扬声器盆架的冲压工艺及模具设计论文学位论文.docx
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扬声器盆架的冲压工艺及模具设计论文学位论文
济南大学泉城学院
1前言
1.1国内模具行业的现状
模具是对多种原料进行成型加工的重要工艺设备，模具工业是国民经济的基础，是高新技术产业化的重要领域。
模具加工成型零件具有效率高、质量好、成本低、省材料等一系列优点，模具已经成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。
随着工业生产的增长和科学技术的进步，模具技术----特别是制造精密、复杂、大型、长寿命模具的技术水平的高低，已经成为衡量一个企业、一个国家制造水平的重要标志之一。
近几年，我国模具行业的发展速度很快，模具产业总产值保持13%的年增长率。
在模具生产方面，国内已经能够生产精度达2µm的精密多工位级进模，工位数已多达160个；在大型塑料模具方面已能生产48英寸大屏幕彩电塑壳注射模具、6.5㎏大容量洗衣机的全套塑料模具；在精密塑料模具方面，国内已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具等等；在大型精密复杂压铸模方面，国内已能生产自动扶梯整体踏板压铸模及汽车后桥齿轮箱压铸模；在汽车模具方面，现已能制造新轿车的部分覆盖件模具；其他类型的模具，也都达到了较高的水平，可以替代进口模具。
虽然中国模具工业在过去十多年取得了令人瞩目的发展，但是在模具制造精度、模具寿命及模具生产周期等方面，与世界发达国家相比仍存在较大的差距。
。
模具行业是工业的基础行业，工业的各个领域都广泛地使用模具。
在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60%一80%的零部件都要依靠模具成形。
用模具生产零件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。
模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。
模具生产技术水平的高低，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，并且己成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。
模具作为工业生产的基础工艺装备，在国民经济中占有重要的地位。
随着计算机软件的发展和进步，其现代模具中的应用将越来越广泛。
可以预料不久的将来，模具制造业将从机械制造业中分离出来，而独立成为国民经济中不可缺少的支柱产业，与此同时，也进一步促进了模具制造技术向集成化、智能化、益人化、高效化方向发展。
技术先进国家如日本、美国、德国等，对于高精度与复合性模具开发，不论在设计能力或制造技术上，均有领先的地位，同时也拥有训练精良的技术研发人才。
其中，日本模具廠商在技術上較重視拋光與研磨加工制程，德國模具廠商則由提高機械加工與放電加工的精度與效率著手，以降低手工加工的時間。
其中，日本模具厂商在技术上较重视抛光与研磨加工制造，德国模具厂商则由提高机械加工与放电加工的精度与效率着手，以降低手工加工的时间。
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。
一些低檔次的簡單沖模，已趨供過于求，市場競爭激烈。
一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竞争激烈。
1.2模具工业的发展趋势
目前，中国经济的持续高速发展为模具工业的发展提供了广阔的空间。
为了适应用户对模具制造的短期交货、高精度、低成本的迫切要求，模具产品必然会有如下发展趋势：
（1）模具日趋大型化
（2）模具的精度越来越高
（3）多功能复合模具将进一步发展
（4）快速经济模具的前景十分广阔
（5）模具技术含量将不断提高
（6）标准件的应用将日益广泛
（7）新设备、新工艺将得到更广泛应用
（8）新材料和现金表面处理技术的应用将更为普遍
2明确设计任务，搜集相关资料
冲压工艺设计在收集、调查、研究并掌握有关设计设计的原始资料的基础上进行，做到有的放矢，避免盲目性。
工艺设计的原始资料主要包括如下内容：
（1）冲压件的产品图及技术要求
根据零件图，明确技术条件，由此对拉深件的结构，尺寸大小，精度要求以及装配关系，实用性等有全面的了解，以便制定工艺方案，选择模具类型和确定模具精度。
（2）生产类型
生产类型是企业生产产业程度的分类，一般分为大量生产、成批生产、小批量生产。
根据生产纲领和产品零件的特征或工作的每月担负的工序数，确定该零件的生产类型为大批量生产。
（3）生产组织形式
生产类型不相同，零件和产品的组织形式，采用的技术措施和达到的技术经济效果会不同。
3冲压工艺分析
如图所示零件
生产批量：
大批量；
材料：
Q235；
尺寸精度：
零件图上的形状尺寸均未标注公差，属自由尺寸，可按IT14级确定工件的公差。
工件结构形状：
制件需要进行落料，拉深，冲孔，翻孔四道基本工序，尺寸较小
结论：
该制件可以进行冲裁
制件为大批量生产，应重视模具材料和结构的选择，保证模具的复杂程度和模具的寿命。
4制定冲压工艺方案及模具整体结构设计
Ⅰ.工序性质和数量
（1）工序性质的确定
在冲压加工中，工序性质是指冲压件所需的工序种类，剪裁、落料、冲孔、切边等使材料产生分离的工序。
弯曲拉深局部成形等使材料产生变形的工序。
冲压工序性质的确定主要取决于冲压件的形状尺寸和精度要求。
同时还应该考虑冲压变形规律及某些具体条件的限制。
通常在确定工序性质时应当考虑以下几方面：
1）从零件图上直观的确定工序性质，平板件冲压加工时常采用剪裁、落料、冲孔等冲裁工序。
当平面度要求较高时采用较平的工序进行精压，当零件的断面质量尺寸精度要求较高时，需增加修整工序或采用精密冲裁工艺进行加工。
2）对零件图进行计算分析，比较后确定工序性质。
3）为改善冲压变形条件，方便工序定位，增加附加工序。
预冲工序工艺切口达到改善冲压变形条件，提高成形质量。
根据零件图分析冲压加工时须用落料、冲孔、拉深、翻边等工序。
（2）工序数量的确定
确定工序数量的基本原则是：
在保证工件质量、生产率和经济要求的前提下，工序数量应尽可能的减少。
该零件采用复合模和单工序模混合使用的方法。
Ⅱ.冲压工艺方案的制定
根据扬声器盆架的结构可知制造扬声器盆架的冲压工艺有落料，拉伸，冲中心孔，冲4个腰孔，切边，翻边等几道工序，初步拟定以下五种方案：
方案一：
落料，拉伸，冲中心孔，冲4个腰孔，切边，翻边
方案二：
落料，冲中心孔，冲4个腰孔，拉伸，切边，翻边
方案三：
落料冲中心孔，冲4个腰孔，拉伸，切边，翻边
方案四：
落料拉伸，冲中心孔，冲4个腰孔，切边，翻边
方案五：
落料拉伸冲中心孔，翻边，冲4个腰孔
方案一采用的是单工序模具，这样虽然可以完成制造，但是工序分散，需要大量的操作工人，浪费财力与物力。
方案二和方案三都是先冲孔再拉伸，这样会使已经冲好的孔变形，相反，如果先拉伸再冲孔，并采取一定的压模措施，则变形就会相对较小。
方案四与方案五都采用了复合模具，与单工序模具和连续模具相比，复合模对条料的送进定位要求较低，且结构紧凑，精度和加工效率较高。
方案五把落料拉伸和冲中心孔复合，避免了中心孔的定位误差。
综合以上各方案，从经济性，效率性和保证加工精度等方面考虑，最佳方案为方案五：
落料拉伸冲中心孔，翻边，冲4个腰孔。
Ⅲ.模具总体结构设计
（1）模具类型的选择
由冲压工艺分析可知，落料拉伸冲中心孔采用复合模具，冲腰孔和翻边工序则可采用单工序模。
（2）定位方式的选择
因为该模具采用的是条料，控制条料的送进方向采用导料销，有侧压装置。
控制条料的送进步距采用导正销定距。
（3）卸料方式的选择
因为工件厚度为0.8mm，相对较薄，卸料力不大，故可采用弹性料装置卸料。
（4）导向方式的选择
为了提高模具寿命和工件质量，方便安装调整，该复合模采用对角导柱的导向方式。
5模具设计工艺尺寸计算
5.1计算毛坯尺寸
1该工件为无凸缘阶梯型件，根据等面积原则采用解析法求毛坯直径。
1）确定坯料的各向异性和模具间隙不均等因素的影响，拉深后工件的边缘不整齐，甚至出现突耳，需在拉深后进行修边，所有在计算坯料直径时，要确定是否需要增加修边余量。
由于其工作相对高度为
所以不需要加修边余量
2）计算毛坯直径
由零件图可知，该零件可以拆成5个规则形状的部分计算：
毛坯直径为：
3）确定是否需要压边圈
因为
式中t-坯料厚度，mm
D-毛坯直径，mm
2确定拉深次数
判断阶梯型件能否一次拉成，可用下式来判断：
式中
、
、
…
-各个阶梯的高度（mm）；
-最小阶梯直径（mm）
-直径为dn的圆筒形件第一次拉深时的最大相对高度（mm）
无凸缘筒形件半成品高度的确定
-各次拉深后的直径；
-各次拉深半成品底部的圆角半径；
-各次拉深半成品高度；
D-毛坯直径
因为
而
所以可以一次拉深成功
5.2排样、计算条料宽度及步距的确定
5.2.1搭边值的确定
排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的工艺余料，称为搭边。
搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。
搭边过大，浪费材料。
搭边过小，冲裁时容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还有拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降低模具寿命，或影响送料工作。
搭边值通常由经验确定，表所列搭边值为普通冲裁时经验值之一。
表5—2 搭边a和a1数值
材料厚度
圆件及r＞2t的工件
矩形工件边长L＜50mm
矩形工件边长L＞50mm
或r＜2t的工件
工件间a1
沿边a
工件间a1
沿边a
工件间a1
沿边a
＜0.25
0.25~0.5
0.5~0.8
0.8~1.2
1.2~1.6
1.6~2.0
2.0~2.5
2.5~3.0
3.0~3.5
3.5~4.0
4.0~5.0
5.0~12
1.8
1.2
1.0
0.8
1.0
1.2
1.5
1.8
2.2
2.5
3.0
0.6t
2.0
1.5
1.2
1.0
1.2
1.5
1.8
2.2
2.5
2.8
3.5
0.7t
2.2
1.8
1.5
1.2
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
2.5
3.5
0.7t
2.5
2.0
1.8
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.2
4.0
0.8t
2.8
2.2
1.8
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.2
4.0
0.8t
3.0
2.5
2.0
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.2
3.5
4.5
0.9t
搭边值是废料，所以应尽量取小，但过小的搭边值容易挤进凹模。
该制件是圆形工件，根据尺寸可从上表中查出：
两制件之间的搭边值
=1.0mm，侧搭边值a=1.2mm
5.2.2条料宽度的确定
计算条料宽度有三种情况需要考虑：
1有侧压装置时条料的宽度；
2无侧压装置时条料的宽度；
3有定距侧刃时条料的宽度。
有侧压装置的模具，能使条料始终沿着导料板送进。
条料宽度公式：
D-条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；
a-侧搭边值
查下表可知条料宽度偏差为0.5
则
表5—3 条料宽度公差（mm）
条料宽度
B/mm
材料厚度t/mm
～0.5
>0.5～1
>1～2
～20
0.05
0.08
0.10
>20～30
0.08
0.10
0.15
>30～50
0.10
0.15
0.20
5.2.3导料板间距的确定
导料板之间距离为
Z-导料板与条料之间的最小间隙（mm）
所以
A=B+Z=65.9+5≈71
5.2.4排样
（1）冲裁件在板料、带料或条料上的布置方法称为排样。
排样时冲裁模设计中的一项很重要的工作。
在冲压零件的成本中，材料费用约占60%以上，排样方案对材料的经济利用具有很重要的意义，不仅如此，排样方案对冲件质量、生产率、模具结构及寿命等都有重要影响。
冲裁排样有两种分类方法。
一是从废料角度来分，可分为有废料排样、少废料排样和无废料排样三种。
有废料排样时，工件与工件之间，工件与条料边缘之间都有搭边存在，冲裁件尺寸完全由冲模保证，精度高，并具有保护模具的作用，但材料利用率低。
少或无废料排样时，工件与工件之间，工件与条料边缘之间存在较少搭边，或没有搭边存在，材料的利用率高，模具结构简单，但冲裁时由于凸模刃口受不均匀侧向力的作用，使模具易于遭到破坏，冲裁件质量也较差。
另一种是按工件在材料上的排列形式来分，可分为直排法、斜排样、对排法、混合排、多行排、裁搭边法等形式。
本方案采用有废料多行排样方法。
排样图如下
5.2.5材料利用率
（1）排样的经济程度用材料利用率来表示。
一个步距内的材料利用率η用下式表示：
式中A-冲裁件的面积（mm）；
B-条料宽度（mm）；
N一个步距内冲裁件的数目；
h-步距（mm）。
整张板料或带料上材料总的利用率为
η=
式中N-板料或带料上冲裁件总的数目；
A-冲裁件的面积；
L-板料或带料的长度；
B-板料或带料的宽度。
所选毛坯规格为：
650×1300
横裁时的条料数为
可冲19条
每条件数为
板料可冲总件数10×19=190
材料的利用率为
纵裁时的条料数为
可冲9条
每条件数为
板料可冲总件数为9×20=180
材料的利用率为
所以采用横裁的方法。
η总总是要小于η，这是因为整板上材料的利用率还要考虑冲裁时料头、料尾及剪板机下料时余料的浪费。
6冲压力及压力中心计算
Ⅰ冲压力的计算
（1）落料拉深冲中心孔工序
1）冲裁力
冲压力包括冲裁力、卸料力、推料力、顶料力，计算冲压力是选择压力机的基础。
冲裁力
式中F-冲裁力（N）；
L-冲裁件周边长度（mm）；
t-材料厚度（mm）；
-材料抗剪强度（M）。
2）卸料力、推料力、顶料力
卸料力是将箍在凸模上的材料卸下所需的力，即
F卸=k卸F
推料力是将落料件顺着冲裁方向从凹模孔推出所需的力，即
F推=k推F
顶料力是将落料件逆着冲裁方向顶出凹模孔所需的力，即
F顶=k顶F
式中k卸-卸料力系数；
k推-推料力系数；
k顶-顶料力系数；
n-凹模孔内存件的个数；
F-冲裁力。
表6—1 卸料力、推件力和顶件力系数
料厚t/mm
Kx
Kt
Kd
钢
≤0.1
＞0.1~0.5
＞0.5~0.25
＞2.5~6.5
＞6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.03
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
铝、铝合金
纯铜，黄铜
0.025~0.08
0.02~0.06
0.03~0.07
0.03~0.09
落料力计算
F落料=
F卸料=0.05×55.4=2.77KN
F压边=3KN
F冲孔=
F推=0.726KN
F总=F落+F卸+F拉+F压+F冲+F推
=55.4+2.77+58.6+3+13.2+0.726
=133.696
≈133.7
根据总的冲压力，结合实际，选开式双柱可倾压力机J23-25，技术规格如下：
公称压力：
250KN
滑块行程：
65mm
最大闭合高度：
270mm
最大装模高度；220mm
作台尺寸（前后×左右）：
370mm×560mm
垫板尺寸（厚度×孔径）：
50mm×200mm
模柄孔尺寸：
Ф40mm×60mm
最大倾角高度：
30°
（2）冲腰孔工序和翻孔工序
这两个工序的计算方法与第一道工序的计算方法是一样的，根据计算，可确定冲腰孔工序和翻边工序所选的压力机为J23-16，技术规格如下：
公称压力：
160KN
滑块行程：
55mm
最大闭合高度：
270mm
最大装模高度；220mm
工作台尺寸（前后×左右）：
300mm×450mm
垫板尺寸（厚度×孔径）：
40mm×210mm
模柄孔尺寸：
Ф40mm×60mm
最大倾角高度：
35°
Ⅱ模具压力中心的确定
由于该零件属于对称中心零件，所以零件的压力中心在在图形的几何中心上
7刃口尺寸的计算
Ⅰ落料凸、凹模刃口尺寸的计算
落料时，所加工零件的尺寸为67,材料为Q235，查表得冲裁模初始双面间隙为Zmin=0.07,Zmax=0.10;而零件的制造公差，查表可得
，
，且
所以采用凸模与凹模配合加工的方法
（零件精度IT10以上x=1,工件精度IT14时，x=0.5）
Ⅱ拉深模刃口尺寸的计算
查表可知，此拉深模的制造公差为
，
，且有压边圈拉深时凸凹模单边间隙值
，所以Z=1.6
凹模尺寸
D凹=
D凸=
圆角半径
r凹=
mm
r凸=（0.6～1）r凹=3.3mm
Ⅲ冲中心孔模及翻孔模刃口尺寸的计算
中心孔的制造采用翻边的工序，所以，要先冲一个预制孔，计算预制孔的尺寸
H=1.7
翻孔系数为
由
查表知，若采用圆柱形凸模，得低碳钢极限翻边系数为0.55，小于计算值，所以该工件能够一次翻边成形。
计算翻孔力
翻孔凸凹模的间隙查表可知为0.6mm
8主要零部件的设计
8.1凹模的设计
模具厚度的确定公式为：
H=Kb
式中：
K——系数值，考虑板料厚度的影响；
b——冲裁件的最大外形尺寸；
安上式计算后，选取的H值不应小于（15～20）mm;
表8—1 系数值K
s/mm
材料厚度t/mm
<1
>1~3
>3~6
<50
>50~100
>100~200
>200
0.30~0.40
0.20~0.30
0.15~0.20
0.10~0.15
0.35~0.50
0.22~0.35
0.18~0.22
0.12~0.18
0.45~0.60
0.30~0.45
0.22~0.30
0.15~0.22
查表10—1得：
K=0.3
H=0.3×63
=18.9mm
取H=20mm
模具壁厚的确定公式为：
C=（1.5～2）H
=1.5×20～2×20
=30～40mm
凹模壁厚取C=35mm
凹模宽度的确定公式为：
B=b+2C
=63+2×35
=133mm
查表取标准取B=200mm
因为材料为圆形的，所以凹模长度=宽度=200mm
8.2外形凸模的设计
因为该制件形状不是复杂，但有弯曲部分，所以将落料模设计成直通式凸模，直通式凸模工作部分和固定部分的形状做成一样，直通式凸模采用线切割机床加工。
可以直接用2个M8的螺钉固定在垫板上，凸模与凸模固定板的配合按H7/h6。
外形凸模的高度是凸模固定板的厚度、卸料板的厚度、导料板的厚度的总和，外形凸模下部设置1个导正销，借用工件上的孔作为导正孔。
外形凸模长度为：
L=H1+H3+（15～20）mm
H1——凸模固定板厚度；得H1=0.8×H凹=0.8×20=16mm（标准为20mm）
H3
—卸料板厚度；查表10—5得H3=6mm
（15～20）——附加长度，包括凸模的修磨量，凸模进入凹模的深度及凸模固定板与卸料板间的安全距离。
（附加长度取15）
L=20+6+15
=41mm
导正销的直线部分应为（0.5～0.8）t，导正销伸入定位孔时，板料应处于自由状态。
在手工送料时，板料由挡料销定位，导正销将工件导正的过程的将板料向后拉回约0.2mm。
必须在卸料板压紧板料之前完成导正。
在外形凸模的底部钻安装导正销，采用H7/h6的配合，为防止其脱落，在凸模上打横向孔，用销钉固定导正销。
8.3内孔凸模的设计
因为内孔凸模是圆凸摸，仍然选用直通式凸模，采用线切割加工。
与凸模固定板采用H7/h6配合。
凸模长度与外形凸模长度相等为45mm。
凸模材料应选T10A，热处理56～60HRC，凸模与卸料板之间的间隙见表10—3查得凸模与卸料板的间隙选为0.035mm。
表8—2 凸模与卸料板、导柱与导套的间隙
序号
模具冲裁间隙
Z
卸料板与凸模间隙Z1
辅助小导柱与小导套间隙Z2
1
>0.015~0.025
>0.005~0.007
约为0.003
2
>0.025~0.05
>0.007~0.015
约为0.006
3
>0.05~0.10
>0.015~0.025
约为0.01
4
>0.10~0.15
>0.025~0.035
约为0.02
8.4卸料部分的设计
（1）卸料板的设计
本模具的卸料板不仅有卸料作用，还具有用外形凸模导向，对内孔凸模起保护作用，卸料板的边界尺寸与凹模的边界尺寸相同，卸料板的厚度按表10—5选择，卸料板厚度为6mm。
卸料板与2个凸模的间隙以在凸模设计中确定了为0.035。
卸料板采用45钢制造，热处理淬火硬度40～45HRC。
表8—3固定卸料板厚度
冲件厚度t
卸料板宽度
<50
50~80
80~125
125~200
>200
~0.8
6
6
8
10
12
>0.8~1.5
6
8
10
12
14
>1.5~3
8
10
12
14
16
（2）卸料橡胶的确定
（3）定位零件的设计
定位零件采用活动挡料销定位。
采用活动当料销制造简单、使用方便。
活动挡料销固定在卸料板上，挡料销的位置应保证导正销在导正条料过程中条料活动的可能，活动挡料销的位置可以由公式确定。
式中
c——送料步距；
D——在送料方向上工件的尺寸；
d——挡料销头部直径；
0.1——导正销往前推的活动余量；
所以
e=64-63/2+10/2+0.1
=37.6mm
即活动挡料销的位置在距导正销37.6mm处。
采用45钢制造，热处理硬度43～48HRC。
8.5模架及其它零件的设计
8.5.1上下模座
本模具采用滑动导向后侧导柱模架。
滑动导柱、导套都是圆柱形的，其加工方便，可采用车床加工，装配容易。
导柱的长度应保证上模座最底位置时（闭合状态），导柱上端面与上模座顶面的距离15mm。
而下模座底面与导柱底面的距离为5mm。
导柱的下部与下模座导柱孔采用R7/h5的过盈配合,导套的外径与上模座导套孔采用R7/h5的过盈配合。
导套的长度，需要保证冲压时导柱一定要进入导套10mm以上。
导柱与导套之间采用H7/h6的间隙配合，导柱与导套均采用20钢，热处理硬度渗碳淬硬56～60HRC。
导柱的直径、长度，按标准选取。
导柱：
d/mm×L/mm分别为φ22×150，φ32×190；
导套：
d/mm×L/mm×Dmm分别为φ22×85×33，φ32×105×43
模座的的尺寸L/mm×B/mm为160mm×160mm,200mm×200mm。
模座的厚度应为凹模厚度的1.5～2倍,上模座的厚度为45（35），上垫板厚度取10，固定板厚度取20，下模座的厚度为50（40）mm。
8.5.2模柄
模柄的作用是将模具的上模座固定在冲床的滑块上。
常用的模柄形式有：
（1）整体式模柄，模柄与上模座做成整体，用于小型模具。
（2）带台阶的压入式模柄，它与模座安装孔用H7/n6配合，可以保证较高的同轴度和垂直度，适用于各种中小型模具。
（3）带螺纹的
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