汽车线束支架模具设计

1 1 绪论 1.1 冲压的概念 冲压是把冲压模具安装在冲压设备上对材料施加压力的一种加工方式，使材料产生分离或塑性变形，最终获得所设计零件的方法。冷冲压就是在常温的环境下使原材料变形的一种加工方式，钢板或者钢管是冲压所需的原材料，因此也可以叫做冷冲压，用压力在常温下使材料发生塑性变形是加工塑性变形的方法之一。 冷冲压用的模具称为冷冲压模具，冲压模具是将原材料批量制造成产品的高效率、高质量的工具。因此模具在冲压加工中相当重要，若冲压模具不符合要求，批量制造就难以进行；模具落后，就算世界领先的工艺也是不能实现的。冲压工艺和模具两者相辅相成、冲压所用设备和冲压原材料只有它们相互结合才能得到制件。 1.2 冲压的基本工序及模具 冷冲压制造的零件类目相当多，其中形状和尺寸大不相同，所以制造中采用的工艺流程也是多种多样的。总起来说，包括分离和成型两种；分离是指使原料沿一定的轮廓线分开获得预期的尺寸和形状；成形是指使原料在不损坏 的情况下等到一定形状和尺寸的零件。 1.3 中国冲压模具现状 中国模具发展已经有相当长的的时间，但是未能融合为一个大型产业，冲压模具一直为生产提供工具，作为生产的保证。素以发展很缓慢。我国成立了模具协会后，此后被列入了我国机电目录，当时我国生产模具的厂家大约有 5000 多家。生产总值为 30 多个亿。我国改革开放的不断深入，经济发展加快，其中标准件以及配套件也得到发展，冲压模具产业有了快速发展。在日益激烈的市场中，模具的制造技术不断提高，规模壮大。上世纪90年代我国的汽车模具行业得到突破性发展，我国还把一些新技术 作为典范应用到生产中，由国家先进大学以及科研单位牵头，研制出了用于汽车覆盖件生产的 CAD/CAE 系统，此后应用到了实际生产中，取得了显著成效。 1.3.1 我国在模具设计和模具制造方面的现状 由于在我国国家的扶持下 ， 我国经过不断的努力 ， 现在我国在模具制造生产方面已经处于较高水平 ， 其中还有对于信息技术和虚拟技术的应用 。 虽然处于较高水平 ， 但是我国在模具制造设计方面和国际上还有一定的差距 。 差距体现在一些大型覆盖件以及高精度制件 ， 制造工艺和产品设计都存在较大差距 。 在一些汽车上的大型覆盖件精度要求非常高，制造难度大，虽然模具制造以及加工已经和国际水平相当，但在一些关键技术方面还存在一些差距 。 级进模具和多功能模具代表着模具制造的水平 ， 因此级进模具和多功能模具是我国发2 展的重点 。 虽然我国在大力发展级进模具和多功能模具，但在精度和制造方面和国际上仍有相当大的差距 。 汽车覆盖件的生产要求精度高，因此模具的精度也要达到相关要求才能生产出好的产品，快速加质量才是我们想要的 。 先进的加工技术也在为我们提供帮助，在先进加工工具的帮助下模具制造也在快速发展 ，。 不但提高了精度，也提高 了质量，缩短了产品的生产周期 。 模具表面硬化是增强加工精度，也是对模具的一种保护 ， 这项技术已经非常成熟，不断地迅速发展，比如模具 碳化物被覆处理 ，以及镀层技术越来越多模具铸造、激光加工。激光焊接也得到了发展。 1.4 冲压模具的发展重点与展望 1.4.1 重点一模具产品的发展 适者生存，市场的选择决定着产品和技术的发展。所以冲压模具和冲压技术成为现在发展的重点。 到现在为止模具已经被分为了 7类 ， 其中包括按所服务的对象来称呼 。 当前多功能模具以及级进模具是发展汽车覆盖件产品的首要任务 。 高档汽车中外覆盖件模具成为当前发展的重要任务 。 连续模具和多功能级进模具在此后后的时间里将会有迅速的发展 。 精度较高，寿命较长，效率较高的级进模具和大型精冲模具将会成为发展的一个主干。 1.4.2 冲压模具技术 展望 信息化高精度和高速化是模具未来发展的方向 。 在技术方面 ， 要大力发展先进计算机技术 ， 计算机虚拟技术是设计中一项非常重要的技术应用 。 模具制造设计正在朝着智能、集成、网络化发展 。 提高计算及分析系统的应用 ， 完整的资料库和专业的设计系统是提高软件应用的一项非常关键的措施 。 高速加工和高精度加工技术也是提高模具制造精度和缩短制造周期的方式 。 标准化程度对后续制造起到关键性作用 。 模具表面进行硬化处理提高磨具寿命 。 计算机辅助制造技术的发展和应用将会给模具制造带来前所未有的快速发展。 1.5 中国冲压模具发展趋势 根据我国模具现状和和国际上磨具房展的水平，和我国在磨具设计制造业的政策，将会带来一些发展上的优势：首先是墨迹的发展朝着大型化；再就是磨具制造的精度越来越高；再就是连续模和多功能模具的发展；四是在模具方面标准化程度和标准间的发展越来越高；五是模具生产经济前景非常好；六是制造模具的技术在不断提高，这些将是我国在模具方面发展的趋势。 3 当前模具制造也日益激烈，我国在模具设计水平制造技术方面同发达国家存在差距。其中的问题和差距有以下几个方面：（ 1）我国市场上模具制造厂家过少 ； （ 2）设计制造技术和产品结构、进出口模具 结构不合理 ； （ 3）制造出的模具产品处于低水平，而且制造周期长 ； （ 4）自主开发能力差 ； （ 5）模具制造企业管理同其他企业相比落后。 今天是网络的时代，信息的时代，全球经济发展日益增长，首先我国要保持着高增长在模具设计和制造方面。通过技术交流和采取各种措施共同发展模具行业，减小差距力争更强。在科学的正确引导下，提高自主开发制造能力，把质量和效益同步提高上来，使我国的模具设计制造水平有一个大的提高。 本次的线束支架冲压模具设计包含了产品的工艺分析、模具的结构设计、零部件尺寸的计算以及大量 CAD制图任务等，可以让人更深入的了解整个设计过程。虽然不会给模具业带来什么影响设计过程中学到了在学校期间没有学到的知识，在以后的时间里我会更加努力。 2 零件工艺分析 2.1 概述 现实中冲压最主要的是加工板料零件，也是塑性加工方式的一种因此也叫做冷冲压。冷冲压加工是模具对板料进行施加力，使板料进行塑性变形。当内力达到一定条件是就会出现质的变化，形状不会反弹，然后形状和尺寸都不在改变。冷冲压是在常温下进行制造生产的一种方式 。 冷冲压有以下优点： （ 1） 原材料利用率会得到很高的利用。 （ 2）可以加工大型覆盖件和复杂零件。 （ 3）冷冲压加工的零件一致性好。 （ 4）制件强度和刚度能得到保证。 （ 5）效率高可实现自动化生产。 因此，冲压加工生产成本低，质量有保证，产品一致性好。冲压模具制造的产品还具有质量轻、刚性好的特点。冲压的原材料以钢板为主，其余较少使用。 冲压加工覆盖面广，无论是在电器、航天航空、汽车制造以及机械制造行业。当前发达国家中各种冲压工业相当发达。我国发展历程中，冲压占据着相当重要的地位。 2.2 设计任务 制造 零件名称： 线束支架模具设计 材质 ： 65Mn 材料 厚度： 0.8mm 生产 数量 ：大量生产 4 图 1 2.3 冲压件的工艺分析 我选择的是线束支架冲裁模具的设计，材料较薄，该制件是固定线束的为止，最重要的是保证性能稳定。制件的外形结构为一般零件形状使用过程中不会造成安装难度大问题，为较常见材料的冲压件。对该零件外形尺寸公差要求较低，折弯角度为 90 15，精度要求不高，此之间的弯曲角度大于标准，因此可以弯曲成形。 线束支架安装孔与线夹垂直，孔距的位置要求不高，但不能影响安装，不要求孔径过高的公差配合。此制件上的安装孔不做特殊要求，所折角度为 90直角 ，公差要求不高。 通过进行工艺的分析，可以看出此件为普通材料冲压而成，尺寸精度要求不高，重要的是零件的形状成型，又属大量生产，所以可以运用冲压来生产。 2.4 制件工艺方案的制定 2.4.1 毛坯尺寸的合理计算 5 图 2 该零件的毛坯展开尺寸可按式下式计算： L= L1+L2+L3+L4+L5 (公式 2-1) 上式中板料厚度 t=08mm； 为 均为 直边尺寸， L1=12mm (公式 2-2) L2=13mm (公式 2-3） L3=22mm （ 公式 2-4） L4=13mm （ 公式 2-5） L5=12mm （ 公式 2-6） 将这些数值代入，得毛坯宽度方向的计算尺寸 L=12+13+22+13+12=504mm （ 公式 2-7） 考虑到弯曲时 时 板料纤维的伸长 ，有四个直角弯曲， 经过 模拟分析分析以及经验可知 ，实际毛坯尺寸取 L=466mm 左右 ,所以 ， 其他尺寸可以同理计算出 ，最 因此可以得出毛坯的尺寸 。 6 2.4.2 冲压工序和 工艺方案 的 安排 冲压该零件须包含以下几个方面： （ 1） 落料；（ 2） 冲孔 ； （ 3） 第一次 弯曲成形 ； （ 4）第 二次弯曲成形 。 根据上面的工序可以结合成以下方案 。 方案一：落料 第一次次弯曲 第二次弯曲 冲孔 ； 方案二：冲孔，落料（连续模） 第一次弯曲 第二次弯曲 ； 方案三：落料 冲孔第一次弯曲 第二次弯曲。 对从三种方案里，可以得出： 方案一：冲孔工序排在最后，当弯曲成型后再冲孔模具结构太复杂并且经济性高，易造成加工困难 ； 方案二：模具寿命和加工效率要考虑在一起，将落料和冲孔分开可以有效降低冲裁力，有利于提高模具寿命，还可以使模具结构简单化，操作也较方便。连续模生产精度高，成本也高，所以没有必要选用连续模 ； 方案三：落料采用独立模具，冲孔和一次成型为一个工序，不仅可以提高生产效率，还可以降低生产成本。 以 上三种方案中方案三较适合此次制件加工工序。 2.4.3 制件在板料上的排列和原材料的利用率的计算 图 3 图 4 7 毛坯形状和尺寸较 小 ， 为了提高材料利用率 。有 以下两 种排样方式， 要提高材料利用率又不影响生产将搭边值设为由表 1 查的最小搭边值 a1=15、 a=18，因此， 两 种排样方式产材料利用率分别 图 c 为 481%和 图 d为 78%。 所以选择 第 二 种排样方式 。由表 1查的最小搭边值 a1=15、 a=18。 表 1 最小搭边值 a 材料厚度 t 圆形或圆角 r2t 矩形件边长 L 50 矩形件边长 L50 或圆角 r 2t 工作间a1 侧边 a 工作间 a1 侧边 a 工作间 a1 侧边 a 025 18 20 22 25 28 30 025 05 12 15 18 20 22 25 05 08 10 12 15 18 18 20 08 12 08 10 12 15 15 18 A=466 15+27 205-(35 35-025 35 35)=124986mm （ 公式 2-8） B=（ 43+3 15+15） =655mm （ 公式 2-9） S=（ 466+22） =488mm （ 公式 2-10） 一个步距的材料利用率为 n=78% （ 公式 2-11） 2.5 冲裁工艺性分析及间隙的选择 工艺性分析对零件冲裁的适应性有很大的关系，分析制件的尺寸、大小等是否能够符合加工的工艺。冲裁件的质量，模具寿命的长短和加工生产效率与加工工艺有着直接的联系。 2.5.1 冲裁模间隙的确定 凹凸模刃口的距离为冲裁间隙。冲裁间隙对冲裁加工工艺和冲裁模具的设计至关重要，关系到制件的质量、还有模具的寿命和使用，要根据加工实际合理选择。冲裁间隙一般会分为单面间隙和双面间隙两种。其中根据磨具寿命的长短之间的精度可以将金属材料冲裁间隙分成以下类型：类（大间隙），类（中等间隙），类（小间隙），间隙对冲裁模冲压时会有很 大影响，所以间隙大小很重要。 2.5.2 间隙对尺寸精度的影响 8 冲裁制件的实际尺寸与公差尺寸的差值为冲裁件的精度。其中会包含凸模和凹模的公差，还有模具本身的制造过程产生的公差。 若凸、凹模之间的的间隙过大时，材料会受到较大程度的拉伸。冲裁完以后，由于材料的弹性恢复，制件尺寸会小于凹模尺寸，因此穹弯的弹性恢复方向与其相反，在间隙较小时，材料受到挤压力增大，所以冲裁完以后，弹性的恢复会造成制件尺寸的增加，因此要选择合理的间隙。 2.5.3 冲裁间隙对冲裁力造成的影响 间隙的变大，拉力也会增大，材料容易造成断 裂分离，所以冲裁力也会增大。如果继续增大间隙时，会因从凸、凹模刃口处产生的裂纹不重合，冲裁力减小。 由于间隙的增大，使冲裁件的光亮面变小，落料尺寸小于凹模尺寸，冲孔尺寸大于凸模尺寸。 2.5.4 冲裁间隙和模具寿命的关系 模具的寿命就是能够加工多少次制件。模具在工作中失效的形式会有：磨损、变形、崩刃和凹模刃口涨裂四种。 当间隙变大时冲裁力和卸料力会相应变小，这时模具的磨损会减小；若间隙继续变大，卸料力反而会增大，造成模具的磨损加快，生产中一般的冲裁间隙为（ 10%-15%） 料厚时当模具磨损最小的时候模具的寿命会达到最大。间隙过小时，落料件在凹模内的胀裂力也会增大。 2.5.5 确定合理间隙的理论依据 由以上分析可见，冲裁件的质量和冲裁力的大小还有模具的寿命长短都和冲裁间隙息息相关。合理的冲裁间隙的确定涉及到模具设计和制造两个方面，以保证冲裁件的断面质量好，尺寸精度高，所需冲裁力小，模具寿命将会提高。在模具设计中要正确选择冲裁间隙。冲裁间隙的最小值我们用 minz 表示 ,冲裁间隙的最大值我们称用 maxz 表示。冲 裁模具的设计过程中要选择好冲裁间隙。 确定合理间隙的理论根据是加工过程中材料裂纹的的重合度。其中间隙值可以通过计算得到： Z=2t(1-th0)tan 上述算式可以得到，间隙值和板料的关系以及加工过程中切入深度的关系及破裂角有关。当材料硬度高而且脆性大时， 相对切入深度比较小时，则间隙值就会比较大。对软而韧的材料， 0h /t有较大值，则合理间隙值较小。板厚越大，合理间隙越大。 由于理论计算在生产中不便使用，因此设计过程中普遍使用经验数据。 9 表 2 中为冲裁模较大单面的间隙 (汽车拖拉机行业用 ) 2.5.6 间隙值的确定 间隙的选择可以按照如下原则：对于断面垂直度与尺寸公差要求较高的工件，选择较小的合理间隙值。模具的寿命和冲裁力的大小将会排在第二位考虑。如果制件的断裂面的公差要求较高，可以将冲裁力降低，以便提高模具的寿命，采用较大的合理间隙值。 部分冲裁件的单面间隙值见表 3。 由下表可得，此套模具的最小单双面间隙为 minz =0128 mm，最大单面间隙 maxz =0184mm。 表 3 规则形状（圆形、方行）件冲裁时凹凸模的制造公差（单位： mm） 公称尺寸 凸模公差 p 凹模公差 d 18 0020 0020 18 30 0020 0025 30 80 0020 0030 80 120 0025 0035 120 180 0030 0040 凹凸模制造公差 p=0020， d=0030。 Zma -Zmin=0056， p+ d =0050，满足 p+ d Zma -Zmin的条件。 2.6 凹模刃口尺寸的计算 以凹模为基准件，凹模磨损后，刃口部分尺寸都增大，因此都属于 A类尺寸。零件图材料 厚度 08、 10、 35、 09Mn、Q235、 B3 Q235 40、 50 65Mn 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 05 0040 0060 0040 0060 0040 0060 0040 0060 06 0048 0072 0048 0072 0048 0072 0048 0072 07 0064 0092 0064 0092 0064 0092 0064 0092 08 0072 0104 0072 0104 0072 0104 0064 0092 09 0090 0126 0090 0126 0090 0126 0090 0126 10 0100 0140 0100 0140 0100 0140 0090 0126 12 0126 0180 0132 0180 0132 0180 15 0132 0240 0170 0240 0170 0230 10 中未注公差的尺寸采用自由公差，设计凹模时首先要进行凹模尺寸的计算，根据制件坯料的尺寸进行凹模人口的尺寸设计查表得磨损系数 =05，当 05 时， =05；当 05时， =075；查表 4 表 4 摩擦系数 料厚 t/mm 非圆形冲裁件 圆形冲裁件 1 075 05 075 05 冲裁件公差 /mm 1 1 2 1 2 1 2 030 031 059 060 030 030 零件尺寸 466mm处凹模尺寸 Ad1=（ Ama -） 4/0 =(466-05 04) 1.00 =4640 1.00 （ 公式 2-12） 零件尺寸 15mm处凹模尺寸 Ad2=（ Ama -） 4/0 =(15-075 028) 07.00 =1489 07.00 （ 公式 2-13） 零件尺寸 205mm处凹模尺寸 Ad3=（ Ama -） 4/0 =(205-016 075) 04.00 =2042 04.00 （ 公式 2-14） 零件尺寸 43mm处凹模尺寸 Ad4=（ Ama -） 4/0 =(43-04 05) 1.00 =428 1.00 （ 公式 2-15） 2.7 凸模刃口的计算 凸模尺寸以凹模为基准根据公差配合进行计算。 AD=（ Ad- Zmin） 4/0 =（ Ama - - Zmin） 4/0 由此式可得 零件尺寸 466mm处凸模尺寸 AD1=（ Ama - - Zmin） 4/0 =4640 -0128=462701.0- （ 公式 2-16) 零件尺寸 15mm处凸模尺寸 AD2=（ Ama - - Zmin） 4/0 =1489-0128=14760 07.0- (公式 2-17) 11 零件尺寸 205mm处凸模尺寸 AD3=（ Ama - - Zmin） 4/0 =2042-0128=20290 04.0- (公式 2-18) 零件尺寸 43mm处凹模尺寸 AD4=（ Ama - - Zmin） 4/0 =4280-0128=426701.0- (公式 2-19） 3 模具设计与尺寸的计算 3.1 冲裁力的计算及模具刃口的计算 3.1.1 冲裁力的计算 计算冲裁力是为后续选择压力机做准备。压力机的吨位必须大于冲裁力。 没有特殊要求是一般情况下都是用平刃口进行冲裁，冲裁力计算可以用下式： KLtKFP P 冲裁力， N； F 冲切断面积， mm2； L 冲裁周边长度， mm; t 材料厚度， mm； 材料抗剪强度， Mpa； K 安全系数，一般取 K 13，去除一些可以避免的因素 , 65Mn的抗剪强度为取 =600 Mpa。 3.1.2 落料冲裁力的计算 （ 1） 平刃口模具冲裁时，落料力 的 计算： KLtKF F 毛坯的周长 L=1762mm，厚度 t=08mm以及 65Mn钢材料的抗剪强度 =代入上式，得 F1=13 1762 08 600=10994883N （ 公式 3-1） 3.1.3 压力中心的计算 由下图进行，制件为左右对称制件所以为 0只需计算 Y值， L1=205 y1 =0 (公式 3-2） L2=54 y2=135 （ 公式 3-3） L3= 1305 y3=27 (公式 3-4） 12 L4= 30 y4=345 （ 公式 3-5） L5= 466 y5=43 （ 公式 3-6） L6=9498 y6 =9 （ 公式 3-7） 计算的 y0=1921 （ 公式 3-8） 0= =0 （ 公式 3-9） 图 5 3.2 凹模板的设计 根据料厚和凹模壁厚的关系查的凹模壁厚不得小于 26，又因为零件总长为 466mm所以选取凹模板为 120 120mm 凹，查得 k=035， b 为零件最长尺寸为 466，凹模板高度 H=Kb=035 466=1631 （ 公式 3-10） 为保证强度 H取 30mm 所以选取凹模板为 120 120 1631mm 凹模板见下图 13 图 6 3.3 凸模固定板 在设计凹模固定板时，为了使受力均匀，外形尺寸可以和凹模外形尺寸设计的相同 ,厚度为凹模的 0608h,h为凹模的厚度 ,这里取 08h,即 08 30=24mm,根据核准选取板的规格为 L B H=120 120 24;凸模与凸模固定板的配合为 H7/n6,模具装配时可以用标准销钉进行定位 ,通过上模座可以固定 ,凸模固定板上冲孔的位置应和凹模一样 ,凸模和凸模固定板制件进行铆接 ,所以要进行倒角处理 ,所以可以得到凸模固定板，见装配图 。 3.4 弹性元件的设计 其中 t 板料厚度 ； h 预压缩量 取 3 mm ； h 凸模进入凹模的深度 取 25 mm (其深度一般为 2 3 mm)。 H = 25%t h hH = 1921 公式 3-11 所以弹性橡皮的自由高度为 25 mm。 14 外形尺寸为 120 120 25mm。 图 7 3.5 凸模垫板的设计 为了减少模架在工作过程中受力比较集中因此可以选择凸模垫板长宽尺寸和凹模一样厚度取 10mm，图见装配图。 4 标准件的选择 4.1 模具标准件的选择 由以上的计算，在初步对凸凹模尺寸的确定以后，选择模架的其基本原则是： 墨家的选择要根据所加工制件的特点，坯件的定位方式，原材料的输入方式，导柱导套的受力等综合考虑。 选择模架尺寸时要根据凹模的轮廓尺寸考虑，一般在长度上及宽度上都应比凸模大 30 40mm模板厚度一般等于凹模厚度的 1 15倍。选择模架时还应注意到模架与压力机的安装关系，因此模座的宽度要比模板的宽度没每边大 40 50mm。其中设计的模具闭高要大于所用压力机的闭合高度，小于压力机的最大装模高度等。通常中小型冲模常采用后侧式 。 由以上原则，对模架进行选取。选择模架的型号如下： 上模座： 260 265 45 (GB/T 28555) 下模座： 260 265 40 (GB/T 28556) 其结构如冲孔落料装配图。 选择 模架周界： L=160mm B=125mm 4.2 导柱的选择 15 因导柱为标准件：由模架选择的结果可得： 图解冲压加工实用技术 P117表 1526，导柱为 A型。 其尺寸公差与外形如表： 尺寸如表： 表 （ 1） 摘自 GB/T28613 1990； （ 2） 材料： 20钢 ； （ 3） 热处理：硬度 58 62HRC。 图 8 4.3 导套的选择 因导套为标准件所以。由图解冲压加工实用技术 P439表 1521 得： （ 1） 摘自 GB/T28613 1990； （ 2） 材料： 20钢 ； （ 3） 热处理：渗碳深度 08 1mm，硬度 58 62HRC。 图 9 16 5 总结 本次线束支架模具的设计历时四个多月，系统综合应用了大学期间所学的相关知识，以及在实习期间所运用到的知识，对车间实际生产有了进一步的认识。通过本次设计，基本上已经掌握了落料冲孔模具的设计过程和方法，查阅文献收集资料途径，培养了良好的设计思路，为以后从事模具维修以及冲压制件加工工艺工作打下了坚实的基础。 为了提高生产效率和降低成本，在设计中尽量对模具进行优化化设计，模具设计均集成尽量多的工序以及更加方便的上下料设计，但这也带来如模具内部结构复杂，不便于安装等问题。虽然模具较小制件较简单，不过从中学习到了模具相关 知识，；解决了落料偏差太大问题，以及制件的精度问题，本模具使用定位装置，避免了毛坯的偏移；冲小圆形孔的位置精度以及冲孔位置强度问题，由于制件形状以及尺寸问题，造成经济效益不高，在以后的生产中可以考虑自动化生产。 17 参考文献 1 何葛友华编 机械 CAD/CAE 2012 年 第一版 西安电子科技大学出版社 . 2 王先逵主编 机械制造工艺学 20