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设计作业
第一章课题简介
1.1冲压模具工作零件材料要求
冲压模具工作时要承受冲击、振动、摩擦、高压和拉伸、弯扭等负荷,甚至在较高的温度下工作(如冷挤压),工作条件复杂,易发生磨损、疲劳、断裂、变形等现象。
因此,对模具工作零件材料的要求比普通零件高。
由于各类冲压模具的工作条件不同,所以对模具工作零件材料的要求也有所差异。
(1)冲裁模材料的要求
对于薄板冲裁模具的工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度,而对厚板冲裁模除了要求具有高的耐磨性、抗压屈服点外,为防止模具断裂或崩刃,还应具有高的断裂抗力、较高的抗弯强度和韧性。
(2)拉深模材料的要求
要求模具工作零件材料具有良好的抗粘附性(抗咬合性)、高的耐磨性和硬度、一定的强韧性以及较好的切削加工性能,而且热处理时变形要小。
(3)冷挤压模材料的要求
要求模具工作零件有高的强度和硬度、高耐磨性,为避免冲击折断,还要求有一定的韧性。
由于挤压时会产生较大的升温,所以还应具有一定的耐热疲劳性和热硬性
1.2冲压模具材料的种类及特性
制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。
目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主,常用的模具工作部件材料的种类有:
碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。
(1)碳素工具钢
在模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等,优点为加工性能好,价格便宜。
但淬透性和红硬性差,热处理变形大,承载能力较低。
(2)低合金工具钢
低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。
与碳素工具钢相比,减少了淬火变形和开裂倾向,提高了钢的淬透性,耐磨性亦较好。
用于制造模具的低合金钢有CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代号GD)等。
(3)高碳高铬工具钢
常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1(代号D2),它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性,热处理变形很小,为高耐磨微变形模具钢,承载能力仅次于高速钢。
但碳化物偏析严重,必须进行反复镦拔(轴向镦、径向拔)改锻,以降低碳化物的不均匀性,提高使用性能。
(4)高碳中铬工具钢
用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等,它们的含铬量较低,共晶碳化物少,碳化物分布均匀,热处理变形小,具有良好的淬透性和尺寸稳定性。
与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比,性能有所改善。
(5)高速钢
高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度,承载能力很高。
模具中常用的有W18Cr4V(代号8-4-1)和含钨量较少的W6Mo5Cr4V2(代号6-5-4-2,美国牌号为M2)以及为提高韧性开发的降碳降钒高速钢6W6Mo5Cr4V(代号6W6或称低碳M2)。
高速钢也需要改锻,以改善其碳化物分布。
(6)基体钢
在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素,适当增减含碳量,以改善钢的性能。
这样的钢种统称基体钢。
它们不仅有高速钢的特点,具有一定的耐磨性和硬度,而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢,为高强韧性冷作模具钢,材料成本却比高速钢低。
模具中常用的基体钢有6Cr4W3Mo2VNb(代号65Nb)、7Cr7Mo2V2Si(代号LD)、5Cr4Mo3SiMnVAL(代号012AL)等。
(7)硬质合金和钢结硬质合金
硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢,但抗弯强度和韧性差。
用作模具的硬质合金是钨钴类,对冲击性小而耐磨性要求高的模具,可选用含钴量较低的硬质合金。
对冲击性大的模具,可选用含钴量较高的硬质合金。
钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末(如铬、钼、钨、钒等)做粘合剂,以碳化钛或碳化钨为硬质相,用粉末冶金方法烧结而成。
钢结硬质合金的基体是钢,克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点,可以切削、焊接、锻造和热处理。
钢结硬质合金含有大量的碳化物,虽然硬度和耐磨性低于硬质合金,但仍高于其它钢种,经淬火、回火后硬度可达68~73HRC。
1.3课题分析
本课题研究的形状.尺寸如下图所示。
其材料为Q235钢板,料厚为1.5mm,制件尺寸精度为IT14,批量生产。
要采用冲压生产,要求编制冲压工艺。
第二章工艺分析
2.1工艺分析
该制件形状简单,尺寸较小,厚度适中,一般批量,属普通冲压件,但要注意几点:
1.该制件在折弯时,在设计这套模具时要考虑回弹的问题。
2.有一定的批量,应重视模具材料和结构的选择,保证一定的模具寿命。
2.1.1工艺方案的分析与确定
1)、工艺方案的分析
根据制件的工艺性分析,其基本工序有冲孔、落料、弯曲、三种。
按先后顺序组合,可得如下几种方案:
1、冲孔-落料-弯曲,单工序冲压。
2、落料-冲孔-弯曲,单工序冲压。
3、落料冲孔复合-弯曲,复合冲压+单工序折弯。
方案1、2属于单工序冲压,由于此制件生产批量较大,这两种方案生产率较底,操作也不安全,故不宜采用。
方案3使用的是复合模,生产效率高,冲裁件的内孔与外缘的相对位置精度高,故此方案最为合适。
2.1.2、模具结构形式的确定
1)落料冲孔模:
因制件较薄,为保证制件平整,采用弹压卸料装置。
它还可对冲孔凸模起导向作用。
为方便操作和取件,选用多工位压力机,横向送料。
因制件比较规则,故采用定位销定位,生产方便,模具制造方便,节约成本。
终上所述,选用弹性卸料纵向送料典型组合结构形式,中间滑动导柱。
2)弯曲模:
折弯后难以取下,故在凸模上开槽,制件从槽中抽出,由于两大孔有一定同轴度要求,所以采用定位销定位,因制件的尺寸较小,采用弹压板卸料,选用开式压力机。
2.2工艺方案的确定
1、计算毛坯尺寸相对弯曲半径为:
R/t=1.5/1.5=1>0.5
式中R——弯曲半径(mm)
t——料厚(mm)
根据中性层的定义,弯曲件的坯料长度等于中性层的展开长度。
中性层位置以曲率半径ρ表示,通常用下面经验公式确定:
ρ=R+xt
式中x——由实验测定的应变中性层位移系数。
由冷冲压技术书表4-5可查出应变中性层位移系数X值,查出X=0.32
ρ=(1.5+0.32×1.5)mm=1.98mm
按中性层展开的原理,坯料总长度应等于弯曲件直线部分和圆弧部分长度之和,即
Lz=2l1+l2+2(πα/180°)ρ
式中Lz——坯料展开总长度;
α——弯曲件中心角(°);
Lz=2*17+12+2*(90°*π/180°)*1.98
=46+1.98*π=52.22mm
a=2.0mma1=1.8mm
由图可知条料板的宽度为:
56.22mm
3、计算各工序压力、压力中心,初选压力机。
1)落料冲孔工序
〈1〉冲孔落料力计算:
F落料=KLtτb
L=(3.11+3.11+12)×2+14+2×10.3+2×14.4+10π
=50.44+20.6+28.8+31.4
=131.24mm
F=1.3×131.24×1.5×420
=107.49KN
式中τb——材料的抗剪强度τb=420MPa(查资料·2表4-12得)
K——系数一般取K=1.3
L——冲裁周边总长
T——材料厚度为材料的抗剪强度†
〈2〉卸料力、推件力、顶件力计算
当上模完成一次冲裁后,冲入凹模内的制件或因弹性扩张而梗在凹模内,模面上的材料因弹性收缩而紧箍在凸模。
为了使冲裁工作继续进行,必须将箍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
Fx=Kx*F
Ft=nKt*F
式中F——冲裁力;
Kx、Kt——卸料力、推件力、顶件力系数,参考文献
(1)表3-19;
N——同时卡在凹模内的冲裁件(或废料)数。
N=h/t
由文献
(1)表3-19可得Kx=0.05Kt=0.55
按冲裁的板料厚度和模具的寿命要求定h=6mm
因此:
Fx=0.05×107.49KN=5.37KN
Ft=4×0.055×107.49KN=23.65KN
〈3〉总压力计算
F总=F+Fx+Ft=107.49+5.37+23.65KN=136.51KN
〈4〉初选压力机
根据厂里的实际情况可选择J23系列开式可倾台压力机,初选压力机Z81-40。
〈5〉确定压力中心
由于该制件的毛坯为左右对称,所以XG=0因此压力中心必定与制件的几何中心重合。
选用悬挂法求出YG。
第三章模具结构设计
在压力机的一次工作行成中,完成多道工序的模具,称为复合模。
如下页图所示是冲孔落料复合模的基本结构。
倒装式复合模的特点是:
结构紧凑,生产率高,制件精度高,特别是制件对外形的位置度容易保证。
另一方面,复合模结构复杂,对模具零件精度的要求较高,模具的装配精度要求也较高。
根据确定的冲压工艺方案和制件的形状特点、要求等因素确定冲模的类型,材料及结构形式。
3.1模具结构形式的选择
模具的对材料的要求是很高的,而且它的凸凹模又是镶拼式的,所以材料的选择很重要。
在这里,我们选用Cr12Mov作为其材料,因为该制件的生产批量大,而Cr12Mov具有强度高,韧性好,耐磨性好抗回火稳定性和热处理变形小的高性能模具材料。
1)模具工作部分的尺寸和公差的确定正确确定模具刃口尺寸及制造公差,是设计冲裁模的主要任务之一。
从生产实践中可以发现:
由于凸、凹模之间存在间隙,使得落下的制件或冲出的孔都带有锥度,且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸,冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。
2)在测量与使用中,落料件以大端尺寸为基准,冲孔孔径以小端尺寸为基准。
3)冲裁时,凸、凹模要与冲裁件或废料发生摩擦,凸模越磨越小,凹模越磨越大,结果使间隙越来越大。
由此在决定模具刃口尺寸及制造公差时需要考虑以下原则:
(1)落料件尺寸应由凹模尺寸决定,冲孔件的尺寸应由凸模尺寸决定。
故设计落料模时,以凹模为基准,间隙取在凸模上;设计冲孔模时,以凸模为基准,间隙取在凹模上。
(2)考虑到冲裁时凸、凹模的磨损,设计落料模时凹模基本尺寸应取制件尺寸公差范围的较小尺寸;设计冲孔模时,凸模基本尺寸应取工件孔尺寸公差范围的较大尺寸。
这样在凸、凹模磨损一定程度下,仍能冲出合格的制件。
(3)确定冲模刃口公差时,应考虑制件的公差要求。
如果对刃口尺寸精度要求太高,会使模具制造困难,增加成本,延长生产周期,如果对刃口尺寸精度要求过低,会使模具的寿命降低,生产出来的制件可能不合格。
若制件没有标注公差,对于非圆形件按国家标准“非配合尺寸的公差数值”IT14级处理,冲模则可按IT11级制造;对于圆形件,一般可按IT7—IT6级制造模具。
冲压件的尺寸公差应按“入体”原则标注为单向公差,落料件上偏差为零,下偏差为负;冲孔件上偏差为正,下偏差为零。
3.2计算落料凸、凹模的刃口尺寸
凸、凹模分别按IT13和IT13级加工制造,则
冲孔:
d凸=(dmin+xΔ)-∂t0=(3.5+0.75*0.18)0-0.020=3.6350-0.017mm
d凹=(d凸+Zmin)-∂a0=(3.635+0.132)+0.0200=3.767+0.0200mm
由文献
(1)表3-7、3-5、3-6查的:
X=0.75mm
Zmax=0.240mmZmin=0.132mm
校核:
0.020+0.020=0.040<00108mm
由此可得该尺寸能保证间隙在合理的范围内,故可取。
落料:
考虑到工件形状较复杂,采用配作法加工凹凸模,凹凸模磨损后其尺寸变化有两种情况,如图所示:
(1)凹模磨损后变大的尺寸:
A1、A2.
刃口尺寸计算公式:
AA=(Amax-XΔ)+∂a0
由文献
(1)表3-7得:
X1=0.5、X2=0.75
A1A=(13.5-0.5×0.22)+1/4×0.220mm=13.39+0.0550mm
A2A=(5-0.75×0.12)+1/4×0.120mm=4.91+0.030mm
(2)凹模磨损后不变的尺寸:
C1、C2、C3、C4
刃口尺寸计算公式:
CA=C+∂a'
C1A=18.22+0.20/4mm=18.22+0.05mm
C2A=9+0.10/4mm=9+0.025mm
C3A=5+0.10/4mm=5+0.025mm
C4A=16.11+0.22/4mm=16.11+0.055mm
式中AA、CA——相应的凹模刃口尺寸
Amax——工件的最大极限尺寸
C——工件的基本尺寸
Δ——工件的公差
Δ'——工件的偏差
∂a'——凹模制造偏差,通常取∂a'=Δ'/4
查文献
(1)表3-5得:
Zmin=0.132mmZmax=0.240mm
凸模刃口尺寸按凹模实际尺寸配制,保证双面间隙值:
(0.132~0.240)mm
3.3模具结构设计
1)凹模周界尺寸计算:
因制件形状简单,尺寸较小,故选用整体式矩形凹模比较合理.
凹模厚度尺寸H的计算:
H=kB=0.35×52.22mm=18.277mm
将凹模厚度圆整为20mm
C=2H=2×20mm=40mm
送料方向的凹模长度:
L=B+2C=52.22+40mm=92.22mm
垂直于送料方向的凹模宽度:
B=S+2C=19+40=59mm
K——系数,考虑板料厚度的影响,查文献
(1)表3-25
B——冲压件的最大长度
S——冲压件的宽度
由文献
(2)表5-8查的典型组合的凹模周界尺寸为100×63×140~165(单位为mm)(JB/T8066.1—1995)。
3.4凹模的固定方法和主要技术要求
凹模采用螺钉和销钉固定,螺钉和销钉的数量、规格及位置可根据凹模的大小在标准的典型组合中查得,螺钉和销钉的位置可根据结构的需要作适当的调整。
螺孔和销孔之间以及它们到模板边缘的尺寸,应满足有关技术要求。
凹模洞孔轴线应与凹模顶面保持垂直,上下平面应保持平行,型孔的表面有粗糙度的要求,Ra=0.8-0.4μm凹模材料的选择与凸模一样,但热处理后的硬度应略高于图、凸模。
3.5校核压力机安装尺寸
模座的外形尺寸为280mm*180mm,闭合高度为165mm,由资料
(2)表4-33查得J23-40最大闭合高度为165mm,故符合安装要求.
第四章结构设计及尺寸计算
4.1弯曲模的力的计算
弯曲模具的设计是在弯曲工序确定了以后的基础上进行的,设计时应注意弯曲件的形状、精度要求、材料性能以及生产批量等因素。
本工件属于U形件的弯曲而且是两边的边弯曲,为了达到图纸的要求,要考虑回弹,计算相对弯曲半径。
设计弯曲模时应注意的问题:
1、毛坯放置在模具上必须保证有可靠的定位。
本副模具中设计了定位孔来定位
2、设计模具的结构时,应注意放入和取出工件的操作安全可靠,迅速和方便
3、弯曲凸、凹模的定位要准确,结构要牢靠,不允许有相对转动和位移。
4、对于对称弯曲件,弯曲模的凸模圆角半径和凹模圆角半径应保证两侧对称相等,以免弯曲时毛坯发生滑动、偏移。
5、结构设计时应考虑当压力机的滑块到达下极点时,使工件的弯曲部分在与模具相接触的工作部分间能得到校正。
6、设计弯曲模时,可以先将凸模圆角半径做成最小允许尺寸,以便试模后根据需要休整放大。
为了尽量减少工件在弯曲过程中的拉长、变薄和划伤等现象,弯
曲模的凹模圆角应光滑,凸、凹模的间隙要适当不宜过小。
7、当弯曲过程中有较大的水平侧向力作用于模具时,应设计侧向力平衡挡块等结构予以均衡。
当分体式凹模受到较大的侧向力作用时,不能采用定位销承受侧向力,要将凹模嵌入下模座内固定。
因为该制件是一个U形件,弯曲角成90O在模具设置的弹顶装置和顶板,在弯曲过程中顶板始终压住工件。
同时利用半成品[坯料上已有的两个孔设置了定位销,对工件进行定位并有效地防止毛坯在弯曲过程中的滑动偏移。
1.计算工序的压力,压力中心,初选压力机。
1)自由弯曲时弯曲力的计算
F=(0.7*K*b*t2*σb)/(r+t)
=0.7*1.3*13.5*1.52*420/(1.5+1.5)
=3569.775N≈3.6KN
式中:
b——为弯曲件的宽度;
t——为弯曲件的厚度;
r——为内弯曲半径;
σb——弯曲强度;
K——为安全系数,K=1.3;
2)整形力的计算
F校=Ap
=1.5*13.5*120*2
=4.860KN
3)顶件力的计算
FD=(0.3-0.8)F
=0.5*3.6
=1.8KN
F总=(3.6+4.86+1.8)KN
=10.6KN
4)初选压力机:
由于该制件是一件尺寸不是很大,可选用JH21系列液压开式固定台压力机。
在这里根据总压力为10.6KN,以及闭合高度等因素考虑,从资料
(2)表4-31提供的压力机公称压力序列中选取400KN的压力机,型号为J21-40.
确定压力中心:
同上两道工序一样,在此工序中我们也以该制件的几何中心作为压力中心。
4.2弯曲模的模具结构设计
根据确定的工艺方案和制件的形状特点,要求等因素确定冲模的类型及结构形式。
在这里,由于前两道工序都采用了镶拼式凸凹模的结构形式,所以在这道工序中我们也采用这种模具结构,因为制件的凸凹模材料是cr12,这种材料要比一般的材料要贵得多,如果采用整体式的,模具的制造成本增加,而且凸凹模是经常容易坏的零件,如果做成整体的模具的加工时间也会相应的增加。
所以在这里我们选用镶拼式凹模结构。
1.凸模圆角半径
因工件的相对弯曲半径r/t较小,所以凸模圆角半径rT取等于工件的弯曲半径。
2.凹模圆角半径
凹模圆角半径rA不能过小,以免擦伤工件表面,影响冲模寿命,凹模两边的圆角半径应一致,否则在弯曲时坯料会发生偏移。
由文献
(1)知:
当t≤2mm时
rA=(3~6)t
因此rA=4x1.5=6mm
3.凹模深度
凹模深度l0过小,则坯料两端未受压部分太多,工件回弹大且不平直,影响工件质量。
若过大,则浪费模具钢村,且需冲床有较大的工作行程。
U形件弯曲模:
对于要求两边平直的U形件,则凹模深度应大于零件的高度h0,见文献
(1)表4-12得:
h0=4mm
4.凸、凹模间隙
Z=tmax+Ct=t+∆+Ct
=1.5+0.1+0.05x1.5
=1.675mm
式中Z——弯曲模凸、凹模单边间隙;
t——工件材料厚度的正偏差;
∆——材料厚度的正偏差;
C——间隙系数,见文献
(1)可查表4-14.
5.凸凹模横向尺寸公差
由于零件图尺寸标注在内形上
凸模尺寸为:
LT=(Lmin+0.75∆)0-∂T
=(22.5+0.7x0.2)0-0.05
=22.640-0.05
凹模尺寸为:
LA=(LT+2Z)+∂A0
=(22.64+2x1.675)+0.080
=25.99+0.080
式中LT——凸模横向尺寸;
Lmin——弯曲件横向的最小极限尺寸;
∆——弯曲件横向的尺寸公差,对称偏差时∆=2∆';
∂T、∂A——凸、凹模的制造公差。
1)选择模架及确定其他冲模零件:
由于生产效率等各个方面的原因,我们不用标准模架,而选用本厂生产的模
架,并用滑动独立导柱,根据凹模周界尺寸为D=250mm,我们选用250mm*125mm的模架,并选用适合的独立导柱。
3)卸料,弹性元件的确定
冲压工艺中常用弹簧,橡胶等弹性元件作为卸料,压边的弹性元件,但是由于这副模具对卸料力和压边力没有要求,所以在此我们就不用这些弹性元件。
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