毕业设计（论文）-压圈零件冲压成形工艺和模具设计-长42

河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文PAGEPAGE241绪论目前，我国冲压技术与工业发达国家相比还相当的落后，主要原因是我国在冲压基础理论及成形工艺、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的国家尚有相当大的差距，导致我国模具在寿命、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。1.1国内模具的现状和发展趋势1.1.1国内模具的现状我国模具近年来发展很快，据不完全统计，2003年我国模具生产厂点约有2万多家，从业人员约50多万人，2004年模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2004年模具产值530亿元。进口模具18.13亿

美元，出口模具4.91亿美元，分别比2003年增长18%、32.4%和45.9%。进出口之比2004年为3.69:1，进出口相抵后的进净口达13.2亿美元，为净进口量较大的国家。在2万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。在模具企业中，产值过亿元的模具企业只有20多家，中型企业几十家，其余都是小型企业。

近年来，

模具行业结构调整和体制改革步伐加快，主要表现为：大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于一般模具产品；专业模具厂数量增加，能力提高较快；"三资"及私营企业发展迅速；国企股份制改造步伐加快等。虽然说我国模具业发展迅速，但远远不能适应国民经济发展的需要。我国尚存在以下几方面的不足:第一，体制不顺，基础薄弱。“三资”企业虽然已经对中国模具工业的发展起了积极的推动作用，私营企业近年来发展较快，国企改革也在进行之中，但总体来看，体制和机制尚不适应市场经济，再加上国内模具工业基础薄弱，因此，行业发展还不尽如人意，特别是总体水平和高新技术方面。第二，开发能力较差，经济效益欠佳.我国模具企业技术人员比例低，水平较低，且不重视产品开发，在市场中经常处于被动地位。我国每个模具职工平均年创造产值约合1万美元，国外模具工业发达国家大多是15～20万美元，有的高达25～30万美元，与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理，真正实现现代化企业管理的企业较少。第三，工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低．虽然国内许多企业采用了先进的加工设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控化率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多。由于体制和资金等原因，引进设备不配套，设备与附配件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较好解决。装备水平低，带来中国模具企业钳工比例过高等问题。第四，专业化、标准化、商品化的程度低、协作差．由于长期以来受“大而全”“小而全”影响，许多模具企业观念落后，模具企业专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。目前国内每年生产的模具，商品模具只占45%左右，其馀为自产自用。模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务，与国际水平相比要落后许多。模具标准化水平低，标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，对模具制造周期影响尤甚。第五，模具材料及模具相关技术落后．模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢相比，无论是质量还是品种规格，都有较大差距。塑料、板材、设备等性能差，也直接影响模具水平的提高。1.1.2巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。虽然我国的模具工业和技术在过去的十多年得到了快速发展，但与国外工业发达国家相比仍存在较大差距，尚不能完全满足国民经济高速发展的需求。未来的十年，中国模具工业和技术的主要发展方向包括以下几方面:1）模具日趋大型化；2）在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术；3）模具扫描及数字化系统；4）在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术；5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率；6）发展优质模具材料和先进的表面处理技术；7）模具的精度将越来越高；8）模具研磨抛光将自动化、智能化；9）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；10）开发新的成形工艺和模具。1.2国外模具的现状和发展趋势模具是工业生产关键的工艺装备，在电子、建材、汽车、电机、电器、仪器仪表、家电和通讯器材等产品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。用模具生产制作表现出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清洁环保的特性，是其他加工制造方法所无法替代的。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。近几年，全球模具市场呈现供不应求的局面，世界模具市场年交易总额为600～650亿美元左右。美国、日本、法国、瑞士等国家年出口模具量约占本国模具年总产值的三分之一。国外模具总量中,大型、精密、复杂、长寿命模具的比例占到50%以上；国外模具企业的组织形式是"大而专"、"大而精"。2004年中国模协在德国访问时，从德国工、模具行业组织--德国机械制造商联合会（VDMA）工模具协会了解到，德国有模具企业约5000家。2003年德国模具产值达48亿欧元。其中（VDMA）会员模具企业有90家，这90家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的90%，可见其规模效益。随着时代的进步和技术的发展，国外的一些掌握和能运用新技术的人才如模具结构设计、模具工艺设计、高级钳工及企业管理人才，他们的技术水平比较高．故人均产值也较高．我国每个职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右，而国外模具工业发达国家大多15～20万美元，有的达到25～30万美元。国外先进国家模具标准件使用覆盖率达70%以上，而我国才达到45％．我国模具CAD/CAM技术从20实际80年代起步，长期处于低水平重复开发阶段，所用软件多为进口的图形软件，数据库软件，NC软件等，自主开发的软件缺乏通用性，商品化价值不高，对许多引进的CAD/CAM系统缺乏二次开发，经济效益不显著。针对上述情况，国家有关部门制定了相关政策和措施。在国家产业政策和与之配套的一系列经济政策支持和引导下。“九五”期间外过模具工业发展迅速，模具行业产业结构有了较大改善，模具商业化水平提高了近10%，中高档模具占模具总量的比例有了明显提高，模具进出口比例也逐步趋向合理。我国模具工业起步晚，基础差，就总量来看，大型、精密、复杂长寿命模具产需矛盾仍然十分突出。为了进一步振兴模具工业，国家有关部门进一步部署：全面分析我国的模具工业的现状和差距。提出发展思路和建议以及政策措施。相信在政府的大力支持下，通过本行业的相关企业以及广大模具工作者的共同努力，我国模具工业水平必将大大提高，为国家经济建设做出更大贡献。2压圈设计要求及工艺性分析2.1原始资料冲压件如图1所示:图1冲压技术要求:该零件材料为Q235；材料厚度厚度为2mm；该零件为大批量批量生产；公差等级要求不高可按IT14级确定.2.2工艺性分析该工件材料为Q235,具有良好的冲压性能,适合冲裁,工件结构相对简单,有一个φ20的孔和一个宽为4mm槽,孔与边缘之间的距离也满足要求,最小壁厚为9mm。工件的尺寸全部为自由公差，可看作IT14级，尺寸精度较低，用普通冲裁完全满足要求。3确定工艺方案3.1确定工艺方案的主要原则概括起来主要有以下三点:（1）保证冲裁件的质量（2）经济性原则（3）安全性原则3.2工艺方案的确定此零件所需的基本冲压工序为落料和冲孔，可拟订出以下三种工艺方案。方案一：用简单模分两次加工，即先落料，后冲孔。方案二：冲孔——落料，采用级进模。方案三：冲孔——落料，采用复合模。采用方案一，生产率低，工件的累计误差大，操作不方便，由于该工件为中批量生产，方案二和方案三更具有优越性。方案二只需一副模具，但零件需分步冲出，生产效率较低，且冲裁件的内孔与外缘的相对位置精度不够高。方案三也只需一副模具，采用倒装复合模，适合薄料冲裁和大批量生产。因此选用复合模更为合理。4主要设计计算4.1排样方式确定设计复合模具时，首先要设计条料的排样图。压圈的形状为圆形，采用直排，一次冲裁成功。排样如图2:图2排样图条料宽度的计算：拟采用无侧压装置的送料方式，由b-Δ=〔D+2a〕-Δ﹝2﹞D—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸a—侧搭边值c1—导料板与最宽条料之间的间隙查表,搭边值取1.2mm和1.5mm,代入数据计算,条料宽度为45mm,步距为43.2mm,一个步距内的材料利用率为54.7%,查板材标准,宜选500×1500的钢板,每张钢板可剪裁为11张条料.每张条料为45mm×1500mm,每张条料可冲34个工件,故每张钢板的利用率为53%.相关计算如表一所示:表一:条料排样的相关计算项目分类项目公式结果备注排样冲裁件面积A212π-102π-4×21062.74mm查表2.5.2得最小搭边值a=1.5mm,a1=1.2mm采用导料销导料.条料宽度BB=42+2×1.545mm步距SS=42+1.243.2mm一个步距的材料利用率=54.7%4.2工作零件的刃口尺寸计算在确定工作零件刃口尺寸计算之前，首先要考虑工作零件的加工方法及模具装配方法。结合该模具的特点，工作零件的形状相对较简单，先设计出落料凹模，再设计出凸模，最后进行凸、凹模设计。⑴对于外轮廓的落料，形状简单采用凸、凹模分别制造法，其凸、凹模刃口部分尺寸计算如下。由公差表查得：φ420-0.62mm为IT14级，取磨损系数x=0.5mm。设凸模和凹模分别按IT6级和IT7级加工制造，其制造公差为：δT=0.016mm，δA=0.025mm。查表得，Zmax=0.360mm，Zmin=0.246mm校核：Zmax-Zmin=0.114mm,δT+δA=0.041mm满足Zmax-Zmin≥δT+δA的条件。所以DA=〔Dmax-xΔ〕0+δA=〔42-0.5×0.62〕0+0.025=41.690+0.025DT=〔DA-Zmin〕0-δΑ=〔41.69-0.246〕0-0.016=41.440-0.016⑵对于内轮廓的冲孔，由于形状比较复杂，采用配作法，其凸、凹模刃口部分尺寸计算如下。以凸模为基准件，凸模磨损后，刃口部分尺寸都减小，因此都属于B类尺寸。零件20毫米处尺寸:BT1=〔Bmin+xΔ〕0-δT=〔20+0.5×0.52〕0-0.25×0.52=20.260-0.13零件22毫米处尺寸:BT2=〔Bmin+xΔ〕0-δT=〔22+0.5×0.52〕0-0.25×0.52=22.260-0.13零件4毫米处尺寸:BT3=〔Bmin+xΔ〕0-δT=〔3.85+0.5×0.30〕0-0.25×0.30=40-0.0754.3冲压力与压力中心的计算1确定冲压力由工件结构和前面所定的冲压方案可知，本工件的冲裁力包括以下部分。冲内形孔的力F1,落外型料的力F2，落料时的卸料力F3，冲孔时的推件力F4。考虑到模具刃部被磨损、凸凹模间隙不均匀和波动、材料力学性能及材料厚度偏差等因素的影响，实际计算冲裁力时按下面公式：P=KLtτ﹝3﹞式中P—冲裁力（kN）L—冲裁件剪切周边长度（mm）t—冲裁件材料厚度（mm）τ—被冲材料的抗剪强度(MPa)K—系数，一般取1.3。上式中抗剪强度τ与材料种类和坯料的原始状态有关，可在手册中查询。为方便计算，可取材料的τ=0.8σb,故冲裁力表达式又可表示为：P=1.3Ltτ≈Ltσb式中σb—被冲材料抗拉强度(MPa)。查手册得A3的σb=400Mpa⑴落料力F1=Ltбb=131.88×2×4=105504N⑵冲孔力F2=Ltбb=67.26×2×400=53808N(3)落料时的卸料力F卸=K卸F1=0.05×105504=5275.2N（4）冲孔时的推件力F推=nK推F2其中h=6mm,t=2mm,则n=h/t=6/2=3所以F推=nK推F2=3×0.55×53808=88783.2N选择冲床时的总冲压力为F总=F1+F2+F推+F卸=105504+53808+5275.2+88783.2=253.4KN2压力中心的确定及相关计算计算压力中心时，先画出凹模型口图，在图中将xoy坐标系建立在图示的对称中心线上，将冲裁轮廓线按几何图形分解成L1——L5共五组基本线段，用解析法求得该模具的压力中心C点的坐标为（25.48，24.50）,有关计算如表2所示。表2：压力中心数据表基本要素长度L/mm各基本要素压力中心的坐标值xyL1=131.882525L2=58.862525L3=2.235.927L4=4370L5=2.235.923合计199.1425.4824.50压力中心的计算（a）计算其压力中心的步骤如下：①、按比例画出凸模的工作部分剖面图②、在任意距离处作x-x轴y-y轴③、分别计算出各线段和圆弧的重心到x-x轴的距离y1,y2,y3,y4和到y-y轴的距离x1,x2,x3,x4,④、大凸模的压力中心到坐标轴的距离下式确定：到y-y轴的距离x0===25.48mm到x-x轴的距离y0===24.50mm由以上计算结果可以看出，该工件冲裁力不大，压力中心偏移零件设计中心（25，25）较小，为了便于模具的加工和装配，模具中心仍选在设计中心点（25，25），若选用JH23-40冲床，C点仍在压力机模柄孔投影面积内，满足要求。3初选压力机查文献可知开式可倾压力机参数初选压力机型号为JH23-40，5主要零件的设计与标准化5.1工作零部件的设计（尺寸、位置、标准与示意图）5.11落料凹模落料凹模采用整体式，如图3。兼压料板作用。由于落料凹模为圆形，尺寸按分别制造法只标出基本尺寸，其中心与压力中心和模柄中心重合。图3落料凹模轮廓尺寸可按以下公式计算凹模厚度H=kb=0.42×42=17.64mm取H=20mm,凹模壁厚c=（1.5~2）H=30~40取c=35mmA=35×2+42=112mm查冲压手册得B×L=125×125。5.12冲孔凸模因为所冲的孔为侧凸形，所以冲孔凸模采用台阶式，又因凸凹模为基准件，采用配做法，这样便于加工。具体结构如图4所示。图4冲孔凸模其中长度L=h1+h2=20+15=35mm,结构如图5所示。图55.13凸凹模结合工件外形并考虑加工，将凸凹模做成阶梯式，用固定板固定在下模座上，与凸凹模固定板的配合按H8/m7,其总长L如下公式计算,结构如图6所示图6凸凹模L=h1+h2+h3-h4=50.5－0.5=50mm其中h1=20mm,h2=14mm,h3=16.5mm,h4=0.5mm(t>1mm)5.2定位零部件的设计与标准化卸料板上设置有两个导料销和一个活动挡料销。活动挡料销、弹簧和螺塞选用标准件,规格为6×20GB2866.5-81。在弹压卸料板上设有两个导料销,位于条料的同侧,条料从右向左送进,导料销装在后侧,8×15（GB/T7649.10—94）。5.3卸料部件的设计与标准化卸料板的设计卸料板采用弹压卸料板，由卸料板、弹性元件（弹簧）、卸料螺钉等零件组成，如图7所示。图7卸料板弹压卸料板与凸模的单边间隙可根据冲裁板料厚按冲压模具设计与制造书表2.9.11选用，z=0.15mm。此外，在模具开启状态，卸料板应高出模具工作零件刃口0.3~0.5mm,以便顺利卸料。卸料板的周界尺寸与落料凹模的周界尺寸相同，厚度为12mm,宽度125mm。卸料螺钉的选用。卸料板上设置6个卸料螺钉，公称直径为φ5，螺纹部分为M4。卸料螺钉尾部应留有足够的行程空间。卸料螺钉拧紧后，应使卸料板超出凸凹模端面0.5mm,有误差时通过在螺钉与卸料板之间安装垫片来调整。弹簧的选用根据模具安装位置初选6根弹簧，每根弹簧分担的卸料力为F卸/n=5275.2/6=879.2N根据压力F预（＞879.2N）和模具结构尺寸，查有关弹簧规格，初选弹簧规格为GB2089——80，其具体参数为D=32mm,d=6mm,t=9.93mm,F1=1390N,△H1=29.8mm,H0=95mm,n=8.5,L=1056mm.计算预选的弹簧在预压力F预作用下的预压缩量△H0H0=F预△H1/F1=879.2×29.8/1390=18.85mm较核：设△H＇=t+1=2+1=3mm,△H＂=5mmH=△H0△H＇+△H＂=18.85+3+5=26.85mm由于29.8＞26.85，即△H1＞△H。推件装置的设置推件装置选择刚性推件装置，如图8所示推板选择A型见图8所示图8推件装置连接推杆要用3个推板尺寸D=50mm,h=14mm推见块的设计如图1所示5.4固定板与垫板的设计与标准化垫板的周界尺寸与落料凹模相同，垫板厚8mm固定板厚15mm,周解尺寸与卸料板外形尺寸相同。紧固螺钉及销钉选用M8，φ6。固定板的凸模安装孔与凸模采用过渡配合H7/m6。5.5模架的选用与标准化1模柄 模柄选用GB2870——81B型，如图9,规格为d=30mm,D=75mm,H=64mm,h=16mmd1=11mm,D1=52mmd3=9mm,d2=15mmh1=9mm图9模柄2标准模架的选用由凹模周界可以选取标准模架。凹模周界Ｌ＝125mm,B=125mm,高度h=125mm材料为ZG45(ZG310-570),中等精度的后侧导柱模架。如图10导柱标记：22×150GB2855.6——81导套标记：22×85×23GB2861.6——81上模座标记：125×125×35GB2855.5——81下模座标记：125×125×45GB2855.6——81图10模架6模具总体设计 1模具类型的选择由冲压工艺分析可知，采用复合冲压，所以模具类型为复合模。2定位方式的选择因为该模具采用的是条料，控制条料的送进方向采用导料销，无侧压装置，。控制条料的送进步距采用活动挡料销。3卸料出件方式的选择因为工件料厚为2.0mm,相对较薄，卸料力也比较小，故可采用弹性卸料板将条料从凸凹模上卸下，工件从上面打出，废料从下面被凸模推出。又因为是复合模生产，所以采用下出方式比较便于操作与提高生产率。4导向方式的选择为了提高模具寿命和工件质量，方便安装与调整，该复合模采用后侧导柱的导向方式。7压力机型号的确定及校核7.1冲压设备的选择应注意的问题⑴压力机的吨位应当等于或大于冲裁时的总力，即，式中—所选压力机的吨位，—冲裁时的总力；⑵根据模具结构选择压力机类型和行程（冲程）次数，如复合模工作需从模具中间出件，最好选用可倾式压力机。⑶根据模具尺寸大小，安装和进出料等情况选择压力机台面尺寸，如有推件时应考虑台面孔的大小使冲后有关零件能自由通过。⑷选择压力机的闭合高度与模具是否匹配。⑸模柄直径，长度尺寸是否与压力机滑块模柄直径、深度尺寸相当。⑹压力机滑块行程应该是拉深深度的2∽2.5倍。⑺压力机的行程次数应当保证有最高的生产效率。⑻压力机应该使用方便和安全7.2压力机的确定与校核查文献可知开式可倾压力机参数初选压力机型号为JH23-40由以上计算结果可以看出，该工件冲裁力不大，压力中心偏移零件设计中心（25，25）较小，为了便于模具的加工和装配，模具中心仍选在设计中心点（25，25），若选用JH23-40冲床，C点仍在压力机模柄孔投影面积内，满足要求。前面已经初选了压力机，模座外形尺寸325×300mm,闭合高度186mm,有文献[6]中，JH23—40型压力机工作台尺寸为460×700mm8模具总装图9结束语—设计结论本课程设计是我们进行完了三年的模具设计与制造专业课程后进行的，它是对我们三年来所学课程的又一次深入、系统的综合性的复习，也是一次理论与实践的训练。它在我们学习中占有很重要的地位。通过这次毕业设计使我从新系统的复习了所学专业知识同时也巩固了先前学到了的知识