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压力机
成型
模具设计
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单动压力机液力成型模具设计,压力机,成型,模具设计
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目录摘要41.绪论52.设计任务分析83.整体结构设计思路103.1单动压力机提供压边力的问题113.2凹模充入高压油的问题123.3液体凹模的密封问题124.模具结构设计134.1零件工艺分析134.2工艺方案144.3模具工作尺寸设计计算164.4模具总体设计184.5压力机的选择194.6模具主要零件设计204.7强度的校核284.8设计并绘制模具总装图294.9绘制非标零件零件图315.压边缸的设计325.1设计步骤325.2液压缸主要参数的确定325.3液压缸的结构设计355.4绘制总装配图和零件图496.增压器的设计526.1增压器概述526.2增压器的设计要点526.3增压器的主要参数526.4增压器的结构设计546.5绘制总装配图和零件图576.6增压器液压控制回路57参考文献60摘要本设计主要是针对半球形工件设计一套适用于单动压力机并压边压力可调的液力成形模具。由于是采用单动压力机，因此必须解决压边圈的压边力问题，采用独立控制的压边缸实现压边圈压边力的单独控制调节，同时为满足成形要求，凹模内冲入高压液体，使用高压液体凹模必须解决凹模充油问题，设计了增压缸为凹模充入高压油，同时设计了压边缸和增压缸的液压控制回路，根据模具的特点进而确定了模具的整体结构，最终设计出能够满足成形要求的模具。关键字：单动压力机压边缸增压缸 液体凹模 液压控制系统1绪论冷冲压是一种先进的金属加工方法，与其它加工方法(切削)比较，它有以下特点：1)它是无屑加工被加工的金属在再结晶温度以下产生塑性变形不产生切屑，变形中金属产生加工硬化。2)所用设备是冲床冲床供给变形所需的力。3)所用的工具是各种形式的冲模、拉深模，对材料塑性变形加以约束，并直接使材料变成所需的零件。4)所用的原材料多为金属和非金属的板料。冷冲压与其它加工方法比较，在技术上、经济上有许多优点：1）在压床简单冲压下能得到形状复杂的零件而这些零件用其它的方法是不可能或者很难得到的。如汽车驾驶室的车门、顶盖和翼子板这些具有流线型零件。2)制得的零件一般不进一步加工，可直接用来装配，而且有定精度，具有互换性。3)在耗料不大的情况下。能得到强度高、足够刚性而重量轻、外表光滑美观的零件。4)材料利用率高，一般为70一85。5)生产率高，冲床冲一次一般可得一个零件而冲床一分钟的行程少则几次，多则几百次。同时，毛坯相零件形状规则，便于实现机械化和自动化。6)冲压零件的质量主要靠冲模保证所以操作方便，要求的工人技术等级不高，便于组织生产。7)在大量生产的条件下，产品的成本低。冷冲压的缺点是模具要求高、制造复杂、周期长、制造费昂贵因而在小批量生产中受到限制。另外冲压件的精度决定于模具精度如零件的精度要求过高、用冷冲压生产就难以达到。基于以上特点可见先进的加工制造技术是现代工业的基础,其重要性不言而喻。本篇论文研究的充液拉深是金属板料成形领域里新发展起来的一种先进、实用的加工工艺,受到各国普遍关注。充液拉深的基本原理是:在凹模腔里预先充满液体,当拉深凸模压迫板料进入凹模时,便使液体在凹模腔里建立起高压,将板料紧紧压贴到凸模上,形成有利的摩擦保持效果,改善了板料在凸模转角处的受力状态;另外,凹模里的液体要从凹模表面与板料之间向外挤出,形成有效的流体润滑。这样一来,成形极限便能大幅度提高,而且可以提高零件质量。这项工艺于50年代就有原理性实验研究,证实了它的可行与先进性,但由于超高压液压系统上一系列工程实践问题未获解决,直到70年代末至80年代初才开始真正工业应用,发展速度加快。一些工业发达国家如德国、瑞典、日本、美国都竞相推出了各种规格的充液拉深专用设备,并都形成了系列定型产品。其中,日本发展尤快。19821983年,全日本仅有几台充液拉深专用设备投入实际使用,而到了1987年便扩大到50多台投入工业应用。进入90年代,日本丰田汽车厂已建成了以40000kN超级大型充液拉深机为中心的冲压生产线,成形重达7kg,平面尺寸950mm1300mm的大型板金覆盖件,引起世人关注。专用充液拉深设备造价高,不仅我国一般企业不敢问津,就是在工业发达国家推广起来也绝非易事。所以,在发展上述充液拉深专用设备的同时,国外在通用压力机的改造上也投入很大力量,取得了一些成果,发表不少专利结构。当前,产品的研究应更适应、符合我国国情,面向我国市场。所以,选择走通用压力机改造的路,即选择了使用量大面广的单动液压机为对象进行开发研制充液拉深装备。用单动液压机实现充液拉深已有专利发表,它是在单动液压机的活动横梁或上横梁上另外加装压边缸。在活动横梁上加装压边缸,会降低液压机主滑块的工作压力;在上横梁上加装压边缸,会加大立柱的负载,而且这两种改造方案都不简便易行。在借鉴了我国推广精冲新工艺的成功经验的基础上,决定采用在单动液压机上安装通用充液拉深模架的方案。此方案勿须对液压机作重大改动,仅在主滑块上附加一个位移传感器,而实现压边的油缸则设置、安装在通用模架中。除了通用充液拉深模架外,还有两大部分,即液压系统和微机自控系统。本论文将从单动压力机的改造入手设计一套冲液拉伸模具，采用通用充液拉深模架及普通单动液压机实现充液拉深是比较符合国情和实用的,更有利于科研成果转化与推广,本论文介绍的新原理、新结构的压边缸,具有高效节能特点,工作可靠。对短工作行程类的机械、机构,具有普遍意义,可进一步推广应用;增压系统保证了必要的初期液室压力,对成形工艺非常重要。2、设计任务分析图1所示为半球形工件示意图图1半球形工件示意图要求:1.壁厚均匀；2.工件不允许有裂纹和变形缺陷；零件的外观表面毛刺高度不得高于0.01mm；3.球形工件直径100mm,未注尺寸公差按低精度等级查取。3整体结构设计思路曲面形状(如球面、锥面及抛物面)零件的拉深，其变形区的位置、受力情况、变形特点等都与圆筒形件不同,所以在拉深中出现的各种问题和解决方法亦与圆筒形件不同。对于这类零件就不能简单地用拉深系数衡量成形的难易程度,也不能用它作为模具设计和工艺过程设计的依据。在拉深圆筒形件时，毛坯的变形区仅仅局限于压边圈下的环形部分。而拉深球面零件时，为使平面形状的毛坯变成球面零件形状，不仅要求毛坯的环形部分产生与圆筒形件拉深时相同的变形，而且还要求毛坯的中间部分也应成为变形区，由平面变成曲面。因此在拉深球面零件时，毛坯的凸缘部分与中间部分都是变形区，而且在很多情况下中间部分法反而是主要变形区。拉深球面零件时，毛坯凸缘部分的应力状态和变形特点与圆筒形件相同，而中间部分的受力情况和变形情况却比较复杂。在凸模力的作用下，位于凸模顶点附近的金属处于双向受拉的应力状态。随着其与顶点距离的加大切向应力减小，而超过一定界限以后变为压应力。在凸模与毛坯的接触区内，由于材料完全贴模，这部分材料两向受拉一向受压，与胀形相似。在开始阶段，由于单位压力大，其径向和切向拉应力往往会使材料达到屈服条件而导致接触部分的材料严重变薄。但随着接触区域的扩大和拉深力的减少，其变薄量由球形件顶端往外逐渐减弱。其中存在这样一环材料，其变薄量与同凸模接触前由于切向压缩变形而增厚的量相等。此环以外的材料增厚。拉深球形类零件时，需要转移的材料不仅处在压边圈下面的环形区，而且还包括在凹模口内中间部分的材料。在凸模与材料接触区以外的中间部分，其应力状态与凸缘部分是一样的。因此，这类零件的起皱不仅可能在凸缘部分产生，也可能在中间部分产生,由于中间部分不与凸模接触,板料较薄时这种起皱现象更为严重。起皱是拉深工艺中主要的破坏形式，变形区一旦起皱，对拉深的正常进行是非常不利的。因为毛坯起皱后，拱起的皱褶很难通过凸、凹模间隙被拉人凹模，如果强行拉人，则拉应力迅速增大，容易使毛坯受过大的拉力而导致断裂报废。即使模具间隙较大，或者起皱不严重，拱起的皱褶能勉强被拉进凹模内形成筒壁，皱折也会留在工件的侧壁上，从而影响零件的表面质量。同时，起皱后的材料在通过模具间隙时与模具间的压力增加，导致与模具间的摩擦加剧，磨损严重，使得模具的寿命大为降低。因此，起皱应尽量避免。为了避免起皱，采取的措施就是增加压边圈，加压边圈后，材料被强迫在压边圈和凹模平面间的间隙中流动，稳定性得到增加，起皱也就不容易发生。对于双动压力机，由于有两个滑块，故在拉深一开始时，外滑块首先进行压边，而内滑块进行拉深，但是在单动压力机中，只有一个滑块提供拉深力，所以只能自行设计压边圈和压边圈控制装置。另外，在凹模中充以液体,当凸模下行时,液室中的液体产生相对压力从而将毛坯紧紧地贴在凸模上,并可在凹模与毛坯板料下表面之间产生流体润滑,不仅减少起皱等传统拉深时板材成形局部缺陷的生成,使板料的成形极限极大地提高(比普通拉深极限提高1.21.4倍),而且可以得到高精度的工件,所以需要我们自行设计液体凹模。经过分析以上半球件的特点和单动压力机液力成形的特点，明确了结构设计中的主要难点有：单动压力机提供压边力问题，凹模充入高压油问题，液体凹模密封问题。在设计中经过思考、查阅资料和向老师同学请教，找到合适的解决方案，总结如下：3.1单动压力机提供压边力的问题由于采用单动压力机，所以压力机只能提供模具上行下行的拉深力，不能提供压边圈的压边力，这就需要设计一个机构为压边圈提供压边力并且该机构要能够改变行程和压边力，并且该机构要能够单独控制，考虑设计一个液压缸来提供压边力，压边缸能够满足上述要求。压边缸设计合理能够满足压边力，需要解决的是压边缸在模具结构上的安装问题，有以下方案：A.液压缸固定在下模座上。优点是：液压缸和下模座一起固定不动，安装稳定并且工作时提供拉力，活塞杆不受压，不易失稳。缺点是：液压缸固定不动导致压边圈的行程不可调，也就使模具具有局限性，工件尺寸较大的时候模具不能使用，且压边缸会阻碍送料和卸料。B液压缸固定在上模座上。优点：压边圈固定在活塞杆上，随液压缸和上模座上行下行，送料和卸料时不会有阻碍，且液压缸安装稳定。缺点：液压缸固定在上模座上，行程不可调，且压边圈压紧板料之后，上没下行，液压缸也跟随上模座下行，导致压边力变化，使模具工作不稳定。C.液压缸先吊装在单独设计的固定板，然后固定板固定在下模座上。优点：液压缸安装稳定，且压边圈不阻碍送料和卸料。压边圈的行程可根据压边缸的尺寸得到调节，模具的适用范围更大。压边缸不随模具整体结构上行下行，所以压边圈实现了单独控制，压边力稳定，模具成型性能更好。综上对比可以看出，方案C满足压边圈的各项要求，是最优方案。3.2凹模充入高压油的问题采用液体凹模时要在凹模内充入高压油，这就需要解决向凹模内如何充入高压油的问题，设计思路是设计一个增压缸，将油泵出来的低压油先通入低压缸，经低压缸之后进入高压腔，油液获得高压后再通过油管输入凹模。增压缸的设计基本思路就是用低压缸和高压缸的面积比来增大局部压力，但是并不增大能量。增压缸的机构示意图如下（图2）：图2单作用增压器机构示意图单纯依靠活塞面积比来增压很难达到100MPa的高压，并且如图2所示的一级增压如果增压比过大，高压腔的活塞杆直径必须很小，这样的结构难以满足强度要求，并且使用寿命很短。如果采用多级增压，增压缸的尺寸很大，成本高，结构复杂，从成本和加工各方面考虑都不切合生产实际，所以采用一级增压并且改进增压缸的缸筒结构，通过逐渐减小缸筒的内径进一步实现增压（如上图所示），这样做使增压缸结构简单，安装使用方便并且能满足增压要求。3.3液体凹模的密封问题1凹模结构的设计由于凹模内充入高压液体，就出现了凹模如何密封保证压力且减少漏油的问题。设计思路方案有：A.凹模做一体式设计，凹模型腔作为高压油室。这种结构加工方便，但是模具工作时压边圈提供压边力使油不泄露，凹模容易损坏且不方便更换。B.凹模设计成独立的结构，凹模嵌入凹模固定板中，凹模固定板和凹模共同提供高压油室，这样的凹模结构简单，且凹模做为独立的结构磨损后更换方便，减少了成本。综合比较上述两种方案，显然B方案效果优于A，故而选用B方案的凹模结构形式。2凹模与凹模固定板间的密封凹模采用嵌入凹模固定板中的固定方式，凹模和凹模固定板是过盈配合，但是油液会从凹模和凹模固定板的间隙泄露，这是不允许的，所以必须采用适当的密封方式来解决何以问题，方案如下：A.在每个配合面上使用Y型橡胶密封圈密封这种密封圈在油液冲击下Y型口会张开而封住油液，但是Y型密封圈一般适用于低压工作环境，动密封的效果好，使用油压一般不高于20MPa，且单圈只能对一个方向骑密封作用，使用必须成对使用。B.在每个配合面上使用O型橡胶密封圈密封O型密封圈密封性能好，寿命长，单圈就可以实现两个方向的密封，且动摩擦阻力小，对油液、温度和压力的适应性能好，体积小，重量轻，成本低，密封部位结构简单，拆装方便。比较以上两个方便可见B方案明显优于A方案，既能满足要求又能降低成本，减少安装难度，故而选择O型橡胶密封圈的密封形式。4模具结构设计4.1零件工艺分析拉深件的工艺性是指从冲压工艺方面来衡量设计是否合理。一般的讲，在满足工件使用要求的条件下，能以最简单最经济的方法将工件拉深出来，就说明该件的拉深工艺性好，否则，该件的工艺性就差。当然工艺性的好坏是相对的，它直接受到工厂的冲压技术水平和设备条件等因素的影响。以上要求是确定冲压件的结构，形状，尺寸等对拉深件工艺的实应性的主要因素。根据这一要求对该零件进行工艺分析。零件尺寸公差无要求，故按IT14级选取，利用普通拉深方式可达到图样要求。此工件为半球形件，工件结构对称，有良好的冲压性能，工艺结构简单，部分尺寸没有给出公差，可取IT14级精度。经分析，工件尺寸精度要求不高，形状不复杂，工件产量不大，根据材料厚度较薄（2mm）,又有轴对称曲面形状零件的拉深特点，需加大坯料直径、增大压料力的拉深模。4.2工艺方案1坯料直径参考文献模具设计与制造基础表3-4带凸缘件的修边余量查得工件的修边余量取3.6mm常用旋转体拉深件坯料直径计算公式D=（1）=148mm保证压边圈的压料力和液体凸模的压力密封，要加大坯料直径，取D=150mm2拉深力计算拉深力计算公式F=kdtb（2）式中：K为修正系数，d为直径，t为板料厚度；为材料抗拉强度由半球件的拉深系数m=0.71（3）式中：d为半球件直径，D为毛坯直径钢板系数K1值由参考文献模具设计与制造基础表3-12查得查表得k=0.6d=100mmt=2mm由材料为08钢得b=300440 MPa计算得拉深力F=150.7KN3压边力计算表1单位面积压边力q任何形状的拉深件Fy=Aq（A压边圈内的毛坯面积m2）材料单位压边Mpa材料单位压边Mpa铝0.81.2软钢t0.5mm2.02.5高合金高锰不锈钢3.04.5得q=2 MPaA=2=9817mm2得 ：Fy=19.6KN4压力机公称压力计算F=F=150.7KN则压力机公称压力Fg=271.26KN5计算压力中心（1）确定压力中心的目的：模具的压力中心就是合力的作用点，为了保证压力机和模具正常平衡工作，模具的压力中心必须通过模柄轴线而和压力机的滑块中心重合，否则会产生偏心，形成偏心载荷。使滑块和导轨之间产生过大的摩擦，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。（2）冲模的压力中心，可以按下述原则来确定：a.对称形状的单个拉深件，冲模的压力中心就是拉深件的几何中心。b.工件形状相同且分布位置对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。c.形状复杂的零件、多孔冲模、级进模的压力中心可以用解析计算法求出冲模压力中心。（3）成形工件压力中心的计算和选择成形工件是半球形形状对称的工件，其压力中心位于轮廓图形的几何中心，即：圆心。4.3模具工作尺寸设计计算1凸凹模间隙（1）分析凸凹模间隙影响模具寿命、卸料力、推件力、拉深力和拉深件的尺寸精度。因此，凸凹模间隙是拉深工艺与模具设计中的一个非常重要的工艺参数。（2）间隙对拉深件尺寸精度的影响拉深件的尺寸精度是指拉深件的实际尺寸与基本尺寸的差值，差值越小，则精度越高，这个差值包括两方面的偏差，一是拉深件相对于凸模或凹模的偏差，二是模具本身的制造偏差。（3）间隙对模具寿命的影响模具寿命受各种因素的综合影响，间隙是也许模具寿命诸因数中最主要的因数之一，拉深过程中，凸模与被拉深的孔之间，凹模与板料之间均有摩擦，而且间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严重，所以过小的间隙对模具寿命极为不利。而较大的间隙可使凸模侧面及材料间的摩擦减小，并延缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，出现间隙不均匀的不利影响，从而提高模具寿命。（4）间隙对拉深工艺的影响随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，因此拉深力减小。通常拉深力的降低并不显著，当单边间隙在材料厚度的520%左右时，拉深力的降低不超过510%。间隙对卸料力推料力的影响比较显著。间隙增大后，从凸模里卸料和从凹模里推料都省力当当单边间隙达到材料厚度的1525%左右时的卸料力几乎为零。但间隙继续增大，因为毛刺增大，又将引起卸料力、顶件力迅速增大。（5）间隙值的确定方法由以上分析可见，凸、凹模间隙对拉深件质量、拉深工艺力、模具寿命都有很大的影响。因此，设计模具时一定要选择合理的间隙，以保证拉深件尺寸精度满足产品的要求，所需拉深力小、模具寿命高，但分别从质量，拉深力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值，只是彼此接近。考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就可以拉深出良好的制件，这个范围的最小值称为最小合理间隙Cmin，最大值称为最大合理间隙Cmax。考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值Cmin。确定合理间隙的方法有经验法、理论确定法和查表法。根据近年的研究与使用的经验，在确定间隙值时要按要求分类选用。对于尺寸精度，断面垂直度要求高的制件应选用较小的间隙值，对于垂直度与尺寸精度要求不高的制件，应以降拉深力、提高模具寿命为主，可采用较大的间隙值。由于理论法在生产中使用不方便，所以常采用查表法来确定间隙值。经验公式；软材料：t1mm，C=(3%4%)tt=13mm，C=(5%8%)tt=35mm，C=(8%1%)t硬材料：t1mm，C=(4%5%)tt=13mm，C=(6%8%)tt=38mm，C=(8%13%)t（6）计算凸凹模间隙根据分析拉深模间隙采用查表法确定，查拉深模初使用间隙工件形状较复杂，采用配作法加工凹、凸模。配作法加工的特点是模具的间隙由配作做保证，工艺比较简单，无需校核使制造容易，所以采用配作法加工。采用查表方法，查表得凸凹模单边间隙为Z=（11.05）t（4）取Z=1.05t=2.1mm式中：t为板料厚度2凸凹模工作尺寸及公差由于要求内形尺寸，则按公式凸模尺寸dp=（dmin+0.4）0（5）=(100+0.4)0-0.05=100.060-0.05式中：Dmin为半球件内径 ，为公差4.4模具总体设计1模具类型的选择由冲压工艺分析可知，模具基本结构可参考正装拉深模具一次成型 ，并根据单动压力机液力成形模具特点进行改进以满足要求。2操作方式零件的生产批量不大，合理安排生产可用手工送料方式，能够满足生产要求，可以降低生产成本，提高经济效益。3定位方式因为凹模采用嵌入凹模固定板的形式，坯料为圆形板料，根据模具具体结构兼顾经济效益，考虑在凹模固定板上加工凹槽，使坯料部分嵌入凹槽中，再由压边圈固定，这样减少了加工成本，安装方便，也能满足定位要求，提高经济效益。4.卸料、出件方式（1）刚性卸料与弹性卸料的比较：刚性卸料是采用固定卸料板结构。常用于较硬、较厚且精度要求不高的工件拉深后卸料。当卸料板只起卸料作用时与凸模的间隙随材料厚度的增加而增大，单边间隙取（0.20.5）t。当固定卸料板还要起到对凸模的导向作用时卸料板与 凸模的配合间隙应该小于拉深间隙。此时要求凸模卸料时不能完全脱离卸料板。主要用于卸料力较大、材料厚度大于2mm且模具结构为倒装的场合。弹压卸料板具有卸料和压料的双重作用，主要用于料厚小于或等于2mm的板料由于有压料作用，冲件比较平整。卸料板与凸模之间的单边间隙选择（0.10.2）t,若弹压卸料板还要起对凸模导向作用时，二者的配合间隙应小于拉深间隙。（2）卸料、出件方式的选择工件高度尺寸为50mm，料厚为2mm相对较薄，卸料力不大，由于采用液体凹模，当成形结束时上模座上行时压边圈不动，故而压边圈将工件从凸模上卸下，所以压边圈就充当了刚性卸料板，这种卸料方式满足要求且模具结构更加简单，有利于减少加工成本提高经济效益，故采用压边圈作为刚性卸料板的卸料方式。（3）出件方式因模具结构参考正装式拉深模具，且采用压边圈作为卸料机构，当工件成形结束后上没上行，压边圈实现卸料，即可取下工件，故采用上出件为佳。（4）确定送料方式因选用的冲压设备为开式压力机且采用圆形凹模故采用纵向送料方式，即由前向后送料。（5）确定模具的导向方式方案一：采用对角导柱模架。由于导柱安装在模具压力中心对称的对角线上，所以上模座在导柱上滑动平稳。常用于横向送料级进模或纵向送料的落料模、复合模。方案二：采用后侧导柱模架。由于前面和左、右不受限制，送料和操作比较方便。因为导柱安装在后侧，工作时，偏心距会造成导套导柱单边磨损，严重影响模具使用寿命，且不能使用浮动模柄。方案三：四导柱模架。具有导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点。常用于冲压件尺寸较大或精度要求较高的冲压零件，以及大量生产用的自动冲压模架。方案四：中间导柱模架。导柱安装在模具的对称线上，导向平稳、准确。单只能一个方向送料。根据以上方案比较并结合模具结构形式和送料方式，考虑到液力成形模具压边缸的安装问题，为提高模具寿命和工件质量，采用四导柱的导向方式，即采用方案三。4.5压力机的选择压力机对模具寿命的影响也不容被忽视。压力机在不加载状态下的精度称为静精度，加载状态下的精度称为动精度。当压力机的动精度不好时，就等于精度不好的压力机进行冲压加工。由于测量动精度很困难，目前还没有压力机动精度的标准，生产厂家也只保证压力机的静精度。因此压力机的动精度一般只能根据其静精度的好坏、框架结构形式和尺寸以及对压力机生产厂家的信任程度来推断。根据以上原因和总的拉深力必须小于或等于压力机的公称压力来选取压力机型号故选压力机型号为开式压力机其技术规格如下:公称压力1600KN滑块行程315mm滑块行程次数20次/min最大的封闭高度为800mm闭合高度调节量为250 mm工作台尺寸前后1250mm左右2000mm工作台垫板厚度130mm4.6模具主要零件设计1凹模设计：（1）凹模固定形式选用凹模嵌入凹模固定板中，凹模固定板与下模座用螺钉固定的方式如下图（图3）图3凹模固定方式（2）凹模外形尺寸的确定工件高度为50mm取凹模高度80mm凹模壁厚c=（1.52）H式中：H为凹模内径（6）由于凹模嵌入在凹模固定板内，所以凹模尺寸仅需要满足强度要求和刃口尺寸。2凸模设计：（1）固定方式选择：凸模采用将凸模压入凸模固定板，然后通过螺钉与上模座板固定在一起的固定方式，固定形式示意图见图4图4凸模固定形式示意图（2）凸模长度计算：凸模长度L=h1+h2+h3+h=387mm（7）3.固定板的设计固定板用于中、小型凸模或凹模固定在模座上，按外形分为圆形和矩形两种，其平面轮廓尺寸除应保证凸、凹模安装孔外，还应考虑螺钉和销钉孔的定位，厚度一般取凹模厚度的60%80%。固定板孔与凸、凹模采用过渡配合（H7/m6）。压装后端面磨平，以保证冲模垂直度。凸模固定板厚度h=85mm凹模固定板厚度H=145mm凸模固定板见图5，凹模固定板见图6图5凸模固定板图6凹模固定板4.垫板的设计与标准：垫板主要用于直接承受和扩散凸、凹模传来的压力，以降低模座所收的单位压力，防止模座被局部压陷，影响模具正常工作。模具是否用垫板，根据模座承受压力大来确定，凸（凹）模支承端面对模座的单位压力为：= PA（8）式中：P 拉深力A 凸（凹模）支承端面面积小于等于模座许用应力则应在凸（凹）模与模座间加经淬硬磨平的垫板，垫板厚度一般取6 12mm，外形尺寸按固定板形状决定。凸模垫板厚度取75mm凹模垫板厚度取20mm凹模垫板见图7， 凸模垫板见图8图7凹模垫板图8凸模垫板5.压边圈的设计压边装置的类型为刚性压边装置，其材料选用45号钢，能够保证压边圈具有较高的强度。压边圈采用压板固定在压边圈固定板上，由压边缸对压边圈施加压边力。压边圈固定板见图9。图9 压边圈固定板6.模座的选择随着冷冲压技术的发展和新型模具材料的出现，模具结构也发生了一定的变化，虽然模具的结构类型很多，但对其基本要求是一致的。即不仅能冲出合格的零件，适应生产批量的需要，而且要求操作方便，生产安全、寿命长、成本低，以及制造和维修方便。随着冷冲模国家标准实施以来，在设计模具时对冲模模架的选择一般都是按国家标准来选的。但是由于涉及过程中使用了液力成形，所以模架结构受到压边缸等的影响，为满足设计要求，故而自行设计模架。模具闭合高度为786mm选取滑动导向四导柱模架规格上模座为900880110mm下模座900880110 mm导柱90750 mm导套90300mm上模座板见图10，下模座板见图11图10上模座板图11下模座板7.液力成形模具材料的选取和模具常用配合(1)模具材料的选取凸模的材料为T10A，凹模的材料为T10A，热处理硬度为58-62HRC，垫板、凸模固定板、凹模固定板的材料为45号钢，热处理硬度为HRC43-48。(2)模具的配合要求：导柱和导套的配合采用H7/h6的间隙定位配合，。凸模与固定板的配合，导套与模座，导套与固定板，模柄与模座间的配合要求较高的定位，采用H7/r6的过度配合凸模的固定、导套与模座的固定、导柱与固定板的固定，采用H7/m6的过度配合，能以最好的定位精度满足零件的刚性和定位要求，4.7强度的校核在一般情况下，凸模的强度和刚度是足够的，无须进行强度校核。但对特别细长的凸模或凸模的截面尺寸很小而拉深的板料厚度较厚时，则必须进行承压能力和抗纵弯曲能力的校核。其目的是检查其凸模的危险断面尺寸和自由长度是否满足要求，以防止凸模纵向失稳和折断。强度的校核的目的主要是检查其高度是否足够，若高度不够，将会产生弯曲变形以至损坏查实用模具设计与制造手册强度校核公式。W=1.5P/hh（9）hmin= 1.5p/W其中为拉深力W为许用应力取W=350MPa凸模=100mmP=Lt=1002350=hmin=1.570000N=105mm（10）凸模强度符合强度要求凹模的校核比较特殊，因为凹模时高压液体由材料力学知识进行校核凹模所受周向应力=100MPa100mm/4122mm=20.5MPa（11）凹模材料为45号钢，许用应力为100110MPa凹模强度满足要求4.8设计并绘制模具总装图按已确定的模具形式及参数，从冷冲模标准中选取标准件。绘制模具装配图，见图12。图12装配图4.9绘制非标准件零件图根据已确定的零件结构及参数，按照制图标准绘制非标准件零件图。1.压边圈的设计根据整体模具结构和压边缸、压边圈固定板的尺寸设计压边圈，见图13图13压边圈2.压板的设计根据整体模具结构和压边缸、压边圈固定板的尺寸设计压边圈，见图14图14压板5.压边缸的设计5.1设计步骤1.根据液压缸的工况特点，选择液压缸的类型和安装方式。2.根据动力和运动分析，确定主要尺寸。3.设计主要零部件的结构。4.液压缸的性能验算。5.2液压缸主要参数的确定液压缸的主要参数包括，液压缸的缸筒内径D，活塞杆直径d、液压缸行程s等，液压缸的性能参数主要有工作压力和工作速度等。1.液压缸的工作压力液压缸的输出力F是由工作压力p和活塞的有效面积A决定，而液压缸的输出速度v是由输入液压缸的流量q和活塞的有效面积A来确定，即F=pA可见液压缸的输出力一定时，若液压缸的工作压力p取的大，则活塞的有效面积A减小，液压缸的结构就紧凑，但液压元件的性能及密封要求也相应提高。液压缸的按工作条件不同采用的应力范围也不同。设计中可参考表2各类液压设备常用的工作压力来确定工作压力。表2各类液压设备常用的工作压力也可根据不同的负载情况来选取，按照表3不同负载下液压缸常用工作压力来选取工作压力。表3不同负载下液压缸常用工作压力负载为20KN，所以选择工作压力为4MPa2.缸筒内径的设计计算(1)根据需要的液压缸的理论输出力F和系统选定的供油压力p来计算缸筒的内径Dmm单杆活塞式液压缸的推力FF1=p1A1103（12）F1-液压缸推力（Kn）P1-工作压力（Mpa）A-活塞作用面积（m2）得液压缸内径计算公式D=1.13(m)（13）(2)根据执行机构的速度和选定的液压泵流量来计算液压缸的内径D=（14）式中q-进入或流出液压缸的流量（m3/s）v-液压缸的输出速度（m/s）由第一种计算方法计算得到液压缸的缸筒内径DD =1.13=79.1mm由参考文献液压元件手册表2-1-4液压缸内径尺寸系列（mm）圆整内径尺寸为标准值，取内径尺寸D=80mm3.活塞杆直径的计算根据速度比的要求来计算活塞杆的直径d（mm）表4速度比和工作压力大小的参考数据工作压力p/MPa1012.52020速度比&1.331.462由于选择的工作压力为4MPa查表4得到速度比为1.33表5d和D的关系31.462d0.38D0.45D0.5D0.56D0.71D由速度比查表5得到活塞杆直径，d=40mm再由参考文献液压元件手册表2-1-5活塞杆外径尺寸系列（mm）将活塞杆直径圆整标准值所以活塞杆内径取40mm合适4.液压缸行程S的确定液压缸行程S，主要依据机构的运动要求而定，但为了简化工艺和降低成本，应尽量采用下表6给出的标准系列值。表6液压缸活塞行程第一系列（mm）2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表7液压缸行程第二系列（mm）406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600根据模具整体结构和压边圈、工件的尺寸等要求，选取活塞行程S=100mm5.3液压缸的结构设计1.缸筒的设计(1)主要技术要求A.有足够的强度、能长时间承受最高工作压力及短期动态试验压了而不会产生永久性变形B.有足够的刚度，能承受活塞侧向力和装置的反作用力，而不产生弯曲C.内表面在活塞密封件及导向环的摩擦力作用选能长期工作，且磨损极少，确保活塞密封D.某些焊接形式结构的钢筒，焊接上法兰或管接头后，不产生裂纹或有过大的变形E.在采用铸铁缸筒时，其组织应紧密无泄漏现象结构形式通常根据缸筒与缸盖的联接形式来选用缸筒结构，不同的联接形式具有不同的优点和缺点，要根据而定压力、用途、使用环境等因素合理选用缸筒结构常用的缸筒结构可分为六大类，参见参考文献液压元件手册表2-3-3缸筒与缸盖的联接形式。(2)缸筒材料缸筒材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒，还要求有良好的焊接性能。根据液压缸的参数、用途、毛坯的来源，可选用以下材料。碳素钢：20303545号钢等合金结构钢：30CrMo35CrMo38CrMoAlA铸铁HT200350等或球墨铸铁不锈钢Cr18Ni6铝合金ZL105LF3LF6青铜QAL9-4QAL10-3-1.5等一般情况下，常采用碳素钢，其中，因20号钢的力学性能较低，且不能调质处理，应力较少；当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接时，应采用焊接性能较好的35钢，粗加工后经调质处理；一般均采用45钢，并应调质到241185HBS缸筒毛坯，普通采用冷拔或热轧无缝钢管，国际市场上已有内圆研磨，外圆加工，只需按所需要的长度切割无缝钢管。此外，厚度较大的毛坯可用铸铁件和锻件，或用厚钢板卷成圆形，焊接后退火，焊缝需用X光或磁力探伤等。根据模具结构和液压过的整体设计要求，选择缸筒材料为45号无缝钢管。(3)缸筒壁厚的计算按薄壁缸筒计算对于低压系统或当16时，液压缸、缸筒厚度一般按薄壁筒计算h（15）h-液压缸缸筒壁厚（m）p1-试验压力（MPa）D-液压缸内径（m）-缸体材料的许用应力（MPa）工作压力小于等于16MPa时，p1=1.5P；工作压力p大于16MPa时，p1=1.25P由于工作压力为4MPa所以试验压力=1.5P=6MPa =b/n（16）b-缸体材料的抗拉强度（MPa）n -安全系数n=3.55一般取n=5缸体材料选用的是45号无缝钢管，其【】=100110MPa计算得h=3mm根据参考文献液压元件手册2-3-7常用缸筒外径尺寸圆整为标准值。取缸筒外径95mm缸筒壁厚为7.5mm2.缸底厚度计算平型缸底，当缸底无孔时，H=0.433D（17）H-缸底厚度（m）D -液压缸内径（m）P1-实验压力（MPa）-缸底材料的许用应力（MPa）当缸底为平面有油孔时（示意图见图15）h=0.443D（18）图15有油孔缸底示意图缸底材料选用45号钢，许用应力为：235MPa计算得：H=0.4330.08=5.7m为加工方便和满足强度要求，取厚度为10mm缸底设计见图16图16缸底3.缸盖厚度计算由于在液压缸缸头上有活塞杆导向孔，因此其厚底的计算方法与缸底有所不同对于常用的法兰式缸头，其计算方法如下（19）h=12mm为满足强度要求和加工方便，取缸盖厚度h=15mm4.缸筒联接计算液压缸缸底可采用焊接联接和法兰式联接方法，由于法兰式联接使得压边缸的固定安装空间需很大，压边缸安装在模具上就导致模具尺寸变大，故法兰联接形式不适合，所以采用焊接联接方式。液压缸缸底采用对焊，如图17图17焊接示意图焊缝的拉应力为=4F/(D12-D22)10-6（20）F-液压缸输出的最大推力（N）D1-缸筒外径（m）D2-焊缝底径（m）计算得=10-6=15MPa选用T42的焊条进行焊接缸筒与缸盖之间的联接最常用的就是螺纹联接，且螺纹连接适合整体压边缸的设计。缸筒与缸盖用螺纹联接时，缸筒螺纹处的拉应力为=4KF/( d2-D2)10-6（21）=42.519.6KN/(0.012-0.162)10-6=7.66MPa5.缸盖的设计计算（1）缸盖的材料液压缸的缸盖可选用35.、45锻钢或ZG35、ZG45铸钢或HT200、HT300、HT350铸铁等材料。根据液压缸的整体设计要求选择45号钢。（2）缸盖的加工要求图18缸盖加工示意图A.直径d、D2、D3的圆柱度公差应按9、10、11级精度选取B.D2、D3与d的同轴度公差值为0.03mmC.端面A、B与直径d轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取D.导向孔的表面粗糙度为R1.25um缸盖的结构见图19图19缸盖的结构6.活塞的设计计算（1）机构形式活塞根据密封装置型式来选用结构形式，而密封装置则按工作压力、环境温度、介质等条件来选定。（2）活塞材料的确定活塞材料一般不低于缸筒的材料，尤其是无导向环的活塞无导向环的活塞：可用耐磨铸铁、灰铸铁、球墨铸铁等。有导向环的活塞：可用碳素钢20、35、45钢，特殊场合还可以用铝合金等。（3）加工要求A.活塞的宽度尺寸，可根据密封结构形式来确定B.活塞外径d对内孔D1的径向圆跳动公差值，按7/8级精度选取C.端面T对内孔D1轴线的垂直度公差值按7级精度选取，外径d的圆柱度公差值按9、10、11级精度选取可参考图20，加工面示意图图20活塞加工面示意图7.活塞杆（1）活塞杆结构端部结构活塞杆的端部包括内端部和外端部。内端部与活塞相连接，外端部与负载结构件相连接。（2）杆体结构活塞杆杆体结构有实心和空心杆之分。一般采用实心杆居多，而空心杆的一端，要留出焊接和热处理时所用的通气孔d2。结构示意图见图21图21活塞杆杆体结构示意图（3）活塞杆材料实心活塞杆的材料采用35、45钢；空心活塞杆的材料选用35、45无缝钢管取活塞杆材料为45号钢活塞杆设计见图22图22活塞杆8.导向套导向套是装在液压缸有杆侧的缸盖内，用以对活塞杆导向。导向套的内侧装有密封装置，保证缸筒有杆腔的密封性，(1)导向套的结构导向套的结构示意图参见参考文献液压元件手册表2-3-14导向套结构。（2）导向套的材料导向套常用材料为耐磨铸铁、铸造青铜、聚四氟乙烯、夹布酚醛树脂等，因为固定方式采用导向套压入缸盖的方式，导向套要有很好的弹性，所以选用导向套的材料为聚四氟乙烯。（3）导向套的长度导向套的长度通常要考虑活塞杆的直径、导向套的结构形式、材料的承压能力、最大侧向负载等因素、总长度不宜太大，以减少摩擦阻力。一般，当缸筒内径D80mm时，导向套滑动面长度取（0.61.0）d，其中d为活塞杆直径。计算得导向套长度为80mm导向套设计见图23图23导向套9.密封和防尘活塞杆的密封和防尘结构参见表8活塞杆的密封与防尘结构。表8活塞杆的密封与防尘结构采用J型防尘圈和O型密封圈10.缓冲装置当液压缸所驱动的工作部件较大，移动速度较大时，由于具有的动量大，以致在行程终了时，活塞与缸盖发生撞击，造成液压冲击和噪声，甚至严重影响工作精度和引起整个系统及元件的损坏，因此，在大型，高速或要求较高的液压缸中，往往要设置缓冲机构。缓冲装置的结构形式很多，但工作原理都是当活塞行程快到缸盖时，增大液压缸的回油阻力，使活塞减速。常用液压缸的缓冲装置参见参考文献液压元件手册 表2-3-16液压缸缓冲装置。根据模具特点和压边缸的设计要求采用导向套和缸筒间形成油室来进行缓冲。11.油口尺寸液压缸的油口可以安装在缸筒和钢壁上，安装尺寸参见参考文献液压元件手册 表2-3-19 16MPa小型系列单杆液压缸安装尺寸（ISO 6020/2）（mm）和图24油口结构示意图。图24油口结构示意图选用M422的油口5.4绘制总装配图和零件图根据设计要求选取标准件，按尺寸要求绘制零件图和装配图（见图25）图25液压缸的装配图5.5压边缸液压控制回路设计压边缸液压控制回路要保证压边缸同时工作，否则压边圈会出现偏心，达不到压边要求且设备容易损坏。压边缸液压控制回路示意图见图26。图26压边缸液压控制回路示意图6.增压器的设计6.1增压器概述1.增压器的特点增压器也称为增压液压缸，是一种利用两腔活塞作用面积不相等，将输入低压转换为高压或超高压的执行元件。其特点是：（1）.可提供的液体压力极高，达到数百兆帕甚至千余兆帕，这是高压柱塞泵难以达到的（2）.高低压腔的工作介质，可以使用同一介质，也可使用不同介质。例如，气-水，油-水2.增压器与柱塞泵相比较的优点（1）结构简单，易于制造（2）活塞运动速度较低，使用寿命长（3）便于实现无级变量（4）可减少或省去高压部分的阀件(5)整个增压系统体积小，结构紧凑6.2增压器的设计要点1.保证增压器的增压比2.尽量缩小增压器的外形尺寸，使结构紧凑3.保证每个零件有足够的强度，刚度和耐久度，特别是压力较高的增压器高压部分的缸体，一定要注意使材料的屈服强度和韧性配合适当，以期获得较长的疲劳寿命4.要有可靠的密封，防止泄露。一般，压力不大的增压器其高压部分的动密封可采用O型密封圈。压力较高时应采用加防挤圈的其他特殊形式的密封圈5.增压器不能因温度变化而受限制而产生挠曲，特别是长增压器更应注意这一点6.增压器的结构要素应采用标准系列尺寸，尽量选择经常使用的标准件7.尽量使其制造容易，维修方便，成本低6.3增压器的主要参数1.增压缸的增压比增压器的主要参数是增压比，即压力增加的倍数。增压比取决于活塞的面积比，即K=P2/P1=D12/D22(22)式中K-增压比P2-增压器输出压力(MPa)P1-增压器输出压力（MPa）D1-增压器大活塞直径（MPa）D2-增压器小活塞直径（MPa）由于低压缸的活塞直径为160mm取增压比为14，由上公式得小活塞直径为40mm，查表19圆整活塞杆直径为40mm.低压缸输入4MPa的低压，若不计漏油和摩擦等造成的增压损失，增压缸的高压输出压力可达60MPa，再改进高压缸结构使压力进一步提高。2.低压缸的内径及活塞杆直径根据执行机构的速度和选定的液压泵流量来计算液压缸的内径，计算公式如下：D =(23)q-进入（或流出）液压缸的流量（m3/s）v-液压缸的输出速度（m/s）流量和速度等参数见参考文献液压元件手册表1-2-1液压泵的主要参数值计算得到缸筒内径尺寸为：D=145.7mm查表9增压比和缸筒、活塞直径关系选取D=160mm表9增压比和缸筒、活塞直径关系低压缸直径(mm)小活塞直径（mm）5101520253035404550252501002521.3752255625142.82.210040010044.25.164.94.012562515669.44.25.76.21509002251056.3625.18.1411.9.017512.3061376.495.12.小活塞直径取30mm3.液压缸行程计算液压缸行程S，主要依据机构的运动要求而定，但为了简化工艺和降低成本，应尽量采用表给出的标准系列值。取行程S=200mm6.4增压器的结构设计1.缸筒的设计缸筒壁厚计算按薄壁缸筒计算对于低压系统或当16时，液压缸的缸筒厚度一般按薄壁筒计算hh-液压缸缸筒壁厚（m）p1-试验压力（MPa）D-液压缸内径（m）工作压力小于等于16MPa时，p1=1.5P；工作压力p大于16MPa时，p1=1.25P由于工作压力为4MPa所以试验压力=1.5P=6MPa【】缸体材料的许用应力（MPa）【】=b/nb-缸体材料的抗拉强度（MPa）n-安全系数n=3.55一般取n=5缸体材料选用的是45号无缝钢管，其【】=110MPa计算得h=4.36mm查表液压缸的外径系列，取外径为194mm所以缸筒壁厚为12mm同样方法计算高压缸的缸筒壁厚为30mm2.缸底的确定缸底为平面有油孔时h=0.443D缸底材料选用45号钢，许用应力为：235MPa计算得：H=0.4330.16=11.5m为加工方便和满足强度要求，取厚度为20mm缸底结构见图27图27缸底3.缸盖的确定由于在液压缸缸头上无活塞杆导向孔，因此其厚底的计算方法与缸底相同为满足强度要求和加工方便，取缸盖厚度h=40mm根据整体设计要求取缸盖材料为45号钢。缸盖结构见图28图28缸盖4.连接机构的确定采用设计一个连接板，聚四氟乙烯导向套嵌入连接板，连接板嵌入低压缸缸筒，然后低压缸筒和连接板、高压缸筒通过螺栓连接在一起。连接板见图29图29连接板5.密封机构的确定低压缸活塞和钢筒之间采用一对Y型密封圈密封缸盖和缸筒之间、小活塞和高压缸筒之间、导向套和活塞杆之间、连接板和缸筒之间、缸底和缸筒之间均采用O型橡胶密封圈。6.5绘制总装配图和零件图总装配图见图30图30增压缸6.6增压器的液压控制回路增压器的液压控制回路见图31图31增压器液压控制回路参 考 文 献1范存德主编,液压技术手册, 辽宁科学技术出版社,2004年2丁松聚主编 , 冷冲压模具设计手册, 机械工业出版社,2003年3陈晓华,典型零件模具图册,机械工业出版社,2003年5黎启柏主编,液压元件手册, 北京冶金工业出版社,19
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