弹力支座模具设计.docx

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弹力支座模具设计

前言

模具是大批量生产同形产品的工具，是工业生产的主要工艺装备。

模具工业是国民经济的基础工业。

采用模具生产零部件，具有生产效率高、质量好、成本低、节约能源和原材料等一系列有点，已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。

现代工业品的发展和技术水平的提高，很大程度上取决也模具工业的发展水平。

因此模具工业对国民经济和社会发展将起到越来越大的作用。

据统计，在家电、玩具等轻工行业，近90%的零件是靠模具生产的；在飞机、汽车、农机和无线电行业，这个比例也超过60%。

例如飞机制造业，某型战斗机模具使用量超过三万套，其中主机八千套、发动机二千套、辅机二万套。

从产值看，20世纪80年代以来，美、日等工业发达国家模具行业的产值已超过机床行业，并且有继续增长的趋势。

他们生产的模具大量出口到发展中国家，得到丰厚的利润回报。

制造大型、精密、复杂、长寿命模具，已成为衡量一个国家机械加工水平的重要标志。

多年来，我国大多是以生产企业自行设计、制作模具，为本企业产品服务。

模具制作水平的高低，在一定程度上代表了这些企业自身的机械加工水平。

但由于受多种因素的影响，技术水平和生产能力受到约束，发展缓慢，很多用于产品生产的模具不得不从国外进口，给企业和产品生产带来很大负担。

在世界模具工业飞速发展的影响和促进下，我国的模具工业也得到了快速发展。

模具的标准化、专业化和产业化取得了长足的进步，引进和研制先进的加工技术和设备、模具新材料的选用为模具制造的进步创造了良好的条件。

本毕业设计是弹力支座模具设计，涉及毛坯冲孔、落料、弯曲的级进模。

模具工作过程是采用双侧刃粗定位,当冲床滑块下行带动上模座使模具闭合,条料被侧刃凸模和冲孔凸模冲出局部外形以及导正销孔、零件内形孔,导正销起精定位作用;冲孔凸模冲出零件侧壁孔;工字形冲裁凸模冲出异形侧壁;弯曲凸模进入弯曲凹模,弯出零件两侧壁,同时,另一侧刃凸模切出零件另一侧局部外形;修整凸模修整零件外形;由切断凸模最终分离出成品零件。

弹力支座级进模采用弹性卸料板保证每工步卸料及细长凸模的保护,弹性卸料板靠自身安装小导柱、导套保证其导向精度。

凸模尽量采用快换式或穿销式,保证修配方便,限位柱控制弯曲凸模工作行程。

1概述

1.1模具的历史及发展现状

模具的出现可以追溯到几千年前的陶器和青铜器铸造，但其大规模使用却是随着现代工业的去、崛起而发展起来的。

从世界范围看，目前世界模具市场供不应求，模具的主要出口国是美国，日本，法国，瑞士等国家。

中国模具出口数量极少，但中国模具钳工技术水平高，劳动成本低，只要配备一些先进的数控制模设备，提高模具加工质量，缩短生产周期，沟通外贸渠道，模具出口将会有很大发展。

研究和发展模具技术，提高模具技术水平，对于促进国民经济的发展有着特别重要的意义。

模具工业是国民经济的基础工业，是国际上公认的关键工业。

模具生产技术水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，它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。

振兴和发展我国的模具工业，正日益受到人们的关注。

早在1989年3月中国政府颁布的《关于当前产业政策要点的决定》中，将模具列为机械工业技术改造序列的第一位。

自20世纪80年代以来，我国的经济逐渐起飞，也为模具产业的发展提供了巨大的动力。

20世纪90年代以后，大陆的工业发展十分迅速，模具工业的总产值在1990年仅60亿元人民币，1994年增长到130亿元人民币，1999年已达到245亿元人民币，2000年增至260~270亿元人民币。

今后预计每年仍会以10℅~15℅的速度快速增长。

尽管我国模具工业有了长足的进步，部分模具已达到国际先进水平，但无论是数量还是质量仍满足不了国内市场的需要，每年仍需进口10多亿美元的各类大型，精密，复杂模具。

与发达国家的模具工业相比，在模具技术上仍有不小的差距。

今后，我国模具行业应进行不断的技术创新，以缩小与国际先进水平的距离。

1.2零件分析

图1-1工件图

Fig.1-1Workplans

结构如图：

图1-1；

材料：

20钢；

厚度：

1.5mm；

生产批量：

大批量生产；

材料牌号：

20；

抗剪强度

：

280—400；

抗拉强度

：

355—500；

伸长率

：

24；

1.3分析零件工艺性

该零件是一个弹力支座，为防止外形尺寸的尖角处在弯曲时由于应力集中而撕裂,可将弯曲线移动一段距离以离开弯曲变形区,但不影响使用。

对于距离弯曲变形区最近的孔,经计算,该孔处于弯曲变形区之外,因此,制件先冲孔后弯曲也能满足精度要求。

成形工艺包括冲裁、弯曲等工序。

经计算,材料在垂直于纤维方向弯曲半径均大于20钢最小弯曲半径,满足成形要求,但裁料时,要注意考虑纤维方向。

应尽量采取弯曲方向与材料毛刺方向一致的弯曲方式,减小毛刺对制件弯曲质量的影响。

弯曲件展开尺寸采用极值法,以使展开尺寸计算结果精确可靠。

模具另一个特点是卸料螺钉和卸料弹簧独立设置,以便安装和维护。

该零件的工艺性见表1-1

工艺性

冲压件工艺项目

工艺价值允许值

工艺性评价

冲裁工艺性

形状

落料外形38×40，冲圆孔ø3，ø3.5

≥0.75mm

符合工艺性

落料圆角

R3.5

≥4.5mm

符合工艺性

孔径

2个，ø3.5

≥3

符合工艺性

孔边距

最小孔边距

符合工艺性

弯曲工艺性

形状

U形件弯曲对称

符合工艺性

孔边距

距ø3孔边4

≥6

ø3的孔边距为4，距弯曲区较远，不易使孔变形，故先冲孔后弯曲

精度

其他精度IT14

2-ø3.5孔距30为IT9

允许尺寸公差30±1.2

符合工艺性为保证孔距孔距30，应先冲孔后弯曲

材料

20钢

常用材料范围

冲压工艺性好

表1-1零件的工艺性

Tab.1-1Craftofplant

.零件精度符合一般级进冲压的经济要求，模具精度取IT9即可。

.材质为20钢,能进行一般冲压加工，市场上易得材料，价格适中。

.外形落料工艺性：

零件属于中小尺寸零件，料厚1.5mm，外形复杂程度一般，尺寸精度要求一般，因此可用冲裁落料工艺。

.冲孔工艺性分析：

孔径为ø3.5，ø3，孔精度要求一般，可采用冲孔。

.弯曲工艺性：

该零件包含两个弯曲部位，弯角可以弯一次。

综合以上分析，零件主要冲压工序的工艺性良好。

2拟定冲压工艺方案

首先根据零件的形状确定冲压工序类型和选择工序顺序。

冲压该零件需要的基本工序有落料、冲孔、拉深、。

方案一：

先冲孔，再拉深、再落料采用单工序模生产。

方案二：

冲孔、拉深、落料连续冲压，采用级进模生产。

方案三：

冲孔、拉深、落料复合冲压，采用复合模生产。

方案一模具结构简单，但需要三道工序、三套模具才能完成零件的加工，生产效率较低，难以满足零件大批量生产的需求。

由于零件结构简单，为提高生产效率，应采用复合冲裁或级进冲裁方式。

方案二级进模优点是模具结构简单寿命长制造方便，投产快。

各工序定位基准一致，并与设计基准重合，操作也比较方便。

不足之处是工序分散，模具数量多，设备和操作人员多，劳动强度大。

方案三复合模能在压力机一次行程内，完成冲孔、拉深、落料等多道工序，所冲压的工件精度较高，不受送料误差影响，内外形相对位置重复性好，表面较为平直。

但弯曲的回弹难以难以控制，尺寸与形状准确都差。

通过对比，方案二比较适合该零件，采用方案二。

3毛坯排样

毛坯排样有两种，见图3-1、图3-2

图3-1单排横排排样图

Fig.3-1Layoutplan

方案1采用单排横排排样,如图2所示。

该方案排样步距相对较大,刚性和稳定性好,各凸模间隔合理。

但制件弯曲高度较大（为6.5mm）,弯曲制件需抬升高度大于6.5mm,才能保证条料送进,这样后续工序浮顶器放置较困难。

图3-2单排纵排排样图

Fig.3-2Layoutplan

方案2采用单排纵排排样,如图3所示。

刚性和稳定性相对较好,因弯曲方向平行于条料送进方向,可在条料两侧放置浮顶器,不影响条料送进。

在送进方向上,可以沿凹模开制件躲避槽,制件只要略微抬升一定高度,防止冲裁毛刺划伤制件即可,保证了条料的稳定送进。

制件对称的左右分布也消除了冲裁、弯曲过程中受力不平衡产生的侧向滑动。

因此采用方案2更合理。

4工序排样

4.1工序排样类型

根据零件的冲压要求，由于含有弯曲工序，所以本零件的冲压不适合选用落料型工序排样，考虑到零件最后冲压完成后的出件，选切边型工序排样。

4.2载体设计

载体就是级进冲压时调料上连接工序件并在模具上平稳送进的部分。

本模具采用中间载体，中间载体位于条料中部，它比单侧载体或双侧载体节省材料，在弯曲件的工序排样中应用较多。

中间载体宽度可根据冲件的特点灵活确定，但不应小于单侧载体的宽度。

4.3条料定位方式

由于产品零件精度的要求精度一般，所以条料送进方向的送进步距控制用侧刃，为了保证侧刃定位精度，选Ⅱ型侧刃。

4.4导正方式

为了确保零件孔精度，采用间接导正，导正孔布置在中间的载体上，导正孔直径取3.5mm。

粗定位方式用侧刃。

精定位用导正销。

利用中心载体的孔作为导正孔，间接导正。

4.5工序排样图

根据以上几方面的设计，经综合分析比较，零件的工序排样图如下图所示，零件冲制用六工位级进模。

图4-1工序排样图

Fig.4-1Layoutplan

第一工位：

冲孔、切边；

第二工位：

冲裁；

第三工位：

冲裁；

第四工位：

弯曲、切边；

第五工位：

修形；

第六工位：

切断；

4.6条料尺寸

查《中国模具设计大典》P127表19.1-17，a=1.8,a1=1.5

条料宽度：

B=D+2a=40+2×1.8=43.6mm

步距：

S=38+1.5=39.5

4.7排样及载板方案

坯料的形状为矩形，采用单排最适宜，取a=1.8,a1=1.5,

条料宽度B=40+2×1.8=43.6mm

步距S=38+1.5=39.5mm

板料选用规格1.5mm×1400mm×3500mm

（查《中国模具设计大典》P50表18.3-24）

①纵排法：

每板条料数：

n1=1400÷43.6=32条，余4.8mm

每条制件数：

n2=（3500-1.8）÷39.5=88件，余24mm

剩余料24×4.8不能使用

每板制件数：

n=n1×n2=32×88=2816件

材料利用率：

A=38×40-（10×6.5+2π×3.52+2×3.5×2+2π×1.752）

-2×（38-7.7）×19+2（3.5×27+π×3.52+13×1.5-2π×32）

=961.0275

η=nA/BL×100%=2816×961.0275/（1400×3500）=55.23%

式中：

A：

一个冲裁件的实际面积

；

B：

条料宽度

；

L：

条料长度

；

；

②横排法：

每板条料数：

n1=3500÷43.6=80条，余12mm

每条制件数：

n2=（1400-1.8）÷39.5=35件，余17.5mm

剩余料12×17.5不能使用

每板制件数：

n=n1×n2=80×35=2800件

材料利用率：

A=38×40-（10×6.5+2π×3.52+2×3.5×2+2π×1.752）

-2×（38-7.7）×19+2（3.5×27+π×3.52+13×1.5-2π×32）

=961.0275

η=nA/BL×100%=2800×961.0275/（1400×3500）=54.92%

式中：

A：

一个冲裁件的实际面积

；

B：

条料宽度

；

L：

条料长度

；

；

由此可见：

纵排材料利用率高，但横排时弯曲曲线与纤维方向垂直，弯曲性能高，20钢塑性好，为提高材料利用率，降低成本，采用纵向单排。

5冲压力计算

由图示排样，本零件冲压力由多个部分组成。

5.1冲裁力

冲裁力由式F=Lt

K计算，查表K=1.3，

=350MPa，t=1.5mm

L=（38-10）×2+27+40+2×

+3.3+4+3.5π+3.5×4+3.5π×4

+（20-7）×2+4×2×1.5=279.25

F=Lt

K=279.25×1.5×350×1.3=190574.47N

式中：

：

冲裁件横断面积周长

；

：

材料厚度

；

：

拉深件抗拉强度

；

K：

拉伸力计算系数；

5.2弯曲力

见零件展开图，弯曲为无圆角半径弯曲，t=1.5，U型弯曲。

自由弯曲力Fz=0.7KBt2σb/（r+t）查表P174（《中国模具设计大典》）

σb=400MPak=1.3B=27mmt=1.5mmr=1.5

Fz=0.7KBt2σb/（r+t）=0.7×1.3×27×1.52×400/（0.5+1.5）=11056.5N

校正弯曲力Fj=fAf=40MPaA=770mm2（矫正部分投影面积）

Fj=770×40=30800N查表P174（《中国模具设计大典》）

为了可靠起见，将二次弯曲的自由弯曲力Pf和校正弯曲力Pc和在一起，即冲压力为FO=Fz+Fj=11056.5+30800=41856.6N

式中：

Fz：

自由弯曲力（N）

K：

安全系数，一般取0.3

B：

弯曲件的宽度（mm）

t：

弯曲件的厚度（mm）

σb：

材料的抗拉强度（MPa）

r：

弯曲件的圆角半径（mm）

5.3卸料力

采用弹性卸料装置和下出料方式的冲裁模时，FR=F+FT+FXFX=KXFFT=nKTF

查表P34（模具设计与制造）FX=0.04FT=0.055n=h/t=3/1.5=2件

FX=KXF=0.04×190574.47=7622.98N

FT=nKTF=2×0.055×190574.47=20963.19N

FR=F+FT+FX=190574.47+7622.98+20963.19=219160.64N

其中：

FR：

总变形力;

F：

冲裁力;

FT：

推荐力；

FX：

卸料力；

KX：

卸料力系数；

KT：

推件力系数；

h：

凹模洞口直刃壁高度；

t：

料厚；

n：

同时卡在凹模内的落料件数

5.4总压力

总压力P=F+FO+FR=190574.47+41856.6+219160.64=451591.71N

一般冲裁弯曲时压力机吨位比计算冲压力大30%左右为587069.22N

5.5压力中心

冲压力合力的作用点称为模具的压力中心，模具的压力中心应该通过压力机滑块的中心线，对于有模柄的冲模来说，需使压力中心通过模柄中心线。

对于多凸模冲裁时的压力中心，根据理论力学，对于平衡力系，合力堆某轴之力矩等于各分力堆同轴力矩之和，而冲裁力F与冲裁的周边长度L成正比，由此可得压力中心坐标（x0、y0）

x0=（L1x1+L2x2+…+Lnxn）/（L1+L2+…+Ln）

y0=（Ly1+L2y2+…+Lnyn）/（L1+L2+…+Ln）

L1、L2、…Ln—各图形冲裁周边长度

x1、x2、…xn—各图形冲裁力的X粥坐标

y1、y2、…yn—各图形冲裁力的Y粥坐标

x0、y0—压力中心坐标

取第六工位工位的零件左边为Y轴，各工位中心连线为X轴，因此

L1=8+2π×3.5+2π×3.5+28+

=91.89

L2=3π×4=37.8

L3=（10+2π×3.5+13）+7+19=115.56

L4=28+

+27=66.93

L6=27

x1=5×39.5+7.15+7=211.65

x2=4×39.5+7+3.5=168.5

x3=3×39.5+7+3.5=129

x4=2×39.5+7+7.15=93.15

x6=39.5

x0=（L1x1+L2x2+…+Lnxn）/（L1+L2+…+Ln）=135.95

y0=（Ly1+L2y2+…+Lnyn）/（L1+L2+…+Ln）=0

6结构概要设计

6.1基本结构形式

6.1.1正倒装结构

根据上述分析，本零件的冲制包含落料，冲孔，弯曲等工序，以确定为级进模冲压，因此选用正装式结构。

6.1.2导向方式

由于本零件的生产是大批量生产，为了确保零件质量及稳定性，选用外导性模架，本零件的冲压精度要求一般，采用小导柱和小导套对卸料板的导向卸料板进而又对凸模进行导向和保护，采用四角导柱式模架。

6.1.3卸料方式

本零件的冲压工序包含落料，冲孔工序，所以应有卸料机构，又由于零件冲压中还有弯曲工序所以应选用弹性卸料板。

6.2基本尺寸

6.2.1模板尺寸

由工序排样图可知，凹模的工作区尺寸基本在42mm×315mm左右，圆整后取315mm×200mm，其他模板尺寸取为与凹模板平面尺寸一致。

6.2.2工作行程

本零件的冲压的最大行程是第四工位的弯曲，其弯曲行程为10mm，模具开启状态下凸模下表面至凹模上表面最小距离取20mm。

6.2.3凹模设计

多工位级进模的凹模结构比较复杂，凹模中的型孔和型孔间的位置精度比较高。

由于此模具的工位数不多，型孔比较规则，因此采用整体式凹模，这样便于加工、装配和维修。

凹模高度尺寸设计：

冲孔凹模高度：

H=K1K2

=1×1.12×

=30mm

弯曲凹模距底部最小距离：

h=10mm

凹模高度：

H凹=30+10=40mm

凹模长度尺寸设计：

L=l/+2c=215+2×50=315mm

l/为沿凹模长度方向压力中心致最远刃口间距的2倍。

凹模宽度设计

B=b+2c=100+2×50=200mm

b为沿凹模宽度方向刃口型孔的最大距离。

c为凹模壁厚。

6.2.4卸料板设计

弹性卸料板的平面外形尺寸等于或稍大于凹模板尺寸厚度取凹模厚度的0.6～0.8倍。

H卸=（0.6～0.8）H凹=25mm

L卸=315mm

B卸=200mm

6.2.5凸模固定板设计

凸模固定板的作用是将凸模固定在上模座的正确位置上，凸模固定板为矩形，无外形尺寸通常与凹模一致，厚度可取凹模厚度的60%～80%。

固定板与凸模为H7/n6或H7/m6配合，压装后应将凹模端面与固定板一起磨平。

H凸固=（0.6～0.8）H凹=30mm

L凸固=315mm

B凸固=200mm

6.2.6垫板设计

垫板的作用是承受并扩散凸模或凹模传递的压力，以防止模座被挤压损伤。

点半的外形尺寸与凸模固定板相同。

厚度可取3～10mm。

H垫=5mm

6.2.7弹簧

本设计中弹簧的主要作用是弹性卸料。

6.2.7.1选择满足压力要求的弹簧

式中：

：

每个弹簧在预压缩状态时的预压力

；

：

卸料力

；

：

弹簧数目；

所以，选择的每个弹簧的允许最大工作负荷

6.2.7.2选择满足压缩量要求的弹簧

式中：

：

弹簧的允许最大压缩量；

：

弹簧的预压缩量；

：

卸料板的工作行程；

：

凸模的总修磨量；

6.2.7.3强力弹簧

强力弹簧又称为异形截面圆柱螺旋压缩弹簧，其簧丝截面的形状为矩形或扁截面形。

强力弹簧具有外形尺寸小、承载量大、压缩变形量大、使用寿命长、弹簧特性曲线好、市场购买较易等优点，不足之处在于价格略高[6]。

本设计采用强力弹簧，其属性为：

安装窝座尺寸：

6mm；

外径：

39mm；

内径：

29mm；

自由高度：

100mm；

压缩量：

25mm；

负荷：

1920N；

6.2.8凸模设计

凸模结构形式与固定方法：

根据工件的结构，采用整体圆形凸模，并用螺钉和销钉固定。

凸模长度计算：

凸模长度尺寸应根据模具的具体结构确定，同时要考虑凸模的修模量及固定板与卸料板之间的安全距离等因素。

采用弹性卸料板：

L=h1+h2+h+h4=30+25+1.5+46.5=103mm

h1为凸模固定板厚；

h2为卸料板厚；

h4为卸料弹性元件被预压后的厚度；

h为材料厚度；

6.2.9上下模座的设计

上下模座的作用是直接或间接地安装冲模的所有零件，并分别于压力机的滑块和工作台连接，以传递压力。

模座的外行尺寸根据凹模周界尺寸和安装要求确定，对于矩形模座其长度应比凹模板长度大40～70mm，而宽度可以等于或略大于凹模板的宽度，但应该考虑有足够的安装导柱、到套的位置。

模座的厚度一般取凹模板厚度的1.0～1.5倍，考虑受力情况，上模座厚度可以陛下模座厚度小5～10mm

上模座：

L上=315+115=430mm

B上=200+130=330mm

H上=50mm

下模座：

L下=315+115=430mm

B下=200+130=330mm

H下=60mm

6.2.10模板厚度

凹模模板厚度：

40mm

卸料板厚度：

25mm

凸模固定板厚度：

30mm

垫板厚度：

5mm

6.2.11模具工作区高度

模具工作区开启高度大于280mm，工作区闭合高度约为255mm。

6.3选模座导柱导套

由于四个或六个导柱导向情况最好，所以本模具采用四角导柱模架。

导柱和导套间的配合性质分为滑动导向配合和滚动导向配合。

因为滚动导向配合多用于精冲模、高速冲裁模、硬质合金冲模和小间隙精密冲模。

故本设计采用滑动导向配合。

查《中国模具设计大典》P801

上模座：

（GB/T2855.13）315mm×200mm×50mm

下模座：

（GB/T2855.14）315mm×200mm×60mm

导柱：

（GB/T2861.1）35mm×200mm

导套：

（GB/T2861.6）35mm×125mm×48mm

模具开启高度为280mm，闭合高度约为255mm

6.4选冲床

由于采用了一般冲压，故可选用开式固定台式压力机，由于前计算的冲压力要求，初选J21-63型压力机，该压力机的工作台尺寸为480×710，闭合最大高度为400mm，满足零件模具尺寸要求，据此选定了J21-63型压力机。

（P16模具设计与制造）

J21-63开式固定台压力机相关参数

电动机型号

J21-63

公称力/KN

630

最大闭合高度/mm

400

连杆调节长度/mm

80

滑块行程/次/分

45

电动机功率/KW

5.5

工作台尺寸前后×左右/mm

480×710

模柄孔尺寸直径×深度/mm

30×50

6.5选模柄

模柄的作用是把上模固定在压力机滑块上，同时使模具中心通过滑块的压力中心。

根据上述计算结果，该模具为中小模具，可采用上模用模柄固定，下模采用螺接式固定于压力机下台面的方式。

查J21-63型压力机规格模柄安装孔尺寸为30mm，选冷冲模国标，可选用压入式模柄，它与上模座孔以H7/m6配合并加销钉防转，模柄轴线与上模座的垂直度较好，生产中最常用。

模柄规格为d=30mmD=75mmH=64h=16（冲压模具课程设计指导与范例P211）

图6-1模柄

Fig.6-1Handlemold

7结构详细设计

7.1工作单元结构

由于采用正装式结构，凸模一律用凸模固定板安装于上模，凹模采用整体式结构，用销钉定位，螺钉连接于下模座。

7.2卸料机构设计

在结构概要设计中以确定采用弹性卸料板，卸料板为整体板，由于卸料板的工作行程为10mm，所以选用普通弹簧提供弹压力。

7.3定距机构设计

在工序排样中确定了侧刃定距方式，为了确保生产中侧刃的附度和条料的送进方便，选双侧刃，侧刃挡块固定在凸模上。

7.4导正销结构

本模具工位有六个，冲压精度要求一般，所以采用两