加工弹簧支架用弯曲模具的设计.docx
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加工弹簧支架用弯曲模具的设计
加工弹簧支架用弯曲模具的设计
摘要
本课题是加工拖拉机上的弹簧支架的设计。
利用cad二维软件进行绘制。
其中主要的内容有:
（1）模具结构方案的确定。
通过分析弹簧支架的结构工艺和特点，选择合理的模具结构方案，保证模具的精确定位以及制造精度，还有操作方便、安全、合理等要求。
（2）弯曲模具各个主要零件的设计和设备选择。
合理选用模具标准件和设计非标准件，以及压力机设备的选用。
关键词：
弯曲模具，设计，弹簧支架
THEDESIGNOFBENDINGDIEABOUTPROCESSINGSPRINGBRACKET
ABSTRACT
Thistopicisthedesignofbendingdieaboutprocessingthespringbracket.Iuse2dcadsoftwarefordrawing..Themaincontentsareasfollows:
Theschemeofdiestructure.Throughtheanalysisofthestructureofspringsupportprocessandcharacteristics,choosethereasonablemouldstructure,guaranteetheprecisionofthepositionandmanufacture,andconvenientoperation,safetyandreasonablerequirements.
Bendingdiedesignandequipmentselectionofeachmainparts.Reasonablechoiceofstandardandnon-standarddesign,andthechoiceofpressequipment.
KEYWORDS:
BendingDie，Design，Springsupport
前 言
本课题的目的是通过对弹簧支架模具的研究，运用自己在大学所学的模具知识和机械行业的知识，从加工、材料、热处理、装配、精度等各个方面的考虑，完成弯曲模具的设计。
基于以上的分析和理解，本课题围绕工厂生产实践展开研究和分析，综合生产中存在的各个问题和困难，设计出比较合理的弯曲模具。
这些设计和研究，能在一定程度上缩短生产上的时间，提高工作时的安全性，降低制造的成本，增加
模具的使用寿命，提高工厂的经济效益。
第1章概论
1.1课题来源、目的以及意义
（1）课题来源
本课题是针对工厂中生产拖拉机上的弹簧支架进行研究和分析，结合自己所学的模具知识和机械行业的知识，设计出一套关于加工弹簧支架的弯曲模具。
（2）课题的研究目的
本课题的研究目的是通过对加工弹簧支架的了解，从生产，材料，成本，安全，精度等各个方面的考虑，运用自己所学的模具知识，并且结合所学的cad二维软件，完成模具的设计，从而达到弯曲模具的安全，生产成本的降低，精度的提高，延长模具的使用寿命等。
（3）课题研究的意义
通过对生产过程的研究和理解，发现其中存在许许多多的不足，基于以上的分析，本课题围绕实践进行展开，深入了解生产中的不足和缺点，综合了解，进而设计出合理的弯曲模具。
这些设计可以提高工厂的经济效益，降低成本。
1.2国内外模具发展状况
我国模具市场空间巨大。
2006年国内汽车保持15％的增速，销量将达640万辆，汽车零部件的市场比整车还大，为汽车零部件提供装备的模具行业高速发展显而易见。
1.3课题研究的主要内容
本课题主要研究的内容是设计一套关于拖拉机上的弹簧支架的弯曲模具。
在本次设计中，主要涉及的内容有以下两个方面：
（1）分析要加工零件的工艺，以及其加工的过程以及压弯成型的工序，然后进行压弯工艺方案的设计。
（2）查找弯曲模具的标准件，设计非标准件，同时必须满足加工工艺的要求，以便提高加工零件的精度。
然后进行模具装配。
第2章工艺分析与模结构方案设计
2.1零件工艺分析
加工前的毛坯零件如图2-1所示：
图2-1加工前的零件
加工成形的零件形状如图2-2所示：
图2-2成型零件
该零件名称为弹簧支架（东方红-75拖拉机用，零件号：
54.47.419）材料为Q215钢，厚度为1.5±0.12mm，标准：
GB11253-89，剪后毛坯：
140×52。
1.零件及其压弯工艺性分析：
拖拉机上的弹簧支架零件外观上要求不是很高，只需要加工平整就可。
该零件两端为半圆形，根据零件的使用情况，因此采用两端定位。
2.确定加工工艺方案
根据该零件的实际生产加工情况，对于零件的加工，本课题只研究压弯这一道加工工序。
加工这道工序只需要一道工序，所以弯曲模具的设计即为单工序模，不是级进模。
加工的时候相对比较方便，安全，而且制造周期也比较短。
凸模加工采用整体式结构，凹模采用矩形结构。
这样加工起来比较方便，而且更易于保证模具的加工精度和质量。
可以便于拆装，维护以及修理。
加工工序的方案如图所示：
图2-3零件加工方案
这种加工方法为一次成型的加工方案，这种加工方法的优点是用一副弯曲模具就可以加工成形，提高了生产效率，增加了工厂的经济效益。
缺点是加工精度有点低，零件的表面会有比较大面积的擦伤，零件的尺寸和形状会有加大的变形。
2.2模具结构设计
本课题研究的方案是选用后侧导柱结构。
图2-4模具后侧导柱结构简图
后侧导柱的优点是送料方便，可以纵向，横向送料。
缺点是在冲压的时候，如果有偏心载荷，则导套，导柱和单边磨损。
所以他不能用于模柄与上模座浮动连接的模具。
2.3本章小结
本章内容分析了零件的加工工艺及其加工方案，还有弯曲模具的简单机构图形，为以后的冲压设备的选择和弯曲模具中主要零件的设计、查找打下了基础。
第3章工艺计算与冲压设备的选择
3.1工艺计算
3.1.1弯曲件的展开长度计算
在板料弯曲的时候，弯曲毛坯展开尺寸准确与否，直接关系到所弯曲工件的尺寸精度。
而弯曲中性层在弯曲变形的前后长度不变。
因此，可以用中性层作为计算弯曲部分展开的依据。
1.弯曲中性层位置的确定
设版聊弯曲前的长度、宽度和厚度分别是l、b、t，弯曲后的成为外半径R、内半径r、厚度ξt（ξ为变薄系数）、弯曲带中心角为φ的形状。
根据变形前后金属体积不变的原则得：
Tlb=π（R-r）φb/2π（3-1）
塑形弯曲后，中性层长度不变，所以：
l=φρ（3-2）
联解上述两个式子，并以R=r+ξt代入，可得塑形弯曲的中性层位置为：
ρ=（r+0.5ξt）ξ（3-3）
图3-1弯曲件中性层位置
由（3-3）式子可以看出，弯曲中性层位置与r/t和系数ξ的数值有关，而弯曲时，随着凸模下行，相对弯曲半径r/t和系数ξ是不断变化的，因此，随着弯曲的进行，中性层位置也在不断发生改变。
r/t值越小，系数ξ值也越小，中性层位置的内移量也越大。
在实际生产中为了便于计算，一般用经验公式来确定中性层的曲率半径：
Ρ=r+xt
式子中x—与变形程度有关的中性层系数，其值件下表：
表3-1中性层系数x的值
r/t
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
1
1.2
x
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
x
0.34
0.36
0.38
0.39
0.4
0.42
0.44
0.46
0.48
0.5
在本课题中，r=3mm，t=0.15mm，r/t=2，从上述表中可以查到中性层系数x=2，进而可以得到中性层的曲率半径ρ=r+xt=3.57mm。
2.弯曲件的展开长度计算
确定了中性层的位置以后，就可以进行弯曲件毛坯展开尺寸的计算。
一般r＞0.5t的弯曲件称为圆角半径的弯曲;而将≤0.5t的弯曲称为无圆角半径的弯曲。
（1）有圆角半径的弯曲
有圆角半径的弯曲件，毛坯展开尺寸等于弯曲件直线部分长度和圆弧部分长度的总和。
L=∑L
直线+∑L圆弧式子中
L-弯曲件毛坯长度；
L-直线-直线部分各段长度；
l圆弧=2πρφ/360º
式子中l圆弧-圆弧部分各段长度；
Φ-弯曲带中心角（º）。
（2）无圆角半径的弯曲
无圆角半径弯曲件的展开长度根据毛坯与工件体积相等，并考虑弯曲变薄的情况进行计算。
弯曲前的体积：
V=Lbt
弯曲后的体积：
V¹=（l₁+l₂）bt+πt²b
由V=V¹可得：
L=l₁+l₂+0.785t
在本课题中，由于r=3，t=1.5，r=3＞0.5t=0.75，是故计算公式采用有圆角半径的弯曲的计算。
在成型零件图中可得：
l₁=50mm，l₂=50mm，l₃=26mm，r=3mm，xt=0.57，代入计算公式
L=∑L直线+∑L圆弧，计算得到L=137.22mm.
3.1.2弯曲力的计算
弯曲力是设计弯曲模具和选择压力机吨位的重要依据。
特别是在弯曲板料较厚、万曲线较长，相对弯曲半径较小，材料强度较大，而弯曲设备与功率有限的情况下，必须对弯曲力进行计算。
1.自由弯曲时的弯曲力：
V形件弯曲力：
F自=0.6Kbt²δb/（r+t）
U形件弯曲力：
F自=0.7Kbt²δb/（r+t）
式子中F自-冲压行程结束时的自由弯曲力（N）;
K-安全系数，一般取K=1.3；
b-弯曲件的宽度（mm）；
t-弯曲材料的厚度（mm）；
r-弯曲件的内弯曲半径（mm）；
Δb-材料的强度极限（MPa）。
2.校正弯曲时的弯曲力
校正弯曲时，校正力比弯曲力要大得多，而且两个作用力先后作用。
一次，若采用校正弯曲时，一般只计算校正力。
V形件和U形件的校正弯曲力均按照下列式子计算：
F校=AP
式子中F校-校正弯曲时的弯曲力（N）;
A-校正弯部分的垂直投影面积（mm）；
P-单位面积上的校正力（MPa），其值件下表3-2.
表3-2材料的厚度选择
材料
材料厚度t/mm
≤3
＞3～10
铝
30～40
56～60
黄铜
60～80
80～100
10～20钢
80～100
100～120
25～35钢
100～120
120～150
钛合金（BT1）
160～180
180～210
钛合金（BT3）
160～200
200～260
3.压弯时的顶件力和卸料力
顶件力和卸料力FQ值可近似取自由弯曲力的30％～80％，即
FQ=（0.3～0.8）F自
4.弯曲时压力机吨位的确定
自由弯曲时，压力机吨位F机为
F机≥F自+FQ
校正弯曲时，可以忽略顶件力和卸料力，即
F机≥F校
本课题采用校正弯曲时的弯曲力来计算：
A=35X50=1750mm，工件材料为Q215钢，取单位面积上的校正力80MPa。
根据公式
F校=AP
代入计算可得F校=35X50X80=140KN。
3.2冲压设备的选择
冲压加工中常用的机械压力属于锻压机械中的一类。
压力机的技术参数反映了一台压力机的工艺能力和有关生产指标，也是选择，使用压力机和设计模具的重要依据。
通常压力机的主要技术参数如下：
1.公称压力
通常压力机的公称压力是指滑块到下止点前，某一特定距离或者曲柄旋转到距离下止点前某一也定角度时，滑块所允许的最大工作压力。
2.滑块行程
滑块行程是指压力机滑块从上止点到下止点所经过的距离。
3.滑块行程次数
是指滑块每分钟从上止点到下止点、然后回到上止点的往返次数。
4.压力机装模高度和封闭高度
压力机的装模高度是指压力机处于下止点位置时，滑块下表面到工作垫板上表面的距离。
当装模高度调装置将滑块调整到最高位置时，装模高度达到最大值，称为最大装模高度。
模具闭合高度应该小于压力机的最大装模高度。
模具的闭合高度应该小于压力机的最大装模高度。
装模所能调节的距离，称为装模高度调节量。
5.模柄孔尺寸
当模具需要模柄与滑块相连时，滑块内模柄孔的直径应和深度应该和模具模柄尺寸相互协调。
本课题加工拖拉机上的弹簧支架，选用开式可倾压力机。
然后根据弯曲件的尺寸、模具的尺寸等条件，查找参考文献，确定压力机型号为J23-16.
表3-3开式可倾压力机的主要技术参数
型号
J23-16
工作台尺寸/mm
前后
300
公称压力/KN
160
左右
450
滑块行程/mm
55
垫板尺寸/mm
厚度
40
滑块行程次数（次/min）
120
最大封闭高度/mm
220
模柄孔直径/mm
直径
40
闭合高度调节量/mm
45
深度
60
立柱间距/mm
220
滑块地面尺寸/mm
前后
、
工作台孔尺寸/mm
前后
160
左右
左右
240
机床最大可倾角/º
35º
直径
210
3.3本章小结
本章节主要就压力机的选择做出了很细致的说明。
我选的是通用式压力机。
本章节中主要涉及到了压力机的主要参数，冲压设备的选择步骤等，并且最终确定了压力机的类型。
第4章模具主要零件设计
4.1设计思路
总体上来说，先从零件的材料去着手，然后在根据毛坯零件的工艺以及尺寸设计出合适的凸、凹模，继而选择合适上、下模座。
再接着根据毛坯零件设计出定位板，根据凹模和下模座的厚度来设计顶杆的长度和直径。
这个时候，模具的大体轮廓已经显示出来，根据上、下模座之间的高度来设计导套的直径和高度。
接着根据配合关系来选择导柱的直径和高度。
4.2模具材料选用以及热处理
1.弯曲模具的零件材料选择以及热处理要求
（1）凹凸模具材料的选择和热处理要求
表4-1凹凸模具材料的选用方法
模具类型
零件名称以及工作要求
材料牌号
热处理
硬度
弯曲模具
一般的弯曲凹凸模具以及镶块
T8A、
T10A
淬硬
56～60HRC
形状复杂，要求耐磨的凹凸模以及镶块
CrWMn、Cr12、
Cr12MoV
淬硬
58～62HRC
加热弯曲的凹凸模具
5CrNiMo、
5CrMnMo
淬硬
52～56HRC
在选择弯曲模具凹凸材料的时候，根据毛坯零件的工艺、尺寸以及厚度，弯曲件的形状来选择。
本课题中，毛坯材料选择的是Q215钢，材料厚度是1.5mm，要求一般。
综上所述，凹凸模的材料的选择和热处理如图所示：
表4-2弹簧支架凹凸模具的材料的选择
零件名称
选择的材料
热处理
硬度HRC
凹模
T8A
淬硬
56～60HRC
凸模
T10A
淬硬
56～60HRC
表4-3模具辅助零件材料的选择以及热处理
零件名称
材料牌号
热处理
硬度
上模座
HT250
―
―
下模座
HT250
―
―
顶杆
45
淬硬
43～48
压入式模柄
Q235
淬硬
滑动导套
20
渗碳、淬火
58～62
滑动导柱
20
渗碳、淬火
58～62
导正销
T8A
淬硬
50～54
凸模固定板
45
垫板
45
淬硬
43～48
定位板
45
淬硬
43～48
4.3凹凸模的设计
以下的内容主要是一些主要零件包括凹、凸模中一些关键的尺寸的计算。
4.3.1凸模圆角半径
当弯曲毛坯零件的相对弯曲半径r/t比较小的时候，凸模的圆角半径等于弯曲件的弯曲半径，但是也应该大于最小弯曲圆角半径的。
如果r/t要是小雨相对弯曲弯曲半径，则可以先弯曲成比较大的圆角半径，然后在采用整形加工的工序进行整形加工。
如果弯曲零件的相对弯曲半径比较大一些，而且精度要求的精度比较高一些，凸模圆角应该根据会弹值作用做相应的修改。
图4-1板料最小弯曲半径
本课题中，毛坯零件的材料为Q315钢，材料的厚度为1.5mm，r/t=2大于最小弯曲件圆角半径，所以呢，凸模圆角的半径值为2.
4.3.2凹模圆角半径
如下图所展示的弯曲凹模以及凸模具的结构尺寸。
凹模圆角半径r不能太小的，零件毛坯沿着凹模圆角进入的时候阻力会曾大的，进而增加了弯曲力，并且可能会导致零件毛坯表面收到损伤。
对称的压弯零件的两边的凹模圆角半径r应该一致，否则在压弯的时候会致使毛坯零件产生偏移。
图4-2模具的结构尺寸
在生菜的过程中，按照材料的厚度来决定凹模具圆角的半径的：
t≤2mm，r凹=（3～6）t
T=2～4mm，r凹=（2～3）t
t＞4mm，r凹=2t
对于V形毛坯零件的凹模，其底部可是开槽，或者取得
r凹¹=（0.6～0.8）（r凹+t）
弯曲凹模L的选择要适当。
如果过于小，则毛坯零件的两端的自由部分比较长，弯曲零件会弹值比较大，而且不平直。
如果过大，那变是在浪费材料，同时还需要比较的压力机行程。
本课题中，选用表4-6弯曲的U形件的凹模的深度L，弯曲件的边长是50mm，并且材料的厚度为1.5mm，根据上表可以得到：
L₁=25mm
表4-4弯曲的U形件的凹模的深度L
弯曲件边长
材料厚度t/mm
≤1
1～2
2～4
4～6
6～10
＜50
50～75
75～100
100～150
150～200
15
20
25
30
40
20
25
30
35
45
25
30
35
40
55
30
35
40
50
65
35
40
40
50
65
表4-5弯曲V形件的凹模L₁以及底部最小值厚度h
弯曲边长L/mm
材料厚度t/mm
＜2
2～4
＞4
h
L₁
h
L₁
h
L₁
＞10～25
20
10～15
22
15
-
-
＞25～50
22
15～20
27
25
32
30
＞50～75
27
20～25
32
30
37
35
＞75～100
32
25～30
37
35
42
40
＞100～150
37
30～35
42
40
47
50
4.3.3凹凸模具间隙凹凸模具间隙以及宽度尺寸计算
1.对于V形件，凸模和凹模之间的间隙是因为调节压力机的装模具高度来确定的。
对于U形状件弯曲件，凸模和凹模之间的间隙对于弯曲件的回弹以及表面的质量和弯曲力都有很大的影响。
间隙越大，会弹值变回正大的，工件的误差便会越来越大;但是间隙过于小的时候，会导致零件边部壁厚减小，从而降低了凹模的使用寿命。
凸模和凹模之间的单边间隙公式一般可以按照以下的公式来计算：
Z=tmax+ct=t+Δ+ct
式子中Z－弯曲模具凸模和凹模之间的单边间隙；
t－材料厚度基本尺寸；
Δ－材料厚度的上偏差；
C－间隙系数，可查下表。
当材料精度要求比较高的时候，其间隙应该适当地减小，使得Z=t。
图4-3U形状件弯曲模的间隙系数c值
在本课题之中，c取得0.07，t=1.5mm，tmax=1.5+0.12=1.62mm。
带入公式Z=tmax+ct=t+Δ+ct可以得到：
Z=tmax+ct=1.62+0.07×1.5=1.725mm。
从而取得弯曲模具凸模和凹模之间的单边间隙是1.725mm。
2.凹凸模具宽度尺寸计算
凹凸模具宽度尺寸的计算与工作尺寸的标注是有关系的。
一般的原则是：
工件标注外形尺寸的时候则是以凹模为基准件，间隙取在凸模具上。
反之，工件内形尺寸，则是以为凸模为基准件，间隙取在凹模具上。
当工件外形标注的时候，则：
L凹=（Lmax-0.75Δ）+δ凹0
L凸=（L凹-2Z）0-δ凸
当工件外形标注的时候，则：
L凸=（Lmin+0.75Δ）0-δ凸
L凹=（L凹+2Z）+δ凹0
式子中Lmax－弯曲件宽度的最大尺寸；
Lmin－弯曲件宽度的最小尺寸；
L凹－凸模宽度；
L凸－凹模宽度；
Δ－弯曲件宽度的尺寸公差；
δ凹、δ凸－凸模和凹模的制造偏差。
图4-4工件的尺寸标注以及模具尺寸
图4-5工件的尺寸标注
图4-6成形零件
从上述两个图中可以得知，本课题中工件的标注为内形标注，所以采用L凸=（Lmin+0.75Δ）0-δ凸以及L凹=（L凹+2Z）+δ凹0这两个公式来计算。
L凸=（Lmin+0.75Δ）0-δ凸=（32+0.75×3）0-δ凸
=34.250-0.020mm
L凹=（L凹+2Z）+δ凹0=（32+2×1.725）+δ凹0
=35.45+0.0300mm
综上所述可以得到：
L凸=34.250-0.020mm
L凹=35.45+0.0300mm
4.3.4凹模外形设计
凹模设计应该考虑的事项是关于凹模强度、加工的精度以及制造放方法等一系列的问题。
他关系到成品零件的质量的好坏，因此对其他加工的表面应该给予足够的考虑。
凹模的尺寸和形状，对于其承受的弯曲力的作用，必须拥有不引起破坏和破损的强度。
由于凹模的尺寸和形状的结构形式的不同，受到的力也很复杂。
所以在一般的情况下，通常都是根据弯曲件的轮廓尺寸以及材料的厚度、压弯力的大小等条件来进行估算和经验修正的。
凹模的外形一般有矩形和圆形这两种形状。
1.凹模块的厚度
整体凹模的尺寸可以按弯曲力的大小来计算。
其经验公式：
H=K¹K²×³
式子中H―凹模厚度（mm）；
P―弯曲力（N）;
K¹―弯曲轮廓长度修正系数，见表4-11；
K²―凹模材料修正系数，其值见4-12；
表4-7弯曲轮廓长度修正系数K¹
轮廓长度/mm
＜50
50～75
75～150
150～300
300～500
＞500
修正系数K¹
1
1.12
1.25
1.37
1.50
1.6
表4-8凹模材料修正系数
凹模材料
碳素工具钢
合金工具钢
修正系数K²
1.3
1
本课题中，修正系数K¹=1，修正系数K²=1.3，P=70000N。
带入公式H=K¹K²×³
可以得到：
H=32.33mm
2.切轮廓线到凹模边缘的尺寸
（1）轮廓线为平滑曲线时，W1=1.2H;
（2）轮廓线为直线时，W2≥1.5H;
（3）具有复杂形状或剪短情况，W3≥2.0H;
本课题中，切断轮廓线为直线，所以W2≥1.5H=1.5×32.33=48.495mm。
3.螺孔间距
凹模块上螺孔间距的尺寸可以按照下表4-12所推荐的尺寸来进行选取。
表4-9凹模块上螺孔间距的尺寸
螺栓
最小间距
最大距离
凹模厚度
M5
15
50
10～18
M6
25
70
15～25
M8
40
90
22～32
M10
6
升级会员 