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冲压工艺课程设计说明书


JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

冲 压 工 艺 与 模 具 设 计 课 程 设 计

学院名称: 专 班 学 姓 业: 级: 号: 名:

材料工程学院 机械设计制造及其自动化 08 模具 z 08321424 沈柳柳 孙凌燕 讲 师

指导教师姓

名: 指导教师职称:

二〇一一 年 十二 月





第一章 绪论 …………………………………………………………… 2
1.1 模具行业的发展现状及市场前景………………………………………...2 1.2 冲压工艺介绍………………………………………………………...2 1.3 冲压工艺的种类……………………………………………………….3 1.4 冲压行业阻力和障碍与突破…………………………………………….3

第二章 制件工艺性分析及计算 ………………………………………… 6
2.1 课程设计题目…………………………………………………………6 2.2 冲压件工艺分析……………………………………………………….6 2.3 方案及模具结构类型…………………………………………………...7 2.4 排样设计……………………………………………………………..7 2.5 压力与压力中心计算…………………………………………………...8 2.6 压力中心……………………………………………………………..9 2.7 作零件刃口尺寸计算…………………………………………………...9 2.8 冲床选用…………………………………………………………….11

第三章 零部件设计………………………………………………………13
3.1 冲大孔凸模外形尺寸…………………………………………………..13 3.2 冲小孔凸模外形尺寸…………………………………………………..13 3.3 凸凹模结构尺寸……………………………………………………...13 3.4 凹模结构尺寸………………………………………………………..14 3.5 凸模固定板结构尺寸………………………………………………….15 3.6 凸凹模固定板结构尺寸………………………………………………..16

第四章 模具总体设计 ………………………………………………… 17 设计小结 ……………………………………………………………… 18 参考文献 ……………………………………………………………… 19

1

第一章 绪论
1.1 模具行业的发展现状及市场前景 现代模具工业有“不衰亡工业”之称。世界模具市场总体上供不应求,市场需求量维 持在600亿至650亿美元,同时,我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。近几年,我 国模具产业总产值保持13%的年增长率(据不完全统计,2004年国内模具进口总值达到600 多亿,同时,有近200个亿的出口),到2005年模具产值预计为600亿元,模具及模具标准 件出口将从现在的每年9000多万美元增长到2005年的2亿美元左右。单就汽车产业而言,一 个型号的汽车所需模具达几千副,价值上亿元,而当汽车更换车型时约有80%的模具需要更 换。2003年我国汽车产销量均突破400万辆,预计2004年产销量各突破500万辆,轿车产量 将达到260万辆。另外,电子和通讯产品对模具的需求也非常大,在发达国家往往占到模具 市场总量的20%之多。目前,中国17000多个模具生产厂点,从业人数约50多万。1999年中 国模具工业总产值已达245亿元人民币。工业总产值中企业自产自用的约占三分之二,作为 商品销售的约占三分之一。在模具工业的总产值中,冲压模具约占50%,塑料模具约占33%, 压铸模具约占6%,其它各类模具约占11%。 1.2 冲压工艺介绍 冲压是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力,使之产生塑性变形或 分离,从而获得所需形状和尺寸的工件(冲压件)的成形加工方法。冲压和锻造同属塑性加 工(或称压力加工),合称锻压。冲压的坯料主要是热轧和冷轧的钢板和钢带。 全世界的钢材中,有 60~70%是板材,其中大部分是经过冲压制成成品。汽车的车身、 底盘、油箱、散热器片,锅炉的汽包、容器的壳体、电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压 加工的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中,也有大量冲压件。 冲压件与铸件、锻件相比,具有薄、匀、轻、强的特点。冲压可制出其他方法难于制 造的带有加强筋、肋、起伏或翻边的工件,以提高其刚性。由于采用精密模具,工件精度 可达微米级,且重复精度高、规格一致,可以冲压出孔、凸台等。 冷冲压件一般不再经切削加工,或仅需要少量的切削加工。热冲压件精度和表面状态 低于冷冲压件,但仍优于铸件、锻件,切削加工量少。 冲压是高效的生产方法,采用复合模,尤其是多工位级进模,可在一台压力机上完成 多道冲压工序,实现由带料开卷、矫平、冲裁到成形、精整的全自动生产。生产效率高, 劳动条件好,生产成本低,一般每分钟可生产数百件。

2

1.3 冲压工艺的种类 冲压主要是按工艺分类,可分为分离工序和成形工序两大类。分离工序也称冲裁,其 目的是使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离,同时保证分离断面的质量要求。成形工序的 目的是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形,制成所需形状和尺寸的工件。在实际生产 中,常常是多种工序综合应用于一个工件。冲裁、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压、矫正 是几种主要的冲压工艺。 冲压用板料的表面和内在性能对冲压成品的质量影响很大,要求冲压材料厚度精确、 均匀;表面光洁,无斑、无疤、无擦伤、无表面裂纹等;屈服强度均匀,无明显方向性; 均匀延伸率高;屈强比低;加工硬化性低。 在实际生产中,常用与冲压过程近似的工艺性试验,如拉深性能试验、胀形性能试验 等检验材料的冲压性能,以保证成品质量和高的合格率。 模具的精度和结构直接影响冲压件的成形和精度。模具制造成本和寿命则是影响冲压 件成本和质量的重要因素。模具设计和制造需要较多的时间,这就延长了新冲压件的生产 准备时间。 模座、模架、导向件的标准化和发展简易模具(供小批量生产)、复合模、多工位级进 模(供大量生产),以及研制快速换模装置,可减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间, 能使适用于减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间,能使适用于大批量生产的先进冲压 技术合理地应用于小批量多品种生产。 冲压设备除了厚板用水压机成形外,一般都采用机械压力机。以现代高速多工位机械 压力机为中心,配置开卷、矫平、成品收集、输送等机械以及模具库和快速换模装置,并 利用计算机程序控制,可组成高生产率的自动冲压生产线。 在每分钟生产数十、数百件冲压件的情况下,在短暂时间内完成送料、冲压、出件、 排废料等工序,常常发生人身、设备和质量事故。因此,冲压中的安全生产是一个非常重 要的问题。 1.4 冲压行业阻力和障碍与突破 阻力一:机械化、自动化程度低 美国 680 条冲压线中有 70%为多工位压力机, 日本国内 250 条生产线有 32%为多工位压 力机,而这种代表当今国际水平的大型多工位压力机在我国的应用却为数不多;中小企业 设备普遍较落后,耗能耗材高,环境污染严重;封头成形设备简陋,手工操作比重大;精 冲机价格昂贵,是普通压力机的 5~10 倍,多数企业无力投资阻碍了精冲技术在我国的推广 应用;液压成形,尤其是内高压成形,设备投资大,国内难以起步。 突破点:加速技术改造 要改变当前大部分还是手工上下料的落后局面,结合具体情况,采取新工艺,提高机

3

械化、自动化程度。汽车车身覆盖件冲压应向单机连线自动化、机器人冲压生产线,特别 是大型多工位压力机方向发展。争取加大投资力度,加速冲压生产线的技术改造,使尽早 达到当今国际水平。而随着微电子技术和通讯技术的发展使板材成形装备自动化、柔性化 有了技术基础。应加速发展数字化柔性成形技术、液压成形技术、高精度复合化成形技术 以及适应新一代轻量化车身结构的型材弯曲成形技术及相关设备。同时改造国内旧设备, 使其发挥新的生产能力。 阻力二:生产集中度低 许多汽车集团大而全,形成封闭内部配套,导致各企业的冲压件种类多,生产集中度 低,规模小,易造成低水平的重复建设,难以满足专业化分工生产,市场竞争力弱;摩托 车冲压行业面临激烈的市场竞争,处于“优而不胜,劣而不汰”的状态;封头制造企业小 而散,集中度仅 39.2%。 突破点:走专业化道路 迅速改变目前“大而全”、“散乱差”的格局,尽快从汽车集团中把冲压零部件分离 出来,按冲压件的大、中、小分门别类,成立几个大型的冲压零部件制造供应中心及几十 个小而专的零部件工厂。通过专业化道路,才能把冲压零部件做大做强,成为国际上有竞 争实力的冲压零部件供应商。 阻力三:冲压板材自给率不足,品种规格不配套 目前,我国汽车薄板只能满足 60%左右,而高档轿车用钢板,如高强度板、合金化镀 锌板、超宽板(1650mm 以上)等都依赖进口。 突破点:所用的材料应与行业协调发展 汽车用钢板的品种应更趋向合理,朝着高强、高耐蚀和各种规格的薄钢板方向发展, 并改善冲压性能。铝、镁合金已成为汽车轻量化的理性材料,扩大应用已势在必行。 阻力四:科技成果转化慢先进工艺推广慢 在我国,许多冲压新技术起步并不晚,有些还达到了国际先进水平,但常常很难形成 生产力。先进冲压工艺应用不多,有的仅处于试用阶段,吸收、转化、推广速度慢。技术 开发费用投入少,导致企业对先进技术的掌握应用慢,开发创新能力不足,中小企业在这 方面的差距更甚。目前,国内企业大部分仍采用传统冲压技术,对下一代轻量化汽车结构 和用材所需的成形技术缺少研究与技术储备。 突破点:走产、学、研联合之路 我国与欧、美、日等相比,存在的最大的差距就是还没有一个产、学研联合体,科研 难以做大,成果不能尽快转化为生产力。所以应围绕大型开发和产业化项目,以高校和科 研单位为技术支持,企业为应用基地,形成产品、设备、材料、技术的企业联合实体,形 成既能开发创新,又能迅速产业化的良性循环。 阻力五:大、精模具依赖进口

4

当前,冲压模具的材料、设计、制作均满足不了国内汽车发展的需要,而且标准化程 度尚低,大约为 40%~45%,而国际上一般在 70%左右。 突破点:提升信息化、标准化水平 必须用信息化技术改造模具企业,发展重点在于大力推广 CAD/CAM/CAE 一体化技术, 特别是成形过程的计算机模拟分析和优化技术(CAE)。加速我国模具标准化进程,提高精度 和互换率。力争 2005 年模具标准件使用覆盖率达到 60%,2010 年达到 70%以上基本满足市 场需求。 阻力六:专业人才缺乏 业内掌握先进设计分析技术和数字化技术的高素质人才远远不能满足冲压行业飞速发 展的需要,尤其是摩托车行业中具备冲压知识和技术和技能的专业人才更为缺乏且大量外 流。另外,众多合资公司由外方进行工程设计,掌握设计权、投资权,我方冲压技术人员 难以真正掌握冲压工艺的真谛。 突破点:提高行业人员素质 这是一项迫在眉睫的任务,又是一项长期而系统的任务。振兴我国冲压行业需要大批 高水平的科技人才,大批熟悉国内外市场、具有现代管理知识和能力的企业家,大批掌握 先进技术、工艺的高级技能人才。要舍得花大力气,有计划、分层次地培养。

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第二章 制件工艺性分析及计算
课程设计题目-柴油机排气管冲压成形工艺及模具设计,零件图如下: 2.1 课程设计题目-柴油机排气管冲压成形工艺及模具设计,零件图如下 零件名称:1T 柴油机排气管法兰。 技术要求:1.去毛刺 2.材料 3.中批量生产 4.表面涂漆

图 1 产品零件图

2.2 冲压件工艺分析 ①材料:该冲裁件的材料 Q235 是普通碳素钢,具有较好的可冲压性能. ②零件结构:该冲裁件结构简单, ,比较适合冲裁. ③尺寸精度:零件图上所有未注公差的尺寸,属自由尺寸,可按工 T14 级确定工 件尺寸的公差.查公差表可得各尺寸公差为: 零件外形: 16 0 0.43 mm ?
+ 零件内形: 18 0 0.43 mm

7 0 0.36 mm ?
+ 8 0 0.36 mm

孔中心距 60 +0..37 mm ? 0 37 结论:适合冲裁.

6

2.3 方案及模具结构类型 该零件包括落料、冲孔两个基本工序,可以采用以下三种工艺方案: ①先落料,再冲孔,采用单工序模生产. ②落料一冲孔复合冲压,采用复合模生产. ③中孔一落料连续冲压,采用级进模生产. 方案①模具结构简单,但需要两道工序、两套模具才能完成零件的加工,生产效率较 低,难以满足零件大批量生产的需求.由于零件结构简单,为提高生产效率,主要应采用复 合冲裁或级进冲裁方式。 方案②只需要一套模具,冲压件的形位精度和尺寸易于保证,且生产效率也高。尽管 模具结构较方案一复杂,但由于零件的几何形状简单对称,模具制造并不困难。 方案③也只需要一套模具,生产效率也很高,但零件的冲压精度较复合模的低。 欲保证冲压件的形位精度,通过以上三种方案的分析比较,对该见冲压生产以采用放 案②为佳。 2.4 排样设计 查《冷冲压工艺与模具设计》表 2-10,确定搭边值: 两工件间的搭边:a=2. 2mm; 工件边缘搭边:a 1=1.8mm; 步距为:60m 条料宽度 B=(L+2a)
0 ??

=36.4mm

确定后排样图如图 2 所示。

图 2 排样图

7

一个步距内的材料利用率η为.
[2]

冲裁单件材料的利用率按 式计算,即 S η= × 100% =1550÷ (70×32.2) ×100%=68.8% A?B 式中 A—在送料方向,排样图中相邻两个制件对应点的距离(mm) ; n— 一个冲距内冲冲裁件数目; S—一个进距之间的实用面积。

(2-4)

2.5 压力与压力中心计算 2.5.1 冲裁力 F=KLt τ =1.3× 173.854× 3×400 =271.2(KN) 式中: F—冲裁力(N) ; L—冲裁件周边长度,L=43mm; K-系数,取 k=1.3 t—材料厚度; (2-21)

τ —材料的搞剪强度(Mpa) ,查得[2] τ =350Mpa。
冲孔力 F =1.3Lt τ =1.3×(2×3.14×8+3.14×18)×3×400 =166.5(KN)

2.5.2 卸料力 F 卸=K 卸 F 式中: K 卸—卸料力因数,其值由[2]表 2-15 查得 K 卸=0.05。 则卸料力: F 卸 =0.05×271.2 =13.56(KN) 2.5.3 推件力 推件力计算按[2]式 2-11: F 推=nK 推 F 冲 式中:
8

(2-22)

(2-23)

K 推—推件力因数,其值由表 2-15 查得K推=0.05; n—卡在凹内的工件数, 推件力则为: F 推=6×0.05×166.5 =49.95 (KN) 其中 n=6 是因有三个孔。 n=4。

2.5.4 模具总冲压力为: F 总 = F 落+F 卸+F 压 +F 推 =271.2+166.5+13.56+49.95 =501.22(KN)

2.6 压力中心 模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。 为了确保压力机和模具正常工作, 应使冲模的压力中心与压力机滑快的中心相重合。否则,会使冲模和压力机滑块产生偏心 载荷,使滑块和导轨间产生过大的磨损,模具导向零件加速磨损,减低模具和压力机的使 用寿命。冲模的压力中心,的按下述原则确定: (1)对称形状的单个冲裁件,冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。 (2)工件形状相同且分布位置对称时,冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。 (3)形状复杂的零件,多孔冲模,级进模的压力中心可用解析法求出冲模压力中心。 2.6.1 如图 3 所表示

图 3 压力中心

因为制件上下关于 x 轴和左右关于 y 轴对称,所以它的压力中心就在坐标原点上。

作零件刃口尺寸计算 2.7 作零件刃口尺寸计算 落料部分以落料凹模为基准计算, 落料凸模按间隙值配制;冲孔部分明中孔凸模为基准
9

计算,冲孔凹模按间隙值配制。既以落料凹模、冲孔凸模为基准,凸凹模按间隙值配制。

2.7.1 刃口尺寸计算
工件公差为 IT14,X=0.5 ⑴落料凹模刃口尺寸计算

①16 0 0.43 mm ?

D = (D
d

max

- X? )

+ 0

δ

d

+0.11

+0.11

=(16-0.5*0.43)
0

=15.79
0

mm

②7 0 0.36 mm ?

D = (D
d

- X? ) max

+ 0

δ

d

+0.09

+0.09

=(7-0.5*0.36)
0

=6.82
0

mm

③74 0 0.74 mm ?

D = (D
d

max

- X? )

+ 0

δ

d

+0.19

+0.19

=(7-0.5*0.74)
0

=73.63
0

mm

④ 32 0 0.62 mm ?

D = (D
d

- X? ) max

+ 0

δ

d

+0.16

+0.16

=(7-0.5*0.62)
0

=31.69
0

mm

⑵冲孔模刃口尺寸计算
+ ① 18 0 0.43 mm

D = (D
p

min

+ X? )

0

0

0

?δ p

=(18+0.5*0.43)

? 0.11

=6.82

? 0.11

mm

+ ② 8 0 0.36 mm

Dp = ( Dmin + X ? )
⑶孔距 ①60 ± 0.37

0

0

0

?δ p

=(18+0.5*0.43)

? 0.09

=8.18

? 0.09

mm

10

C= C
d

平均

± 0.125 ? )=60 ± 0.125*0.37=60 ± 0.046mm

2.7.2 落料凹模板尺寸: 凹模厚度: H=Kb(≥15mm) H=O.35×74=25.9mm 凹棋边壁厚 c≥(1.5-2)H = (1.5-2)×25.9 =(38.85-51.8)mm 凹棋板边长: L=b+2c =74+2×40 =154mm 凹模板宽 B=160mm 故确定凹棋板外形为:160×125×18(mm) 2.7.3 凸凹模尺寸: 凸凹模长度:L=hl+h2+h3 =16+10+24 =50 (mm) 其中:h1 凸凹模固定板滚度 h2:一弹性卸料板厚度 h-增加高度(包括凸模进入凹棋深度,弹性元件安装高度等) 3.7.4 冲孔凸模尺寸: 凸模长度:L 凸=h1+h2+h3 =14+12+7 =43mm 其中:hl-凸模固定板厚 h2 一空心垫板厚 h3-凹模板厚 凸模强度校核:该凸模不属于细长杆,强度足够。 实取 c=40mm

2.8 冲床选用 2.8.1 冲压设备的选择依据: 1.所选压力机的公称压力必须大于总冲压力,即 F 压>F 总 2.压力机的行程大小应适当。由于压力机的行程影响到模具的张开高度,因此对于冲
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裁,弯曲等模具,其行程不于过大,以免发生凸模与导板分离或滚珠导向装置脱开的不良 后果。对于拉深模,压力机的行程至少应大于成品零件高度的两倍以上,以保证毛坯的放 进和成行零件的取出。 3.所选压力机的最大高度应与冲模的闭合高度相适应。即满足:冲模的闭合高度介于 压力机的最大闭合高度和最小闭合高度之间的要求。 4.压力机工作台面的尺寸必须大于模具下模座的外形尺寸,并还要留有安装固定的余 地。但在过大的工作台面上安装过小尺寸的冲模时,对工作台的受里条件也是不利的。 2.8.2 压力机的选择 根据总冲压力 F 总=501KN,模具闭合高度,冲床工作台面尺寸等,并结合现有设备, 用 J23-63 开式双柱可倾冲床,并在工作台面上备制垫块。其主要工艺参数如下: 公称压力: 630KN 滑块行程: 100mm 行程次数: 40 次∕分 封闭高度调节量:80mm 滑块中心线至床身距离:310mm 最大闭合高度: 400mm 立柱距离: 420mm 工作台尺寸(前后×左右) 570mm × 860mm :

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第三章 零部件设计
3.1.冲大孔凸模外形尺寸

图 4 冲大孔凸模

3.2. 冲小孔凸模外形尺寸

图 5 冲小孔凸模

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3.3.凸凹模结构尺寸

图 6 凸凹模

3.4.凹模结构尺寸

M10

图 7 凹模

14

3.5.凸模固定板结构尺寸

图 8 凸模固定板

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3.6.凸凹模固定板结构尺寸

图 9 凸凹模固定板

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第四章 模具总体设计



冲压模具总装配图

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设计小结 设计小结
到今天为止,两个星期的冲压模具课程设计终于可以画上一个句号。 在自己努力和指导 老师的细心地指导下,我比较顺利地完成了这次课程设计的任务,通过这次课程设计,我 对机冲压模具的设计过程有了一定了解,学到了很多有用的知识,自己的能力得到了很大 的提高。主要收获和体会如下: 第一.提高了综合应用各门知识的能力。以前课堂的学习知识面比较窄。这次课程设 计是通过自己独立的进行设计,自身综合的能力得到了发挥。 第二.巩固了计算机绘图能力。以前用CAD绘图,仅仅是知道主要指令的操作,通过这 次绘图大量的图样,更加熟悉了机械制图中常用指令的操作方法,用简便快速方法画出完 整正确的零件图样。 第三.提高了收集资料和查阅手册的能力。收集资料是做课程设计的前期准备工作, 资料是否全面、可靠,关系到整个课程设计的进程。查阅手册是设计过程中随时要做的事 情。只有广泛收集有用的资料才能设计出比较好的产品。 第四.明确了设计必须与生产实际相结合,产品才有生命力。 。 第五.培养了严谨的科学作风。科学工作来不得半点虚假,在设计过程中每一个结构、 零件、材料、尺寸、公差都反映在图纸上,每一个错误都会造成经济损失,因此,在设计 过程中必须要有高度的责任心,要有严肃认真的工作态度。 总之,对我来说,经历了这次课程设计,为今后从事相关工作奠定了坚实的基础。

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参考文献
[1]陈剑鹤,于云程.冷冲压工艺及模具设计.北京:机械工业出版社,2011 [2]杨占尧.冲压模具典型结构图例[M].北京:化学工业出版社,2008 [3]王芳.冷冲模具设计指导书[M].北京:机械工业出版社,2005 [4]郑家贤.冲压模具设计实用手册[M].北京:国防工业出版社,2003 [5]王新华,袁联富.冲模结构图册[M].北京:机械工业出版社,2003 [6]廖念钉,古莹奄等.互换性与技术测量[M].北京:中国计量出版社,2001 [7]陈锦昌,刘就女等.计算机工程制图[M].广州:华南理工大学出版社,1999 [8]党根茂,骆志斌等.模具设计与制造[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001

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