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【摘要】全文按照整机设计的基本流程，经过对比与论证，选择并使用了正确的工艺路线。首先，对于整体结构进行了设计与论证，其次，对于所有的部位进行了详细的描述，例如，上料机构、自动冲孔机构即核心部件的设计与校核、下料机构、冲孔胎具调整部分、PLC电气控制部分等均采用计算公式、图纸以及图片的形式进行了详细的介绍，最后通过专业的软件，绘制出了冲孔胎模具部分的三维图，并对冲头和冲孔座进行了有限元的分析。本设备自动化程度高，冲孔自动完成加工，生产效率高，可以单机运转，此设备是集机、液、气、光、电、磁于一体的自动化加工设备。由PLC进行控制，可实现从轴瓦输送、冲孔、倒角、卸料全部自动化生产的组合机床，同时结合触摸显示屏幕，除对设备运行进行监控外，还可以对设备故障进行诊断，效率高。经过现场的装配与使用方面的验证，至今已使用一年多，设备加工质量稳定，安全可靠，自动化程度高，减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率，便于组线作业，去掉去刺工序，节省了人力和财力，已经达到了最初的设计目的。
【关键词】设计制造；自动化； 滑动轴承；发展方向
该项目是针对原先公司内部使用的冲孔机，存在冲三个孔的轴瓦需加工两遍，更换两次冲孔工装，所有产品均需手动上下料，生产效率低，危险度大，工人劳动强度大等问题，而设计的三孔轴瓦冲孔机，目前，设备加工质量稳定，安全可靠。
一、原有设备和加工状况描述
（一）目前公司所使用的设备为：金丰冲床+三孔冲孔胎具，即采用外购设备和自制胎具的模式（见图1-3）。
图1-3 公司原先所使用的的加工设备
（二）目前所采用的加工方法为：手工上料、點动加工、手动下料，工人劳动强度大，危险程度高。
（三）在产品的整个加工过程当中全部手动操作，无连续加工，只能加工两孔产品，单孔和三孔的产品不能加工，加工范围有限。
（四）铁屑的清理：冲下来的切屑会出现乱蹦的现象，不能集中收存，现场地面不能保持清洁，不能满足公司所规定的现场5S要求。
（五）安全性方面：在产品的加工过程当中，所有的产品均需要人工手动上下料，而此工序为冲孔工序，属于冲压加工当中的冲裁工序，本身存在着相当高的危险性。
（六）加工方式：此种加工方式为从钢背面向合金面冲孔，即从外向里冲，这样的加工方式可能会导致钢背面的材料被冲裁挤压到了合金面里面，对于后序的精镗工序带来意想不到的问题，例如：在精镗时可能会镗到冲孔工序冲在合金面的钢背材料，出现镗出铁的现象，造成废品量的增加。同时利用此种加工方式还会造成轴瓦有向外涨的趋势，给后续的精拉瓦口和精镗带来问题。
（七）关于连线：此加工工序为全部手动上下料，对于今后的设备连线趋势非常的不利，很难为今后的设备连线做准备。
（八）效率：7件/分钟
加工模具和生产方式描述见图1-4：
将产品手工放入冲孔胎模具当中 用小推板进行轴向定位并加工
手动冲孔胎手动冲孔胎
图1-4生产现状描述
二、本论文的研究内容
针对以上设备所存在的弊端，本论文提出了三孔一起加工，并且采用快速换模的方式来提高加工效率和加工范围的方式，项目实现后，可达到以下应用价值：
（一）取消原先冲二次孔更换冲孔胎模具工装的辅助工时，（更换一次工装需要20-30分钟），完全达到实现三孔一起冲的目的，效率可以提升1.5倍，可达到20件/分钟。
（二）自动化程度高，减轻工人的劳动强度，提高生产效率，便于组线作业。
（三）去掉去刺工序，节省人力财力。
（四）设备安全可靠，有利于文明生产。
三、核心部分的设计计算
（一）计算冲压力
（１）整体设计步骤
冲压设备的选择 ：
1.冲压设备类型的选择
根据所要完成的冲压工艺的性质，生产批量的大小，冲压件的几何尺寸和精度要求等来选择设备的类型。
2.冲压设备规格的确定
在冲压设备的类型选定之后，应该进一步根据冲压件的尺寸、模具的尺寸和冲压力来确定设备的规格。
3.确定模具压力中心
对称形状制件冲模的压力中心，位于制件轮廓图形的几何中心上，非对称制件的冲模以及多凸模、连续模的压力中心可用解析法予以确定。解析法采用空间平行力系的合力作用线的求解方法，根据“合力对某轴之力矩等于各分力对同轴力矩之和”的合力矩定理求得。
（２）冲裁模刃口尺寸计算
１、刃口尺寸计算原则
由于凸、凹模之间存在着一定的间隙，使落下的料或冲出的孔都带有一定的锥度，落料件的大端尺寸等于或接近于凹模刃口的尺寸，冲孔件的小端尺寸等于或接近于凸模刃口尺寸。如图2.1所示。
图2-1 刃口尺寸与冲件尺寸的关系
２、计算刃口尺寸的方法
根据以上原则，便可以确定凸模、凹模的刃口尺寸以及公差尺寸。但是由于模具的加工和测量方法的不同，在具体进行计算与标注尺寸公差时，方法也不尽相同。
３、冲裁间隙
冲裁间隙是指冲裁凸、凹模之间工作部分的尺寸之差，冲裁间隙一般是指双边间隙。
（二）凸模、凹模结构设计
（１）凸模的设计
凸模俗称冲头，是冷冲模的重要组成零部件之一，凸模按照其本身的作用又可以分为工作部分(即刃口部分)和固定部分，如图所示。
图2-2 凸模结构图
凸模计算部分：
冲头的选取：
1.冲裁力的计算：冲裁力P [kgf]
（3-1）
L:冲裁轮廓长度（mm）
（圆孔的情况下 ）
t：材料的厚度（mm）
：材料的抗剪强度（kgf/mm²）
（ =0.8×抗拉强度 ）
本公司产品基本尺寸：
孔径：d=¢8mm、厚度t=2.5mm、含碳量：0.5-0.75
经查表1得抗剪强度г为：80kgf/mm²
经计算 = ×d×t× =3.14×8mm×2.5mm×80kgf/mm2=5024kgf
2.凸模刃部破损（耐用强度）的计算：
施加于刃部的应力σ[kgf/mm²]
（3-2）
P：冲裁力、A：凸模截面面积
根据不同的类型选用不同的计算方法：
a.肩型凸模
b.顶料型凸模
根据我司产品的现状我所选用的凸模是顶料型凸模：
(b)顶料型凸模则根据公式b可计算如下：
=4Χ8mmΧ2.5mmΧ80kgf/mm²/（64mm²-1.21mm²）=102kgf/mm²
根据图3.2可查出σs为102kgf/mm²时，SKD11凸模约20000冲次时凸模的刃部有可能发生破损。(根据模具精度、模具结构、被加 工材料的规格偏差、凸模的表面光洁度、热处理等条件的不同会有所变化，请将该图作为参考标准。
图2-3工具钢的疲劳特性
3. 最小冲裁直径的计算
最小冲裁直径dmin.
dmin= =7mm
σ：工具钢的疲劳强度[kgf/mm²]
图2-4 冲裁的加工限度
4. 由纵弯曲引起的破损
纵弯曲负荷 P[kgf]
从该欧拉公式可以看出，若要提高纵弯曲强度P，使用卸料导向件，采用纵弹性系数较大的材质(SKD→SKH→HAP)， 并将刃部的长度缩短后即可。
纵弯曲负荷P表示的是凸模受到纵弯曲负荷发生破损时的值，选定凸模时必须考虑安全系数为3～5。冲小孔时，选择凸模时特别需要注意纵弯曲负荷和施加于凸模的应力。
由纵弯曲引起的破损计算：
纵弯曲负荷P （kgf）
（3-3）
n:系数n=1：无卸料导向件
n=2：有卸料导向件
I：截面二次扭矩（mm4）
冲孔为圆形的情况下
ℓ：凸模的刃部长度（mm）
E:纵弹性系数[kgf/mm²]
SKD11:21000
SKH51:22000
HAP40:23000
V30:56000
此套模具为无导向件模，故选n=1、E=21000kgf/mm²、 =3.14Χ64mm²=201mm²、 =5652kgf
= =91mm
若安全系数为3，则L=91÷3= 30mm，此外，若凸模固定板的厚度T＝20mm，则使用全长在50mm以下的凸模，可防止纵弯曲。如果是卸料板基准(将凸模固定板与杆部以间隙配合，利用凸模刃部导向)的凸模，则全长需在30mm以下。
5. 凸缘部的破损
凸缘部的破损原因：正如厚板冲裁用凸模概要中所述，主要是由于冲裁加工时产生的弹性波造成的拉力(在穿通时，相当于冲裁负荷的拉力施加在凸模上)和应力集中所引起的。
凸缘部的防破损方法有：
(a). 为了缓和应力集中，增大肩部过渡圆弧半径。(使用厚板冲裁用凸模)
(b). 增大肩部的强度，使其超过凸模刃部的强度。我采用方法2，求得不会使肩部破损的最佳杆径。
方法1：计算法
施加在凸模上的冲孔负荷P为：
（3-4）
凸缘部的容许应力 为：
(a)肩型凸模的情况下
＝
(b)顶料型凸模的情况下
=4Χ942Χ5/3.14（64-25）=214kgf／mm²
At：凸缘部的截面面积 ［mm²］
（a）肩型凸模的情况下
(b)顶料型凸模的情况下
D：杆部直径
α：应力集中系数
(a) 肩型凸模的情况下α≈3
厚板冲孔用凸模α≈2
斜肩凸模α≈1.6
(b)顶料型凸模的情况下α≈5
方法2：图表求值法（见下图3.5)
a)求板厚t与抗剪强度τ的交点a。
b)从交点a向左或右延长，求得与凸模刃部直径的交点b。
交点b在冲裁数105线下方，因此SKH、SKD均表示可以承受105次以上的冲裁数。
图2-5凸模刃部的耐久性（破损）
c)从交点a向右延长，求得与凸模刃部直径的交点c。
d)从交点c向下，求得与冲裁数104线(标准、厚板用)的交点d、d'。
e)从交点d、d'向右延伸，求得杆径。
选择结果：由于标准凸模(SKH)为6，因此选定杆径为13。
图2-6杆径的选择
最终选择结果：由以上计算可选择日本MISIMI（三住）冲头，型号为：A-SKJAL13-50-P8.0-T15型号注释：此凸模为键槽顶料型凸模，刃口形状为圆形，刃口直径为8mm,杆部直径为13mm，总长度为50mm。
本设备自动化程度高，自动完成冲孔加工，生产效率高，是集机、液、气、光、电、磁于一体的自动化加工设备。由PLC进行全程控制，可实现从轴瓦自动上料、输送、冲孔、自动下料全部自动化生产的专用机床，同时结合触摸显示屏幕，除对设备运行进行监控外，還可以对设备故障进行诊断。此设备无论是与国内轴瓦自动加工设备比较，还是与日本同类型加工设备相比较，都属于同行业前列，经过现场加工试验与验收后的效果证明，此设备可以达到预期效果。
参考文献：
[1] 阎其凤主编.模具设计与制造.北京：机械工业出版社出版，2000.2～3
[2] 甄瑞麟主编.模具制造工艺学.北京：清华大学出版社出版，2005. 2～3
[3] 张铮主编.模具设计与制造实训指导.北京：电子工业出版社出版，2000.3～3
[4] 翁其金主编.冷冲压技术.北京：机械工业出版社出版，2000. 5～6
【关键词】设计制造；自动化； 滑动轴承；发展方向
该项目是针对原先公司内部使用的冲孔机，存在冲三个孔的轴瓦需加工两遍，更换两次冲孔工装，所有产品均需手动上下料，生产效率低，危险度大，工人劳动强度大等问题，而设计的三孔轴瓦冲孔机，目前，设备加工质量稳定，安全可靠。
一、原有设备和加工状况描述
（一）目前公司所使用的设备为：金丰冲床+三孔冲孔胎具，即采用外购设备和自制胎具的模式（见图1-3）。
图1-3 公司原先所使用的的加工设备
（二）目前所采用的加工方法为：手工上料、點动加工、手动下料，工人劳动强度大，危险程度高。
（三）在产品的整个加工过程当中全部手动操作，无连续加工，只能加工两孔产品，单孔和三孔的产品不能加工，加工范围有限。
（四）铁屑的清理：冲下来的切屑会出现乱蹦的现象，不能集中收存，现场地面不能保持清洁，不能满足公司所规定的现场5S要求。
（五）安全性方面：在产品的加工过程当中，所有的产品均需要人工手动上下料，而此工序为冲孔工序，属于冲压加工当中的冲裁工序，本身存在着相当高的危险性。
（六）加工方式：此种加工方式为从钢背面向合金面冲孔，即从外向里冲，这样的加工方式可能会导致钢背面的材料被冲裁挤压到了合金面里面，对于后序的精镗工序带来意想不到的问题，例如：在精镗时可能会镗到冲孔工序冲在合金面的钢背材料，出现镗出铁的现象，造成废品量的增加。同时利用此种加工方式还会造成轴瓦有向外涨的趋势，给后续的精拉瓦口和精镗带来问题。
（七）关于连线：此加工工序为全部手动上下料，对于今后的设备连线趋势非常的不利，很难为今后的设备连线做准备。
（八）效率：7件/分钟
加工模具和生产方式描述见图1-4：
将产品手工放入冲孔胎模具当中 用小推板进行轴向定位并加工
手动冲孔胎手动冲孔胎
图1-4生产现状描述
二、本论文的研究内容
针对以上设备所存在的弊端，本论文提出了三孔一起加工，并且采用快速换模的方式来提高加工效率和加工范围的方式，项目实现后，可达到以下应用价值：
（一）取消原先冲二次孔更换冲孔胎模具工装的辅助工时，（更换一次工装需要20-30分钟），完全达到实现三孔一起冲的目的，效率可以提升1.5倍，可达到20件/分钟。
（二）自动化程度高，减轻工人的劳动强度，提高生产效率，便于组线作业。
（三）去掉去刺工序，节省人力财力。
（四）设备安全可靠，有利于文明生产。
三、核心部分的设计计算
（一）计算冲压力
（１）整体设计步骤
冲压设备的选择 ：
1.冲压设备类型的选择
根据所要完成的冲压工艺的性质，生产批量的大小，冲压件的几何尺寸和精度要求等来选择设备的类型。
2.冲压设备规格的确定
在冲压设备的类型选定之后，应该进一步根据冲压件的尺寸、模具的尺寸和冲压力来确定设备的规格。
3.确定模具压力中心
对称形状制件冲模的压力中心，位于制件轮廓图形的几何中心上，非对称制件的冲模以及多凸模、连续模的压力中心可用解析法予以确定。解析法采用空间平行力系的合力作用线的求解方法，根据“合力对某轴之力矩等于各分力对同轴力矩之和”的合力矩定理求得。
（２）冲裁模刃口尺寸计算
１、刃口尺寸计算原则
由于凸、凹模之间存在着一定的间隙，使落下的料或冲出的孔都带有一定的锥度，落料件的大端尺寸等于或接近于凹模刃口的尺寸，冲孔件的小端尺寸等于或接近于凸模刃口尺寸。如图2.1所示。
图2-1 刃口尺寸与冲件尺寸的关系
２、计算刃口尺寸的方法
根据以上原则，便可以确定凸模、凹模的刃口尺寸以及公差尺寸。但是由于模具的加工和测量方法的不同，在具体进行计算与标注尺寸公差时，方法也不尽相同。
３、冲裁间隙
冲裁间隙是指冲裁凸、凹模之间工作部分的尺寸之差，冲裁间隙一般是指双边间隙。
（二）凸模、凹模结构设计
（１）凸模的设计
凸模俗称冲头，是冷冲模的重要组成零部件之一，凸模按照其本身的作用又可以分为工作部分(即刃口部分)和固定部分，如图所示。
图2-2 凸模结构图
凸模计算部分：
冲头的选取：
1.冲裁力的计算：冲裁力P [kgf]
（3-1）
L:冲裁轮廓长度（mm）
（圆孔的情况下 ）
t：材料的厚度（mm）
：材料的抗剪强度（kgf/mm²）
（ =0.8×抗拉强度 ）
本公司产品基本尺寸：
孔径：d=¢8mm、厚度t=2.5mm、含碳量：0.5-0.75
经查表1得抗剪强度г为：80kgf/mm²
经计算 = ×d×t× =3.14×8mm×2.5mm×80kgf/mm2=5024kgf
2.凸模刃部破损（耐用强度）的计算：
施加于刃部的应力σ[kgf/mm²]
（3-2）
P：冲裁力、A：凸模截面面积
根据不同的类型选用不同的计算方法：
a.肩型凸模
b.顶料型凸模
根据我司产品的现状我所选用的凸模是顶料型凸模：
(b)顶料型凸模则根据公式b可计算如下：
=4Χ8mmΧ2.5mmΧ80kgf/mm²/（64mm²-1.21mm²）=102kgf/mm²
根据图3.2可查出σs为102kgf/mm²时，SKD11凸模约20000冲次时凸模的刃部有可能发生破损。(根据模具精度、模具结构、被加 工材料的规格偏差、凸模的表面光洁度、热处理等条件的不同会有所变化，请将该图作为参考标准。
图2-3工具钢的疲劳特性
3. 最小冲裁直径的计算
最小冲裁直径dmin.
dmin= =7mm
σ：工具钢的疲劳强度[kgf/mm²]
图2-4 冲裁的加工限度
4. 由纵弯曲引起的破损
纵弯曲负荷 P[kgf]
从该欧拉公式可以看出，若要提高纵弯曲强度P，使用卸料导向件，采用纵弹性系数较大的材质(SKD→SKH→HAP)， 并将刃部的长度缩短后即可。
纵弯曲负荷P表示的是凸模受到纵弯曲负荷发生破损时的值，选定凸模时必须考虑安全系数为3～5。冲小孔时，选择凸模时特别需要注意纵弯曲负荷和施加于凸模的应力。
由纵弯曲引起的破损计算：
纵弯曲负荷P （kgf）
（3-3）
n:系数n=1：无卸料导向件
n=2：有卸料导向件
I：截面二次扭矩（mm4）
冲孔为圆形的情况下
ℓ：凸模的刃部长度（mm）
E:纵弹性系数[kgf/mm²]
SKD11:21000
SKH51:22000
HAP40:23000
V30:56000
此套模具为无导向件模，故选n=1、E=21000kgf/mm²、 =3.14Χ64mm²=201mm²、 =5652kgf
= =91mm
若安全系数为3，则L=91÷3= 30mm，此外，若凸模固定板的厚度T＝20mm，则使用全长在50mm以下的凸模，可防止纵弯曲。如果是卸料板基准(将凸模固定板与杆部以间隙配合，利用凸模刃部导向)的凸模，则全长需在30mm以下。
5. 凸缘部的破损
凸缘部的破损原因：正如厚板冲裁用凸模概要中所述，主要是由于冲裁加工时产生的弹性波造成的拉力(在穿通时，相当于冲裁负荷的拉力施加在凸模上)和应力集中所引起的。
凸缘部的防破损方法有：
(a). 为了缓和应力集中，增大肩部过渡圆弧半径。(使用厚板冲裁用凸模)
(b). 增大肩部的强度，使其超过凸模刃部的强度。我采用方法2，求得不会使肩部破损的最佳杆径。
方法1：计算法
施加在凸模上的冲孔负荷P为：
（3-4）
凸缘部的容许应力 为：
(a)肩型凸模的情况下
＝
(b)顶料型凸模的情况下
=4Χ942Χ5/3.14（64-25）=214kgf／mm²
At：凸缘部的截面面积 ［mm²］
（a）肩型凸模的情况下
(b)顶料型凸模的情况下
D：杆部直径
α：应力集中系数
(a) 肩型凸模的情况下α≈3
厚板冲孔用凸模α≈2
斜肩凸模α≈1.6
(b)顶料型凸模的情况下α≈5
方法2：图表求值法（见下图3.5)
a)求板厚t与抗剪强度τ的交点a。
b)从交点a向左或右延长，求得与凸模刃部直径的交点b。
交点b在冲裁数105线下方，因此SKH、SKD均表示可以承受105次以上的冲裁数。
图2-5凸模刃部的耐久性（破损）
c)从交点a向右延长，求得与凸模刃部直径的交点c。
d)从交点c向下，求得与冲裁数104线(标准、厚板用)的交点d、d'。
e)从交点d、d'向右延伸，求得杆径。
选择结果：由于标准凸模(SKH)为6，因此选定杆径为13。
图2-6杆径的选择
最终选择结果：由以上计算可选择日本MISIMI（三住）冲头，型号为：A-SKJAL13-50-P8.0-T15型号注释：此凸模为键槽顶料型凸模，刃口形状为圆形，刃口直径为8mm,杆部直径为13mm，总长度为50mm。
本设备自动化程度高，自动完成冲孔加工，生产效率高，是集机、液、气、光、电、磁于一体的自动化加工设备。由PLC进行全程控制，可实现从轴瓦自动上料、输送、冲孔、自动下料全部自动化生产的专用机床，同时结合触摸显示屏幕，除对设备运行进行监控外，還可以对设备故障进行诊断。此设备无论是与国内轴瓦自动加工设备比较，还是与日本同类型加工设备相比较，都属于同行业前列，经过现场加工试验与验收后的效果证明，此设备可以达到预期效果。
参考文献：
[1] 阎其凤主编.模具设计与制造.北京：机械工业出版社出版，2000.2～3
[2] 甄瑞麟主编.模具制造工艺学.北京：清华大学出版社出版，2005. 2～3
[3] 张铮主编.模具设计与制造实训指导.北京：电子工业出版社出版，2000.3～3
[4] 翁其金主编.冷冲压技术.北京：机械工业出版社出版，2000. 5～6