毕业设计论文保持架零件的冲压工艺与模具设计管理资料.docx
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保持架零件的冲压工艺与模具设计
摘要
保持架是滚动轴承在工作时的重要轴承零件，由于滑动摩擦而造成轴承发热和磨损，严重时会造成保持架烧伤或断裂，致使轴承不能正常工作。
因此要求保持架的材料除具有一定强度外，还必须导热性好，摩擦因数小，耐磨性好，冲击韧性强，密度较小且线胀系数与滚动体相接近。
此外，冲压保持架需经受较复杂的冲压变形。
如何做到大批量、高精度的高效生产保持架零件，一直以来都是机械工作者的的目标。
本次设计是利用冷冲压技术完成保持架零件的高效、中批量加工，具体复合模。
在设计过程中，通过了解和掌握冲压模具材料及连续冲压模具设计的有关知识，首先进行保持架零件的加工的工艺分析、精度和粗糙度、材料和最终工艺方案的确定；接下来对模具进行总体结构设计，完成模具的操作和定位方式、卸料与出料方式、模具类型及精度的确定；再对模具冲压力、凹模刃口尺寸及公差进行计算，并以此为根据初选压力机；最后，完成模具设计的主体部分，主要包括凹模设计、凸模设计、凸凹模设计、卸料与出料零件的选用、模架及其他模具零件的选择主要完成了模具的工作零件、定位零件、导向零件和装配零件的设计，并利用Pro/E软件进行三维造型及工作过程的动画仿真。
关键词 保持架；冷冲压；复合模；Pro/E
第1章绪论
1.1冲压的概念和特点
冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件（俗称冲压或冲压件）的一种压力加工方法。
冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工，且主要采用板料来加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。
冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之一，隶属于材料成型工程术。
冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。
冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。
冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。
冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素，只有它们相互结合才能得出冲压件。
与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。
主要表现如下。
（1）冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。
这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。
（2）冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。
（3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。
（4）冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。
但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。
所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益。
冲压在现代工业生产中，尤其是大批量生产中应用十分广泛。
相当多的工业部门越来越多地采用冲压法加工产品零部件，如汽车、农机、仪器、仪表、电子、航空、航天、家电及轻工等行业。
在这些工业部门中，冲压件所占的比重都相当的大，少则60%以上，多则90%以上。
不少过去用锻造=铸造和切削加工方法制造的零件，现在大多数也被质量轻、刚度好的冲压件所代替。
因此可以说，如果生产中不谅采用冲压工艺，许多工业部门要提高生产效率和产品质量、降低生产成本、快速进行产品更新换代等都是难以实现的。
1.2冲压的基本工序及模具
由于冲压加工的零件种类繁多，各类零件的形状、尺寸和精度要求又各不相同，因而生产中采用的冲压工艺方法也是多种多样的。
概括起来，可分为分离工序和成形工序两大类；分离工序是指使坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压（俗称冲裁件）的工序；成形工序是指使坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。
上述两类工序，按基本变形方式不同又可分为冲裁、弯曲、拉深和成形四种基本工序，每种基本工序还包含有多种单一工序。
在实际生产中，当冲压件的生产批量较大、尺寸较少而公差要求较小时，若用分散的单一工序来冲压是不经济甚至难于达到要求。
这时在工艺上多采用集中的方案，即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成，称为组合的方法不同，又可将其分为复合-级进和复合-级进三种组合方式[1]。
复合冲压——在压力机的一次工作行程中，在模具的同一工位上同时完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方法式。
级进冲压——在压力机上的一次工作行程中，按照一定的顺序在同一模具的不同工位上完面两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。
复合-级进——在一副冲模上包含复合和级进两种方式的组合工序。
冲模的结构类型也很多。
通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等；按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。
但不论何种类型的冲模，都可看成是由上模和下模两部分
组成，上模被固定在压力机工作台或垫板上，是冲模的固定部分。
工作时，坯料在下模面上通过定位零件定位，压力机滑块带动上模下压，在模具工作零件（即凸模、凹模）的作用下坯料便产生分离或塑性变形，从而获得所需形状与尺寸的冲件。
上模回升时，模具的卸料与出件装置将冲件或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来，以便进行下一次冲压循环。
1.3冲压技术的现状及发展方向
随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现，因而促进了冲压技术的不断革新和发展。
其主要表现和发展方向如下。
1.3.1冲压成形理论及冲压工艺方面
冲压成形理论的研究是提高冲压技术的基础。
目前，国内外对冲压成形理论的研究非常重视，在材料冲压性能研究、冲压成形过程应力应变分析、板料变形规律研究及坯料与模具之间的相互作用研究等方面均取得了较大的进展。
特别是随着计算机技术的飞跃发展和塑性变形理论的进一步完善，近年来国内外已开始应用塑性成形过程的计算机模拟技术，即利用有限元（FEM）等有值分析方法模拟金属的塑性成形过程，根据分析结果，设计人员可预测某一工艺方案成形的可行性及可能出现的质量问题，并通过在计算机上选择修改相关参数，可实现工艺及模具的优化设计。
这样既节省了昂贵的试模费用，也缩短了制模具周期。
研究推广能提高生产率及产品质量、降低成本和扩大冲压工艺应用范围的各种压新工艺，也是冲压技术的发展方向之一。
目前，国内外相继涌现出精密冲压工艺、软模成形工艺、高能高速成形工艺及无模多点成形工艺等精密、高效、经济的冲压新工艺。
其中，精密冲裁是提高冲裁件质量的有效方法，它扩大了冲压加工范围，目前精密冲裁加工零件的厚度可达25mm，精度可达IT16~17级；用液体、橡胶、聚氨酯等作柔性凸模或凹模的软模成形工艺，能加工出用普通加工方法难以加工的材料和复杂形状的零件，在特定生产条件下具有明显的经济效果；采用爆炸等高能效成形方法对于加工各种尺寸在、形状复杂、批量小、强度高和精度要求较高的板料零件，具有很重要的实用意义；利用金属材料的超塑性进行超塑成形，可以用一次成形代替多道普通的冲压成形工序，这对于加工形状复杂和大型板料零件具有突出的优越性；无模多点成形工序是用高度可调的凸模群体代替传统模具进行板料曲面成形的一种先进技术，我国已自主设计制造了具有国际领先水平的无模多点成形设备，解决了多点压机成形法，从而可随意改变变形路径与受力状态，提高了材料的成形极限，同时利用反复成形技术可消除材料内残余应力，实现无回弹成形。
无模多点成形系统以CAD/CAM/CAE技术为主要手段，能快速经济地实现三维曲面的自动化成形。
1.3.2冲模是实现冲压生产的基本条件
目前正朝着以下两方面发展:
一方面,为了适应高速、自动、精密、安全等大批量现代生产的需要，冲模正向高效率、高精度、高寿命及多工位、多功能方向发展，与此相比适应的新型模具材料及其热处理技术，各种高效、精密、数控自动化的模具加工机床和检测设备以及模具CAD/CAM技术也在迅速发展；另一方面，为了适应产品更新换代和试制或小批量生产的需要，锌基合金冲模、聚氨酯橡胶冲模、薄板冲模、钢带冲模、组合冲模等各种简易冲模及其制造技术也得到了迅速发展。
精密、高效的多工位及多功能级进模和大型复杂的汽车覆盖件冲模代表了现代冲模的技术水平。
目前，50个工位以上的级进模进距精度可达到2微米，多功能级进模不仅可以完成冲压全过程，还可完成焊接、装配等工序。
我国已能自行设计制造出达到国际水平的精度达2~5微米，进距精度2~3微米，总寿命达1亿次。
我国主要汽车模具企业，已能生产成套轿车覆盖件模具，在设计制造方法、手段方面已基本达到了国际水平，但在制造方法手段方面已基本达到了国际水平，模具结构、功能方面也接近国际水平，但在制造质量、精度、制造周期和成本方面与国外相比还存在一定差距。
模具制造技术现代化是模具工业发展的基础。
计算机技术、信息技术、自动化技术等先进技术正在不断向传统制造技术渗透、交叉、融合形成了现代模具制造技术。
其中高速铣削加工、电火花铣削加工、慢走丝切割加工、精密磨削及抛光技术、数控测量等代表了现代冲模制造的技术水平。
高速铣削加工不但具有加工速度高以及良好的加工精度和表面质量（主轴转速一般为15000~40000r/min）,加工精度一般可达10微米，最好的表面粗糙度Ra≤1微米），而且与传统切削加工相比具有温升低（工件只升高3摄氏度）、切削力小，因而可加工热敏材料和刚性差的零件，合理选择刀具和切削用量还可实现硬材料（60HRC）加工；电火花铣削加工（又称电火花创成加工）是以高速旋转的简单管状电极作三维或二维轮廓加工（像数控铣一样），因此不再需要制造昂贵的成形电极，如日本三菱公司生产的EDSCAN8E电火花铣削加工机床，配置有电极损耗自动补偿系统、CAD/CAM集成系统、在线自动测量系统和动态仿真系统，体现了当今电火花加工机床的技术水平；慢走丝线切割技术的发展水平已相当高，功能也相当完善，自动化程度已达到无人看管运行的程度，目前切割速度已达到300
/min,加工精度可达±，表面粗糙度达Ra=01~;精度磨削及抛光已开始使用数控成形磨床、数控光学曲线磨床、数控连续轨迹坐标磨床及自动抛光等先进设备和技术;模具加工过程中的检测技术也取得了很大的发展,现在三坐标测量机除了能高精度地测量复杂曲面的数据外,其良好的温度补偿装置、可靠的抗振保护能力、严密的除尘措施及简单操作步骤，使得现场自动化检测成为可能。
此外，激光快速成形技术（RPM）与树脂浇注技术在快速经济制模技术中得到了成功的应用。
利用RPM技术快速成形三维原型后，通过陶瓷精铸、电弧涂喷、消失模、熔模等技术可快速制造各种成形模。
如清华大学开发研制的“M-RPMS-Ⅱ型多功能快速原型制造系统”是我国自主知识产权的世界惟一拥有两种快速成形工艺（分层实体制造SSM和熔融挤压成形MEM）的系统，它基于“模块化技术集成”之概念而设计和制造，具有较好的价格性能比。
一汽模具制造公司在以CAD/CAM加工的主模型为基础，采用瑞士汽巴精化的高强度树脂浇注成形的树脂冲模应用在国产轿车试制和小批量生产开辟了新的途径。
1.3.3冲压设备和冲压生产自动化方面
性能良好的冲压设备是提高冲压生产技术水平的基本条件，高精度、高寿命、高效率的冲模需要高精度、高自动化的冲压设备相匹配。
为了满足大批量高速生产的需要，目前冲压设备也由单工位、单功能、低速压力机朝着多工位、多功能、高速和数控方向发展，加之机械乃至机器人的大量使用，使冲压生产效率得到大幅度提高，各式各样的冲压自动线和高速自动压力机纷纷投入使用。
如在数控四边折弯机中送入板料毛坯后，在计算机程序控制下便可依次完成四边弯曲，从而大幅度提高精度和生产率；在高速自动压力机上冲压电机定转子冲片时，一分钟可冲几百片，并能自动叠成定、转子铁芯，生产效率比普通压力机提高几十倍，材料利用率高达97%；公称压力为250KN的高速压力机的滑块行程次数已达2000次每min以上。
在多功能压力机方面，日本田公司生产的2000KN“冲压中心”采用CNC控制，只需5min时间就可完成自动换模、换料和调整工艺参数等工作；美国惠特尼公司生产的CNC金属板材加工中心，在相同的时间内，加工冲压件的数量为普通压力机的四到十倍，并能进行冲孔、分段冲裁、弯曲和拉深等多种作业。
近年来，为了适应市场的激烈竞争，对产品质量的要求越来越高，且其更新换代的周期大为缩短。
冲压生产为适应这一新的要求，开发了多种适合不同批量生产的工艺、设备和模具。
其中，无需设计专用模具、性能先进的转塔数控多工位压力机、激光切割和成形机、CNC万能折弯机等新设备已投入使用。
特别是近几年来在国外已经发展起来、国内亦开始使用的冲压柔性制造单元（FMC）和冲压柔性制造系统（FMS）代表了冲压生产新的发展趋势。
FMS系统以数控冲压设备为主体，包括板料、模具、冲压件分类存放系统、自动上料与下料系统，生产过程完全由计算机控制，车间实现24小时无人控制生产。
同时，根据不同使用要求，可以完成各种冲压工序，甚至焊接、装配等工序，更换新产品方便迅速，冲压件精度也高。
1.3.4冲压标准化及专业化生产方面
模具的标准化及专业化生产，已得到模具行业和广泛重视。
因为冲模属单件小批量生产，冲模零件既具的一定的复杂性和精密性，又具有一定的结构典型性。
因此，只有实现了冲模的标准化，才能使冲模和冲模零件的生产实现专业化、商品化，从而降低模具的成本，提高模具的质量和缩短制造周期。
目前，国外先进工业国家模具标准化生产程度已达70%~80%，模具厂只需设计制造工作零件，大部分模具零件均从标准件厂购买，使生产率大幅度提高。
模具制造厂专业化程度越不定期越高，分工越来越细，如目前有模架厂、顶杆厂、热处理厂等，甚至某些模具厂仅专业化制造某类产品的冲裁模或弯曲模，这样更有利于制造水平的提高和制造周期的缩短。
我国冲模标准化与专业化生产近年来也有较大发展，除反映在标准件专业化生产厂家有较多增加外，标准件品种也有扩展，精度亦有提高。
但总体情况还满足不了模具工业发展的要求，主要体现在标准化程度还不高（一般在40%以下），标准件的品种和规格较少，大多数标准件厂家未形成规模化生产，标准件质量也还存在较多问题。
另外，标准件生产的销售、供货、服务等都还有待于进一步提高。
1.4本设计的主要任务
保持架作为滚动轴承在工作时的重要部件，在工业上用量巨大，且作用关键。
其加工精度和表面粗糙度将直接影响轴承的性能。
因此，如何做到效率高、精度高的高效生产保持架，一直以来都是机械工作者的的目标。
一个冲压模具的设计是否正确合理、先进和适用,对于冲压生产中冲压件合格率的高低,作业循环的快慢,模具的制造难易程度及模具的使用寿命等都具有重要的影响。
本课题正是考虑到以上的因素，选择了冲压模具设计。
这也正是符合当前研究的热点和市场的需求。
不论在科研还是实际生产中都有着深刻的现实意义。
第2章冲裁件工艺分析及加工方案确定
2.1冲裁件的结构分析以及模具结构的确定
如图2-1所示零件：
保持架
生产批量：
中批量
材料：
20钢t=
设计该零件的冲压工艺与模具
冲裁件工艺分析
1.材料：
20钢是优质碳素结构钢，具有良好的可冲压性能。
一般用于制造受力不大而韧性要求高的零件。
2.工件结构形状：
制件需要进行落料、弯曲两道基本工序。
3.尺寸精度：
零件图上所有尺寸均未标注公差，属自由尺寸，可按IT14级确定工件尺寸的公差。
结论：
可以冲裁。
制件为大批量生产，应重视模具材料和结构的选择，保证磨具的复杂程度和模具的寿命。
根据制件的工艺分析，其基本工序有落料、冲孔、弯曲三道基本工序，按其先后顺序组合，可得如下几种方案;
（1）落料——弯曲；单工序模冲压
（2）落料——弯曲；连续模冲压。
（3）落料——弯曲；复合模冲压。
方案
（1）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较大，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
（2）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（3）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（3）复合冲裁。
由冲压工艺分析可知，采用复合冲压，所以模具类型为复合模。
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活动挡料销定距。
，相对较薄，卸料力不大，故可采用弹性料装置卸料。
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.计算毛坯尺寸
相对弯曲半径为：
R/t=>
式中：
R——弯曲半径（mm）
t——材料厚度（mm）
，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公式（2—1）
式中：
r0——内弯曲半径
t——材料厚度
k——中性层系数
表2—1板料弯曲中性层系数
r0/t
K1（V）
K2（U）
K3（O）
—
—
—
—
—
r0/t
2
3
4
5
6
8
K1（V）
K2（U）
K3（O）
查表2—1，K=
根据公式2—1β=r0+kt
=+*
=（mm）
图2—1计算展开尺寸示意图
根据零件图上得知，圆角半径较大（R>），弯曲件毛坯的长度
公式为：
LO=∑L直+∑L弯公式（5—2）
式中：
LO——弯曲件毛坯张开长度（mm）
∑L直——弯曲件各直线部分的长度（mm）
∑L弯——弯曲件各弯曲部分中性层长度之和（mm）
在图2—1中：
∑L弯=2πβ
=2××
=（mm）
LO=∑L直+∑L弯
=+
=（mm）
取LO=68（mm）
L=14+2*4=22（mm）
根据计算得：
工件的展开尺寸为22*68（mm）,如图2—2所示。
68
22
图2—2尺寸展开图
、计算条料宽度及步距的确定
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。
表2—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
＜
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~12
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4—2给出了钢（%～%）的搭边值。
对于其他材料的应将表中的数值乘以下列数：
钢（%～%）
钢（%～%）
硬黄铜1～
硬铝1～
软黄铜，纯铜
该制件是矩形工件，根据尺寸从表4—2中查出：
侧搭边值a=（mm）。
计算条料宽度有三种情况需要考虑；
有侧压装置时条料的宽度。
无侧压装置时条料的宽度。
有定距侧刃时条料的宽度。
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：
B=（D+2a）
公式（5—2）其中条料宽度偏差上偏差为0，下偏差为—△，见表2—3条料宽度偏差。
D——条料宽度方向冲裁件的最大尺寸。
a——侧搭边值。
查表2—
根据公式4—1B=（D+2a）
=（68+2×）
=
表2—3条料宽度公差（mm）
条料宽度
B/mm
材料厚度t/mm
～
>～
>～
～50
>50～100
>100～150
导板间间距的确定
导料板间距离公式：
A=B+Z公式（2—2）
Z——导料板与条料之间的最小间隙（mm）；
查表2—3得Z=
根据公式4—2A=B+Z
=72+
=（mm）
表2—4导料板与条料之间的最小间隙Zmin（mm）
材料厚度t/mm
有侧压装置
条料宽度B/mm
~50
>50~100
~
>~
>~
排样
根据材料经济利用程度，排样方法可以分为有废料、少废料和无废料排样三种，根据制件在条料上的布置形式，排样有可以分为直排、斜排、对排、混合排、多排等多重形式。
采用少、无废料排样法，材料利用率高，不但有利于一次冲程获得多个制件，而且可以简化模具结构，降低冲裁力，但是，因条料本身的公差以及条料导向与定位所产生的误差的影响，所以模具冲裁件的公差等级较低。
同时，因模具单面受力（单边切断时），不但会加剧模具的磨损，降低模具的寿命，而且也直接影响到冲裁件的断面质量。
由于设计的零件是得到十字形零件，所以采用有费料直排法。
冲裁零件的面积为：
F=长×宽—4×7×32=22×68—896=600（mm2）
毛坯规格为：
500×1000（mm）。
送料步距为：
h=D=68
一个步距内的材料利用率为
n11=（nF/Bh）×100%
n为一个步距内冲件的个数。
n11=（nF/Bh）×100%
=（1×600/72×68）×100%
=%
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公式（6—1）
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，。
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20钢的抗剪强度为246～328（MPa），
取τ=300（MPa）
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。
FQ
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