垫片冲压工艺与模具设计

第3章排样方案设计和材料利用率计算针对冲压零件的特性，通过对冲压过程的全面分析，对冲压零件进行了技术经济分析，从而制定出一套较为合理的冲压工艺方案。3.1冲裁工艺方法的选择冲压工艺可以分为三种：单独的、结合的和多次的。采用单工序冲裁模式，即在一次行程内，先进行落料，然后再进行冲孔，以达到最佳的冲压效果。重新设计后的方案二：使用多个冲压部件，通过使用多个模具来实现快速、高效的制造。这种新的制造技术可以大大提高制造效率，并且可以节省大量的人力。采用级进冲裁技术，可以将多个冲压步骤按照特定的顺序组合起来，使得每个步骤都能够按照预先设计的步骤，从而实现对零件的精确加工。表3-1显示了三种工序的性能。表3-1单工序冲裁、级进冲裁和复合冲裁性能比较项目单工序模复合模级进模生产批量小批量中批量和大批量中批量和大批量冲压精度较低较高较高冲压生产率低，压力机一次行程内只能完成一个工序较高，压力机一次行程内可完成二个以上工序高，压力机在一次行程内能完成多个工序实现操作机械化自动化的可能性较易，尤其适合于多工位压力机上实现自动化制件和废料排除较复杂，只能在单机上实现部分机械操作容易，尤其适应于单机上实现自动化生产通用性通用性好，适合于中小批量生产及大型零件的大量生产通用性较差，仅适合于大批量生产通用性较差，仅适合于中小型零件的大批量生产冲模制造的复杂性和价格结构简单，制造周期短，价格低冲裁较复杂零件时，比级进模低冲裁较简单零件时低于复合模根据分析结合表3-1得出结论：采用方法一的模型虽然结构较为简洁，但由于只有两道工序和两副模型，使得其效率较低，无法达到预期的年产能。采用方案二可以大大提升冲压的形状准确性、尺寸一致性以及生产效率，虽然其所使用的模具比方案一更加复杂，但是因为其几何形状相对简单，使得其制作成本大大降低。采用一副单独的模具可以大大提升生产效率，然而，由于其中的零部件的冲削精度有所欠缺，因此，为了确保其形状的准确性，必须采用一个专门的导正销来进行调整，这使得模具的制作和安装变得更加繁琐。经过全面的分析和比较，选择方案二进行生产。3.2冲裁结构的选取按工作部件的装配方式，可分为正装复合模具和倒装复合模具。这两种方法各自的优势和劣势和应用范围列于表3-2中。表3-2正装式复合模、倒装式复合模的优点、缺点及适用范围比较项目正装(顺装）式复合模倒装式复合模结构凸凹模装在上模，落料凹模和冲孔凸模装在下模凸凹模装在下模，落料凹模和冲孔凸模装在上模优点冲出的冲件平直度较高结构较简单缺点结构复杂，冲件容易被嵌入边料中影响操作不宜冲制孔边距离较小的冲裁件适用范围冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件，还可以冲制孔边距离较小的冲裁件不宜冲制孔边距离较小的冲裁件，但倒装式复合模结构简单、又可以直接利用压力机的打杆装置进行推件，卸料可靠，便于操作，并为机械化出件提供了有利条件，故应用十分广泛正装式复合模具能够满足对平整度的极端需求，特别是对于那些比较柔韧的、厚重的零件。相比之下，倒装式复合模更加实惠，它的设计更加紧凑，而且更容易使用，因此在工业生产中得到了普遍的使用。总而言之，这种零部件的外观很简洁，但是它的精确性不高，因此建议使用倒装式复合模具。3.3排样方法和方式的确定在日常生产中，根据不同经验排样的方法分为三个，分别是废物处理方法、减少浪费的布局模式、非浪费布局。本次设计方案里，零件大都属于特形零件。基于以上三种方式，我们根据工作经验，多数采用少量布置法。由于没有具体的规定，因此在接下来的工作中，我们会根据自己的工作经验，选择一种方法，并以其精确度为基础，尽可能地减少布局的使用率。因为材料厚度为2.0mm，查参考文献[4]，侧搭边值为2.0mm、搭边值为2.2mm。排样方式的确定：采用CAD进行排样设计，排样设计如下图3.1条料步距、宽度的确定宽度mm步距mm图3.1排样图表3-3搭边值料厚/（mm）圆件及r矩形件边长L≤50mm矩形件边长L>50mm或圆角r≤0.250.25~0.50.5~0.80.8~1.21.2~1.61.6~2.02.0~2.52.5~3.03.0~3.53.5~4.04.0~5.05.0~12aa11.82.01.21.51.01.20.81.01.01.21.21.51.51.81.82.22.22.52.52.83.03.50.6t0.7taa12.22.51.82.01.51.81.21.51.51.81.82.52.02.22.22.52.52.82.53.23.54.00.7t0.8taa12.83.02.22.51.82.01.51.81.82.02.02.22.22.52.52.82.83.23.23.54.04.50.8t0.9t3.4材料利用率的计算η—材料利用率A—工件的面积（通过使用二维软件，我们测量出A的结果为1946.566mm2。）B—条料宽度S—冲裁步距一个步距内的材料利用率：=87.6%第4章冲裁力及压力中心计算确定最佳的冲切力量需要考虑到使用的压缩空气动力学特性，并且需要对模具进行精确的测试，以确保它们能够满足最佳的冲切性能。对于常见的平刃冲切模，Fp的值应该根据相关公式进行确定。式（4-1）在式（4-1）中，τ-材料的抗剪强度，可以在表5-3（MPa）中找到相关数据；L-冲裁周边总长(mm）；t-材料厚度(mm）；通过分析影响冲压模具刃口损伤、冲压模具内冲压模具间隙数量及分布不均、冲压模具材料力学性能及冲压模具厚度不均匀等因素，得到1~3个安全系数。如果无法确定抗拉强度τ，则应采用Kp=1.3的方式来估测，从而获得更准确的结果。根据08钢的力学特性，我们可以从表4-1中得知抗剪强度τ为350MPa。根据材料的相关特性和原始状态，τ的取值可以从相关设计资料和手册中获得，本次设计采用t=2.0mm的材料，将τ取值调整为350MPa。表4-1抗剪强度τ材料名称牌号材料状态抗剪强度τ/MPa碳素结构钢08已退火260～34015270～38020280～40035400～5204.1冲裁力计算根据文献[5]，冲裁力公式：式（4-2）式中—连接板件周边长度（mm）；—材料厚度（mm）；—材料抗减强度（）；—系数，在一般设计的过程中我们取=1.3。结果如下：落料（冲裁周长为186.56mm）冲孔（冲裁周长为31.4mm）总冲裁力：式（4-3）4.2其他力的计算根据文献[6]，卸料力和推件力计算公式：式中—冲裁力（）；、、—分别为卸料力、推件力、顶件力系数。推件力计算时按一次卡住2个工件来计算，带入相关数据得：通过查文献[6]得K卸=0.045式（4-4）K推=0.055所需的卸料力和推件力分别为：式（4-5）式（4-6）4.3总的冲压力计算按照以上几种生产力的计算，把这几种生产力相加就可以得到本次制件所需要的总的生产力：式（4-7）4.4压力中心计算利用CAD中的质量特性计算压力的中心为（0，0），压力中心的位置在零件的中心位置。计算结果如图4.1所示。式（4-8）式（4-9）将零件的各值代入相对应的公式，压力中心在产品的中心位置。图4.1零件图第5章模具零件设计5.1凹凸模零件的设计5.1.1冲裁间隙的确定冲裁过程中，间距的大小对于成功完成冲裁任务至关重要，它可以帮助我们确保冲裁件的断面质量和尺寸准确，同时也能够降低冲裁的压力，增长冲模的寿命。因此，在制作冲模的过程中，应该控制好冲裁间距的大小，就像图5.1中那样。在冲压加工过程中，常见的破坏方法包括磨损、变形、破碎、压缩和压缩破坏。不同的破坏方法会导致不同的破坏情况。破坏的部位会受到破坏的部位的不同，破坏的部位会受到破坏的部位的不同。随着间距的不断扩大，卸载能量也会相应提升，从而对冲模的寿命产生负面的影响。通常，在（10%~15%）t的间距范围内，磨损程度会更低，使得寿命更长。图5.1冲裁间隙图因为冲压间距的大小会直接或间接地影响到产品的性能，因此，没有一个完全准确的参考标准，可以保证产品的性能达到最优，包括优良的截面品质、良好的尺度精确性、较短的使用期限和较低的冲压强。因此，为了获取更高的冲裁件切割截面品质与规格精确度，我们必须遵循一个基本的原则：尽可能地延长模具的使用期限。目前，我们通常会通过经验方式或者查询方式，来选择一个适当的间距。5.1.2冲孔凸模的设计在计算冲压高度的时候，要将其它部件的高度都考虑进去，并且要与模具的设计相结合，确定出最优的固定板、脱模板和原始弹性，还有修边余量，这样才能保证最好的冲压效果。凸模高度为：L=H2+H1+H式中H1—凸模固定板厚度，得：H1=16mm；H2—落料凹模厚度，得：H2=25mm；H—附加长度，取1mm。由公式得：L=16+25+1=42(mm)凸模是一种具有高强度、高耐磨性能的重要零件。所以，要选用耐磨性更好的铬12合金，而在精度上，则要选用IT7合金。根据法则，我们可以计算出刃口的尺寸。在决定冲压模具凸、凹模具的刀刃尺寸时，应牢记以下原则：（1）由于落料与冲孔的不同，它们的尺寸也有所不同。对于落料，首选的是适当的凹模，通过缩短其直径可以达到较好的间隔效果；而对于冲孔，则需要选择更加精确的凸模，并通过加宽其直径，从而达到较好的间隔效果；（2）经过研究发现，当凹模和凸模的刃口受到摩擦时，它们的基准尺寸会发生相似的改变，即将它们的基准值设置为与工件的最低极限值相同；而当凸模的刃口受到摩擦时，它们的孔径会发生相似的改变，因此，它们的基准值也会相似地设置为与工件的最高极限值相同；（3）在凸模和凹模之间，应确保适当的间距；（4）在冲裁件的加工过程中，凸模和凹模的设计必须符合其尺寸精确性。在生产过程中，通过采取两种措施，可确保产品的精度和尺寸符合要求：（1）通过分别加工凸模和凹模，并严格控制尺寸和公差，可以实现成批生产，并且可以实现互换。但是，该工艺要求对模具的尺寸精度进行严格的控制，从而增加了该工艺的难度。采用此方法，可方便地生产出形状简单，有较大间隙的模具，并能用高精密仪器生产出冲、凹模具制品；（2）采用单工序加工法，即将凸模与凹模分别安装在基准件上，以确保合理的间隙。在加工过程中，凸模与凹模之间不得互换，而是依据基准件的特性进行安装。通常，下料件采用凹模，而冲孔件采用凸模。这种技术通常被用来制造一些复杂的冲压件，因为其中间隙很小。通过应用上述计算法则，为了确保凸模和凹模之间的精确加工，必须确保以下关系：所以，为确保生产出的模具质量，我们必须确保它的初始间距在Zmin~Zmax之内，这样才能延长它的使用寿命。为此，我们将采取独特的加工方式来完成这一任务。当进行分离加工时，可以使用以下公式来计算：所以，新制造的模具应该保证。该组合式冲模的制造方法为：分体式冲模。分开加工时计算公式如下：落料式(5-1）式(5-2）冲孔式(5-3）式(5-4）式中：D凸、D凹-分别为落料凹模和凸模的基本尺寸；d凸、d凹-分别为冲孔凹模和凸模的基本尺寸；Dmax-落料件的最大极限尺寸；dmin-冲孔件的最小极限尺寸；△-冲裁件公差；x-磨损系数；凹、凸模具作为模具的重要组成部分，总是处在相对运动的状态，在工作时，凹、凸模具极易发生磨损，必须对凹、凸模具进行相应的尺寸、公差分析，选取合适的间隙，经过计算、分析，减少凹、凸模具间的磨损。一般情况下，我们会使用对尺寸工差以及偏差进行分析的方法如下：δ凸、δ凹-分别是凸模和凹模的制造公差，凸模偏差为负，凹模偏差为正。由表可得：Zmin=0.246mmZmax=0.36mmZmax－Zmin=(0.36－0.246)mm=0.104mm由表得，x=0.5；设凸、凹模分别按IT6和IT7级加工制造，则：冲孔凸模刃口尺寸根据公式5-3：d凸=（10+0.5×0.36）0-0.02=10.180-0.02mm冲孔凹模刃口尺寸根据公式5-4：d凹=（10+0.5×0.36+0.246）0+0.02=10.4260+0.02mm落料凸模根据公式5-2有：D凸1=（65－0.5×0.74－0.246）0-0.02=64.3840-0.02mmD凸2=（30－0.5×0.43－0.246）0-0.02=29.4940-0.02mm落料凹模根据公式5-1有：D凹1=（65－0.5×0.74）0+0.02=64.630+0.02mmD凹2=（30－0.5×0.52）0+0.02=29.740+0.02mm5.2凸凹模和冲孔凸模结构设计我们采用倒装复合模，凸凹模尺寸计算如下：式中h1—卸料板厚度h2—凸凹模固定板厚度，取10mmh—橡胶厚度见下图5.2和5.3图5.2冲孔凸模图5.3凸凹模5.3卸料螺钉的选用采用GB2867.5-1981标准的M10×70型号的圆柱头内六角卸料螺钉，可以有效地满足工程施工的需求。5.4模柄的选用该模具手柄用于将上模具座与冲压机的滑块连接起来。针对该模具的结构特点，选择了带有螺纹的手柄。在设计模柄时模柄的长度不能超过凹槽中凹槽的深度，凹槽的直径必须与凹槽中凹槽的直径相匹配。综合以上，选择了该模具的手柄:GB/T2870-81。5.5圆柱销和螺钉的选用根据最佳的孔径和螺丝的尺寸，我们应当采用内部六角形螺钉来固定上下两个模具。内六角螺丝（固定牢固，不暴露螺头）和内六角螺丝是冲裁模具常用的两种类型。以上模座、垫板、凸模固定板和凹模为基础，使用4个M10×40mm的螺钉进行固定，4个M10×60mm的螺钉进行固定，模柄与上模座使用4个M10×40mm的螺钉进行固定，螺钉分布对称，使紧固零件受力均匀。在冲压模具中，通常使用带有圆筒形头部的内六角螺杆。根据螺钉长度和最小孔边距的要求，上模和下模选择圆柱销。第6章相关模具结构设计6.1送料方式和定位方式的选择由于产品的批量生产以及模具类型已被确定，因此可采用前、后自动送料模式进行制造。(1)因为该冲压模具采用条状材料，因此可对条状材料的输送方向进行控制：第一种：导引针，它的构造简单，是一种标准零件，它的导向和定位一般都用在单程模具和组合模具上。第二种：导轨，它的结构很简单，是一种标准零件，它的导向和定位一般都用在单程的级进模上。结论，综合以上，此模具适合于第一种方法，采用导引针引导。(2)条状材料的进给量控制方案包括：方法一：紧固止动销。它具有结构简单、制作方便等优点，在小尺寸冲压零件的止料定位中得到了广泛应用。计划二：可移动止动销.它具有结构简单、制作方便、适用面广等优点。在进料过程中，不需提起台面，使进料更加容易。结论：通过对几种方案的对比，确定了无需提升盘、进给量容易的可移动止动销。6.2卸料和出件方式为了提高卸料冲模的效率，我们选择了固定卸料板和弹性卸料板。固定卸料板可以有效地处理较厚的零件，更能提供更高的表面质量。相对来说，弹性排料板更适合用于加工厚度较薄的直径2mm以下的工件，并能提供较高的表面质量，并且可以提供更好的模具精度。由于制件的料厚为2.0毫米，这种薄型工件的精度要求极高，因此，采用弹性卸料技术来完成这一任务将是最佳选择。6.3落料凹模板外形尺寸通过精确的测量和计算，我们可以确定凹模的最小尺寸，并将其与实际情况相结合，以达到最佳的设计效果。根据文献[7]最小尺寸计算如下：凹模板厚度尺寸H=ks垂直于送料方向落料凹模宽度B=s+（2.5~4）H送料方向落料凹模长度式中s—垂直于送料方向的凹模刃壁间的最大距离—生产制件的最大长度；—生产制件的最大宽度；k—生产系数，根据文献生产系数k值见表5.1。表6.1系数K值材料料宽b/mm材料厚度t/mm材料厚度t/mm材料厚度t/mm≤500.30～0.400.35～0.500.45～0.60>50～1000.20～0.300.22～0.350.30～0.45>100～2000.15～0.200.18～0.220.22～0.30>2000.10～0.150.12～0.180.15～0.22查表6.1得：K=0.3。为了满足工件冲裁尺寸和冲裁力的要求，并且保证推件装置的安全性，我们决定将凹模的厚度调整至25mm，以此来提升模具的性能，并减少凹模刃口的磨损。通过应用公式，可以计算出凹模的边壁厚度。C=（1.5～2）H=1.5×25～2×25=37.5～50mm通过测量凹模的厚薄以及其周围的材料，我们就能够精准地调整其长度。通过应用公式，可以计算出凹模的长度：L=b1+2c=65+2×47.5=160mm通过应用公式，我们可以计算出凹模的宽度：B=b2+2c=30+2×47.5=125mm即：L×B×H=160mm×125mm×25mm凹模零件图见下图6.1，材料是Cr12。图6.1落料凹模6.4其他板尺寸的确定6.4.1卸料板设计出料板与冲床和模具之间的距离通常为0.15毫米[5]，一般情况下卸料板设计结合凹模的大小，结合凹模长度和宽度，厚度选择为12mm，按照凹模的大小，制定出卸料板的尺寸为160×140×12mm。卸料板零件图如下图6.2，材料为45。图6.2卸料板6.4.2凸模固定板设计凸模的实心板形状通常与凹模相同,厚度为凹模尺寸的0.6—0.8倍[6]。厚度的计算如下：H凸固=（0.6～0.8）H凹在上式中，H代表凸模固定板的厚度；H凹—凹模厚度。代入公式得：H凸固=（0.6～0.8）H凹=（0.6～0.8）H凹=（0.6～0.8）×25=15～20（mm）采用16mm厚的凸模来固定板，以达到最佳效果。根据图6.3，可以看到凸模固定板的零件，其材料为45。图6.3凸模固定板6.4.3垫板设计按照模具的尺寸，垫板的厚度应该是6mm，而且它的尺寸也应该是160×140×6mm。根据图6.4，我们可以看到垫板的零件，它的材料是45。图6.4垫板6.4.4橡胶选用(1)根据卸料力求橡胶截面尺寸橡胶产生的压力：式中—橡胶所产生的压力，设计时取大于或等于卸料力；—橡胶横截面积；在设计过程中，为了确保单位面积的压力符合要求，应该根据压缩量的大小，选择1.1作为预压量的参考值。由于，(2)橡胶高度计算在选用橡胶时，其允许最大压缩量应不超过其自由高度的45%，即：式中—橡胶允许的总压缩量；—橡胶的自由高度。橡胶预压缩量一般取自由高度的10%～15%，即：式中—橡胶预压缩量。故而式中—卸料板的工作行程，，为板料厚度；—凸模刃口修磨量，一般为4～12mm，我们取8mm则=32mm。6.5模架的选择在模具的结构上，中央支撑结构既能够降低成本，又能够满足对称的要求。而后支撑结构则更加实用，其设计灵活，易于操作，而且更容易拆卸。斜支撑结构的特点在于其具有良好的稳定性，能够更好地指挥操作。四角型导柱通常被应用在小型零部件的制造中，而在制造复杂的、需求极其苛刻的零部件时，它的应用就显得尤为重要。因此，在进行了多方考量之后，最终确定采用后型。模架组合查参考文献[8]，见下表6.2。表6.2模架组名称数量材料规格标准上模座1HT200265x200x40mmGB/T2855.1-2008下模座1HT200265x200x45mmGB/T2855.2-2008导柱1Cr12ø25x155mmGB/T2861.3-2008导套1Cr12ø25x75X38mmGB/T2861.8-2008第7章压力机和校核模具高度7.1选择压力机压机是由机器驱动的，它们通常被称为机械气压机、曲柄压力机或者高速冲床。它们也被称为液压压力机或者气压压力机。曲柄压力机通常被广泛使用，它们的机体外观类似英文字母C，具有较好的操控性能，但是机体的强度较低，因此在承受较重的压强时容易发生变形。通常，加压机的最大功率都不能达到2000KW。J23-35型加压机是一种具有良好机体结构、优异的机械强度、可靠的加工质量、易于操控的加压机。它的优势是可靠的机械强度、可靠的加工质量、易于操控，因而是最佳的加压机。从第四章中所述的零件冲压压力的计算中，我们可以得知总冲压压力。在对冲裁压力和产品模闭合高度进行全面分析后，我们优先考虑使用J23-35这种型号的压缩空气动力设备。压力机J23-35主要技术参数[9]如下所示公称压力：350kN 滑块行程：120mm滑块行程次数：80次/min 最大闭合高度：270mm闭合高度调节量：60mm 滑块中心线到机身的距离：225mm工作台尺寸：前后440mm、左右810mm模柄孔尺寸：直径Φ50mm、深度60mm7.2模具闭合高度的计算该模具闭合高度[10]：其中，h1—上模座厚度，h2—下模座厚度；h3—凸模固定板厚h4—卸料板厚度h5—橡胶厚度h6—凹模厚度h7—垫板厚度h8—凸凹模固定板厚h=1mm，这是一个关于在冲压过程中将物体压缩到凹槽中的参数。从相关分析可以得出，该模具封口高度低于所选压力机J23-35的最大装模高度270mm，所以所选压机可以满足用途要求。保定理工学院本科毕业设计第8章模具结构分析8.1模具总装配图模具总装配图如下图8.1所示图8.1倒装复合模装配图8.2模具的主要特点因为冲件精度较低，且没有进给误差的干扰，复合模冲压成型零件均从模具型口处推入，所以零件面比较平整，适用于冲压薄件。尽管复合模具的结构相对复杂，但它们可以通过压力机的打杆装置来轻松地推出制品，这样可以保证卸料的可靠性，并且操作起来也更加方便。8.3复合模的工作过程这种模具是一种倒置的复合模，当它运行时，材料会被放置到挡料销上。当进行冲切操作时，上模会向下移动，由于弹性材料的卸载板会比凹模的模口上方的推进器的表面高0.5mm，所以需要把材料压实。上模的运动可以实现快速的冲压，而且不需要任何额外的设备，只需要轻轻一按，就可以将冲压后的物体抛弃。此外，还可以使用一种新型的推动机制，它可以将被压缩的物体通过一个刚性的推动机制将其拉出。通过使用倒装式复合模，可以轻松地将冲孔废料通