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滁州職業(yè)技術學院汽車工程系
畢業(yè)設計
題目 雙孔圓墊片沖壓復合模設計
其
專業(yè)
班級
學號
指導教師
完成日期
摘 要
本課題為雙孔圓墊片片沖孔落料復合模的設計,本文介紹的模具實例結構簡單實用,使用方便可靠。本套模具的設計不是以復雜模具的設計為主,而主要是對模具設計知識的系統(tǒng)學習和設計的練習,以達到掌握沖壓模具設計的基本技能的目的。
首先,對零件做整體的分析。包括:材料的使用、精度的要求、工序的要求以及成本的要求等。為了降低成本,對排樣方式進行了合理的設計;其次,對零件整體進行工藝設計。通過工藝目的的設計、工序的順序設計、壓力機的選擇等來實現所要達到的要求;再次,想要保證制件精度的要求,就要考慮模具刃口尺寸的計算。因為刃口是沖制工件的主要工作部分,刃口處的精度就決定了制件的精度,就必須根據公差來進行精確計算。
最后,根據計算出的模具刃口尺寸設計出相應的凸凹模,并且查找資料選擇冷沖壓模的標準零件,符合標準后,就把凸凹模與其它各零部件進行總體裝配。在確定了模具體閉合高度后,選出合適的壓力機在調試校驗后并進行試沖加工,以達到符合的標準,最終完成雙孔圓墊片片的加工。
關鍵詞:復合模,沖壓工藝,模具設計,沖孔落料
Abstract
The topic is the chain plate punching blanking compound mold design and the mold of article described an instance is simple and practical, easy to use and is reliable. This mold is not primarily designed to complex design, but mainly on a systematic study of mold design knowledge and practice, in order to achieve the purpose of master the basic skills of stamping mold design.
First of all, do a thorough analysis for the parts, which include the using of the material, the requirement of accuracy and the requirement of working procedure and costs and so on. For declining low cost, proceeded the reasonable design to the row kind method. Secondly, do processing design for the whole parts and the purpose by craft designing and order of the working procedure and by the choice of punching machine. Thirdly, consider the calculation of size of the mould cutting edge in order to meet the need of accuracy. Because the cutting edge is the main working part of the punching processing, the accurate cutting edge guarantees the accurate parts. So you needed to tolerance do accurate calculation.
Finally, according to the calculated the size of mold cutting edge design the corresponding punch and mold, and find information on selection criteria for cold stamping parts, meet the standards, put the punch and mold with the other components to the overall assembly. In determining the specific mold closed height, select the appropriate press in the debug and test validation washed after processing, to meet compliance standards, the final completion of the processing chain plate.
Key words:composite modulus, stamping process, mold design , punching blanking
目 錄
摘 要 II
Abstract III
第1章 緒論 1
1.1 沖壓模具發(fā)展簡史、優(yōu)勢、種類 1
1.1.1 沖壓模具發(fā)展簡史 1
1.1.2 沖壓模具的優(yōu)勢 2
1.1.3 沖壓模具的種類 3
1.2 模具的發(fā)展現狀與前景 4
1.3 課題的主要特點及意義 6
1.4 本章小結 6
第2章 沖裁工藝及沖裁模具設計 7
2.1 沖壓件的過程分析 7
2.1.1 沖壓件變形階段分析 7
2.1.2 沖壓件的質量分析 8
2.2 工藝方案分析 9
2.2.1 沖壓件的形狀和尺寸 9
2.2.2 沖壓件的尺寸精度 10
2.2.3 生產批量 10
2.2.4 沖壓工藝方案的制定 10
2.3 排樣設計 11
2.3.1 排樣 11
2.3.2 搭邊 14
2.3.3 送料進距 15
2.3.4 條料寬度 16
2.4本章小結 16
第3章 沖裁模具設計計算 17
3.1 沖裁間隙 17
3.2 凸模、凹模刃口尺寸的計算 19
3.2.1 沖裁模刃口尺寸計算的原則 19
3.2.2 沖裁模凸模、凹模刃口尺寸計算 20
3.3沖壓力計算 24
3.3.1 沖裁力的計算 24
3.3.2 推件力、頂件力和卸料力的計算 25
3.3.3 壓力機公稱壓力的確定 27
3.3.4 降低沖裁力的措施 28
3.4 壓力中心的確定 31
3.5 模具閉合高度和壓力機的尺寸關系 31
3.6本章小結 32
第4章 模具零件及結構的詳細設計 33
4.1 模具零件的組成和分類 33
4.2 復合模的結構分析 34
4.3 復合模工作零部件詳細設計 35
4.3.1 凸模 35
4.3.2 凹模 36
4.3.3 凹凸模 37
4.3.4 定位、導正方式的選擇 38
4.3.5 卸料與出件裝置的選擇 38
4.3.6 模架選擇的選擇 40
4.4 本章小結 40
第5章 模具的裝配 41
5.1 模具部分零件圖 41
5.2 模具裝配圖 42
5.3本章小結 43
總 結 44
致 謝 45
參考文獻 46
48
第1章 緒論
模具是成批和大量生產各種機電與家電必備的基礎工藝裝備,是進行少無切削加工的主要工具,是制造業(yè)發(fā)展的前提。國內模具產業(yè)近幾年以12%~15%的增速,持續(xù)、穩(wěn)定、高速發(fā)展,支撐并保證國內制造業(yè),特別是機械、汽車、電子、石化及建筑業(yè)等國民經濟的五大支柱產業(yè)持續(xù)高速發(fā)展。
1.1 沖壓模具發(fā)展簡史、優(yōu)勢、種類
1.1.1 沖壓模具發(fā)展簡史
1953年,長春第一汽車制造廠在中國首次建立了沖模車間,該汽車廠于1958年開始制造汽車覆蓋件模具。我國于20世紀60年代開始生產精沖模具。走過漫長的發(fā)展道路,目前我國已形成約300多億元沖壓模具的生產能力。形成了如浙江寧波和黃巖地區(qū)的“模具之鄉(xiāng)”;廣東一些大集團公司和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)迅速崛起,科龍、美的、康佳等集團紛紛建立了自己的模具制造中心;中外合資和外商獨資的模具企業(yè)現已有幾千家。隨著與國際接軌的腳步不斷加快,市場競爭的日益加劇,模具的生產和設計已經越來越認識到產品質量、成本和新產品的開發(fā)能力的重要性。模具制造技術現已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標志,并在很大程度上決定企業(yè)的生存空間。
目前我國沖壓模具無論在數量上,還是在質量、技術和能力等方面都已有了很大發(fā)展,但與國民經濟需求和世界先進水平相比,差距仍很大。在國際競爭的局勢下,我過的模具工業(yè)得到飛速的發(fā)展,很多的專門模具研究中心不斷的建立起來,模具結構和鋼材的研究取得了顯著的成就,但還是存在很大的差距。 一是進口模具大部分是技術含量高的大型精密模具,而出口模具大部分是技術含量較低的中低檔模具,因此技術含量高的中高檔模具市場滿足率低于沖壓模具總體滿足率,這些模具的發(fā)展已滯后于沖壓件生產,而技術含量低的中低檔模具市場滿足率要高于沖壓模具市場總體滿足率。
1.1.2 沖壓模具的優(yōu)勢
成批與大量生產的各類機電與家電產品零部件及半成品坯件,都需要大量、不同種類的模具進行加工。其中,約65%的零件要用各種金屬板、條、帶卷料,沖成個種形狀復雜、精度高、用其他加工方法無法完成的板料沖壓零件,所使用的冷沖模種類繁多,結構各異而又千變萬化。
沖壓加工在技術上有以下優(yōu)勢:
(1)在壓力機滑塊上下往復的簡單沖擊下,使用的沖模可以沖制其他加工方法難以制造的、形狀復雜的沖壓零件。
(2)板料沖壓零件質量輕,剛度大,承載能力強,長期使用不變形,是各類機電與家電產品結構輕型化,取代笨重鑄、鍛及切削加工零部件的首選。因而對沖模數量的需求日益增多,沖模結構的復雜程度和沖壓工藝水平日益提升。
(3)沖壓零件的一致性好,互換性強,尺寸和形位精度高,一般只需局部甚至不再進行切削加工,即可進行產品的裝配。
(4)便于實現沖壓過程機械化、自動化及組建CNC連續(xù)作業(yè)生產線。當設計與使用自動沖模時也可實現單機自動化作業(yè)。
(5)現代沖壓高技術的大力推廣與實施,可對各種復雜形狀沖壓零件,用多工位連續(xù)形成,實現安全生產,達到優(yōu)質、高產、低能耗。
1.1.3 沖壓模具的種類
按照沖模適用沖壓零件生產性質(投產批量大?。?、結構復雜及制模費用大小、沖壓精度高低,可將沖模大致劃分如下幾類:
(1)制造經濟的簡易沖模 適用于新產品樣式與批式,需要單件、小批量生產的沖壓零件所使用各種簡易結構,用新材料與新工藝及簡易制模方法制造的經濟、簡易沖模。其制模工藝簡便,制模周期短,造價低,但模具使用壽命也低。
(2)萬能通用沖模與組合沖模 使用中小批量、多品種生產低精度沖壓零件。萬能通用沖??梢荒6嘤?;組合沖模是備有多種工作元件,按需要隨時組合成個種沖模,將沖壓零件分解成多工序,加工用多套組合沖模沖制。
(3)普通全鋼沖模 適用于成批和大批量生產各種沖壓零件,是應用廣泛的標準結構與非標準結構的全鋼材質普通沖壓用模具。
(4)精沖模 用于各種精沖工藝專用的精沖模具。
(5)大型、特種、高精度與高壽命沖模 適用于大量生產的汽車覆蓋件沖模、高精度硅鋼片硬質合金模等。
1.2 模具的發(fā)展現狀與前景
(1)中國模具行業(yè)發(fā)展現狀
鑒于模具作為包括機床工具、汽車制造、食品包裝等在內的機械行業(yè)中機械基礎件產業(yè),以及電工電器、電子及信息行業(yè)的支持產業(yè),在發(fā)展先進生產力當中,處于非常關鍵并服務全行業(yè)的地位,其發(fā)展對產業(yè)配套能力的提升和促進產業(yè)聚集優(yōu)勢的形成將起到重要作用。改革開放以來,中國模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化,國內已能生產精度達2微米的精密多工位級進模,工位數最多已達160個,壽命1~2億次。在大型塑料模具方面,現在已能生產48英寸電視的塑殼模具、6.5公斤大容量洗衣機的塑料模具,以及汽車保險杠、整體儀表板等模具。在精密塑料模具方面,國內已能生產照相機塑料模具、多型腔小模數齒輪模具及塑封模具等。在大型精密復雜壓鑄模方面,國內已能生產自動扶梯整體踏板壓鑄模及汽車后橋齒輪箱壓鑄模。在汽車模具方面,現已能制造新轎車的部分覆蓋件模具。
(2)沖壓模具行業(yè)遇到的問題和解決方法
阻力一:機械化、自動化程度低
美國680條沖壓線中有70%為多工位壓力機,日本國內250條生產線有32%為多工位壓力機,而這種代表當今國際水平的大型多工位壓力機在我國的應用卻為數不多;中小企業(yè)設備普遍較落后,耗能耗材高,環(huán)境污染嚴重;封頭成形設備簡陋,手工操作比重大;精沖機價格昂貴,是普通壓力機的5-10倍,多數企業(yè)無力投資阻礙了精沖技術在我國的推廣應用;液壓成形,尤其是內高壓成形,設備投資大,國內難以起步。
突破點:加速技術改造
阻力二:生產集中度低
許多汽車集團大而全,形成封閉內部配套,導致各企業(yè)的沖壓件種類多,生產集中度低,規(guī)模小,易造成低水平的重復建設,難以滿足專業(yè)化分工生產,市場競爭力弱。
突破點:走專業(yè)化道路
阻力三:科技成果轉化慢先進工藝推廣慢
在我國,許多沖壓新技術起步并不晚,有些還達到了國際先進水平,但常常很難形成生產力。先進沖壓工藝應用不多,有的僅處于試用階段,吸收、轉化、推廣速度慢。技術開發(fā)費用投入少,導致企業(yè)對先進技術的掌握應用慢,開發(fā)創(chuàng)新能力不足,中小企業(yè)在這方面的差距更甚。目前,國內企業(yè)大部分仍采用傳統(tǒng)沖壓技術,對下一代輕量化汽車結構和用材所需的成形技術缺少研究與技術儲備。
突破點:走產、學、研聯合之路
(3)中國模具行業(yè)發(fā)展前景
模具是工業(yè)生產中的基礎工藝裝備,是一種高附加值的高技術密集型產品,也是高新技術產業(yè)的重要領域,其技術水平的高低已成為衡量一個國家制造水平的重要標志。隨著國民經濟總量和工業(yè)產品技術的不斷發(fā)展,各行各業(yè)對模具的需求量越來越大,技術要求也越來越高。目前我國模具工業(yè)的發(fā)展步伐日益加快,“十一五期間”產品發(fā)展重點主要應表現在:
①汽車覆蓋件模;
②精密沖模;
③大型及精密塑料模;
④主要模具標準件;
⑤其它高技術含量的模具;
1.3 課題的主要特點及意義
該課題主要針對雙孔圓墊片的復合模設計,在對其進行落料工藝分析的基礎上,提出了該零件采用復合模生產的沖壓方案;根據零件的形狀、尺寸精度要求,設計過程中綜合考慮采用“有廢料排樣”,成形側刃定位,保證工件的尺寸和形狀位置精度要求的同時,提高了材料的利用率和勞動生產率。
本課題涉及的知識面廣,綜合性較強,在鞏固大學所學知識的同時,對于提高設計者的創(chuàng)新能力、協(xié)調能力,開闊設計思路等方面為作者提供了一個良好的平臺。
1.4 本章小結
本章主要介紹了我國模具行業(yè)的發(fā)展簡史、制造業(yè)中的地位、沖壓模具的優(yōu)勢及模具的種類與選用等,重點介紹了模具的發(fā)展現狀、模具的發(fā)展前景等。我國的模具行業(yè)雖在十二五期間飛速發(fā)展,但與發(fā)達國家相比。我國的模具行業(yè)要抓住機遇,發(fā)展自己的高科技模具產品。
第2章 沖裁工藝及沖裁模具設計
沖裁是指利用模具在壓力機上使板料產生分離的沖壓工藝。沖裁可直接沖出所需要形狀的零件,也可為其它工序制備毛坯。沖裁時所使用的模具稱為沖裁模。
沖裁的工藝種類很多,常用的有落料、沖孔、切斷、切邊、切口等,其中落料和沖孔應用最多。從板料上沖下所需形狀的零件(或毛坯)稱為落料;在零件上(或毛坯)上沖出所需零件形狀的孔(沖去的部分為廢料)稱為沖孔。落料與沖孔的變形性質完全不同,但進行模具設計時,模具尺寸的確定方法不同,因此,工藝上必須作為兩個工序加以區(qū)分。
2.1 沖壓件的過程分析
2.1.1 沖壓件變形階段分析
沖裁變形過程,大致可分為三個階段:
(1)彈性變形階段 當雙孔圓墊片片的凸模下壓接觸板料時,材料將產生短暫的、輕微的彈性變形。此時如果提升凸模,變形將完全消失。
(2)塑性變形階段 凸模繼續(xù)下壓,板料變形區(qū)的應力將繼續(xù)增大。當應力狀態(tài)滿足屈服極限時,材料便進入塑性變形階段。這一階段突出的特點是材料只發(fā)生塑性流動,而不產生任何裂紋,凸模繼續(xù)切入板料,同時將板料擠入凹模孔內。
(3)斷裂變形階段 當雙孔圓墊片片的凸模切入板料達到一定深度時,在凹模側壁靠近刃口處首先出現裂紋,這表明塑性剪切變形終止和斷裂分離的開始。
2.1.2 沖壓件的質量分析
沖裁件質量是指斷面狀況、尺寸精度和形狀誤差。斷面狀況盡可能垂直、光潔、毛刺小。尺寸精度應該保證在圖樣規(guī)定的公差范圍內。零件外形應該滿足圖樣要求;表面盡可能垂直即拱彎小。
(1)尺寸精度 沖裁模的制造精度對沖裁件尺寸精度的影響最直接,沖裁模的制造精度越高,沖裁件的精度就越高。
由于在沖裁過程中材料產生一定的彈性變形,沖裁結束后發(fā)生“回彈”現象使落料件尺寸與凹模尺寸不符,沖孔的尺寸與凸模尺寸不符,從而影響其精度。對于比較軟的材料,彈性變形量較小,沖裁后回彈值也較小,因而零件精度高。硬的材料,情況正好相反。
材料相對厚度t/D(t為板厚,D為沖裁件直徑)越大,彈性變形量越小,因而沖裁零件尺寸精度越高。
沖裁件尺寸越小,形狀越簡單,其精度越高。
(2)斷面質量 對于斷面質量起決定作用的是沖裁間隙。如果間隙選的合理,沖裁時上、下刃口處所產生的裂紋就能重合。所得工件斷面雖不光滑,且?guī)в幸欢ㄥF度,但以滿足要求。
當間隙過小或過大時,就會使上下裂紋不能重合。間隙過小時,凸模刃口附近的裂紋比合理間隙時向外錯開一段距離,上、下裂紋中間的一部分材料,隨著沖裁經行,將被第二次剪切,在斷面上形成第二光亮帶。間隙過大時,凸模刃口附近的裂紋較合理間隙時向里錯開一段距離,材料受很大的拉伸,使斷面光亮帶減少,毛刺、圓角和錐度都會增大。
(3)毛刺 凸?;虬寄Dモg后,其刃口處形成圓角。在沖裁時,沖裁件的邊緣就會出現毛刺。在沖裁工作中,產生很大的毛刺是不允許的,應查明原因加以解決。
2.2 工藝方案分析
2.2.1 沖壓件的形狀和尺寸
材料:Q235;
材料厚度:2mm;
零件簡圖:如圖2.2所示
圖2.2 沖裁件
Q235為普通碳素鋼,具有較好的沖載成型形性能。零件結構簡單對稱,無尖角,對沖載加工較為有利。零件中有兩個對稱孔,孔的最小尺寸為6mm,滿足沖載最小孔徑:孔的最小尺寸≥10t=5mm的要求,另外,經計算孔距零件外形之間的最小孔邊距滿足載件最小孔邊距≥1.5t=0.75mm的要求,所以該零件的結構滿足沖載要求。
2.2.2 沖壓件的尺寸精度
零件圖上的尺寸示標注公差,沖裁件的精度按IT13確定,沖模制造精度按IT6~IT7確定。
2.2.3 生產批量
生產批量:大批量。
2.2.4 沖壓工藝方案的制定
工件為圖一所示的落料沖孔件,材料為Q235鋼,材料厚度為2mm,生產批量為大批量。
圖2.3 沖壓件
零件為滿足沖孔落料件,可提出加工方案如下:
方案一:先落料,后沖孔,采用兩套單工方模生產。
方案二:落料沖孔復合模沖壓,采用復合模生產。
方案三:沖孔落料連續(xù)沖壓,采用級進模生產。
方案一模具結構簡單,但需要兩道工序,兩幅模具,生產效率低,零件精度較差,在批量較大的情況下不適合使用。方案二只需要一副模具,沖壓件形位精度和尺寸精度易保證,且生產效率較高。盡管模具結構較方案一復雜,但是由于零件的幾何精度較為簡單,模具制造并不困難。方案三也只需要一副模具,生產效率也高,但與方案二相比零件的精度稍差。欲保證沖壓件的形狀精度,需要在模具上設置導正銷,模具制裝配較復合模具復雜。
所以,比較三個方案,采用方案二生產。
2.3 排樣設計
沖載件在條料或板料上的布置方式稱為排樣。排樣方案對材料的利用率、沖載件質量、生產率、生產成本和模具結構形式都有重要的影響。
2.3.1 排樣
排樣圖是排樣設計最終的表達形式,通常應繪制在沖壓工藝規(guī)程的相應卡片上和沖裁??傃b圖的右上角。排樣圖的內容應反映出排樣方法、沖裁件的沖裁方式、用側刃定距時側刃的形狀與位置、材料利用率等。
(1)排樣的設計原則:
①提高材料的利用率 沖裁件生產批量大,生產效率高,材料費用一般會占總成本的60%以上,所以排樣的利用率是衡量排樣經濟性的一項重要指標。在不影響零件性能的前提下,應合理設計零件外形及排樣,提高材料的利用率。
②改善操作性 沖裁件排樣應使工人操作方便、安全、勞動強度低。一般來說,在沖裁生產時應盡量減小條料翻動次數,在材料利用率相同或相近時,應選用條料寬度及進料小的排樣方式。
③使模具結構簡單合理,使用壽命高。
④保證沖載件質量。
(2)排樣方式的分類 按照材料的利用率,排樣可分為有廢料排樣、少廢料排樣和無廢料排樣三種。廢料是指沖裁中除零件以外的其它板料,包括工藝廢料和結構廢料。
(a) (b) (c)
圖2.4 排樣方式
①有廢料排樣:有廢料排樣是指在沖載件與沖載件之間、沖載件與條料側邊之間均有工藝廢料,沖裁是沿沖裁件中除零件以外的其他板料,包括工藝廢料和結構廢料,如圖2.1(a)所示。
②少廢料排樣:少廢料排樣是指只在沖裁件之間或只在沖裁件與條料側邊之間留有搭邊,如圖2.1(b)所示。沖裁只沿沖裁件的部分輪廓進行,材料的利用率可達70%~90%。
③無廢料排樣:無廢料排樣是指在沖裁件與沖裁件之間、沖裁件與條料側邊之間均無搭邊存在,沖裁件實際上是直接由切斷條料獲得,如圖2.1(c)所示,材料的利用率可達85%~90%。
(3)雙孔圓墊片片排樣設計:
圖2.5 排樣圖
材料利用率計算:
= (2.1)
η=S工/S總=961.35/40mm×37.5×100%=64.09%
式中,—材料利用率;
S—工件的實際面積;
S—所用材料面積,包括工件面積與廢料面積;
A—步距(相鄰兩個制件對應點的距離);
B—條料寬度;
2.3.2 搭邊
沖裁件與沖裁件之間、沖裁件與條料側邊之間留下的工藝預料稱為搭邊。搭邊的作用是避免因誤送發(fā)生零件缺角、搭邊或尺寸超差;使凸凹模刃口受力均勻,提高模具的使用壽命及沖裁件的斷面質量,此外利用搭邊還可以實現模具的自動送料。
搭邊的合理數值主要取決與沖裁件的板料厚度、材料性質、外廓形狀及尺寸大小等。一般來說,材料硬時,搭邊值可取小些;軟材料或脆性材料,搭邊值可取大些;板料厚度大,需要的搭邊值大;沖裁件的形狀復雜,尺寸大,過度圓角半徑小,需要的搭邊值大;手工送料或有側壓板導料時,搭邊值可取小些。
雙孔圓墊片片搭邊設計:
板料厚度t=2.0mm,工件邊長L>50mm,查表得搭邊值的確定[1]冷沖壓工藝及模具設計》表2.10得出工件的搭邊對于本次的設計,我們a1選取2mm,工件側面a=2.5mm
2.3.3 送料進距
模具每沖裁一次,條料在模具上前進的距離稱為送料進距或步距。當單個進距內只沖裁一個零件時,送料進距的大小等于調料上兩個對應點之間的距離。
A=D+a (2.2)
式中:A為送料進距,單位mm;D為平行于送料方向的沖裁件寬度,單位mm;a為沖裁件之間的搭邊值,單位mm。
所以雙孔圓墊片片的送料進距為:步距值:33mm+2mm=35mm 寬度150mm+2.5mm+2.5mm=155mm。
2.3.4 條料寬度
沖裁前通常需要按要求將板料裁剪為適當寬度的條料。為保證送料順利,不因過寬而發(fā)生卡死現象,條料的下料公差規(guī)定為負偏差。條料在模具上送料時,一般都有導料裝置,有時還要使用測壓裝置。
條料寬度:
B=L+2a+Δ (2.3)
式中:B為條料寬度,單位mm;L為沖裁件與送料方向垂直的最大尺寸,單位mm;a為沖裁件與條料之間的搭邊,單位mm;Δ為條料下料時的下偏差值,單位為mm。
所以條料寬度步距值:33mm+2mm=35mm 寬度150mm+2.5mm+2.5mm=155mm。
2.4本章小結
本章介紹了沖壓件的過程分析(包括沖壓件變形階段分析,沖壓件的質量分析)、雙孔圓墊片片的工藝分析(主要是沖壓方案的選擇)、排樣設計 、搭邊設計、調料寬度、送料進距等,本章重點介紹了雙孔圓墊片片沖孔落料復合模的工藝方案的選擇,由于材料的利用率不可能為100%及盡量提高材料的利用率,因此選用少廢料排樣的方式。
第3章 沖裁模具設計計算
3.1 沖裁間隙
沖裁模凹、凸模刃口部分尺寸之差稱為沖裁間隙,其雙面間隙用C表示,單面間隙為C/2。沖裁間隙的大小對沖裁件質量的斷面質量、沖裁力、模具壽命等影響很大,所以沖裁間隙是沖裁模具設計中的一個很重要的工藝參數。
設計模具時一定要選擇合理的間隙,使沖裁件的斷面質量較好,所需的沖裁力較小,模具壽命較高。但分別按質量、精度、沖裁力等方面的要求,各自確定的合理間隙值并不相同,考慮到模具制造中的偏差及使用中的磨損,生產中通常是選擇一個適當的范圍作為合理間隙,只要間隙在這個范圍內,就可以沖出良好的零件。這個范圍的最小值稱為最小合理間隙,最大值稱為最大合理間隙??紤]到模具在使用過程中的磨損使間隙增大,故設計與制造新模具時應采用最小合理間隙。
沖裁件質量要求較高時,其間隙應取小值;反之應取大間隙,以降低沖壓力及提高模具使用壽命。
由于各類間隙值之間沒有絕對的界限,因此,還必須根據沖裁件尺寸與形狀,模具材料和加工方法,以及沖壓方法、速度等因素適當增減間隙值。比如:
①在相同的條件下,非圓形比圓形間隙大,沖孔比落料間隙大;
②直壁凹模比錐口凹模間隙大;
③高速沖壓時,模具以發(fā)熱,間隙應增大,當行程次數超過200次/min時,間隙應增大10%左右;
④用電火花加工的凹模,其間隙比用磨削加工凹模小0.5%~2%;
根據以上分析,可從表1中選取 C= 0.246 ,C= 0.360;
表1 沖裁間隙的數值
厚度
t
T8、45、1Cr18Ni9Ti
Q235Q21535CrMo
08F10、15、H62
L1、L2、L3
C
C
C
C
C
C
C
C
0.35
0.03
0.05
0.02
0.05
0.01
0.03
--
--
0.5
0.04
0.08
0.03
0.07
0.02
0.04
0.02
0.03
0.8
0.09
0.12
0.06
0.10
0.04
0.07
0.025
0.045
1.0
0.11
0.15
0.08
0.12
0.05
0.08
0.04
0.06
1.2
0.14
0.18
0.10
0.14
0.07
0.10
0.05
0.07
1.5
0.19
0.23
0.13
0.17
0.08
0.12
0.06
0.10
此外,也可采用下述經驗公式計算出合理間隙Z的取值:
Z=ct (3.1)
式中:t為材料厚度,單位mm;c位系數,與材料性能及厚度有關。
表2 合理間隙系數值
材料
當t<3mm
當t>3mm
軟鋼、純鐵
銅、鋁合金
硬銅
c=(6~9)%
c=(6~10)%
c=(8~12)%
c=(15~19)%
c=(16~19)%
c=(17~25)%
3.2 凸模、凹模刃口尺寸的計算
3.2.1 沖裁模刃口尺寸計算的原則
沖裁模刃口是尖銳鋒利的,多為直角,故沖裁模刃口尺寸是指凸模與凹模直徑(對圓形件而言)尺寸,并按“人體”原則標注。確定凹凸模刃口尺寸及公差必須遵循以下的原則:
(1)由于剪切面是凹凸模的側面與材料接觸并擠光而得到的光滑面,所以落料件的外經尺寸等于凹模內徑尺寸,沖孔件的內徑尺寸等于凸模的外徑尺寸。故落料模應以凹模為設計基準,再按間隙值確定凹模尺寸。
(2)凹、凸模在沖裁過程中有磨損,凸模刃口尺寸磨損使沖孔尺寸減少,凹模刃口尺寸磨損使落料尺寸變大。為保證沖裁件的尺寸精度要求,并盡可能提高模具使用壽命,設計落料模時,凹模刃口的基本尺寸(設計尺寸)應取接近或等于工件的最小極限尺寸;設計沖孔凹模時其刃口基本尺寸應取接近或等于工件的最小極限尺寸;設計沖孔凸模時,其刃口基本尺寸應取接近或等于工件孔的最大極限尺寸;并分別按最小合理間隙分別制造,或配作相應的凹模、凸模。這樣,才能保證凹凸模磨損到一定程度后仍能沖出合格的零件。
(3)凹、凸模刃口尺寸的精度應以能保證工件的精度要求為準,保證合理的間隙值,保證模具具有一定程度的使用壽命。一般沖模精度較工件精度高2-3級。若零件沒有標注公差,則對于非圓形件按IT14級來處理,圓形件可按IT10來處理,工件尺寸公差應按“人體”原則標注為單向公差,沖裁件的精度見表3。
表3 沖裁件精度
模具制造精度
材料厚度t/mm
0.5
0.8
1.0
1.5
2
3
4
5
IT6-IT7
IT8
IT8
IT9
IT10
IT10
-
-
-
IT7-IT8
-
IT9
IT10
IT10
IT12
IT12
IT12
-
IT9
-
-
-
IT12
IT12
IT12
IT12
IT12
3.2.2 沖裁模凸模、凹模刃口尺寸計算
模具刃口尺寸及公差的計算與加工方法有關,基本上可以分為兩類:互換加工和配制加工。
(1)互換加工 這種方法主要適用于圓形或簡單規(guī)則形狀的工件,因沖裁此類工件的凹、凸模制造相對簡單,精度容易保證,所以采用分別加工。設計時,需要在圖樣上分別標注凹模與凸模的刃口尺寸及制造公差。
(2)凸模與凹模配制加工 采用凸、凹模分開加工發(fā)時,為了保證凹、凸模間一定的間隙值,必須嚴格限制沖模的制造公差,因此,造成沖模制造困難。對于沖制模材料(因C與C的差值很?。┑臎_模,或沖制復雜工件的沖模,或單件生產的沖模,常常采用凸模與凹模配制加工方法。
配置法就是按設計尺寸制造出一個基準件(凸?;虬寄#?,然后根據基準件的實際尺寸再按最小合理間隙配制另一件。這種加工方法的特點是模具的間隙由配置保證,工藝比較簡單,不必按校核+C- C的條件,并且還可放大基準件的制造公差,使制造容易。設計時,基準件的刃口尺寸及制造公差應詳細標注,而配制件上只標注公稱尺寸,不注公差,但在圖樣上標注:“凸(凹)模實際刃口尺寸配制,保證最小雙面合理間隙值C”。
根據表1.2分析:該零件沖裁工藝性較好,適宜沖裁加工。查公差表得各尺寸公差:
零件外形: 36mm
零件內形: 6mm
1、 確定凸、凹模的間隙以及制造公差。[2]冷沖壓模具課程設計指導與范例》表2-7可得凸、凹模的間隙最小值Zmin=0.040mm,凹模間隙最大值Zmax=0.060mm
沖孔凸、凹模計算
設沖孔尺寸為根據以上原則,沖孔時以凸模設計為基準,首先確定凸模刃口尺寸,使凸?;境叽缃咏虻扔诠ぜ椎淖畲髽O限尺寸,再增大凹模尺寸以保證最小合理間隙Zmin。凸模制造偏差取負偏差,凹模取正偏差。其計算公式為:
凸模 dp=(d+x△)0- δp
凹模 dd=(+Zmin)0+ δd=(d+X△+Zmin) 0+ δd
在同一工步中沖出制件兩個以上孔時,凹模型孔中心距Ld按下式確定:
Ld=(Lmin+0.5△)±0.125△
式中dd——沖孔凹?;境叽?mm);
dp——沖孔凸?;境叽?mm);
d——沖孔件孔的最小極限尺寸(mm);
Ld——同一工步中凹模孔距基本尺寸(mm);
Lmin——制件孔距最小極限尺寸(mm);
△——沖孔件孔徑公差(mm);
Zmin——凸、凹模最小初始雙面間隙(mm);
X——磨損系數,是為了使沖裁件的實際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的中間尺寸,與工件制造精度有關,可查表9.1取值:當工件精度IT10以上,取x=1;當工件精度IT11~IT13,取x=0.75;當工件精度IT14,則取x=0.5。
表9.1磨損系數X
料厚t(mm)
非圓形
圓形
1
0.75
0.5
0.75
0.5
工件公差△/mm
1
1~2
2~4
>4
<0.16
<0.20
<0.24
<0.30
0.17~0.35
0.21~0.41
0.25~0.49
0.31~0.59
≥0.36
≥0.42
≥0.50
≥0.60
<0.16
<0.20
<0.24
<0.30
≥0.16
≥0.20
≥0.24
≥0.30
根據圖1.1和表9.1查得磨損系數X取0.5,即X=0.75
設凸、凹模分別按IT6和IT7級加工制造,所以
凸模: dp =(d+X△) 0- δp
=(6+0.75×0.12)
=6.09
凹模: dd=( dp +Zmin)
=(6.09+0.04)
=6.13
二、落料凸、凹模計算
凹模: Dd=(D-X△)
凸模: Dp=( Dd-Zmin)=(D-X△-Zmin)
式中Dd——落料凹?;境叽?mm);
Dp——落料凸模基本尺寸(mm);
D——落料件最大極限尺寸(mm);
r——落料件外徑公差(mm);
Zmin——凸、凹模最小初始雙面間隙(mm);
X——磨損系數,是為了使沖裁件的實際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的中間尺寸,與工件制造精度有關。表9.1取X=0.5。
由公差表(1.2)查得:設凸、凹模分別按IT6和IT7級加工。
所以凹模
36:Dd2=(D2-X)
=(36-0.5×0.62)0+0.025
=35.690+0.025mm
凸模
36:Dp2=(Dd2- Zmin)
=(35.69-0.04)
=35.65 mm
式中,由已知條件零件為非圓形,材料的厚度是0.5mm,以及零件的公差大于0.42mm,查詢《冷沖壓模具設計》表2-9磨損系數X[5]得X=0.5,制件精度為IT14級時查詢《沖壓模具課程設計指導與范例》[6]得Δ=0.87mm。
零件坯料2孔中心距離的計算:由圖2-1可知當制件精度取IT14級時,中心距離:18±0.023m mm
C凹=C±σ凹=18±0.023mm
式中,σ凹=1/4×0.09mm=0.023mm
3.3沖壓力計算
在沖裁過程中,沖壓力是指沖裁力、卸料力、推件力和頂件力的總稱。計算沖裁力的目的是為了選用合適的壓力機,設計模具和檢驗模具的強度。壓力機的噸位必須大于所計算的沖裁力,以適應沖裁工藝的需要。
3.3.1 沖裁力的計算
沖裁力是沖裁時凸模沖穿板料所需要的力。在沖裁過程中,沖裁力是隨凸模進入板料的深度(凸模行程)而變化。圖3.2所示為沖裁Q235鋼時的沖裁力變化曲線,圖中AB段是沖裁的彈性變形階段,BC是塑性變形階段,C點是沖裁力的最大值,在此點材料開始被被剪裂,CD段為斷裂分離階段,DE段是凸??朔c材料間的摩擦和將材料從凹模內推出所需的壓力。通常,沖裁力是指沖裁過程中的最大值。
圖3.2 沖裁力曲線
沖裁力的大小主要于材料的力學性能、厚度和工件將要實施的周邊長度及沖裁間隙、刃口鋒利程度與表面粗糙度值有關。綜合考慮上述影響因素,其沖裁力一般按下式計算:
F=Kt L (3.6)
式中 F——沖裁力,單位為N;
K——系數,一般取K=1.3;
L——沖裁件的沖裁長度,單位為m;
——材料的抗剪強度,單位為MP;
所以:F=Kt L =1.3×0.5×147.36×350KN=33.5244KN
3.3.2 推件力、頂件力和卸料力的計算
當沖裁結束時,由于材料的彈性回復及摩擦的存在,從板料上沖裁下的部分會梗塞在凹??卓趦龋鴽_裁剩下的材料則會緊箍在凸模上。為是沖裁工作繼續(xù)進行,必須將箍在凸模上和卡在凹模內的材料(沖沖件或廢料)卸下或推出。從凸模上卸下箍這的材料所需要的力稱為卸料力,用F表示;將卡在凹模內的材料順沖裁方向推出所需要的力稱為推件力,用Ft表示;逆沖裁方向將料從凹模內頂出所需要的力稱為頂件力,用F表示。
卸料力、推件力與頂件力是從壓力機和模具的卸料、推件和頂件裝置中獲得,所以在選擇壓力機的標稱壓力和設計沖模以上裝置時,應分別予以計算。影響這些力的因素較多,主要有材料的力學性能與厚度、沖件形狀與尺寸、沖模間隙與凹模間隙空口結構、排樣的搭邊大小及潤滑情況等。在實際計算時,常用下列經驗公式:
沖裁力Fp的計算
據圖5.3可得一個零件內外周邊之和L=150.8mm。
查碳素結構鋼的力學性能表知:鋼板的抗剪強度τ=216Mpa~304Mpa,取260Mpa,制件厚度t=2mm,則
根據公式(6.1): Fp= Kp Ltτ
=1.3×0.5×150.8×260
=25485.2(N)
≈25.5(KN)
2.2卸料力Fq1的計算
Fq1=KxFp (6.2)
式中Kx——卸料力系數,查表6.1取Kx=0.05。
根據公式(6.2): Fq1= KxFp
=0.065×25.5(KN)
≈1.656(KN)
表6.1卸料力、推件力和頂件力系數
料厚t/mm
Kx
kt
Kd
鋼
≤0.1
>0.1~0.5
>0.5~2.5
>2.5~6.5
>6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.03
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
2.3頂件力Fq2的計算
Fq2= KdFp (6.3)
式中Kd——頂件力系數。
查表6.1得Kd=0.06.
根據公式(6.3): Fq2= KdFp
=0.14×25.5(KN)
≈3.57(KN)
2.4總的沖壓力F的計算
根據模具結構總的沖壓力F=FP+Fq1+Fq2
=25.5+1.656+3.57
=30.726(KN)
選用的壓力機公稱壓力P≥(1.1~1.3)F,取系數為1.3,則:
P≥1.3F=1.3x30.726 (KN)=39.9438(KN)。
3.3.3 壓力機公稱壓力的確定
對于沖裁工序,壓力機的公稱壓力應大于或等于沖裁時總壓力的1.1~1.3倍,即:
P≥(1.1~1.3)F (3.11)
沖裁時,壓力機的公稱壓力必須大于或等于沖裁時各工藝力的總和F。
選用的壓力機公稱壓力P≥(1.1~1.3)F,取系數為1.3,則:
P≥1.3F=1.3x30.726 (KN)=39.9438(KN)。
從滿足加工的工藝要求考慮,可擬選用J23-6.3查《沖壓模具課程設計指導與范例》表9-9開式雙柱可傾壓力機技術規(guī)格[2]
J23-6.3參數:公稱壓力/KN :63
滑塊行程次數/次?min-1 :160
最大封閉高度/mm:170
封閉高度調節(jié)量/mm: 40
立柱距離/mm: 150
工作臺尺寸/mm:315×200
墊板尺寸/mm:厚度: 40
模柄尺寸/mm:直徑: 50
深度: 70
3.3.4 降低沖裁力的措施
在沖裁高強度材料或厚料和大尺寸沖件時,需要的沖裁力很大。當生產現場沒有足夠大噸位壓力計時,為了不影響生產,可采取一些有效措施降低沖裁力,以充分利用現有設備。同時,降低沖裁力還可以減少沖擊、振動和噪聲,對改善沖壓環(huán)境也有積極意義。
目前,降低沖裁力的方法主要有以下幾種:
(1) 采用階梯凸模沖裁
在多凸模的沖模中,可根據凸模的截面尺寸的大小,將凸模設計成不同的長度,使工件端面呈階梯型布置。這樣,各凸模沖裁力的最大值不同時出現,從而減少了沖裁力。缺點是長凸模插入凹模較深,易磨損。
階梯凸模不僅能降低沖裁力,在直徑相差懸殊、彼此距離又較小的多孔沖裁中,還可避免小直徑凸模因受材料流動擠壓的作用而產生傾斜或斷面現象。這時一般將小直徑凸模做短一些。此外,各層凸模的布置盡量對稱,是模具受力平衡。
階梯凸模間的高度差H與板料厚度有關,可按如下關系確定。
料厚t﹤3mm時,H=t;
料厚t﹥3mm時,H=0.5t;
階梯凸模沖裁的沖裁力,一般只按產生最大沖裁力的那一層階梯進行計算。
(2) 采用斜刃口沖裁
一般在使用平刃口模具沖裁時,因整個刃口面都同時切入材料,切斷是沿沖裁件周邊同時發(fā)生的,因此沖床的負荷是突然增加的,故所需的沖裁力很大。采用斜刃口模具沖裁,就是將沖模的凸?;虬寄V瞥膳c軸線傾斜一定角度的斜刃口,這樣,沖裁時整個刃口不是全部同時切入,而是逐步將材料切斷,因而能顯著降低沖裁力。
斜刃口的配置形式是采用斜刃口沖裁時,會使板料產生彎曲。斜刃口的配置原則是:必須保證沖裁件平整,只允許廢料產生彎曲變形。為此,落料時凸模應為平刃口;沖孔時凹模應為平刃口,而將凸模做成斜刃口。斜刃口還對稱布置,以免沖裁時承受單項側壓力而發(fā)生偏移,啃傷刃口。向一邊傾斜的單邊斜刃口沖模,只能用于切口或切斷。
斜刃口的主要參數是斜刃角和斜刃高度H。斜刃角越大越省力,但過大的斜刃角會降低刃口強度,并使刃口易于磨損,從而降低使用壽命。斜刃角不能過小,過小的斜刃角起不到較少力作用。斜刃高度H也不易過大或過小,過大的斜刃高度會使凸模進入凹模過深,加快刃口磨損,而過小的斜刃高度也起不到減力的作用。
斜刃口沖裁的主要缺點是刃口制造與刃磨比較復雜,刃口容易磨損,沖裁件也不夠平整,并且省力不省功,因此一般情況下盡量不用,只用于大型、板厚沖裁件(如汽車覆蓋件)的沖裁。
(3) 采用加熱沖裁
金屬材料在加熱狀態(tài)下的抗剪強度會顯著降低,因此采用加熱沖裁能降低沖裁力。下表為部分鋼在加熱狀態(tài)時的抗剪強度,從表中可以看出,當鋼加熱至900℃時,其抗剪強度最低,沖裁最為有利,所以一般加熱沖裁是把鋼加熱到800℃~900℃時進行的。
表4 金屬材料在加熱狀態(tài)的抗剪強度
結構
加熱溫度/℃
200
500
600
700
800
900
1000
Q195 Q215
360
320
200
110
60
30
20
Q235 Q255
450
450
240
130
90
70
65
Q275
530
520
330
160
90
70
60
采用加熱沖裁時,條件不能過長,搭邊應適當放大,同時模具間隙適當減少,凸、凹模應選用耐熱材料,刃口尺寸計算時要考慮沖裁件的冷卻收縮,模具受熱部分不能設置橡皮等。由于加熱沖裁工藝復雜,沖裁件精度也不高,所以只用于厚板或表面質量與精度要求都不高的沖裁件。
加熱沖裁的沖裁力按平均刃口沖裁力公式計算,但材料的抗剪強度應根據沖裁溫度按上表選取。
3.4 壓力中心的確定
沖壓力合力的作用點稱為壓力中心。為了保證壓力機和沖模正常、平穩(wěn)地工作,必須使沖模的壓力中心與壓力機的滑塊中心重合,對于帶模柄的中小型沖模就是要使其壓力中心與模柄軸心線重合。否則,沖裁過程中壓力機滑塊和沖模將會承受偏心載荷,使滑塊導軌和沖模導向部分產生不正常的磨損,合理間隙得不到保證,刃口迅速變鈍,從而降低沖裁件質量和模具壽命,甚至損壞模具。因此,設計沖模時應正確計算出沖模時的壓力中心,并使壓力中心與模柄軸心線重合,若因沖裁件的形狀特殊,從模具的結構方面考慮不宜使壓力中心與模柄軸心線相重合,也應注意盡量使壓力中心的偏離不超出所選壓力機模柄孔投影面積的范圍。
由于該沖件屬于對稱形狀的零件,所以壓力中心為于刃口輪廓圖形的幾何中心上。
3.5 模具閉合高度和壓力機的尺寸關系
沖模的閉合高度是指模具在最低工作位置時,上模板的上平面與下模板的下平面之間的距離H;沖模的閉合高度應與壓力機的裝配高度相匹配。
壓力機的裝配高度是指滑塊處于下死點時,滑塊底面到工作臺墊板上平面之間的距離。我國生產的壓力機的連桿長度一般是可以調節(jié)的,所以裝模高度也是可以變化的;當壓力機連桿調至最短,此時壓力機的裝配高度稱為最大裝配高度,常用H表示,當壓力機連桿調至最長,此時的壓力機的裝配高度稱為最小高度,常用H表示。
為了使模具正常工作,模具的閉合高度應介于壓力機最大裝配高度與最小裝配高度之間,一般按下式決定:
Hmax-H1-5mm≥H≥Hmin-H1+10mm (3.12)
3.6本章小結
本章是沖裁模具的設計計算,是模具設計中的重點章節(jié)。本章主要介紹了模具設計中的沖裁間隙的選用(查表),凸、凹模刃口尺寸計算(包括計算原則及詳細計算),沖壓力的計算(包括沖裁力、推件力、頂件力及卸料力的具體計算),壓力機及公稱壓力的選取,降低沖裁力的措施及壓力中心的確定;本章重點介紹了凸凹模的刃口尺寸及算和沖壓力的計算,它們是模具設計中的重要環(huán)節(jié),有著非正常重要的地位。
第4章 模具零件及結構的詳細設計
4.1 模具零件的組成和分類
模具設計,實質上就是模具結構的設計(選擇)和模具零部件的設計(選擇)。
模具的組成:
(1)工作零件:凸模、凹模;
(2)定位零件:導料板、擋料銷;
(3)卸料與推(頂)件裝置;彈性和剛性;
(4)導向裝置:無導向模;導板模;導柱導套模;
(5)固定與聯接零件:模架;
盡管沖裁模的結構形式及復雜程度不同,組成模具的零件有多有少,但沖裁模的主要零、部件仍相同。按模具零件的不同作用可將其分為工藝零件和結構零件兩大類。工藝零件是在完成沖壓工序時與材料或制品直接接觸的零件;結構零件是模具的制造和使用中起裝配、安裝、定位作用的零件,以及制造和使用中起導向作用的零件。
工藝零件又分為工作零件、定位零件、卸料與推件零件。結構零件又分為支撐固定零件、導向零件、緊固件及其他零件。工作零件有凸模、凹模、凹凸模;定位零件主要有檔料銷、擋料釘始用擋料裝置、導正銷、定位銷、導尺、導料銷、側壓板、側刃及側刃擋塊、承料板等;卸料及推料零件主要有卸料板、頂料板、壓料板等;導向