支架冲压工艺及模具设计.doc

济南大学毕业设计1 前言1.1 国内外发展现状本次毕业设计的零件是支架，属于五金类产品，由冷冲压工艺得到。从用途来讲，支架还有液压支架，弹簧支架等各种新型支架都一一诞生到我们的生活中。目前支架的种类很多，大到工程领域如各种管道支架，建筑用的脚手架及做各种电器设备的支撑。小到我们生活用的各种支架，对我们来说，支架真是到处可见，厨房里的抽油烟机、微波炉的支架。在我们现代家庭装修时，支架用到的地方也是越来越多。他给我们生活带来了很大的方便。支架的材料【1】也是有很多种，从木材到塑料再到钢材。但钢材的应用还是居多。由于支架大多都是作支撑作用，鉴于它的这个功能，在强度的要求方面会比较高，而支架的材料很大程度上取决于其强度的高低，因此支架材料将是一个更加有待于去探索的方向。另外，有一个决定支架强度的因素是支架结构，如利用加强筋或其他特殊结构都会使其更加坚固。我们生活中多数见到的支架大多是以冲压技术来加工的。首先，它属于人们日常用到的产品，需求量比较大，而冲压技术正好可以提供这一条件大批量生产且效率高。其次，冷冲压加工与其他加工方法相比，无论在技术上或是经济效果上，都有很多优点： 冷冲压是一种高效（即高生产率）低耗（即材料利用率高）的加工方法：冷冲压工艺，适用于较大批量零件生产，便于实现机械化与自动化，有较高的生产效率。同时，冷冲压不仅能努力做到少废料和无废料生产，而且即使有边角余料，也可以充分利用，使之不致造成浪费； 压力机简单冲压下，可以获得用其他加工工艺难以加工的各种形状复杂的零件； 操作简单，便于组织生产。在大批量生产条件下，冲压件的成本较低； 冲压出的制品零件，一般不需做进一步机械加工，具有较高的尺寸精度； 冲压件有较好的互换性，冲压加工稳定性好，同一批冲压件可相互调换使用，不影响装配和产品性能； 冲压加工可在耗费不大情况下，能获得强度高、刚度大而重量轻的零件。总之，对我们使用者来说，便宜，好用当然就是首选。但是，目前我国在这方面的研究还比较滞后，模具的制造技术是一个很大的制约因素，需要我们花一段时间来学习，赶上世界的先进水平。1.2 选题的目的及意义本设计的产品对象是支架，属于五金冲压零件。由于它的功用给人们带来了很大的便利，简单的结构（如图1-1所示），简单的操作就可以产生如此效果。并且，在支架材料，支架结构方面及对它的整个生产过程的了解都值得我去学习。因此选择它作为我毕业设计的设计对象是很有意义的。图1-1 支架使用实例图确定支架安装位置 钻螺纹孔 用螺钉固定支架 紧固 安装放物板 完成2 设计内容板材冲压是金属板带在压力机的模具上冲压成各种零件的金属塑性加工方法【2】。一般冲裁件的板料厚度在10mm以下，成形件厚度在20mm以下。板材冲压有剪切、 冲裁、 弯曲和拉伸等加工方式。板料的冲压性能用拉伸、硬度、金相、杯突、冷弯等试验测定。冲压前，除了提供板料的屈服强度、抗拉强度、延伸率等数值以外，还应提供应变硬化、厚度和平面各向异性等数值。不同的加工方式对以上数值应有不同的要求，以便取得最好的冲压效果。虽然冲压技术已经走向成熟，但在许多方面还有待于改进和提高，例如，一套模具只能用于一种零件或一类零件。冲压产品的精度一般都不会像机加工那样高等。100125mm支架冲压工艺及模具设计的是根据支架结构特点及技术要求, 围绕如何提高生产效率、降低制造成本、简化模具结构, 制订冲压成形的工艺方案。解决条料的定位、导向、卸料、出件、优化模具结构等技术问题【3】。确定冲压工艺过程需要考虑的问题是多方面的，其主要内容有：(1). 对冲压件进行工艺分析；(2). 通过分析比较，确定最佳工艺方案；(3). 确定模具结构形式；(4). 合理选择冲压设备。此次设计成品的生产模式： 大批量生产，压力设备型号不受限制- 31 -3 设计方案首先，查阅各方面关于冲压工艺及模具设计的有关文献，包括书籍、期刊、论文、设计手册和设备技术参数。然后通过了解这些知识，在具体分析要加工零件的特性，以制定出合理的冲压方案。由此初步得出支架的冲压工艺及模具的基本工艺方案设计过程如下图2-1所示：零件图工艺分析工艺方案毛坯尺寸计算排样方式及利用率工序性质及次数工序组合最终方案确定图 2-1 冲压工艺方案设计流程图3.1 设计对象设计的产品对象是100125mm支架，如下图（图3-1为实物图，图3-2为零件图）所示：图3-1 实物照片图3-2 零件图3.2 冲压件的工艺分析该冲压件作为一个支架，壁厚为1mm，其功能主要是用来起到支撑作用的，属于不对称零件，无尖角，弯曲圆角半径r为15.5，相对圆角半径r/t为15.5，大于最小弯曲半径值，因此可以弯曲成形。由于此零件是不对称的，因此在弯曲的时候会出现坯料偏移的情况，需要在设计弯曲模具的时候考虑坯料偏移这一因素。在其他精度方面要求不高。的四个圆孔和的两个圆孔精度不高，公差没有要求。加强筋部分要求规定的斜度。通过以上工艺分析，可以看出该零件，尺寸精度要求不高，主要是轮廓成形问题，又属于大批量生产，因此可以用冲压方法生产。3.3 确定工艺方案3.3.1 计算毛坯尺寸分析该零件的结构，其最主要的尺寸是总长，和总宽。总长是由弯曲决定的，总宽则是由压筋决定的。（1）首先计算总长，弯曲件的展开图根据应变中性层的长度不变原则计算。该件的尺寸标注是在内测标注，所以毛坯的近似长度由文献【4】 P131得L=a+b+ （3-1）如图3-3所示：值是由弯曲半径r和壁厚t决定的，查表2-14【4】得= -7.88因此 L=a+b+=124+99-7.88=215.12 mm，由于对零件的精度要求不高，因此取L=215mm。图3-3 毛坯长度计算图（2）然后计算总宽，该零件的总宽是由压筋所决定的，其展开图根据应变中性层的长度不变原则计算，如图3-4所示。B=2l+2 h/cos（85/2）+2（133/360）2+2（85/360）2=211+2（9/cos42.5）+2（133/360）22+2（85/360）21=58 mm图3-4 毛坯宽度计算图（3）由上述计算可得出最终毛坯尺寸如图3-5所示：图3-5 毛坯3.3.2 选材在加工支架的过程中,支架的材料一般选用要根据厂家的需求程度综合考虑,一般情况下选用普通碳素钢板、优质碳素结构钢板、合金结构钢板、电工硅钢板、不锈钢板以及其他钢板，如镀锌钢板、工具钢板等。45号钢为 优质碳素结构用钢 优质碳素结构钢按含碳量不同可分为三类：低碳钢（C0.25%）、中碳钢（C为0.25-0.6%）和高碳钢（C0.6%）。其中30、35、40、45、50、55等牌号属于中碳钢，因钢中珠光体含量增多，其强度和硬度较前提高，淬火后的硬度可显著增加。其中，以45钢最为典型，它不仅强度、硬度较高，且兼有较好的塑性和韧性，即综合性能优良。45钢在机械结构中用途最广。本次设计以45 钢为例进行计算。3.3.3 确定排样方式及计算材料利用率（1）排样方法在冲压零件的成本中，材料费用占60%以上，因此材料的经济利用是一个重要问题。由于在该设计中选择的材料为巻料，因此在送料时要考虑到在同一方向送料，所以，选用单行排列。在排样之前，我们要考虑排样时的搭边问题，搭边的作用是补偿定位误差，保证冲出合格的工件。搭边还可以使调料有一定的刚度，便于送进。因此查表2-11【5】的数值，工件间=0.8，沿边a=1.0。依据以上数据在这里有两种排样方案如图3-6所示：a) 排样方案一 b) 排样方案二图3-6 排样方案（2）材料利用率衡量排样经济性的标准是材料的利用率，也就是弓箭的实际面积与板料面积A的比值，由文献【5】得： （3-2）由于此毛坯的形状是一个不规则形状，因此用CAD计算面积得其近似值为，近似周长为L=453 mm。由式3-2得：排样方案一的利用率 =(7376/58217)100%=58.6%方案二的利用率 =(7376/67210)100%=52.4%由以上数据 因此采用方案一的排样方式。3.3.4 冲压工序性质及工序次数的选择该冲压零件需要的基本工序和次数有a) 落料b）弯曲c）压筋d）冲底面的三个孔（一个和两个）e）冲侧面的三个孔（一个和两个）f）起伏根据以上这些工序，可以做出下列四种组合方案：方案一：a）落料b）弯曲c）压筋d）冲所有的孔同时起伏方案二：a）落料b）弯曲c）压筋d）冲底面的三个孔以及起伏e）冲侧面的三个孔以及起伏方案三：a）落料b）压筋c）弯曲d）冲所有的孔同和起伏方案四：a）落料b）压筋c）弯曲d）冲底面的三个孔以及起伏e）冲侧面的三个孔以及起伏分析零件本身，先压筋后弯曲会使零件加强筋的性能被破坏，强度可能会被削弱。因此排除方案三和方案四。同时冲六个孔和分别冲两侧的孔最大的不同就是，同时冲六个孔时至少需要一个侧冲，模具空间结构不易布置，加大了设备的设计难度，而分别冲两侧的孔就多了一道工序。从现有的技术来看，选择分别冲两侧的孔。因此最终选择方案二作为最终方案。3.3.5 方案的最终确定由以上分析计算最终确定100125mm支架冲压工艺方案为：落料弯曲压筋冲底面的三个孔及起伏冲侧面的三个孔及起伏。因此其工序图如图3-7所示图3-7 工序图4.落料模具设计4.1 模具结构形式的确定在选择合理的模具结构形式,使它尽可能满足以下要求：(1) 能冲出符合要求的模具；(2) 能提高生产率；(3) 模具制造和修磨方便；(4) 模具有足够的寿命；(5) 模具易于安装调整，且操作方便、安全。本模具采用单工序落料模，落料边缘采用一次成型，不需要修边，因此落料凸凹模精度要求要较高一点。4.2 冲裁模具的具体设计4.2.1 冲模的压力中心为了保证压力机和模具正常的工作，必须使冲模的压力中心于压力机滑块中心线相重合。否则，在冲压时会使冲模与压力机滑块歪斜，引起凸、凹模间不均和导向零件加速磨损，造成刃口和其它零件的损坏，甚至还会引起压力机导轨磨损，影响压力机精度。本次加工的零件是规则图形件，压力中心即为零件的几何中心。4.2.2 凸凹模间隙冲裁间隙是直接关系到冲件断面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗的重要参数。所取冲裁间隙数值，应在保证冲件断面质量和尺寸的前提下，使模具寿命最长。由文献【5】P14 表2-3 查得：Zmin=0.07 ，Zmax=0.09 Zmax- Zmin=0.09-0.07 mm=0.02 mm4.2.3 凸、凹模工作部分尺寸和公差对于单工序落料模来说,工作部分包括凸模，凹模三个零件。在确定冲模的凸模和凹模工作部分尺寸时，必须遵循以下几个原则：1)对于落料件的尺寸取决于凹模的尺寸,因此落料模应先决定凹模尺寸,用减少凸模尺寸来保证合理间隙。2)考虑到冲裁件中凸、凹模的磨损，设计落料模时，凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小尺寸；这样，在凸、凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格零件。凸、凹模间隙则取最小合理间隙值。3)考虑工件精度与模具精度间的关系，在选择模具刃口的制造公差时，既要保证刃口制造公差要求，有要保证合理的间隙数值，一般冲模精度较工件精度高2-3 级（1）凸凹模的总长计算按工件成形后精度为IT10 级来计算尺寸，查文献【6】P37标准偏差公差数值表3-2得： 工件尺寸总长mm由文献【5】P18 表2-6 查得：mm，mm+=0.075mm Zmax- Zmin因此：=0.4（Zmax- Zmin）=0.40.02=0.008mm=0.6（Zmax- Zmin）=0.60.02=0.012mm工件公差=0.185mm由文献【5】P18 表2-7 查得：x=0.75所以落料凸凹模的总长尺寸：L=（L-x）=（215-0.750.185）=214.86mmL= （L- Zmin）=（214.86-0.07）=214.79mm工件尺寸总宽=mm由文献【5】P18 表2-6 查得：mm，mm+=0.050mm Zmax- Zmin因此：=0.4（Zmax- Zmin）=0.40.02=0.008mm=0.6（Zmax- Zmin）=0.60.02=0.012mm工件公差=0.1mm由文献【5】P18 表2-7 查得：x=1所以落料凸凹模的总宽尺寸：B=（B-x）=（58-10.185）=57.82mmB= （B- Zmin）=（57.82-0.07）=57.75mm则凸、凹模尺寸计算结果如下表表4-1 凸、凹模工作部分尺寸和公差种类工件尺寸凸模尺寸凹模落料长度mmL=214.79mmL=214.86mm宽度=mmB=57.75mmB=57.82mm4.3力的计算4.3.1 冲裁力冲裁力的计算是为了合理的选用压床和设计模具，压床的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应冲裁的要求。平刃模具冲裁时，其冲裁力文献【5】P20得： （4-1）其中： t材料厚度（mm）；材料抗剪强度；L冲裁周长（mm）。由凸凹模间隙的估计值Z=（1%-17%）t查文献【5】P21表2-8得。其中：材料的屈服强度。查文献【7】P136表7-8得45钢的屈服强度=355由以上数据得冲裁力=453mm1mm0.7355=112.57 KN4.3.2 卸料力：由文献【5】P22得卸料力公式F=KF （4-2）F=KF =0.05112.57 KN=5.63 KN式中：K卸料力系数由文献【5】P23表2-10 查得：K=0.054.3.3 总压力冲裁时之冲压力为冲裁力、卸料力和推件力之和，这些力在选择压力机时是否要考虑进去，应根据不同的模具结构区别对待。本次设计的模具采用了刚性卸料装置进行冲裁。所以：F = F + F=112.57+5.63 KN=118.20KN4.3.4 压力机的选用及模具的闭合高度由于零件要求大批量生产，效率高，因此采用机械压力机。在压力机的类型选定以后，应进一步根据冲裁力的大小，冲压件尺寸和模具尺寸来确定设备的规格。(1). 各种工序所需压力F总由上4.3.3 的计算可知：F总=118.20KN；考虑到模具刃口的磨损，凸凹模间隙的波动，材料机械性能的变化，材料厚度偏差等因素，实际所需冲裁力还需增加30%即：F 公称=1.3118.20KN =153.66kN；由此可选用压力机JH21-25，其滑块行程长度80mm。(2). 闭合高度h模冲模的闭合高度h模是指模具在最低的工作位置时，下模座的底面至上模座的顶面的距离。在设计模具时，它应与压力机的闭合高度相协调。由上述所选压力机可知，装模高度最大值250mm，要其所设计的冲模的闭合高度应小于压力机的最大装模度:h模hmax-5mm；即 h模 Zmax- Zmin因此：=0.4（Zmax- Zmin）=0.40.02=0.008mm=0.6（Zmax- Zmin）=0.60.02=0.012mm工件公差=0.03mm由文献【5】P18 表2-7 查得：x=0.75，所以冲孔凸凹模的尺寸：d=（d+x）=（4+0.750.03）=4.02mmd= （d+ Zmin）=（4.02+0.07）=4.09mmd=（d+x）=（3.5+0.750.03）=3.52mmd= （d+ Zmin）=（3.52+0.07）=3.59mm则凸、凹模尺寸计算结果如下表表2 分开加工的凸、凹模工作部分尺寸和公差计算种类工件尺寸凸模尺寸凹模尺寸冲孔d=mmd=4.02mmd=4.09mm冲孔d=mmd=3.52mmd=3.59mm7.2.3 凹模设计注意到在冲孔处有一小凸台，因此凹模设计时也应有这样一个小凸台，在冲压的时候，冲压力的作用下同时成型。7.2.4 凸模设计(1) 凸模长度L由于直角边的存在，并且在冲孔是半成品的固定的需要，使得凸模长度增长这里设计在卸料板上开孔，冲头直接通过卸料板的孔在进行冲压，这样就有效的提高了冲头的刚度。初步确定凸模长度L=96mm。(2) 凸模强度校核一般当凸模特别细长，断面尺寸较小而坯料厚度较大时必须进行凸模的强度校验，因此此冲孔凸模只要对冲孔的凸模进行校核安全，那么其他的凸模都将安全。文献【8】P121得凸模校验公式：dtp （7-1）式中：d 凸模直径（mm）；t 毛坯材料的厚度（mm）；p 单位冲裁力（N/mm）；凸模材料许用压应力（N/mm）。单位冲裁力 p=/（）=20.73/12.69=1.63 N/mm代入式7-1得：dtp4.0211.63=20.58=101.49由文献【15】P97表5-12得=7.5-13 MPa，在这里取8 MPa。.因此此冲头安全，可以使用。7.3 力的计算7.3.1 冲裁力冲裁力的计算是为了合理的选用压床和设计模具，压床的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应冲裁的要求。平刃模具冲裁时，其冲裁力由式4-1 其中: t材料厚度（mm）；材料抗剪强度；L冲裁周长（mm）。由凸凹模间隙的估计值Z=（1%-17%）t查文献【5】P21表2-8得其中: 材料的屈服强度查表得=由以上数据得冲孔的冲裁力=22mm1mm=7.54 KN冲一个孔的冲裁力=21.751mm=6.59 KN因此总的冲裁力=2+=26.59+7.54=20.73 KN7.3.2 卸料力：由式4-2得：F=KF F=KF =0.0520.73 KN=1.04 KN式中：K卸料力系数由文献【5】P23表2-10 查得：K=0.05。7.3.3 总压力冲裁时之冲压力为冲裁力、卸料力和推件力之和，这些力在选择压力机时是否要考虑进去，应根据不同的模具结构区别对待。本次设计的模具采用了刚性卸料装置进行冲裁。所以：F = + F=20.07+1.04 KN=21.11KN考虑到模具刃口的磨损，凸凹模间隙的波动，材料机械性能的变化，材料厚度偏差等因素，实际所需冲裁力还需增加30%即：F 公称=1.3118.76KN =154.39 kN；7.3.4 压力机的选用及模具的闭合高度（1）压力机的选择由上7.3.3 的计算可知：F=21.11 KN；由此可选用压力机J75G-60高速自动压力机。（2）闭合高度h模冲模的闭合高度h模是指模具在最低的工作位置时，下模座的底面至上模座的顶面的距离。在设计模具时，它应与压力机的闭合高度相协调。由上述所选压力机可知，装模高度最大值350mm，要其所设计的冲模的闭合高度应小于压力机的最大装模高度: h模hmax-5mm；即 h模345 mm。故拟定模具的闭合高度为220mm。综上所述，这套落料模的结构要点如下：1） 采用单工序多冲头冲孔模，冲头由卸料板做必要的导向增加冲头强度。2