支架冲压工艺及模具设计说明书正文.doc

毕业设计说明书1. 引言本课题为支架冲压工艺及模具设计。该件结合生产实践，是为XXX厂生产制氮机控制系统配电柜内仪表支架。旧加工工艺是采用单工序模成形,具体工艺过程为:冲孔落料、成形、撕口弯曲、最终弯曲成形，需要4副模具,且多次定位,易造成零件精度低,外观质量差,生产效率低,不能满足生产需要。新工艺采用采用级进模生产,效率高,零件表面质量及精度也高。这样要求进行冲裁、弯曲工序计算、零件展开计算。图1. 支架零件图支架其零件结构如图2所示：选用材料为20钢，厚度为1mm。它的各项机械性能在表1中描述，该零件为典型的冲压件，其特点是具有竖直轴向的对称性，水平方向四个切口与水平对称线成8夹角，孔型间相对位置精度要求较高。成型时，应全面考虑级进模的排样设计、弯曲回弹角以及工件的尺寸精度要求。弯曲圆角半径R=0.8mm，回弹角为130，尺寸精度均IT12级，机械性能要求有一定的强度和抗冲击性。该零件外形对称，尺寸不大，轮廓线主要由直线和圆弧组成，其中有四个底孔，侧壁有两个不通孔。加工精度要求不高，符合一般冲压件生产的要求。传统加工工艺需要多次反复定位，使得零件的精度不高，况且需要设计多套模具，使得加工成本较高。如果采用级进模加工，多道工序在一套模具中成型，零件精度相对高。因此，对该工件的加工采用级进模，能节省生产成本，提高工作效率，以及提高零件的精度，符合批量生产的要求。2. 材料分析2. 1 冲压对板料的基本要求 冲压对板料的要求首先要满足对产品的技术要求，如强度、刚度等力学性能指标要求，还有一些物理化学等方面的特殊要求，如电磁性、防腐性等；其次还必须满足冲压工艺的要求，即应具有良好的冲压成形性能1。1、 力学性能的要求一般说来，伸长率大、屈强比小、弹性模数大、硬化指数高和后向异性系数大有利于各种冲压成型工序2；2、 对于化学成分的要求 如钢中存在碳、硅、锰、磷、硫等元素的含量增加，就会使材料的塑性降低、脆性增加，导致材料冲压成型性能变坏3。3、对金相组织的要求由于对产品的强度要求与对材料成形性能的要求，材料可取不同的热处理状态。使用时可根据产品对强度的要求及对材料成形性能的要求进行选择。对晶粒大小也有一定的规定，晶粒大小合适、均匀的晶相组织拉伸性能好，晶粒大小不均易引起裂纹。过大的晶粒在拉伸时产生粗糙的表面。此外，在钢板中的带状组织与游离的碳化物和非金属夹杂物，也会降低材料的冲压成形性能4-6。2. 2 板材材料分析 支架是由1mm厚度的20钢板冲压工艺加工制成，该材料具体力学性能如下：表一 零件材料性能7材料名称牌号材料状态抗拉强度 MPa抗剪强度MPa伸长率%屈服强度MPa优质碳素结构钢20 900正火410285-39025245 该材料冲压性能好,伸长率较好,抗拉强度和抗剪强度适中。适合应用与冲压生产。3. 工艺确定31 冷冲压工艺的分类由于各种零件的形状、尺寸、公差要求和批量的不同，所以生产中所采用的冲压工序种类繁多。通常可按下述方法分类。一、按变形性质分类（1） 分离工序 包括剪裁、冲孔、切口等。（2） 成形工序 包括弯曲、拉深、翻边、胀形等8。二、按工序组合形式分（1） 简单工序，即在一副模具内只完成零件的一个工序。（2） 组合工序，即将两种或两种以上简单集中在一副模具内完成。根据工序组合的方法，将其分为三类：a.复合冲压 在压力机的一次形成过程中，在一副模具的同一个位置上同时完成两种或两种以上的简单工序的加工方法。b.连续冲压 在压力机的一次行程中，在一副模具的不同位置上同时完成两种或两种以上的简单工序的加工方法9-10。c.连续-复合冲压 在一副模具内包括连续冲压和复合冲压的组合方法11。此外，在生产也常用冷冲压方法使零件产生局部的塑性变形来进行装配，次工序称为冷冲压装配工序。如铆接、弯接、冷塑压焊接等12。 3. 2 工艺方案分析比较和确定 冲压工艺按其变形性质可以分为分离和成形两大类，每一类中又包括许多不同的工序。冲压生产中，工艺合理化是降低成本的有利手段，一般在制定新产品工艺时进行。当产量发生变化时，模具寿命短或因事故发生损坏时由于更改产品设计而改变模具时，以及变更设备等生产条件发生变化时要重新讨论产品的工艺13。由于工艺的合理化能降低模具费用，节约加工工时，降低材料费等，所以必然降低零件总的成本。所以制定合理的工艺方案是十分重要的。 通过以上的分析可知，该支架零件冲压时的工序包括：弯曲、切断、冲孔、切舌。其中冲孔有3个3.2的小圆孔和一个内切圆直径为9.5的八方孔；切舌部位一共五个,有四个的对称线与水平中轴线成8夹角，另外一个在水平中轴线下方8.9mm处。初步拟定方案如下： 方案一：采用四套单工序模（1）冲孔（2）落料（3）U形件弯曲（4）切舌方案二：采用压铸配合机械加工方法(1) 压力铸造U形毛坯（2）机械加工（3）整形（4）切舌方案三：采用两套复合模(1) 冲孔落料复合模（2）弯曲切舌复合模（3）侧面底部整形方案四：采用级进模与单工序模配合加工 (1)切边、冲小圆孔（2）弯曲（3）冲八方孔（4）切断（5）切舌模切舌方案五：采用一套级进模（1）切边冲孔（2）切舌（3）切断（4）弯曲分析以上五种方案：方案一用四套单工序模，反复定位，容易给工件带来累计误差，使得工件的精度难以得到保证；方案二生产的零件精度可以的到很好的保证，但是涉及到了压铸与机械加工两方面，从设备和能源的成本来看，其经济性不高；方案三采用两套复合模加工，较高的精度和可靠性都能得以实现，但不适合在大批量生产中；方案五采用了级进模加工，在大批量生产中适用，方案五中利用浮顶器在切口和弯曲将工件顶出，使得所有工序能在一套模具中的一实现，但无疑增加了模具制造的难度，增加了模具的制造成本；方案四在级进模的基础上另增加了一套切舌模，精度、可靠性和经济性都能得到很好的保证。因此，综合考虑这几方面的因素，采用方案四较为合理。确定工艺方案为：采用级进模与单工序模配合加工 (1)切边、冲小圆孔（2）弯曲（3）冲八方孔（4）切断（5）切舌模切舌4. 级进模设计 4.1 级进模基本概念及其特点本课题零件支架采用级进模进行生产。所谓级进模，也叫连续模，由多个工位组成，各工位完成不同的加工，各工位顺序关联，在冲床的一次行程中完成一系列的不同的冲压加工 级进模，都是用在冲压模具上的。 就是同一个工作，由多个工序组成，一般有冲孔，落料，折弯，切边，拉伸等多个工序14。多工位级进模是在普通级进模的基础上发展起来的一种高精度、高效率、高寿命的模具，是技术密集型模具的重要代表，是冲模发展方向之一。级进模的特点如下：1)级进模是多工序冲模，在一副模具内，可以包括冲裁、弯曲、成形和拉深等多种多道工序，具有比复合模更高的劳动生产率，也能生产相当复杂的冲压件15；2)级进模操作安全，因为人手不必进入危险区域；3)级进模设计时，工序可以分散。不必集中在一个工位，不存在复合模中的“最小壁厚”问题。因而模具强度相对较高，寿命较长16-17。4)级进模易于自动化，即容易实现自动送料，自动出件，自动叠片；5)级进模可以采用高速压力机生产，因为工件和废料可以直接往下漏18；6)使用级进模可以减少压力机，减少半成品的运输。车间面积和仓库面积可大大减小19-21。级进模的缺点是结构复杂，制造精度高，周期长，成本高。因为级进模是将工件的内、外形逐次冲出的，每次冲压都有定位误差，较难稳定保持工件内、外形相对位置的一次性22。但精度高的零件，并非全部轮廓的所有内、外形相对位置要求都高，可以在冲内形的同一工位上，把相对位置要求高的这部分轮廓同时冲出，从而保证零件的精度要求23-25。根据以上的方案分析，级进模设计与计算过程如下:4.2 级进模的排样计算 搭边值：查文献10表2-18，工件间间隙=1.5,沿边=1.8；材料利用率：= 100% =100% =78.8% 排样图如图3所示：图3. 排样图4.3 冲裁刃口计算4.3.1 冲小圆孔凸凹模查表2-24得，冲裁刃口单面间隙值：= 0.050 ， =0.085凸凹模极限偏差：=-0.020，=+0.020根据以上数据有：-于是，凸凹模按以下公式来计算：=0.4（-），=0.6（-）即：=0.02，=0.02查文献10表2-30，磨损系数：x=0.5,工件公差：=0.24设冲孔尺寸为，根据以上原则，冲孔时以凸模设计为基准，首先确定凸模刃口尺寸，使凸模基本尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸，再增大凹模尺寸，凸模制造偏差为负偏差，凹模取正偏差，名部分分配位置如图4所示，其计算公式如下：图4. 冲孔间隙分配图因此，凸凹模各部分尺寸为：=(d+x) =(3.2+0.50.24) =3.32=(d+ x+2) =(3.2+0.50.24+0.05) =3.37小孔凸凹模零件结构如图5(a),(b)所示，材料采用T10A，淬硬热处理，热处理硬度为：凸模HRC56-60，凹模HRC58-62。图5.(a) 冲圆孔凸模图5. (b) 冲圆孔凹模4.3.2 冲八方孔凸凹模=(d+x) =（9.5+0.50.36） =9.68=(d+ x+2)=（9.5+0.50.36+0.05） =9.73八方孔的凸凹模零件结构图如图6(a),(b)所示，采用直通式凸模，热处理方式同小圆凸凹模。图6. (a) 冲八方孔凸模图6. (b) 冲八方孔凹模4.3.3 切边凸凹模切边凸模的尺寸分三类：第一类尺寸（），凹模不断磨损以后尺寸增大；第二类尺寸（），凹模不断磨损以后尺寸减小；第三类尺寸（），凹模不断磨损以后尺寸保持不变。各类尺寸如图7所示：图7. 侧刃尺寸 根据凸凹模尺寸计算原则，凸模尺寸分别为：第一类尺寸：=（+x）=（41.7+0.1）=41.8，同理可得出，=（30+0.1）=30.1，=（3.5+0.048）=3.55，=5.05，=28.80.04=28.84第二类尺寸：=（- x）=(3.1-0.08) =3.02 第三类尺寸：=（+ x）=（7+0.50.12）0.03 =7.060.03，=（3.1+0.50.08）0.02=3.140.02 其中，是未注公差，查文献10表2-34，按IT11级计算，=0.12，=-0.03，凸模加工成直通形式的，长度为65mm。凹模按凸模尺寸配制，保持其双面间隙为2-2，即0.050-0.070。4.4 弯曲计算在设计的这套级进模中，弯曲凹模在上模，弯曲凸模固定在下模的凹模固定板上，为了克服弯曲回弹带来的工件精度误差，采用补偿法弯曲。弯曲时，凸凹模的单边间隙:c=t+kt其中，t板料厚度， 料厚正偏差， k系数，由弯曲件高度h和弯曲线长度b决定查冲压手册表3-18，k=0.10, =0.035计算得，c=1.1凸凹模工作部分宽度的尺寸计算：=（L+0.5）=（47.9+0.50.05）=48.15按凸模尺寸配制，保证双面间隙为2c弯曲凸凹模零件结构如图8所示：图8.（a） 弯曲凸模图8. (b)弯曲凹模回弹角度为130，因此凸凹模单面均补偿45，如图8.（a）。凸模材料为T8A，淬硬HRC58-60，凹模材料为T8A，淬硬HRC58-62。4. 5 各工位的工艺力及设备选取4.5.1 冲裁力 查文献10可得，各孔的冲裁力分别是：的小圆孔：= =3358N八方孔：F=L=42.4 1 334N=14162N切边力：F=L=154.21334N=51503N切断力：F=L=2（34.1+3.5）1334N=25117N总的冲裁力为：=152.4kN由于该模具采用弹性卸料装置，计算得总的卸料力为：=n=30.055152.4kN=25.14kN4.5.2 弯曲力查文献13，U型件自由弯曲力：=8208N其中，b弯曲件宽度；k安全系数，一般取1.3；r弯曲件内弯曲半径；t 料厚；材料强度极限综合4.4.1和4.4.2可知，总压力为：=(152.4+25.14+8.21)kN=185.75 kN4.5.3 压力中心查文献10有，压力中心计算公式为：，参考图3的排样图，以左端面和水平对称线的交点为中心，带入数据得：=94.2，=- 压力机的选取查文献13P989的相关资料，选用250kN的开式压力机，以下是该压力机的各项参数：公称压力行程：6mm滑块固定行程：80 mm滑块调节行程： =80mm , =10mm标准行程次数：100次/min最大封闭高度：250mm封闭高度调节量：70mm立柱间距：260mm工作台尺寸：左右L=560mm,前后B=360mm工作台孔尺寸：左右=260mm,前后=130mm,直径=180mm喉深：290mm模柄孔尺寸：工作台板厚度：70mm4.6 模具的其它零件4.6.1 模架模具除简单冲模外，一般冲模多利用模架的结构。模架的和种类很多，要根据模具的精度要求，模具的类别，模具的大小选择合适的模架.如图9所示，模架的选择可从文献13P192页选择标准架。根据查阅的内容及分析，此级进模可选用后侧导柱模架导、导柱安装在后侧，有偏心裁荷时容易歪斜，滑动不够平稳，可从左右前三个方向关料操作比较方便。常用于一般要求的小型工件的冲裁和拉深模。所选模架的结构及尺寸关系如图9所示：图9. 后侧导柱式模架各项参数如下：L =200mm B=125mm ；上模座：25016045 ；下模座25016050；导柱25180 ；导套 259538 ；闭合高度： Hmax=210mm Hmin=170mm ；其余尺寸见上下模座零件图，可以文献10冲压模具常用标准件选择。4.6.2 模柄模柄有多种形式，要根据模具的结构特点，选用模柄的形式模柄的直径根据所选压力机的模柄孔径确定，模柄可根据文献13 P586页选择，经查阅各种模柄的特点，选用旋入式模柄，这种模柄应用比较广泛。旋入模柄的结构和尺寸，可参文献13表11-10制造，模柄的结构及尺寸关系如图10所示。图10. 旋入式模柄各部分参数为：d=50 0.050， =M302.0L=91mm，=68mm，=5mm，S=41mm=27.5mm，=15mm=M8，b=4.5mmC=2mm4.6.3 导向装置（导柱 导套）导向装置指得是模架上的导柱、导套。模具在开模，闭模过程中，导柱和导套起导向的作用，使得凸凹模正确的闭合，故此，导柱、导套需要有严格的配合精度及尺寸要求，导柱、导套的选择可以冲压手册中选取，（取H7/h6配合）如图11 a导柱的具体尺寸为：d=25 L=180mm导套的具体尺寸为(图11 .b) 图11. 导柱与导套D=25D(r6)=40L=105mmh=43mmL=25mm油槽数为2b=3；a=14.6.4 连接零件此类零件包括螺钉、销钉等，主要作用是联接其它零部件，使之共同完成工件的制造，螺钉和销钉可由文献10第十章、第七、八章查选，形状及尺寸见七、八节图所示现选螺钉M10，圆柱销d=8，则冲压模上有关螺钉孔的尺寸见文献10表10-28；卸料螺钉选M5，具体尺寸见文献10表10-29。4.6.5 其余零件垫板，卸料板，凸模固定板，凹模固定板的零件形状结构、尺寸，参照零件图。5. 切口模设计5.1 切口工艺力 该零件的90切口，实际是切口和弯曲的复合，弯曲角度=90，弯曲半径=0.8mm。切口一共五个。第一类：四个3.24.8的切口，其中心线与水平对称线成8夹角；第二类：一个3.23.2切口位于竖直中轴线上，水平对称线下方8.1mm处。查冲压手册，两类切口的成型工艺力为：第一类：=Lt=12.81334N=4275N =N=688N第二类：=Lt=9.61334N=3206N =N=688N查阅文献13，最后选择弹性卸料装置、下出料方式，卸料力和推件力分别为：=F=0.04（42754+3206）N=812N=F=0.055（42754+3206）N=1117N总压力为：=（42754+3206）N+812N+1117N=22.23kN综合以上参数，选择63 kN的开式压力机。5.2 压力中心 查文献10P240，切口时的压力中心计算如下：图12= = =24.2= = =17.45其中，为各凸模的周边长度。即图12中，压力中心在竖直中心线上，水平中心线下方1.65mm处。5.3 模具闭合高度查文献18P23，模具闭合高度：由于63kN开式压力机的最大封闭高度H=170mm，封闭高度调节量H=40mm，于是：（130+10）mm(170-5)mm即：140mm165mm5.4 模架的选取查文献13P454有，后侧导柱式模架参数（后侧导柱式模架结构参考图9），各项参数如下：L =100mm B=63mm ；上模座：1006330 ；下模座1006340；导柱18130 ；导套 187028 ；闭合高度： Hmax=165mm Hmin=140mm ；其余尺寸见上下模座零件图，可以文献10冲压模具常用标准件选择。5.5 模柄的选取模柄有多种形式，要根据模具的结构特点，选用模柄的形式模柄的直径根据所选压力机的模柄孔径确定，模柄可根据文献13P201页选择，经查阅各种模柄的特点，选用压入式模柄，这种模柄应用比较广泛压入模柄的结构和尺寸，可参考文献13表11-10制造，表中B型模柄中间有孔可按装打料杆，用压力机的打料模杆进行打料，模柄的结构及尺寸关系如图13所示。图13. 压入式模柄各项参数为：d=30D=32D1=42mmh=78mmh2=30mmh1=5mmb=2mma=0.5mmd1(H7)=6+0.0120d2=11mm5.6 导向装置（导柱 导套）导向装置指得是模架上的导柱、导套。模具在开模，闭模过程中，导柱和导套起导向的作用，使得凸凹模正确的闭合，故此，导柱、导套需要有严格的配合精度及尺寸要求，导柱、导套的选择可以文献10中选取，（取H7/h6配合）如图11 a导柱的具体尺寸为： d=18 , L=130mm导套的具体尺寸为(图11 .b)：D=18D(r6)=32L=85mmh=34mmL=22mm油槽数为2b=2.5；a=15.7 固定零件（固定板、垫板）垫板的作用是承受凸模和凹模的压力，防止过大的冲压，在上下模座上压出凹坑，影响模具的正常工作，垫板厚度根据压力机的大小选择，一般取5-12mm，外形与固定板相同，材料45钢，热处理后硬度为45-48HRC，如图14a .b所示：垫板在模具中的安装与受力情况 图14. 垫板固定板的作用起固定凸、凹模，防止其在冲压过程中松动，造成模具的损坏，固定板的形状要根据凸、凹模而定，而外形尺寸与垫板相似。固定板和垫板具体形状尺寸见零件图所示。5.8 连接零件此类零件包括螺钉、销钉等，主要作用是联接其它零部件，使之共同完成工件的制造，螺钉和销钉可由文献10第十章、第七、八章查选，形状及尺寸见七、八节图所示现选螺钉M10，圆柱销 d=6，卸料螺钉选M5，具体尺寸见文献10表10-29。6.结论本设计主要介绍了支架冲压工艺制定及模具设计的全过程。（1）本次设计针对零件的外形及尺寸要求，着重分析了模具的结构，对重要模具零部件进行了详细的计算，设计了一套级进模以及一套切口模，编写了设计说明书，确定了模具结构的各项参数。（2）在设计过程中认识到，制定工艺以及选择模具类型时，不仅要考虑生产批量，工件的大小，还考虑模具制造出来装配到压力机后的运动可行性。（3）在级进模的设计过程中，其实还有更好的方案可以采纳，使整个工件的成型在一套级进模中完成，其中成型的难点是切口和弯曲部分，可以加入浮顶器，使整个零件的生产能在一套模具中生产出来，但模具的生产成本就无形中增加了。附录 冲模所用材料 模具涉及到的零件的材料，根据其工作条件、特点及零件加工的精度等等要求，并考虑其经济性，选择合适的材料便于加工。表二 模具中各零件材料21-22名称材料热处理导正销9Mn2VHRC56-60初始挡料销45HRC43-48弹簧65MnHRC44-50凸模固定板Q235HRC43-48圆柱销45HRC50-53模柄A3HRC43-48凸模垫板T8AHRC40-45卸料螺钉45HRC35-40上模座HT200时效下模座HT200 时效凸模T8A/T10AHRC56-60凹模T10AHRC58-62导柱20渗碳淬火导套20渗碳淬火卸料螺钉45HRC35-40侧刃挡块T8AHRC50-52侧刃T10AHRC40-45顶件销20HRC35-40螺栓45HRC40-42凹模固定板Q235HRC43-48参考文献1 中国锻压技术和装备的发展和现状. /docc /news/listnews.asp/id=128,2005-5-32 洪深泽.挤压工艺及模具设计，北京:机械工业出版社，19973 吴诗淳.冲压工艺学，西安:西北工业大学出版社,19944 卢险峰.中国模具设计大典:第三卷 冲压模具设计，北