卡圈零件冲压工艺及模具设计

11.引 言模具是衡量一个国家工业发展水平的重要指标，模具工业在整个国民经济发展中的作用愈来愈显著。据近年来的统计表明，美、日等国的模具工业年产值已经超过机床的工业年产值的 6%12%；我国 2003 年模具工业总产值也已达 450 亿左右，其中冷冲压模具因其用用途广、技术成熟而在模具中占比例较大。可以预见，高速发展的经济对模具提出更为迫切的需要和挑战。研究和发展冲压生产技术，对发展国民经济和加速工业现代化建设，具有十分重要的意义。模具设计是一种经验性较强的设计，设计人员在长期的工作中积累的经验和知识对模具设计起着十分重要的影响。尽管模具 CAD 技术应用越来越广泛，但目前广为使用的模具 CAD 技术大都停留在计算机辅助绘图层次，难以胜任对模具开发的高质量、短周期、低成本要求。传统的工艺信息及各类技术资料的管理方式已很难适应现代化生产的要求，因此人们希望借助计算机的信息技术数据库将这些经验和知识有效地管理起来，在节省存储空间和人力资源的同时，能够在用户需要时方便、快捷地调用所需的工艺图文等技术资料。本论文阐述的是卡圈落料冲孔复合模及弯曲模设计。复合模是在压力机的一次行程中，且在模具的同一位置上完成两道或两道以上的工序.但模具结构较复杂。因此，应设置上，下模的导向装置。复合模的结构紧凑，冲出来的精度高，适合大批量的生产，特别是孔与制件的外形的同心度容易保证。复合模的结构特点是有一个既作落料凹模又作冲孔凸模的凸凹模。复合模落料模安装的位置不同分为正装式和倒装式两种。卡圈落料冲孔复合模采用倒装结构，落料凹模安装在上模座上。倒装复合模的优点采用弹性顶件装置，条料在被凸模，凹模和弹性器压紧的情况下冲裁，冲出的工件比较完整，适合于冲裁件平直度要求较高的薄料。倒装复合模采用刚性打料装置进行打料出件，不必清出废料，操作方便，生产效率较高，应用广泛。弯曲模与复合模的设计过程大致相似，不过复合模较弯曲模结构更为复杂。设计上主要是对工作零件凸模、凹模和凸凹模的设计，其中主要是其工作部分的尺寸设计，以保证制件的精度和质量要求。模具许多零件大多已经标准化，如模架、导柱、导套、模座、卸料螺钉、固定板、弹性元件、卸料板等。在设计中，只须根据设计需要和标准合理选定。22.卡圈落料冲孔复合模设计2.1 卡圈冲裁工艺性分析卡圈零件简图：如图 2-1 所示生产批量：大批量材 料：Q235材料厚度：2mm制造精度：IT10 级图 2-1 卡圈零件图冲裁件的工艺性，就是冲裁件对冲压工艺的适应性能，即冲裁件结构形状、尺寸大小、工件精度等在冲裁时的难易程度。好的冲裁工艺性能能保证材料消耗少、工序数目少、产品质量稳定且效率高、模具结构简单且寿命长等要求。根据以上分析，该工件宜先冲孔落料，再弯曲达到图纸要求。1）材料Q235 是普通碳素钢，有较好的冲压性能2） 结构形状该零件外形简单、规则，仅有落料、冲孔、弯曲、三道工序特征，适合冲压加工。33）尺寸精度卡圈零件的加工精度要求为 IT10，利用普通冲裁方式可以达到零件图纸要求。2.2 确定工艺方案工艺方案的内容是确定冲裁件的工艺路线，主要包括确定工序数、工序的组合和工序顺序的安排，应在工艺分析的基础上制定几种可能的方案，在根据工件的批量、形状、尺寸等方面的因素，全面考虑、综合分析，选取一个较为合理的冲裁方案。该零件冲裁工艺包括落料、冲孔两个工序，下表列有三种工艺方案选择经过比较，复合模生产最为恰当，既能保证精度，成本又低，效率高。如果采用正装结构，落料废料均落在凹模表面，将导致清除困难而降低生产效率，增大劳动强度。因此复合模采用倒装结构。为保证制件较高的位置公差要求，上下模之间采用后侧导柱，条料采用手动送料，进入模具内依靠导料销保证送进导向，定位销保证定距精度。冲裁完成后，冲孔完成后，冲孔废料由漏料孔从下模出，制件则由上模刚性顶件装置顶出，落在下模表面；落料废料则由安装于下模弹性卸料装置从凸凹模上剥落。2.3 冲裁间隙的确定序号 工艺方案 结构特点1 单工序模生产模具结构简单，但需要两道工序，两套模具才能完成零件的加工，生产效率低，难以满足零件大批量生产的要求。且两道工序中的定位误差，将导致孔中心距尺寸精度难以保证。2复合模生产落料 -冲孔复合同一副模具完成两道不同的工序，大大减小了模具规模，提高生产效率，也能提高压力机等设备的使用效率，操作简单、方便，适合大批量的生产，能可靠地保证孔中心距尺寸精度。3 级进模生产冲孔-落料连续同一副模具不同工位完成两道工序，生产效率高，模具成本要高，两工位之间的定位一要求非常高，否则无法保证孔中心距尺寸精度4冲裁间隙是指冲裁凸模和凹模刃口部分尺寸之差，其值可正、可负，在一般的普通冲裁中均为正值。凸凹模每侧间隙称为单边间隙，两侧间隙之和称为双边间隙。若无特殊说明，冲裁间隙指双边间隙 。单边用间隙用 C 表示，双边用 Z 表示。圆形冲裁模双边间隙为 Z=D 凹 -D 凸 式中 D 凹 冲裁模凹模直径尺寸（mm）D 凸 冲裁模凹模直径尺寸（mm）2.3.1 间隙的影响冲裁间隙除了对冲裁件的质量起着决定性的作用以外，对模具寿命也有较大的影响。间隙过小会使模具寿命降低，同时，小间隙还使模具制造的难度加大。因此，冲裁间隙是保证合理冲裁过程的最主要的工艺的工艺参数。影响合理冲裁间隙值的主要因素是板料厚度和材料性质。板料愈厚，间隙数值也愈打。反之板料愈薄，则间隙应愈小。材料塑性愈好，间隙数值也应愈小。而塑性差的硬材料，间隙数值就应大一些。2.3.2 合理冲裁间隙值的确定冲裁间隙对冲裁件质量、模具寿命、冲裁力等都有很大的影响，但影响规律各不相同，不可能存在一个间隙值同时满足各项要求。通常选择一个合适的间隙范围，在这个范围内能得到质量令人满意的冲裁件，并且满足冲裁力较小、模具有较高的使用寿命的要求。我们称这个合适的间隙范围为合理间隙，它是一个范围值，其上限为最大合理间隙 Zmax，下限为最小合理间隙 Zmin。实际生产中，间隙值的选择主要考虑冲裁断面的质量和模具寿命这两个方面。根据工件和生产上的具体要求可按如下原则选取间隙值。1（ 工件的断面质量无严格要求时，选取较大的间隙值。2（ 工件的断面质量及制造精度较高时，选取较小的间隙值。3）在设计计算冲模刃口尺寸时，考虑模具在使用过程中的因磨损而导致隙值增大，应当按 Zmin 来计算。确定间隙值的方法有理论计算法、经验确定法。因为计算法在使用中不方便，5实际生产中常用经验表或经验公式确定，其中经验数表法应用最广。冲裁间隙经验数据表很多，在一般的冲压手册和模具设计资料上都可以查阅，应当注意的是有的数值相差比较大，在选择时应结合实际需要综合考虑。计算间隙值的经验公式为Z=mt（2-1）式中， t材料厚度m系数，与材料厚度、性质有关，不同的行业也有差异查表 2-1 选得间隙值为 Zmin=0.246、Zmax=0.360（mm） 。表-1 冲裁模刃口始用间隙材料名称08F、10、35、09Mn、Q23516Mn 40、50 65Mn初始间隙 Z厚度 t Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax0.10.50.52.52.56.50.0650.0750.0450.0550.040.050.030.040.10.0630.0550.045 0.140.080.060.05112.5.3 总冲压力的计算冲压工艺力是选择压力机吨位的主要依据。选择压力机时，以上的力是否都考虑进去，要根据模具的结构形式具体形式。采用刚性卸料和自然漏料方式：F 总 = F 落 F 孔 F 推采用刚性打件、弹性卸料的倒装结构方式：F 总 = F 落 F 孔 F 卸采用弹性卸料和弹性顶件方式：F 总 = F 落 F 孔 F 卸 + F 顶采用弹性卸料和自然漏料方式：F 总 = F 落 F 孔 F 卸 F 推 卡圈复合模结构采用弹性卸料和自然漏料方式：卸料力：F 卸 =K 卸 F 落 =（0.04547.2）KN=21.9KN推件力：F 推 =nK 推 F 孔 =（40.055124.4）=27.4KN（n=ht=8mm2 mm = 4 个）F 总 = F 落 F 孔 F 卸 F 推 =（547.2124.221.927.4）KN=720.7KN选择压力机时，压力机的公称压力必须大于 F 总2.6 模具压力中心计算冲模对工件施加的冲压力合力的中心称为模具的冲压压力中心。要使冲压模具正常工作，模具的压力中心必须通过模柄曲线和压力机的滑块中心线重合。否则在冲压时将产生弯矩，使冲压设备的滑块和模具发生歪斜，引起凸、凹模间隙不均匀，刃口迅速变钝，并使冲压设备和模具的导向机构产生不均匀磨损。所以在设计模具时，要使模具的压力中心通过模柄的轴线，从而保证模具的压力中心和冲床滑快中心重合。冲裁件的压力中心与冲裁件的中心不同，压力中心是冲裁合力的中心，与冲裁力大小和作用位置有关。而重心则取决于工件形状和质量分布，只有当工件具有中心对称形状时，压力中心才和中心重合。对称形状的工件，其压力中心 O 位于轮廓图形的几何中心。图 2-3 为卡圈冲压工件图，很明显压力中心与工件的几何中心 O 重合12O图 2-3 卡圈冲压工件图2.7 凸、凹模刃口尺寸计算在冲裁工作中，凸模、凹模刃口部分尺寸及制造公差将直接影响冲裁件的尺寸精度，同时合理的间隙值也是靠凸模，凹模刃口尺寸来实现和保证的，因此，正确确定冲裁模刃口部分尺寸及制造公差是模具设计中的一项关键性工作。2.7.1.凸、凹模刃口尺寸公差计算的原则 实践证明，落料件的尺寸接近于其凹模刃口尺寸，而冲孔尺寸接近于其凸模刃口尺寸。所以，落料时取凹模作为设计的基准件；冲孔时取凸模作为设计的基准件。计算凸模和凹模尺寸时应遵循的原则如下：1）落料模先确定凹模刃口尺寸，其标称尺寸应取接近于或等于制件的最小极限尺寸，以保证凹模磨损到一定的尺寸范围直内，也能冲出合格制件，凸模刃口的标称尺寸比凹模小一个最小合理间隙。2）冲孔模时先确定凸模刃口尺寸。凸模刃口的基本尺寸取接近或等于孔的最大极限尺寸，以保证凸模磨损在一定范围内也可使用。而凹模的基本尺寸则按凸模刃口的基本尺寸加上一个最小间隙值。3）选择模具刃口制造公差时，要考虑工件精度与模具精度的关系，既要保证工件的精度要求，又要保证有合理的间隙值。一般冲模精度较工件精度高 23 级。工件尺寸公差应按“入体”原则标注为单向公差。所谓“入体”原则是指标注工件尺寸公差时应向材料实体方向单向标注，即：落料件正公差为零，只标注负公差，只13标注负公差；冲孔件负公差为零，只标注正公差。2.7.2凸、凹模刃口尺寸计算的方法因工件形状比较简单，而且是大批量生产，宜采用凸模与凹模分开加工根据材料厚度，如表 2-1，查手册可得：Zmax =0.36mmZmin =0.246mmZmax - Zmin =0.116mm凸模、凹模制造公差工件公差图 2-4 冲孔、落料时各部分尺寸公差的分配位置1）对冲孔尺寸 的凸、凹模偏差查手册，如表 2-2，得：07.1表 2-3 规则形状冲裁时凸模、凹模的制造公差基本尺寸 凸模公差 凸 凹模公差 凹18 0.020 0.0201830 0.020 0.0253080 0.020 0.030 凸 =-0.020mm 凹 =+0.020mm 凸 + 凹 =0.04 Zmax Zmin14表 2-4 因数 x查表 2-3 得，磨损系数X=1根据公式：d 凸 =（d+x） 0凸式中 d 凸 冲孔凸模的刃口尺寸，d 凸 为 mm；d冲孔件孔径的最小极限尺寸，d为 mm；x模具磨损系数；零件公差，为 mm； 凸 凸模制造公差， 凸 为 mm。凸模尺寸为d 凸 =（d+x） =（11+10.07） =11.07 0凸0.20.2根据公式：d 凹 =（d+x+ Zmin） 0凹式中 d 凹 冲孔凹模的刃口尺寸，d 凹 为 mm；d冲孔件孔径的最小极限尺寸，d为 mm；非圆形 x 值 圆形 x 值1 0.75 0.5 0.75 0.5材料厚度t/mm工件公差 / mm1 0.16 0.170.350.360.16 0.1612 0.20 0.210.410.420.20 0.2024 0.24 0.250.490.500.24 0.244 0.30 0.210.590.600.30 0.3015x模具磨损系数；零件公差，为 mm；Zmin最小初始双边间隙，Zmin 为 mm 凹 凹模制造公差， 凹 为 mm。凹模尺寸为d 凹 =（d+x+ Zmin） =（11+10.07+0.246） =11.316 0凹 0.20.2修整为d 凹 =11.3 0.2 凸 + 凹 =0.04 Zmax - Zmin 合格（2）凹模上孔中心距 LdLd=( Lmin+0.5)/8Lmin 孔距最小极限尺寸 零件公差，为 mm；对孔中心距 L1=900.07Ld1=(89.93+0.50.14)0.14/8=900.0175修整为Ld1=900.018对孔中心距 L1=1440.08Ld2=(144.92+0.50.16)0.14/8=1440.0175修整为Ld1=1440.018（3）对落料尺寸 174 的凸、凹模偏差查手册，如表 2-3，得：0.16 凸 =-0.030mm 凹 =+0.040mm 凸 + 凹 =0.07 Zmax Zmin查表 2-4 得，磨损系数X=1根据公式：D 凸 =（D-x- Zmin） 0凸16式中 D 凸 落料凸模的刃口尺寸，D 凸 为 mm；D落料件边的最大极限尺寸，D为 mm；x模具磨损系数；零件公差，为 mm；Zmin最小初始双边间隙，Zmin 为 mm； 凸 凸模制造公差， 凸 为 mm。凸模尺寸为D 凸 =（D-x- Zmin） =（174-10.16-0.246） =173.5940凸 0.30.3修整为D 凸 =173.60.3根据公式：D 凹 =（D-x） 0凸式中 D 凹 落料凹模的刃口尺寸，D 凹 为 mm；D落料件边的最大极限尺寸，D为 mm；x模具磨损系数；零件公差，为 mm； 凹 凹模制造公差， 凹 为 mm。凹模尺寸为D 凹 =（D-x） 0+ 凹 =（174-10.14） =173.860.40.4修整为D 凹 =173.9 .40 凸 + 凹 =0.07 Zmax Zmin 合格（4）对落料尺寸 130 的凸、凹模偏差查手册，如表 2-3，得：0.16 凸 =-0.030mm 凹 =+0.040mm 凸 + 凹 =0.07 Zmax Zmin 查表 2-4 得，磨损系数X=1根据公式：D 凸 =（D-x- Zmin） 0凸17式中 D 凸 落料凸模的刃口尺寸，D 凸 为 mm；D落料件边的最大极限尺寸，D为 mm；x模具磨损系数；零件公差，为 mm；Zmin最小初始双边间隙，Zmin 为 mm 凸 凸模制造公差， 凸 为 mm。凸模尺寸为D 凸 =（D-x-2c min） =（129.84-10.16-0.246）0凸 0.3=129.4340.3修整为D 凸 =129.430.3根据公式：D 凹 =（D-x） 0凸式中 D 凹 落料凹模的刃口尺寸，D 凹 为 mm；D落料件边的最大极限尺寸，D为 mm；x模具磨损系数；零件公差，为 mm； 凹 凹模制造公差， 凹 为 mm。凹模尺寸为D 凹 =（D-x） =（130-10.16） =129.840凸0.40.4修整为D 凹 =129.8 .40 凸 + 凹 =0.07 Zmax Zmin 合格 2.8 复合模总体设计与标准零件选用冲压模具零件的分类可按在模具中的作用，分为工艺性零件和结构性零件两大类。工艺性零件包括成型零件（凸模、凹模、凸凹模） 、定位零件（定位钉、定位板、挡料销、导正销、侧刃等）和压料、卸料零件（卸料板、压边圈、顶件板和推件板等） 。冲压模具已经制定了国家标准，包括模架、典型组合、零部件技术条件等，在设计时可参考标准选用标准零部件。结构性零件包括导向零件（导板、导柱和导套等） 、固定零件（模座、模柄、凸、凹模固定板和垫板等）及其他紧固零件。2.8.1.凹模设计181) 凹模的类型按凹模的刃口孔形可分为圆柱形孔口凹模、锥形孔口凹模；按凹模的结构可分为整体式凹模和镶拼式凹模。2) 凹模刃口形式锥形刃口：如图 2-6a)所示。冲裁件或废料容易通过，凹模磨损后的修磨量较小。但刃口强度较低，刃口尺寸在修磨后略有增大。适用于形状简单，精度要求不高，材料厚度较薄工件的冲裁。当 t2.5mm 时，15;当t2.56mm 时，30;当采用电火花加工凹模时，420。a) b)图 2-5 凹模刃口形式柱形刃口：如图 2-5b)所示。刃口强度较高，修磨后刃口尺寸不变。但孔口容易积存工件或废料，推件力大且磨损大。适用于形状复杂或精度要求较高工件的冲裁。当 t0.5mm 时,h=35mm;当 t=0.55mm 时,h=510 mm ; 当 t=510mm 时,h=1015mm。3) 凹模外形尺寸的确定落料凹模采用矩形板状结构和直接通过螺钉、销钉与下模座固定的固定方式。因冲件的批量较大，考虑凹模的磨损和保证冲件的质量，凹模刃口采用直刃壁结构，刃壁高度取 4mm，漏料部分沿刃口轮廓适当扩大。为便于加工，落料凹模漏料孔可设计成近似于刃口轮廓的简化形状。凹模轮廓尺寸计算如下：凹模厚度的确定件式（2-7） 。H=Kb （2-7）凹模壁厚（指凹模刃口与外边缘的距离）的确定式见c=(1.52)H （2-8）式中b凹模的最大外形尺寸，mm;K因数，见表 2-5；H凹模厚度， C凹模壁厚。19表 2-5因数 K 的数值材料厚度 t/ mmb/ mm 0.5 1 250 0.3 0.35 0.4250100 0.2 0.22 0.28100200 0.15 0.18 0.2200 0.1 0.12 0.15H=Kb0.2174 mm34.8 mm考虑在同一模上还需同时冲裁四个孔，取凹模厚度 H=40 mmC =1.5H=1.540mm = 60 mm沿送料方向的凹模长度为B=l+2c=174+260=294mm垂直于送料方向的凹模宽度为L=b+2c=130+260=250mm按上式计算的非标准凹模外形尺寸，可以保证凹模有足够的强度和刚度，一般可不再进行强度校核根据算得的凹模轮廓尺寸，选取与计算值相接近的标准凹模板轮廓尺寸为L*B*H=315mm250mm40mm。其他尺寸根据凸凹模及固定要求而定。材料可以选用 T10A，工作部分热处理淬硬 5862HRC。2.8.2.凸凹模设计1）凸凹模复合