冲压课程设计
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课程设计
机械工程学院 专 业: 号:
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目 录
1.概述 .............................................................. 3 1.1冲压工艺的基本现状及发展趋势 .................................... 3 1.2课程设计的目的及意义 ............................................ 3 2.冲压工艺性分析与生产方案的确定.................................... 4 2.1设计任务 ........................................................ 4 2.2冲压件工艺性分析 ................................................ 4 2.3冲压生产方案的确定 .............................................. 5 3.冲孔模具设计与计算................................................ 6 3.1确定模具简图 .................................................... 6 3.2冲裁力及压力中心的确定 .......................................... 6 3.3冲裁间隙的确定 .................................................. 8 3.4凸、凹模工作部分尺寸计算 ........................................ 8 3.5模具零件外形尺寸计算 ............................................ 8 3.6其他零部件的设计 ............................................... 10 3.7模具总体设计 ................................................... 12 总结............................................................... 13 参考文献........................................................... 14
1.概述
1.1冲压工艺的基本现状及发展趋势
冲压是通过模具对板材施加压力或拉力,使板材塑性成形,或对板材施加剪切力而使板材分离,从而获得一定尺寸、形状和性能的一种零件加工方法。由于冲压加工经常在板材冷状态下进行,因而也称冷冲压。冲压加工的原材料一般为板材或带材,故也称板材冲压。冲压件的生产过程一般都是从原材料剪切下料开始,经过各种冲压工序和其他必要的辅助工序加工出图纸所要求的零件,对于某些组合冲压或精度要求较高的冲压件,还需要经过切削,焊接或铆接等工序,才能完成。
随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展,冲压技术及模具不断革新和发展。冲压技术的发展主要反映在以下几个方面:(1)模具的计算机辅助设计和辅助制造技术(模具CAD/CAM),采用该技术,模具设计和制造效率可以提高,模具生产周期可以缩短。目前,已达到CAD/CAM一体化,模具图纸只是作为检验模具之用。(2)工艺分析中的板料成形模拟仿真技术(冲压CAE),对于复杂的曲面成形,近几年来,国内外已采用弹塑性有限元法,开发出板料成形过程的模拟软件,以预测某一工艺方案对零件成型的可行性和可能发生的质量问题,这一虚拟成型技术,即冲压CAE。(3)快速模具制造技术的发展,将快速成型(RPM)技术与各种常规的铸造、粉末烧结工艺相结合而发展起来的快速模具制造技术,可用于冷冲压成型。(4)采用冲压新工艺,精密冲裁、液压成型、冲压—焊接复合技术等特种工艺的采用使冲压工艺的应用范围进一步扩大。(5)冲压生产的机械化和自动化(6)逆向工程技术(Reverse Engineering,RE),是使用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型过程。
1.2课程设计的目的及意义
(1)综合运用和巩固冲压工艺等课程及有关课程的基础理论及专业知识,培养学生从事冲压工艺设计的初步能力,为后续毕业设计和实际工作打下良好的基础。
(2)培养学生分析问题和解决问题的能力。经过实习环节,学生能全面理解和掌握冲压工艺等内容;掌握冲压工艺与模具设计的基本方法和步骤、模具零件的常用加工方法及工艺制定;独立解决在制定冲压工艺规程中出现的问题;培养正确的设计思想、计算、分析问题和解决问题的能力。
(3)通过设计,学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术文献和资料等,培养工艺设计的基本技能。
(4)在冲压工艺设计中,培养学生认真负责、踏实细致的工作作风和严谨的科学态度,强化质量意识和时间观念,养成良好的职业习惯。
2.冲压工艺分析与生产方案的确定
2.1设计任务
Hop零件材料为铜,板料厚度2mm,零件三维图及CAD图如下:
设计具体内容及步骤如下: (1)零件的工艺性分析
根据设计题目的要求,分析冲压零件成形的结构工艺性,分析冲压件的形状特点、尺寸大小、精度要求及所用材料是否符合冲压工艺要求。如发现冲压零件工艺性差,则需对冲压零件产品提出修改意见,但要经产品设计者同意。 (2)生产方案的制定
在分析了冲压件的工艺性之后,通常可以列出几种不同的冲压工艺方案,从产品质量、生产效率、设备占用情况、模具制造难易程度和模具寿命高低、工艺成本、操作方便和安全程度等方面,进行综合分析、比较,然后确定适合于具体生产条件的最经济合理的工艺方案。根据所确定的工艺方案和冲压零件的形状特点、精度要求、生产批量、模具制造条件等选定冲压模具类型。
2.2冲压件工艺性分析
结构分析:零件结构简单、对称,t=2mm;
材料分析:材料为铜,软态,具有较高的弹性和良好的塑性,抗剪强度
τb=260MPa,退火状态下断面伸长率δ≥3.5,其冲裁加工性较好。
精度分析:零件图中未标注尺寸精度和位置精度,粗糙度也无要求,设计时一般按IT14级选取公差值。普通冲裁的冲孔精度一般在IT13级以下,所以精度满足要求。
根据以上分析,该零件的工艺性较好,可以冲裁加工。
2.3冲压生产方案的确定
确定工件的生产方案需要先对零件进行简单的分析。由工件简图可见,
该工
件的加工涉及到落料、拉深、冲孔三种工序内容。根据变形特点,对于带孔的拉深件,一般先拉深后冲孔。
底部为三个直径为Ф30mm的圆孔。材料具有较好的伸长率,可以通过冲孔方式成形。此外,产品批量大,尺寸及精度要求不高。零件的拐角处均有圆角过渡,易于冲压成形,另外零件有两段凹坑,可暂定阶梯拉深、二次拉深和拉深加胀形的方法,零件没有凸缘,且拉深的深度比较浅,也无需修边余量。
因为材料为铜,其伸长率δ=13%,根据公式δmax=算,其中(0.7-0.75)δ=0.725x0.13=0.094。 在长度方向,胀形前的轮廓线长度l0=224mm;
胀形后的轮廓线长度l=224+(37-19)=242mm;经计算,εp=
242-224
=0.080
224
l-l0
在宽度方向,胀形前的轮廓线长度l0=124mm;
胀形后的轮廓线长度l=124+(37-19)=142mm;经计算,142-124εp==0.145>0.094,所以在宽度方向不可以采用胀形工艺。
124
综上所述,成形该零件时不能够使用胀形工艺。
工艺方案:
该零件包括落料、拉深和冲孔三个基本工序,可采用的冲裁方案有以下几种种:
方案一:落料独立完成,拉深进行两次,然后一次完成三个冲孔; 方案二:落料独立完成,阶梯拉深复合进行,然后一次完成三个冲孔; 方案三:落料与冲孔复合进行,阶梯拉深;
方案四:落料与阶梯拉深复合进行,冲孔独立进行。 分析上述几种方案,方案三将冲孔工艺放在首位,对后期的拉深造成了一定影响;方案四有较多的单工序,生产率低;方案一与方案二相对较为合理,但考虑到零件一次拉深可能将会产生破裂或起皱,则需要校核工件是否能够一次拉深成形。
判断零件是否能一次拉出,仅需比较实际所需的总拉深系数和第一次允许的极限拉深系数的大小即可。若拉深该工件的实际变形程度比第一次容许的极限变形程度要小,则工件可以一次拉成。否则需要多次拉深才能成形零件。
壁部呈台阶的阶梯件,其变形特点圆筒件拉伸基本相同。但由于这类工件的多样性或复杂性,现在不能统一的方法确定拉深工序次数。由于此类工件高度较小,阶梯数较少,所以采用求出工件的总高与最小直径之比值H/dn(相对高度值),若不超过带凸缘圆筒形件第一次拉深的相对高度值则可一次拉伸成形,对于不带凸缘的阶梯形件,可按照表《冲压工艺与模具设计》表5-14中dF/α≤1.1一行值确定。首次拉深极限高度:h/d1=28/171.84=0.16,而:
H/dn=37/124=0.3≥0.16,故而不能一次拉深成形。拉深的次数取决于阶梯数目,所以,工件的拉深工序由两次拉深成形。
综上多方面考虑,方案一相对于其他方案最为合理。
3.冲孔模具设计与计算
3.1确定模具简图
Hop冲孔工序需要冲三个直径为的孔,由于零件为底部有孔拉深件,且孔边距侧壁的距离较大,所以应采用拉深件口部向下的冲孔模。利用凹模外形定位,可缩短凸模长度,提高其强度、刚性及稳定性,大大提高模具寿命。因此初步确定冲孔工序的模具结构形式,并绘制模具简图如下:
3.2冲裁力及压力中心的确定 3.2.1冲裁力的计算
普通平刃凸模冲裁时,冲裁力F一般按下式计算:
F=kLtτ
式中 F——冲裁力(N);
L——冲裁件周长(mm); t——材料厚度(mm);
τ——材料抗剪强度(Mpa);
k——安全系数。
安全系数k是考虑到实际冲压生产中,凸、凹模刃口钝化、间隙不均、材料力学性能和厚度的波动等因素的影响而给出的修正系数,一般取k=1.3。
冲裁件的周长L=3πD=3⨯3.14⨯30=282.6mm 抗剪强度τ=260Mpa 因此,该冲件的冲孔力为:
F孔=1.3⨯282.6⨯2⨯260=191037.6N
推件力
FT=nKTF
式中 KT——推件力系数
n为同时堵塞在凹模洞口内的废料数量,n=h,其中h为凹模洞口的直壁高度,t为材料厚度
根据材料厚度,设计时取凹模洞口直壁高度h=6mm,n=6/2=3 查《冷冲模具设计与应用实例》表1-26得:推件力力系数取 则推件力
FT=3⨯0.06⨯191037.6=34386.77N
压力机采用固定装置和下出件方式冲裁,所以压力机公称压力
FZ=F+FT=191037.6+34386.77=225424.37N
3.2.2压力中心的确定
根据冲模压力中心设计原则,由于此零件工件形状相同且分布位置对称,所以冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。
3.2.2选用压力机
查《冲压手册》表9-3选用压力机的主要参数为:
公称压力:250kN 滑块行程:80mm 垫板厚度:50mm
闭合高度调节量:70mm 滑块中心到床身距离:190mm
模柄孔尺寸:φ50⨯70mm
工作台尺寸:360⨯560mm 垫板厚度:50mm
3.3冲裁间隙
冲裁间隙的计算通常有公式法与经验法两种。考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损,生产中通常是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,就能冲出良好的零件,即采用经验法查表得出间隙。
Hop零件设计的材料为铜,零件板料厚度为2mm查《冷冲压模具设计与制造》1表2.12可得冲孔模的始用间隙,即可选定冲裁间隙值Z=1.1。
3.4凸、凹模工作部分尺寸计算
冲裁件的尺寸精度取决于凸、凹模刃口部分的尺寸。冲裁的合理间隙也要靠凸、凹模刃口部分的尺寸来实现和保证。 ①凸模刃口尺寸的计算
式中,dp——冲孔凸模的刃口尺寸 x——磨损系数
p——凸模的制造公差 d——冲孔件内径的基本尺寸 △——工件的制造公差
零件尺寸无特殊要求公差等级取IT14级,查《互换性与检测》表得零件的公差△=0.62mm。再查《冷冲压模具设计与制造》表2.17知磨损系数x=0.5。为
p
dp=(d+x△)-δ
保证间隙值,凸模制造公差则
②凹模刃口尺寸的计算
δp=0.4(Zmax-Zmin)=0.4(0.18-0.14)=0.016mm
-0.016
φ30.62(30+⨯0.5)-0凸=0.016
+δd
=mm30.31
dd=(d+x△+Zmin)0
式中d——凹模的制造公差,
δd=0.6(Zmax-Zmin)=0.6(0.18-0.14)=0.024mm
+0.024
+0.024
=30.450mm
则
3.5模具零件外形尺寸计算 3.5.1凹模的外形尺寸
由于在此零件中,冲孔工序在整个冲压过程的最后一步,因此需要根据零
φ30凹=(30+0.5⨯0.62+0.14)0
件的轮廓尺寸和板料厚度,按照下列经验公式概略地计算凹模的外形尺寸
凹模厚度
h=kb(h≥15mm)
式中 k——系数;
b——冲裁件最大孔口尺寸(mm)。
查《冲压手册》表2-40,k=0.42,所以h=0.42⨯30=12.6mm
3.5.2凸模的选用与设计 凸模的长度公式:式中
L=h1+h2+h3+l
L———凸模长度(mm);
h1———凸模固定板高度(mm);h2———卸料板高度(mm);h3———导料板高度(mm);l———附加长度(mm);
它包括凸模的修磨量(10~15mm),凸模进入凹模的深度
(0.5~1mm),凸模固定板的安全距离(15~20mm)等。
8)H因为 t1=(0.6~0.
由前面选取的标准件,取
t1=15mm,t2=17mm,t3=0
附加长度l取为42mm,因此L=h1+h2+h3+l=15+17+42=74mm
根据计算过的凸模刃口尺寸,查《中国模具设计大典》表22.5-2.设计凸模如
图3.5.2所示:
凸模强度----压应力校核:
P孔≤⎡⎣σ压⎤⎦Amin校核公式为
式中P孔——冲孔冲裁力(N);
Amin——凸模最小断面积(mm2);
⎡⎣σ压⎤⎦——凸模材料的许用应力(Mpa)。
222A=πR=3.14⨯15=706.6mmmin凸模最小断面积
⎡σ⎤=1000~1600)Mpa,取⎡⎣σ压⎤⎦=1200Mpa凸模材料使用Cr12,查《冲压手册》,⎣压⎦(
Amin=πR2=3.14⨯152=706.6mm2
P孔191037.6==270.M36pa≤σ压⎤⎡⎣⎦A706.6min因此 ,凸模强度满足要求。
3.6其他零部件的设计
3.6.1定位装置
零件采用手工送料的方式,由于冲孔工序在整个设计过程的最后一步,凹模轮廓大致为零件形状,因此零件的定位由凹模从内撑住零件定位。
凹模的定位则通过圆柱销定位。圆柱销查手册,选取标准件如下:
3.6.2导向装置
导向零件有许多,如用导板导向则在模具上安装不便,而且阻挡操作者的视线,所以不采用;若用钢珠式导柱导套进行导向,则虽然导向精度高,寿命长,但结构比较复杂;针对这次加工产品精度不高,采用滑动式导柱导套进行导向即可。而且模具在压力机上的安装比较简单,操作方便,另可降低成本。
3.6.3模柄的选择
模柄的选择需要根据压力机模柄孔的大小进行选择,由前可知,模柄孔尺寸为:φ50⨯70,查《中国模具设计大典》表22.7-38,选择模柄如图3.6.3所示。
3.6.3选取模架
本模具选用适合于单个半成品件冲裁的中间导柱标准模架。这种模架的导柱安装在模具中心对称位置,冲压时可防止由于偏心力矩而引起的模具偏斜,并且便于在卸料板上安装导套。定位板对冲压件起定位作用。弹性卸料板上有与凸模相配合的导向孔,并在卸料板两侧装有两导套与导柱配合,因此该卸料板除了有卸料作用外,在冲孔时还起到压件和对凸模的保护作用。冲出的废料可通过凹模的内孔从冲床台面孔漏下。
由前凹模尺寸的计算可知,粗略得出凹模的周界尺寸:L⨯B=220⨯120mm 因此选择:上模座 250⨯125⨯40 GB/T 2855.9
下模座 250⨯125⨯45 GB/T 2855.10
闭合高度最小160mm,最大200mm
导柱 28⨯150 GB/T 2861.1
导套 28⨯100⨯38 GB/T 2861.6
3.7模具总体设计
模具装配图组成:1.上模座 2.卸料螺钉 3.垫板 4.凸模固定板 5.模柄 6.内六角螺钉M20×45 7.下模座 8.导柱 9.导套 10.内六角螺钉M10×80 11.凸模 12.卸料板
13.圆柱销 14.凹模
总结
通过这次的课程设计,综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冲压模具设计工作的实际训练,从而培养和提高了学生的独立工作能力,巩固了冲压课程所学的内容,掌握了冷冲压模具设计的方法和步骤。作为成型专业大三的学生,我觉得能做这样的课程设计是十分有意义的,在已经经历的大学学习中,我们大多数接触的是专业基础课,在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面,冲压工艺课程设计为我们提供了良好的实践平台。同时在设计过程中,体现出了自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力,从中发现了自己平时学习的不足和薄弱环节,从而能够加以弥补。
参考文献
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[2] 郑展.冷冲模具设计与应用实例.机械工业出版社,2012.3
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[5] 王孝培.冲压手册.机械工业出版社,1990.11
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