第4章冲压模具设计实例PPT课件.ppt

第4章冲压模具设计实例 4 1冲压件的工艺性 4 2模具设计的内容及程序 4 3实例分析小结 思考与练习题 4 1 1冲裁件的工艺性获得金属零件的方法有很多种 铸造 锻造 切削加工等等 要知道某个零件用什么样的工艺进行加工最合理 最经济 就必须分析该零件对各种加工工艺的工艺适应性 冲裁件工艺性分析 即是指冲裁件对冲裁工艺的适用性 一般情况下 对冲裁工艺性影响最大的是几何形状 尺寸和精度要求 良好的冲裁工艺性应能满足材料省 工序少 模具结构简单 加工容易 寿命较长 操作安全方便 产品质量稳定等要求 4 1冲压件的工艺性 1 冲裁件的结构工艺性 1 几何形状 冲裁件形状尽可能设计成简单对称和符合材料合理排样 工件用条料两端裁切圆弧成形时 圆弧的半径应超过料宽的一半 即可用于少废料排样 若限定R B 2 则不能用于少废料排样 以免因送料偏移而产生台肩 如图4 1所示 图4 1圆弧与宽度的关系 2 最小圆角半径 冲裁件的转角处应有一定的圆角 其最小圆角半径允许值见表4 1 如果是少无废料排样冲裁 或者采用镶拼模具时可不要求冲裁件有圆角 圆角大大地减小了应力集中 有效地消除了冲模开裂现象 表4 1冲裁件最小圆角半径 3 冲裁件上的悬臂和凹槽 如果冲裁件上有悬臂和凹槽 其尺寸如表4 2所示 4 冲裁件孔的最小尺寸 冲裁件上孔的尺寸受到凸模强度和刚度的限制 不能太小 冲孔的最小尺寸见表4 3 5 最小孔边距 孔间距 当冲孔边缘与工件外形的边缘平行时 其距离不应小于材料厚度的1 5倍 当冲孔边缘与工件外形的边缘不平行时 其距离不应小于材料厚度 如图42 a 所示 6 在弯曲件或拉深件上冲孔时 孔边与直壁之间应保持一定的间距 以免冲孔时凸模折断 如图4 2 b 所示 表4 2悬臂和凹槽的最小宽度B 表4 3冲孔的最小尺寸 图4 2冲裁件的工艺性 2 冲裁件的精度和断面粗糙度 1 精度 冲裁件的经济精度一般不高于IT11级 最高可达IT8 IT10级 冲孔比落料的精度约高一级 冲裁件的尺寸公差 孔中心距的公差分别见表4 4和表4 5 2 断面粗糙度 冲裁件的断面粗糙度Ra一般为12 5 50 m 最高可达6 3 m 具体数值见表4 6 表4 4冲裁件内形与外形尺寸公差 表4 5冲裁件孔的中心距公差 表4 6一般 冲裁件断面的近似粗糙度 4 1 2弯曲件的工艺性弯曲件的工艺性是指弯曲件的结构形状 尺寸 精度 材料及技术要求等是否符合弯曲加工的工艺要求 具有良好工艺性的弯曲件 能简化弯曲工艺过程及模具结构 提高弯曲件的质量 1 弯曲件的材料弯曲件的材料 要求具有足够的塑性 屈弹比 s E和屈强比 s b小 足够的塑性和较小的屈强比能保证弯曲时不开裂 较小的屈弹比能使弯曲件的形状和尺寸准确 最适宜于弯曲的材料有软钢 黄铜和铝等 脆性较大的材料 如磷青铜 铍青铜 弹簧钢等 要求弯曲时有较大的相对弯曲半径r t 否则容易发生裂纹 对于非金属材料 只有塑性较大的纸板 有机玻璃才能进行弯曲 而且在弯曲前坯料要进行预热 相对弯曲半径也应较大 一般要求r t 3 5 2 弯曲件的结构1 弯曲件的形状弯曲件的形状应尽可能对称 弯曲半径左右一致 以防止弯曲变形时坯料受力不均匀而产生偏移 有些虽然形状对称 但变形区附近有缺口的弯曲件 若在坯料上先将缺口冲出 弯曲时会出现叉口现象 严重时难以成形 这时应在缺口处留连接带 弯曲后再将连接带切除 如图4 3 a b 所示 为了保证坯料在弯曲模内准确定位 或防止在弯曲过程中坯料的偏移 最好能在坯料上预先增添定位工艺孔 如图4 3 b c 所示 图4 3增添连接带和定位工艺孔的弯曲件 2 弯曲件的相对弯曲半径弯曲件的相对弯曲半径r t应大于最小相对弯曲半径 见表2 6 但也不宜过大 因为相对弯曲半径过大时 受到回弹的影响 弯曲件的精度不易保证 3 弯曲件的弯边高度弯曲件的弯边高度不宜过小 其值应为h r 2t 如图4 4 a 所示 当h较小时 弯边在模具上支持的长度过小 不容易形成足够的弯矩 很难得到形状准确的零件 当零件要求h r 2t时 则需预先在圆角内侧压槽 或增加弯边高度 弯曲后再切除 如图4 4 b 所示 如果所弯直边带有斜角 则在斜边高度小于r 2t的区段不可能弯曲到要求的角度 而且此处也容易开裂 见图4 4 c 因此必须改变零件的形状 加高弯边尺寸 如图4 4 d 所示 图4 4弯曲件的弯边高度 4 弯曲件的孔边距离带孔的板料弯曲时 如果孔位于弯曲变形区内 则弯曲时孔的形状会发生变形 因此必须使孔位于变形区之外 如图4 5所示 一般孔边到弯曲半径r中心的距离要满足以下关系 当t 2mm时 L t 当t 2mm时 L 2t 如果上述关系不能满足 在结构许可的情况下 可在靠变形区一侧 预先冲出凸缘形缺口或月牙形槽 见图4 6 a b 也可在弯曲线上冲出工艺孔 见图4 6 c 以改变变形范围 利用工艺变形来保证所需孔不产生变形 图4 5弯曲件的孔边距 图4 6防止弯曲时孔变形的措施 5 避免弯边根部开裂在局部弯曲坯料上的某一部分时 为避免弯边根部撕裂 应使不弯部分退出弯曲线之外 即保证b r 见图4 4 a 如果条件b r不能满足 可在弯曲部分和不弯曲部分之间切槽 见图4 7 a 槽深l应大于弯曲半径R 或在弯曲前冲出工艺孔 见图4 7 b 图4 7避免弯边根部开裂的措施 6 弯曲件的尺寸标注弯曲件尺寸标注不同 会影响冲压工序的安排 例如 图4 8所示是弯曲件孔的位置尺寸的三种标注方法 其中采用图 a 所示的标注方法时 孔的位置精度不受坯料展开长度和回弹的影响 可先冲孔落料 复合工序 然后再弯曲成形 工艺和模具设计较简单 图 b c 所示的标注法 受弯曲回弹的影响 冲孔只能安排在弯曲之后进行 增加了工序 还会造成许多不便 图4 8弯曲件的尺寸标注 3 弯曲件的精度弯曲件的精度受坯料定位 偏移 回弹 翘曲等因素的影响 弯曲的工序数目越多 精度也越低 对弯曲件的精度要求应合理 一般弯曲件长度的尺寸公差等级在IT13级以下 角度公差大于15 弯曲件长度未注公差的极限偏差见表4 7 弯曲件角度的自由公差见表4 8 表4 7弯曲件未注公差的长度尺寸的极限偏差 表4 8弯曲件角度的自由公差值 4 1 3拉深件的工艺性1 拉深件的形状 尺寸 1 拉深件应尽量简单 对称 并能一次拉深成形 2 拉深件壁厚公差或变薄量要求一般不应超出拉深工艺壁厚变化规律 根据统计 不变薄拉深工艺的筒壁最大增厚量约为 0 2 0 3 t 最大变薄量约为 0 1 0 18 t t为板料厚度 3 当零件一次拉深的变形程度过大时 为避免拉裂 需采用多次拉深 这时在保证必要的表面质量前提下 应允许内 外表面存在拉深过程中可能产生的痕迹 4 在保证装配要求的前提下 应允许拉深件侧壁有一定的斜度 5 拉深件的底部或凸缘上有孔时 孔边到侧壁的距离应满足a R 0 5t 或r 0 5t 如图4 9 a 所示 6 拉深件的底与壁 凸缘与壁 矩形件的四角等处的圆角半径应满足 r t R 2t rg 3t 如图4 9 b 所示 否则 应增加整形工序 一次整形的 圆角半径可取r 0 1 0 3 t R 0 1 0 3 t 7 拉深件的径向尺寸应只标注外形尺寸或内形尺寸 而不能同时标注内 外形尺寸 带台阶的拉深件 其高度方向的尺寸标注一般应以拉深件底部为基准 如图4 10 a 所示 若以上部为基准 见图4 10 b 高度尺寸不易保证 图4 9拉深件的孔边距及圆角半径 图4 10带台阶拉深件的尺寸标注 2 拉深件的精度一般情况下 拉深件的尺寸精度应在IT13级以下 不宜高于IT11级 圆筒形拉深件的径向尺寸精度和带凸缘圆筒形拉深件的高度尺寸精度分别见表4 9和表4 10 对于精度要求高的拉深件 应在拉深后增加整形工序 以提高其精度 由于材料各向异性的影响 拉深件的口部或凸缘外缘一般是不整齐的 出现 突耳 现象 需要增加切边工序 表4 9圆筒形拉深件径向尺寸的偏差值 表4 10带凸缘圆筒形拉深件高度尺寸的偏差值 3 拉深件的材料用于拉深件的材料 要求具有较好的塑性 屈强比 s b小 板厚方向性系数r大 板平面方向性系数 r小 屈强比 s b值越小 一次拉深允许的极限变形程度越大 拉深的性能越好 例如 低碳钢的屈强比 s b 0 57 其一次拉深的最小拉深系数为m 0 48 0 50 65Mn钢的 s b 0 63 其一次拉深的最小拉深系数为m 0 68 0 70 所以有关材料标准规定 作为拉深用的钢板 其屈强比不大于0 66 板厚方向性系数r和板平面方向性系数 r反映了材料的各向异性性能 当r较大或 r较小时 材料宽度的变形比厚度方向的变形容易 板平面方向性能差异较小 拉深过程中材料不易变薄或拉裂 因而有利于拉深成形 4 2 1冷冲模工艺及模具设计的内容在冲压生产中 模具设计必须在工艺方案确定的前提下进行 因此 当得到一个产品的零件图时 首先是进行工艺规程的制定 然后根据相应的工艺方案设计对应的模具 4 2模具设计的内容及程序 为保证产品质量 同时考虑经济效益和操作的方便安全 应全面兼顾生产组织各方面的合理性与可行性 在制定冷冲压工艺规程时 必须制定包括原材料的准备 获得工件所需的基本冲压工序和其它辅助工序 退火 表面处理等 制定冷冲压工艺规程就是针对具体的冲压件恰当地选择各工序的性质 正确确定坯料尺寸 工序数目 工序件尺寸 合理安排冲压工序的先后顺序和工序的组合形式等内容 最终确定最佳的冷冲压工艺方案 4 2 2制定冲压工艺的程序1 收集制定冲压工艺的原始资料冲压工艺规程的制定应在收集 调查研究并掌握有关设计的原始资料基础上进行 冲压工艺的原始资料主要包括以下内容 1 冲压件的产品图及技术要求 2 产品原材料的尺寸规格 性能及供应情况 3 产品的生产批量及定型程度 它是制定冲压工艺规程中必须考虑的重要内容 它直接影响到加工方法的确定和模具类型的选择 4 冲压设备条件 5 模具制造条件及技术水平 2 制定冲压工艺过程的程序及方法在清楚了解上述原始资料的基础上 制定冲压工艺过程的程序及方法如下 1 冲压件的分析它包括两方面 冲压件的经济性分析和冲压件的工艺性分析 2 冲压工艺方案的确定工艺方案的确定是在对冲压件的工艺性分析之后应进行的重要环节 确定工艺方案主要要确定以下几个方面 1 工序性质 即确定是哪一种工序来完成零件的加工的 如是冲裁还是拉深或是弯曲或其它工序 2 工序数量 即要确定用几道工序来完成零件的加工过程 往往要通过工艺计算才能确定 如拉深件的工艺计算 3 工序顺序 即确定工序的先后顺序如何 如是先弯曲后冲孔还是先冲孔后弯曲 4 工序的组合方式等 有几道工序时 如何组合 以达到最好的效果 如落料拉深组合 拉深整形组合等 冲压工艺方案的确定要考虑多方面的因素 有时还要进行必要的工艺计算 因此实际中通常提出几种可能的方案 进行分析比较后确定最佳方案 3 工艺计算 1 排样与裁板方案的确定 根据冲压工艺方案 确定冲压件或坯料的排样方案 确定条料宽度和步距 选择板料规格 确定裁板方式 计算材料利用率 2 冲压工序件的形状和工序尺寸计算 4 冲压设备的选择计算变形力以及模具的闭合高度和轮廓尺寸等因素 合理选定冲压设备的类型规格 5 编写冲压工艺文件冲压工艺文件主要是冲压工艺卡 工艺规程卡 和冲压工序卡 它是指导工人进行生产的指导性技术文件 其格式参考表4 11 4 2 3模具设计的程序在确定冲压工艺方案以后 根据所需模具进行设计 其设计程序如下 1 模具结构类型的选择工艺方案一般已确定了模具的类型 即单工序模或复合模或级进模 对每一种类型的模具 须进行结构的选择 包括工作零件结构 形状及固定方式 条料 毛坯 定位的零件选择 卸料方式 送料方向的选择 模架类型的选择等 对于复合模来说 在凸凹模壁厚足够的情况下 应优先采用倒装式复合模 当凸凹模壁厚较小时才考虑采用正装式 如果凸凹模壁厚更小 则要考虑采用级进模或单工序模 而级进模设计更多地应考虑条料的定位选择 一般来说 侧刃加导正销定位应用广泛 2 模具零 部件的设计 选用及计算模具零 部件的设计 选用及计算包括模具工作零件刃口尺寸的计算 凹模外形尺寸及压力中心的确定 当凹模外形尺寸确定以后 便可根据凹模外形尺寸结合所选模具结构类型选用合适的模架及相对应的各种标准零件 3 绘制冷冲模装配图冷冲模装配图用以表明冲模结构 工作原理 组成冲模的全部零件及其相互位置和装配关系 一般情况下 冷冲模装配图用主视图和俯视图表示 若还不能表达清楚 可再增加其它视图 一般按1 1的比例绘制 冷冲模装配图上要标明必要的尺寸和技术要求 1 主视图主视图放在图样的上面偏左 按冲模正对操作者方向绘制 采取剖面画法 一般按模具闭合状态绘制 在上 下模间有一完成的冲压件 断面涂红或涂黑 主视图是模具装配图的主体 应尽量在主视图上将结构表达清楚 力求将凸 凹模的形状画完整 2 俯视图通过俯视图可以了解冲模零件的平面布置 排样方法以及凹模的轮廓形状等 习惯将上模部分拿去 只反映模具的下模俯视可见部分 或将上模的左半部分去掉 只画下模 而右半部分保留上模画俯视图 俯视图上 制件图和排样图的轮廓用双点划线表示 图上应标注必要的尺寸 如模具闭合高度 模架外形尺寸 模柄直径等 不标配合尺寸和形位公差 3 制件图和排样图制件图和排样图通常画在图样的右上角 要注明制件的材料 规格以及制件的尺寸 公差等 若图面位置不够可另立一页 对于多工序成形的制件 除绘制本工序的模具装配图外 还应绘出排样图 排样图布置在制件图的左边 此外 对于有落料工序的模具装配图 还应绘出排样图 排样图布置在制件图的下方 并注明条料宽度及公差 步距和搭边值 制件图和排样图应按比例绘出 若不一致 必须用箭头指明冲压方向 4 标题栏与明细表标题栏与明细表布置在图样的右下角 并按机械制图国家标准填写 零件明细表应包括件号 名称 数量 材料 热处理 标准零件代号及规格 备注等内容 模具图中的所有零件都应详细填写在明细表中 5 技术要求装配图和技术要求布置在图纸的下部的适当位置 其内容包括 凸 凹模间隙 模具闭合高度 该模具的特殊要求 其它按本行业国标或厂标执行 4 冲模零件图零件图的绘制和标注应符合机械制图国家标准的规定 要注明全部尺寸 公差配合 形位公差 表面粗糙度 材料 热处理要求及其它技术要求 冲模零件在图样上的方向应尽量按该零件在装配图中的方位画出 不要随意旋转或颠倒 以防画错 影响装配 对凸 凹模配合加工 其配制尺寸可不标公差 仅在该标称尺寸右上角注上符号 并在技术条件中说明 注 尺寸按凸 凹 模配作 保证间隙若干即可 4 3 1弯曲模实例分析如图4 11所示的制件 材料为黄铜H68 半硬 料厚为1mm 制件尺寸精度为IT14级 年产量20万件 4 3实例分析 图4 11片状弹簧 1 工艺分析该制件形状简单 尺寸较小 厚度适中 一般批量 属于普通冲压件 但有几点值得注意 1 2 3 5mm两孔壁距及与周边距仅2 25 2 5mm 在设计模具时应加以注意 2 制件头部有15 的非对称弯曲 控制回弹是关键 3 制件较小 从安全角度考虑 要采用适当的取件方式 4 有一定的批量 应重视模具材料和结构的选择 保证一定的模具寿命 2 工艺方案的确定根据制件工艺性分析 其基本工序有落料 冲孔和弯曲三种 按其先后顺序组合 可得如下五种方案 方案一 落料 弯曲 冲孔 单工序冲压 方案二 落料 冲孔 弯曲 单工序冲压 方案三 冲孔 切口 弯曲 落料 单件复合冲压 方案四 冲孔 切口 弯曲 切断 落料 两件连冲复合 方案五 冲孔 切口 弯曲 切断 两件连冲级进冲压 前两个方案属于单工序冲压 不能满足生产批量的要求 且因制件小 操作也不安全 故不宜采用 方案三 四属于复合冲压 由于制件结构尺寸小 壁厚小 复合模装配困难 强度也会受到影响 寿命不高 又因冲孔在前 落料在后 以凸模插于凹模内进行了落料 必然会受到材料的切向流动阻力 有可能使3 5mm凸模纵向变形 采用复合冲压 除解决了操作安全性和生产率等问题外 又有了新的难题 因此使用价值不高 也不宜采用 方案五属于级进冲压 既解决了方案一 二的问题 又不存在方案三 四的难点 故此方案最合适 3 模具结构形式的确定因制件材料较薄 为保证制件平整 可采用弹压卸料装置 它还可对冲孔小凸模起导向作用和保护作用 为方便操作和取件 选用双柱可倾式压力机 纵向送料 因制件薄而窄 故采用侧刃定位 生产率高 材料消耗也不大 4 工艺设计 1 计算毛坯尺寸 相对弯曲半径为r t 2 1 2 0 5 因此 毛坯尺寸按公式 2 21 确定 由图4 12可知 2 画排样图 因 3 5mm两孔的壁距较小 将两小孔分两步冲出 冲孔与切口之间留一空位 故该制件需6个工位完成 查模具设计资料得切断工序中工艺废料带的标准值C 3 考虑到凸模强度 实取5 切口工序中工艺废料的值S 3 5 侧刃裁切的条料宽度F 1 5 条料下料公差 0 5 得条料下料宽度 如图4 13所示 画排样图 选取板料规格为1500mm 600mm 1mm的条料 采用横裁法 每块板料可裁成16根条料 其材料利用率为 3 选择压力机 完成本制件所需的冲压力由冲裁力 弯曲力及卸料力 推料力组成 所选压力机的标称压力大于上述各力之和 冲裁力由冲孔力 切口力 切断力和侧刃冲压力组成 其值为93 1kN 为有效控制回弹 采用校正弯曲 其弯曲力为39 8kN 卸料力和推件力为28kN 总冲压力为160 9kN 故初选压力机为J23 35双柱可倾式压力机 图4 12毛坯尺寸计算 图4 13排样图 4 计算压力中心 取坐标系如图4 14所示 由于该图形规则且左右对称 故x0 0 y0可按公式 5 计算凸凹模刃口尺寸 略 5 填写工艺卡片填写工艺卡片见表4 11 图4 14压力中心 6 模具结构设计凹模设计 采用整体式矩形凹模 见图4 15 其外形尺寸可按下列公式确定 套国标后 取凹模最终尺寸为160mm 140mm 20mm 模架及其它冲模零件尺寸可依据凹模尺寸查设计手册得到 图4 15凹模周界尺寸的确定 表4 11冲压工艺卡片 7 画装配图及零件图画装配图及零件图如图4 16 图4 19所示 4 3 2拉深件实例分析拉深如图4 20所示的带凸缘圆筒形零件 材料为08钢 厚度t 1mm 大批量生产 试确定拉深工艺 设计拉深模 图4 16装配图及零件明细表 图4 16装配图及零件明细表 图4 17凹模 图4 18弯曲凸模 图4 19凸模固定板 图4 20拉深模总装图 1 零件的工艺性分析该零件为带凸缘圆筒形件 要求内形尺寸 料厚t 1mm 没有厚度不变的要求 零件的形状简单 对称 底部圆角半径r 2mm t 凸缘处的圆角半径R 2mm 2t 满足拉深工艺对形状和圆角半径的要求 尺寸20 1 0 20mm为IT12级 其余尺寸为自由公差 满足拉深工艺对精度等级的要求 零件所用材料08钢的拉深性能较好 易于拉深成形 综上所述 该零件的拉深工艺性较好 可用拉深工序加工 2 确定工艺方案为了确定零件的成形工艺方案 先应计算拉深次数及有关工序尺寸 该零件的拉深次数与工序尺寸计算见例2 2 其计算结果列于表4 12中 根据上述计算结果 本零件需要落料 制成 79mm的坯料 四次拉深和切边 达到零件要求的凸缘直径 55 4mm 共6道冲压工序 考虑该零件的首次拉深高度较小 且坯料直径 79 与首次拉深后的筒体直径 39 5 的差值较大 为了提高生产效率 可将坯料的落料与首次拉深复合 因此 该零件的冲压工艺方案为 落料与首次拉深复合 第二次拉深 第三次拉深 第四次拉深 切边 表4 12拉深次数与各次拉深工序件尺寸 mm 本例下面仅以第四次拉深为例介绍拉深模设计过程 3 拉深力与压料力计算 1