水泵叶轮冲压模具设计[3套模具含36张CAD图纸+开题+翻译+说明书】
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水泵叶轮冲压工艺与模具设计摘要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。由于产品的材料和工艺特性不同,生产用的设备也各异,模具种类繁多,但用的最为广泛的大约有以下几种:冷冲压模、塑料成型模、锻造模、精密铸造模、粉末冶金模、橡胶成型模、玻璃成型模、窑业制品模、食品糖果模、建材用模等。其中以冷冲压模、塑料模的技术要求和复杂程度较高。设计内容是从零件的工艺性分析开始的,根据工艺要求来确定设计的大体思路。其开始是确定该模具类型为落料、拉深复合模,做工艺计算,确定模具的压力中心,计算出冲裁时的拉深力、冲压力、卸料力、整形力,最后根据前面所计算出的内容确定模具的凸、凹模的刃口尺寸和形状。设计出定位方式、卸料装置、顶件装置、模架等模具的主要零部件,并确定冲模的闭合高度从而选择压力机,完成整个模具的设计工作。模具主要零部件结构设计是模具设计的主要内容,其内容包含了凹模结构设计、凸模结构设计、定位零件、弹性卸料装置、导柱与导套、模柄与模架的选取等重要零部件的设计加工方法和加工注意要点。这样更有利于加工人员的一线操作,使其通俗易懂加工方便。本次设计不仅让我熟悉了课本所学的知识,而且让我做到所学的知识灵活运用到实践当中,更让我了解了冲压模具设计的全过程和加工实践中应注意的要点。使我从毕业设计中更好理解了模具实际生产中的重要性。 关键词:落料,拉深,冲孔,整形 Auto water pump impeller stamping process and die design AbstractThe molding process methods commonly used in industrial production, and effectively ensure the productivity and quality of the product, so that the operating technology to simplify, but also material saving, energy saving, significant economic benefits. Materials and workmanship of the product characteristics, production equipment also vary a wide range of mold, but the most widely used in approximately the following: cold stamping mold, plastic molding, forging mold, the mold of precision casting, powder metallurgy mold, rubber molding, glass molding, ceramic products, mold, food candy mold, building materials and mold.Among them, the high technical requirements and complexity of the cold stamping mold, plastic mold. Design from the parts of the process began, according to process requirements to determine the design of the general idea. The start is to determine the mold type blanking, deep drawing composite mode, doing process calculation to determine the center of pressure of the mold, the drawing force calculated punching, punching pressure, discharge power, shaping force, the last earlier content calculated to determine the edge size and shape of the mold of convex and concave mold. Design the main components of the positioning method, unloading equipment, roof installation, mold, mold, and to determine the die shut height to select presses to complete the design work of the entire mold.The mold structure design of the main components is the main content of the mold design, its content includes the structural design of the die the punch structural design, locate parts, elastic unloading equipment, guide post, guide sleeve, die handle and mold selection of importantprocessing methods and processing of parts of the design points to note. This is more conducive to processing first-line operation, make it easy to understand and easy to process.This design not only familiar with the textbook knowledge learned, but I do have learned flexibility to practice, made me understand the main points should be noted that in the whole process of stamping die design and processing practices. Make me a better understanding of the importance of actual production of the mold from the graduation project.Keywords: Blanking, deep drawing, punching, shaping. 目 录1 . 绪 论 .1 1.1 选题背景.1. 1.2 课题相关调研 .1 1.3 冲压的概念、特点及应用.11.4 冲压的基本工序及模具.21.5 冲压技术的现状及发展方向.32 冲压件工艺分析.72.1 材料.72.2尺寸精度.83 确定工艺方案 .104 主要工艺计算.134.1排样设计与计算.134.2 落料尺寸.144.3 计算条料宽度与送料步距.174.4 压力中心的确定.174.5 拉深道次及各道次尺寸.18 4.5.1 由87毛坯拉成内径23.5.18 4.5.2由内径23.5拉出内径11.5的阶梯.214.6 落料、拉深冲压力.234.7 顶件力、推件力的计算.245 模具的技术要求及材料选用.26 5.1 模具的技术要求.26 5.2 模具材料的选用原则.266 模具设计.266.1 落料、拉深复合模.28 6.1.1模具结构.28 6.1.2模具工件部分尺寸及公差计算.296.2 修边冲孔模.31 6.21模具结构.31 6,22模具工件部分尺寸及公差计算.326.3 切槽模.33 6.31模具结构.34 6.32模具工件部分尺寸及公差计算.346.4 翻边模.36 6.41 模具结构.36 6.42 模具工件部分尺寸及公差计算.367 工作零件的加工工艺.398 模具的装配与调试.418.1 模具的装配.418.2 模具的调试.42总 结 .43致 谢.44参考文献.45 1 绪 论1.1选题背景在现代汽车工业中,微型汽车上发动机冷却系统离心式水泵内叶轮由铸铁等金属或工程塑料制成,采用向后弯曲的半圆弧、双圆弧或多圆弧形叶片,其叶型与水流方向一致,泵水效率较高。塑料叶轮容易实现小型化和轻量化,且耐腐蚀性能好,有越来越多的汽车发动机水泵使用了塑料叶轮。但塑料叶轮容易开裂或叶轮磨损后从泵轴上松脱,使冷却液循环速度变慢,容易引起发动机温度过高的故障。损坏的叶轮在旋转时还可能撞击水泵壳体,造成壳体碎裂。铸铁制成的水泵叶轮机械强度较高,但其质量较大。因此一种能综合现在采用材料优点而又避其缺点的产品就应时而生了。1.2 课题相关调研水箱在汽车的冷却、散热中有着重要的作用。因为汽车的冷却系统是用来为发动机散热的,一般常见的发动机过热问题。发动机是由冷却液的循环来实现的,强制冷却液循环的部件是水泵,它由曲轴皮带带动水泵叶轮推动冷却液在整个系统内循环。为了保证冷却效果,汽车冷却系统一般由以下几部分组成:散热器、节温器、水泵、缸体水道、缸盖水道、风扇等组成。据资料显示:导致汽车抛锚的故障中,冷却系统故障位居第一。由此可见,汽车冷却系统保养对汽车安全运行起着重要的作用。叶轮用于微型汽车上发动机冷却系统的离心式水泵内,工件时以1500-3000r/min左右的速度旋转,使冷却水在冷却系统中不断地循环流动。为保证足够的强度和刚度,叶轮采用厚度为2mm的Al脱氧镇静钢冷轧板。1.3冲压的概念、特点及应用冲压是利用安装在冲压设备(主要是压力机)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(俗称冲压或冲压件)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,且主要采用板料来加工成所需零件,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,隶属于材料成型工程术。冲压所使用的模具称为冲压模具,简称冲模。冲模是将材料(金属或非金属)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。冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素,只有它们相互结合才能得出冲压件。与机械加工及塑性加工的其它方法相比,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。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工,普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次,高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上,而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。(2)冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度,且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。(3)冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件,如小到钟表的秒表,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,冲压的强度和刚度均较高。(4)冲压一般没有切屑碎料生成,材料的消耗较少,且不需其它加热设备,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效益。冲压加工在现代工业生产中,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法加工产品零部件,如汽车、农机、仪器、仪表、电子、航空、航天、家电及轻工等行业。在这些工业部门中,冲压件所占的比重都相当的大,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,如果生产中不谅采用冲压工艺,许多工业部门要提高生产效率和产品质量、降低生产成本、快速进行产品更新换代等都是难以实现的。1.4 冲压的基本工序及模具由于冲压加工的零件种类繁多,各类零件的形状、尺寸和精度要求又各不相同,因而生产中采用的冲压工艺方法也是多种多样的。概括起来,可分为分离工序和成形工序两大类;分离工序是指使坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压(俗称冲裁件)的工序;成形工序是指使坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。上述两类工序,按基本变形方式不同又可分为冲裁、弯曲、拉深和成形四种基本工序,每种基本工序还包含有多种单一工序。在实际生产中,当冲压件的生产批量较大、尺寸较少而公差要求较小时,若用分散的单一工序来冲压是不经济甚至难于达到要求。这时在工艺上多采用集中的方案,即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成,称为组合的方法不同,又可将其分为复合-级进和复合-级进三种组合方式。 复合冲压在压力机的一次工作行程中,在模具的同一工位上同时完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方法式。级进冲压在压力机上的一次工作行程中,按照一定的顺序在同一模具的不同工位上完面两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。复合-级进在一副冲模上包含复合和级进两种方式的组合工序。冲模的结构类型也很多。通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等;按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。但不论何种类型的冲模,都可看成是由上模和下模两部分组成,上模被固定在压力机工作台或垫板上,是冲模的固定部分。工作时,坯料在下模面上通过定位零件定位,压力机滑块带动上模下压,在模具工作零件(即凸模、凹模)的作用下坯料便产生分离或塑性变形,从而获得所需形状与尺寸的冲件。上模回升时,模具的卸料与出件装置将冲件或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来,以便进行下一次冲压循环。1.5 冲压技术的现状及发展方向随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展,许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现,因而促进了冲压技术的不断革新和发展。其主要表现和发展方向如下1.5.1 冲压成形理论及冲压工艺方面冲压成形理论的研究是提高冲压技术的基础。目前,国内外对冲压成形理论的研究非常重视,在材料冲压性能研究、冲压成形过程应力应变分析、板料变形规律研究及坯料与模具之间的相互作用研究等方面均取得了较大的进展。特别是随着计算机技术的飞跃发展和塑性变形理论的进一步完善,近年来国内外已开始应用塑性成形过程的计算机模拟技术,即利用有限元(FEM)等有值分析方法模拟金属的塑性成形过程,根据分析结果,设计人员可预测某一工艺方案成形的可行性及可能出现的质量问题,并通过在计算机上选择修改相关参数,可实现工艺及模具的优化设计。这样既节省了昂贵的试模费用,也缩短了制模具周期。研究推广能提高生产率及产品质量、降低成本和扩大冲压工艺应用范围的各种压新工艺,也是冲压技术的发展方向之一。目前,国内外相继涌现出精密冲压工艺、软模成形工艺、高能高速成形工艺及无模多点成形工艺等精密、高效、经济的冲压新工艺。其中,精密冲裁是提高冲裁件质量的有效方法,它扩大了冲压加工范围,目前精密冲裁加工零件的厚度可达25mm,精度可达IT1617级;用液体、橡胶、聚氨酯等作柔性凸模或凹模的软模成形工艺,能加工出用普通加工方法难以加工的材料和复杂形状的零件,在特定生产条件下具有明显的经济效果;采用爆炸等高能效成形方法对于加工各种尺寸在、形状复杂、批量小、强度高和精度要求较高的板料零件,具有很重要的实用意义;利用金属材料的超塑性进行超塑成形,可以用一次成形代替多道普通的冲压成形工序,这对于加工形状复杂和大型板料零件具有突出的优越性;无模多点成形工序是用高度可调的凸模群体代替传统模具进行板料曲面成形的一种先进技术,我国已自主设计制造了具有国际领先水平的无模多点成形设备,解决了多点压机成形法,从而可随意改变变形路径与受力状态,提高了材料的成形极限,同时利用反复成形技术可消除材料内残余应力,实现无回弹成形。无模多点成形系统以CAD/CAM/CAE技术为主要手段,能快速经济地实现三维曲面的自动化成形。1.5.2冲模是实现冲压生产的基本条件在冲模的设计制造上,目前正朝着以下两方面发展:一方面,为了适应高速、自动、精密、安全等大批量现代生产的需要,冲模正向高效率、高精度、高寿命及多工位、多功能方向发展,与此相比适应的新型模具材料及其热处理技术,各种高效、精密、数控自动化的模具加工机床和检测设备以及模具CAD/CAM技术也在迅速发展;另一方面,为了适应产品更新换代和试制或小批量生产的需要,锌基合金冲模、聚氨酯橡胶冲模、薄板冲模、钢带冲模、组合冲模等各种简易冲模及其制造技术也得到了迅速发展。精密、高效的多工位及多功能级进模和大型复杂的汽车覆盖件冲模代表了现代冲模的技术水平。目前,50个工位以上的级进模进距精度可达到2微米,多功能级进模不仅可以完成冲压全过程,还可完成焊接、装配等工序。我国已能自行设计制造出达到国际水平的精度达25微米,进距精度23微米,总寿命达1亿次。我国主要汽车模具企业,已能生产成套轿车覆盖件模具,在设计制造方法、手段方面已基本达到了国际水平,但在制造方法手段方面已基本达到了国际水平,模具结构、功能方面也接近国际水平,但在制造质量、精度、制造周期和成本方面与国外相比还存在一定差距。 模具制造技术现代化是模具工业发展的基础。计算机技术、信息技术、自动化技术等先进技术正在不断向传统制造技术渗透、交叉、融合形成了现代模具制造技术。其中高速铣削加工、电火花铣削加工、慢走丝切割加工、精密磨削及抛光技术、数控测量等代表了现代冲模制造的技术水平。高速铣削加工不但具有加工速度高以及良好的加工精度和表面质量(主轴转速一般为1500040000r/min),加工精度一般可达10微米,最好的表面粗糙度Ra1微米),而且与传统切削加工相比具有温升低(工件只升高3摄氏度)、切削力小,因而可加工热敏材料和刚性差的零件,合理选择刀具和切削用量还可实现硬材料(60HRC)加工;电火花铣削加工(又称电火花创成加工)是以高速旋转的简单管状电极作三维或二维轮廓加工(像数控铣一样),因此不再需要制造昂贵的成形电极,如日本三菱公司生产的EDSCAN8E电火花铣削加工机床,配置有电极损耗自动补偿系统、CAD/CAM集成系统、在线自动测量系统和动态仿真系统,体现了当今电火花加工机床的技术水平;慢走丝线切割技术的发展水平已相当高,功能也相当完善,自动化程度已达到无人看管运行的程度,目前切割速度已达到300mm/min,加工精度可达1.5微米,表面粗糙度达Ra=010.2微米;精度磨削及抛光已开始使用数控成形磨床、数控光学曲线磨床、数控连续轨迹坐标磨床及自动抛光等先进设备和技术;模具加工过程中的检测技术也取得了很大的发展,现在三坐标测量机除了能高精度地测量复杂曲面的数据外,其良好的温度补偿装置、可靠的抗振保护能力、严密的除尘措施及简单操作步骤,使得现场自动化检测成为可能。此外,激光快速成形技术(RPM)与树脂浇注技术在快速经济制模技术中得到了成功的应用。利用RPM技术快速成形三维原型后,通过陶瓷精铸、电弧涂喷、消失模、熔模等技术可快速制造各种成形模。如清华大学开发研制的“M-RPMS-型多功能快速原型制造系统”是我国自主知识产权的世界惟一拥有两种快速成形工艺(分层实体制造SSM和熔融挤压成形MEM)的系统,它基于“模块化技术集成”之概念而设计和制造,具有较好的价格性能比。一汽模具制造公司在以CAD/CAM加工的主模型为基础,采用瑞士汽巴精化的高强度树脂浇注成形的树脂冲模应用在国产轿车试制和小批量生产开辟了新的途径。1.5.3 冲压设备和冲压生产自动化方面性能良好的冲压设备是提高冲压生产技术水平的基本条件,高精度、高寿命、高效率的冲模需要高精度、高自动化的冲压设备相匹配。为了满足大批量高速生产的需要,目前冲压设备也由单工位、单功能、低速压力机朝着多工位、多功能、高速和数控方向发展,加之机械乃至机器人的大量使用,使冲压生产效率得到大幅度提高,各式各样的冲压自动线和高速自动压力机纷纷投入使用。如在数控四边折弯机中送入板料毛坯后,在计算机程序控制下便可依次完成四边弯曲,从而大幅度提高精度和生产率;在高速自动压力机上冲压电机定转子冲片时,一分钟可冲几百片,并能自动叠成定、转子铁芯,生产效率比普通压力机提高几十倍,材料利用率高达97%;公称压力为250KN的高速压力机的滑块行程次数已达2000次/min以上。在多功能压力机方面,日本田公司生产的2000KN“冲压中心”采用CNC控制,只需5min时间就可完成自动换模、换料和调整工艺参数等工作;美国惠特尼公司生产的CNC金属板材加工中心,在相同的时间内,加工冲压件的数量为普通压力机的410倍,并能进行冲孔、分段冲裁、弯曲和拉深等多种作业。近年来,为了适应市场的激烈竞争,对产品质量的要求越来越高,且其更新换代的周期大为缩短。冲压生产为适应这一新的要求,开发了多种适合不同批量生产的工艺、设备和模具。其中,无需设计专用模具、性能先进的转塔数控多工位压力机、激光切割和成形机、CNC万能折弯机等新设备已投入使用。特别是近几年来在国外已经发展起来、国内亦开始使用的冲压柔性制造单元(FMC)和冲压柔性制造系统(FMS)代表了冲压生产新的发展趋势。FMS系统以数控冲压设备为主体,包括板料、模具、冲压件分类存放系统、自动上料与下料系统,生产过程完全由计算机控制,车间实现24小时无人控制生产。同时,根据不同使用要求,可以完成各种冲压工序,甚至焊接、装配等工序,更换新产品方便迅速,冲压件精度也高。2冲压件工艺分析零件简图:如图2.所示:生产批量:大批量零件材料:08Al-ZF材料厚度:2mm图2.1 水泵叶轮零件图2.1 材料叶轮用于微型汽车上发动机冷却系统的离心式水泵内,工作时以15003000r/min左右的速度旋转,使冷却水在冷却系统中不断地循环流动。为保证足够的强度和刚度,叶轮采用厚度为2mm的钢板。冲压工艺对材料的基本要求主要是:(1) 对冲压成形性能的要求:为了有利于冲压变形和制件质量的提高,材料应具有良好的冲压成形性能。而冲压成形性能与材料的机械性能密切相关,通常要求材料应具有:良好的塑性,屈强比小,弹性模量高,板厚方向性系数大,板平面方向性系数小。(2) 对材料厚度公差的要求:材料的厚度公差应符合国家规定标准。因为一定的模具间隙适用于一定厚度的材料,材料厚度公差太大,不仅直接影响制件的质量,还可能导致模具和冲床的损坏。(3) 对表面质量的要求:材料的表面应光洁平整,无分层和机械性质的损伤,无锈斑、氧化皮及其它附着物。表面质量好的材料,冲压时不易破裂,不易擦伤模具,工件表面质量好。由于08Al具有良好的塑性,屈服比小,弹性模量高,冲压时不易破裂,表面质量好,基本符合该零件需要,所以选择该材料为零件材料。08Al按拉深质量分为三级:ZF(用于拉深最复杂零件),HF(用于拉深很复杂零件)F(用于拉深简单的零件)。由于形状比较复杂,特别是中间的拉深成型难度大,叶轮零件采用ZF级的材料,表面质量也为较高的级。表2.1列出了08Al-ZF的力学性能。表2.1 08Al-ZF的力学性能(GB5213-1985和GB710-1988)/(Mpa)/Mpa(%)/不 小 于260330200440.662.2尺寸精度为减轻震动,减少噪音,叶轮零件的加工精度有一定的要求。除了7个叶片形状和尺寸应一致外,叶轮中部与固定轴配合部位的要求也较高。由于靠冲压加工难以达到直径23.8和11.70-0.1的要求,实际生产中采用了冲压成形后再切削加工的办法。冲压成形后要留有足够的机加余量,因此孔23.8和11.70-0.1的冲压尺寸取为23.5和11.5。拉深成形后的高度尺寸22.50.26精度高于表2.3中的尺寸偏差,需由整形保证。表2.2 拉深件直径的极限偏差材料厚度拉深件直径的基本尺寸d50501001003000.50.12-0.60.150.20-0.80.200.250.301.00.250.300.401.20.300.350.501.50.350.400.602.00.400.500.702.50.450.600.803.00.500.700.904.00.600.801.00表2.3 带凸缘拉深件拉深高度的尺寸偏差材料厚度拉深件高度的基本尺寸h181830305050808012010.30.40.50.60.7120.40.50.60.70.8230.50.60.70.80.9340.60.70.80.91.045-0.91.01.13 确定工艺方案初步分析可以知道叶轮零件的冲压成形需要多道工序。首先,零件中部是有凸缘的圆筒拉深件,有两个阶梯,筒底还要冲6.5的孔;其次,零件外圈为翻边后形成的7个“竖立”叶片,围绕中心均匀分布。另外,叶片翻边前还要修边、切槽,由于拉深圆角半径比较小(0.51),因此还需要整形。对拉深工序,在叶片展开前,按料厚中心线计算有D外径/d中经=61.2/13.54.531.4,并且叶片展开后凸缘将更宽,所以属于宽凸缘拉深。另外,零件拉深深度大(如最小阶梯直径的相对高度h/d=20.5/13.5=1.52,远大于一般带凸缘筒形件第一次拉深许可的最大相对拉深高度),所以拉深成形比较困难,要多次拉深。对于冲裁及翻边工序,考虑到零件总体尺寸不大,而且叶片“竖立”后各叶片之间的空间狭小,结构紧凑,另外拉深后零件的底部还要冲6.5的孔,所以模具结构设计与模具制造有一定难度,要特别注意模具的强度和刚度。综上所述,叶轮由平板毛坯冲压成形应包括的基本工序有:冲裁(落料、冲孔、修边与切槽)、拉深(多次拉深)、翻边(将外圈叶片翻成竖直)等。由于叶轮冲压成形需多道次完成,因此制定合理的成形工艺方案十分重要。考虑到生产批量大,应在生产合格零件的基础上尽量提高生产效率,降低生产成本。要提高生产效率,应该尽量复合能复合的工序。但复合程度太高,模具结构复杂,安装、调试困难,模具成本提高,同时可能降低模具强度,缩短模具寿命。根据叶轮零件的实际情况,可能复合的工序有:落料与第一次拉深;最后一次拉深和整形;修边、切槽;切槽、冲孔;修边、冲孔;修边、切槽、冲孔。根据叶轮零件形状,可以确定成形顺序是先拉深中间的阶梯圆筒形,然后成形外圈叶片。这样能保持已成形部位尺寸的稳定,同时模具结构也相对简单。修边、切槽、冲孔在中间阶梯拉深成形后以及叶片翻边前进行。为保证7个叶片分度均匀,修边和切槽不要逐个叶片的冲裁。因此叶轮的冲压成形主要有以下几种工艺方案:方案一:(1)落料;(2)拉深(多次);(3)整形;(4)修边;(5)切槽;(6)冲孔;(7)翻边。方案二:(1)落料与第一次拉深复合;(2)后续拉深;(3)整形;(4)切槽、修边、冲孔复合;(5)翻边。方案三:(1)落料与第一次拉深复合;(2)后续拉深;(3)整形;(4)切槽、冲孔复合;(5)修边;(6)翻边。方案四:(1)落料与第一次拉深复合;(2)后续拉深;(3)整形;(4)修边、冲孔复合;(5)切槽;(6)翻边。方案五:(1)落料与第一次拉深复合;(2)后续拉深;(3)整形;(4)切槽;(5)修边、冲孔复合;(6)翻边。方案一复合程度低,模具结构简单,安装、调试容易,但生产道次多,效率低,不适合大批量生产。方案二至五将落料、拉深复合,主要区别在于修边、切槽、冲孔的组合方式以及顺序不同。需要注意的是,只有当拉深件高度较高,才有可能采用落料、拉深复合模结构形式,因此浅拉深件若采用落料、拉深复合模结构,落料凸模(同时又是拉深凹模)的壁厚太薄,强度不够。方案二将修边、切槽、冲孔复合,工序少,生产效率高,但模具结构复杂,安装、调试困难,同时模具强度也较低。方案三将切槽和冲孔组合,由于所切槽与中间孔的距离较近,因此在模具结构上不容易安排,模具强度差。所以较好的这组合方式应该是修边和冲孔组合,而切槽单独进行,如方案四、五。方案四与方案五主要区别在于一个先修边、冲孔后切槽,一个先切槽后修边、冲孔。由于切槽与修边有相对位置关系,而所切槽尺寸比较小,如果先切槽则修边模具上不好安排定位,所以实际选择了方案四,即先修边、冲孔后切槽,然后翻边成形竖立叶片。4 主要工艺计算本次计算主要编写方案四中第一步和第二步的落料与第一次拉深复合及后续拉深的工艺计算。4.1排样设计与计算冲裁所产生的废料分为两种,一是工件的各种内孔产生的废料,它取决于工件的形状,一般不能改变,称为废料;二是由于工件之间的搭边和工件与条料侧面的搭边、板料的料头、料尾而产生的废料,它取决于冲压方式和排样方式,称为工艺废料,提高材料利用率最主要的途径是合理排样使工艺废料尽量小,另外在满足工件使用要求的前提下,适当的改变工件的结构形状也可以提高材料的利用率。 本工件的冲裁毛坯是简单的圆形件,可直接排样,常用的排样方法有三种:(1)有废料排样:指沿工件全部外形冲裁,工件与工件、工件与条料边缘都留有搭边,此种排样的缺点是材料利用率低,但有了搭边就能保证冲裁件的质量,模具寿命也高;(2)少废料排样:指模具只沿着工件部分外形轮廓冲裁,只有局部搭边的存在;(3)无废料排样:指工件与工件之间及工件与条料侧边之间均无搭边的存在,模具刃口沿条料顺序切下,直接获得工件。少废料、无废料排样的缺点是工件质量差,模具寿命不高,但这两种排样可以节省材料,还具有简化模具结构、降低冲裁力和提高生产率等优点。根据本零件的特点,适合采用有废料直排的方式,如图4.1。图4.1排样图冲裁搭边值可以按表4.1选取,取沿边搭边值=1.5mm,工作间搭边值=1.2mm。表4.1 最小搭边值材料厚度t工作间侧面工作间侧面工作间侧面0.25以下1.82.02.22.52.83.00.250.51.21.51.82.02.22.50.50.81.01.21.51.81.82.00.81.20.81.01.21.51.51.81.21.61.01.21.51.81.82.01.62.01.21.51.82.52.02.22.02.51.51.82.02.22.22.52.53.01.82.22.22.52.52.8本模具采用无侧压装置,由表4.2可得条料与导料板间间隙最小值为0.5mm。表4.2 导料板与条料之间的最小间隙Cmin材料厚度无侧压装置条料宽度B100以下1002002003000.50.50.510.510.50.51120.511230.5114.2 落料尺寸落料尺寸即零件的平面展开尺寸,叶轮零件基本形状为圆形,因此落料形状也应该为圆形,需确定的落料尺寸为圆的直径。根据叶轮零件图,不能直接得到凸缘尺寸。在计算落料尺寸之前,要将竖立叶片“放平”,转化为平凸缘筒形拉深成形件后再计算落料尺寸。严格来讲,叶轮成形“竖直”叶片的工序属于平面外凸曲线翻边。但根据零件图,由于翻转曲线的曲率半径比较大,为简化计算可以近似按弯曲变形来确定展开尺寸,如图4.2所示。因为弯曲半径r=0.510.5t=1,所以可以按弯曲坯料展开的计算公式计算。经计算,叶片展开后,凸缘尺寸为76(单位mm,下同)。d凸/d=76/25.5=2.9(mm)查表4.3,可取修边余量为2.2.因此凸缘直径为:76+2.22=80.4(mm)表4.3 有凸缘圆筒形拉深件的修边余量凸缘直径d凸缘的相对直径d凸/d1.5以下1.5222.52.5251.81.61.41.225502.52.04.81.6501003.53.02.52.21001504.33.63.02.51502005.04.23.52.72002505.54.63.82.82506543取凸缘尺寸为80,于是得到叶轮拉深成形尺寸,如图4.3所示。根据叶轮拉深成形尺寸,可以算出零件总表面积A约为5890。按照一般拉深过程表面积不变的假设,可得到落料直径 D= = =86.6(mm) 因圆角半径较小,近似计算落料直径 D= = =87.88(mm) 最后取落料直径D=87(mm)图4.2 叶轮叶片的展开图4.3 叶轮拉深成形尺寸(按料厚中心线标注)4.3 计算条料宽度与送料步距条料宽度B: 其中 垂直送料方向上零件尺寸 条料与导料板之间的间隙 条料宽度公差值,查表4.4由公式得: mm =90.5mm取条料宽度为90mm。送料步距S: S=87+1.2 =88.2mm材料利用率: 100% 74%表4.4 条料宽度偏差条料宽度B材料厚度t1122335500.40.50.70.9501000.50.60.81.01001500.60.70.91.11502200.70.81.01.24.4 压力中心的确定模具压力中心是指冲压合力的作用点位置,为了确保压力机和模具正常工作,应使冲模的压力中心和压力机的压力中心相重合。对于带有模柄的冲压模,压力中心应通过模柄的轴心线,否则会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷,使滑块和导轨之间产生过大的磨损,模具导向零件加速磨损,降低模具和压力机的使用寿命。冲模的压力中心,可按下述原则来确定:(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、多凸模的压力中心可用解析计算法求出。因为该工件为圆形旋转体工件,所以其压力中心在其轴心线上。4.5 拉深道次及各道次尺寸叶轮拉深成形后为带阶梯的宽凸缘件,成形较为困难,需多次拉深。根据图4.3所示叶轮拉深件形状,成形过程可分为两个步骤:首先,按宽凸缘件拉深成形方法,拉成所要求凸缘直径的筒形件(内径本科毕业设计说明书 题 目: 水泵叶轮冲压工艺 与模具设计 院 (部): 专 业: 班 级: 姓 名: 学: 号 指导教师: 完成日期: I 目 录 摘 要.III ABSTRACT.IV 第一章 前 言.1 1.1 选题背景 .1 1.2 课题相关调研 .1 1.2.1 本课题及相关领域的国内外现状及发展 .1 1.2.2 模具技术的发展现状 .2 第二章 工艺分析计算 .3 2.1 零件及其冲压工艺性分析 .3 2.2 确定工艺方案 .4 2.3 主要工艺参数计算 .7 2.3.1 落料尺寸 .7 2.3.2 拉深道次及各道次尺寸 .9 第三章 模具设计 .14 3.1 落料、拉深复合模 .14 3.1.1 模具结构 .14 3.1.2 模具工件部分尺寸及公差计算 .15 3.2 修边冲孔模 .17 3.2.1 模具结构 .18 3.2.2 模具工件部分尺寸及公差计算 .18 3.3 切槽模 .21 3.3.1 模具结构 .21 3.3.2 模具工件部分尺寸及公差计算 .22 II 3.4 翻边模 .23 3.4.1 模具结构 .23 3.4.2 模具工件部分尺寸及公差计算 .24 第四章 结 论 .27 参考文献 .28 谢 辞.29 III 摘 要 水泵叶轮是微型汽车上发动机冷却系统中离心式水泵的重要零件。本文分析了水泵 叶轮零件的结构特点, 计算了该叶轮的展开尺寸, 确定了该工件的冲压成形工艺及各工 序尺寸, 对全套模具的总体结构设计进行了比较详细的论述,并在此基础上确定了叶轮 冲压模具零件的具体结构和尺寸,在生产合格零件的基础上尽量提高生产效率,降低生 产成本。主要介绍了叶轮零件冲压成形应包括的基本工序方案,工艺参数计算,模具结 构设计、尺寸等。 关键词:水泵叶轮; 冲压; 工序; 模具设计 The Pressing Process Analysis and Die Design of Pump Impeller IV ABSTRACT The pump impeller is an important parts of the centrifugal pumps which was used for the minicars engine cooling system. The structure characteristics of the pump impeller were analyzed, and calculated the expanding dimension of this parts, determined pressing forming process of the pump impeller and dimensions of each working procedure, and described the structure design of whole sets of dies in detail, And on that basis determine the structure and size ofthe impeller stamping die specific parts. To maximize production efficiency and reduce production costs in the production of qualified on the basis of parts. Main introduction of this text leaf round project of basic work preface for spare parts washing pressing take shaping should including; The craft counts the calculation; Molding tool construction design, size.etc. Key words: pump impeller; pressing process; die design; 1 第一章 前 言 1.1 选题背景 在现代汽车工业中,微型汽车上发动机冷却系统离心式水泵内叶轮由铸铁等金属或 工程塑料制成,采用向后弯曲的半圆弧、双圆弧或多圆弧形叶片,其叶型与水流方向一 致,泵水效率较高。塑料叶轮容易实现小型化和轻量化,且耐腐蚀性能好,有越来越多 的汽车发动机水泵使用了塑料叶轮。但塑料叶轮容易开裂或叶轮磨损后从泵轴上松脱, 使冷却液循环速度变慢,容易引起发动机温度过高的故障。损坏的叶轮在旋转时还可能 撞击水泵壳体,造成壳体碎裂。铸铁制成的水泵叶轮机械强度较高,但其质量较大。因 此一种能综合现在采用材料优点而又避其缺点的产品就应时而生了。 1.2 课题相关调研 水箱在汽车的冷却、散热中有着重要的作用。因为汽车的冷却系统是用来为发动机 散热的,一般常见的发动机过热问题。发动机是由冷却液的循环来实现的,强制冷却液 循环的部件是水泵,它由曲轴皮带带动水泵叶轮推动冷却液在整个系统内循环。 为了保证冷却效果,汽车冷却系统一般由以下几部分组成:散热器、节温器、水泵、 缸体水道、缸盖水道、风扇等组成。据资料显示:导致汽车抛锚的故障中,冷却系统故 障位居第一。由此可见,汽车冷却系统保养对汽车安全运行起着重要的作用。 叶轮用于微型汽车上发动机冷却系统的离心式水泵内,工件时以 1500-3000r/min 左右的速度旋转,使冷却水在冷却系统中不断地循环流动。为保证足够的强度和刚度, 叶轮采用厚度为 2mm 的 Al 脱氧镇静钢冷轧板。 1.2.1 本课题及相关领域的国内外现状及发展 模具工业是国民经济的基础工业,是国际上公认的关键工业,工业发达国家称之为 “工业之母” 。模具成型具有效率高,质量好,节省原材料,降低产品成本等优点。采用 模具制造产品零件已成为当今工业的重要工艺手段。模具在机械,电子,轻工,纺织,航 空,航天等工业领域里,已成为使用最广泛的工业化生产的主要工艺装备,它承担了这些 2 工业领域中 60%-80%产品零件,组件和部件的加工生产。 “模具就是产品质量” , “模具就 是经济效益”的观念已被越来越多的人所认识和接受。在中国,人们已经认识到模具在制 造业中的重要基础地位,认识更新换代的速度,新产品的开发能力,进而决定企业的应变 能力和市场竞争能力。目前,模具设计与制造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。 1.2.2 模具技术的发展现状 随着科学技术的不断进步和工业生产的迅猛发展,冷冲技术及模具不断革新和发展, 中国模具工业和技术的主要发展方向包括: 提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平; 在模具设计制造中广泛应用 CAD/CAE/CAM 技术;为了加快产品的更新换代,必须 缩短工装的设计和制造周期,从而开展了模具的计算机辅助设计和辅助制造的研 究,采用该技术,模具设计和制造效率一般可提高 23 倍,模具生产周期可缩 短 1/22/3.目前,已达到 CAD/CAM 一体化,模具图纸只是作为检验模具之用. 大力发展快速制造成形和快速制造模具技术; 在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术; 提高模具标准化水平和模具标准件的使用率; 发展优质模具材料和先进的表面处理技术; 逐步推广高速铣削在模具加工的应用; 进一步研究开发模具的抛光技术和设备; 研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程; 开发新的成形工艺和模具。 3 第二章 工艺分析计算 2.1 零件及其冲压工艺性分析 叶轮用于微型汽车上发动机冷却系统的离心式水泵内,工件时以 1500-3000r/min 左右的速度旋转,使冷却水在冷却系统中不断地循环流动。为保证足够的强度和刚度, 叶轮采用厚度为 2mm 的钢板。 叶轮材料为钢 08Al。该材料按拉深质量分为三级:ZP(用于拉深最复杂零件) , HF(用于拉深很复杂零件)和 F(用于拉深复杂零件) 。由于形状比较复杂,特别是中 间的拉深成形难度大,叶轮零件采用 ZF 级的材料,表面质量也为较高的 级。表 2-1 列出 08AlZF 的力学性能。 MPas/10 () bS/)/(MPab 不小于 260300 200 44 0.66 图 2-1 叶轮零件示意图 为减轻震动,减小噪声,叶轮零件的加工精度有一定的要求。除了 7 个叶轮形状和 尺寸应一致外,叶轮中部与固定轴配合部位的要求也较高。由于靠冲压加工难以达到直 表 2-1 08AlZF 的力学性能 4 径 1.0823 和 01.7 以及高度尺寸 12.054 的要求,实际生产中采用了冲压成形后再切 削加工的办法(需进行切削加工的表面标有粗糙度,图 2-1) 。冲压成形后要留有足够 的机加余量,因此孔 1.0823 和 01.7 的冲压尺寸取为 5.23和 .1。 直径 5.1为一般要求的自由尺寸,冲压成形的直径精度的偏差大于拉深直径的极 限偏差。但高度尺寸 6.精度高于附表中的尺寸偏差,需由整形保证。 初步分析可以知道叶轮零件的冲压成形需要多道工序。首先,零件中部是有凸缘的 圆筒拉深件,有两个阶梯,筒底还要冲 5.的孔;其次,零件外圈为翻边后形成的 7 个“竖立”叶片,围绕中心均匀分布。另外,叶片翻边前还要修边、切槽、由于拉深圆 角半径比较小(0.51) ,加上对叶片底面有跳动度的要求,因此还需要整形。 对拉深工序,在叶片展开前,按料厚中心线计算有 中 径外 径 dD 5.13264.53 1.4, 并且叶片展开后凸缘将更宽,所以属于宽凸缘拉深。另外,零件拉深度大(如最小 价梯直径的相对高度 h/d=20.5/13.5=1.52, 远大于一般带凸缘筒形件第一次拉深许可的最大相对拉深高度) ,所以拉深成形比 较困难,要多次拉深。 对于冲裁及翻边工序,考虑到零件总体尺寸不大,而且叶片“竖直”后各叶片之间 的空间狭小,结构紧凑,另外拉深后零件的底部还要 5.6冲的孔,所以模具结构设计 与模具制造有一定难度,要特别注意模具的强度和刚度。 综上所述,叶轮由平板毛坯冲压成形应包括的基本工序有:冲裁(落料、冲孔、修 边与切槽) 、拉深(多次拉深) 、翻边(将外圈叶片翻成竖直)等。由于是多工序、多套 模具成形,还要特别注意各工序间的定位。 2.2 确定工艺方案 由于叶轮冲压成形需多道次完成,因此制定合理的成形工艺方案十分重要。考虑到 生产批量大,应在生产合格零件的基础上尽量提高生产率效率,降低生产成本。要提高 生产效率,应该尽量复合能复合的工序。但复合程度太高,模具结构复杂,安装、调试 5 困难,模具成本提高,同时可能降低模具强度,缩短模具寿命。根据叶轮零件实际情况, 可能复合的工序有:落料与第一次拉深;最后一次拉深和整形;修边、切槽;切槽;冲 孔;修边、冲孔;切槽、冲孔。 根据叶轮零件形状,可以确定成形顺序是先拉深中间的阶梯圆筒形,然后成形外圈 叶片。这样能保持已成形部位尺寸的稳定,同时模具结构也相对简单。 修边、切槽、冲孔在中间阶梯拉深成形后以及叶片翻边前进行。为保证 7 个叶片分 度均匀,修边和切槽不要逐个叶片地冲裁。 因此叶轮的冲压成形主要有以下几种工艺方案: 方案一: 1)落料; 2)拉深(多次); 3)整形; 4)修边; 5)切槽; 6)冲孔; 7)翻边。 方案二: 1)落料与第一次拉复合; 2)后续拉深; 3)整形; 4)切槽、修边、冲孔复合; 5)翻边。 方案三: 1)落料与第一次拉深复合; 2)后续拉深; 3)整形; 4)切槽、冲孔复合; 5)修边; 6)翻边。 方案四: 6 1)落料与第一次拉深复合; 2)后续拉深; 3)整形; 4)修边、冲孔复合; 5)切槽; 6)翻边。 方案五: 1)落料与第一次拉深复合; 2)后续拉深; 3)整形; 4)切槽; 5)修边、冲孔复合 6)翻边。 方案一复合程度低,模具结构简单,安装、调试容易,但生产道次多,效率低,不 适合大批量生产。 方案二至五将落料、拉深复合,主要区别在于修边、切槽、冲孔的组合方式以及顺 序不同。需要注意的是,只有当拉深件高度较高,才有可能采用落料、拉深复合模结构 形式,因为浅拉深件若采用落料、拉深复合模具结构,落料凸模(同时又是拉深凹模) 的壁厚太薄,强度不够。 方案二将修边、切槽、冲孔复合,工序少,生产率最高,但模具结构复杂,安装、 调试困难,同时模具强度也较低。 方案三将切槽和冲孔组合,由于所切槽与中间孔的距离较近,因此在模具结构上不 容易安排,模具强度差。所以较好的组合方式应该是修边和冲孔组合,而切槽单独进行, 如方案四、五。 方案四与方案五主要区别在于一个先修边、冲孔后切槽,一个先切槽后修边、冲孔。 由于切槽与修边有相对位置关系,而所切槽尺寸比较小,如果先切槽则修边模具上不好 安排定位,所以实际选择了方案四,即先修边、冲孔后切槽,然后翻边成形竖立叶片。 7 2.3 主要工艺参数计算 2.3.1 落料尺寸 落料尺寸即零件平面展开尺寸,叶轮零件基本形状为圆形,因此落料形状也应该为 圆形,需确定的落料尺寸为圆的直径。 带有凸缘的筒形拉深成形件,展开尺寸有关公式计算。但根据叶轮零件图,不能直 接得到凸缘尺寸。在计算落料尺寸之间,要将竖立的叶片“落料尺寸。 150?12.3 实 际 翻 边 翻 转 曲 线 简 化 计 算 的 翻 转 曲 线 15.1 图 2-2 叶 轮 叶 片 的 展 开 严格来说,叶轮成形“竖直”叶片的工序属于平面外凸曲线翻边。但根据零件图, 由于翻转曲线的曲率半径比较大,为简化计算可以近似按弯曲变形来确定展开尺寸,如 图 2-2 所示。因为弯曲半径 r=0.510.5t=1, 所以可以弯曲坯料展开的计算公式计算。经计算,叶片展开后,凸缘尺寸为 76(单 位 mm, ) 。 98.25/76d凸 , 由文献【10】表 4-5 的公式,可取修边余量为 2.2。 因此凸缘直径为: 76+2.2=80.4 取凸缘尺寸 80,于是得到叶轮拉深成形尺寸,如图 2-3 所示。 8 80 25.5 13.5 20.5R2 R1.5R2 R2 按 料 厚 中 心 线 标 注 4.5 图 2-3 叶 轮 拉 深 成 形 尺 寸 根据叶轮拉深成形尺寸,要以算出零件总体表面积 A 约为 5890 2m。按照一般拉 深过程表面积不变的假设,可得到落料直径 D= 6.814.3/590/4A 因圆角半径较小,近似由公式计算落料直径: )(2123hddD (公式 2-1) 代入 1h=16, 2=4.5, 5, ., 803d得 8.7D。最后取落 料直径 D=87. 落料尺寸确定后,需要确定排样方案。圆形件排样比较简单,根据本例中零件尺寸 大小,可采用简单的单排排样形式。 2.5 2 2 92 冲裁搭边值,由文献【10】表 2-12 的公式:取沿边搭边值 a=2.5mm,工件间搭边值 =2mm。1a图 2-4 排样图 9 2.3.2 拉深道次及各道次尺寸 叶轮拉深成形后为带阶梯的宽凸缘件,成形较为困难,需多次拉深。根据图 12-12 所示叶轮拉深件形状,成形过程可分为两个步骤:首先按宽凸缘件拉深成形方法,拉成 所要求凸缘直径的筒形件(内径 5.23、凸缘直径 80) ,然后,若将由内径 5.23的筒 形部分逐次拉成内径 .1的阶梯,视为拉深成内径为 5.1直筒件的中间过程,则可以 近似用筒形件拉深计算方法计算阶梯部分(内径 )的成形,但应保证首次拉深成 形后的凸缘尺寸在后续拉深过程中保持不变。以下尺寸按料厚中心线计算。 1、由 87毛坯拉成内径 5.23、凸缘直径 87的圆形件: 判断能否一次拉成。 带凸缘筒形件第一拉深的许可变形程度可用对应于 1d凸 和 0Dt不同比值的最大 相对拉深高度 1dh来表示。根据图 2-3,对叶轮零件, 14.352801凸 , 29.0t。 由文献【10】表 4-20 查得 dh。 内径 5.23的圆筒件高度未定。可以先确定拉深圆角半径,然后求出直径 87的毛 坯拉成内径为 的圆筒件高度,最后利用 1dh判断能否一次拉出。 取圆角半径 mRr21。按公式可求出拉深高度 2.135.2403.8075.2)(14.0)(3.)(5.0 2121 RrdrdDh凸 因 .3,所以一次拉不出来。 在凸缘件的多次拉深中,为了保证以后拉深时凸缘不参加变形,首先拉深时,拉入 凹模的材料应比零件最后拉深部分所需要材料多一些(按面积计算) ,但叶轮相对厚度 较大,可不考虑多拉材料。如果忽略材料壁厚变化,凸缘内部形状在拉深过程应满足表 面积不变条件。 用逼近法确定第一次拉深直径计算见表 2-2: 表 2-2 毛坯拉深直径 10 相对凸缘 直径假定 1/dN凸 毛坯相对厚度 0Dt第一次拉深直径 Nd/1凸 实际拉深系 数 Ddm/1 极限拉深 系数 1m 拉深系数差值 1m 1.2 2.29 672.8010.77 0.49 +0.28 1.4 2.29 54.d0.66 0.47 +0.19 1.6 2.29 06.810.57 0.45 +0.12 2.0 2.29 4.2d0.46 0.42 +0.04 2.2 2.29 36.8010.41 0.40 +0.01 2.4 2.29 .2d0.38 0.37 +0.01 2.8 2.29 98.010.33 0.33 0.0 实际拉深系数应该适当大于极限拉深系数,因此可以初步取第一次拉深直径为 36mm(按料厚中心计算) 。 计算第二次拉深直径 第二次拉深的极限拉深系数 75.03.2m。考虑到叶轮材料为 08AlZF,塑性 好,同时材料厚度较大,极限拉深系数可适当降低。取 71.02m, 6.21.6212d 。 为了便于后续拉深成形,第二拉深直径可取为 25.5mm,此时的拉深系数为:7.03/5.12m 一、二次拉深的圆角半径 R91凹 , mR42凹 。 凸 可取与凹模圆角半径 相等或略小的值 凹凸R)6.0( 所以可以取 1凸 , 2凸 。考虑到叶轮最终成形后圆角半径较 小,实际取 m2凸凸 。 计算第一、二次拉深高度 根据公式,第一次拉深高度: 11 1.47361.074.8073625.)(14.0)(43.)(25.0 2212121 RrdrdDh凸 第二次拉深高度: 7.15.2054.8075.2)(4.0)(43.0)(25.0 22222 rdrdh凸 校核第一次拉深相对高度零件 39.06/1.41dh , .36801凸 , 9.10Dt, 5 ,考虑到材料塑性好,故可以拉成。 2、由内径 .拉出内径 .的阶梯: 阶梯形件拉深与圆筒形件拉深基本相同,每一阶梯相当于相应的圆筒形件拉深。下 面用筒形件拉深计算方法近似计算阶梯部分(内径 5.1)的成形。 由内径 5.23拉出内径 5.1的阶梯,总拉深系数 53.02/.3m。查由文献 【10】表 4-15,筒形件第三次拉深的极限拉深系数 786,所以该阶 梯部分不能一次拉成,需多次拉深成形。 筒形件拉深的极限拉深系数 80.7.4m, 2.0.5。实际拉深系数 在各次拉深中应均匀分配。考虑到最后一次拉深时材料已多次变形,拉深系数应适当取 大一些。于是阶梯部分采用三次拉深,拉深系数分别为 76.3m、 9.4,87.05m 。各次拉深直径分别为 第三次拉深(第一次阶梯拉深): 5.19.23d(内径 .) 第四次拉深(第二次阶梯拉深): 4m(内径 3) 第五次拉深(第三次阶梯拉深): .5(内径 .1) 忽略材料壁厚的变化,按表面积不变的条件可以计算出各次深的高度: 7.163h , 4.9, .205h。 最后结果如图 2-5 所示: 12 15.7R4R4 23.5 80 b.第 二 次 拉 深 16.7R1 R1 17.5 23.5 80 c.第 三 次 拉 深 R1R1 d.第 五 次 拉 深 +变 形 19.4R1R1R0.5 R1 11.5 23.5 80 14.1 2 R6 R6 80 34 a.落 料 拉 深 工序一、二由 87毛坯拉成内径 5.23,凸缘直径 80的圆筒件。第一道工序为落 料、拉深,落料直径 mD0,然后拉深成凸缘直径为 80mm 的筒形件,该凸缘直径 在后续成形过程中保持不变。落料、拉深由一套模具完成。工序二为宽凸缘筒形件的二 次拉深。 工序三、四、五为由内径 5.23的筒形拉出内径 5.1小台阶的阶梯拉深过程。工序 五在拉深成形结束后还带有整形,主要目的是将凸缘整平,同时减小圆角半径,以达到 零件图要求。 经验证,上述工艺方案是完全可行的。 图 2-5 叶 轮 拉 深 工 序 图 13 3、落料、拉深冲压力落料力的计算按下式 kNDtF17024871.33.1落 一般可取 b8.0。 拉深力计算,由 31Ktdb拉 公式: 代入数据,最后得 kNF7.53.0284. 拉 拉深力出现在落料力之后。因此最大冲压力出现在冲裁阶段。选用落料、拉深复合 结构(见图 12-4),可计算出最大冲压力为 推顶落 Fmax 经计算, kNF190ax推顶落 所以选择吨位为 250kN 的压力机,即 J23-25。 14 第三章 模具设计 如前所述,模具设计包括模具结构形式的选择与设计、模具结构参数计算、模具图 绘制等内容。 3.1 落料、拉深复合模 3.1.1 模具结构 模具结构如图 3-3 所示。落料拉深复合模:该结构落料采用正装式,拉深采用倒装 式。模座下的缓冲器兼作压边与顶件装置。推件一般采用打杆的刚性推件装置。该结构 上模部分简单,其缺点是拉深件留在刚性卸料板内,不易出件,带来操作上的不便,并 影响生产率。适用于拉深深度较大、材料较厚的情况。考虑到叶轮零件相对厚度较厚, 因此采用这种模具结构。条料送进时,冲首件时以目测定位,待冲第二个工件时,则用 挡料销定位。模具工作时,用模具下面的弹性装置提供压边力,模具结构简单。压边力 是通过顶杆传到压边圈上进行压边的。拉深行程最后,推件块和凸模靠拢对工件施压, 使工件底部平整。工件制出后,上模上行,打杆和推件块起作用,把工件从凸凹模中推 出。 图 3-1 所 示 的 为 落 料 、 拉 深 复 合 模 结 构 15 1-内六角螺钉 2-顶杆 3-内六角螺钉 4-下模座 5-挡料销 6-内六角螺钉 7-支架 8-压边圈 9-凹模 10-上模座 11-导套 12-凸模固定 13-圆柱销 14-凸凹模 15-内六角螺钉 16-模柄 17-螺母 18-打杆 19-推件块 20-凸模 21-内六角螺钉 22-圆柱销 23-导柱 3.1.2 模具工件部分尺寸及公差计算 落料、拉深复合模 落料凸模和凹模为圆形,所以可以采用单独加工。落料毛坯直径可取未注公差尺寸 的极限偏差,故取落料件的尺寸及公差为: 087. 按公式 35.0035.0 786).()( 凹凹 xD 式中 x=0.5,查文献【10】4-48 表, 凹 查文献【10】4-46 02.02.0min 386)1.287.05()2( 凸凸 Cx 式中 13.0minC,查文献【10】4-46,同时有 maxC,2凸 ,查文献【10】4-48 表: 14.026.3.0205.2.5. minax 凸凹 凹模轮廓尺寸的确定: 凹模轮廓尺寸包括凹模板的平面尺寸 BL 及厚度尺寸 H. 据公式 L=l+2c B=b+2c (公式 3-1) 其中 c=(35-45) 故 mclL )32.17.56()43(2.86BFKH.490.7.1.03321 凹模结构如图: 16 2- 10 4-M12 29 90.3 86.3 860? 1.6 0.8 0.8 装 后 磨 平 47.5 图 3-2 落料凹模 模架的选择:(160160) 上模座:16016045 下模座:16016055 导柱:28200 导套:2811043 模柄:4060 模具闭合高度 mh为: mm 218 凸 凹 模 伸 入 凹 模 长 度凹 模 高凹 凸 模 高上 模 板 厚下 模 板 厚 查所选设备 J23-25 的参数,最大闭合高度为 250mm,最小闭合高度为 180mm。 封闭高度应该满足 105minmaxHh (公式 3-2) 所以该封闭高度是适合的。 拉深模设计: 首次拉深件按未注公差尺寸的极限偏差考虑,并标注内形尺寸。故拉深件的尺寸公 差为 62.034 由公式: 1.01.00 539)426.043()24.( 凹凹 cdD 式中 c 取为 mt.12;凹 取为 0凹 ; 17 07.062.0 534)4.3()4.( 凸凸 d图 取为 m07.凸 。 3.2 修边冲孔模 模具结构如图 3-3 所示。修边由件修边凹模完成,而冲孔由冲孔凸模和冲孔凹模完 成。冲裁完成后,工件卡在冲孔凹模内,由模柄内的打杆、推件板、推杆以及推件块共 同退出工件。 3.2.1 模具结构 图 3-3 修 边 冲 孔 模 1-下模座 2-冲孔凹模 3-修边凹模 4-凸模固定板 5-垫板 6-上模座 7- 圆柱销 8-模柄 9-六角螺母 10-打杆 11-打件板 12-内六角螺钉 13-推杆 14-导套 15-冲孔凸模 16-推件块 17-导柱 18-修边凸模 19-圆柱销 20-内六角螺钉 如果将工件颠倒放置,冲孔凸模从筒形件外进入,由冲孔凹模的壁厚将很薄,强度 不够,因此冲孔凸模只能从筒形内部进入。但这样凸模长度增加,因此应注意凸模刚性。 18 3.2.2 模具工件部分尺寸及公差计算 该步工序的毛坯为上一工序的零件, 间隙 x=0.5246.0minZ360.maxZ 制造公差 凸2凹65. 冲孔凸模 02.02.0 3).()( pxdp 冲孔凹模: 02020mind 78.6)4.65.6()2(d 。, C 凹模轮廓尺寸的确定: 凹模轮廓尺寸包括凹模板的平面尺寸 BL 及厚度尺寸 H. 据公式 L=l+2c B=b+2c 其中 c=(4.27-5.70) 故 mclL )18.32.5()70.2.4(78.62 BmKbH.0 式中 C=(1.5-2)= (4.27-5.70) 冲裁力: KNLtFb 2805)430(27614.33.1 修边凹模轮廓尺寸的确定: 据公式 L=l+2c B=b+2c 其中 c=(38-48) 故 mclL)17248()38(276 B FKH5.90.1.03321 19 修边凹模如图 76 100 160 2- 12 4-M12 45? 20? 图 3-4 修边凹模 模架的选择:(160160) 上模座:16016045 下模座:16016055 导柱:28200 导套:2811043 冲裁力: KNLtFb 2805)430(27614.33.1 故 压力机选用 J23-40 模柄:5070 模具闭合高度 mh为 =45+8+20+55+18+40+55=241 mm。 查所选设备的参数,最大闭合高度为 300mm,最小闭合高度为 220mm。 封闭高度应该满足 105minmaxHh 所以该封闭高度是适合的。 20 3.3 切槽模 模具结构如图 3-5 所示。切槽由 7 个切槽凸模和凹模共同完成。为便于模具制造, 切槽凸模端部与凸模固定板采用铆接。切槽后工件在聚胺脂橡胶的作用下由卸料板退出 凸模。 另外,由于槽与上一道修边外形有相对位置关系,因此冲裁时工件定位要可靠。可 利用修边外形定位,这样操作较为方便。 3.3.1 模具结构 图 3-5 切 槽 模 1-圆 柱 销 2-凹 模 3-定 位 块 4-凸 模 5-凸 模 固 定 板 6-上 模 座 7-内 六 角 螺 钉 8-圆 柱 销 9-模 柄 10-垫 板 11-内 六 角 螺 钉 12-导 套 13- 橡 胶 14-卸 料 板 15-导 柱 16-内 六 角 螺 钉 17-下 模 座 3.3.2 模具工件部分尺寸及公差计算 该步工序的毛坯为上一工序的零件。 21 4- 13.5 110 R1.5 R1.5 23.5+0.0250 1?30 160 0.8 0.8 0.8A 0.15 A 55 0.4 5 76 2- 12 沉 孔 19.5深 13 3 11. 5 凹模轮廓尺寸的确定: 凹模轮廓尺寸包括凹模板的平面尺寸 BL 及厚度尺寸 H. 据公式 L=l+2c B=b+2c 其中 c=(38-48) 故 mclL)17248()38(276 B FKH5.90.1.03321 模架的选择:(160160) 上模座:16016045 下模座:16016055 导柱:28200 导套:2811043 冲裁力: KNLtFb 2805)430(27614.33.1 故 压力机选用 J23-40 模柄:5070 模具闭合高度 mh为 图 3-6 切槽凹模 22 mh=45+8+40+25+12+2+55+55=242 mm。 查所选设备的参数,最大闭合高度为 300mm,最小闭合高度为 220mm。 封闭高度应该满足 105minmaxHh 所以该封闭高度是适合的。 3.4 翻边模 翻边模如图 3-7 所示。 将工件放在模具上并可靠定位后,在翻边凸模和翻边凹模共同作用下将叶片翻成竖 直。工件翻边之前同样应该可靠定位,如果工件发生错移,除了得不到合格零件外,还 有可能操坏模具。翻边过程中工件底部一直受到压力作用,这样能保证成形后叶轮底部 平整。 翻边凹模的工作部位要取较小的圆角,同时要打磨得比较光洁,这样能避免在工件 表面留下加工痕迹。另外,翻边时凸模受到 7 个叶片往顺时针方向的力,因此应该在模 具结构上考虑防转措施。图中凸模凸模固定板之间采用销钉以防止转动。 翻边结束后,垫块和顶件板接触,此时在垫块和顶件板以及凸模共同作用下,对工 件进行整形,以达到所要求尺寸。最后,工件在橡胶作用下又退出翻边凹模。 3.4.1 模具结构 3.4.2 模具工件部分尺寸及公差计算 该步工序的毛坯为上一工序的零件, 弯曲力计算: 根据公式 tcbFp26.0N518331.5.2 23 图 3-7 翻边成形模 1-内六角螺母 2-橡胶 3-打杆 4-圆柱销 5-凹模垫块 6-凹模 7-导柱 8-导套 9-上模座 10-圆柱销 11-模柄 12-内六角螺钉 13-凸模固定板 14-凸模 15-定位块 16-顶件块 17-垫板 18-卸料螺杆 19-内六角螺钉 20-内六角螺钉 21-下模座 总压力: KNLtFb 2805)430(27614.33.1 故 压力机选用 J23-40 凹模轮廓尺寸包括凹模板的平面尺寸 BL 及厚度尺寸 H. 据公式 L=l+2c B=b+2c 其中 c=(4.27-5.70) 故 mclL )18.32.5()70.2.4(78.62 B mKbH.0 式中 C=(1.5-2)= (4.27-5.70) 24 冲裁力: KNLtFb 2805)430(27614.33.1 凹模轮廓尺寸的确定: 凹模轮廓尺寸包括凹模板的平面尺寸 BL 及厚度尺寸 H. 据公式 L=l+2c B=b+2c 其中 c=(38-48) 故 mclL)17248()38(276 B FKH5.90.1.03321 模架的选择:(160160) 上模座:16016045 下模座:16016055 导柱:28200 导套:2811043 模柄:5070 模具闭合高度 mh为 =45+8+40+25+12+2+55+55=242 mm。 查所选设备的参数,最大闭合高度为 300mm,最小闭合高度为 220mm。 封闭高度应该满足 105minmaxHh 所以该封闭高度是适合的。 25 第四章 结论 本课题对微型汽车水泵叶轮冲压工艺的成形过程进行了研究,分析其工艺性,进 行工艺计算并确定模具总体方案,制定成形工艺的工艺流程。根据给定的零件图进行工 艺分析并确定工艺实现方案,确定模具结构并画出模具装配图与主要零件图。 在设计过程中通过对叶轮零件的冲压模具设计,进一步提高了全面运用所学理论 和实践知识,进行冲压加工的工艺规程的制定和冲压模具的设计的能力。也是熟悉和运 用有关手册,图表等技术资料及编写技术文件等基本技能的一次实践机会,为今后的工 作打下良好的基础。 26 参考文献 1中国机械工程协会,中国模具设计大典编委会中国模具设计大典江西科学技术出版社, 20031597,772854 2郑晨升,贺炜CAXA 电子图版实用绘图及二次开发西安电子科技大学出版社,2001 3王芳.冷冲压模具设计指导M.北京:机械工业出版社,1998:15-20. 4郑家贤.冲压工艺与模具设计实用技术M.北京:机械工业出版社,2006:35-41. 5啟翔.冷冲压实用技术等M.北京:机械工业出版社,2006:10-18. 6GB/T1182-1996,GB/T1183-1996,GB/T1184-1996.形状和位置公差(代号及其标注、术语及定 义、未注公差的规定)S:19-20. 7GB/T2851-1990,GB/T2861-1990.冷冲模S:30-32. 8田嘉生,马正颜.冲模设计基础M.北京:航空工业出版社,1994:. 9黄健求.模具制造M.北京:机械工业出版社,2001:45-50. 10王孝培.冲压手册M.北京:机械工业出版社,1990:119-120. 11黄毅宏,李明辉 模具制造工艺学 机械工业出版社 2002.3. 12 姜奎华 冲压工艺与模具设计机械工业出版社. 13 模具实用技术编委会冲模设计应用实例 机械工业出版社 2000 年 9 月第一版. 14 冯炳尧,韩泰荣,蒋文森 模具设计与制造简明手册(第二版)上海科学技术出版社. 27 谢 辞 经过几个月的查资料、整理材料、模具设计、写说明书,今天终于可以顺利的完成 设计。想了很久,要写下这一段谢辞,表示可以进行毕业答辩了,自己想想求学期间的 点点滴历历涌上心头,时光匆匆飞逝,四年多的努力与付出,随着论文的完成,终于让 学生在大学的生活,得以划下了完美的句号。 设计得以完成,首先要感谢任国成老师,因为设计是在老师的悉心指导下完成的。 老师渊博的专业知识,严谨的治学态度,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德, 严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。本设 计从选题到完成,每一步都是在老师的指导下完成的,倾注了老师大量的心血。 老师指引我的设计的方向和架构,并对本设计初稿进行逐字批阅,甚至图纸的每一 个细节,每一个字体,每一个标注,大至模具结构,小至每一个螺钉的选择,指正出其 中误谬之处,使我有了思考的方向,老师的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无 尽的启迪,老师的严谨细致、一丝不苟的作风,将一直是我工作、学习中的榜样。老师 本来就有的教学任务,工作量之大可想而知,但在一次次的帮我修改结构,精确到每一 个细节的批改给了我深刻的印象,使我在设计之外明白了做学问所应有的态度。 在此,谨向老表示崇高的敬意和衷心的感谢。 另外,要感谢在大学期间所有传授我知识的老师,是你们的悉心教导使我有了良好 的专业课知识,这也是论文得以完成的基础。 谢谢!
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