自行车脚蹬内板级进模设计.docx

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自行车脚蹬内板级进模设计

摘要

机械制造业是工业生产的支柱，为工业生产提供提供重要装备，随着科学技术的发展，机械设计与制造水平的技术也不断提高，生产中多采用多种不同的加工过程和制造方法，冲压是一种先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料金属进行加工，以获得所需要的零件形状和尺寸。

本文以冲压零件为基础，分析其制造方法，冲压加工工艺过程及进行冲压级进模设计。

关键词：

设计加工方法零件模具

中文摘要…………………………………………………………………………

1.引言…………………………………………………………………………………1

2.课题所涉及的内容国内（外）研究现状综述……………………………………1

2.1冲压模具市场现状………………………………………………………………1

2.2、冲压模具水平状况………………………………………………………………2

2.2.1模具CAD/CAE/CAM水平现状…………………………………………………2

2.2.2模具设计与制造水平现状……………………………………………………3

2.2.3模具专业化程度现状…………………………………………………………3

2.3冲压模具的发展趋势……………………………………………………………4

2.3.1模具CAD/CAM/CAE技术将全面推广应用……………………………………4

2.3.2提高冲压模具标准化和专业化生产水平……………………………………4

2.3.3发展高速加工和高精度加工…………………………………………………5

2.3.4发展模具扫描及数字化系统…………………………………………………5

2.3.5模具研磨抛光将自动化、智能化……………………………………………5

3.本课题有待解决的主要关键问题…………………………………………………5

4对课题要求及预期目标的可行性分析……………………………………………6

5零件分析……………………………………………………………………………6

6工艺分析……………………………………………………………………………7

7排样设计……………………………………………………………………………8

8此次设计主要计算：

………………………………………………………………9

8.1翻边的计算………………………………………………………………………9

8.2冲压力的计算……………………………………………………………………11

8.2.1冲裁力的计算…………………………………………………………………11

8.2.2整形压力………………………………………………………………………11

8.3压力中心的计算………………………………………………………………11

9模具结构方案设计………………………………………………………………11

9.1模具结构设计和主要零、部件设计……………………………………………11

9.2模具总图………………………………………………………………………14

9.3模具零件图……………………………………………………………………14

10课题小结…………………………………………………………………………35

参考文献……………………………………………………………………………35

1引言模具工业是国民经济的基础行业，模具工业的发展水平标志着一个国家的工业水平及产品开发能力。

模具行业涉及了汽车工业、航空航天、军工企业、家电工业、包装工业和日用五金等几乎全部的工业门类。

在过去的20年中，我国模具工业得到了长足的进步，模具CAD/CAM技术的成功应用为我国的模具工业的发展起到了重要的推动作用。

现代模具技术的发展，在很大程度上依赖于模具标准化程度、优质模具材料的研究、先进的设计与制造技术和专用的机床设备及生产技术管理等。

2本课题所涉及的内容国内（外）研究现状综述

改革开放以来，随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现，因而促进了冲压技术的不断革新和发展。

近年来，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。

浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”；广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心；中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。

2.1冲压模具市场现状

在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下，我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国民经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，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。

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，2005年冲压模具出口达到1.46亿美元，比2004年增长94.7%就可说明这一点；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。

2.2、冲压模具水平状况

2.2.1模具CAD/CAE/CAM水平现状

21世纪开始CAD/CAM技术逐渐普及，现在具有一定生产能力的冲压模具企业基本都有了CAD/CAM技术。

其中部分骨干重点企业还具备各CAE能力。

近年许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。

一些国内模具企业已普及了二维CAD，并陆续开始使用CATIA、UG、Pro/Engineer、等国际通用软件，个别厂家还引进了AUTOFORM、C-Flow、DYNAFORM、等CAE软件，并成功应用于冲压模的设计中。

以汽车覆盖件模具为代表的大型冲压模具的制造技术已取得很大进步，东风汽车公司模具厂、一汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具。

此外，许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发。

经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。

例如，华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模CAD/CAE/CAM软件，上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开发的冷冲模和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模CAD软件等都具有自主知识产权，并已在生产实践中得到成功应用，产生了良好的效益。

同时在国内模具行业拥有不少的用户。

虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。

例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重比较低；CAD/CAE/CAM技术的普及率不高；许多先进的模具技术应用不够广泛等等，致使相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口。

快速原型（RP）与传统的快速经济模具相结合，快速制造大型汽车覆盖件模具，解决了原来低熔点合金模具靠样件浇铸模具，模具精度低、制件精度低，样件制作难等问题，实现了以三维CAD模型作为制模依据的快速模具制造，并且保证了制件的精度，为汽车行业新车型的开发、车身快速试制提供了覆盖件制作的保证，它标志着RPM应用于汽车车身大型覆盖件试制模具已取得了成功。

围绕着汽车车身试制、大型覆盖件模具的快速制造，近年来也涌现出一些新的快速成型方法，例如目前已开始在生产中应用的无模多点成型及激光冲击和电磁成型等技术。

它们都表现出了降低成本、提高效率等优点。

2.2.2模具设计与制造水平现状

近几年来，随着工业和高科技产业的飞速发展，我国冲压模具的设计与制造能力已达到较高水平。

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，都存在较大差距。

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。

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（TD处理）及许多镀（涂）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。

2.2.3模具专业化程度现状

尽管我国冲压模具取得理较大的发展，但模具行业专业化程度还比较低，模具自产自配比例过高。

我国模具生产厂中多数是自产自配的工模具车间（分厂），自产自配比例高达60%左右，而国外模具超过70%属商品模具。

专业模具厂大多是“大而全”、“小而全”的组织形式，而国外大多是“小而专”、“小而精”。

国内大型、精密、复杂、长寿命的模具占总量比例不足30%，而国外在50%以上。

2004年，模具进出口之比为3.7﹕1，进出口相抵后的净进口额达13.2亿美元，为世界模具净进口量最大的国家。

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。

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，而模具的用户却大都不在本地，这就对专业化产生了很多不利影响。

2.3冲压模具的发展趋势

随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。

冲压模具的发展应根据市场需求、发展趋势和目前状况来确定，应满足模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求服务。

其发展趋势将在以下方面体现。

2.3.1模具CAD/CAM/CAE技术将全面推广应用

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。

模具CAD、CAM技术应向宜人化、集成化、智能化和网络化方向发展，并提高模具CAD、CAM系统专用化程度。

随着微机软件的发展和进步，普及CAD/CAM/CAE技术的条件已基本成熟，各企业将加大CAD/CAM技术培训和技术服务的力度；进一步扩大CAE技术的应用范围。

计算机和网络的发展正使CAD/CAM/CAE技术跨地区、跨企业、跨院所地在整个行业中推广成为可能，实现技术资源的重新整合，使虚拟制造成为可能。

2.3.2提高冲压模具标准化和专业化生产水平

模具的标准化和专业化生产，已得到模具行业和广泛重视。

因为冲模属单件小批量生产，冲模零件既具的一定的复杂性和精密性，又具有一定的结构典型性。

因此，只有实现了冲模的标准化，才能使冲模和冲模零件的生产实现专业化、商品化，从而降低模具的成本，提高模具的质量和缩短制造周期。

目前，国外先进工业国家模具标准化生产程度已达70%~80%，模具厂只需设计制造工作零件，大部分模具零件均从标准件厂购买，使生产率大幅度提高。

我国冲模标准化与专业化生产近年来也有较大发展，但总体情况还满足不了模具工业发展的要求，主要体现在标准化程度还不高（一般在40%以下），标准件的品种和规格较少，大多数标准件厂家未形成规模化生产，标准件质量也还存在较多问题。

另外，标准件生产的销售、供货、服务等都还有待于进一步提高。

2.3.3发展高速加工和高精度加工

国外近年来发展的高速加工和高精度加工，大幅度提高了加工效率，并可获得极高的表面光洁度。

另外，还可加工高硬度模块，还具有温升低、热变形小等优点。

高速加工目前主要是发展高速铣削、高速研抛和高速电加工及快速制模技术。

高精度加工目前主要是发展模具零件精度1μm以下和表面粗糙度Ra≦0.1μm的各种精密加工。

高速加工和高精度加工技术的发展，对汽车、家电行业中大型型腔模具制造注入了新的活力。

目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向发展。

2.3.4发展模具扫描及数字化系统

高速扫描机和模具扫描系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能，大大缩短了模具的在研制制造周期。

有些快速扫描系统，可快速安装在已有的数控铣床及加工中心上，实现快速数据采集、自动生成各种不同数控系统的加工程序、不同格式的CAD数据，用于模具制造业的“逆向工程”。

模具扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用。

2.3.5模具研磨抛光将自动化、智能化

模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，研究自动化、智能化的研磨与抛光方法替代现有手工操作，以提高模具表面质量是重要的发展趋势。

在信息化带动工业化发展的今天，在经济全球化趋向日渐加速的情况下，我国冲压模具必须尽快提高水平。

通过改革与发展，采取各种有效措施，引进和吸收国外先进冲压模具设计制造技术，不断创新，我国冲压模具水平也一定会不断提高水平，逐渐缩小与世界先进水平的差距。

3本课题有待解决的主要关键问题

此次设计主要是围绕自行车零件冷冲压模具设计展开的，通过从自行车中选出一个典型的零件，运用落料、冲孔、翻边等冲压工序设计冷冲压级进模。

通过近段时间查阅资料和毕业调研，我对本课题的主要设计意图有了一定的了解，认真分析了要完成的设计任务。

本课题要解决的关键问题主要包括以下三点：

3.1对零件进行工艺分析，进行冲压工艺方案及模具结构方案设计；

3.2对复合冲压模具零部件工艺参数进行参数选择及验算；

3.3确定冷冲压加工工艺方案，绘制冲压模具装配图和零件图。

4对课题要求及预期目标的可行性分析（包括解决关键问题技术和所需条件两方面）

 对于上述关键问题，虽然处理起来比较困难，但自己也要一步步解决。

本课题需要运用机械、材料成形、冷冲压模具、计算机二、三维设计等多学科的知识，需要相当广阔的知识面和较高的专业水平。

具体解决方法包括以下几个方面：

4.1在课题研究初期，我借阅了大量有关冷冲压模具设计制造方面的书籍，同时在互联网上搜索了大量关于冲压模具的资料与论文。

4.2深入车间进行课题调研，了解模具设计实际工作中需要考虑的问题。

为以后的设计提供资料和积累宝贵经验，避免走不必要的弯路。

4.3通过所学知识和大量查阅资料对零件进行工艺分析和工艺参数计算，根据零件所需冷冲压工序设计出级进模。

同时运用CATIA软件绘制三维和二维模具装配图和零件图。

5零件分析：

工件名称：

自行车脚蹬内板

生产批量：

大批大量

材料：

Q215-F，厚1.5mm

工件简图:

如图1所示

图1自行车脚蹬内板工件图

该零件的图样的视图正确、完整、尺寸、公差齐全，该零件内型φ22.5mm的部位有公差要求，零件结构不复杂，加工并不困难。

6工艺分析：

本工件的外形有两个φ5.5mm的孔，属于落料、冲孔工序，中间带有凸台的孔，可以采用两种方法冲压。

第一种是先作浅拉深，然后冲底孔。

在进行拉深时，圆锥部位的材料一部分是从底面流动得来的，另一部分要从主板上流动而来，而后者为材料流动留有余量，就要增加工件排样的步距，从而造成材料消耗增加。

第二种方法是先冲预孔，再进行冲压。

此则属于翻边（也称为翻孔）工序。

翻边时材料流动的特点是预孔周围的材料沿圆周方向伸长，使材料变薄；而在径向材料长度几乎没有变化，即材料在径向没有伸长，因而不会引起主板上的材料流动。

在排样时，只要按正常冲裁设计搭边值即可，可节省材料。

该零件是大批量长年生产，若用单工序模制造，工序多且生产率低，故采用级进模。

7排样设计如图2是排样图，共分5个工位。

第1工位：

冲φ15mm工艺孔。

第2工位：

翻边。

第3工位：

冲φ19mm底孔；整形。

第4工位：

冲2个φ5.5mm孔。

第5工位：

落料、工件从底孔中漏出。

图2排样图

翻边凸模要有圆角。

工件对φ22.5mm的部位有公差要求，而且不允许有圆角，因此该模具要有整形工序。

整形和φ19mm孔的冲裁两道工序在一个工位中完成。

模具使用条料，用手工送进，没有设置定位装置。

第二个工位翻边以后，板料下面形成明显凸包。

手工送料时放在下一工位的凹模中即可。

第二和第五工位的凸模设有导正销进行精确定位。

在第一和第二工位各设置一个始用挡料销、供条料开始送进的第一、第二工位使用。

工件的搭边值，边缘部位取2.5mm，工件之间的搭边值取1.2mm，步距为34mm。

可计算得到当可制件数为13件时,板料下料尺寸为64±0.5×485±0.5。

8此次设计主要计算：

8.1翻边的计算翻边的计算有：

①计算翻边前的毛胚孔径；②变形程度计算；3翻边力的计算。

根据工件图计算翻边前毛胚孔径，称为底孔孔径，底孔周边材料在翻边时材料没有径向流动。

在分析他的横截面时，可把它视为弯曲。

即如图3所示虚线部位的材料，翻遍后移到实线位置，而其长度不变，前、后两部分内的中心线长度相等。

这与弯曲材料展开的计算是相同的。

计算时应按点划线的圆弧和直线，通过几何关系计算其长度，在此略去圆角进行近似计算。

计算BC段长，先用作图法求出点划线上的B点、C点的位置，并标注在图3中。

在计算三角形BDC中，用勾股定理计算BC长。

图3底孔计算用图

BD=2mm

DC=

=1.4mm

故：

BC=

mm=2.44mm

AB=

mm=2.3mm

由以上分析，EC应是AB与BC的和。

EC=AB+BC=2.3mm+2.44mm=4.74mm

因此，计算出底孔所需的直径为：

d

=26.4mm-2×4.74mm=16.92mm

考虑到翻边后还要冲裁19mm孔，故留有余量，将d孔定为15mm

校核变形程度。

材料翻边过程是底孔沿圆周方向被拉伸长的过程，其变形量不应超过材料的伸长率，否则会出现裂纹。

用变形前、后圆周长之比，表示变形程度。

在翻边计算中称其为翻边因数m,即;

=

=

式中d-翻边前的孔径（mm）;

D-翻边后的孔径（mm）。

查表可知，允许的m值为0.72，以此计算出的值比m值大，即设计合理。

翻边时不会出现裂纹。

翻边来的计算采用以下公式;

F=1.1πt

（D-d）

式中F-翻边力（N）;

t-板料厚度（mm），t=1.5mm;

-材料屈服点（Mpa）,

=240Mpa;

d-翻边前的孔径（mm）;

D-翻边后的孔径（mm）。

在计算翻边力时，翻边前孔径取实际孔径值φ15mm与翻边所需孔径φ16.92mm相比缩小1.92mm，翻遍后的实际孔径应为17.08mm。

故将d=15mm,D=17.08mm代人上式，则：

F=1.1π×1.5mm×240Mpa×（17.08-15）mm=2587N

8.2.冲压力的计算

8.2.1冲裁力的计算冲裁力按下式计算。

即：

F

=Ltτ

抗剪强度极限取τ=340Mpa。

冲裁共有四个部位，分别是第1工位φ15mm孔、第3工位φ19mm孔、第4工位两个φ5.5mm孔、第五工位落料。

前三个部位都是圆孔，冲裁圆周容易计算。

落料冲裁周长通过几何计算可算出，其值为162.7mm。

计算出各部位的冲裁力，分别是φ15mm孔冲裁力为24034N，2个φ5.5mm孔冲裁力为17612N，φ19mm孔冲裁力为30430N，落料时冲裁力为82994N。

8.2.2整形压力整形压力的计算方法与校正压力相同，采用下式计算：

F=Pa

式中F—整形力（N）；

P—单位整形力（MPa）;

A—工件整形面积（mm

）。

关于单位整形力的选取与弯曲校正以及校平工艺的校平力不同，整形力是使整形局部的压强超过材料店抗压强度，而产生变形，但是最后作用在校正面上的压强必须低于材料的抗压强度。

综合以上因素，p值取为150MPa。

事实上，校平力的大小取决于模具在压力机上安装时对压力机的调整，而调整压力机的依据是试冲时工件是否符合要求。

8.3压力中心的计算通过以上计算，得出各工步的冲压力分别是:

第1工位：

φ15mm孔冲裁,冲压力为24034N；

第2工位：

翻边，冲压力为24034N；

第3工位：

φ19mm孔冲裁和整形,冲压力总和为75864N；

第4工位：

两处φ5.5mm孔冲裁,冲压力为17612N；

第5工位：

外形落料,冲压力为82944N。

可计算出压力中心位于第3工位中心线左侧22.26mm处。

9模具结构方案设计

9.1模具结构设计和主要零、部件设计模具的上模部分由上模座、垫板、凸模固定板、卸料板组成。

卸料板用卸料螺钉和弹簧与凸模固定板相连。

下模部分由下模座、凹模板、垫板、导料板等组成，模具装配图如下图所示。

图4自行车脚蹬内板级进模装配图

第2工位的翻边凸模工作部位尺寸，如图5所示。

图5翻边凸模与凹模

导正销的直边部位，高度为1.2mm。

图中凸模圆锥角70是由零件图的尺寸计算得出的。

圆角尺寸R2mm是翻边工艺的需要。

此处若设计为尖角，将使材料难以流动，导致板料发生撕裂；圆角若选值过大，会给下一步的整形增加难度，故选用R=2mm。

凹模的侧壁设计为直边，如果凹模设计为与凸模相配合的形状。

在下止点使凸、凹模相接触，从而起到校正的作用。

则凸凹模之间的距离就要相当精确。

而第3工位是校正，两个工位的凸模高度调整若稍有误差，就会使其中一个不起作用，因此第2工位设计为凸、凹模“不接触”。

由于在凹模的圆角处材料没有径向流动，对圆角的大小没有要求，故此处按零件的要求，设计圆角取值为R=1.5mm。

第3工位整形，凸、凹模尺寸按零件要求设计。

整形凸模对制件最后尺寸影响很大。

板料材质的力学性能每批都有差异，影响到工件回弹不一样。

遇到这种情况，按照工件尺寸和公差要求，作几个不同规格的凸模，以便供生产中选用，保证工件的精度。

凹模板由两部分组成。

第1—4工位共用一块凹模板，各凹模部位分别设置凹模镶套。

第5工位落料凹模单独为一部分。

凸模固定板、卸料板、凹模板均采用线切割机床加工，使其各型孔之间的定位尺寸精度有保证。

9.2模具总图

模具总图见图4

9.3模具零件图如下

10课题小结：

在鞠平华老师的指导下，我顺利完成了此次毕业设计。

在完成设计的过程中,我翻阅了过去学习的教材，查阅了《模具标准汇编》等资料，还与同事们展开讨论，找出了一种简单、实用的自行车脚蹬内板加工方法，力争做到设计与生产实践相结合。

通过本次设计，我将所学的知识较好地做到了融会贯通，并运用于实践，对平时的工作起到了明显的帮助作用