操纵杆的模具设计及失效分析.doc

1 70 南 京 工 程 学 院 毕业设计说明书 论文 作 者 学 号 学院 系 部 专 业 材料成型及控制工程 题 目 操纵杆的模具设计及失效分析 指导者 评阅者 2011 年 6 月 南 京 I 70 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 中中文文摘摘要要 操纵杆的模具设计及失效分析 本文介绍了操纵杆产品成型工艺过程与模具设计 并对其模具可能存在 的是失效情况进行了分析 在设计其模具具体结构时 参考了大量的冲压模具 设计书籍 查阅了模具结构设计标准 分析了模具结构各工艺参数 重点分析了 垫片的冲压工艺性 并对其进行工艺计算 确定排样图 选择压力机 确定压力 中心 刃口计算分析 并对模具的工作部件及结构零部件等进行了设计 然后对 模具工作过程中可能出现的失效形式进行分析 并针对其可能出现的失效形式来 对模具工作部件的材料进行选择 并选择合理的热处理工艺方案 制定出优化的 加工工艺方案 运用 AutoCAD 软件绘制出模具的总装图及零件图 用 Pro E 软件 画出模具的三维图 关键词 操纵杆 冲凸模 成型工艺 失效分析 热处理 II 70 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 外外文文摘摘要要 Title Joystick Mold Design and Failure Analysis Abstract This article describes the joystick molding process and mold design and mold that may exist is its failure was analyzed Specific structure in the design of the mold the reference to a large number of stamping die design books access to the die structure design standards Analysis of die structure of the process parameters analyzes the process of stamping pads and its process calculation determine the layout map select the press to determine center of pressure cutting edge computing and analyzing the working parts and molds structural parts and components are designed Then work on the mold that may arise during the analysis of failure modes and for its possible failure to form a working part of the mold material selection and select a reasonable solution heat treatment process to develop optimal processing program Using AutoCAD software to draw the mold assembly diagram and parts diagrams use Pro E three dimensional graph drawing die Keywords Joystick Process Analysis Conflict Model Failure Analysis Heat Teatment III 70 目目 录录 前 言 1 第一章 绪论 2 第二章 工件和工件材料的介绍和分析 4 2 1 操纵杆零件工艺分析 4 2 2 零件的工艺性分析 5 第第三三章章 操操纵纵杆杆模模具具设设计计工工艺艺分分析析 6 6 3 1 多工位级进模概述 6 3 2 单工序模具的概述 7 3 3 模具比较 7 3 4 工艺方案分析 8 3 5 工艺方案的确定 8 第四章 操纵杆冲孔落料级进模的设计和计算 9 4 1 冲压工艺计算 9 4 1 1 冲裁力的计算 9 4 2 冲孔落料的有关计算 10 4 2 1 凸 凹模刃口尺寸的计算 10 4 2 2 凸 凹模的设计 12 4 3 设备的确定 14 4 3 1 模架的选择 14 4 3 2 压力中心的计算 16 4 3 3 压力机的选择 17 4 4 排样的意义和材料利用率 17 4 4 1 排样的意义 18 4 5 垫板固定板的设计 19 4 5 1 垫板的设计 19 4 5 2 固定板的设计 19 4 6 卸料装置的设计 20 4 7 导向装置的设计 21 4 8 定位装置的设计 23 4 9 操纵杆冲孔落料级进模的工作原理 23 IV 70 4 10 操纵杆冲孔落料级进模三维图 25 第五章 操纵杆冲凸模的设计与计算 26 5 1 操纵杆冲凸模的设计 26 5 2 冲凸模上下凸模设计 26 5 3 冲凸模的垫板固定板的设计 26 5 4 压力机的选择 29 5 5 操纵杆冲凸模的工作原理 29 5 6 冲凸模三维图 30 第六章 操纵杆弯曲模的设计与分析 32 6 1 操纵杆弯曲模的设计分析 32 6 1 1 弯曲力的计算 34 6 1 2 凸 凹模工作部分尺寸确定 33 6 2 纵杆弯曲模的工作原理 34 6 3 操纵杆弯曲模的三维装配图 35 第七章 模具失效分析 36 7 1 模具失效的基本形式 36 7 1 1 模具的塑性变形失效 36 7 1 2 模具的磨损失效 36 7 1 3 模具的冷热疲劳失效 37 7 1 4 综合因素影响下的失效 37 7 2 影响模具失效的主要因素 37 7 2 1 设计对模具失效的影响 37 7 2 2 选材设计的影响 38 7 2 3 尺型设计的影响 38 7 2 4 热处理对模具失效的影响 38 7 2 5 机械加工对模具失效的形响 38 7 3 本次设计中工作部件失效形式分析 43 第八章 热处理工艺 44 8 1 热处理工艺的特点 44 8 2 热处理工艺的分类 44 8 3 整体热处理工艺的手段 44 V 70 8 3 1 正火 44 8 3 2 退火 45 8 3 3 淬火 45 8 3 4 回火 46 8 3 5 调制 46 8 4 冲裁模热处理的注意要点 46 8 5 工作部件热处理工艺制造 46 8 6 落料冲孔模各部件的热处理工艺 47 8 6 1 工作部件加工工艺路线 49 8 7 冲凸模各部件的热处理工艺 51 8 7 1 各加工部件的加工路线 52 8 8 弯曲模各部件的热处理工艺 53 8 8 1 各工作部件的加工路线 54 8 9 其他各部件的热处理工艺 54 第九章 结论 62 参考文献 63 致谢 64 1 70 前 言 我们日常生活中所用的器具几乎均需要用模具来成型实现 模具对人们而言 不再陌生 模具是 效益放大器 用模具生产的最终产品的价值 往往是模具 本身的几十倍 上百上千倍 马上将要毕业了 进入了最后的毕业设计 毕业设计是带有研究性质的专题 研究分析 设计报告 是完成教学任务 培养人才的一个重要实践性教学环节 毕业论文是本科生四年的学习的总结 我们通过毕业设计来测试以及锻炼我们学 到的知识 要我们综合性地运用四年内所学知识去分析 解决一个问题 在导师 的帮助下养成独立思考 独立设计的习惯 使自己原本缺少的实践动手能力 动 笔能力得到锻炼 增强了即将跨入社会去竞争的自信心 以及对本科更加深入的 了解 本论文是以操纵杆的设计为主 依据模具的基本组成部分 采取基础和设计 技巧相结合 理论与实际相结合 图例与剖析相结合 模具设计与加工工艺相结 合的方式 对操纵杆的三副模具结构设计中的关键之处以及可能出现的问题和处 理方式进行详细的剖析 同时从模具的加工工艺的角度出发 分析并提出便于加 工的模具结构形式使模具设计和加工更加紧密的结合在一起 并对根据的失效形 式进行分析 且同时考虑到模具的热处理工艺性 本论文在设计时广泛的吸收了国内外的各个领域成熟的经验和最新的参考资 料 并在模具的成型零部件等关键部位采用了国外的优质模具钢 摒弃了国内的 一些老牌号 为了顺应形势发展的需要 在技术上也有一定的创新 使用了计算 机辅助设计来绘图 像 UG Pro E Auto CAD 等 达到优化设计的目的 由于毕业设计时间及各种条件的限制 整个毕业设计由个人独立完成所以设 计内容难免有一些遗漏和缺点 殷切希望各位老师和领导予以批评和指正 第一章 绪论 冲压加工是利用安装在压力机上的模具 对模具的板料施加变形力 使板料 2 70 在模具中发生变形 从而获得一定形状 尺寸和性能的产品零件的生产技术 由 于冲压通常在冷态下进行 因此也称为冷冲压 只有当板材厚度超过8 100mm 时 材料用热加工 冲压加工的原材料一般为板料或者带料 故也称为板 材冲压 冲压广泛应用于金属制品各行业中 尤其在汽车 仪表 军工 家用电 器等工业中占有极其重要的地位 冲压加工有很多优点 1 冲压件的尺寸精度由模具保证 所以其质量稳定 具有一定的互换性 2 由于利用模具加工 所以可获得用其他加工方法不能或难以制造的壁薄 重量轻 刚性好 表面质量高 形状复杂的零件 3 普通压力机每分钟可生产几十件冲压件 而高速度压力机每分钟可生产几 百甚至上千件 所以他是一种高效率的加工方法 4 冲压加工一般不需要加热毛坯 也不像切削加工那样需要大量切削金属 所以既节能又节约金属 5 冲压零件的质量要靠冲模来保证 所以操作方便 对工人技术等级的要求 不高 便于组织生产 但是其依然有很多缺点 主要表现在冲压加工时的噪音和振动方面 这些问 题并不完全是冲压工艺及模具本身带来的 而主要是由传统冲压设备的落后造成 的 我国冲压技术与先进国家相比还相当落后 主要原因是我国在冲压基础理论 及成形工艺 模具标准化 模具设计 模具制造工艺及设备等方面与发达工业国 家尚有相当大地差距 导致我国模具寿命 效率 加工精度 生产周期等方面与 先进发达国家的模具相比差距相当大 我国现在的冲压技术发展的还是及不平衡 的沿海地区的冲压技术远远优于西北部地区和内陆地区 其中长江三角洲地区发 展尤为迅速 随着工业产品的不断提高 冲压产品生产正呈现多品种 少批量 复杂 大 型 精密 更新换代速度快递变化特点 冲压模具正向高效 精密 长寿命 大 型化方向发展 为适应市场变化 随着计算机技术和制造技术的迅速发展 冲压 模具设计与制造技术正由手工设计 依靠人工经验和常规机械加工技术向以计算 机辅助设计 CAD 数控切削加工 数控电加工为核心的计算机辅助设计与制 造 CAD CAM 技术转变 3 70 本文主要分为两大部分 第一部分为操纵杆模具的结构设计过程 其中主要 包括有零件的设计 工艺方案的选择分析 第二部分主要为模具的失效分析 以 及根据分析可能存在的不利因素和可能产生的失效形式 对模具材料进行科学合 理的选用 并制定出更加优化的热处理工艺与加工路线 本次毕业设计中主要应用 CAD 技术进行模具总装图 零件图的绘制 使整 个设计过程做到了无纸化 又通过Pro E 软件对操纵杆零件及其模具做了三维 造型 虽然本次毕业设计只涉及到冲压技术 至于注射成型 铸造工艺等技术并 未涉及 但对于整个大学四年的学习来说 则是以冲压技术为主线 贯穿机械 材料等诸多知识 对四年大学知识的综合运用 使我在设计规范性和提高产品质 量 优化设计方案以及增强自己设计竞争性方面有更大的受益 第二章 工件和工件材料的介绍和分析 2 1 操纵杆零件工艺分析 4 70 本次毕业设计的产品见图 1 所示 材料为厚 2mm 的 20 钢板 要求批量为大 批量 该零件属于典型的冲裁落料 弯曲 由于该零件还需要进行一次冲突 考 虑到操作方面效率的问题 采用冲孔落料级进模具 冲凸模具和弯曲模架来完成 该零件的加工 图 2 1 操纵杆零件图 图 2 2 操纵杆三维零件图 2 2 零件的工艺性分析 1 原材料分析 零件材料为20 钢板 很少淬火 无回火脆性 冷变形 5 70 塑性好 MPa 45MPa 零件料厚为 2mm 对于该零件的尺寸来说 能够冲压 弯曲成形 2 零件形状 零件形状对称简单 可以直接通过冲落料 冲突 弯曲出来 3 尺寸精度 根据 图中零件尺寸标注的公差查得 产品按 IT9 级制造 符合一般冲压的经济精度要求 模具精度取为IT6 IT7 级即可 综合以上几方面的情况可知 该工件适合冲压 冲压工艺性良好 在生产过 程中需要用落料 弯曲等主要工序 第三章 操纵杆模具设计工艺分析 3 1 多工位级进模概述 多工位级进模主要用于细小复杂冲压零件的批量生产 其工位数多 精度高 6 70 寿命要长 模具细小零件和镶块多 板类零件孔位精度高 尺寸协调多 因此 多 工位级进模具与常规冲模相比 虽然加工和装配方法相似 但要求提高了 需要协 调的地方多了 因而加工和装配更加复杂和困难 在模具设计合理的前提下 要制 造出合格的多工位级进模 必须具备先进的模具加工设备和测量手段以及合理的模 具制造工艺规范 与其他冲模相比 多工位级进模具有以下特点 1 工件零件 镶块件和三大板 凸模固定板 凹模固定板和卸料镶块固定板 简称三板 是多工位级进模加工难点和重点控制零件 其加工难点体现在工作零件 型面尺寸和精度 三大板的型孔尺寸和位置精度 2 细小凸模和凹模镶块由于其形状复杂 尺寸小 精度高 采用传统的机械加 工难以完成加工 必须辅以高精度数控线切割 成型磨削等先进加工方法方能完成 常采用数控线切割 成型磨削 由于细小凸模和凹模镶块是易损件 需要更换 要有一定的互换性 所以细小凸模 凹模镶块的生产不能采用配做加工 而是有互 换性的分开加工 要求图纸中不论是凸模还是凹模必须标明保证间隙的具体尺寸和 公差以便于备件生产 3 多工位级进模中的凸模固定板 凹模固定板和卸料镶块固定板孔位精度高 尺寸协调多 是制造难度最大 耗费工时最多 周期最长的三大关键零件 是模具 精度的集中体现件 装在其上的凸模或镶块间的位置精度 垂直度等都依靠这三块 板来给予保证 所以这三块板必须正确选材 确定加工方法和热处理方法 确保加 工质量 三板的加工除要使用传统的机械加工方法外 还必须使用高精度数控线切 割 坐标镗 坐标磨等先进加工方法 必要时采用组合加工 4 为了避免基准误差的产生和积累 凸模固定板 凹模固定板和卸料镶块固定 板的设计基准 工艺基准 测量基准三者应重合 一般采用板的两个成直角的侧面 作为型孔位置尺寸的基准 重要型孔位置尺寸一般采用并联标注 三板常见加工路 线一般是 锻 热处理 铣 刨 平磨 中间热处理 平磨 坐标 镗 最终热处理 平磨 电加工 坐标磨 精修 5 级进模在生产上虽然效率高 但其冲制工件时材料利用率不高 模具制造 维护以及成本较高也限制了它的应用 一般应用连续模生产时必须具有冲压件本身 的适用 机床设备性能以及技术力量等条件 对于冲压件本身来说 一是被加工的 工件产量和批量足够大 以便以较低的单件成本维持稳定而持久的生产 二是工件 的形状复杂 凸模或凹模型腔难以加工或起加工结构尺寸难以满足强度要求而需要 7 70 将工序分解 对于机床设备来说 必须具有能承受模具连续作业的足够刚性 功率 和精度 故有较大的工作台面 良好可靠的制动系统 因此级进模多用于生产批量 大 精度要求不高 需要多工序冲裁的小工件加工 3 2 单工序模具的概述 所谓单工序模具结构 就是在冲床的一次行程内 只能完成一道工序 单工序 模具有以下特点 1 单工序模具结构的优点是模具结构简单 制造周期短 加工成本低 模具通 用性好 不受冲压件尺寸的限制 即适合于中小型冲压的生产 也适合于一些外形 尺寸较大 厚度较厚的冲压件的生产 2 单工序模具结构的缺点是制件精度不高 生产效率低 3 单工序模具结构的选用原则 综上所述可知 对一些精度高 生产批量不大的工件 采用单工序模具还是比较合 适的 尤其是对于我国的社会主义市场经济 新产品的开发与研制对每个企业来说 都是至关重要的 而对于一些需要冲压生产的新产品来说 就提出了一个要求 要 求研制周期短 开发速度快 制造成本低 而在这一点上 单工序模具就更能满足 这一要求 所以就显得更实用一些 3 3 模具比较 复合模的特点与单工序模相比 生产效率高 设备利用率高 在一副模具中 可以完成落料 冲孔和其他成形等多种工序 减少了模具周转与定位过程 保证模 具强度 延长模具寿命 另外级进模结构复杂 模具制造精度高 模具制造 调试 和维修难度大 车间占地大 模具尺寸大 中间不能进行热处理和软化处理 复合 模可以 在同一部位上完成落料和冲孔 从而保证冲裁件的内空和外径的相对位置 监督和平正性 此外 生产效率高且条料的定位精度的要求比较小 3 4 工艺方案分析 根据本零件的结构特点 加工操纵杆总共有冲孔 落料 冲突 弯曲 4 个工序 其中孔有 2 组 根据老师的经验介绍 大致列出了 3 中加工零件的方法 1 5 副单工序模具包括冲孔模 2 副 落料模 冲凸模 弯曲模 8 70 2 3 副模具包括多工位的冲孔落料级进模 冲凸模 弯曲模 3 2 副模具包括一副复合模 和一副弯曲模 方案 1 的模具设计制造简单 工件和计算量小 生产效率低下 需要较多的人 力帮助 资源空间的消耗较大 方案 2 的模具设计制造相对于方案 1 复杂些 工作 和计算量稍大 产品的精度相对高 生产效率相对高 总体来说明显优于方案 1 方案 3 的模具设计制造复杂 工作和计算量大 产品精度高 生产效率高 是 3 个 方案中效率最高的 3 5 工艺方案的确定 从以上三个方案中不难发现 方案 1 简单 方案 2 中等 方案 3 复杂 并且其 生产效率和产品精度也存在差距 考虑到生产效率方案 1 肯定是不会选用 由于本 零件的加工特性决定后两步工序采用单工序模 前两步是简单的冲孔落料 复合冲 裁可用于各种尺寸的工件 级进冲裁可以加工形状复杂 宽度很小的异形零件 且可冲裁的材料厚度比复合冲裁要大 但级进冲裁受压力台面尺寸与工序数的限 制 冲裁工件一般为重 小型件 再考虑到经济效益和生产效益 所以还是选用 方案 2 包括一个冲孔落料级进模 冲凸模 弯曲模 第四章 操纵杆冲孔落料级进模的设计和计算 4 1 冲压工艺计算 9 70 工艺计算是模具的基础 只要正确的计算出各道工序的凸凹模尺寸 冲压力 毛坯尺寸等 才能设计出正确的模具 本设计中的工艺计算比较多 具体计算如下 4 1 11 冲裁力的计算 冲裁力是冲裁力 卸料力 推件力和顶料力的总称 冲裁力是凸模与凹模相对运动使工件与板料分离所需要的力 它与材料的厚度 工件的周长 材料的力学性能等参数有关 冲裁力是设计模具 选择压力机的重 要参数 计算冲裁力的大小是为了合理的利用冲压设备和设计模具 选用冲压设 备的标称压力必须大于所计算的冲裁力 所设计的模具必须能够传递和承受所计 算的冲裁力 以适应冲裁的要求 根据图 4 1 上的表示零件上一共有 4 个孔分两两计算冲孔孔力 由于是级 进模冲孔和落料的冲压力计算要一起进行 1 冲两个小孔的冲裁力计算 式中 冲裁力 mmF 零件剪切周长 mm L 材料厚度 mm t 抗拉强度 b MPa 其中要冲两个孔 所以总的力为 冲两个大孔的冲裁力计算 由于要冲两个孔 所以总的力为 2 落料的冲裁力的计算 L 约等于 140mm 1 卸料力的计算 因为本设计中采用弹性卸料装置 则 10 70 为卸料力可以通过查表获得 0 02 0 06 则总的冲裁力为 4 2 冲孔落料的有关计算 4 2 1 凸 凹模刃口尺寸的计算 在计算凸模和凹模刃口尺寸时 落料以凹模刃口尺寸为基准 而冲孔以凸模为 基准 并根据基准件的刃口尺寸确定非基准件的刃口尺寸 其零件的尺寸如图 其 凸凹模刃口尺寸计算采用凸模与凹模分别加工的方法 直径为 5mm 上偏差为 0 15mm 下偏差为 0 05mm 直径为 8 2 的圆 上偏差为 0 15mm 先确定凸模的 刃口尺寸 再加上便是凹模刃口尺寸 式中 冲孔落料凸 凹模刃口尺寸 min d 领进孔径公称尺寸 min 零件公差 mm 最小合理间隙 mm x 磨损量 磨损系数 x 是为了使零件的实际尺寸尽量接近零件公差带的中间尺 寸 X 值在 0 5 1 之间 与零件的制造精度有关 零件精度为 1T11 1T13 时 x 0 75 零件精度为 1T10 以上时 x 0 1 零件精度为 1T14 时 x 0 5 图 4 1 操纵杆冲孔图 根据上述的公式可以计算出冲孔凸 凹模的刃口尺寸 11 70 上偏差为 0 020mm 上偏差为 0 05mm 下偏差为 0 020mm 下偏差为 0 01mm 落料凸 凹模的刃口尺寸按照凹模为基准 其零件的尺寸如图 4 2 其凸模按 照凹模配做按照 H7 f6 配做按照尺寸分类可以分为三类如图 4 3 所示 1 凹模磨损后变大的尺寸 A1 A2 及 A3 A4 A5 2 凹模磨损后变小的尺寸 B1 3 凹模磨损后不变的尺寸 C1 C2 C3 C4 图 4 2 零件尺寸 图 4 3 凹模图 变大的尺寸 A 类按 12 70 变小的尺寸 B 类按 不变的尺寸 C 类按 当制件的尺寸是 C 的尺寸为时时 当制件的尺寸是 C 的尺寸为时时 当制件的尺寸是 C 的尺寸为 C 时时 通过计算查表得到 A1 20 55 上偏差为 0 025mm A2 5 125 上偏差为 0 013mm A3 6 125 上偏差为 0 015mm A4 7 125 上偏差为 0 015mm A5 7 625 上偏差为 0 015mm B1 16 25 下偏差为 0 018mm C1 7 1 上下偏差为 mm C2 18 1 上下偏差为 mm C3 42 7 上下偏差为 mm C4 8 3 上下偏差为 mm 4 2 2 凸 凹模的设计 由于孔都比较小所以采用圆柱头直杆圆凸模 材料为 Cr12MoV 圆柱头直杆圆 凸模设计制造比较简单加工简便 适合于孔比较小的模具上 冲孔凸模结构及尺寸 查表绘制如图 4 4 4 5 所示 13 70 图 4 4 直径 5 13mm 的圆凸模 图 4 5 直径 8 2 的圆凸模 落料件的凹模如下图 4 6 所示 14 70 图 4 6 落料件的凹模尺寸 4 3 设备的确定 4 3 1 模架的选择 模架有后侧导柱模架 中间导柱模架 对角导柱模架 四角导柱模架四种结 构 模架包括上模座 下模座 导柱和导套四个部分 冲压模具的全部零件都安 装在模架上 根据模架的导向用的导柱和导套的配合性质分为滑动导向模架和滚 动导向模架两大类 为了缩短模具制造周期 降低成本 我国制定了一套模架的 标准 称为标准模架 后侧导柱模架的特点是导向装置的后侧 横向和纵向送料 都比较方便 但如果有偏心载荷 压力机导向有不精确 就会造成上模歪斜 蹈 向装置和凸凹模都容易模损 从而影响模具寿命 此模架一般用于较小的冲模 冲模模架技术要求如下 1 装入模架的每对导柱和导套的配合间隙值应符合要求 2 装配后的模架 其上模座沿导柱上下移动应平稳而无滞住现象 3 装配后的导柱 其固定端面与下模座下平面应保留1 2mm 距离 选用 B 型导套时 装配后其固定端面应低于模座上平面1 2mm 模架的各个零件工作表面不允许有裂纹和影响使用的沙眼 缩孔 机械损伤 15 70 等缺陷 在保证本标准规定质量的情况下 允许用其他工艺方法固定导柱 导套 其 零件结构尺寸允许作相应改动 1 模架尺寸的确定 由于采用手工送料 考虑到开敞性及送料方便 选后侧导柱模架 根据凹模 周界选择模座 如图 4 7 图 4 8 查参考文献 分别选择上下模座 上模座 200mm 下模座 200mm材料为 HT200 查参文献 分别选择导柱 导套 导柱 28 GB T2861 1 材料为 20 导套 35mm 105mm 43mm GB T2861 6 材料为 20 图 4 7 上模座 16 70 图 4 8 下模座 2 模具的闭合高度 H 40mm 8mm 40mm 35mm 20mm 2mm 50mm 60mm 245mm 校核 冲模的闭合高度应介于压力机的最大密封高度及最小封闭高度之间 一般取 即 满足条件 mmHHmmH10min5max 4 3 2 压力中心的计算 冲压力合力的作用点称为冲模压力中心 冲模压力中心应尽可能和模柄轴线 以及压力机滑块中心重合 以使冲模平稳工作 减少导向件的磨损 提高模具及 压力机寿命 本设计中采用的是拉深冲裁多工位级进模 其压力中心采用以下的方法计算 由于各道工序的冲裁力可以计算出来的 如图 4 8 所示 假使压力中心离第二道冲 孔的距离为 X 17 70 F1 70KN F2 25 6KN F3 15 7KN 图 4 8 力矩图 F1x 22 8mm F2x X F3 14 5mm X 70KNx 22 8mm X 25 6KN xX 15 7KN 14 5 X X 11 9 约等于 12mm 4 3 3 压力机的选择 压力机的型号的确定主要取决于冲压工艺的要求和冲模结构情况 选用压力 机时 必须满足以下要求 压力机的公称压力必须大于冲压计算的总压力 压力机的装模高度必须符合模具闭合高度的要求 即 Hmax 5mm Hm Hmin 10mm 式中 Hmax Hmin 分别为压力机的最大最小 装模高度 mm 压力机的滑块行程必须满足冲压件的成型要求 对于拉伸工艺 为了便于放 料和取料 其行程必须大于拉深件高度的2 2 5 倍 为了便于安装模具 压力机的工作台面尺寸应大于模具尺寸 工作台面上的 孔应该保证冲压件或废料能落下来 模柄孔和模柄尺寸应匹配 根据 F 总 70 80 F 总的冲裁在 3 1 1 已经计算出来 考虑上述 的选择压力机的要求 选择的压力机为JB23 16 此压力机的有关主要技术参数如下 公称压力 F 250KN 公称压力行程 S 6mm 固定滑块行程 S 80mm 最大闭合高度 250mm 模柄孔尺寸 直径 深度 50 70 4 4 排样的意义和材料利用率 X 22 814 5 18 70 4 4 1 排样的意义 冲裁件在条料 带料或板料上的布置方法叫排样 排样合理就能用相同的 材料冲出更多的零件来 降低材料消耗 大批量生产时 材料费用一般是冲裁件 的成本的 60 以上 因此 材料的经济利用率是一个重要的问题 特别对于贵重 的有色金属 排样的合理与否将影响到材料的经济利用率 冲裁件质量 生产效 率 模具结构与寿命 生产操作方便与安全等 排样的意义就在于保证用最低的材料消耗和最高的劳动生产率得到合格的零 件 图 4 9 排样示意图 1 带料宽度 确定条料宽度的原则是 最小条料宽度要保证冲裁时零件周围有足够的搭边值 最大条料宽度能在导料板间传送 并与导料板间有一定的间隙 B 1 2b 56 7 2x2mm 60 7mm 式中 b 侧面搭便宽度 mm 可以通过搭边值表查询 D 毛培直径 2 带料送料进距 S d n 20 3 2 5mm 22 5mm 式中 相邻切口间宽度 可以查表获得 排样图如下所示 如图 4 10 19 70 图 4 10 排样图结构及尺寸 4 5 垫板固定板的设计 4 5 1 垫板的设计 本设计中用到的凸模垫板 垫板使用的材料为45 钢 其具体的尺寸见 图 4 11 其厚度为 8mm 宽和长为 99mm 和 180mm 图 4 11 垫板结构和尺寸图 4 5 2 固定板的设计 20 70 固定板作用是将凸模或凹模按一定相对位置压入固定后 作为一个整体安装 在上模座或下模座上 模具中最常见的是凸模固定板 固定板分为圆形固定板和 矩型固定板两种 主要用于固定小型的凸模和凹模 凸模固定板的厚度一般取凹模厚度的0 6 0 8 倍 其平面尺寸可与凹模 卸料板外形尺寸相同 但还应考虑紧固螺钉及销钉的位置 固定板的凸模安装孔 与凸模采用过度配合 H7 m6 H7 n6 压装后将凸模端面与固定板一起磨平 固定板材料一般采用 Q235 或 45 钢 本模具的凸模固定板结构图有关尺寸按照H7 m6 和凸模配做 厚度为 40mm 宽度和长度为 99mm 和 180mm 图 4 12 凸模固定板的结构和尺寸图 4 6 卸料装置的设计 1 卸料装置 1 固定卸料板 当卸料板仅起卸料作用时 凸模与卸料板的双边间隙取决于板料厚度 一般 在 0 2 0 5mm 之间 板料薄时取小值 板料厚时取大值 当固定卸料板兼起导 板作用时 一般按 H7 h6 配合制造 但应保证导板与凸模之间间隙小于凸 凹 模之间的冲裁间隙 以保证凸 凹模的正确配合 21 70 固定卸料板的卸料力大 卸料可靠 因此 当冲裁板料较厚 大于 0 5mm 卸料力较大 平直度要求不很高的冲裁件时 一般采用固定卸料装置 2 弹压卸料装置 弹压卸料装置是由卸料板 弹性元件 弹簧或橡胶 卸料螺钉等零件组成 弹压卸料及其卸料作用又起压料作用 所得冲裁件质量较好 平直度较高 因此 质量要求较高的冲裁件或薄板冲裁宜用弹压卸料装置 弹压卸料板与凸模的单边间隙可根据冲裁板料厚度按表选用 在复合模中 特别小的冲孔凸模与卸料板的单边间隙可将表列数值适当加大 当卸料板起导向 作用时 卸料板与凸模按 H7 h6 配合制造 但其间隙应比凸 凹模间隙小 此 时 凸模与固定板以 H7 h6 或 H8 h7 配合 此外 在模具开启状态 卸料板应 高出模具工作零件刃口 0 3 0 5mm 以便顺利卸料 本模具中选用弹性卸料装置 本零件的厚度为2 0mm 考虑卸料力的问题在前 面已经计算过了 厚度为 35mm 的橡胶可以满足卸料力 卸料板结构如图所示厚 度为 20mm 长为 180mm 宽为 99mm 图 4 13 卸料板 4 7 导向装置的设计 导向装置可以提高模具精度 寿命以及工件的质量 而且还能节省调试模具 的时间 大批量生产的冲压模具中广泛采用了导向装置 导向装置设计的注意事 22 70 项 1 导柱与导套应在凸模工作前或圧料板接触到工件前充分闭合 而且此时应保 证导柱上端距上模座上平面留有10 15 的间隙 2 导柱 导套与上下板装配后 应保证导柱与下模座的下平面 导套上端面 与上模座的上平面均留 2 3mm 的间隙 3 对于形状对称的工件 为了避免合模安装时引起的方向错误 两侧导柱直 径或位置应有所不同 4 当冲模有较大的侧向压力时 坐上应装设止推垫 避免导套 导柱承受侧 向力 5 导套应开排气孔以排除空气 本设计中的导向装置的结构采用滑动式导柱导套结构 这种方式是最常用的 方式 这种结构加工装配方便 易于标准化 但承受测压能力差 导柱导套的间 隙值应小于冲模中凸模 凹模间隙 模柄采用压入式模柄 根据选用的压力机型号 JB23 16 绘制出模柄图 图 4 14 模柄结构及尺寸图 23 70 4 8 定位装置的设计 为了限定被冲材料的进给步距和正确地将工件安放在冲模上完成下一步的冲 压工序 必须采用各种形式的定位装置 用于冲模的定位零件有导料销 导料板 挡料销 导向销 定距侧刃和侧压装置等 定位装置应可靠并具有一定的强度 以保证工件精度 质量的稳定 定位装置应可以调整并设置在操作者容易观察和 便于操作的地方 定位装置应避开油污的干扰并且不与运动机构干涉 定位精度 要求较高 要考虑粗定位和精定位两套装置 分别进行 胚件需要两个以上的工 序的定位时 他们的定位基准应该一致 条料在模具送料平面中必须有两个方向 的纤维 一是在与条料方向垂直方向上的纤维 保证条料沿正确的方向前进 称 为送进导向 二是在送料方向上的限位 控制条料一次送进的距离 步距 称为 送料定距 1 导料销 挡料销 导料销或挡料销是对条料或带料的侧向进行导向 以免送偏的定位零件 导料销一般设两个 并且位于条料的同侧 从右向左送料时 导料销装在后 侧 从前向后送料时 导料销装在左侧 导料销可设在凹模上面 也可以设在弹 压卸料板上 也可以设在固定板或下模座平面上 固定式或活动式的导料销可选用标准结构 导料销多用于单工序模和复合模 中 4 9 操纵杆冲孔落料级进模的工作原理 第一工位 通过 01 凸模冲出零件孔 1 第二工位 利用 03 导正销导正零件 通过 02 凸模冲出零件孔 2 第三工位 通过 04 凸模冲出外形 再通过卸料螺钉和 卸料板是零件和条料分离 其二维总装图如下 24 70 图 4 15 操纵杆冲孔落料级进模 25 70 4 10 操纵杆冲孔落料级进模三维图 利用 UG 软件绘制三维组装图和三维爆炸图 如图 4 16 图 4 17 所示 图 4 16 落料冲孔模三维装配图 图 4 17 落料冲孔模三维爆炸图 26 70 第五章 操纵杆冲凸模的设计与计算 5 1 操纵杆冲凸模的设计 冲凸模的设计基本和冲孔模的设计相符合 采用后侧导柱模架 不同点是它的 冲突部位下模也是一个凸模 在两个凸模的共同作用下使得零件面上产生一个位移 就是所要冲突的位移 冲凸模属于冲裁磨具的一种原理基本和压印相当 冲突发生 在弹性变形阶段 由于两个凸模制件存在间隙 板料在承受凸模较小的力的同时 也受到弯矩的作用 结果上凸模的材料挤入间隙 当材料遇到下凸模时停止变形 使得材料产生一个间隙位移 间隙越大 变形也越大 冲凸模由于成型比较简单故 不需要卸料装置 制件不会黏在凸模上 人工可以卸料 答辩卸料时要注意安全操 作 由于冲凸模具的资料较少 使得模具的设计中还存在很多缺陷 望老师多多指 出 如图所示 利用直径为 5 的两个小圆定位 进行冲突这样的精度比较高 设计 模具也比较简单 冲突 0 5mm 图 5 1 零件图 5 2 冲凸模上下凸模设计 上凸模和下凸模尺寸相同 高度不同如图 5 2 所示 上凸模有嵌入一个导正销 通过零件的两个小孔导正销导正 其尺寸精度要求较高 如图 5 3 所示 下凸模为 普通的圆柱头直杆凸模 如图 5 4 所示 27 70 图 5 2 上下凸模 图 5 3 上凸模 28 70 图 5 4 下凸模 5 3 冲凸模的垫板固定板的设计 和级进模的设计基本相同 垫板高度为 8mm 宽度为 63mm 长为 80mm 如下图 5 5 图 5 5 垫板 上下凸模固定板的厚度都为 30mm 由于螺母销钉位置不同也稍有不同 上下固 定板如下图 5 6 5 7 所示 29 70 图 5 6 上凸模固定板 图 5 7 下凸模固定板 5 4 压力机的选择 1 由于其冲压力较小冲裁力计算 30 70 L 冲裁周边长度 mm t 材料厚度 mm 材料抗拉强度 Mpa 由于要冲两个小孔 所以总的力 2F 2 选用最小的开式压力机 GB23 4 公称压力 F 40KN 公称压力行程 S 3mm 固 定滑块行程 S 40mm 最大闭合高度 160mm 模柄尺寸 直径 模柄 5 5 操纵杆冲凸模的工作原理 放入零件 通过 03 凸台导正直径为 5mm 的两个小孔 03 上凸模与 04 下凸模冲 突成型 0 5mm 如图 5 8 图 5 8 操纵杆冲凸模 5 6 冲凸模三维图 利用 UG 软件绘制冲凸模三维组装图和三维爆炸图 如图 5 9 图 5 10 所示 31 70 图 5 9 冲凸模三维装配图 图 5 10 冲凸模三维爆炸图 32 70 第六章 操纵杆弯曲模的设计与分析 6 1 操纵杆弯曲模的设计分析 操纵杆的弯曲为 U 形弯曲如图 6 1 由于弯曲件较为简单 只要一次就可以压 弯成形 材料沿着凹模圆角滑动进入凸 凹模的间隙并弯曲成形 凸模回升时 顶 料板将工件顶出 由于材料的弹性 工件一般不会包的凸模上 图 6 1 操纵杆的 U 形弯曲模 6 1 1 弯曲力的计算 在弯曲加工中 凸模对工件毛坯施加的作用力称为弯曲力 当遇到工件板材厚 度 材料强度 弯曲行程和弯曲变形程度等比较大的情况时 可能会发生弯曲设备 的吨位和功率不足的问题 因此需要计算弯曲力以作为设计弯曲模和选择弯曲设备 的依据 1 自由弯曲时的弯曲力 U 形件弯曲 34027N 式中 自由弯曲力 N K 安全系数 一般取 k 1 3 B 弯曲件的宽度 mm t 弯曲材料的厚度 mm r 弯曲件的内圆角半径 mm 弯曲材料的抗拉强度 MPa 33 70 2 弯曲时顶件力和卸料力 对于设有顶件装置或压料装置的弯曲模 顶件力或卸料力可近似取自由弯曲力 的 30 80 且在一定的范围内可以视实际需要进行调整 3 弯曲时压力机公称压力的确定 自由弯曲时 压力机的公称压力为 6 1 2 凸 凹模工作部分尺寸确定 1 凸 凹模间隙 凸 凹模单边间隙 c 一般取 C 1 05 1 15 t 2 凸 凹模尺寸宽度 标注内形尺寸的弯曲件 应以凸模为基准 首先设计凸模的宽度尺寸 考虑到 磨损和回弹 当工件标注成对称偏差时 凸模宽度 13 5 0 5 此时凹模宽度 13 55 2 3 凸 凹模圆角半径和凹模深度 1 凸模圆角半径 当弯曲件的内侧弯曲半径为 r 时 凸模圆角半径应等于弯 曲件的弯曲半径 即 r 但必须使 r 大于允许的最小弯曲圆角半径 若因结构需要 必须使 r 小于最小弯曲半径时 则可先弯成较大的圆角半径 然后再采用整形工序 进行整形 2 弯曲凹模的圆角半径 凹模圆角半径的大小影响弯曲力 弯曲件质量与弯 曲模寿命 凹模两边的圆角半径大小应一致且合适 过小 弯曲力增加 会刮伤弯 曲件表面 模具的磨损增加 过大 支撑不利 其值一般据板厚取 t 2mm 时 t 2 4mm 时 t t 4mm 时 3 凹模工作部分深度 过小的凹模深度会使毛坯两边自由部分过大 造成弯 曲件回弹量大 工件不平直 过大的凹模深度增大了凹模尺寸 浪费模具材料 并 且需要大行程的压力机 因此 模具设计中 要保持适当的凹模深度 34 70 6 2 纵杆弯曲模的工作原理 零件通过定位销定位 2 个大孔 凸模一次成形弯曲 通过卸料螺钉和顶件装置 顶件块顶出零件 其总装图如下 图 6 2 操纵杆弯曲模 35 70 6 3 操纵杆弯曲模的三维装配图 图 6 3 弯曲模三维装配图 图 6 4 弯曲模三维爆炸图 36 70 第七章 模具失效分析 7 1 模具失效的基本形式 从目前的实际情况来看 模具失效的荃本形式主要有以下五种 塑性变形 失效 磨损失效 疲劳失效 冷热疲劳失效 综合因素影响下的失效 在上述 五种基本失效形式中 除冷热疲劳失效主要出现在热作模具之外 其余四种 均可出现在冷作或热作模具上 7 1 1 模具的塑性变形失效 对于冷作模具 出现塑性变形失效的主要原因是 1 模具材料的强度水平不高 2 模具材料虽然选择正确 但热处理工艺不正确 未能达到钢材的最 佳强韧性 3 使用不当 有局部超载发生 而对于热作模具钢 除以上三种原因之外 还有高温软化的因素 这是由 于热作棋具的工作面往往与高温坯料接触 当型腔表面温度超过模具钢的回火 温度时 模具钢的强度下降 仅为室温强度的 1 2 或 1 3 在工作时便易发生热 塑性变形失效 7 1 2 模具的磨损失效 造成模具磨报失效的根本原因就是模具与坯料间的摩擦 但磨损的具体形式 和磨损过程则与许多因素有关 即与模具和坯料的机械性能 模具与坯料的 表面状态 模具在工作过程中的压力 温度 坯料形变速度和润滑状况等 除这些影响因素之外 磨损机制对模具的寿命也影响极大 在拉延 弯曲等可 视为静磨报的小载荷条件下 随模具钢含碳量增加 耐磨性增加 而在冷徽这 种冲击磨损条件下 模具钢中碳含量超过 0 6 时 磨损寿命则反而下降 因 此 在以磨损机制为主的失效时 选择模具钢应考虑这两种影响 对子热作模其 由子其型腔表面受高温软化而耐磨性下降 加上氧化皮本 身也起到磨料的作用 就决定了其磨报过程显得更为复杂 37 70 7 1 3 模具的冷热疲劳失效 对于热作模具 工作时由于与热的坯料相互作用 引起了模具表面温度常 升至 600 900 的范围 为了不使棋具的强度下降 必须要对脱模后的棋具 喷洒冷却剂 使其降温 这样周则复始 使棋其表面反复经历急冷急热的过程 于模具表层便累积了相当的循环热应力 该应力最终以冷热疲劳的方式进行释 放 形成热疲劳裂纹 至于高温氧化 冷却剂的腐蚀以及模具与高温坯料间的摩 擦作用则更是加速了冷热疲劳的这一过程 冷热疲劳裂纹通常都表现为网状 龟裂状 平行状或放射状 常出现在 模具上受载荷较大和冷热温度变化最大之处 是热作模具中最为常见的一种疲 劳失效形式 7 1 4 综合因素影响下的失效 模具由于实际工作条件极为复杂 因此 一副模具上常同时出现多种损伤形 式 这些损伤一旦出现 彼此又可能相互促进 最终将加速模具的失效 例如 磨损时疲劳就有强烈的促进作用 当模具上出现磨损沟之后 模具在载荷的作用 下 极易在磨损沟处形成裂纹而导致疲劳断裂 此时 磨损沟本身就构成了疲劳 裂纹源 对模具的疲劳断裂起到了促进作用 7 2 影响模具失效的主要因素 从实际对模具失效影响较大的方面去考虑 基本上可以将模具失效的影响因 素分为以下几个方面 即模具设计 热处理 机械加工 模具工作条件 7 2 1 设计对模具失效的影响 就目前而言 多数模兵的设 门连凭经验进行的 这主要是因为有以下两点原因 第 一 对于大多数模具钢的高强度度和低生产 因此导致不易获得有益的重现试验 第二 不易获得模具各部位的精确受力情况以及受力大小 因此 从实际的 失效分析看 主要有以下两方面需注意 即选材和尺型设计 选用何种模具材料目前主要还是依据经验 出发点主要是从模具的使用要 求出发 目前国内可供选择的模具钢号有七十余种 分别适用于冷热挤压 热 锻模 热冲模 压铸模 塑料模 冲模等各类模具 38 70 7 2 2 选材对模具失效的影响 选材时 主要应遵循以下原则 对冷作模具只重视耐磨性而忽视强刃性 只 习惯于选用高碳钢 不用中碳钢 正确的选择应是 受冲击载荷不大的静载模 具选用高碳模具钢 而受冲击载荷大的动载模具则只应选用中碳钢 对热作模具 不应只重视高温强度而忽视断裂韧性及冷热疲劳抗力 承受随急冷急热的热作模 具 应选用冷热疲劳抗力和断裂韧性均高的模具钢 而工作温度较高但温度波动 较小的热作模具 可选用高温强度高而冷热疲劳抗力较低的模具钢 总之 突出模具的具体使用情况进行选材是必须的 另外就是应注意避免一味只追求 性能而不注意性能价格比 这是因为模具材料间的价格相差很大 7 2 3 尺型设计的影响 从失效分析的角度来看 设计的主要错误包括 尖角 圆角半径过小 凹 槽和缺口布置不当 截面突变 孔的位里不当造成薄壁 断面太薄和间隙配合不 当等 尖角 截面突变等设计往往易造成该处内应力极大 有时甚至可达平均 计算应力的 10 倍 从而导致模具在热处理或使用时早期失效 而薄壁和断面太 薄则除导致应力集中之外 还易造成强度不足 导致塑性变形或开裂失效 间 隙配合不当则往往易导致磨损加剧或刃口易钝化 7 2 4 热处理对模具失效的影响 已有许多资料统计表明 70 的模具失效是因为热处理不当所致 因此 热处理质量的好坏 直接会影响模具的寿命 模具热处理后的性能 常常就 是最终使用性能 因此 对其棋具的寿命有直接的影响 而模具往往由于在热 处理过