连接片冲压模具设计【冲孔落料复合模】
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XXXX 学 院毕业设计说明书(论文)作 者: 学 号: 学院(系、部): 专 业: 题 目: 连接片冲孔落料模具设计 指导者: 评阅者: 2014年X月 XX毕业设计说明书(论文)中文摘要 本文分析了连接片复合的结构、尺寸、精度和原材料性能,并具体指出了该产品的成型难点;拟定了模冲孔落料模具冲压工艺方案;详细阐述了排样设计方法和过程,确定了该产品需要冲孔、落料的二维和排样图;完成了所有必要的工艺计算,包括模具刃口尺寸、各工位冲压力、总的冲压工艺力、压力中心等;概述了模具概要设计方法,系统的阐述了模具主要零件的结构、尺寸设计及标准的选用。同时阐述了模具的工作过程、各成形动作的协调性并对设备选择和核算进行了较为细致的叙述。关键词 模具 工艺分析 零件设计 模具设计 第IV页毕业设计说明书(论文)外文摘要 Title Design of the Stamping Process and the die for the spring hook AbstractThis paper analyzes the technical characteristics of the spring hook such as configuration dimension precision and the capability of the raw materials .There are including the difficulties of this production in the molding ,studying out the technics of the progressive die ,making sure the layout project and the die general structure. The progressive die could complete thirteen processes that include punching, blanking, bending and so on .It has finished all needed technical count ,including the knife-edge of the mold, the force of ench process , punch technical force of the all process and the stress center of the mold .It summarizes the method of designing this mold .It introduces the design and manufacture of the punch, the die, the stripping device, the pushing device, and the blanking holders in details. And it also expatiates the working process of the die, the coordination about each motion of figurations. Besides it has a section about equipment choosing and proofreading. Keywords bend product progressive-die technical analysis die designXXX学院毕业设计说明书(论文)目录前言1第一章工艺设计31.1零件介绍31.2零件工艺性分析31.3工艺方案的确定6第二章排样设计72.11 毛坯排样设计72.2材料的利用率7第三章工艺计算93.1冲压工艺力的计算93.1.1冲裁力计算93.1.2卸料、顶件力的计算103.2压力中心计算11第四章模具总体概要设计124.1模具概要设计124.2模具零件结构形式确定134.2.1定位机构144.2.2144.2.315第五章模具详细设计165.1工作零件165.1.1冲裁凸、凹模175.1.2凸模高度设计185.2定位零件195.2.1导向零件195.2.2挡料零件205.3出件零件205.3.1卸料零件205.3.2顶件零件215.4导向零件215.5其他零件22第六章设备选择236.1设备吨位确定236.2设备校核23第七章结论24致谢25参考文献26前言 冲压加工技术应用范围十分广泛,在国民经济各工业部门中,几乎都有冲压加工或冲压产品的生产。冲裁是冲压工艺的最基本工序之一。冲裁是利用模具使板料的一部分沿一定的轮廓形状与另一部分产生分离以获得制件的工序。 如冲裁的目的在于获得一定形状和尺寸的内孔,封闭曲线以外部分为制件称为冲孔;冲裁的目的在于获得具有一定外形轮廓和尺寸的制件,封闭曲线以内的部分为制件称为落料。显著提高了劳动生产率和设备利用率。 如拉伸模是将板弯成一定形状和角度的零件的成形方法,是板料冲压中加工工序之一。冲压生产主要是利用冲压设备和模具实现对金属材料(板料)的加工过程。所以冲压加工具有如下特点:1)生产效率高、操作简单、内容实现机械化和自动化,特别适合于成批大量生产;2)冲压零件表面光滑、尺寸精度稳定,互换性好,成本低廉;3)在材料消耗不多的情况下,可以获得强度高、刚度大、而重量小的零件;4)可得到其他加工方法难以加工或无法加工的复杂形状零件。由于冲压加工具有节材、节能和生产效率高等突出特点,决定了冲压产品成本低廉,效益较好,因而冲压生产在制造行业中占重要地位。本论文主要对端盖冲压模具设计为主线,依据模具的基本组成部分,采取基础和设计技巧相结合,理论与实践相结合,图例与剖析相结合,模具设计与加工工艺相结合的方式,分析端盖的冲压工艺性,提出设计其模具的多种方案,通过比较分析设计出较合理的模具。同时,从模具的加工工艺的角度出发,分析并提供便于加工的模具结构形式,使模具设计和加工更加紧密的结合在一起。本论文在设计时广泛吸收了国内外各个领域成熟的经验和最新的参考资料,并在模具的成型零部件等关键部位采用了国内外的优质模具钢。为了顺应形势发展的需要,在技术上也有一定的创新,使用了计算机辅助设计来绘图,像PRO/E、AUTOCAD等,达到优化设计的目的。毕业设计是按检阅资料、学习、消化、吸收、创新的思路进行的。 第一章 工艺设计1.1 零件介绍本次毕业设计的产品见图1.1所示,材料为厚1mm的H62-M铜板料,要求批量为中批量。该零件属于典型的冲裁件。图1.1连接片零件图1.2 零件工艺性分析零件尺寸:图中零件的标注公差的为IT12级精度,其余未注由图中技术要求可知为IT14级,零件的尺寸较小,成形的位置较为紧凑,成形比较简单。零件材料为H62-M钢,有很良好的塑性,料厚为1mm属薄料,冲压性能良好。 零件的结构:零件需要经过一次冲裁,零件的结构比较对称,冲压性能仍然很良好。 综上所述,得到结论:零件具有较好的可冲压性。1.3 工艺方案的确定 工艺方案的内容是确定冲裁件的工艺路线,主要包括确定工序数、工序的组合和工序的顺序安排等,应在工艺分析的基础上制定几种可能的方案,再根据工件的批量、形状、尺寸等方面的因素,全面考虑、综合分析,选取一个较为合理的方案。 冲裁工序按工序的组合程度可分为单工序冲裁、复合冲裁和级进冲裁。 复合冲裁是在压力机的一次行程中,在模具的同一位置同时完成两个或两个以上的工序;级进冲裁是把一个冲裁件的几个工序,排列成一定顺序,组成级进模,在压力机的一次行程中,模具的不同位置同时完成两个或两个以上的工序,除最初几次冲程外,每次冲程都可以完成一个冲裁件。该工件包括冲孔、落料、拉伸三个基本工序,可以有以下三种工艺方案:方案一:先落料,再冲孔。采用单工序模生产。方案二:落料冲孔。采用复合模具生产。方案三:冲孔落料级进冲压。采用级进模生产。方案一结构简单,但须两道工序、两副模具才能完成,生产效率也低,如此则浪费了人力、物力、财力,从经济的角度来考虑不妥当,难以满足大批量的生产要求。 方案三是一种多工位、效率高的加工方法,但级进模轮廓尺寸较大,制造复杂,成本较高,一般适用于大批量、小型冲压件。而且工作周期长,模具结构复杂,生产成本过高。方案二采用模具具生产,只需一副模具即可成型,模具结构紧凑,冲出的制件的精度及生产效率都比较高,适合大批量生产。冲裁薄材小型拉伸件,模具制造工作量比级进模低。通过上述三种方案的分析比较,该工件的冲压生产采用方案二为佳。第二章 排样设计2.1毛坯排样设计在进行模具设计时,首先要设计条料排样图,条料排样图的设计是模具设计时的重要依据。模具条料排样图设计的好坏,对模具设计的影响是很大的,排样图设计错误,会导致制造出来的模具无法冲制零件。条料排样图一旦确定,也就确定了被冲制零件各部分在模具中的冲制顺序、模具的工位数、零件的排样方式、模具步距的公称尺寸、条料载体的设计形式等一系列问题。在本模具中,排样设计总的原则是先进行冲切废料,然后拉伸,最后切断,并要考虑模具的强度、刚度,结构的合理性。冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样。排样合理就能用同样的材料冲出更多的零件来,降低材料消耗。大批量生产时,材料费用一般占冲裁件的成本的60%以上。因此,材料的经济利用是一个重要问题,特别对贵重的有色金属。排样的合理与否将影响到材料的经济利用、冲裁质量、生产效率、模具结构与寿命、生产操作方便与安全等。排样的意义就在于保证用最低的材料消耗和最高的劳动生产率得到合格的零件。毛坯在板料上可截取的方位很多,这也就决定了毛坯排样方案的多样性。典型毛坯排样:单排、斜排、对排、无费料排样、多排、混合排。根据此次毕业设计的零件结构特征,决定采用单排、中间载体。采用这种毛坯排样的模具结构的相对简单,模具制造较为方便。1.条料搭边值的确定搭边是指排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的剩料。其作用是使条料定位,保证零件的质量和精度,补偿定位误差,确保冲出合格的零件,并使条料有一定的刚度,不拉伸,便于送进,并能使冲模的寿命得到提高。 由参考文献3表2-5得:材料厚度为1mm时,条料长度大于20mm,搭边可以取a=1.5mm,a11.5mm。 2.条料的宽度 条料采用无侧压,可以确定条料与导料销的间隙和条料宽度偏差分别为由参考文献3中公式2-24得 =【24.16+21.5】 =27.16mm 3.步距冲裁模的步距是确定条料在模具中每送进一次,所需要向前移动的固定距离。步距的精度直接影响到冲件的精度。设计连续模时,要合理的确定步距的基本尺寸和精度。步距的基本尺寸,就是模具中相邻工位的距离。连续模任何相邻两工位 距离都必须相等。此次毕业设计的条料为单排,步距的基本尺寸等于冲压件的外形轮廓尺寸和两冲压件间的搭边宽度之和,其步距基本尺寸由参考文献3得: S = L + a式中S-冲裁步距L-沿条料送进方向,毛坯外形轮廓的最大宽度值a-沿送进方向的搭边值该零件的步距确定为: S= L + a=5+1.5 = 6.5mm a) 产品图 d)纵向单排 d)图材料利用率为:78图2.1 排样图示意图毛坯排样图如图所示 2.2 材料的利用率1.排样方式的确定根据冲裁件的结构特点,排样方式可选择为:直排,有废料排样。2.送料进距的确定为了节约材料,应合理的选择搭边值。搭边值过小,会使作用在凸模侧表面上的发向应力沿切口分布不均,降低冲裁质量和模具寿命,故必须使搭边的最小宽度大于冲裁时塑性变形区的宽度,一般可以取材料的厚度。若搭边值小于材料的厚度,冲裁时搭边可能被拉断,有时还会被拉入到凸、凹模间隙中,使零件产生毛刺,甚至损坏模具刃口。搭边值的大小与材料的性能、零件的外形及尺寸、材料的厚度、送料及挡料的方式、卸料方式有关。硬材料的搭边值可以小一些,软材料和脆材料的搭边值应大一些。零件尺寸大或有尖突时,搭边值应大一些,厚材料的搭边值取大一些。第三章 工艺计算3.1 冲压工艺力的计算工艺计算是模具设计的基础,只有正确的计算出各道工序的凸凹模尺寸、冲压力、毛坏尺寸等,才能设计出正确的模具。而且是选用压力机、模具设计以及强度校核的重要依据。为了充分发挥压力机的潜力,避免因超载而损坏压力机,所以计算是非常必要的。工艺计算是选用压力机、模具设计以及强度校核的重要依据。为了充分发挥压力机的潜力,避免因超载而损坏压力机,所以计算是非常必要的。3.1.1冲裁力计算冲裁力是冲裁力、卸料力、推件力和顶料力的总称。冲裁力是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、工件的周长、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。计算冲裁力的大小是为了合理的利用冲压设备和设计模具。选用冲压设备的标称压力必须大于所计算的冲裁力,所设计的模具必须能够传递和承受所计算的冲裁力,以适应冲裁的要求。该模具采用弹性卸料和下方出料方式。总冲压力由冲裁力、卸料力和推件力组成。由于采用复合冲裁模,其冲裁力由落料冲裁力和冲孔冲裁力两部分组成冲裁力是冲裁过程中凸模对材料的压力,它是随凸模行程而变化的。通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值。平刃冲模的冲裁力可按下式计算: (3.1)式中 F冲裁力(N);L零件剪切周长(mm);t材料厚度(mm);材料抗拉强度(MPa)。K系数,一般取K=1.3。 已知零件材料是H62-M铜,取=400Mpa,材料厚度t=1mm,L值由全部冲裁线即冲裁零件周长尺寸组成:1) 落料、冲孔冲裁力。材料H62-M铜的抗拉强度可按 2) 推件力。查表得推件力系数,凹模中的卡件数为2。3) 卸料力。查表得卸料力系数。4) 总冲压力的确定。所以总冲压力=32.8KN。冲压力合力的作用点称为冲模压力中心。冲模压力中心应尽可能和模柄的轴线以及和压力机滑块的中心线重合,以使冲模平稳地工作,减少导向机构滑动件之间的磨损,提高运动精度以及模具和压力机的寿命。冲模压力中心的求法,采用求平衡力系合力作用点的方法。由于绝大部分冲 裁件沿冲裁轮廓的断面厚度不变,轮廓各部分的冲裁力与轮廓长度成正比,所以,求合力作用点可转化为求轮廓线的重心。具体的方法如下:1) 按比例画出冲压轮廓线,选定直角坐标x-y;2) 把图形分成几部分,计算各部分长度L1、L2、.Ln,并求出各部分重心位置的坐标值;3) 按下列公式求出冲模压力中心的坐标值(X0,Y0)由于该零件形状对称,所以压力中心在该零件的中点上坐标值(X0,Y0)。第四章 模具总体概要设计4.1 模具概要设计模是用多个零件按照一定关系装配而成的有机整体,结构是模具的“形”。模具的优劣很大程度上体现在模具结构上,因此冲孔落料模具和拉伸模的结构对模具的工作性能、加工性、成本、周期、寿命等起着决定性作用。在此次模具的结构设计大体可以分为两步:第一步根据工序排样的结果确定模具的基本结构框架,确定组成冲孔落料模具和拉伸模的主要结构单元及形式,对模具制造和使用提出要求;第二步确定各结构单元的组成零件及零件间的连接关系。结构设计的结果是模具装配图和零件明细表。在结构设计中概要设计是模具结构设计的开始,它以工序排样图为基础,根据产品零件要求,确定冲孔落料模具和拉伸模的基本结构框架。结构概要设计包括:(1)模具基本结构:定位方式以及导向方式确定;卸料方式以及出件方式确定;(2)模具基本尺寸:模具工作空间尺寸、各个板的厚度、闭合高度。(3)模架基本结构:模架的类型;导柱与导套选配以及模柄类型的选择。(4)压力机的选择:压力机的类型;压力机规格。4.2 模具零件结构形式确定本模具是用冲孔落料模具完成的如图4.1(a)图。采用自行设计的模架机构导向,弹性卸料板卸料,采用装置顶杆顶料。 4.1(a)模具二维图导料销进行导向,定位板定位,推杆进行推出制件,并完成零件的冲孔、落料工序。模具主要有上模座、凸模垫板(上垫板)、凸制模固定板、卸料板、凸凹模固定板、凹模垫板(下垫板)、定位板、下模座、导柱、导套。冲孔落料模具凹模周界长160mm,宽140mm,模具总长250mm,总宽205mm。模具的闭合高度是219.5mm。凸模固定板用于安装所有冲孔凸模、凹模板用于落料。所有冲孔凸模采用单边挂台固定在卸料板上,装配后磨平。与凹模垫板采用螺钉紧固、销钉定位的方式固定。卸料板是一整块,采用四个螺钉固定。 4.2.1 定位机构为限制被冲材料的进给步距和正确地将工件安放在冲模上完成下一步的冲压工序,必须采用各种形式的定位装置。用于冲模的定位零件有导料销、导料板、挡料销、定位板、导向销、定距侧刃和侧压装置等。定位装置应避免油污、碎屑的干扰并且不与运动机构干涉。定位精度要求较高时,要考虑粗精度和精精度两套装置,分步进行;坯料需要两个以上工序的定位时,它们的定位应该一致。综上所述:在此次模具设计中方向采用带侧刃进行粗定位,导正销精确定位;方向上采用导料板与导正销进行定位。本模具中,侧刃采用成型侧刃的形式。在第一工位时成冲导正孔的凸模同时冲下。在第二工位时,当条料沿着导料板送进一段距离后(一个步距),导料板上的台阶(相当与挡块的作用)挡住条料以阻止条料的继续前进,起到粗定位的作用,上模下行时,导正销首先插入到导正孔中,纠正送料误差,对条料进行精确定位。采用的弹顶结构,在工作的时候可以起到顶料的作用,将条料顶出继续向前送料。4.2.2 卸料机构卸料机构的主要作用是把材料从凸模上卸下,有时也可作压料板用以防止材料变形,并能帮助送料导向和保护凸模等。可分为固定刚性卸料板以及弹性卸料板。在本次模具设计中采用弹性卸料板,弹性卸料板具有卸料和压料的双重作用,多用于冲制薄料,使工件的平面度提高。在拉伸成型时,可以防止条料发生侧移。当上模上行时,卸料板将卡在凸模上的条料推下。同时,在下模部分安装有弹顶装置,上模上行一段距离后,卸料板不再压住条料时,顶件块和浮顶装置将条料顶出最大的成型距离。此时,条料完成了一个工位的成型,向前送进一个步距。4.2.3 导向机构。对生产批量大,要求模具寿命和制件精度较高的冲模。一般应采用导向机构来保证上、下模的精确导向。上、下模导向,在凸、凹模开始闭合前或压料板接触制件前就应该充分的合上。导向机构有导柱、导套机构,侧导板与导板机构和导块机构。在此副模具中由于零件的尺寸较小,对制件的精度要求较高。所以采用四角滚动导柱、导套和旋入式模柄配合,这样的四导柱导向精度比较平稳,精度较高。 第五章 模具详细设计 5.1 工作零件5.1.1冲裁凸、凹模刃口尺寸计算一、冲裁凸、凹模刃口尺寸计算原则计算冲裁凸、凹模刃口的依据为:冲裁变形规律,即落料件尺寸与凹模刃口尺寸相等,冲孔尺寸与凸模刃口尺寸相同。零件的尺寸精度。合理的间隙值。磨损规律,如圆形凹模尺寸磨损后变大,凸模尺寸磨损后变小,间隙磨损后变大。冲模的加工制造方法。因而在计算人口尺寸时应按下述原则进行。 保证冲出合格的零件根据冲裁变形规律,冲孔尺寸等于凸模刃口尺寸,落料件尺寸等于凹模刃口尺寸。因而冲孔时,应以凸模为基准。落料时,以凹模为基准。基准件的尺寸应在零件的公差范围内。冲孔时间隙取在凹模上,落料时间隙取在凸模上。 保证模具有一定的使用寿命新模具的间隙应是最小的间隙,磨损后到最大合理间隙。考虑到冲裁时凸、凹模的磨损,在设计凸、凹模刃口尺寸时,对基准刃口尺寸在磨损后增大的,其刃口的公称尺寸应取工件尺寸公差范围内较小的数值。对基准件刃口尺寸在磨损后减小的,其人口的公称尺寸应取工件尺寸公差范围内较大的数值。这样,在凸凹模磨损到一定程度的情况下,仍能冲出合格的零件。 考虑冲模制造修理方便,降低成本 为使新模具的间隙值不小于最小合理间隙,一般凹模公差标注成+,凸模公差标注成。间隙能保证的条件下不要把制造公差定的太紧。一般模具制造精度比工件精度高2至4级。若零件没有标注公差,对于非圆形见按国家标准“非配合尺寸的公差数值”IT14精度处理。本毕业设计对未标注公差的零件尺寸采用IT12精度处理。二、冲裁刃口尺寸计算方法制造冲模的关键主要是控制凸、凹模刃口尺寸及其间隙合理。由于模具加工方法不同,凸、凹模刃口尺寸计算公式和公差标注也不同。凸、凹模刃口尺寸的计算方法基本上可分为两类,分别加工与配合加工,对于形状复杂或薄料的冲裁件的冲裁,为了保证凸、凹模之间的间隙值,一般采用配合加工。此方法是先加工好其中一件(凸模或凹模)作为基准件,然后以此基准件来加工另一件,使他们之间保持一定的间隙。这种加工方法的特点是 模具间隙是在配制中保证的,因此不需要较核,所以加工基准时可以适当放宽公差,使其加工容易。 尺寸标注简单,只需在基准件上标注尺寸和公差,配制件仅标注基准尺寸并注明配做所留间隙值。 由于形状复杂工件各部分尺寸性质不同,凸模与凹模磨损情况也不同,有变大的、有变小的、也有不变的,必须对有关尺寸进行具体分析后,按前述尺寸计算原则区别对待。查表2-1得模具冲裁间隙值,查表2.11的凸、凹模制造公差:,查表2-4得,因数x=0.75, 取0.2 校核:Zmax-Zmin=0.14-0.10=0.04mm,满足校核条件 1. 冲孔 应以凸模为基准,然后配做凹模。变小的尺寸 这类尺寸就是前面所述冲孔基准件凸模尺寸,应按式:应用公式:增大的尺寸 这类尺寸在冲孔凸模上相当于落料基准件凹模尺寸,应按式计算:无变化的尺寸 这类尺寸可分为以下情况:当孔的尺寸为时 =当孔的尺寸为时 =当孔的尺寸为时 2(1)冲孔 冲2的孔应以凸模为基准,然后配做凹模 (2)落料 应以凹模为基准,然后配做凸模 按计算尺寸和公差制造凸模后,再按凸模刃口实际尺寸并保证最小合理间隙配做凹模。 5.1.2凸模高度设计凸模的长度应根据模具的具体结构确定,同时要考虑凸模的修磨量以及固定板与卸料板之间的安全距离等因素。本模具设计采用弹性卸料板,凸模的长度计算可按下式: L=式中凸模固定板的厚度mm; 卸料板的厚度mm; t材料的厚度mm; h附加长度mm。包括凸模的修磨量,凸模进入凹模的深度,凸模固定板与卸料板之间的安全距离等。一般取h=15至20mm。本次级进模具设计的凸模长度设计是以第六工位拉伸凸模高度h为基准,其余的凸模长度以此为基准进行必要的加长或缩短。 52.1定位零件为了限制被冲材料的进给步距和正确地将工件安放在冲模上完成下一步的冲压工序,必须采用各种形式的定位装置,用于冲模的定位零件有导料销、导料板、挡料销、定位销和恻压装置等。定位装置应可靠并具有一定的强度,以保证工作精度、质量的稳定;定位装置应可以调整并设置在操作者容易观察和便于操作的地方;定位装置应避开油污的干扰并且不与运动机构干涉。定位精度要求较高定位零件的作用是使毛坯(条料或块料)送料时有准确的位置,保证冲出合格的制件。毛坯在模具中的定位有两个内容:一是送料方向上的定位,用来控制送料的进距,通常称为挡料,二是与送料方向上垂直方向的定位,通常称为送进导向。5.2.2 挡料零件导料销或导料板是对条料或带料的侧向进行导向,以免送偏的定位零件。导料销一般设置两个,并在位于条料的同侧,从右向左送料时,导料销装在后侧;从前向后送料时导料销装在左侧。导料销可以设置在凹模面上,也可以设置在弹性卸料板上;还可以设置在固定板或下模座平面上。固定式和活动式的导料销可选用标准结构,通常与挡料销的结构一样。导料销的导向定位多用与单工序模和模具中。5.3 出件零件5.3.1 卸料零件卸料装置有固定卸料装置和弹压卸料装置,弹性卸料装置有卸料板、弹性元件、(弹簧和橡胶)等零件组成。弹性卸料既起卸料作用又起压料作用,所以冲裁零件质量较好,平直度较高,因此,质量要求教高的冲裁或薄板冲裁宜用弹性卸料装置。本模具采用了弹性卸料装置,零件的厚度为1mm,考虑卸料力的问题在前面算过了,厚度为30mm的橡胶,具体计算如下(1) 确定橡胶的自由高度 ,t为材料厚度所以(2)确定橡胶的横截面积A查表6-9得P=1.05,所以 (3)橡胶的安装高度在本副模具中,采用弹性卸料装置卸料,弹顶器推动推杆,推杆推动零件,然后进行卸料。如图5.1所示:5.3.2 顶件零件橡胶是模具中广泛使用的弹性元件,主要为弹性卸料、压料及出件装置等提供所要求的作用力和行程。1.卸料的选用 属于标准件,冲压模具中。在此次毕业设计中选用。主要的选用依据如下:卸料螺钉个数n=4,5.4 导向零件采用滚动式导柱、导套:导柱1为:导柱D25150 材料为20钢导套1为:导套D32575 材料为20钢数量为2对5.5 其他零件1.模架选用的是:2.固定板规格是:160mm140mm15mm 材料选用45钢3.垫板规格是: 160mm140mm10mm 材料选用Cr12钢,热处理之后硬度达到4550HRC4.采用旋入式模柄,如图5.2所示:图5.2 模柄结构旋入式模柄的优点是,通过螺纹与上模座连接,并加螺丝防止松动,这样模具拆装方便。旋入式模柄可以给与一定的调整余地,使得压力中心线重合,提高了模具生产精度,提高了模具的运动精度和使用寿命。在模具中的固定用零件主要有模固定板,垫板以及螺钉和销钉等。 第六章 设备选择6.1 设备吨位确定冲压设备选用是冲压工艺设计过程中的一项重要的内容。必须根据冲压工序的性质、冲压力、变形功、模具结构型式、模具的闭合高度和轮廓尺寸以及生产批量、生产成本、产品质量等诸多因素,结合单位现有设备条件进行。6.1.1设备类型的选择设备类型的选择要依据冲压件的生产批量、工艺方法与性质及冲压件的尺寸、形状与精度等要求来进行。由参考文献5表18.4-19和表18.4-20,初步选择开式通用机械式压力机。6.1.1设备规格的选择设备规格的选择应根据冲压件的形状大小、模具尺寸及工艺变形力来进行。从模具设备上安装并能开始工作的顺序来考虑,其设备规格的主要参数有以下几个。1)行程 压力机行程的大小,应该保证坯料的方便放进与零件的方便取出。例如,对于拉深工序所用的压力机行程,至少应保证:压力机的行程S2h(h为零件的高度)。2)装配模具的相关尺寸 压力机的工作台面尺寸应大于模具的平面尺寸,还应有模具安装与固定的余地,但过大的余地对工作台受力不利;工作台面中间孔的尺寸要保证漏料或顺利的安装模具顶出料装置;大吨位压力机滑块上应加工出燕尾槽,用于固定模具,而一般开式压力机滑块上有模柄孔尺寸,为两件哈夫式夹紧模柄用。3)闭合高度 冲床的闭合高度是指滑块处于下死点时,滑块下表面至工作台上表面的距离。这个高度是冲压操作的空间高度尺寸。显然,冲床的最大闭合高度要大于模具的最大闭合高度,最小闭合高度要小于模具的最小闭合高度,一般取:Hmax-5mmHHmin+10mm如果冲模的闭合高度H大于压力机的最大闭合高度,冲模将不能在该压力机上工作。反之,H小于压力机的最小闭合高度时,可加垫板。设备吨位 设备吨位的选择,首先要以冲压工艺的所需要的变形力为前提。要求设备的名义压力要大于所需的变形力,而且,还要有一定的力量储备。查参考文献3 表1-5(开式压力机技术参数),初选择40KN的开式压力机J23-40,其技术参数如下:公称压力: 16KN公称力行程: 6mm滑块行程: 30mm行程次数: 100spm最大装模高度: 305mm装模高度调节量:70mm工作台尺寸: 前后300mm、左右400mm6.2 设备校核6.2.1.压力行程该模具的开模高度大概有305mm,选择的压力机的滑块行程为30mm,所以压力机的行程满足要求。6.2.2.压力机工作台面尺寸由于模具外形尺寸为:前后250mm,左右205mm,而压力机工作台面尺寸为:前后300mm、左右400mm,所以满足条件。主要参数均符合条件,因此最终J23-16。 结 论在本课题冲孔落料模设计中,采用二维的画法,首先根据零件的形状进行工艺性分析,然后选择最佳的成形工艺方案;然后进行条料宽度,以及冲压工艺的计算,根 所算出的数据进行排样设计,得出最佳的排样设计方案;计算冲孔、落料时凸模、凹模的尺寸,利用分别加工法加工;最后根据排样图以及各零件的尺寸,确定模具的基本结构。本模具采用对角导柱模架,滚动导柱、导套机构导向,弹性卸料板卸料,采用弹顶装置顶料。导料板导料,侧刃粗定位,导正销精定位,完成零件的切边、拉伸和落料;大批量生产时加上条料自动送料装置。模具主要有上模座、下模座、垫板、凹模垫板、凸模固定板、凹模固定板、卸料板。7.2 本课题的特色与创新1在模具设计之前,参阅了国内外众多的设计事例,优化了设计理2由于该零件的材料是有色金属,而且尺寸比较小,而且拉伸方向简单,尤其是内拉伸成型,在模具设计过程中,尽可能的分散工序简化模具结构。参考文献1. 郝滨海. 冲压模具简明设计手册G. 北京:化学工业出版社,2005.12. 杨玉杰. 钣金入门捷径M. 北京:机械工业出版社,2005.43. 高锦张. 塑性成形工艺与模具设计M. 北京:机械工业出版社,2006.54. 史铁梁. 模具设计指导M. 北京:机械工业出版社,2003.85. 李志刚. 模具大典G. 江西科学技术出版社,2003.16. 裘文言 张祖继 翟元赏Z. 机械制图. 北京:高等教育出版社,2003.67. 梁炳文. 实用板金冲压图集M.第2集. 北京:机械工业出版社,1999.88. 杨玉英. 实用冲压工艺及模具设计手册M. 北京:机械工业出版社,2004.79. 高鸿庭 刘建超. 冷冲模设计及制造Z. 北京:机械工业出版社,2003.110 王新华. 冲模设计与制造实用计算手册M. 北京:机械工业出版社,2003.7 11 Sang B. Park. An expert system of progressive die design for electron gun grid parts. Journal of Materials Processing Technology 88 (1999) 21622112 P Kwon , M J Chung and B Pentland. A Grammar-based Framework for Integrating Design and Manufacturing. Transactions of the ASME , Journal of Manufacturing Science and Engineering , 124 , 2002(4) : 899-907.致谢做毕业设计的这两个月时间是我大学生涯中最有价值的一段时光。这里有治学严谨而不失亲切的老师,有互相帮助的同学,更有向上、融洽的学习生活氛围。借此论文之际,我向所有帮助过我的人表示诚挚的谢意。首先,感谢柯老师的悉心指导,在我毕业设计和论文的整个完成过程中都凝聚着老师的智慧和心血,你给了我热心关怀和谆谆教诲。从毕业设计的选题开始到设计完成,中间过程中我遇到了很多的困难,柯老师的大力支持和精心的指导使我能够及时地调整好状态,投入到正常的设计中去,按时的完成进度要求,并最终完成了课题,顺利完成了设计的基本要求。您的教诲对我来说是一笔非常宝贵的财富,不但对于我现在的毕业设计,也对我将来走上工作岗位都有着极大的鼓励和帮助。这些都使我在各方面取得了可贵的进步。在此谨向柯老师致以深深的谢意。其次,我要感谢我们这组的同学,是你们的无私的帮助让我能够顺利完成设计,从你们那里我学到了很多知识,谢谢你们的帮助。 此次的毕业设计,给了我一个相对独立完成课题的机会。在完成整个设计的过程中,我学到了很多书本上没有的知识,并将这些与自身的实际能力很好的结合了起来,真正了解了自己所要从事的事业,使自己有了很大的提高。 最后,再次感谢老师和同学们在毕业设计过程中所给予的指导与帮助第22页冲压模具设计中侧壁起皱的分析F.-k. Chen and Y.-C. Liao台湾 台北市国立台湾大学机械工程部门在冲压过程中,起皱一般发生在有锥度的方形杯子和带有阶梯的矩形杯子成形时。这两种起皱类型的共同特征是起皱都发生在相对没有支撑的侧壁。在冲压一个有锥度的方形杯子时,当发生起皱时,比如冲模间隙和冲压毛坏的压力大小等参数的影响通过有限元模拟方法被检查到。模拟结果显示冲模间隙越大,起皱的就越明显,而且起皱不能通过增加冲压力来被抑制。在研究带有阶梯的矩形杯子冲压过程的起皱时,发现了一个有相似几何类型的实际部分。在侧壁被发现的起皱是因为介于冲头和阶梯边缘的金属板料不平衡伸展造成的。为减少起皱,一个最适宜的冲模设计方法就是利用有限元分析法。在无起皱产品中介于模拟结果和实测结果的好协议使有限元分析法生效,而且证实了利用有限元分析法去设计冲模的优势。关键词:侧壁起皱;冲模;阶梯的矩形杯子;带有锥度的主形杯子1 介绍起皱是在金属板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和视察的原因,在产品中起皱往往不能被接受。在金属板料成形过程中,有三种形式的起皱频繁的发生:边缘起皱,侧壁起皱和由于残余的弹性压力引起的未变形区域的弹性弯曲。在冲压一个复杂形状零件的操作时,侧壁起皱意味着冲模腔中的起皱。由于侧壁区域的金属板料相对于其它区域的金属板料不被工具所保征质量,侧壁起皱的消除比边缘起皱的抑制更难。很明显,在未被加固的侧壁区域中的金属材料的额外拉伸可能防止起皱,而且在实际操作中也可以通过增加冲压力来防止起皱,但是过度的拉力会通过裂痕导致失败。因此,冲压力必须处于一个狭小的范围,一方面,要高于抑制起皱的力,另一方面,要低于产生破裂的力。冲压力的狭小范围很难计算。对于冲压一个复杂形状的零件,当起皱发生在中心区域时,有意义的冲压力范围甚至不存在。 为了检查起皱的形成结构,Yoshida et al.发明了一种测试,在这种测试里,一块薄板料不是均匀的沿着它的斜度被拉伸。他们也计划一个近似的理论模型,在这种模型里面,起皱的开始取决于在压力不均匀区域中有压缩的侧部力的弹性湾曲。Yu et al.从实验性和分析性上研究起皱问题,通过理论分析,他发现带有两个圆周波的起皱可能发生,然而,实验结果显示是四到六个。当通过一个有锥度的模具画出金属板料时,Narayanasamy和sowerby用平底的冲头和半球状的冲头检查金属板料的起皱。他们也试图去把可以抑制起皱的道具分类。 那些努力都被聚中于和简单形状零件关联的起皱问题上,例如:一个圆形的杯子。在90年代早期,金属板料成形中三维动态软件和有限元方法的成功运用使得分析包括在冲压一个复杂形状零件的起皱问题成为可能。在当前的研究中,三维有限元分析法被用来分析在冲压一个带有阶梯的矩形部分的过程中,产生起皱的金属流动制造参数上。 一个带有阶梯的方形杯子,在杯子的每一边都有一个倾斜的侧壁,在带有锥度的杯子也相应的存在倾斜的侧壁。在冲压过程中,侧壁上的金属板料相对没被支撑,因此,这个部位更容易起皱。在当前的研究中,起皱过程中的各种不同的制造参数的影响都在被研究。在冲压一个带有阶梯的方形杯子时,就像图1B显示的一样,可以观测到另一种形式的起皱。为了评估分析的效力,在当前的研究中,一个确切阶梯几何形状的物体被检测。通过使用有限元分析法和用适宜的模具设计来减少起皱,起皱的原因被确定。在观测一个实际产品成形时,通过有限元分析法得到的模具设计方法得到证实。图1带有锥度方形杯子的拉伸(a)和带有阶梯的矩形杯子的拉伸(b)2有限元模型包括冲头、模具和毛坏固定器等工具几何学是用CAD或PRO/E软件来设计的。同样用CAD软件,三节点和四节点的外形元素被采用用来为以上工具生产网眼系统。对于有限元模拟来说,工具被认为是刚硬的,而且对应的网眼被用来定义工具几何学而不是压力分析。同样CAD软件使用四节点外形元素来为板形坏料构造网眼。图2显示工具的完整布置的网眼系统和用来冲压带有阶梯方形杯子的板形坏料。由于对称条件,方形杯子的四分之一被分析。在模拟中,板形坏料放在压力机上,冲模向下移动,逆着压力机夹紧板形坏料。然后冲模上升使得板形坏料按着模腔成形。图2 有限元网眼 为了表演一个精确的有限元分析法,金属板料的真实应力应变曲线被要求是输入数据的一部分。在当前的研究中,拉深成形的金属板料也被用来模拟。为在飞机上切割下的样本测试被进行,它们依次从0度的旋转方向到45度的旋转方向,再到90度的旋转方向进行着。平均的流动力,计算方程为=(0+245+90)/4,因为每一个方法真实应变通常用来模拟带锥度方形杯子和带阶梯矩形的冲压,就如图3显示的那样。 当前研究中所有的模拟利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。为了完成模似所需输入数据的设置,冲头的速度一般设置在10m/s,库仑摩擦系数设置在0.1。图3 金属板料的应力应变关系3 锥度方形杯中的起皱 正像图1a显示的那样,草图暗示着一些有关锥度方形杯子的尺寸,方形冲头每一面的长度(2WP)、模腔的尺寸(2Wd)和高度(H)被认为是影响起皱的至关重要尺寸。在当前研究中,模腔尺寸和冲头尺寸的差距的一半称作冲模间隙(记作G),G= Wd- WP。相关的在侧壁没被支撑的金属板料的宽度取决于冲模间隙,起皱假想通过增加冲压力来被抑制。相对于冲压一个锥度方形杯子,冲模间隙和冲压力两方面的影响在接下来的部分被研究。3.1冲模间隙的影响为了检查冲模间隙对起皱的影响,在冲压一个锥度方形杯子时,分别用20mm,30mm,50mm大小的冲模间隙进行模拟冲压。在每次模拟冲压中,模腔的尺寸都是固定在200mm,而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模拟中使用的金属板料都是380X380的方形尺寸,厚度也都是0.7mm,金属的应力应变曲线如图3所示。图4 G=50mm的带有锥度的方形杯子 模拟结果显示三次模拟中都发生起皱现象,冲模间隙为50mm冲压出来的杯子模拟形状如图4。从图4中可以看出,起皱分布在侧壁,侧壁拐角尤其明显。这就说明在冲压过程中,起皱是由于在侧壁有大面积区域不被支撑,同样,由于冲模间隙不一样,冲头各边的长度和模腔尺寸也不一样。由于横向压力的存大,在冲头和模腔中拉深成形的金属板料越来越不牢固。在压缩下,侧壁金属板料不受限制的拉伸是起皱的主要原因。为了比较三种不同间隙冲压出来的产品,两个主要的应变比率被介绍,=min/max,这里的min和max分别是主要的和次要的应变。Hosford和Caddell已经展示了的实际值比的评论值大,假设当起皱发生时,的实际值越大,起皱的可能性就越大。 在三个冲模间隙不同的冲压中,同一侧壁高度,沿着横截面M-N的值在图4中标记出,在图5中画出。图5中说明严重的起皱一般发生在拐角处,而对三个冲模间隙不同的冲压,在侧壁中心很少发生起皱。还说明了冲模间隙越大,的实际值就越大。因此,增加冲模间隙将增加在锥度方形杯子侧壁处发生起皱的可能性。3.2冲压力的影响众所周知,在冲压过程中,增加冲压力可以帮助排除起皱。为了研究增加冲压力的影响,冲模间隙为50mm与起皱是有关联的,用冲模间隙为50mm的模具冲压带有锥度方形杯子被用不同的冲压力来模拟了。冲压从100KN增加到600KN,这两个力分别产生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分,剩下的模拟条件与给定的是一样的。处于中间的300KN也被用来模拟。模拟结果显示冲压力的增加并没有帮助消除发生在侧壁的起皱。在图4中已标出沿着横截面M-N的值与冲压力为100KN和600KN的值作比较。模拟结果指出两种情况下,沿着横截面M-N的值是一样的。为了检查两种不同冲压力的起皱形状,正如图4和图6标出的那样,侧壁上从底部向上有五处不同位置的横截面。从图6可以看出,两个外壳的波浪形横截面是相似的。这就说明在冲压带有锥度的方形杯子时,冲压力不影响起皱的发生,这是因为起皱的原因主要是由于在有横向压力存在的侧壁处有大面积区域不被支撑。冲压力对冲头和模腔之间材料不稳定的模式并没有影响。图5 沿着横截面M-N不同冲模间隙的值4阶梯矩形杯子在冲压一个阶梯矩形杯子时,起皱发生在侧壁即使冲模间隙并不是那么重要。轮廓1显示冲压阶梯矩形杯子的冲头草图,在这张草图中,侧壁C沿台阶D-E而行。在近期的研究中,在一个实际的产品中检查到了这种几何形状。这种产品使用的原材料的厚度是0.7mm,从拉力测试中获得的应力应变关系如图3所示。这种冲压部分产品的程序包括通过清理焊缝的深拉。在这种深拉过程中,没有焊缝被用在冲模表面来帮助帮助金属的流动。但是,由于冲头拐角处的半径过小和其复杂的几何形状,如图7显示的那样,在冲头边缘上部经常发生拉裂,在真实产品的侧壁处经常发生起皱。从图7中可以看出,皱纹发分布在侧壁上,但是在阶梯边缘拐角处最为严重,就像图1(b)中A-D,B-E显示的那样。在冲头的上部边缘,金属往往被拉裂,就像图7所示。为了进一步的了解冲压过程中板料的变形,诞生了一种有限元的方法。这种有限元模拟方法被在最初的设计中。部分的模拟形状如图8所示。从图8中可以看出,零件上部边缘的网眼被拉深,皱纹分布在侧壁上,类似真实零件中的那样。图6 从图a的100KN到图b的600KN不同侧壁高度的横截面线条图7 产品零件中的拉裂和起皱图8 产品拉裂和起皱的模拟形状如图1(b)就像A-B边缘半径和冲孔拐角处A的半径一样,冲孔的半径也很小,这被认为是拉裂的最主要原因。但是,根据有限元分析的结果,拉裂可以通过增加以半径来避免。这种理念在现实产品中通过增加半径得到证实。个别的尝试也被用来消除起皱。第一,冲压力加到原来的2倍。但是,就像在拉深带有锥度的杯子中得到的结果一样,冲压力对消除起皱现象没有起有很大的效果。通过增加摩擦和毛坯尺寸也得到同样的结论。于是我们推测,这种起皱不能通过增加冲压力来得到抑制。由于在金属屈服于过大压力的区域,往往会因为大量的金属流动而起皱,一种通过在起皱区域增加挂钩用于消除起皱的简单方法被用来吸收多余的材料。为了多余的金属能有效的被吸收,挂钩应该平衡的加在起皱位置。基于这种理念,两个挂钩被加在邻近在壁上吸收多余的材料,如图9如示。模拟结果显示,阶梯拐角处的起皱正如想象的那样被吸收,但是,一些起皱仍然没被吸收。这说明在侧壁处需要更多的挂钩来吸收所有过量的材料,但是这在模具设计中是不允许的。利用有限元分析法分析冲压工序的一个优势是冲压过程中板料的变形形状可以被监测,而这在真实的产品冲压过程中是不可能的。对冲压过程中金属流动的精密监测显示板料最开始通过冲头的力按模腔的形状成形,直到板料接触到如图1(b)阶梯D-E边缘才形成起皱。起皱的形状如图9 加到侧壁的起皱图10显示的那样。这就为模具设计的改进提供了有价值的信息。图10 当板料接触台阶边缘的起皱形成图11 切除了的台阶拐角对于起皱的发生,最初的一个猜想是冲头拐角处范围A和阶梯拐角处范围D之间的金属板料处于不平坦的拉深,就如图1(b)所示。阶梯拐角处被切主要是为了改善拉深条件,这样就允许通过增加阶梯边缘有更多的拉伸被应用到如图11所示,从而使得模具设计的改进得到发展。但是,杯子侧壁处仍然有起皱,这就意味着起皱是因为整个冲头边缘和整个阶梯边缘的不平坦引起的,不仅仅是冲头拐角处和阶梯拐角处之间的不平坦。为了证实这种说法,两种改进过了的模具设计被用来实验:为了描述想象中的形状用两种拉深操作,一种是切去整个阶梯,而另一种是增加更多的拉深操作。前一个方法的模拟形状所图12所示。自从更低的阶梯被切去后,拉深工序与图12中的矩形杯子拉深工序性很相似。从图12中可以看出起皱现象已被消除。在这两种操作的拉深工序中,板料最初是被拉到很深的阶梯处,如图13(a)所示,然后,较低的阶梯在第二步拉深操作中成形,同是,如图13(b)所示的想象形状也得到了。从图13(b)可以清晰的看出,通过两步拉深工序可以造出没有起皱的阶梯矩形杯子,同时也说明在两步拉深工序中,如果相应的顺序被应用,则更低一些的阶梯处的成形是伴随更深阶梯处成形和最深阶梯边缘处成形的最早成形,如图1(b)中的A-B,因为金属不容易通过较低的阶梯进入模具型腔。图12改善模具设计的模拟形状图13 两个操作步骤中的a第一步操作 b第二步操作有限元分析法说明用简单的拉深操作来设计理想产品的冲压模具设计是很难完成的。但是,由于额外的模具费用和操作费用,两个操作的制造费用是很高的。为了保持较低的制造费用,零件的设计师对形状做出了合适的改变,而且通过有限元模拟分析法结果去切除较低的台阶来改善模具设计,如图12所示。随着设计方法的改进,产品真实的冲压模具被制造出来,而且零件还没有起皱,如图14所示。通过有限元模拟分析法得到的零件也没有起皱。为了进一步验证有限元模拟分析法的结果,有限元模拟分析法得到的沿横截面G-H的厚度分布如图14所示,这与产品的尺寸做了比较,比较的结果显示在图15。从图15可以看出有限元模拟分析法得到的预想的厚度分布和产品得到的厚度分布是相符合的。这种吻合证实了有限元模拟分析法的效率。图14 无缺陷产品零件图15 G-H处模拟和测量厚度5概要和结束语通过有限元模拟分析法研究了两种在冲压过程中的起皱,而且还检查了其起皱的原因和消除起皱的方法。第一种形式的起皱发生在冲压带有锥度的方形杯子的侧壁上,这种起皱的原因是因为冲模间隙过大(冲模间隙就是模腔的尺寸和冲头的尺寸的差距)。当金属被拉至模腔中,在冲头和型腔中有一有害的拉深时,大的冲模间隙导致金属板料的大面积区域不被支撑,因此大面积区域不被支撑导致起皱。有限元模拟分析法显示这种起皱不能通过增加冲压力的方法来得到抑制。另一种形式的起皱发生在有阶梯矩形的几何形状物体冲压过程中。起皱往往发生在台阶以上的侧壁,甚至冲模的间隙不是足够的大。通过有限元模拟法得知,这种起皱主要是由于在冲头和台阶边缘存在不平坦的拉伸。在模具设计过程中,通过有限元模拟分析法单独的尝试被用来消除起皱,切除了台阶的模具被建立。通过无缺陷的零件证实了这种模具设计方法对消除起皱的作用。有限元模拟分析法得到的结果和真实产品中看到的结果相吻合说明了有限元模拟分析法的准确性,还证实了用有限元分析法代替真实的模具制造方法的效力。感谢作者希望感谢中国人民共和国民族科学委员会授于NSC-86-2212-E002-028编号才使得这个项目得到发展。他们也希望感谢KYM提供了产品零件。参考文献1. K. Yoshida, H. Hayashi, K. Miyauchi, Y. Yamato, K. Abe, M. Usuda, R. Ishida and Y. Oike,在金属板料,皱纹机械工具的效果取决于不均匀的拉深2. T.X.Yu,W.Johnson 和 W.J.Stronge, “圆形碟子在半球形模具中的冲压成形”,机械学杂志,26,pp.131-148,19843. W.J.stronge,M.P.F.Sutcliffe和T.X.Yu,在冲压期间,圆形碟子的塑性起皱。实验的技巧,pp.345-353,1986.4. R.Narayanasamy和R.Sowerby,“当用一种圆锥形的冲模成形时的金属板料起皱”,材料处理技术杂志,41,pp.275-290,1994.5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell,金属成形:机械和冶金,1993年第二季。
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