U型连接件模具设计.docx
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U型连接件模具设计
第1章绪论
作为一个即将毕业的材料专业模具方向学生来说，４年专业知识的学习，为以后从事冲压模具设计打下了良好的基础。
同时在校时了解模具行业的发展趋势也是很有必要的,它有助于我们把握自己的学习方向，不断提高自己的专业素养。
近年中国经济快速增长。
各行各业快速发展，带动模具市场的持续的快速发展。
模具市场内最广的板块是汽车。
汽车工业历经了2002年到2003年持续两年“井喷式”发展以后，2004年销售量和产量分别增长15.5%和14.11%，发展仍很快，模具市场中第二大板块是信息和电子产业。
该产业近年来一直快速运营，年增长率有20%以上。
中国的微波炉、玩具、自行车分别占全世界市场份额的50%、70%和60%。
中国的电视机、影印机、个人电脑和空调器分别占全世界市场份额的1/3、2/3和2/5。
冰箱已经占了20%。
这些产品制造业全是模具的大用户。
在此情形之下，在中国模具工业快速发展已必然所趋。
中国已经进入WTO，在挑战与机遇并存中，机遇大于挑战是中国模具工业面临的形势。
因此，一方面是模具的进出口快速发展，另一方面是外资大量进入模具行业。
产生效应。
1是外资给带来了资金，和带来了市场与技术；2是外资企业处于优势地位在市场中。
此两方面效应也促进模具工业的高速发展，包括模具产品的数量、质量、品种和水平。
近年来，国家产业政策也一直把模具列为支持的产品，把模具工业列为需要扶持的行业。
正确的产业政策产生了正确的引导作用，也促进模具工业的快速发展和模具市场的繁荣昌盛。
1.1我国模具市场的发展趋势
当代模具工业有“不衰亡工业”之称。
世界模具市场大多数供不应求，市场需要量维持在六百亿至六百五十亿美元，同时，我国也迎来了新一轮的发展机遇的模具产业。
近几年，我国模具产业保持13%的年增长率总产值（据不全面统计，2004年国内模具进口总值达到600多亿，同时，将近200个亿的出口），2005年模具产值超过600亿元，模具和模具标准件出口将从现在的每年9000多万美元增长到2005年的2亿美元上下。
单就汽车产业来说，一个型号的汽车所需模具要几千副，价值上亿元，且汽车换车型时约有80%的模具需也要更换。
另外，通讯和电子产品对模具的需求也是很大，在发达国家已经占到模具市场总和的20%之多。
模具的服务面很是广阔，所以模具的样式也十分繁杂。
由于用户对产品美观和质量的要求，这几年随着压铸件和塑料制品使用越来越多，压铸模和塑料模的产量也一年比一年多，其在模具总量中的比值也在渐渐提高。
2001年至2004年四年间，压铸模和塑料模在模具总量中的比例分别提升了约0.6个和约2个百分点。
因为高速公路的高速发展，橡胶轮胎的子午化率不断提高，因而近年来子午线轮胎模具发展很快。
广东揭阳和胶东半岛是子午线轮胎模具最为集中的地区，一些企业的子午线轮胎模具年销售额已超过1亿元，有的已超过2亿元，形成了一定的规模效应。
模具标准件是模具的基础，可减少生产周期、提高质量和降低成本，因此这几年模具标准件使用覆盖率一直提高，产量也就不断增加。
现在，年销售额在亿元以上模具标准件生产企业也有不少，最大已经超过10亿元。
模具标准件的样品也一直增加，质量也一直在提升。
由于因为生产模具标准件门坎比较低，所以小规模私营企业有很多，之中一些企业生产条件非常简陋，原材料采购也不把关，过多地计较成本和价格，这使产品质量下降，不仅影响模具质量，又对市场造成冲击，在模具市场上发出了少些不协调的声音。
服务、质量、价格、周期，四大要素是模具销售的。
在日前的模具市场中，周期越来越重要。
模具材料不断增长价，工资不断增长，模具价格大多的却是不涨降价，所以压缩了模具生产企业利润空间。
为了发展与生存，近年更加注重管理改善和技术进步。
这些也都使得了模具市场的健康发展。
因为中低档的模具竞争剧烈，中高档的模具市场空间也相对较广，这样，长寿命、大型、复杂、精密等技术含量高的中高档的模具的极高发展速度，自然也就高于模具行业的发展的速度。
从而促进了模具市场的产品和技术结构向着合理化方向发展，使得模具市场能更是繁荣。
广东省是我国目前的模具第一大省，以三资企业为主体的广东模具市场，目前占我国模具总产值的4成以上。
以私营企业为主体的浙江省模具生产排名我国第二。
上海和江苏，近年来模具生产发展非常快，市场份额正逐年增长。
辽宁、山东、福建、安徽、天津近年的发展情况相对较好，而中部和西部地区的大部分省份，其发展的速度就相对慢些。
总起来说，珠江三角洲和长江三角洲是我国模具市场发展最为集中的两大地区。
2005年我国经济总体上仍保持着高速发展的走势，模具主要用户行业的发展速度大都能达到15%以上。
因此，2005年我国模具市场的增长率也在15%以上，也就是说，2005年我国模具的总产值超过600亿元人民币。
用一句话来概括我国模具市场的近况，那就是“平稳向上，产需两旺”。
“十一五”期间（2006～2010年）我国模具市场的发展速度可能比“十五”期间慢一些，但预计年平均增长率也会达到两位数，其最大可能是10%～12%，这一预计速度应该说是比较保守的。
1.2模具技术的发展趋势
1.2.1模具产品发展将大型化精密化
模具产品成形零件的日渐大型化，和由于高生产效率要求的一模，多腔。
使模具渐渐大型化。
随着零件的小型化，和模具结构的要求发展精密模具的精度已经由原来的5μm提升到2～3μm，今后有些模具加工精度的公差要求是在1μm以下，这就要求了发展超精加工。
1.2.2快速经济模具的前景十分广阔
现在是少批量、多品种生产的时代，在下一世纪，，这种生产方式的比例将达75%以上占工业生产。
一方面是制品品种更新快，使用周期短，另一方面制品的花样变化频繁，均要求模具的生产周期越短越好。
因此，开发快速经济具越来越引起人们的重视。
例如，研制各种超塑性材料（聚脂、环氧等）制作或在其中间填充玻璃纤维、金属粉末等的简易模具；中、低熔点合金模具、快速电铸模、喷涂成型模具、陶瓷型吸塑模、陶瓷型精铸模、叠层模和快速原型制造模具等快速经济模具得到进一步发展。
快换冲头、快换模架等也将日益发展。
另外，采用机械手操作和计算机控制的快速试模技术、快速换模装置也会得到发展和提高。
1.2.3模具标准件的应用将渐渐广泛
使用模具标准件不仅能减少模具制造周期，而且能降低模具制造成本和提升模具质量。
因此，模具标准件的应用也将日渐广泛。
为此，首先要制订统一的国家标准，并严格按标准生产；接着要逐步形成规模生产，提高标准件质量、降低成本；再次是要进一步增加标准件规格品种，发展和完善联销网，保证供货迅速。
1.2.4在模具设计制造中将全面推广CAD/CAM/CAE技术
模具CAE/CAD/CAM技术是模具技术发展过程一个重要的里程碑。
实践证明，模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。
目前，全面普及、CAD/CAM/CAE技术已经基本的成熟。
由于模具CAD/CAM技术已发展成为一项比较，成熟的技术，近年来模具CAM/CAD技术的软件与硬件价格已降低到中小企业普遍能接受程度，尤其是微机的普及和应用，更为广大的模具企业的普及模具CAM/CAD技术行程了良好条件。
随着，微机软件的进步和发展，技术培训的工作也在日趋简化。
在推广普及模具CAM/CAD技术的过程中，应抓住机遇，重点主要扶持国产的模具软件的应用和开发。
加大技术服务的力度和技术培训。
进一步的扩大CAE技术的应用和范围。
对于已普及了模具CAM/CAD技术的一批以家电行业代表的企业来说，应积极做好模具CAD，/CAM技术的深化应用工作，即开展企业信息化工程，可从CAPP·PDM，CIMS·VR逐步深化和提高。
1.2.5模具高速扫描及数字化系统将发挥更大的作用
英国雷尼绍公司的模具扫描系统，已经在我国200多家模具厂得到应用，取得不错效果。
该系统提供了从实物或模型扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能，大大缩短了研制的制造周期。
如RENSCAN200快速扫描系统，能快速安装在先有的数控铣床及加工中心上，用雷尼绍的SP2-1扫描测头实现迅速数据采集，控制核心是雷尼绍TRACECUT软件，可自动生成各种不同格式的CAD数据及不同数控系统的加工等程序。
用于模具制造业的“逆向工程”。
该公司也推出了CYCLON高速扫描机，是一台独立工作的专门的用来扫描的设备，不占用加工机床的工作时间。
其扫描速度最高可以达3m/min，缩短了模具制造周期，另外，他的定时探针接触力小，数据采集速度比RENSCAN200快，因此可以用非常细的探针，用来扫描细微的特征表面和细小的模具，扩大模具生产的品种范围。
由于模具扫描系统已在摩托车、汽车、定电等行业得到成功应用，相信在“十五”期间会发挥更大的作用。
1.2.6模具的研磨抛光将向智能化、自动化方向发展
模具表面精加工，是模具加工过程中未能良好解决的难题。
模具表面的质量对制件外观的质量和模具使用的寿命等等方面都有比较大的影响，我国目前仍然以手工研磨抛光为主，不仅工人劳动的强度较大，且质量也不稳定，效率较低（大约占到整个模具的制造周期1/3），制约我国模具的加工会向更高层次去发展。
所以，研究抛光智能化、自动化是比较重要的发展趋势。
日本早已研制数控研磨机，可以三维曲面模具研磨抛光的智能化、自动化是主要的发展趋势。
日本已经研制数控研磨机，可实现三给曲面模具研磨抛光自动化。
另外，由于模具型腔的形状比较复杂，任何一种研磨抛光的方法也有一定的局限性。
应注意发展特种抛光与研磨、如超声抛光、复合抛光、电化学抛光以及挤压衍磨装备与工艺，来提升模具的表面质量。
第2章设计题目
该设计零件为一结构连接件，其用途为一电气结构组件中的单元连接件，材料为10钢板，料厚为0.8㎜，使用量较大，下图为该零件结构图。
外形周边的形状需按工序顺序的多个不同工位上分割冲切，而工序顺序排列不当易影响冲件与载体的连接强度。
图2.1制件图
第3章工艺分析
工件的工艺性是指工件对冲压加工工艺的适应性，它是从冲压加工角度对产品设计提出的工艺要求。
工艺分析就是要判断产品在技术上能否保质，保量地稳定生产，在经济上是否有效益。
因此，冲压工艺就是对产品的冲压工艺方案进行技术和经济的可行性分析。
良好的工艺性体现在材料消耗少，工序数目少，模具结构简单而寿命长，产品质量稳定，操作简单方便。
3.1技术分析
3.1.1冲裁的结构工艺性
（1）冲裁件的外形或内孔应避免尖锐的清角，在各直线或曲线的连接处，除属于无废料冲裁或采用镶拼模结构外，宜有适当的圆角，其半径的最小值如表所示：
表3-1冲裁件圆角半径的最小值
（2）冲裁件的孔与孔之间、孔与边缘之间的距离不应过小，其许可值见图3-1。
（3）用普通冲裁模冲制的零件，其断面与零件表面并不垂直，并有明显区域性特征。
采用合理使用间隙冲裁模冲制的零件，光亮区域约占断面厚度的30%；凹模侧有明显的塌角，凸模侧有高度不小于0.05mm的毛刺；外形有一定程度的拱曲。
冲裁件的这些特征是普通冲裁加工条件决定的。
选用冲裁工艺时，必须考虑零件的这些特征。
（4）凡产品图纸上未注公差的尺寸均属于未注公差尺寸。
在计算凸模和凹模时，冲压件未注公差尺寸的极限偏差数值通常按GB1800-79IT14级。
图3.1孔边距的最小值
3.1.2弯曲的结构工艺性
（1）弯曲件的形状应尽量简单、对称。
对称弯曲件在圆周方向上的变形是均匀的，模具加工也容易，其工艺性最好。
其它形状的弯曲件，应尽量避免急剧的轮廓变化。
（2）弯曲件各部分尺寸比例要恰当。
尽量避免设计宽凸缘和深度大的弯曲件，因为这类工件需要较多的弯曲次数。
如果工件空腔不深，但凸缘直径很大，制造也很费劲。
工件凸缘的外廓最好与弯曲部分的轮廓形状相似；如果凸缘的宽度不一致，仅弯曲困难，还要添加工序，还需放宽切边余量，增加金属消耗。
（3）弯曲件的圆角半径要合适。
弯曲件的圆角半径，应尽量大些，以利于成形和减少弯曲次数。
应满足R1≥t，R2≥2t，R3≥3t，否则，应增加整形工序。
如增加一次整形工序，其圆角半径可取R1≥（0.1～0.3）t，R2≥（0.1～0.3）t。
（4）弯曲件厚度的不均匀现象要考虑
弯曲件由于各处变形不均匀，上下壁厚变化可达1。
2t至0.75t。
多次弯曲的工件内外壁上或带凸缘弯曲件的凸缘表面，应允许有弯曲过程中所产生的印痕。
除非工件有特殊要求时才采用整形或赶形的方法来消除这些印痕。
（5）弯曲件的尺寸精度不宜要求过高
弯曲件的制造精度包括直径方向的精度和高度方向的精度。
产品图上的尺寸应注明必须保证外部尺寸或是内腔尺寸，不能同时标注内外形尺寸。
（6）弯曲件上的孔位布置
弯曲件上的孔位布置要合理，应设置在与主要结构面（凸缘面）同一平面上，或使孔壁垂直于该平面，以便冲孔与修边同时在一道工序中完成。
表3-2弯曲件直径的极限偏差（单位：
mm）
材料
厚度
弯曲件直径的基本尺寸d
材料
厚度
弯曲件直径的基本尺寸d
附 图
≤50
>50~100
>100~300
≤50
>50~100
>100~300
0.5
0.6
0.8
1.0
1.2
1.5
±0.12
±0.15
±0.20
±0.25
±0.30
±0.35
——
±0.20
±0.30
±0.30
±0.35
±0.40
——
——
±0.30
±0.40
±0.50
±0.60
2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
6.0
±0.40
±0.45
±0.50
±0.60
±0.70
±0.80
±0.50
±0.60
±0.70
±0.80
±0.90
±1.00
±0.70
±0.80
±0.90
±1.00
±1.10
±1.20
注：
弯曲件外形要求取正偏差，内形要求取负偏差。
（7）弯曲件的尺寸精度一般不高于IT13级，如果要求尺寸精度高于IT13级，则需要增加校形工序。
3.2经济分析
所谓经济性，就是以最小的耗费来取得最大的经济效果。
也就是生产中的“最小最大”原则。
在冲压生产中，保证产品质量，完成产品数量、品种计划的前提下和产品成本越低，说明企业经济效果越大。
表3-3弯曲件高度的极限偏差（单位：
mm）
`料厚度
弯曲件高度的基本尺寸h
附 图
≤18
>18～30
>30～50
>50～80
>80～120
≤1
>1～2
>2～3
>3～4
>4～5
>5～6
±0.5
±0.6
±0.7
±0.8
―
―
±0.6
±0.7
±0.8
±0.9
―
―
±0.7
±0.8
±0.9
±1.0
±1.2
―
±0.9
±1.0
±1.1
±1.2
±1.5
±1.8
±1.1
±1.3
±1.5
±1.8
±2.0
±2.2
表3-4带凸缘弯曲件高度的极限偏差（单位：
mm）
材料厚度
弯曲件高度的基本尺寸h
附 图
≤18
>18～30
>30～50
>50～80
>80～120
≤1
>1～2
>2～3
>3～4
>4～5
>5～6
±0.3
±0.4
±0.5
±0.6
―
―
±0.4
±0.5
±0.6
±0.7
―
―
±0.5
±0.6
±0.7
±0.8
±0.8
―
±0.6
±0.7
±0.8
±0.9
±1.0
±1.1
±0.7
±0.8
±0.9
±1.0
±1.1
±1.2
3.2.1冲压件成本分析
产品成本受到产量影响相对较大，特别是冲压生产相对突出。
在一定的条件下，企业生产的产品数量的增加减少，将也会引起成本中一些费用的变化，其结果也使得成本会发生一些波动。
为此可将产品的成本分为变动费用和固定费用两个部分。
固定费用指的是在一定的时期和一定的产量范围内，总额不会随着产量变动而变动，它是维持生产能力而基本不变的费用。
例如设备、模具折旧费，加工的费用的各种经费和固定工资部分等。
但是单位的固定，费用，也是分摊在每个产品的固定费用却可变的。
即产量与单位固定费用成反比例在变化。
变动费用是指它的总额随产量的增加减少也成比例增加或者减少。
例如产品直接耗用的外协件加工费、原材料费、外购件费等等。
但是产品单位费用而言，变动费用则基本不会改变。
上述可知，冲压件生产成本是由固定费和可变费这两部分组成的，所以只要设法降低固定费用或可变费用，都能使生产成本降低，利润增加。
可见企业要提高经济效益，就要在降低成本上下功夫。
3.2.2降低制造成本的措施
降低产品成本，包括增产、节约两个方面。
增产可降低产品成本中的固定费用，相对地减少消耗，节约便能直接降低消耗，它们都是降低成本的重要途径。
冲压件的成本包括材料费、加工费、模具费等项。
因此，降低成本，就是要降低以上各项费用。
以下讨论降低成本的措施。
冲压生产中，工艺合理化是降低成本的有力手段，一般在制定新产品工艺时进行。
当产量发生变化，模具寿命短或因事故发生损坏时，由于更改产品设计而改变模具时，以及变更设备等生产条件发生变化时，要重新讨论（研究）产品工艺。
由于工艺的合理化能降低模具费、节约加工工时降低材料费等，所以必然降低零件总成本。
在制定工艺时，工序的分散与集中是比较复杂的问题。
它取决于零件的批量、结构（形状）、质量要求、工艺特点等。
对于板材冲压件，一般说来，在大批量生产情况下，应当尽量把工序集中起来，采用复合或连续模进行冲压，很小的零件，适合于复合或连续冲压加工，这样既提高了生产率，又能安全生产。
复合模对于大的零件也是适合的，因为一副大的复合模，有时比两副同样大小的单工序模的费用低，而小批量生产时，则以采用单工序模分散冲压为宜。
根据实践经验，集中到一副模具上的工序数量不宜太多，对于复合模，一般为2～3个工序，最多4个工序，对于连续模，集中的工序数可以多些。
产量较大时，采用多件同时冲压，可使模具费、材料费和加工费降低，同时有利于成形表面拉力均匀化。
左右对称成形时，不仅可使变形均匀，改善受力状况，同时还降低了成本。
自动化生产，从安全和降低成本两个方面来看，将成为冲压加工的发展方向。
今后不仅大批量生产中采用自动化，在小批量生产中也可采用自动化生产。
在大批量生产中采用自动化时，虽然模具费用较高，但生产率高，产量大，分摊到每个工件上的模具折旧费和加工费却比单件小批生产时要低。
从生产安全性考虑，在小批量多品种生产中采用自动化也是可取的，但自动化的经济性问题，急待研究。
在自动化生产中，降低成本的手段是高速化。
与高速化并行的是多列化，这样可以降低加工费用和提高材料利用率。
为了实现，压力机的高速化，需要相应解决延长模具和噪音振动寿命问题。
高速压力机要求足够的刚度和精度，一般以闭式双点结构为宜，为减少振动和噪音，倾向于铸铁机身，且运动部件需要求实现动的平衡。
为了延长模具的寿命，可以采用高寿命的新材料。
在冲压生产过程中，工件的原材料费用约占制造成本的60%,，所以要节约原材料，利用废料具有非常重要的意义。
提高材料利用率是降低冲压件制造成本的重要措施之一。
特别是材料单价高的工件，必须慎重研究。
降低材料费的方法如下：
（1）在满足零件强度和使用要求的情况下，减少材料厚度。
（2）降低材料单价。
（3）改进毛坯形状，合理排样。
（4）减少搭边，采用少废料或无废料排样。
（5）对称压制。
（6）组合排样。
3.3结构连接件的工艺分析
3.3.1材料
U形连接件的材料为10钢，属于普通碳素结构钢，具有较好的可冲压性能。
未经退火的10钢的力学性能如下：
抗剪强度τ304～373MPa
抗拉强度σb432～461MPa
屈服点σs253MPa
伸长率σ1021～25%
3.3.2零件结构
本U形连接件采用0.8mm普通碳素结构钢板冲压而成，可保证足够的强度和刚度。
3.3.3尺寸精度
零件图上所有未标注公差的尺寸，属于自由尺寸，可按IT14确定工件尺寸的公差。
第4章制定工艺方案
工艺方案的内容是确定冲裁件的工艺方案，主要包括确定工序数，工序组合和工序顺序的安排，应在工艺分析的基础上制定几种可能的方案，再根据工件的批量、形状等多方面的因素全面考虑，综合分析，选取一种较为合理的冲压方案。
4.1工艺方案的分析
U形连接件的形状表明，它为弯曲件，所以弯曲为基本工序。
底部上3个小孔由冲孔工序来完成。
弯曲件的毛坯尺寸与弯曲次数，通过计算来确定。
4.1.1修边余量
在不变薄的弯曲中，材料厚度虽有变化，但其平均的直径与毛坯的原始厚度也十分接近。
所以毛坯展开的尺寸可以根据毛坯面积=弯曲件面积的原则以来确定。
由于材料的弯曲时金属流动条件有差异以及各项异性，为了保证U形连接件的尺寸，必须要留修边余量，在计算毛坯尺寸时，必须计入修边余量，修边余量的数值可查表。
弯曲件高度h=16mm，查表.知修边余量，△h=2mm。
表4-1无凸缘弯曲件的修边余量δ（单位：
mm）
工件高度
h
工件的相对高度h/d
附 图
>0.5～0.8
>0.8～1.6
>1.6～2.5
>2.5～4
≤10
>10～20
>20～50
>50～100
>100～150
>150～200
>200～250
>250
1.0
1.2
2
3
4
5
6
7
1.2
1.6
2.5
3.8
5
6.3
7.5
8.5
1.5
2
3.3
5
6.5
8
9
10
2
2.5
4
6
8
10
11
12
4.1.2计算毛坯尺寸
在不变薄弯曲中，虽然在弯曲过程中坯料的厚度发生一些变化。
在工艺设计时，可以不计坯料的厚度变化，概略地按弯曲前后坯料的面积相等的原则进行坯料尺寸的计算。
由于金属的流动性和材料的各向异性，毛坯弯曲后，工件边口不齐。
一般情况弯曲后都要修边，因此在计算毛坯时，必须把修边余量计入工件。
根据制件图可知，该弯曲件r/t=0.5/0.8=0.625>0.5，属于无圆角半径弯曲，可求的其毛坯展开尺寸。
L=15.5+16.3+0.4/2+37+0.4×2㎜=45㎜
4.1.3确定弯曲次数（采用查图法）
先在确定弯曲次数及半成品尺寸线圈中横坐标上找到相当毛坯直径45mm的点，从此点作一垂线。
再从纵坐标上找到相当于工件直径38mm的点，并由此点作水平线，与垂线相交。
根据交点，便可决定弯曲次数，如交点位于两斜线之间，应取较大的次数。
该端盖可一次弯曲成形。
于是，该端盖的全部单工序有落料、冲孔、弯曲（整形），共计三道工序。
4.2工艺方案的确定
在冲压工艺性分析，基础上，找出模具设计与工艺的难点与特点，根据实际的情况提出各种可能，冲压工艺的方案，内容包括工序顺序、工序数目、组合方式及工序性质等。
有时候同一种冲压零件会存在几个可行的冲压的工艺方案，通常方案各有其优缺点，应从生产效率、设备占用、产品质量情况、寿命高低和模具制造的难易程度、生产成本、操作安全与方便程度等各方面进行综合分析，比较，，确定出相对适合现有生产条件的最佳方案。
初步分析可以知道U形连接件的冲压成形需要多道工序:
落料、冲孔、弯曲,因而制定合理的成形工艺方案十分重要。
考虑到生产批量较大,因此制定应在生产合格零件的基础上,尽量提高生产效率,降低生产成本.要提高生产效率,就应该尽量复合能复合的工序,但复合程度太高,模具结构复杂,而且各零件在动作时要求相互不干涉,准确可靠.这就要求
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