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中北大学本科课程设计说明书目 录第一章 引言21.1模具行业的状况 21.2冲压工艺介绍 21.3冲压工艺的种类 31.4冲压行业阻力和障碍与突破 4第二章 齿轮螺栓垫片落料工艺设计 72.1 齿轮螺栓垫片72.2冲压件工艺性分析 72.3冲裁工艺方案 82.4刃口尺寸计算 82.5排样计算102.6冲压力计算112.7压力中心计算122.8冲压设备的选用12第三章 齿轮螺栓垫片模具设计 123.1模具零部件结构的确定123.2模具装配图153.3模具零件图15第四章 模具零件加工工艺 16致谢17参考文献18第 - 1 - 页 共 18 页中北大学本科课程设计说明书第一章 引言1.1 模具行业的发展现状及市场前景 现代模具工业有“不衰亡工业”之称。世界模具市场总体上供不应求，市场需求量维持在600亿至650亿美元，同时，我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。近几年，我国模具产业总产值保持13%的年增长率（据不完全统计，2004年国内模具进口总值达到600多亿，同时，有近200个亿的出口），到2005年模具产值预计为600亿元，模具及模具标准件出口将从现在的每年9000多万美元增长到2005年的2亿美元左右。单就汽车产业而言，一个型号的汽车所需模具达几千副，价值上亿元，而当汽车更换车型时约有80%的模具需要更换。2003年我国汽车产销量均突破400万辆，预计2004年产销量各突破500万辆，轿车产量将达到260万辆。另外，电子和通讯产品对模具的需求也非常大，在发达国家往往占到模具市场总量的20%之多。目前，中国17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。1999年中国模具工业总产值已达245亿元人民币。工业总产值中企业自产自用的约占三分之二，作为商品销售的约占三分之一。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。1.2 冲压工艺介绍 冲压是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件(冲压件)的成形加工方法。冲压和锻造同属塑性加工(或称压力加工)，合称锻压。冲压的坯料主要是热轧和冷轧的钢板和钢带。 全世界的钢材中，有6070%是板材，其中大部分是经过冲压制成成品。汽车的车身、底盘、油箱、散热器片，锅炉的汽包、容器的壳体、电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。 冲压件与铸件、锻件相比，具有薄、匀、轻、强的特点。冲压可制出其他方法难于制造的带有加强筋、肋、起伏或翻边的工件，以提高其刚性。由于采用精密模具，工件精度可达微米级，且重复精度高、规格一致，可以冲压出孔、凸台等。 冷冲压件一般不再经切削加工，或仅需要少量的切削加工。热冲压件精度和表面状态低于冷冲压件，但仍优于铸件、锻件，切削加工量少。 冲压是高效的生产方法，采用复合模，尤其是多工位级进模，可在一台压力机上完成多道冲压工序，实现由带料开卷、矫平、冲裁到成形、精整的全自动生产。生产效率高，劳动条件好，生产成本低，一般每分钟可生产数百件。1.3 冲压工艺的种类 冲压主要是按工艺分类，可分为分离工序和成形工序两大类。分离工序也称冲裁，其目的是使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离，同时保证分离断面的质量要求。成形工序的目的是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形，制成所需形状和尺寸的工件。在实际生产中，常常是多种工序综合应用于一个工件。冲裁、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压、矫正是几种主要的冲压工艺。 冲压用板料的表面和内在性能对冲压成品的质量影响很大，要求冲压材料厚度精确、均匀；表面光洁，无斑、无疤、无擦伤、无表面裂纹等；屈服强度均匀，无明显方向性；均匀延伸率高；屈强比低；加工硬化性低。在实际生产中，常用与冲压过程近似的工艺性试验，如拉深性能试验、胀形性能试验等检验材料的冲压性能，以保证成品质量和高的合格率。 模具的精度和结构直接影响冲压件的成形和精度。模具制造成本和寿命则是影响冲压件成本和质量的重要因素。模具设计和制造需要较多的时间，这就延长了新冲压件的生产准备时间。 模座、模架、导向件的标准化和发展简易模具(供小批量生产)、复合模、多工位级进模(供大量生产)，以及研制快速换模装置，可减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于大批量生产的先进冲压技术合理地应用于小批量多品种生产。冲压设备除了厚板用水压机成形外，一般都采用机械压力机。以现代高速多工位机械压力机为中心，配置开卷、矫平、成品收集、输送等机械以及模具库和快速换模装置，并利用计算机程序控制，可组成高生产率的自动冲压生产线。 在每分钟生产数十、数百件冲压件的情况下，在短暂时间内完成送料、冲压、出件、排废料等工序，常常发生人身、设备和质量事故。因此，冲压中的安全生产是一个非常重要的问题。 1.4 冲压行业阻力和障碍与突破 阻力一：机械化、自动化程度低 美国680条冲压线中有70%为多工位压力机，日本国内250条生产线有32%为多工位压力机，而这种代表当今国际水平的大型多工位压力机在我国的应用却为数不多；中小企业设备普遍较落后，耗能耗材高，环境污染严重；封头成形设备简陋，手工操作比重大；精冲机价格昂贵，是普通压力机的510倍，多数企业无力投资阻碍了精冲技术在我国的推广应用；液压成形，尤其是内高压成形，设备投资大，国内难以起步。 突破点：加速技术改造 要改变当前大部分还是手工上下料的落后局面，结合具体情况，采取新工艺，提高机械化、自动化程度。汽车车身覆盖件冲压应向单机连线自动化、机器人冲压生产线，特别是大型多工位压力机方向发展。争取加大投资力度，加速冲压生产线的技术改造，使尽早达到当今国际水平。而随着微电子技术和通讯技术的发展使板材成形装备自动化、柔性化有了技术基础。应加速发展数字化柔性成形技术、液压成形技术、高精度复合化成形技术以及适应新一代轻量化车身结构的型材弯曲成形技术及相关设备。同时改造国内旧设备，使其发挥新的生产能力。 阻力二：生产集中度低 许多汽车集团大而全，形成封闭内部配套，导致各企业的冲压件种类多，生产集中度低，规模小，易造成低水平的重复建设，难以满足专业化分工生产，市场竞争力弱；摩托车冲压行业面临激烈的市场竞争，处于“优而不胜，劣而不汰”的状态；封头制造企业小而散，集中度仅39.2%。 突破点：走专业化道路 迅速改变目前“大而全”、“散乱差”的格局，尽快从汽车集团中把冲压零部件分离出来，按冲压件的大、中、小分门别类，成立几个大型的冲压零部件制造供应中心及几十个小而专的零部件工厂。通过专业化道路，才能把冲压零部件做大做强，成为国际上有竞争实力的冲压零部件供应商。 阻力三：冲压板材自给率不足，品种规格不配套 目前，我国汽车薄板只能满足60%左右，而高档轿车用钢板，如高强度板、合金化镀锌板、超宽板(1650mm以上)等都依赖进口。 突破点：所用的材料应与行业协调发展 汽车用钢板的品种应更趋向合理，朝着高强、高耐蚀和各种规格的薄钢板方向发展，并改善冲压性能。铝、镁合金已成为汽车轻量化的理性材料，扩大应用已势在必行。 阻力四：科技成果转化慢先进工艺推广慢 在我国，许多冲压新技术起步并不晚，有些还达到了国际先进水平，但常常很难形成生产力。先进冲压工艺应用不多，有的仅处于试用阶段，吸收、转化、推广速度慢。技术开发费用投入少，导致企业对先进技术的掌握应用慢，开发创新能力不足，中小企业在这方面的差距更甚。目前，国内企业大部分仍采用传统冲压技术，对下一代轻量化汽车结构和用材所需的成形技术缺少研究与技术储备。 突破点：走产、学、研联合之路 我国与欧、美、日等相比，存在的最大的差距就是还没有一个产、学研联合体，科研难以做大，成果不能尽快转化为生产力。所以应围绕大型开发和产业化项目，以高校和科研单位为技术支持，企业为应用基地，形成产品、设备、材料、技术的企业联合实体，形成既能开发创新，又能迅速产业化的良性循环。 阻力五：大、精模具依赖进口 当前，冲压模具的材料、设计、制作均满足不了国内汽车发展的需要，而且标准化程度尚低，大约为40%45%，而国际上一般在70%左右。 突破点：提升信息化、标准化水平必须用信息化技术改造模具企业，发展重点在于大力推广CAD/CAM/CAE一体化技术，特别是成形过程的计算机模拟分析和优化技术(CAE)。加速我国模具标准化进程，提高精度和互换率。力争2005年模具标准件使用覆盖率达到60%，2010年达到70%以上基本满足市场需求。 阻力六：专业人才缺乏 业内掌握先进设计分析技术和数字化技术的高素质人才远远不能满足冲压行业飞速发展的需要，尤其是摩托车行业中具备冲压知识和技术和技能的专业人才更为缺乏且大量外流。另外，众多合资公司由外方进行工程设计，掌握设计权、投资权，我方冲压技术人员难以真正掌握冲压工艺的真谛。 突破点：提高行业人员素质这是一项迫在眉睫的任务，又是一项长期而系统的任务。振兴我国冲压行业需要大批高水平的科技人才，大批熟悉国内外市场、具有现代管理知识和能力的企业家，大批掌握先进技术、工艺的高级技能人才。要舍得花大力气，有计划、分层次地培养。第二章 齿轮螺栓垫片的设计2.1齿轮螺栓垫片冲压技术要求：生产批量：大批量材料：Q235材料厚度：1mm工件简图：如图所示 图1 产品零件图2.2冲压件工艺性分析材料：Q235为普通碳素结构钢，具有较好的冲裁成形性能。零件结构：零件结构简单对称，无尖角，对冲裁加工较为有利。零件中有两圆孔，孔的最小尺寸为11mm，满足冲裁最小孔径mm的要求。另外，经计算孔距零件外形之间的最小孔边距为4.5mm，满足冲裁件最小孔边距mm的要求。所以该零件的结构满足冲裁的要求尺寸精度：零件图上未标注公差的尺寸属于自由尺寸，可按IT14级确定工件尺寸的公差。查公差表2-3可得各尺寸公差为：零件外形：720-0.3mm 170-0.16mm 270-0.16mm R100-0.12mm R10-0.12mm R1.50-0.18mm R2.50-0.18mm孔内形：110+0.1 mm孔心距：400.12mm结论：适合冲裁。2.3冲裁工艺方案该零件包括落料、冲孔两个基本工序，可提出的加工方案如下：方案一：先落料，后冲孔。采用两套单工序模生产。方案二：落料冲孔复合冲压，采用复合模生产。方案三：冲孔落料连续冲压，采用级进模生产。方案一模具结构简单，但需两道工序、两副模具，生产效率低，零件精度较差，在生产批量较大的情况下不适用。方案二只需一副模具，冲压件的形位精度和尺寸精度易保证，且生产效率高。尽管模具结构较方案一复杂，但由于零件的几何形状较简单，模具制造并不困难。方案三也只需一副模具，生产效率也很高，但与方案二比生产的零件精度稍差。欲保证冲压件的形位精度，需在模具上设置导正销导正，模具制造、装配较复合模略复杂。所以，比较三个方案采用方案二生产比较好。但是我们需要分两个工序完成，所以选用方案一。2.4刃口尺寸计算根据零件形状特点，刃口尺寸计算采用分开制造法。落料件尺寸的基本计算公式为尺寸720-0.3mm，可查得凸、凹模最小间隙Zmin=0.120mm，最大间隙Zmax=0.180mm，凸模制造公差mm，凹模制造公差mm。将以上各值代入校验是否成立，经校验，不等式成立，所以可按上式计算工作零件刃口尺寸。即 尺寸170-0.16mm，可查得凸模制造公差mm，凹模制造公差mm。将以上各值代入校验是否成立，经校验，不等式成立，所以可按上式计算工作零件刃口尺寸。 即 尺寸270-0.16mm，可查得凸模制造公差mm，凹模制造公差mm。将以上各值代入校验是否成立，经校验，不等式成立，所以可按上式计算工作零件刃口尺寸。 即 尺寸R100-0.12mm，可查得凸模制造公差mm，凹模制造公差mm。将以上各值代入校验是否成立，经校验，不等式成立，所以可按上式计算工作零件刃口尺寸。 即 尺寸R10-0.12mm，可查得凸模制造公差mm，凹模制造公差mm。将以上各值代入校验是否成立，经校验，不等式成立，所以可按上式计算工作零件刃口尺寸。 即 尺寸R1.50-0.18mm，可查得凸模制造公差mm，凹模制造公差mm。将以上各值代入校验是否成立，经校验，不等式成立，所以可按上式计算工作零件刃口尺寸。 即 尺寸R2.50-0.18mm，可查得凸模制造公差mm，凹模制造公差mm。将以上各值代入校验是否成立，经校验，不等式成立，所以可按上式计算工作零件刃口尺寸。 即 2.5排样计算分析零件形状，应采用单直排的排样方式，零件可能的排样方式有图2所示两种。 a b图2 零件可能的排样方法比较方案a和方案b，方案b所裁条料宽度过窄，剪板时容易造成条料的变形和卷曲，所以应采用方案a。现选用4000mm1000 mm的钢板，则需计算采用不同的裁剪方式时，每张板料能出的零件总个数。（1）裁成宽78.4mm、长1000mm的条料，则一张板材能出的零件总个数为（2）裁成宽78.4mm、长4000mm的条料，则一张板材能出的零件总个数为比较以上两种裁剪方法，应采用第1种裁剪方式，即裁为宽81.4mm、长1000mm的条料。其具体排样图如图3所示。 图3 零件排样图2.6冲压力计算冲压力计算可知冲裁力基本计算公式为此例中零件的周长为256mm，材料厚度1mm，Q235钢的抗剪强度取350MPa，则冲裁该零件所需冲裁力为模具采用弹性卸料装置和推件结构，所以所需卸料力和推件力为则零件所需得冲压力为初选设备为开式压力机J2335。2.7压力中心计算因为零件外形为对称件，所以该零件的压力中心可近似认为就是零件外形中心线的交点。2.8冲压设备的选用根据冲压力的大小，选取开式双柱可倾压力机JH2335，其中主要技术参数如下：公称压力：350kN滑块行程：80mm最大闭合高度：280 mm闭合高度调节量：60 mm滑块中心线到床身距离：205mm工作台尺寸：380 mm610 mm工作台孔尺寸：200 mm290 mm模柄孔尺寸：40 mm85 mm垫板厚度：60 mm第三章 齿轮螺栓垫片模具设计3.1模具零部件结构的确定1凹模由凹模高度和壁厚的计算公式得，凹模高度，凹模壁。所以，凹模的总长为（取160mm），凹模的宽度为。凹模如图（1） 图（1）2.凸模如图3.标准模架的选用标准模架的选用依据为凹模的外形尺寸，所以应首先计算凹模周界的大小。模具采用后置导柱模架，根据以上计算结果，可查得模架规格为上模座160mm125mm35mm，下模座160mm125mm40mm，导柱25mm150mm，导套25mm85mm33mm。4.卸料装置中弹性元件的计算模具采用弹性卸料装置，弹性元件选用橡胶，其尺寸计算如下：（1）确定橡胶的自由高度 由以上两个公式，取。（2）确定橡胶的横截面积查得矩形橡胶在预压量为10%15%时的单位压力为0.6MPa，所以（3）确定橡胶的平面尺寸根据零件的形状特点，橡胶垫的外形应为矩形，中间开有矩形孔以避让凸模。结合零件的具体尺寸，橡胶垫中间的避让孔尺寸为82 mm30mm，外形暂定一边长为160mm，则另一边长b为（4）校核橡胶的自由高度为满足橡胶垫的高径比要求，将橡胶垫分割成四块装入模具中，其最大外形尺寸为80mm，所以橡胶垫的高径比在0.51.5之间，所以选用的橡胶垫规格合理。橡胶的装模高度约为0.8540 mm =34mm。3.其他零部件结构凸模由凸模固定板固定，两者采用过渡配合关系。模柄采用凸缘式模柄，根据设备上模柄孔尺寸，选用规格A4085的模柄。 2.10.模具装配图 模具装配图见图纸2.11.模具零件图凸模、凹模图纸见第三章 模具零件加工工艺模具零件加工关键是工作零件、固定板和卸料板，若采用线切割加工技术，这些零件的加工变的简单，表7-2所列为圆孔直径11mm的凸模加工工艺，表7-3所列为凹模加工工艺过程。表7-2凸模加工工艺工序号工序名称工序内容1备料备圆柱料2热处理退火3粗车车外圆柱面，留单边余量0.5mm4热处理调质，淬火硬度达58-62HRC5精磨按图纸加工并达到图纸要求6钳工精修全面达到图纸要求7检验表7-3凹模加工工艺过程工序号工序名称工序内容1备料160125352热处理退火3刨刨六面互为直角，留单边余量0.5mm4热处理调质5磨平面磨六面互为直角6钳工画线划出各孔位线7线切割加工各孔8热处理按热处理，淬火硬度达58-62HRC9磨平面精磨上下面10线切割按图纸线切割工件轮廓至尺寸要求11钳工精修全面达到图纸要求12检验注：凸凹模为配作件，并同属板类零件致谢非常感谢王老师在我大学的最后学习阶段课程设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿他们给了我耐心的指导和无