（机械制造及其自动化专业论文）锥形保持架复合冲模的研究与设计.pdf

摘要 本文结合辽宁瓦房店轴承集团模具设计与研究基金项目，针对锥形轴承保持架冲 压模具设计的具体要求，对利用有限元模拟分析的手段更好地进行冲压模具设计进行 了研究和探讨。 论文根据锥形轴承保持架的特点，对其冲压工艺和模具结构进行了合理的设计； 对金属板料塑性成形进行了系统的力学分析，总结了金属板料成形弹塑性有限元模拟 分析的基本理论和实施方法，并对影响金属板料成形性能的一些因素作了初步分析和 讨论；最后，运用有限元分析软件d e f o r m 对冲压过程进行了有限元模拟仿真，重点研 究了冲裁间隙对模具及板料成形性能的影响，在此基础上对模具的参数进行了优化选 择，取得了良好的效果。 本文的研究将板料成形有限元法有效地运用到冲模设计过程之中，为快速合理地 确定冲裁间隙，验证模具设计的合理性，降低模具设计成本和缩短模具设计周期提供 了一种可实施的手段。 关键词：冲压成形模具设计有限元分析冲裁间隙 a b s t r a c t t h i sp a p e r , i n v o l v e di nt h ep r o j e c to fl i a o n i n gw a g d i 锄b e a r i n gc 0 叩m o u l dd e s i g n a n dr e s e a r c h ，h a v er e s e a r c h e da n dd i s c u s s e dh o wt od e s i g np u n c h i n gd i em o r en a t i o n a l l y w i t ht h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，b a s e do nt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n to ft a p e r e d b e a r i n gr e t a i n e rp u n c h i n gd i e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ef e a t u r eo ft a p e r e db e a r i n gr e t a i n e r , w eh a v er a t i o n a l l y d e s i g n e dak i n do fm o u l ds t r u c t u r ea n ds t a m p i n gc r a f t t h em e c h a n i c sb a s eo fs h e e tm e t a l f o r m i n g , b a s i ct h e o r ya n de x e c u t a b l em e t h o do fe l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f s h e e tm e t a lf o r m i n ga r es y s t e m i c a l l ya n a l y z e da n ds u m m a r i z e d s o m ef a c t o r st h a ta f f e c t p e r f o r m a n c eo fs h e e tm e t a lf o r m i n ga r ea l s op r i m a r i l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e d a tl a s t ，b y u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e - d e f o r n l ，w eh a v ea n a l y z e dt h ep r o c e s so f f o r m i n g , r e s e a r c h e de m p h a t i c a l l yo ni n f l u e n c eo fc l e a r a n c eo fp u n c h i n gm o u l do nt h em o u l d a n dt h ep e r f o r m a n c eo fs h e e tm e t a lf o r m i n g b a s e do nt h i s ，w eh a v es e l e c t e dt h eo p t i m i z e d p a r a m e t e ro ft h em o u l da n do b t a i n e dg o o de f f e c t t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rh a v ee f f e c t i v e l yu s e dt h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o t h ep r o c e s so fp u n c h i n gd i ed e s i g n ，a n dp r o v i d e dp r a c t i c a b l ew a y sf o rr a p i d l ya n de f f e c t i v e l y o b t a i n i n gc l e a r a n c eo fp u n c h i n gm o u l d , v a l i d a t i n gr a t i o n a l i t yo fm o u l dd e s i g n ，l o w e r i n g m o u l dd e s i g nc o s ta n ds h o r t e n i n gd e s i g nc y c l e k e yw o r d s ：s t a m p i n gf o r m a t i o nd i ed e s i g nf e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) c l e a r a n c eo fp u n c h i n gm o u l d 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文锥形保持架复合冲模的研究与设计 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名：挚 旦年立月日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 名：鸟监 指导导师签名： 丑年三月笪日 1 1 模具概况 第一章绪论弟一早硒记 模具是现代工业，特别是汽车、拖拉机、航空、无线电、电机、电器、仪器、仪 表、兵器、日用品等工业必不可少的工艺装备。在现代工业领域，为数众多的金属零 件，如锻件、冲压件、压铸件、粉末冶金零件以及非金属零件，如塑料、陶瓷、橡胶、 玻璃等制品都是用模具成形的。本文所研究的锥形轴承保持架是滚动轴承的重要零件， 由于其零件的特点，也大量采用模具成形来加工。用模具使制件成形，生产效率高、 产品质量好、材料消耗低、生产成本低。模具技术直接影响制造业的发展、产品更新 换代和产品竞争能力。 模具工业潜力很大，前景广阔。近十多年来，美国、日本、德国等发达国家的模 具总产值已超过机床总产值。模具技术的发展极大地促进了工业产品生产的发展，因 而深受赞誉。美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石 ，在日本，模具被誉为 “进入富裕社会的原动力，在联邦德国，模具被冠之以“金属加工业中的帝王 之 称，在罗马尼亚，有“模具就是黄金 之说。可见模具工业在世界各国经济发展中具 有极其重要的地位。模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。 模具的发展离不开模具设计技术的提高，然而传统的模具设计存在着一定的问题。 在传统的模具设计中，设计者的经验起着决定性的作用。设计者都是凭借经验，查阅 有关手册和图表进行设计。模具加工完成后，还要经过试模、修模，再试模、再修模 一系列反复循环的实践环节，直至产品达到满意的程度。 传统模具设计的不足之处主要表现在： 第一，设计过于依赖相关专家长期积累的技术经验，这些专家经验都分散的存在 于各个专家头脑中，可继承性较差，并且由于经验是专家个人积累的结果，因此不同 的经验之间往往变动较大； 第二，模具设计的手工绘图工作占用了大量的时间，繁琐且效率不高； 第三，模具设计只能初定方案，通常还需反复的试模、修模才能得到能用于生产 的模具，设计周期长，浪费大量的人力物力。 由于模具的结构复杂，工作环境较差，容易产生模具疲劳、变形、断裂等而使模 具失效。为防止模具在使用过程中失效，通常的做法就是使模具更大、更厚、更硬、 增加模具预应力或使用组合模，但在有些情况下，这些解决办法却会使情况变得更糟。 随着计算机性能的不断提高和数值模拟技术的逐渐完善，近年来出现了许多功能强大 的专业性强的分析软件，采用有限元分析的方法对模具组件在工作状态中的应力、应 变等问题进行详细分析己越来越广泛的开展，这方面的研究已经取得了很大的发展并 得到了实际应用乜1 。通过有限元分析，可以及早地发现问题，排除经验设计的偏差，提 高设计在工艺实践中的精确性和可靠性，避免多次修模、试模的过程，从而可以缩短 模具生产调试周期，降低制模成本和延长模具的使用寿命。 1 2 模具c a d c a e c a m 的发展趋势 模具行业是工业的基础行业，在工业的各个领域都广泛地使用模具。近些年来， 模具叫删洲技术发展迅速，其发展趋势主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 标准化 叫删c a m 系统可建立标准零件数据库、非标准零件数据库和模具参数数据 库。标准零件库中的零件在c a d 设计中可以随时调用，并采用成组技术g t ( g r o u p t e c h n o l o g y ) 生产。非标准零件库中存放的零件，虽然与设计所需结构不尽相同，但利 用系统自身的建模技术可以方便地进行修改，从而加快设计过程，使典型模具结构库 在参数化设计的基础上实现。 ( 2 ) 智能化 c a d ，c a e c a m 系统智能化主要表现在专家系统思想的引入，通过虚拟专家来处 理模具设计制造中的问题，专家系统具有数据模块、知识库模块和控制模块，专家系 统可以解决知识表示、特征统计、推理方法及概念设计等问题，具有启发性、灵活性 等特点。整个系统具备人工智能理想的智能模具c a d c a e c a m 系统响应，自动产生 设计方案，对方案进行优化评价和选择，并对模具设计制造提供全方位的过程响应和 处理。 ( 3 ) 集成化 模具c a d c a e c a m 技术与g t ( g r o u pt e c h n o l o g y ) 、c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 、 c a p p ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp r o g r a m m i n g ) 等技术密切相连，组成一个有机的整体， 其关键在于建立一个统一的全局模具产品数据模型，在产品开发、模具设计中，提供 全部的信息，使信息共享，交互处理和反馈，它综合了计算机技术、系统集成技术、 并行技术和管理技术，体现了系统化思想直至发展为c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r es y s t e m ，计算机集成制造系统) 。 ( 4 ) 网络化与协同设计 随着模具工业规模的不断扩大，要做到资源信息共享、交换等，网络化设计的发 展是必然的，以微机为中心的智能工作站构成c a d c a e c a m a 姐p 微机局域网络，结 构灵活，功能强大，伴随着i n t e m e t 的发展，系统使得异地设计人员可以在同一时间对 同一个参数进行评价和修改，实现异地操作与数据交换，使一个项目在多台计算机上 协作完成，以适应不同地区的现有资源和生产设备资源的要求和利用。这种基于i n t e m e t 下的协同设计实现了企业间的“集成化 ，它将成为模具制造业全球化的发展趋势。 2 1 3 本文的研究目的、意义及内容 本文研究的目的和意义： 根据设计的要求，确定产品复合冲模的设计方案，通过有限元模拟仿真的手段对 工件冲压过程进行模拟分析，从而得出合理的模具设计结果。 本文研究的主要内容如下： 1 、根据锥形轴承保持架的产品特点，对模具结构进行研究和设计，使其方便、耐 用； 2 、运用有限元分析软件d e f o r m 进行模拟分析，建立有限元模型，对锥形轴承保持 架工件的冲压加工过程进行模拟仿真，从而对模具的设计做出指导； 3 、通过对冲压加工过程进行有限元模拟仿真，分析整个冲压加工过程中的关键参 数，并在此基础上对模具的相关参数进行优化选择。 3 第二章冲模设计 弗一早 ，t 吴阪丌 冷冲压是利用安装在压力机上的冲模对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形， 从而获得所需零件( 俗称冲压件或冲件) 的一种压力加工方法。因为它通常是在室温 下进行加工，所以被称为冷冲压。 冲模是将材料经过冲压的方法加工成所需制件的一种工艺装备。冲模在冷冲压中 至关重要，一般来说，不具备符合要求的冲模，冷冲压就无法进行，先进的冲压工艺 也必须依靠相应的冲模来实现。 冷冲压生产过程的主要特征是依靠冲模和冲压设备完成加工，便于实现自动化， 生产率高，操作简便。对于普通压力机，每台每分钟可生产几件到几十件冲压件，而 高速冲床每分钟可生产数百件甚至千件以上冲压件。冷冲压所获得的零件一般无需进 行切削加工，因而是一种节约能源、节省原材料的无( 或少) 切削加工方法。由于冷 冲压所用原料多是表面质量好的板料或带料，冲件的尺寸公差由冲模来保证，所以产 品尺寸稳定、互换性好。 但由于冲模制造一般是单件小批量生产，且对精度和技术水平要求高，是技术密 集型产品，制造成本高。因而，冷冲压生产只有在生产批量大的情况下才能获得较高 的经济效益。 综上所述，冷冲压与其他加工方法相比，具有独到的特点，所以在工业生产中， 尤其在批量生产中应用十分广泛。相当多的工业部门都越来越多地采用冷冲压加工产 品零部件，如机械制造、车辆生产、航空航天、电子、电器、轻工、仪表及日用品等 行业。在这些工业部门中，冲压件所占的比重都相当大，不少过去用铸造、锻造、切 削加工方法制造的零件，现在己经被质量好、刚度好的冲压件所代替。通过冲压加工， 大大提高了生产率，降低了成本。可以说，如果在生产中不广泛采用冲压工艺，许多 工业部门的产品要提高生产率、提高质量、降低成本，进行产品的更新换代是难以实 现的期。 2 1 模具总体设计思路 模具总体设计思路用如图2 1 所示的框图形式表示。 4 冲压工艺及方案制定 上 i 冲压模具c a d c a e 设计，对模具重要参数 i进行优化 1 l 冲压模具制造i 土 冲制样品，调试模具 土 样品检测、验证各项技术指标 土 合格后，进行批量生产 2 2 加工方案的确定 图2 1 总体设计思路框图 冲压工艺方案规划了一个冲压件( 产品) 用几道工序( 模具) 来冲压完成及每道 工序的基本内容，对冲模设计、制造、调试影响很大，在缩短模具制造周期、降低模 具价格、保证冲压件质量这三大目标中起着重要的作用。 冲压工艺设计的基本要求为： 1 、材料利用率要高，即原始材料消耗要尽可能少； 2 、考虑工厂的具体生产条件，制定出的工艺方案要技术上方便可行，经济上合理； 3 、工序组合方式和工序排列顺序要符合冲压变形规律，能保证冲制合格的工件； 4 、工序数量尽可能少，生产效率尽可能高； 5 、制定的工艺规程，要方便工厂、车间的生产组织与管理。 良好的冲压工艺能保证材料消耗少、工序次数少、模具结构简单、操作方便、寿 命长，产品质量稳定等等。从某种意义上讲，冲压工艺的质量就决定了冲压件的质量， 因此，制定合理的冲压工艺方案是至关重要的。 本文所研究的冲压件如图2 2 所示，该冲压件采用2 5 r a m 的钢板冲压而成，可保证 足够的刚度与强度。为确保在装配后与轴承内圈的同轴度，m 8 5 ，l 聊孔与1 0 4 6 m m 间的 相对位置要准确。该冲压件是一个带孔的圆锥筒形件，可以由落料、拉深、冲孔等冲 压工序获得。其中，孔8 5 删聊的精度要求较高，按冲裁件工艺性分析，用高精度( i t 7 5 级以上) 冲模在一道工序中同时冲出。 图2 2 锥形轴承保持架工件图 加工这样的工件，传统的方法可以采用三个工序来完成，第一个工序是落料，第 二个工序是拉深，第三个工序是冲孔。采用这种工艺方法需要三套模具，生产率低； 另外，由于需要多次定位，所以加工精度不佳。如果采用复合冲模来完成该工件的加 工，则可以实现落料、拉深、冲孔三个工序一次完成，这样能大大提高生产效率，避 免单步工序加工方法的很多弊端，操作方便、安全，冲出制件质量较好。根据以上分 析，决定采用落料、拉深、冲孔复合冲模来完成锥形轴承保持架工件的冲压加工。 2 3 凸、凹模设计 凸模和凹模是冲模中最基本的零件之一，也是冲模中的关键零件，其设计是否合 理对冲模的结构、使用性能和寿命有着重要的影响，它的形状和尺寸直接影响冲模刃 口的冲裁间隙和冲压零件的断面质量，它的强度直接影响模具的寿命。在设计凸、凹 模时，除了要满足制造、冲裁加工要求外，还要考虑模具使用过程中的维护和调整， 尽量采用便于凸、凹模加工与测量、更换和刃磨的模具结构形式。 2 3 1 模具材料的选择 冲模零件的材料，尤其是凸、凹模材料，与模具寿命关系很大，因此合理选用材 料是冲模设计的一项十分重要的工作。凸模和凹模是在强压、连续使用和有很大冲击 的条件下工作的，并伴有温度的升高，工作条件极其恶劣。所以对凸、凹模的材料要 求有很好的耐磨性、耐冲击性、淬透性和切削性。冲模上各类零件的工作特性、受力 情况是不同的，因而他们对材料的要求也有很大差别，不同类别的零件应选用不同种 类的材料来制造。冲模材料的选用，不仅要考虑冲模零件的工作特性，还要考虑冲件 的尺寸、形状、精度及其生产批量等各种因素。 6 设计冲模时，可按以下原则选用材料： ( 1 ) 充分考虑冲件生产批量的大小。对于大批量生产的零件，其模具材料应选用 质量较高、能保证耐用度的材料；反之应选用较便宜、耐用度较差的材料。 ( 2 ) 充分考虑冲压材料的种类、冲压工序性质及冲模零件的工作条件。如冲模的 工作零件是在高单位压力、强烈应力集中和冲击性负荷条件下工作的，则应选用具有 较高强度、高耐磨性和足够韧性的工具钢甚至硬质合金。 ( 3 ) 充分考虑冲件的尺寸、形状和精度要求。一般来说，对于形状简单、冲压件 尺寸不大的模具，其工作零件常用高碳工具钢制造；形状较复杂、冲压件尺寸较大的 模具，其工作零件选用热处理变形较小的合金工具钢制造；而冲压件精度很高的精密 冲模的工作零件，常选用耐磨性好的硬质合金等材料制造。 ( 4 ) 要根据模具零件的作用考虑材料选用的经济性。根据我国模具材料的生产及 供应情况，在保证零件使用性能的前提下，尽量选用价格低廉，供应方便的材料。 ( 5 ) 要考虑材料的加工工艺性。一般模具都要经过锻造、热处理、切削加工等， 其加工费用占模具成本的一半以上，所以要求模具材料具有很好的热加工和机加工工 艺性劓。 根据锥形轴承保持架的实际要求，冲件选用2 0 钢。模具在工作过程中要承受强压 和很大的冲击，凸模和凹模刃口部分易出现磨损，因而显得尤其重要。另外，冲压模 的使用中常因磨损而使工作部分尺寸发生变化，所以要求模具工作部分有良好的耐磨 性，以保证模具的寿命和冲压件的质量。通过分析比较，凸、凹模的材料均采用g c r l 5 钢，其硬度高，耐磨性强，为进一步提高材料的工作性能，对其进行锻造处理，经过 多次锻打后，改进材料的致密度，流线方向和碳化物分布状况，使组织均匀，改善机 械性能，提高热处理质量和使用寿命，以保证在冲裁、振动的环境中保持刚性，避免 因变形而使精度受到影响。另外，凸、凹模经热处理后要求硬度达到h r c 5 8 巧2 ，从而 提高模具的使用寿命。 2 3 2 模具冲裁间隙设计 冲裁间隙是指冲裁模的凸模与凹模刃口轮廓相应尺寸的差值，如图2 3 所示口3 ， 式中：z 二神裁间隙( 川，1 ) 凹模刃口尺寸( r a m ) 扛凸模刃口尺寸( r a m ) z = = d d 7 ( 2 1 ) 冬 m - 一 l 一 乙毛 。呻 - i l 对 i 蕊 i p 图2 3 冲模的冲裁间隙 凸模与凹模问每侧空隙的数值，称为单边间隙。两侧空隙之和，称为双边间隙。 如无特殊说明，冲裁间隙是指双边间隙。在所有的冲压模具中，冲裁模具约占5 0 - 6 0 。 在冲裁工艺中，间隙值是最主要的工艺参数。因间隙值的大小，对冲裁件的断面质量、 尺寸精度、冲裁力的大小及模具的使用寿命等都有很大的影响。因此设计模具时，必 须选择一个合理间隙值，使冲裁件断面质量好、尺寸精度高、所需冲裁力小、模具寿 命高。但是分别按断面质量、尺寸精度、冲裁力等方面的要求各自确定的合理间隙并 不是同一个数值，只是彼此接近而已。因此，在生产中，间隙值的确定是根据各种具 体要求，综合考虑上述各种因素，来选择一个合适的间隙范围作为合理间隙。只要间 隙在这个范围内，就可以冲制出良好的零件。这个范围的上限为最大初始合理间隙磊锨， 下限为最小初始合理间隙。因凸、凹模在工作中的磨损，会使间隙逐渐变大，所以 在设计模具时都采用最小初始合理间隙z n 血作为设计间隙。 确定间隙的方法通常有如下三种： ( 1 ) 理论确定法 理论确定法的主要依据是：在冲裁变形过程中，当凸、凹模刃口的连线为最大剪 应力方向，该处产生的裂纹能重合成一条线时，此时的间隙为合理间隙。图2 4 所示为 冲裁变形过程中开始产生裂纹的瞬时状态。 图2 4 冲裁模的间隙 8 根据图上的几何关系可得： z f i 面= 2 ( t - h o ) t a n f l = 2 t 0 - h oi t ) t a n 卢 ( 2 2 ) 式中：t 材料厚度( r a m ) j i l o _ 凸模压入材料的深度( 肌川) 卢一最大剪应力方向( 裂纹方向) 与垂线间的夹角( 。) 由上式可知，间隙z 主要取决于板料厚度t 和凸模压入材料的深度h o ( 夕变化不大) ， 而及夕又与材料性质有关。材料较硬，凸模压入材料的深度h o 较小时就产生裂纹，因 而对于厚料及硬料，j i l 越小，所需理论间隙值就越大。对于较软而薄的材料，相对压 入深度 沙较大，则合理间隙值就小，表2 1 为常用冲压材料的h o t - 与j 3 的近似值。 表2 1 h o t - 与j 3 值 h o l t 材料 退火硬化退火硬化 软钢、纯铜、软黄铜o 5o 3 56 0 5 0 中硬钢、硬黄铜0 3o 25 0 4 0 硬钢、硬青铜 0 2 0 14 04 0 间隙的理论值仅用来说明上述几个因素与间隙的关系，在生产中应用很不方便。 目前在生产中，广泛采用经验确定法和查表法来确定合理间隙值。 ( 2 ) 经验确定法 经验确定法也是根据材料的性质与厚度来确定的，关系式为： z 响- k t ( 2 3 ) 式中：z m i n 一最小双边间隙值( 朋历) t 材料厚度( m m ) k 与材料性质有关的系数 系数闻拘数值，随行业不同而有所差异h 1 。对于汽车、拖拉机行业，k 值的选取原 则如表2 2 所示。 表2 2k 值的选取原则( 汽车、拖拉机行业) 材料k 值 软材料( 如0 8 钢，黄铜等) 0 0 8 0 1 0 中硬材料( 如a 3 ，a 4 ，2 5 钢等) o 1 0 o 1 2 硬材料( 如a 5 ，4 5 钢等) 0 1 2 0 1 4 9 而对于电器仪表行业，胎的选取原则如表2 3 所示。 表2 - 3k 值的选取原则( 电器仪表行业) 材料k 值 纸、布、皮革、石棉、橡胶、塑料 0 0 2 硬纸板、胶纸板、胶布板、云母片 0 0 3 铝、紫铜、纯铁 0 0 4 硬铝、黄铜、低碳钢 0 0 5 锡磷青铜、铍合金、铬钢和中碳钢 0 0 6 硅钢片、弹簧钢、高碳钢 o 0 7 ( 3 ) 查表确定法 生产中使用的经验数值在一般的冲压资料中均可查到。但各技术资料中推荐的间 隙值并不相同，有的甚至出入很大，这是由于各种冲压件对其断面质量和尺寸精度的 要求不同及生产条件的差异所致。所以在选用时除考虑材料性质与厚度外，还应根据 零件的具体要求选用不同的间隙表。 选用原则与方法如下： 1 ) 对冲裁件断面要求较高时，在间隙允许范围内，应考虑采用较小的间隙，这时 尽管模具的寿命有所降低，但制件的光洁带较宽，断面与板料面垂直，毛刺与圆角及 弯曲变形都很小； 2 ) 当冲裁件的断面质量无特殊要求时，在间隙允许范围内，取较大的间隙值是有 利的。这样不但可以延长冲模寿命，而且冲裁力、推料力和卸料力都显著降低。但过 大的间隙会使冲裁件产生弯曲变形，此时要采用弹性卸料装置。 在冲件中，冲孔件的尺寸取决于凸模尺寸，故冲模应先确定凸模尺寸，用增大凹 模尺寸来保证合理间隙；而落料件的尺寸取决于凹模尺寸，故冲模应先确定凹模尺寸， 用减小凸模尺寸来保证合理间隙。在冲裁工艺中，凸、凹模的间隙与板料的厚度有关， 板料越薄，间隙越小，模具的制造精度就越高。冲裁间隙的选择不但影响零件的剪切 面的形状( 包括毛面斜度、塌角、毛刺等) 而且也影响零件的尺寸精度。为保证凸凹 模之间合理的冲裁间隙，先按查表法确定出冲裁间隙在0 4 m m 左右的范围啼1 ，然后根据 计算机仿真结果进行优化选择。这样在冲裁的过程中，可有效抑制剪切过程中裂纹的 产生，使得冲裁件的断面质量和尺寸精度都有所提高。 1 0 2 3 3 模具相关工艺计算 1 、毛坯尺寸的计算 根据等面积原则，用解析法求该零件的毛坯直径。 两个几何体，它们的面积公式分别为： 4 。竺堕3 1 4 x 1 0 4 6 2 - 8 5 8 8 8 l m m 2 44 小州华一万 一3 1 4 则毛坯展开尺寸 d - 丝 2 首先将该零件分成圆与圆锥台 1 2 1 6 _ = + 一1 0 4 6 。1 1895721 2 m m 一2 一_ 2 ( 2 4 ) ( 2 5 一1 6 1 6 m m( 2 6 ) 修边余量j i - 2 0 r a m ，则毛坯的直径d 一1 6 1 6 + 2 x 2 0 1 6 5 6 r a m ，助= 1 6 6 m m 。 2 、排样计算 该工件排样根据落料工序设计。考虑根据方便及模具结构简单，故采用单排排样 设计。可查得陋1 搭边值a 1 = 1 5 r a m ，a = 1 5 r a m ，采用双排挡料销挡料。则 条料宽 6 = d + 2 a = 1 6 6 + 2 1 5 = 1 6 9 m m 条料的进距为 j i l = d + a 1 = 1 6 6 + 1 5 = 1 6 7 5 r a m 单件材料的利用率为 ，7 坐1 0 0 。业1 0 0 。立丝塑上1 0 0 。7 6 ( 2 7 ) 。 b h4 b h 4 x 1 6 9 1 6 7 5 3 、计算工序压力 ( 1 ) 落料力 珞1 1 3 l t r ( 2 8 ) 式中氏落料力( ) 三工件外轮廓周长( r a m ) ，l = ：r d = 5 2 1 m m t 材料厚度( r a m ) ，t = 2 5 m m f 材料的抗剪强度( 朋心) ，t = 2 8 0 m p a 则落料力为：氏= 1 3 x 5 2 1 x 2 5 2 8 0 4 7 4 3 1 0 3 n = 4 7 4 3 k n ( 2 ) 卸料力 。k 卸氏 式中k 卸卸料力因数，k 卸= 0 0 3 则卸料力为：= 0 0 3 x 4 7 4 3 1 4 2 3 枷 ( 3 ) 冲孔力 k - 1 3 l t r 式中l 工件内轮廓周长( r a m ) ，l = 3 1 4 8 5 = 2 6 6 9 r a m 则冲孔力为：k = 1 3 2 6 6 9x 2 5x2 8 0 - 2 4 2 9xl 咖= 2 4 2 9 ( 4 ) 推件力 靠- 从推f 冲 式中k 推匡件力因数，= 0 0 5 一卡在凹模内的工件数，n = l 则推件力为：凡= 0 0 5 x2 4 2 9 = 2 1 5 埘 ( 5 ) 拉深力 f 槛ik 死d t a b 式中正因数，由于拉伸因数川一吾一号芝等 吼材料的强度极限( m p a ) ，o r b = 3 6 0 m p a ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 一0 7 3 ，修正因粼- - - o 9 3 则拉深力如= 0 7 3 x 3 1 4 x1 2 1 6 x2 5 3 6 0 3 1 9 5 9 1 咖= 3 1 9 5 9 埘 ( 6 ) 压边力 f 压1a p ( 2 1 3 ) 式糊压边圈面积( m m 2 ) ，a 。三( 1 0 4 6 2 8 5 2 ) ；2 9 1 7 2 m m 2 4 卜单位压边力( m p a ) ，p = 3 0 m p a 则压边力为：f 压= 2 9 1 7 2 3 0 8 7 5 1 0 3 = 8 7 5 枷 ( 7 ) 总压力 由以上计算可得总压力为： _ 氏+ + + + + ，压 ( 2 1 4 ) 一4 7 4 3 + 1 4 2 3 + 2 4 2 9 + 1 2 1 5 + 3 1 9 5 9 + 8 7 5 1 0 7 1 9 2 七 ( 8 ) 冲压设备的选择 根据资料有冲压设备选择标准r ( 1 6 1 8 ) f 怠，可根据估算公称压力来选取压 力机，参照资料选用公称压力为2 5 0 0 k a v 的n 力机n 羽。 1 2 4 、模具工作部分尺寸计算 在确定冲模凸模和凹模工作部分尺寸时，必须遵循以下几项原则： ( 1 ) 根据落料和冲孔的特点，对于冲孔件，工作部分尺寸取决于凸模尺寸，故冲 孔模应先确定凸模尺寸，用增大凹模尺寸来保证合理间隙；落料件的尺寸取决于凹模 尺寸，故冲模应先确定凹模尺寸，用减小凸模尺寸来保证合理间隙。 ( 2 ) 根据刃口的磨损规律，刃口磨损后尺寸变大，其刃口的基本尺寸应取接近或 等于工件的最小极限尺寸：刃口磨损后尺寸减小，应取接近或等于工件的最大极限尺 寸。 ( 3 ) 考虑工件精度与模具精度间的关系，在选择模具刃口制造公差时，既要保证 工件的精度要求，又能保证有合理的间隙数值。一般冲模精度较工件精度高2 3 级。 凸、凹模工作部分尺寸计算如下： ( 1 ) 落料刃口尺寸计算 落料的凸、凹模的制造公差幽：0 0 4 n m ，如0 0 3 r a m ，磨损系数x - - o 5 ，冲裁双面间 - - 0 3 9 r a m ，z n 暇= o 4 6 r a m 吲。 根据刃口尺寸计算公式 一p x a ) o 知一( 1 6 6 0 5 1 0 ) 肼= 1 6 5 5 舛m t 9 矗- o d x a z 曲) 0 - 屯一( 1 6 6 0 5x 1 0 0 3 9 ) 0 - o - 1 6 5 1 l ! o 删 ( 2 ) 冲孔刃1 2 1 尺寸计算 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 冲孔的凸、凹模的制造公差幽= 0 0 3 5 r a m ，如= o 0 2 5 r a m ，磨损系数x = 0 5 ，冲裁双面 间隙z m i n ：0 3 9 m m ，z 皿咀= o 4 6 r a m 抽3 。 根据刃口尺寸计算公式 d 凸m 似+ z ) m ( 8 5 + 0 5 x 0 2 ) ! 啷一8 5 1 0 - o 晒脚l ( 2 1 7 ) d 凹i ( d + 石+ z m 蛔) ：咭i ( 8 5 + 0 5 x 0 2 + 0 3 9 ) 0 0 0 3 5 8 5 4 9 0 + 0 0 3 5 m m ( 2 1 8 ) 对于最终凸、凹模工作尺寸的确定，我们会根据在计算机上的有限元仿真结果进 行相应优化。 2 4 模具结构设计 2 4 1 模具结构选择 根据确定的工艺方案和零件的形状特点、精度要求、所选设备的主要技术参数、 模具制造条件以及安全生产等选定其冲模的类型及结构形式。 1 、模具结构形式的选择 采用落料拉深冲孔复合模，首先要考虑落料凸模( 兼拉深凹模) 的璧厚是否过薄。 本工序凸凹模壁厚6 = ( 1 0 4 6 8 5 ) 2 r a m = 9 8 m m ，能够保证足够强度嘲，故可采用复合 1 3 模。落料、拉深复合模常采用落料采用正装式，拉深采用倒装式。模座上的缓冲器兼 作压边与顶件，另设有弹性卸料和刚性推件装置。这种结构的优点是操作方便，出件 畅通无阻，生产率高；缺点是弹性卸料装置使模具结构较复杂，特别是拉深深度大、 板料较厚、卸料力大的情况，需要较多、较长的弹簧，使模具结构复杂。对于本工序， 由于拉深深度不算大，板料也不厚。因此采用弹性卸料较合适。考虑到装模方便，模 具采用后侧布置的导柱导套模架。 2 、模具模架的选择 上、下模板与导向装置的总体称为模架，而无导向装置的一套上、下模板称为模 座。上、下摸板上不仅要安装冲模的全部零件，而且要承受和传递冲压力。因此，模 板应具有足够的强度和刚度。如果刚度不足，工作时会产生较大的弹性变形，导致模 具零件迅速磨损或破坏使冲模寿命显著降低。 模具设计时，通常是按标准选用模架或模座。进行模板设计时，矩形模板的长度 应比凹模长度大4 0 , - 一7 0 m m 。而宽度取凹模宽度相同或稍大。另外，下模板的轮廓尺寸 还应比压力机工作台漏料孔每边至少大4 0 - 5 0 r a m 。模板厚度可参照凹模厚度估算，通 常为凹模厚度的l 1 5 倍。上、下模板的导柱、导套安装孔通常采用组合加工，以保征 上、下模板孔距的一致。模板上、下平面之间还有平行度要求。模板大多是铸铁或铸 钢件，这里选用铸铁件，其结构应满足铸造工艺要求。另外，大型模板上还常设置起 重孔或起吊装置，便于模具起吊运输。导柱套的布置方式常见的有后侧布置、中间两 侧布置、对角布置和四角布置四种。中间两侧布置时，受力平衡，但只能一个方向送 料，多用于弯曲模和拉深模。对角布置方式受力也较平衡，使用时可以两个方向送料， 操作较为方便。采用四个导柱、导套四角布置的导向装置。受力最均匀，导向精度高， 但结构复杂，仅用于大型冲模或对工件精度要求特别高的场合。采用中间两侧布置和 对角布置时，两导柱( 导套) 的直径一般不相等，以避免装错方向时损坏凸、凹模刃 口。后侧布置时，导柱、导套受力不平衡，影响导向精度。但它三个方向敞开，送料 操作方便容易实现机械化、自动化生产。该模具对导向要求不太严格且冲压偏移力不 大，故采用这种布置方式，如图2 5 所示。 1 4 242 模具零件的结构设计 图 后侧导柱模架 一上模板2 一导柱3 一导套4 下模扳 模具相关零件的设计在主要工艺设计及模具总体设计之后进行 l 、工作零件设计 ( 1 ) 落料凹模 落料凹模的二维图和三维图如图26 所示。 图2 6 落料凹模 外形尺寸和厚度己定；需要三个以上螺纹孔，以便与f 模板固定；需要有一个固 定挡料销孔；标准尺寸精度、形位公差及粗糙度。 ( 2 ) 落料凸模 落料凸模的二维图和三维图如图27 所示 除抟澍fd l 闷i 嗣_ i 闲 隧 黼一n 劁 li 。黑愁。呻匕 罐勃 图27 落料凸模 模具上部中空以便为上压边圈留出空间；采用四个螺栓以便与上模座联结；标 注尺寸精度、形位公差及粗糙度。 凸凹模的二维图和三维图如图28 所示 圈28 凸凹模 设计内、外形尺寸；与下模座的固定采用压板固定；标注尺寸精度、形位公差及 粗糙度。 ( 4 ) 冲孔凸模 冲孔凸模的二维图和三维图如图29 所示。 令 r 乡、 1 。 i 阏博8 图2 9 冲孔凸模 设计外形尺寸；与上模座的固定方式采用由落料凸模开圆槽配合固定：标注尺寸 精度、形位公差及粗糙度。 2 、导向零件设计 对于生产批量大，要求模具寿命长，便于安装、精度高的冲压模具，都应采用导 向装置。常用的导向装置有导板式、导柱导套式和滚珠导套式。 导板的导向孔按凸模断面形状加工，采用间隙配合，其单面间隙应小于凸、凹模 之间的单面间隙。模具工作时凸模始终不脱离导板，从而起到导向作用。为了使导向 可靠，导板必须有足够的厚度，一般取等于或稍小于凹模厚度。导扳的平面尺寸取与 唧模平面尺寸相同。冲压件的形状复杂时，导板孔加工困难。为了避免热处理变形， 时常不进行热处理，所毗其耐磨性差，实际上很难达到和保持与稳定的导向精度。因 此，生产中广泛地采用导柱、导套导向。 该模具选用滑动导柱、导套结构型式， i ! 一 具体形状尺寸如图21 0 所示 图2 加导套和导柱 导柱的直径( d ) ，一般在1 6 - - 6 0 m m 之间，长度( 工) 在9 0 - 3 2 0 m m 之间，下部与 下模板导柱孔采用过盈配合，上部与导套孔径d 间隙配合。导套孔径( d ) 上有油槽， 用以存润滑油，外径d 与上模板孔采用过盈配合，配合时导套孔径会收缩，所以导套过 盈配合部分的孔径，应比导套和导柱间隙配合部分导套孔径d 增大l m m ，为( 办1 ) m m 。 3 、固定零件设计 冲模的固定零件有模柄，上、下模板，凸、凹模固定板，垫板，螺钉和销钉等。 ( 1 ) 模柄 中、小型冲模一般通过模柄将上模固定在压力机的滑块上。模柄的结构形式很多， 主要有以下几种： 1 ) 旋入式模柄( 如图2 1 l a ) ，通过螺纹与上模板连接，为防止松动，拧入防转螺 钉固紧。这种结构的模柄，装卸方便，多用于有导柱的小型冲模。 2 ) 压入式模柄( 如图2 1 l b ) ，它与模板安装孔的配合采用h 7 恤6 过渡配合，并用 销钉防止转动，适用于模板较厚的中、小型模具。 3 ) 凸缘模柄( 如图2 1 l e ) ，用3 个或4 个螺钉固定在上模板的窝孔内。多用于较大 型模具。 4 ) 浮动模柄( 如图2 1 l d ) ，它由模柄1 、球面垫块2 和接头3 等零件组成。这种结构 可以通过球面垫块消除压力机滑块导向精度不足所产生的导向误差。适用于需精确导 向且导向装置在工作中始终不脱开的精密冲模，如硬质合金模、精冲模等。 丑盛 ) - y , 删r v ? i ，7 ，? 7 k b ) e d 图2 1 1 模柄的结构形式 l 模柄2 一垫块3 接头 该设计选用压入式模柄。具体形状和尺寸如图2 1 2 所示。模柄的安装直径d 和长觑 应与压力机滑块上的模柄孔相适应。一般模柄的轴心线对上模板上平面的垂直度误差 不大于0 0 5 r a m 。 2 1 图2 1 2 压 式模柄 ( 2 ) 模座 选择标准模架，其模座形状如图2 1 3 。 图2 1 3 模座 ( 3 ) 螺钉与销钉 螺钉是用于紧固模具的标准零件，主要承受拉应力。冲模上的螺钉常用圆柱头内 六角螺钉( g b y r 7 0 - 1 9 8 5 ) 。这种螺钉紧固牢靠，且螺钉头埋在凹模内，使模具结构紧 凑，外形美观。销钉起定位作用，防止零件之问发生错移，销钉本身承受切应力。销 钉一般用两个，多用圆柱销( g b t i l 9 1 9 8 6 ) ，与零件上的销孔采用过渡配合，其直径 与螵钉上的螺纹直径相同。螺钉拧入的最小深度，当采用钢料时与螺纹直径相等，当 采用铸铁时为螺纹直径的1 5 倍。销钉的最小配合长度是销钉直径的2 倍。 243 确定模具结构方案 根据前面分析，确定模具的结构方案，见圈2 1 4 。 98 图2 1 4 模具结构 l 落料凹模2 侧挡料柱3 一固定挡料销4 卸件器5 顶杆6 推板 7 _ 卸料板8 一项杆蝴孔凸模l o 一凸凹模 l l 预件器1 2 落料凸模 2 5 提高冲模寿命的措施 由于模具的生产加工周期长，模具材料费用高，模具制造成本在实际生产成本中 占有相当大的比例。因此，对于冲压模具除了要求生产效率高、所生产的零件符合其 质量要求和技术条件外，提高冲压模具的使用寿命也是非常重要的蚴。可以说，冲模 寿命的高低直接影响着冲压加工的生产效率和生产成本，它也是衡量模具质量的重要 指标之一，因此，我们有必要对如何提高冲模寿命的问题加以探讨。 2 5 1 模具失效的基本形式 要提高模具寿命，首先应分析模具的失效形式。所谓模具失效形式，就是使模具 丧失正常工作能力的某种损伤形式。只有充分了解导致损伤的原因及各种影响因素， 才能在消除某一种损伤形式时，不至于顾此失彼，而使其它损伤形式加速发展1 。 模具损伤的基本形式有5 种：过量塑性变形、磨损、疲劳、断裂及开裂、冷热疲劳。 冷作模具的失效形式，常见的有以下5 种：断裂、变形、磨损、咬合、啃伤失效1 。 6 s 3 2 l 2 5 2 提高模具寿命的措施 1 、合理设计模具结构及形状 模具结构的合理性，对模具的承载能力有很大的影响。不合理的结构，会严重恶 化模具的工作条件、加速模具的损伤，从而大大缩短模具寿命。 2 、正确选择模具材料 凸模和凹模是在强压、连续使用和有很大冲击的条件下