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河北机电职业技术学院 河北机电职业技术学院毕业论文（设计） 卷簧冷冲压设计姓 名：xx 学 号：xxxxxxxx系 部： 材料工程系 专 业： 材料成型与控制技术 班 级： 材料成型1101班 论文题目： 卷簧冷冲压设计 指导教师：xxx 职称： 教授 2014年 06 月 xx毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：卷簧冷冲压设计专业：材料成型与控制技术 姓名：xx毕业设计（论文）工作起止时间：2014.032014.05毕业设计（论文）的内容要求： 本文通常采用改变轴系柔度、调整干扰力矩、附加震动系统以及加装减震器等方法来改变扭振。加装减震器是吸收震动最直接有效地方法。内燃机动力装置的轴系扭转振动是影响动力装置安全性的一个主要因素3指导老师： xxx 教研室主任：xxx 2014年3月1日毕业论文（设计）开题报告题 目：卷簧冷冲压设计系 部：材料工程系专 业：材料成型与控制技术班 级：材料1101学 号：20623110110姓 名：xx指导教师：xxx 填表日期：2014年3月20日一选题的依据及意义： 面对国内外发动机高速、轻型、高比功率的发展趋势，曲轴轴系系统所承载的负荷日趋提高，振动问题日趋严重。二.国内外研究现状及发展趋势（含文献综述） 国外从十九世纪末开始对轴系扭转振动的研究，到第一次世界大战，由于多缸发动机轴系因扭转振动产生的事故突增，促使对轴系扭转振动进行深入研究6。整机振动和轴系扭振是内燃机上存在的两类最主要的振动问题，内燃机的振动控制研究是从曲轴扭振问题开始的。工作进度：2014年2月-3月 选题、查阅资料、写开题报告。2014年3月-5月初 工厂实习、总结实践资料、撰写论文初稿。2014年5月中旬 整理完善论文内容。2014年6月初 完成论文初稿，交指导老师审定，修改完成论文。 2014年6月中旬 交论文答辩。 摘 要 冷冲压在实际工业生产中应用广泛。在传统的工业生产中，工人生产的劳动强度大、劳动量大，严重影响生产效率的提高。随着当今科技的发展，工业生产中卷簧的使用已越来越引起人们的重视，而被大量的应用到工业生产中来。冷冲压卷簧技术也投入到实际生产中来，冷冲压可以大大提高劳动生产效率，减轻工人负担，具有重要的技术进步意义和经济价值。本文通常采用改变轴系柔度、调整干扰力矩、附加震动系统以及加装减震器等方法来改变扭振。加装减震器是吸收震动最直接有效地方法。内燃机动力装置的轴系扭转振动是影响动力装置安全性的一个主要因素3。目前, 控制振的最有效的方法是安装扭振减振器。扭振减振器的类型大致可分为阻尼减振器(如硅油减振器)、调频减振器、复合式减振器( 如盖斯林格减振器、橡胶减振器)。 弹簧作为重要的减震元器件被广泛使用。由于车辆减振器弹簧受到许多条件的限制，通常进行弹簧设计时，对于每种弹簧单独进行多次反复试算才能取得一个满足要求的方案，但往往并不是最优方案且很难明显反映各弹簧之间的关系，虽然有些文献曾进行了弹簧优化设计的研究，但大多数是对单个弹簧或单组等刚度弹簧进行研究。为此，本文从系统论的观点出发，结合本论文的课题背景，进行了减振器套管卷簧的卷圆、模具以及装配工艺的研究。 关键词 ：冷冲压；卷簧；模具；装配工艺 目 录第一章 减震器的介绍及国内外研究现状 1.1 减震器的分类61.2 减震器的工作原理61.3 减震器的国内外现状71.4 柴油机卷簧减震器8第二章 卷簧成型的工艺分析和工艺方案的制定 1.1 减振器卷簧的结构特点及工作原理111.2 弹簧的材料要求和选择13 1.3 卷簧零件的加工特点14 1.4 卷簧卷圆工艺的分析16第三章 零件中间工序的工艺计算及模具设计 1.1 计算毛坯尺寸及确定其形状17 1.2落料模工艺计算及设计19 1.3 弯曲工艺分析与弯曲模设计28第四章 卷簧的装配工艺过程的确定 1.1装配的概念及意义31 1.2卷簧的装配工艺特点32 1.3根据精度的要求选择卷簧装配法32 1.4卷簧的装配过程32 1引言 面对国内外发动机高速、轻型、高比功率的发展趋势，曲轴轴系系统所承载的负荷日趋提高，振动问题日趋严重。发动机曲轴扭振不仅影响到其安全可靠性，而且与发动机整机辐射出的较高噪声有关，是现代柴油机设计与制造过程中重点关注的问题之一1。 第一章 减震器的介绍及国内外研究现状 1.1 减震器的分类 “减震器”一词是汽车底盘工业内通用术语，汽车减震器实际上是一个震阻尼器。减震器在汽车中不仅用于悬挂上，在其他的位置也有应用，例如在驾驶室、车座等等。汽车减震器的作用如下：1、对因路面不平或者驾驶条件差引起的车身传递的震动进行阻尼，保持车辆的平顺性，乘坐舒适。2、快速消除由路面引起的轴和车轮的震动，保证车轮随时抓地，从而保证车辆的转向和刹车功能，提高车辆行驶的安全性。为加速车架与车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性（舒适性），在大多数汽车的悬架系统内部装有减震器。减震器从产生阻尼的材料这个角度划分主要有液压和充气两种，还有一种可变阻尼的减震器。另外作为柴油机减震器被广泛使用有：硅油减振器、硅油弹簧减振器、卷簧式减振器及盖斯林格式减振器等5。 1.2 减震器的工作原理曲轴是一种扭转弹性系统，本身具有一定的自振频率。在发动机工作过程中，经连杆传给曲柄销的作用力的大小和方向都是周期性变化的，这种周期性变化的激力作用在曲轴上，引起曲轴回转的瞬时角速度也呈周期性变化，由于固装在曲轴上的飞轮转动惯量打，其瞬时角速度基本上可看作是均匀的。这样，曲拐便会忽而比飞轮转得快，忽而又比飞轮转的慢，形成相对于飞轮的扭转摆动，也就是曲轴的扭转振动，当激振力的频率和曲轴子真频率成整数倍时，曲轴扭转振动便因共振而加剧。这将使发动机功率收到损失，这时齿轮或链条磨损增加，严重时甚至将曲轴扭断。为了消减曲轴的扭转振动，有的发动机在曲轴前段装有扭振减震器。汽车发动机常用的扭振减震器是摩擦式减震器，其工作原理是使曲轴扭振能量逐渐消耗与减震器内的摩擦，从而使振幅逐渐减小。 1.3 减震器的国内外现状国外从十九世纪末开始对轴系扭转振动的研究，到第一次世界大战，由于多缸发动机轴系因扭转振动产生的事故突增，促使对轴系扭转振动进行深入研究6。整机振动和轴系扭振是内燃机上存在的两类最主要的振动问题，内燃机的振动控制研究是从曲轴扭振问题开始的。1904年Lanchester研制的一台六缸车用发动机出现了比较严重的扭振，当时采用了一种新的弹性摩擦离合器后振动便缓解了，由此产生了内燃机振动控制的第一项发明Lanchester摩擦式扭振减振器7。与此同时，另一内燃机设计师Henry Royce在他的六缸机上也遇到同样的问题，然而他是将一加有木质塞块的飞轮装在曲轴自由端，扭振消失了。这就是以后出现的摩擦阻尼式减振器的雏形，这里使用的木质塞块就相当于现在的橡胶阻尼材料。以后围绕扭振问题又出现了许多新的研究成果。1928年Lanchester在FrahmHorm动力减振器的基础上8，又发明了扭振动力减振器9。1929年Cater发明了第一个摆式扭振减振器10，还有人将内燃机及其驱动轴系联系起来考虑，发明了扭振弹性联轴节。尽管在内燃机诞生的初期，设计师就己从机构动力学的角度出发设计了消减运动惯性力的平衡块，而且Lanchester的双轴平衡机构一直延用至今，但真正以振动理论来研究整机振动是三十年代从内燃机柔性支撑问题开始的，也就是现在所讲的隔振。而内燃机隔振概念的推广是来自五十年代Crede和Willson等人提出的隔振理论，其中的隔振方法至今仍然在广泛使用11。最初时发动机是直接靠螺栓连到车架上去的。这样，发动机的振动直接传到车架，车架的变形和振动也直接传到发动机上，但这常常造成曲轴箱和支架的破坏。随着汽车设计制造水平的提高，发动机作为汽车的主要振源对整车舒适性的影响才日益突出。人们开始采用皮革、布垫来连接动力总成与车架。到二十世纪二十年代，橡胶开始作为悬置元件的主要材料，但当时设计其的主要目的是为了防止曲轴箱的破坏7，而不是以隔离发动机的振动为目的。后来，四缸发动机被广泛采用，由于其强烈的二阶不平衡惯性力造成动力总成的振动更加突出，对整车舒适性的影响也大为增强。在这种情况下，各大汽车制造厂开始关注动力总成的振动控制问题。于是，通过将橡胶硫化到金属骨架上，这样各种各样的橡胶悬置元件就被设计出来了。因为橡胶本身的特性决定了其动刚度和阻尼滞后角随频率呈线性变化，而且阻尼滞后角很小，一般只有左右。所以其不能满足汽车使用工况对悬置元件的要求。因此，设计出一种性能优良的减振器套管对于保证汽车的减振效果就十分必要了12。汽车振动控制系统的研究与开发是汽车动力学与控制领域的国际性前沿课题, 近年来, 随着相关学科和高新技术的迅猛发展, 特别是智能结构这类新概念的提出, 极大的推动汽车振动主动控制系统的发展, 在理论和技术上都取得的令人瞩目的成果13。 1.4 柴油机卷簧减震器 1.4.1卷簧减震器结构 卷簧式减振器的结构主要由飞轮主动法兰、卷簧、位移限制销等部件构成。其具体结构如图1.1所示： 图1.1卷簧式减振器( 1飞轮；2主动法兰；3卷簧；4位移限制销；5侧盖；6曲轴自由端 )由图上可以看出，主动法兰固定在曲轴上自由端，外圆上通常开有816个均布的半圆形凹槽。飞轮浮动地配合在主动法兰上，其内圆也开有同样数目、同一半径的半圆形凹槽。在两个半圆形凹槽之间的空间内放入圆柱形多层卷簧。卷簧组内装有位移限制销，其突出部装在轮毂的槽里，用以保护卷簧组免受过大的变形和应力，限制从动飞轮与主动法兰之间的相对运动，并保持卷簧组沿半径方向的正确位置。卷簧组每片卷簧的厚度随半径改变，这样可使它们受力均匀。减振器设有油管并与柴油机润滑系统相连，在柴油机运转时，减振器内空间经常充满润滑油。这种减振器一方面靠多层卷簧间的相对摩擦产生阻尼，更主要的是当滑油从卷簧的一侧被压向另一侧时产生的液体摩擦阻尼来减振。此外，滑油也有润滑卷簧摩擦表面以及带走热量的作用。卷簧减振器属于阻尼弹性减振器，通过调整减振器的转动惯量和刚度来改变轴系的自振频率，以求减弱简谐力矩对轴系的作用，与减振器的阻尼一块起着降低扭振振幅的作用。这种减振器是柴油机的重要部件之一，然而卷簧又是卷簧减振器的重要部件，因此制造出尺寸精确和性能优良的卷簧对于减振器的减振性能起着决定性的作用。1.4.2卷簧的加工技术目前，热卷弹簧的加工设备和加工生产线向着数控（NC）和计算机控制（CNC）化的深度和广度发展。但随着弹簧材料和几何新状的变化，加工工艺亦有发展。 1）变热卷弹簧外径、变节距和变钢丝直径（三变）悬架热卷弹簧实现了无模塑性加工。自三变弹簧开发以来，一直采用锥形钢棒在数控车床上卷绕加工，但成品率和价格均不理想。现改为加热状态下通过卷簧机，控制轧辊速度和拉拔力，获得所需要的锥体形状，并用加工余热进行淬火。2）中空稳定弹簧杆采用低碳硼钢板卷制焊接成形。 3）扭杆采用高纯度的45钢，经高频淬火获得表面的高硬度和较大的剩余压缩应力，从而提高疲劳寿命和抗松弛能力。 4）电子产品广泛应用的片弹簧基本上采用冲压和自动弯曲加工成形。目前主要是发展复合材料的接合技术。1.4.3卷簧卷圆工艺的国内外研究现状目前，国内对柴油机扭转减振器方面的研制，除卷簧外已全部国产化，而卷簧部件无论是整机装配或维修一直依赖进口。因此，柴油机减振器套管卷簧的制作工作在国内是个新的研究课题。现介绍下卷圆工艺和相关挤压模具的研究现状：重庆工学院的邓明，王春明介绍了一种卷圆工艺和模具，并对模具弯曲成形过程进行了分析，指出该方法可以用于级进模上成形15。这位教授介绍的卷圆模结构简单，便于加工；利用该工艺和模具所加工的零件精度较高，能够弥补常规加工精度低的不足，特别适用于在连续模上加工。国营4404厂的艾道全叙述了大半径小变形线材的卷圆工艺，分析了影响线材卷圆质量的各种因素，介绍了自动卷圆模的结构，对于线材大半径小变形的密合口卷圆还是初步的尝试，塑流定型这项技术在制造可变截面的卷圆件中是非常实用的16。齐齐哈尔车辆工厂做了一些圆弹簧卷圆工艺的改进方面的研究工作。他们针对在卷制圆弹簧过程中，退芯时产生变形，需要人工调整和磨簧，效率低、质量差，经多次研究，改进了工艺，使卷制的圆弹簧在退芯时不变形，不用打尖，也不需要磨端面，保证了质量，生产率由班产600个提高到940个，并且减轻了劳动强度。四川理工学院、成都工具研究所、过程装备与控制工程四川省高校重点实验室的谢文玲，梁佳佳，周顺勇等人进行了弹簧片冲孔落料弯曲级进模的设计，他们通过分析弹簧片零件的结构工艺性，制定了合理的冲压工艺并设计了生产弹簧片的级进模，分析了冲孔落料弯曲反顶式级进模的没计思路及结构特点，该模具既能满足产品的质量，又能满足生产批量要求17。哈尔滨市弹簧厂的海明玥，海明燕两人在大直径50CrVA材料弹簧生产工艺与质量控制的研究中介绍了原材料检验，热卷弹簧制造工艺及50CrVA弹簧钢材料，热处理质量控制措施，从而保证其热卷弹簧表面无脱碳层，材料内部组织细小、弹性好、抗拉强度高、提高了弹簧疲劳寿命以满足客户要求18。此外，北京航空材料研究院王仁智老师做了一些关于冷卷圆簧制造工艺全过程的残余应力方面的研究19。他论述了贯穿于冷卷圆弹簧制造工艺全过程的残余应力，包括冷卷、回火、渗氮、喷丸、施加预应力处理等工艺中的残余应力变化。他的研究表明，弹簧的残余应力状态（包括残余应力的正负量值与方向）是唯一贯穿于弹簧制造过程的物理量，控制每道工艺簧内的残余应力状态，就是控制了弹簧的疲劳抗力、应力松弛抗力以及永久变形抗力。 国外工业发达国家当前科技水平大大领先于我国，如美国、日本等。他们的原材料、产品、设备、工艺等方面都超前于我国目前的水平，尤其是设备更领先于我国达十多年。因为美国、日本这些国家，其汽车工业高度发达，仅一家公司的产量就超过我国的总产量。他们为自己的汽车配套市场极其广阔。并且在今后他们的科技水平的发展还会加快，产品更趋于尖端科技化，产品质量不断提高。就日本而言，其弹簧材料质量逐年提高，弹簧质量问题达幅度减少。近十几年来，因材料产生的质量问题已很少见。主要是由于加工过程中造成的损伤，尺寸不良或热处理而影响弹簧质量。日本弹簧界约有50的企业在研究开发方面投入了力量，设有研究开发部门的企业也有四成以上。日本弹簧技术研究会的活动也对提高日本弹簧业界的全体技术水平起了很大的作用。在质量问题方面，厂内批量不合格品率平均约在1左右。产品经本厂检验剔除不合格品后送出厂，据有关资料统计，日本弹簧全行业批量不合格率平均为0.4。1.4课题背景、意义与研究内容 课题背景：本课题是在军品配套项目“柴油机减振器套管卷簧的研制”背景支持下产生的。由于国内某型号柴油机在引进时，整机只有部分生产图样，虽然在消化吸收的基础上进行了国产化工作，并取得了很大成效，但国外的公司对主要零部件只提供订货图，而不提供任何生产制造图，就扭转减振器而言，目前除卷簧外已全部国产化，而卷簧部件无论是整机装配或维修一直依赖进口，因此研制立项工作已成为当务之急。课题意义：我们知道扭转减振器卷簧组是减振器能否实现减振的关键，其质量好坏将会直接影响主机扭矩功率的输出与使用性能，并对发动机曲轴的可靠性和使用寿命产生直接影响。因为柴油机曲轴及其所带的轴系是一个具有一定质量和扭转刚度的弹性系统，在周期变化的外力作用下该系统就会按照外力矩的频率产生强迫的扭转振动。当外力矩的频率变化到与某一振型固有频率相等时，系统就会发生共振。共振时，振幅会不断增大，从而使轴系产生很大的附加应力。当该附加应力达到或超过该轴的疲劳极限时，就会造成曲轴的损坏，甚至折断，还会使传动齿轮系的噪声增大，齿面点蚀等。因此，获得合理的卷簧卷圆及装配工艺，对于制造出精度高、性能优良的卷簧并完成卷簧组的装配，从而顺利实现减振器的减振功能，保证发动机曲轴工作的可靠性和使用寿命以及实现该卷簧零件生产的国产化具有重要的理论和实际意义。研究内容： 1）进行减振器套管卷簧的卷圆工艺研究，拟定合理的工艺流程和选择最佳的工艺参数来进行模具的设计。 2）进行减振器套管卷簧的装配工艺研究，选择合适的方法进行簧片组的装配工作，既要保证簧片与簧片间的配装间隙，同时也要保证整个卷簧组的外径。第二章 卷簧成型的工艺分析和工艺方案的制定 2.1减振器卷簧的结构特点及工作原理图2.1柴油机减振器套管卷簧形状该减振器卷簧工作原理是：行程限位销防止卷簧组旋转，限制卷簧的行程和负荷。在共振范围内曲轴与从动件一起发生扭振，惯性质量部件尽可能地均匀运转，经过卷簧抑制了从动件的扭振，继而也减弱曲轴的扭振。簧片之间的润滑通过润滑油来实现，以期望减小簧片之间的磨损，提高卷簧的寿命和使用性能，而弹簧的性能和寿命直接影响发动机的性能和寿命。2.2弹簧材料的要求和选择该减震器为某军舰柴油机曲轴减震器用，材料的性能将在很大程度上影响减震器乃至柴油机的性能，由于该卷簧用于军品，有着更高的要求，比如耐磨性、抗拉性、屈服强度和硬度，所以对材料的要求要高于一般卷簧。而材料的合格与否，首先的影响元素就是化学成分，材料的主要的化学成分要达到该钢种的标准规定，这是确定热处理的主要依据，还要严格控制钢内的非金属夹杂物的含量，否则就会增加脆性，降低材料的强度。表面质量方面要求材料的加工表面精度高，尺寸严格符合设计要求，否则会产生缺陷致使弹簧簧片产生失效。该卷簧最初为进口，后实现国产，我们通过对进口卷簧的材料检测分析，发现其主要元素为Cr、Si、V的中碳钢。并且通过对其机械性能的检测，我们发现它的各种参数都接近于50CrVA钢。查资料的到50CrVA钢的主要性能及成分见下表：表2.1化学成分及含量成分 C Si Mn SP Cr Ni Cu V含量%0.460.540.170.370.500.800.0300.0300.801.10 0.35 0.250.100.20表2.2力性学能抗拉强度 b (MPa)屈服强度 s (MPa)伸长率 5 ()断面收缩率 ()硬度HB（N/mm2)1274(130)1127(115)1040热轧,321HB;冷拉+热处理,321HB研究分析认为, 50CrVA 弹簧钢具有淬透性好、不易脱碳、 表面质量好等优点。并且50CrVA 钢是强度高、 高塑性弹簧钢, 并具有良好的淬透性20。由此可见，50CrVA钢能很好的满足性能要求。2.3卷簧零件的加工特点作为柴油机扭振减震器的重要零部件，采用50CrVA钢作原材料，采用批量生产。在保证零部件质量的前提下应该尽量优化工艺、增加原材料使用率。例如可以通过优化排样，使原材料得到最大程度的利用。在设计模具的时候要充分考虑到模具的简洁，操作的方便，尽量有利于适用批量生产。该零件坯料为板料且厚度为1.24mm2.86mm, 零件形状对称无突变棱角，能通过冲压的基本工序落料、预弯、卷圆等工序完成，所以该零件用冲压的方法进行加工。由图2.1知，卷簧式由八片形状一样的簧片组成，其中每片的规格都不一样，所以必须通过不同的模具制造。它的基本工序可以采用下述方法：首先通过落料模下料，保证下料的边缘精度以及尺寸，然后通过卷圆模卷圆，最后再通过机加工的方式来保证它的尺寸和表面精度。2.4卷簧卷圆工艺的分析2.4.1卷簧卷圆的工艺要求采用50CrVA钢的卷簧卷圆要进行卷圆，必须在充分考虑坯料的横断面形状特点和影响弯曲加工的各种因素的基础上要充分考虑到以下的问题：1、根据卷簧的原材料50CrVA钢，精度要求及各簧片的厚度和弯曲半径来选择合适的加工方案；2、由于设计卷簧所采用的材料为50CrVA弹簧钢，具有很大的弹性，所以应在设计时应考虑回弹值；3、设计的工艺要充分提高成品率、在保证质量的情况下尽量做到简化工艺；4、弯曲模具的设计尽要简单、操作性强，并且要求制造出卷簧工件的质量高，适用于大批量生产。2.4.2常用的弯曲方法介绍弯曲时冲压的基本工序，弯曲的方法有很多种，弯曲方法可以分为在压力机上利用模具进行的压弯以及在专业弯曲设备上进行的折弯、拉弯、滚弯等。图2.2弯曲零件的成形方法以上四种方法中，能够用于卷簧的卷圆的方法只有模具压弯、折弯以及滚弯。拉弯不适合卷圆的生产过程。折弯是金属板料在折弯机上模或下模的压力下,首先经过弹性变形,然后进入塑性变形,将金属板材折弯成多种截面形状的工件的方法。可以利用一副模具将工件折弯成各种角度。其优点是折弯力较小,因而模具和机器的寿命较长；凸模更换少,用简单的模具能完成多种角度的折弯；对不同板材厚度或圆角半径,可随时更换凹模的V形开口度。其缺点主要是钢板在折弯点处的压弯成形是一种弹塑性变形过程 ,要受到工件材质、抗弯强度 、硬度、板厚公差等诸多因素的影响21-23。滚弯是坯料在滚轮世家弯矩的作用下逐渐被弯曲成形的工艺过程，型材滚弯成形的工艺特点如下：1、通用性好，不许制造相应的模具；2、设备简单，加工经济性好；3、具有柔性制造的特点。滚弯过程中容易产生以下的质量缺陷：1、斜弯曲变形；2、扭转变形；3、剖面角度的变化；4、腹板失稳起皱；5、回弹24。模具压弯是在压力机的作用下利用专门设计的模具将金属板材弯曲成所需要的形状的方法。因为采用专用模具，所以成形精度高，表面质量好，并且生产率也高，适合批量生产。通过对比分析，结合该卷簧零件的表面质量和尺寸精度要求，并且需要进行批量生产，所以该卷簧零件比较适合模具压弯的方法进行卷圆工艺。2.4.3弯曲的工艺分类对于卷圆，卷制时根据板料温度的不同分为冷卷、热卷与温卷。1、热卷：热卷主要适用于大型弹簧的卷制。当碳素钢板的厚度t大于或等于内径D的1/40时，一般认为应该进行热卷。热卷前，通常必须将钢板在室内加热炉内均匀加热，加热温度范围视钢材成分而定。由于热连轧钢板产品具有强度高，韧性好，易于加工成型及良好的可焊接性等优良性能，因而北广泛应用于制造行业。热卷弹簧具有以下特点：1.刚度大，缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷适合于轴向空间要求小的场合。2.具有变刚度特性，这种弹簧具有很广范围的非线性特性。3.用同样的碟形弹簧采用不同的组合方式，能使弹簧特性在很大范围内变化。4.可采用对合、叠合的组合方式，也可采用复合不同厚度，不同片数等的组合方式。当叠合时，相对于同一变形，弹簧数越多则载荷越大。热卷能防止材料的冷加工硬化，并且回弹性较小。但是，同时存在诸多缺点：如热卷操作困难，钢板加热到较高温度会产生严重的氧化现象，热卷弹簧成形工艺水平和能力较低，因而弹簧的精度水平和表面氧化脱碳水平也较低。还有加热后容易扭曲成形，成型后需淬火后回火处理。2、冷卷：冷卷一般采用快速进给法和多次进给法滚弯，调节上辊（在二辊卷板机上）或侧辊（在四辊卷板机上）的位置，使板料发生初步的弯曲，然后来回滚动而弯曲。冷卷时必须控制变形量。冷卷在操作上比较方便，曲率较容易控制，生产成本低。但对较厚的板材，要求设备功率较大，并易产生冷作硬化现象。3、温卷：温卷作为一种新工艺，吸取了冷、热卷板中的优点，避免了冷、热卷板时存在的困难。温卷是将钢板加热至500600，使板料比冷卷时有更好的塑性，同时减少了卷板超载的可能，又可减少卷板时氧化皮的危害，操作也比热卷方便。由于温卷的加热温度通常在金属的再结晶温度以下，因此，温卷工艺方法实质上仍属于冷加工范围。由于卷圆往往不能一次弯曲成形，而多次的冷弯曲会引起材料的冷加工硬化。当弯曲件变形程度很大时，这种冷加工硬化现象将十分显著，以致使弯曲件的使用性能严重恶化。因此，冷弯曲成形的允许弯曲半径R，不能以板料的最小弯曲半径为界限，而应大些，通常取R=20t(t为板厚)。当R 6.5k0.41-0.420.43-0.440.45-0.460.46-0.470.47-0.480.48-0.490.5而簧组的内半径，=33.48mm，=2.86mm，故/6.5，即=0.50，由式3.1得=33.48+0.50*2.86=34.91mm，即簧组最外面簧片的中性层半径为34.91mm。2、展开毛坯尺寸计算0.55，56.63式中为簧组最里面簧片的开口宽度，为簧片的中性层半径。展开毛坯尺寸3、卷圆时材料的回弹量计算卷圆时50CrVA钢的回弹量可以按照纯塑性弯曲条件进行计算，即 （式3.2）其中=33.48mm，=2.86mm。50CrVA钢退火时的=0.015，则即卷圆凸模直径按取。按取簧组内经计算需用毛坯尺寸从计算结果可知：按尺寸卷圆时，料端不会产生干涉。故展开毛坯直径为178.59mm，下料尺寸应选为。3.2落料模工艺计算及设计3.2.1排样、搭边及条料宽度() 排样排样是指冲裁件在条料、带料或板料上布置的方法。合理的排样是降低成本的有效措施。由于该坯料为简单的长方形，故可采用下面图3.4的竖排或图3.5的横排两种方式，然后进行比较看哪种排样方式材料的利用率更高，从而确定排样方式。 图3.4竖排 图3.5横排(二) 搭边排样时工件之间以及工件与条料侧边之间留下的余料叫搭边。搭边的作用是补偿定位误差，保证冲出合格的工件。搭边还可以保持条料有一定的刚度，便于送料。搭边是废料，所以不能取大，应尽量减小，但过小的搭边容易挤进凹模，增加刃部磨损，影响模具寿命。经查冲压手册取其搭边值为=3mm, =2.5mm。(三) 条料宽度采用纵裁无侧压进料时，条料宽度的计算公式如下： （式3.3） 式中: 条料宽度的公称尺寸； 冲裁件垂直于送料方向的尺寸； 侧搭边的最小值； 条料宽度的单向偏差； 导尺与最宽条料之间的单向小间隙； 经查冲压手册得：=-0.7mm，=1mm故由于排样时，在保证零件质量的前提下，主要考虑如何提高材料的利用率，1个进距内的材料利用为= （式3.4） 式中: 冲裁件的面积； 1个进距内冲裁件的个数； 条料宽度； 进距前面已经计算出零件毛坯面积为=9836.75mm2，条料宽度=184.5mm，个数n=1，而进距等于零件毛坯宽度与横搭边之和，即=55+2=57mm，所以此时1个进距内材料的利用率为1=93.66%采用横裁无侧压进料时，则条料宽度为：=55+2(3-0.8)+10.7=60.4mm而此时进距=178.85+2=180.85mm，所以此时1个进距内材料的利用率为：2=90.05%。通过前面的计算，比较纵裁时的利用率和横裁时的利用率，由于，所以应该选择纵裁即第一种排样方式，这样材料的利用率最高，可以节省成本。3.2.2凸、凹间隙的确定模具间隙是指凸、凹模刃口间隙缝隙的距离，用符号C表示，俗称单面间隙。而双面间隙用Z表示。冲裁间隙是直接关系到冲裁件断面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗的重要工艺参数，是冲裁工艺与模具设计中的一个极其重要的问题。冲裁间隙数值，主要与材料牌号、供应状态和厚度有关，在查表确定间隙值时，应在能满足冲裁断面质量要求的条件下，尽量采用较大的间隙，以提主模具寿命，降低冲裁力、卸料力、推件力和顶出力，其具体考虑如下：1. 对冲裁件断面质量无特殊要求时，宜采用较大的间隙值。但在大间隙下冲裁时，工件随凸模向上返回到凹模上来的现象，应考虑防止措施，以免产生冲裁件或引起模具刃口崩坏。另外，当用大间隙时，冲裁件容易产生弯曲变形，这时宜采用弹性卸料板压料。2. 对冲裁件断面质量要求很高（即光亮带宽，断面垂直，毛刺、圆角、弓弯都很小）时，应采用较小的间隙，但此时模具寿命较低。由于该材料为：50CrVA钢，厚度为2.86mm板料，且对冲裁件断面质量要求很高，经查冲压手册表2.24得间隙值为：0.252mm , =0.308mm3.2.3凸、凹模工作部分尺寸和公差() 尺寸设计的原则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，落料件的尺寸取决于凹模尺寸,因此落料模应先决定凹模尺寸，用减小凸模尺寸来保证得到合理间隙。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；刃口磨损后尺寸变小，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23级。(二) 尺寸计算公式凸模和凹模分开加工，其尺寸计算公式如下式3.5和3.6：凸=凸（式3.5） D凹=凹 （式3.6） 式中 凸、凹分别为落料凸、凹模的刃口尺寸（mm）； 落料件外形的最大的极限尺寸（mm）； 凸 、凹分别为凸、凹模的制造公差（mm）； 零件的公差（mm）； 最小合理间隙经查冲压手册表2.28得，凸=-0.030mm，凹=0.040mm。为了保证新冲模的间隙小于最大合理间隙（），凸模和凹模的制造公差必须满足：|凸|+|凹|2Cmax- 2Cmin （式3.7) 由于此时的|凸|+|凹|=0.0702Cmax-2Cmin=2*（0.308-0.252）=0.056，所以可通过以下经验公式得出凸、凹模极限偏差为： 凸=0.4*2Cmax- 2Cmin=0.4*0.056=0.0224mm 凹=0.6*2Cmax- 2Cmin=0.6*0.056=0.0336mm又通过查冲压手册表2.30得到：磨损系数=0.5,零件公差=0.50mm。所以根据上面公式3.3和3.4，可以得到：凸=凸=178.348mm 凹=凹=178.64mm3.2.4冲裁时的压力 1. 冲裁力的计算及优化由于该零件厚度较薄，所以采用平刃模具冲裁，根据冲压手册表2.35中的计算公式： （式3.8）计算的理论冲裁力（KN）；冲裁件的冲裁线的长度（mm）；冲裁件材料的抗剪强度（MPa）；冲裁件料厚（mm）考虑到材料厚度的偏差大,尤其是 热轧钢板,而且总有同板差,实际冲裁料厚t总是在一定范围波动；冲裁模刃口工作一段时间后就会因磨损而变钝，冲裁力会随之增大；冲裁间隙分布不够合理均匀、材料力学性能的波动等因素，使实际冲裁力还会比计算的理论冲裁力增加10%30%，故要在计算理论冲裁力F0的基础上，增加安全系数K，即= 式中，安全系数，通常取1.11.3；平刃口冲裁力（KN）。以上各式中的，即材料的抗剪强度是一个随剪切工具结构形式及剪切条件变化较大的数值，通常都要在真实或相近条件下实验获得接近使用的数据，一般资料中难以查到。由于材料的抗拉强度与抗剪强度有着的近似关系，所以通常情况下都用代入式子获得实际冲裁力，计算公式如下：= 其中mm =479*2.86*130=1745.3Mpa262. 落料时的卸料力计算公式为：F卸=K卸* （式3.9） 式中卸料力系数K卸由冲压技术实用数据速查手册表2-27查得，K卸=0.0419，所以F卸=K卸*=0.04*1745.3=69.81MPa。 3. 落料时的推件力计算公式为:F推=nK推* （式3.10）式中n为同时卡在凹模的工件数目n=（h圆柱型凹模腔口高度；t材料厚度）经查表2.21，取序号1凹模的h=6mm，所以n=5（个），经查冲压手册表2-13得K推=0.05526，故F推=nK推*=5*0.055*483.03=132.83MPa所以，选择冲床的总压力为F总=+ F卸+F推=483.03+19.32+132.83=635.18MPa3.2.5根据所需压力选择合适的压力机为了能够正常工作，压力机所提供的压力要大于冲裁时实际所需的力，但也不能超过太多，以免造成机器和能量不必要的浪费。所需总压力F总=635.18MPa，经查冲压手册，由表9.3得选择JH21-80开式固定台压力机可满足冲压要求，它比起液压机有更高的冲压效率，且行程固定，精度更易控制26。其几项主要的技术参数为：标称压力/kN 800 工作台尺寸： 左右/mm 800标准行程/mm 8 前后/mm 540滑块行程/mm 130 作台孔尺寸： 直径/mm 200最大封闭高度/mm 380 模柄孔尺寸（直径*深度）/mm 60 封闭高度调节量/mm 100 3.2.6凹模的设计（一） 凹模尺寸及形状的确定凹模做为整幅模具的核心零件，它的形状和尺寸精度直接的影响着零件最后的质量。在冲裁模中凹模又是模具设计的基准，它的设计和计算的合理性和准确性是至关重要的。凹模的形状如下图3.6所示，依靠重力落料，刃口采用平刃形式。通过查资料可知：当板料厚度t=0.5-5mm时，凹模孔口高度h可取5-10mm，此处板厚t=2.86mm，故取凹模孔口高度为h1=6mm。 通过查冲压手册，由表2.39，当冲裁件料宽b=175200mm，料厚 t=1.53时，取起凹模高度h=32mm，壁厚c=46mm，而该料宽b=178.85mm，料厚t=2.24mm，所以正好取该值。图3.6凹模形状根据上图可计算出，凹模长L=113+2*46=205mm，凹模宽B=55+2*36=127mm，所以凹模的尺寸为：L*B*h=185*127*32，此处采用标准长方形外形尺寸来替代计算所得尺寸，便于模具中其它零件的确定。经查冲模设计手册，由表14.6选用矩形凹模外型尺寸为:L*B*h=200*140*3227。（二）凹模的固定由于所冲零件厚度较薄，工作时的冲压力主要集中在凹模孔口及其周围不远的部分，而凹模又有较大的外形尺寸和厚度，所以此处采用将凹模通过螺钉直接固定在模板上。3.2.7凸模的设计凸模作为模具零件中的核心零件，随着技术和人们认识的进步，其长度等已经趋于标准化，它的外形是由所加工零件决定的，而其长度一般有这样几部分组成：凸模固定板厚度，卸料板厚度和导板厚度，还要考虑冲压时凸模进入凹模的深度，凸模刃磨量和凸模固定板与卸料板之间的安全距离等因素。所以凸模的设计需查必要的资料以减小计算量。此处冲件料为矩形，所以采用非圆形凸模设计，用螺钉直接固定，其形状如下图3.7 图3.7落料凸模形状3.3弯曲工艺分析与弯曲模设计3.3.1弯曲件的工艺性弯曲件的工艺性是指弯曲件的形状、尺寸、材料的选用及技术要求等是否满足弯曲加工的工艺要求。具有良好冲压工艺性的弯曲件，不仅能提高工件质量，减少废品率，而且能简化工艺和模具结构，降低材料消耗。弯曲件的工艺性分析如下：（一） 最小弯曲半径 弯曲件的弯曲半径不宜过大和过小。过大因受回弹的影响，弯曲件的精度不易保证；弯曲时弯曲半径愈小，材料外表面变形程度愈大，如果弯曲半径过小，则板外表面将超过材料的最大许可变形而发生裂纹。因此，弯曲工艺受到最小弯曲半径的限制。在不考虑材料变薄的情况下，最小弯曲半径的数值可根据冲压手册中的公式：r=t （式3.11） 式中：为材料的最大断面收缩率；为坯料的厚度；前面已经知道材料的断面收缩率=40%，材料厚度=2.86mm，代入以上公式，故得最小弯曲半径=0.72mm。（2） 弯曲件形状与尺寸的对称性 弯曲件的形状与尺寸应尽可能对称、高度也不应相差太大。当冲压不对称的弯曲件时，因受力不均匀，毛坯容易偏移，尺寸不易保证。为防止毛坯 的偏移，在设计模具结构时应考虑增设压料板，或增加工艺孔定位。 弯曲件形状应力求简单，边缘有缺口的弯曲件，若在毛坯上先将缺口冲出，弯曲时会出现叉口现象，严重时难以成形。这时必须在缺口处留有连结带，弯曲后再将连接带切除。该卷簧零件的坯料为矩形板料，形状十分对称，很便于加工。3.3.2弯曲力的计算 弯曲力是设计弯曲模和选择压力机吨位的重要依据。特别是在弯曲板料较厚、弯曲变形程度较大，材料强度较大时，必须对弯曲力进行计算。由于影响弯曲力的因素较多，如材料性能、零件形状、弯曲方法、模具结构、模具间隙和模具工作表面质量等。因此，用理论分析的方法很难准确计算弯曲力。生产中常用经验公式概略计算弯曲力，作为设计弯曲工艺过程和选择冲压设备的依据。 （一）自由弯曲力 自由弯曲时，对于U形弯曲件： (3.12)式中：F自为冲压行程结束时的自由弯曲力(N)；k为安全系数，一般取1.3；b为弯曲件的宽度(mm)；t为弯曲材料的厚度(mm)；r为弯曲件的内弯曲半径(mm)；b为材料的强度极限(MPa)27。 将各数值代入上式，故得F自=141.32KN（2） 顶件力或压料力顶件力F可近似取自由弯曲力的30%80%，即F=0.8F自=130.06 KN (3.13)（3） 弯曲时压力机吨位的确定对于有压料的自由弯曲：F压机F自+F=271.38KN 3.3.3弯曲凸凹模的间隙弯曲U形件时，其凸凹模间隙c的大小，对弯曲件质量有直接影响，过大的间隙将引起弹复角的增加，过小时，引起工件材料厚度的变薄，降低了模具的使用寿命，因此必须确定出合理的间隙值。其计算公式如下：c=t+Kt (3.15) 式中：c弯曲凸凹模单边间隙；t材料厚度；材料厚度正偏差； K根据弯曲件高度h和弯曲线长度b而决定的系数；根据冲压手册中所讲，当工件的精度要求较高时，凸凹模的间隙值应适当减少，可以取c=t。而该卷簧零件正是对精度要求很高，所以取凸凹模间隙值c=t=2.86mm。 3.3.4弯曲模工作部分尺寸计算（1） 凸、凹模宽度尺寸计算凸凹模宽度尺寸是指b凸与b凹的尺寸，如图3.8所示。图3.8 弯曲模工作部分尺寸通过查找冲压手册，得到如下计算公式：b凸=（L+）-凸 （3.16）b凹=（b凸+2c）+凹 （3.17）式中：b凸、b凹弯曲凸、凹模宽度尺寸，为mm； c弯曲凸凹模单边间隙，为mm； L弯曲件内形的基本尺寸，为mm； 弯曲件的尺寸偏差，为mm； 凸 、凹弯曲凸凹模制造公差，采用IT7IT9级。经查冲压手册表3.7，取c=t=2.86mm，凸模和凹模的间隙配合选H8/f7，所以取 凸=-0.030,凹=+0.030,=0.45mm，L为该卷簧零件的直径为69.82mm。所以根据上面的公式和数据，可以计算出：b凸=（L+）-凸 =70.075mm， b凹=（b凸+2c）+凹 =75.825mm。（二）凸凹模的圆角半径与弯曲凹模深度的确定1. 凸模圆角半径经查冲压手册知，若弯曲件的内侧弯曲半径为r，则应取r凸=r，但不能少于材料允许的最小弯曲半径。而该片簧零件的内侧弯曲半径r=34.91mm，所以凸模圆角半径r凸=34.91mm。2. 凹模圆角半径与凹模深度凹模的圆角半径一般不要少于3mm，以免弯曲时材料表面现划痕。凹模两边的圆角半径应当一致，否则弯曲时毛坯会发生偏移。凹模深度要适当，若过小，毛坯两边自由部分太多，弯曲件弹复大，不平直，若过大，凹模增大，消耗模具钢材多，且需要压力机有较大的工作行程。所以设计该零件凹模圆角半径r凹=34.91mm，凹模深度l=34.91mm。3.3.5弯曲模的结构设计弯曲模结构设计应在选定弯曲件工艺方案的基础上进行，为了保证达到工件的要求，在进行弯曲模的结构设计时，必须注意以下几点：1） 坯料放置在模具上应保证可靠的定位；2）在压弯的过程中，应防止毛坯的滑动；3）为了减小弹复，在冲程结束时应使工件在模具中得到校正；4）弯曲模的结构应考虑到制造与维修中减小弹复的可能；5）毛坯放入到模具上和压弯后从模具中取出式件要方便。根据前面进行的工艺分析和尺寸计算，现设计该零件的模具结构简图如下图3-9所示：图3.9 卷圆工序模具简图3.3.6弯曲缺陷分析及防止措施在该减振器卷簧套管的实际生产过程中，可能会出现一些质量问题如弹复、弯裂、以及擦伤等。所以，为了提高该零件的精度，应采取一些相应的工艺措施：（1） 弹复 产生原因：由于常温下的塑性弯曲和其它塑性变形一样，在外力作用下产生的总变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。当弯曲结束，外力去除后，塑性变形留存下来，而弹性变形则完全消失。弯曲变形区外侧因弹性恢复而缩短，内侧因弹性恢复而伸长，因此产生了弯曲角度和弯曲半径与模具相应尺寸不一致的现象。这种回弹是弯曲成形时常见的现象，也是不易解决的一个棘手的问题。解决办法：如改进零件的结构设计，在变形区压加强肋或压成形边翼，增加弯曲件的刚性，使弯曲件回弹困难；从模具结构上采取措施，可以利用弯曲件不同部位回弹方向相反的特点，按预先估算或试验所得的回弹量，修正凸模和凹模工作部分的尺寸和几何形状，以相反方向的回弹来补偿工件的回弹量,还可以可以改变凸模结构，使校正力集中在弯曲变形区，加大变形区应力应变状态的改变程度，从而使内外侧回弹趋势相互抵消，以及在弯曲过程完成后，利用模具的 突肩在弯曲件的端部纵向加压，使弯曲变形区横断面上都受到压应力，卸载时工件内外侧的回弹趋势相反，使回弹大为降低。利用这种方法可获得较精确的弯边尺寸，但对毛坯精度要求较高；从工艺上采取措施，可以采用热处理工艺，即弯曲前先进行退火处理，降低其硬度以减少弯曲时的回弹，待弯曲后再淬硬，还可以增加校正工序，对零件施加较大的校正压力，可以改变其变形区的应力应变状态，以减少回弹量。（2） 弯裂产持原因：压模压力过大；零件弯曲半径大于其最小弯曲半径；以及坯件材料表面有缺陷和弯曲时产生毛刺引起应力集中。 防止措施：选用表面质量好无缺陷的材料；在设计时使零件弯曲半径大于其最小弯曲半径；以及去除毛刺或把有毛刺的一力放在弯曲内侧。（3） 擦伤 产生原因：坯件表面有毛刺；或压模型腔表面金属渣、屑状物或不规则、起毛；以及压模未压紧，出现相对滑动。 防止措施：清洁或者打磨坯件表面和模具型腔，不允许有颗粒、毛刺或者油污；增加压模压力。 第四章 卷簧的装配工艺过程的确定按照上面的工艺方案，我们会得到形状相同，半径以及厚度不同的八片卷簧。然后利用进口卷簧的要求和尺寸，利用装配模具，使用合理的装配工具使得卷簧具有和进口卷簧一致的簧片间隙和外径。4.1装配的概念及意义 装配是将零部件按规定技术要求进行组装、调试、检验使之成为合格产品的过程28。装配工艺性对产品的整个生产过程影响很大，对产品的质量和生产效率有着重要的影响。它是评价机器设计好坏的标志之一29。科研产品的质量最终由装配工作来保证和检验。零件质量是科研产品质量的基础, 但装配过程并不是将合格零件简单地组合起来。高质量的零件、低质量的装配也可能装出低质量的产品；高质量的装配则可以在经济精度零件、部件的基础上, 装配出高质量的产品。因此, 在研究产品特点和要求的基础上, 制订合理的装配工艺, 采用有效的装配方法, 对保证和提高产品质量有着十分重要的意义30。4.2卷簧的装配工艺特点该卷簧是由八片形状相似大小尺寸不同的簧片组合而成，具有如下特点：1、 该卷簧的簧片并非是圆形，而是一个有开口宽度的圆弧。2、 簧片的尺寸相似，尺寸不同，为一组同心圆弧。3、 簧片并非紧紧的贴合在一起，而是中间有一定的间隙，并且每个簧片之间的间隙尺寸不同。由于该卷簧套管是运用于某军品柴油机减振器的重要部件之一，它是减振器能否实现减振的关键，其质量好坏会将直接影响主机扭矩功率输出的与使用性能，并对发动机曲轴的可靠性和使用寿命产生直接影响。故卷簧使用前，簧片的尺寸精度以及簧片与簧片间的配装间隙比较重要，他既要保片与片之间的间隙又要保证整个簧组的外径。簧片的尺寸精度通过前一章的模具的精确设计基本可以得到保证，而簧片与簧片间的配装间隙就要通过制定合理的装配工艺来得到了。这也是该卷簧套管研制的技术难点之一。4.3根据精度的要求选择卷簧装配法减振器套管卷簧的精度要求，最终是由装配工艺实现的。用合理的装配方法来实现规定的装配精度，即实现用较低的簧片精度，达到较高的卷簧装配精度，这就需要选择合理的装配方法，它是装配工艺的关键问题。卷簧在装配过程中选择的装配方法对装配精度有很大影响，选择合理的装配方法需要全方面考虑簧片结构特点和卷簧特性要求。保证产品装配精度的方法有互换法，选择法，修配发和调整法。一般来说，对于多零件组装成低精度的产品，优先考虑互换法中的完全互换法；对于在装配时各组成的零件不需挑选或改变各零件的组装位置，装配后