中軸碗的沖壓工藝及模具設計【帶凸緣圓筒形件落料拉深沖孔復合模含16張CAD圖帶卡片】
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11 緒 論目前，我國沖壓技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當?shù)穆浜?，主要原因是我國在沖壓基礎理論及成形工藝、模具標準化、模具設計、模具制造工藝及設備等方面與工業(yè)發(fā)達的國家尚有相當大的差距，導致我國模具在壽命、效率、加工精度、生產(chǎn)周期等方面與工業(yè)發(fā)達國家的模具相比差距相當大。1.1 國內(nèi)模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1.1 國內(nèi)模具的現(xiàn)狀我國模具近年來發(fā)展很快，據(jù)不完全統(tǒng)計，2003 年我國模具生產(chǎn)廠點約有 2萬多家，從業(yè)人員約 50 多萬人，2004 年模具行業(yè)的發(fā)展保持良好勢頭，模具企業(yè)總體上訂單充足，任務飽滿，2004 年模具產(chǎn)值 530 億元。進口模具 18.13 億 美元，出口模具 4.91 億美元，分別比 2003 年增長 18%、32.4%和 45.9%。進出口之比 2004年為 3.69:1，進出口相抵后的進凈口達 13.2 億美元，為凈進口量較大的國家。在 2 萬多家生產(chǎn)廠點中，有一半以上是自產(chǎn)自用的。在模具企業(yè)中，產(chǎn)值過億元的模具企業(yè)只有 20 多家，中型企業(yè)幾十家，其余都是小型企業(yè)。 近年來， 模具行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和體制改革步伐加快，主要表現(xiàn)為：大型、精密、復雜、長壽命中高檔模具及模具標準件發(fā)展速度快于一般模具產(chǎn)品；專業(yè)模具廠數(shù)量增加，能力提高較快；"三資"及私營企業(yè)發(fā)展迅速；國企股份制改造步伐加快等。雖然說我國模具業(yè)發(fā)展迅速，但遠遠不能適應國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。我國尚存在以下幾方面的不足:第一，體制不順，基礎薄弱。 “三資”企業(yè)雖然已經(jīng)對中國模具工業(yè)的發(fā)展起了積極的推動作用，私營企業(yè)近年來發(fā)展較快，國企改革也在進行之中，但總體來看，體制和機制尚不適應市場經(jīng)濟，再加上國內(nèi)模具工業(yè)基礎薄弱，因此，行業(yè)發(fā)展還不盡如人意，特別是總體水平和高新技術(shù)方面。 第二，開發(fā)能力較差，經(jīng)濟效益欠佳.我國模具企業(yè)技術(shù)人員比例低，水平較低，且不重視產(chǎn)品開發(fā)，在市場中經(jīng)常處于被動地位。我國每個模具職工平均年創(chuàng)造產(chǎn)值約合 1 萬美元，國外模具工業(yè)發(fā)達國家大多是 15～20 萬美元，有的高達 25～302萬美元，與之相對的是我國相當一部分模具企業(yè)還沿用過去作坊式管理，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化企業(yè)管理的企業(yè)較少。 第三，工藝裝備水平低，且配套性不好，利用率低．雖然國內(nèi)許多企業(yè)采用了先進的加工設備，但總的來看裝備水平仍比國外企業(yè)落后許多，特別是設備數(shù)控化率和 CAD/CAM 應用覆蓋率要比國外企業(yè)低得多。由于體制和資金等原因，引進設備不配套，設備與附配件不配套現(xiàn)象十分普遍，設備利用率低的問題長期得不到較好解決。裝備水平低，帶來中國模具企業(yè)鉗工比例過高等問題。第四，專業(yè)化、標準化、商品化的程度低、協(xié)作差． 由于長期以來受“大而全”“小而全”影響，許多模具企業(yè)觀念落后，模具企業(yè)專業(yè)化生產(chǎn)水平低，專業(yè)化分工不細，商品化程度也低。目前國內(nèi)每年生產(chǎn)的模具，商品模具只占 45%左右，其馀為自產(chǎn)自用。模具企業(yè)之間協(xié)作不好，難以完成較大規(guī)模的模具成套任務，與國際水平相比要落后許多。模具標準化水平低，標準件使用覆蓋率低也對模具質(zhì)量、成本有較大影響，對模具制造周期影響尤甚。 第五，模具材料及模具相關技術(shù)落后．模具材料性能、質(zhì)量和品種往往會影響模具質(zhì)量、壽命及成本，國產(chǎn)模具鋼與國外進口鋼相比，無論是質(zhì)量還是品種規(guī)格，都有較大差距。塑料、板材、設備等性能差，也直接影響模具水平的提高。1.1.2 國內(nèi)模具的發(fā)展趨勢巨大的市場需求將推動中國模具的工業(yè)調(diào)整發(fā)展。雖然我國的模具工業(yè)和技術(shù)在過去的十多年得到了快速發(fā)展，但與國外工業(yè)發(fā)達國家相比仍存在較大差距，尚不能完全滿足國民經(jīng)濟高速發(fā)展的需求。未來的十年，中國模具工業(yè)和技術(shù)的主要發(fā)展方向包括以下幾方面: 1） 模具日趨大型化； 2）在模具設計制造中廣泛應用 CAD/CAE/CAM 技術(shù)； 3）模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)； 4）在塑料模具中推廣應用熱流道技術(shù)、氣輔注射成型和高壓注射成型技術(shù)； 5）提高模具標準化水平和模具標準件的使用率； 6）發(fā)展優(yōu)質(zhì)模具材料和先進的表面處理技術(shù)； 7）模具的精度將越來越高； 38）模具研磨拋光將自動化、智能化； 9）研究和應用模具的高速測量技術(shù)與逆向工程； 10）開發(fā)新的成形工藝和模具。1.2 國外模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢模具是工業(yè)生產(chǎn)關鍵的工藝裝備，在電子、建材、汽車、電機、電器、儀器儀表、家電和通訊器材等產(chǎn)品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。用模具生產(chǎn)制作表現(xiàn)出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清潔環(huán)保的特性，是其他加工制造方法所無法替代的。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標志，并在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。近幾年，全球模具市場呈現(xiàn)供不應求的局面，世界模具市場年交易總額為600～650 億美元左右。美國、日本、法國、瑞士等國家年出口模具量約占本國模具年總產(chǎn)值的三分之一。 國外模具總量中,大型、精密、復雜、長壽命模具的比例占到 50%以上；國外模具企業(yè)的組織形式是"大而專"、"大而精"。2004 年中國模協(xié)在德國訪問時，從德國工、模具行業(yè)組織--德國機械制造商聯(lián)合會（VDMA）工模具協(xié)會了解到，德國有模具企業(yè)約 5000 家。2003 年德國模具產(chǎn)值達 48 億歐元。其中（VDMA）會員模具企業(yè)有 90 家，這 90 家骨干模具企業(yè)的產(chǎn)值就占德國模具產(chǎn)值的 90%，可見其規(guī)模效益。 隨著時代的進步和技術(shù)的發(fā)展，國外的一些掌握和能運用新技術(shù)的人才如模具結(jié)構(gòu)設計、模具工藝設計、高級鉗工及企業(yè)管理人才，他們的技術(shù)水平比較高．故人均產(chǎn)值也較高．我國每個職工平均每年創(chuàng)造模具產(chǎn)值約合 1 萬美元左右，而國外模具工業(yè)發(fā)達國家大多 15～20 萬美元，有的達到 25～30 萬美元。國外先進國家模具標準件使用覆蓋率達 70%以上，而我國才達到 45％．1.3 中軸碗落料——拉深——沖孔件復合模具設計與制造方面1.3.1 中軸碗落料——拉深——沖孔復合模具設計的設計思路沖裁是沖壓工藝的最基本工序之一，它是利用模具使板料沿著一定的輪廓形狀產(chǎn)生分離的一種沖壓工序。落料和沖孔是沖裁中最常見的兩種工序。使材料沿封閉4曲線相互分離，封閉曲線以內(nèi)的部分作為沖裁件時，稱為落料；而封閉曲線以外的部分作為沖裁件時，稱為沖孔。沖裁在沖壓加工中應用極廣。但是一般情況下，沖裁件的經(jīng)濟公差等級不高于 IT11 級，落料件公差等級最好低于 IT10 級，沖孔件最好低于 IT9 級。拉深是沖壓基本工序之一，它是利用拉深模在壓力機作用下，將平板坯料或空心工序件制成開口空心零件的加工方法。它不僅可以加工旋轉(zhuǎn)體零件，還可以加工盒形零件及其他形狀復雜的薄壁零件，但是，加工出來的制件的精度都很底。一般情況下，拉深件的尺寸精度應在 IT13 級以下，不宜高于 IT11 級。只有加強拉深變形基礎理論的研究，才能提供更加準確、實用、方便的計算方法，才能正確地確定拉深工藝參數(shù)和模具工作部分的幾何形狀與尺寸，解決拉深變形中出現(xiàn)的各種實際問題，從而，進一步提高制件質(zhì)量。中軸碗是較典型的帶凸緣拉深件，其工作過程就是先落料——后拉深——最后沖孔成形，根據(jù)計算確定它可以一次拉深成功.根據(jù)計算的結(jié)果和選用的標準模架，判斷此次沖壓可以采用標準的模架。1.3.2 中軸碗落料——拉深——沖孔復合模具設計的進度1.了解目前國內(nèi)外沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀，所用時間 20 天；2.確定加工方案，所用時間 5 天；3.模具的設計，所用時間 30 天；2 中軸碗沖壓工藝的分析2.1 沖壓件工藝性分析5圖 1 工件圖原始資料：如圖所示生產(chǎn)批量：大批量材 料：15 鋼厚 度：2.5mm此工件屬于較典型帶凸緣圓筒形件拉深，形狀簡單對稱，除 Φ45 +0.175-0.180mm和 Φ35 +0.170mm 外，其余尺寸均為自由公差，沒有厚度不變的要求。15 鋼拉深性能良好。而工件最大直徑 Φ65mm 可在拉深后采用修邊達到要求。2.2 沖壓工藝計算和工藝方案沖壓件的工藝計算是沖壓工藝設計中的一個環(huán)節(jié)，本制件的工藝計算屬于屬于較復雜的。其主要的內(nèi)容包括計算毛坯直徑、確定拉深次數(shù)、排樣、及計算工序壓力等。為了避免設計沖壓模時出現(xiàn)尺寸錯誤，畫出中軸碗沖壓件的工序圖如下：6落 料拉 深沖 孔圖 2 工序圖2.2.1 工藝方案的確定根據(jù)制件的工藝分析,該工件包括落料、拉深、沖孔三個基本工序，可以有以下三種工藝方案：方案一：先落料，后拉深，再沖孔。采用單工序模生產(chǎn)。方案二：落料——拉深——沖孔復合沖壓。采用復合模生產(chǎn)。方案三：落料——拉深——沖孔級進沖壓。采用級進模生產(chǎn)。方案一模具結(jié)構(gòu)簡單，但需三道工序三副模具，生產(chǎn)效率低，難以滿足該工件大批量生產(chǎn)的要求。方案二只需一副模具，生產(chǎn)效率較高，盡管模具結(jié)構(gòu)較方案一復雜，但由于零件的幾何形狀簡單對稱，模具制造并不困難。方案三也只需一副模具，生產(chǎn)效率高，但模具結(jié)構(gòu)比較復雜，送進操作不方便，加之工件尺寸偏大。通過對上述三種方案的分析比較，該工件若能一次拉深，則651.342td?其沖壓生產(chǎn)采用方案二為佳。72.2.2 計算毛坯直徑根據(jù)表面積相等原則，用解析法求該零件的毛坯直徑 D?？砂聪旅娴墓接嬎悖?43.tDdhdR???公式見[7]。該件 mm， ,查[7]表 4.3.2 得出修邊余量65td?651.tmm。則 。3R??2371t m??271459.452D??030.6??8m2.2.3 確定拉深次數(shù)采用查表法。由于有凸緣圓筒形件拉深系數(shù) 450.68FdmD?又因為凸緣相對直徑 140.91.5Fd?%3.tD??所以查[2]表 7-8 得首次拉深極限拉深系數(shù) 10.5Fm?????故 1Fm?????所以，該凸緣圓筒形件可以一次拉深成形。即 n?82.2.4 排樣該工件排樣根據(jù)落料工序設計。考慮操作方便及模具結(jié)構(gòu)簡單，故采用單排排樣設計。由[5]表 2-16 查得搭邊值 ，采用雙排擋料鐺擋料。則：12am?.5條料寬20.510%Dbh?????????8285bma??條料的進距為 15a沖裁單件材料的利用率按[5]式（2-16）計算。即10%nAbh???2.510Dbh????????280.51%?????????57?2.2.5 計算工序壓力（1） 落料力計算按[5]式（2-7）1.3FLt??落式中 落 —落 料 力 （ N）L?工 件 外 輪 廓 周 長 ， L=D251m;.tt?—材 料 厚 度 ， ；9??13270MPaMPa? ??—材 料 的 抗 剪 強 度 （ ） ， 由 書 末 附 錄 A查 得落料力則為：1.325.270.25FmPaKN????落（2） 卸料力按[5]式（2-11）FK?卸 卸 落式中 ??32150.6??卸 卸—卸 料 力 因 數(shù) ， 其 值 由 表 查 得 K卸料力則為：0.62.513.2FN???卸（3） 沖孔力計算按[5]式（2—7）1.3FLt??沖式中 —工 件 內(nèi) 輪 廓 周 長 （ m）3.1495.6L???沖孔力則為：1.3562.70FmMPa???沖2.KN?10（4） 推件力計算按[5]式（2—11）FnK?推 推 沖式中 ??30.5?推 推—推 件 力 因 數(shù) ， 其 值 由 表 2-15查 得 Kn卡 在 凹 模 內(nèi) 的 工 件 數(shù) ， n=。推件力則為：320.5.1052FNK???推（5） 拉深力計算由于該零件為淺拉深，故可按有壓邊圈的圓筒形件近似計算。按[5]式（4-35） bFKdt???拉式中??1334040.58b bNdt MPaMPaKdmD? ???拉 —拉 深 力 （ ）拉 深 件 的 直 徑 ， d=40；材 料 厚 度 ；材 料 的 強 度 極 限 （ ） ， 由 書 末 附 錄 A查 得 ；—修 正 因 數(shù) 。拉 深 因 數(shù)由[5]表 4—18 查得修正因數(shù) K=1.0011則 1.0342.5340F???拉6.7KN?（6） 壓邊力 QFAP?式中 221(804)3769.Am????—壓 邊 圈 面 積 ，??3P單 位 壓 邊 力 ， 由 表 —查 得 P=.Ma壓邊力則為 2769..01.3QFmKN???故總沖壓力為：F??壓總 拉 落 卸 沖 推(20.513.2.53.25106.7.3)KN??49KN?2.3 沖壓設備的選擇對于淺拉深可按[5]式（4—37） ，估算公稱壓力來選取壓1.68F?:壓 總（ ）力機。參照[5]書末附錄 ，選用公稱壓力為 1000KN 的開式壓力機（J23—100） 。其3B主要技術(shù)參數(shù)見表一。表一12公稱壓力 1000KN滑塊行程 130mm最大閉合高度 480mm封閉高度調(diào)節(jié)量 100mm工作臺尺寸 710mm×1080mm模柄孔尺寸 Φ60mm×75mm133 模具的結(jié)構(gòu)設計3.1 模具工作部分尺寸計算模具的落料凹模、凸凹模、沖孔凹模、沖孔凸模、及鑲拼凸、凹模的工作關系，如下圖所示。14圖 3 裝配圖其中：1、17——橡膠 2——限位釘 3——下模座 4、13——頂桿 5——凸凹模 6——下頂塊 7——凸凹模 8——上固定板 9——上墊板 10——上模座 11——模柄 12——打桿 14——沖孔凸模 15——蓋板 16——導套 18——導柱 19——卸料板 20——凹模 21——下固定板 22——下墊板 對于工件未注公差可按 IT14 計算，也可由[5]書末附錄 查得各尺寸的未注1D公差。根據(jù)[5]表 2—10 查得，沖裁模刃口雙面間隙 minmax0.29,0.35ZZ??3.1.1 落料刃口尺寸計算的凸、凹模的制造公差由[5]表 2—12 得：0.748m??0.3m??凹凸由于 ，故采用凸模與凹模分開加工方法。因數(shù)由[5]表 2—maxinZ???凸 凹1513 查得，X=0.5。則：????0.30.308.574796DXm???????????凹凹 ??000minin .2.2. 7934ZDXZm?? ??????凸凸凸 凹其工作部分結(jié)構(gòu)尺寸如[5]下圖所示。圖 4 落料刃口尺寸圖3.1.2 沖孔刃口尺寸計算對于孔 的凸、凹模的制造公差由[5]表 2—12 查得： 0.5219??。..m????凸 凹 ，由于 ，故采用凸模與凹模分開加工方法。因數(shù)由[5]表 2—maxinZ??凸 凹13 查得，X=0.5，則： ????000.2.219.5196dXm? ??????????凸凸16????0.250.25min019.619dZm???????凹凹 凸其工作部分尺寸如下圖所示。圖 5 沖孔刃口尺寸圖3.1.3 拉深工作部分尺寸計算拉深凸模和凹模的單邊間隙可按[5]表 4—12 中式 Z/2=1t 計算，Z/2=2.5mm。由拉深工件知 ，查[5]書末附錄 為 IT13 級。故凸、凹模的制造0.35m??3E公差可采用 IT8 級精度，查[5]書末附錄 得 。按[5]式（4—24） 、30.9m??凸 凹式（4—25）可求得拉深凸、凹模尺寸及公差如下表：工件尺寸 0(.75)d?????凹凹 0()dZ???凸凸 凹170.17584???0.3947? 0.397?其工作部分結(jié)構(gòu)尺寸，如下圖所示。圖 6 拉深工作部分尺寸3.2 彈性元件的設計計算為了得到較平整的工件，此模具采用彈壓式卸料結(jié)構(gòu)，使條料在落料、拉深過程中始終處在一個穩(wěn)定的壓力之下，從而改善了毛坯的穩(wěn)定性，避免材料在切向應力的作用下起皺的可能。3.2.1 上卸料采用橡膠作為彈性元件按[5]式（1—4）計算橡膠的自由高度。 3.54HS?:自 由 工 作（ ）式中 H自 由 —橡 膠 的 自 由 高 度 （ m)18S :工 作 —工 作 行 程 與 模 具 的 修 模 量 或 調(diào) 整 量 （ 46m)之 和12518m???工 作 （ ）則 3.46372H?::自 由 （ ）取 67m?自 由由[5]式（1—5）計算橡膠的裝配高度為： 20.85.90.85.9675.960.3Hmm????:::自 由（ ） （ ）取 2m橡膠的斷面面積，在模具裝配時按模具空間大小確定。3.2.2 下頂塊壓邊采用橡膠作為彈性元件按[5]式（1—4）計算橡膠的自由高度。 3.54HS?:自 由 工 作（ ）(125)7Sm??工 作則： (3.4)59.68Hm??::自 由取 60m?自 由由[5]式（1—5）計算橡膠的裝配高度。192(0.85.9)(0.85.9)60514Hm????:::自 由取 m自 由橡膠的斷面面積，在模具裝配時按模具空間大小確定。4 模具的總體設計及裝配該工件的模具結(jié)構(gòu)如[5]圖 6—15。主要由上、下模座、落料凹模、凸凹模、沖孔凸模、沖孔凹模、鑲拼凸模、鑲拼凹模、下頂塊、上頂塊、卸料板等零件組成。根據(jù)主要工作部分尺寸、結(jié)構(gòu)以及彈性元件的尺寸，參照有關資料，可選取 I級精度的后側(cè)導柱模架。即：名稱 尺寸 材料 熱處理上模座 140mm×120mm×40mm HT200下模座 140mm×120mm×50mm HT200導柱 A25h5×150mm 20 鋼 滲碳 58～62HRC導套 A25H5×90mm×38mm 20 鋼 滲碳 58～62HRC20導柱、導套滲碳深度為 。0.812m:落料凹模、凸凹模、沖孔凸模、沖孔凹模、鑲拼凸模、鑲拼凹模、材料均采用Cr12，熱處理硬度 HRC。64卸料板、上頂塊、下頂塊、墊板、固定板材料均采用 45 鋼。該模具將成形部分做成鑲拼凹模 8 和鑲拼凸模 7，這樣當沖裁刃口變鈍后，只要將刃口部分按常規(guī)重新修磨一下，然后將鑲拼件旋轉(zhuǎn)一個角度取出后，將反面磨去刃磨量即可裝入再使用。下頂塊 6 除了起到壓邊的作用，另外當工件拉深到下頂塊觸到下固定板 24 時，下頂塊就起到了限位的作用。當上?；爻虝r拉深工件有了一個校正的過程。由于受 1000KN 開式壓力機工作臺孔尺寸的限制，該模具的頂件壓邊裝置安裝在下模，防礙了沖孔廢料的排出。下模座則開設了一個斜漏料孔，并由螺釘來限位，使托板與下模座之間保持一定的間距，從而保證廢料能夠依靠自重順利排出。為了保證沖孔凹模與落料凹模的同心度要求，將沖孔凹模與落料凹模用螺栓連接在一起，并與固定板成 H7/h6 的過度配合，這樣給拆卸、裝配帶來了方便。216 結(jié)束語中軸碗屬于帶凸緣拉深件，并帶有一底孔。分析其工藝性，并確定工藝方案。根據(jù)計算確定本制件是先落料，后沖底孔，最后一次拉深成的，然后相應選取拉深時的壓力機。本設計主要是落料模、沖裁模、一次拉深模具設計，需要計算毛坯尺寸、拉深次數(shù)、工序壓力、落料刃口尺寸、沖孔刃口尺寸、拉深工作部分尺寸，并且還需要確定模具零件結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)上面的設計繪出模具的總裝圖。由于在零件制造前進行了預測，分析了制件在生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的缺陷，采取了相應的工藝措施。因此，模具在生產(chǎn)零件的時候才可以減少廢品的產(chǎn)生。中軸碗的形狀結(jié)構(gòu)較為簡單，高度適中適合選用標準模架。模具工作零件的結(jié)構(gòu)也較為簡單，它可以相應的簡化了模具結(jié)構(gòu)。便以以后的操作、調(diào)整和維護。中軸碗模具的設計，是理論知識與實踐有機的結(jié)合，更加系統(tǒng)地對理論知識做了更深切貼實的闡述。也使我認識到，要想做為一名合理的模具設計人員，必須要有扎實的專業(yè)基礎，并不斷學習新知識新技術(shù)，樹立終身學習的觀念，把理論知識應用到實踐中去，并堅持科學、嚴謹、求實的精神，大膽創(chuàng)新，突破新技術(shù)，為國民經(jīng)濟的騰飛做出應有的貢獻。22參考文獻[1]陳錫棟、周小玉主編.實用模具技術(shù)手冊[ M].北京：機械工業(yè)出版社，2001[2]李紹林、馬長福主編.實用模具技術(shù)手冊[ M].上?？茖W技術(shù)出版社，1998[3]許發(fā)樾主編.實用模具設計與制造手冊[ M].北京：機械工業(yè)出版社，2000[4]楊玉英主編.實用沖壓工藝及模具設計手冊[ M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004[5]模具實用技術(shù)叢書編委會.沖壓設計應用實例[ M].北京：機械工業(yè)出版社.2000[6]翟德梅主編.模具制造技術(shù)[ M].河南機電高等?？茖W校23[7]劉建超、張寶忠主編.沖壓模具設計與制造[ M].北京：高等教育出版社，2004[8]王芳主編.冷沖壓模具設計指導[ M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1998[9]任嘉卉主編.公差與配合手冊[ M]. 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