冲压模具毕业设计说明书要点.pdf
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1、冲压模具毕业设计说明书 1 绪论 1.1 概述 冲压 成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法,用以生产各种板料零件, 具有很多独特 的优势,其成形件具有自重轻、刚度大、强度高、互换性好、成本低、生产过程便于实现机 械自动化及生产效率高等优点,是一种其它加工方法所不能相比和不可替代的先进制造技 术,在制造业中具有很强的竞争力,被广泛应用于汽车、能源、机械、信息、航空航天、国 防工业和日常生活的生产之中。 在吸收了力学、数学、金属材料学、机械科学以及控制、计算机技术等方面的知识后,已经 形成了冲压学科的成形基本理论。以冲压产品为龙头,以模具为中心, 结合现代先进技术的 应用, 在产品的巨大市场需
2、求刺激和推动下,冲压成形技术在国民经济发展、实现现代化和 提高人民生活水平方面发挥着越来越重要的作用。 1.2 冲压技术的进步 进几十年来, 冲压技术有了飞速的发展,它不仅表现在许多新工艺与新技术在生产的广泛应 用上,如:旋压成形、软模具成形、高能率成形等,更重要的是人们对冲压技术的认识与掌 握的程度有了质的飞跃1 。 现代冲压生产是一种大规模继续作业的制造方式,由于高新技术的参与和介入,冲压生产方 式由初期的手工操作逐步进化为集成制造(图1-1)。生产过程逐步实现机械化、自动化、 并且正在向智能化、集成化的方向发展。实现自动化冲压作业,体现安全、高效、节材等优 点,已经是冲压生产的发展方向。
3、 图 1-1 冲压作业方式的进化 冲压自动化生产的实现使冲压制造的概念有了本质的飞跃。结合现代技术信息系统和现代化 管理信息系统的成果, 由这三方面组合又形成现代冲压新的生产模式计算机集成制造系统 CIMS (Computer Integrated Manufacturing System)。把产品概念形成、设计、开发、生 产、销售、 售后服务全过程通过计算机等技术融为一体,将会给冲压制造业带来更好的经济 效益,使现代冲压技术水平提高到一个新的高度。 1.3 模具的发展与现状 模具是工业生产中的基础工艺装备,是一种高附加值的高技术密集型产品,也是高新技术产 业的重要领域, 其技术水平的高低已成
4、为衡量一个国家制造水平的重要标志。随着国民经济 总量和工业产品技术的不断发展,各行各业对模具的需求量越来越大,技术要求也越来越高。 目前我国模具工业的发展步伐日益加快,“十一五期间”产品发展重点主要应表现在 2: (1)汽车覆盖件模; (2)精密冲模; (3)大型及精密塑料模; (4)主要模具标准件; (5)其它高技术含量的模具。 目前我国模具年生产总量虽然已位居世界第三,其中,冲压模占模具总量的40% 以上 2 ,但 在整个模具设计制造水平和标准化程度上,与德国、 美国、 日本等发达国家相比还存在相当 大的差距。 以大型覆盖件冲模为代表,我国已能生产部分轿车覆盖件模具。轿车覆盖件模具 设计和
5、制造难度大,质量和精度要求高,代表覆盖件模具的水平。在设计制造方法、手段上 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,在轿车模具国产化进程中前进 了一大步。但在制造质量、精度、制造周期和成本方面,以国外相比还存在一定的差距。标 志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具,是我国重点发展的精密模具品种,在制 造精度、使用寿命、模具结构和功能上,与国外多工位级进模和多功能模具相比,存在一定 差距 2-3 。 1.4 模具 CAD/CAE/CAM 技术 冲压技术的进步首先通过模具技术的进步来体现出来。对冲模技术性能的研究已经成为发展 冲压成形技术的中心和关键。 20 世纪 60 年代初
6、期, 国外飞机、 汽车制造公司开始研究计算机在模具设计与制造中的应用。 通过以计算机为主要技术手段,以数学模型为中心,采用人机互相结合、各尽所长的方式, 把模具的设计、分析、计算、制造、检验、生产过程连成一个有机整体,使模具技术进入到 综合应用计算机进行设计、制造的新阶段。模具的高精度、高寿命、高效率成为模具技术进 步的特征。 模具 CAD/CAE/CAM 是改造传统模具生产方式的关键技术,是一项高科技、 高效益的系统工程。 它以计算机软件的形式,为企业提供一种有效的辅助工具,使工程技术人员借助于计算机对 产品性能、 模具结构、 成形工艺、 数控加工及生产管理进行设计和优化 4 。模具 CAD
7、/CAE/CAM 技术能显著缩短模具设计与制造周期,降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。 模具 CAD/CAE/CAM 在近 20 年中经历了从简单到复杂,从试点到普及的过程。进入本世纪以 来,模具CAD/CAE/CAM 技术发展速度更快,应用范围更广。 在级进模CAD/CAE/CAM 发展应用方面, 本世纪初, 美国 UGS 公司与我国华中科技大学合作在 UG-II (现为 NX )软件平台上开发出基于三维几何模型的级进模CAD/CAM 软件 NX-PDW 。该软 件包括工程初始化、工艺预定义、毛坯展开、毛坯排样、废料设计、条料排样、压力计算和 模具结构设计等模块。具有特征识别与重
8、构、全三维结构关联等显著特色,已在2003 年作 为商品化产品投入市场。与此同时,新加波、马来西亚、印度及我国台湾、香港有关机构和 公司也在开发和试用新一代级进模CAD/CAM 系统。 我国从上世纪90 年代开始,华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学和北京机电研究 院等相继开展了级进模CAD/CAM 系统的研究和开发。 如华中科技大学模具技术国家重点实验 室在 AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM 系统 HMJC ,包括板金零件特征 造型、 基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、 标准件及典型结构建库工具和线切割自动 编程 5 个模块。 上海交通大学为瑞士法因托(F
9、inetool)精冲公司开发成功精密冲裁级进模 CAC/CAM 系统。西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等。近年来,国内一些软件 公司也竞相加入了级进模CAD/CAM 系统的开发行列, 如深圳雅明软件制作室开发的级进模系 统 CmCAD 、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统 Fox-CAD等 4 。 展望国内外模具CAD/CAE/CAM 技术的发展,本世纪的科学技术正处于日新月异的变革之中, 通过与计算机技术的紧密结合,人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及 关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快,学科领域交叉之广前所未见。今后10 年新一代模具CAD
10、/CAE/CAM 系统必然是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的 制造方法相结合的产物,其特点将反映在专业化、网络化、集成化、智能化四个方面。主要 表现在 4 : (1)模具 CAD/CAM 的专业化程度不断提高; (2)基于网络的CAD/CAE/CAM 一体化系统结构初见端倪; (3)模具 CAD/CAE/CAM 的智能化引人注目; (4)与先进制造技术的结合日益紧密。 1.5 课题的主要特点及意义 该课题主要针对电器开关过电片零件,在对过电片冲孔、 落料和压弯等成形工艺分析的基础 上,提出了该零件采用多工位级进模的冲压方案;根据零件的形状、尺寸精度要求,设计过 程中综合考虑采用“
11、双列直对排法”排样,成形侧刃定位, 保证工件的尺寸和形状位置精度 要求的同时,提高了材料的利用率和劳动生产率。 本课题涉及的知识面广,综合性较强, 在巩固大学所学知识的同时,对于提高设计者的创新 能力、协调能力,开阔设计思路等方面为作者提供了一个良好的平台。 2 冲压工艺方案的制定 图 2-1 零件图 该零件为某电器开关过电片,是一家电器 生产企业产品中的一个主要零件,如图 2-1 所示 ,其作用是通过开关扳手的运动由过电片让电流通或断。该零件生产属于大批量生 产,零件结构紧凑,冲裁壁厚很小(最小处为0.75mm ),成形过程相互干涉,在复合模中 难于实现; 若用简单的落料、冲孔、弯曲模等单工
12、序模也可达到冲压要求,这样模具虽然简 单了, 但是冲压所用的设备和人员较多,冲压工序中的定位也较麻烦,加上零件较小, 装料 时易产生不安全的现象,而且工序较多效率较低故不被推广。为减少零件在生产中的多次定 位对其精度和生产率的影响,一要产品批量较大,对零件的一致性要求较高,二是具有H68 良好的弯曲和冲裁性能,经过反复比较,适宜采用较为复杂的多工位级进模制造。 2.1 工艺分析 本电器开关过电片从总体上看是一个带双孔的“”形弯曲件,该零件需要控制的尺寸 有,分别为公差等级IT11,IT12 级,其 余尺寸均为未注公差,可以按IT12 级取公差。该零件材料为H68普通黄铜,料厚为0.5mm ,
13、因而从尺寸精度和材料方 面分析比较适合用冲压加工。经计算得零件 毛坯展开尺寸,如图2-2 所示,最长处为 22.86mm ,最宽处为6.8mm,属于小型冲压 件。由于“”形弯曲件两直边折弯方 向相反,故弯曲模必须有两个方向的弯曲动 作。现改为“”形弯曲件,它是 “”形件的成对弯曲,然后再切断为二个“”形件,这样使两边的弯曲力相互平 衡,同时也减少了弯曲时的毛坯移动。 2.2 排样图设计 排样图是多工位级进模设计的关键,它具体反映了零件在整个冲压成形过程中,毛坯外形在 条料上的截取方式及与相邻毛坯的关系,而且对材料的利用率、冲压加工的工艺性以及模具 的结构和寿命等有着显著的影响5 该过电片零件形
14、状一头大一头小,若采用单列排样则 材料的利用率较低,故采用双列排样;又为了减少制件在冲压时的移动和抵消弯曲力, 综合考虑采用 “双列直对排法 ”,由于制件较小, 采用 “双列直对排法 ”排样的模具体 积也不会很大, 同时按 “双列直对排法 ”排样为 “一模四件 ”生产,大大提高了生产效 材料: H68普通黄铜料厚: 0.5mm 图 2-2 零件展开图 率,因此这样的排样比较科学合理。查文献 6 表 2-13 取搭边值a=1.2mm ,冲切外形时工 件间的搭边连接最小宽度取1.8mm 。故应针对零件和零件展开后的工艺特点,并综合考虑工 艺分析各个因素后,设计合理的排样图及具体工位安排。 故:条料
15、宽度b=22.86mm 2 + 1.2mm 2 + 1.8mm =49.92mm ,取 b=50mm ; 冲压进距 h=6.8mm + 5mm + 1.2mm 2 =14.2mm 毛坯排样图如图2-3 所示: 根据以上分析,冲压如图2-1 所示的零件的级 进模分为四个工位。 第一工位:定距冲外形; 第二工位:冲圆孔和腰形孔; 第三工位:“”形弯曲,由导正销在圆孔 中定位; 第四工位:切断“”形件,分离得四个 “”形制件。 计算材料的利用率,一个进距内的冲裁面积A: A=92.5mm 2+19.6mm24+15.9mm24+51.8 mm2=286.3 mm2 其中, A包括一个进距内冲出的小孔
16、面积142mm 故一个进距的材料利用率为: =59.7% 若冲出的小孔材料可以加以利用,则由本排样方案计算一个进距的材料利用率为: 3 模具总体结构设计 模具总体结构如图3-1 所示, 该模具采用后侧导柱模架,冲圆孔凸模19,冲腰形孔凸模18, 切断凸模15,切边凸模20,压弯凸模(成形侧刃)16,导正销 29 分别和凸模固定板5 采用 压入式装配, 用圆柱销23 在上模座上定位,与垫板 4 一起固定在上模座上;凹模 11 采用整 体加工而成,为了便于制造、试模和维修,压弯凹模镶块17 两件采用镶拼结构,嵌入冲裁 凹模槽孔内, 并用螺钉加以固定;条料送进步距由成形侧刃定位控制,制件弯曲由导正削
17、精 定位, 所有凸模卸料由弹性卸料板7完成, 冲孔、 切边和切断废料由凹模下面的漏料孔逐步 排出,制件从料头分离,由模具终端沿凹模斜面自动落下。 3.1 条料定位装置 图 2-3 排样图 由于侧刃定距方式使冲压时材料送进准确可靠,但增加了材料的消耗,也使模具的制造维修 趋于复杂。 侧刃的成形冲切即发挥了侧刃定距的优点,又使得有搭边排样的有废料冲压变为 无废料、少废料冲压。 成形侧刃冲压是将拟选用的侧刃与工件某部分的冲裁结合,利用冲切出条 (带) 料的缺口代 替普通侧刃的切边缺口实现送料限位定距,省去普通侧刃冲切后仍需留出落料冲切的搭边, 实现少无废料排样的冲裁 7 。资料表明:在级进模上使用成
18、形侧刃与使用普通侧刃相比,不 仅可以节省冲压材料6%-10% ,成本降低2%-6% ,而且可以使连续冲压保持较高的劳动生产率 的同时,保证工件具有较高的尺寸和形状位置精度。 图 3-1 模具结构示意图 1- 模柄 2- 上模板 3- 圆柱头内六角卸料螺钉 4- 垫板 5- 凸模固定板 6- 弹簧7- 卸料板 8- 导套9- 导柱 10- 下模板 11- 凹模12- 垫板 13- 内六角圆柱头螺钉14- 圆柱 销 15- 切断凸模16-压弯凸模17-凹模镶块18-冲腰形孔凸模19- 冲圆孔凸模 20- 切边凸模(成形侧刃) 21- 开槽圆柱头螺钉22- 承料板23- 圆柱销 24-内六角圆柱头
19、螺钉 25- 圆柱销 26- 圆柱销 27- 开槽沉头螺钉28-导料板 29- 导正销 30- 开槽沉头螺 钉 31- 螺塞 32- 弹簧 本设计在送料前进方向的两侧采用双成形侧刃定距,如图 2-3 所示,即为使用成形侧刃的排 样图, 侧刃长度稍大于送料进距,以便导正销伸入预冲孔时导料略后退。成形侧刃尺寸按式 (3-1 )计算: L=h+( 0.05 0.10 )(3-1 ) 式中, L成形侧刃断面沿送料方向的长度(mm ),这里; h步距( mm ) 精确定位由导正销29 与条料上的导正孔5 来实现,该模具装有2 件导正销,结构形式如 图 3-1 所示,条料宽度方向由左、右导料板28 导向,
20、承料板22 承料。 3.2 出料装置 采用弹性卸料板7 卸料,弹性卸料板由弹簧6 产生的弹性实现卸料,并穿过卸料螺钉3杆部 安装在凸模固定板与卸料板之间。导正销与导正孔之间存在一定的间隙,一般可以避免导正 销卡在导正孔内,若为了防止导正销卡在导正孔内,可以采用在局部设计卸料块与弹簧,靠 弹簧产生的弹性实现卸料。冲孔、 切边废料和切断废料由凹模下方的漏料孔逐步排出,制件 由模具终端沿斜面自动落下。 3.3 模具结构特点 采用双成形侧刃对称布置,切边定距,冲出工件部分外形,充分利用料头和料尾。为了便于 送料,在冲切外形时工件之间留有一定的搭边连接,在冲弯后再切去,工件成形后由凹模 11 终端的斜面
21、滑出。 3.4 模具工作过程 将裁剪好的宽度为50mm 的条料放在下模上,并依靠成形侧刃定位。 第一步:上模下行卸料板在弹簧作用下压住坯料,切边凸、凹模完成切废料工序; 第二步:上模上行条料靠手动向前送一步,上模下行冲孔凸、凹模完成冲孔工序,废料从下 模的下漏料孔排出; 第三步:上模上行条料靠手动向前送一步,上模下行由导正销精确定位,弯曲凸、凹模完成 弯曲工序; 第四步:上模上行条料靠手动继续向前送一步,上模下行由切断凸、凹模完成切断工序,废 料从下模的下漏料孔排出,同时有四个制件从模具终端落下,完成整个冲压过程。 4 模具零件的设计与计算 4.1 凸、凹模刃口尺寸的计算 4.1.1 凸、凹模
22、间隙的选择 凸、凹模间隙值的大小对冲压制件质量、模具寿命、冲压力的影响很大,是冲压工艺与模具 设计中的一个极其重要的工艺参数。根据零件材料及料厚,查文献8 表 2-10,确定冲裁刃 口始用双面间隙值:Zmin=0.025 mm , Zmax=0.045 mm 。至于压弯时凸模与凹模之间的间隙, 按材料的性能、 厚度以及弯曲件的高度和宽度(弯曲线的长度), 取单边间隙C= ( 1.0 1.1 ) t ,这里取C=0.5 mm 。另外,设计中考虑在合模时使毛坯完全压靠,以保证弯曲件的质量和 尺寸精度。 4.1.2 凸、凹模刃口尺寸计算 冲压制件的尺寸精度主要决定于模具刃口的尺寸精度,合理间隙的数值
23、也必须靠模具的刃 口尺寸来保证。因此,正确确定模具刃口尺寸极其公差,是设计冲模的主要任务之一。 (1)切边凸、凹模刃口尺寸计算 由于该零件切边形状比较复杂,且为薄材料,为了保证凸、凹模之间的间隙值,拟采用凸、 凹模配合加工的方法。先做凸模,然后配做凹模,具体可采用 成形磨削加工刃口。 根据零件切边形状,如图4-1 所示,其中未标注公差的尺寸, 按 IT12 级取公差。凸模磨损后尺寸变小的记为A类,有 A1=, A2=, A3=, A4=,A5= 尺寸变大的记为B类,有 B1=, B2=,B3= 对于 A类尺寸: 查文献 6 表 2-11 得:磨损系数x1=0.75, x2=1, x3=0.75
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