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动力转向管压力报警开关冲压模具设计第二章 零件工艺设计2.1 零件工艺分析此次设计我的任务是对压力报警开关中的压力帽的冲模技术进行研究，并设计出相应的几副模具来制造该零件。压力帽的零件图如下：该压力帽的技术要求：压力帽壁厚为0.5mm；采用压力加工成型；去除毛刺；加工后镀彩锌。 零件材料为20钢，零件尺寸公差为IT11级，为一般精度的工件，故采用IT8 IT7级精度的普通冲裁模即可以实现该零件的精度要求。该零件为大批量生产，故可以考虑采用复合模或者级进模来进行生产。从对该零件的分析可以看出：加工该零件的工序有落料、冲孔、拉深、翻边等。针对零件的特点，有两个问题需要注意，一是如果先冲孔再拉深，会不会造成孔的变形呢？另一个问题是一次拉深能完成吗？是不是应该多次拉深呢？因此我们应该需要确定拉深的次数。下面对这两个问题分别进行说明：从零件图上可以看出，冲孔的尺寸很小，并且对其公差也没有严格的要求，只要达到一般的精度就可以了，又因为该孔位于拉深件的筒底部分，根据拉深变形的特点，可以知道：筒底部分材料基本上不变形。故可以忽略拉深对孔变形的影响。对于第二个问题，可以通过下面的计算来判断是否能一次拉深成型：（1）选取修边余量：查表44有凸缘零件修边余量【4】，可以知道：当时，取修边余量为1.8mm，故实际外径为。（2）计算毛坯直径按几何表面积相等的原则，初算毛坯直径D为：（3）确定是否用压边圈毛坯的相对厚度为：，查表4-18采用或不采用压边圈的条件【4】，可以知道拉深时不用压边圈，并且首次拉深系数。（4）总拉深系数。（5）确定一次是否拉出根据毛坯相对厚度和凸缘相对直径，查表4-9有凸缘件第一次拉深的最大相对高度【4】。该表数值适用于08钢和10钢，对于20钢，应选取表中较小数值，故取，于是。查表4-10有凸缘的第一次拉深的拉深系数【4】，取20钢的，于是总拉深系数，所以该零件不能一次拉深成型，要两次或者多次才能拉出。2.2 零件工艺方案的确定通过上一节对该零件的整体工艺进行的分析，结合该零件加工所需工序，以及我所掌握的关于冲压的知识，我初步定出了以下三个加工方案，分别叙述如下：方案一：1、先进行落料和冲孔；2、进行一次有凸缘拉深的单工序；3、进行有凸缘拉深和U形外翻边。4、切除翻边；5、去除毛刺，镀彩锌及其它后道工序。方案二：1、先进行落料和一次有凸缘拉深；2、进行有凸缘拉深和U形外翻边；3、冲孔；4、切除翻边；5、去除毛刺，镀彩锌及其它后道工序。方案三：1、先进行落料、无凸缘拉深和冲孔；2、利用锥形压料圈，拉出锥形凸缘3、校平工序，将其校平为最终形状；4、切除余量；5、去除毛刺，镀彩锌及其它后道工序。这三种方案均具有可行性，如果采用第一种方案，则需要设计一副落料冲孔复合模，一副或多副有凸缘拉深的单工序拉深模，一副有凸缘拉深和U形外翻边的复合模，另外还要进行切边，还需要设计一副切边模。如果采用第二种方案，则需要设计一副落料和有凸缘拉深的复合模，一副或多幅有凸缘拉深和U形外翻边的复合模，一副有凸缘拉深和U形外翻边复合模，一副冲孔单工序模，另外还要切边。由以上分析可以看出，如果采用前两种方案的话，模具设计的工作量都会很大，而且还会比较麻烦，显然这两种方案不是最佳选择。并且由于该零件的在之间，被成为窄凸缘件。因此如果采用第三种方案，就可以先把工序件按无凸缘方式拉深，然后利用锥形压料圈，拉出锥形凸缘，再予校平工序获得凸缘。综合考虑，最终决定采用第三种方案。根据第三种模具设计方案，需要对坯料进行落料、冲孔、无凸缘拉深、带锥形凸缘拉深，校平等工序。其中无凸缘拉深需要进行一次，带锥形凸缘拉深要进行一次或多次，该拉深件的总拉深系数为，并且毛坯的相对厚度为，查表5-11拉深系数【1】，可以确定该拉深件需要进行三次拉深，且取首次拉深系数为，第二次拉深系数为，第三次拉深系数为，第一次拉深为无凸缘拉深，后两次拉深需要拉出锥形凸缘。所以加工该零件共需要做四副模具，其中包括一副落料拉深冲孔复合模，两幅带锥形凸缘的拉深单工序模具，以及一副校平模。具体每副模具的设计见以下各个章节的详细介绍。第3章 落料、拉深、冲孔复合模3.1 分析零件的冲压工艺性并确定工艺方案复合模是在压力机一次行程中，在同一个工位上完成两道或更多工序的冲模。落料、拉深、冲孔复合模没有固定的结构形式，有可能设计的很简单，也有可能设计的很复杂，这需要根据工件的形状、材料性能、精度要求以及产量进行综合分析，进而确定模具的结构形式。该复合模所需要加工出的零件形状如下图所示：由于压力帽是大批量生产，故可以考虑采用级进模或复合模，但因该工件比较小，厚度又不大，只有0.5mm，且生产工序数少于四个，故选择复合模比较合适，而且复合模加工出的零件精度比级进模要高。另外，由于复合模在压料冲裁的同时得到了校平，冲件比较平直且有较好的剪切断面，所以复合模加工出的零件的平面度要比级进模好。所以应该采用复合模。该复合模的结构形式采用典型的落料、拉深、冲孔复合模结构，需要有拉深凸模（冲孔凹模），拉深凹模（落料凸模），冲孔凸模，落料凹模。在装配该副模具时，拉深凸模的刃面要低于落料凹模刃面大约一个板料的厚度，即0.5mm，这样可以使落料完毕后才进行拉深。同样，凸模的刃面也应设计成使拉深完毕后才进行冲孔，这样可以充分减少孔的变形量。条料送进由前面的挡料销和左边的定位销定距及导向。拉深时由压力机气垫通过四根托杆和压料板进行压边，拉深完毕后靠托杆顶件。卸料采用弹性卸料机构。冲孔废料从模架下面落下来，可以用一个盖板和槽之类的东西来接废料，并需要经常把废料从槽中清出。当上模上行时，由推杆、顶板和三根顶销及顶出器，把制件从拉深凹模（落料凸模）中推出。3.2工艺计算3.2.1冲裁力、卸料力、推件力、拉深力的计算及选出压力机由表27优质碳素结构钢（GB69988摘录）【5】，查得，20钢的力学性能如下：抗拉强度，屈服强度，伸长率，收缩率。优质碳素结构钢的性能主要取决于含碳量，含碳量越高，钢的强度、硬度越高，塑性、韧性越低。低碳优质碳素结构钢强度低，塑性、韧性、焊接性好。08、08F、08AL是常用的冲压用钢，多用于制造各种冲压件，如搪瓷制品、汽车外壳等。08AL或08F还大量用于制造焊条芯。15、20、20Mn是常用的渗碳钢，多用于制造要求表面硬而耐磨、心部有良好韧性的零件。10钢、20钢，常用于制造冲压件和焊接件，也常用于制造渗碳件。冲裁力的大小主要与材料力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度有关。用平刃口模具冲裁时，冲裁力F(N)可按下式进行计算式中L冲裁件周边长度（mm） t材料厚度（mm） 材料抗剪强度（Mpa） K系数。考虑到模具刃口的磨损，模具间隙的波动，材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素，一般取K=1.3。一般情况下，材料的，为方便计算，也可用下式计算冲裁力F(N)式中材料的抗拉强度（Mpa）所以，外圆的落料力为：； 內孔的冲孔力为：；查表22卸料力、推件力和顶件力系数【4】，得，取，。取凸模刃壁高度，即在凸模口内同时存有冲孔废料的个数为个，故，卸料力为：；推件力为：；对于圆筒形件，拉深力可以按下式计算：其中，K修正系数拉深圆筒件直径零件厚度坯料的抗拉强度。就本零件而言，查表4-20修正系数K的数值【4】，取；第一次拉深时拉深后圆筒件直径为，圆筒件的厚度为，20钢的抗拉强度为，将这些数值代入上面拉深力的计算公式，可以得到零件的拉深力为：；所以工件总的冲压力为： 压力机的总压力应根据拉深力、压边力、冲裁力、卸料力、推件力等的总和来进行选择，当拉深行程较大，特别是采用落料拉深冲孔复合模时，不能简单的将落料力、冲孔力与拉深力的迭加来选择压力机，因为压力机的标称压力是指在接近下死点时的压力机压力。因此，应该注意压力机的压力曲线。如果不注意压力曲线，很可能由于过早地出现最大冲压力而使压力机超载损坏。一般可按公称压力作概略计算。即公称压力。查开式可倾压力机的主要参数，并且综合考虑模架结构，最终选取公称压力为160kN，型号为J23-16的开式可倾压力机，该压力机的主要参数如下所示：公称压力 ：160KN公称力行程：2mm滑块行程 ：55/70 mm行程次数：125次/min最大装模高度 ：160/170 mm装模高度调节量：45 mm工作台尺寸（前后左右） ：300 mm450/320480 mm工作台孔尺寸（直径前后左右）：mm工作台板厚度：60mm模柄孔尺寸（直径深度）：mm机身最大可倾角度：立柱间的间距：220mm3.2.2排样、冲裁模间隙及凹模、凸模刃口尺寸公差计算（1）排样冲裁件在板、条等材料上的布置称为排样。排样的合理与否，影响到材料的经济利用率，还会影响到模具结构、生产率、制件质量、生产操作方便与安全等。因此，排样是冲裁工艺与模具设计中的一项很重要的工作。冲压件大批量生产成本中，毛坯材料费用占60以上，排样的目的就在于合理利用原材料。衡量排样经济性、合理性的指标就是材料的利用率。根据本零件的特点，采用少废料排样的方法，即：沿着工件的部分外形轮廓切断或冲裁，只在工件之间或是工件与条料侧边之间有搭边存在。具体排样如下图所示：查表2-13搭边 和数值（低碳钢）【4】，取搭边值为：，（2）冲裁模间隙冲裁模刃口尺寸的计算原则有以下三个，一是落料模先确定凹模刃口尺寸；二是冲孔模先确定凸模刃口尺寸；三是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。冲裁间隙Z是指冲裁模中凹模刃口横向尺寸与凸模刃口横向尺寸的差值，如图2.3.1所示。Z表示双面间隙，单面间隙用Z/2表示，如无特殊说明，冲裁间隙就是指双面间隙。Z值可为正，也可为负，但在普通冲裁中，均为正值。由以上分析可见，间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命等都有很大的影响。但很难找到一个固定的间隙值能同时满足冲裁件质量最佳、冲模寿命最长，冲裁力、最小等各方面的要求。因此，在冲压实际生产中，主要根据冲裁件断面质量、尺寸精度和模具寿命这三个因素综合考虑，给间隙规定一个范围值。只要间隙在这个范围内，就能得到质量合格的冲裁件和较长的模具寿命。这个间隙范围就称为合理间隙，这个范围的最小值称为最小合理间隙（Zmin），最大值称为最大合理间隙（Zmax）。考虑到在生产过程中的磨损使间隙变大，故设计与制造新模具时应采用最小合理间隙Zmin。确定合理间隙值有理论法和经验确定法两种。由于理论计算法在生产中使用不方便，故目前广泛采用的是经验数据。本设计就是采用经验确定法来选取冲裁间隙的。根据研究与实际生产经验，间隙值可按要求分类查表确定。对于尺寸精度、断面质量要求高的冲裁件应选用较小间隙值（表2.3.2），这时冲裁力与模具寿命作为次要因素考虑。对于尺寸精度和断面质量要求不高的冲裁件，在满足冲裁件要求的前提下，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，选用较大的双面间隙值（表2.3.3）。可详见GB/T16743-1997。由于该冲裁件的尺寸精度和断面质量要求不高，故应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，选用较大的双面间隙值，查表2-6冲裁模初始双面间隙Z（电器仪表行业用）【4】，由，工件材料为20钢，查得：，。（3）凸模、凹模刃口尺寸的确定由于工件精度为IT11，查表126标准公差数值（摘自GB1800-79）【6】，查得：尺寸为的孔的标准公差值为0.060mm；尺寸为的外形圆的标准公差值为0.130mm。故零件要求加工出的尺寸公差为：内孔，外圆。模具磨损预留量与工件制造精度有关。用x、表示，其中为工件的公差值，x为磨损系数，其值在0.之间，根据工件制造精度进行选取：工件精度IT10以上时，取 X=1；工件精度IT11IT13 时，取X=0.75；工件精度IT14时，取 X=0.5。工件尺寸公差与冲模刃口尺寸的制造偏差原则上都应按“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。但对于磨损后无变化的尺寸，一般标注双向偏差。采用按凸模与凹模分别加工法来计算凸模和凹模的刃口尺寸。这种方法主要适用于圆形或简单规则形状的工件，因冲裁此类工件的凸、凹模制造相对简单，精度容易保证，所以采用分别加工，设计时，需在图纸上分别标注凸模和凹模刃口尺寸及制造公差。外圆由落料获得，内孔由冲孔获得，由于外圆和内孔均为IT11级公差，故取。为了保证凸、凹模间初始间隙小于最大合理间隙，不仅凸、凹模分别标注公差（凸模，凹模），而且要求有较高的制造精度，用来满足如下条件：，或者取：。故，有：落料时，凹模制造偏差取正偏差，凸模取负偏差，即：落料凹模尺寸为：；落料凸模尺寸为：。冲孔时，应先确定凸模尺寸，使凸模标称尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸，再增大凹模尺寸以保证最小合理间隙，即：冲孔凸模尺寸为：；冲孔凹模尺寸为：。3.2.3首次无凸缘拉深的有关计算（1）首次拉深直径由于首次拉深系数为，故首次拉深直径为：。（2）圆角半径凹模相对圆角半径可按照经验公式来进行计算。其中为凹模圆角半径，为坯料直径，为凹模工作部分直径，为坯料厚度。多次拉深时凹模的圆角半径应随拉深次数的增加而逐步的减少，当时，。将数据代入以上公式，可得：首次拉深时，。（3）拉深模具的间隙拉深模具的单边间隙C可以按着下列经验公式来进行计算：式中：单边间隙；间隙系数；板料的厚度；板料的最大厚度。查表5-19拉深模具的间隙系数K值【6】，得：第一次拉深时，K取，取，单边间隙为；第二次拉深时，K取，取，单边间隙为；第三次拉深时，K取，取，单边间隙为。（4）首次拉深高度根据拉深前后毛坯与工件的表面积不变的原则，可得出首次拉深高度为：（5）拉深凹模和凸模的尺寸对于多次拉深时的中间过渡拉深，半成品的尺寸公差没有必要加以严格限制，这时模具的尺寸只要取半成品的过渡尺寸即可，以凹模为基准，计算如下：凹模尺寸：凸模尺寸：其中，为凹模的制造公差，为凸模的制造公差。和一般按公差等级（GB1800-79）来选取。查表4-23凸模制造公差和凹模制造公差【6】，得：，。所以，首次拉深时，凹模尺寸为：；凸模尺寸为：。3.3有关模具零件结构的计算3.3.1冲孔凸模由于冲件的形状和尺寸的不同，冲模的加工以及装配工艺等实际条件亦有所不同，所以在实际生产中使用的凸模结构型式就有很多种型式，其截面形状有圆形和非圆形；刃口形状有平刃和斜刃；结构型式有整体式、镶拼式、阶梯式、直通式和带护套式等。其固定方法有台肩固定、铆接、螺钉和销钉固定以及粘结剂浇注法固定。本设计选用圆形截面的冲孔凸模，采用台肩固定的方法，凸模长度为：。冲小孔凸模 ，即指孔径d小于被冲板料的厚度或直径d1mm的圆孔和面积A1mm 的异形孔时，它大大超过了对一般冲孔零件的结构工艺性要求。因此冲小孔的凸模强度和刚度差，容易弯曲和折断，一般必须采取措施提高它的强度和刚度，从而提高其使用寿命。但因为该设计中凸模长度比较短，故可以不考虑加保护套，而是采用加强凸模强度的方法来防止变形。3.3.2落料凹模落料凹模外形有圆形和长方形之分，本次设计我选用的是方形的凹模，外形尺寸为。凹模采用内六角螺钉和销固定在下模座上， 螺钉孔至刃口边及钉孔之间的距离要有足够的强度。3.3.3拉深凸模（冲孔凹模）凸凹模是复合模中同时具有一种工序的凸模和另一种工序的凹模作用的工作零件。它的内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸。从强度方面考虑，其壁厚应受最小值限制。凸凹模的最小壁厚与模具结构有关：当模具为正装结构时，内孔不积存废料，胀力小，最小壁厚可以小些；当模具为倒装结构时，若内孔为直筒形刃口形式，且采用下出料方式，则内孔积存废料，胀力大，故最小壁厚应大些。该设计中拉深凸模和冲孔的凹模采用台肩固定的方式，其零件图如下所示：3.3.4拉深凹模（落料凸模）该模具零件也是一个凸凹模，采用圆柱销和内六角螺钉固定在上模座上，其零件图如下：3.3.5卸料装置采用弹性卸料板。(1)对弹性元件的基本要求：要有一定的压缩量，对应于预压缩量时的弹压力等设计所需要的最小弹压力，如卸料力，顶件力等；总压缩量要满足冲模使用中的运动量的要求，如卸料弹簧的总压缩量与预压缩量之间的差等于凸模与卸料板之间的相对运动距离；卸料板所用弹性元件所提供的作用力应该均匀分布于卸料板；弹性元件的使用寿命要满足模具的使用寿命。弹簧的压缩量可分为三个部分，即预压缩量，工作压缩量，和总压缩量。总压缩量等于预压缩量与工作压缩量之和。(2)弹簧的选用步骤：根据模具工作压力要求确定所用弹簧的个数以及每个弹簧所承受的载荷P；根据P的大小，从手册中初选弹簧的规格，所选弹簧最大工作载荷应该大于P；根据所选弹簧最大工作载荷和最大工作载荷下的最大变形量，作出弹簧的特性曲线；检查弹簧最大允许的压缩量是否满足工作要求（3）卸料弹簧的选择根据卸料力725.6N，采用8个弹簧，此时每个弹簧担负的卸料力为90.7N