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冲压模具设计论文内容
引言
0.1冲压工艺概念、特点及应用
冲压是利用安装在冲压设备上的模具对材料施加压力,使其产生分离或塑性变形,从而获得所需零件的一种压力加工方法。
冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工,且主要是采用板料来加工成形所需零件,所以也叫冷冲压或板料冲压。
冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之一,隶属于材料成形工程技术。
冲压所使用的模具称为冲压模具,简称冲模。
冲模是将材料批量加工成所需冲件的专用工具。
冲模在冲压中至关重要,没有符合要求的冲模,批量冲压生产就难以进行;没有先进的冲模,先进的冲压工艺就无法实现。
与机械加工及塑性加工的其他方法相比,冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。
主要表现如下。
(1)冲压加工的生产效率高,且操作方便,易于实现机械化与自动化。
(2)冲压是由模具保证了冲压件的尺寸与形状精度,且一般不破坏冲压材料的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压件的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。
(3)冲压可制造出尺寸范围较大、形状较复杂的零件,如小到钟表的秒针,大到汽车纵梁、覆盖件等,加上冲压时材料的冷变形硬化效应,冲压件的强度和刚度均较高。
(4)冲压一般没有切削碎料生成,材料的消耗较少,且不需其他的加热设备,因而是一种省料,节能的加工方法,冲压件的成本较低。
但是,冲压加工所使用的模具一般具有专用性,有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形,且模具制造的精度高,技术要求高,是技术密集形产品。
所以,只有在冲压件生产批量较大的情况下,冲压加工的优点才能充分体现,从而获得较好的经济利益。
冲压在现代的工业生产中,尤其是大批量生产中应用十分广泛。
相当多的工业部门越来越多地采用冲压方法加工产品零部件,如汽车、农机、仪器、电子、航空、航天、家电、及轻工等行业。
在这些部门中,冲压件所占的比重都相当大,少则60%以上,多则90%以上。
不少过去用锻造、铸造和切削加工方法制造的零件,现在大多数也被质量轻、刚度好的冲压件所代替。
因此可以说,如果生产中不广泛采用冲压工艺,许多工业部门要提高生产率、提高产品质量、降低生产成本、进行产品更新换代等都是难以实现的。
0.2我国模具发展现状
随着我国加入世贸组织,全球经济一体化的发展,必然会对我国传统工业的体制产生巨大的冲击。
我们必须改革传统的运行模式,来适应市场。
要参与国际竞争,就必须在信息交流的形式和手段与国际接轨,众所周知,电子商务是代表着未来贸易发展的方向,也是经济发展和进步的一个必然趋势。
在市场竞争逐步深入的时期,企业创新能力越来越成为企业竞争力的重要组成部分,信息资源也越来越成为企业的战略资源。
中国的模具企业大都是中小企业,从作坊式的企业成长起来,甚至目前仍有许多模具企业是作坊式的管理,在模具交货期、成本、质量的控制方面问题层出不断。
面对激烈的市场竞争,落后的管理手段和水平,使模具企业中的管理和技术人员只有疲于奔命。
模具网CEO、深圳市模具技术学会副秘书长罗百辉指出,中国模具制造企业要提高管理水平,具备快速反应和及时调整的能力,没有一套先进的管理系统实现管理的信息化是很难做到的。
通过信息化建设,实现模具制造。
罗百辉表示,所谓信息化的模具企业,就是在模具企业应用INTERNET、ERP等信息化技术,把模具企业上下游业务过程,技术沟通过程,以及模具企业内部业务管理过程,以IT形式固定下来,最终提高模具企业的经营管理水平,提高模具企业运转的效率。
模具企业的管理模式也发生改变,管理也显得越来越重要。
21世纪,网络技术、计算机应用等IT技术飞速发展,以及计算机技术应用成本的大幅降低、网络速度的提高、网络应用的迅速普及等等这一切说明信息化时代很快就要到来,谁能掌握主动,抢占先机,把IT技术尽快应用到模具企业,谁就能在开拓市场、提高企业核心竞争能力方面占有优势。
目前,CAD/CAM技术的推广已由“甩图板”阶段跨入到了深化应用阶段。
CAPP技术的应用,可以大大提高企业工艺编制的效率和准确性;PDM系统的应用,可以对产品开发数据进行有效的管理;MIS/ERP系统的应用,则可以从根本上降低企业的成本,提高生产和管理效率。
这些系统之间实现信息的集成和功能上的配合,并逐步实现企业的全面信息化,已成为CAD/CAM技术深化应用的主题,是模具发展的第二次变革。
网络企业的建立,总的来讲是基于INTERNET技术和计算机管理技术,并融合了EPR、CRM、SCM、PM等技术,以及一些行业标准化的规范。
通过INTERNET技术,模具企业可以跟国内外客户建立联系,开拓更广阔的市场;进行企业与国内外客户业务、技术的沟通;建立企业和客户之间的接口。
模具是典型的按定单单件生产的行业,每一个定单都要与客户进行详细的业务和技术方面的沟通,否则将会产生严重的后果。
下面是模具企业与客户信息沟通不充分的实例:
某大型模具厂承接了一个日本新客户的模具定单,这个日本客户习惯定单下达后,就与模具厂的设计人员进行详细的技术沟通,对模具提出很细致的设计要求,模具厂按此要求进行设计就可以了,不需要再确认设计图纸。
而模具厂设计人员完成设计后,却仍按以往接美国客户定单的习惯,等待客户确认设计后再订购模架和材料,一直等了10天,才知道客户不需要确认图纸。
结果,该套模具延期10天,客户很不满意,从此不再下定单,为此失去了一个非常有潜力的客户。
客户非常关注模具的试模及交付日期,往往根据模具的试模时间安排生产计划,尤其是海外客户,因此,控制模具的生产制作工期是企业在市场竞争中取胜的一个重要指标。
信息化的管理系统将为企业提供共享的、一致的、忠实的进程监控平台。
在信息化系统中,通过项目计划与进程控制,可以对模具的整个生命周期(定单确定—设计—采购—生产—首次试模—模具修改—交付)进行管理。
生产一线管理人员直接在系统中反馈模具实际进度,系统忠实地监控项目进程的每一个任务,当某一控制点出现延期时,系统会自动发出报警邮件给相关人员,以便及早发现、及早解决。
而且,对于一些关键任务,还可以让系统提前预警,以使有关人员及早准备和安排。
0.3现代模具制造技术及设备
0.3.1数控特种加工机床
0.3.1.1数控电火花成形机床(NCSEDM)不可替
目前,国内外电火花机床(EDM)发展迅速,我国的销售额已达80~100亿元人民币/年。
NCSEDM是EDM中的一个品种,近年来也取得了长足的进步,我国的产量已达2000--2500台/年。
主要用于模具制造。
并已成为模具加工的关键设备之一。
但随着高速铣的兴起及其技术的不断进步,近来替代NCSEDM之声又起。
0.3.1.2单向(低速)走丝电火花线切割机床(LSWEDM)在精密冲模加工中中一枝独秀
LSWEDM已发展到相当高的水平,以往和连续轨迹坐标磨相比存在的表面质量问题(变质层)已经解决,目前用LSWEDM加工的硬质合金模具寿命已等于或高于磨削加工,加上LSWEDM一系列的技术进步。
可以说在精密冲模加工中LSWEDM一枝独秀。
在精密冲模加工中,“以割代磨”、“割磨结合”的技术发展趋势越来越明显。
0.3.1.3往复(高速)走丝电火花线切割机床(HSWEDM)的多次切割技术和环保型工作液发展迅速
HSWEDM在冲模加工中应用十分广泛,目前产量约35000--40000台/年。
近年来H涮ⅡM有较大进步,首先是多次切割技术的开发,使I--NWE[IVI的加工精度、表面质量有较大的提高,在切割速度方面。
一些企业通过提升脉冲电源及检测控制技术。
也有明显进步。
0.3.1.4数控电火花轮胎模加工专用设备日趋成熟
轮胎模电火花加工机床是轮胎模具加工专用电加工机床,经过多年的不断发展,在技术上不断满足精密轮胎模具加工的要求,已经日趋成熟。
0.3.1.5电子束抛光机引人关注
模具抛光虽然有多种方法,但一般都用手工进行抛光,特别对于复杂形状的模具,更需要由熟练工进行手工抛光。
电子束光整加工是一种抛光新技术、新工艺,但在不同条件下。
对电子束一次照射能量、脉冲时间控制以及加工面积较大时(大于φ60),需在同一型面上不同地方进行照射,2个照射面的边界等方面还要多作研究。
0.3.2加工中心与数控铣床
0.3.2.1为模具制造服务的高速加工机床个性化、专门化特征明显
世界金属切削机床行业各著名品牌纷纷展出了他们最新的个性化、专门化特征明显的为模具制造服务的高速加工机床产品。
0.3.2.2五轴加工技术使高速加工方法应用到更广泛的模具加工环境
五轴加工技术使高速加工方法能够应用到模具高型芯或深型腔的加工,避免采用三轴机床加工时较长刀具抖动导致加工表面质量损坏,并实现单次装夹即可对复杂形体完全加工。
0.3.2.3高速机床向高精度、功能复合化、加工工序集约化方向发展。
0.3.3数控雕刻机
随着高速电主轴技术、高速刀具技术、逆向工程(RE)技术、CAD/CAM技术、激光加工技术的发展,数控雕刻机也向着高精度、高速度、高自动化方向发展,同时还融入了
新的加工技术——激光加工、超声加工等。
与此同时。
在雕刻机应用方面也在不断发展。
从原来应用于文字标牌的雕刻加工、印刷滚筒、压纹压花滚筒、铸币模具的加工发展到对石墨电极、轮胎模具、鞋模的加工
0.3.4测量仪器
现代模具测量仪器有:
三坐标测量机、便携式CMM、便携式扫描仪、影像测量仪、三维光学测量系统、三维激光检测系统、激光跟踪仪等测量仪器等。
0.4选题意义及玻璃升降器外壳件工作环境
意义:
随着车辆和电机等产品向轻量化方向发展,冲压模的数量、寿命和复杂程度将提出越来越高的要求,其精度和复杂程度也将随着相应提高。
从以上的内容可以看出模具正在向一个更高精度和复杂度上发展,在这期间需要充足的理论知识来支撑这个发展。
所以冲压模具的设计与制造具有很强的时代进步意义。
我选择的题目正好是关于冲压这个方面的内容,通过我对冲压模具方面书籍的查阅,使我对冲压模具的设计有了系统化的理解。
工作环境:
汽车车门上的玻璃抬起或降落是靠升降器操纵的。
升降器部件装配简图如图8.2.2所示,本冲压件为其中的外壳5。
升降器的传动机构装在外壳内,通过外壳凸缘上三个均布的小孔φ3.2mm用铆钉铆接在车门座板上。
传动轴6以IT11级的间隙配合装在外壳件右端孔φ16.5mm的承托部位,通过制动扭簧3、联动片9及心轴4与小齿轮11联接,摇动手柄7时,传动轴将动力传递给小齿轮,然后带动大齿轮12,推动车门玻璃升降。
正文
第1章冲压工艺规程编制
1.1零件图分析
汽车车门玻璃升降器外壳件的形状、尺寸如下图所示,材料为08钢板,板厚1.5mm,大批量生产,无明显冲压缺陷。
图1.1玻璃升降器外壳零件图
1.1.1零件的材料
材料为08碳素结构刚,抗剪强度为216~304Mpa,抗拉强度为275~365Mpa,屈服强度177Mpa,延伸率δ10=32%,
(1)由此可见08F钢具有良好的冲压和拉深性能。
1.1.2冲压加工经济性分析
该玻璃升降器外壳用3个φ3.2铆钉铆接在车门坐板上。
精度及承载的要求不高。
该零件为薄壁件,且零件延展性较好。
若采用铸造则很容易产生冷隔、浇不足等铸造缺陷。
若用锻造,工艺复杂,成本太高。
故而冲压工艺是大批、中批量生产该零件的最优方法之一。
1.1.3冲压工艺性分析
该冲压件采用1.5mm的钢板冲压而成,可保证足够的刚度与强度。
外壳内腔的主要配合尺寸φ16.5mm、φ22.3mm、16mm为IT11-IT12级
(2)。
确保在铆合固定后,其承托部位与轴套的同轴度,三个φ3.2mm小孔与φ16.5mm间的相对位置要准确,小孔中心圆直径φ42±0.1mm为IT10级(3)。
此零件为旋转体,其形状特征表明,是一个带凸缘的圆筒形件。
其主要的形状、尺寸可以由拉深、翻边、冲孔等
冲压工序获得。
作为拉深成形尺寸,其相对值
、
都比较合适,拉深工艺性较好。
1.1.4冲压工作中的难点分析
三个小孔φ3.2mm的中心圆直径42±0.1mm的精度要求较高,按冲裁件工
艺性分析,应以φ22.3mm的内径定位,用高精度(IT7级以上)冲模在一道工序中同时冲出(4)。
φ22.3mm、16mm的公差要求偏高,拉深件底部及口部的圆角半
径R1、R1.5mm也偏小,故应在拉深之后,另加整形工序,并用制造精度较高、间隙较小的模具来达到。
1.2冲压工艺过程的确定
1.2.1工艺方案初步分析
由外壳件形状可知,所需基本工序为,落料,拉深,冲孔,翻边,切边,以及其复合。
故而其可能工艺方案如下,
方案一:
落料→阶梯拉深→车削底部→冲小孔→切边
方案二:
落料→阶梯拉深→冲底孔→冲小孔→切边
方案三:
落料→拉深→冲底孔→冲小孔→翻边→切边
方案四:
落料→拉深→冲底孔、冲小孔复合→翻边、切边复合
方案一车削底部,质量高,但生产效率较低,在零件底部要求不是很高时,不宜采用。
方案二直接冲孔得到φ16.5,要求底部圆角半径接近零,对上道工序要求过高,因此需要增加整形工序,且容易产生毛刺,质量不高,故而也不宜采用。
方案三比之于方案一、方案二,方案三将阶梯拉深改为拉深,并采用翻边的方法来加工φ16.5,虽然翻边端部质量不及前两种,但是效率大大提高,也比较节省材料。
考虑到其精度要求用冲压即可达到,不需要车削的高精度,故要优于前两种。
方案三工序比较分散,且不易保证φ42与φ16.5的同轴度。
考虑到精度要求不太高,该方案也是可行的。
方案四该方案采用与方案三相同的基本工序,只是将冲小孔、冲底孔合并成一道工序,将翻边与切边复合成一道工序。
都采用φ22.3定位,可以保证很高的同轴度,并且效率可以大大的提高。
但是采用两个复合模具,增加设计费用,将增加成本。
考虑中批量生产,可以将两个冲孔工序拆成两道工序以适度降低成本。
综上,方案三、四要优于方案一、二,但都有缺点,需要进一步确定。
1.2.2主要工艺参数计算及最终方案的确定
1.2.2.1计算毛坯尺寸
确定切边余量
因凸缘直径d=50mm,相对凸缘直径dt/d=50/23.8=2.10mm,得切边余量b=1.8mm(5)。
实际凸缘直径d凸=d+2b=50+2×1.8=53.6mm,取d凸=54mm
毛坯直径D按以下公式计算:
(6)
=62.24
取D=64mm
1.2.2.2翻边参数及翻边次数确定(7)
预冲孔直径d:
d=D1-
(1-2)
=D-2(h-0.43r-0.72t)
=18-2(5-0.43-0.72×1.5)
=11mm
翻边次数确定:
内孔翻边高度为h=(D-d)/2+0.43r+0.72t(1-3)
=D(1-k)/2+0.43r+0.72t
极限翻边高度为hmax=D(1-kmin)/2+0.43r+0.72t(1-4)
=18(1-0.5)+0.43+0.72×1.5
=6.01mm
上式中,由于d/t=11/1.5=7.3,
故kmin=0.5(8)
因为极限翻边高度hmax=6.01mm,大于翻边高度h=5mm
所以预冲孔直径d=11mm,可以一次翻边成形。
1.2.2.3拉深参数及拉深次数确定
有凸缘拉深的拉深系数m=d/D,已经不能够表示各种不同凸缘直径和高度的实际变形程度。
其第一次拉深允许变形程度应由相对直径dt/d1和它的最大相对拉深高度h1/d1来表示。
(9)
相对直径dt/d1=54/22.3=2.42
毛坯相对厚度t/D×100=1.5/64×100=2.34
查(10)表2.70,得
最大相对拉深高度
h1/d1=0.28~0.35
相对拉深高度
h/d=17.5/22.3=0.75>h1/d1
相对拉深高度大于最大相对拉深高度,故不能一次拉深成形。
由dt/d1=2.42t/D×100=2.34,查表2.71,得
第一次拉深极限拉深系数【m1】=0.38
由t/D×100=2.34,查表2.72,得
第二次拉深极限拉深系数【m2】=0.72
第三次拉深极限拉深系数【m3】=0.74
总拉深系数M=d/D=23.8/64=0.37
因为,【m1】×【m2】=0.38×0.72=0.27<M=0.37
所以,采用两次拉深即可,即n=2。
若采用接近于极限的拉深系数进行拉深,则需要选用较大的圆角半径,以保证拉深质量。
目前零件的材料厚度t=1.5mm、圆角半径r=1.5mm,约为1t,过小,而且零件直径又较小,两次拉深难以满足零件的要求。
因此需要在两次拉深后还增加一道整形工序,以得到更小的口部、底部圆角半径。
在实际应用中,可以采用三道拉深工序,依次减小拉深圆角半径,将总的拉深系数M=0.370分配到三道拉深工序中去,可以选取m1=0.60,m2=0.77,m3=0.80,使
m1×m2×m3=0.6×0.77×0.80=0.37
1.2.2.4最终方案的确定
对于外壳这样工序较多的冲压件,可以先确定出零件的基本工序,再考虑对所有的基本工序进行可能的组合排序,将由此得到的各种工艺方案进行分析比较,从中确定出适合于生产实际的最佳方案。
由方案的初步确定可以知道外壳加工的全部工序为:
落料φ64mm,第一次拉深、第二次拉深、第三次拉深、冲底孔φ11mm,翻边φ16.5mm,冲三小孔φ3.2mm,切边φ50mm。
共计八道基本工序,据此可以排出以下种工艺方案:
方案一全部按上述基本工序。
方案二落料与首次拉深复合,其余全部按基本工序。
方案三落料与首次拉深复合,冲φ11mm底孔与翻边复合,冲三个小孔φ3.2mm与切边复合,其余按基本工序。
方案四落料与首次拉深复合,冲φ11mm底孔与冲三个小孔φ3.2mm复合,翻边与切边复合,其余按基本工序。
方案五落料与首次拉深复合,翻边与切边复合,其余按基本工序。
方案六落料、首次拉深与冲底孔复合,其余按基本工序。
方案一,全为单工序,生产效率低,不过单工序模具结构简单、制造费用低。
方案二,工序复合程度也不高,生产效率低。
模具结构简单、制造费用低。
比较方案一略微提高了效率。
方案三,冲φ11mm孔与翻边复合,由于模壁厚度较小
mm,小于凸凹模间的最小壁厚3.8mm,模具极易损坏。
冲三个小孔φ3.2mm与切边复合,也存在模壁太薄的问题,此时
mm,因此不宜采用。
方案四,解决了上述模壁太薄的矛盾,可以较好的保持同轴度要求,并且效率很高,但是冲φ11mm底孔与冲三个小孔φ3.2mm复合及翻边与切边复合时,它们的刃口
都不在同一平面上,而且磨损快慢也不一样,这会给修磨带来不便,修磨后要保持相对位置也有困难,且成本较高。
方案五,解决了上述模壁太薄的矛盾,且将冲3个小孔与冲底孔分开,可以方便解决磨损快慢不一样的问题,降低了成本。
而保留了翻边与切边复合,因为φ50mm精度要求不高,故而,只需要修磨后只需对翻边模要求,切边模具及其相对位置要求较低。
该方案是合适的。
方案六,落料、首次拉深与冲φ11mm底孔复合,冲孔凹模与拉深凸模做成一体,也会给修磨造成困难。
特别是冲底孔后再经二次和三次拉深,孔径一旦变化,将会影响到翻边的高度尺寸和翻边口部的质量。
综上所述,一、二、四、五可行,五最优。
1.3各工序冲压力及压力机选择
工序一落料与第一次拉深复合
落料冲压力的计算 ⑾
冲裁力F=KLtτ(1-5)
=1.3×
×(22.3+1.5)×1.5×304
=44322N
顶件力F1=k1F=0.055×44322=2437N(1-6)
推件力F2=k2F=0.06×44322=2659N(1-7)
卸料力F3=k3F=0.05×44322=2216N(1-8)
系数k1、k2、k3查⑿表2-5
总的落料冲裁力F01=F+F1+F3(1-9)
=44322+2437+2216
=48957N
第一次拉深冲压力的计算⒀
压边力Q=
(
)q/4(1-10)
=
(
)×(2.5~3)
=4613~5536N
q---单位压边力,其值见⒁表4-8.
第一次拉深力
F02=
d1tσbk1(1-11)
=
m1Dtσbk1
=
×0.6×54×1.5×365×0.86
=47927Nk1---修正系数,其值见⒂
落料冲孔总冲压力为
F总=F01+F02+Q(1-12)
=48957+47927+5536=102438N
落料冲孔复合模具计算不能简单的将总冲压力等于冲压设备的总压力F0。
F总≤(0.7~0.8)F0。
故F0≥F总/0.8~F总/0.7
F0≥128047~146340N
根据压路机公称压力P≥(1.1~1.3)F0=1.2×128047=153656N
查表,选用J22-16。
工序二第二次拉深
压边力Q=
(
)q/4(1-10)
=
(
)×(2.5~3)
=4613~5536N
q---单位压边力,其值见(17),取为2.5~3N/mm2.
第二次拉深力
F2=
d2tσbk2
=
m1m2Dtσbk2
=
×0.6×0.77×54×1.5×365×0.86
=43229N
k1---修正系数,其值见(18),取为0.86.
故总的冲压力为
F0=Q+F2=5536+43229
=48765N
根据压路机公称压力P≥(1.1~1.3)F0=1.3×48765=63395N
查找资料,选用J22-10。
工序三第三次拉深
压边力Q=
(
)q/4(1-10)
=
(
)×(2.5~3)
=4613~5536N
q---单位压边力,取(2.5~3)。
第三次拉深力
F2=
d2tσbk2
=
m1m2m3Dtσbk2
=
×0.6×0.77×0.8×54×1.5×365×0.86
=34583N
K2---修正系数,其值见取0.86.
故总的冲压力为
F0=Q+F2=5536+34583
=40146N
根据压路机公称压力P≥(1.1~1.3)F0=1.3×40146=52190N
查(19),选用J22-6.3。
工序四冲底孔
冲裁力F=KLtτ
=1.3×
×11×1.5×304
=20486N
顶件力F1=k1F=0.055×20486=1127N
推件力F2=k2F=0.06×20486=1229N
卸料力F3=k3F=0.05×20486=1024N
总的落料冲裁力F0=F+F1+F3(1-15)
=20486+1127+1024
=22636N
根据压路机公称压力P≥(1.1~1.3)F0=1.3×22636=29427N
选用J22-4。
工序五冲三个小孔
对每一个小孔
冲裁力F=KLtτ
=1.3×
×3.2×1.5×304(1-15)
=5959N
顶件力F1=k1F=0.055×20486=328N
推件力
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