中轴碗冲压成形工艺与模具设计方案

1 绪 论模具工业是国民经济的基础工业,是工业生产的重要工艺装备。先国家的模具工业已摆脱从属地位,发展为独立的行业。日本工业界认为“模具工业是其它工业的先行工业,是创造富裕社会的动力”。美国工界认为:“模具工业是美国工业的基石”。在德国模具被冠以“金属加工业中的帝王”之称。冲压是一种先进的少无切削加工方法,具有节能省材,效率高,产质量好,重量轻,加工成本低等一系列优点,在汽车,航空航天,仪器仪表家电,电子,通讯,军工,日用品等产品的生产中得到了广泛的应用。据计,薄板成型后,制造了相当于原材料的12倍的附加值,在国民经济生总值中,与其相关的产品占四分之一,在现代汽车工业中,冲压件的产占总产值的59%。随着我国经济的迅速发展，采用模具的生产技术得到来愈广泛的应用。1国内模具的现状和发展趋势1.1国内模具的现状我国模具近年来发展很快，据不完全统计，2003年 我国模具生产点约有2万 多家，从业人员约50多万人，2004年 模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2004年模具产值530亿元。进口模具18.13亿美元，出口模具4.91亿美元，分别比2003年增长18%、32.4%和45.9%。进出口之比2004年为3.69:1，进出口相抵后的进净口达13.2亿美元，为净进口量较大的国家。在2万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。在模具企业中产值过亿元的模具企业只有20多家，中型企业几十家，其余都是小型业。近年来，模具行业结构调整和体制改革步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于一模具产品；专业模具厂数量增加，能力提高较快；"三资"及私营企业展迅速；国企股份制改造步伐加快等。虽然说我国模具业发展迅速，但远远不能适应国民经济发展的需要1/23我国尚存在以下几方面的不足:第一，体制不顺，基础薄弱。“三资”企业虽然已经对中国模具工业的发展起了积极的推动作用，私营企业近年来发展较快，国企改革在进行之中，但总体来看，体制和机制尚不适应市场经济，再加上国模具工业基础薄弱，因此，行业发展还不尽如人意，特别是总体水平高新技术方面。第二，开发能力较差，经济效益欠佳.我国模具企业技术人员比低，水平较低，且不重视产品开发，在市场中经常处于被动地位。我每个模具职工平均年创造产值约合1万美元，国外模具工业发达国家多是15～20万美元，有的高达25～30万美元，与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理，真正实现现代化企业管理的业较少。第三，工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低．虽然国内许企业采用了先进的加工设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后多，特别是设备数控化率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多由于体制和资金等原因，引进设备不配套，设备与附配件不配套现象分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较好解决。装备水平低，带中国模具企业钳工比例过高等问题。第四，专业化、标准化、商品化的程度低、协作差．由于长期来受“大而全”“小而全”影响，许多模具企业观念落后，模具企业专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。目前国内每年产的模具，商品模具只占45%左右，其馀为自产自用。模具企业之间协不好，难以完成较大规模的模具成套任务，与国际水平相比要落后许模具标准化水平低，标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大响，对模具制造周期影响尤甚。第五，模具材料及模具相关技术落后。模具材料性能、质量和品往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢相比，论是质量还是品种规格，都有较大差距。塑料、板材、设备等性能差也直接影响模具水平的提高。1.1.2 国内模具的发展趋势2/23巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。虽然我国的模工业和技术在过去的十多年得到了快速发展，但与国外工业发达国家比仍存在较大差距，尚不能完全满足国民经济高速发展的需求。未来十年，中国模具工业和技术的主要发展方向包括以下几方面:1） 模具日趋大型化；2）在模具设计制造中广泛应用CAD/ CAE/CAM技术；3）模具扫描及数字化系统；4）在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射型技术；5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率；6）发展优质模具材料和先进的表面处理技术；7）模具的精度将越来越高；8）模具研磨抛光将自动化、智能化；9）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；10）开发新的成形工艺和模具。2国外模具的现状和发展趋势模具是工业生产关键的工艺装备，在电子、建材、汽车、电机、器、仪器仪表、家电和通讯器材等产品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。用模具生产制作表现出的高效率、低成本、高精度、高致性和清洁环保的特性，是其他加工制造方法所无法替代的。模具生技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，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。近几年全球模具市场呈现供不应求的局面，世界模具市场年交易总额为600～650亿美元左右。美国、日本、法国、瑞士等国家年出口模具量约占本模具年总产值的三分之一。国外模具总量中,大型、精密、复杂、长寿命模具的比例占到 503/23以上；国外模具企业的组织形式是"大而专"、"大而精"。2004年中国协在德国访问时，从德国工、模具行业组织--德国机械制造商联合<VDMA）工 模具协会了解到，德 国有模具企业约5000家 。2003年 德国具产值达48亿 欧元。其中<VDMA） 会员模具企业有90家 ，这90家 骨模具企业的产值就占德国模具产值的9 0%，可见其规模效益。随着时代的进步和技术的发展，国外的一些掌握和能运用新技术人才如模具结构设计、模具工艺设计、高级钳工及企业管理人才，他的技术水平比较高．故人均产值也较高．我国每个职工平均每年创造具产值约合1万美元左右，而国外模具工业发达国家大多15～20万美元有的达到25～30万美元。国外先进国家模具标准件使用覆盖率达70%以 上，而我国才达到45％3深圆筒拉深模具设计的设计思路拉深是冲压基本工序之一，它是利用拉深模在压力机作用下，将板坯料或空心工序件制成开口空心零件的加工方法。它不仅可以加工转体零件，还可以加工盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件，但是，工出来的制件的精度都很底。一般情况下，拉深件的尺寸精度应在IT级以下，不宜高于IT11级。只有加强拉深变形基础理论的研究，才能提供更加准确、实用、便的计算方法，才能正确地确定拉深工艺参数和模具工作部分的几何状与尺寸，解决拉深变形中出现的各种实际问题，从而，进一步提高件质量。圆筒件是最典型的拉深件，其工作过程很简单就一个拉深，根据算确定它不能一次拉深成功.因此，需要多次拉深。在最后的一次拉深由于制件的高度太高，根据计算的结果和选用的标准模架，判断此次深不能采用标准的模架。为了保证制件的顺利加工和顺利取件，模具须有足够高度。要改变模具的高度，只有从改变导柱和导套的高度。柱和导套的高度可根据拉深凸模与拉深凹模工作配合长度决定。设计可能高度出现误差，应当边试冲边修改高度。4/23异形端盖冲压工艺的分析1拉深件工艺分析工件：如下图所示 材 料：15钢 厚 度： 2.5mm35+0.1702R2R1940+0.175+0.125此工件为带凸缘圆筒形工件，形状简单对称。零件图上未标注公尺寸按IT14精度计算。2冲压工艺方案分析2.1冲压工艺方案的确定该工件包括落料、拉深两个基本工序，可以有以下三种工艺方案：方案一：先落料，后拉深，然后冲孔。采用单工序模生产。方案二：落料—拉深复合冲压，然后冲孔。采用复合模生产。方案三：拉深级进冲压，然后冲孔。采用级进模生产。方案一模具结构简单，但需要三道工序三副模具，生产效率低，难满足该工件大批量生产的要求。方案二只需两副模具，生产效率较高尽管模具结构较方案一复杂，但由于零件的集合行装简单对称，模具5/23造并不困难。方案三也只需两副模具，生产效率高，但模具结构比较杂，送进操作不方便，加之尺寸偏大，通过对上述三种方案的分析比若该工件能一次拉深，则其冲压采用方案二为佳。2.3工艺计算2.3.1计算毛坯尺寸1.计算工件凸缘相对直径，确定修边余量<1）由工件图可知t=2.5mm＞1mm,故按板厚中径尺寸计d=60mmd=37.5mmH=11.5mm。t凸缘相对直径d/d=60/37.5=1.6查表4.2得修边余量h=1.6mm故按实t际外径d=60+1.6×2＝63.2mm计算。2）计算毛坯直径Dp-2.3.2确定工件是否能一次拉深成形×工件总的拉伸系数m=d/D=37.5/73.9=0.507,工件总的拉伸相对高度H/d=11.5/37.5=0.307。总D=d24dH3.44dR=63.2437.5×11.5-3.44×37.5×2mm=73.9mm4.9得，有凸缘圆筒件第一次拉伸的极限拉伸系数m1=0.45。查表由dp/d=63.2/37.5=1.685,t/D×100=2.5/73.9×100=3.383,由于m=0.507>0.45,H/d=0.307<0.48,故此工件可以一次拉出。由表4.10查得，有凸缘圆筒件首次拉伸的极限相对高度h1/d1=0.482.3.总3确定是否用压边圈板料的相对厚度t/D×100=2.5/73.9×100=3.383。由表4.7查得需要压料装置，拉伸时采用弹性压料装置。2.3.4落料排样设计1、确定零件的排样方案6/23设计模具时，条料的排样很重要。由于是圆形，所以采用直排，料的利用率较高。条料的排样2、条料宽度、导尺间宽度和材料利用率的计算查表 2.9得 搭边值 a=1.8mm,a=2.2mm。 条料宽度的计算：拟采用无侧压装置的送料方式，得1条料宽度B0＝(D2ac>0-△△max-导料板间距离A＝Dmax2a2cD —条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；

2.36）2.37）maxa—侧搭边值；△—条料宽度的单向<负向）偏差，见表2.10、2.11；查得△＝0.8c—导料板与最宽条料之间的间隙；其最小值见表2.12查得c=0.5mm。min代入数据计算，取得条料宽度为00A＝79.9mm。-△-0.83．材料利用率的计算：7/23根据一般的市场供应情况，选9 50mm×1500mm× 2.5mm的冷轧钢板。每块可剪1500mm ×79.1mm规 格条料1 2条，材料剪切利用率达99.9%。由材料利用率通用计算公式式<2.41）。S

S式中

S—一个η

步距内冲裁件的实际面积，=1×100%1×100%

mm2；1S—一个步

S距内

所需AB毛坯面积；00A—送

料步距，

mm；得4287η= ×100% =67. 0%80.9×79.1nA1一张板料上总的材料利用率η总×100% <2.42）LB式中n—一张板材上冲裁件的总数目；A—一个冲裁件的实际面积，mm2；1n—一个进距内的冲裁件数量；B—板料宽度，mm；L—板料长度，mm。得η=228×4287×100%68.6%1500×950总由于板料相对较厚，直排材料的利用率相对已经很高了。3.5主要工作零件的尺寸计算1.落料凸、凹模尺寸的计算8/23由于落料是一个简单的圆形，因冲裁此类工件的凸、凹模制造相简单，精度容易保证，所以采用分别加工。设计时，需在图纸上分别注凸模和凹模刃口尺寸及制造工差。根据设计原则,落料时以凹模为设计基准。由式<2.3）和<2.4）得DADmax-x△δA(2.3>0DTDmax-x△-Zmin0）-δT<2.4式中D、D—落料凹凸模尺寸；ADT—落料件的最大基本尺寸；maxx—磨损系数；—工件制造公差；Z—最小合理间隙；minδ、δ—凸、凹模的制造公差。查表AT查表2.5得δ＝0.020mm2.4得Z=0.360mmx=0.500δ=0.030mm＝0.74mmAmin代T入数据得×D(73.90.50.74>0.020mm73.530.020mmD(73.9-0.5×0.74-0.360>mm73.170mmT0-0.0300-0.030A校核：查表2.4得Z=0.360mmZ=0.500mm0maxminmm＝0.140mmδ+δ=(0.020+0.030>mm=0.050mm＜(0.500-0.360>T拉深凸凹模尺寸的计算由于尺寸标注在零件内形，所以以凸模为基准，工作部分尺寸为9/23dTdmin0.4△0<4.37）-δTdAdmin0.4△+Z0<4.38）-δA式中： DA、 DT—凹、凸模的尺寸；d —拉深件内径的最小极限尺寸；min—零件的公差；δ、 δ— 凹、凸模制造公差；AZT—拉深模双面间隙。＝0.17mm查表δ=0.020mmδ=0.030mmA＝T由公式<4.29）得Z2<1～1.1）tt—板料厚度mm。Z=2×<1～1.1）×2.5=5～5.5mm取Z=5.1mm则d(350.4×0.17>0mm35..020068mmT-0.02-d(350.4×0.175.1>mm40.168000.03mmA-0.03-冲孔凸凹模尺寸的计算根据设计原则,冲孔时以凸模为设计基准。由式<2.5）和<2.6）得d(dδ0(2.5>x△-）Tmind(dx△Z>）δ0式中d、d—分别为冲孔凸、凹模的基本尺寸；d—冲孔件的最小极限尺寸；TAmin10/23x—磨损系数；—工件制造公差；—最小合理间隙；minδ、δ—凸、凹模的制造公差。AT查表2.5得δ＝0.020mm查表2.4得Z=0.360mmx=0.5δ=0.025mmmin＝0.74mm代T入数据得

Ad(190.5×0.74>0mm19.370T-0.025-×0.02A00校核：查表2.4得Z=0.360mmZ=0.500mmd(190.50.740.36>mm19.730.02mmmaxmin500-0.360>mm＝0.140mmδ+δ=(0.020+0.025>mm=0.045mm＜(0.T3.6选取凸模与凹模的圆角半径因为圆角R＝2mm属于过渡尺寸，要求不高，可以一次成形，为简方便，设计生产中直接按工件尺寸作为拉深凸、凹模该处尺寸。3.7主要零部件设计1.由于工件形状简单对称，所以模具的工作零件均采用整体结构拉深凸模、拉伸凹模、落料凹模、落料凸模、冲孔凸模、冲孔凹模的构如零件图所示。由落料凹模厚度：H=Ks(≥8>式<2.51）凹模宽度：B＝s+<2.5～4.0）H式<2.52）式中：s—凹模刃口的最大尺寸mm；K—系数 考虑板料厚度的影响 查表2 .22 K＝ 0.22～ 0.3511/23则 H＝ <0.22～ 0.35） ×73.53＝ <16.18～25. 74）mm取H＝25mm。B＝s+<2.5～4.0）×25＝<136.0～173.5）mm凹模刃口h：查表得h≥6mm取h=6mm。2.为了实现先落料后拉深，模具装配后，应使拉深凸模的端面比料凹模端面低，其长度L可按下式计算：L=H固＋H凹－H低式中： H—拉深凸模固定板的厚度 mm；H固—落料凹模的厚度mm；凹H低—装配后，拉深凸模的端面低于落料凹模端面的高度，根据板厚大小，决定H＝5mm。低L=28+25-5=48mm拉深凸模上一般开有出气孔，这样会使卸件容易些，否则凸模与件由于真空状态而无法卸件。查表，本凸模出气孔的直径为φ5mm。2．4压力、压力中心计算及压力机的选用因为本制件是轴对称零件，所以不用计算压力中心。4.1压力计算1．冲裁力的计算由于本模具落料时采用刚性卸料装置，同时又没有冲裁件卡在凹内，所以落料力就是冲裁力。由式<2.18）得F冲裁KLtτb<2.18）式中：L—冲裁周边长度；12/23t—材料厚度；τ—材料抗剪强度；bK—系数。一般取1.3。由表1.3查得τ＝270～380M／Pa。取τ＝310M／Pa。bb则F1.3×3.14×73.9×2.5×310N233.8KN2．拉深力的计算冲裁采用压料圈由式<4.15）得F拉深＝πdtσbK1式中：t—材料厚度；d—拉深后的工件中径；σb—拉深件材料的抗拉强度。K1—修正系数；由表1.3查得σb＝335～470M／Pa。取σb＝400M／Pa。由表4.6查得K＝1则 1F3.14×37.5×2.5×400×1N117.8KN拉伸3．压边力的计算在生产中，一次拉伸时的压边力可按拉伸力的0.25选取，即F0.25F=0.25×117.8KN=2.95KN压4．冲孔力的计算由式<2.18）得拉伸13/23F冲孔KLtτb<2.18）式中：L—冲裁周边长度；t—材料厚度；τ—材料抗剪强度；bK—系数。一般取1.3。由表1.3查得τ＝270～380M／Pa。取τ＝310M／Pa。bb则5．工艺总压力由于采用两副模具，应分别计算落料、拉伸的总压力F=F+F

其总压力：+F1总=233.8+117.8+2.95KN=354.55KN冲裁拉伸压边冲孔总压力FF+nkF=60.1+1×0.05×60.1KN=63.1KN2总2.4.2压力机的选用压力机的工作行程需要考虑工件的成形和方便取件，因此，工作冲孔冲裁程应足够大。F压力机≥(1.82.0>F～总落料、拉伸时F压力机≥<1.8～2.0）F=<638.2～709.1）KN根 据拉深力的计1算结果和工件的高1总度，选择压力机：J23-80公称压力/KN 滑块行程/mm 最 大 闭 合 高 度 封闭高度调节量/mm /mm80013038090巩 固 总 台 尺 寸 模柄孔尺寸/mm 立柱距离/mm床身最大倾角14/23/mm230×360φ60×80380°30冲孔时F压力机≥<1.8～2.0）F<113.6～126.2）KN选择压力2机型号：J23-162总公称压力/KN滑块行程/mm最大闭合高度封闭高度调节量/mm/mm1605522045工作台尺寸/mm模柄孔尺寸/mm立柱距离/mm床身最大倾角160×240φ40×6022035°15/23模具的结构设计1选用模架、确定闭合高度及总体尺寸由于拉深凹模外形尺寸较大，为了工作过程稳定，选用中间导柱模再按其标准选择具体结构尺寸见下表。模架 规格选 用名称 尺寸 材料 热处理上模座160×160×45HT200下模座160×160×55HT200导柱 28×180、 32×180 20钢 渗 碳 0.8 ～1.2mm导套28×110×43、32×11020钢渗碳0.8～×431.2mmHmin=190mm, Hmax=235mm模具的闭合高度HHHH卸料板H拉伸凹模固定板H落料凹模厚度+H上模座H下模座闭合垫板凸凹模固定板5mm＜Hmax=235mm=(6+32+12.5+28+25+45+55>mm=203.由此可见模具的实际开模高度小于所采用模架的最大闭合高度。冲孔时选择后侧导柱模架，其规格见下表：模架 规格选 用名称 尺寸 材料 热处理16/23上模座80×63×30HT200下模座80×63×40HT200导柱 18×110、 22×110 20钢 渗 碳 0.8 ～1.2mm导套18×70×28、22×70×20钢渗碳0.8～281.2mm2其它模具零件的结构设计3.2.1固定板查资料落料凸模固定板选用：125×125×32-45钢JB/T7643.2。落料凹模拉深凸模固定板选用：125×125×28-45钢JB/T7643.2。冲孔凸模固定板选用：63×50×16-45钢JB/7463.23.2.2垫板垫板的作用是直接承受凸模的压力，以降低模座所受的单位压力防止模座被局部压陷，从而影响凸模的正常工作。因为通过上模座固定的模柄与压力机相连，且上模座比下模座薄而且下模座固定在压力机工作台上。为防止上模座损坏，在上模座加板。查资料选用垫板 125×125×6-45钢 JB/7643. 3。3.2.3打料块一般与打料杆联合使用，属于刚性卸件装置，靠两者的自重把工打出来。打料块与拉深凹模间隙配合。3.2.4压边圈17/23压边圈的作用是防止凸缘部分起皱，同时还起到顶2.5导柱、导套对于生产批量大、要求模具寿命高的模具，一般采用导柱、导套保证上、下模的导向精度。导柱、导套在模具中主要起导向作用。导与导套之间采用间隙配合。根据冲压工序性质、冲压的精度及材料厚等的不同，其配合间隙也稍微不同。这里采用H7/h6。2.6其他零件模具其他零件的选用见表3-2．表3-2模具其他零件的选用序号名称数量材料规格/mm热处理1下模座1HT200×160160×552导柱120钢φ28×180渗碳58～62HRC3导柱120钢φ32×130渗碳58～62HRC4导套120钢28×110×渗碳4358～62HRC5导套120钢32×110×渗碳4358～62HRC6上模座1HT200160×160×5518/237内六角4Cr12M10×4558～螺钉62HRC8内六角4Cr12M10×10058～螺钉62HRC9模柄1Q235-1.FA50×10510销钉245钢6×6011销钉245钢8×8012止转销145钢8×1413打杆145钢M14×2203模具总装图由以上设计，可得到模具的总装图，其工作过程是：模具在工作时压力机滑块下行，通过模柄带动上模座下行，模具先进行切边，紧接拉深凸模再拉深。拉深完成以后，压力机滑块上行，通过模柄带动上座上行，当凹模随上模回升时，零件制品在打料块及打料杆的作用下将其从凹模内推出，准备下一次拉深。19/23结束语带凸缘圆筒件属于简单的拉深件，分析其工艺性，并确定工艺方案由于在零件制造前进行了预测，分析了制件在生产过程中可能出现缺陷，采取了相应的工艺措施。因此，模具在生产零件的时候才可以少废品的产生。深圆筒模具的设计，是理论知识与实践有机的结合，更加系统地对论知识做了更深切贴实的阐述。也使我认识到，要想做为一名合理的具设计人员，必须要有扎实的专业基础，并不断学习新知识新技术，立终身学习的观念，把理论知识应用到实践中去，并坚持科学、严谨求实的精神，大胆创新，突破新技术，为国民经济的腾飞做出应有的献。20/2