汽车爪形压盘冲压工艺及模具设计.docx
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汽车爪形压盘冲压工艺及模具设计
1前言
1.1冲压模具工业在历史上的背景
冲压工艺在我国已有悠久的历史,据文献记载,我国劳动人民远在青铜器时期就发现了金属具有变形的性能,到了战国时代已经能够制造多种工具,以此可以肯定,我们的祖先在很早以前已掌握了利用金属制造各种工具的技术。
在漫长的封建社会,在金、银、铜装饰品和日用品的制作中,我国的祖先显示出精巧的工艺技术和高超的艺术水平。
1.2我国模具工业的现状
改革开放以来,随着国民经济的高速发展,市场对模具的需求不断增长。
近年来,模具工业一直以15%左右的增长速率快速发展,模具工业企业的所有制成分也发生了变化,除了国有模具厂外,集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。
随着与国际接轨的脚步不断加快,市场竞争的日益加剧,人们已经越来越认识到产品的质量与成本和新产品的开发的重要性。
而模具制造是整个链条中最基础的要素,模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志,并在很大程度上决定企业的生存空间。
近年许多模具企业加大了用于技术的投资力度,将技术进步视为企业发展的重要动力。
一些国内模具企业已普及了二维CAD,并陆续开始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等国际通用软件,个别厂家还引进了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE软件,并成功应用于冲压模的设计中。
近年来,中国模具工业有了长足的进步:
标志着冲压模先进水平的是高精度、长寿命、多工位级进模,它具有结构复杂、制造难度大、精度高、寿命长、生产效率高和低耗材耗能的特点,是我国重点发精密模具品种之一。
有代表性的电机铁芯自动叠片硬质合金多工位级进模,精度达2m,步距精度达3m,双回转精度1,拼块精度1m,表面粗糙度ra0.1~0.4m,寿命1亿次;美国奥伯格、日本黑田、法国宝捷时等电机铁芯双排自动叠片模,精度为1m,步距精度2m,模具寿命2亿次。
虽然精度已接近国外先进水平,但寿命有一定差距。
虽然中国模具工业在过去的十多年中取得了令人瞩目的成就,但许多方面与发达国家相比仍有较大的差距。
例如,精密加工设备在模具加工设备中的比重比较低;CAD/CAE/CAM技术的普及率不高;许多先进的模具技术应用不够广泛等,致使相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口。
在信息化带动工业化发展的今天,我国冲压模具技术必须尽快提高水平。
我相信,通过改革与发展,采取各种有效措施,在冲压模具行业共同努力奋斗之下,我国冲压模具也一定会不断提高水平,逐渐缩小与世界先进水平的差距。
“十二五”期间,在科学发展观指导下,不断提高自主开发能力、重视创新、坚持改革开放、走新型工业化道路,将速度效益型的增长模式逐步转变到质量和水平效益型轨道上来,我国的冲压模具的水平也必然会更上一层楼。
2工艺方案制定
2.1零件的工艺性分析
汽车爪形压盘的零件图如图1所示,该零件的材料为45钢,板厚为3(mm)。
该零件四周均匀分布着二十个爪。
每个爪都是经90度弯曲得到。
各个爪之间的间隙是通过冲裁得到的。
在零件的正中央有一处冲孔。
通过分析,我们可以看出该零件的冲压工艺应包含落料、冲孔、冲裁和弯曲工序。
图1汽车爪形压盘
2.2工艺方案的制定
经过分析,可以进一步明确,该零件的冲压加工包括以下基本工序:
落料、冲孔、冲裁、弯曲。
此工件的成形工艺可以有以下几种方案:
方案一:
按照基本工序顺序:
落料→冲中心孔→冲裁→弯曲;
方案二:
冲孔、弯曲复合,其他按照基本工序:
落料→冲裁→冲中心孔、弯曲;
方案三:
落料、冲孔复合,其他按照基本工序:
落料、冲中心孔→冲裁→弯曲;
分析以上三种方案,可以看到:
方案一:
按照基本工序排列的冲压工艺每步工序都只使用简单模具,结构简单,制造周期短,价格较低,但是此方案工序较多,操作不方便,零件的尺寸不易控制,又增加了模具数量,单工序模不合适。
方案二:
冲孔、弯曲复合,在同一模具上进行加工,是可以实现的,况且与方案一比较,减少了一套模具,提高了工件的生产效率,但是在冲裁时,压盘缺少定位装置,容易造成压盘精度不高。
方案三:
将落料、冲孔复合,实现几道工序在一副模具上完成,减少了工序数和模具数,降低模具的费用和零件的生产费用,在冲裁时,上个工序中冲的孔又可以当做定位孔,冲压出的工件质量较高,并且复合模具容易实现,提高了经济效益,降低了生产成本。
通过上述对三种方案的分析,最终选用方案三:
落料、冲中心孔→冲裁→弯曲。
(1)零件的排样图,如图2。
搭边的最小宽度大于塑变区的宽度,由板厚3(mm)查搭边数值表,沿边搭边为2.5(mm),工件间搭边为2.2(mm)。
图2排样图
(2)第一步工序:
落料、冲中心孔,工件如图3。
图3落料、冲中心孔工件图
(3)第二步工序:
冲槽,工件如图4。
图4冲槽工件图
(4)第三步工序:
弯曲,工件如图5。
图5弯曲工件图
3落料冲孔复合模具的设计
此工序采用复合模结构,可以实现两道工序在一套模具上完成,减少了工序数和模具数,降低了生产费用,符合大批量的要求。
落料冲孔复合模结构比较简单,此复合模的结构形式采用顺装形式,凸凹模装在上模,冲压零件由推件装置推出。
3.1冲压工艺的计算
3.1.1排样方案
搭边的最小宽度大于塑变区的宽度,由板厚3(mm)查搭边数值表,沿边搭边为2.5(mm),工件间搭边为2.2(mm)。
一个进距的材料利用率
%(3-1)
式中A—冲裁件的面积;
n—一个进距内冲裁件数目;
b—条料宽度;
h—进距;
所以
3.1.2冲压压力的计算
(1)落料冲裁力
式中K—系数;选择设备吨位时,考虑刃口磨损和材料厚度及力学性能波动因素,实际冲裁力可能增大,因此取k=1.3;
—落料件周长;mm;;
t—材料厚度
—材料抗剪强度;
—材料抗拉强度;
;45钢
=539~686
,取
=600
;
所以
(2)冲孔冲裁力
(3)卸料力的计算
式中
—卸料力系数;查
之值表,得
=0.04;
F—落料力;
所以
(4)推件力的计算
式中n—卡在凹模洞口里的工件数;
—推件力系数;查
之值表,取
=0.04;
F—落料力;
所以
(5)总冲压力的计算
(6)压力机的初步选择
选择设备吨位时,考虑刃口磨损和材料厚度及力学性能、波动等因素,实际冲裁力可能增大,所以应取
因此初步选择压力机的型号为JA21—160,开式双柱固定台压力机,公称压力为1600(KN),最大封闭高度为450(mm),闭合高度调节量为130(mm)。
3.1.3模具的压力中心的计算
冲裁力合力作用点称为冲模压力中心。
冲模压力中心应尽可能和模柄轴线以及压力机滑块中心线重合,以便冲模平稳的工作,减少导向件的磨损,提高模具及压力机的寿命。
若无法使压力中心和与滑块中心线完全重合,则设计中应考虑采取平衡偏心载荷的措施。
由于该零件为简单圆形工件,冲孔为简单圆孔,所以该工件压力中心与工件的重心重合。
3.1.4模具刃口尺寸的计算
在计算刃口尺寸时,应按落料和冲孔两种情况分别考虑,其原则如下:
(1)落料时应按凹模的刃口尺寸为基准,凹模基本尺寸取落料件公差范围内的较小尺寸,凸模的基本尺寸则是凹模基本尺寸减去最小合理间隙。
(2)冲孔时应以凸模的尺寸为基准,凸模的基本尺寸取冲孔尺寸范围内的较大尺寸,凹模的基本尺寸则是用凸模的基本尺寸加上最小合理间隙。
(3)凸、凹模刃口的制造公差应根据冲裁件的尺寸公差和凸、凹模的加工方法来确定,既要保证冲裁间隙要求并冲出合格的零件,又要便于模具加工。
(4)根据工件尺寸公差的要求,确定模具刃口尺寸的公差等级。
(1)落料凸、凹模刃口尺寸
根据落料、冲孔模刃口始用间隙[查得间隙值Zmin=0.240(mm),Zmax=0.300(mm)。
根据凸凹模的制造公差表查得凸凹模的制造公差为:
凸模
凹模
为了保证冲模的间隙小于最大合理间隙:
Zmax—Zmin=0.300—0.240=0.060(mm)
因为
则取
由于零件为圆形且比较简单,所以凸凹模可以分开加工,且零件的公差等级为IT12,公差为0.46mm,精度要求不高。
落料凹模的尺寸:
(mm)
落料凸模的尺寸:
(mm)
(2)冲孔凸、凹模刃口尺寸
根据落料、冲孔模刃口始用间隙[查得间隙值Zmin=0.240(mm),Zmax=0.300(mm)。
根据凸凹模的制造公差表查得凸凹模的制造公差为:
为了保证冲模的间隙小于最大合理间隙:
Zmax—Zmin=0.300—0.240=0.060(mm)
符合
由于零件为圆形且比较简单,所以凸凹模可以分开加工,且零件的公差等级为IT12,公差为0.25mm,精度要求不高。
冲孔凸模的尺寸:
冲孔凹模的尺寸:
3.2落料、冲孔复合模主要零件的设计
3.2.1落料凹模的设计
(1)厚度H
凹模的厚度可根据公式H=Kb选择,查表,取K=0.2,则H=0.2
200=40(mm)。
由于还要参考其他零件尺寸及具体情况,所以取H=88(mm)。
(2)凹模的外形尺寸
根据实际情况,取凹模壁厚c=70(mm)。
则圆形凹模的直径:
d=200+2
70=340(mm)
(3)刃壁形式
因为此复合模结构简单,同时材料较薄,结合冲模凹模的刃壁形式表选择直壁形式。
(4)凹模的固定形式
利用销钉和螺钉固定在垫板及下模座上。
3.2.2落料凸模的设计
(1)凸模的固定形式
采用台阶式凸模,将凸模压入固定板内。
(2)凸模的高度
根据凸模的固定形式及与其它零件的配合情况,取凸模的高度:
h=70(mm)。
(3)凸模的校核
由于孔径远大于材料的厚度,所以凸模的强度、刚度足够。
3.2.3冲孔凸模的设计
(1)凸模的固定形式
采用台阶式凸模,将凸模压入固定板内。
(2)凸模的高度
根据凸模的固定形式及与其它零件的配合情况,取凸模的高度:
h=94(mm)。
(3)凸模的校核
由于孔径远大于材料的厚度,所以凸模的强度、刚度足够。
3.2.4冲孔凹模的设计
(1)厚度H
凹模的厚度可根据公式H=Kb选择,查表,取K=0.4,则H=0.4
40=16(mm)
(2)凹模的外形尺寸
凹模壁厚公式c=(1.5~2)H,取壁厚c=30(mm)。
则圆形凹模的直径:
d=40+2
30=100(mm)
(3)冲孔凹模和落料凸模是一体的,即凸凹模。
根据落料凸模的尺寸,Dp=199.53(mm),比冲孔凹模的尺寸大,所以取落料
凸模的尺寸。
3.2.5挡料和导正装置
挡料装置在单工序落料或者复合模中,主要作用是保持冲件轮廓的完整和适量的搭边。
根据此落料冲孔复合模的设计,采用凹模本身结构进行导料。
挡料装置选用固定挡料销进行挡料。
3.2.6模柄的选用
中小型冲模通过模柄将上模固定在压力机的滑块上。
本次设计的模柄选取凸缘模柄,材料为Q235,标准GB2862.3-81。
3.2.7上下模座的选用
(1)本次毕业设计选取的模座是中间导柱圆形模座。
(2)上模座:
中间导柱圆形上模座500×65GB/T2855.11。
(3)下模座:
中间导柱圆形下模座500×80GB/T2855.11。
(4)闭合高度:
320~360(mm)。
(5)模座的材料:
一般选用铸铁HT200,也可选用A3,A5结构钢,本设计从降低模具成本考虑选用铸铁HT200。
(6)上模座垫板的校核:
由:
凸凹模上端面积
代入得
因上模座采用铸铁材料,
,则
,不需加垫板。
3.2.8落料凸模固定板的设计
(1)凸模固定板将凸模固定在模座上,厚度根据经验取40(mm)。
(2)材料:
固定板材料一般采用Q235或45钢,无需热处理,本次设计采用Q235钢。
3.2.9橡胶板的选用
根据公式
由于橡胶板还存在中心孔,所以本次设计选用橡胶板直径为160(mm)。
3.2.10打杆、卸料板的设计
(1)打杆:
打杆的作用是把凹模内的废料顶出来,打杆采用45钢,长度L=225(mm)。
(2)卸料装置的形式多样,它包括固定卸料板,活动卸料板,弹压卸料板和废料切刀等几种。
根据凹模尺寸选择卸料板的宽度为
399(mm),厚度为40(mm)。
采用顶杆和卸料螺钉同时进行卸料。
卸料板材料选Q235钢,不用热处理淬硬。
3.2.11卸料螺钉的设计与选用
本设计选用的卸料螺钉是M20×110,但是,根据需要,需要把螺钉截去一部分,是螺杆长度为102mm。
3.2.12冲孔凸模固定板的设计
(1)凸模固定板的作用是将凸模或凸凹模固定在上模座或下模座的正确位置上。
根据表得选用单凸模固定板,其外形尺寸为
400×40(mm)。
凸模固定板与凸模之间为H7/n6配合。
(2)材料:
固定板材料一般采用Q235或45钢,无需热处理,本次设计采用Q235钢。
3.2.13垫板的设计
本次设计垫板的主要作用是补偿模具高的的不足,取厚度H=33.25(mm)。
3.2.14导柱导套的选用
由于本次设计选用的模座是中间导柱圆形模座,所以选取的导柱、导套是两组:
(1)导柱:
B50h6×300×80GB/T2861.2
导套:
A50H7×160×63GB/T2861.6
(2)导柱:
B55h6×300×80GB/T2861.2
导套:
A55H7×160×63GB/T2861.6
3.2.15螺钉、圆柱销的选用
(1)内六角圆柱头螺钉:
M12×80GB/T70.1
M16×150GB/T70.1
(2)圆柱销:
10×80GB/T119.1
16×170GB/T119.1
3.3最终设计的落料冲孔模具图
4冲裁模的设计
此工序采用简单模结构,在一副模具上完成20个爪的冲裁,减少模具数,降低了生产费用,结构简单,设计生产方便快捷。
此简单的结构形式采用顺装形式,凸模装在上模模,凹模装在下模。
冲压零件由卸料装置推出。
4.1冲压工艺的计算
4.1.1冲压压力的计算
(1)冲裁力
式中K—系数;选择设备吨位时,考虑刃口磨损和材料厚度及力学性能波动因素,实际冲裁力可能增大,因此取k=1.3;
L—冲裁件周长;mm;
t—材料厚度:
mm
—材料抗剪强度;MPa
—材料抗拉强度;
;45钢
=539~686
,取
=600
;
●计算冲裁件周长L:
冲裁部分周长可以分成二十等份来求。
每一等份有一半径为2的圆弧以及两条相等直线组成。
L=L圆弧+2×L直线=5.48+2×40.707=86.894(mm)
所以,每一份冲裁力
所以,总的冲裁力
F总=20×F
=20×156.41
=3128.2(KN)
(2)卸料力的计算
式中
—卸料力系数;查
之值表,得
=0.04;
F—冲裁力;
所以
(3)推件力的计算
式中n—卡在凹模洞口里的工件数;n=
,
—凹模直壁刃口高度,
—料厚
这里取n=2;
—推件力系数;查
之值表,取
=0.04;
F—冲裁力;
所以
(4)总冲压力的计算
(5)压力机的初步选择
选择设备吨位时,考虑刃口磨损和材料厚度及力学性能、波动等因素,实际冲裁力可能增大,所以应取
因此初步选择压力机的型号为J21—400A,开式双柱固定台压力机,公称压力为4000(KN),最大封闭高度为550(mm),闭合高度调节量为150(mm)。
4.1.2模具压力中心的计算
冲裁力合力作用点称为冲模压力中心。
冲模压力中心应尽可能和模柄轴线以及压力机滑块中心线重合,以使冲模平稳的工作,减少导向件的磨损,提高模具及压力机的寿命。
该冲裁件结构比较简单,20个爪是完全相同且分布均匀的,中间圆孔正中央,所以该工件的压力中心与工件的重心重合。
4.1.3模具刃口尺寸的计算
冲裁模的设计应以凸模的尺寸为基准。
凸模的基本尺寸取冲裁部分尺寸公差范围内的较大尺寸。
凹模的基本尺寸则是用凸模的基本尺寸加上最小合理间隙。
凸、凹模刃口的制造公差应根据冲裁件的尺寸公差和凸、凹模的加工方法来确定,既要保证冲裁间隙要求并冲出合格的零件,又要便于模具加工。
根据工件尺寸公差的要求,确定模具刃口尺寸的公差等级。
先将工件尺寸分类,依据基本公差表,选择尺寸精度为IT12级,可得其尺寸为:
A类:
由于材料薄,模具间隙小,所以凸、凹模采用配做加工。
先加工凸模,配做凹模。
凹模的刃壁为垂直刃壁。
冲裁模的二十个冲槽的凸模均匀分布在圆形凸模上。
查表得冲孔凸凹模的间隙:
Zmin=0.240(mm)
Zmax=0.300(mm)
其磨损系数为:
X=0.75。
所以
(1)冲裁凸模上
小圆弧的尺寸为
大圆弧的尺寸为
大圆弧与小圆弧的两条切线的夹角为23度。
(2)冲裁凹模上
小圆弧的尺寸
大圆弧的尺寸
大圆弧与小圆弧的两条切线的夹角为23度。
4.2冲裁模主要零件的设计与计算
4.2.1冲裁凹模的设计
(1)冲裁凹模的结构类型及固定方式
根据表得,选择落料凹模的结构类型为整体式;采用螺钉、销钉直接联结紧固的固定方式。
(2)冲裁凹模的刃口的结构形式
根据表得,选择落料凹模的刃口为直通式。
刃口的高度为6(mm)。
(3)冲裁凹模厚度的确定
凹模的厚度可根据公式H=Kb选择,查表,
取K=0.2,
由于还要参考其他零件尺寸及具体情况,
所以取H=50(mm)。
(4)凹模的外形尺寸
根据实际情况,取凹模外形尺寸:
d=280(mm)
4.2.2冲裁凸模的设计
由于该零件需要把二十个爪一次冲出,所以选择在凸模体上加工二十个小凸模的结构形式。
该冲裁模为非规则形状冲裁,需要设计专门的模具。
通过螺钉和销钉把冲裁凸模与上模座直接相连,由于冲裁力比较大,中间需加垫板。
凸模的尺寸是根据刃口尺寸、卸料装置和安装固定的要求来确定。
由于冲裁件的厚度远小于冲裁凸模的最小直径,所以凸模的强度、刚度都满足。
(1)凸模的固定形式
通过螺钉和销钉把冲裁凸模与上模座直接相连,中间加垫板。
(2)凸模的高度
根据凸模的固定形式及与其它零件的配合情况,取凸模的高度:
h=65(mm)。
4.2.3垫板的设计与校核
垫板的作用是直接承受和扩散凸模传递压力,以降低模座所受单位压力,保护模座以免被凸模端面压陷。
冲裁凸模是否加垫板,应根据模座承受压力大小进行判断。
凸模支撑端面对模座的单位压力
P=
式中
F—冲裁力
A—凸模支撑端面面积
由于该落料冲孔模的冲压力比较大,且P大于模座材料许用压应力,所以该模具应采用垫板。
根据表得,将凸模垫板的基本尺寸定位
202
5(mm),材料选用T8A,淬硬50-55HRC。
凹模垫板除了直接承受和扩散凸模传递压力外,还用补偿模具高度不足的作用,所以凹模垫板的基本尺寸定为
350×60(mm),材料选用T8A。
4.2.4挡料和导正装置的设计
挡料装置在单工序落料或者复合模中,主要作用是保持冲件轮廓的完整和适量的搭边。
根据此冲裁模的设计,在冲裁凹模上设计一凸台,将落料冲孔模生产出的零件定位。
4.2.5卸料板的设计
卸料装置的形式多样,它包括固定卸料板,活动卸料板,弹压卸料板和废料切刀等几种。
卸料板除把板料从凸模上卸下之外,有时也起压料或为凸模导向的作用。
由于此件的厚度较小且要求表面平整,可选用弹压卸料板,根据凹模尺寸选择卸料板的宽度为
350(mm),卸料板厚度为25(mm)。
卸料螺钉采用M20的结构形式。
卸料板材料选Q235钢,不用热处理淬硬。
4.2.6卸料弹簧的选用与校核
由于卸料力比较大,本次设计选用的弹簧为复合式的碟形弹簧,选用个数8个。
所以,一个碟形弹簧所受的卸料力为:
F=F卸/8/2=7.8(KN)
查表,选取碟形弹簧:
45×
25
材料是65Mn,热处理48--52HRC。
4.2.7模柄的选用
中小型冲模通过模柄将上模固定在压力机的滑块上。
本次设计的模柄选取A型压入式模柄A50×60,材料为Q235,标准GB2862.3-81。
4.2.8上下模座的选用
(1)本次毕业设计选取的模座是中间导柱圆形模座。
(2)上模座:
中间导柱圆形上模座400×60GB/T2855.11。
(3)下模座:
中间导柱圆形下模座400×75GB/T2855.11。
(4)闭合高度:
305~350(mm)。
(5)模座的材料:
一般选用铸铁HT200,也可选用A3,A5结构钢,本设计
降低模具成本考虑选用铸铁HT200。
4.2.9导柱导套的选用
由于本次设计选用的模座是中间导柱圆形模座,所以选取的导柱、导套是两组:
(1)导柱:
B45h6×290×75GB/T2861.2
导套:
A45H7×150×58GB/T2861.6
(2)导柱:
B50h6×290×75GB/T2861.2
导套:
A50H7×150×58GB/T2861.6
4.2.10螺钉、圆柱销的选用
(1)内六角圆柱头螺钉:
M12×70GB/T70.1
M16×140GB/T70.1
(2)圆柱销:
10×80GB/T119.1
10×140GB/T119.1
8×10
4.3最终设计的冲裁模具图
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