汽车挡泥板倒装式复合冲压模具设计-落料冲孔含开题及12张CAD图
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汽车挡泥板复合冲压模设计摘 要模具是工业生产中重要的工艺装备,是国民经济各部门发展的重要基础之一。复合模是一种复杂、精密的冲压模具,它具有高效率、高精度和高寿命等优越性,适用于各种冲压行业 的自动化生产。复合模涉及冲压成形理论、冲压工艺、模具设计与制造以及模具材料中的许多 关键技术。板料的冲压成型是一种重要的金属加工方式,被广泛地应用工业生产领域中。模具是工业生产的基础工艺装备。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比拟的。对汽车挡泥板进行冲裁工艺分析并确定冲裁方案,说明了模具主要零部件的设计和选用。以Solidworks为平台,利用三 维参数化设计与建模技术,对汽车挡泥板的冲压模具进行三维参数化造型设计,可以根据需要改变模具的尺寸;进行虚 拟装配,可以直观地观察和分析模具的结构以及零件的相互位置关系;加快了产品开发速度,提高了产品开发效率,缩短了产品开发周期。 关键词:Solidworks;挡泥板;冲压模具设计AbstractMould & Die is important technical equipment in industrial production. It is also one of the most important developmental foundations for all departments of country economy. The progressive die is a kind of complex and precise forming die. It possesses many advantages such as high efficiency, accuracy and long life. The sheet metal stamping forming is important metal processing methods have been widely used industrial production areas. Mold is the basis for industrial production processes and equipment. Mold production of work pieces by the available high-precision, high-complexity, high consistency, high productivity and low consumption, other manufacturing methods could be compared.Blanking process analysis of fender is completed and blanking proposal is decided, and designing and selecting of main parts of die are showed. Based on Solidworks, three-dimensional parameterization molding designing for fender is completed with technology of three-dimensional parameterization designing and model building, and dimensions of die can be changed as required; by virtual assembly, structure of die and relation of mutual alignment can be observed and analyzed directly; the product rate of development is accelerated and product development cycle is shortened. Key words:Solidworks;Fender;Designing of die目 录引言11 工件的工艺分析21.1 分析工件的使用材料及特性21.2 工件结构分析21.3 工件的尺寸精度、粗糙度、断面质量分析31.3.1尺寸精度31.3.2冲裁断面质量32 模具的基本类型和机构分析32.1工艺方案拟定32.2 模具结构形式的确定43 工件的工艺计算及冲裁设备的确定53.1 排样尺寸及材料利用率53.1.1排样尺寸53.1.2材料利用率63.2各工序压力计算73.2.1冲裁方法73.2.2冲裁力的计算73.2.3卸料力与推件力的计算93.2.4总压力计算103.3 压力机选择113.4 计算压力中心113.5 冲裁间隙123.5.1冲裁间隙对冲件质量的影响123.5.2对模具寿命的影响133.5.3对冲裁力及卸料力的影响143.5.4 合理间隙选用153.6 模具刃口尺寸计算163.6.1 凸、凹模刃口尺寸计算原则163.6.2凸、凹模尺寸计算174 模具零件选材和结构设计204.1模具选材204.2 模具制造特点、原则224.3 凹模结构设计234.4 冲孔凸模长度及校核254.5 凸凹模结构设计274.6 定位零件274.7 卸料与出件装置284.8模架304.9 其他支承与固定零件314.10 模具总装图与明细表315 模具零件加工工艺335.1 工艺编制的基本原则与注意事项335.2 模具主要零件加工工艺过程34结论38谢词39参考文献40附录41 引言研究和发展模具技术,提高模具技术水平,对于促进国民经济的发展有着特别重要的意义。模具被日本誉为“进入富裕社会的原动力”,在德国则冠之为“金属加工业中的帝王”,在罗马尼亚视为“模具就是黄金”,在欧美其他一些发达国家被称为“磁力工业”。可以断言,随着工业生产的迅速发展,模具工业在国民经济发展过程中将发挥越来越重要的作用。模具工业发展的关键是模具技术的进步,模具技术是一门涉及到多学科的交叉学科。模具作为一种高附加值和技术密集型产品,其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造水平的重要标志之一。工业生产中普遍采用模具成型工艺方法,有效地保证了产品的生产率和质量,使操作技术简化,还能省料、节能,获得显著的经济效益。 在工业产品的生产中,应用模具的目的在于保证产品的质量,提高生产率和降低成本。因此,除了正确进行模具设计,采用合理的模具结构外,还必须有高质量的模具制造技术作为保证。 模具是制造业的重要工艺基础,在我国,模具制造属于专用设备制造业。中国虽然很早就开始制造模具和使用模具,但长期未形成产业。直到20世纪80年代后期,中国模具工业才驶入发展的快车道。近年,不仅国有模具企业有了很大发展,三资企业、乡镇(个体)模具企业的发展也相当迅速。虽然中国模具工业发展迅速,但与需求相比,显然供不应求,其主要缺口集中于精密、大型、复杂、长寿命模具领域。由于在模具精度、寿命、制造周期及生产能力等方面,中国与国际平均水平和发达国家仍有较大差距,因此,每年需要大量进口模具。中国模具产业除了要继续提高生产能力,今后更要着重于行业内部结构的调整和技术发展水平的提高。结构调整方面,主要是企业结构向专业化调整,产品结构向着中高档模具发展,向进出口结构的改进,中高档汽车覆盖件模具成形分析及结构改进、多功能复合模具和复合加工及激光技术在模具设计制造上的应用、高速切削、超精加工及抛光技术、信息化方向发展。近年,模具行业结构调整和体制改革步伐加大,主要表现在,大型、精密、复杂、长寿命、中高档模具及模具标准件发展速度高于一般模具产品;塑料模和压铸模比例增大;专业模具厂数量及其生产能力增加;“三资”及私营企业发展迅速;股份制改造步伐加快等。从地区分布来看,以珠江三角洲和长江三角洲为中心的东南沿海地区发展快于中西部地区,南方的发展快于北方。目前发展最快、模具生产最为集中的省份是广东和浙江,江苏、上海、安徽和山东等地近几年也有较大发展。 1 工件的工艺分析1.1 分析工件的使用材料及特性工件的材料为碳素结构钢08,碳素结构钢是碳素钢的一种。含碳量约0.050.70,个别可高达0.90。可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两类。前者含杂质较多,价格低廉,用于对性能要求不高的地方,它的含碳量多数在0.30以下,含锰量不超过0.80,强度较低,但塑性、韧性、冷变形性能好。除少数情况外,一般不作热处理,直接使用。多制成条钢、异型钢材、钢板等。用途很多,用量很大,主要用于铁道、桥梁、各类建筑工程,制造承受静载荷的各种金属构件及不重要不需要热处理的机械零件和一般焊接件。依据GB699-88,优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示,即是钢中平均含碳量的万分位数。例如,20号钢表示平均含碳量为0.20%的优质碳素钢。对于沸腾钢则在尾部加上F,如10F、15F等。08、10、15、20、25等牌号属于低碳钢,其塑性好,易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接。优质碳素结构钢中08、10、15、20、25等牌号属于低碳钢,其塑性好,易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接。其中20钢用途最广,常用来制造螺钉、螺母、垫圈、轴以及冲压件、焊接件,有时也用于制造渗碳件。1.2 工件结构分析该零件结构复杂,形状不对称,既有沟槽又有悬臂,两处悬臂长小于 5 倍臂宽、宽度大于 1.5t,具体结构见图1-1。 图1-1 零件1.3 工件的尺寸精度、粗糙度、断面质量分析1.3.1尺寸精度有零件图可知,图中并没有标明精度要求和公差等级,故采用自由公差进行生产制造。GB/T1804-2000数据如下:表1-1线性尺寸的极限偏差数值尺寸分段公差等级0.53366303012012040040010001000200020004000f(精密级)0.050.050.10.150.20.30.5m(中等级)0.10.10.20.30.50.81.22c(粗糙级)0.20.30.50.81.2234v(最粗级)0.511.52.5468表1-2倒圆半径与倒角高度尺寸的极限偏差数值尺寸等级公差等级0.533663030f(精密级)0.20.512m(中等级)c(粗糙级)0.4124v(最粗级)本次设计中的凸、凹模加工尺寸采用m(中等级)。1.3.2冲裁断面质量应为一般用普通冲裁方式冲2mm以下的金属板料时,其断面粗糙度可达12.53.2um,毛刺允许高度为0.010.05mm;本产品在断面粗糙度和 毛刺高度上没有太严格的要求,所以只要模具进度达到一定要求,冲裁件的断面质量可以保证。对于冲裁件材料的一般要求的力学性能是强度低,塑性高,表面质量和厚度公差符合国家标准。本设计的产品材料是碳结构钢08,属优质碳素结构钢,其力学性能是强度、硬度和塑性指标适合,经退火后用冲裁的加工方法是完全可以成形的。另外产品对厚度和表面质量没有严格的要求,所以尽量采用国家标准的板材,其冲裁出的产品的表面和厚度公差就可以保证。 经上述分析,产品的材料性能符合冷冲压加工要求。2 模具的基本类型和机构分析2.1工艺方案拟定(1)简单模概述:压力机在一次冲压行程中只能完成单一冲裁工序的模具称为简单模或单工序模,如落料模、冲孔模等。分析:从外形上分析,加工该制件需要多个工序,包括冲孔、落料、拉深、翻边等工艺过程,所以需要多套单工序模才能成形。对于生产批量大的小型金属制件来说,其生产效率低、各个工序之间的精度不易保证,且生产周期较长。(2)级进模概述:级进模是在单工序冲模基础上发展起来的一种多工序、高效率的冲模,适用于大批量小型冲压件生产。但级进模结构复杂,制造困难,制造成本高。由于各个工序是在不同工位上完成的,则因定位产生的累积误差会影响工件的精度。分析:由于制件尺寸较大,若采用此方案,势必会增大模具尺寸,使加工难度提高,从而增加成本,故不适合使用级进模。(3)复合模概述:在压力机一次冲程中,经一次送料定位,在模具的同一部位可以同时完成几道冲裁工序的模具称为复合模。复合模同连续模一样,也是在简单模的基础上发展起来的一种较先进的模具。与连续模比较,复合模冲裁件的相互位置精度高,对条料的定位精度要求较低,复合模的轮廓尺寸较小。复合模生产率高,冲压件精度高,成本较级进模小,且适用于生产批量大、精度要求高、内外形尺寸差较大的冲裁件。分析:该工件制造精度要求高,且内外形尺寸较一致,对于外形尺寸较大的零件,采用复合模生产既能满足生产率的又能减少成本。在选择冲模结构方案时,除了考虑冲压件的质量、技术要求外,还要结合批量大小与现有冲压设备,对冲压成本进行综合分析。一般情况下,简单模造价低于复合模。当冲压产品的质量要求较高、批量又较大时,应尽量选用复合模具。复合模易于实现生产的自动化,而且生产过程稳定,产品一致性较好。2.2 模具结构形式的确定模具的总体方案为采用一副模具生产汽车挡泥板零件。(1)模具形式 复合模可分为正装式和倒装式。 正装式特点:顶件板、卸料板均有弹性方式推动,条料与冲裁件同时受到压平作用,所以冲出的软、薄冲裁件比较平整,精度也较高。正装复合模在凸凹模的孔内不会积聚废料,可以避免废料对四周的孔壁产生过大的胀力,有利于凸模的强度。 倒装式特点:废料能直接从压力机落料孔落下,冲裁件从上模落下,比较容易取出这些排出件,因此操作方便安全,有利于倒装式复合模安装送料装置,生产效率较高,所以应用比较广泛。 经分析,次工件有两个孔,若采用正装式复合模,操作不方便;另外,此工件无较高的平直度要求,工件精度要求也较低,所以从操作方便、模具制造简单等方面考虑,决定采用倒装式复合模。(2)操作与定位方式 虽然零件的生产批量较大,但合理安排生产可用手工送料方式能够达到批量要求,且能降低模具成本,且零件尺寸和厚度不是很大,刚好适合手工送料。但是为了保证零件的精度和减少材料料头和料尾的材料消耗和提高定距的可靠性,特采用采用接触定位,通过两个导料销和一个挡料销来实现定位。(3)卸料与出件方式 考虑到零件厚度适中,为了简便,所以采用弹性卸料方式。为了便于操作和提高生产率,废料和冲件采用由顶料杆卸料的方式。(4)模架类型 该模具由于工件轮廓复杂、冲裁力较大且不均匀,故采用导面平稳的四导柱模架。3 工件的工艺计算及冲裁设备的确定3.1 排样尺寸及材料利用率要提高材料的利用率,就必须减少废料面积,冲裁过程中所产生的废料可分为两种情况结构废料 出于工件结构形状的需要,如工件内孔的存在而产生的废料,称为结构废料,它决定于工件的形状,一般不能改变。工艺废料 工件之间和工件与条料边缘之间存在的搭边,定位需要切去的料边与定位孔,不可避免的料头和料尾废料,称为工艺废料,它决定于冲压方式和排样方式。因此提高材料利用率主要应从减少工艺废料着手,同一个工件,可以有几种不同的排样方法。合理的排样方法,应是将工艺废料减到最少。3.1.1排样尺寸排样是否合理将直接影响到材料利用率、冲件质量、生产效率、冲模结构与寿命等。根据材料的合理利用情况,排样方法可分为:有废料排样、少废料排样、无废料排样三种。有废料排样用于冲裁形状较复杂、尺寸精度要求较高的冲件。因此,冲件质量好,模具寿命高,但材料利用率低。少废料排样只在冲件之间或冲件与条料边缘之间留有搭边,此种方法因受剪裁条料质量和定位误差的影响,其冲件质量稍差,同时边缘毛刺易被凸模带入间隙,也影响冲模寿命,但材料利用率较高,冲模结构简单,一般用于形状较规则、某些精度尺寸要求不高的冲件。无废料排样无任何搭边废料,冲件质量和模具寿命质量更差一些。但材料利用率最高。可用于形状规则对称,尺寸精度不高或贵重金属材料的冲件。由于该零件加工精度不是很高,形状较规则,相对模具的价格而言,用少废料排样较有废料排样更经济,故在此设计中选用少废料排样。冲压材料使用钢带平板料,材料厚1mm。采用手工送料。根据前面确定的工艺方案,排样方式如图3-1所示查手册,确定搭边值:侧边,工件间。采用单排方式,此时条料宽度可裁为: , 冲裁时送进步距为: 图3-1排样图3.1.2材料利用率冲裁件在板、条等材料上的布置方法称为排样。排样的合理与否,影响到材料的经济利用率,还合影响到模具结构、生产率、制件质量、生产操作方便与安全等。因此,排样是冲裁工艺与模具设计中项很重要的工作。冲压件大批量生产成本中,毛坯材料费用占60以上,排样的目的就在于合理利用原材料。衡量排样经济性、合理性的指标是材料的利用率。其计算公式如下: (3-1) 式中 A冲裁件面积(包括冲出的小孔在内)(mm2); n一个进距内冲件数目; B条料宽度(mm);s进距(mm);3.2各工序压力计算3.2.1冲裁方法常采用下列方法: (1) 阶梯凸模冲裁在多凸模的冲模中,将凸模做成不同长度,使其工作端面呈阶梯式布置,使各凸模冲裁力的最大峰值不同时出现,以此降低总的冲裁力。在几个凸模相距很近的情况下,阶梯凸模冲裁还能避免小尺寸凸模由于承受材料流动的侧压力而产生折断或倾斜现象,应将小尺寸凸模做短一些。凸模间的高度差H应大于冲裁断面的光亮带高度,它与板料的厚度有关:t 3mm: H=0.5t 阶梯凸模冲裁力,一般只按产生最大冲裁力的那一层凸模来进行计算,以选择冲床;布置各层凸模时,位置应对称,使合力位于模具中心,以免工作时模具偏斜。(2) 斜刃冲裁在用平刃模具冲裁时,整个零件周边同时被剪切,冲裁力较大。所谓斜刃冲裁就是将凸模(或凹模)平面刃口做成与其轴线倾斜一个角度的斜刃。冲裁时刃口就不是全部同时切入材料,而是将板料沿其周边逐步切离,剪切面积小,因而冲裁力显著下降。斜刃位置及形状:落料时凸模应做成平刃,凹模做成斜刃;冲孔时凹模应做成平刃,凸模做成斜刃;斜刃一般做成波峰形,波峰应对称布置以免承受单向侧压力而啃伤刃口。(3) 加热冲裁板料加热后,抗剪强度t明显下降,从而降低了冲裁力。但材料加热后产生氧化皮,且因加热,劳动条件差,故少用,其冲裁力按平刃冲裁力公式计算。(4) 其它方法 对于大型和形状复杂的零件,为降低冲裁力,可采用部分冲裁法,但零件精度较低。3.2.2冲裁力的计算冲裁力是冲裁时凸模与凹模相对运动使工件与板料分离所需要的力,它与材料的厚度、工件周边长度及材料的力学性能等参数有关。冲裁力是设计模具、选择压力机的重要参数,计算冲裁力的目的是为了合理地选用冲压设备和设计模具。 在冲裁高强度材料或厚度大,周边长的工件时,需要很大的冲裁力,当工厂的设备的吨位不能适应的时候,为不影响生产,可采取一定的措施降低冲裁力,常用的方法有阶梯冲裁、斜刃冲裁和加热冲裁等。冲裁力在冲裁变形工程中并不是一个常数,工程术语定义的冲裁力是指冲裁工程中最大的抗力,也就是冲裁曲线上的峰值,如图3-2所示 图3-2 冲裁曲线冲裁力,凸模行程,推料力,卸料力,下死点位置,上死点位置模具冲裁部分有17mm个、1个8mm的圆孔、外型落料力,工件材料为碳素结构钢 08, 工件厚度为 t1 mm,其抗剪切强度 255353 Mpa。材料具有较高的弹性和良好的塑性,冲裁加工性较好。其冲裁力的计算见式。 (3-2)式中 冲裁力 (N); 系数。考虑到凸模、凹模刃口磨损,模具间隙波动,材料力学性能变化及材料厚度偏差等因素而增加的安全系数,常取K=1.3 冲裁件的周长 (mm); 材料厚度 (mm); 材料抗剪强度 (Mpa)。考虑到凸、凹模刃口的磨损,模具间隙的波动,材料力学性能的变化以及材料厚度偏差等因素,实际所需的冲裁力还需增加30%,故选择冲床时的冲裁力(N)应为: (3-3)式中 材料的抗拉强度(Mpa),在一般情况下,材料的,为计算方便,也可以采用公式(3-3)。各冲裁区只是冲裁线的长度不同,材料抗剪强度取=300Mpa,由于工件形状比较复杂,计算其冲裁过程很繁琐,用AutoCAD等计算机辅助设计软件则可很容易查询到各冲裁线的冲裁长度。平刃口模具的冲裁力可按上式(3-3)计算:落料冲裁力: N冲孔冲裁力: N冲裁力: 式中 F冲裁力; 材料的抗剪强; L冲裁周边总长; t材料厚度; 1.3考虑到模具间隙不均匀、刃口的磨损、材料力学性能和厚度波动等因素的影响而给出的修正系数;3.2.3卸料力与推件力的计算由于冲裁中材料的弹性变形及摩擦的存在,冲裁后带孔部分的材料会紧箍在凸模上,而落下部分的材料会紧卡在凹模洞口中。从凸模上卸下紧箍着的材料所需的力称为卸料力;把落料件从凹模洞口中顺着冲裁方向推出去的力称为推件力;逆着冲裁方向顶出来的力叫顶出力。卸料力的影响因素较多,主要有:材料的力学性能与厚度、冲件形状与尺寸、冲模间隙与凹模孔口机构、排样的搭边大小及润滑情况等。在实际计算中,这些力通常用经验公式进行计算,见式(3-4)。图3-3 卸料力、推件力与顶件力F卸K卸FF推nK推F (3-4)F顶K顶F式中 F 冲裁力 (N);n 卡在凹模洞口中的工件或废料的数目;K卸、K推、K顶 分别为卸料力、推件力、顶件力因数。本模具采用弹性卸料装置及下出料方式,因此只需要计算推件力,卸料力。经查资料可知,K推=0.055,取凹模刃口高度h=5mm,则n=h/t=5; K卸 =0.05;故推件力: F推n K推F = N卸料力: F卸K卸F 3.2.4总压力计算由以上的分析及算得的各种力,可得总的冲裁力为: 3.3 压力机选择冲压设备规格的确定: 选择的压力设备的类型:根据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。 中小型部裁件变曲件拉涤件生产,采用开式机械压力机;在中型冲压件生产采用闭式结构形式的机械压力机;小批量生产,大型厚板冲压件的生产采用液压机;大批量生产或开头复杂零件的大量生产中,选用高速压力机械多工位自动压力机。 规格的确定、根据冲压设备部压件的尺寸模具的尺寸和冲压力来确定。 所选压力机的公称压力必须大于冲压所需的总冲压力P压机P总 ;压力机的行程要适当:行程直接影响模具的主要高度引程过大,凸模与导板分离导板模或导柱导套分离;压力机闭合高度应与冲模的闭合高度相适应,即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;压力机工作台面的尺寸必须大于模具下模座的外形尺寸,并留有安装固定的余地,但工作台也不应太大,以免工作台受力不好.由于该制件是一件大型制件,且精度要求不高,因此选用开式可倾压力机。它具有工作台三面敞开,操作方便,成本低廉的优点,由于冲裁,拉深复合模的压力行程的特点,是在开始阶段即需要很大的压力,而在拉深阶段所需要的倒要小的多,因此若按照总冲裁开始阶段冲裁时已经超载,但是在一般条件下,可以根据生产车间的实际条件,在现有的压力机中选取,根据所需压力,应选取公称压力查机械设计手册,可选用的压力机型号为J23-63,具体数值如表3-1表3-1 压力机参数公称压力(KN)630最大闭合高度(mm)400滑块行程(mm)100闭合高度调节量(mm)80滑块行程次数(次/分钟)40滑块中心线至床身距离(mm)310床身最大可倾角(度)25立柱距离(mm)420工作台前后尺寸(mm)570工作台左右尺寸(mm)8603.4 计算压力中心压力中心即工件内外周边上冲裁力的合力中心。应尽可能使冲裁力的压力中心和压力机滑块的压力中心一致,否则会产生一个附加力矩,使模具产生偏斜、间隙不均匀、并使压力机和模具的导向机构产生不均匀磨损,刃口迅速变钝。内外周边形状对称的工件,其几何中心就是压力中心。工件内外周边冲裁力的合力,是由工件周边各线段重心位置所决定的,而各线段的重心是已知的,利用解析法和图解法即可求得合力的中心。所谓解析法,就是将工件划分为已知重心的各个线段和圆弧。设一个XY坐标系,则每个线段重心的距离可从X轴和Y轴量得。冲裁合力中心s相对于Y轴的距离为: (3-5)冲裁合力中心s相对于X轴的距离为: (3-6)计算压力中心时,首先画出凸模工作部分轮廓图,在图中建立X-Y坐标系。但由于该零件形状复杂,难以计算,故可利用三维软件Solidworks直接寻找压力中心。压力中心坐标(94,58),如下图所示: 图3-4 压力中心坐标3.5 冲裁间隙3.5.1冲裁间隙对冲件质量的影响 冲裁件的质量主要是指断面质量、尺寸精度和形状误差。断面应平直、光滑;圆角小;无裂纹、撕裂、夹层和毛刺等缺陷。零件表面应尽可能平整。尺寸应在图样规定的公差范围之内。影响冲裁件质量的因素有:凸、凹模间隙值的大小及其分布的均匀性,模具刃口锋利状态、模具结构与制造精度,材料性能等,其中,间隙值大小与分布的均匀程度是主要因素。冲裁件的尺寸精度是指冲裁件实际尺寸与标称尺寸的差值(),差值越小,精度越高。这个差值包括两方面的偏差,一是冲裁件相对凸模或凹模尺寸的偏差,二是模具本身的制造偏差。冲裁件相对凸模或凹模尺寸的偏差,主要是由于冲裁过程中,材料受拉伸、挤压、弯曲等作用引起的变形,在加工结束后工件脱离模具时,会产生弹性恢复而造成的。偏差值可能是正的,也可能是负的。影响这一偏差值的因素主要是凸、凹模的间隙。当间隙较大时,材料所受拉伸作用增大,冲裁完毕后,因材料的弹性恢复,冲裁件尺寸向实体方向收缩,使落料件尺寸小于凹摸尺寸,而冲孔件的孔径则大于凸摸尺寸。当间隙较小时,凸摸压入扳料接近于挤压状态,材料受凸、凹模挤压力大,压缩变形大,冲裁完毕后,材料的弹性恢复使落料件尺寸增大,而冲孔件的孔径则变小。此外,尺寸变化量的大小还与材料力学性能、厚度、轧制方向、冲裁件形状等因素有关。材料软,弹性变形量较小,冲裁后弹性恢复量就小,零件的精度也就高。材料硬,弹件恢复量就大。以上是在模具制造精度一定的前提下进行的,间隙对冲裁件精度的影响比模具本身制造精度的影响要小得多,若模具刃口制造精度低,冲裁出的工件精度也就无法得到保证。模具的磨损及模具刃口在压力作用下产生的弹性变形也会影响到间隙及冲裁件应力状态的改变,对冲裁件的质量会产生综合性影响。3.5.2对模具寿命的影响冲裁模具的寿命以冲出合格制品的冲裁次数来衡量,分两次刃磨间的寿命与全部磨损后总的寿命。冲裁过程中,模具的损坏有磨损、崩刃、折断、啃坏等多种形式。影响模具寿命的因素很多,有模具间隙;模具制造材料和精度、表面粗糙度;被加工材料特性;冲裁件轮廓形状和润滑条件等。模具间隙是其中的一个主要因素。因为冲裁过程中,模具端面受到很大的垂直压力与侧压力,而模具表面与材料的接触面仅局限在刃口附近的狭小区域,这就意味着即使整个模具在许用压应力下工作,但在模具刃口处所受的压力也非常大。这种高的压力会使冲裁模具和板材的接触面之间产生局部附着现象,当接触面发生相对滑动时,附着部分便发生剪切而引起磨损附着磨损。其磨损量与接触压力、相对滑动距离成正比,与材料屈服强度成反比。它被认为是模具磨损的主要形式。当模具间隙减小时,接触压力(垂直力、侧压力、摩擦力)会随之增大,摩擦距离随之增长,摩擦发热严重,因此模具磨损加剧。而接触压力的增大,还会引起刃口的压缩疲劳破坏,使之崩刃。小间隙还会产生凹模胀裂,小凸模折断,凸、凹模相互啃刃等异常损坏。这些都导致模具寿命大大降低。因此,适当增大模具间隙,可使凸、凹模侧面与材料间摩擦减小,并减缓间隙不均匀的不利因素,从而提高模具寿命。但间隙过大时。板料的弯曲拉伸相应增大,使模具刃口端面上的正压力增大,容易产生崩刃或产生塑性变形使磨损加剧,降低模具寿命。同时,间隙过大,卸料力会随之增大,也会增加模具的磨损。所以间隙是影响模具寿命的个重要因素。图3-5间隙与磨损的关系从图35可看出,凹模端面的磨损比凸模大,这是由于凹模端面上材料的滑动比较自由,而凸模下面的材料沿板面方向的移动受到限制的原因,而图中所看到的凸模侧面的磨损最大,是因为从凸模上卸料,长距离摩擦加剧了侧面的磨损,若采用较大间隙可使孔径在冲裁后因回弹增大卸料时减少与凸模的摩擦,从而减少凸模侧面的磨损。模具刃口磨损,带来刃口的钝化和间隙的增加,使制件尺寸精度降低,冲裁能量增大,断面粗糙。刃口的钝化会使裂纹发生点由刃口端面向侧面移动,发生在刃口磨损部分终点处,从而产生大小和磨损量相当的毛刺(凸模刃口磨钝,毛刺产生在落料件上,凹模刀口磨钝,毛刺产生在孔上),所以必须注意尽量减少模具的磨损。为提高模具寿命, 一般需采用较大间隙,若制件精度要求不高时。采用合理大间隙,使2/t达到15-25,模具寿命可提高35倍,若采用小间隙,就必须提高模具硬度与模具制造精度,在冲裁刃口进行充分的润滑,以减少磨损。3.5.3对冲裁力及卸料力的影响当间隙减小时,凸模压入板材的情况接近于挤压状态,材料所受拉应力减小,压应力增大,板料不易产生裂纹,因此最大冲裁力增大。当间隙增大时,材料所受拉应力增大,材料容易产生裂纹,因此冲裁力减小。继续增大间隙值,凸、凹模刃口产生的裂纹不相重合,会发生二次断裂冲裁力下降变缓。当间隙增大时,冲裁件光亮带窄,落料件尺寸偏差为负,冲孔件尺寸偏差为正,因而使卸料力、推件力或顶件力减小。间隙继续增大时,制件毛刺增大,卸料力、顶件力迅速增大。3.5.4 合理间隙选用 凸、凹模间隙是冲裁过程最重要的工艺参数,它对冲裁件质量、模具寿命、冲裁力和卸料力等都有很大的影响,因此,设计模具时,一定要选择一个合理的间隙,使冲裁件的断面质量好,尺寸精度高,模具寿命长,所需冲裁力小,但严格说来,并不存在一个同时满足所有理想要求的合理间隙。考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损,生产中通常是选择一个适当的范围作为合理间隙,只要模具间隙在这个范围内,就可以基本满足以上各项要求,冲出合格制件。这个范围的最小值称为最小合理间隙,最大值称为最大合理间隙。考虑到模具在使用过程中的逐步磨损,设计和制造新模具时应采用最小合理间隙。确定合理间隙的方法主要有理论计算法和查表选取法两种。本设计采用查表法。(1)理论计算法确定间隙时理论计算的依据主要是:在合理间隙情况下冲裁时,材料在凸、凹模刃口处产生的裂纹成直线会合。从图32所示的几何关系可得出计算合理间隙的公式 (3-7)式中 -产生裂纹时的凸模压入探度(mm) t料厚(mm); 最大切应力方向与垂线间夹角(即裂纹方向角)。由上式可知,间隙z与板材厚度、相对压入深度/t、裂纹方向角有关。而、又与材料性质有关,但是这种方法不方便。(2)查表选取法 图3-6合理冲裁间隙的确定如上所述,间隙的选取主要与材料的种类、厚度有关,但由于各种冲压件对其断面质量和尺寸精度的要求不同,以及生产条件的差异,在生产实践中就很难有一种统一的间隙数值,各种资料中所给的间隙值并不相同,有的相差较大,选用时应按使用要求分别选取。对于断面质量和尺寸精度要求高的工件,应选用小间隙值,而对于精度要求不高的工件,则应尽可能采用大间隙,以利于提高模具寿命、降低冲裁力。同时,还必须结合生产条件,依据冲裁件尺寸与形状、模具材料和加工方法、冲压方法和生产率等,灵活掌握、酌情增减。例如:冲小孔而凸模导向又较差时,凸模易折断,间隙可取大些。 表3-2 h/t与值材料h0/t(%)t4软刚757070656555504056中硬钢656060555548453545硬钢54474745443835254凹模刃口为斜壁时,间隙应比直壁小。高速冲裁时,模具易发热,间隙应增大,如每分钟行程超过200次,间隙值可增大10左右,热冲时材料强度低,间隙应比冷冲时减小,硬质合金冲模,间隙可比钢模大。电火花加凹模型腔时,间隙可比磨削加工小。同样条件下,非圆形比圆形的间隙大,冲孔间隙比落料大。当采用大间隙时废料易带出凹模表面,应在凸模上开通气孔或装弹性顶销为保证制件平整,要有压料与顶件装置。相应模具刃口尺寸按以上的实际尺寸配制、并保证双面间隙0.100.13mm。3.6 模具刃口尺寸计算冲裁件的尺寸精度主要取决于凹、凸模刃口尺寸及公差、模具的合理间隙值也是靠凸、凹模刃口尺寸及其公差来保证的,因此,正确的确定凸、凹模刃口尺寸及其公差,是冲裁设计中的一项重要工作。3.6.1 凸、凹模刃口尺寸计算原则落料时,先确定凹模刃口尺寸,凹模刃口的基本尺寸取接近或等于制件的最小极限尺寸,以保证凹模磨损在一定范围内,仍能冲出合格制件。凸模刃口的基本尺寸按凹模的刃口基本尺寸减小一个最小合理间隙来确定。 冲孔时,先确定凸模刃口尺寸。凸模刃口尺寸的基本尺寸接近或等于孔的最大极限尺寸,以保证凸模磨损在一定范围内,仍能冲出合格制件。凹模刃口的基本尺寸按凸模的刃口基本尺寸减小一个最小合理间隙来确定。凸模和凹模刃口的制造公差,主要取决于冲裁件的精度和形状,一般模具的制造精度比冲裁件的精度至少高1-2级,若制件没有标注公差,则对于非圆形件按国家非配合尺寸的IT14级精度来处理,圆形件一般可按IT10级精度来处理,本次计算采用GB/T1804-2000计算,具体数值见表1-1,表1-2表3-3 因数材料厚度t/mm非圆形值圆形值10.750.50.750.5制造公差/mm10.160.17-0.350.360.160.161-20.200.21-0.410.420.200.202-40.240.25-0.490.500.240.2440.300.21-0.590.600.300.303.6.2凸、凹模尺寸计算 (1)、冲孔冲孔部分由于结构简单,故采用凸凹模分别加工法。查手册可知落料、冲孔模刃口间隙取 ,取因数=0.5,制造等级采用m(中等级)。孔径为7: 孔径为8: 校核 ,有(0.020+0.020) (0.13-0.10),故、不满足要求,则凸凹模制造公差应重新确定: mm mm即,孔7: , ;孔8: , 注: 、 分别为冲孔凹模和凸模的刃口尺寸(mm);、 分别为凹模和凸模的制造公差(mm);凸模最小尺寸(mm)最小合理间隙(mm) 系数; 公件的公差(mm);(2)、落料零件轮廓复杂形状,故采用配合加工法,并以凹模作为设计与制造的基准件。查手册可知落料、冲孔模刃口间隙取 ,制造等级采用m(中等级)。各边尺寸、误差、及因数的具体数值见表4,由图可知图3-7 边框图磨损变大的边有:A、B、C、F、H、K、J、M、Q、R、T、V、X、b磨损变小的边有:G、O磨损不变的边有:D、E、I、L、N、P、S、U、W、a、c注:落料凸模基本尺寸(mm) 落料凹模基本尺寸(mm) 最小合理间隙(mm) 系数; 公件的公差(mm);表3-4 各边尺寸、误差边ABCDEFGHI尺寸1101142026.831712.918.29153.61因数0.50.50.750.750.750.7510.751误差0.30.30.20.20.20.20.20.10.2磨损 变大变大变大不变不变变大变小变大不变边JKLMNOPQR尺寸207.8587.85712.5741.3319.5630因数0.750.50.750.50.750.50.50.50.75误差0.20.50.20.50.21210.2磨损变大变大不变变大不变变小不变变大变大边STUVWXabc尺寸35.3618218.854176218.854因数0.750.7510.510.510.51误差0.20.20.110.10.50.110.1磨损不变变大不变变大不变变大不变变大不变以凹模为基准,凸模按凹模间隙尺寸配作,保证双边间隙0.10mm0.13mm。4 模具零件选材和结构设计4.1模具选材(1)模具材料选择的基本要求1、综合性能良好。模具材料应具有一定得硬度和耐磨性,使模具在特定的条件下能够保持其形状和尺寸的稳定,应具有强度和韧度,既能承受一定的高压又能承受一定得冲击载荷的作用,应具有一定的抗热性能。包括一定得热强性,热硬性、热稳定性、热疲劳抗性和热粘着性等,以承受模具工作时可能因强烈摩擦而产生的局部高温。2、工艺性能良好。所选用的模具材料应具有良好的冷、热加工性能及热处理工艺性能,制造简单,加工方便,能够保证供应且经济性合理。3、选择模具材料应考虑的因素模具的工作条件,包括承载能力的大小,速度(冲击状况)、工作稳定及腐蚀情况等。模具的失效。模具的失效形式主要是有塑性变形失效、磨损失效及断裂失效。模具所加工的产品,包括所加工的产品批量的大小、产品的质量的高低、产品的材质等。 模具的结构,包括模具的大小、模具的形状、模具零件的工作性质等。模具工作零件所用的材料应该比其他零件好。模具的制造工艺及工厂现有的设备及技术水平。当然,具体选材时,对于以上各因素的考虑应有所侧重,应该按照模具工作要求有针对性的选择。(2)冲压模材料 目前使用的冲压模材料很多,有冷作模具钢、硬质合金钢、陶瓷材料、铸铁、低熔点合金、高分子材料、木材等,等使用最多的是冷作模具钢和硬质合金。用硬质合金制作冲压模,其模具成本比一般的合金钢模具高3-4倍,但同时寿命也要提高20-30倍,所以,硬质合金在冲压模中应用越来越多。 对于冲压模材料的选择,有一定得原则。一般来说,对于形状简单的,冲压件尺寸不大的模具工作零件,常常选用碳素工具钢,对于形状复杂,冲压件尺寸较大的模具工作模具工作零件,常选用合金工具钢或高速工具钢,对于冲压件精度或模具寿命要求较高的模具工作零件,常用硬质合金钢或钢结硬质合金,对于诸如汽车覆盖件冲模这样大型模具工作零件,常选用合金铸铁。表3-5 冲模零件材料及热处理要求零件名称选用材料热处理硬度 HRC冲裁凸模T10A淬硬5862冲裁凹模Cr12MoV淬硬6064凸凹模Cr12MoV淬硬5660推件块45淬硬4045模柄Q235淬硬5660凸模固定板45淬硬4348凸凹模固定板45淬硬4348卸料板45淬硬4045垫板45淬硬4348导料销45淬硬4045挡料销45淬硬5256螺钉45头部淬硬 3540销钉45淬硬3540打杆45淬硬40454.2 模具制造特点、原则(1)模具制造的特点 模具生产具有一般机械产品生产的共性,同时又具有其自己的特点。与一般机械制造相比,通常模具制造难度较大。作为一种专用工艺设备,模具生产和工艺主要有以下几个方面的特点: 模具属于非定向型产品。每一幅模具均有其不同的技术要求及加工方法。因此,模具制造是一项创造性的工作。模具一般根据用户的合同或生产产品的需要来组织生产,其任务来源的随机性强,计划性差。模具生产为单件、多品种生产 。每幅模具只能生产某一种特定形状、尺寸和精度的制件。在制造工艺上应尽量采用通用机床、通用刀量具和仪器,尽可能地减少专用工具的数量。在制造工序安排上要求工序相对集中,以保证模具加工的质量和进度,简化管理并减少工序周转时间。制造质量要求高。模具制造不仅要求加工精度高,而且还要求加工表面质量好。一般来说,模具工作部分的制造公差都应控制在0.01以内,有的甚至要求在微米级范围内,模具加工后的表面缺陷要求非常严格,而且工作部分的表面粗糙度一般都要要求。 形状复杂。模具的工作部分一般都是二维或三维的复杂曲面(尤其型腔模具),而不是一般机械加工的简单形面。加工周期长并需要反复修配、调整。考虑模具在工作过程中磨损及热冷缩胀的影响。(2)模具制造的技术要求模具零件应具有较高的强度、刚度、耐磨性、耐冲击性。淬透性和较好的切削加工性。模具零件的形状、尺寸精度要求高,表面粗糙度数值要求低。模具零件的形状直接决定成型件的形状,其精度直接影响成型件的精度。一般说来,模具成型部分的精度在IT6级左右,模具的形状位置精度为4至5级。模具零件的标准化。模具零件的标准化直接影响模具的制造周期、制造成本及制造质量。模具凸凹模之间应具有合理的间隙。各类模具中凸凹模之间的间隙是保证模具正常工作的必要条件,间隙大或间隙小或间隙不均,均不能使模具正常工作,甚至会损坏模具。(3)模具设计的基本原则是: 要根据制件的尺寸精度及生产批量,综合考虑经济效益,确定采用单工序模、复合模、级进模。 模具结构和模具材料应与制件批量相适应。 尽量选用标准模架和模具零件。 模架的平面尺寸,不仅要与凹模尺寸相适应,还应与压力机台面尺寸及开孔大小相适应。 落料模的送料方向与所选的压力机相适应。 为了便于较模和存放,模具应安装闭合高度限位块。模具工作时限位块不应受压。 冲裁对称件的模架应明显不对称,以防止上模和下模装错位置。弯曲件的落料模,拍样时应考虑材料的轧制方向。刃口尖角处宜用拼块,既便于加工,也可防止应力集中导致开裂。 单面冲裁的模具,应在结构上采取措施使凸模和凹模的侧方向相互平衡,不宜让模架的导柱导套受侧向力,安装于模架内的弹簧,在结构上影能保证弹簧断裂时不致蹦出伤人。 冲孔模应考虑放入和取出制件的方便、安全。冲孔模的定位,应防止落料板坯正反面都能放入。 多凸模冲孔是,邻近大凸模的细小凸模比大凸模在长度上段一冲件厚,防止凸模折断。对于大型落料与修边模或冲孔内有窄小凸出与凹槽时,应采用鑲拼与嵌拼结构。4.3 凹模结构设计由于该工件比较复杂,且有很深的沟槽,所以将凹模设计为镶拼结构,并用内六角螺钉和销钉将其固定在上模座上。凹模采用镶拼结构后,虽然拼块的装配和模具结构变得复杂,但是分块后凹模易于加工,精度容易保证,而且还可以将悬臂结构单独作为一个部分,损坏后易于更换,可避免整体凹模报废,如图5所示图4-1 凹模凸模和凹模镶拼结构设计的依据是凸、凹模形状、尺寸及其受力情况、冲裁板料厚度等。镶拼结构设计的一般原则如下:(1)力求改善加工工艺性,减少钳工工作量,提高模具加工精度 尽量将形状复杂的内形加工变成外形加工,以便于切削加工和磨削。尽量使分割后拼块的形状、尺寸相同,可以几块同时加工和磨削,一般沿对称线分割可以实现这个目的。应沿转角、尖角分割,并尽量使拼块角度大于或等于90。圆弧尽量单独分块,拼接线应在离切点47mm的直线处,大圆弧和长
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