲的工作单元有凸台压校弯曲、校正弯曲以及自由弯曲，在本设计中采用自由弯曲工作单元。凹模压入固定板与固定板采用N7/h6配合，凹模装入固定板后其顶面要与固定板顶面一起磨平。凹模的结构尺寸及其三维模型如图所示。

5.8 推件装置的设计
凹模装在上模座中即采用倒装时，弯曲后的零件卡在凹模中，必须借助推件装置推出工件，使工件与凹模分离。因此推件装置必须装在上模上，通过冲床滑块内的打料机构完成推件工作。本设计方案中采用刚性推件装置，利用推件器和推杆将弯曲工件从凹模中推出。推件装置由推件器和推杆组成，现分别设计如下。
1)：推杆的设计
查《冲压模具简明设计手册》表15.42选择带肩推杆，考虑到推杆的长度应高出压力机滑块模柄孔5～10mm，选取A8×130的带肩推杆。材料45钢，热处理：硬度43～48HRC。

2)：推件器的设计

推件器的设计取决于工件的形状和尺寸特点，本设计中采用矩形推件器，长25mm，宽30mm,高15mm。推件器倒R5圆角，下面留出9mm深的导正销让位孔，孔直径为Φ10.275.上面留出4mm深的Φ10mm孔，推件器与推杆采用过盈配合。

5.9 定位装置的设计
弯曲内角时的定位设计原理叙述如下：
在进行弯内角时采用横向送料，在横向设计挡料板进行送料约束，然后用Φ10mm孔作为导正孔利用导正销实现精确定位。在垂直方向上工件与凸模接触，由六点定位原理可知，工件实现了完全定位，且定位精确可靠 。
1)：导正销的设计
导正销与导正孔间隙配合，仿照前面弯外角的设计，利用Φ10mm孔进行定位，导正销与导正孔的配合间隙C=0.025mm，同弯外角导正销的设计，导正销应凸出凸模一定长度h，由于两次弯曲都是对对同一工件操作只是工序不同而已，因此取h=1mm。弯内角的让位孔在推件器上，让位孔与导正销间隙Z=0.1t=0.15mm.对导正销工作段直径计算分两种情况，在本设计中是已知导正孔直径求导正销的工作直径d’，查《实用冲压技术手册》锥形导正销曲线可知，d=D-C=9.975mm,故推件器上的让位孔直径为d’+2C=10.275mm。
在本设计中沿用弯外角的设计方法，将导正销安装在凸模上，凸模总高为50mm，导正销需凸出凸模高度h=1mm,因此导正销的非锥形部分长度为51mm，锥形部分采用300角。

2):导料板的设计
为使条料顺利通过 ，导料板间的距离应等于条料的最大宽度加上一间隙值，与弯外角一样采用1mm间隙。导料板的高度H查《冲压模具设计实用手册》表5-39导料板的高度表有H=6mm。采用分离式结构，导料板通过螺钉安装在凸模上对工件经行约束。导料板的厚度为料后的两倍为3mm。

5.10 凹模固定板的选择
查《冲压模具简明设计手册》表15.57，选择固定板规格为：80mm×63mm×24mm。材料选用45钢。

5.11 螺钉及销钉的选择
上模座和凹模固定板连接螺钉为：内六角圆柱头螺钉M10×30，
公称长度小于表中数值，制出全螺纹。
上模座和凹模固定板采用销钉定位：圆柱销6m6×45.
下模座与凸模连接螺钉为：内六角圆柱头螺钉M8×30.
下模座与凸模采用销钉定位：圆柱销5m6×40.
导料板与凸模连接螺钉：内六角圆柱头螺钉M3×10，公称