毕业设计（论文）-某型垫片精密冲裁模设计及其有限元分析.docx

江 苏 科 技 大 学本科毕业设计（论文） 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名: 班级学号： 指导教师: 2014年 5 月 26 日江苏科技大学本科毕业论文某型垫片精密冲裁模设计及其有限元分析 Gasket Precision Punching Die Design and Finite Element Analysis全套图纸加扣3012250582 江苏科技大学毕业论文（设计）任务书系 部： 机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 职 称： 教 师 2013年12月20日毕业设计（论文）题目： 某型垫片精密冲裁模设计及其有限元分析 一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1 提供条件：设计对象：某型垫片精密冲裁模设计及其有限元分析零件图：2 设计内容与要求:1）熟悉精密冲裁模的结构；2）排样计算、冲压力、模具压力中心计算及压力设备的选择；3）采用二维及三维软件，对冲压件精密冲裁模具进行设计；4）对精密冲裁模进行有限元分析及优化设计4）编写详细的设计说明书；5）设计模具零件图及装配图，对模具结构进行三维建模；7）撰写毕业论文。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）；3. 其它(根据课题性质、类型确定)。1）了解二维、三维设计和模具知识，掌握精密冲裁模建模方法，熟练运用二维及三维软件进行模具设计的工艺流程；2）相关的技术文件。三、完成日期及进度总进度：2013年12月20 日至2014年6月9 日。完成日期及进度安排：1、12.201.13：查阅资料、调研，完成开题报告；2、3.13.30：通过结构分析，进行总体方案构思；3、4.14.10：相关参数分析、计算，形成总体改造方案；4、4.115.20：装配结构设计、关键零件设计；5、5.315.31：技术指标参数分析、计算；6、6.16.7：撰写毕业论文；7、6.86.9：毕业答辩。四、同组设计者（若无则留空）：五、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1. 丁松聚主编，冷冲模设计，机械工业出版社，2011.62. 钟翔山，冷冲模设计案例剖析，机械工业出版社，2009.83. 成大先， 机械设计手册，化学工业出版社,，2008.4.4. 史铁梁.，冷冲模设计指导，机械工业出版社，2006.25. 欧阳波仪，现代冷冲模设计应用举例，2008.76. 濮良贵，机械设计，高等教育出版社. 2001.5 7. 何涛，模具CAD/CAM，北京大学出版社，2006.8.8. 曹岩，白瑀. 冲模标准模架手册与三维图库(SolidWorks版) ，化学工业出版社，2010.8. 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 日VI江苏科技大学本科毕业设计（论文）摘 要本论文设计的是一套精密冲裁级进模模具。首先对精冲模具作了简单的介绍，也对其现状和发展前景作了分析。其次，是进行零件的工艺性分析，确定工艺方案。再次，对精冲三向力进行计算，分别算出冲裁力、压边力、反压力、卸料力和顶件力。同时还需要计算精确的模具刃口尺寸，才能达到零件的要求。由于冲裁零件的主要工作部分是刃口，刃口处的精度就确定了零件的精度，所以必须根据公差来进行精确分析。采用有限元方法分析凸凹模的受力，在满足冲裁要求的前提下，优化凸凹模刃口的材料，尺寸，结构，提高模具质量及寿命。最终，计算得到的模具刃口尺寸，并选取精冲模具的标准件，进行最后的整体装配。关键词：精密冲裁；级进模设计；凸凹模有限元分析AbstractThis paperis a designof fine blanking progressivedie. Thefine blanking dieis introduced,also made an analysis ofthecurrent situation and development prospect. Secondly,the analysisprocessispart of theprocess,determine.In order to reduce the production cost,need to design a reasonableprocessand layout mode. Once again,thefine blankingforcethreetocalculate,calculatesthe blanking force,the blank holder force,antipressure,ejecting forceunloadingforce and. At the same timealsoneed to calculatethe die cutting edgesize,in order to achieve therequirements of parts. Themain work ofstampingpart isa cutting edge,the edge pointaccuracy determinesthe accuracy of parts,so must beaccuratelyaccording to the analysis oftolerance.By using the finite element methodanalysis of punch and diestress,in order to meet therequirementsofblanking, optimize thepunch and die cutting edgematerial,size,structure,improve the mold qualityand life. Finally,the calculateddiecutting edge size,standard partsandselection offine blanking die,forthe whole assemblyat. Keywords：Precision blanking；Design of progressive die；Punch,finite element analysis目 录第一章 绪论-11.1 连续模的概念-11.2 精密冲裁的简介-11.3 精密冲裁起源和发展优势-11.4 对我国精冲的展望-2第二章 精密冲裁概述-42.1精冲分类-42.2 精密冲裁的工作原理及过程-42.3 精密冲裁与普通冲裁的区别-5第三章 工艺计算-7 3.1零件的工艺分析-7 3.2模具分析及制定工艺方案-73.2.1 方案的确定-7 3.2.2 方案比较-7 3.3排样设计及材料的利用率-8 3.3.1搭边设计-8 3.3.2排样布局-8 3.3.3材料利用率计算-9 3.4精冲力的计算- -9 3.4.1冲裁力-9 3.4.2压边力-10 3.4.3反压力-10 3.4.4总压力-11 3.4.5卸料力和顶件力 -13 3.5压力中心的计算-13 3.6模具间隙的确定-143.6.1理论确定法-14 3.6.2经验确定法-15 3.7凹模尺寸-153.7.1凸模与凹模刃口尺寸的确定-15 3.7.2凸、凹模刃口尺寸确定的原则-16 3.7.3刃口尺寸的计算方法-16 3,7,4凸模与凹模的作配法-193.7.5冲裁模刃口尺寸计算-19 3.8精冲设备的选择-19 3.8.1冲压类型与应用-19 3.8.2冲压设备的选用原则-203.8.3冲压设备的选用-21第四章 凸凹模的有限元分析-224.1凸模的有限元分析-22 4.1.1每部分凸模的有限元分析-22 4.1.2四个步骤应力和位移分析总结-284.2凹模的有限元分析-28 4.2.1凹模各处有限元分析-28 4.2.2凹模整体有限元分析-324.3齿圈压板的有限元分析-32第五章 模具设计-34 5.1精度与定位-34 5.2模具的导向装置-34 5.3卸件、卸料设计-34 5.4支撑与紧固-34 5.5凹模的设计-35 5.5.1凹模刃口结构-35 5.5.2凹模厚度计算-35 5.6凸模设计-36 5.7齿圈压板的设计-37 5.8模具闭合高度的计算-38 5.9弹性卸料原件的设计-38 5.9.1弹性原件的设计-38 5.9.2卸料螺钉的设计-39 5.10导向原件的设计与选择-39 5.10.1导柱的设计-395.10.2导套的设计-40 5.11紧固件的设计与选择-405.11.1 紧固螺钉的设计与选择-405. 11.2 销钉的设计与选择-40 5.12 模具的装配图的设计-405.12.1 零件的技术要求-405.12.2 装配技术要求-415.12.3 模具安装要求-415.12.4 级进模的调试要求-425.12.5 主要组件的装配-42 5.13 冲裁模装配图的设计绘制-425.13.1 冲裁模装配图的绘制-425.13.2 冲裁模装配图的尺寸标注-435.13.3 冲裁模装配图的校核-43结束语-44致谢-45参考文献-46第一章 绪论1.1 连续模的介绍连续模又可以叫做跳步模或者级进模，它的进给方向是沿着被冲材料的表面。它的特点是在一次行程中，拥有至少两个工位，并且在不同的工位上至少完成两次冲压工序。一般知道的冲裁工序有冲孔（圆孔和异形孔、窄缝、窄槽等）、压弯（一次压弯和多次压弯）、拉深、再拉深、整形、成形、落料等。因为冲件都不一样，需要完成的冲裁工序与工位数也是不一样的。1.2 精密冲裁的简介精密冲裁是无屑加工技术，是一种常见的冲压工艺。是在普通冲压技术无法达到零件所需的要求后发展起来的，是一种精密冲裁工艺。能够在一次冲裁过程中得到较高的精度，平整光洁的冲裁面，以及互换性好的制件，并且成本低，而且产品的质量得到了很大的改善。1.3 精冲技术的起源与发展优势众所周知，精冲技术的发展还是因在普通冲裁，是为了得到光洁的冲裁面，最早是应用在平面薄的零件的落料或者冲孔加工，当今时代，很多冷成形加工技术和它相配合，许多工业领域都得到普遍的使用，在汽车工业尤其是多功能的复杂零件、冷轧卷料的成形。精冲技术，是当今制造业中非常理想的高精度、高效率的工艺技术，在计算机、仪器和仪表、机械、军工、汽车制造业、家用电器等领域得到了广泛的应用，在如今的精密制造方面，拥有很大的发展前景。精密冲裁加工出来的制件质量和普通冲压制件比起来，有很多的优点，比如零件平面度高、有光洁的冲裁面、高精度的尺寸等。在去除毛刺以后可以直接装配，不需要进行普通冲压后的其他加工，例如：切、削、磨、矫平等。从而节省了钱在辅助设备上的投资，以及人力、物力、运营成本等。生产效率不但有了很大的提高，更为人知的是它可以防止每道工序的发生精度损失，确保了批量生产零件的生产可靠性和重复精度。1.4 对我国精冲的展望（1）精冲技术得到进一步普及。通过出版物、教育、会议和其他形式，加强精冲技术的宣传，促进人们对与精密冲裁技术相关的冲压模具设计、精冲设备、模具材料的了解，只有这样，精冲事业才会发展起来。（2）精冲市场进一步扩大。不仅国内汽车精密冲压件基本普及，国际市场也有了一些精冲零件，还有精冲零件也大量应用在其他工业。（3）本国生产的精冲机也被广泛地使用。因为国产的精冲机价格比较优惠，厂家在挑选精冲设备生产零件时，会按照产品、产量的具体现状挑选经济实用的、性价比高的设备。（4）原材料基本实现国产化。现代社会，精密冲裁市场逐渐扩大，许多制钢厂和钢材的经销商也在积极采取措施面对当前国情，改善各种精冲材料的采购，这些问题在国内基本上都可以解决了。（5）精冲件的生产规模在不断加大。(1)国内精冲市场越来越大，精冲技术也不断的普及，这个也导致了越来越多的厂家都改用精冲技术；（2）因为精冲技术属于一种高新技术，它会比普通冲压给社会创造更高的财富价值，虽然在生产成本上略微偏高，但是国家已经积极发布相关政策给予扶持，这样更能有效的促进精冲技术的成长与发展。（6）模具钢材市场良好。模具钢有很多的品种，质量、规格齐全。供应商管理产格规范，标准化的生产网格。（7）一大批质量过关的制造厂和热处理厂都会涌现出来。我们靠领先的工艺与严格的规定来保证模具钢的锻造质量和热处理情况。精冲模具厂也会和知名锻造厂和热处理厂共同创建长期稳固的合作关系。（8）同行业之间有计划的交流和协作，促进行业不断发展和提高。“协会”将组织同行业之间的交流和协作，制订行业标准，组织基础理论研究和应用课题研究等，促进我国精冲业不断发展和提高。现在存在的主要问题就是精冲市场的规模还没有扩大，地区过于分散，产量没有达到要求，生产效率不高，这方面的人才极其短缺，相应配套设施不全等等，但我们正在努力的想办法来解决这些问题。随着时间的推移，精冲市场的规模开始扩大，国家也带头组建精密冲裁厂，用先进的资源培养精冲团队，引进和设计越来越多精冲零件的种类，国内自主研发的精冲机也逐步投入使用。从这些方面可以看出国内精冲技术的发展，一定要结合中国的国情和各单位自身的情况，走自我发展之路。我国的经济在快速的发展，同时我国的精冲技术也迎来新的机遇和挑战。第二章 精密冲裁概述2.1 精冲分类按照工艺方式，大致可分为如图2-1：图2-1 精冲分类2.2 精密冲裁的工作原理及过程精密冲裁工作原理：精冲是塑性-剪切过程。 精密冲裁是在专用的精冲机上，通过设计的专用或者特殊精密冲裁模具，并且配合适当的精密冲裁材料和润滑液来实现冲裁。完成精密冲裁时，凸模在碰到材料之前，冲裁力PR通过V形齿圈压板把原料压紧在凹模上，这样在V形齿圈压板的内面产生横向侧压力，这样就避免了剪切区出现撕裂的情况，金属也不会有横向流动。把凸模顶入材料的时候，顶件板会产生反压力PG，挤压材料，且在这种情况下进行冲裁。精密冲裁不同的是处在三向压力下进行冲裁的，材料的塑性得到了很到的改善。同时，材料就沿着凹模的刃边形状，呈纯剪切的形式冲裁零件。精冲的过程如下图2-2， 精密冲裁的过程分为以下几个步骤：（a）开始位置。（b）精冲模具闭合，齿圈压板和上压板夹紧原料。（c）原料在完全压紧的状态下开始冲裁。（d）冲裁结束后，工件进入凹模，废料进入凸凹模。（e）开启模具，释放压力。（f）卸料和顶件。（g）排出工件，并进行送料。（h）排出工件及废料。（i）送料完成，一个循环也随着完成，可以进入下一次冲裁。图2-2精冲的过程1-凹模2-反压板3-冲孔凸模4-冲压材料5-V形换压边圈6-凸凹模7-顶杆2.3 精密冲裁与普通冲裁的区别普冲与精冲区别，在于模具结构不同（见图2-3），工艺区别（见表2-1）。图2-3普冲与精冲模具结构表2-1普冲与精冲工艺区别技 术 特 征普 冲精 冲1.材料分离形式剪切变形（控制撕裂）塑-剪变形（抑制撕裂）2.工件品质尺寸精度IT11-13ISO7-11冲裁面粗糙度Ra/m6.31.6-0.4平面度大小（0.1mm/100mm）不垂直度大小（0.0026mm/1mm）踏角（2035）%S(1025)%S毛刺双向，大单向，小3.模具间隙双边（510）%S单边0.5%S刃口锋利倒角4.冲压材料无要求塑性要好（球化处理）5润滑一般特殊6压力机力态普通（单向力）特殊（三向力）工艺负载变形功小变形功为普冲的（22.5）倍环保有噪声，振动大噪声低，振动小7.成本低高（回报周期短）第三章 工艺计算3.1 零件的工艺分析图3-1 连接件零件图该垫片是某车辆上的连接件，选取材料为Q235，厚度1mm，由冲裁构成，进行大批量生产1。其抗拉强度： =322441Mpa，抗剪强度：=265343Mpa，延伸率：=29%。而该垫片要求拉深性能较好2，从该材料的这三个方面可见，符合该零件。结论：综上分析，符合零件要求。3.2 模具分析及制定工艺方案3.2.1 方案的确定该垫片冲裁包含2个基本工序：冲孔 和切，拟定三种工艺方案，进行比较。方案一：直接在落料,冲裁,冲孔等每道工序一个模具。方案二：采用落料冲孔的复合模具。方案三：冲裁连续模具。3.2.2 方案比较方案一：模具结构相对而言比较简单，经济性高，但模具数量较多，中间工序定位困难，回弹大，产品精度不高，要求达到公差尺寸得不到保证，同时模具占用设备多，生产效率低。方案二：第一步冲孔，可以用来定位制件原料，最后再落下成品。不仅可以保证很好的工件精度，而且还可以减少冲压模具的力，但是制造困难，成本高。方案三：采用此种生产方式操作安全，易于自动化，而且提高毛坯料的利用效率，高效，高质地满足了冲裁需求但是需要大批量生产。比较以上三种方案，为了达到生产的要求，我采取第三种方案。3.3 排样设计及材料的利用率3.3.1搭边设计板料厚度t=1mm,所以a=2mm, a=2mm。送料步距A=26mm, 条料宽度B=110mm。3.3.2排样布局分析该零件的形状，发现采取无废料的排样方法是不存在的，但是我们可以减少废料的产生，合理安排排样。通过计算和多种排样方法的比较，我决定采用的工步如图3-2和排样方法如图3-3：图3-2 工步图3-3 排样图 3.3.3 材料利用率计算S98*24+3.14*4*4-8*10*2-6*3*2 2352+50.24-160-362206.24mm=100%=2206.24/(110x26)=77.2% （3-1）式中，材料利用率； S工件的实际面积； S0所用材料面积，包括工件面积与废料面积； A步距 B条料宽度。3.4 精冲力的计算因为精密冲裁与普通冲裁不同。它实现冲压时一共三向受力，因此在进行模具设计的时候，一定要计算出各部分的压力。最后计算实现精冲需要的总压力，以便挑选适当的精冲机。3.4.1 冲裁力对于冲裁力，影响其主要因素有，材料尺寸，材料的机械性能，材料厚度等，计算公式如下： （3-2）式中： Fs冲裁力（N）f1系数，其值为0.60.9.常取0.9。； L冲裁周边长度（mm）； s冲裁件的厚度（mm）；材料的抗剪强度（N/m）。3.4.2 压边力对于压应力，在冲裁过程中起到以下作用：（1）固定材料；（2）沿剪切应力在周边加静压力，以利塑性变形；（3）并在冲裁完成后起退料的作用。计算公式如下： （3-3）式中：FR 压边力（N） L-冲裁周边长度（mm）； h-齿圈高度（mm）;材料的抗剪强度（N/m）;f2系数，常取4。3.4.3 反压力对于反压力，它会影响到精密冲裁件的弯曲，尺寸精度。但过大的反压力，是凸模过载，影响其寿命，在下面的计算中计算公式主要依据Schmid资料的经验公式： （3-4）式中：FS冲裁力（N）。3.4.4 总压力完成精密冲裁的总压力Ft计算公式如果： （3-5）式中:FS冲裁力（N）；FR保压压边力（N）；FG反压力（N）各力计算过程如下：1、冲中间三孔（如图4-1）（1）冲裁力 FS=8 14000.9 =9047N（2）压边力 FR=80.254004 =10053N（3）反压力 FG=0.29047 =1809.4N因为每次冲三个孔，所以冲孔总压力为：F1=3(9047+10053+1809.4)=62728.2N2、切上下两个边（如图4-2）（1）冲裁力 FS=（70+4）14000.9 =8214000.9 =29520N（2）压边力 FR=820.254004 =32800N（3）反压力 FG=0.229520 =5904N 因为每次切上下两边，切边总压力为： F2=2（29520+32800+5904）=136448N3、切两边三角（如图4-3）（1）冲裁力 FS=2814000.9 =10080N（2）压边力 FR=280.254004 =11200N（3）反压力 FG=0.210080 =2016N 因为每次切两个，切边总压力为： F3=2（10080+11200+2016）=46592N4、落料（如图4-4）（1）冲裁力 FS=（982+40+162+8）14000.9 =29314000.9 =105527N（2）压边力 FR=2930.254004 =117200N（3）反压力 FG=0.2105527 =21105N 落料总压力为：F=105527+117200+21105=24383N 图4-1 冲孔大小 图4-2切边大小 图4-3切三形大小 图4-4落料大小3.4.5卸料力和推件力卸料力：=0.04105527=4221N （3-6）推件力：=70.055105527=5804N （3-7）3.5压力中心的计算要确定压力机位置的确定必须先确定压力中心。其出公式如下： （3-8） （3-9）由于工件x方向对称，故压力中心x0=32. 5mmy0=12.763.6模具间隙的确定精冲与普通冲裁显著区别之一就是间隙小。 与普通冲裁一样，精冲模具凸模和凹模间的间隙值是指在直径方向的尺寸差。其大小与精冲零件尺寸和形状，材料厚度及其机械性能，润滑状况等因素有关4。我们为了提高零件的质量和提高模具的寿命，必须要采用合理的间隙值。如果零件不要求所有的周边有光洁的冲裁间隙表面，它可以增加凸模和凹模相应的部分。如果为了提高模具重磨寿命，允许冲裁面上有较小的撕裂，其间隙值不超过料厚的1%。3.6.1理论确定法主要是根据凸、凹模刃口产生的裂纹相互重合进行计算。凸、凹模的合理间隙：Z=2(t-b)tan （3-10）=2t(1-b/t)tan式中：Z双面间隙值（mm）；t材料厚度（mm）；b产生裂纹时凸模挤入的材料深度（mm）；b/t 产生裂纹时凸模挤入材料的相对深度；剪切裂纹与垂线间的夹角。从上面公式可以看出，间隙值得大小会受到原料的性质和厚度的影响。t越大，塑性越低，Z的值就越大。因为理论的计算方法计算起来不方便，所以现在人都一般运用经验法确定间隙。3.6.2经验确定法根据研究与实践经验，根据分类查找表来确定间隙值。合理的间隙值不仅可以提高零件质量，而且能提高模具寿命。如果零件不要求所有的周边有光洁冲裁间隙面，它可以增加的凸模和凹模相应的部分7。如果为了提高模具重磨寿命，允许冲裁面上有较小的撕裂，其间隙值不超过料厚的1%。根据VDI-3345:由料厚S决定间隙值，可由简明精冲手册(国防工业出版社出版）的图3-72查得，精冲时当料厚为1mm时，0.012SSp0.032S。 3.7凹模尺寸3.7.1凸模与凹模刃口尺寸的确定凸模与凹模刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸精度，保证了合理的模具间隙值。因此在精冲模具设计时的一项重要工作就是准确选择凹模刃口尺寸和公差。冲裁时凸、凹模的制造公差得表4-1，如下：表4-1 凸、凹模的制造公差基本尺寸凸模偏差凹模偏差基本尺寸凸模偏差凹模偏差180.0200.0201802600.0300.04518300.0200.0252603600.0360.05030800.0200.0303605000.0400.060801200.0250.0355000.0500.0701201800.0300.040零件的冲孔基本尺寸为18，所以采用的凸模偏差为0.020mm，凹模偏差为0.020mm。3.7.2凸、凹模刃口尺寸确定的原则因为凹模之间肯定是有间隙的存在，所以制件断面成锥形，在使用和测量制件尺寸时，基准通常选择光亮带的尺寸。冲压过程当中，落料或废料会和凹模产生摩擦，凸模的边缘将会慢慢变小，凹模边缘慢慢变大，最终间隙会越磨会大。所以落料和冲孔的凹模刃口尺寸需要分开选择，需要遵循以下原则：1、依据冲孔和落料的所拥有的特点：凹模的尺寸决定了落料了尺寸，所以落料模在选择基准的时候要选择凹模，第一步计算出凹模的尺寸，第二步通过查询的间隙值计算出凸模的刃口尺寸。凸模的尺寸确定了冲孔的直径的大小，所以冲孔模要选择凸模为设计基准7。2、考虑凸凹模的磨损：冲压过程当中，凸凹模存在磨损。凸模的磨损导致了冲孔尺寸逐渐减小；凹模的磨损导致了落料尺寸的增大。精冲模具需要提高模具的使用寿命的设计，还可以提高尺寸精密冲裁。3、刃口制造精度与工件精度的关系：在选取凸凹模刃口尺寸时，精度要求一定要满足制件的精度，保证精冲模具的使用寿命