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张力
冲压
成形
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模具设计
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张力盘冲压成形工艺及模具设计,张力,冲压,成形,工艺,模具设计
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1 绪 论 目前，我国冲压技术与工业发达国家相比还相当的落后，主要原因是我国在冲压基础理论及成形工艺、模具标准化、模具设计、模具制造工艺及设备等方面与工业发达的国家尚有相当大的差距，导致我国模具在寿命、效率、加工精度、生产周期等方面与工业发达国家的模具相比差距相当大。1.1 国内模具的现状和发展趋势1.1.1 国内模具的现状我国模具近年来发展很快，据不完全统计，2003年我国模具生产厂点约有2万多家，从业人员约50多万人，2004年模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2004年模具产值530亿元。进口模具18.13亿美元，出口模具4.91亿美元，分别比2003年增长18%、32.4%和45.9%。进出口之比2004年为3.69:1，进出口相抵后的进净口达13.2亿美元，为净进口量较大的国家。在2万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。在模具企业中，产值过亿元的模具企业只有20多家，中型企业几十家，其余都是小型企业。近年来，模具行业结构调整和体制改革步伐加快，主要表现为：大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于一般模具产品；专业模具厂数量增加，能力提高较快；三资及私营企业发展迅速；国企股份制改造步伐加快等。虽然说我国模具业发展迅速，但远远不能适应国民经济发展的需要。我国尚存在以下几方面的不足: 第一，体制不顺，基础薄弱。 “三资”企业虽然已经对中国模具工业的发展起了积极的推动作用，私营企业近年来发展较快，国企改革也在进行之中，但总体来看，体制和机制尚不适应市场经济，再加上国内模具工业基础薄弱，因此，行业发展还不尽如人意，特别是总体水平和高新技术方面。 第二，开发能力较差，经济效益欠佳.我国模具企业技术人员比例低，水平较低，且不重视产品开发，在市场中经常处于被动地位。我国每个模具职工平均年创造产值约合1万美元，国外模具工业发达国家大多是1520万美元，有的高达2530万美元，与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理，真正实现现代化企业管理的企业较少。 第三，工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低虽然国内许多企业采用了先进的加工设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控化率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多。由于体制和资金等原因，引进设备不配套，设备与附配件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较好解决。装备水平低，带来中国模具企业钳工比例过高等问题。 第四，专业化、标准化、商品化的程度低、协作差 由于长期以来受“大而全”“小而全”影响，许多模具企业观念落后，模具企业专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。目前国内每年生产的模具，商品模具只占45%左右，其馀为自产自用。模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务，与国际水平相比要落后许多。模具标准化水平低，标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，对模具制造周期影响尤甚。 第五，模具材料及模具相关技术落后模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢相比，无论是质量还是品种规格，都有较大差距。塑料、板材、设备等性能差，也直接影响模具水平的提高。1.1.2 国内模具的发展趋势 巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。虽然我国的模具工业和技术在过去的十多年得到了快速发展，但与国外工业发达国家相比仍存在较大差距，尚不能完全满足国民经济高速发展的需求。未来的十年，中国模具工业和技术的主要发展方向包括以下几方面: 1） 模具日趋大型化； 2）在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术； 3）模具扫描及数字化系统； 4）在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术； 5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率；6）发展优质模具材料和先进的表面处理技术；7）模具的精度将越来越高； 8）模具研磨抛光将自动化、智能化； 9）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；10）开发新的成形工艺和模具。1.2 国外模具的现状和发展趋势模具是工业生产关键的工艺装备，在电子、建材、汽车、电机、电器、仪器仪表、家电和通讯器材等产品中，6080的零部件都要依靠模具成型。用模具生产制作表现出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清洁环保的特性，是其他加工制造方法所无法替代的。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。近几年，全球模具市场呈现供不应求的局面，世界模具市场年交易总额为600650亿美元左右。美国、日本、法国、瑞士等国家年出口模具量约占本国模具年总产值的三分之一。国外模具总量中,大型、精密、复杂、长寿命模具的比例占到50%以上；国外模具企业的组织形式是大而专、大而精。2004年中国模协在德国访问时，从德国工、模具行业组织-德国机械制造商联合会（VDMA）工模具协会了解到，德国有模具企业约5000家。2003年德国模具产值达48亿欧元。其中（VDMA）会员模具企业有90家，这90家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的90%，可见其规模效益。 随着时代的进步和技术的发展，国外的一些掌握和能运用新技术的人才如模具结构设计、模具工艺设计、高级钳工及企业管理人才，他们的技术水平比较高故人均产值也较高我国每个职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右，而国外模具工业发达国家大多1520万美元，有的达到 2530万美元。国外先进国家模具标准件使用覆盖率达70%以上，而我国才达到451.3 张力盘模具设计与制造方面1.3.1 张力盘模具设计的设计思路冲裁是冲压工艺的最基本工序之一，它是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。它包括落料、冲孔、切边、修边、切舌、剖切等工序，其中落料和冲孔是最常见的两种工序。冲裁在冲压加工中应用极广。它既可直接冲出成品零件，还可以对已成形的工件进行再加工。普通冲裁加工出来的制件的精度不高，一般情况下，冲裁件的尺寸精度应在IT12级以下，不宜高于IT10级。只有加强冲裁变形基础理论的研究，才能提供更加准确、实用、方便的计算方法，才能正确地确定冲裁工艺参数和模具工作部分的几何形状与尺寸，解决冲裁变形中出现的各种实际问题，从而，进一步提高制件质量。张力盘是典型的冲压件，该模具工作过程很简单就是冲压、落料、拉深，根据零件图的结构和尺寸精度以及材料的性能确定完成该冲件所需要的模具类型.因此，综合考虑各种因素后不采用复合模。根据计算的结果和选用的标准模架，判断此次冲裁能不能采用标准的模架。为了保证制件的顺利加工和顺利取件，模具必须有足够高度。要改变模具的高度，只有从改变导柱和导套的高度,改变导柱和导套的高度的同时,还要注意保证导柱和导套的强度. 导柱和导套的高度可根据冲裁凸凹模与落料凹模工作配合长度决定设计时可能高度出现误差，应当边试冲边修改高度。1.3.2 张力盘冲压模具设计的进度1.了解目前国内外冲压模具的发展现状，所用时间10天；2.确定加工方案，所用时间5天；3.模具的设计，所用时间30天；4.模具的调试所用时间5天2 张力盘的冲压工艺性分析零件名称：张力盘生产批量：大批量材 料：Q235厚 度：1.2mm工件图：如图1.图1 零件图由工件图看，该工件有冲孔，落料，拉深三道工序，材料为Q235-A钢，具有良好的冲压性能，适合冲裁，工件结构相对简单，工件中心有5cm的孔，在拉深过程中变形小不考虑零件尺寸公差无特殊要求，按照IT14级选取。工件形状简单，形状规则始于冲裁加工。3 冲压工艺方案的确定方案一：先落料再冲孔，最后拉深，采用单工序模生产方案二：先冲孔落料，再拉深，采用两套模具生产方案三：冲孔落料拉深复合模，用一套复合模具生产分析方案一，其加工复杂，模具太多，生产成本太高，不便采用。方案二其缺点去如一故不适合。方案三与一、二相比较，其模具的设计与 制造比较复杂困难，但能缩短生产周期，降低模具制造成本，提高生产效益，因此，采用方案三最好。4 主要设计计算4.1 毛坯的计算 根据等面积原则，用解析法求该零件的毛坯直径。首先将该零件分析成圆，圆环，圆锥台、三个简单的几何体。由表4-6查得它们的面积公式分别为： A1=d1/4=0.253.1422=379.94 mm A2=/4(d3-d2)=0.253.14(40-25)=765.38 mmA3=L(d1+d2)/2=367.10 mm则毛坯展开尺寸D=43.9 mm从查表4-4查得拉深的修边余量h=2.0 mm则毛坯的直径D=43.9 mm+22.0 mm=47.9 mm取D=48mm4.2 排样 该工件排样根据落料工序设计，考虑操作方便及模具结构简单，故采用单排样设计。根据表2-16查得搭边值a1= 1.5 mm,a= 2 mm。采用双排导料销导料条料的宽 b=48mm+2a= 52 mm 条料的进距为 h=48+a1= 49.5 mm 冲裁单件时料的利用率根据公式(2-16)计算 %=70.3%图2 排样图4.3 计算工序压力4.3.1 落料力的计算按式（2-7）： F落=1.3Lt F落-落料力（N） L -工件外轮廓周长L=D=3.1448=150.72 mm t-材料的厚度 t=1.2 mm -材料的抗剪强度 由书本附录查得=310 Mpa落料力则为：F落=1.3150.721.2310KN=72.88 KN4.3.2 卸料力的计算 按照式（2-11）： F卸=K卸+F落 K卸-卸料力因数 其值由表（2-5）查得K卸=0.03 K卸=0.0372.88KN=2.19 KN4.3.3 冲孔力的计算按照式（2-7）： F冲=1.3L+ L-工件内齿轮廓周长（mm） L=3.1475 mm=15.7 mm则冲孔力为: F冲=1.315.71.2310=7.59 KN4.3.4 推件力计算 按照式（2-11）： F推=nK推F冲 K推-推件力因数 其值由表（2-15）查得K推=0.05 n-卡在凹模内的工件数 n=2 则推件力为： K推=20.057.59103N759N4.3.5 拉深力计算 该零件为浅伸，故可以按照由压边圈的圆筒形的工件近似计算。按照式（4-35）： F拉=Kdtb F拉-拉深力（N） d-拉深件的直径 d=25mm b-材料的强度极限（Mpa）。由书末附录查得 b=380Mpa K-修正因数 拉深因数 m=d/D=25/48=0.55 由表（4-18）查得修正因数K=1.00则拉深力为： F拉=1.003.141.2380=35.80KN4.3.6 压边力的计算 压边力FQ用以下计算 FQ=AP 式中 A-压边圆面积 A=（48-25）=1318.01mm P-单位压边力 由表（4-6）查得P=3.0Mpa则压边力为： FQ=1318.013.0=3.95KN故总冲压力为： F总=F落+F卸+F推+F拉+F压+F冲 =72.88+2.19+7.59+0.759+35.80+3.95 =123.169KN4.4 冲压设备的选择对于浅拉深可按照式（4-37）F压（1.61.8）F总。估算压力来选取压力机，参照书末附录由F压（1.61.8）F总可得：197.07F压221.70 (KN)公称压力：250KN滑块行程：65mm最大闭合高度：270mm封闭高度调节量：55mm工作台尺寸：370mm560mm模柄孔尺寸：40mm60mm5 主要工作部分尺寸计算 模具的落料凹模，凸凹模，冲孔凹模，冲孔凸模及镶拼凸凹模的工作关系：见装配图所示。对于工件未标注公差尺寸的应按照IT14计算，也可以按照书末附录查得尺寸的未标注公差。根据表（2-10）查得冲裁模刃口双面间隙： Zmin=0.13mm Zmax=0.16mm5.1 落料刃口尺寸计算48的基本尺寸按照IT14的公差要求查书（互换型与测量技术），表（3-1）可得480-0.62mm。在查表（2-12）得：S凹=0.03mm S凸=0.02mm由于S凹+ S凸Zmax-Zmin故采用凹模与凸模配合的加工方法。因数有表（2-13）查得X=0.5 D凹=（D-X）0+S凹=（48-0.50.62）0+0.03=47.690+0.03mmD凹按照凹模尺寸配制其双面间隙ZmaxZmin，其工作部分结构尺寸如下图所示：图 35.2 冲孔刃口尺寸计算对于5基本尺寸按照IT14的公差要求查书互换性与测量技术上表（3-1）可得公差为0.30，即50+0.30，凸凹模的制造公差由表（2-12）得S凹=S凸=0.02mm由于S凹+ S凸Zmax-Zmin 因此采用配合加工法加工。查表（2-13）得X=0.5 则：d凹=(d+x) 0-S凹=（5+0.50.30）0-0.02=5.150-0.02mmd凹按照凸模尺寸配制，其双面间隙在ZmaxZmin，其工作部分结构尺寸如下图所示： 图 4根据工件的基本尺寸计算该工件能进行一次拉深成形。5.3 拉深工作部分尺寸计算拉深凸模和凹模的单边间隙可以按照表（4-12）中式Z/2=1t计算，Z/2=1.2mm，Z=2.4mm。由于拉深工件的公差为IT14级，故凸凹模的制造公差克采用IT10级精度。查书末附录得S凹=S凸=0.084mm。按照式（4-24）式（4-25）可以求拉深凹凸模尺寸及公差如下表一:表 一工件尺寸d凹=（D-X）0+S凹d凸=（d凹-Z）0-S凹220-0.5221.740+0.08419.340-0.084250-0.5224.740+0.08422.340-0.0846 弹性元件的设计计算为了得到较为平整的原件，此模具采用弹压式卸料结构，使条料在落料拉深过程中始终处在一个稳定的压力之下，从而改善了毛坯的稳定性，避免材料在切向应力的作用下起皱的可能。6.1 橡胶的自由高度 上卸料采用橡胶作为弹性元件，按照式（1-4）计算橡胶的自由高度： H自由=（3.54）S工作 H自由-橡胶的自由高度（mm） S工作-工作行程与模具修磨量或调整量（46mm）之和 S工作=（4.5+5+1）=10.5mm H自由=（3.54）10.5=36.7542mm取H自由=39mm由式（1-5）计算橡胶的装配高度为： H2=（0.850.9）H自由=（0.850.9）39mm=33.1535.1mm取H2=34mm 橡胶的断面面积在模具装配时按照模具空间大小来装配。6.2 橡胶的装配高度 下顶块压边采用橡胶作为弹性元件，按照式（1-4）计算橡胶的自由高度：H自由=（3.54）S工作S工作=（4.5+5）=9.5mm 则H自由=（3.54）9.5=33.2538mm 取H自由=36mm由式（1-5）计算橡胶的装配高度H2=（0.850.9）H自由=（0.850.9）36 =30.632.4mm取H2=31mm橡胶断面面积在模具装配时按照模具空间大小确定7 模具的总体设计及装配该工件的模具结构如图所示： 主要由上下模座，落料凹模，凸凹模，冲孔凸模，冲孔凹模，镶拼凸模，镶拼凹模，下顶块，上顶块，卸料板等零件组成。 根据主要工作部分尺寸，结构以及弹性元件的尺寸，参照有关资料，可以选取I级精度的后侧导柱模架，即： 上模座：140mm120mm40mm HT200 下模座：140mm120mm50mm HT200 导柱： A25h5250mm 20钢 导套： A25h590mm38mm 20钢导柱导套渗碳深度为：0.81.2mm 硬度为：5862HRC落料凸凹模，冲孔凸凹模，镶拼凹模，镶拼凸模材料均采用Cr12，热处理硬度为6064HRC 卸料板，上顶板，下顶板，垫板，固定板的材料均采用45钢。 该模具将成形部分做成镶拼凹模8，镶拼凸模7，这样当冲裁刃口便钝后，只要将刃口部分按照常规修磨一下，然后将镶拼件旋转一个角度取出后，将反面磨去刃磨量即可以装入再使用。下顶块6除了起到压边作用，另外当工件拉深到下顶块触到下固定板时，下顶块就起到了限位的作用，当上模回程时，拉深件有了一个校正的过程。 由于受250KN开式压力机工作台孔尺寸的限制，该模具的顶件压边装置安装在下模妨碍了冲孔废料的排出，下模座则开设了一个卸漏料孔，并由螺钉来限位，使托板与下模座之间保持一定的间距，从而保证废料能够依靠自重顺利排出。 为了保证让冲孔凹模与落料凹模的同心要求，将冲孔凹模与落料凹模用螺栓连接在一起，并与固定板成H7/h6的过渡配合，这样给拆卸装备带来了方便。8 模具的总装图8.1 冲裁模的总装图图 5由以上设计，可得到模具的总装图，其工作过程是：上模部分通过模柄安装在压力机滑块上,下模部分通过螺栓压板安装在压力机工作台面上。导料销和挡料销固定在凹模上,条料沿导料销送进,由定位装置控制其送进步距。压力机行程一次冲压一次；冲裁完毕,压力机滑块回程,带动上模部分上行,卡在凸模外的料由卸料板卸下；卡在凹模内的制件由推件装置卸出 ,完成一次冲压。结束语张力盘属于典型的冲裁件，分析其工艺性，并确定工艺方案。根据计算确定该制件的冲裁力及模具刃口尺寸，然后选取相应的压力机。本设计主要是落料凸、凹模及冲孔凸、凹模的设计，需要计算凸凹模的间隙、工作零件的尺寸和公差。此外,还需要确定模具工艺零件和结构零件以及模具的总体尺寸，然后根据上面的设计绘出模具的总装图。 由于在零件制造前进行了预测，分析了制件在生产过程中可能出现的缺陷，采取了相应的工艺措施。因此，模具在生产零件的时候才可以减少废品的产生。
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