薄壁卡圈的冲压工艺与模具设计

薄壁卡圈的工艺分析与模具设计摘要：首先对薄壁卡圈这个零件进行了分析，是汽车变速箱的齿轮上的薄壁卡圈，属于汽车上的重要零件；其次分析了该零件的零件图，该零件图上有一些尺寸的标注，并且标注了部分尺寸的尺寸公差，还标注了一些同心度及同轴度公差，在后面的工艺分析当中会考虑到这些要求；然后，正式开始进行模具的设计，模具的工艺分析是根据零件的形状、尺寸、结构等的要求，对零件进行整体分析，根据工艺分析确定工艺方案，选择工艺方案的时候，要考虑到各个方面的要求，包括模具设计的可行性、工艺的合理性、成本要求等，经过对各种方案的分析与比较，在保证冲裁过程正常进行的情况下，优先选择最简单合理的方案；最后就是模具的设计部分，对模具的结构与尺寸进行设计与计算，结合各标准件的标准图及尺寸，设计各非标准件，最后画出各零件图及总装配图。关键词：薄壁卡圈；导正销；工艺孔；级进模IIprocessanalysisanddiedesignofthinwallclipringAbstract：Firstofall,thispartistheanalysisofthethinwallcard,andthisisthegearboxofthegearonthethinwallofthecard,belongstotheimportantpartsonthecar,Thenanalysisthepartsofthepartdrawing,therearesomesizemarkedonthepartdrawing,andmarkedbyaportionsizeofthesizetolerance,alsomarkedwishsomeconcentricityandcoaxialdegreeoftolerance,theserequirementswillbeconsideredintheprocessanalysis;Then,startedforprocessanalysisofthemolddesign,moldtechnologyanalysisisbasedonpartdesiredshape,sizeandstructure,accordingtothetechnicalanalysistodeterminetheprocess,Whenchoosingprocess,consideringallaspectsofrequirements,includingthefeasibilityofmolddesign,processreasonableandtherequirementsoncost,throughanalysisandcomparisonofthevariousprograms,inthiscaseofnormalcircumstancespunchingprocess,choicethemostsimpleandreasonablesolution;Thelastisthedesignofthemold,thestructureandsizeofdiedesignandcalculation,combinedwiththestandarddrawingandsizeofthestandardparts,designvariousnon-standardofeachpiece,andfinallydrawthepartsdrawingandassemblydrawing.Keywords:Thinwallclipring;Guidepin;Processhole;Progressivedie.III目录前言.11冲压件的工艺分析.21.1材料分析.21.2结构分析.21.3精度分析.22.工艺方案的分析与确定.43.确定模具总体结构方案.53.1模具类型的选择.53.2操作与定位方式的选择.53.3卸料与出件方式的选择.53.4模架类型的选择.54.工艺计算.64.1排样设计.64.1.1搭边值得确定.64.1.2计算送料步距A.64.1.3计算条料的宽度B.74.1.4利用率的计算.85.冲裁力的计算.106.模具压力中心的计算x1l1.137.凸模、凹模工作部分刃口尺寸的计算.158.冲裁模主要零部件的设计与选用.198.1工作零件的设计.198.1.1凸模的设计.198.1.2凹模的设计.208.2支撑与固定零件的设计.238.2.1模架的选用.238.2.2凸、凹模固定板的选用.238.2.3垫板的选用.248.3卸料装置的设计.258.4顶件装置的设计.288.5定位装置的设计.308.6紧固件的设计.348.7冲模零件的尺寸要求.349.校核.3510.模具总装配图.36总结.37参考文献.38致谢.390前言冲压技术广泛用于汽车、家电等领域中的零件加工，是因为冲压技术比较快捷方便，生产成本较低；社会在不断地发展，不断地进步，在当今这个时代，这种生产模式广受欢迎，模具生产技术的水平，已经成为一个国家产品制造能力的体现，作为当代大学生，学习模具制造技术，我们才能为振兴国家尽自己的一份力。虽然我国的模具设计制造能力已经达到了较高的水平，但是与国际先进水平相比，还是有较大的差距，特别是汽车上的零件。本次的设计是对汽车上零件（薄壁卡圈）的成型进行模具结构的设计，采用的是冲裁级进模，包括工艺的分析与模具的设计，要求撰写设计说明书，并且画出总的装配图及相关的零件图。11冲压件的工艺分析冲压件的工艺性指的是是工件的结构、形状与尺寸等对冲裁工艺的适应性。良好的工艺性可以使模具的寿命和生产效率更高；使模具的结构简单，安全操作，冲裁出来的工件精度会更好。冲压件的工艺分析是根据冲压件图样，对冲压件的形状、尺寸及结构性质等的分析，使其符合冲压工艺的要求。冲压件零件图如下图1.1零件图材料为20钢，料厚为5，要求剪切面的光亮带90，小批量生产。1.1材料分析20钢为优质碳素工具钢，一般不需要淬火，冷塑性变形能力强，常用来制作韧性要求较高的制件，适合该制件的冲裁。C%0.2%，抗剪强度=275392，抗拉强度b=353500，屈服点s=245，伸长率10=25。1.2结构分析该零件为一个有孔的薄壁冲裁制件，最小壁厚为4.75，小于材料的厚度，属于精冲零件，因此，在模具结构设计中，应在卸料板及凹模上设置齿圈，为保证模具的强度应设置空工位。此外，为了保证落料时的定位精度，应设置导正销，在落料之前进行精定位。21.3精度分析零件图上标注有部分尺寸的尺寸公差，查互换性与测量技术中表3.3如下：表1-1标准公差等级公称尺寸/IT1IT2IT3IT4IT5IT6IT7IT8IT9IT10IT11大于至m30.81.2234610142540603611.52.5458121830487561011.52.5469152236589010181.22358111827437011018301.52.5469132133528413030501.52.5471116253962100160508023581319304674120190801202.546101522355487140220得公差等级为IT9IT10，精度较高。32.工艺方案的分析与确定根据上面的工艺分析，其基本工序有冲孔和落料。按照不同的模具结构可以得到以下几种工艺方案：方案一：冲孔落料；单工序模方案二：冲孔落料；复合模方案三：冲孔空位落料；级进模方案四：落料空位冲孔；级进模单工序模：又称为简单模，压力机在一次行程中仅仅只完成一道工序；对于本设计来说，一次工序是远远不够的，至少需要冲压两次，而对于单工序模来说，两次冲压需要进行两次分别的定位，每次定位的基准又是不同的，这样将会导致制件的精度很低，不能满足零件的要求，方案一不适合。连续模：是压力机在一次行程中，在不同的位置上，达到了多道工序一起完成；在连续模中，工件是在完成一个工位后接着完成下一个工位，直到所有工位上的工序完成后，一个完整的工件才算完成；需要设置一些定位的装置，保证工件的零件图上的一些位置要求；复合模：是指压力机在一次冲裁当中，在同一个位置上，成形几道工序；在复合模中，不存在定位误差的问题；级进模的特点有：1）生产速度较快；2）操作安全，能自动生产；3）冲件件的精度较高，使得冲裁件的质量好；4）虽然设计制造困难，但是冲件在大批量生产的时候，可以节省总成本。该零件的最小壁厚小于材料的厚度，如果采用复合模，虽然冲出的工件精度会较高，但是因为模具的厚度较小，模具的强度较弱，易损坏。因此，为了节约成本，方案二不适合。根据上面的分析，应该选择级进模，方案三和方案四理论上都是可以的，但是，如果按照方案四，先落料后冲孔，那么材料的送进会比较复杂，连续模一般先冲孔后落料。按照方案三的话，有利于大批量的生产，并且能够节约成本。综上所述，选用方案三为该工件的冲压生产方案。43.确定模具总体结构方案3.1模具类型的选择由冲压工艺分析与工艺方案的分析可知，模具类型为级进模。3.2操作与定位方式的选择采用自动送料装置。因为材料采用的是条料的形式，控制条料的送进方向采用的是导料板，无侧压装置。用定位销来控制步距。3.3卸料与出件方式的选择工件的厚度为5，较厚，为保证精度要求，要求有压料装置，因此采用弹性卸料装置，同时起到压料的作用。在冲裁的过程中，为了使工件处于三向压应力状态，满足光亮带90%的要求，采用上出件方式。3.4模架类型的选择为了提高模具的寿命和工件质量，方便安装调试和送料，采用后侧导柱模架。54.工艺计算4.1排样设计排样的基本原则：1）提高材料的利用率。提高材料的利用率，可以节省板料的使用，在有相同数量板料的情况下，能够冲裁出更多的零件，这样就会使每个零件的成本降低，能够获得较好的经济效应。2）使工人操作方便、安全，减轻工人的劳动强度。在材料利用率相近的情况下，应尽量选择条料宽、步距小的排样方案，尽量减少板料冲裁的次数，节省时间。3）模具结构不要很复杂，模具的使用寿命长。4）保证条料送进步距的精度。5）提高凹模强度，便于模具制造。排样方法有很多种。通过冲裁件形状的分析及模具结构的分析，选用有废料排样法。4.1.1搭边值得确定搭边：工件和条料侧边之间的余料及工件与工件之间的余料。在冲裁的过程中，搭边有很大的作用，主要是避免送料不稳定带来的误差，使冲出的工件符合要求；其次是方便送料，避免废料丝进入模具间隙损坏模具。搭边值越小，使用的材料就越少，可以减少材料的成本；但是搭边值过小，就会影响模具的寿命，冲件的表面质量也会不好。影响搭边值的因素有很多，包括模具的精度要求，材料种类，零件结构，材料厚度，送料装置的不同等都会给搭边值带来影响。因此，应该考虑各种因素，综合来去搭边值。由于精冲时压边圈上带有V形环，故搭边值比普通冲裁时的大。查冲压模具简明设计手册中，表如下：表4-1精冲件的搭边值/mm材料强度b/MPa450b600461.0得=1可以得到7B=85.5+25+1=96.5排样图如下：图4.1排样图4.1.4利用率的计算一个步距内零件的实际面积除以毛坯面积将得到一条板料的利用率；表示冲压工件在坯料上排样的合理性，即材料利用的经济程度。材料的利用率越高，成本就越低。在其他情况相同的时候，应选择利用率高的方案。1）材料利用率=s/S100%其中，s：冲压工件的有效面积，mm2；S：消耗坯料的面积，mm2。可以得到s=5759.4098()276/2=12232S=AB=91.596.5=8829.752所以=13.85%2）板材利用率1查新编冲压工艺计算手册表3-10得板材规格为200015008（1）横裁时可裁条数n1=2000/96.5=20.73取n1=20每条可冲件数n2=1500/91.5=16.39取n2=16板料可冲总件数n=n1n2板料利用率1=100%/(20001500)=13%（2）纵裁时：可裁条数n1=1500/96.5=15.54取n1=15每条可冲件数n2=2000/91.5=21.86取n2=21板料可冲总件数n=n1n板料利用率1=100%/(20001500)=12.84%40.300.310.590.600.30-0.020+0.03080120-0.025+0.035由上表可以得到：冲孔时：1)76凸=-0.020mm凹=+0.030mm2)10凸=-0.020mm凹=+0.020mm落料时凸=-0.025mm凹=+0.035mm计算凸模、凹模的刃口尺寸：Zmax-Zmin=（0.500-0.400）mm=0.100mm冲孔部分：1)76|凸|+|凹|=（0.020+0.030）mm=0.050mm0.100mm12244刃口高度h668810101214可得：h14取h=15mm188.冲裁模主要零部件的设计与选用冲裁模主要有单工序模、复合模、级进模等，各类冲裁模都有着不同的结构形式和复杂程度，但是每一副冲裁模都是由一些能够协同完成冲压工作的基本零部件组成的。这些零部件按其在冲裁模中所起作用的不同，可以分为工艺零件和结构零件。工艺零件是直接参与冲压成型的零件，包括工作零件、定位零件、卸料零件和出件零件等；结构零件是间接参与成型的一些零件，是对冲模完成工艺过程起到保证作用和完善作用的零件；包括支撑零件、固定零件、导向零件、紧固件及其它零部件；标准是根据模具的类型、导向方式、凹模的形状等的不同，规定了若干的组合形式。在每一种组合当中，有规定了多种凹模周界尺寸以及相配合的凹模厚度、模架类型和尺寸、固定板、卸料板、导料板尺寸等。因此，在设计的过程当中，我们要重点设计工作零件的部分，其他零件可以选择标准。这样就大大减少了设计的工作量，也可以大批量的生产，增加了经济效应。8.1工作零件的设计工作零件是直接对毛坯进行加工的成形零件，包括凸模和凹模。它们相互配合使用，完成冲裁的过程。其形状尺寸、固定方法及材料的处理都会影响冲模的性能、成本及使用寿命。8.1.1凸模的设计凸模的两种形式：（1）直通式凸模。工作部分的形状与尺寸和安装部分一样，用于非圆形断面的凸模；（3）台阶式，工作部分与固定部分的形状和尺寸不同，固定部分做成圆形或者矩形，这是凸模固定板的型孔为标准尺寸孔，可以从标准当中直接选取。19对于非圆形凸模来说，若固定部分采用了圆形结构，则其与固定板配合是必须采用防转的结构，使其在圆周方向有很好的定位。（1）凸模的结构形式根据上面的分析，凸模的形式选择后者，采用台阶式。因为落料凸模为非圆形，所以应在固定端接缝处打入防转销。结构图如下：图8.1凸模（2）凸模长度的确定凸模的长度是根据模具的具体结构来确定的。计算公式如下：L=H1+H2+H3+Y（8-1）式中，H1：凸模固定板的厚度；H2：卸料板的厚度；H3：导料板的厚度；Y：附加长度。A取1520mm。L=40+18+10+32=106mm由于小凸模的直径较小，需进行校核。根据上面计算出来的尺寸，在标准中选择合适的，作为凸模最后的长度尺寸。（3）凸模材料凸模的材料选择为T10A，热处理硬度为5862HRC。（4）其他要求凸模工作部分的表面粗糙度为0.80.4m，固定部分为1.60.8m。208.1.2凹模的设计（1）凹模的结构形式该级进模的工位不多，且型孔比较规则，采用整体式的凹模。结构图如下：图8.2凹模（2）凹模的外界尺寸参考冲压模具设计与制造，当中的公式，计算如下：凹模的厚度还应考虑修模量。凹模厚度H=Kb（8-2）凹模壁厚c=（1.52）H（8-3）式中，b：冲裁件的最大外形尺寸；K：系数，考虑板料厚度的影响。其值由下表取得：21表8-1系数K值料厚t/mmb/mm0.51233500.30.350.420.50.6501000.20.220.280.350.421002000.150.180.20.240.32000.10.120.150.180.22对于多型孔凹模，平面尺寸计算公式如下：凹模的长度L=l+2c（8-4）凹模的宽度B=b+2c（8-5）式中，l：沿凹模长度方向压力中心至最远刃口距离的2倍，mm；b：沿凹模宽度方向刃口型孔的最大距离，mm；已知b=96.5mm查上表得到K=0.42代入公式8-2,8-3得到：H=0.4296.5=40.53mm取H=40mmC=（1.52）40.53=（60.79581.06）取C=70mm由l=2（91.5+91.52+6.57）=288mmb=96.5mm22代入公式8-4,8-5得到：L=288+270=428mmB=96.5+270=236.5mm查标准得到凹模的平面尺寸为LB：500315mm（3）凹模的材料材料与凸模的材料一样，选择T10A。热处理硬度略高于凸模，取6064HRC。（4）其他要求表面粗糙度为0.80.4m；底面与销孔的表面粗糙度为1.60.8m。8.2支撑与固定零件的设计包括模架和固定板，在模架的上、下模座上安装着凸模、凹模及其它零件，模架与压力机相连，传递并承受着工作的压力，模架与固定板都是标准件，可以根据标准选用。8.2.1模架的选用模架为标准件查冲模设计速查手册中模架的标准，根据凹模的周界尺寸查得模架的规格为：模架500315275320IGB/T28512008表8-2标准模架零件号、名称及标准编号1234上模座GB/T2855.1-2008下模座GB/T2855.2-2008导柱GB/T2861.1-2008导套GB/T2861.3-2008凹模周界闭合高度H数量111111LB最小最大规格50031527532050031560500315754026050260451505850150588.2.2凸、凹模固定板的选用23凸、凹模固定板用于凸模和凹模的固定。（1）结构的设计外形与凹模外形一样。级进模的凸模固定板上，除了安装和固定各个凸模外，还要在相应位置上安装导正销等，为了保证多次拆装后安装孔的位置精度不变，材料要有很好的耐磨性。结构图如下：图8.3凸模固定板（2）尺寸的选择根据凹模的外形，在标准中选取合适的固定板尺寸。固定板5003154045钢JB/T7643.2（4）材料的选择材料选择45钢（4）其他要求成型零件接触面的表面粗糙度为6.3Ra，其他地方的表面粗糙度为8.0Ra。与成型零件的配合精度为H7/h68.2.3垫板的选用垫板是安装在模座与固定板之间，它的主要作用是承受成型零件在冲压的过程中带来的冲压力，防止大的冲压力冲击模座，损坏模具，影响冲压过程的正常进行，降低了成本。（1）结构的设计外形与固定板是一样的，均为矩形轮廓。（2）尺寸的选择查标准的垫板得到：垫板5003152045钢JB/T7643.324（3）其他要求热处理硬度为4348HRC。8.3卸料装置的设计卸料装置是将材料从凸模上卸下来；弹性卸料板还可以起到压料的作用。卸料装置分为弹性卸料装置和刚性卸料装置。因为制件的最小壁厚较小，材料的厚度较大，为了保证冲裁过程中的精度要求和质量要求，要求卸料板压料。而弹性卸料板同时具有压料和卸料的作用，因此选用弹性卸料装置。弹性卸料装置包括卸料板、卸料螺钉、弹性元件。此外，由于该模具为精冲模，因此在模具中应设置压料齿圈。由于工件的外形比较简单，设置压料齿圈的形状为圆形。由于材料的厚度大于4mm，所以应该设置双面压料齿圈，即在卸料板和凹模上都设置压料齿圈。压料圈的齿形结构图如下：图8.4齿圈板齿形结构25具体尺寸可以查下表得到：表8-3双面压料齿圈齿形尺寸/mm材料抗拉强度b/MPab4501单边间隙Z/2/mm0.050.100.15得到Z/2=0.15mm卸料板导向孔的高度h=35mm，卸料板底面高出凸模底面的尺寸k=0.20.8mm。弹性卸料板的厚度由下表查得：表8-5弹性卸料板的厚度H/mm冲件厚度t卸料板的宽度B261252002000.811618得到H=18mm（2）卸料螺钉的设计选用圆柱头卸料螺钉。结构形式如下：图8.6卸料螺钉选择卸料螺钉12LJB/T7650.5L=3580mm具体尺寸查标准得到。（3）弹性元件的设计弹性元件有弹簧、橡胶和气垫。本次设计所需的卸料力较大，而且行程较小，橡胶允许承受的的载荷比较大，因此选用橡胶，安装和调整也比较方便。橡胶的材质为聚氨脂橡胶。橡胶的选用与计算：1）橡胶所承受的预压力Fx=37.705KN2）橡胶的横截面积A取hy=0.1h0查下表：表8-6橡胶的压缩量及单位压力压缩量/%10单位压力p/MPa1.1得到27p=1.1MPa，则有A=Fx/p=37705/1.1=34277mm23）橡胶的最小截面卸料螺钉的直径为12mm，取橡胶上卸料螺钉孔的直径d=14mm，,落料凹模的横截面积A1=5759.4098mm2，冲孔凸模的直径D1=76mm，则橡胶的截面积为Ax-(D12-d2)/4-A1=A得到Ax=44418.93mm2D2/4=Axmm2得到D=237.814)自由高度计算h0=（hx+hm）/0.25=（0.6+5+8）/0.25=54.4mm8.4顶件装置的设计顶件装置是将工件或者废料从凹模中顶出。顶件装置由顶板和顶杆、橡胶组成。在冲压过程当中，当工件或者废料进入凹模内之后，顶件装置开始起作用，气垫中的力通过顶杆传到顶板，一起向上运动，从而起到顶件的作用。（1）顶板的设计顶板的外形轮廓与凹模的刃口形状一样。结构图如下：28图8.7顶板（2）顶杆的设计采用圆柱形顶销，是简单标准件。选择直径12mm具体尺寸根据装配图，并在标准中查到。（3）橡胶的设计1）冲孔时橡胶所承受的预压力Fx=0.021293.833KN=25.88KN橡胶的横截面积A取hy=0.1h0p=1.1MPa，则有A=Fx/p=25880/1.1=23524.24mm2橡胶的直径为D2/4=A得到D=173.07mm2）橡胶所承受的预压力29Fx=0.02591.434KN=11.83KN橡胶的横截面积A取hy=0.1h0p=1.1MPa，则有A=Fx/p=11830/1.1=10753.34mm2橡胶的直径为D2/4=A得到D=117.01mm8.5定位装置的设计为了将材料放在冲模的正确位置，以顺利地完成冲裁的下一个工序，需要有各种形式的定位装置来进行定位。因此，定位装置的作用就是控制条料的正确送进，即控制条料的送料步距。本次设计所需的定位装置有初始挡料销、导料板、导正销以及固定挡料销。（1）初始挡料销在每一条料第一次冲裁之前，对条料起到定位的作用，操作者用手向里压紧，之后就不再用，安装在第二个工位之前，采用初始挡料销的目的是为了提高材料的利用率。始用挡料销与导料板槽孔间的尺寸配合为H9/h9,保证动作灵活。标准结构图如下：30图8.8始用挡料销（2）固定挡料销在连续模当中只需要安装一个固定挡料销就可以了，一般固定在凹模上，其作用是在初次冲裁之后起到定位的作用，控制条料送进的步距。挡料销位置的确定：挡料销的位置与步距有关，计算公式如下：L=C-（dr-d）/2+0.1式中，L：挡料销与凸模中心的距离，mm；C:连续模的步距，mm；dr：凸模的直径，mm；d：挡料销头部直径，mm。已知C=91.5mmdr=76mmd=12mm代入公式得到，L=59.5mm固定挡料销的结构图如下：图8.9固定挡料销选择固定挡料销A10JB/T7649.10基本尺寸查下表得到：31表8-7极限偏差数值d（h11）d1（m6）基本尺寸极限偏差基本尺寸极限偏差hL60-0.0753+0.008+0.0023880-0.0904+0.012+0.004210挡料销的材料选择45钢，热处理硬度为4448HRC。（3）导料板导料板的作用是控制条料的送进方向。导料板选择分离式的结构，即导板与卸料板分开的形式。结构图如下：图8.10导料板导料板与条料间的最小间隙z/mm材料厚度结构方式条料宽度45无侧压装置1000.5有侧压装置1005导料板与条料之间的最小间隙由上表取得，Z=5mm导料板的厚度取10mm，材料选择45钢，工作侧面的粗糙度值为1.6m以下。（3）导正销在挡料销粗定位之后，需用导正销进行精定位。导正销是先将一端进入到凸模孔32中，保证模具在不同的工位上冲出的内轮廓与外轮廓之间具有一定的相对位置度公差，从而起到精定位的作用。另外，由于工件的最小壁厚较小，材料的厚度很大，这样，导正销在进入工件的内轮廓之后，会起到支撑的作用，使得工件在进行落料时的变形程度降低，提高工件的质量。设计导正销的结构如下图所示：图8.11导正销工作部分的厚度取6mm，工作部分的直径计算公式为：d=dp-a式中，d：导正销导正部分的尺寸，mm；dp:冲孔凸模的直径，mm；a：导正销直径与冲孔凸模直径的差值，mm；其值按照下表取得：表8-8导正销与冲孔凸模直径的差值a/mm冲孔凸模直径dp冲件料厚t60350.2得到，d=76-0.2=75.8mm33导正销的材料与凸模材料一样。8.6紧固件的设计紧固件主要包括螺钉和销钉。其作用主要是：螺钉起连接固定作用；销钉起定位的作用。螺钉和销钉都是标准件，可以查表选得。选用螺钉的结构为圆柱头内六角螺钉；销钉选用圆柱销钉。具体尺寸如下：螺钉M12LGB/T70.1-2000L=25120mm圆柱销10LGB/T119.2-2000L=18120mm8.7冲模零件的尺寸要求可以查标准得到：导柱与下模座H7/r6导套与上模座H7/r6导套与导柱或、H6/5H7/6H7/7凸模与凸模固定板、H7/6H7/6固定挡料销与凹模、H7/6H7/6导正销与落料凸