毕业论文-制动圈冲裁工艺与模具设计.doc

湖南理工学院课程设计论文 学号 14121903853 机械制造装备设计课程设计题 目 制动圈冲裁工艺与模具设计 作 者 届 别 2016届 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 指导老师 完成时间 2015.12.23 摘 要本课程设计是设计一副制动圈（中批量）的冲压模具。本课程设计进行过程中，主要以模具设计与制造的课程理论为依据，同时结合机械设计 、 机械原理 、 机械制图 、 互换性与技术测量 、 机械制造技术基础 、 机械制造装备设计等相关课程的知识，根据课程设计任务书的要求，利用 Auto CAD 软件完成了制动圈零件图的绘制，然后进行冲压工艺分析并确定合理的冲压工艺方案，选择排样方式与模具类型，并进行具体工艺计算，选择定位和卸料方式，选择和校核冲压设备，而且对如何保证冲压件精度要求，提高冲压生产率，保证模具可靠工作，降低模具设计难度和制造成本也进行了充分的考虑， 最后利用 Auto CAD 软件完成了制动圈冲压模具装配图的设计和凸、凹模零件图的绘制工作，并撰写了课程设计论文。通过制动圈零件的冲压模具设计，达到了预期的设计意图，巩固和深化了所学的专业知识，取得了比较满意的效果。关键词：制动圈 ； 冲压模具； 模具设计； 冲压工艺 I目 录摘 要. .II 绪 论. .1 第一章 花垫片冲压性能及模具刃口加工工艺分析.2 1.1 花垫片零件图的绘制.2 1.2 花垫片零件的冲压性能分析. .2 1.3 模具刃口加工工艺分析. .2 第二章 冲裁工艺方案分析.3 第三章 模具总体方案的确定. 4 3.1 模具类型. 4 3.2 操作方式. 4 3.3 卸料、出件方式. 4 3.3.1 卸料方式. 4 3.3.2 出件方式. 4 3.4 送料方式. 4 3.5 导向方式. 4 第四章 模具设计计算. 5 4.1 排样、确定搭边值并计算条料宽度、确定送料步距及材料利用率. 5 4.1.1 排样方式选择. 5 4.1.2 计算条料宽度. 5 4.1.3 确定送料步距. 6 4.1.4 计算材料利用率. 6 4.2 冲压力计算. 6 4.2.1 冲裁力计算. 7 4.2.2 卸料力和推件力计算. 8 4.3 压力中心. 8 4.4 选择压力机. 8 4.5 模具刃口尺寸计算. 8 4.5.1 冲裁间隙. 8 4.5.2 凸、凹模加工方法的选择与初始间隙值的确定. 9 4.5.3 计算落料刃口尺寸. 9 4.5.4 计算冲孔刃口尺寸. 9 4.5.5 计算模具磨损后不变的尺寸. 104.6 模具总体结构尺寸和主要零件尺寸的确定. 10 4.6.1 凹模外形尺寸. 10 4.6.2 模具各零件高度尺寸. 10 4.6.3 凸模高度尺寸. 11 4.6.4凸凹模高度尺寸.11 第五章 模具设计. 12 5.1 模具工作零件设计. 12 5.1.1 落料凹模设计. 12 5.1.2 冲孔凸模设计. 12 5.1.3 凸凹模设计. 13 5.1.4 模具工作零件材料的选择. 14 5.2 卸料装置设计. 14 5.3 推件装置设计. 14 5.4 条料导向和定位机构设计. 14 5.5 模具总体结构设计. .14 第六章 模具闭合高度校核.15 第七章 绘制模具总装图. 16 第八章 设计总结. 17 参考文献. 18 绪论冲压成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法，用以生产各种板料零件,具有很多独特的优势，其成形件具有自重轻、刚度大、强度高、互换性好、成本低、生产过程便于实现机械自动化及生产效率高等优点，是一种其它加工方法所不能相比和不可替代的先进制造技术，在制造业中具有很强的竞争力，被广泛应用于汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活的生产之中。与机械加工及塑性加工的其他方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的有点。主要表现如下：（1） 冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数每分钟可达几十次，高速压力每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。（2） 冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量，而模具的寿命一般较长，所以冲压的质量稳定，互换性好，具有“一模一样”的特征。（3） 冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。（4） 冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，切不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集型产品。所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益。目前我国模具年生产总量虽然已位居世界第三，冲压模占模具总量的40%以上，但在整个模具设计制造水平和标准化程度上，与德国、美国、日本等发达国家相比还存在相当大的差距。以大型覆盖件冲模为代表，我国已能生产部分轿车覆盖件模具。轿车覆盖件模具设计和制造难度大，质量和精度要求高，代表覆盖件模具的水平。但在制造质量、精度、制造周期和成本方面，以国外相比还存在一定的差距。标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，与国外多工位级进模和多功能模具相比，存在一定差距。1第一章 制动圈冲压性能及模具刃口加工工艺分析1.1 制动圈零件图的绘制根据课程设计题目给定的数据，用 AutoCAD 软件绘制制动圈零件图见图 1-1。图 1-1 制动圈零件图1.2 制动圈零件的冲压性能分析制动圈零件的材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，具有良好的冲压性能。该零件厚度为 1mm，中心部位有一个不规则对称通孔。外部为圆形，因此有 4处凸、凹尖角。该零件的所有尺寸均属未注公差，可按 IT14 级精度制造。查标准公差表（GB/T1800.12009） ，各尺寸分别为 由于精度不高，普通冲裁即可满足设计要求。以上说明，该零件形状较简单，尺寸较小，批量大，特别适合冲裁加工。1.3 模具刃口加工工艺分析由于制动圈零件外形有多处尖角， 因此模具工作零件刃口采用常规机械制造工艺加工比较困难，但适合采用电火花线切割工艺加工。考虑到电火花线切割加工的电极丝直径小于 1mm，因此在满足制动圈零件使用要求的前提下，决定将全部尖角改为圆角R1。这样，既可满足加工工艺性的要求，也能适当提高模具使用寿命。2第二章 冲裁工艺方案分析方案一：采用单工序模生产，先冲不规则形状，后落料。方案二：采用连续模生产，冲不规则形状、落料同时在多个工位上完成。方案三：采用复合模生产，冲不规则形状、落料同时在一个工位上完成。分析认为：方案一：模具结构简单，制造容易，周期短。但需两副模具，成本高，制品精度低。尤其是生产率低，难以满足中批量生产要求。方案二：只需一副模具，制品精度能满足设计要求，生产率高，操作方便。对于简单冲裁件，模具结构不复杂，但轮廓尺寸较大，故模具制造成本较高。方案三：只需一副模具，制品精度高，生产率高，操作方便。对于简单冲裁件，模具结构并不复杂，轮廓尺寸也较小。虽然制动圈零件的所有尺寸均可满足单工序模、连续模和复合模的冲裁要求，但通过上述三种方案的对比，该零件采用复合模生产（方案三）为最佳冲裁工艺方案。3第三章 模具总体方案的确定3.1 模具类型本模具采用落料凹模和冲孔凸模在上模、凸凹模在下模的倒装式复合模。该类模具的优点是结构简单，卸料方便，废料和制件易引出，操作方便安全。采用 1 个挡料销对条料纵向定位并控制送进步距， 条料两侧各采用 2 个导料销进行横向定位。3.2 操作方式制动圈零件为大批量，通过合理安排生产，可采用手动送料方式。这样既可以满足生产要求，又能降低生产成本，提高经济效益。3.3 卸料、出件方式3.3.1 卸料方式本模具采用弹性卸料装置卸除落料后箍在凸凹模刃口轮廓上的废料， 采用自然漏料方式卸除冲孔后产生的废料。弹性卸料装置包括卸料板 1 件、卸料橡胶 1 件、卸料螺钉 2 件。3.3.2 出件方式由于冲裁结束后，制件会卡在上模组件的落料凹模内，因此采用推件装置借助压力机横梁向下推出制件。推件装置包括推件杆 1 件、推件板 1 件、推件销 3 件、推件器 1 件。3.4 送料方式采用顺条料长度方向的方式送料。3.5 导向方式采用中间导柱模架，用导柱、导套对模具导向。4第四章 模具设计计算4.1 排样、确定搭边值并计算条料宽度、确定送料步距及材料利用率4.1.1 排样方式选择综合考虑零件的结构形式和模具制造成本，排样的布置选择单列直排方式，见图5-1。图 5-1 排样方式4.1.2 计算条料宽度根据零件形状和尺寸查模具设计与制造教材（以下简称“教材”）的表2-10，零件两侧的搭边值按圆形取a=1mm，零件之间的搭边值按矩形取a 1 =0.8mm。条料宽度按教材的公式（2-3）计算：式中，B条料宽度，mm；L垂直于送料方向的冲裁件最大尺寸，mm；a冲裁件与条料侧边之间的搭边值，mm；条料下料时的下偏差值，从教材的表2-11查取；b 0 条料与导料件之间的间隙，从教材的表2-11查取。代入相关数据，可计算出条料宽度54.1.3 确定送料步距送料步距即条料在模具冲压生产中每次送进的距离，用 S 表示。送料步距按教材的公式（2-2）计算： = + = + =最终取条料宽度B=63 mm，送料步距 S=31mm= ，则 a 1 =1mm，a=1.5mm。图 5-2 制动圈复合冲裁排样图4.1.4 计算材料利用率冲压件实际面积与所用材料面积的百分比，称为材料利用率，它是衡量合理利用材料的重要指标。一个步距内的材料利用率按教材的公式（2-1）计算：式中，F 为一个步距内冲压件实际面积；B 为条料宽度；S 为步距。4.2 冲压力计算在冲裁生产过程中， 冲压力包括使材料产生塑性变形以获得工件形状的对应各工序的冲裁力、卸料力、推件力和顶件力等。所有冲压力的合力中心称为压力中心.6计算冲压力的目的，是为了合理选择冲压设备、正确设计模具并校验其强度，同时合理选择弹性元件。在选定压力机时，必须保证其吨位大于所计算的冲压力。当冲压力过大时，可以通过阶梯凸模冲裁、斜刃冲裁和加热冲裁等措施减小冲裁力。计算压力中心的目的，是为了使压力中心位于冲压设备允许的偏心范围内，以防偏心过大造成模具受力不均匀，影响冲压设备和模具的使用寿命。4.2.1 冲裁力计算冲裁力即冲裁过程中凸模对板料施加的压力，其值随凸模进入材料深度而变化，通常取最大值。采用普通平刃冲裁时，冲裁力按教材的公式（2-16）计算：t =式中，F冲裁力；K系数；L冲裁周长；t材料厚度； b 材料抗剪强度。（1）系数系数是考虑实际生产中模具间隙值的波动和不均匀、刃口磨损、板料力学性能和厚度波动等原因对冲裁力的影响而确定的修正系数，一般取=1.3。（2）冲裁周长冲裁总周长 L 为压力机一次行程中落料与冲孔的冲裁周长之和：L=*r*2+Lo=188.19+153.6=342.1mm（3）材料厚度本课题中，冲压件材料厚度 t=1.0mm。（3）材料抗剪强度本课题冲压件材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，查教材的表 1-3，可知其抗剪强度 b 为 430550MPa，最终取 b =550MPa。根据以上参数，可计算出冲裁力为F=1.3*342.1*1*550=245kN74.2.2 卸料力和推件力计算本模具采用弹性卸料装置卸除落料后箍在凸凹模刃口轮廓上的废料， 采用自然漏料方式卸除冲孔后产生的废料，采用推件装置借助压力机横梁向下推出制件。其中，卸除落料废料和冲孔废料需要的力称为卸料力，推出制件需要的力称为推件力。卸料力和推件力分别按教材的公式（2-18） 、 （2-19）计算：卸料力：推件力：式中，F冲裁力；n同时卡在凹模孔内的冲孔废料个数；K x 、K t 分别为卸料力、推件力系数，查教材的表 2-15，可得 K x =0.045（取中间值） 、K t =0.055。为此，卸料力和推件力之和为+ = + = + =为此，本模具的冲裁总工序力为S + + = + =4.3 压力中心模具压力中心是指冲压时所有冲压力合力的作用点位置。由于本模具为复合模，且制动圈零件形状尺寸沿 x、y 轴对称，故模具压力中心即为该零件的对称中心。4.4 选择压力机压力机公称压力 G 应大于总工序力的 1.2 倍，即 G270*1.2=324（kN） 。查教材的表 1-5， 初选公称压力为 400kN 的 J23-40 开式双柱可倾式压力机， 其最大闭合高度为 300mm，封闭高度调节量为 80mm，滑块行程为 100mm，工作台尺寸为630mm430mm，立柱间距离为 300mm 模柄孔直径为 50mm，深度 70mm。4.5 模具刃口尺寸计算4.5.1 冲裁间隙冲裁间隙即凸、凹模刃口之间的间隙，总间隙用符号 C 表示，单面间隙为 0.5C8冲裁间隙的大小不仅影响冲压件的断面质量和尺寸精度， 而且影响冲裁工艺力的大小和模具的使用寿命，因此是冲裁工艺与模具设计中一个非常重要的参数。4.5.2 凸、凹模加工方法的选择与初始间隙值的确定冲裁模凸、凹模的加工方法基本上可分为配作法和分别加工法两类，本模具采用配作法加工。根据制动圈零件的材料和厚度， 查教材的表 2-12， 可得本模具冲裁刃口的最小初始间隙值为 Z min =0.17mm、最大初始间隙值为 Z max =0.20mm。4.5.3 计算落料刃口尺寸采用配作法加工时，落料刃口尺寸应以凹模为基准，凸模尺寸按凹模实际尺寸配作，保证双面间隙为0.170.20mm。制动圈零件的外形尺寸 均为A类尺寸，根据教材取模具制造公差为冲裁件尺寸公差的1/4，按公式（2-13）可计算出落料凹模刃口尺寸为+式中， A im 冲裁件的基本尺寸， mm ； i 冲裁件的尺寸公差， mm ； i /4 模具制造公差， mm ；x 磨损系数，从教材的表 2-14 中查取。根据制件外形、材料厚度和尺寸公差，取 x=0.5 。4.5.4 计算冲孔刃口尺寸采用配作法加工时，冲孔刃口尺寸应以凸模为基准，凹模尺寸按凸模实际尺寸配作，保证双面间隙为0.170.20mm。制动圈内部尺寸 f 为 B 类尺寸，根据教材取模具制造公差为冲裁件尺寸公差的 1/4 ，按公式（ 2-14 ）得冲孔凸模刃口尺寸为9= + D = + =式中， 冲裁件的基本尺寸， mm ；冲裁件的尺寸公差， mm ； /4 模具制造公差， mm ；x 磨损系数，从教材的表 2-14 中查取。根据材料厚度和孔的尺寸公差，取 x=0.5。4.6 模具总体结构尺寸和主要零件尺寸的确定4.6.1 凹模外形尺寸根据教材的公式 （ 2-31 ） ， 计算得凹模高度 H a 39.8mm ， 圆整取标准值 H a =40mm 。根据教材的公式（ 2-32 ） ，凹模刃口至边缘的尺寸应等于凹模高度尺寸 H a 的 1.2倍，即 48mm 。考虑到模具固定、定位零件的安装位置需要以及长度、宽度尺寸的协调， 凹模刃口至边缘的尺寸确定为 60 65mm 。 为此， 凹模长度确定为 L= 185mm ，宽度确定为 B= 160mm ，均满足压力机工作台尺寸和立柱间距的要求。4.6.2 模具各零件高度尺寸上模组件高度尺寸确定如下：上模座高度 45mm 、垫板高度 10mm 、凸模固定板高度 16mm 、空心垫板高度10mm 、凹模高度 40mm ，总高度为 121mm 。下模组件高度尺寸确定如下：下模座高度 45mm 、凸凹模固定板高度 20mm 、卸料橡胶高度 35mm 、卸料板高度 15mm ，总高度为 115mm 。模具闭合高度为上、下模高度尺寸之和，共 236mm ，加上材料厚度共 237mm 。4.6.3 凸模高度尺寸按阶梯冲裁设计，即落料结束后再冲孔，故凸模下端面应比凹模下端面高出一个材料厚度，则凸模总高度为凸模固定板高度 16mm 、空心垫板高度 10mm 、凹模高度40mm 之和再减去材料厚度 1mm ，结果为 65mm 。其中，轴肩高度为 6mm ，配合10高度为 10mm ，加强段高度按 45mm ，实际用于冲孔的凸模高度为 4mm 。4.6.4 凸凹模高度尺寸凸凹模与凸凹模固定板通过定位销和螺钉固定，构成凸凹模组件。其中凸凹模高度按 20mm 设计，刃口尺寸采用电火花线切割工艺加工。因此，凸凹模固定板总高度为卸料板高度 15mm 、卸料橡胶高度 35mm 、凸凹模固定板外缘高度 20mm 之和再减去凸凹模高度 20mm ，结果为 50mm 。11第五章 模具设计5.1 模具工作零件设计5.1.1 落料凹模设计落料凹模设计图见图 6-1 ，其中凹模刃口尺寸采用电火花线切割工艺加工。图 6-1 落料凹模设计图5.1.2 冲孔凸模设计冲孔凸模设计图见图 6-2 。图 6-2 冲孔凸模设计125.1.3 凸凹模设计凸凹模设计图见图 6-3 ，全部刃口尺寸均采用电火花线切割工艺加工。图 6-3 凸凹模设计图凸凹模与凸凹模固定板通过定位销和螺钉固定，构成凸凹模组件，见图 6-4 。图 6-4 凸凹模组件设计135.1.4 模具工作零件材料的选择选择 Cr6WV 冷作模具钢作为本模具工作零件的材料，这种钢材不仅具有较好的综合性能，而且变形小，淬透性良好，同时具有较好的耐磨性和一定的冲击韧性。5.2 卸料装置设计采用弹性卸料装置卸除冲裁结束后箍在凸凹模上的条料废料。 弹性卸料装置由卸料板、卸料橡胶、卸料螺钉组成。卸料板轮廓尺寸与落料凹模轮廓尺寸相同，高度为15mm ，材料为 45 钢。卸料橡胶采用高度为 35mm 的聚氨酯橡胶板加工。卸料板和橡胶板在卸料和复位过程中相对于下模板运动时， 采用下模的两个定位销作为定位、导向元件。5.3 推件装置设计冲裁结束后，制件会卡在上模组件的落料凹模内，故本模具设计了推件装置。推件装置由推件杆、推件板、推件销、推件器组成。模具完成每一个工作行程后，在上模上行时，推件杆将最先碰到压力机横梁，使其向下推动推件板、推件销和推件器，即可将制件从上模组件中推出。5.4 条料导向和定位机构设计采用 1 个挡料销对条料纵向定位，并控制送进步距。条料两侧各采用 2 个导料销进行导向和横向定位，以防条料侧向移动，影响零件的合格率。同时，采用导料钉对条料导向，还可以简化模具结构。5.5 模具总体结构设计采用中间导柱模架，其中的两个导柱对称于模具压力中心，以保证上模座在导柱上滑动平稳。同时，采用中间导柱模架时，在送料方向上具有较大的空间，因此对采用手工送料十分有利，既便于操作，也提高了安全性14第六章 模具闭合高度校核模具闭合高度 H 应满足式中， H max 压力机最大闭合高度；H min 压力机最小闭合高度；H 1 垫板高度。J23-40 开式双柱可倾式压力机最大闭合高度 H max =300mm ，最小闭合高度 H min=220mm 。而本模具垫板高度=10mm ，将这些数据代入上式得180 180 10 10 250 10 5 235 H = - + - - =本模具闭合高度 H=223mm ，在 180mm 制 235mm 之间，故模具闭合高度满足压力机要求，说明该模具的设计是合理的。本模具采用阶梯冲裁，因条料厚度为 2mm ，故落料结束时模具高度为 221mm 。将整个冲裁行程确定为 5mm ，则冲孔结束时模具高度为 218mm 。冲裁结束时，卸料橡胶被压缩 5mm 。因此，冲孔结束时的模具高度 218mm 也能够满足 J23-25 压力机的要求，故可将压力机上止点的模具高度定为 235mm ，下止点的模具高度定为 218mm 。15第七章 绘制模具总装图按已确定的模具类型、结构和相关尺寸数据，绘制完成模具装配图，见图 8-1 。图 8-1 托板落料、冲孔复合模具装配图16第八章 设计总结在过去的三个星期里面，我经过了自己的专业知识的实践，内容当然就是我的专业模具。让自己对所谓的模具有一个较为全面的认识。许多的以前的想法与观点在这次实践中受到了一个很大层次的正面的冲击，进而逐渐的对它们产生怀疑，接着而来的就是改观，又觉得的理由选择的改观。仔细一想，原来的自己的对专业的许多的看法其实是无知的，错误的。所谓的模具，并不再是自己想象中的那样的容易，那般的简单。开始感觉到那只不过是极其幼稚，不敢面对现实的懦夫的表现而已。看着一套又一套小型的模具的所有的组成结构，零件，件件零件的尺寸，想着它们该是如何的加工出来的？如何的进行工艺分析？怎样做才算是最为经济，最为科学的方案？这其中的指导老师的精心讲解，对每套模具构成零件的逐步的耐心剖析，以及同学们的在不懂之处的积极的紧扣主题的提问，这些就如同是在接受祖国与人民的关于模具方面的检阅一般，毫无退宿，毫无隐退，主动出击，随时期待着自己受到老师的发问。并不是因为都喜欢这样的爱好，这样的嗜好，而是在于自己心中有真货，自己心中有真情。在风一样流逝的岁月里，三个星期如昙花一线，弹指最多可以与一挥间相提并论。但让我们自己学到的东西，那绝对的不是一般可以概括，也不是仅仅的再加上相当二字就可以了得的，绝对的该是可以达到意想不到的可喜的收获方才罢休。慢慢的意识到，不是自己学不到，不是自己没本事，没能力学，而是在于自己敢不敢去学，想不想去学，有没有学习的那股子冲劲。它的着实的参与，让自己不得不把原先的许多的想法抛弃，让自己不得从不一直以来的游手好闲，无所事事中跳跃出来。其实那些只会危害自己，别人是不会对你投以一丁点的好感的，并不是因为别人都没有一视同仁的双眼，而是自己甘愿选择逃避，堕落。让自己深深的认识到，只有选择振作，去做，去思考，去学习，才会真正的有所收获。虽然短暂的实践会渐渐的从自己的学习与生活中远去，褪去，但是它给自己带来的变