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案例二 弹簧片冲压工艺分析及冷冲模设计

原始资料:
工件名称：弹簧片
工件简图：如图所示
图2-1 工件简图

材料：QSn6.5-0.1Y
厚度:0.5
材料冲压性能非常好，非常有利于冲裁。
这个制件的结构并不怎么复杂，主体的部分为阶梯圆筒形，可以用拉伸的方法进行成型。有一个Ф8mm的孔，孔与制件外围的距离分别4mm、4mm，4mm,39mm.这些距离远大于材料厚度0.5mm，是非常满足冲裁的。冲裁时对孔径的要求也是有一点的，通过查资料，此材料的抗剪切强度所对应的孔的直经能满足冲孔时的最小孔的直径的要求，然而材料：QSn6.5-0.1Y本身就有非常好的冲裁性能，便于冲裁．工件别的好多尺寸也没有标注尺寸公差，就可以把它当做自由公差，要想更好的进行设计，我们可以取合适的等级精度，若是这样做的话，应该能达到本次课题的预期效果。
1.工艺方案的确定
工艺方案的确定就是确定相关的工艺工序，工艺工序之间的排列与合成，工艺参数。冲压方案有好多种，我们要一个一个的方案，一个一个的工序去分析，在经济等因素的考虑下，选择最合理的方案。
第一种：利用单工序冲裁模，第一步落料，第二步冲孔，最后成型。在压力机的一次作业行程中，在模具莫一工位中会完成莫一工序的冲压。这样的话，需要非常多的模具，就有很高的成本，但它有非常简单的操作，也有利于维护与保养，最主要的是它还能大批量生产。从整体上看，优点大于缺点。
第二种：利用复合冲裁模，同时进行落料冲孔，最后成型。在模具的莫一工位上在同一时间完成两个或者两个以上的冲压工序。因此，它不需要太多的冲裁模具，但对于冲裁模具的要求非常严格。并且很难维修保养，制造出来的精度也不高。并且在作业中，经常出现问题。
第三种：利用级进冲裁模，按照一定的顺序，将冲裁件的全部工序在一次冲压行程中完成，其中的条料会在不同的工位上完成冲裁。这样就只需一个模具。这样以来，对于精度的要求非常之高。有了非常复杂的操作，但同样也有了非常少的成本。
综合上面三种方案优缺点的分析，最适合本课题的应是第一种方案。可以在落料冲孔复合模和成型模上一次性的，非常迅速的完成作业。
2.主要的设计及计算
图弯曲毛坯长度
2.1毛坯尺寸的计算

查阅资料得

当时

式中 ---弯曲件中心角()；
r---弯曲件内表面的圆角半径(mm)；
---弯曲件中性层系数；
---应变中性层的曲率半径(mm)。
所以L展开为43mm。
2.2排样方式的确定
在冲裁之前，必须要确定好排样方式，排样方式的合理会影响到材料的耗能，经济的利用，制件的质量，模具的健康程度等。当生产大批量制件时，它的材料的成本占到冲裁件非常大的一部分，估计有60%，甚至比这还多，为了减少成本，减少浪费，应该使更多的材料都能用上。所以排样的好与不好非常重要，而材料的利用率又决定了排样的好与不好。材料的利用率等于零部件的表面积除以所用材料的表面积。
η= (na/Ch)100%
式中 A---冲裁件面积（包括冲出的小孔在内）（mm²）；
n---一个进距内冲件数量；
C--条料宽度（mm）；
h---进距（mm）。
为了提高材料的利用率，减少成本。应该就要较少废料的表面积。废料又分为工艺废料和结构废料。零件与零件的废料和料头和料尾产生的废料叫工艺废料。而零件本身的轮廓产生的废料为结构废料。
图4-2 排样图
考虑到操作的方便，可以选作单排。

材料的利用率：
η=NA/CL
式中 A---冲裁件的表面积；
N---一张板上冲件的总数目；
L---板料的长度；
C---板料的宽度。
这一次用的是横排 利用率大概在65%左右。
2．3载体的设置
在冲压的进行中，条料每一次向着前面送进的距离为步距，它的数值大小是排样沿送进的方向两个相邻的毛坯之间的最小距离值。
步距的公式为： S = L + a
式中 S---冲裁步距
L---沿着条料送进的方向，毛坯的外形轮廓的最大宽度值36
a---沿送进方向的搭边值 1.5
S=9.5
若使对送进，定位和导正有着益处，并且使末尾一个工位前的条料的两侧的外形完整，应该采用双侧载体。
2.4条料宽度的确定
通过排样结果确定毛坯所需要条料的宽度方向的最小尺寸为条料宽度。公式为
C=D+2B+δ
式中
C--条料宽度的理论值44.5
D---垂直于送料方向毛坯的最大轮廓尺寸。
B---侧搭边值1.3（《冲压工艺与模具设计》）
δ---条料与板料之间的间隙0.5（《冲压工艺与模具设计》表）
该零件条料宽度的确定：
B=43+ 2×1.3+ = 45.6mm
2.5条料宽度，材料进距和材料利用率的计算
通过查表得工件之间的搭边值A=1.5mm，边距搭边值为B=1.3mm设送料进距为H,材料利用率为η
则H=D+A=8+1.5=9.5mm
C=D+2B=43+2*1.3=45.6mm
η=253/45.6*9.5=0.58
2.6冲压力的确定和压力中心的确定
QSN6.5-0.1Y 所满足的抗拉强度为350MPa
1.落料力
此模具的出料方式为固定卸料和后方出料。
1）冲裁力。

2）推件力，通过查表得出推件力系数k=0.05，凹模中的卡件数=h/t=6/3=2
F冲＝nkf＝2×0.055×5＝0.55KN
3）卸料力。通过查表得出卸料力系数K卸=0.05。
F卸＝K卸F＝0.05×71.5＝3.5KN
4）总冲压力
F1＝F+ F推+ F卸＝71.5+5+0.55+3.5=80.55KN
压力中心就在中点，因为此零件是一个旋转件
2.7 压力机的选择
可以选择开式压力机JB20-10。因为它的公称压力F=100kn大于总冲压力，Hmax-5mm大于或等于Hm,Hm小于或等于Hm+10mm.它的滑行行程大于成型高度的2-2.5倍，它的工作台面尺寸比模具尺寸大.
2.8刃口分解设计
对于一次性冲切的这样的边要么是有公差要求的，要么采用滑动配 合方式的。为了方便加工，刃口分解必须要充分考虑加工成型方式和加工的设备。刃口分解与重组必须要朝着模具简单的方向发展，最好有非常少次的分解的阶段。重组之后应当有一个简化，有应当的强度，形状有规律，方便加工的凹模和凸模。在以下情况下需要进行分解，第一种情况；零件的外围表面有毛刺，且方向各不相同。第二种情况；形状非常复杂，有的部位细而长，有的槽又非常的窄。分解后，内轮廓和外轮廓在各个阶段期间应保持圆滑和平直。分解还要满足相应的零件的尺寸，精度和形状的要求。避免过多的分段塔结点，避免塔接点在外形非常重要的地方和零件的薄弱之处。
2.9刃口尺寸的计算
由给出的题目可知，冲孔直径和冲孔尺寸均为3.5mm
冲孔凸模刃口尺寸
落料凸模磨损后变小的尺寸，
=（+-）
=（-+-）
公差为IT14级时磨损补偿系数=0.5。按板料厚度0.5mm，由表可获得=0.120mm。所以落料凸模的刃口尺寸分别为：
由表可知Zmax=0.1 Zmin=0.06 因此
Φ6=（3.5+0.25×0.47+0.47/4-0.120）=3.6mm
凹模为3.68mm
3.模具主要零件设计
3.1凹模和凸模
模具的好坏体现在其工作的周期上，工作的寿命上，工作的性能上，以及成本上。然而模具的结构又决定了模具的好坏。那么我们又该如何把它的结构给设计出来呢。首先要把它的最基础的结构框架给分析出来，从而把它的单位结构和形式给分析出来。而分析模具的结构的依据为工序的排样。然后要把单位结构之间的关系以及零件之间的关系给分析出来。通过对该零件的分析，加工这个零件需要两套模具。然而模具还可以有以下这样的方式进行分类。其中的一种为正装式模具，次模具是凹模组装在下模座上，不管是工件的冲孔还是工件的落料，工件或者废料很容易地落在下模座的工作台面上，也就是冲床工作台上的废料孔中，所以并不需要考虑到废料的流向。但是废料会在凹模的孔中大量的积累，这样以来的话，就会使凸凹模孔内的小组张力变得非常的大，所以凹模的壁厚需要增加，来满足一定的强度需要。但是积累在废料孔中的废料需要进行清理，这又是相当麻烦的。板料的分开需要在压紧的情况下进行，因此它要求得平直度有一点高。那么另外一种模具就是倒装式模具，这种模具的凸模组装在下模座上，冲压所产生的废料会在凹模洞口中慢慢积累，当积累的废料越来越来多，冲压废料会从下模漏孔中流出，这样以来的话，就会免除了废料的清理这一过程，是非常的方便的。由于当积累过多的废料会从孔中流出，所以会减少废料对孔的张力，这样以来的话，会减少凹模的壁厚，因此可以节约模具的材料，减少经济成本。还有一点，就是工件表面平直度有一点差。
通过认真的思考，若是加工这个制件以IT14级来进行。这个制件的平直度要求非常严格，精度的要求也非常严格，，所以从精度这个方面考虑，应该利用倒装模具。
模具一般情况下有自动送料机构定距、定位钉定距、导正钉定距，侧刃定距四种定距方式，他们可以在各个不同的场合进行使用，可以自己独立地进行使用，也可以相互配合着进行使用。,而其中的定位钉进行相互配合是非常好的。现在就从定位装置这一方面上来考虑吧。定位装置用于定位的方法有好多种，在对于冲模这一方面来讲，有导料销定位，有导料板定位，有定位销定位，有定距侧刃定位，有挡料销定位，有测压装置定位。然而定位装置要满足一下几个条件。
1：应满足适宜的强度要求。
2: 所放的地方应满足操作人员方便看到并且方便作业。
3：所放的地方也应满足不能有油污，并且也没有活动构件的干扰。
4：应该有牢固的质量，相应的精度。
对于定位精度这一项上来说，必须先进行粗定位，再进行精定位。若是有多个工序需要进行定位时，需要保持同样的定位基准。
通过综合分析，这一次的课题设计所需要的定位方式为挡料销进行的定位方式，这样以来，条料才会以正确的送进去，用的挡料销的材料为45钢，热处理硬度为43～48HRC。
因为从零部件轮廓上面考虑的话，凹模的刃口应该是圆形的。现在开始设凹模的厚度为H,凹模的壁厚为C，凹模的周径为D1.
通过模具的结构可以知道H=35mm
C=（1.5～2）H=90mm。
孔口尺寸b=115mm，
通过查表得凹模尺寸规格为：160X140X25。材料选用C r12MoV。
如图所示

图3-1 凹模

凸凹模尺寸规格如图:,材料选用Cr12MoV，热处理：58～60HRC。其结构与尺寸所示：

图凸模

3.2 卸料版
为了把卸料板的性能和参数给清晰完美的展现出来，决定采用表格的形式。看下面：
名称
项目
结果
结语
卸料板
满足的最小厚度
14mm
通过分析工件的形状，卸料版应为长方形，本设计中使用的是固定卸料方式，卸料板与固定板之间通过卸料螺钉来连接。

卸料板
粗糙度
0.4-0.8mm
卸料板
刃磨量
4-6mm
卸料板
型孔和凹模的配合量
H7/h6
卸料板
厚度
16mm
卸料板
冲裁力
5%～20%
卸料板
材料
45
卸料板
规格
160X140X16

图3-3 卸料版

3.3 上垫板
上垫板的尺寸规格为:160X1400X10,材料选用45，热处理：淬火45～50HRC。 图上垫板

3.4设计导向零件
为了保证导套与导柱在作业前的完全闭合，应该要使上模座与导柱上端的距离为10-15mm。宜使上模座与导套上端，下模座与导柱下端的距离为0.5-2的距离。若工件的形状非常有规则，比喻对称形状，导柱的两侧位置和直径应该有点不一样。若是冲模是的侧向压力很大的时候，应该要使模座上有止推垫。为了方便加工装配，便于标准化，可以采用滑动式导柱导套结构。
3.5设计固定零件
为了把卸料板的性能和参数给清晰完美的展现出来，决定采用表格的形式。看下面：
名称
项目
结果
凸模固定板
尺寸规格
160X140X20
凸模固定板
材料
45
凸模垫板
尺寸规格
160X140X20
凸模垫板
材料
45
上模座
尺寸
250mm×205mm
上模座
材料
HT200
下模座
尺寸
250mm×2050mm
下模座
材料
HT200

4.模具总装图绘制与模具零件材料的选用

其中的1为内六角螺钉，2为模柄，3为防转螺丝，4为树脂，5为打料板，6为卸料螺钉，7为上模板，8为上垫板，9为冲头固定板，10为凹模，11为卸料板，12为凸凹模固定板，13为下模板，14为内六角螺钉，15为树脂，16为六角螺钉，17为圆柱销，18为圆柱销，19为冲头。
通过综合分析，本模具适合采用中间导柱模架。为了方便大家，就把一些重要的零部件的性质和参数利用表格的形式展现出来。如下两表：
名称
项目
结果
凸模，凹模，凸凹模
材料牌号
T10A
挡料销
材料牌号
45
压边圈
材料牌号
45
卸料板
材料牌号
45
推件块
材料牌号
T8
导柱、导套
材料牌号
10-20
固定零件
材料牌号
HT200
凸、凹模固定板
材料牌号
Q235

名称
项目
结果
凸模，凹模，凸凹模
热处理硬度
58～62HRC
挡料销
热处理硬度
52～56HRC
压边圈
热处理硬度
48～52HRC
卸料板
热处理硬度
56～58HRC
推件块
热处理硬度
56～58HRC
导柱、导套
热处理硬度
48～52HRC
固定零件
热处理硬度
43～48HRC
凸、凹模固定板
热处理硬度
43～48HRC