油封内外夹圈冲压工艺与模具结构设计毕业设计论文.doc

油封内外夹圈冲压工艺与模具结构设计毕业设计论文1、概 论1.1引言 日常生产、生活中所使用到的各种工具和产品，大到机床的底座、机身外壳，小到一个胚头螺丝、纽扣以及各种家用电器的外壳，无不与模具有着密切的关系。模具的形状决定着这些产品的外形，模具的加工质量与精度也就决定着这些产品的质量。因为各种产品的材质、外观、规格及用途的不同，模具分为了铸造模、锻造模、压铸模、冲压模等非塑胶模具，以及塑胶模具。 随着科学技术的进步和工业生产的迅速发展，冲压加工技术的应用愈来愈广泛，模具成形已成为当代工业生产的重要手段。1.2冲压模地位及我国冲压技术1.2.1冲压模相关介绍 冷冲压:是在常温下利用冲模在压力机上对材料施加压力，使其产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件的加工方法。 冲压可分为五个基本工序：冲裁、弯曲、拉深、成形和立体压制。 冲压模具:在冷冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冷冲压模具（俗称冷冲模）。 冲压模按照工序组合分为三类：单工序模、复合模和级进模。 复合模与单工序模相比减少了冲压工艺，其结构紧凑，面积较小；冲出的制件精度高，工件表面较平直，特别是孔与制件的外形同步精度容易保证；适于冲薄料，可充分利用短料和边角余料；适合大批量生产，生产率高，所以得到广泛应用，但模具结构复杂，制造困难。 冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。 1.2.2冲模在现代工业生产中的地位 在现代工业生产中，冲模约占模具工业的50%，在国民经济各个部门，特别是汽车、航空航天、仪器仪表、机械制造、家用电器、石油化工、轻工日用品等工业部门得到极其广泛的应用。据统计，利用冲模制造的零件，在飞机、汽车、电机电器、仪器仪表等机电产品中占60%70%，在电视机、录音机、计算机等电子产品中占80%以上，在自行车、手表、洗衣机、电冰箱、电风扇等轻工产品中占85%以上。在各种类型的汽车中，平均一个车型需要冲压模具2000套，其中大中型覆盖件模具300套。1.2.3我国冲压模具市场情况 我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国发经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竟争激烈。 据中国模具工业协会发布的统计材料，2004年我国冲压模具总产出约为220亿元，其中出口0.75亿美元,约合6.2亿元. 根据我国海关统计资料,2004年我国共进口冲压模具5.61亿美联社元,约合46.6亿元.从上述数字可以得出2004年我国冲压模具市场总规模约为266.6亿元.其中国内市场需求为260.4亿元,总供应约为213.8亿元,市场满足率为82%.在上述供求总体情况中,有几个具体情况必须说明:一是进口模具大部分是技术含量高的大型精密模具,而出口模具大部分是技术含量较低中的中低档模具,因此技术含量高的中高档模具市场满足率低于冲压模具总体满足率,这些模具的发展已滞后于冲压件生产,而技术含量低的中低档模具市场满足率要高于冲压模具市场总体满足率;二是由于我国的模具价格要比国际市场低格低许多,具有一定的竟争力,因此其在国际市场前景看好,2005年冲压模具出口达到1.46亿美元,比2004年增长94.7%就可说明这一点;三是近年来港资、台资、外资企业在我国发展迅速，这些企业中大量的自产自用的冲压模具无确切的统计资料，因此未能计入上述数字之中。 我国冲模工业不能满足国内经济需要的原因主要有： 专业化和标准化程度低。 模具品种少，效率低，经济效益也差。 制造周期长，模具精度不高，制造技术较落后。 模具寿命短，新材料使用量不到10%。 力量分散，管理落后。 但改革开放以来，在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下，尤其是国民经济的高速发展，大大地提高了模具的商品化程度，推动了模具技术和模具工业的迅速发展，在CAD/CAM/CAE的运用、加工工艺手段、冲压件质量及模具性能方面，均已达到或接近国际水平。1.2.4 冲压模具水平状况 近年来，我国冲压模具水平已有很大提高。大型冲压模具已能生产单套重量达50多吨的模具。为中档轿车配套的覆盖件模具内也能生产了。精度达到12m，寿命2亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产。表面粗糙度达到Ra1.5m的精冲模，大尺寸（300mm）精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。 模具CAD/CAM技术状况 我国模具CAD/CAM技术的发展已有20多年历史。由原华中工学院和武汉733厂于1984年共同完成的精神模CAD/CAM系统是我国第一个自行开发的模具CAD/CAM系统。由华中工学院和北京模具厂等于1986年共同完成的冷冲模CAD/CAM系统是我国自行开发的第一个冲裁模CAD/CAM系统。上海交通大学开发的冷冲模CAD/CAM系统也于同年完成。20世纪90年代以来，国内汽车行业的模具设计制造中开始采用CAD/CAM技术。国家科委863计划将东风汽车公司作为CIMS应用示范工厂，由华中理工大学作为技术依托单位，开发的汽车车身与覆盖模具CAD/CAPP/CAM集成系统于1996年初通过鉴定。在此期间，一汽和成飞汽车模具中心引进了工作站和CAD/CAM软件系统，并在模具设计制造中实际应用，取得了显著效益。1997年一汽引进了板料成型过程计算机模拟CAE软件并开始用于生产。 21世纪开始CAD/CAM技术逐渐普及，现在具有一定生产能力的冲压模具企业基本都有了CAD/CAM技术。其中部分骨干重点企业还具备各CAE能力。 模具CAD/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量，已成为人们的共识。在“八五”、九五“期间，已有一大批模具企业推广普及了计算机绘图技术，数控加工的使用率也越来越高，并陆续引进了相当数量CAD/CAM系统。如美国EDS的UG，美国Parametric Technology公司 Pro/Engineer，美国CV公司的CADSS，英国DELCAM公司的DOCT5，日本HZS公司的CRADE及space-E, 以色列公司的Cimatron 还引进了AutoCAD CATIA 等软件及法国Marta-Daravision公司用于汽车及覆盖件模具的Euclid-IS等专用软件。国内汽车覆盖件模具生产企业普遍采用了CAD/CAM技术/DL图的设计和模具结构图的设计均已实现二维CAD，多数企业已经向三维过渡，总图生产逐步代替零件图生产。且模具的参数化设计也开始走向少数模具厂家技术开发的领域。 在冲压成型CAE软件方面，除了引进的软件外，华中科技术大学、吉林大学、湖南大学等都已研发了较高水平的具有自主知识产权的软件，并已在生实践中得到成功应用，产生了良好的效益。 快速原型（RP）传统的快速经济模具相结合，快速制造大型汽车覆盖件模具，解决了原来低熔点合金模具靠样件浇铸模具，模具精度低、制件精度低，样样制作难等问题，实现了以三维CAD模型作为制模依据的快速模具制造，它标志着RPM应用于汽车身大型覆盖件试制模具已取得了成功。 围绕着汽车车身试制、大型覆盖件模具的快速制造，近年来也涌现出一些新的快速成型方法，例如目前已开始在生产中应用的无模多点成型及激光冲击和电磁成型等技术。它们都表现出了降低成本、提高效率等优点。 模具设计与制造能力状况 在国家产业政策的正确引导下，经过几十年努力，现在我国冲压模具的设计与制造能力已达到较高水平，包括信息工程和虚拟技术等许多现代设计制造技术已在很多模具企业得到应用。 虽然如此，我国的冲压模具设计制造能力与市场需要和国际先进水平相比仍有较大差距。这一些主要表现在高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模方面，无论在设计还是加工工艺和能力方面，都有较大差距。轿车覆盖件模具，具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点，可代表覆盖件模具的水平。虽然在设计制造方法和手段方面基本达到了国际水平，模具结构周期等方面，与国外相比还存在一定的差距。 标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种。有代表性的是集机电一体化的铁芯精密自动阀片多功能模具，已基本达到国际水平。 但总体上和国外多工位级进模相比，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，仍存在一定差距。 汽车覆盖件模具制造技术正在不断地提高和完美，高精度、高效益加工设备的使用越来越广泛。高性能的五轴高速铣床和三轴的高速铣床的应用已越来越多。NC、DNC技术的应用越来越成熟，可以进行倾角加工超精加工。这些都提高了模具面加工精度，提高了模具的质量，缩短了模具的制造周期。 模具表面强化技术也得到广泛应用。工艺成熟、无污染、成本适中的离子渗氮技术越来越被认可，碳化物被覆处理（TD处理）及许多镀（涂）层技术在冲压模具上的应用日益增多。真空处理技术、实型铸造技术、刃口堆焊技术等日趋成熟。激光切割和激光焊技术也得到了应用。1.2.5我国冲模今后发展趋势 根据我国冲模技术的发展现状及存在的问题，今后应朝着如下几个方面发展： 开发、发展精密、复杂、大型、长寿命模具。 加速模具标准化和商品化，以提高模具质量，缩短模具制造周期。 大力开发和推广应用模具CAD/CAM技术，提高模具制造过程的自动化程度。 积极开发模具新品种、新工艺、新技术和新材料。 发展模具加工成套设备,以满足高速发展的模具工业需要。 1.3总结冲压加工作为一个行业，在国民经济的加工工业中占有重要的地位。近年来，冲压成型工艺有了很多新的进展，特别是精密冲裁、精密成形、精密剪切、复合材料成形、超塑性成形、软模成形以及电磁成形等新工艺日新月异，冲压件的成形精度日趋精确，生产率有了极大的提高，正把冲压加工提高到高品质、新的发展水平。由于引入了计算机辅助工程（CAE）冲压成形已从原来对应力应变进行有限元分析而逐步发展到采用计算机进行工艺过程的模拟与分析，以实现冲压过程的优化分析设计。计算机在模具领域，包括设计、制造、管理等领域发挥着越来越重要的作用。2、工件工艺性分析及方案确定2.1工件工艺性分析2.1.1冲裁工艺性 油封内夹圈 油封外夹圈图2-1 零件图 工件名称：油封内外夹圈 生产批量：大批量 材料：08钢 料厚：0.8mm以上两零件分别为油封内夹圈和油封外夹圈，材料为08钢板，软的碳素钢 ，强度、硬度低，而韧性和塑性极高，有良好的深冲、拉延、弯曲和镦粗等冷加工性能 、焊接性能 。由零件简图2-1可见，该工件的加工涉及到落料、冲孔、翻边或拉深等工序成形。该零件的外径为92mm和90mm,属于小制件，形状简单且对称，适于冲裁加工。查冷冲压工艺手册得：孔中心与边缘距离尺寸公差为0.5mm，一般剪切断面表面粗糙度为3.2m.材料08钢，其冲压性能较好，孔与外缘的壁厚较大，复合模中的凸凹模壁厚部分具有足够的强度。能够进行一般的冲压加工，市场上也容易得到这种材料 ，价格适中 。料厚为0.8mm,年产量为大批量生产，不允许表面划痕，孔不许有变形，精度要求为IT11，由于零件用于密封，精度要求较高，但零件完全可以用普通的冲压加工方法加工成型。两零件的直径相同，均为117，而内直径不同，冲压工艺方法有可能不同。两工件均为轴对称零件，形状简单，都是翻孔件，材料厚度较薄，冲裁性能较好。2.1.2翻边工艺性 翻边工件边缘与平面的圆角半径r=(23)t。 翻边的高度内夹圈h=8.51.5r=3.6，外夹圈h=13.51.5r=3.6。 翻边的相对厚度d/t(1.72),所以翻边后有良好的圆筒壁。 冲孔毛刺面与翻边方向相反，翻边后工件质量没大影响。 总体看来：该制件均满足冲裁工艺性和翻边工艺性，适于冲裁加工。2.1.3判断能否一次性翻边成形 内夹圈翻边分析：查冷冲压工艺手册表2-9，确定凸凹模制造精度为IT11，毛坏翻边的预制孔直径为d=D-2(H-0.34r-0.72t)， 由工件可知， D=92.8mm，H=8.5mm，t=0.8mm，查冲压工艺手册，选用r=3t=2.4mm,代以上数据到公式得知d=79.016mm。查冲压工艺手册，得知极限翻孔系数为0.74，内夹圈系数k=d/D=79/92.8=0.850.74，尺寸关系满足翻边变形趋向要求，对于内夹圈来说，上述三道工序可行，所以在平板上能一次性翻边成形 外夹圈翻边分析：查冷冲压工艺手册表2-9，确定凸凹模制造精度为IT11，如果按预制孔直接加工，毛坏翻边的预制孔直径为d=D-2(H-0.34r-0.72t)，由工件可知，D=90.8mm，H=13.5mm，t=0.8mm，查冲压工艺手册，选用r=3t=2.4mm,代以上数据到公式得知d=66.2mm。查冲压工艺手册，得知极限翻孔系数为0.74，内夹圈系数k=d/D=66.2/90.8=0.73Zmax-Zmin=0.03，不符合间隙的计算要求，因此在这里采用单配方法加工。从新选择和的值=0.4（Zmax-Zmin） =0.40.03 =0.012mm =0.6（Zmax-Zmin） =0.60.03 =0.018mm查表得x=0.75，得凹模尺寸：Dd=(D-x)0+ =1170+0.018凸模尺寸：Dq=(D-x-Zmin)0- =116.9850-0.012对于落料，先做凹模，并以它作为基准配做凸模，落料凸模的尺寸按凹模尺寸配制，其双面间隙为0.100.14mm 5.1.2冲孔切边刃口尺寸计算： 切边尺寸为920+0.14，尺寸精度为IT11级。切边间隙对切边质量和模具寿命影响较大，双边间隙Z过小则模架导向精度高，模具寿命低。Z过大则制件口部毛刺大，取Z=0.020.03mm为宜。由上查得：Zmax=0.045mm Zmin=0.015mm 凹模制造公差=0.035 凸模制造公差=0.025 x=1 则0.06Zmax-Zmin=0.03 不满足计算要求，从新选择和的值 =0.4（Zmax-Zmin） =0.40.03 =0.012mm =0.6（Zmax-Zmin） =0.60.03 =0.018mm即 凹模尺寸：Dd=(D-x)0+ =92.130+0.035凸模尺寸：Dq=(D-x-Zmin)0- =92.1050-0.025 但对于形状复杂或料薄的工件，为了保证凸、凹模间一定的隙值，必须采用配合加工。因此在这里采用还是采用单配方法加工，对于冲孔，先做凸模，并以它作为基准配做凹模，冲孔凹模的尺寸按凸模尺寸配制，其双面间隙为0.100.14mm5.1.3翻边工作刃口尺寸计算： 翻边间隙： 如图5-1，由于在翻边过程中，材料沿切向伸长，因此其端面的材料变薄非常严重，根据材料的统一变形情况，翻边凹模与翻边凸模之间的间隙应小于原来的材料厚度。 图5-1-1 翻边间隙查冷冲压模具设计与制造，表5-5平板毛坯翻边时凸凹模之间的间隙得Z/2=0.85mm 翻边刃口尺寸：为了避免弹性卸料和推件装置行程过大，翻边凸模端部设计成锥形凸模，由于零件直径较大，如果选择其锥角为900，则其导致模具高度太大。由于材料为08钢，厚度为0.8mm，其加工的性能比较好，所以锥角的倾斜度稍小一些，同时凸模下行时，要对材料进行修边挤切，所以倾斜度尽量减小，通过对装模高度和模具高度的计算分析，选择锥角为1650。 从生产工艺分析，翻边凸凹模与切边模具是同一个模具，只是充当不同的作用，所以尺寸完全一样。5.2油封内夹圈尺寸计算5.2.1落料刃口尺寸计算 对零件图中未注公差的尺寸，冲压件一般保证精度IT14，因制件形状简单且对称，在这里保证精度IT13。查冷冲压工艺手册表2.10，得=0.045mm，=0.025mm，Zmax=0.045mm ，Zmin=0.015mm，由于0.07Zmax-Zmin=0.03mm不满足计算要求，因此在这里采用单配方法加工，从新选择 =0.4（Zmax-Zmin） =0.40.03 =0.012mm=0.6（Zmax-Zmin） =0.60.03 =0.018mmD凹=(Dmax-X)0+ =1250+0.018D凸=(D凹- Zmin)0- =124.90-0.012 对于落料，先做凹模，并以它作为基准配做凸模，落料凸模的尺寸按凹模尺寸配制，其双面间隙为0.100.14mm 5.2.2冲孔切边刃口尺寸计算： 查冷冲压工艺手册表2.10，得=0.045mm，=0.025mm，Zmax=0.045mm ，Zmin=0.015mm，由于0.07Zmax-Zmin=0.03mm不满足计算要求，从新选择=0.4（Zmax-Zmin） =0.40.03 =0.012mm=0.6（Zmax-Zmin） =0.60.03 =0.018mm即D凸=（Dmin+X)0- =730-0.012 D凹=（D凸+Zmin）0+ =73.0150+0.018 但对于形状复杂或料薄的工件，为了保证凸、凹模间一定的隙值，必须采用配合加工。因此在这里采用还是采用单配方法加工，对于冲孔，先做凸模，并以它作为基准配做凹模，冲孔凹模的尺寸按凸模尺寸配制，其双面间隙为0.100.14mm5.2.3翻边工作刃口尺寸计算： 翻边间隙： 如图5-1，由于在翻边过程中，材料沿切向伸长，因此其端面的材料变薄非常严重，根据材料的统一变形情况，翻边凹模与翻边凸模之间的间隙应小于原来的材料厚度。 图5-2-1 翻边间隙查冷冲压模具设计与制造，表5-5平板毛坯翻边时凸凹模之间的间隙得Z/2=0.85mm 翻边刃口尺寸： 拉深与翻孔在复合模具当中是同一模具的两种作用，所以翻边凸凹模尺寸与拉深凸凹模尺寸相同。查冲压模具简明设计手册表4.56得：=0.04mm， =0.06mm查表4.52得：模具间隙Z=0.6mm ，公差=0 凹模尺寸：Dd=(d+0.4+2Z)0+ =91.20+0.06凸模尺寸：Dq=(d+0.4)0- =92.1050-0.0256、凸模、凹模及凸凹模的结构设计及校核6.1油封内夹圈模具外形尺寸6.1.1落料凹模结构设计 最小壁厚冲孔落料复合模的凸凹模其刃口平面与工件尺寸相同，这就产生了复合模的“最小壁厚”问题。冲孔落料复合模许用最小壁厚可按表6-1选取，形式如图6-1表示，表值为经验数据。表6-1 凸凹模最小壁厚a数值 （单位：mm）部分如下材料厚度0.80.91.01.2最小壁厚2.32.52.73.2最小直径1518 图6-1-1 最小壁厚为了增加凸凹模的强度和减少孔内废料的涨力，可以采用对凸凹模有效刃口以下增加壁厚或将废料反向顶出的办法如图61所示。 模具材料的选择从众多模具材料中选出9Mn2V钢，该模具钢是一种综合力学性能比碳素工具钢好的低合金工具钢，它具有较高的硬度和耐磨性，淬火时变形较小，淬透性很好。由于钢中含有一定量的钒，细化了晶粒，减小了钢的过热敏感性，同时碳化物较细小和分布较均匀。9Mn2V钢的化学成分和物理性能分别如表6-2和表6-3所示表6-2 9Mn2V钢化学成分（GB/T 12992000）W%CSiMnVPS0.850.950.401.702.000.100.250.0300.030表6-3 临界温度临界点Ac1AcmAr1Ar3温度（近似值）730760655690 表6-4 综合性能耐磨性耐冲击性淬火不变形性淬硬深度中等中等好浅红硬性脱碳敏感性切削加工性差较大较好所以这里不管是凸模、凹模还是凸凹模，材料都选用9Mn2V钢这里的落料凹模的热处理硬度为6062HRC 确定凹模外形尺寸 确定凹模外形尺寸的方法有多种，通常都是根据零件的材料厚度和排样图所确定的凹模型孔壁间最大距离为依据，来求凹模的外形尺寸。凹模的刃口形式，考虑到本例生产批量较大，所以采用刃口强度较高的凹模，对于凹模的外形这里采用圆形，凹模的外形尺寸应保证凹模有足够的强度与刚度，凹模的厚度还应考虑修模量。凹模的外形尺寸一般根据冲材料的厚度和冲裁件的最大外形尺寸来确定。查冷冲模设计，第101页，凹模厚度和壁厚公式为凹模厚度 H=Kb(15mm) (6-1)式中 K系数，考虑板料厚度的影响b冲裁件的最大外形尺寸凹模壁厚 C=(1.52)H(3040mm) (6-2) 查冷冲模设计，表4-3 系数K值 因 b=117 mm ,取K=0.22故 H=0.22117 =25.74mm C=1.525.74 =38.61mm 考虑到模具整体结构的设计和保证H15mm，最后取H=108mm凹模形状简图如图6-2 图6-2 落料凹模6.1.2确定落料、翻边凸凹模外形尺寸 落料、翻边凸凹模的高度满足翻边高度和凸、凹模之间安全距离外，还考虑翻边间隙，保证强度要求，即凸凹模壁厚大于最小壁厚。这里落料、翻边凸凹模的高度为85mm。落料、翻边凸凹模简图如图6-3 图6-3 落料、翻边凸凹模6.1.3冲孔翻边凸模外形设计： 冲孔翻边凸模的功能是完成冲孔翻，重要性大，其热处理硬度也相对比落料凸模大，其材料选用9Mn2V钢，热处理硬度为6062HRC，冲孔凸凹模的高度通过计算设计为108mm,凸模锥角1650，图形如下 图6-4 冲孔翻孔凸模6.2油封外夹圈模具外形尺寸6.2.1冲孔凸模外形尺寸 冲孔凸模的形式采用类似直通式的形式，少了阶梯形式的复杂，主要受上顶杆孔和凸模孔的影响，避免出现最小壁厚。 由于外夹圈模具整体结构框架的特殊性，冲孔凸模的长度在这里设计为64mm冲孔凸模简图如图6-5 图6-5 冲孔凸模6.2.2落料凹模形状设计： 查冷冲模设计，表4-3 系数K值 因 b=125 mm 取K=0.22故 H=0.22125 =27.5mm C=1.527.5 =41.25mm 考虑到模具整体结构的设计和保证H15mm，最后取H=44mm凹模形状简图如图6-6 图6-6 落料凹模6.2.3拉深翻边凸凹模外形设计： 拉深翻边凸模的功能是完成拉深翻边工艺，其热处理硬度较大，其材料也选用9Mn2V钢，热处理硬度为6062HRC，拉深翻边凸凹模的高度通过计算设计为96mm。图形如下： 图6-7 拉深翻边凸凹模7、主要零部件设计7.1模柄的设计7.1.1油封内夹圈模柄的设计 查冲压模具简明设计手册表15.18：选择压入式模柄选择B型型号：JB/T7646.1-1994材料：Q235热处理硬度：4348HRC模柄简图如图7-1 图7-1 模柄 7.1.2油封外夹圈模柄的设计 这里的模柄采用自行设计，带有螺纹的，作为上模座和模柄同时使用，热处理后强硬度要求较高材料：Q235热处理硬度：6574HRC模柄简图如图7-2 图7-2 模柄 7.2固定板和垫板的设计7.2.1凸凹模固定板的设计油封内夹圈凸凹模固定板的设计： 查冲压模具简明设计手册表19.59圆形固定板厚度H=16mm材料：45 热处理硬度：4348HRC凸凹模固定板的简图如图7-3 图7-3凸凹模固定板 油封外夹圈凸凹模固定板的设计： 查冲压模具简明设计手册表19.59圆形固定板厚度H=16mm材料：45 热处理硬度：4348HRC凸凹模固定板的简图如图7-4