U形件冲压工艺分析及模具设计

U形件冲压工艺分析及模具设计摘要：本文分析了U形件的结构、尺寸、精度和原材料性能，并具体指出了该产品的成型难点；拟定了模落料复合模和成型模冲压工艺方案；详细阐述了排样设计方法和过程，确定了该产品需要落料、弯曲的二维和排样图；完成了所有必要的工艺计算，包括模具刃口尺寸、总的冲压工艺力、压力中心等；概述了模具概要设计方法，系统的阐述了模具主要零件的结构、尺寸设计及标准的选用。同时阐述了模具的工作过程、各成形动作的协调性并对设备选择和核算进行了较为细致的叙述。关键词：冲压工艺，模具设计，弯曲成形模，CADSupportplatestampingprocessanalysisanddiedesignAbstract：ThispaperanalyzesthestructureoftheUshapedparts,size,precisionandperformanceofrawmaterials,andfindsouttheconcreteproductsformingdifficulties;Drewupdieblankingdieandformingdiestampingprocessplan;Layoutdesignmethodandprocesswereintroducedindetail,determinetheproductneedblanking,bendingofthetwo-dimensionalandlayoutdiagram;Completedallthenecessaryprocesscalculation,includingmoldpartssize,totalpressurecenterforstampingprocess,etc.;Outlinesthemoldprofiledesignmethod,systemelaboratedthestructureandsizeofmainpansofdiedesignandselectionofstandard.Atthesametime,thispaperexpoundsthemoldworkingprocess,theformingandtheequipmentselectionandcalculationofcoordinationarediscussedindetaileddescription.Keywords:Stampingprocess，Molddesign，Bendingformingdie,CAD目录1前言.11.1现代模具的地位及其重要性.11.2本次模具设计的重点和难点.12冲压件形状和工艺方案分析.321工艺性分析.32.2技术、经济综合分析比较和工艺方案的选择.42.2.1技术、经济综合分析.42.2.2模具结构型式的合理性分析.52.2.3工艺方案的确定.63落料冲孔复合模的设计.73.1复合模总体结构的初步设计.73.2零件的工艺计算.73.2.1冲压件的尺寸参数.73.2.2搭边值的确定.83.2.3毛坯的排样方式.83.2.4条料宽度的确定.93.3冲裁力的计算及冲压设备的选择.103.4压力中心计算.113.5凸凹模刃口尺寸确定.123.5.1冲孔时凸凹模刃口尺寸计算.123.5.2落料时凸凹模刃口尺寸计算.134冲压设备的选用及其参数.165冲裁模主要零部件的设计及选用.175.1落料凹模的设计.175.2凸凹模的设计.195.3冲孔凸模的设计.206其他零部件的设计及选用.256.1卸料装置的尺寸选择.256.1.1卸料装置的选择.25I6.1.2弹性元件的设计.256.1.3推件装置的选择.256.2定位零件的选取.266.3模架及其它零件的选择.267模具的闭合高度.288弯曲模的设计.298.1弯曲工艺性分析.298.1.1材料分析.298.1.2结构分析.298.2弯曲件毛坯尺寸的计算.308.3弯曲力计算.318.4弯曲模主要工作零部件的设计.328.4.1凸凹模圆角半径的确认.328.4.2凹模工作部分深度.338.4.3凸、凹模间隙的确定.348.4.4凸、凹模宽度的计算及其公差.348.5弯曲模的结构设计.358.6弯曲模其它零部件的选用.35结论.38参考文献.39致谢.4001绪论1.1现代模具的地位及其重要性模具是现代工业生产中重要的工艺装备之一。在铸造、锻造、冲压、塑料、橡胶、玻璃、粉末冶金、陶瓷等生产行业中得到广泛应用。某些发达国家的模具总产值以超过机床工业的总产值在这些国家，模具工业已摆脱了从属地位而发展成为独立的行业。近年来，我国的模具工业也有了较大的发展，模具制造工艺和生产装备智能化程度越来越高，极大地提高了模具制造的精度、质量和生产率。模具是衡量一个国家和地区工业水平的重要标志。模具在电子、汽车、电机、电器、仪器仪表、家电和通讯产品制造中具有不可替代的作用，是工业发展的基石，被人称为“工业之母”和“磁力工业”。现代工业产品的生产对模具要求越来越高，模具结构日趋复杂，制造难度日益增大。模具制造正由过去的劳动密集和主要依靠人工技巧及采用传统机械加工设备转变为技术密集，更多的依靠各种高效、高精密的数控切削机床、电加工机床，从过去的机械加工时代转变成机、电结合加工以及其他特殊加工时代，模具钳工量正呈逐渐减少之势。现代模具制造集中了制造技术的精华，体现了先进制造技术，已成为技术密集型的综合加工技术。1.2本次模具设计的重点和难点本设计的目的是为了巩固和扩大该课程的理论知识，提高学生计算制图与阅读参考资料的能力，使学生能正确地运用所学到的专业知识，以初步掌握一般性冲压弯曲件的工艺制定和模具设计的方法和原则，同时培养学生独立工作的能力。毕业设计的主要目的有两个：一是让学生掌握查阅查资料手册的能力，能够熟练的运用工程软件进行模具设计。二是掌握模具设计方法和步骤,了解模具的加工工艺过程。本文是U型件的落料、冲孔复合模和弯曲单工序模的设计说明书，结合模具的设计，广泛听取各位人士的意见，经过多次修改和验证编制而成。为了达到设计的规范化，标准化和合理性，本人通过查阅多方面的资料文献，力求内容简单扼要，1文字顺通，层次分明，论述充分。文中附有必要的插图和数据说明。冲压是利用模具在压力机上对材料加压，使之分离或变形，以得到一定形状工件的一种加工方法。工业生产中普遍采用模具成型工艺方法，有效地保证了产品的生产率，使操作简化，还能省料、节能、获得显著的经济效益。而冲压工艺为采用得最多的一种工艺方法。冲压根据其变形特点分为分离工序和变形工序。此外，为了提高生产率，常将两个以上的基本工序合并成一个工序。冲压对材料的的主要要求有：(1)好的冲压性能；(2)良好的表面质量；(3)符合国标规定的厚度公差；本课题应用了冲裁和U型弯曲两个工序。冲裁：冲裁是利用模具使板料分离的冲压工序，包括冲孔和落料，它是冲压工艺中最基本的工序。弯曲：是指将金属材料弯成一定形状和角度的工艺方法。常见的有V型、U型和一些其它形状的弯曲件。22冲压件形状和工艺方案分析工艺分析包括技术和经济两方面内容。在技术方面，根据产品图纸，主要分析该冲压件的形状特点，尺寸大小，精度要求和材料姓名、性能等因素是否符合冲压工艺的要求；在经济方面，主要根据冲压件的生产批量，分析产品成本，阐明采用冲压生产可以取得经济效益。21工艺性分析（1）材料分析：图2-1为产品的工件图，材料为45钢，45钢的主要力学性能如下：屈服强度：355MPa;抗拉强度:600MPa;伸长率17%；冲击功：39J。在板材里，45是最普通的材质，属普板系列。普通碳素结构钢普板是一种钢材的材质。（2）精度分析：此零件的特点是工件尺寸为中型尺寸，尺寸精度要求一般，材料强度、刚度高，采用3mm厚的板料，零件图上的尺寸除了弯曲部分有偏差外，其他的形状尺寸均未标注公差，属一般冲裁精度，采用一般冲模，可按IT14级确定工件的公差。（3）结构分析：工件结构形状简单，左右对称，对弯曲成形较为有利，制件需要进行落料、冲孔、弯曲三道基本工序。（4）结论：该制件可以进行冲裁弯曲，制件为中批量生产，应重视模具材料和结构的选择，保证模具的复杂程度和模具的寿命。2.2技术、经济综合分析比较和工艺方案的选择32.2.1技术、经济综合分析（1）单工序冲裁模在一副冲模中，只能完成一个冲裁工序的冲模称为单工序冲裁模。单工序冲裁模又称简单模，优点是制造简单，生产周期短，冲压时不受材料厚度，外形尺寸限制。其缺点是：用这种冲模加工出来的工件尺寸精度较低，并且一个工件的冲制所需要模具的数量多，不便于管理，同时所占用设备也多，生产效率低。（2）连续模连续模又称级进模和跳步模。它是在一副冲模中，能在不同的冲压位置上，同时完成两个或两个以上的多个工序，而最后将零件成形并与条料分离的冲模。连续模是目前利用比较多的冲模结构，其主要优点在于：生产效率较高；冲压时送料方便，并安全可靠不易发生事故；连续模易实现单机自动化及机械化生产；连续模的结构一般都比较复杂，与一般冲模相比制造困难。（3）复合模复合模是指压力机依次行程中，模具在同一位置上同时完成落料及冲孔多个工序的模具。如下优点：冲压后的工件内孔对外形的同心度较高，一般可达0.020.04mm所冲出的工件表面垂直，精度较高，用复合模冲出的工件一般可达IT11-IT12级精度复合模应用较广，一般可适宜冲裁厚度为0.01mm的薄材料以及较软的金属材料生产效率高，可适于大批量生产冲压时，所要求条料的尺寸精度较低，一般不受条料的形状及尺寸限制缺点是：在加工制造上比较困难，成本较高。综上所述此工件，决定选用复合模。2.2.2模具结构型式的合理性分析合理的模具结构型式应尽可能满足以下要求：4能冲击符合技术要求的工件能提高生产率模具制造和修磨方便模具有足够的寿命模具易于安装调整，且操作方便、安全。2.2.3工艺方案的确定零件为U型弯曲件，该零件的生产工序包括落料，冲孔，弯曲三个基本工序，可有以下三种工艺方案：（1）落料冲孔弯曲；采用三套单工序模冲压（2）落料冲孔弯曲；采用落料冲孔连续模冲压，再采用弯曲单工序模。（3）落料冲孔弯曲；采用落料冲孔复合模冲压，再采用弯曲单工序模。方案(1)模具结构简单，但需三道工序和三道模具，生产效率低。方案(2)属于先连续模后单工序模的组合，连续模是指压力机在一次行程中，依次在模具几个不同的位置上同时完成多道冲压工序的模具。于制件的结构尺寸小，厚度小，连续模结构复杂，又因落料在前弯曲在后，必然使弯曲时产生很大的加工难度，且工件不是一次成型，容易造成尺寸误差加大，欲保证冲压件的形位精度，需在模具上设置导正销导正，故其模具制造，安装较复合模更为复杂，且制造经费增加，因此，不宜采用该方案。方案(3)属于复合模和单工序模的组合，复合冲裁模是指在一次工作行程中，在模具同一部位同时完成数道冲压工序的模具。采用复合模冲裁，其模具结构没有连续模复杂，生产效率也很高，易于冲压尺寸精度要求一般且一次成型的工件，且操作简单安全，适用于大批量生产，又降低的工人的劳动强度，所以此方案最为合适。根据分析采用方案(3)复合冲裁。53落料冲孔复合模的设计3.1复合模总体结构的初步设计（1）模具类型的选择：由冲压工艺分析可知，采用复合冲压，所以模具类型为复合模。（2）定位方式的选择：因为该模具采用的是条料，控制条料的送进方向采用导料销，有侧压装置。控制条料的送进步距采用导正销定距。（3）卸料方式的选择：因为工件料厚为3mm，相对较薄，卸料力不大，故可采用弹性料装置卸料。（4）导向方式的选择：为了提高模具寿命和工件质量，方便安装调整，该复合模采用后侧导柱的导向方式。3.2零件的工艺计算3.2.1冲压件的尺寸参数6图3.1由图3.1可知毛坯尺寸为毛坯尺寸为18mm63mm根据计算得冲压件的总面积为S冲孔面积：S=4.254.252=113.49mm21落料面积：S=1064.47mm22冲孔落料后的总面积：S=S-S=951.21mm2总13.2.2搭边值的确定排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的工艺余料，称为搭边。搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。搭边过大，浪费材料。搭边过小，冲裁时容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还有拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降低模具寿命。或影响送料工作。由于材料45的毛坯厚度为3mm，查得：两制件之间的搭边值=2.5(mm),侧搭边值1aa=2.2(mm)。3.2.3毛坯的排样方式通过分析工件的形状应采用单直排的排样方式，零件可能的排样方式有两种方案如下图所示。方案一：横向排7方案二：竖向排现根据材料利用率公式：=100%hBnA(3.1)式中A冲裁件面积(mm)；2n一个步进内冲裁件的数目；B条料宽度(mm)；h进距(mm)；对于方案一：其中n=1；A=951.21(mm)；h=63+2.2=65.2mm；B=18+22.5=23mm2代入公式（3-1）得=63.4%1对于方案二：其中n=1；A=951.21(mm)；h=18+2.2=20.2mm；B=63+22.5=68mm2代入公式（3-1）得=69.25%通过比较两方案的材料利用率2t，所以满足弯曲条件,可以一次弯曲成功。（3）弯曲件孔边距S=4.75mmt，所以满足弯曲条件。（4）圆角半径回弹该工件是一个弯曲角度为90o的弯曲件，所有尺寸精度均未标注公差，而当r/t0.5式中：R弯曲半径（mm）t材料厚度（mm）对于由于相对弯曲半径大于0.5，可见制件属于圆角半径较大的弯曲件，应该先求变形区中性层曲率半径（mm）。=r0+kt(8.2)式中：r0内弯曲半径（mm）；t材料厚度（mm）；k中性层系数中性层系数k=0.36代入式（82）得：=2+0.363=3.08mm结合图81可得坯料展开长度L=202+17+3.082=66.68mm，取21L=67mm。8.3弯曲力计算弯曲力是设计弯曲模和选择压力机的重要依据。该零件是校正弯曲，校正弯曲23时的弯曲力FJ和顶件力FD还有自由弯曲力FZ校正弯曲时的弯曲力比自由弯曲力大得多，一般为：FJ=Aq,（8.3）式中FJ校正弯曲力（N）；A校正部分在垂直于凸模运动方向上的投影面积（mm）；2q单位面积校正力（MPa）；查得q=90MPa，A=（1918）mm代入公式（8-3）得：FJ=1911890=30.78kN在自由弯曲时的弯曲力为：FZ=tr7.0b2KB（8.4）式中FZ自由弯曲在冲压行程结束时的弯曲力（N）；B弯曲件的宽度（mm）；r弯曲件的内弯曲半径（mm）；t弯曲件材料厚度（mm）；K材料的抗拉强度安全系数，一般取K=1.3；b弯曲拆料的抗拉强度(MPa)把数据代入公式（8-4）得FZ=343.26KN326018.70顶件力：FD=(0.30.8)FZ=0.5343.26=171.63KN对于校正弯曲，由于校正弯曲比顶件力大得多，故一般FD可以忽略不计，即：F压力机FJ+FZ=30.78+343.26=374.04KN。为防止弯曲设备的超载，可按公称压力F（1.11.2）F，由冷冲压实用技术表44查得选用公称力为630kN的压力机开式双柱可倾压力机J2363。其主要技术参数如下表所示：24表8.1压力机J2316参数公称压力（kN）630滑块行程（mm）130滑块行程次数（n/mm）50最大装模高度（mm）360连杆调节长度（mm）80工作台尺寸（前后*左右）（mm）480*170模柄孔尺寸（直径*深度）（mm）50*70电动机功率（kW）5.58.4弯曲模主要工作零部件的设计8.4.1凸凹模圆角半径的确认（1）凸模圆角半径凸r在保证不小于最小弯曲半径值的前提下，当零件的相对圆角半径较小时，凸tr/模圆角半径取等于零件的弯曲半径，即m2r凸（2）凹模圆角半径凹r凹模圆角半径的大小影响弯曲力、弯曲件质量与弯曲模寿命，凹模两边的圆角半径应一致且合适，过小，弯曲力会增加，会刮伤弯曲件表面，模具的磨损加大；过大，支撑不利，其值一般根据板厚取或直接查表。t2mm时，=（36）t凹rt=24mm时，=（23）t凹t4mm时，=2t凹查表取为7.5mm。凹r8.4.2凹模工作部分深度25过小的凹模深度会使毛坯两边自由部分过大，造成弯曲件回弹量大，工作不平直；过大的凹模深度增加了凹模尺寸，浪费模具材料，并且需要大行程的压力机，因此模具设计中，要保持适当的凹模深度。该产品零件为弯边高度不大且两边要求平直的U形弯曲件，则凹模深度应大于零件的高度，根据冲压工艺与模具设计表3-13查得高出值h0=5mm。查表3-14得凹模工作部分深度为25mm8.4.3凸、凹模间隙的确定根据U形件弯曲模凸、凹模单边间隙的计算公式：Z=t+Ct（8.5）式中Z凸、凹模单边间隙（mm）；材料厚度的正偏差(mm)；C凸、凹模的间隙系数；查得C=0.04，=0.25mm，t=3mm代入公式（8-5）得：Z=3+0.25+0.043=3.37mm8.4.4凸、凹模宽度的计算及其公差零件标注内形尺寸且当工件标注成单向偏差时，应以凸模为基准，而凸、凹模的宽度及其公差应根据零件的尺寸、公差、回弹情况以及模具磨损规律而定。因此，凸、凹模的宽度分别为凹模宽度：凸凸0)75.(L（8.6）在工件标注外形尺寸的情况下，凸模宽度应按凹模宽度尺寸配制，并保证单边间隙为c，即：0)2(凹凸凹ZL（8.7）式中弯曲凸、凹模宽度尺寸（mm）；凸凹、L弯曲件外形或内形最小极限尺寸（mm）；Z弯曲模单边间隙（mm）；26弯曲件尺寸公差（mm）；凸、凹模制造公差，采用(IT7IT9)标准公差等级，一般取dp、（1/31/4）；根据图8-1可知L=18.5mm，按IT14级精度选取=0.52mm，按IT9级精度选取凸=0.052mm代入公式（8-6）（8-7）得：凸模宽度：=mm=mm凸凸0)75.(L052.)7.18(052.891凹模宽度：=mm=mm2凹凸凹Z.329.638.5弯曲模的结构设计为了操作达到工件的要求，在进行弯曲模的结构设计时，必须要满足以下几点：(1)坯料放置在模具上应保证可靠的定位。(2)在压弯过程中，应防止毛坯的滑动。(3)毛坯放入到模具上和压弯后从模具中取出工件要方便。8.6弯曲模其它零部件的选用(1)凸模凸模材料选择T10A热处理为淬硬，HRC58-60(2)凹模凹模材料选择T10A热处理为淬硬，HRC58-60(3)弹性元件为了得到较平整的工件，此模具采用弹压式卸料装置，使条料在落料冲孔过程中始终处于一个稳定的压力之下，从而改善毛坯的稳定性。本课题将采用4个圆筒形聚氨酯弹性体作为弹性元件，设计弹性元件高度H=67mm，模具安装时橡胶预自由先压缩10%。橡胶压缩时产生的压力公式：27F=Ap（8.8）式中F橡胶压缩时产生的压力；A橡胶的横截面积（与卸料板贴合的面积，mm）；P橡胶的单位压力（MPa）；根据选择的压力机工作时对每个橡胶压缩时产生的压力为10.4KN，结合橡胶压缩量查得单位压力为2MPa.代入公式得：A=6450mm2橡皮高度与直径之比为h/D=67/100=0.67因此满足0.5h/D1.5(4)压料板、顶杆、顶板材料选择45号钢，热处理方式为淬硬，HRC43-48(5)模柄结构形式：参考压入式模柄结构,材料为45。尺寸根据压力机选取：d=30D=32D1=39h=73h1=5h2=25b=2a=0.5d1=6(6)垫板凸模垫板厚度为8mm，材料采用45，热处理为淬硬，HRC43-48拖板厚度取10mm，材料采用45，热处理为淬硬，HRC43-48(7)模架的选择取凹模周界L=160mm，B=125mm参考压力机h的范围为165mmh185mm选取：上模架16012535mm(GB2855.5-81)下模架16012540mm(GB2855.6-81)导柱A20h5150mm(GB2861.1-81)导套A20H68533mm(GB2861.6-81)选取20#热处理渗碳、淬火。硬度HRC58-62渗碳层深度0.8-1.2mm导柱、导套配合取。5h6H(8)螺钉的选择1)联接上模架、凸模固定板和垫板：M8282)联接下模架、凹模、凹模垫板：M83)螺杆：M10(9)定位销的选择1)固定上模架、凸模固定板和垫板：62)固定下模架、凹模、垫块：6参考文献1王孝培.冲压设计资料M.北京：机械工业出版社,1983.2李天佑.冲模图册M.北京：机械工业出版社,1994.3王芳.冷冲压模具设计指导.机械工业出版社,2005.4陈锡栋,周小玉.实用模具技术手册.机械工业出版社,2003.5李绍林,马长福.实用模具技术手册.上海科学技术出版社,1998.6冲模设计手册编写组.冲模设计手册之四.机械工业出版社,2006.7薛启翔.冲压模具的设计结构图册.化学工业出版社,2005.8陈炎嗣,郭景仪.冲压模具设计与制造技术M.北京：北京出版社,1991.9周大隽等.冲模结构设计要领与范例M.机械工业出版,2006.10佘银柱,赵跃文.冲压模具发展现状J.中国高新技术企业，2010，2911黄毅宏，李明辉.模具制造工艺学.机械工业出版社,2005.12郑阿奇.AutoCAD200实用教程.电子