y2102型电动机定子铁芯冲压模具设计论文本科论文Word下载.docx
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冲压是利用冲压设备(如压力机)及安装在其上的专用模具对材料施加压力,使其产生分离或塑性变形,从而获得所需零件的一种压力加工方法。
冲压通常是在常温下对薄板材料(一般厚度在3.2mm以下)进行冷变形加工从而形成所需零件,所以也叫冷冲压或板料冲压。
冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之一,隶属于材料成型工程。
冲压所使用的模具称为冲压模具,简称冲模,冲模是将材料(金属或非金属)批量加工成所需零件的专用工具。
冲模在冲压中至关重要,没有符合要求的冲模,批量冲压生产就难以进行;
没有先进的冲模,先进的冲压工艺就无法实现。
冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料共同构成了冲压加工的三要素,只有它们相互结合才能得出冲压件。
与机械加工及塑性加工的其它方法相比,冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。
主要表现如下:
(1)冲压加工的生产效率高,且操作方便,易于实现机械化与自动化。
因为冲压加工是依靠冲模和冲压设备来完成的,压力机的行程次数为每分钟可达数百次甚至千次以上,而且每次冲压行程就可以得到一个冲件;
(2)冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度,且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征;
(3)冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件,加上冲压时材料的冷变形硬化效应,冲压件的强度和刚度均较高;
(4)冲压一般没有切屑碎料生成,材料的消耗较少,而且加工所剩废料可再利用,且不需其它加热设备,因而是一种省料、节能的加工方法,生产成本较低;
(5)操作简单,非熟练人员也能操作自如。
但是,冲压加工所使用的模具一般具有专用性,一组模具只能生产一种零件,有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形。
而且模具制造的精度高,技术要求高,是技术密集形产品,导致成本非常昂贵,因此一般用于大批量生产。
所以,只有在冲压件生产批量较大的情况下,冲压加工的优点才能充分体现,从而获得较好的经济效益。
相当多的工业部门越来越多地采用冲压法加工产品零部件,如汽车、农机、仪器、仪表、电子、航空、航天、家电及轻工等行业。
在这些工业部门中,冲压件所占的比重都相当的大。
不少过去用锻造、铸造和切削加工方法制造的零件,现在大多数也被质量轻、刚度好的冲压件所代替。
因此可以说,如果生产中不大量采用冲压工艺,许多工业部门要提高生产效率和产品质量、降低生产成本、快速进行产品更新换代等都是难以实现的。
冲压模具包括冲裁模、弯曲模、拉伸、胀形等模具。
冷冲模的设计也用到材料学、机械设计、工程材料、特种加工等方面的知识。
因此它是一门综合性很强的学科。
落料和冲孔都属于冲裁模。
冲裁模是从条料、带料或半成品上使材料按规定的轮廓产生分离的模具,随着科学技术的发展,冲压技术也向高速化、自动化、精密化的方向发展。
冲裁模一般分为简单模、级进模、和复合模。
简单模在国内应用比较广泛,它是在压力机的冲压行程中完成一次冲裁工艺。
简单模也分为无导向简单模、导板式简单模,和导柱式简单模;
级进模是在单工序冲模基础上发展的一种多工序、高效率冲模。
在压力机一次冲程中,级进模在其有规律排列的几个工位上分别完成一部分冲裁工艺,在最后工位冲出完整的工件。
由于级进模是连续冲压,因此生产效率高,适用于大规模生产,但是因为其结构复杂,定位要求比较严格,因此说制造成本高。
复合模是在压力机的一次冲压行程中,经一次送料定位,在模具的同一部位可以同时完成几道冲裁工序。
复合模同级进模一样,也是在简单模的基础上发展的一种较先进的模具。
与级进模相比,冲裁模冲裁件的位置精度高,对条料的定位精度要求低,复合模的轮廓尺寸较小。
复合模虽然生产效率高,冲压件精度高,但模具结构复杂,制造精度要求高,适用于生产批量大,精度要求高,内外形尺寸差较大的冲裁件。
2产品加工工艺分析
图1产品零件简图
Y210—2型电动机定子铁芯的使用量大,故采用大批量生产,该铁芯的材料为电工硅钢片D21,钢板厚度0.5mm,本身具有良好的冲裁性能。
而且零件形状对称,但结构略显复杂,由圆弧和直线组成,不宜采用锻造、铸造和切削加工等方法制造,因此采用冲压加工。
对于冲小孔Φ5,冲复杂圆孔Φ80,由表1[1]知,一般冲孔模对该材料(钢
<
400MPa)可以冲压的最小的孔径为d≧t=0.5mm(t:
板料厚度,mm),因而小孔符合工艺要求。
冲裁件孔与孔之间、孔与边缘之间的距离受模具的强度和冲裁件质量的制约,其值a宜取a≥2t(但不得小于3-4mm),此零件最小孔边距为b=2.5mm≥2t,因而也符合孔边距工艺要求。
因此以上分析均符合冲裁工艺要求。
表1冲孔的最小尺寸
材料
圆孔
(孔径d)
方孔
(边长b)
长圆孔
(孔宽b)
长方孔
钢σb>700MPa
钢σb=400-700MPa
钢σb<400MPa
黄铜、铜
铝、锌
纸胶版、布胶版
硬纸、纸
d≥1.5t
d≥1.3t
d≥t
d≥0.9t
d≥0.8t
d≥0.7t
d≥0.6t
b≥1.35t
b≥1.2t
b≥0.9t
b≥0.8t
b≥0.7t
b≥0.6t
b≥0.5t
b≥1.1t
b≥0.4t
b≥0.3t
b≥t
由表2[2]、表3查出冲裁件内外所能达到的经济精度为IT11,孔中心与边缘距离尺寸公差为±
0.6,对于孔心距公差为±
0.1,将以上精度与零件简图中所标注的尺寸公差相比较,可认为该零件的精度要求能够在冲裁加工中得到保证,其他尺寸标准、生产批量等情况,也均符合冲裁的工艺要求。
表2冲裁件内外形所能达到的经济精度
≤3
3-6
6-10
10-18
18-500
≤1
IT12-IT13
IT11
1-2
IT14
表3孔中心与边缘距离尺寸公差
材料厚度t/mm
孔中心与边缘距离尺寸
≤50
50-120
120-220
220-360
≤2
±
0.5
0.6
0.7
0.8
2-4
1.0
3模具类型的确定
常见的模具形式可分为单工序模、复合模和级进模三种。
确定模具形式,应以冲裁工件的工艺要求、生产批量、模具加工条件为主要依据。
冲压生产批量与合理模具形式见表4[4];
单工序模、级进模和复合模的比较见表5。
表4冲压生产批量与合理模具形式
单件
小批
中批
大批
大量
大件
中件
小件
1
1-5
1-10
2-20
5-50
10-100
20-300
50-1000
100-5000
>
300
1000
5000
模具形式
简易模、单工序模
单工序模、简易模
级进模、复合模、单工序模
级进模、复合模
设备形式
通用压机
自动和半自动、通用压机
机械化高速压机、自动机
专用压机、自动机
另外因在实际生产中,当冲压件的生产批量较大、尺寸较少而公差要求较小时,若用分散的单一工序来冲压是不经济甚至难于达到要求,这时在工艺上多采用集中的方案,即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成。
所以决定采用冲孔落料复合冲裁模进行加工,且一次成形。
所谓复合模具结构,就是在压力机的一次工作行程中,在模具的同一工位上同时完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。
复合模具结构的优点:
1)模具结构紧凑,占用空间较小;
2)在完成这些工序过程中,冲件材料无需进给移动;
3)制件精度高,由于是在冲床的一次行程内完成数道冲压工序,因而不存在累积定位误差,冲出的制件内外形相对位置及各件的尺寸一致性好,制件平直;
4)适宜冲制薄料和脆性或软质材料。
复合模具结构的选用原则:
当制件精度要求高,生产批量大,表面要求平整时,一般选用复合模具结构。
表5单工序模、级进模和复合模的比较
比较项目
单工序模
级进模
复合模
工件尺寸精度
较低
一般,IT11级以下
较高,IT9级以下
工件形位公差
工件不平整,同轴度、对称度及位置度误差大
不太平整,有时要较平,同轴度、位置度误差较大
工件平整,同轴度、对称度及位置误差大
冲压生产率
低,冲床一次行程内只能完成一个工序
高,冲床在一次行程内能完成多个工序
较高,冲床在一次行程内可完成两个以上工序
实现操作机械化、自动化的可能性
较易,尤其适合多工位冲床上实现自动化
容易,尤其适应于单机上实现自动化
难,工件与废料排除较复杂,只能在单机上实现部分机械化操作
对材料的要求
对条料宽度要求不严,可用边角料
对条料或带料宽度要求严格
生产安全行
安全性较差
比较安全
模具制造的难易程度
较易,结构简单,制造周期短,价格低
形状简单件,比用复合模制造难度低
形状复杂件,比用级进模的制造难度低
应用
通用性好,适合中、小批量生产和大型件的大量生产
通用性较差,适合于形状简单,尺寸不大,精度要求不高件的大批量生产
通用性较差,适于形状复杂、尺寸不大、精度要求较高件的大批量生产
4冲裁件的排样与搭边
排样是指冲裁件在板料、条料或带料上的布置方式,分为有搭边、少搭边和无搭边三种;
按工件外形特征又可分为直排、斜排、直对排、斜对排、混合排、多行排等形式。
该冲裁件材料较薄,尺寸小,采用直排有废料排样方式比较合理,如图2所示。
图2排样图
表6冲压落料件的搭边值/mm
被冲金属
搭边值或沿边值
料厚
边缘
两件间距
一般金属
≤0.53
1.27
标准带料
0.56-1.40
>1.40
1.02
0.7t
双片料
≤1.07
1.09-1.40
1.52
1.4t
1.27①
双片料且两列排样互锁
1.27②
不锈钢、硅钢、弹簧钢
≤1.40
≥1.52
由表6查得最小搭边值a=1.52mm,a1=1.52mm,取a=a1=2mm。
毛胚面积A:
A=πR2=3.14×
752=17662.5mm
(1)
条料宽度b:
b=d+2a=150+2×
2=154mm
(2)
进距h:
h=d+a1=150+2=152mm(3)
材料利用率η:
η=
×
100%=
100%=75.45%(4)
①指同一列,也指两相邻列两件之间。
②两相邻列两件之间搭边为1.52mm。
5冲压力的计算
冲压力的计算包括冲裁力、卸料力、推件力、顶出力的计算。
零件加工采用弹性卸料和上出料方式。
由表7查得硅钢片D21的抗剪强度τ=190MPa。
表7部分材料的抗剪强度τ/MPa
软
硬
铝
68.6-107.8
127-157
黄铜
215.6-294
343-392
青铜
313.6-392
392-588
铁板
314
392
钢板
441-490
539-588
电工硅钢
190
249
不锈钢板
510
549
5.1冲裁力的计算
冲裁力是设计模具、选择压力机的重要参数,指凸模与凹模相对运动使工件与板料分离所需的力,与材料厚度、工件周边长度、材料的力学性能等参数有关。
在该零件的加工中包括冲孔力和落料力。
冲孔力的计算
P0=L1tτ(5)[5]
根据零件图,用CAD可计算出冲一次零件内周边之和L1=802.8mm,代入得:
P0=L1tτ
=(802.8×
0.5×
190+9×
3.14×
5×
190)N
=103.113×
103N
落料力的计算
P1=L2tτ(6)
代入L2得:
P1=L2tτ
=(3.14×
150×
=44.745×
103N
5.2卸料力的计算
卸料力从凸模上卸下板料的力称为卸料力,其大小与凸模和凹模之间的间隙、工件的形状、材料的种类等因素有关。
卸料力P2:
P2=K1P0(7)
把P0代入得:
P2=K1P0
=(0.055×
103.113×
103)N
=5.671×
5.3顶件力的计算
顶件力把落入凹模洞中的冲压件或废料逆着冲裁方向托出的力。
顶件力P3:
P3=K3P1(8)
把P1代入得:
P3=K3P1
=(0.063×
44.745×
=2.819×
卸料推出系数K1、卸料推出系数K2、卸料推出系数K3见表8。
表8卸料力、推件力和顶出力因数
料厚/mm
K1
K2
K3
钢
≤0.1
0.065-0.075
0.1
0.14
>0.1-0.5
0.045-0.055
0.063
0.08
>0.5-2.5
0.04-0.05
0.055
0.06
选择冲床时的总冲压力F:
F=P0+P1+P2+P3(9)
代入前面各值得:
F=P0+P1+P2+P3
=(103.113+44.745+5.671+2.819)×
=156.348×
6冲压压力中心的确定
冲裁模对工件施加的冲裁力合力的中心称为冲裁压力中心。
只有压力中心与模柄的中心线重合才能使冲压模具正常工作。
否则冲压时将产生弯矩,实冲压设备的滑块和模具发生歪斜,引起凸、凹模间隙不均匀,刃口变钝,产生机床和模具的导向机构不均匀摩擦等不良现象。
因为该零件是中心对称图形,所以其压力中心位于轮廓图形的几何中心O点,如图3所示。
图3压力中心
7冲裁间隙的选择
冲裁间隙指凸、凹模刃口间缝隙的距离,它是冲压工艺和模具设计中的重要参数。
在冲裁模的设计中,凸凹模间隙的合理选取,是保证模具正常工作、提高冲片质量、延长模具寿命的一个关键因素。
理想的间隙应该是板料冲裁断裂时,凸凹模刃口边所产生的裂纹在一条直线上,否则冲片边缘将出现不允许的毛刺,使得刃口粘结严重,磨损加快,进而影响模具的寿命。
所以,如何选取合理的凸凹模间隙,是模具设计时不容忽视的问题。
在实际加工中若间隙偏小,会使凸模与被冲的孔之间、凹模与落料之间的摩擦严重,造成凸模和凹模侧壁产生粘结,卸料力增大,影响冲片断面的质量,刃口容易变钝,冲片易出毛刺,且毛刺增长过快,甚至发生凹模胀裂现象,致使模具寿命下降。
取小间隙时,由于弹性回跳作用,落料件尺寸大于凹模,冲出的孔径小于凸模,从而造成冲片的尺寸精度出现误差。
因此,为了提高冲片质量,延长模具寿命,决定放大间隙.选择Ⅱ类中等间隙。
表9部分金属材料冲裁间隙值/mm
抗剪强度
初始间隙(单边值)
Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类
低碳钢10F、Q235
≥210-400
(0.03-0.07)t
>(0.07-0.10)t
>(0.10-0.125)t
黄铜(硬态)H62
纯铜(硬态)T1、T2、T3
≥290-420
(0.03-0.05)t
(0.055-0.08)t
(0.085-0.11)t
镁合金MB1、MB8
≥120-180
(0.015-0.025)t
电工硅钢D21、D31、D41
(0.025-0.05)t
>(0.05-0.09)t
板料为0.5mm的D21硅钢片,由表9推荐的间隙应大于(0.05-0.09)t,约为(0.05-0.09)mm。
按照这个间隙,冲出的定子片毛刺一般能控制在规定范围内。
而且可以提高冲片质量,冲片表面平整度也能大大改善,延长模具寿命。
8计算凸、凹模的刃口尺寸
凸、凹模刃口尺寸和公差的确定,影响冲裁生产的技术经济效果,设计时一般遵循以下原则:
(1)设计落料模时,应以凹模为基准,间隙取在凸模上,靠减小其尺寸获得;
(2)设计冲孔模时,应以凸模为基准,间隙取在凹模上,靠增大其尺寸获得;
(3)凹模的磨损使落料件轮廓尺寸增大,设计落料模时凹模的刃口应等于或接近工件的下极限尺寸;
(4)凸模的磨损使冲孔件孔径尺寸增大,设计冲孔模时凸模的刃口应等于或接近工件的上极限尺寸。
根据冲裁间隙Zmin=0.05mmZmax=0.09mm,对零件图中未注公差的尺寸进行分析计算,并由公差手册查出其极限偏差分别为150
、80
。
对于外轮廓Φ150,查表10得凸、凹模的制造公差分别为δ
=0.030、δ
=0.040。
由于零件形状稍显复杂,为了更好的获得最小合力间隙,决定采用配合加工法加工凸模和凹模。
表10规则形状(圆形、方形件)冲裁时凸模,凹模的制造公差
基本尺寸
凸模公差δ
凹模公差δ
≤18
0.020
150-200
0.030
0.040
8.1落料凹模刃口尺寸计算
Ad=(A-xΔ)
(10)
凹模φ150
:
=(150-0.75×
0.1)
=149.925
mm
8.2冲孔凸模刃口尺寸计算
Bp=(B+xΔ)
(11)
凸模φ5:
=(5+0.5×
0.24)
=5.12
mm
对于冲孔Φ80,零件形状比较复杂,且为薄材料为了保证凸、凹模之间的间隙值,必须采用凸模和凹模配合加工方法,以凸模为基准件。
根据凸模磨损后的尺寸变化情况将零件图中各尺寸进行如下分类:
B类:
110
、
、R4
C类:
2
、20°
10'、5
冲孔凸模刃口尺寸计算如下:
(1)B类
Bp=(B+xΔ)
各尺寸计算如下:
110凸=(110+0.5×
=110.05
80凸=(80+0.5×
0.87)
=80.435
5凸=(5+0.5×
=5.05
R4凸=(4+0.5×
0.2)
=4.1
(2)C类
Cp=(C+xΔ)±
(12)
=(2+0.75×
0.1)±
=2.075±
0.0125mm
20°
凸=(20°
+0.5×
)±
=20°
10'±
2.5'
5
=(5+0.5×
0.2)±
=5.1±
0.025mm
凸模的刃口尺寸按凹模实际尺寸配制并保证双面间隙0.05--0.09mm
9冲裁的部件及零件设计
模具的零部件,有很大一部分已实现了标准化,这对于简化设计工作、稳定模具质量、简化模具的制造维修等,都具有重大意义。
在设计模具时,对于标准化的零部件,只需在标准化的资料中正确的选择,大量的设计工作是对非标准件的设计。
根据在模具中的功能和特点,可以分成两类:
⑴工艺零件:
这类零件直接参与完成工艺过程并和毛坯直接发生作用。
⑵结构零件:
这类零件不直接参与完成工艺过程,也不和毛坯直接发生作用。
冲模零件的详细分类见表11:
表11冲模零件分类
工艺零件
结构零件
工作零件
定位零件
卸料和压料零件
导向零件
支撑零件
紧固零件
其他零件
凸模
凹模
凸凹模
挡料销
始用挡料销
导正销
定位销
定位板
导料销
导料板
卸料装置
压料装置
顶件装置
推件装置
废料装置
导柱
导套
导板
导筒
上、下模座
模柄
凸、凹模固定板
垫板
限位支撑装置
螺钉
销钉
键
弹性件
传动零件
9.1工作零件
9.1.1凸模形式及尺寸
(1)冲孔凸模:
为圆形凸模,设计成直柱形式,图样见图4。
图4冲孔凸模
(2)落料凸模形式及尺寸:
形式为异形凸模,图样如图5所示:
图5落料凸模
注:
按0.05—0.09mm间隙与落料凹模配制
9.1.2凹模形式及尺寸
凹模的刃口形式,考虑到生产批量较大,又是复合模,所以采用刃口强度较高的直筒式孔口凹模。
凹模的外形尺寸:
凹模高度H=KB=0.20×
150=30mm
表12系数K值
B/mm料厚t/mm
50
0.3
0.35
100~200
0.20
0.22
选取凹模壁厚
C=1.5H=1.5×
30=45mm
另外,当t=0.5mm时,取h=6mm
则凹模整体尺寸:
B×
L×
H=240mm×
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