拖拉机后连接板冲压工艺分析及模具设计.docx
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拖拉机后连接板冲压工艺分析及模具设计
拖拉机后连接板冲压工艺分析及模具设计
任务书
1．课题意义及目标
通过本次毕业设计，培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识和基本技能，独立分析和解决冲压产品开发及模具设计等工程领域实际问题的能力，为毕业后从事相关技术工作打好基础。
2．主要内容
（1）对给定工件进行工艺分析，确定工艺方案。
（2）进行冲压工艺设计：
工艺性质、工序数目、工序顺序、工序尺寸确定。
（3）模具的总体设计：
冲模类型、结构形式等。
（4）模具的结构设计：
模具工作部分尺寸计算，材料选用、结构尺寸确定等。
（5）绘制模具装配图及零件图，完成设计说明书一本。
3．主要参考资料
[1]王孝培.冲压设计资料[M].北京：
机械工业出版社，2000.
[2]李天佑.冲模图册[M].北京:
机械工业出版社,2005.
[3]郭成.冲压件废次品的产生与防止200例[M].北京:
机械工业出版社,1992.
[4]杨海良.不锈钢支架狭长孔冲裁工艺研究[J].模具工业，2014,08:
33-36.
[5]丁松聚.冷冲模设计[M].北京:
机械工业出版社,2010.
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅文献，完成开题报告
2014.12.01~2014.12.31
2
完成工艺计算、确定工艺方案
2015.01.01~2015.03.20
3
确定模具结构方案，中期检查
2015.03.21~2015.04.30
4
模具总体设计、结构设计
2015.05.01~2015.05.15
5
完善设计内容、完成设计说明书及答辩工作
2015.05.16~2015.06.10
审核人：
年月日
拖拉机后连接板冲压工艺分析及模具设计
摘要
拖拉机是用于驱动或者牵引机械设备完成一些移动式作业的动力机。
拖拉机后连接板是拖拉机用于连接一些相关部件的“L”形零件，在两个相互垂直的平面上一共有五个孔，通过这五个有形位公差的孔连接其他部件。
此设计通过对工件冲压工艺的分析，确定对工件进行加工的工序为:
“冲孔、落料复合”-“弯曲”，以保证工件加工完成后的使用要求。
弯曲工序是该冲压工艺过程中的关键工序。
在此次设计过程中，进行了必要的工艺计算，通过仔细查找图书、报刊等资料，设计了每一个工序的模具，并且使用计算机绘图软件绘制了模具总装图以及一些非标准零件图。
关键词：
拖拉机后连接板，冲压工艺，模具设计，工序，装配图
Stampingprocessanalysisofthejunctionpanelbehindthetractorandthedesignofthedie
Abstract
Tractoristhepowermachinewhichisusedtodriveorpullmechanicalequipmentstofinishsomekindsofmobileoperations.Thejunctionpanelbehindthetractorisusedtoconnectsomepartsofthetractor.Itisatypical"L"-shapedpart.Therearefiveholesonthetwomutuallyperpendicularplanes.Thefiveholeshaveprecisegeometrictolerance.Thefiveholesareusedtoconnecttheothercomponents.Aftertheanalysis,thestampingprocessis‘punchingholesandblankingcompound’-‘bending’.Itcanensuretheapplicationrequirementafterthemachining.Bendingprocessisthekeyprocedureinthestampingprocess.Inthedesign,Ididsomenecessaryprocesscalculations.Afterreadingmanybooksandmagazines,Idesigneddieforeveryprocess.Finally,Iusedthedrawingsoftwareofcomputertodrawthedieassemblydrawingandsomenon-standardpartsdrawing.
Keywords：
Junctionpanelbehindthetractor,Stampingprocess,Diedesign,Process,Assemblydrawing
1前言
1.1冲压概述、分类、特点及应用
1.1.1冲压概述
冲压技术是在室温的环境下使用冲模在压力机上对所需加工毛坯施加压力，使毛坯产生分离或者塑性变形，以此来获得具有一定尺寸、形状和性能的零件的加工方法。
所以，冲压也可以称为冷冲压。
冲压技术是压力加工方法中的一种，是一种比较先进的机械制造加工方法。
冲压技术中所需要使用的模具称为冲压模具，简称冲模。
冲模是把毛坯批量加工成所需要的冲压件的专用模具。
冲模在冲压过程中是至关重要的，没有标准的冲模，批量冲压生产就很难进行；没有技术先进的冲模，先进的冲压工艺就没有办法实现。
冲压工艺与模具、冲压设备、和冲压材料一起构成了冲压加工的三要素，三者共同起作用形成了冲压件。
压力机是冷冲压生产中的主要冲压设备。
压力机的种类很多，根据传动方式的不同，可以主要分为液压压力机、机械压力机两大类，其中的机械压力机在冷冲压生产中应用最为广泛。
现在，随着冲压技术的发展，高速压力机、数控回转头压力机等高性能压力机等也正在得到越来越广泛的应用。
1.1.2冷冲压工序的分类
因为冷冲压加工过程中的零件形状、尺寸、精度要求、生产批量的大小、原材料的性能等的不同，所以冷冲压方法是多种多样的，但是总的概括起来可以分为变形工序和分离工序两大类。
变形工序是指在材料不产生破坏的前提下使毛坯产生塑性变形，形成所需要形状与尺寸的零件；分离工序是把冲压件沿一定的轮廓相互分离。
冷冲压的五个基本工序可以分为冲裁、弯曲、拉深、成形和立体压制。
1.1.3冲压工艺的特点及其应用
冷冲压工艺与其他加工方法相比的优点如下：
（1）使用冷冲压加工的方法可以获得形状复杂并且用其它加工方法不容易加工的工件,比如薄壳零件等。
冲模可以保证冷冲压的尺寸精度，所以使用冷冲压加工的方法具有尺寸稳定，互换性好的优点。
（2）由于冷冲压加工过程中材料利用率高、强度高、耗能少，所以加工的成本比较低。
（3）加过过程中操作简单、工人劳动强度比较低、容易实现机械自动化。
（4）冷冲压中所用的模具结构一般都比较复杂，生产周期相对较长、成本高。
所以，在单件以及大批量生产中受到一定的制约，相对来说更适合应用在成批、大量的生产中。
因为冷冲压有这么多的优点，在许多行业中都得到很好的应用。
大到汽车上使用的覆盖件，小到手表等仪表、仪器元件，大多都是由冷冲压的方法制造成的。
现在生产和生活中的拖拉机、电器、汽车、仪器以及各种电子产品大部分都是采用冷冲压工艺所获得的。
根据大概的统计，在汽车制造业中采用冷冲压工艺制造的零件约有65%左右。
在电子产品中，采用冲压工艺制造的零件约有85%以上。
在飞机、导弹的生产中冲压件也占有相当大的比例。
1.2我国模具工业与发达国家之间的差距
（1）我国的冲压模具计算机技术的开发手段相对落后、技术的普及率较低、应用也不够广泛；运用CAE进行模具方案设计和分析计算等方面，也才刚刚有所起步。
由于缺少先进的制造设备和工艺装备，只有5%左右的模具制造设备采用了CAM技术制造模具。
（2）模具加工设备当中的精密加工所占的比重比较低，直接关系到国产模具质量的提升。
国内需要的大型、复杂模具（高档汽车使用的外覆盖件）还大部分依靠进口。
（3）国内生产冷冲压所需模具的各种条件还不够完备，生产冲压模具的配套材料质量不高，缺少关键的试验条件及实验数据。
（4）生产冲压模具的专用技术尚未成熟，大部分处于探索阶段。
某些至关重要的技术缺少知识产权的保护。
1.3冲压模具技术发展的趋势
（1）CAD/CAE/CAM技术得到了全面的推广。
随着电子计算机技术的发展，普及CAD/CAM/CAE技术的环境已经基本成熟。
世界上比较先进的模具制造厂为我们提供了相对成功的经验。
高精度以及机械化加工，使模具的质量有了很大的提高，极大的缩短了生产周期。
（2）模具的检测设备趋于精密、高效以及多功能。
（3）模具的加工设备趋于高速、一体化。
（4）一体化加工中心得到了快速的发展。
其优点是集中了各种加工机床的优点，只需要一次装卡可以实现粗加工、精加工等，兼顾到了精度、速度、效率。
（5）模具材料以及表面处理技术正在迅速发展。
材料的应用是模具工业水平提升的关键，所以选择质量高的钢材和相对应的表面处理技术对提高模具的使用寿命是十分重要的。
模具的热处理加工和表面的处理可以充分的发挥模具的性能，一般采用真空热处理。
模具的常用表面处理方法有渗碳、渗氮、渗钒、以及气相沉积、等离子喷涂等技术。
2冲压工件的工艺过程分析
2.1冲压工件材料、厚度以及生产的类型
本次毕业设计冲压拖拉机后连接板的材料选用Q235-A，此材料属于普通碳素结构钢，具有一定的强度以及良好的塑性，所以此材料的冲压工艺性能较好。
材料厚度为5mm，生产类型为大批量生产。
2.2分析冲压零件的工艺性
拖拉机后连接板的工件图如下：
图2.1拖拉机后连接板工件图
2.2.1工件的性能以及特点
本设计的工件为拖拉机后连接板，为典型的“L”形弯曲件。
对于尺寸为257mm、183mm、75mm的精度要求不是很高，所以可以采用IT14级精度进行冲压加工。
被加工零件在相互垂直的两个平面上一共有5个Φ16的通孔，在与机架焊接后，通过这5个通孔来连接其它相关零件，以此来保证各工件的相互位置，所以，对这5个通孔的位置度精度要求比较高，与孔位置相关尺寸应需要能够保证有较高的位置度。
通过对被加工工件尺寸的初步计算，可以确定毛坯展开长度为258mm、宽度为257mm，展开后的毛坯近似为一个正方形，定位操作时，宽边和窄边一定要放置正确。
毛坯材料选用轧制板材或者带料，弯曲线应垂直于板带的轧制纤维方向，否则容易造成毛坯弯曲开裂。
2.2.2冲压工艺方案的确定
加工该工件的基本工序为冲孔、落料、弯曲。
因为r/t=1<5，弯曲半径的回弹值很小，基本可以忽略，只需要考虑角度的回弹。
根据（冯炳尧，模具设计与制造简明手册）可知，Q235-A的弯曲回弹计算公式为：
Δα=0.417r/t-0.366°=0.051°。
Δα值很小，基本可以忽略，所以采用弯曲工序，不需要进行校正。
该冲压工件的工艺方案初步拟定有以下三种：
方案一：
落料弯曲复合-冲2孔-冲3孔
方案二：
冲孔落料复合-弯曲
方案三：
落料冲2孔复合-弯曲-冲3孔
把上述三种工艺方案进行对比可知：
加工这个工件时对上面的5个孔的位置精度要求比较高，并且从工件图上的标注可以得出，对基本尺寸157mm、50mm这两个尺寸精度要求比较高，5个孔的设计基准和工艺基准都是弯曲后与冲孔表面相互垂直的表面内壁。
假如选用方案三落料冲二孔复合，虽然可以节省工时，但是难以保证157mm的尺寸精度以及2个孔的位置精度，而且还容易造成偏载。
假如选用方案一落料弯曲复合，同方案三一样，也可以节省工时，但是对于大型的工件，模具的设计及制造比较困难，机构相对复杂，成本高，不容易保证弯曲精度。
而方案二没有上述缺点，5个通孔的位置精度都能够保证，模具的设计制造也比较简单。
所以选用方案二为该冲压工件的冲压工序，即为：
冲孔、落料复合-弯曲。
3主要冲压工艺参数的计算
3.1确定该零件毛坯的尺寸、排样、材料的规格以及利用率
3.1.1计算毛坯的展开尺寸
在板料进行弯曲时，弯曲件的毛坯展开尺寸是否准确，直接关系到所要弯曲工件的尺寸精度，而弯曲中性层在进行弯曲变形前后的长度不变，所以，可以将中性层的长度作为计算弯曲部分展开长度的计算依据，在实际的生产中，一般都是通过经验公式来确定中性层的曲率半径：
ρ=r+xt
根据《冷冲模设计》，查表5.5得x=0.32代入公式得：
ρ=5+0.32×5=6.6mm
式中的x是与变形程度有关的中性层系数。
弯曲件圆弧部分的展开长度：
l弧=
ψ=
×90°=10mm
弯曲件直线部分的展开长度：
l直线=178+70=248mm
由上两式计算得，弯曲件毛坯的展开长度为：
L=l弧+l直线=10+248=258mm
零件毛坯在长度方向上取为257mm。
尺寸标注为，毛坯宽度尺寸：
257mm，毛坯长度尺寸：
258mm。
工件毛坯的形状和尺寸如下图：
图3.1工件毛坯图
3.1.2确定排样方式
排样方式可以按照材料经济利用的程度分为以下三种：
有废料排样法、少废料排样法、无废料排样法。
因为使用有废料排样法得到的冲裁件质量好，模具寿命长，而此次设计是大批量生产，所以采用有废料的排样法。
（1）搭边的数值计算
Q235-A属于低碳钢，通过《冷冲模设计》查表3.10可得：
搭边值a=0.8t=0.8×5=4mm
搭边值a1=0.9t=0.9×5=4.5mm
（2）送料步距和条料宽度的确定
送料步距为：
A=D+a=258+4=262mm
其中：
D为平行于送料方向的冲裁件的宽度
a为冲裁件之间的搭边值
条料宽度为：
B=（D+2a1+Δ）0-2
其中：
D为送料方向与冲裁件垂直的最大尺寸；
a1为条料侧边与冲裁件之间的搭边；
Δ为板料裁剪时的下偏差
根据《冷冲模设计》查找表3.11得Δ=2.0mm，
代入上式得：
B=（D+2a1+Δ）0-2=（257+2×4.5+2）0-2=2680-2mm
所以条料的宽度可以取为268mm。
3.1.3材料规格的确定
Q235-A为普通碳素结构钢，为提高材料的使用率，根据《钢铁材料标准数据手册》选择5.0×270（厚度为5.0mm，宽度270mm，长度不小于4mm）的条状钢带比较合适，不需要裁剪，冲压前用开卷机将钢带开卷校直就可以进行冲压，可以提高材料的使用率，降低成本。
3.1.4材料利用率的计算
材料利用率为：
η=
×100%=
×100%=
×100%=93.7%
因为落料时工件毛坯的长方形四边会存在过度圆角，导致面积小于长方形的面积，所以材料的利用率会比93.7%小，选择5.0×270的条状钢带比较合适。
3.1.5排样图的绘制
工件毛坯排样图如下：
图3.2工件毛坯排样图
3.2各工艺力的计算、压力机吨位的选择
3.2.1计算落料工艺力
（1）冲裁力大小的计算F=KLtτ
上式中F为冲裁力（N）
L为冲裁件的周长（mm）
t为板料的厚度（mm）
τ为冲压材料的抗剪强度（MPa）
K为考虑刃口钝化、间隙不均匀、材料的力学性能和厚度波动等因素而增设的安全系数，常取为K=1.3。
L=2×（257–40）+2×（258–40）+2π×20=996.4mm
t=5mm
由《冷冲模设计》，查表2.3得τ=304～373MPa，取τ=340MPa
把所有数据代入上式得：
F=Kltτ=1.3×996.4×5×340=2202022N取F为2202KN
（2）卸料力和推件力的计算
卸料力F卸是指从凸模上卸下板料时所需要的力。
推件力F推是指从凹模内向下推出工件或废料时所需要的力。
顶件力F顶是指从凹模内向上顶出工件或废料时所需要的力。
由《冷冲模设计》，查表3.8得K卸=0.04K推=0.045
采用弹性卸料装置：
卸料力F卸=K卸F=0.04×2202044=88082N=88.082KN
推件力F推=K推F=0.045×2202044=99092N=99.092KN
F总=F+F推=2202044+99092=2301136N=2302KN
3.2.2计算冲孔工艺力和选择冲孔-落料工序压力机的吨位
（1）计算冲裁力的大小
冲裁力计算公式由《冷冲模设计》的公式（3.15）可知为：
F=KLtτ。
其中K的值取为1.3，L=5πd=5π×16=251.2mm，t=5mm，
τ=340MPa，将上述各数值代入上式的：
F=KLtτ=1.3×251.2×5×340=222105N≈555.2KN
（2）卸料力和推件力的计算
由《冷冲模设计》，查表3.8得K卸=0.04K推=0.045
采用弹性卸料装置：
卸料力F卸=K卸F=0.04×555152=22206N≈22.2KN
推件力F推=K推F=0.045×555152=24981.9N≈25KN
（3）总冲压力的计算以及压力机吨位的确定
F总=F+F推=25+555.2KN=580.2KN
落料工序和冲孔工序总力为:
F=2302+580.2=2882.2KN
综合考虑落料和冲孔工艺,可以选择标称压力机为3150KN的闭式单点单动压力机。
3.2.3计算弯曲工艺过程中各工艺力以及弯曲压力机吨位的选择
（1）弯曲力的计算
弯曲力是设计弯曲模以及确定压力机吨位的重要依据。
尤其是在弯曲板料比较厚、弯曲线比较长、相对半径比较小，而弯曲设备吨位和功率有限的情况下对弯曲力进行计算更是必要的，所以此工件需要进行弯曲力的计算。
根据之前的工艺分析计算可以知道不管是工件的弯曲半径的回弹还是角度的回弹都小到可以忽略，所以采用自由弯曲就可以保证弯曲精度。
拖拉机后连接板是比较典型的“L”行件，所以弯曲力的计算公式为：
F自=
其中，F自为冲压行程结束时的自由弯曲力（N）
K为安全系数
b为弯曲件的宽度（mm）
t为弯曲材料的厚度（mm）
r为弯曲件的内弯曲半径（mm）
σb为材料的强度极限MPa
K值一般取为：
K=1.3b=257mm，t=5mm，r=5mm，
由《冷冲模设计》，查表2.3得σb=450MPa，把个数值代入上述公式得
F自=
=
=225517.5KN≈226KN
（2）弯曲时顶件力与卸料力的计算
顶件力与卸料力FQ的值可以近似的取自由弯曲力的30%～80%,即FQ=（0.3～0.8）F自=（0.3～0.8）×225517.5=6765.525N～180414N。
（3）确定弯曲压力机的吨位
自由弯曲下压力计的吨位为F机≥F自+FQ=232383N～405931.5N，
所以可以选择标称压力机为630KN的压力机。
4编写冲压工艺卡片
表4.1拖拉机后连接板冲压工艺过程卡片
序号
工序名称
工序草图
工装名称
检验要求
备注
1
落料冲孔复合
落料冲孔复合模
按草图检验
2
弯曲
弯曲模
按草图检验
5所需模具的设计
选定各个工序所需冲模的类型以及机构形式可以根据已经确定的工艺方案、零件形状的特点、工件的精度要求、所选用设备的主要技术参数、模具的制造加工条件和安全生产等来选择。
5.1冲孔落料复合模的设计计算
5.1.1落料部分结构形式的选择
经过对此次设计的拖拉机后连接板进行工艺分析，可知，冲压该工件的各个工序相对来说都比较简单。
对于大型零部件的大批量生产，选择采用复合模具比较容易实现加工工程操作的机械自动化，可以提高生产效率，减小劳动强度，而且很适合于多工位压力机上实现自动化，所以此次设计选择使用落料冲孔的复合模即可满足设计的要求。
根据之前分析计算可知：
所加工工件料厚为t=5mm比较厚，卸料力也比较大，所以采用刚性推件以及弹性卸料装置比较符合要求。
图5.1落料冲孔模具装配图
5.1.2落料工作部分尺寸以及公差的计算
选择凸模和凹模分别加工制造的方法，根据《冷冲模技术》中表3.3中数据，采用插值法进行计算，当料厚度为5mm时，
Zmin=0.720+
×（5-4.5）=0.830mm
Zmax=1.000+
×（5-4.5）=1.140mm
Zmax–Zmin=1.140–0.830=0.310mm
根据《冷冲模技术》表3.6中数据可知，冲裁是凸模与凹模的制造偏差分别为：
宽度方向上：
δ凹=+0.045mm，δ凸=-0.030mm
长度方向上：
δ凹=+0.045mm，δ凸=-0.030mm
对于选择分别加工的凹模与凸模，需要保证下述的关系：
|δ凹|+|δ凸|≤Zmax–Zmin
经过校验计算：
|δ凹|+|δ凸|=0.075mm＜0.31mm，满足要求，不会影响到模具的使用寿命。
在圆角半径上：
δ凹=+0.025mm，δ凸=-0.020mm
经过校验计算：
|δ凹|+|δ凸|=0.045mm＜0.31mm，满足要求，不会影响到模具的使用寿命。
落料模具在长度方向上的尺寸为：
D凹长=（Dmax–xΔ）0+δ凹=（258.4–0.5×1.3）0+0.045=257.750+0.045mm
上式中x为磨损系数，通常取为0.5，
D凸长=（D凹长–Zmin）0-δ凸=（257.75-0.830）0-0.030=256.920-0.030mm
落料模具在宽度方向上的尺寸为：
D凹宽=（Dmax–xΔ）0+δ凹=（257.7–0.5×1.4）0+0.045=2570+0.045mm
D凸宽=（D凹宽–Zmin）0-δ凸=（257–0.830）0-0.030=256.170-0.030mm
落料模具圆角工作部分尺寸：
D凹圆=（Dmax-xΔ）0+δ凹=（20–0.5×0.52）0+0.025=19.740+0.025mm
上式中x为磨损系数，通常取为0.5，
D凸圆=（D凹圆–Zmin）0-δ凸=（19.74–0.830）0-0.020=18.910-0.020mm
根据王孝培主编的《冲压设计资料》表2.40，查找数据可知：
落料凹模的模壁厚度c为60mm。
5.1
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