汽车备轮架加固板冲压及冲模设计.docx

目 录

1 概述 2
2冲压工艺分析 3
3 确定工艺方案 5
3.1计算毛坯尺寸 5
3.2确定排样方式和计算材料利用率 5
3.3 冲压工序性质和工序次数的选择 6
4 各工序模具结构形式的确定 8
4.1落料凹模的尺寸计算及强度校核 8
4.2 冲孔凸模的尺寸计算 9
4.3 冲孔落料模具的动作过程 10
4.4 弯曲模凸模设计 11
4.5 弯曲凹模的设计 12
4.6 弯曲模的动作过程 12
5计算各工序冲压力和选择冲压设备 13
5.1 第一道工序——冲孔 13
5.2 第二道工序——落料 14
5.3 第三道工序——首次弯曲成形 14
5.4 第四道工序——二次弯曲成形 15
6填写冲压工艺卡 16
小结 16
致谢 16
参考文献 17
ABSTRACT 17

汽车备轮架加固板冲压分析及冲模设计

作者：小小 指导老师：大大

摘要：本文简要阐述了整个冲压加工行业目前发展状况和趋势，第二部分把重点放在对产品工艺方案和加工落线分析以及优化选择。具体步骤是：分析加工过程中最主要冲裁和弯曲工艺，并通过计算设计出冲孔落料复合模及弯曲模具上主要零件，这些零件主要有：凸模、凹模、凸模及凹模固定板、垫板。卸料板、导料板、挡料销、导正销等。模架采用标准模架，最后根据所设计模具来选用合适冲压设备。设计中对工作零件和压力机规格也进行了必要校核计算，在两种模具设计中都采用导料板正条料送进。
关键词：冲压 模具 落料冲孔 弯曲

1 概述
冲压工艺是塑性加工基本方法之一。它主要 用于加工板料零件，所以有时也叫板料冲压。冲压加工时，板料在模具作用下，于其内部产生使其变形内力。当内力作用达到一定程度时，板料毛坯或毛坯某个部位便会产生及内力作用性质相对应变形，从而获得一定形状，尺寸和性能零件。冲压常在冷态下进行，因此也称冷冲压。冲压工艺广泛应用于汽车，电器，航空，航天以及各种民用轻工等行业，是现代工业生产重要手段和发展方向。
由于冲压加工制件形状，尺寸，精度，批量，原材料等各不相同，冲压方法也就多种多样，总体可以分为分离工序和变形工序两大类。分离工序是将本来为一体材料相互分开，而变形工序则使材料产生形状和尺寸变化，成为所需要制件。
冲压可以分为如下四个基本工序。
a 冲裁：使板料分离来获得制件工序
b 弯曲：使板料由平变弯来获得制件工序
c 拉深：使平板料变成开口壳体制件工序
d 成形：使板料或其他形状半成品局部产生凸凹变形工序
板材冲压具有以下特点：
a 材料利用率高
b可加工薄壁，形状复杂零件
c冲压件在形状和尺寸精度方面互换性好
d 能获得质量轻而强度高，刚性好零件
e 生产率高，操作简单，容易实现机械化和自动化
因此冲压工艺是一种产品质量好而且成本低加工工艺。用它生产产品一般还具有质量轻且刚性好特点。板材冲压常用金属材料有低碳钢、铜、铝、镁合金及高塑性合金钢等。
由于引入了计算机辅助工程，冲压成形已从原来对应力应变进行有限元等分析，逐步发展到现在采用计算机进行工艺工程模拟及分析，以实现冲压工程优化设计。在冲压毛坯方面也展开了计算机辅助设计，可以对排样和拉深毛坯进行优化设计。
在现阶段，冲压成形已经走向计算机辅助工程化和智能化发展道路，冲压成形已经从原来经验、实验分析阶段开始进入有冲压理论指导科学阶段。很多研究机构已经开始了进行冲压成形性能和成形极限、冲压件成形难度判定以及成形预测等技术研究。
为了适应大批量，高效生产需要，在冲压模具和设备上广泛应用了各种自动化进、出料机构。对于大型冲压件，例如汽车覆盖件，专门配置了机械手或机器人，这不仅大大提高了冲压件生产品质和生产率，而且也增加了冲压工作和冲压工人安全性。在小批量多品种生产方面，正在发展柔性制造系统，为了适应多品种生产是不断更换模具需要，已成功地发展了一种快速换模系统，现在，换一副大型冲压模具，仅需要6~8min即可完成。此外，近年来，集成制造系统也正被引入冲压加工系统，出现了冲压加工中心，并且使设计，冲压生产，零件运输，仓储，品质检验以及生产管理等全面实现自动化。
冲模CAD/CAM系统发展是随着CAD/CAM技术以及现代设计理论及方法发展而不断发展，从最初以二维图形技术为基础体统发展到了目前已三维图形技术及特征构型为主要特点阶段
由于我国计算机技术发展较晚，于20世纪80年代才开始模具CAD/CAM研究。到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定有：1984年华中科技大学建成精冲模CAD/CAM系统，1985年机电研究院建成冲裁模系统等。
从20世纪90年代中期开始，华中科技大学模具技术国家重点实验室在深入分析级进模设计特点基础上，将基于特征设计方法应用于级进模CAD/CAM系统开发上。
2冲压工艺分析
该零件为备轮架加固板，材料较厚，其主要作用是增加汽车备轮架强度。零件外形对称，无尖角、凹陷或其他形状突变，系典型板料冲压件。零件外形尺寸无公差要求，壁部圆角半径 ， 相对圆角半径 为 ，大于表相关资料所示最小弯曲半径值，因此可以弯曲成形。 八个小孔和两个腰圆孔分别均布在零件三个平面上，孔距有们置要求，但孔径无公差配合。 圆孔精度不高，弯曲角为 ，也无公差要求。通过上述工艺分析，可以看出该零件为普通厚板弯曲件，尺寸精度要求不高，主要是轮廓成形问题，又属大量生产，因此可以用冲压方法生产。

图2-1 零件图
图2-2 三维实体图

3 确定工艺方案
3.1计算毛坯尺寸
该零件毛坯展开尺寸可按式下式计算：

上式中
圆角半径 ；板料厚度 ；
为中性层系数，由表查得 ；
， 为直边尺寸，由图3-1可知，

将这些数值代入，得毛坯宽度方向计算尺寸

考虑到弯曲时板料纤维伸长，经过试压修正，实际毛坯尺寸取 。
同理，可计算出其他部位尺寸，最后得出如图3-1所示弯曲毛坯形状和尺寸。
3.2确定排样方式和计算材料利用率
图3-1毛坯形状和尺寸较大，为便于手工送料，选用单排冲压。有三种排样方式，见图3-2a、b、c。由表查得沿送料进方向搭边 ，侧向搭边 ，因此，三种单排样方式产材料利用率分别为64％、64％和70％。第三种排样方式，落料时需二次送进，但材料利用率最高，为此，本实例可选用第三种排样方法。

图3-1 加固板冲压件展开图

a）材料利用率64% b）材料利用率64%

c）材料利用率70%
图3-2 加固板排样方式
3.3 冲压工序性质和工序次数选择
冲压该零件，需要基本工序和次数有
（a） 落料；
（b） 冲 孔6个；
（c） 冲底部 孔2个；
（d） 冲 孔；
（e） 冲2个腰圆孔；
（f） 首次弯曲成形；
（g） 二次弯曲成形。
（1） 工序组合及其方案比较
根据以上这些工序，可以作出下列各种组合方案。
方案一：
（a）落料
（b）冲壁部 孔6个。
（c）冲底部两个 孔、一个 圆孔和两个腰圆形孔。
（d）首次弯曲成形。
（e）二次弯曲成形。
方案二：
（a）落料和冲2个腰圆孔。
（b）冲底部两个 孔、壁部六个 孔和 孔。
（c）首次弯曲成形。
（d）二次弯曲成形。
方案三：
（a）落料和冲零件上全部孔。
（c）首次弯曲成形。
（d）二次弯曲成形。
方案四：
（a）落料。
（b）冲底部两个 孔、一个 圆孔和两个腰圆形孔。
（c）首次弯曲成形。
（d）二次弯曲成形。
（e）冲壁部两个 孔。
（f）冲另一个面壁部四个 孔。
方案五：
（a）落料。
（b）首次弯曲成形。
（c）二次弯曲成形。
（d）冲底部两个 孔和一个 孔。
（e）冲腰圆孔。
（f）冲侧壁六个 孔。
方案六：
（a）冲孔落料（复合模）
（b）首次弯曲成。
（c）二次弯曲成形。
对以上六种方案进行比较，可以看出：
方案一，从生产效率、模具结构和寿命方面考虑，将落料和零件上孔组合在三套模具上冲压，有利于降低冲裁力和提高模具寿命，同时模具结构比较简单，操作也较方便。但是，该方案二次弯曲均安排大冲孔以后进行，弯曲回弹后孔距不易保证，影响零件精度。
方案二，落料和冲腰圆孔组合以及底部两个 孔和壁部六个 孔组合冲出，可以节省一道工序，但是模具结构比方案一复杂，同时多凸模厚板冲孔模容易磨损，刃磨次数增多，模具寿命低。二次弯曲工序均在冲孔后进行，产生及方案一相同缺点。
方案三，落料和零件上孔采用复合模组合冲压，优点是节省了工序和设备，可以提高和生产效率，但模具结构复杂，且壁部六个 孔处孔边及落料外缘间距仅8mm，模壁强度较差，模具容易磨损或破坏，因此不宜采用。
方案四，壁部六个 孔安排在弯曲后进行，可以提高孔距精度，保证零件质量，但是壁部冲孔操作不便，同时弯曲后二次冲孔模具费用也较高。
方案五，全部冲孔工序安排在弯曲成形后进行，缺点是成形后冲孔，模具结构复杂，刃磨和修理比较困难，上、下料操作也不方便。
方案六，由于采用了落料冲孔复合模，所以减少了许多工序，解约了生产成本和生产周期，提高了生产率。
通过以上方案分析，可以看出，在一定生产批量条件下，选用方案六是比较合理。确定了工艺方案以后，就可以进行该方案模具结构形式确定，各工序冲压力计算和冲压设备选用。
4 各工序模具结构形式确定
4.1落料凹模尺寸计算及强度校核
凹模轮廓尺寸应保证有足够强度和刚度。目前还不能用理论公式来确定，一般情况凹模尺寸轮廓可按照如下经验公式确定。
凹模厚度：H=kb
凹模壁厚： （轮廓为光滑曲线时）
（轮廓及凹模边缘平行时）
（轮廓线具有复杂形式或具有尖角时）
b-冲裁件最大外形尺寸，mm
k-系数 查表知为0.244
凹模厚度为84mm
凹模强度校核主要是检查其高度H。凹模在冲裁力作用下会产生弯曲，如果凹模高度不够，就会产生较大弯曲变形甚至会断裂。
凹模校核公式：
根据经验取a=640mm，b=500mm 则 取H=84mm
综上所述：凹模板选择640*500*84
通过校核，可知凹凸模壁厚有足够强度。根据下卸料弹簧和下卸料板厚度及模具结构，可选取凹模高度为84mm，其结构如下图所示：

4.2 冲孔凸模尺寸计算
a 圆形孔凸模长度计算
L=H1+H2+H3
H1-卸料版高度
H2-凸模高度
H3-凸模固定板高度
H-附加长度
L=32+140+20+1=193
b 凸模承载能力及失稳弯曲应力检验
凸模承载能力检验
P-冲裁力 N
F-凸模最小端面积
=93MPa
查模座许用应力： =981~1569MPa
≤ 复合要求
复合模有导向装置，不发生失稳允许凸模长度：

l-允许凸模最大长度，mm
P-冲裁力，N
d-凸模最小面直径，mm
=158mm
c 冲非圆形孔凸模设计
非圆形孔长度和圆形孔长度取相同值，根据非圆形孔设计不需要进行强度检验。
通过校核，可知凸模壁厚有足够强度，根据下卸料弹簧和洗啊卸料板厚度及模具结构，其图如下

4.3 冲孔落料模具动作过程
该模具是冲孔落料复合模，先冲孔然后再落料，这样就保证了冲孔是对称。
复合模动作过程是：首先模柄下行推动打板下移，带动打杆下移冲孔，上模继续下移推动凸模下移压缩橡胶，当凹凸模接触时通过刃口切割材料，使其落料。上模回升时落料由卸料板推出，零件由推杆推出，为再次冲压做准备。
冲孔落料复合模如下

4.4 弯曲模凸模设计
零件尺寸标注在工件外形上，并为标准单向偏差，故，凸模尺寸为

式中：-凹模工作部分尺寸，mm
L-工件公称尺寸，mm
-工件公差，mm
-凹模，凸模制造公差，mm
其中工件制造公差为IT12级，凸凹模制造公差为IT7级。
带入数据得：
当L=74.5时，查得=0.015 =0.15
此时 mm
弯曲凸模如下：

4.5 弯曲凹模设计
零件尺寸标注在工件外形上，并为标准单向偏差，
故，凹模尺寸为

式中 -凹模工作部分尺寸，mm
L-工件公称尺寸，mm
-工件公差，mm
-凹模，凸模制造公差，mm
带入数据得：=mm
弯曲凹模外形如下：

4.6 弯曲模动作过程
工作时，毛坯靠定位销和卸料板定位。滑块下行，首先由凸模及压料板压紧毛坯，然后开始弯曲，夹紧力靠顶杆传递冲床下部气垫压力。弯曲后，再由顶杆和压料板将冲压件顶出凹模口，如果冲压件夹在凸模上，则由卸料板推下冲压件。具体模具装配图如下：

5计算各工序冲压力和选择冲压设备
5.1 第一道工序——冲孔
（a） 冲压两个孔          
（b） 冲压孔，冲孔力

（c） 腰圆孔冲孔力

（d） 选用冲压设备
工序总冲孔力 

故可选用1000kN压力机。

5.2 第二道工序——落料
（a）  平刃口模具冲裁时，落料力按下式计算：

将加固板毛坯周长，厚度以及08钢材料抗剪强度代入上式，得

为了降低落料力，改用斜刃口模具，落料力

上式中，为模具斜刃口部分长度。考虑到落料时条料容易安置和定位，模具部分刃口可以设计成平口。因此，表示刃口部分长度（如果模具刃口全部做成斜口，则），如图3-3所示。图中
平刃口长度          ，
斜刃口长度          ，
取                     
则                      
（b） 推件力

设同时梗塞在凹模内零件数，查表系数，代入上式，得

（c） 选用冲压设备
这一工序落料力，推件力，因此，工序所需总压力

从总压力出发，应选用1000kN压力机，但是1000kN压力机工作台，对加固板落料模尺寸偏小，不能安装，故应选择1600kN压力机。
5.3 第三道工序——首次弯曲成形
该工序冲压力，包括自由弯曲力，校正弯曲力和压料力（或推件力）。
（a） 自由弯曲力

上式中，
          安全系数：
宽度：
          弯曲半径：
          08钢抗拉强度：
则                     
（b） 校正弯曲力
冲压件在行程终了时受到校正弯曲力，可按近似计算。加固板冲压件首次弯曲投影面积

查表得单位校正力，代入上式得，

（c） 压料力

取系数0.5，则 

（d） 选择冲压设备
由弯曲工艺可知，弯曲时校正弯曲力及自由弯曲力、压料力不是同时发生，且校正力比自由弯曲力和压料力大得多。因此，可按选择冲压设备，实际选用2500kN压力机。
5.4 第四道工序——二次弯曲成形
该工序所需压力，有自由弯曲力、校正弯曲力和压料力等。因校正弯曲力大于自由弯曲力和压料力，且在弯曲时这些压力不是同时产生，故在选择冲压设备时，只需计算校正弯曲力就可以了，即。加固板零件二次弯曲投影面积，取，代入上式，得，实际选用2500kN压力机。

6填写冲压工艺卡

小结
通过本次汽车备轮架加固板模具设计，是我对复合模和弯曲模具设计有了一定了解，不仅对大学四年来所学指示做了一个系统总结和对所学专业知识进一步加深，熟悉查阅及冲压方面相关资料，掌握了一般设计方法和设计技巧，而且对树立正确设计思想，培养我应用所学专业知识去分析、解决在实际生产和生活中遇到问题都是有很重要实际意义。通过此次复合模和弯曲模结构设计，也是我在冲压工艺性分析、冲压工艺方案论证、复合模零件结构设计、编写技术文件和查阅技术文献等方面得到了一次综合训练和一场实战演练达到学以致用目。
致谢
感谢尹成龙老师指导和帮助，同时也感谢王桂昇及王啸宇同学帮助，没有老师及同学们帮助我也完成不了毕业设计，谢谢。

参考文献
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Title: Automobile wheel frame reinforcement plate stamping technology analysis and die design
Abstract
This paper briefly expounds the stamping processing industry current development status and trends, the second part puts the emphasis on product process and processing line drop analysis and optimization. The concrete steps are: analysis and processing of the main punching and bending process, and by calculating the design of blanking punching compound die and bending die for the main parts, these parts are: punch, die, punch and female die fixing plate, plate. Stripper plate, guide plate, stop pin, guide pin. Mold standard moldbase, finally according to the mold design to choose appropriate stamping equipment. Design work on the parts and the press specification also had the necessary checking calculation, in the two mold designs have used material guide plate strip feeding

Keywords: Stamping Die Blanking punch Bend

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