垫圈组冲压工艺与模具设计

湘目录TOC\o"1-3"\h\u1序言21.1冲压的概念、特点及应用21.2选题的意义22垫圈组冲压工艺分析32.1零件工作状况分析32.2零件工艺分析和确定33冲孔落料复合模的设计53.1冲裁件的排样53.2搭边值的选取53.2.1工计算条料宽度和步距63.2.2材料利用率63.3.1计算冲压力、卸料力、推件力、总冲裁力73.3.2压力机的择取83.4凸、凹模设计原则93.5冲压间隙93.5.1合理间隙的选用103.5.2冲压模刃口尺寸计算113.6冲孔凸凹模的设计113.6.1冲孔模刃口尺寸公差及凸、凹模间隙 123.6.2冲孔凸、凹模工作部分的尺寸计算123.6.3冲孔凸模、落料凹模和凸凹模设计133.6.4凸凹模固定板的厚度 133.7落料凸、凹模设计143.7.1落料模刃口尺寸公差及凸、凹模间隙 143.7.2凹模和凸凹模及其它零部件的尺寸153.8其它零件的择取及相关尺寸的择取203.9模具装配图213.10弹簧和橡胶21参考文献22

垫圈组冲压工艺与模具设计1序言1.1冲压的定义、特征及应用冲压的定义是压力机作用模具上的压力来分离或产生塑性变形了来进行压力加工，通常是在室温下利用金属板常温变形处理，因此也被称为冷冲压或板料冲压。压力加工或塑性成形中冲压是必不可少的成型方法，与其他机械加工进行比较，有许多独特的技术和经济优势：（1）冲压操作简单，成本低，自动化水平和产品效益高，与普通冲压行程次数为每分钟不到一百次相比，高速压能在一分钟内达到几百次或几千次，每次冲压行程都能获得一个零件。（2）冲压可以确保冲压件的表面质量，模具的使用年限通常更久，因此冲压件质量稳定，互换性好，每个冲压件冲压质量相同。（3）冲压件所占位置方位大、结构多样，如轮船、钢材等，在冲压过程中受冷变形和材料硬化的影响度和刚度均较高。（4）正常情况下冲压工艺不产生铁屑，废料少，不需要加热，是一种省原料、省能耗、少成本的方法。为了获得最大的经济效益，择取大批量生产才能充分体现冲压加工的优点。1.2选题的意义垫圈组的冲压工艺和模具设计，该主题有效地优化了模具设计的结构和过程，促进汽车工业的迅速发展。通过这一项目，我们还可以了解如何从大量材料中择取与主题密切相关的元素，并培养独立模具的设计能力。

2垫圈冲压工艺分析2.1零件工作状况分析垫圈通常为扁平的金属环，作用是连接螺母与零件，减少被连接件的表面受螺母磨损程度，降低螺母对被连接件的压力。零件尺寸与规格如下图2-1，零件材料采用碳素结构钢，其牌号为Q195，厚度为2mm，大批量生产。图2-1垫圈组的二维零件图2.2零件工艺分析使用单个垫圈冲孔落料时，产生废料多，占用设备多，生产效率低。在节省生产费用和提高生产效率方面，设计了一套三垫圈冲孔—落料复合模，可以在模具在单一的冲压过程中同时得到三个垫圈的。这种冲压复合工艺的优点是充分利用材料、成型设备的减少、生产效率高以及工作和车间空间的减少，这大大降低了生产垫圈的成本。为了使用套料工艺，首先必须合理择取各种规格的垫圈的内外直径。小等垫圈的外直径必须是中等垫圈的内直径，中等垫圈的外直径必须是大等垫圈的内直径。只有在这种尺寸条件下，材料使用率才能得到充分利用。通过对零件图（如图2-1）的结构分析可知，生产此零件要有以下2个基本工序：落料、冲孔。现把基本工序进行不同的布置重组，可以产生三种基本生产工艺：方案一：设计3副落料冲孔单工序模生产部件、制造成型。方案二：设计1副连续模来完成模具的生产，先冲孔，后落料，完成所需要的模型。方案三：设计1副冲孔落料复合模具来同时完成三个垫圈组的冲孔、落料。分析比较三种工艺方案，可以看出：方案一最简单，但是采用的模具过多，位置精度不够高，工艺太复杂，因此不宜采用。方案二冲孔落料连续模结构相比更复杂，模具制造的周期很长，生产的经费更高。方案三复杂程度低，零件的质量好，能满足相应的生产任务。表2-2冲压工艺方案比较项目方案一方案二方案三模具结构简单复杂复杂模具寿命模具寿命长模具寿命短模具寿命长冲件质量形状尺寸精度较差形状尺寸精度高形状尺寸精度较差模具数量2套1套1套生产效率低高高由以上分析得出，选择方案三的生产工艺最好

3冲孔-落料复合模的设计3.1冲裁件的排样冲裁件的排样定义是指，零件在板材、带材和其他材料的排列方法。合理排样结构的布置不仅影响材料利用率的大小，而且对模具的结构、生产效率、产品质量有着密切关系。所以，为了易于生产和安全，取样是切割工艺和模具设计中的一项非常重要的工作。根据材料的使用情况，样品可分为三类：存在废物排放、少部分废物排放和不存在废物排放。模具排样为存在废料排样，排样方式见表2-12[1]中的直样，具体排样图如图3-1所示。图3-1排样图3.2搭边值的选取搭边的定义是：在排样中，2个相邻成型零件之间或零件与带料外缘之间的多余材料。搭边给定位误差提供了缓冲空间，并减少了带宽误差带来的废品数量。此外，它可以保持带材的刚性和强度，确保送料的顺利运行，提高工件质量，在整个闭合轮廓和模具的边缘上平衡压力，提高模具寿命和工件部分的质量。如果搭边值过高，则材料使用率变低；而另一方面如果搭边值过低，虽然材料使用率较高，但是模具边缘由于搭边值低而降低了模具的寿命。本设计中的搭边值按表2—1[1]择取，取工件间搭边值a=3mm,工件与条料边缘间搭边值a1=3mm，如图3-1所示。3.2.1工件带料宽度和步距的计算因材料厚度t＝2mm，搭边为a=2mm,a1=2mm则条料宽度：步距：该零件外形简单又结构对称，故采用单排方案，如图3-1所示表2-1冲裁工艺搭边数值3.2.2材料利用率一个步距内的材料利用率：（3-1）式中，B代表样条宽度；S代表进给距离；A代表1个进给距离内冲裁件的计算面积。所以材料利用率在一个进给距离内的：式中：n—一个进给距离内冲件个数；A—冲裁件的计算面积（）；B—带材的额定宽度（mm）；h—带材进给距离（mm）。3.3冲裁力、卸料力、推件力的计算3.3.1冲裁力的计算我们通常计算冲压力目的为了择取满足生产任务吨位的压力机，设计合适的模具，其中压力机的吨位≧计算的实际冲压力。切削力的大小主要与材料的机械性能、切削元件的厚度和轮廓长度有关。本设计中使用平刃口冲压，有关计算冲压力部分的公式为：F=KLtτ（3-2）式中L——冲裁件周边长度(mm)t——模具厚度(mm)K——一般系数τ——模材的抗剪切强度(Mpa)考虑到模具刃口的消耗，模具间隙的上下浮动，材料力学性能的变化以及材料厚度偏差等因素，一般取K=1.3，材料厚度t=2mm,由表2—3[4]查得Q195碳素结构钢的剪切强度σb=370Mpa。通过运用CAD进行计算，落料冲孔后的尺寸如图2-3所示：近似计算得落料周边长度：L=3.14×86270.06mm而圆孔φ13、φ24、φ44的周长和：L=3.14×(13+24+44)254.47mm则落料力：F落=1.3L1tσb=1.3×270.06×2×370=259.78kN冲孔力：F冲=1.3Ltσb=1.3×254.47×2×370=244.68kN3.3.2计算卸料力F卸=K卸F落（3-3）查表2—2[4]得K卸=0.05，带入公式（3-3）得：F卸=K卸F落=0.05×259.78=12.99kN3.3.3计算推件力F推=nK推F冲（3-4）查表2—2[4]有K推=0.055,因为在凹模刃口一次冲裁时产生的冲孔废料数有n=h/t=6/2=3个把K推=0.055，n=3，F冲=44823N带入公式（3-4）得：F推=nK推F冲=3×0.055×244.68=40.37N

3.3.4计算满足要求的全部冲裁力本设计中使用倒装方法安装落料—冲孔复合模，还使用了弹性卸料装置和下出料的方法，故总共的冲裁力的运算公式和最总结果为：F总=F落+F冲+F卸+F推F总=259.78+244.68+12.99+40.37=557.82KN3.3.5择取压力机的型号在择取压力机时有以下几点原则：压力机的工作台面尺寸要比模具底座尺寸多高至少50～70mm多。在设计中的压力机的最大装模高度要大于冲模的闭合高度。通常遵守H≤Hmax-5mm,如果模具闭合高度太小，可在压力机台面上加放垫板。设计在下模座下面的卸料装置的尺寸应该小于压力机上的工作台孔的尺寸。设计中选用的模柄尺寸应该小于或等于压力机模柄孔尺寸。本次设计选用开式曲柄压力机，其优点是：具有三面敞开的操作空间、操作方便、容易安装机械化装置并且成本低。根据上述原则，因F总=557.82KN由以上分析，查表9-9[2]选用JC23-63型压力机，其主要技术参数如表3.1。表3.1压力机主要技术参数公称压力：630kN滑块行程：120mm最大封闭高度：270mm封闭高度调节量：80mm工作台左右长：710mm工作台前后宽：480mm标准行程次数（不小于）：工作台板厚度：250mm模柄孔直径：模柄孔深度：80mm

3.4凸、凹模设计准则模具边缘的尺寸精度对冲裁件的尺寸精度有着重大影响，而准确、合适的模具模具刃口尺寸也对间隙值有着重大影响。在凸模和凹模的刃口尺寸的择取方面，我们要遵从以下几点要求：落料模以凹模的尺寸为先决，以工件的最小尺寸为基准，让其额定尺寸必须和它接近或相等；冲孔模以凸模的尺寸为先决，以此工件的最大尺寸为基准，让其额定尺寸必须和它接近或相等。当模具制造公差合乎设计要求时，通常意义上，模具的精度等级要比工件的高2到3级。设计中未写出的公差精度按国家标准IT13级对待，一般零件的尺寸公差按整合原则标记为单向公差。3.5冲裁间隙的择取冲裁间隙的定义是凸模和凹模刃口之间的间隔。冲裁间隙有单边和双边之分，我们一般用C来指代单边间隙，用Z指代双边间隙。冲裁值的大小对冲裁件质量、模具寿命、冲裁力的影响很大，是模具设计中的一个极重要的参数。合理的间隙才能冲出更好的断面质量，冲裁力更小，模具寿命更长。3.5.1合理间隙的选用在模具的表面质量、模具的使用寿命和负荷力方面，间隙有着重大的影响。但是，实际计算中不可能同时满足所有使用要求的间隙，我们应该择取最小的间隔值。对于表面质量和尺寸精度较高的零件，应择取较小的间隔值；对于精度较低的零件，应使用较大的间隔值。为了提高模具的寿命和降低负荷力尽可能择取大的间隔。因此，对于工件上的两个小孔，当凸模导向不正确时，很容易破裂，空间可以大一些。查表2-2[1]，得：双边间隙中大垫圈外径φ86冲孔凸模和凹模之间取为Z1=0.24mm，双边间隙中大垫圈内径φ44冲孔凸模和凹模之间取为Z2=0.24mm,双边间隙中中垫圈内径φ24冲孔凸模和凹模之间取为Z3=0.24mm双边间隙中小垫圈内径φ13冲孔凸模和凹模之间取为Z4=0.24mm。表2-2冲裁间隙标准化分类及实用间隙值3.5.2冲裁模刃口尺寸计算1、计算原则1）落料模必须先确定凹模刃口尺寸，以工件最小尺寸为标准，使其额定尺寸必须接近或等于，以确保在一定尺寸范围内模具磨损幅度。2）冲孔模凸模刃口尺寸大小必须先确定，以工件最大尺寸为标准，使其额定尺寸应接近或等于，以确保在一定尺寸范围内模具磨损幅度。3）在模具刃口制造公差方面，为了确保工件的精度要求，工件精度与模具精度之间的关系必须考虑，还要选定合理的间隙值。一般而言，模具的精度比零件的精度高出二到三级。通常，按照国家标准，IT13精度可用来标注非圆形物非配合尺寸，IT13精确地处理可用来标注圆形件，尺寸公差被标记为单向公差。也就是说，在落料件中，正公差为零，而在冲孔件中，负公差为零。3.6冲孔凸凹模的设计3.6.1冲孔刃口尺寸公差及凸、凹模间隙考虑到冲孔和落料之间的差别：冲孔部分取决于凸模尺寸，因此必须首先确定，以便通过增加凹模的尺寸来提供合理的间隙；落料部分取决于凹模尺寸，因此必须首先确定凹模的尺寸，并缩小凸模的尺寸，以确保合理的间隙。查表得凸、凹模双面间隙为：Zmin～Zmax=0.24mm～0.51mm查表得凸模偏差δp=0.02mm，凹模偏差δd=0.02mmZmax–Zmin=(0.51–0.24)mm=0.27mm而：δp+δd=(0.02+0.02)mm=0.04mm满足凸、凹模分开加工的要求：δp+δd≤Zmax–Zmin因此，可以分别加工凸模和凹模，也就是说，根据图纸的实际尺寸加工凸模和凹模，该方法允许更换凸模和凹模，并便于批量生产。3.6.2尺寸计算中关于冲孔凸、凹模工作部分在凸模、凹模的设计原则中，冲孔模设计首先要计算的是凸模刃口尺寸。差得，凸模的直径计算公式为：dp=(d+xΔ)（3-7）凹模的直径计算公式为：dd=(d+xΔ+Zmin)（3-8）式中：d——冲孔件标称尺寸（mm）；Δ——工件制造公差（mm）；x——系数；查表得Δ=0.27mm（按GB1800—79IT13级计算）将d2=24mm,Δ=0.33mm,x=0.5，δp=0.02mm带入公式（3-7）中得到冲孔凸模直径：Dp1=(d+xΔ)=（24+0.5×0.33）mm=24.17mm将d1=13mm,Δ=0.27mm,x=0.5，δp=0.020mm带入公式（3-8）有凹模直径：Dd1=(d+xΔ+Zmin)=（13+0.5×0.27+0.24）mm=13.38mm3.6.3尺寸设计中的凸凹模、冲孔凸模和落料凹模部分冲孔凸模：零件的底部外形要与凸模工作部分保持一致，零件要包裹住凸模。根据设计要求，本设计将采用标准圆凸模。按公式计算：式中———落料凹模的高度———凸模固定板的高度由各项数据代入上式可得：凸模结构及其尺寸如（图3-2），查文献【7】表12-6凸模采用材料Cr12MoV，热处理硬度为HRC56-60。图3-2冲孔凸模零件图3.6.4凸凹模固定板的厚度尺寸在一定相对位置安装固定凸凹模或镶块后，凸模固定板或凹模固定板作为一个固定整体在上模座或下模座的板料上。相应的整体凹模尺寸应与固定板的平面尺寸相等。凸模固定板的厚度一般为凸模设计长度L的20%，故取凸模固定板厚度为15mm。凸凹模和45号钢凹模与固定板配合公差为H7/n6或H7/m6。安装固定后需要将下端面与固定板一起磨平。其中小凸模与固定板板配合公差取为H7/h6。零件图如下：图3-3凸凹模固定板零件图3.7落料凸、凹模设计3.7.1落料模刃口尺寸公差及凸、凹模间隙模具磨损后按尺寸变化规律分为三种，（A类尺寸）尺寸增加、（B类尺寸）减少、（C类尺寸）保持稳定的。查表2—32[5]得到凹模尺寸及其公差的计算公式：若工件尺寸为A，则凹模尺寸为A凹=（A－xΔ）（3-10）若工件尺寸为B，则凹模尺寸为B凹=（B+xΔ）（3-11）式中A凹、B凹、C凹——凹模刃口尺寸（mm）；A、B、C——工件基本尺寸（mm）；x——磨损系数；Δ——工件公差（mm）；δ凹——凹模制造公差（mm）,一般取δ凹=Δ/4；Δ`——工件的对称偏差（mm）；根据零件形状，如图（2-1）所示，凹模磨损后其尺寸变化有三种情况。第一类：凹模磨损后尺寸变大的是图2-1中的A1（86mm）A2（44mm）A3（24mm）尺寸。查表得x1△=0.29，x2△=0.16A1凹=（A1–x1Δ1）=（86–0.29）=85.71mmA2凹=（A1–x1Δ1）=（44–0.29）=43.71mmA3凹=（A1–x1Δ1）=（24–0.29）=23.71mm落料凸模刃口尺寸按照凹模刃口尺寸进行配合，其中凸、凹模双面间隙为：Zmin～Zmax=0.034mm～0.092mm此模具中将落料凸模与冲孔凹模为一体式，即凸凹模的形式。3.7.2凹模和凸凹模及其它零部件的规格（1）落料凹模：落料凹模的尺寸简单，形状与坯料形状相似，要求与凸凹模的落料凸模配合。其中可以用冲裁力的大小来估算落料凹模和凸凹模的厚度H，其经验公式为: 式中H——凹模的厚度（mm）；P——冲裁压力（N）；K1——冲裁轮廓尺寸修正系数，取值如表3-2；K2——凹模材料修正系数，取值如表3-3；表3-2凹模冲裁尺寸轮廓修正系数K1表3-3凹模材料修正系数K2由此：这里面我们考虑到推件块的高度，落料凹模的厚度取：H=35mm。落料凹模外形尺寸如图3-4，图3-4落料凹模零件图（2）凸凹模1.L=h1+h2+h3=12+28+20=60mm式中h1—取h1=12mm为卸料板厚度h2—卸料板下平面到凸凹模固定板上平面的中间距离，一般取（25~35）mm,此处取为30mmh3—在此取h3=20mm，凸凹模固定板厚度，一般为（0.6~0.8）凹模板厚度凸凹模零件图见下图：图3-5-1小垫圈凸凹模零件图2.L=h1+h2=25+35=60mm式中:h1—h1=25mm为固定板厚度，通常取凹模板的（0.6~0.8）倍厚度h2—h2=35mm为落料凹模厚度图3-5-2中垫圈凸凹模3.L=h1+h2+h3=12+28+20=60mm式中：h1—h1=12mm为凸凹模固定板上表面到卸料板下表面的之间距离h2—根据经验值取h2=28mm，为凸凹模固定板上表面到卸料板下表面的之间距离h3—凸凹模固定板厚度，通常取（0.6~0.8）倍凸凹模板厚度为20mm图3-5大垫圈凸凹模零件图复合模中凸模的固定方法同样应视其形状、尺寸大小等因素来采用固定板式、带窝座式、带有螺钉和销钉等方式（见图3.6）。图3-6复合模中凸凹模的固定方法本设计中复合模凸凹模的固定方法采用固定板式。(3)卸料板复合模卸料板也起到压边的作用，所以落料冲孔模卸料板要择取厚一点H=10mm。选用材料Q235，弹性卸料板与凸模之间要有一定的间隙，单边间隙1～2mm。为了在冲压开始前就将先料压紧，弹性卸料板应加工有三个与挡料销对应存在的避让孔。图3-7弹性卸料板（4）凸模固定板凸模固定板作用是固定凸模，其中车床与凸模采用配合加工，采用45钢，热处理方式为淬火处理,淬火硬度为HRC45-50。根据冲孔凸模的台阶结构可确定凸模固定板厚度h=15mm，便于卸料。凸模固定板如图3-8所示。图3-8凸模固定板(5)垫板本设计使用了冲压板固定，除了冲头安装孔外，还应考虑螺钉和冲头的位置。该固定板和冲头采用过渡配合（H7/M6），冲头的后端面磨平以确保冲头的垂直。图3-9垫板材料为45钢，按JB/T7653-1994要求制造。中间垫板尺寸与垫板一样，厚度H=10mm。3.8其它零件的择取及相关尺寸的择取1)模架此工件采用纵向送料方式，模架采用四导柱导套模架，它的优点是方便纵向送料，平衡导柱导套模架工作时的载荷力。由上面阐述，得出：⑴模具类型为复合模⑵操作方式为自动化方式⑶送料为纵向送料，以下出件形式取件，用侧刃、导料板、定位销等来定位⑷不压料，采用弹性卸料⑸冲压件精度为IT14，则模具加工精度比其高2～3级即可，选用模具加工精度为IT13。由前面所确定的为标准的后置导柱模架,又根据凹模周界尺寸L=200mmB=140mm初选模架320x270x(200~350)mmGB/T2851.3-90.又依模具结构草图及以上得到的各板厚度,可知模具闭合高度H=214mm在模架最大最小闭合高度(200~350)之间。所以所选模架合适。图3-10模架2）择取导柱、导套：导柱按GB2861.6—81，d=32mm，取L=180mm的导柱，导套按GB2861.6—81，d=50mm，取L=160m的导套。3）档料装置的选用：在冲压时采用3个活动档料销使材料定位。3.9模具装配图落料冲孔复合模如图3-11所示：图3-11落料冲孔复合模3.10弹簧和橡胶弹簧和橡胶主要是与卸料板配合进行弹性卸料，使零件顺利卸出。材料通常为60Si2Mn，橡胶材料通常是聚氨酯，具体的结构尺寸可以是根据国家标准选定。弹簧，根据卸料力的大小确定。当压力机滑块从最高点移动到最低点时，弹簧和橡胶为压缩材料发挥作用。而滑块从最低点到最高点的快速回弹由于其弹力，卸料板从凹模中推出废料或零件。经验式h=0.3H，根据设计规格h＝7~8mm，因此H＝23~28mm。

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