滑轮弯模压线卡冲压工艺与模具设计.docx

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滑轮弯模压线卡冲压工艺与模具设计

青岛理工大学

2010材料成型及控制工程

大丸子

2014.1.2

摘要

本文介绍的模具实例结构简单实用，使用方便可靠，首先根据工件图算工件的展开尺寸，在根据展开尺寸算该零件的压力中心，材料利用率，画排样图。

根据零件的几何形状要求和尺寸的分析，采用复合模冲压，这样有利于提高生产效率，模具设计和制造也相对于简单。

当所有的参数计算完后，对模具的装配方案，对主要零件的设计和装配要求技术要求都进行了分析。

在设计过程中除了设计说明书外，还包括模具的装配图，非标准零件的零件图。

本套模具包括落料冲孔复合模和弯曲模两套模具，在模具的结构设计和计算完成后，开始利用UGNX建模模块下设计模具的每个零件图，如上、下模座，上、下垫板，凸、凹模等，在零件的设计过程中需要利用UGNX的拉伸、旋转、扫掠、孔等各种功能，有利于我们熟悉UGNX的强大功能。

之后在UGNX装配模块下再将零件装配。

最后再利用UGNX将零件的三维图转换为二维图。

关键词：

模具复合模弯曲模冲压UGNX

Abstract

Thistextintroductivemoldingtoolsolidexamplethestructureisinbriefpractical,theusageconvenienceisdependable,firstaccordingtotheworkpiecethediagramcalculatetheworkpiecetolaunchsize,ataccordingtolaunchthepressurecenterthatthesizecalculatesthatspareparts,thematerialutilization,paintingrowkinddiagram.Accordingtosparepartsofseveraltheshaperequestwiththeanalysisofthesize,adoptioncompoundthemoldhurtletopress,sobeadvantageoustoanexaltationproductionanefficiency,moldingtooldesignandmanufacturingalsooppositeinsimple.Whenallparametercalculationsareoverafter,requestedthetechniquerequeststothedesignandassembleofthemainsparepartstoallcarryonanalysistotheassembleprojectthatwhetstohave.Duringtheperiodofdesigninadditiontodesigningmanual,alsoincludetheassemblediagramofthemoldingtool,thesparepartsdiagramofthenot-standardspareparts,theworkpieceprocessesthecraftcard,thecraftrulesdistancecard,thenot-standardsparepartsprocessescraftprocesscard.

Thissetofpunchdiesincludingblankingdieandbendingdietwosetsofcompositemold,inmolddesignandcalculationofthestructureiscomplete,startusingUGNXModelingtodesignthemoldforeachpartdrawing,above,underthemoldbase,thenextplate,convex,concavemold,thepartsofthedesignprocessneedtouseUGNXstretching,rotating,sweeping,holeandotherfeatureswillhelpusknowthepowerofUGNX.Finally,usingUGNXwillbepartofthethree-dimensionaldiagramintotwo-dimensionalmap.

Keywords:

mold,compounddie,bendingdie,stamping,UGNX

1前言

1.1本课题研究的意义

该课题主要针对电子零件压线卡，在对零件冲孔、落料和压弯等成形工艺分析的基础上，提出了该零件采用复合冲压模和弯曲模的方案；根据零件的形状、尺寸精度要求，设计过程中综合考虑采用“单列横排法排样”，保证工件的尺寸和形状位置精度要求的同时，提高了材料的利用率和劳动生产率。

本课题涉及的知识面广，综合性较强，在巩固大学所学知识的同时，对于提高设计者的创新能力、协调能力，开阔设计思路等方面为作者提供了一个良好的平台。

1.2研究本课题国内外的现状

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，但与国发经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、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，市场竟争激烈。

现将我国和国外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，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中的中低档模具，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，具有一定的竟争力，因此其在国际市场前景看好，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。

国外模具CAD/CAM技术状况

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。

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。

1.3本课题研究的主要内容

在更改机械类基础课和专业课的基础上，学习和初步掌握拉伸模的设计方法和原理，利用UGNX三维CAD软件，设计一个给定零件的拉伸模冲压共工艺与模具，并对模具的材料与结构进行分析计算，确定拉伸工艺与模具材料及结构尺寸。

分阶段完成调研、方案论证、结构设计计算与分析，UGNX三维CAD建模、二维工程图纸生成、毕业设计论文书写与整理等工作。

通过本课题的设计与研究，了解拉伸模的一般设计方法，与制作工艺，学习UGNX三维CAD的操作使用与设计思想，掌握综合运用所学机械制图、机械原理、机构设计、计算机辅助设计与制造等知识的能力和解决实际问题的能力，培养学生勇于实践、开拓创新的精神。

2．冲裁零件工艺分析及工艺方案确定

2.1弯曲件的工艺分析

零件图：

如图1-1所示

生产批量：

大批量

材料：

Q235A

材料厚度：

1mm

图2-1零件图

2.1.1结构与尺寸

该零件结构较简单，尺寸较小。

在零件中还有一孔，需要考虑冲孔的最小的尺寸。

冲孔的最小的尺寸和孔的形状、板材的力学性能和厚度相关，因受凸模强度的限制，冲孔的尺寸不宜过小。

查表得d=3>t=1满足要求。

孔离边缘之间的距离受模具的强度和冲裁件的质量的限制，其值不能过小，一般取a>2t,a=6>t=1满足要求。

根据工件的结构形状，需要进行落料、冲孔和弯曲三道基本工序。

工件为大批量生产，应重视模具材料的和结构的选择，保证模具的复杂程度和模具的使用寿命。

原料采用条料。

2.1.2尺寸精度

零件图上的尺寸无特殊要求，属自由尺寸，可按IT14级选取，利用普通冲裁方式可以达到图样要求。

2.2工艺方案的确定

在冲裁工艺性分析的基础上，根据冲裁件的特点确定冲裁工艺的方案。

该产品的材料为Q235A，厚度t=1mm，抗剪切强度为τ=310-380Mpa,抗拉强度σb=380-470Mpa,伸缩率δ=21-25%,屈服强度σs=2240Mpa，具有较高的强度、刚度和塑性，满足冲裁工艺对材料的要求，适合于冲压加工，能够保证冲压过程的完成，根据工件的工艺分析，其基本工序有落料、冲孔、弯曲三道基本工艺，按其先后顺序组合，可得如下几种方案;

（1） 落料——弯曲——冲孔；单工序模冲压

（2） 落料——冲孔——弯曲；单工序模冲压。

（3） 冲孔——落料——弯曲；连续模冲压。

（4） 冲孔——落料——弯曲；复合模冲压。

方案

（1）

（2）属于单工序模冲裁工序冲裁模指在压力机一次行程内

完成一个冲压工序的冲裁模。

由于此制件生产批量大，尺寸又较这两种方案生产效率较低，操作也不安全，劳动强度大，故不宜采用。

方案（3）属于连续模，是指压力机在一次行程中，依次在模具几个不同的位置上同时完成多道冲压工序的模具。

于制件的结构尺寸小，厚度小，连续模结构复杂，又因落料在前弯曲在后，必然使弯曲时产生很大的加工难度，因此，不宜采用该方案。

方案（4）属于复合冲裁模，复合冲裁模是指在一次工作行程中，在模具同一部位同时完成数道冲压工序的模具。

采用复合模冲裁，其模具结构没有连续模复杂，生产效率也很高，又降低的工人的劳动强度，所以此方案最为合适。

根据分析采用方案（4）复合冲裁

3．冲裁工艺与设计计算

3.1计算毛坯的尺寸

3.1.1计算中性层弯曲半径

相对弯曲半径为：

R/t=10/1=10>0.5

式中：

R——弯曲半径（mm）

 t——材料厚度（mm）

由于相对弯曲半径大于0.5，可见制件属于圆角半径较大的弯曲件，应该先

求变形区中性层曲率半径β（mm）。

 β=r0+kt  （3—1）

式中：

r0——内弯曲半径

k——中性层系数

表3-1 板料弯曲中性层系数

r/t

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

1

1.2

K

0.21

0.22

0.23

0.24

0.25

0.26

0.28

0.3

0.32

0.33

r/t

1.3

1.5

2

2.5

3

4

5

6

7

≥8

K

0.34

0.36

0.38

0.39

0.4

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

根据r/t，由表3—1查出中性层位移系数k值为：

k1=0.5k2=0.32

计算出图3-2中的L3、L2的长度分别为：

图3-2零件图

L2=7L3=12

再根据公式（3-1）得

β1=r1+k1t=10+0.5×1=10.5

β2=r2+k2t=1+0.32×1=1.32

根据β1、β2与角度计算L1、L2弧长的展开长度：

L1=πβα/180°=3.14×10.5×180°/180°=32.99mm

L2=πβα/180°=3.14×1.32×90°/180°=2.07mm

计算毛坯总长：

L=L1+L2+L3+L4=32.99+2.07+7+12=54mm

根据计算得：

工件的展开尺寸为54×10（mm）,如图3—2所示。

图3—2零件展开外形尺寸

3.2排样、计算条料宽度及步距的确定

3.2.1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数据之一。

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，增加刃口磨损表2—2给出了钢（WC0.05%～0.25%）的搭边值。

该制件是矩形工件，根据尺寸从表3—2中查出：

两制件之间的搭边值a1=1.5（mm）,侧搭边值a=1.5（mm）。

表3—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

设计如下两种方案：

图3-3方案①

图3-4方案②

方案①步距h=10+1.5=11.5条料宽度b=54+3=57冲压件的面积A=54×10=540mm，一个步距的材料利用率η=nA/bh=1×540/57×13=82.4%

方案②步距h=54+1.5=55.5，条料宽度b=10+3=13，冲压件的面积A=54×10=540mm，一个步距的材料利用率η=nA/bh=1×540/55.5×13=74.8%

方案①的利用率高，选择方案①

3.3冲裁力的计算

3.3.1计算冲裁力的公式

计算冲裁力是为了选择合适的压力机，设计模具和检验模具的强度，压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适宜冲裁的要求，普通平刃冲裁模，其冲裁力Fp一般可以按下式计算：

Fp=KptLτ  （3—2）

 式中  τ——材料抗剪强度，见附表（MPa）；

L——冲裁周边总长（mm）；

t——材料厚度（mm）;

系数Kp是考虑到冲裁模刃口的磨损，凸模与凹模间隙之波动（数值的变化或分布不均），润滑情况，材料力学性能与厚度公差的变化等因数而设置的安全系数Kp，一般取1~3。

当查不到抗剪强度r时，可以用抗拉强度σb代替τ，而取Kp=1的近似计算法计算。

根据常用金属冲压材料的力学性能查出Q235的抗剪强度为τ=310-380Mpa

取τ=345（MPa）

3.3.2总冲裁力、卸料力、推料力、顶件力、弯曲力和总冲压力

由于冲裁模具采用弹压卸料装置和自然落料方式。

总的冲裁力包括：

F——总冲压力 Fp——总冲裁力

FQ——卸料力FQ1——推料力。

FQ2——顶件力

①总冲裁力：

Fp=F1+F2  （3—3）

F1——落料时的冲裁力。

  F2——冲孔时的冲裁力.

落料时的周边长度为：

L1=2×（54+10）=128（mm）

根据公式 F1=KptLτ（3—4）

  =1×1.3×128×345

  =57.4（KN）

冲孔时的周边长度为：

L2=πd=3.14×3=9.42（mm）

  F2=KptLτ

  =1×1.3×9.42×345 =4.2（KN） 

总冲裁力：

Fp=F1+F2=57.4+4,2=61.6（KN）

表3—3 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

＞0.5~2.5

＞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

对于表中的数据，厚的材料取小直，薄材料取大值。

②卸料力FQ的计算

FQ=KxFp （3—5）

 式中：

K—卸料力系数。

查表3—3得

KＸ＝0.04~0.05，取KＸ＝0.03

根据公式3—5FQ＝KＸFp

　　　　　　　　 ＝0.03×61.6

　　　　　　　　 ＝1.8（KN）

③推料力FQ1的计算

 FQ1=KtFp  （3—6）

 Kt——推料力系数。

 查表3—3得Kt＝0.055,

 根据公式3—6FQ1=nKtFp

  =5×0.055×4.2

  ≈1.2（KN）

（n为卡在凹模直壁洞口内的废料个数，一般取3-5件，取n=5）

3.3.3总的冲压力的计算

 根据模具结构总的冲压力：

F=Fp+FQ+FQ1+FQ2

  =57.4+4.2+1.8+1.2 =67.6（KN）

根据总的冲压力，初选压力机为：

开式双柱可倾压力机J23—10

标称压力100kN滑块行程60mm

最大装模高度180mm行程次数145次/min

连接杆调节长度35mm工作台尺寸前后×左右240×360

机器垫板厚度35mm模柄孔尺寸直径×深度30×50

3.4模具压力中心与计算

模具压力中心是指诸冲压合力的作用点位置，为了确保压力机和模具正常工作，应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。

否则，会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨间产生过大磨损，模具导向零件加速磨损，降低了模具和压力机的使用寿命。

模具的压力中心，可安以下原则来确定：

1、对称零件的单个冲裁件，冲模的压力中心为冲裁件的几何中心。

2、工件形状相同且分布对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。

3、各分力对某坐标轴的力矩之代数和等于诸力的合力对该轴的力矩。

求出合力作用点的坐标位置0，0（x=0,y=0），即为所求模具的压力中心。

Xo=L1X1+L2X2+……LnXn/L1+L2+……Ln

Yo=L1Y1+L2Y2+……LnYn/L1+L2+……Ln

图3—5压力中心

由于零件时左右对称的,所以只要计算Y,将零件分为L1,L2,L3,L4

求出各段长度及各段的重心的位置

L1=10,Y1=0

L2=54,Y2=27

L3=10,Y3=54

L4=9.24,Y4=6

Y=L1Y1+L2Y2+L3Y3+L4Y4/L1+L2+L3+L4=10×0+54×27+10×54+9.24×6=24.63mm

可知压力中心向孔偏移。

3.5凸凹模的尺寸计算

3.5．1冲裁模间隙的确定

设计模具时一定要选择合理的间隙，以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求，所需冲裁力小、模具寿命高，但分别从质量，冲裁力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值，只是彼此接近。

考虑到制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就可以冲出良好的制件，这个范围的最小值称为最小合理间隙Cmin，最大值称为最大合理间隙Cmax。

考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值Cmin。

冲裁间隙的大小对冲裁件的断面质量有极其重要的影响，此外，冲裁间隙还影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。

冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间，凹模与落料件之间均有摩擦，间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严重，而降低了模具的寿命。

较大的间隙可使凸模侧面及材料间的摩擦减小，并延缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，虽然提高了模具寿命而，但出现间隙不均匀。

因此，冲裁间隙是冲裁工艺与模具设计中的一个非常重要的工艺参数。

 根据实用间隙表3—4查得材料的最小双面间隙2Cmin=0.100mm，最大双面间隙2Cmax=0.14mm

表3—4冲裁模初始用间隙2c（mm）

3.5.2刃口尺寸的计算

①刃口尺寸计算的基本原则

 冲裁件的尺寸精度主要取决与模具刃口的尺寸的精度，模具的合理间隙也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。

正确确定模具刃口尺寸及制造公差，是设计冲裁模主要任务之一。

从生产实践中可以发现：

 1、由于凸、凹模之间存在间隙，使落下的料和冲出的孔都带有锥度，且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，冲孔件的小端尺寸等于凸模的尺寸。

2、在尺量与使用中，落料件是以大端尺寸为基准，冲孔孔径是以小端尺寸为基准。

3、冲裁时，凸、凹模要与冲裁件或废料发生摩擦，凸模越磨愈小，凹模越磨愈大，结果使间隙越来越大。

由此在决定模具刃口尺寸及其制造公差时需要考虑以下原则：

 1、落料件尺寸由凹模尺寸决定，冲孔时的尺寸由凸模尺寸决定。

故设计落料模时，以凹模为基准，间隙去在凹模上：

设计冲孔模时，以凸模尺寸为基准，间隙去在凹模上。

 2、考虑到冲裁中凸、凹模的磨损，设计落料凹模时，凹模基本尺寸应取尺寸公差范围的较小尺寸；设计冲孔模时，凹模基本尺寸应取工件孔尺寸公差范围的较大尺寸。

这样在凸凹麽磨损到一定程度的情况下，人能冲出合格的制件。

凸凹模间隙则取最小合理间隙值。

 3、确定冲模刃口制造