中心轴托架模具及其弯曲工艺设计

第一章 工艺分析一、 工件分析二、确定工艺方案三、工艺方案的比较四、毛坯展开尺寸计算五、弯外角的计算六、弯内角的计算七、凸凹模宽度尺寸的计算八、排样方案及其计算九、各工序冲压力的计算和设备的选取十、制定工艺卡片第二章 弯外角模具结构件的选择一、模架设计二、冲模闭合高度计算三、模柄四、压力中心的计算五、凸凹模的结构设计六、卸料装置七、卸料弹簧的选择和安装八、定位装置九、模具的总装图及爆炸图第三章 弯内角模具结构设计一、模架二、模柄三、凸凹模结构设计四、推件装置五、定位装置六、凹模固定板七、螺钉和螺销八、模具总装图及爆炸图 第一章 工艺分析加工工艺的确定需要考虑多种因素，最重要的是要兼顾质量与效率。下面将对托架的加工工艺选择做详细阐述。1、 工件分析此模具用于加工下图所示的机床中心轴托架，材料为08钢。 图3-1 工件二维图该工件是中心轴托架工件，10mm孔内装有心轴，托架通过4个5孔与机身连接，为保证良好的装配工件，5个孔的公差等级均为IT9级，表面不允许有严重的划伤，该零件选用08钢，其弯曲半径均大于该种材料的最小弯曲半径，且工件精度要求不高，不需要校形，所有的孔可用高精度冲模冲出。因此，该零件还可以用冷冲压加工成形。本设计只考虑工件的弯曲。弯曲件的工艺性主要考虑以下几个方面。（1） 弯曲半径 弯曲件的弯曲半径不宜过大和过小。过大因受回弹的影响，弯曲件的精度不宜保证；过小时会产生拉裂。弯曲半径应大于材料的许可最小半径，否则应采用多次弯曲并增加中间退火的的工艺，或者是先在弯曲角内侧压槽后再进行弯曲。（2）直边高度保证弯曲件直边平直的直边高度H不应小于2t(t为弯曲件厚度)，否则需先压槽或加高直边（弯曲后再切掉），如图3-3所示。（3） 孔边距如果弯曲毛坯上有预先冲制的孔，为使孔不发生变化，必需使孔置于变形区之外，即孔边距L（图3-4）应符合以下关系。 当弯曲件厚度t1.5mm）,中心孔10mm孔边距为7.5mm（1.5mm）,均满足要求。 （4）形状与尺寸的对成性 弯曲件的形状与尺寸应尽可能对称，高度也不应相差太大。当冲压不对称弯曲件时，因受力不均匀，毛坯容易偏移，尺寸不易保证。为防止毛坯的偏移，在设计模具时应考虑增设压料板、定位销等定位零件。如图3-1所示，本次设计的工件形状完全对称。 （5）部分边缘弯曲当局部弯曲某一段边缘时，为了防止在交界处由于应力集中而产生断裂，可预先冲裁卸荷孔或切槽，也可以将弯曲线移动一段距离，以远离尺寸突变处。二、确定工艺方案根据给出的工件结构进行详细分析得出：冲压该零件所需的基本孔为冲孔、落料及弯曲，其弯曲工艺方案有三种，因此，冲压工艺方案可以有以下几种。方案一：首先为冲孔（10mm）和落料的复合，然后为弯曲外部两角并使中间预弯45，然后弯曲中间两角，最后冲4个孔（5mm），弯曲部分如图3-5所示。方案二：首先为冲孔（10mm）和落料的复合（同方案一），然后弯外部两角，然后压弯中间两角，最后冲4个孔（5mm，同方案一），如图3-6所示。图3-5 方案一工件变形路线图 图3-6 方案二工件变形路线图方案三：首先冲孔（10mm）和落料的复合（同方案一）直接压弯四角，最后冲4个孔（5mm，同方案一）如下图图3-7 方案三工件变形路线图方案四：冲孔（10mm），切断，弯外角，再弯内角，最后冲4个5mm孔（同方案一）。方案五：冲孔（10mm），切断，弯四角，冲4个5mm孔（同方案一）方案六：全部工序合并，采用带料级进冲压成形。三、工艺方案的比较 综合运用弯曲模成型原理和模具设计技术对上述六个方案进行比较，可以得出如下结论。方案一的优点是：模具结构简单，寿命长，模具的制造周期短；工件的回弹容易控制，尺寸和形状准确，表面质量高；除工序一外，各工序都能用10mm孔和一个侧面定位，定位基准一致且与设计基准重合，操作也比较方便。缺点是：工序分散，所用模具、压力机和操作人员较多，工作量较大。方案二和方案一相比，零件的回弹难以控制，尺寸和形状不明确，且同样存在工序分散、劳动量大、占用设备的缺点。方案三的工序比较集中，占用设备和人员少，但是模具寿命低，工件表面有划伤，厚度变薄，回弹不易控制，尺寸的控制不够精确。方案四的成形过程本质与方案三相似。方案五本质上业也与方案三相同，只是采用了结构比较复杂的级进复合模。方案六的特点是采用高度集中的连续模完成方案一中分散的各工序。其生产率很高，但模具结构复杂，安装、调试、维修比较困难，制造周期长。通过比较可以得出，当进行小批量生产时宜选择方案一。但是进行大量生产时应采用方案六，即级进模生产的方式。本次设计针对单件、小批量生产，故综合各种因素，采用方案一。四、毛坯展开尺寸计算 首先根据工件结构图进行毛坯展开尺寸的计算，工件尺寸如图3-8所示 由冲压工艺与模具设计式（3-12）可得 式中：Li-直边长度； ri-弯曲半径； x0-应变中性层位移系数。 图3-8 工件尺寸 考虑到弯曲时板料纤维的伸长，实际毛坯取L=107mm。五、弯外角的计算 按照工艺方案一，首先应弯两45外角，故对其进行工艺计算。 凸模圆角半径：R/t =1.5/1.5 =1,大于其最小圆角半径，则r凸=1.5mm。 由冲压工艺与模具设计圆角半径选用原则可知，t=1.5mm2mm时，r凹=（36）t,故取 弯曲件凹模深度L0的计算如图5-9所示 凹模深度L0要适当。若L0过小，则弯曲件两端的自由部分长，回弹大且不平直；如果L0过大，则凹模用料过多，且需要较大行程的冲床。因此，L0的大小要根据弯曲件的要求确定。如弯曲件直边的平直度要求高且冲床行程足够大时，可采用较大的凹模深度。弯曲时，弯曲件全部被压入凹模中。 图3-9 首次弯曲尺寸通过粗略的几何计算可得 考虑到下一次弯曲会是工件变薄伸长，故L0取15mm。此时由于内角的弯曲角度不大，故凸凹模的圆角半径粗略设为r凸=10mm，r凹=20mm。如果弯曲零件的角度不等于90时，凸凹模的尺寸差值x与角度有一正切关系，其尺寸为 式中 A-正切差值， 。此处，x=0.621mm。此x对以后的凸凹模建模有用。由于V形零件弯曲时，凸模与凹模之间的间隙是靠调整压力机的闭合高 度来控制的，因此不需要在设计制造 模具时确定间隙。 图3-10 弯外角计算示意图 六、弯内角的计算 与弯角的工艺分析计算相同，弯内角的工艺计算如下： R/t =1.5/1.5 =1,大于其最小圆角半径，则r凸=1.5mm。 由冲压工艺与模具设计凸凹模的圆角半径选取规则，t=1.5mmPy=153.5N 弹簧的参数为： 弹簧直径d=2mm； 弹簧中径D=14mm； 弹簧内径D1=D-d=12mm 弹簧外径D2=D+d=16mm 有效圈数n、支承圈数n2和总圈数n1 n1 =n2+n 由机械工程师手册表4-42及冲模设计与制造实用计算手册表2-11选n=6，n2=2，则n1=8。由冲模设计与制造实用计算手册表2-11可知： 取t=7mm，则 H0=nt+（n2-0.5）d=67+3=45(mm) 计算弹簧总压缩量 Hc=Hy+Hg+Hx式中 Hy弹簧预压缩量，Hy=H2Py/P2，mm Hg弹簧的工作行程，冲裁中Hg=t+1（t为料厚），mm Hx凸模总修模量，一般取410mm。弹簧变形量 式中 G剪切弹性模量。 因Hg=2.5mm，Hx=4mm，则 Hc=23.579+6.5=30.07(mm) 校核总压缩量 若HcH2，则该弹簧需重新选择。 由以上的计算可知HcH2，弹簧可用。 卸料弹簧窝座的深度计算 弹簧窝座的深浅，将影响弹簧的卸料力的大小。冲模设计时，卸料力是按弹簧压缩到最大容许压缩量时的压力计算的。因此，弹簧窝座的深度，应使冲模在闭合状态时，弹簧压缩到最大容许压缩量。图4-5为弹簧卸料的冲裁模。图4-5 弹簧卸料冲裁模故弹簧窝座的深度为 式中 L弹簧的自由状态长度，mm； F弹簧的最大容许压缩量，mm； h1卸料板厚度，mm； h2凸模高度，mm； t冲裁模厚度，mm； 上、下模刃口进入量，=1mm； h3刃口修模量，h3=56mm。（2）弹簧的安装虽然本次研究的是弯曲模而非冲裁模，但从图4-5中可以知道和本次弯曲模的卸料装置结构大致相同，且计算分析过程也相似。故可以参考以上的冲裁模来计算弯曲模的卸料弹簧窝座如右图所示。假设弹簧为原长时，卸料板比凹模直边高出5mm，而直边高度为35mm，且卸料板和凹模之间的距离为26mm，那么窝座深度为9.5mm。 图4-6 卸料装置结构示意图八、定位装置为了限定被冲材料的进给步距，并准确地将工件安装在冲模上设定位置，保证下一步工序的顺利进行，必须采用各种形式的定位装置。冲模适用的定位零件有导料销、导料板（导料尺）、挡料销、定位板（钉）、导向销、定距侧刃和测压装置等。综合各种因素，设计弯外角的模具结构时，采用挡料销和导料销进行粗定位。（1）挡料销的设计 挡料销（又称定位销）主要用于定位，保证条料有准确送料距。挡料销有多种形式，分别用于不同的场合，如圆柱头式挡料销、钩形挡料销、回缩式挡料销、活动挡料销、初始挡料销等。本次模具设计选择圆柱头式挡料销。此种挡料销一般装在凹模上，其特点是销的固定部分和工作部分的直径相差较大，因此不会削弱凹模的强度。另外，这类挡料销结构简单，常用于带固定及弹压卸料板的模具中。 由冲压模具简明手册选基本尺寸：d=6mm，d1=3mm，h=3mm；L=8mm。考虑到凹模的特殊结构，将挡料板直接固定在卸料板上。使用条料或卷料冲裁时，一般用导料板或挡料销来导正材料的送进。其主要作用是对条料的送进进行定向，防止偏斜。其安装位置一般是下模凹模口的上平面。本次设计选用导料板。 就制造方式而言，导料板与卸料板可以分开制作，也可以制造成一体的。本次弯外角模具设计采用分开导料板与卸料板分开制造的方式。为 图4-7 固定挡料销三维图使条料顺利通过，两块导料板互相之间的距离应等于条料的最大宽度加上双边间隙值。无侧压装置时，条料宽度和导料板间距离按无侧压装置的公式计算。在此次弯曲模具设计中由实用冲压技术手册选择送料间隙为0.5mm。由于弯曲凹模的形状非规则的特性，本次单独设计挡料板，并用螺钉紧固与凹模上面。导料板得高度（H）参考实用冲压技术手册选取，在这里选H=6mm。导料板的厚度一般为材料厚度的2.54倍，材料厚度取小值。导料板的最小厚度为46mm，导板一般采用45钢，工作侧面粗糙度Ra在1.6m以下。（2）导正销的设计导正销的类型 在首次弯曲工序当中，采用10mm孔进行定位，故采用导正销进行定位。导正销又称导头，作用原理是以尖圆头一端先进入预先冲出的定位孔，以导正送料中的误差，起到精确定位的作用。导正销主要应用于跳步模上，消除侧刃及挡料销定位所造成的误差，以获得较精确的工件。导正销有两大类型：凸模式导正销和安装在凸模上的短式导正销。凸模式导正销的形状与冲导正孔的凸模一致，只是头部增加了导正部分。它是利用条料上的工艺导正孔（即本设计中直径10mm孔）进行导正定位，导正定位精度高，得到广泛应用。短式导正销一般是装在第二工位凸模上，冲裁时它先伸入已冲好的导正孔内，以保证内孔与外形相对位置的精度，消除由于送料引起的误差。导正销的工作部分的形状有两类：R形导正销头部形状和锥形导正销头部形状。R形导正销对导正孔直径大小不加限制，能保证良好的导正精度，广泛用于各种自动冲压模具中。锥形导正销分为4种，对导正孔小的采用小锥度，对导正孔大的采用大锥度，既能保证条料导正定位精度，又不使头部尺寸过大，在锥度与工作直径相交处，可由一定角度的圆角光滑过渡。导正销尺寸计算 导正销与导正孔的配合间隙对制件精度有着直接的影响。一般情况下，配合间隙越大，定位精度越低，但配合间隙又不能过小，否则，由于间隙过小，导正销磨损加快，被磨损的导正销形状不规则，不仅影响定位精度，而且当上模回升时，条料因窜动会卡死在导正销上，影响模具正常工作。导正销的直径选取，要保证被导正定位的条料在导正销与导正孔有最大可能的偏心时，仍可导正条料，冲出合格的制件。导正销直径不宜过小，过小会因强度不足而折断。在确定导正销直径时，不可忽视冲导正孔凸模直径与冲出的导正孔直径之间的差值。在本设计中，由于导正孔直径D为10mm，故由实用冲压技术手册中C-D关系可知 C=D-d =0.025（mm）为了实现导正销导正定位条料的目的，导正销需凸出弹压卸料板一定长度h，长度h与材料厚度有关，随着材料厚度的增加而增加。导正销凸出长度还与材料软硬程度有关，材料硬，则导正孔的前切面小，突出长度h可适当减小。一般情况下取h=（0.81.2）t。本设计中工件厚度为1.5mm，故h=1mm。凹模上导正销的让位孔一般都制成通孔，以排除可能产生的废料，凹模孔与导正销的间隙Z取（0.060.1）t。本设计中Z取0.1t，则 Z=0.11.5=0.15（mm）导正销工作段直径计算分两种情况：第一种情况，已知导正孔直径，求导正销工作段直径d 。前者计算可根据前面所示的C-D关系曲线进行。本设计确定的导正孔直径为10mm，为第一种情况，采用锥形凸模式导正销，则d=D-C=10-0.025=9.975（mm）那么凹模上的让为孔的直径为：9.975+0.3=10.275mm。（3）垫板的设计冲模用垫板的材料采用45钢或T8A，技术条件按JB/T 7653的规定。具体参数为：125mm80mm6mm，45钢, JB/T 7643.3。（4）螺钉和销钉 螺钉是用来紧固模具零件的，冲模中多采用内六角头或圆角螺钉。螺钉主要承受拉应力，其尺寸及数量一般根据经验确定，小型和中型模具采用M6、M8或M12等，选用46个，要按具体位置布置而定。大型模具可选M12、M16或更大规格，选用规格过大会给攻螺纹带来困难。冲模中圆柱销起定位作用，圆柱销一般承受错移力。一般圆柱销用两个以上，布置时一般离模具刃口较远，对中小型模具一般选用d=6mm、8mm、10mm、12mm几种尺寸，错移力较大的情况可适当选大一些。由参考文献4内六角圆柱头螺钉系列表选上模座和固定板连接螺钉为： 螺钉GB/T70.1 M1040具体参数为：P=1.5mm，b=32mm，dk=16mm，k=10mm，t=5mm，s=8mm，e=9.15mm，r=0.4mm。选下模座和凹模连接螺钉为： 螺钉 GB/T 70.1 M1030具体参数和上模座螺钉相同。只是公称长度小于表中数值，故需要制出全螺纹。由参考文献4附圆柱销表选上模座定位圆柱销为： 销 GB/T 1191.1 6m655导板在凹模上的固定螺钉选： 螺钉GB/T 70.1 M310具体参数为：P=0.5mm、b=18mm、dk=5.5mm、k=3mm、t=1.3mm、s=2.5mm、e=2.87mm、r=0.1mm。由于公称长度小于表中数值，故需要制出全螺纹。 第三章 弯内角模具结构设计弯内角工序与弯外角的不同之处在于凸凹模结构不一样。弯外角采用凹模倒装进行弯曲，即凹模装在上模板上，凸模装在下模板上。弯内角凸模压入凹模以后工件必须用顶件装置将其顶出，而弯外角是用卸料装置将工件卸下。相同之处在于都采用10mm孔进行精确定位。一、模架 由上述可知，在弯外角的工序中，选用压力机为：J23-16A，公称压力160kN。 由冲压模具简明手册开式可倾工作台压力机主要参数表可知： 压力机的最大闭合高度 Hmax=180mm；最小闭合高度 Hmin=130mm。根据上面的压力机的闭合高度和冲模闭合高度的配合，选择冲模模架为：凹 模周界，L=125mm，B=100mm，闭合高度140165mm。级精度的后侧导柱模架型号为（140165） GB/T2581.3后侧导柱上模座型号为后侧导柱下模座型号为导套型号为 A25H68033 GB/T2581.6导柱型号： A25h5150 GB/T2581.1二、模柄由前面弯外角所述，选择压入式模柄，由实用冲压技术手册模柄系列选择模柄A2570 JB/T7643.1 模柄和模架。 三、凸凹模结构设计凸模装在下模座上，采用与下模座过盈配合压入下模座中。考虑到工件的边长30mm，故凸模的长度选择50mm。其宽度在前面的计算中已经给出，为Bp=mm。其圆角半径为r凸=1.5mm。凸模的二维图如图5-2所示。凹模深度为L0=20mm。凸凹模间隙C=1.575mm，那么凹模的内芯宽度为 28+2C=28.202（mm）U形件弯曲的简单的工作单元有以下几种常用的结构形式：自由弯曲工作单元结构校正弯曲工作单元结构凸台压校弯曲工作单元结构在这里采用自由弯曲工作单元结构。四、推件装置凹模装在上模座（倒装）时，要利用刚性或弹性推件装置推出工件。推件装置装在上模内，通过冲床滑块内的打料机构完成推件工作。推件装置一般由推件器和推杆组成，如图5-5所示。 图5-5 推件装置以弯曲为例来说明该装置的工作过程。上模下行，依靠凸凹模完成弯曲后，弯曲件卡在凹模内。上模上行到某一高度时，压力机上的横杆给推杆上端一个向下的推力，通过推杆传递给推件器，便在弯曲件上表面有一个相应的推力。上模上行到上死点过程中，凹模对推料器产生一个向上的位移，位移量略大于弯曲件高度，从而使弯曲件脱出凹模。在弯内角的模具设计中，脱料装置就采用上面的方案。采用刚性推件装置，利用推件器和推杆将弯曲工件从凹模中顶出。一般装在上模。其推件靠压力机中滑块内的横梁作用，推件力大且可靠。复合模中，刚性推件装置通常由推杆、推板、推销和推件器组成。推杆的长度应高出压力机滑块模柄孔510mm；推件器应高出凹模刃口0.51mm。为了使推件力均衡分布，推销要分布均匀，长短一致。推板一般装在上模的孔内，其厚度与工件尺寸和推件力有关，对于中小件，一般取510mm。为了保证凸模的支承和强度，放推板的孔不能全挖空。因此，推板的形状要按推下工件的形状来设计。推板有如下集中形式：用于正方形工件的推板；用于圆形工件的推板；用于矩形工件推板。由实用冲压技术手册推杆系列表选择带肩推杆，根据以上原则，选择直径d=8mm，长度L=120mm，材料45钢，A型带肩推杆，型号为 推杆 A8120 JB/T 7650.1其中d1=10mm推板根据弯曲件来设计，冲裁件的内部形状尺寸较小，外形尺寸较简单时，推件块（顶件块）外形与凹模为间隙配合H8/f8，推件块（顶件块）内孔与凸模为非配合关系（外导向）。冲裁件的内形尺寸较大，外形相对复杂时，推件块（顶件块）内形与凸模为间隙配合H8/f8，外形与凹模为非配合关系（内导向）。此弯曲件的内形尺寸比较小，外形尺寸比较简单，因此推板与凹模的间隙配合为H8/f8。由前面的论述可知：推板的厚度与工件尺寸和推件力有关，对于中小件，一般取510mm，在这里取推板的厚度为8mm。推板和推杆通过过盈配合连接起来。由于在后面的设计中还需要考虑精确定位装置的导正销的让位孔部分，故在推板与工件接触的一面预留4mm深的孔。五、导正装置 在弯内角时，采用纵向送料。在纵向，采用挡料板进行约束。然后用10mm 孔作为导正孔、导正销精确定位，在Z方向上推板对工件进行约束，则在X、Y、Z三个方向都对工件进行了约束。 由前面弯外角对导正销的论述可知，弯内角的导正销也采用固定式凸模导正销。 导正销的工作头部分采用锥形，头部角选30。（1） 导正销尺寸计算 导正销与导正孔的间隙配合 由于弯外角和弯内角都是利用10mm 孔进行定位，故导正销与导正孔的配合间隙C=0.025mm。同弯外角，为了达到导正销正定位条料的目的，导正销直径应凸出弹压卸料板一定长度h。由于是同一工件只是不同工序，故h=1mm，和前面弯外角一样。前面弯外角导正销的让位孔在凹模上，弯内角的让位孔在推板上。推板上的让位孔与导正销的间隙Z=0.1t=0.15mm。导正销工作段直径计算 由前面弯外角可知，导正销工作段直径分两种情况，在这里不在赘述。由于都采用相同的导正孔，故都为第一种情况，即已知导正孔直径，求导正销工作段直径d。查锥形导正销曲线可知： d=D-C=10-0.025=9.975(mm)那么推板上的让位孔的直径为： 9.975+0.3=10.275（mm）由此可知上一步在推板上预留的10mm孔显然小了，需改成10.275mm。导正销安装在凸模上面，凸模总长为50mm。在弯外角中没有用到卸料板，但是为了达到导正销定位条料的目的，导正销需凸出凸模一定长度即上面所述的h，且h=1mm。那么导正销的非锥形部分为51mm，锥形部分为30。（2） 导料板的计算 条料靠着导料板或导料销一侧送进，以免送偏。导料板有与导板分离和连城整体的两种结构。为使条料顺利通过，导料板间的距离应等于条料的最大宽度加上一间隙值（一般大于0.5mm）。其高度H视板料厚t与挡料销的高度h而定，查冲压工艺与模具设计导料板高度表，有H=6mm。在弯内角的过程当中，同弯外角一样，采用分离式结构，将导料板通过螺钉安装在凸模上面，对工件在Z方向上进行约束。导料销只起辅助导正作用，起精确定位作用的是导正销，采用横向送料的的形式，将导料板安装在凸模的前后两侧。将导料板分为安装部分和导正工作部分，大致确定导料板的厚度为20mm，较凸模工作部分窄一点，安装部分高度为10mm，工作部分高度为6mm，厚度2t=3mm。六、凹模固定板由冲压模具简明手册表15.57选择固定板：80mm63mm24mm，45钢，JB/T 7643.2.七、螺钉和螺销弯外角上模座和凹模固定板采用紧固件螺钉连接。由参考文献4内六角螺钉系列表选螺钉 螺钉GB/T70.1 M1030具体参数为：P=1.5mm，b=32mm，dk=16mm，k=10mm，t=5mm，s=8mm，e=9.15mm，r=0.4mm。由于公称长度小于表中数值，故需制出全螺纹。上模座和固定板采用圆柱销定位。由参考文献4圆柱销系列表选择销钉： 销 GB/T 119.1 6m645下模座和凸模的固定也采用螺钉连接由参考文献4内六角螺钉系列表选螺钉 螺钉 GB/T 70.1 M830具体参数为：P=1.25mm，b=28mm，dk=13mm，k=8mm，t=4mm，s=6mm，e=6.86mm，r=0.4mm。上、下模座和凸模的定位同样采用销钉定位。由参考