MJ23模具-封闭板成形模及冲压工艺设计带图纸
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MJ23
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封闭板成形模及冲压工艺设计 2.2 落料模设计2.2落料模设计2.2.1 落料毛坯形状和尺寸的确定图2.2-1 毛坯展开图图2.2-1所示为落料毛坯展开图,其弯曲成形部分按常规的弯曲件毛坯尺寸计算方法计算即可,见图2.2-2所示。这里着重讨论工艺分析中谈到的3处翻边成形的毛坯尺寸的确定和计算,即图2.2-1的I、II、III处,图2.2-3所示为这3处的计算简图。2.2.1.1 弯曲成形部分的毛坯形状和尺寸的计算R/t=1.5/1=1.5,查表4-19,得K=0.369。=R+Kt(2.3)式中 中性层半径(mm); R弯曲内半径,取1.5mm; K中性层位置系数,取0.369; t材料厚度,取1mm。将以上数据带入(2.3)式,得=R+Kt=1.5+0.3691=1.869mmL=/180(2.4)式中 L中性层展开长度(mm);弯曲中心角度();中性层半径(mm)。将数据带入(2.4)式,得:L1=/1801=/180741.869=2.414mm;L2=/1802=/180901.869=2.936mm;S1=15-(1.5+1)Sin37o=13.495mm;S2=74.25-1.5Sin37o-1.5=71.847mm;S3=10-1.5=8.5mm。弯曲直壁的展开高度H=S3+L2/2=8.5+2.9/2=9.9mm;总体展开长度L= L1+L2+S1+S2+S3=2.414+2.936+13.495+71.847+8.5=99.192mm;中间部分的展开长度L中=99. 192-15-9.9=74.29mm。图2.2-2 弯曲成形部分的展开计算简图2.2.1.2 三处翻边成形的毛坯尺寸的确定和计算(1) 图2.2-3a所示为图2.2-1中处的展开尺寸简图,该转角具有R1mm的过渡圆弧,毛坯展开时通常是将其按盒形件转角处的拉深成形处理。但此零件由于上段的直角弯曲段较短,且外侧缺少材料的约束,使得圆弧部分拉深时的多余三角形材料并不像纯拉深时那样全部转化为圆弧直壁,使直壁高度增加,而是在切向应力的作用下横向流动。图2.2-3a中这种横向流动远大于径向流动,这种材料的流动导致此处的变形变得复杂,使毛坯展开的定量计算较困难,只能定性的估算,然后通过试验确定。具体做法是:将直角弯曲侧壁的开放边ac向右倾斜取边长为弯曲直壁的高度9.9mm,这是假设材料横向流动后a点流到了b点。ab段长度的确定是假设R1mm对应扇形部分的材料分为两部分,一部分为宽1.37mm(按R1.5mm中性层弧长,圆弧夹角为52.4计算)的材料全部转化为abc部分,按面积相等原则,初步估算ab=3mm。当然,若成形尺寸要求高的话,则ab的长度要待试模后再行修整,由于本课题对此要求不高,所以不必再进行修整。图2.2-3 翻边部分展开尺寸计算简图 (2) 图2.2-3b所示为图2.2-1中处的展开尺寸简图。该处的变形属圆孔翻边,对于图中圆弧半径为R3.5mm,翻边高度为9.9mm的情况,翻边成形时边缘必然开裂,故需进行工艺处理,降低该处的翻边高度,改善成形性能。具体做法如下:由圆孔翻边系数公式K=d/D, 得:d=KD(2.5)式中 d翻边前毛坯孔的直径(mm); D翻边后孔的中性层直径,D=(3.5+0.5)2=8mm; K翻边系数,取K=0.47。将以上数据代入(2.5)式,得d=KD=0.478=3.76mm。故翻边前毛坯的半径r=d/2=1.88mm。考虑到凹模的强度,将R1.88mm的圆弧按60夹角(R3.5mm处的圆弧的圆心角)用两条直线过渡到弯曲直边,其交线处再用半径值为9.9mm的圆弧光滑过渡,如此便确定了其展开尺寸。(3) 图2.2-3c所示为图2.2-1中处的毛坯展开简图。该处的变形属盒形件拉深时转角处的变形,其计算过程较为典型。即先按筒形件拉深变形计算出转角的圆弧半径R11.7mm,并画出圆弧,如图2.2-3c所示,然后过ab线段的中点向半径R11.7mm的圆弧引切线,并反向延伸至弯曲边的直线,交接处用R11.7mm的圆弧光滑过渡连接,即完成该处的毛坯展开。上述毛坯展开只是初步估算,最终尺寸还要经过试模确定。2.2.2 排样和裁板2.2.2.1 确定排样方式并计算材料利用率计算冲裁件的面积A:充分利用AutoCAD2000计算物体质量特性的功能,依次点取“工具”(Tools)菜单“查询”(Inquiry)“质量特性”(Mass Properties),得面积A=5685mm2。拟订两种排样方案,如下:方案一:直排,且无侧压装置。(见图2.2-4)查表2163,得最小搭边值a=2mm,a1=1.5mm。条料宽度B-=D+2(a1+)+b0(2.6)式中 B条料公称宽度(mm); D垂直于送料方向的工件尺寸,取D=15+74.29+9.9=99.19mm; a侧搭边值(mm);b0条料与导板之间的间隙,查表3184,得b0=0.2mm; 条料宽度的公差,查表3184得=0.6mm。将以上数据代入(2.6)式得B-=D+2(a1+)+b0=99.19+2(2+0.6)+0.2=104.6mm进距h=57.5+9.92+1.5=78.8mm一个进距的材料利用率=nA/Bh=(15685)/(104.678.8)=69.0%图2.2-4 排样方案一 方案二:对排,且无侧压装置。(见图2.2-5)查表3174,得最小搭边值a=a1=2.5mm,D=57.5+9.92=77.3mm。查表3184,得b0=0.1mm,=0.5mm。图2.2-5 排样方案二将以上数据代入(2.6)式得:B-=D+2(a1+)+b0=77.3+2(2.5+0.5)+0.1=83.4mm进距:h=(15+74.29+9.9)+(15+66.75-19+9.9)+2.52=176.84mm一个进距的材料利用率=nA/Bh=(25685)/(83.4176.84)=77.1%比较上述两方案,虽然对排比直排省料,但存在着下述问题:如果采取送一次料冲一件的方法,即用单凸模,模具结构与直排时基本相同,模具费用也相差不大,但在冲完一行后,需要到头冲另一行,冲另一行时,条料的刚度很差,给送料造成很大的困难。如果采取一次冲两件的方法,即用双凸模,则模具结构复杂了,模具长度增大了,因而模具费用也增加了。而直排的模具结构简单,且与对排相比,材料的利用率相差不多,所以决定选择方案一,即有搭边的直排。2.2.2.2 裁板08Al厚度为1mm,由材料手册查得规格为18501800若采用纵裁,则每板条数n1=850104.6=8条,余13.2mm; 每条个数n2=(1800-1.5)78.8=22个,余64.9mm; 每板个数n3=n1n2=822=176个。若采用横裁,则每板条数n1=1800104.6=17条,余21.8mm; 每条个数n2=(850-1.5)78.8=10个,余60.5mm;每板个数n3=n1n2=1710=170个。显然,纵裁时材料利用率高,所以决定采用纵裁。2.2.3 落料模结构设计2.2.3.1 总体结构该零件虽说是左、右对称件,但展开后的形状却是相同的。因此落料模只需设计1副模具即可。模具采用导柱导向下出料式弹压卸料结构,冲出的零件通过凹模的内孔从冲床台面孔漏下,见图2.2-6。模具的上部分由上模座7、导套5、模柄11、凸模固定板6、凸模10、卸料板15、卸料橡胶14和螺钉、销钉组成,下部分由凹模3、下模座2、导柱4以及螺钉、销钉组成。图2.2-6 落料模2.2.3.2 导向装置采用模架导向,不仅能保证上、下模的导向精度,而且能提高模具的刚性、延长模具的使用寿命、使冲裁件的质量比较稳定、使模具的安装调整比较容易,因此决定采用模架作为上、下模的导向装置。采用压入式模柄,固定段与上模座孔采用H7/m6过渡,并加骑缝销防止转动,装配后模柄轴线与上模座垂直度较好。2.2.3.3 定位装置条料的送进,由两个定位销控制其方向,由一个钩形挡料销控制其进距,这种定位零件结构简单、制造方便,装在凹模上。为此,在卸料板上与单了定位销和钩形挡料销相应的位置上加工三个通孔,工作时,可使卸料板压紧条料;为便于刃磨,在下模座上相应的位置处也加工通孔,以便于拆挡料销。2.2.3.4 卸料装置 由于实现外形分离的凸模装在上模,拟采用橡胶作为弹性元件的卸料装置装在上模,由卸料板、橡胶和卸料螺钉组成弹压卸料装置。冲程时,橡胶块受压缩而积蓄能量,并使卸料板产生压力而起压料作用,冲出的落料件通过凹模的内孔从冲床台面孔漏下。回程时,橡胶块释放能量,使卸料板产生反向推力而将废料从凸模上卸下。在冲压时,还可压紧条料,提高冲裁质量。2.2.4 落料模工艺计算2.2.4.1 计算冲压力由于该模具采用下出料弹压卸料结构,因此压力机在本模具的冲压过程中,除要克服冲裁力以外,还要克服卸料力、推件力。(1) 冲裁力的计算F=Ltb(2.7)式中 F冲裁力(N);L冲裁轮廓的总长度,由AutoCAD“工具”查询面积,查得L=327mm;t板料厚度,取1mm;b板料的抗拉强度,由材料手册查得b=390MPa。将以上数据代入(2.7)式,得F=Ltb=3271390=127530N。(2) 卸料力的计算F卸=K卸F(2.8)式中 F卸卸料力(N);K卸卸料力系数,查表2-153得K卸=0.06;F冲裁力,F=127530N。将以上数据代入(2.8)式,得F卸=K卸F=0.06127530=7651.8N。(3) 推件力的计算F推=nK推F(2.9)式中 F推推件力(N); n同时卡在凹模孔内的工件或废料片数,n=h/t,h为凹模直刃高度(取h=5mm),t为板料厚度(取t=1mm),n=h/t=5/1=5K推推件力系数,查表2-153,得K推=0.05;F冲裁力,F=127530N。将以上数据代入(2.9)式,得F推=nK推F=50.05127530=31882.5N。综上,选择冲床时的总冲压力F总=F+F卸+F推=127530+7651.8+31882.5=167064.3N。初步选择开式双柱可倾压力机J23-25(查附录B33)。2.2.4.2 确定压力中心压力中心是冲裁模各个冲裁力的合力作用点,在进行冲裁模设计时,必须使模柄中心线与冲模压力中心重合。如果二者偏移量超过允许范围,滑块将承受偏心载荷,在偏心弯矩的作用下,将导致:滑块与导轨非正常磨损,影响压力机精度和寿命;凸、模间隙不均匀,降低冲压件质量和加剧磨损,甚至碰撞和损坏零部件。因此,准确求得压力中心是冲裁工艺设计和冲模设计的重要环节。本冲压件轮廓形状复杂,无法直接计算其压力中心,故采用基于AutoCAD 2000的冲模压力中心确定方法来求其压力中心,具体做法如下:图2.2-7压力中心第一步:用AutoCAD绘出刃口的轮廓线,选定坐标系xoy如图2.2-7所示,并用“快捷工具”“修改(Modify) “段线合并(join)定义为多段线;第二步:用“偏移(Offset)”命令将轮廓线分别向两侧偏移极小的距离(0.05mm),并删除原轮廓;第三步:用“绘图(Draw)下的“面域(Region)分别创建以内外多义线为边界的两个面域;第四步:用“修改(Modify)菜单下的“实体编辑”中的“差集(Subtract)命令创建环形面域;第五步:依次点取“工具(Tools)菜单“查询(Inquiry)“质量特性(Mass Properties),点选面域,然后回车,屏幕上的文本窗口将显示面域的质心:xc=44.3401,yc=30.3640。2.2.4.3 凸、凹模刃口尺寸及制造公差查表2103,得间隙值Zmin=0.10mm,Zmax=0.13mm。由于本冲裁件形状比较复杂,为了保证凸、凹模之间的间隙值,必须采用凸、凹模配合加工的方法制模,现以凹模为基准件,由于该零件的精度要求不高,外形尺寸按IT14级即可,弯曲(翻边)高度的尺寸公差还可适当放大,故凹模尺寸采用毛坯尺寸,凸模的刃口尺寸按凹模的实际尺寸配制,并保证双面间隙为0.10mm0.13mm2.2.5 工作零件的设计2.2.5.1 凹模设计(1) 凹模板的外形尺寸图2.2-8 凹模外形尺寸的确定因为一般模具,特别是标准模具,除去模架以外,前后左右都是对称的,模柄中心线要通过凹模板的中心。冲裁过程中必须使冲压力的合力作用线(压力中心)与模柄中心线重合,使压力机滑块不受偏载,才能使模具平稳工作,减小对压力机滑块与模具导向零件的磨损。 为了用简单的方法满足上述要求,提出凹模有效面积一词。在排样图上沿着送料方向与垂直送料方向从凹模孔之间最大距离处画一矩形lb,称为凹模的有效面积。由于压力中心O不与矩形lb的中心重合,因此要对凹模有效面积进行修正,取O点沿长度方向到短边的最大距离为l的一半,沿宽度方向到长边的最大距离为b的一半,则lb即为修正后的凹模有效面积。自矩形lb向四周扩大一个允许的凹模壁厚C值,可得凹模外形尺寸LB,就能保证压力中心与凹模及模柄中心线重合。其中,凹模壁厚C值主要考虑布置连接螺钉孔和销钉孔的需要,同时也要保证凹模的强度和刚度,查表2-172,取C=36mm(见图2.2-8)。查表3-391,与凹模外形尺寸标准值对照,取LB=200160。(2) 凹模板的厚度凹模板的厚度按如下经验公式估算:H=Kb(2.10)式中 H凹模厚度(mm); K因数,查表3-212,得K=0.22; b 凹模孔的最大宽度,取b=15+74.29+9.9=99.19mm。将以上数据代入(2.10)式,得H=Kb=0.2299.19=21.8mm.圆整后取H=25mm。(3) 凹模型孔侧壁形状采用侧壁与凹模面垂直的台阶形直壁型孔,其设计参数有两个:一是直刃口有效高度h;二是漏料孔比型孔单边扩大值b。刃口高度按强度考虑应随冲裁的板料厚度增加而增大,并考虑刃磨量的需要,由于板料厚度为1mm,所以取h=5mm,漏料孔比型孔单边扩大值b,按凹模强度考虑取小些,为了保证落料件顺利漏下又应取大些。一般取b=0.51mm,由于本冲裁件形状复杂,所以b取1mm。(4) 凹模板上卸料螺钉的安装查表3-311,凹模刃口与挡料销的最小距离C=5mm,本模具中,挡料销的规格选用A1583,送料方向搭边值为1.5mm,挡料销与凹模刃口的最小距离为5mm,凹模强度有保证。(5) 凹模的选材及加工 选用T10A制造凹模,由于凹模冲裁轮廓较复杂,故其型孔采用线切割加工,漏料孔采用化学腐蚀的方法加工,这样可有效保证加工精度和刃口强度。2.2.5.2 凸模设计采用直通式凸模,便于成形磨削或线切割加工,且可以先淬火后精加工,但在工作中容易松动,甚至拔出,因此,用螺钉吊装固定凸模,在固定板上不加工固定凸模的型孔,而增加两个销子对凸模进行定位,这种方法减小了凸模长度,为用线切割方法在一块坯料上同时制取凹模和凸模创造了有利条件,不仅节约了贵重的工具钢原材料,也使冲裁间隙容易均匀。2.2.6 卸料元件的设计2.2.6.1 卸料橡胶的选用和设计橡胶块作为弹性元件,具有承受负荷比弹簧大、安全及安装调整方便等优点,且此落料模的工作行程较小,所以选择橡胶块作为弹压卸料装置的弹性元件。选用硬度为邵氏7080A的聚氨酯橡胶,其性能比合成橡胶优异,不仅可获得较大的压力,而且可延长其使用寿命。(1) 橡胶块高度的确定为了使橡胶块不因多次反复压缩而损坏其弹性,按下式限定其极限压缩量hj:hj=jH(2.11)式中 H橡胶块自由状态下的高度(mm); j橡胶块极限压缩率(%),对于硬度为邵氏7080A的聚氨酯橡胶,则应取j35%。为了使橡胶块具有一定的预压力,供卸料之用,必须使其在非工作行程就具有一定的预压缩量hy:hy=yH(2.12)式中 y橡胶块预压缩率(%),对于聚氨酯橡胶,y=10%。(2.11)式减去(2.12)式得橡胶块高度H的计算公式:H=(hj-hy)/(j-y)=hg/(j-y)(mm) (2.13)式中 hg橡胶块工作压缩量,对于卸料橡胶块,hg为弹压卸料板的行程,一般取hg=t+1+修磨量,t为板料厚度,取1mm,修磨量取5mm。将以上数据代入(2.13)式,得:H=(hj-hy)/(j-y)=hg/(j-y)=(1+1+5)/(0.35-0.1)=28mm将以上数据代入(2.12)式,得hy=yH=0.128=2.8mm。橡胶块的装配高度H0=28-2.8=25.2mm,取25mm。(2) 橡胶块截面尺寸的计算考虑模具结构,决定用6个厚壁筒形的聚氨酯弹性体,则每个弹性体的预压力Fy=7651.8/6=1275.3N。考虑橡胶块的工作压缩量较小,取预压缩率y=10%。并由表2272查得单位压力Fq=1.1Mpa A=Fy/Fq(2.14)式中 A橡胶块截面面积(mm2) Fy每个弹性体的预压力; Fq单位压力。将以上数据代入(2.14)式,得 A=Fy/Fq=1275.3/1.11159.4 mm2取1159 mm2。选用直径为8mm的卸料螺钉,选取弹性体穿卸料螺钉孔的直径d=8.5mm。则弹性体的外径D可按下式求得: 由 (D2-d2)/4=A 得 (2.15)将以上数据代入(2.15)式,得:=39.35,取40mm。(3) 橡胶块高度的校核校核条件:0.5H/D1.5,将数据代入,得H/D=28/40=0.7,满足校核条件。2.2.6.2 卸料螺钉的设计采用圆柱头内六角卸料螺钉(GB2867.681),在上模座上加工通孔,容易保证卸料板与模座平行。卸料螺钉长度L按下式计算:L=h1+H0(2.16)式中 h1固定板厚度(mm); H0预压后弹性元件的高度(mm)。将以上数据代入(2.16)式,得L=h1+H0=20+25=45mm。注意:凸模经刃磨后,在重新安装弹性元件时,在螺钉头部应加垫圈,其厚度为刃磨量,以免预压后过大损害压力机。2.2.7 设计其它零件并校核压力机2.2.7.1 其它零件的设计及选用垫板主要用于直接承受和扩散凸、凹模传来的压力
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