多工位级进模设计

上海理工大学本科毕业（设计）论文- 1 -第一章 概 论1.1 级进模概述一个冲压零件，如用简易模具冲制，一般来说，每项冲压工序，如冲裁（冲孔、冲切或落料） 、弯曲、拉深、成型等，就需要一副模具。这对于一个比较复杂的冲压零件来说，则需要几副模具才能完成。因此这种简易模具的生产效率，相对来说仍是较低的。对于大批料生产的定型产品，用简易模具进行生产是极不适应的。多工位级进模是冷冲模的一种。级进模又称跳步模，它是在一副模具内，按所加工的零件分为若干个等距离工位，在每个工位上设置一定的冲压工序，完成冲压零件的某部分加工。被加工材料（一般为条料或带料）在控制送进距离机构的控制下，经逐个工位冲制后，便得到一个完整的冲压零件（或半成品） 。这样，一个比较复杂的冲压零件，用一副多工位级进模即可冲制完成。在一副多工位级进模中，可以连续完成冲裁、弯曲、拉深、成型等工序。一般地说，无论冲压零件的形状怎样复杂，冲压工序怎样多，均可用一副多工位级进模冲制完成。多工位级进模的结构比较复杂，模具制造精度高，这对模具设计者来说需要考虑的内容很多，尤其是级进模条料排样图的设计，模具各部分结构的考虑等都是十分重要的。级进模，尤其是多工位级进模，配合高速冲床，实现高速自动化作业，能使冲压生产料率大幅度提高。它在提高生产效率、降低成本、提高质量和实现冲压自动化等方面有着非常现实的意义。多工位级进模可以对于一些形状十分复杂的冲压件进行冲裁、弯曲、拉深、成形加工。对大批量生产的冲压零件尤其应当采用多工位级进模进行冲制。1.2 级进模特点及其现状级进模是在压力机一次行程中完成多个工序的模具，它具有操作安全的显著特点，模具强度较高，寿命较长。使用级进模便于冲压生产自动化，可以采用高速压力机生产。级进模较难保证内、外形相对位置的一致性。多工位级进模冲压工艺具有生产效率高，材料利用率高，冲压设备比较简单，对操作工人技术等级要求不高等优点，所以在工业生产中，应用广泛，并已成为不可缺少的重要加工手段之一。多 工 位 级 进 模 特 点多 工 位 级 进 模 精 度 高 、 寿 命 长 ， 其 工 作 元 件 常 采 用 高 速 钢 或 硬 质 合 金 制 造 。 用 硬 质合 金 制 造 的 模 具 寿 命 一 般 可 达 到 1 亿 次 ， 最 高 可 达 到 3 亿 次 。 模 具 加 工 的 位 置 精 度 为（ 0.002 0.005） mm， 尺 寸 精 度 一 般 为 0.005mm， 高 的 可 达 0.0025mm。 特 别 对 一 些小 凸 模 而 言 ， 其 寿 命 显 得 更 为 重 要 ， 如 某 长 用 成 形 模 削 方 法 加 工 的 凸 模 和 凹 模 宽 度 为0.2mm。 冲 制 0.25mm 厚 的 板 料 ， 其 冲 压 速 度 为 1000 次 /min， 模 具 的 使 用 寿 命 高 达 1 亿次 。 在 多 工 位 级 进 模 中 ， 通 常 凸 模 都 很 细 小 ， 因 此 ， 它 具 有 精 确 的 导 向 和 保 护 。 常 常 将相机胶卷压簧多工位级进模设计- 2 -卸 料 板 上 的 凸 模 相 配 的 孔 做 的 很 精 确 ， 其 尺 寸 及 相 互 位 置 也 做 的 正 确 无 误 。 在 冲 压 过 程中 凸 模 平 稳 、 精 确 ， 就 需 要 卸 料 板 对 凸 模 器 导 向 和 保 护 作 用 ， 而 卸 料 板 也 大 多 采 用 导 柱导 向 。多 工 位 级 进 模 有 自 动 送 料 装 置 ， 送 料 精 度 高 ， 送 料 步 距 能 精 确 调 整 。 目 前 生 产 中 常用 夹 持 式 、 滚 动 式 、 有 离 合 器 和 琨 式 、 凸 轮 琨 式 、 摆 动 琨 式 等 送 料 装 置 ， 送 料 误 差 可 控制 在 （ 0.002 0.005） mm。 我 国 自 行 设 计 制 造 的 精 密 多 工 位 级 进 模 步 距 精 度 达 到0.002 0.003mm， 模 具 主 要 零 件 的 制 造 精 度 已 达 到 2 m 5 m， 模 具 寿 命 1 亿 次 以 上 ，已 经 达 到 目 前 的 国 际 水 平 。 送 料 误 差 和 不 能 及 时 从 凸 模 上 卸 料 ， 是 造 成 冲 模 损 坏 的 主 要原 因 ， 为 保 证 冲 压 工 作 顺 利 进 行 ， 模 具 不 被 破 坏 ， 它 还 是 需 要 具 有 高 精 度 的 误 差 检 测 装置 ， 如 果 没 有 检 测 装 置 ， 出 现 工 作 误 差 又 不 能 使 冲 床 快 速 刹 车 停 止 冲 压 工 作 ， 后 果 就 很难 想 象 了 。多 工 位 级 进 模 对 冲 床 的 要 求 高 ， 要 求 冲 床 的 运 动 精 度 高 、 刚 性 好 、 震 动 小 、 热 变 形小 、 自 动 刹 车 快 、 防 止 冲 床 的 弹 性 变 形 、 热 变 形 及 运 动 精 度 差 带 来 不 良 误 差 ， 造 成 恶 劣后 果 。总 的 来 说 ， 多 工 位 级 进 模 有 以 下 特 点 ：1） 适 用 于 制 件 的 大 批 量 生 产 。2） 冲 制 件 质 量 可 靠 、 稳 定 ， 即 制 件 尺 寸 的 一 致 性 好 。3） 由 于 自 动 送 料 和 自 动 出 件 等 装 置 ， 尤 其 是 多 工 位 级 进 模 ， 适 合 于 高 速 冲 床 上 进行 自 动 化 冲 制 。 也 最 适 宜 卷 、 带 料 供 料 。4） 级 进 模 可 以 完 成 冲 裁 、 弯 曲 、 拉 深 、 成 形 等 多 道 工 序 ， 效 率 比 复 合 模 更 高 ， 且在 级 进 模 上 工 序 可 以 分 散 ， 任 意 留 出 空 位 ， 故 不 存 在 符 合 模 的 最 小 壁 厚 问 题 ，因 而 保 证 了 模 具 的 强 度 ， 延 长 了 模 具 的 使 用 寿 命 。5） 模 具 的 主 要 零 件 具 有 互 换 性 ， 使 模 具 维 修 方 便 ， 更 换 迅 速 、 可 靠 。6） 多 工 位 级 进 模 结 构 复 杂 ， 制 造 精 度 高 ， 调 试 、 维 修 困 难 ， 价 格 昂 贵 。7） 多 工 位 级 进 模 对 冲 压 设 备 、 板 料 要 求 高 。多 工 位 级 进 模 在 我 们 国 家 的 发 展 现 状由 于 种 种 历 史 原 因 ， 我 国 模 具 工 业 与 当 前 工 业 发 展 还 很 不 适 应 ， 无 论 是 在 设 计 制 造技 术 和 生 产 能 力 方 面 ， 还 是 在 管 理 水 平 方 面 ， 模 具 工 业 均 远 远 不 能 满 足 需 求 ， 它 严 重 影响 了 工 业 产 品 的 品 种 、 质 量 和 生 产 周 期 ， 削 弱 了 其 在 国 际 市 场 上 的 竞 争 能 力 。 近 年 来 ，我 国 模 具 进 口 幅 度 呈 大 幅 度 下 降 之 势 ， 并 有 超 亿 元 出 口 额 。 大 型 、 复 杂 、 精 密 、 高 效 和长 寿 命 模 具 也 逐 年 上 新 的 台 阶 ， 体 现 高 水 平 制 造 技 术 的 多 工 位 级 进 模 也 越 来 越 多 ， 冲 压自 动 线 、 自 动 冲 压 技 术 也 得 到 了 广 泛 应 用 。 我 国 模 具 行 技 术 水 平 迅 速 提 高 ， 模 具 国 产 化已 经 取 得 了 十 分 可 喜 的 成 绩 ， 这 将 对 我 国 在 国 际 市 场 的 竞 争 能 力 和 综 合 国 力 的 提 高 起 到有 力 的 促 进 作 用 。上海理工大学本科毕业（设计）论文- 3 -第二章 产品工艺性分析2.1 产品工艺性分析该 任 务 中 设 计 的 零 件 是 相 机 胶 卷 的 压 簧 。 压 簧 是 相 机 上 的 一 个 用 来 定 位 胶 卷 在 相机 中 位 置 的 零 件 ， 材 料 为 不 锈 钢 1Cr13（ 已 退 火 的 马 氏 体 不 锈 钢 ） ， 板 料 厚 度 为0.8mm。 零 件 结 构 复 杂 ， 弯 曲 次 数 多 ， 侧 边 有 孔 ， 要 保 证 其 同 心 度 ， 成 形 困 难 ， 生 产 批量 又 大 。从技术要求和使用条件来看，零件要求具有较高的刚度和强度。因为零件未标注尺寸，取其公差为 IT10 级。外形最大尺寸为 95.96，属于中型零件。零件三维造型如图 2-1 所示图 2-1 相机胶卷压簧 Pro/E 三维造型2.2 材料成型性能分析本设计中所采用材料为不 锈 钢 1Cr13。 含 碳 量 为 C%=0.08-0.15%,Cr%=12-14%。 该 材 料抗 剪 强 度 为 =32-38 /c ,取 为 35 / m ； 屈服强度为 s=42 / m ， 弹 性 模 量 为E=21000 / m ， 抗 拉 强 度 为 b=40-47 / m ， 取 为 45 / m 。 一 般 该 材 料 用 来 制 作 能 抗弱 腐 蚀 性 介 质 ， 能 承 受 一 定 的 冲 击 载 荷 的 零 件 ， 如 汽 轮 机 的 叶 片 ， 水 压 机 阀 ， 结 构 架 ， 螺 栓 ，螺 帽 等 ， 具 有 良 好 的 机 械 性 能 。在 本 设 计 中 用 来 制 作 弹 簧 元 件 ， 一 般 要 进 行 热 处 理 工 艺 为 1000-1050 油 淬 或 水 淬 ，然 后 进 行 700-790 中 温 回 火 。相机胶卷压簧多工位级进模设计- 4 -第三章 冲模工艺计算3.1 毛坯展开尺寸计算图 3-1 毛坯展开尺寸计算示意图如图 3-1 所示，箭头表示材料在模具中的进料方向。毛坯的展开尺寸计算分成两个方向：材料的进料方向：L1=l1+l2+l3+0.4t+0.4t其中： l1，l2，l3 分别为进料方向上三个直边的长度；t 为板料的厚度；进料方向展开尺寸的计算按照两个直角分别弯处计算按公式计算可得：L1=60+10+10+0.8*0.8=80.64mm与进料方向垂直的方向：L2=2*l4+2*l5+l6+0.6t+0.6t其中：l4，l5，l6 分别为该方向上三个直边的长度；t 为材料的厚度；与进料方向垂直的方向上展开尺寸的计算按照两边同时弯出计算；根据公式计算可得：L2=2*3+2*21+47+1.2*0.8=95.96mm。搭边值：查阅资料，对于料厚度 t1，自动送料方式的情况，取进料方向与垂直方向的搭边值分别为 a1=2mm，a=2.5mm 。故料宽 B=95.96+2*a=95.96+5=100.96mm步距为 h=L1+a1=80.64+2=82.64mm上海理工大学本科毕业（设计）论文- 5 -3.2 凸、凹模间隙值的确定该材料为不 锈 钢 1Cr13， 属 于 软 钢 （ 0.08-0.2%C）料 厚 0.8mm， 查 资 料 取 冲 裁 模 初 始 双 面 间 隙 z=（ 5-7%） t=0.040-0.056mm3.3 冲裁力计算按照公式 btLF冲其中： b为材料的屈服强度t 为板材的厚度L 为冲裁边的总周长 b45kg/mm 2t=0.8mmL919.15mm计算可得 NF32476冲查表可得材料的卸料力系数 0.045卸K推料力系数 0.055推 * 0.045*32427614592N卸 卸K冲nh/t=5/0.8=6= * *n=0.055*324276*6=107010N推F推 冲+ + =324276+14592+107010=445878N总 冲 卸 推3.4 弯曲力计算弯曲力的计算采用公式 btrCKBF2自其中 C与弯曲有关的系数，对于 U 形件，C 取 0.7K安装系数，一般取 1.3B料宽t 为板料的厚度r 为弯曲半径 b材料强度极限计算可得 4558N自F3.5 冲压设备的选用根据以上计算可知，本设计中所需要的总的压力为 F445878+4558450436N查阅压力机的规格，可知选用 J31-630（闭式单点压力机）压力机即可满足要求，该压力机的公称压力为 630 顿，满足要求。相机胶卷压簧多工位级进模设计- 6 -3.6 压力中心的确定冲裁时的合力作用点或多工序模各工序冲压力的合力作用点，称为模具压力中心。如果模具压力中心与压力机滑块中心不一致的话，在冲压过程中就会产生偏载，导致模具以及滑块与导轨的急剧磨损，降低模具和压力机的使用寿命。通常利用求平行力系合力作用点的方法（解析法或图解法）确定模具的压力中心。本设计中采用解析法。如图 3-2 所示。以第一工位的中心孔作为参考坐标系。图 3-2 模具压力中心计算示意图根据公式： （y 方向计算方法相同）弯 弯XxxBLLFxkKkiiic 211 25.0计算可得： 392mm， 0（相对于模具整体尺寸可以忽略为 0）cxcy模具的压力作用范围为 869，压力中心与模具中心的误差为（869-392*2）/8699.78符合模具压力中心与模具中心误差不超过 1/6 的要求。1234567891012上海理工大学本科毕业（设计）论文- 7 -第四章 模具结构设计及选用4.1 条料排样图设计多工位级进模时，首先要设计条料排样图，这是设计多工位级进模的重要依据。条料排样图一旦确定，也就确定了以下几方面：1）被冲制零件各部分在模具中的冲制顺序；2）模具的工位数，及其作业内容；3）确定了被冲零件排列式样（单排、双排、多排） ，方位（正排、斜排）等。并反应出材料利用的高低；4）确定了模具步距的公称尺寸和定距方式；5）条料的宽度，条料纹向与送料方向的关系；6）条料载体的设计形式；7）基本上确定了模具的结构。多工位级进模条料排样图设计得好坏，对模具设计的影响是很大的。排样图设计错误，会导致制造出来的模具无法冲制零件。一般在设计多工位级进模条料排样图时，要拿出多种排样方案，加以比较、归纳、综合，最后得出一个最佳方案。多工位级进模条料排样图设计是否最佳方案，首先要看工位分布是否合理；条料能否在连续冲压过程中通畅无阻；是否便于使用、制造、维修和刃磨；是否经济合理。4.1.1 排样图的设计条料排样图直接关系到级进模设计，因此在设计排样图时，主要需考虑到以下几个因素。1) 送料方式：高速冲压的多工位级进模，用自动送料机构送料，用导正钉精确定距；手工送料则多用侧刃粗定距，用导正钉进确定距。2) 冲压零件形状分析：每一个冲压零件都有它的一些特点，因而在设计条料排样时，必须对这些特点加以分析、研究。3) 模具的具体结构和加工工艺性：在设计条料排样图的同时，必须考虑模距的具体结构，要把每一个环节，每一个具体部分的装配关系，装配顺序，以至对每部分的加工方案等都要考虑全面。这样，设计出来的条料排样图才能够指导模具设计。4) 被加工材料：多工位级进模对被加工材料的要求都是很严格的。在设计排样图时，对材料的供料状态、被加工材料的机械性能、材料厚度、条料宽度与材料纹向、材料利用率等都要给予全面考虑。5) 正确安排侧刃孔与导正钉孔：导正钉孔与导正钉的位置的安排对于多工位级进模的精确定位时很关键的。6) 分段切除过程零件形状连接方式的选择：多工位级进模的分段切除的排样图，其连接相机胶卷压簧多工位级进模设计- 8 -方式基本上可以分为三种：即搭接、平接和切接。搭接最有利于保证冲件的连接质量，因此在分段切除过程中绝大部分都采用搭接连接方式。7) 载体：条料载体是条料在送进过程中，经过不断地冲切余料，条料内连接冲压零件运载前进的这部分材料称为条料载体。条料载体分为：双侧载体、单侧载体和中间载体三个基本形式。8) 工位的确定与空位工位：在划分工位时，对零件要求精度比较高的部位，应尽量集中在一个工位一次冲压完成为好，以避免步距误差影响精度要求。对于一个零件的两个弯曲部分有尺寸精度要求时，则弯曲部分也应当在同一工位一次加工成形。这样不仅保证了尺寸精度，并且能够准确地保持成批零件加工后的一致性。在排样图中，增设空位工位的目的是为了保证模具有足够的强度，确保模具的使用寿命，或是为了便于模具设置特殊结构。9) 各种冲压工序在条料排样图设计中的顺序原则：在一般冷冲模设计中，各种冲压工序之间的顺序关系已形成一定规律。但是在多工位级进模连续冲压时，常有一些不同之处，如果在设计条料排样图时，没有很好地掌握这些特点和内在关系，会使模具的设计与制造走弯路，甚至影响模具顺利冲制和冲压零件的质量。在本设计属于冲裁弯曲多工位级进模，应先冲切掉孔和弯曲部分的外形余料，再进行弯曲。10) 冲裁力的平衡： 力求压力中心与模具中心重合，其最大偏移量不超过模具长度的1/6（或宽度的 1/6） ；同时要分析多工位级进模在冲压过程中可能产生的侧向力的部位，大小和方向，力求抵消侧向力。4.1.2 排样图的具体设计方案与比较1）绘制零件展开图零件展开图示意图如图 4-1 所示上海理工大学本科毕业（设计）论文- 9 -图 4-1 零件展开图2）条料排样图方案比较绘制过程：首先根据已绘制的零件图，零件展开图的形状、特点采用单排。按估计的工位数，以排样基准线为准划一排零件的展开形状图，初步预计每两个零件的间距为 82.64mm。按零件图的形状，考虑对弯曲、成形部分分解加工工序。综合考虑产品各内孔外形和各分解加工成新的内容，共分多少工位，以及各工位加工内容。初始的条料排样图如图 4-2 所示图 4-2 条料排样图初步设计第 1 工位：冲导正孔第 2 工位：冲孔第 3 工位：冲孔第 4 工位：冲孔第 5 工位：冲