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内容简介：

防止活塞销冷挤压工艺中出现流动缺陷的新方法D.J.Lee ,D.J.Kim, B.M.Kim精密机械工程系，研究生院，釜山国家大学，釜山，韩国机械设计工程部门，研究生院，釜山国家大学，釜山，韩国机械工程系，工程研究中心，釜山国家大学，釜山，韩国编号3Janjeon-董，Kumjeong-顾，釜山609-735，韩国摘要：这份报告主要研究的是作为汽车零部件之一的活塞销的流动缺陷。在联合冷挤压制活塞销的工艺中，起皱就是一种流动缺陷，它是由死金属区引起的。具有这种缺陷的部件带有很明显的外部特征，特征是被一微小而且厚的块状物嵌入材料中，这种缺陷对保证尺寸精度和降低材料损失是不利的，活塞销的这种缺陷对于其强度和疲劳寿命也有不利的影响。因此，在工艺设计的早期预测并防止这种缺陷是非常重要的。防止其产生的最好方法就是通过控制材料流动来限制或减少死金属区。有限元模拟分析方法被应用于流动缺陷研究分析当中，这份研究报告提出了通过去除死金属区防止产生流动缺陷的新工艺方法有限元分析法。将有限元分析的结果与实验结果做比较，结果表明有限元分析的结果与实验结果相符合。关键词：流动缺陷；活塞销钉；材料流动控制；前后双向冷挤压；死金属区；有限元分析1、序言冷加工是一种及其重要而且经济的加工方法，尤其对于大批量制件的加工，其优点更为突出。由于冷加工具有高的成品率、精确的尺寸精度、良好的表面光洁度，优良的机械加工性和冶金工艺性等优点，因此冷加工是工业生产当中应用最为广泛的零件加工工艺。冷锻制件广泛应用于飞机制造、摩托车、螺母和螺栓等生产制造。但是，冷锻制件也有可能产生缺陷，这主要取决于金属材料的变形过程、成形加工的外部条件和材料的流动方式等。可延伸的裂纹缺陷是由材料的引应力状态和变形过程引起的；流动缺陷是由不稳定的材料流动引起的；低的尺寸精度是由低的模具尺寸精度和摩擦情况引起的，总之，锻压制件的缺陷主要包括两类，分别是内部缺陷和外部缺陷。这些缺陷危害到产品的质量和制造成本，因此，在工艺设计中的早期预防是非常重要的。利用有限元分析法中的不同可用标准来研究大型锻件的可延伸裂纹缺陷。KIM和KIM对两道加强筋进行冷挤压件的内部和外部缺陷研究，并还在进行一种防止产生这些缺陷的加工工艺设计。这份报告是一份关于汽车活塞销产生的缺陷的测试报告，而这种活塞销是采用前后双向联合挤压的方式支撑的。这份报告中也提出了新的工艺方法可在工艺设计的早期防止产生流动缺陷，而这些新工艺方案是通过有限元分析研究得出的，实验证明，这些新工艺方案是可行的。2、成形工艺与缺陷形成分析2.1、成形工艺活塞销是汽车零部件当中用来连接活塞与曲轴的并传递动力的部件，当采用冷冲压制活塞销时，设计要求必须保证前后双向冲压时具有相同的高度并且不能出现锻压缺陷，因为活塞销在周期性大载荷作用下工作。制作活塞销的材料是AISI-4135H合金钢，它具有如下材料流动性 768.06*0.139 ，润滑措施是采用润滑油类的磷镀在活塞销表面进行润滑，经试验测试摩擦系数M为0.1。加工活塞销钉以前用的是多步骤加工法（如图3所示），前两步通过导圆角和冲出非圆形的基准孔等预处理工序来减少缺陷的产生，从而可以提高尺寸精度和模具寿命，第三步和第四步相同，分别是从前后双向冲出圆形的腹板，最后一步是修整工序，从而得到活塞销的形状，然而，用普通加工方法加工的结果显示：第三步的早期会在腹板部位形成缺陷，更严重的是在缺陷产生的部位出现了一种不一致的流动形式，这种形式是一种非常坏的流动形式的延伸 图1 活塞销钉的形状和尺寸 图2 活塞销钉的流动缺陷 图3活塞销钉传统的形成过程2.2用有限元分析预测缺陷的产生塑性变形组织分布和有效应力对比图的应用，暗示着有限元精密塑造程序在成形与缺陷分析领域中的商业价值。最初的坯料直径为30mm，深度为61mm，最终成品的体积为43.118，这种成形工艺看上去类似于普通加工结果。最大的裂缝值可以结算出断裂缺陷产生的可能性，在这个冲压过程中，其大小只有0.08mm，而且分布在坯料和冲床活塞冲头接触的端部。因此，可以避免流动缺陷的产生，因此这种缺陷并不能产生可延展的裂纹。金属流动的流线图是由Altan和Knoerr提出的，他们正在从事这种缺陷的分析研究，随着冲头冲压深度的增加，剧烈变动的流线出现了不同的流动速度，从而导致实验中缺陷的产生（如图5所示）。所以金属流动只出现在第四步的反向冲压而不出现在正向冲压，并且在靠近腹板处的金属被拔起形成一条筋，很像是重叠缺陷，因此，活塞销的流动缺陷产生并发展的原因是：正反冲压时由于死金属区域产生而造成的金属流动速度的不同，这种现象在像活塞销这种薄壁件冲出尺寸精度高，材料损耗少的孔的制件中是非常明显的。对于活塞销这类工作温度高，载荷大而且为交变载荷的零件来说，这种流动缺陷的产生会对其强度和疲劳寿命产生有害的影响。因此，有必要研究一种新工艺来防止产生流动缺陷。 图4有效的负荷和裂缝价值的关系图5金属流动和速度的关系3.防止缺陷的工艺分析与设计流动缺陷产生的原因是金属限制死金属区域的流动。为了在传统工艺中早期的冲压部位(第三步)消除死金属区，正冲压或反冲压工艺被改为联合正反冲压工艺，这种工艺在两个完全相反的方向上同时进行同样地动作。由于正反两向不同的冲压率和冲压长度，要使两个方向上同时完成材料流动是很困难的，因此在提前完成材料流动就会出现传统工艺一样出现的死金属区。因此，在活塞销成形这种情况下，两个方向的冲压率和冲压长度都是1.89和51mm。目前，一项关于活塞销的冲压长度的调查研究正在进行开模正反冲压工艺的分析，两个方向上的冲压长度是不同的，正向冲压长度长为24.9mm，反向冲压长度如图6所示要比正向的短。反向金属流动必须强制性的被限制才能满足设计要求，而这就意为着死金属区会产生。因此，要想在两个方向上得到相同的冲压长度，提出了三种控制金属流动的方法，这三种方法都不同程度的强制限制金属流动。图6反向冲压长度3.1 改变初加工的形状在正反双向冲压之前，为了保证从腹板中心处起正反两个方向的冲压长度相等，就得要求初加工要将反向冲压筋的长度设计与双向冲压长度24.9mm有所不同。图7展示了这种改进的工艺的结果，图8展示了在这种情况下采用正反双向冲压工艺时最后一步中金属的流动。从模拟实验的结果可以得出，两个方向的冲压筋的长度都是51mm，这恰好满足设计要求和活塞销的尺寸要求。另外，死金属区的金属流动形式相同，而不像采用普通加工时会产生流动缺陷，而且在两个方向上的流动速度也是连续变化的，这就意为着金属流动在整个过程中是一致的，不会出现限制其流动的死金属区。 图七 多级样板的修改过程 图八金属网的流动 3.2 驱动冲压模膛驱动模膛工艺被用来控制金属流动从而满足设计要求，这种设备采用向相反方向运动的模膛先与已经冲压成形的一侧接触（如图9所示），这样就有助于加快后冲压方向上的金属流动而减慢先冲压方向上的金属流动速度，采用这种工艺制作的活塞销，由于反方向冲压提前完成，而此时活塞正沿着这个方向移动从而增加了金属沿着这个方向的流动，这个工艺的首要变化因素是冲头与活塞的相对速率和金属材料与活塞之间的摩擦条件。在这个研究中，由于摩擦系数m0.1（在毛胚材料和模膛之间），模拟实验只与相对速率这一变量有关。如果相对速率小于满足同时成型最合适的速率，则在反向方向上的冲压过程就会比正向冲压提前完成，这样的话就会像采用普通加工一样在相同部位产生流动缺陷，相反，如果相对速率大于最适宜的速率，则正向冲压过程就会比反向冲压过程提前完成，这样就会在相反地部位产生缺陷。因此，为了满足设计要求，采用半分法可以找出最佳的相对速率，从结果来看，最佳的相对速率是0.48，图10和11显示了相对速率分别为0.1 、0.48、1.0时采用一次冲压变形过程和金属流动情况。图11（c）显示了当采用最佳相对速率0.48时的金属流动形式，它记录了一个可以防止缺陷产生的流动形式。图9轴向移动的箱体示意图图10根据相对速度比率变化的活塞销钉形态图11根据相对速度比率比较的金属3.3 修改模具结构这种被提出的修改模具结构的工艺可以限制金属在反方向上的流动，而在这个方向上容易提前完成变形，从而可以实现在两个方向上同时完成变形，采用这种工艺时，为了能在两个方向上同时完成变形过程而得到相同的变形长度，卸料器又被设计者重新采用，它是一种使冲头从制件中抽出的装置。如果采用普通加工工艺中的固定式卸料器，则由于材料流动受到限制，会出现死金属区，而此时产生的部位与采用双向冲压时产生在中间位置不同。因此，一种利用弹簧弹力的结构可以推迟金属材料沿反方向的流动。图12显示了这种模具结构，采用这种方法，选用合适的弹簧弹力对于满足变形同时完成的要求来讲是很重要的，因而有限元模拟可以计算出这种必要地弹力。从模拟结果来看，需要给卸料器施加5吨的弹力。图13展示了这种工艺下金属流动形式，与其它改进的工艺方法相比，这种工艺在死金属区没有出现不连续的流动速度，此处的金属流动形式是相同的。 图12使用冲压模板的凹模模子结构示意图 图13使用冲压模板的金属流动4.结果和实验通过有限元分析法分析出的三种方法中是适合防止金属的流动缺陷。每个方法的情况如下。第一种方法是初步加工的产品需要三级过程(预制， 正反压挤，穿孔)并且有一个简单的模具结构；第二方法是使用沿轴方向移动的冲孔模板；第三种方法是轴向移动的箱体需要二级过程(前后压挤，穿孔)并且有一个复杂的模具结构。关于在里面形成的负荷，这三个方法都非常相似。特别是在沿轴方向移动的大约10吨的箱体情况下形成最大的负荷比其他方法小，因为在穿孔过程中沿轴方向移动的箱体会增加材料的流动。通过表1分析出的方法为形成做出了比较。在这项研究过程中，一个用在初步加工产品的实验被进行，并且为了证实模拟结果所以使用一个250吨能力的多级样板。在穿孔之前，为了金属的观察蚀刻流动能够正常被进行，所以必须为活塞销做一个流动缺陷检查。图14就是表示这个实验结果，这种方法改变了初步加工的产品。实验结果证明了在缺陷区域内金属流动的缺陷是相同的，并且满足形成同时完成和在两个挤压方向长度相同。这种过程和模拟的结果相符。传统方法初步加工的产品的使用冲压模板的使用移动箱体的用途 最大负荷（吨）97.296.396.184.0挤压的过程2个阶段2个阶段1个阶段1个阶段缺陷存在不存在不存在不存在表1 各个方法的比较 图14 对流动缺陷的消除5.结论在这项研究过程中，流动缺陷过程和预防缺陷的过程都已经被有限元分析重新设计。，缺陷的原因已经被分析，并且通过分析已经模拟出了结果。从模拟结果中可以看出，有限元分析方法是可以防止流动缺陷并且满足生产过程中控制材料的流动状态。通过有限元分析的结果和实验的结果做比较，可以得出以下几个结论：（1）活塞销里存在流动缺陷的原因是材料限制死金属区域的流动。消除这个区域最重要的是控制材料的流动。（2）初步加工的产品设计和改变模具结构是使用轴向运动的挤压箱来消除挤压过程中出现的流动缺陷。（3）被提出的方法满足了工艺的要求，向前挤压的长度部分和落后的部分都是相同的，这些已经由实验所证实。参考文献：1 T.Altan，S.I.Oh，L.Gegel，Metal forming，ASM(1983).2 T. Okamoto，T. Fukuda，H. Hagita，Source Book on Cold Forming，ASTM，1997，pp. 216226.3 S.W.Oh，T.H.Kim，B.M.Kim，J.C.Choi，KSME 19 (12) (1995) 31213129.4 R.C.Batra，N.V.Nechitailo，Int.J.Plast. 13 (4) (1997) 291306.5 A.S. Wifi，A.Abdel-Hamid，N. El-Abbasi， J. Mater. Process. Technol.77 (1998) 285293.6 D.J. Kim，B.M. Kim，J. KSTP 8 (6) (1999) 612619.7 D.C. Ko，Pusan National University Dissertation，1998.8 T. Altan，M. Knoerr，J. Mater. Process. Technol. 35 (1992) 275302.9 K. Osakata，X. Wang，S. Hanami，J. Mater. Process. Technol. 71 (1997) 105112.10河南机电高等专科学校学生毕业设计（论文）中期检查表学生姓名学 号指导教师选题情况课题名称玻璃升降器的外壳冲压工艺及落料拉深模具设计难易程度偏难适中偏易工作量较大合理较小符合规范化的要求任务书有无开题报告有无外文翻译质量优良中差学习态度、出勤情况好一般差工作进度快按计划进行慢中期工作汇报及解答问题情况优良中差中期成绩评定：所在专业意见：设计选题合理，查阅的文献丰富，开题报告内容一般，格式规范，能严格按照设计进度按时完成设计工作，有利于后续设计工作的开展。 负责人： 年 月 日 河南机电高等专科学校毕业设计（论文）任务书系 部： 专 业： 学生姓名: 学 号: 设计(论文)题目： 汽车玻璃升降器外壳冲压工艺及落料拉深模具设计 起 迄 日 期: 2006年 3月15 日 5月16日 指 导 教 师: 发任务书日期: 2006年 3月 15 日毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题来源及应达到的目的： 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 所在专业审查意见：负责人： 年 月 日系部意见：系领导： 年 月 日表 冲压工艺卡片利明机械工业公司冷冲压工艺卡片产品型号零(部)件名称玻璃升降器外壳共1页产品名称零(部)件型号8AGT.317.032第1页材料牌号及规格(厚长宽)材料技术要求毛坯尺寸（厚宽长）每毛坯可制件数毛坯重量辅助材料08钢(1.50.11)mm1800mm900mm条料1.5mm69mm1800mm27件工序号工序名称工序内容加工简图设备工艺装备工时0下料剪床上裁板69mm1800mm1落料拉深落料与首次拉深复合J23-35落料拉深复合模2拉深二次拉深J23-35拉深模3拉深三次拉深(带整形)J23-35拉深模4冲孔冲底孔11mmJ23-35冲孔模5翻边翻底孔(带整形)J23-35翻边模6冲孔冲三个小孔3.2mmJ23-35冲孔模7切边切凸缘边达尺寸要求J23-35切边模8检验按产品零件图检验表 凸、凹模的机械加工工艺过程零件图号09零件名称凸、凹模工序号工序名称工序内容设备1下料锯床锯料锯床2锻造锻造坯料成长方形，保证尺寸108mm76mm72mm空气锤3热处理退火电炉4刨或铣刨或铣六面，保证尺寸100mm70mm67.5mm,4545到尺寸刨床5车车内外圆及端面，64.5mm、38.85mm处留磨量0.3mm, 45mm、R5mm到尺寸，上下端面各留磨量0.7mm车床6磨磨上下端面(单面留磨量0.3mm)平面磨床7钳划线，钻孔，攻螺纹，钻、铰销孔，去毛刺钻床8热处理淬火、回火，保证5860HRC盐炉9磨磨上下端面到尺寸平面磨床10磨磨外圆64.5mm及内孔38.85mm到尺寸外圆磨床11钳抛光内圆角R5,精铰销孔12检验参 考 文 献1 中国机械工业出版社 组编.冷冲模设计及制造.机械工业出版社2 郝滨海 编著.冲压模具简明设计手册.化学工业出版社3 刘建超.张宝忠 主编.冲压模具设计与制造.高等教育出版社4 薛彦成 主编.公差配合与技术测量.机械工业出版社5 高为国 主编.模具材料.机械工业出版社6 王秀凤.万良辉 主编.冷冲压模具设计与制造.北京航空航天大学出版社7 翟德梅 主编.模具制造技术8 杨玉英 主编.实用冲压工艺及模具设计手册.机械工业出版社9 王孝培 主编.冲压手册.机械工业出版社参考文献【1】 冷冲模设计及制造 中国机械工业教育协会组编【2】 中国模具设计大典 中国机械工程学会中国模具设计大典编委会【3】 冲压工艺与模具 吴伯杰编著【4】 实用模具设计与制造手册 许发樾主编【5】 实用模具技术手册 陈锡栋周小玉主编【6】 模具标准应用手册 许发樾主编【7】 模具设计与制造简明手册冯炳尧韩泰荣蒋文森主编【8】 中国机械工业标准汇编 （冲压模具卷下）中国标准出版社【9】 冲压模具与制造 薛启翔编著【10】 冲压手册 王孝培主编【11】 现代模具设计、制造、调试与维修实用手册李昂于成功【12】 冲压模具设计与制造刘建超张宝忠主编河南机电高等专科学校毕业设计论文论文题目：汽车玻璃升降器外壳冲压工艺及落料拉深模具设计系 部 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2006年5月18日 河南机电高等专科学校毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 学 号： 专 业： 设计(论文)题目：汽车玻璃升降器外壳冲压工艺及落料 拉深模具设计 指导教师： 2006年 4 月8 日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写1500字左右（本科生200字左右）的文献综述(包括目前该课题在国内外的研究状况、发展趋势以及对本人研究课题的启发)：文 献 综 述在进行毕业设计之前，必须做好一切准备工作，而收集有关设计课题研究方面的资料、文献是最为重要的。在设计工作开始时，只有对课题研究的内容有了，充分地了解，才会有设计目的和方向；所以收集、查阅有关文献资料是必要的。在设计之前首先应该对国内外的模具发展现状和发展趋势有所了解，以便在设计过程中能够正确、合理地设计出一套模具。下面就先分析一下国内外的模具发展现状与发展趋势以及我国的模具发展现状。1.随着工业产品质量的不断提高，冲压产品的生产正呈现出多品种、少批量，复杂、大型、精密，更新换代速度快等变化特点，冲压模具也正向高效、精密、长寿命、大型化方向发展。为适应市场的变化，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在由手工设计、依靠工人的经验和常规的机械加工技术向计算机辅助设计（CAD）、数控加工中心进行切削加工、数控线切割、数控电火花等为核心的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术方面转变。模具的发展现状及发展趋势如下详述：1）.CAD/CAM技术的应用：CAD/CAM是一项高科技、高效益的系统工种，是模具设计与制造行业的有效辅助工具；通过它能够对产品、模具结构、成型工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。现在已经广泛地应用与模具的设计与制造加工的过程中，并还在不断地发展和创新。2）.模具标准件：模具的标准化对缩短模具制造周期、提高质量、降低成本起到很大的作用。我国的模具标准化程度达到30%以下，而国外先进国家达到70%80%左右。这样，不仅有利于国内的模具制造的发展，也有利于模具的国际化发展。3）.模具的制造精度：国外的制造水平能够是制造公差达到0.0030.005 mm，表面的粗糙度达到Ra 0.0002 mm以下（花10以上）；我国的制造水平可以是制造公差达到0.010.02 mm,模具表面的粗糙度达到Ra0.00160.0008 mm（花78）。由此可见，如今模具技术的发展水平还是很高的，但也可以看出我国在这方面的技术与国外先进国家还有很大的差距。4）.模具的使用寿命：国外的冲压模具的使用寿命，（合金钢制模）5001000万次，（硬质合金制模）2亿次；我国的冲压模具的使用寿命分别为：100400万次，60001亿次。模具的使用寿命的加长就意味着模具的制造成本降低，从而提高了生产效益。5）.模具的加工制造设备：国外已经广泛地使用了数控加工中心，线切割，电火花，化学腐蚀等先进的设备，大大地提高了模具的制造周期。2.我国的模具业的发展现状：进入21世纪，随着科学技术的发展，我国的工业化程度也有了很大地提高，特别是在模具行业有了很大地发展。如：在模具设计与制造上，不但自己可以制造一些大型，精密，复杂，高效，长寿命的模具，并且能够出口到国外，打开国外的市场。但是，目前我国的冲压技术与工业发达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型工艺，模具标准化，模具设计，模具制造工艺及设备等方面与工业发达国家尚有相当大的差距，导致我国的模具在寿命，效率，加工精度，生产周期等方面与工业发达国家的模具相比差距相当大。因此这就需要我们努力去研究，推动我国模具业的发展。3.在查阅、收集有关资料的时候，不仅使我对模具业的发展现状及发展趋势、模具的设计与制造技术等有了更多，更全面地了解；而且收集到了许多有关本课题的研究，与本课题相关、相似的东西，查找各种有关模具设计与制造方面的经验公式，和经验数据；通过查阅资料和文献能够将课堂上所学习到的理论知识，与实际生产当中的实例相结合去更好地成设计任务；并且使我在课程设计上有了更多的设计思路，也有了更多的考虑空间，同时也使我在设计的过程中能够从多方面地去考虑问题模具设计的合理性及对设计好的模具在工作过程中可能会出现的问题及解决办法。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题的研究思路（包括要研究或解决的问题和拟采用的研究方法、手段（途径）及进度安排等）：1. 先通过收集和查阅各种文献资料和与同学老师的交流、指导，对目前国内外的模具（冲压模具）的发展状况和发展趋势进行深入的了解，预计用时间三天；2. 拿到工件的结构简图，对工件进行结构形状、尺寸精度、加工工艺性等方面作出详细地分析，并查阅相关资料看是否符合常规零件结构设计，预计用时两天；3. 经过对工件的结构工艺性分析，拟订可行的冲压工艺方案，并经过分析，研究、比较，选择一种最为合理的冲压工艺作为生产应用，估计用时间两天；4. 进行主要的设计计算，利用各种经验公式或者经验数据对冲压力（冲裁力、卸料力、总冲压工艺力），压力中心的位置，工作零部件的刃口尺寸的设计计算以及弹性卸料元件橡胶的设计，预计需用时间四天；5. 根据工件的结构，材料，生产批量来进行模具的总体设计，包括模具的类型，定位方式，卸料方式，导向方式等方面的设计；在设计中，应该综合考虑模具的安装，维修，生产效率等，预计用时间两天；6. 对模具的主要零部件进行设计，主要有凸模、凹模、定位板、卸料板、模架和导柱导套等零件，根据工作需要的强度来设计尺寸，包括各零件的图纸，预计需用时间五天；7. 模具的总装图和工作原理（有装配简图）需要用时间两天；8. 模具主要零部件的加工工艺过程（凸模、凹模、定位板、卸料板）分析与设计，预计用时间两天；9. 模具的装配与调试，预计用时两天； 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的研究思路、深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日河南机电高等专科学校毕业设计/论文插图清单图 玻璃升降器外壳.1图 外壳低部成形方案.2图 冲孔翻边前工序件形状和尺寸.3图 首次拉深工序件尺寸.6图 序件尺寸.6图 外壳冲压工序图.7图 落料拉深复合模总装示意图.13图 落料凹模零件图.14 图 凸凹模零件图.14摘要 通过对汽车玻璃升降器的冲压工艺性分析，详细介绍了该模具的总体结构设计和主要成形零件的设计与制造，并介绍了其定位设计，冲裁力的计算，压力中心的计算，对排样设计方案作了比较与选择，论证了全理的排样方案，确定了条料的送进与导料方式及定距结构形式等。理论证明，该模具结构可靠，能保证产品的质量，对此类零件的模具设计有重要参考价值。关键词：汽车玻璃升降器，复合模，工艺分析，工位排样The automobile glass ascends and descend the machine outer shell to hurtle to press the molding tool design Abstract Pass the design to the automobile glass ascends and descend the machine to hurtle to press the craft analysis, detailedly introduced the total structure design of that molding tool and mainly take shape the spare parts and manufacturings, and introduced it positions the design, hurtling the calculation of cut the dint, the calculation of the pressure center, designed the project to make the comparison and choices to the row kind, argument the row kind project of whole reason, made sure that anticipate of send into with lead to anticipate the way and be apart from the structure form certainly.etc.The theories prove that the molding tools structure credibility, can guarantee the quantity of the product, design to have the important reference value to this kind of molding tool of spare parts.Keyword:The automobile glass ascends and descend the machine, compound mold, craft analytical, the work row kind汽车玻璃升降器外壳冲压工艺及落料拉深模具设计第一章 冲压工艺分析汽车玻璃升降器如图所示.该零件材料为08钢,厚度1.5mm,年产量10万件.图 玻璃升降器外壳1.1分析零件的冲压工艺性1.1.1零件的使用条件和技术要求 该零件是汽车车门上玻璃升降器的外壳.升降器的传动机构装于外壳内腔,并通过外壳凸缘上均布的三个3.2mm小孔,以铆钉铆接在车门的座板上传动轴以IT11级的间隙配合装在外壳左端16.5mm的承托部位，摇动手柄可通过传动轴及其他零件，推动车门玻璃升降外壳内腔主要配合尺寸16.5mm、16mm、22.3mm为IT112级,为使外壳与座板铆状后,保证外壳承托部位16.5mm处于正确位置,三个小孔3.2mm与16.5mm的相互位置要正确,小孔中心圆直径420.1mm为IT10级.1.1.2冲压工艺性分析该零件是薄壁轴对称壳体零件,可采用1.5mm厚的08钢板冲成,保证了足够的刚度和强度.壳体形状的基本特征是一般带凸缘的圆筒件,且d/d,h/d都较合适,拉深工艺性较好.只是圆角半径偏小些,22.3mm、16.5mm、16mm几个尺寸精度偏高些,这可采用末次拉深时提高模具制造精度,减小模具间隙,并安排整形工序来达到.由于3.2mm小孔中心距要求较高精度,需采用高精度冲模,工作部分采用IT7级以上制造精度,同时冲出三个孔,且冲孔时应以22.3mm内孔定位.该零件底部16.5mm区段的成形,可有三种方法:一种可以采用阶梯拉深后车去底部;另一种可以采用阶梯拉深冲底孔;再一种可以采用拉深后冲底孔,再翻边。如图所示： .图 外壳低部成形方案这三种方法中，第一种车底的质量高,但生产率低,且费料,该零件承托部位要求不高,不宜采用;第二种冲底,要求零件底部的圆角半径压成接近清角(R0),这需要加一道整形工序且质量不易保证；第三种采用翻边，生产效率高且省料，翻边端部虽不如以上好，但该零件高度21mm为未注公差尺寸，翻边完全可以保证要求，所以采用第三种方法是较合理的1.2工艺方案的确定1.2.1计算坯料尺寸计算坯料前要确定翻边前的工序件尺寸翻边前是否需拉成阶梯零件？这要核算翻边的变形程度，16.5mm处的高度尺寸为H=21-16=5(mm)根据翻边公式，翻边的高度h为H=(1-K)+0.42r+0.72经变形后K=1-(H-0.42r-0.72) =1-(5-0.431-0.721.5)=0.61即翻边高度H5mm，翻边系数K=0.61，由此可得翻边前孔径，即d=DK=18mm0.61=11mm,d/=11/1.5=7.3查表6-51，当采用圆柱形凸模，用冲孔模冲孔时，K(极限翻边系数)=0.50K=0.61，即一次能完全翻出H=5mm的高度翻边前的工序件形状和尺寸如图a所示.dF/d=50mm/23.8mm=2.10.查表5-3，取修边余量R=1.8mm,则实际凸缘直径为=dF+2R=50+3.6=53.6mm,取=54mm坯料直径按图b计算，则D=65mm a) b)图 冲孔翻边前工序件形状和尺寸1.2.2计算拉深次数dF/d=54mm/23.8mm=2.261.4,属宽凸缘筒形件100=100=2.3,查表5-13，得 h1/d1=0.280.35而h/d=16/23.8=0.670.35,故一次拉不出来按图5-23，初选d1，当取d=30mm则D/d=2.17, dF/d=1.8,对照图5-32，可知首次拉深可行且m1=d1/D=30mm/65mm=0.46,查表5-14得 m2=0.73,m3=0.75,则 m1m2=0.460.73=0.336而工件总深系数ma=23.8/65=0.3660.336,故二次可以拉出但考虑到二次拉深时，接近极限拉深系数，故需保证较好的拉深条件，而选用大的圆角半径，这对本零件材料厚度为=1.5mm，零件直径又较小时是难以做到的况且零件所要达到的圆角半径(R=1.5mm)又偏小，这就需要在二次拉深工序后，增加一次整形工序在这种情况下，可采用三次拉深工序，以减少各次拉深的变形程度，而选用较小的圆角半径，从而可能在不增加模具套数的情况下，既能保证零件质量，又可稳定生产零件总的拉深系数为d/D=23.8mm/65mm=0.366,调整后三次拉深工序的拉深系数为m10.56,m2=0.805 m3=0.81m1m2m3=0.3661.2.3确定排样、裁板方案板料规格选用1.5mm900mm1800mm由于坯料直径65mm不算太小，考虑到操作方便，采用单排1)确定条料宽度B：查表3-11，得搭边值a=2mm,a1=1.5mm,则B=D+2a=65mm+2mm2=69mm2)确定步距s: s=D+a1=65mm+1.5mm=66.5mm3)确定裁板方法：若采用横裁，则裁板条数n1=Lb/B=1800mm/69mm=26条，余6mm;每条冲零件个数n2=(Bb-a1)/s=(900mm-1.5mm)/66.5mm=13个,余34mm;每板冲零件个数= n1n2=2613=338个板料的材料利用率为=67.2%若采用纵排，则裁板条数n1=900mm/69mm=13条，余3mm;每条冲零件个数n2=(Lb-a1)/s=(1800mm-1.5mm)/66.5mm=27个,余3mm;每板冲零件个数=n1n2=1327=351个.板料的材料利用率为= = =69.5%由次可见,采用纵裁有较高的材料利用率,故用纵裁法.经计算,零件的净重G及材料的消耗定额G0为G=r=652-112-33.22-(542-502)10-2cm-21.510-1cm7.85g/cm3=33g式中:A零件中性层面积r密度,低碳钢取r=7.85g/cm3;/351 =(180010-1cm90010-1cm1.510-1cm7.85g/cm3)/351 =54g=0.054kg第二章 确定各中间工序尺寸及选用压力机2.1.拉深工序尺寸2.1.1首次拉深首次拉深直径 d1=m1D=0.5665mm=36.5mm(中线尺寸)首次拉深时凹模圆角半径可按式(5-11)计算,得rd1=5mm,rp1=0.8rd1=4mm首次拉深高度按公式5-9计算h1=(D2-dF2)+0.43(r1+R1)+(r12-R12) =(652-542)mm2+0.43(4.75+5.75)mm+(4.752-5.752)mm2 =13.5mm(实际生产中取13.8mm)首次拉深工序件尺寸见图2.1.2第二次拉深d2=m2d1=0.80536.5mm=29.5mm(中线直径)取 rd2=rp2=2.5mm二次拉深高度按式(5-9)计算，得h2=13.9mm(与生产实际相符)二次拉深工序件尺寸见图.图 首次拉深工序件尺寸 图 序件尺寸2.1.3第三次拉深d3=m3d2=0.8129.5mm=23.8mm(中线直径)取rd3=rp3=1.5mm(达到零件要求圆角半径),此推荐值稍小了些,因第三次拉深兼有整形作用,此值可以达到。三次拉深高度按式(5-10)计算,得h3=16mm其余中间工序尺寸均按零件尺寸而定,工序尺寸如图所示的外壳冲压工序图. 图 外壳冲压工序图2.2计算各工序压力、选用压力机2.2.1落料拉深工序落料力为=1.33.1465mm1.5mm294N/mm2=117011N式中 =294MPa落料的卸料力为=0.04117011N=4680N式中 =0.04由表3-16查得.拉深力为=3.1436.5mm1.5mm392N/mm20.75=50543N式中 =392MPa,K1=0.75由表5-7查得.压边力为D2-(d1+2rd1)2p=652mm2-(36.5+25.75)2mm22.5N/mm2=3772N式中 p=2.5MPa这一工序的最大总压力，在离下极点13.8mm达到=1254639N=125.463kN根据冲压车间提供的压力机型号,选用250kN压力机,其压力足够,压力机压力曲线也允许.2.2.2.第二次拉深工序拉深力为=3.14mm29.5mm1.5mm3920.52N/mm2=28323N式中 K2=0.52可由表5-7查得.压边力为 d12-(d2+2rd2)2p=352mm2-(29.5+22.5)mm22.5N/mm2=69N由于采用较大拉深系数m2=0.805,坯料的相对厚度100=100=4.1,其值足够大,可不用压边，这里的压边圈实际上是作为定位与顶件之用.总压力为=28323+69=28392N选用250kN压力机主要是考虑模具闭合高度.2.2.3第三次拉深兼整形工序拉深力为=3.1423.8mm1.5mm392N/mm20.52=22850N整形力按下式计算=Ap (542-25.32)mm2+(22.3-21.5)2mm280N/mm2 =166000N式中 p=80MPa顶件力取拉深力的10%=0.122850N=2285N由于整形力最大,且在临近下极点拉深工序快完成时产生，可只按整形力选用压力机，这里也选用250kN压力机.2.2.4冲11mm孔工序冲孔力=1.33.1411mm1.5mm294N/mm2 =19802N卸料力=0.0419802N=792N推料力=50.05519802N=5446N式中 =0.055,n=5(同时卡在凹模里的废料片数).总压力=(19802+792+5446)N=26040N选用250kN压力机.2.2.5翻边工序翻边力=1.13.141.5mm196N/mm2(18-11)mm =7108N式中 =196MPa顶件力取翻边力的10%=0.17108N=7119N整形力=Ap=(22.32-16.52)mm280N/mm2 =14200N整形力在操作时,不好控制，故压力机要选的大些,这里选用250kN压力机.2.2.6冲三个小孔3.2mm工序冲孔力=31.33.143.2mm1.5mm294N/mm2 =17282N卸料力=0.0417282N =691N推料力=50.05517282N =4753N总压力为 =(17282+691+4753)N =22726N结合模具结构(闭合高度)选用250kN压力机.2.2.7切边工序=1.33.1450mm1.5mm294N/mm2 =90008N废料切刀切断废料力(设两把切刀)=21.3(54-50)mm1.5mm294N/mm2 =4586N总压力为:=+=(90008+4586)N =94594N也选用250kN压力机.在实际选择压力机规格时,尚需考虑装模空间，生产现场设备的配置情况，工艺流程等,再作合 第三章 冲压工艺方案的确定 根据上面的分析计算，冲压外壳需要的基本工序是落料、首次拉深、二次拉深、三次拉深兼整形，冲11mm孔，翻边，冲三个3.2mm孔、切边根据以上基本工序，可以拟订出以下5种冲压工艺方案：方案一：落料与首次拉深复合，其余按基本工序方案二：落料与首次拉深复合，冲11mm底孔与翻边复合，冲三个小孔3.2mm与切边复合，其余按基本工序方案三：落料与首次拉深复合，冲11mm底孔与冲小孔3.2mm复合，翻边与切边复合，其余按基本工序方案四：落料、首次拉深与冲11mm底孔复合，其余按基本工序方案五：带料连续拉深或多工位自动压力机上冲压分析比较上述五种方案，可以看到：方案二冲11mm孔与翻边复合，由于模壁厚度较小a=(16.5-11)/2=2.75(mm),小于表3-362所列的凸凹模最小壁厚3.8mm，模具容易损坏，冲三个3.2mm小孔与切边复合，也存在模壁太薄的问题a=(50-42-3.2)/2=2.4mm，模具也容易损坏方案三中，虽然解决了上述模壁太薄的矛盾，但冲11mm底孔与冲3.2mm的小孔复合与翻边切边复合时，它们的刃口都不在同一平面上，而且磨损快慢也不一样，这样会给修磨带来不便，修磨后要保持相对位置也有困难方案四中,落料、首次拉深与冲11mm底孔复合，冲孔凹模与拉深凸模做成一体，也给修磨造成困难特别是冲底孔后再经两次和三次拉深，孔径一旦变化，将会影响到翻边高度尺寸和翻边口部质量方案五生产率高安全性好，避免了上述方案的缺点，但这一方案需要专用压力机或自动送料装置，而且模具结构复杂，制造周期长，生产成本高，因此，只有在大量生产中才较适宜方案一,没有上述的缺点，但其工序复合程度低，生产率低不过单工序模具结构简单，制造费用低，这在生产批量不大的情况下是合理的。因此决定采用第一方案。本方案在第三次拉深和翻边工序中，在冲压行程临近终了时，模具才对零件产生刚性打击而起到整形作用，故无需另加整形工序第四章 模具机构设计4.1模具结构形式选择4.1.1按工序模具结构形式选择如下:工序一,为落料、拉深复合工序.由于凸凹模壁厚a=(65-38)mm/2=13.5mm,采用落料、拉深复合模强度足够，故本工序采用落料、拉深复合模结构，模具总体结构见图模具总装示意图。该结构落料采用正装式,拉深采用倒装式.模座下的弹顶器兼作压边与顶件装置，另设有弹性卸料和推件装置.工序二,采用二次拉深模(倒装式).工序三，采用三次拉深模,也用倒装式结构。由于此道工序兼有整形功能,故在拉深完了模具要进行刚性打击，以达到整形的目的，其模具结构稍复杂于二次拉深模.工序四,冲底孔,模具采用正装式结构。工件用定位板定位，采用弹性卸料,废料由工作台落下。工序五,翻边。由前面工序分析，为减少整形工序，让工序3和工序5兼有整形的作用.为使翻边工序兼有整形的功能，在模具结构上让定位套在冲压终了时受刚性打击，起到整形口部的作用.工序六,冲小孔,模具采用正装式结构。由于工件较小,冲孔废料直接落入工作台孔.工件用定位销以内孔定位，弹压卸料板起到压料和出件作用。为节省模具材料，凹模采用镶入式结构，凸模用固定板固定.工序七,切边，模具采用倒装式结构。切边后，用废料切刀去除切边废料,工件在凹模中用打料杆及推件器推出.图 落料拉深复合模总装示意图4.2模具工作零件设计以下仅讨论第一道工序所用的落料和首次拉深复合模的设计要点，其他各工序所用模具的设计与此相仿，不再赘述.4.2.1复合模中落料部分刃口尺寸计算:圆形落料凹模和凸凹模中的凸模部分，可采用分开加工.拉深前的坯料直径取自由公差，可定为IT14级精度，故取落料件的直径为65mm.落料凹模及凸模的刃口尺寸可按式(2.4.1)、(2.4.2)3,并结合查表2.4.1,计算如下:落料凹模刃口尺寸Dd=(Dmax-X)=(65mm-0.50.74mm)=64.63mm凸凹模中落料凸模刃口尺寸Dp=(Dmax-X-Zmin)=(65mm-0.50.74mm-0.132mm)=64.50mm由于+=0.03mm+0.02mm=0.05mmZmax-Zmin=0.240mm-0.132mm=0.108mm,故凸凹模刃口尺寸可确定.,经查阅有关资料，并根据模具结构要求,初步确定落料凹模壁厚C=30mm,落料凹模厚度h=44mm,实际确定凹模尺寸如图所示. 图 落料凹模零件图 图 凸凹模零件图4.2.2复合模中拉深工作部分尺寸计算:首次拉深件内形尺寸取自由公差，故拉深件尺寸公差为35mm.由拉深模工作部分尺寸的计算式(5-16)、(5-17),可得凸模工作部分尺寸dp=(dmin+0.4) =(35mm+0.40.62mm) =35.25mm式中 可查表5-26,取=0.03mm.凸凹模中拉深凹模工作部分尺寸dd=(dmin+0.4+2Z) =(35mm+0.40.62mm+3.6mm) =38.85mm式中 Z单面间隙,=1.5mm+0.21.5mm=1.8mm, k=0.2(见表5-25) 可查表5-26,取=0.05mm.按凸凹模的工作要求及结构特点，实际确定凸凹模的尺寸如图所示.4.3.3模架选择 由凹模周界尺寸D=65mm+230mm=125(mm),选级精度的后侧导柱模架.模架规格:160mm125mm(160190)mmGB/T2851.31990冲模滑动导向模架 后侧导柱模架4.4.4模具其他零件的选取和设计4.4.4.1模具闭合高度:H闭=上模座厚+下模座厚+落料凹模厚+凸、凹模高-(落料凹模与凸模的刃口高度差+首次拉深工件高-料厚)=35+40+48+65-(1+13.8-1.5)=174.7mm.根据设备载荷情况和模具的闭合高度，可选用JA23-25型压力机，该压力机的最大装模高度为200mm,最小装模高度为130mm.模具闭合高度满足+10-5,故认为合适。4.4.4.2模柄选择:由压力机模柄50mm70mm,选压入式模柄,其模柄规格为A5095(GB2862.11981.Q235).4.4.4.3螺钉:选M10mm螺钉,其长度根据模具结构定.4.4.4.4圆柱销:选10mm,长度由结构定.4.4.4.5卸料弹簧选用:卸料力前面已算出=4680N,拟选用8个弹簧，每个弹簧担负卸料力约为585N.弹簧的压缩量h1=工作拉深行程+落料凹模高出拉深凸模的距离(1mm)+卸料板超出凸凹模刃口距离(0.5mm),则h1=13.8+1+0.5=15.3(mm).查表选用弹簧为D2=28mm,d=5mm,h0=85mm,根据该号弹簧压力特性可知,弹簧最大工作载荷下的总变形量hj=28.8mm,最大工作载荷Fj=964N.除去15.3mm工作压缩量外,取预压量为13.5mm,此时弹簧预压力约为455N,这比计算值要小，若在调整中发现卸料力不足时,可修磨落料凸模增大间隙减小卸料力.这里没有考虑凸模修磨后会增大弹簧压缩量。为避免这种情况，可以挖深弹簧沉孔,或在凸凹模上面垫以垫片。最后选弹簧规格为: 弹簧5mm28mm85mmGB20891994圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数4.4.4.6打料推杆尺寸:推杆直径根据打料力选12mm.推杆的长度为L杆模柄总长+凸凹模高-推件块厚=95+65-25=135mm取=140mm最后选打料推杆尺寸为12mm140mm,材料取40钢,热处理硬度4045HRC. 第五章 工作零件的加工工艺 冲压汽车玻璃升降器外壳的各副模具结构并不复杂,非标零件也不难制造,表为落料拉深复合模中的关键零件之一，即凸、凹模的机械加工工艺过程，该零件所用材料为T10A。加工关键在工作零件、固定板以及卸料板，若采用线切割与成形电极加工技术，这些零件的加工就变得相对简单了。第六章 编写冲压工艺卡片 见表第七章 冲压模具具的试冲与调整7.1 调整凸模进入凹模的深度 模具的上下模安装到压力机上，要调整模具闭合高度大小适应设计要求，冲裁模凸凹模间隙合适时，为能冲下合格零件，凸模进入凹模的深度要适当。冲孔，落料等冲裁模具，将凸模调整进入凹模刃口的深度为其被冲料厚的2/3或略深一些就可以了。7.2 调整冲裁间隙 冲裁间隙在冲裁模设计与制造中是一个很重要的技术参数，其大小和调整的均匀性，不仅会影响到冲件的质量（尺寸精度，毛刺大小和断面的光亮带），模具的使用寿命和模具使用经济性等许多问题。冲裁间隙的调整是指冲模装配时凸、凹模之间间隙如何做到均匀一致，本模具采用切纸法来检验。7.3 试模 验证所用的设备是否正确，它包括冲压力是否足够和模具是否不用任何修改就能顺利地装到设备上使用； (1) 验证该模具所生产的冲件在形状，尺寸精度，毛刺等质量方面是否符合设计要求； (2) 验证该模具在卸料、定位、顶出件、排废料、送出料和安全生产方面是否正常可靠，能否进行生产性使用； (3) 验证冲压工艺流程是否合理； (4) 为冲模投入正常生产作准备。7.4模具在试模过程中出现的问题及调整方法7.4.1 送料不通畅或卡死产生原因:两导料板之间的尺寸过小或有斜度；板料裁得不规矩，宽窄不均匀；导料板间隙不合理。调整方法：重新安装导料板或修大两导料板之间尺寸，做到两导料板之间导向面相互平行，送料通畅；控制裁板宽度；调整导料板间隙，重新调整导料板的安装位置。7.4.2 卸不下料来产生原因：卸料装置该动作没有动作，卸料螺钉与螺钉孔配合太紧，或卸料螺钉有卡死现象；卸料弹力不够；卸料孔不通畅，废料卡在排料孔内；凹模有倒锥度。调整方法：重新装配和修整扩大螺钉孔，做到没有卡死现象；更换弹性元件，保证弹力足够；加大排料孔，并检查凹模的排料孔与下模座上相应的排料孔位置是否对正；修整凹模。7.4.3 制件有毛刺产生原因：刃口不锋利，或刃口硬度不够高；凸、凹模配合间隙过大或过小，间隙不均匀。调整方法：刃口硬度不够应重新更换淬火硬度够的凸模或凹模；合理的调整凸、凹模间隙及刃磨工作部分的刃口，保持刃口锋利，间隙均匀。7.4.4 制件的形状和尺寸不正确产生原因是凸模与凹模的形状尺寸不正确。调整方法是修整凸模或凹模的形状和尺寸不正确的部分，再调整冲模的合理间隙。7.4.5 凹模被涨裂产生原因是凹模孔口有倒锥现象，上口大，下孔小；或者是冲裁间隙