三角形垫片复合模设计.doc

三角形垫片复合模设计三角形垫片复合模设计摘要 冷冲压是利用安装在压力机上的冲模对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需要零件（俗称冲压件或冲件）的一种压力加工方法1。冷冲压与其他加工方法相比，具有独到的特点，所以在工业生产中，尤其在大批量生产中应用十分广泛。本设计是三角形垫片的复合模设计。复合模即在压力机的一次行程中，在一副模具的同一位置上完成数道冲压工序。本设计依据该工件的技术要求，分析其冲压工艺性确定工艺方案。通过查阅资料计算确定排样方案，进行相关力的计算以选择压力机，以及计确定模具及工作零件的尺寸。最后就是确定模具设计方案、模具零件的选用和确定其模具的装配图。 关键字：冷冲压；冲压工艺；模具设计；装配图COMPOUND DIE DESIGN OF TRIANGLE GASKETABSTRACTCold stamping is a pressure-processing methods using a die mounted on the press to put pressure on the material to produce a separation or plastic deformation, thereby obtaining the required parts (commonly known as stamping).Comparing with other processing methods, Cold stamping has its unique characteristics.So it is widely used in industrial production, especially in mass production.This design is a composite die design of triangle gasket. Composite die, namely, can complete several stamping processes in a press tour and in a pair of mold on the same position. Based on the technical requirements of the part and analyzing the stamping process, I determine the technology program of the design. By accessing to information and calculation, I determine nesting program.And calculating the associated force I select the press machine. The I determine the size of the mold and working parts. The final step is to determine the mold design, mold parts selection and determine its assembly drawing.Key words: cold stamping; stamping process; mold design; assembly drawing目录 1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状11.3 本设计研究内容32 产品图42.1 题目42.2 原始数据43 工件的工艺分析54 工艺方案的确定75 模具结构形式的确定96 排样设计106.1 搭边值的确定106.2 排样设计选择106.3 条料宽度的确定116.4 材料利用率126.5 总排样图127 冲压力和压力中心计算137.1 压力中心的计算137.2 冲压力的计算147.2.1 冲裁力147.2.2 卸料力和推件力148 模具工作部分的尺寸计算168.1 落料凹模尺寸计算，如下表8-1178.2 冲孔凸模尺寸计算，如下表178.3 凸凹模尺寸189 工作零件结构尺寸199.1 落料凹模199.1.1 落料凹模厚度199.1.2 凹模壁厚199.1.3 凹模板外形尺寸199.2 其他模具零件209.3 卸料橡胶的选用和计算209.4 凸模的结构尺寸计算219.4.1 凸凹模中落料凸模219.4.2 冲孔凸模结构尺寸计算219.5 冲孔凸模强度和刚度校核2210 其他结构设计2310.1 送料方式2310.2 定位方式2310.3 卸料、出件方式2310.3.1 卸料方式2310.3.2 出件方式2310.4送料方式2411 压力机的选择2511.1 初选压力机2511.2 模架及其他零件设计2511.3 模抦2511.4 校核闭合高度2612 设计并绘制模具总装配图2713 冲压工艺过程卡和机加工工艺卡2713.1 冲压工艺过程卡2813.2 冲大孔凸模机械加工工艺卡2913.3 垫板机械加工工艺卡3014 总结31参考文献32致谢33附录34附录A材料选用及公差34附录B工艺卡零件图35 1 绪论1.1 课题背景模具是一种技术先进的加工装备，在生产实际中具有深远影响。模具在生产中有很多优点，能提高材料利用率、提高生产率、能适应各种工艺、生产出的制件优良等1。它广泛应用于各个行业中，如机械、航空、电子、汽车表等行业。在目前激烈的市场竞争中，产品进入市场的先后往往是影响成败的关键。模具是先进高效的加工工具，直接影响产品进入市场的快慢，从而影响产品的竞争力。因此，研究能够提高产品的生产效率和产品的质量，增大模具的应用范畴的技术十分重要。而在模具制造中开发模具的时间是整个产品生产过程的主要内容。因此企业越来越重视模具开发的时间，甚至很多企业都把把模具开发时间放在第一位置，之后才是质量与价格。因此，应当认真考虑如何在降低成本并且质量达到要求的基本情况下制造出模具。模具制造过程是一项先进的制造过程，可以带动整个制造业的发展，现在已成为制造业的重要发展方向。同时，为了更好地推广各种加工技术，为企业提供各种全面的加工数据，应当建立起相应的模具工艺数据库。当然，合理的模具设计更是模具制造的前提和关键2。本文的主要目标就是构建一个冲压模具工艺过程，使所学在实际生产中得到具体应用。1.2 国内外研究现状自2010 年模具行业“十二五”发展规划发布以来，各种创新性成果已经取得了不少进展，各项专利数量不断地快速增加，产品水平也有了不小的提升。多年以来在有关模具方面的我国授权的专利累计已超过15000项，而在模具寿命方面，精密多工位级进模使用寿命已经可超过4亿次。近年来虽然我国的模具技术已经有了较大进展，但模具总体水平在理论、设计、技术、工艺、经验、管理等各方面与国外相应方面相比都有一定的差距3。总的来说，我们仍然处在学习阶段。我们还需要学习、引进、发展和创造各种先进的生产技术和生产理念。例如在冲压理论方面，它的深入研究可极大的促进冲压成形技术的发展，是重要的理论保证。现如今无论是国内还是国外都非常重视研究冲压理论，由此也在一些理论方面取得了很大进展，如冲压过程中应力与应变的关系、影响材料冲压性能的因素、板料变形过程等。尤其是在理论上完善了塑性变形规律以及计算机各种相应软件技术的开发和发展，近年来，我们开始将限元模拟方法等计算机模拟分析技术应用于材料成形，通过分析金属的变形过程，从而实现对成形过程进行模拟。也可以分析模拟过程估计成形过程中会出现的问题，这样就可以修改相应设计优化方案设计以提前避免这些问题，不仅可以提高生产质量，设计出更佳的工艺方案，也大大的节约了生产成本。又如在生产技术上，目前，国内外相继发展了各种冲压新工艺，如高能成形、软模成形、超塑成形和精密冲裁等，这些新工艺具有高效率高质量的优点。高能成形是通过获取的高能量来成形的，它突出运用于加工形状复杂要求精度高强度高的制件，一般用于小批量生产中3。软模成形是采用柔性介质（一般是液体或橡胶等）作为成形用的凸、凹模，在外力下即可成形，由于是柔性介质，所以生产的制件表面质量好，且很容易加工复杂制件和难成形材料，对于特殊情况应用效果显著。超塑成形即在一定条件下材料具有超塑性，由于此时材料具有很大的延伸率和断面收缩率，冲压性能好，一次就可以直接加工成产品，很容易加工复杂零件，可以显著减少加工难度和提高生产率。同时还有一些针对提高冲压成形性能的技术如利用反复成形来减少残余应力，提高了材料的成形极限，做到无回弹成形。虽然出现了这些新技术，但很多仍不成熟。以精密冲裁为例，精密冲裁是一种先进的金属压力加工方法，一次精密冲裁就可得到尺寸精度高、剪切面光洁、且具有一定立体形状的零件3。精密冲裁具有高效、优质等特点，经济效益十分显著。精冲工艺目前在车辆行业、机械工程、军工、航空、航天、铁路、造船、家电等领域得到越来越广泛的应用。但是精冲技术在我国的推广仍不理想。主要原因是:第一，精冲设备的价格高昂(约是普通压力设备的500倍),很多企业很难承担投资成本。第二，精冲技术是一个较新、较复杂的技术，首先需要有一批精通这一领域的工程师和技术工人，才能掌握和充分发挥出它的效能，才能在企业的实际生产中充分体现出它的先进性和经济性。然后它不仅要有先进的精冲机，也还需要许多先进的配套设备如精密的模具加工设备和检测设备等。因此精冲技术是一项系统性的高技术项目，应该集中一定的人力物力财力去较快地掌握和应用它。第三，在我国，精冲技术仍属起步阶段，精冲材料、精冲设备、精冲模具等配备还不完善。今后精冲技术应该以模具制造精度高、质量好、效率高、成本低为发展目标，大力推动精冲技术的发展。针对这些问题，我们急需大力推广CAD/CAM/CAE技术，精冲模具设计制造的发展方向的一个重要方面就是模具CAD/CAM/CAE技术2。随着计算机软件的发展和进步,我们已经能够做到在企业中全面普及CAD/CAM/CAE技术。企业应该更进一步提高CAD/CAM技术培训和相应技术服务的力度，进一步扩大CAE技术的应用范围。计算机及网络的快速发展极大的推动了CAD/CAM/CAE在整个行业中的推广，实现了跨地区跨院所发展，也实现技术资源的重新整合，从而使得虚拟制造成为可能。正是是由于这些问题的出现和精冲工艺对计算机技术的需求，将计算机技术与精冲技术相结合的研究越来越受重视，将模具制造与计算机技术结合也是模具发展的长期重要方向。1.3 本设计研究内容 本课题是落料冲孔复合模的设计。复合模是指在压力机的一次行程中，在模具的同一位置上完成两道以上工序。普通冲裁获得的工件尺寸精度在IT11以下，表面粗糙度一般为Ra25Ra12.5um，光亮带所占比例不大，断面具有斜度，只能满足一般产品的普通要求4。而在本次毕业设计中利用计算机辅助设计（CAD）绘制模具主要工作零件图和模具的总装配图，并运用了电火花加工、数控切削加工等先进加工技术，可提高冲裁的精确性。同时，这也是是一次对所学知识的全面总结和运用，是巩固和加深各种理论知识灵活运用的实践过程。根据对工件的综合分析，在这次设计中我设计的是倒装式复合模，主要介绍的是冲裁工艺、冲裁模具的设计、装配图和零件图的绘制，以及冲压工艺卡的制定等，从而对整个冲压工艺流程有个系统理解。本次毕业设计是大学期间最全面的模具设计训练，也是大学最后一次学习机会了。经过这次毕业设计，应当将所学的冲压基本理论知识全面掌握，在理论与实际结果的过程中，应该培养起独立分析问题的能力，同时，在毕业设计中遇到问题，也应该学会如何解决问题。同时，毕业设计也是一种综合能力的培养，除了直接的专业知识外，还能学会一些辅助能力，如搜索资料，计算机软件的运用，设计计算等。总的来说，这次毕业设计有一下几个目的：第一，充分完善大学所学专业知识，深化理论知识，并将所学理论知识与实际生产相结合，从而达到熟练掌握并应用的程度。同时，遇到未学过的知识点，也通过请教指导老师或查询资料弄懂，达到扩大知识面的作用；第二，了解工艺流程，学会系统设计模具的能力，为以后的模具设计打下基础；第三，在设计中可能会通过网络或图书馆等各种方式查询所需资料，掌握查阅资料的能力；第四，为今后的工作或学习深造打下坚实基础。我也希望自己能够做到这些，灵活运用所学的专业知识和技能，圆满完成此次的毕业设计。 2 产品图2.1 题目 三角形垫片复合模的设计2.2 原始数据 零件名称：三角形垫片 冲压材料：20钢，材料厚度t=1mm 题目零件图：如图2.1 生产批量：大批量 图2.1零件图 3 工件的工艺分析 (1) 结构:工件结构简单，最小孔直径尺寸是板厚的4倍，满足冲裁件的结构形状与尺寸工艺性要求。 (2) 材料：材料为20钢，该钢属于优质低碳碳素钢，见表3-1和表3-2可见强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为355500MPa，伸长率24%，具有良好的冲压成形性能，适合冲裁2。 (3) 精度：工件的尺寸全部为自由公差，可以看成是IT14级，补标公差后零件尺寸如图3.1，尺寸精度较低，普通冲裁就可以满足要求。 图3.1标注公差后的零件图综上所述，该工件的冲裁性能较好，适合采用冲压加工来完成。表3-1 优质碳素结构钢的力学性能牌号试样毛坯尺寸mm推荐热处理bMPasMPa()()正火淬火回火8F25930295175356010F25930315185335508259303251953360I0259303352053l551525920375225275520259104l02452555252590087060045027523503025880860600490295215035258708506005303152045牌 号主要特性应用举例08F 优质沸腾钢的硬度低、强度高、塑性很好。冲压及拉延性能均好，冷加工性和焊接性能也很好。 但其时效敏感性大且成分偏析倾向较大，因此冷加工时，热处理可采用消除应力以防止冷加工断裂。 常用作冲压件、压延件以及不承受载荷的覆盖件、渗碳渗氮件、制作各类套筒和支架等等。 易轧成薄带、薄板，冷拉钢丝。 08 一种极软的低碳钢，它的硬度和强度很低，塑性和韧性较好，但淬透性和淬硬性很差，不宜切削加工。 宜易轧制成薄带、薄板，冷拉钢丝。 常用作冷冲压件、焊接件。10Fl0 一种强度稍高于08钢的低碳钢，韧性和塑性很好，易冷热加工成型。同时焊接性能也较好，正火或冷加工后切削性能好。但淬透性很差。 可用各种工艺成型如冷轧、冷弯、热轧、冷冲、热挤压、热镦等，制造时要求受力不能太大。常用于韧性高的零件，如摩擦片、弹体、器皿、汽车的车身等。15F15 低碳钢与10F、10钢相比，强度、塑性、硬度相近。对其进行正火处理以提高至适当硬度可改善其切削性能。它的淬透性和淬硬性低，韧性和焊接性很好。 常用于制造形状简单但是韧性要求较高中小制件如拉杆、起重钩、螺钉、螺栓等。20 低碳钢与15F15钢相比，它的强度硬度稍高，塑性焊接性能都很好，正火或热轧后韧性好。 常用于制作要求不太高的中小型渗碳件和锻压件，如齿轮、变速箱变速叉、重型机械拉杆、杠杆轴等。表3-2 优质碳素结构钢的特征和应用4 工艺方案的确定该工件是一个落料冲孔件，可以有三种工艺方案：方案一：采用单工序模，先落料，后冲孔；方案二：采用级进模，冲孔落料级进冲压；方案三：采用复合模，落料冲孔复合冲压。表4-1各种模具结构和特点比较模具种类比较项目单工序模级进模复合模无导向有导向零件公差等级低一般可达IT13IT10级可达IT11IT8级零件特点尺寸不受限制；厚度不受限制中小型尺寸；厚度较厚小零件厚度0.26mm可加工复杂零件，如宽度极小的异形件形状与尺寸受模具结构与强度限制，尺寸可以较大，厚度可达3mm零件平面度低一般中小型件不平直，高质量制件需较平由于压料冲件的同时得到了较平，制件平直度好且具有良好的剪切断面生产效率低较低工序间自动送料，可以自动排除制件，生产效率高冲件被顶到模具工作表面上，必须手动或机械排除，生产效率较低安全性不安全，需采取安全措施比较安全不安全，需采取安全措施模具制造工作量和成本低比无导向的稍高冲裁简单的零件时，比复合模低冲裁较复杂零件时，比级进模低适用场合料厚精度要求低的小批量冲件的生产大批量小型冲压件的生产形状复杂，精度要求较高，平直度要求高的中小型制件的大批量生产结合表4-1分析： 方案一中模具结构形式简单，制造周期短，制造简单，但需要两副模具，成本高且生产率低，难以满足大批量生产的要求。方案二中只需一套模具，生产效率高，但级进模冲压时，对排样设计和定位精度要求较高，而本课题排样相对复杂，所以级进模不作为优选。方案三也只需一副模具，制件精度和生产效率都较高。板料的定位精度比方案二低，模具轮廓尺寸较小，制造比方案二简单。经过综合分析比较，采用方案三的复合模。5 模具结构形式的确定正装式复合模和倒装式复合模结构比较：正装式复合模工作时，板料是在压紧的状态下产生分离，冲出的冲件平直度较高。但由于弹顶器和弹压卸料装置的作用，分离后的冲件容易被嵌入边料中。倒装式复合模板料不是处在被压紧的状态下冲裁，因而平直度不高，但因为其结构简单，又可以利用压力机的打杆进行推件，卸料可靠，便于操作，并为机械化提供了有利条件3。根据零件分析，制件的精度要求较低，且由于零件结构复杂容易卡料，适宜采用倒装复合模生产。根据以上分析确定该制件的生产采用倒装式复合模生产。6 排样设计冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样。排样方案对材料的利用率、生产率、冲件质量、模具结构与寿命都有重要影响。6.1 搭边值的确定搭边是指排样时冲裁件相互之间以及冲裁件与坯料侧边之间留下的工艺废料。搭边有两个作用：第一是补偿了定位误差和剪板时的误差，以保证能够冲出合格的零件；第二是可以增加条料刚度，方便送进条料，提高生产率。搭边的宽度对冲压件质量及冲裁过程有很大影响，搭边如果过大，则材料利用率较低；但如果搭边过小时，那么冲裁时搭边处可能强度和刚度不够，也易损坏模具。因此搭边值的选取应当合理4。查相关手册可确定冲裁件与条料侧边搭边值为a=1.8mm，冲裁件之间的搭边值b=1.5mm，但考虑到挡料，所以，将冲裁件之间的搭边值也设为b=1.8mm4。6.2 排样设计选择 图6.1方案一的排样方案一： 此方案看似材料利用率低且可能是该设计排样的着眼点，但实际无可行性。由于工件不对称，无法翻转板料完成冲裁。若设计成一次冲两个样，则由于凹模壁厚的要求，实际的材料利用率更低且对冲压设备要求更高，不采用。所以只能设计单工件排样。方案二：图6.2方案二排样方案三：图6.3方案三排样关于方案二和方案三排样设计的对比和选择，将在对比二者的材料利用率之后进行。6.3 条料宽度的确定 条料宽度 B0-=（Dmax+2a）0- （6-1）导料板之间的距离 A=B+Z （6-2） Dmax条料宽度方向上冲裁的最大尺寸,为方案二为82.3mm；方案三为 84.92mm；a侧搭边值；条料宽度的单向偏差；Z导料板与最宽条料之间的间隙1。采用龙门剪床剪切条料查表得=0.8mm Z=5mm所以方案二中B0-= 85.90-0.8 mm A=90.9mm 步距为S=88.47mm方案三中B0-= 88.520-0.8 mm A=93.52mm 步距为S=86.02mm6.4 材料利用率材料的利用率是指冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比，它是衡量合理利用材料的重要指标。一个步距内的材料利用率 A/BS100% （6-3） 式中： A个步距内冲裁件的实际面积； B条料宽度； S步距。工件的面积为3588.04mm2方案二中=A/BS X100%=3588.04/(85.9X88.47)X100%=47.21%方案二中=A/BS X100%=3588.04/(88.52X86.02)X100%=47.15%所以，根据材料利用率选方案二的排样6.5 总排样图图6.4 总排样图7 冲压力和压力中心计算7.1 压力中心的计算模具的压力中心是指冲压力合力的作用点。模具的压力中心应该通过压力机滑块的中心线。由于在本冲模设计中有模抦，所以必须使压力中心通过模柄的中心线。否则，冲压时滑块就会受到偏心载荷作用，从而使滑块和模具导向部分出现不正常的磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而影响制件质量和降低模具寿命甚至损坏模具5。由于工件形状复杂，计算压力中心时先按比例画出工件图，选定坐标系，如图7.1所示：图7.1建立坐标系备注：各尺寸均可以在CAD环境下得到(1)X轴方向上 由于三个圆弧的压力中心比较难计算，单独列出计算，如下 圆弧压力中心 Xo=Rxb/L （7-1） 其中：R半径； b弦长； L弧长。所以在三个圆弧的形心为： X1=8x15.35/21.74=5.65， 在本例坐标系中则为26.07； X2=8x15.79/22.57=5.59 在本例坐标系中则为20.75； X3=8x14.96/19.32-47=6.19 在本例坐标系中则为-52.81。因此，图形X轴方向的压力中心为： =-4.57mm(2)Y轴方向上 由（1）中算的三个圆弧的形心，可得Y轴方向的形心为 Y1在本例坐标系中则为-22.07； Y2在本例坐标系中则为54.91； Y3 在本例坐标系中则为-8.95。因此，图形Y轴方向的压力中心为： =10.84mm7.2 冲压力的计算 7.2.1 冲裁力在冲裁过程中凸模作用于板料对其施加的压力叫做冲裁力，随着凸模进入材料冲裁力不断发生变化。通常，我们说的冲裁力是指最大冲裁力，在选用压力机和设计模具时我们都要计算出最大冲裁力6。用普通平刃口模具冲裁时，一般情况下其冲裁力F按下式计算： F=Ltb （7-2）式中 L-冲裁周边长度，L=377.42mm； t材料厚度，t=1mm；b材料抗拉强度，查表得b=410MPa。代入数据得 冲裁力F=154742.2N（154.8kN） 7.2.2 卸料力和推件力 在冲裁结束时，由于材料的弹性回复及摩擦的存在，将使冲落的材料塞在凹模内，而冲裁剩下的材料则紧箍在凸模上。为了使冲裁工作继续进行，必须将紧箍在凸模上的料卸下，将梗塞在凹模内的材料推出。从凸模上卸下箍着的料称卸料力；将梗塞在凹模洞口内的落料件或废料向下推出所需的力称为推件力。本模具采用弹性卸料装置，将板料从凸凹模中卸下。每一次冲裁完成后就用推件块将落料件从凹模中推出来。卸料力 Fx=KxF （7-3）推件力 FT=nKTF （7-4）式中n同时卡在凹模内的工件数量，n=1；Kx、KT-卸料力、推件力系数,查相关表可取 Kx=0.04 KT=0.055卸料力 Fx= 0.04 x 154.8 = 6.192KN 推件力 FT = 0.055 x154.8 = 8.514KN 所以，总冲压力为：Fz=F+ Fx+ FT =154.8+6.192+8.514 170kN8 模具工作部分的尺寸计算模具刃口的尺寸精度极大的影响冲裁件的尺寸精度，同时模具的合理间隙也需要靠模具刃口尺寸及其制造精度来保证。正确确定模具刃口尺寸及制造公差，是设计冲裁模主要任务之一。决定模具刃口尺寸及其公差时需要考虑以下原则： (1)落料件尺寸由凹模尺寸决定，而冲孔时的尺寸则由凸模尺寸决定。因此，在设计落料模时，应当以凹模为基准，间隙取在凹模上：设计冲孔模时，应当以凸模尺寸为基准，间隙取在凹模上。(2)设计模具时要考虑到冲裁中凸凹模的磨损。具体为，设计落料凹模时，由于凹模尺寸会随磨损变大，凹模基本尺寸应取公差范围内的较小尺寸；而在设计冲孔凸模时，由于凸模尺寸会随磨损变小，凸模基本尺寸应取工件孔公差范围内的较大尺寸。这样在凸凹模磨损到一定程度的情况时，仍然能冲出合格的制件。凸凹模之间的间隙则取最小合理间隙值7。由于工件形状不规则且加工要求不高，按凸模与凹模配合加工法。配作法就是先按设计尺寸制出一个基准件，即凸模或凹模，然后根据基准件的实际尺寸按间隙配制另一件。配作法加工的特点是模具的间隙由配制保证，可以适当放大基准件的制造公差，工艺比较简单，并且还使制造容易，是一种较为常用的加工方法。 (3)间隙值的确定因为模具在