Z形金属片级进模设计.pdf

1302023 年 11 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备Z 形金属片级进模设计*高欣，魏颖，成亚宁，翟崇琳（宿迁学院机电工程学院，江苏 宿迁 223800）摘要：【目的】对材料为Q235、厚度为1.5 mm的金属片进行冲压工艺和模具设计，要求大批量生产。【方法】课题组通过对冲压件材料、结构形状、尺寸精度进行工艺性分析，制定了最佳的工艺方案；对金属片进行了排样设计、工艺力计算，同时利用AutoCAD软件确定了压力中心；根据排样图设计凹模并选择模架，绘制了模具结构图，并根据实际情况对压力机进行了校核。【结果】初步选择压力机型号为J23-100，采用级进模生产，模具的闭合高度H为209 mm，不满足：Hmin+10 mmHHmax-5 mm，故需要增加15 mm垫板，模具外形尺寸小于压力机工作台尺寸，满足要求。【结论】本设计采用直对排方式，提高了生产效率，降低了模具结构设计与制造的难度，对同类产品的设计具有指导意义。关键词：级进模；直对排；工艺力计算；模具设计中图分类号：TG386 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.22.036近年来，高速发展的经济推动了制造业的腾飞，模具作为制造业的重要基础领域，被称为“工业之母”，各种结构件和内饰件被高效率、大批量生产和应用，冲压模具市场需求巨大，具有广阔的发展前景1-2。本次设计的课题是金属片冲压工艺与模具设计，材料为Q235，厚度为1.5 mm，要求大批量生产。工件图如图1所示，该结构有明显的Z形弯曲及3个椭圆形的孔，还有两个加强筋。1 冲压件工艺性分析图1所示的金属片结构比较简单，整体为Z形弯曲，总高度为6 mm，宽度最大为40 mm，长度为64 mm，展开后的外形有 1 个长度为 58 mm、宽度为 3 mm的缺口矩形，有3个宽度6 mm、半径为3 mm的椭圆形孔，孔与孔之间的距离为40 mm，孔与边缘之间的最小距离为4 mm。图1工件图冲裁件表面粗糙度查文献 3 知，表面粗糙度Ra6.3 m，所有尺寸公差取ST7级，适合进行冲裁加工。工件弯曲半径为3 mm，查文献4知，min=0.5t=0.75 mm，且r/t=25，所以能一次弯曲成功并可以不考虑圆角半径的回弹。其中，min为最小弯曲半径，r/t为相对弯曲半径，t为材料厚度。金属片中有2条宽度3 mm、长度20.5 mm的加强筋，加强筋主要作用是在不增加壁厚的情况下，增加零件的强度，设计时加强筋厚度应小于壁厚，即取0.5 mm。金属片材料为Q235，查文献5知，其抗拉强度为380 MPa470 MPa，伸长率为21%25%，所以材料冲压成形性能好。综上所述，该工件具有良好冲压工艺性，适合冲压加工。2 冲裁工艺方案的确定本课题金属片由落料、冲孔、压筋、弯曲四道工序组成，因此可以采用以下方案。方案一：先落料，后冲孔，再冲制加强筋，最后进行弯曲，采用单工序模生产。方案二：落料冲孔复合冲压，再进行加强筋弯曲成形，两副复合模生产。方案三：按冲孔、加强筋、弯曲、落料顺序冲压，采用级进模生产。若采用方案一，模具结构简单，但四副模具成本较高，生产效率低，不满足效率要求；方案二模具结构复杂，制造难度大，难以实现自动化生产；方案三只有一副模具，生产效率高，易于实现自动化，同时满足精基金项目：宿迁市科技项目（Z2022098）作者简介：高欣（2001），女，河北邯郸人，本科，研究方向为材料成形及数值模拟。通信作者：翟崇琳（1983），女，江苏盐城人，硕士研究生，讲师，研究方向为金属材料成形及数值模拟。2023 年 11 月下131Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备度要求。通过以上分析，选用方案三比较合适。3 工艺计算3.1 排样设计工件长度64 mm，宽度根据文献3中的方法计算，查文献3可知在弯曲半径为3 mm和2 mm的情况下，应变中性层位移系数x分别为0.4和0.34，由文献3中公式：=(r+xt)，得1=3.6，2=2.5。为3/4，所以工件宽度：=/(180)=41.5 mm （1）即毛坯尺寸为64 mm41.5 mm1.5 mm，毛坯展开图如图2所示。图2毛坯展开图为保证冲压件精度和模具受力平衡，选用有废料的直对排方式。条料宽度按文献3中公式计算：B0-=(2+2a+e)（2）式中，为工件宽度，=41.5 mm；a 为搭边值，a=4 mm；e为条料与定位板之间的间隙，e=0.8 mm；代入公式得条料宽度为91.8-0.5 mm。步距为毛坯的长度加上中间搭边，即S=64 mm+4 mm=68 mm，排样图如图3所示。选用1 000 mm2 000 mm的板料进行纵裁，每条长度为2 000 mm，一共可裁1 000/91.8=10.89条，取10条。每条可冲2 000/682=58.82个，取58个，毛坯展开面积A=64 mm41.5 mm=2 656 mm2。查文献3知，材料利用率计算公式：=NALB1100%=5802 6561 0002 000100%=77%（3）式 中，N 为 一 块 板 料 上 冲 裁 件 的 总 个 数，N=1058=580个；A为毛坯展开面积；L为板料长度；B1为板料宽度。3.2 工艺力计算及压力中心确定3.2.1冲裁力、卸料力及推件力查文献3知，冲裁力：F=KL1t=1.3(12.56+28.845+131.422+（4）442+76.122+108.56)1.5350=524.43 kN式中，K为安全系数，取1.3；L1为冲裁件的周长；t为材料厚度，t=1.5 mm；为材料抗剪强度，=350 MPa。由文献 3 知，卸料力系数和推件系数分别为0.045和0.055，卸料力和推件力为：F卸=K卸F=0.045524.43=23.60 kN （5）F推=nK推F=1.20.055524.43=34.61 kN （6）式中，n为卡在凹模洞口中的料的件数，n=h/t，h为凹模刃口高度，n=1.2。3.2.2弯曲力和压筋力本课题所设模具中弯曲部分采用校正弯曲，单位校正力q值为50 MPa，A1为校正面积，则弯曲力：F弯=qA1=506410.4=33.28 kN （7）压筋力：F压筋=KL2tb=1.3355.51.5450=311.95 kN （8）式中，K为安全系数，取1.3；毛坯图中筋轮廓长度L2可以由AutoCAD软件测得为355.5 mm；材料Q235抗拉强度b取450 MPa；材料厚度t为1.5 mm。经过上述计算，总的冲压力：F总=F+F卸+F推+F弯+F压筋=524.43+（9）23.60+34.61+33.28+311.95=927.87 kN根 据 总 的 工 艺 力，初 步 选 择 压 力 机 型 号 为J23-100。3.2.3压力中心确定根据排样图，在 AutoCAD 软件中使用“域”功能，压力中心为图3的A处位置。A（a）切断 （b）弯曲 （c）空工位 （d）冲孔 （e）压筋 （f）冲孔、切边图3排样图1322023 年 11 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备4 模具总体结构设计本次设计采用导料板导料、自动送料和侧刃粗定位、导正销精定距。因金属片厚度为1.5 mm，故可选择弹性卸料，采用弹性顶出装置，出件时以出件的方向为基准，沿着斜坡将工件滑出。选用四角导柱导套模架，其导向精度高、操作空间大、稳定性好6-10。在设计过程中，凹模的设计是关键，它决定了模架尺寸及其他板的尺寸。设计时，外形的大小可根据排样图的大小进行设计，初步取值时长度和宽度比排样图单边大30 mm，由文献6调整凹模外形尺寸为470 mm240 mm30 mm。模具结构如图4所示，条料由左往右送进模具，上模下行，由导料板导料，进入模具后第一工位侧刃冲切料边进行粗定位，同时冲切椭圆形的孔及中间一个工艺定位孔。第二工位由导正销进行精确定位并进行压筋，第三工位冲中间孔，第四工位空工位，第五工位弯曲两边，使原来的工件由Z形变为U形弯曲，第六工位切断。弯曲结束后，由弹簧、卸料板、卸料螺钉组成的弹性卸料装置将条料卸下11-12，产品自动脱落。（a）主视图B-B（b）左视图图4模具结构J23-100型压力设备最大装模高度为480 mm，装模高度调节量为100 mm，最小装模高度为380 mm。本次设计模具的闭合高度H为209 mm，通过分析可知，模具闭合高度H不满足：Hmin+10 mmHHmax-5 mm，故需要增加15 mm垫板。模具外形尺寸为500 mm250 mm，小于压力机工作台尺寸1 080 mm710 mm，满足要求。5 结论本次课题是对金属片进行冲压工艺分析和模具设计，首先通过对冲压件材料、结构形状、尺寸精度进行工艺性分析，得出冲压件工艺性良好，并在此基础上制定了工艺方案，采用级进模生产。其次，对金属片进行排样设计、冲压力计算及压力中心确定，并初步选择了压力机，同时利用AutoCAD软件确定了压力中心。最后，根据排样图设计凹模并选择模架，最终绘制了模具结构图，并根据实际情况对压力机进行了校核。本课题设计最主要的特点是采用直对排，提高了生产效率，降低了模具结构设计与制造的难度，本研究对同类产品的设计具有指导意义。参考文献：1 杨磊.模具工业发展现状及注塑模具新工艺和新技术J.南方农机，2021，52(14)：135-137+143.2 施艳玲.浅谈我国模具产业发展现状及趋势J.知识经济，2016(16)：75.3 柯旭贵，张荣清.冲压工艺与模具设计M.2版.北京：机械工业出版社，2017.4 金龙建.多工位级进模设计实用手册M.北京：机械工业出版社，2015.5 王运炎，朱莉.机械工程材料M.3版.北京：机械工业出版社，2009.6 李静，唐鹏，伏思静.一种托片级进模设计J.锻压技术，2020，45(12)：151-154.7 李耀辉，李晴雨，刘英杰.多工位连续冲压模导料装置设计J.锻压装备与制造技术，2019，54(1)：97-100.8 孙鹏.弹性夹片冲压工艺分析与模具设计 J.锻压技术，2020，45(12)：160-164.9 龙玲，刘培勇，王青春，等.多工位级进模冲压工艺优化设计技术研究J.成都航空职业技术学院学报，2016，32(2)：46-48+82.10 陈国奇.CPU散热片叠扣级进模设计J.模具工业，2020，46(7)：19-21.11 任长清，宋鹏，杨春梅，等.重组竹热压自动卸料装置设计与仿真研究J.林业机械与木工设备，2022，50(9)：61-64+69.12 叶彩霞，王利，陈华，等.一种高精密车身钣金件多工位级进模卸料装置J.九江学院学报（自然科学版），2019，34(4)：31-34+56.