制动圈冲压工艺及模具设计

1、学 号 14111900*湖南理工学院机械制造装备设计课程设计论文题目：制动圈冲压工艺及模具设计 作 者 周* 届 别 2011 届 学 院 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 邱 兴 海 职 称 教 授 完成时间 2015.1.3 目录摘 要绪论第一章 冲压件零件图的绘制第二章冲压件的工艺分析2.1 工件材料2.2 工件结构形状2.3 工件尺寸精度第三章 冲压方案的确定3.1 冲压方案3.2 冲压方案的选择第四章 模具类型4.1 模具类型的选择4.2 操作和定位方式的选择4.3 导向方式的选择4.4 卸料、出料方式的选择4.5 推件装置的选择第五章 主要工艺参数的计算5.1

2、排样方式5.1.1 排样方式的选择5.1.2 确定搭边值和料宽5.1.3 排样方式图5.2 送料步距和利用率的计算5.2.1 送料步距的计算5.2.2 材料利用率的计算5.3 冲压力的计算5.3.1 冲裁力的计算5.3.2 卸料力、推件力的计算5.4 压力机的选择5.5 压力中心的确定5.6 模具刃口尺寸计算5.6.1冲裁间隙5.6.2 凸、凹制造公差的计算5.6.3 冲孔凸、凹模刃口尺寸计算第六章 模具设计6.1 凸模设计6.1.1 冲孔凸模的设计6.2落料凹模设计6.3凸凹模设计6.4 其他模具零件结构6.5 典型零件加工工艺方案第七章 模具闭合高度校核第八章 绘制模具总装图第九章 设计总

3、结参考文献摘 要本课程考查任务是设计制动圈（大批量）冲压模具。课题进行过程中，主要以冲压工艺及冲模设计课程的理论为依据，同时结合机械设计、机械制图、互换性与技术测量、机械制造技术基础等相关课程 的知识，首先根据课程考查任务书的要求，利用 Auto CAD 软件完成了制动圈零件图的绘制，然后进行冲压工艺分析并确定合理的冲压工艺方案，选择排样方式与模具 类型，并进行具体工艺计算和校核，选择定位和卸料方式，选择冲压设备，而且对如何保证冲压件精度要求，提高冲压生产效率，保证模具可靠工作，降低模具制造成本 也进行了充分的考虑，最后利用 Auto CAD 软件完成了连接板冲压模具装配图的设 计和凸、凹模零

4、件图的绘制。通过制动圈冲压模具设计，达到了预期的设计意图，巩固和深化了所学的知识， 取得了比较满意的效果。关键词：制动圈；冲压模具；冲压工艺；模具设计绪论近年来，随着先进制造技术的不断发展，将冲压工艺与现在高新技术相结合，使得冲压工艺在深度和广度上都取得了突飞猛进的进展。目前，冲压工艺在高效精密冲压、柔性模（软膜）成形、无模多点成形、超塑性成形、爆炸和电磁等高能成形以及冷冲压技术等方面取得了重大的进步。随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本

5、和新产品的开发能力的重要性。近年来，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。一些国内模具企业已普及了二维CAD，三维 UG、Pro/Engineer等国际通用软件，个别厂家还引进了C-Flow、DYNAFORM、MAGMASOFT等CAE软件，并成功应用于冲压模的设计中。   采用冲压模具，可以显著提高劳动生产效率，减轻工人劳动强度和工作量，可以实现高速大批量生产，显著降低单件加工成本，经济性好；可以节省原材料，实现无切屑加工；可以保证产品质量的稳定性和良好的互换性；可以一次成形某些精

6、密零件，不需要再进行机械加工；可以制造其它工艺方法难以加工的大型复杂零件和制品。同时，采用冲压模具生产，由于操作简单，因此操作人员不需要很高的技术水平，而且还具有容易实现自动化生产的特点。正确合理的设计冲压模具，不仅能够提高冲压产品质量和生产率，而且可以提高模具使用寿命，从而显著提高经济效益。因此，在冲压模具设计过程中，必须清楚冲压件的结构、使用功能要求和加工工艺方法，掌握典型冲压模具的结构和冲压性能，熟悉机械设计各相关方面的理论知识，才能形成正确明晰的模具设计思路和方法，甚至有所创新，从而保证所设计的模具结构简单，工作安全可靠，并具有良好的使用性能。第一章 冲压件零件图的绘制根据给定尺寸，用

7、 AutoCAD 软件绘制冲压件零件图见图 1-1。图11 制动圈零件图第二章冲压件的工艺分析2.1 工件材料制动圈材料为1Gr18Ni9Ti(不锈钢)，经冷加工有较高的抗拉、抗剪强度，主要用于防腐设备的制造。2.2 工件结构形状制动圈结构形状简单，是圆形与键槽形的组合形状，圆环外圆直径为36mm，内圆直径为19mm，内圆插销部分距离圆心4mm，宽度为4mm。内孔与外缘之间的最小距离以及过渡圆角能够满足冲裁要求；材料厚度 1mm，满足冲裁厚度要求，故该零件可以进行冲裁加工。2.3 工件尺寸精度该工件结构简单，形状对称。零件图上所有未标注公差的尺寸，属于自由尺寸，可按IT14级确定工件尺寸的公差

8、；孔心距精度要求较高按IT11级。 以上分析说明，该零件冲裁工艺性良好，适合冲裁加工。第三章 冲压方案的确定3.1 冲压方案制动圈从结构形状与要求来看，只要通过冲孔和落料两个基本工序即可。有以下四种工序方案选择： 方案一：先落料，后冲孔，采用两套单工序模生产。方案二：先冲孔，后落料，采用单工序级进模生产。方案三：落料冲孔同时在多个工位上完成，采用级进模生产。方案四：落料冲孔同时在一个工序上完成，采用复合模生产。3.2 冲压方案的选择 方案一模具结构简单，制作容易，但需要两副模具，增加了模具的制作成本，同时要进行两道工序，导致生产效率降低，难以满足大批量生产。方案二只需要一副

9、模具，减少模具和设备的数量，降低了模具制作成本，生产效率高，易于实现自动化。但级进模轮廓尺寸比较大，结构比单工序模复杂。方案三只需要一副模具，操作方便，生产效率较高，精度也能满足要求，但模具结构较复杂，成本高。方案四只需要一副模具，模具轮廓尺寸较小结构紧凑，冲出的制件精度高，平整。板料定位精度低，但能满足制动圈的要求精度。通过对四种方案的分析和对比可以确定方案四为最佳方案。第四章 模具类型4.1 模具类型的选择由冲压工艺分析可知，模具类型为复合模，能在同一副模具的相同位置，同时完成两道或两道以上不同冲压工序。倒装式复合模具结构相对正装简单，加工更容易，制作成本相对低，故选择倒装式复合模具。4.

10、2 操作和定位方式的选择对于大批量生产的复合模，由于制件的尺寸较小，可选用手动送料。通过模具的材料是条料，所以选用定位销来实现对冲裁条料的定位。4.3 导向方式的选择为提高模具寿命和工作质量，安装调整方便，模具结构更简单，该复合模采用后侧导柱的导向方式。4.4 卸料、出料方式的选择卸料装置分为刚性卸料装置、弹性卸料装置和废料切刀三种。刚性卸料装置卸料力大，工作可靠，常用于材料较硬、厚度较厚、精度要求不是很高的工件。但在卸料时，由于板料没有受到压料力的作用，导致冲裁带孔部分有明显的翘曲现象。弹性卸料装置主要由卸料板、卸料螺钉和弹性元件（弹簧或橡皮）等构成；主要用于材料较薄（小于或等于 2mm）、

11、硬度较小、精度要求高的冲裁；冲裁时弹性元件对板料有预紧作用力，故冲压件的平整度比较高。弹性元件提供的卸料力比较小。废料切刀主要用于大、中型零件冲裁或成形切边时，卸料力要求大，利用废料切刀将废料切开，达到卸料的目的。制动圈厚度为1mm，相对较薄，尺寸较小，制件重量较轻，卸料力要求不大；垫片的平整度要求也不能过低；故采用弹性卸料。在倒装式复合模具中，弹性卸料装置安装在下模。为了使模具结构简单，采用向下出件方式。4.5 推件装置的选择推件装置分为刚推件料装置和弹性推件装置。刚性推件装置适用于对推件力要求大的制件；要使弹性推料装置就要选择好一点的弹性元件，这样增大了模具的制作成本。为了推件平稳可靠，成

12、本低，选用刚性推件装置。第五章 主要工艺参数的计算5.1 排样方式 5.1.1 排样方式的选择零件结构简单，条料从后往前送进，落料凸模的冲压力比较均匀，零件形状精度容易保证，为简单方便选择单列直排方式。5.1.2 确定搭边值和料宽制动圈为圆形，可根据下表5-1选择搭边值。表5-1 手工送料时冲裁圆形金属制件最少搭边值料厚 t（mm)aa111.51.5>1221.5>232.52料厚t=1mm，搭边值a=1.5mm，a1=1.5mm。该冲模选择有侧压装置，材料的料宽： （5-1）式中： Dmax条料宽度方向冲裁件的最大尺寸； a 侧搭边值； 条料宽度的单向（负向）偏差。由Dmax=

13、36mm；a=1.5mm得：值可根据表5-2选择： 表 5-2 普通剪床用带料宽度偏差（mm）料宽B50料厚t（mm）0.5>130.5由t=1mm得：=0.5所以5.1.3 排样方式图如下图5.1所示：图5.1排样方式图5.2 送料步距和利用率的计算5.2.1 送料步距的计算按图5.1的排样方式，送料的步距为制动圈的宽度与搭边值的和，用S表示：为方便令S取整：S=38mm。5.2.2 材料利用率的计算材料利用率是衡量材料是否合理利用的重要指标，在保证制件质量的前提下，也决定板料的冲裁是横向还是纵向。一个送料步距内的材料利用率： (5-2)式中:S 一个制件的有效面积,mm2；A 送料步

14、距，mm；B 调料宽度，mm一块板料的材料利用率为结构废料由工件的形状决定，无法避免，材料的利用率满足要求，故排样方式合理。5.3 冲压力的计算5.3.1 冲裁力的计算冲裁工序力包括冲裁力、卸料力、推件力、顶件力等，其中，最主要的是冲裁力的确定。冲裁时，凸模给材料施加压力，材料对凸模产生反作用力，通常这种反作用力被称为抗力，材料对凸模的最大抗力就是冲裁力。只有知道冲裁力才能保证正确的压力机和合理设计模具。为了使结构简单，选择一般平刃冲裁，平刃冲裁时的冲裁力： （5-3）式中：K安全系数t材料厚度；材料的抗剪强度；L冲剪断面的周长。系数K是考虑实际生产中模具间隙值的波动和不均匀、刃口磨损、板料力

15、学性能和厚度波动等原因对冲裁力的影响而确定的修正系数，一般取K=1.3。材料抗剪强度可从材料手册的机械性能中查出，1Gr18Ni9Ti在热处理退软状态下的=430550MP。冲裁力为：5.3.2 卸料力、推件力的计算在冲裁结束后，由于材料的弹性回复及摩擦的存在，使冲落部分的材料卡在凹模内，而余下的材料则紧箍在凸模上，为使冲压工作能继续进行，必须将卡在凹模内的这些材料推出，将紧箍在凸模上的材料卸下。卸下包在凸模上的材料所需的力叫卸料力；顺着冲裁方向推出卡在凹模里的材料所需的力一般叫推件力。卸料力的计算公式： （5-4） 推件力的计算公式： （5-5）式中：K1、K2分别为卸料力、推件力系数n同时

16、卡在凹模的冲裁件（或废料）的个数，n=h/t（h：凹模洞口的直壁高度）,n=6/1=6。K1、K2的取值可从表5-3中选取表5-3 钢板卸料力、推件力的系数材料厚度t/mmK1K20.10.0650.0750.10.10.50.0450.0550.0630.52.50.040.050.0552.56.50.030.040.0456.50.020.030.025根据冲裁的性质和厚度得：K1=0.05、K =0.055。根据公式（5-4）、（5-5）得：综上所述冲压力为：5.4 压力机的选择本模具采用弹压卸料装置，压力机的公称压力必须大于或等于工序总力。查手册选开式可倾压力机型号为J23-25的压

17、力机。J23-25压力机的主要参数：公称压力250KN，滑块行程80mm，行程次数100次，最大封闭高度250mm，封闭高度调节量70mm，滑块中心到床身的距离190mm，工作台尺寸360×560mm，达到公称压力时滑块距下止点的距离6mm，工作台孔尺寸（前后260mm，左右130mm，直径180mm），可倾斜角30度，模柄孔尺寸（直径×深度）50mm×70mm，工作台板厚度70mm。5.5 压力中心的确定模具压力中心是指模具在工作时，被冲压材料对冲模的反作用力合力的作用点，即冲模所受合力的作用点位置。为了模具正常的工作，模具的压力中心必须与模柄的中心线重合，否则

18、冲压时便会产生偏力矩，使模具的导柱或冲床的滑块单面受力，引起模具和导轨的过早损坏，加速刀口变钝的速度，同时也会使冲模及压力机滑块歪斜，引起凸、凹模的间隙不均，使导向零件加速磨损，降低模具的寿命，有甚者引起压力机导轨磨损加重，损坏压力机。制动圈为轴对称形，外形简单，可按照确定简单形状制件的压力中心的原则来确定制动圈的压力中心。简单形状制件的压力中心确定原则：（1）冲裁直线段时，压力中心位于该线段的中点。（2）冲裁简单对称的冲件时，其压力中心位于冲件轮廓图形的几何中心（厚度均匀的金属薄片的质心）利用CAD以圆心为原点建立坐标系如图5-2所示 利用CAD对其质心进行计算，结果如下： - 面域 -面积

19、: 261.8113周长: 70.2343边界框: X: -9.5000 - 9.2871 Y: -9.5000 - 9.5000质心: X: -0.5570 Y: 0.0000惯性矩: X: 6368.4629 Y: 5364.4478惯性积: XY: 0.0000旋转半径: X: 4.9320 Y: 4.5266主力矩与质心的 X-Y 方向: I: 5283.2162 沿 0.0000 1.0000 J: 6368.4629 沿 -1.0000 0.0000根据计算结果，制动圈的质心与外圆的圆心非常接近，为便于模具设计制造和装配，故可以圆心近似代替制件的质心5.6 模具刃口尺寸计算5.6.

20、1冲裁间隙冲裁间隙是模具设计中的一个相当重要的参数，它对冲件的断面质量、模具寿命、卸料力、推件力以及冲裁件的尺寸精度等都有影响。在不同场合，冲裁间隙的概念定义也不同。在设计过程中所考虑的一般是凸、凹模刃口部分的尺寸之差。冲裁间隙过大、过小都是不合理的，只有选择合适的冲裁间隙才能进行正常的冲裁生产。而不断地冲裁又会使得凸、凹模磨损，凸模尺寸减小，凹模尺寸增大，冲裁间隙也就增大。根据材料力学性质、制件的表面粗糙度和尺寸精度，按照经验数据来确定。经验数据参考如表5-4所示：表5-4 冲裁模初始双面间隙材料名称45；T7，T8（退火）；磷青铜（硬）；铍青铜（硬）10,15,20冷轧钢；30钢板；H62

21、，H68（硬）；硅钢片Q215,Q235;08,10,15;H62,H68(半硬)H62,H68(软);纯铜（软）；3A12,5A02厚度初始间隙ZminZmaxZminZmaxZminZmaxZminZmax1.00.170.200.130.160.100.130.0650.0951.50.270.310.210.250.150.190.100.142.00.380.420.300.340.220.260.140.182.50.490.550.390.450.290.350.180.24表中所列举材料没有1Gr18Ni9Ti,但是通过对比常用金属材料及其力学性能，可以发现热处理退软后的1Gr

22、18Ni9Ti和退火后的45号钢的性能非常接近，故可按照45号钢的参数选取该设计中的冲裁模初始双面间隙。根据5-4得：Zmin=0.17mm，Zmax=0.20mm。5.6.2 凸、凹制造公差的计算凸、凹模的加工方法有两种，第一种是按互换性原则组织生产，叫分别制造法，第二种是按配合加工原则组织生产，叫配合加工法。该模具的设计过程按照互换性的原则进行设计，因此必须保证：dd + 式中：凸模的制造公差； + 凹模的制造公差。一般情况下取： （5-6） （5-7）故： ； 5.6.3 冲孔凸、凹模刃口尺寸计算冲裁件的测量和使用中都是以光亮带的尺寸为基准，冲孔件的光亮带处于小端尺寸，冲孔件的光亮带是凸

23、模刃口挤切材料产生的，冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。故冲孔时以凸模为基准件进行计算，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得，计算公式为： （5-8） （5-9）式中：dp、dd冲孔凸、凹模的刃口尺寸； d冲孔工件的基本尺寸； 工件公差；X磨损系数。如表5-5所示，GB/T 1800.3-1998对应的部分取值表5-5 标准公差表（GB/T 1800.3-1998）公差等级IT10IT11IT12IT13IT14IT15基本尺寸mm30.0400.0600.100.140.250.40360.0480.0750.120.180.30.486100.0580.0900.150.220.

24、360.5810180.0700.1100.180.270.430.7018300.0840.1300.210.330.520.8430500.1000.1600.250.390.621.00孔的基本尺寸为d1=19mm，公差等级为IT14对应的公差=0.52mm。如表5-5所示，磨损系数的取值：表5-6 磨损系数材料厚度t（mm）非圆形工件x值圆形工件x值10.750.50.750.5工件公差/mm10.160.170.350.360.160.16120.200.210.410.420.200.20240.240.250.490.500.240.2440.300.310.590.600.30

25、0.30根据材料的厚度、冲裁件的形状以及工件公差，依据表5-6得：X=0.5所以孔圆弧部分的凸、凹模尺寸为：同样根据表5-5和表5-6可以得出内孔凹进部分，d2=4mm，公差等级为IT14对应公差=0.3mm，X=0.5；所以内孔凹进部分的凸、凹模尺寸为：5.6.4 落料凹、凸模刃口尺寸计算落料件的光亮带是因凹模刃口挤切材料产生的，落料件的光亮带处于大端尺寸，且大端尺寸等于凹模尺寸所以落料时应先确定凹模刃口尺寸。以凹模为基准进行计算，间隙取在凸模上，冲裁间隙通过减小凹模刃口尺寸来取得。落料时计算的凹、凸模刃口尺寸计算公式为： （5-8） （5-9）式中：Dd 、Dp落料凹、凸模的刃口尺寸； D

26、落料工件的基本尺寸； 工件公差；X磨损系数。外圆的基本尺寸为d=36mm，根据表5-5公差等级为IT14对应的公差=0.62mm。根据表5-6，按材料的厚度、冲裁件的形状以及工件公差得X=0.5。所以落料时的凹、凸模刃口尺寸为：第六章 模具设计6.1 凸模设计6.1.1 冲孔凸模的设计凸模长度尺寸是根据模具的具体结构，考虑修磨、固定板与卸料板之间的安全距离、装配等需求来确定。制动圈模具采用的是弹性卸料装置，凸模长度的计算公式为： （6-1）式中：L凸模长度；h1凸模固定板厚度，取20mm；h2卸料板厚度，取25mm；t材料厚度，相对很小，可以忽略；h增加强度。它包括凸模的修模量、凸模进入凹模的

27、深度（0.51mm）、凸模固定板与卸料板之间的安全距离等，一般取1020mm，取20mm。故凸模长度：冲孔凸模图如图6-1所示：图6-1 冲孔凸模图6.2落料凹模设计凹模的结构分为整体式、组合式、镶拼式三种形式，整体式结构简单，强度好，制造精度高。组合式和镶拼式的结构复杂，制造精度相对整体式的要低，故该模具采用整体式形式。整体式凹模的计算公式为： ，且Ha15mm (6-2) C=（1.32.0）Ha，且c3040mm (6-3)式中：Ha凸模厚度；F冲裁力，F=131.08kN；C凹模厚度（指最小壁厚）。凹模厚度计算得Ha=24mm，取整Ha=30mm。凹模壁厚取C=36mm。查GB/T28

28、55.5-1990确定凹模外形尺寸长=125mm、宽=100mm； 凹模设计如下图：图6-2 落料凹模图6.3凸凹模设计凸凹模在复合模中同时具有冲孔凸模和落料凹模作用的工作零件。凸凹模的内外缘均为刃口，内缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸。该模具为倒装式复合模，内孔积存废料，最小壁厚可以大些。凸凹模长度计算公式： （6-4）式中：h1凸凹模固定板高度；h2卸料板厚度；h自由尺寸 ，h=20mm。计算结果L=75凸凹模设计如图6-3所示：图6-3 凸凹模图6.4 其他模具零件结构根据凹模零件尺寸，结合倒装式复合模结构特点，查GB/T2855.5-1990选用四导柱模架方式，查JB/T2885.1-9

29、4，确定其他模具结构零件，如下表6-1：序号名称长×宽×高材料数量1垫板125×100×104512凸模固定板125×100×204513卸料板125×100×204514凸凹模固定板125×100×204515上模座200×165×304516下模座200×165×354516.5 典型零件加工工艺方案以凹模板的加工为例，典型零件的加工工艺为：备料热处理磨平面钳工磨平面热处理线切割。工艺过程如表6-2表6-2 凹模板加工工序序号工序名称工序的主要内容1备料根据图纸下适合的毛坯料2热处理退火3铣、磨平面先铣后磨平面4钳工划线、打螺纹孔、销钉孔和穿丝孔5磨平面光上下平面至图纸要求6热处理淬火、回火达到硬度要求7线切割线切割内型，保证间隙达到要求8去毛刺用细砂打磨去毛刺第七章 模具闭合高度校核模具闭合高度H应满足Hmin-H1+10HHmax H15式中：Hmax压力机最大闭合高度； Hmin压力机最小闭合高度； H1垫板厚度。 本模