体重秤上面板冲压工艺与模具设计.docx

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体重秤上面板冲压工艺与模具设计

1前言

1.1课题提出背景

在全世界的钢材中，有60%～70%是板材，其中大部分是需要经过冲压制成成品。

汽车的车身、底盘、油箱、散热器片，锅炉的汽包、容器的壳体、电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。

仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。

冲压工艺已成为现代生产工艺中不可或缺的一步。

所谓冲压就是依靠压力机以及模具对板材、带材、管材和型材等施加力的作用，使其产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的冲压件的一种成形加工方法。

中国历来就是一个生产大国，从1953年长春第一汽车制造厂在中国首次建立了冲模车间，在走过漫长的发展道路之后，目前我国已形成了300多亿元各类冲压模具的生产能力。

同时许多研究机构和大专院校也开展对模具技术的研究和开发，并在模具CAD/CAE/CAM技术方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。

虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。

我国技术含量低的模具已供过于求，市场利润空间狭小；而技术含量较高的中、高档模具还远不能适应经济发展的需要，精密、复杂的冲压模具等高档模具仍有很大发展空间。

1.2现状及前景

体重秤是现代人生活中不可缺少的物件，其简单实用，物美价廉。

尤其是近几年，人们对自己的形象以及对美和健康的关注日益增强，使得在人们家中几乎是每家都有一部体重秤。

现在的体重秤新产品除了能称量体重外，还可以检测自己的脂肪含量，而且还有一些人性化的附属功能。

体重秤的主要用途是能够准确的称量人体的体重，并且通过每日称量的体重变化，反应某段时间的体重控制情况，以掌握全家人的体重情况，保证全家人的健康。

体重秤按组成部件分，可以分为机械式和电子式。

随着电子技术在人们生活中应用的日益增多，电子式体重秤也早已被人们所熟练使用，但是机械式体重秤以其抗干扰能力强，以及结构简单等优点也一直被人们所使用。

机械式体重秤主要由上、下面板，支架，连杆，刻度盘，指针等几部分组成。

本设计的研究对象是体重秤的上面板，在现在的成型工艺中，各大厂家主要选择的是冲压工艺，不过却分为拉深和折弯两大类。

所谓冲压[1-4]就是依靠压力机以及模具对板材、带材、管材和型材等施加力的作用，使其产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的冲压件的一种成形加工方法。

冲压是高效的生产方法，采用复合模，尤其是多工位级进模，可在一台压力机上完成多道冲压工序，实现由带料开卷、矫平、冲裁到成形、精整的自动化生产。

生产效率高，一般每分钟可生产数百件，被广泛用于产品的大批量生产中。

近年来，在机械产品设计制造的行业中，冲压技术已被广泛采用，并取得了很好的成效，伴随着CAD、Pro/E等绘图软件的使用，使冲压工艺得到进一步的开拓，与其他机械产品制造方法相比，冲压工艺有着生产效率高，劳动条件好，生产成本低，自动化程度高等优点，虽然在冲压过程中还存在着其他弊端，诸如：

模具寿命短、模具设计及生产周期长等缺点，但从总体来说是利大于弊。

并且随着我国模具工业的不断发展，我国的冲压技术必将会得到前所未有的发展。

1.3设计的目的及意义

随着我国与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，冲压工艺凭借其生产效率高，劳动条件好，生产成本低，自动化程度高等优势，已得到人们的日益重视。

体重秤上面板冲压工艺与模具设计目的和意义是根据产品样品进行测绘，并进一步分析零件的重压工艺性能，设计最佳的冲压方案，并绘出其所需要的模具图。

该体重秤上面板虽然看似简单，但其生产工艺却一应俱全，这对我是一个非常好的锻炼，通过此次设计要达成一下目的：

（1）掌握冲压工艺的制定过程，并对冲压工艺制定做全面的了解，为日后走向工作岗位做准备；

（2）掌握模具设计中刃口的计算与强度校核的方法，以及对模具结构进行合理性分析的方法；

（3）通过此次体重秤上面板的模具设计，了解模具的加工过程，并了解模具零件的制造精度；

（4）在此次设计中，仔细体会模具设计中的严谨，要严格按照国家标准来表示自己的设计思路和方案。

2工艺方案的确定

根据生产条件以及冲压件的技术要求来确定冲压工艺方案，并对该件的所有工序进行合理的安排，选择出一种技术上可行、经济上合理的工艺方案。

确定冲压工艺过程需要考虑多方面的问题，其主要内容有：

（1）对该冲压件进行工艺分析；

（2）通过方案分析比较，确定最佳工艺方案；

（3）设计并确定模具的结构形式；

（4）合理选择冲压设备。

（5）此次设计成品的生产模式：

大批量生产，压力设备种类及型号不受限制。

（6）技术要求：

详见零件图纸。

该工件尺寸精度不高，表面略有弧度，且在表面上有一个深为2mm的凹面，凹面上有3对不同长短的加强筋，和7个不规则的孔及2个

5的圆孔。

另外，该件的边缘整齐，这需要在拉深之后进行切边工序。

在进行工艺方案分析之前，首先要考虑解决好工艺与模具设计中的几个重要问题：

（1）拉深应进行两次，形成一个凹面；

（2）拉深模的制造精度和导向精度应能适应工件厚度，以及模具易摸索的特点；

（3）注意该工件表面的弧度；

（4）模具主要工作部分的强度和耐磨性应适应冲压材料强度的特点；

（5）模具设计要从功能性、实用性、经济性以及模具寿命等方面考虑。

2.1对冲压件的工艺性分析

该工件是机械式体重秤的上面板，材料厚度为1mm，其主要作用是能承载人体的重量，避免体重秤因重量过大而造成变形，故在其表面有6根长短不一的加强筋，以加强其抗弯能力。

该工件的边缘也较为整齐，是通过切边工序来实现的，在切边时大概有以下几种方法[1-2]：

（1）工件静止，依次对各个边进行切边；

（2）工件旋转，依次对各个边进行切边；

（3）工件静止，一次性对四个边进行切边。

这三种方案中，第一种方案自动化程度低，且逐个进行切边，无疑增加了工作时间，生产效率较低；第二种方案的切边刃设计简单，但要增加一个旋转机构，来实现逐个边得切边操作，增加了该工件的生产成本；第三种方案切边刃的构造与第一种方案的相同，但通过一次性切边，大大减少了工作时间，提高了生产效率。

综上所述，决定采用第三种方案进行切边模设计。

2.2工艺方案的确定

2.2.1冲压工序和工序次数

（1）落料、拉深

（2）冲孔

（3）压加强筋、拉深凹面

（4）切边

2.2.2最佳方案的选择

根据以上工序，切边工序需要成为整个加工过程的最后一道工序。

该工件的加工工序有以下几种方案：

方案一：

（1）落料、拉深

（2）冲孔

（3）压加强筋、拉深凹面

（4）切边

方案二：

（1）落料、拉深

（2）冲孔

（3）压加强筋

（4）拉深凹面

（5）切边

方案三：

（1）落料

（2）冲孔、压加强筋

（3）拉深、拉深凹面

（4）切边

方案分析与选择：

方案一和方案二相比较，方案一的工序较少，可以减少模具的数量，从而减少成本；方案一和方案三相比较，方案一可以避免孔类因拉深而产生变形。

故方案一最佳，选择方案一，即所确定的工艺方案如下：

（1）落料、拉深

（2）冲孔

（3）压加强筋、拉深凹面

（4）切边

其加工工序图[5-7]如下：

图1冲压成形过程

确定工艺方案之后，就可以进行各个工序中模具结构的计算与设计，模具材料的选用，冲压设备的选择等。

3落料、拉深复合模设计

压力机滑块在一次行程中，模具的同一工序上完成二个或二个以上的冲压工

序，称复合冲压，该模具称为复合模。

落料、拉深复合模是日常生产中用的较多的一种形式，采用落料拉深复合模可以得到高精度、高质量的拉深件。

但是在拉深过程中需要注意凹凸模之间的间隙大小，否则会出现拉裂等缺陷。

3.1毛坯尺寸的计算

在进行模具设计之前，要首先对零件的尺寸进行估算、选材，保证模具的设计与零件加工的顺利进行。

3.1.1毛坯尺寸计算

根据图1零件图给定的尺寸，下面对零件的尺寸进行计算。

根据面积不变原则[8-10]进行计算。

修边余量的计算：

（3.1）

系数选择为：

0.045

通过计算得到：

，故

。

展开长度的计算：

（3.2）

式中：

l——展开长度；

H——拉深件高度（含修边余量）；

rg——底部圆角半径。

通过计算得到：

圆角部分按1/4圆筒拉深计算：

（3.3）

式中：

R——半径；

H——拉深件高度（含修边余量）；

rg——底部圆角半径。

通过计算得到：

又由于该件表面有一弧度，会影响高度h的测量,使得h偏大，并且在最后的工序切边中还要产生一些余量，故在此毛坯尺寸圆整为：

300

288mm2。

圆角部分R=15mm.

3.1.2选材

在该工件的加工过程中，要根据实际的量程来选择合适的材料，一般情况下选用[11]45钢、Q235等型号的板材或钢带。

由于Q235的具有良好的延展性能，在此决定选择Q235钢带，其钢带宽度选择为300mm。

3.1.3排样

由上一步选材中得到，该设计的材料选择为宽度为300mm的Q235钢带，选择为单排排样，排样方式如图2所示。

图2排样

材料利用率是衡量排样经济性的标准，是工件的实际面积A0与板料面积A的比值，即

（3.4）

式中

——材料利用率；

——工件的实际面积，

；

——所有的材料面积，包括工件面积与废料面积。

工件的实际面积：

所有的材料面积：

材料利用率：

3.2模具结构设计

在设计模具结构时，应考虑以下两个基本原则：

（1）确保模具的寿命在满足工件的生产要求的情况下，尽量选择较大的凸、凹模间隙以提高模具的寿命，避免凸、凹模产生崩刃、折断等现象。

（2）确保产品的质量要求在保证工件的加工精度要求的情况下，尽量减小工件的反弹力，以获得满足精度要求的工件。

该件是属于一般的生活用品零件的加工，即其加工精度不高，可以适当选择较大的凸凹模间隙，以保证模具的寿命，降低生产成本。

在模具的凸凹模安装时可以适当的增加凸凹模的垫板，以避免上、下模座的过度磨损，保证该件的加工精度。

该件的模具在设计时要注意其凸凹模长度不要太长，过多的增加生产成本。

3.2.1凸、凹模配置

复合模根据凸凹模配置位置的不同，分倒装式和顺装式两种，凸凹模在下模的为倒装式，反之为顺装式。

该零件面积较小，加工的工件可人为取出，因此，该落料、拉深模可以选择顺装式结构。

3.3落料、拉深模的具体设计

3.3.1压力中心的确定

为了保证压力机和模具正常的工作，必须使模具的压力中心与压力机滑块中心线相重合。

否则，在冲压时会使冲模与压力机滑块歪斜，引起凸、凹模间不均和导向零件加速磨损，造成刃口和其它零件的损坏，甚至还会引起压力机导轨磨损，影响压力机精度。

本次加工的零件是矩件，压力中心即为零件的几何中心。

3.3.2凸、凹模间隙的确定

冲裁间隙是直接关系到冲件断面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗的重要参数。

所取冲裁间隙数值，应在保证冲件断面质量和尺寸的前提下，使模具寿命最长。

间隙的规定可按以下方法确定[12-13]：

硬材料：

t=1-3mmZ=（11%-17%）t（3.5）

得到：

Zmin=0.11mm，Zmax=0.17mm。

3.3.3凸、凹模工作部分尺寸及公差

对于该落料、拉深复合模来说,工作部分包括凸凹模，凸模，凹模三个零件。

在确定凸凹模的工作部分尺寸时要注意选择较大的间隙，否则会使凸凹模产生磨损、崩刃和折断的损坏。

考虑工件精度与模具精度间的关系，在选择模具刃口的制造公差时，既要保证刃口制造公差要求，有要保证合理的间隙数值，一般冲模精度较工件精度高2-3级。

a.尺寸计算：

1）落料：

按工件成形后精度为IT10级来计算尺寸，可得：

工件尺寸为：

L-△=2880-0.21mm;

则凸模尺寸：

L凸=（L-ⅹ△-2Cmin）-δ凸；

凹模尺寸：

L凹=（L-ⅹ△）+δ凹；

若零件没有标准公差，一般可按IT7-8精度制造模具。

由上述得落料模初始双面间隙Z（Z＝2C）有：

Zmin=0.11mm，Zmax=0.17mm。

为保证间隙，必须满足下列条件：

对落料尺寸288的凸凹模公差，有：

凸=0.035；

凹=0.050；

因为：

；不满足上述条件，则有：

（3.6）

（3.7）

即，

凸=0.024；

凹=0.036。

其磨损系数：

ⅹ=0.75；

2）拉深：

确定凹模圆角半径rd：

rd与毛坯厚度、零件的形状尺寸和拉深方法等有关，当工件直径d≥200mm时，rd可按以下公式确定：

（3.8）

即，rdmin=5.2mm。

确定凸模圆角半径rp：

一般可取rp=rd。

即，rp=5.2mm。

确定凸凹模间隙c：

决定间隙c时，不仅要考虑材质和板厚，还要考虑工件的尺寸精度和表面质量要求。

尺寸标注在外径的拉深件，以凹模为准，间隙取在凸模上，即减小凸模尺寸得到间隙。

不用压边圈拉深时，

（3.9）

式中tmax——材料最大厚度。

即，

。

3.3.4落料力的计算

落料时，工件或废料从凸模上取出的力叫卸料力，从凹模内将工件或废料顺着冲裁的方向推出的力叫推件力。

（1）落料力

可按以下公式进行计算：

（3.10）

式中

——材料厚度，mm；

——材料抗拉强度，MPa；

——冲裁周长，mm。

冲裁周长：

落料力：

（2）卸料力

式中：

K卸——卸料力系数，选：

K卸=0.04。

（3）推件力

式中：

K推——推料力系数；选：

K推=0.055；

n——同时梗塞在凹模内的零件数。

（4）考虑到模具刃口的磨损，凸、凹模间隙的波动，材料机械性能的变化，材料厚度偏差等因素，实际所需要的落料力还需要增加30%，即，

（3.11）

3.3.5拉深力的计算

方矩形件的拉伸力可按以下公式进行计算：

（3.12）

取

式中L——拉深件横断面的周长（按中径计算），mm；

t——材料厚度，mm；

——材料抗拉强度，MPa；

拉深件横断面的周长：

拉深力：

3.3.6压力机的选用及模具的闭合高度

目前压力机主要有液压机和机械压力机两种，由于机械压力机的行程次数比液压机高得多，因此，生产率也高得多。

机械压力机可根据行程位置不同发出不同的压力。

因此在本设计中所选用的压力机为机械式压力机。

（1）该工序所需的压力F总。

由上3.34及3.35的计算及公式：

（3.13）可得：

。

所选压力机的公称压力应是所需压力的1.3倍以上。

；

由此可选用压力机YL32-63，其滑块行程长度为400mm。

（2）闭合高度

压力机的闭合高度是指滑块在下死点时，滑块下平面到工作台的距离。

模具的闭合高度是模具最后位置时，上下模板间距。

要令模具可以正常工作，二者闭合高度应相适应，一般要满足以下关系:

（3.14）

即240mm

一般模具设计要接近机床的最大装模高度，最好满足

（3.15）

故初步拟定模具闭合高度为300mm。

3.3.7导向装置设计

由于工作精度要求较低，而且材料不是太厚，模具间隙较大，故采用两柱式模架。

使用两柱式导柱导套，可以很好的保证导向精度，还能降低该工件的生产成本。

3.3.8定位装置设计

定位装置的作用式限定毛坯（条料或块料）送进步距和送入冲模的毛坯有正确的位置，以保证冲出合格的工件。

（1）.挡料销

挡料销的作用是保证条料（带料）由准确的送料位置根据设计要求选用固定挡料销。

由于此种挡料销的固定部分和工作部分的直径差别很大，不至于削弱凹模或卸料板的强度，并且制造简单，使用方便。

一般情况下，装在凹模上，本次设计将它固定在卸料板上。

（2）.定位板或定位销

a.定位形式

定位板或定位销一般用于单个毛坯的定位，这种定位可以采用轮廓定位，也可以采用内孔定位，其主要形式结合本次冲压件属于大型冲压件,以外轮廓定位的定位销，故采用定位销。

b.定位装置设计

根据“六点定位原理”，避免出现“过定位”以及“欠定位”等现象。

定位装置在制造时可以和模具零件配作。

3.3.9落料、拉深模设计

如图3所示，为此次设计的落料、拉深模。

图3落料、拉深模

1.下模座2.下模垫板3.内六角螺栓4.落料凹模5.顶件杆6.压边圈7.凹凸模8.橡胶9.弹性压边圈10.上模固定板11.上模座12.内六角螺栓13.垫圈14.内六角螺栓15.橡胶16.模柄17.定位销18.导柱19.导套

该模具的主要特点：

（1）采用顺装式复合模，少量的废料可以借助重力向下出料，有利于安全操作。

（2）采用两导柱式，可以降低模具的制造成本。

（3）推件杆可以很好的将零件从模具上推出，减少人为工作量，自动化程度提高。

3.4落料、拉深模材料的选择

凸模和凹模是在强压、连续使用和有很大冲击的条件下工作，并伴有温度的升高，工作条件极其恶劣的情况。

所以对凸凹模的材料要求有较好的耐磨性，耐冲击性，淬透性和切削性。

硬度要大，热处理变形小，而且价格要低廉。

选用模具材料的原则，做到在满足使用的条件下成本最低：

（1）根据冲压零件生产批量的大小；

（2）根据冲压材料的性质，工序中种类冲模零件的工作条件和作用；

（3）考虑模具材料的生产和供应情况。

结合上述原则，该落料、拉深模可选用以下材料材料：

a.凸模，凹模，凸凹模均采用Cr12MoV；

b.导柱，导套采用20钢；

c.挡料销，定位销，固定板，凸模固定板采用45钢；

d.卸料板，推件杆采用Q235钢；

e.上、下模座采用HT250。

部分模具材料要进行热处理，目的是为了消除机械加工应力和降低电火花加工层的硬度，以利于修磨。

3.5小结

通过该落料、拉深模的设计，现对复合模具的结构特点总结如下：

（1）该模具采用导柱和导套组成的导向机构，从而保证了该模具的精度；

（2）该模具下模采用了垫板，可以避免下模座的快速磨损，延长了模具的寿命；

（3）该模具在满足生产条件下采用较大的间隙配合，减轻了对刃口的磨损。

（4）该模具结构紧凑，生产效率高。

（5）适合大批量生产。

（6）该模具采用带料送进，提高了自动化程度。

4冲孔模设计

该设计的冲孔模需要注意一下几点：

（1）符合该间的冲裁要求；

（2）能提高生产效率；

（3）便于安装调整，且操作要方便、安全；

（4）由于冲裁力较大，故可以添加上下模座的垫板；

（5）凸模的长度不应太长，否则会易损坏；

（6）设计凹凸模事要具有足够的强度。

4.1凸、凹模配置位置

该冲孔模也采用顺装式。

采用该方式可以方便废料从工作台中漏出，也方便工件的取出与放入。

4.2冲孔模的具体设计

4.2.1冲孔模的压力中心

该冲孔模的压力中心也同落料、拉深模相同，位于零件的几何中心。

在加工过程中，务必要确保冲孔模的压力中心与压力机滑块中心线重合，避免引起刃口的损坏，以至于影响零件的加工精度。

4.2.2凸、凹模间隙的确定

在冲孔过程中，凸、凹模之间间隙的大小直接决定了工件的加工质量以及模具的寿命问题，因此，要在保证零件的加工精度的情况下，选择较大的凸、凹模间隙。

其间隙可按以下经验公式得到：

硬材料：

t=1-3mmZ=（11%-17%）t（4.1）

得到：

Zmin=0.11mm，Zmax=0.17mm。

4.2.3凸、凹模工作尺寸的计算

按精度为IT10级来计算尺寸，孔的直径为

，

则凸模尺寸：

；（4.2）

凹模尺寸：

。

（4.3）

若零件没有标准公差，一般可按IT7-8精度制造模具。

由上述的冲孔模初始双面间隙Z（Z=2C）有：

Zmin=0.11mm；

Zmax=0.17mm。

为了保证间隙，必须满足下列条件：

；

对冲孔尺寸

的凹凸模偏差，从资料中查得：

则有：

；满足条件。

磨损系数选用为：

。

4.2.4冲孔力计算

（1）冲裁力的计算

平刃模具冲裁时，其冲裁力可按下式[12-15]计算：

（4.4）

式中

——材料厚度，mm；

——材料抗拉强度，MPa；

——冲裁周长，mm。

单个方孔冲裁力：

单个圆孔冲裁力：

矩形孔冲裁力：

综上，

。

（2）推件力的计算

（4.5）

式中：

K推——推料力系数；选取K推=0.055；

n——同时梗塞在凹模内的零件数。

（3）考虑到模具刃口的磨损，凸、凹模间隙的波动，材料机械性能的变化，材料厚度偏差等因素，实际所需要的落料力还需要增加30%，即，

（4）总冲裁力的计算

本次设计的模具采用了弹性卸料装置，所以：

4.2.5压力机的选用及模具的闭合高度

在压力机的类型选定后，要进一步根据冲裁的大小，冲裁件的尺寸和模具尺寸来确定设备的规格。

（1）公称压力的计算

由上4.2.4的计算可知：

；但所选压力机的公称压力应为：

。

（4.6）

由此可选用压力机YL32-40，其滑块行程长度为400mm。

（2）闭合高度

压力机的闭合高度是指滑块在下死点时，滑块下平面到工作台的距离。

模具的闭合高度是模具最后位置时，上下模板间距。

要令模具可以正常工作，二者闭合高度应相适应，一般要满足以下关系:

（4.7）

即240mm

一般模具设计要接近机床的最大装模高度，最好满足

（4.8）

故初步拟定模具闭合高度为300mm。

4.2.6导向装置设计

虽然该工件精度不高，且材料厚度仅为1mm,但为了使工件符合装配时的精度，能顺利的进行装配，故选择四柱式模架。

提高该工件的加工精度。

4.2.7定位方式的选择

该工件通过第一套模具拉深后，成为一个盒形件，且表面还具有一定的弧度，故选择利用该件的表面进行定位，使该件套在凹模上，完成定位。

4.2.8冲孔模设计

此次设计的冲孔模如下图4所示：

图4冲孔模

1.起重轴销2.下模座3.垫板4.内六角螺栓5.凹模6.卸料板7.凸模8.弹簧9.凸模固定板10.内六角螺栓11.上模座12.内六角螺栓13.垫圈14.导柱15.导套

该冲孔模的特点为：

（1）采用顺装式模具，便于冲孔废料的漏出；

（2）上模采用弹性压边装置，使工件在行程过程中无法晃动，提高冲孔的精度，还可以起到卸料的作用；

（3）采用四柱式模架导向，提高模具的加工精度；

（4）装配时采用环氧树脂浇合粘接导套和上模座。

4.3冲孔模材料的选用

该冲孔模的材料选用如下：

a.凸模，凹模，凸凹模均采用Cr12MoV；

b.导柱，导套采用20钢；

c.定位销，垫板，凸模固定板采用45钢；

d.卸料板采用Q235钢；

e.上、下模座采用HT250。

部分模具材料要进行热处理，目的是为了消除机械加工应力和降低电火花加工层的硬度，以利于修磨。

4.4小结

结合本次冲孔模的设计，对该冲孔模的结构特点进行简单总结，如下：

（1）上模采用弹性压边装置，使工件在行程过程中