空气滤清器壳正、反拉深、冲孔复合模设计

目 录 1 前言 1 1 1 冲压技术概述 1 1 2 冲压技术的发展趋势 2 2 冲压工艺分析 4 2 1 零件材料的分析 4 2 2 零件工艺性的分析 4 2 3 确定工艺方案和模具形式 5 2 4 冲压工序数确定 7 2 5 模具类型的确定 7 2 6 工艺方案分析 7 3 模具结构型式的确定 8 4 部分工艺参数计算 9 4 1 毛坯尺寸计算 9 4 2 计算反拉深次数 9 5 各部分工艺力计算 10 5 1 落料 正拉深力过程 10 5 2 反拉深过程 11 5 3 拉深功的计算 12 6 1 反拉深凸 凹模刃口尺寸及公差的计算 13 6 2 冲孔凸 凹模刃口尺寸及公差的计算 13 6 3 冲孔凸模的设计 14 6 4 拉深凹模的设计 16 6 5 凸凹模 拉深凸模和冲孔凹模 设计 18 7 压力设备选择 20 8 1 模具结构的设计 22 8 2 模具的闭合高度 22 9 模具其它零件设计及计算 23 9 2 模架的类型及应用 24 9 3 定位装置 26 9 4 卸料装置 26 9 5 推件装置的设计 27 9 6 模柄的类型及选择 28 9 7 凸模固定板 29 9 8 垫板 30 9 9 紧固件 30 9 10 定位销 30 10 模具的装配 31 10 1 复合模的装配 31 10 2 凸 凹模间隙的调整 31 11 模具零件 32 续表 33 12 凸凹模制造的工艺过程 34 13 设计总结 36 参考文献 39 致谢 40 1 1 前言 1 1 冲压技术概述 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 60 70 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 可以冲压出孔窝 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 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 2 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 2 冲压技术的发展趋势 进入 90 年代以来 高新技术全面促进了传统成形技术的改造及先进成形技术的 形成和发展 21 世纪的冲压技术将以更快的速度持续发展 发展的方向将更加突出 精 省 净 的需求 冲压成形技术将更加科学化 数字化 可控化 科学化主要体现在对成形过程 产品质量 成本 效益的预测和可控程度 成形过程的数值模拟技术将在实用化方面 取得很大发展 并与数字化制造系统很好地集成 人工智能技术 智能化控制将从简 单形状零件成形发展到覆盖件等复杂形状零件成形 从而真正进入实用阶段 注重产品制造全过程 最大程度地实现多目标全局综合优化 优化将从传统的单 一成形环节向产品制造全过程及全生命期的系统整体发展 对产品可制造性和成形工艺的快速分析与评估能力将有大的发展 以便从产品初 步设计甚至构思时起 就能针对零件的可成形性及所需性能的保证度 作出快速分析 评估 冲压技术将具有更大的灵活性或柔性 以适应未来小指量多品种混流生产模式及 市场多样化 个性化需求的发展趋势 加强企业对市场变化的快速响应能力 重视复合化成形技术的发展 以复合工艺为基础的先进成形技术不仅正在从制造 毛坯向直接制造零件方向发展 也正在从制造单个零件向直接制造结构整体的方向发 展 深入研究冲压变形的基本规律 各种冲压工艺的变形理论 失稳理论与极限变形 程度等 应用有限元 边界元等技术 对冲压过程进行数字模拟分析 以预测某一工 艺过程中坯料对冲压的适应性及可能出现的质量问题 从而优化冲压工艺方案 使塑 性变形理论逐步起到对生产过程的直接指导作用 制造冲压件用的传统金属材料 正逐步被高强钢板 涂敷镀层钢板 塑料夹层钢 板和其他复合材料或高分子材料替代 随着材料科学的发展 加强研究各种新材料的 冲压成形性能 不断发展和改善冲压成形技术 3 在模具设计与制造中 开发并应用计算机辅助设计和制造系统 CAD CAM 发展高精度 高寿命模具和简易模具 软模 低熔点金模具等 制造技术以及通用组 合模具 成组模具 快速换模装置等 以适应冲压产品的更新换代和各种生产批量的 要求 推广应用数控冲压设备 冲压柔性加工系统 FMS 多工位高速自动冲压机以 及智能机器人送料取件 进行机械化与自动化的流水线冲压生产 精冲与半精冲 液压成形 旋压成形 爆炸成形 电水成形 电磁成形 超塑成 形等技术得到不断发展和应用 某些传统的冲压加工方法将被它们所取代 产品的冲 压加工趋于更合理 更经济 4 2 冲压工艺分析 2 1 零件材料的分析 冷冲压模具包括冲裁 弯曲 拉深 成形等各种单工序模和由这些基本工序组 成的复合模 级进模等各种模具 设计这些模具时 首先要了解被加工材料的力学性 能 材料的力学性能是进行模具设计时各种计算的主要依据 故在分析零件冲压成形 工艺 设计冲压模具前 必须要了解和掌握材料的一些力学性能 以便设计 现将空 气滤清器壳零件材料为 10 号钢的力学性能主要参数及其概念叙述如下 1 应力 材料单位面积上所受的内力 单位是 N mm 用 Pa 表示 2 10 Pa 1MPa 1MPa 1N mm 10 Pa 1GPa 6 2 9 2 屈服强度 s 材料开始产生塑性变形时的应力值 单位是 N mm 弯曲 拉深 2 成形等工序中 材料都是在达到屈服强度时进行塑性变形而完成该工序的成形的 经 查表取 s 210 MPa 3 抗拉强度 b 材料受到拉深作用 开始产生断裂时的应力值 单位是 MPa b 340MPa 4 抗剪强度 b 材料受到剪切作用 开始产生断裂时的应力值 单位是 MPa 取 b 255 333MPa 5 弹性模量 E 材料在弹性范围内 表示受力与变形的指标 弹性模量大 表示 材料受力后变形较小 或者说 产生一定的变形需要较大的力 E 194 x 10 MPa 3 6 屈服比 s b 是材料的屈服强度与抗拉强度之比 其值越小 表示材料允 许的塑性变形区越大 在拉深工序中 材料的屈服比较小时 所需的压边力和所需克 服的摩擦力相应的减小 有利于提高成形极限 7 伸长率 在材料性能实验时 试件由拉伸试验机拉断后 对接起来测量长度 其伸长量与原长度之比称为伸长率 其数值用 表示 其数值越大表示材料的塑 性越好 经查表可得 材料为 10 号钢的伸长率 31 综上所述 对空气滤清器壳零件材料 10 号钢的力学性能分析 主要是为了便于 模具设计中各参数的计算 故在后序的模具设计中各参数的计算均以上面所取的数值 进行计算 5 2 2 零件工艺性的分析 冲压件工艺性是指冲压零件在冲压加工过程中加工的难易程度 虽然冲压加工工 艺过程包括备料 冲压加工工序 必要的辅助工序 质量检验 组合 包装的全过程 但分析工艺性的重点要在冲压加工工序这一过程里 而冲压加工工序很多 各种工序 中的工艺性又不尽相同 即使同一个零件 由于生产单位的生产条件 工艺装备情况 及生产的传统习惯等不同 其工艺性的涵义也不完全一样 这里我们重点分析零件的 结构工艺性 该零件为空气滤清器壳 结构简单 对称 是典型的冲压件 在冲压过程中要注 意控制冲载程度 加工时 根据零件的结构 形状等一些技术要求 应考虑以下几点 1 凸 凹模间隙的确定 对于断面垂直度 尺寸精度要求不高的零件 在保证零 件要求的前提下 应以降低冲载力 提高模具寿命为主 采用大间隙 对于断面垂直 度 尺寸精度要求较高的零件 应选用较小的间隙值 间隙 Z 2t 1 h t tan 2 考虑模具刃口钝利情况 当模具刃口磨损成圆角变钝时 刃口与材料接触面积 增加 应力集中效应减轻 挤压作用大 延缓了裂纹的产生 制件圆角大 光亮带宽 但裂纹发生点要由刃口侧面向上移动 毛刺高度加大 即使间隙合理 也仍会产生毛 刺 根据零件图 初步分析可以知道空气滤清器壳零件的冲压成形需要多道工序才能 完成 进行反拉深 形成外形尺寸形状 其次冲孔 综上所述 空气滤清器壳由原始毛坯冲压成形应包括的基本工序有 反拉深 冲 孔复合模等 2 3 确定工艺方案和模具形式 在冲压分析的基础上 找出工艺与模具设计的特点与难点 根据实际情况提出各 种可能的冲压工艺方案 内容包括工序性质 工序数目 工序顺序及组合方式等 有 时同一种冲压零件也可能存在多个可行的方案 通常每种方案各有优缺点 应从产品 质量生产效率 设备占用情况 模具制造的难易程度和模具的使用寿命的高低 生产 成本 操作方便与安全程度等方面进行综合分析 比较 确定出适合于现有生产条件 的最佳方案 故在一定的条件下 以最简单的方法 最快的速度 最少的劳动量 最 少的费用 可靠的加工出符合图样各项要求的零件 在保证加工质量的前提下 选择 经济合理的工艺方案 确定工艺方案及模具形式 1 根据对冲压零件的形状 尺寸 精度及表面质量要求的分析结果 确定冲压 所需的基本的工序 反拉深 冲孔复合 6 2 根据初步工艺计算 确定工艺数目 如冲压次数等 3 根据个别工序的变形特点 质量要求等确定工序顺序 一般可按照下列原则进行 1 对冲带孔的或有缺口的冲裁件 如选用简单模 一般先落料 再冲孔或切口 使用级进模 则先冲空孔或切口后落料 2 对于到孔的拉深件 一般先拉深 后冲孔 但孔的位置在零件底部且孔径尺 寸要求不高时 也可先冲孔后拉深 3 对于形状复杂的拉深件 为便于材料变形和流动 应先形成内部形状 再拉 深外部形状 4 整形或校平工序 应在冲压件基本成型以后进行 4 根据生产批量和条件 冲压加工条件和模具制造条件 确定工序组合 生产 批量大时 冲压工序应尽可能组合在一起 用复合模具 小批量生产用单工序简单 模 由于离合器冲压成形需要的多道工序完成 因此选择合理的成形工艺方案十分重 要 考虑到生产批量大 应在生产合格零件的基础上尽量提高生产效率 降低生产成 本 要提高生产成本 应该尽量选择合理的工艺方案 选择复合能复合的工序 但复 合程度太高 模具的结构复杂 安装调试困难 模具成本高 同时可能降低模具的强 度 缩短模具寿命 根据零件形状确定冲压工序类型和选择工序顺序 为了提高生产率 保证模具结 构简单 冲压件尺寸稳定 精度高 冲压该零件的基本工序为反拉深 冲孔复合模 图 1 1 所示为空气滤清器壳零件 材料为 10 号钢 厚度为 t 2mm 大批量生产 而冷冲压是一种先进的金属加工方法 这是建立在金属塑性变形的基础上 利用模具 与冲压设备对板料金属进行加工 以获得所需要的零件形状和尺寸 冷冲压和切削加 工相比较 具有生产率高 加工成本低 材料利用率高 产品尺寸精度稳定 操作简 单 容易实现机械化和自动化等一系列优点 特别适合大批量生产 因此 此零件的 生产选用冲压加工较为经济合理 7 图 1 空气滤清器壳 2 4 冲压工序数确定 由零件图 1 1 冲压开始 毛坯材料应先进行落料工序 通过计算初步确定毛 坯的外形尺寸 落料件为圆形 压力中心在圆心上 为典型的落料 落料之后包括了 正拉深 反拉深 冲孔 等工序 进行拉深时 须用经验公式计算拉深系数 m 判断 是否可以一次拉深成形 通过验算可知此零件可以一次拉深成形 然后在冲中心孔 综上可知 冲压此零件主要有以下几个基本工序 1 落料 2 正拉深 3 反拉深 4 冲中间孔 2 5 模具类型的确定 冲压生产的模具制造费用比较高 占冲压件总成本的 10 30 甚至更高 所以 采用冲压加工的生产方式 必须视生产批量决定采用何种模具形式 由表 2 8 2 生产批量与模具形式之间的关系 参考知 此工件为大批量生产 如果采用单工序模 虽然单工序模具有结构简单 操作安全方便 模具使用寿命高 成本低等优点 但最 主要是工序数较大 生产批量大 形状较为复杂 采用单工序模很难达到精度要求 且生产率低 位置误差较大 故不采用单工序模 所以模具形式采用级进模与复合模 较为合理 显然此工件满足冲压工艺的要求 成形时包括了落料 反拉深 冲孔 压 筋等工序 整形与车边采用专用模具与车床进行 且工件体积较大 拉深与压筋都比 较容易实现 但由此工件的形状分析知不适合采用级进模 通过表 2 9 2 单工序模 级进模与复合模的比较 综合考虑各种生产成本和经济性 确定此工件的冲压成形模 具采用复合模具 8 2 6 工艺方案分析 采用落料拉深冲孔复合模 把三个工序集中在一副复合模中完成 没有中间取放件 过程 一次冲压成形 能保证加工要求 且精度较高 3 模具结构型式的确定 通过以上工艺分析与工艺方案的确定 选定模具种类 落料模 拉深模 冲孔模 等 而落料与正拉深复合 反拉深与冲孔复合 整形为一套模具 总共为二套模具 综合上面的分析 画出模具的结构草图 9 图 2 总装配图 4 部分工艺参数计算 4 1 毛坯尺寸计算 由于拉深时材料厚度不均匀 机械性能有方向性 模具的间隙不均匀以及毛坯定 位不准确等原因 拉深后工件的口部是不平齐的 为使工件整齐 应切去不平的部分 10 因而计算毛坯时应在工件高度方向上加一修边量 根据零件的尺寸取修边余量的 值为 2mm 查表 5 7 冲压工艺与模具设计实用技术 在拉深时 虽然拉深件的各部分厚度会发生一些变化 但如果采用适当的工艺措 施 则其厚度的变化量还是并不太大 在设计工艺过程时 可以不考虑毛坯厚度的变 化 为了便于计算把零件和毛坯分解成若干个简单几何体 分别求出其面积后相加 毛坯的外径与零件的外径相等 都为 225 根据面积相等法可以算出平板材料第 一次正拉深之后毛坯的高度 h 为 54 27 宽度为 102 4 2 计算反拉深次数 在考虑拉深的变形程度时 必需保证使毛坯在变形过程中的应力既不超过材料的 变形极限 同时还能充分利用材料的塑性 也就是说 对于每道拉深工序 应在毛坯 侧壁强度允许的条件下 采用最大的变形程度 即极限变形程度 极限拉深系数值可以用理论计算的方法确定 即使得在传力区的最大拉应力与在 危险断面上的抗拉强度相等 便可求出最小拉深系数的理论值 此值即为极限拉深系 数 但在实际生产过程中 极限拉深系数值一般是在一定的拉深条件下用实验的方法 得出的 我们可以通过查表来取值 该工件反拉深为工件第 2 次拉伸 因此可以计算其拉深系数来确定拉深次数 其反拉深系数为 83 0 100 83 Ddm 查表 4 1 m 0 72 0 74 之间 而 m m 所以反拉深过程可以一次拉深成功 22 5 各部分工艺力计算 5 1 落料 正拉深力过程 5 1 1 落料力 11 平刃凸模落料力的计算公式为 1 kLtP 式中 P 冲裁力 N L 冲件的周边长度 mm t 板料厚度 mm 材料的抗冲剪强度 MPa K 修正系数 它与冲裁间隙 冲件形状 冲裁速度 板料厚度 润 滑情况等多种因素有关 其影响范围的最小值和最大值在 1 0 1 3 P 的范围内 一般 k 取为 1 25 1 3 在实际应用中 抗冲剪强度的值一般取材料抗拉强度的 0 7 0 85 为便于 b 估算 通常取抗冲剪强度等于该材料抗拉强度的 80 即 b 2 b 8 0 因此 该冲件的落料力的计算公式为 3 b LtF 8 03 1 落 N3905 119414 3 8 03 1 N370613 5 1 2 卸料力 一般情况下 冲裁件从板料切下以后受弹性变形及收缩影响 会使落料件梗塞在 凹模内 而冲裁后剩下的板料则箍紧在凸模上 从凸模上将冲件或废料卸下来所需的 力称卸料力 影响这个力的因素较多 主要有材料力学性能 模具间隙 材料厚度 零件形状尺寸以及润滑情况等 所以要精确地计算这些力是困难的 一般用下列经验 公式计算 卸料力 4 FKF 1 卸 式中 F 冲裁力 N 顶件力及卸料力系数 其值可查表 1 K 这里取为 0 04 1 K 因此 NF14825 卸 5 1 3 拉深力 带凸缘圆筒形零件的拉深力近似计算公式为 5 tKdF Fbp 拉 式中 圆筒形零件的凸模直径 mm p d 12 系数 这里取 1 0 F K 材料的抗拉强度 MPa b 因此 NF184608 拉 5 1 4 压边力 压边力的大小对拉深件的质量是有一定影响的 如果过大 就要增加拉深力 因 而会使制件拉裂 而压边圈的压力过小就会使工件的边壁或凸缘起皱 所以压边圈的 压力必须适当 合适的压边力范围一般应以冲件既不起皱 又使得冲件的侧壁和口部 不致产生显著的变薄为原则 压边力的大小和很多因素有关 所以在实际生产中 可 以根据近似的经验公式进行计算 6 qdDQ 4 22 0 式中 D 毛坯直径 mm d 冲件的外径 mm q 单位压边力 MPa 这里 q 的值取 2 5 所以 7 NQ540395 2 5 1102 194 4 22 5 2 反拉深过程 5 2 1 反拉深力 通常反拉深力要比正常拉深力大 20 即 8 拉反 FF2 1 所以有 9 22 2 1KtdF b 反 5 03905 1 5 7914 3 2 1 N87620 5 2 2 顶料力 逆着冲裁方向顶出卡在凹模里的料所需要的力叫顶料力 顶料力的经验计算公式 为 10 FKF D 顶 式中 F 冲裁力 N 顶料力系数 这里查表取 0 04 D K 13 所以有 NF14824 顶 5 3 拉深功的计算 拉深所需的功可按下式计算 11 1000 maxh CP W 式中 最大拉深力 N max P h 拉深深度 mm W 拉深功 N m C 修正系数 一般取为 C 0 6 0 8 所以 N m 126794 1000 461846088 0 W 14 6 凸 凹模结构及工作部分主要尺寸计算 6 1 反拉深凸 凹模刃口尺寸及公差的计算 由式 13 d DDd 0 75 0 14 0 275 0 p CDdp 依据 P54 冲压工艺模具学 以上各式中 查表可知分别为 0 025 0 035 间隙 C 查表 表 2 10 pd 冲压工艺模具学 有 15 mmtC2 0 1 12 0 0 075 0 85 d D mm 12 0 0 85 0 08 0 6075 0 87 p d 0 08 0 81 6 2 冲孔凸 凹模刃口尺寸及公差的计算 对于圆行或 简单规则形状的冲裁件 采用凸凹模分别加工的方法 冲孔时 由于零 件孔尺寸为 16 根据冲孔时间隙取在凹模上 则首先确定基准件凸模刃口尺寸 再 p d 加上便是凹模刃口尺寸 min Z 16 0 p ddp 17 d Zdd pd 0 min 式中 冲孔凸 凹模刃口尺寸 p d d d d 零件孔径公称尺寸 mm 零件制造公差 mm 0 0 d p 最小合理间隙 mm 0 120mm 0 016mm min Z min ZmaxZ 凹 凸模制造偏差 查 冲压工艺学 表 2 6 其值分别为 d p 0 020 0 020 15 带入数值可以算出 16 16 12 p d 0 02 0 d d 02 0 0 采用凸凹模分别加工法 需要分别标注凸凹模刃口尺寸及公差 为了保证合理间隙 必 须满足下列条件 带入数值校核间隙可知满足要求 p d minmax ZZ 6 3 冲孔凸模的设计 6 3 1 凸模的结构设计的三原则 为了保证凸模能够正常工作 设计任何结构形式的凸模都满足如下三原则 精确定位 凸模安装到固定板上以后 在工作过程中其轴线或母线不允许发生任何方向的移 位否则将造成冲裁间隙不均匀 降低模具寿命 严重时可造成啃模 防止拔出 回程时 卸料力对凸模产生拉伸作用 凸模的结构应能防止凸模从固定板中拔出 来 防止转动 对于工作段截面为圆形的凸模 当然不存在防转的问题 可是对于一些截面比较 简单的凸模 例如长圆形 半圆形 矩形等 为了使凸模固定板上安装凸模的型孔加 工容易 常常将凸模固定段简化为圆形 这时就必须保证凸模在工作过程中不发生转 动 否则将啃模 以上三条原则主要是从凸模安装固定方法考虑的 在设计各种凸模的时 应注 意都要满足这三条原则 6 3 2 凸模的尺寸计算 凸模工作部分的尺寸计算 参见前面的主要工艺参数的计算 其他部分结构寸的计 算如下 1 凸模长度 L 凸模长度 L 应根据模具的结构确定 采用固定卸料板和导尺时 凸模长度应该 为 L h h h h 123 式中 h 固定板厚度 mm 1 h 卸料板厚度 mm 2 h 导尺厚度 mm 3 h 附加长度 mm h 主要考虑凸模进入凹模的深度 模具闭合状态下 卸料板到凸模固定板间的安 全距离 15 20mm 以及总修磨量 4 6mm 等因素后确定 而本冲孔凸模为下固定板 16 加上外出部分 一般情况下 凸模的强度是足够的 不必作强度效核 但是 在凸模特别细长 或凸模的断面尺寸很小而坯料厚度较大的情况下 必须进行效核 对于本题的凸模 凸模并不特别细长 所以不须进行强度效核 凸模外形尺寸形状如下图所示 图 3 凸模外形尺寸图 凸模的外形尺寸已标准化 用以上方法求得的外形尺寸应向接近的标准尺寸靠拢 故凸模尺 寸 强度和刚度足够 一般不再进行强度和刚度的核算 6 3 3 凸模的结构形式 当冲裁形状复杂 公差等级高 尺寸大或尺寸较小的零件时 可以采用镶拼式凹 模 但对于此零件的冲裁其凹模结构简单 故采用整体式结构 其凸模结构图如下图 所示 17 图 4 冲孔凸模结构形式图 凸模的固定方法用过盈配合与下固定板固定 采用台肩形式放入下固定板 且同时用 下模板顶住 具体的固定方法见装配图 6 4 拉深凹模的设计 计算拉深凹模的工作尺寸的计算参见前面的主要工艺参数计算 现将其它参数的计算介绍如 下 6 4 1 拉深模的凹模圆角半径 拉深时 材料只有经过凹模圆角流入洞口内才能形成工件的筒壁 所以 r 的大小 对拉深工作的影响非常大 R 小时 材料流过它就困难 弯曲变形阻力 摩擦力 反向弯曲的校直力都大 从而使拉深力增加 工件筒壁容易刮伤 变薄严重 甚至在危险断面处拉破 同时 材料对凹模的压力增加 磨损增大 使模具的寿命降低 这样 材料变形受限制 必 须采用较大的拉深系数 在生产上一般应尽量避免采用过小的凹模圆角半径 R 太大时 拉深初期不与模具表面接触的毛坯宽度加大 由于这部分材料不受压 边力作用 因而容易起皱 在拉深后期毛坯外缘也会早脱离压边作用而起皱 使拉深 件质量不好 在侧壁下部和口部都形成皱折 尤其当毛坯的相对厚度小时 这个现象 更严重 在不产生起皱的前提下 凹模圆角半径越大越好 可按下面公式计算 r 的最小值 r 0 8 18 d tdD 18 式中 D 毛坯直径或上道工序拉深件直径 d 本道工序拉深后的直径 t 材料厚度 以后各次拉深时 r 应逐步减小 其值可按关系式 r确定 dn1 8 0 6 0 nd r 式中 前次拉深的凹模圆角半径 1 nd 本次拉深的凹模圆角半径 dn 经计算反拉深凹模圆角半径为 8mm 拉深凸模的圆角半径 r 凸对拉深工作也有影响 当 r 凸过小时 则角部弯曲变形 大 危险断面容易拉断 当 r 凸过大时 则毛坯底部的承压面积减小 悬空部分加大 容易产生底部的局部变薄和内皱 除最后一次拉深 凸模的圆角半径 r 凸应比凹模半径略小 即 r 凸 0 6 1 r 凹 最后一次拉深时 凸模的 r 凸应等于零件的内圆半径 但不得小 于材料厚度 如工件的内圆角半径要求小于料厚 则要有整形工序来完成 故在此设 计中取 r 凸 6mm 6 4 2 拉深间隙 拉深间隙指拉深凸模与凹模之间的单面间隙 用 Z 表示 1 模具间隙对拉深过程的影响 拉深模的凸模与凹模之间的单边间隙 Z 2 影响拉深力与拉深件的质量 拉深模的凸 凹模间隙 Z 2 大 则摩擦小 能减小拉深力 但如果间隙过大 拉 深件的精度将不易控制 拉深后零件的高度将小于所要求的高度 零件成桶形 拉深模的凸 凹模间隙 Z 2 小 则摩擦大 将增加拉深力 造成许用拉深系数 m 值的增大 如果凸 凹模间隙 Z 2 小于拉深件的材料厚度 则将产生变薄拉深的效果 使得拉深件的精度降低 2 拉深模具间隙的取向 A 除最后一道工序外 间隙的取向不作规定 B 对于最后一道工序 当工件外形尺寸要求一定时 以凹模为基准 凸模尺寸 按凹模减小以取得间隙 当工件内形尺寸要求一定时 以凸模为基准 凹模尺寸按凸 模放大以取得间隙 C 浅拉深时 拉深间隙可取小些 深拉深时 则应取大些 这是因为变形程度 越大 板厚的增厚量也越大 D 多次拉深时 前几次拉深可取较大的拉深间隙 以便使拉深顺利进行 最后 一次拉深则取较小的拉深间隙 以便获得尺寸精度较高的拉深件 E 在整形拉深时 如果要求工件的精度较高 例如 IT10 12 级 可取拉深间隙 稍小于板料厚度 常取 Z 2 0 9 0 95 t 如果整形时只要求减小圆角半径 拉 19 深间隙可稍大于板料厚度 例如取 Z 2 1 05 1 1 t F 板料较软时 可取较小的拉深间隙 因为软料在凸模与凹模之间容易被挤薄 可消除拉深过程已出现的微小皱折 相反 硬度则应取较大的拉深间隙 G 实际供应的板料厚度可能与其公称值相比较有较大的误差 甚至超出板厚的 公差范围 因此 如果成批生产拉深件的板料已经购入 最好依据实测的板料厚度参 考上述原则确定合适的拉深间隙值 3 拉深模具间隙的确定 根据以上对拉深间隙的取向原则和拉深间隙对拉深件的影响我们得知 拉深时 不用压边圈拉深时 考虑到起皱的可能性 取间隙值为 Z 1 1 1 t 3mm max 6 5 凸凹模 拉深凸模和冲孔凹模 设计 6 5 1 凸模的结构设计 1 凸模的结构设计的三原则 为了保证凸模能够正常工作 设计任何结构形式的凸模都满足如下三原则 精确定位 凸模安装到固定板上以后 在工作过程中其轴线或母线不允许发生任何方向的移 位否则将造成冲裁间隙不均匀 降低模具寿命 严重时可造成啃模 防止拔出 回程时 卸料力对凸模产生拉伸作用 凸模的结构应能防止凸模从固定板中拔出 来 防止转动 对于工作段截面为圆形的凸模 当然不存在防转的问题 可是对于一些截面比较 简单的凸模 例如长圆形 半圆形 矩形等 为了使凸模固定板上安装凸模的型孔加 工容易 常常将凸模固定段简化为圆形 这时就必须保证凸模在工作过程中不发生转 动 否则将啃模 以上三条原则主要是从凸模安装固定方法考虑的 在设计各种凸模的时 应注 意都要满足这三条原则 6 5 2 拉深凸模结构 根据以上凸模设计的三个原则 在设计拉深凸模时应满足这三个原则 在学习拉 深成形这一章节时我们知道 拉深凸模结构比较简单 可参见设计模具装配图 在此 仅就其结构设计的一些要点作一简要的介绍 首先每个拉深凸模需钻一通气孔 以防 当工件脱离凸模时在凸模端头与工件底之间的空间形成真空 增加额外的卸件力 严 重时会将工件底部抽瘪 通气孔直径一般可在 3 8mm 之间选取 本设计取 6 5mm 20 受钻头长度限制 一般很难从凸模工件端钻通至固定端 这时可自工作端先钻一深孔 再从凸模侧壁钻孔与之相通 侧孔中心线到凸模工作端只要稍大于拉深工序件的高度 就可达到通气的目的 其次要确定拉深凸模的固定方法 以便确定其固定端的结构形式 对于顺装顺出 件简单拉深模 如果工件直径与模柄直径相差不大 常将凸模与模柄制成一体 如果 两者直径相差较大 或者拉深模有压边装置 可将凸模固定板设计成凸缘式的 借助 固定板与上模板进行连接 许多设计者喜欢采用下述方法固定拉深凸模 凸模固定端 不带凸缘 以过渡配合直接嵌入到模座内一定深度 并用螺钉联接防止拔出 其优点 是模具结构比较的简单 可省去销钉和凸模固定板 但拉深凸模与模座的垂直度比凸 缘式凸模较差 因此不适用于较精密的拉深模 有利于较大的拉深凸模 从节省模具 钢与便于热处理考虑 可采用组合式的结构 凸凹模即拉深时为拉深凸模 冲孔时为冲孔凹模 在设计过程中综合考虑 其一 些设计要点在这里不在叙述 凸凹模结构图如下所示 图 5 拉深凸模冲孔凹模结构图 21 7 压力设备选择 压力机吨位的大小的选择 首先要以冲压工艺所需的变形力为前提 要求设备的 名义压力要大于所需的变形力 而且还要有一定的力量储备 以防万一 从提高设备 的工作刚度 冲压零件的精度及延长设备的寿命的观点出发 要求设备容量有较大的 剩余 最新的观点认为 我们只需要使用设备的 60 70 的容量 甚至 50 即取工 艺变形力的 2 倍 上述设备吨位的选择原则 对于冲裁 弯曲等工序已不存在什么问题 但对于本 设计所使用的拉深 可能还不保险 因为拉深与冲裁不同 最大变形力不是发生在冲 床名义压力的位置 而是发生在拉深成型的中前期 这时虽然最大变形力小于压力机 的名义压力 但最大变形力发生的位置远离名义压力的位置而不保险 于是就需要用 到压力机的许用力行程曲线 本次设计的工艺力行程曲线图如图 3 3 所示 图 6 22 图中零点为滑块的下死点 滑块在距下死点 86mm 处开始冲压零件 曲线 1 为落 料力的负荷曲线 曲线 2 为正拉深力的负荷曲线 曲线 3 为压边力的负荷曲线 曲线 4 为反拉深力的负荷曲线 曲线 5 为 1250KN 压力机的许用力 行程曲线 P 点处为压 力机到达公称压力的位置 其余卸料力和顶料力由于力不大 可以放在压力机预留力 中考虑 从图中我们可以看出冲压的最大总压力 出现在离下死点 86mm 后就需达到 对 于这种落料拉深复合工序 选择设备吨位尺寸时 既不能把以上几个力加起来 再乘 个系数值 作为设备的吨位 也不能仅把落料力或拉深力加起来 再乘个系数 作为设 备吨位 而应该根据压力机说明书中所给出的允许工作负荷曲线作出判断和选择 对于本次设计的复合模 根据工艺力的大小和出现的位置 查表初选吨位为 1250KN 查表选择压力机 其主要具体参数如下 表 1 名称量值 公称压力1600KN 滑块行程160mm 行程次数40 次 1 min 最大封闭高度450mm 封闭高度调节量 工作台尺寸 柄孔尺寸 工作台板厚 电动机功率 350mm 1120 710mm 70 80mm 130mm 15KW 23 8 模具设计 8 1 模具结构的设计 模具结构形式的选择采用反拉深 冲孔复合模 首先要考虑落料凸模 兼拉深凹 模 的 壁厚是否过薄 能够保证足够的强度 故采用复合模 如前所述 模具设计包括模具结构形式的选择和设计 模具结构参数计算 模具 图的绘制等内容 现对反拉深 冲孔复合模设计步骤如下 模具结构如图 7 所示 图 7 正反拉深 冲孔复合模 如图 7 所示 已经正拉深过的材料送进来后 压力机加压 滑块夹着模柄带动凸 24 凹模向下运动 准备反拉深 当到达滑块行程下死点之前 2mm 时 开始冲孔 冲孔凸 模不动 凸凹模继续下走到达死点完成反拉深冲孔复合 至此零件加工成型 8 2 模具的闭合高度 根据以上反拉深和冲孔复合模结构图可知 模具的闭合高度 hm 为 Hm 下模板厚度 上模板厚度 凸凹模长度 垫板 冲孔凸模高度 公共长度 50 65 88 10 74 37 250mm 查所选设备的参数 压力机的最大的闭合高度为 360mm 最小闭合高度为 180 mm 则模具的装模高度应该满足下式要求 Hmax 5 hm Hmin 10 19 即 355 250 190 故满足设计要求 9 模具其它零件设计及计算 9 1 冲模的导向装置 冲模工作时 除了由压力机滑块对上模与下模进行导向以外 还可单独设置导向 装置进行导向 其主要作用如下 1 模具在压力机上安装调整比较的方便 2 冲制的工件质量稳定 冲裁间隙始终保持一致而不易发生变化 因此工件有较 好的互换性 3 冲模不易损坏 故模具的寿命比无导向冲模高 9 1 1 无导向冲裁 1 无导向冲裁的条件 无导向冲裁是指冲裁模本身无导向装置 冲裁时 压力机滑块的导向精度 即滑 块横向偏摆的最大距离将直接影响冲裁间隙的均匀程度 无导向冲裁不啃模的条件是 在凸模与凹模单面间隙调整均匀的条件下 其值 应不小于压力机滑块的导向精度 如果从保证冲裁件断面质量考虑 则单面冲裁间隙 允许的波动值 应不小于压力机滑块的导向精度 25 2 无导向冲裁的应用 无导向冲裁模的优点是模具结构简单 装配容易 成本降低 其缺点是冲裁过程 中冲裁间隙的波动将造成工件的质量不稳定 精度较低 并加速模具刃口的磨损 调 模间隙不好控制 会造成啃模事故 因此 无导向冲裁模的安全性较差 综上所述 在板料厚度大于 0 8 1mm 精度要求不高 生产批量较小的落料 冲孔等单工序生 产中 可以采用无导向装置 9 1 2 导板导向 1 导板导向的特点 将固定卸料板式模具的固定卸料板与凸模制成小间隙配合 一般为 H7 h6 称为 导板 导板的型孔按凸模刃口尺寸配作 导板的功用有两个 一是在冲裁时起上模与 下模之间的导向作用 二是在回程时起卸料作用 导板导向式冲裁模突出的优点是使用时非常安全 可以说是所有冲裁中最安全的 因为在使用过程中 始终不允许凸模与导板脱离 2 导板导向的应用 导板式导向的应用仍有很大的局限性 首先 由于凸模要兼作导向件 其截面 尺寸不能太小 以免受侧向力而折断 其截面也不应太复杂 其次 由于使用中不允 许凸模与导板脱离 选用压力机也受到了限制 只能使用行程可调冲床 而且导板导 向式冲裁模仍属于固定卸料方式 也不适宜冲裁薄料 但对于板料厚度大于 0 8mm 形状较简单的落料加工 采用导板导向式冲裁模 还是很适合的 9 1 3 模架的导向 1 模架导向的特点 普通模架由导柱 导套 上模座和下模座组成 从安全考虑 通常导柱安装在 下模座 导套安装在上模座 导柱与导套的配合面取圆柱面 以便容易加工成小间隙 配合 使模架的导向精度高于压力机滑块的导向精度 采用模架进行导向 不仅能保证上 下模的导向精度 而且能提高模具的刚性 延长模具的使用寿命 使冲裁件的质量比较稳定 使模具的安装调整比较容易 因此 在中小型冲模上广泛采用模架作为上 下模的导向装置 模架可视为模具的一个部件 并且早已高度标准化与商品化 在冲模设计时 特别是中小型冲模设计时 应尽量选择专业生产的标准模架 对提高模具质量 缩短 制模周期有着十分重要的意义 9 2 模架的类型及应用 按导柱不同的位置 分为如下四种模架 26 中间导柱模架 导柱分布在矩形凹模的对称中心线上 两个导柱的直径不同 可避免上模与下模装错而发生啃模事故 适用于单工序模和工位少的级进模 后侧导柱模架 后侧导柱模架导柱分布在模座的一侧且直径相同 只适用横向 送料 其优点是工作面开敞 是适于在大件边缘冲裁 其缺点是刚性与安全性最差 工作不够平稳 应尽量少用 对角导柱模架 导柱分布在矩形凹模的对角线方向上 既可以横向送料 又可以 纵向送料 由于导柱间的误差方向与送料方向倾斜 因此一般认为导向精度高于前两 种模架 适于各种冲裁模使用 特别适于级进冲裁模的使用 为避免上 下模的方向 装错 两导柱直径制成一大一小 四导柱模架 4 个导柱分布在矩形凹模的两对角线方向上 模架的刚性很好 导 向非常平稳 但价格较高 一般的冲压加工不需要四导柱模架 只要要求模具刚性与 精度都很高的精密冲裁模 以及同时要求模具寿命很高的多工位自动级进模才采用 弹压导板式模架 弹压导板除具有弹压卸料板压料及卸料功能外 还能对凸模进 行导向 按导柱导套配合性质的不同 有如下两种形式 导柱导套滑动导向模架 将导柱与导套制成小间隙配合 为 H6 h5 时称为一级 模架 为 H7 h6 时称为二级模架 在加工时 导柱导套与模座均为 H7 r6 过盈配合 为避免导套压入模座因变形而影响与导柱的配合 将导套压入段的内孔直径加大 1mm 不与导柱相配合 装配良好的模架 应能用两手轻轻抬起上模座而下模座不动 但这样的效果很难 达到 因为导柱与模座为过盈配合 压入导柱导套时难以保证垂直度 所以在装配 时 导柱 导套与模座可以较松的过渡配合 H7 m6 代替过盈配合 容易保证导柱和导 套的轴线垂直于模座平面 使模架的导向精度只决定于加工精度 而容易制成精密模 架 对于冲裁模 导柱导套的配合间隙应小于单面间隙 当双面冲裁间隙不超过 0 03 时 相当于板料厚度小于 0 5mm 可选用一级模架 双面冲裁间隙超过 0 03mm 时 可选用二级模架 为了保证使用中的安全和可靠性 设计与装配模具时 还应注意下列事项 当模具处于闭合位置时 导柱的上端面与上模座的上平面应留 10 15mm 的距离 导柱下端面与下模座下平面应留 2 5mm 的距离 导套与上模座上平面应留不小于 3mm 的距离 同时上模座开横槽 以便排气 导柱导套滚动导向模架 在导柱与导套之间加多排钢球 组成滚动导向装置滚 动导向的突出特点是 钢球与导柱 导套之间不但没有间隙 而且有 0 01 0 02mm 的过盈量 成为无间隙导向 因此其导向精度非常高 27 为了减少磨损 钢球沿导柱与导套工作面的滚动轨迹应不重合 为此 钢球在保 持圈内的排列 横向应当错开 纵向连线与导柱轴线成 8 度角 为了防止保持圈在工作时下沉 脱离导套而减少配合长度 可在导柱上另加一个 支承弹簧 滚动导向装置属于无间隙导向 精度高 寿命长 使用于高速冲模 薄料 t 小 于 0 5mm 无间隙冲裁 精密冲裁 硬质合金模及其它精密冲裁 标准模架 标准模架是指列入模具国家标准的模架 标准模架有如下特点 1 标准模架是模具标准件中商品化程度最高的 有各种型号与规格可供选购 2 出售的标准模架均由专业厂成批制造 质量有保障 价格便宜 3 虽然每个模具都是单件生产的 但是模架却可以批量生产 为适应批量生产 的需要 降低生产成本 提高模架质量 模座采用铸铁制造 普通模架的导柱与导套 选用 20 号钢制造并经渗碳淬火 硬度为 58 62HRC 而滚动导向模架的导柱与导套 则采用轴承钢 GCr15 制造 淬火硬度为 62 68HRC 4 标准模架严格按冷冲模模架技术条件 GB2854 81 制造与验收 可见 标准模架的质量是很高的 设计模具时应尽量选用 根据以上对各种模架的比较 为了提高生产率 降低模具的成本 故在选择模架 时 根据以上模架的使用和装配要求 在此设计中选用中间导柱标准模架 9 3 定位装置 冲压加工时 条料或坯料在冲模内处于正确的位置 称为定位 定位的基本形式有如下三种类型 1 导向定位 2 接触定位 3 形状定位 在此设计模具中选用接触定位 9 4 卸料装置 卸料装置的功用是在一次冲裁结束之后 将条料或工件与落料凸模或冲孔凸模脱 离 以便进行下一次冲裁 在这里只介绍固定卸料装置 9 4 1 固定卸料装置的形式 1 整体式卸料板 结构简单 但装配调整不便 2 分体式卸料板 导料板装配方便 应用较多 3 悬臂式卸料板 用于窄长件的冲孔或切口后的卸料 28 4 拱桥十卸料板 用于空心件或弯曲件冲底孔后的卸料 9 4 2 固定卸料板的固定方式 1 卸料板和凹模用同一螺钉和销钉紧固到下模座上 螺钉数量为 4 个 其结构 简单 但为了刃磨凹模 在拆下卸料板同时 也使凹模脱离了下模座 如模具是用导 柱导向的 刃磨后再重新装配模具 很可能使冲裁间隙不如初装时均匀而损害模具的 精度 2 卸料板只连接到凹模上 凹模再单独连接到下模座上 螺钉一般要增加 4 6 个 销钉要增加 2 个 其结构复杂些 但拆下卸料板时 凹模不脱离下模座 也就克服了前者的缺点 应注意 在下模座与卸料板定位销对应处 应钻直径稍大于 销直径的通孔 以便拆卸料板时顶出销钉 如果板料较薄 采用固定卸料方式 会引起板料严重翘曲 使工件质量不好 在 间隙过大时 还容易出现卡死现象 严重时可能损坏模具 因此 采用固定卸料方式 按生产经验 板料厚度不宜大于 0 8mm 而且不适于冲软铝板 固定卸料板的平面外形尺寸一般与凹模板相同 其厚度可取凹模厚度的 0 8 倍 板料厚度超过 3mm 时 可与凹模厚度一致 固定卸料板形孔与凸模的单面间隙可以取 0 2 0 5mm 厚料与硬料可取大值 9 5 推件装置的设计 复合模出件均为逆出件 冲入凹模内的工件需由出件装置反向推出或顶出 倒装 复合模的出件装置在上模 也称为推件装置 顺装复合模的出件装置在下模 也称为 顶件装置 推件装置一般由推件板 推杆 打板 打杆组成 在回程 当滑块内的打杆横 梁撞击到床身两侧的限为螺钉时 便产生推件力 并通过打杆 打板 推杆传至推件 板 类似的装置如果用于顺装复合模就是排除冲孔废料的打料装置 9 5 1 推件板的结构形式 为了防止推件板从凹模内脱出 其结构形式一般采用凸缘式的 这种结构是普遍 采用的结构 对于圆截面的推件板 这种整体凸缘结构具有结构简单 容易加工的优 点 对于非圆截面的 特别是不规则截面的推件板 工艺性就很差 则采用分体式的 结构 故在此采用圆截面推件板 9 5 2 推件板的尺寸与公差 推件板是出件装置中最重要的零件 其截面形状与凹凸模很相似 其外形与凹 模有配合关系 其内形又与凸模有配合关系 因此加工难度较大 工作时 推件板应 平稳 避免卡死 为此 推件板与凹模和凸模应取小间隙的配合 间隙取得过大反而 29 容易卡死 推件板与凹模和凸模的配合有如下三种方式