一类板材冲压机构及模具设计论文学位论文.docx
《一类板材冲压机构及模具设计论文学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一类板材冲压机构及模具设计论文学位论文.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
一类板材冲压机构及模具设计论文学位论文
摘要
在仪表、高低压电器、电控柜及变压器制造等行业，需要板材冲压加工，而板材冲压的种类繁多，不同的产品有着各种各样的要求，特别是大型孔类的冲压对设备的要求很高，普通的小型冲压设备难以达到，研究小型设备冲裁大孔是极其重要的。
本设计板材冲压单元，根据模具的受力分析，优化模具结构，来满足小设备冲裁大孔的加工需要的设备。
该设计通过对冲压机构结构设计分析，力学的分析，模具设计分析，来实现加工板材冲裁大孔的设备。
此外，它结构简单，容易制造，成本低，设备形状小，实现了小设备加工板材冲裁大孔的需求。
关键词：
冲压；冲裁力；模具设计
ABSTRACT
Intheinstrument,highandlowvoltageelectricalappliances,cabinetandtransformermanufacturingindustry，itneedsheetmetalstampingprocessing.Thesheetmetalstampingofawiderangeofdifferentproductshaveavarietyofrequirements,especiallylargeholepunchingdeviceclassisdemanding,andordinarysmallstampingequipmentisdifficulttoachieve.Thelargeholepunchinsmalldevicesisextremelyimportant.Thedesignofsheetmetalstampingunit,accordingtodiestressanalysistooptimizethemoldstructure，meetsthesmalldevicesBigHolepunchingequipmentneeded.Thedesignofthepunchmechanismthroughtheanalysisofstructuraldesign,mechanicalanalysis,molddesignandanalysis,achievestheprocessingofsheetmetalpunchinglargeholesinthedevice.Inaddition,itissimplestructure,easytomanufacture,lowcost,devicestheshapeofsmall,toachievesmalldeviceachievebigholepunchingsheetmetalprocessingneeds.
朗读
显示对应的拉丁字符的拼音
字典
朗读
显示对应的拉丁字符的拼音
字典
Keywords：
press；cuttingforce；techincalanalysisdiedesign
1前言
1.1板材冲压的发展现状
冲压是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或者分离，从而获得所需要形状和尺寸的工件的成形加工方法。
全世界的钢材，有60%~70%是板材，其中大部分是经过冲压制成成品。
汽车的车身、底盘、油箱、散热器片、容器的壳体、电机等都是冲压加工的。
仪器仪表、家用电器、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量的冲压件。
因此冲压在生活生产中占有很重要的地位。
板材冲压是金属加工的一种基本要领，他用以生产各类板材零件，具备生产效率高、尺寸精密程度好、重量轻、成本低并便于使成为机械化等独特的地方。
在现代汽车、拖拉机、电器机电、电子仪表、日用糊口用品、航空航天和国防工业等各个工业部分中均占有越来越重要的地位。
冲压加工与其它加工要领比拟，无论在技术方面还是在经济方面都具备许多奇特的优点，其生产出来的工件具备高精密程度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗的独特的地方，是其它加工要领所不可比拟的。
但需要指出的是，由于冲压成型加工必须具备响应的生产模型，而生产模型是技术精密新产物，其打造是单件小批量生产，具备难加工、精密程度高、技术要求高、生产资本高的独特的地方。
所以只有在冲压零件生产批量大的情况下，冲压成型加工的优点才气充实表现，从而获得好的经济效益。
由于冲压东西有上凸的特点，是以在批量生产中得到了广泛应用，在现代工业生产中占有十分重要的地位，是国防工业、民用工业生产中必不可少的加工要领。
直到现在，我国生产模型打造行业的产值已经超过机床工业。
有关板材冲压技术方面的问题愈来愈为许多人所为知，响应的冲压工艺理论的研究及冲压加工机理的切磋也随之不停深化，如何从冲压工序基本应力与变型状况的分析入手，改善冲件的质量精密程度，并提高生产模型的施用寿命也就显得愈为重要。
1.2模具的发展现状
模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。
1953年，长春第一汽车制造厂在中国首次建立了冲模车间，该厂于1958年开始制造汽车覆盖件模具。
我国于20世纪60年代开始生产精冲模具。
在走过了漫长的发展道路之后，目前我国已形成了300多亿元各类冲压模具的生产能力，所以无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展。
目前全世界模具年产值约为600亿美元，日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业。
“十二五”期间，我国模具工业的发展将面临新的机遇和挑战。
我国合金模具钢与美、日、法及瑞士等国际先进水平相比还存在一定的差距，在品种、质量、尺寸规格及性能等方面都难以满意市场需求，导致我国每年大批的中高档模具必须从国外进口。
一些大型、精密、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。
一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竞争激烈。
现将2004年我国冲压模具市场情况简介如下：
据中国模具工业协会发布的统计材料，2004年我国冲压模具总产出约为220亿元，其中出口0.75亿美元，约合6.2亿元。
根据我国海关统计资料，2004年我国共进口冲压模具5.61亿美元，约合46.6亿元。
从上述数字可以得出2004年我国冲压模具市场总规模约为266.6亿元。
其中国内市场总需求为260.4亿元，总供应约为213.8亿元，市场满足率为82%。
在上述供求总体情况中，有几个具体情况必须说明：
一是进口模具大部分是技术含量高的大型精密模具，而出口模具大部分是技术含量较低的中低档模具，因此技术含量高的中高档模具市场满足率低于冲压模具总体满足率，这些模具的发展已滞后于冲压件生产，而技术含量低的中低档模具市场满足率要高于冲压模具市场总体满足率；二是由于我国的模具价格要比国际市场低格低许多，具有一定的竞争力，因此其在国际市场的前景看好；三是近年来港资、台资、外资企业在我国发展迅速，这些企业中大量的自产自用的冲压模具无确切的统计资料，因此未能计入上述数字之中。
冲压模具水平状况近年来，我国冲压模具水平已有很大提高。
大型冲压模具已能生产单套重量达50多吨的模具。
为中档轿车配套的覆盖件模具国内也能生产了。
精度达到1~2μm，寿命2亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产。
表面粗糙度达到1.5μm的精冲模，大尺寸精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。
模具设计与制造能力状况在国家产业政策的正确引导下，经过几十年努力，现在我国冲压模具的设计与制造能力已达到较高水平，包括信息工程和虚拟技术等许多现代设计制造技术已在很多模具企业得到应用。
虽然如此，我国的冲压模具设计制造能力与市场需要和国际先进水平相比仍有较大差距。
这些主要表现在高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模方面，无论在设计还是加工工艺和能力方面，都有较大差距。
轿车覆盖件模具，具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点，可代表覆盖件模具的水平。
虽然在设计制造方法和手段方面已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步，但在制造质量、精度、制造周期等方面，与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。
有代表性的是集机电一体化的铁芯精密自动阀片多功能模具，已基本达到国际水平。
但总体上和国外多工位级进模相比，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，仍存在一定差距。
汽车覆盖件模具制造技术正在不断地提高和完善，高精度、高效益加工设备的使用越来越广泛。
高性能的五轴高速铣床和三轴的高速铣床的应用已越来越多。
NC、DNC技术的应用越来越成熟，可以进行倾角加工和超精加工。
这些都提高了模具型面加工精度，提高了模具的质量，缩短了模具的制造周期。
模具表面强化技术也得到广泛应用。
工艺成熟、无污染、成本适中的离子渗氮技术越来越被认可，碳化物被覆处理及许多镀层技术在冲压模具上的应用日益增多。
真空处理技术、实型铸造技术、刃口堆焊技术等日趋成熟。
激光切割和激光焊接技术也得到了应用。
专业化程度及分布状况我国模具行业专业化程度还比较低，模具自产自配比例过高。
国外模具自产自配比例一般为30%，我国冲压模具自产自配比例为60%。
这就对专业化产生了很多不利影响。
现在，技术要求高、投入大的模具，其专业化程度较高，例如覆盖件模具、多工位级进模和精冲模等。
而一般冲模专业化程度就较低。
由于自配比例高，所以冲压模具生产能力的分布基本上跟随冲压件生产能力的分布。
但是专业化程度较高的汽车覆盖件模具和多工位、多功能精密冲模的专业生产企业的分布有不少并不跟随冲压件能力分布而分布，而往往取决于主要投资者的决策。
例如四川有较大的汽车覆盖件模具的能力，江苏有较强的精密冲模的能力，而模具的用户大都不在本地。
冲压模具的发展重点与展望发展重点的选取应根据市场需求、发展趋势和目前状况来确定。
可按产品重点、技术重点和其他重点分别叙述。
1、冲压模具产品发展重点。
冲压模具共有7小类，并有一些按其服务对象来称呼的一些种类。
目前急需发展的是汽车覆盖件模具，多功能、多工位级进模和精冲模。
这些模具现在产需矛盾大，发展前景好。
汽车覆盖件模具中发展重点是技术要求高的中高档轿车大中型覆盖件模具，尤其是外覆盖件模具。
高强度板和不等厚板的冲压模具及大型多工位级进模、连续模今后将会有较快的发展。
多功能、多工位级进模中发展重点是高精度、高效率和大型、高寿命的级进模。
精冲模中发展重点是厚板精冲模大型精冲模，并不断提高其精度。
2、冲压模具技术发展重点。
模具技术未来发展趋势主要是朝信息化、高速化生产与高精度化发展。
因此从设计技术来说，发展重点在于大力推广CAD/CAE/CAM技术的应用，并持续提高效率，特别是板材成型过程的计算机模拟分析技术。
其他发展重点及展望的内涵十分丰富，这里只就管理、专业化与标准化及行业调整三个方面作一些分析。
企业管理是一个系统工程，是一门学问，是科学技术。
与工业发达国家模具企业相比，在某种意义上说，我们的管理落后更甚于技术落后。
因此改进管理十分重要，且任务繁重，目前模具企业的管理有许多形式，各有其适应对象，但搞好信息化建设，逐步实现信息化管理已成为发展方向，行业也对此有共识。
由于历史和体制上的原因，我国模具专业化和标准化水平一直很低，其中冲压模具的专业化比塑料模和压铸模更低。
这在一定程度上妨碍了冲压模具的发展，根据国内外模具专业化情况来看，专业化可以有多层意思：
1）模具生产独立于其他产品生产，专业生产模具外供；2）按模具种类划分，专门从事某一类模具生产；3）在某一类模具中，按其服务对象或模具工艺及尺寸大小，选取该类模具中的某种模具进行专业化生产；4）专业生产模具中的某一些零件供给模具生产企业；5）按工序开展专业化协作。
例如目前社会上专门从事模具设计的公司、专门进行行腔加工或电加工协作的企业、专门接受测量或热处理委托业务的企业及专业从事抛光业务的企业等等，这种多层次的专业化促进了模具行业的发展。
但专业化的路途仍旧遥远，必须加快进程才能适应形势。
因此，这也是发展重点。
行业调整是一个十分繁重的任务，模具行业更是如此。
模具行业面临的调整任务主要有：
模具企业组织结构的调整。
使模具分厂独立出来，成为面向社会、自负盈亏的独立法人是调整的方向。
模具企业按小而精、小而专、小而特的方向发展，并且在条件成熟情况下企业之间进行联合，以及发展产、学、研和科、工、贸相结合的联合体，也是调整的方向。
规模效应也引起大家的重视。
模具产品结构的调整。
随着汽车工业、电子信息工业和家电工业的发展，冲压模具市场结构正在发生很大变化。
1.3选题的目的和意义
本课题借助绘图软件进行设计，内容包括：
工艺分析及方案确定、冲压机的设计、模具的设计、力学分析等。
并对设计中的有关零件进行强度核算。
设计内容涵盖大学所有课程，是对大学四年学习的一个很好的检验，而且很多方面要靠在设计过程中自学完成，既能扩张知识面又能锻炼自学能力。
对于即将走向工作岗位的我，是一个很好的锻炼机会，也是对大学四年学习的一个很好的总结。
2设计方案的选择
2.1设计内容
针对电控柜等制造现场板材加工的特点，设计板材冲压单元，根据模具的受力分析，优化模具结构，实现小设备冲裁大孔。
通过对本课题的完成，训练学生对优化设计、力学分析、模具设计等方面知识的综合应用，学生将初步掌握机械设计、结构优化、模具设计等方面的知识和方法，提高机械设计、模具设计的能力。
2.2设计要求
冲压机构结构设计参数要求：
1．冲压机构采用液压系统，系统最高压力为25MPa。
2．冲压机构采用焊接结构
3．设计45×45方形、φ110圆形及直角等冲压模具各一套。
根据这些参数和要求，完成冲压机构的设计和模具的设计，并对模具结构进行合理优化。
对冲压机构的液压系统要进行合理设计，并画出液压系统原理图。
对设计总体要进行一些力学分析，使设计更加合理，更加符合要求。
还要对模具工作过程中受力进行分析，选择合适的模具接触面，在冲裁力一定时，提高提高对大孔的冲裁能力。
2.3设计方案
2.3.1冲压机构结构选择
冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件（俗称冲压或冲压件）的一种压力加工方法。
冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工，且主要采用板料来加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。
冲压设备包括机械压力机和液压压力机。
机械压力机有曲柄压力机、偏心压力机、拉深压力机、摩擦压力机、粉末制品压力机、模锻精压机、挤压用压力机、专用压力机；液压压力机有曲柄压力机、偏心压力机、拉深压力机、摩擦压力机、粉末制品压力机、模锻精压机、挤压用压力机、专用压力机。
根据设计内容的要求，所以不能选择传统的压力机，无法满足板材的冲孔或者板材冲压的其他形状的图案，而且传统的压力机设备比较庞大，在加工板材冲孔的一些零件时，有点不合适，也无法满足小设备冲裁大孔的要求。
因此，该设计要重新考虑设计机构。
根据设计参数要求，冲压机构选择液压系统，因为它既能持续提供系统的压力，也能使系统压力保持在稳定的数值上。
而且它结构简单，设计方便，就能满足所提供的压力。
在加工板材上的图案，可以设计模具，就可以加工不同的形状的图形，而且简单，成本低，设备小，符合小设备冲裁大孔。
根据查阅相关资料，拟定冲压机构是由液压缸、C型机架、钢板夹持机构、箱体和液压系统等几个部分组成。
其具体结构简图1所示。
图2.1冲压机构简图
（1）液压缸的结构选择
液压缸一般由活塞、活塞杆、端盖、活塞杆密封件等主要部件组成。
从提供油方向看，液压缸分为单作用液压缸和双作用液压缸，根据设计要求，本设计选择单作用液压缸，从结构形式来看，选择活塞缸。
因为活塞缸结构简单，设计方便，它提供的压力就可以满足设计要求，没有必要选择其他的或者组合的液压缸。
因为设计的液压缸用于冲裁，所以一端要用安装模具，另一端没有用，所以直接用缸盖封住。
由于液压缸用于冲裁板材，需要很大的压力，所以活塞很有可能偏移，所以要在加一个导向座，可以定位活塞杆，通过螺钉连接，随时调节活塞杆。
防止一些间隙漏油，还有在一些接触处安装密封装置。
因此，液压缸的简图如图2.1。
图2.2液压缸简图
（2）C形机架和夹持机构的选择
C形机架的选择是为了能够加工更宽的板材，使设备加工的范围更广，不受太多的局限。
由于夹持机构应用比较广泛，所以在设计选择中，只要考虑它的结构要简单，考虑它的设计长度和宽度。
夹持机构需要两个手动夹持手柄，起到固定板材的作用，在考虑它能横纵向都能移动。
（3）液压系统的选择
因为该设备总体比较简单，所以液压系统的选择也不需要选择它复杂的系统，只要能满足要求就行。
因为设计要求系统压力最大为25MPa，所以要选择测量软管与叠加溢流阀，可以减小对系统液压元件的压力冲击，考虑到在各加工单元不进行加工时，能够对液压系统卸荷，所以在系统中增加了一个两位四通电磁换向阀，这样使电动机与液压泵在工作期间处于运转状态，无需停机。
液压系统的原理简图如图2.3。
图2.3液压系统原理简图
2.3.2模具设计的选择
板材冲压模具的种类繁多，不同的仪表、开关等对其有着各种各样的要求，传统的板材冲压模具，特别是大型孔类的冲压模具对压力机冲裁力的要求很高。
而传统的平刃冲裁要需要很大冲裁力，无法实现小设备冲裁大孔的要求，所以要降低冲裁力。
根据查阅资料，对于降低冲裁力方法有阶梯冲裁、斜刃冲裁、零件部分冲裁和加热冲裁等，对于本次设计的要求，最好的是采用斜刃冲裁，它技术较为简单，只需改变模具结构形式。
使其在冲裁时，整个刃口不是同时切入板料中，而是逐渐讲材料分离，使同时剪切的断面积减少，就可以有效的降低冲裁力。
根据斜刃冲裁技术的要求和工作实际需要，将凹模做成平刃，将凸模做成斜刃，以便获得平整的板材。
对于在凸模上设计两斜面的夹角的选定，由于在模具设计方面没有经验，通过在网上的查阅和已使用的模具上，来确定夹角的大小，由于对夹角的分析太过于复杂，所以在这里就不过多的介绍。
以下有几种模具的设计，圆孔冲裁凸模（如图2.4）、直角冲裁凸模（如图2.5）、用于加工锁具安装孔凸模（如图2.6a）和方孔冲裁模具（如图2.6b），所以模具的设计可以在这几种选择。
如图2.4圆孔冲裁凸模的外形图
如图2.5直角冲裁凸模的外形图
如图2.7锁具安装孔凸模和方孔凸模的外形图
3冲压机构结构设计
由于课题要求用液压系统，因此冲压机构的设计选择液压冲压机的设计思路。
根据查阅的资料，板材液压冲压机由液压缸、C形机架、夹持机构、箱体、液压系统组成。
设计思路这几个机构开始设计。
3.1液压缸的主要尺寸设计
3.1.1液压缸内径D和活塞杆直径d的确定
根据系统最高压力P为25MPa，最大压力F=250KN，根据公式F=PA得出，无杆腔活塞的有效面积A为
A=F/P=250000/25000000=0.01（m2）
在根据公式A=
得出，液压缸内径D为
D=
=
=0.113（m）=113（mm）
根据GB/T2348—1993（见表2.1），取标准值D=125mm。
在根据活塞杆在工作时的受理情况，如表2.2所示。
计算出活塞杆直径d，按表2.3圆整，取标准值d=63mm。
表2.1缸筒内径D系列（GB/T2348—1993）（mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
表2.2液压缸活塞杆直径推荐值
活塞杆受力
情况
受拉伸
受压缩，工作压力平p1/MPa
p1≤5
5≤p1＜7
p1＞7
活塞杆直径
（0.3~0.5）D
（0.5~0.55）D
（0.6~0.7）D
0.7D
表2.3活塞杆直径d系列（GB/T2348—1993）（mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
3.1.2液压缸的缸筒壁厚和外径的计算
缸筒壁厚分薄壁和厚壁两种情况。
当
时，根据公式
来计算缸筒壁厚。
Py—缸筒试验压力，当缸的额定压力pn≤16MPa时，取py=1.5pn；而当pn≥16MPa时，取py=1.25pn。
[
]—缸筒材料的许用压力，[
]=
b/n，
b为材料抗拉强度，n为安全系一般取n=5。
当
＜
时，壁厚根据公式
计算。
因为设计P＞25MPa，所以缸筒的材料选取45钢，所以查表可知，
b=600MPa
因此，
]=
b/n=600/5=120
本设计按照薄壁圆筒设计，所以
=
=16.28（mm）
因为缸筒与缸盖连接采用半环连接式，所以壁厚要加大，根据查阅资料和经验，选取壁厚
=22mm。
根据D=125mm，
=22mm，可以算出缸筒的外径D1。
D1=D+2
=125+2×22=169（mm）
3.1.3活塞和导向套的尺寸设计
活塞的宽度可以根据公式B=（0.6~1.0）D来取，根据查阅资料和经验，因为液压缸需要安装上下两个导向套，活塞宽度不应取太大，因此，活塞的宽度取B=48mm。
活塞杆导向套的长度可以根据公式C=（0.6~1.0）D（D＜80mm），C=（0.6~1.0）d（D≥80mm），所以根据查阅资料和经验，选择活塞杆导向套的长度C=56mm。
3.1.4导向座的设计
导向座是对活塞杆起导向作用，也起对活塞杆固定的作用。
所以对导向座的尺寸设计要考虑液压缸的总体长度，根据查阅的资料，可以选取长为135mm，直径可以略大学缸筒外径D1,可以选取170mm。
3.1.5密封装置
在液压缸中需要密封的有活塞与活塞杆之间、导向套与缸筒之间、导向套与活塞杆之间和活塞与缸筒之间。
根据查阅设计手册，活塞与活塞杆之间的密封采用O型橡胶密封圈，尺寸选取d1=109mm；导向套与缸筒之间的密封采用O型橡胶密封圈,尺寸选取d1=118mm；导向套与活塞杆之间的密封采用O型橡胶密封圈，尺寸选取d1=69mm；活塞与缸筒之间的密封采用摩擦环密封，尺寸选取d1=119mm。
3.1.6强度校核
（1）活塞杆强度校核
根据公式
，
得
=
=27.25（mm）
因为d=63mm＞27.25，所以活塞杆直径合适。
（2）固定螺栓直径ds校核
根据公式
来计算，
式中F—液压缸负载
Z—固定螺栓个数
k—螺纹拧紧系数，k=1.12~1.5；
（1.2~2.5）；
—材料屈服点。
=
=0.2（mm）
根据之前查阅设计手册，已经选取M14×80的螺栓，考虑到螺栓连接导向座与导向套还有缸筒，所以要需要需要长一些，通过强度校核合适。
3.1.7液压缸结构设计
（1）缸体与缸盖的连接设计
缸体和缸盖的结构形式与使用的材料、工作压力和工作条件有关，所以，缸体与缸盖的连接形式就有多种，其中包括法兰连接式、半环连接式、螺纹连接式、拉杆连接式和焊接连接式。
根据设计要求、壁厚和工作环境，所以选择半环连接式，它容易加工和拆装，便于维护。
（2）活塞杆与活塞的结构形式设计
活塞和活塞杆结构形式有许多种，常见的有一体式、锥销式、
升级会员 