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中心距:
。
通过查公差等级表,发现普通冲裁能够满足零件精度要求。
表2-1常见零件公差等级表
公差等级
IT4
IT5
IT6
IT7
IT8
IT9
IT10
IT11
IT12
IT13
IT14
基本尺寸/mm
/μm
/mm
≤3
>3~6
>6~10
>10~18
>18~30
>30~50
>50~80
>80~120
>120~180
>180~250
>250~315
>315~400
>400~500
3
4
5
6
7
8
10
12
14
16
18
20
9
11
13
15
23
25
27
19
22
29
32
36
40
21
30
35
46
52
57
63
33
39
54
72
81
89
97
43
62
74
87
100
115
130
140
155
48
58
70
84
120
160
185
210
230
250
60
75
90
110
190
220
290
320
360
400
0.10
0.12
0.15
0.18
0.21
0.25
0.30
0.35
0.40
0.46
0.52
0.57
0.63
0.14
0.22
0.27
0.33
0.39
0.54
0.72
0.81
0.89
0.97
0.36
0.43
0.62
0.74
0.87
1.00
1.15
1.30
1.40
1.55
2.5工艺计算
查表可知:
抗拉强度:
σb=375~460MPa,屈服极限:
σs=235MPa,伸长率:
δ=26~31﹪,抗剪强度:
τ=303~372MPa,如表2-2所示。
表2-2部分碳素钢抗剪性能
材料名称
牌号
材料状态
抗剪强度τ/MPa
抗拉强度σb/MPa
屈服点σs/MPa
伸长率
δ/﹪
普通碳素钢
Q195
未退火
255~314
315~390
195
28~33
Q235
303~372
375~460
235
26~31
3冲裁方案的确定
3.1冲裁工艺方案的确定
在冲裁工艺分析和技术经济分析的基础上,根据冲裁件的特点确定工艺方案。
工艺方案分为冲裁工序的组合和冲裁顺序的安排。
3.2冲裁工艺方法的选择
冲裁工序分为单工序冲裁、复合冲裁和级进冲裁三种。
方案一:
先落料,后冲孔。
单工序冲裁是在压力机一次行程内只完成一个冲压工序的冲裁模。
方案二:
落料冲孔复合冲压,采用复合模生产。
复合冲裁是在压力机一次行程内,在模具的同一位置同时完成两个或两个以上的冲压工序。
方案三:
级进冲裁是把冲裁件的若干个冲压工序,排列成一定的顺序,在压力机的一次行程中条料在冲模的不同位置上,分别完成工件所要求的工序。
其三种工序的性能见表3-1。
表3-1单工序冲裁、级进冲裁和复合冲裁性能
比较项目
单工序模
复合模
级进模
生产批量
小批量
中批量和大批量
冲压精度
较低
较高
冲压生产率
低,压力机一次行程内只能完成一个工序
较高,压力机一次行程内可完成二个以上工序
高,压力机在一次行程内能完成多个工序
实现操作机械化自动化的可能性
较易,尤其适合于多工位压力机上实现自动化
制件和废料排除较复杂,只能在单机上实现部分机械操作
容易,尤其适应于单机上实现自动化
生产通用性
通用性好,适合于中小批量生产及大型零件的大量生产
通用性较差,仅适合于大批量生产
通用性较差,仅适合于中小型零件的大批量生产
冲模制造的复杂性和价格
结构简单,制造周期短,价格低
冲裁较复杂零件时,比级进模低
冲裁较简单零件时低于复合模
根据分析结合表3-1得出结论:
方案一模具结构简单,但需两道工序两副模具,生产效率低,难以满足该零件的年产量要求。
方案二只需一副模具,冲压的形状精度和尺寸容易保证且生产效率也高,尽管模具结构较方案一复杂,但由于零件的几何形状简单,模具制造难度较小。
方案三只需一副模具,生产效率很高,但零件的冲裁精度稍差。
欲保证冲压件的形状精度,需要在模具上设置导正销导正,故模具制造、安装较复合模具复杂。
通过对上述三种方案的分析比较,该零件的的几何形状简单,模具制造难度较小,故冲压生产采用方案二为佳。
4模具总体结构的确定
4.1模具类型的选择
按照复合模工作零件的安装位置不同,分为正装式复合模和倒装式复合模两种,两种的优点、缺点及适用范围见表4-1。
表4-1正装式复合模、倒装式复合模的优点、缺点及适用范围
正装(顺装)式复合模
倒装式复合模
结构
凸凹模装在上模,落料凹模和冲孔凸模装在下模
凸凹模装在下模,落料凹模和冲孔凸模装在上模
优点
冲出的冲件平直度较高
结构较简单
缺点
结构复杂,冲件容易被嵌入边料中影响操作
不宜冲制孔边距离较小的冲裁件
适用范围
冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件,还可以冲制孔边距离较小的冲裁件
不宜冲制孔边距离较小的冲裁件,但倒装式复合模结构简单、又可以直接利用压力机的打杆装置进行推件,卸料可靠,便于操作,并为机械化出件提供了有利条件,故应用十分广泛
综上所述,正装式复合模适合于冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件,还可以冲制孔边距离较小的冲裁件。
倒装式冷冲模不宜冲制孔边距离较小的冲裁件,但倒装式冷冲模结构简单,可以直接利用压力机打杆装置进行推件,卸件可靠,便于操作,并为机械化出件提供了有利条件,故应用十分广泛。
由上可得,该制件结构形状简单,精度要求较低,孔边距较大,宜采用倒装式复合模。
综上,采用复合模冲压,模具类型为倒装式复合模。
4.2定位方式的选择
由于本零件给定的尺寸精度都较低,所以未标注公差的尺寸都按生产所需经济精度要求的IT12级进行设计计算。
因为该模具采用的是条料,控制条料的送进方向采用导料板,无侧压装置。
控制条料的送进步距采用挡料销初定距,导正销精定距。
而第一件的冲压位置可由活动挡料销定距。
4.3卸料、出件方式的选择
刚性卸料是采用固定卸料板结构,常用于较硬、较厚且精度要求不高的工件冲裁后卸料。
当卸料版只起卸料作用时与凸模间隙随材料厚度的增大而增加,单边间隙取(0.2~0.5)t。
当固定卸料板还要起到对凸模的导向作用时卸料板与凸模的配合间隙应该小于冲裁间隙,此时要求凸模卸料时不能完全脱离卸料板。
主要用于卸料力较大,材料厚度大于2mm的材料。
弹性卸料具有卸料与压料的双重作用,主要用在冲料厚在2mm及以下厚度的板料,卸料板与凸模之间的单边间隙选择(0.1~0.2)t,若弹性卸料板还要起对凸模导向作用时,二者的配合间隙性小于冲裁间隙,常用作落料模、冲孔模、症状复合模的卸料装置。
由于有压料作用,冲裁件比较平整。
弹压卸料板与弹性元件、卸料螺钉组成弹压装置。
该工件平直度较高,料厚为1.2mm相对较薄,卸料力一般,且由于弹性卸料模具比刚性卸料模具方便,操作者可以看见条料在模具中的送进状态,弹性卸料板对工件施加的柔性力,不会损伤工件表面,故可采用弹性卸料。
4.4导向方式的选择
采用对角导柱模架。
由于导柱安装在模具压力中心对称的对角线上,所以上模座在导柱上滑动平稳。
常用于横向送料级进模或纵向送料的落料模、复合模。
采用后侧式导柱模架。
由于前面和左右不受限制,送料和操作比较
方便。
因为导柱安装在后侧,工作时,偏心距会造成导套导柱单边磨损对模具使用寿命有一定影响。
采用四导柱模架。
具有导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点。
常用于冲压件尺寸较大或精度要求较高的冲压零件及大量生产用的自动冲压模架。
方案四:
采用中间导柱模架。
导柱安装在模具的对称线上,导向平稳、准确。
只能一个方向送料。
(a)中间导柱(b)后侧导柱(c)对角导柱(d)四角导柱
(1)下模座
(2)导柱(3)导套(4)上模座
图4-1导柱模架
根据以上方案比较并结合模具结构形式和送料方式,为提高模具寿命和工件质量,采用后侧导柱模架,操作者可以看见条料在模具中的送进动作。
由于前面和左、右不受限制,能满足工件成型的要求。
即方案二最佳。
5工艺参数计算
5.1排样方式的选择
冲裁件在板料、带料或条料上的布置方法称为排样。
排样的意义在于减小材料消耗、提高生产率和延长模具寿命,排样是否合理将影响到材料的合理利用、冲件质量、生产率、模具结构与寿命。
排样的方法有:
直排、斜排、对直排、混合排,根据设计模具制件的形状、厚度、材料等方面全面考虑。
因此有下列三种方案:
有废料排样。
沿冲件全部外形冲裁,冲件与冲件之间、冲件与条料
之间都存在搭边废料冲件尺寸完全由冲模来保证,因此精度高,模具寿命高,但材料利用率低。
少废料排样。
因受剪裁条料质量和定位误差的影响。
其冲件质量稍差,同时边缘毛刺被凸模带入间隙也影响模具寿命。
但材料利用率稍高。
冲模结构简单。
无废料排样。
冲件与冲件之间或冲件与条料侧边之间均无搭边,沿直线或曲线切断条料而获得冲件,但对材料利用率最高。
采用少、无废料排样法,材料利用率高,不但有利于一次冲程获得多个制件,而且可以简化模具结构,降低冲裁力,但受条料宽度误差及条料导向误差的影响,冲裁件的尺寸精度不易保证,故应采用方案一。
分析零件形状,排样方式有两种,如图5-1、5-2所示。
图5-1横排示意图
图5-2纵排示意图
5.1.1搭边值的确定
排样中相邻两工件之间的余料或工件与条料边缘间的余料称为搭边。
搭边是废料,从节省材料出发,搭边值应愈小愈好。
但过小的搭边容易挤进凹模,增加刃口磨损,降低模具寿命,并且也影响冲裁件的剪切表面质量。
一般来说,搭边值是由经验和查表来确定的,该制件的搭边值采用查表取得。
如表5-1所示:
根据此表和工件外形可知L﹥50mm,可确定搭边值a和a1,a取1.0mm,a1取0.8mm,较为合理。
表5-1搭边a和a1数值(低碳钢)
mm
材料厚度t
圆形或圆角r>2t的工件
工件间a1
侧面a
0.25以下
1.8
2.0
0.25~0.5
1.2
1.5
0.5~0.8
1.0
0.8~1.2
0.8
1.2~1.6
1.6~2.0
宽度的确定:
搭边的作用是补偿定位误差,保证条料有一定的刚度,同时保证零件质量和送料方便。
根据模具的结构不同,可分为有侧压装置的模具和无侧压装置的模具,侧压装置的作用是用于压紧送进模具的条料(从料带侧面压紧),使条料不至于侧向窜动,以利于稳定地加工生产。
本套模具无导料板为无侧压装置。
故按下式计算:
(5-1)
式中:
B-条料宽度(mm);
Dmax-条料宽度方向冲裁件的最大尺寸(mm);
a-冲裁件之间的搭边值(mm);
可参考表5-1;
-△-条料宽度的单向(负向)偏差(mm),见表5-2;
C-导料板与最宽条料之间的间隙(mm),其最小值见表5-3。
表5-2剪料公差及条料与导料板之间隙mm
条料宽度
B/mm
材料厚度t/mm
0~1
1~2
2~3
3~5
~50
50~100
100~150
150~220
220~300
0.4
0.5
0.7
0.6
0.9
1.1
1.3
表5-3有侧压装置和无侧压装置对照表mm
无侧压装置
有侧压装置
条料宽度B/mm
<
≥100~200
≥200~300
≥100
0~0.5
0.5~1
3~4
4~5
1
由Dmax=30,Dmax=50,a=1.0,C=0.5,代入公式(5-1)得:
横排条料宽度:
=30+2×
1.0+0.5=32.50-0.5
纵排条料宽度:
=50+2×
1.0+0.5=52.50-0.5
5.1.2材料利用率的确定
冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比就叫材料利用率,它是衡量合理利用材料的经济性指标。
关于材料利用率,可用下式表示:
(5-2)
A-一个步距内冲裁件的实际面(mm2);
B-条料宽度(mm);
S-步距(mm)。
由图5-1和图5-2,公式(5-2)得:
A=20×
30+5×
20+3.14×
1.02_3.14×
52-2×
3.14×
=907.24mm2
纵排步距S1=15+15+0.8=30.8mm
横排步距S2=25+25+0.8=50.8mm
纵排材料利用率:
=[907.24/(52.5×
30.8)]×
100%≈56.1%
横排材料利用率:
=[907.24/(32.5×
50.8)]×
100%≈55%
η1>
η2
根据上述纵排、横排两个式子的计算对比,可确定纵排的材料利用率比横排的材料利用率高。
本零件选用纵排的排样方式,具体如图5-3所示。
图5-3排样示意图
5.2冲压力的计算
计算冲裁力是为了选择合适的压力机,设计模具和检验模具的强度,压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力,以适宜冲裁的要求,普通平刃冲裁模,其冲裁力Fp一般可以按下式计算:
(5-3)
τ-材料抗剪强度,见表2-2(MPa);
L-冲裁周边总长(mm);
t-材料厚度(mm);
系数Kp是考虑到冲裁模刃口的磨损,凸模与凹模间隙之波动(数值的变化或分布不均)润滑情况,材料力学性能与厚度公差的变化等因数而设置的安全系数Kp,一般取1~3。
当查不到抗剪强度τ时,可以用抗拉强度σb代替τ,而取Kp=1.3的近似计算法计算。
由于Q235的力学性能查表2-2可得:
抗剪强度τ取303~372MPa。
τ的数值取决于材料的种类和坯料的原始状态,可在设计资料及有关手册中查找,本设计τ取值的通过查下表确定,材料厚度t=1.2mm,取τ=350MPa。
5.2.1总冲裁力的计算
由于冲裁模具采用弹性卸料装置和自然落料方式。
(5-4)
F冲-总冲裁力;
F1-落料时的冲裁力;
F2-冲孔时的冲裁力。
冲裁周边的总长(mm)
落料周长为:
L1=3.14×
2×
10+5×
8+20×
2
=142.8mm
冲孔周长为:
L2=2×
3×
2+2×
5×
3.14
=69.08mm
落料冲裁力由KP=1.3,t=1.2,L1=142.8,τ=350,代入公式(5-3)得:
=1.3×
1.2×
142.8×
350
=77968.8N
冲孔冲裁力由KP=1.3,t=1.2,L1=69.08,τ=350,代入公式(5-3)得:
=1.3×
69.08×
=37717.68N
所以可求总冲裁力由F1=77968.8,F2=37717.68,代入公式(5-4)得:
=77968.8+37717.68
=115686.48N
5.2.2卸料力、推件力的计算
当上模完成一次冲裁后,冲入凹模内的制件或废料因弹性扩张而梗塞在凹模内,模面上的材料因弹性收缩而会紧箍在凸模上。
为了使冲裁工作连续,操作方便,必须将套在凸模上的材料刮下,将梗塞在凹模内的制件或废料向下推出或向上顶出。
从凸模上刮下材料所需的力,称为卸料力;
从凹模内向下推出制件或废料所需的力,称为推料力。
模具采用弹性卸料装置和推件结构,凹模型口直壁高度h=6mm,所需卸料力F卸和推件力F推分别为:
推件力、卸料力计算公式如下:
(5-5)
(5-6)
F推-推件力;
F卸-卸料力;
F冲-冲裁力;
K卸-卸料力系数,见表5-5;
K推-推件力系数,见表5-5;
n-卡在凹模里的工件个数,n=h/t。
表5-5卸料力、推件力和顶件力系数mm
料厚/mm
K卸
K推
K顶
钢
≤0.1
>0.1~0.5
>0.5~2.5
>2.5~6.5
>6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.02
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.08
0.06
0.05
0.03
铝及铝合金
紫铜、黄铜
0.025~0.08
0.02~0.06
0.03~0.07
0.03~0.09
K推-推件力系数通过查表5-5确定,推件力系数取K推=0.055;
由F冲=115686.48,K推=0.055,n=6/1.2,代入公式(5-5)得:
推件力
=6/1.2×
0.055×
115686.48
=31813.782N
K卸-卸料力系数通过查表5-5确定,卸料力系数取K卸=0.045;
由F冲=115686.48,K=推0.045,代入公式(5-6)得:
卸料力
=0.05×
=5784.324N
5.2.3总冲压力的计算
=115686.48+31813.782+5784.324
=153284.586N
5.2.4初选压力机
压力机可分为机械式和液压式,机械式分为摩擦压力机、曲柄压力机、高速冲床,液压式分为油压机、水压机。
而在生产中一般常选用曲柄压力机,曲柄压力机分有开式和闭式两种,开式机身形状似英文字母C,其机身前端及左右均敞开,操作可见大,但机身刚度差,压力机在工作负荷作用下会产生变形,一般压力机吨位不超过2000KW。
闭式机左右两侧封闭,机身刚度好,压力机精度高。
考虑到零件尺寸较大,在此选闭式单点压力机。
根据以上计算数值,查下表5-6初选压力机为J23-16型压力机。
表5-6开式单点压力机规格及参数
型号
J23-3.15
J23-6.3
J23-10
J23-16
公称压力/KN
31.5
滑块行程/mm
45
55
最大装模高度/mm
150
180
装模高度调节量/mm
滑块中心线至床身
距离/mm
滑块底面尺寸/mm
前
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