空气滤清器壳冲压工艺及模具设计

空气滤清器壳冲压工艺及模具设计内容摘要：

工位级进模 (供大量生产 )，以及研制快速换模装置，可减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于大批量生产的先进冲压技术合理地应用于小批量多品种生产。 冲压设备除了厚板用水压机成形外，一般都采用机械压力机。 以现代高速多工位机械压力机为中心，配置 开卷、矫平、成品收集、输送等机械以及模具库和快速换模装置，并利用计算机程 5 序控制，可组成高生产率的自动冲压生产线。 在每分钟生产数十、数百件冲压件的情况下，在短暂时间内完成送料、冲压、出件、排废料等工序，常常发生人身、设备和质量事故。 因此，冲压中的安全生产是一个非常重要的问题。 1． 2 冲压技术的发展趋势 进入 90 年代以来，高新技术全面促进了传统成形技术的改造及先进成形技术的形成和发展。 21 世纪的冲压技术将以更快的速度持续发展，发展的方向将更加突出“精、省、净”的需求。 冲压成形技术将更加科学化、 数字化、可控化。 科学化主要体现在对成形过程、产品质量、成本、效益的预测和可控程度。 成形过程的数值模拟技术将在实用化方面取得很大发展，并与数字化制造系统很好地集成。 人工智能技术、智能化控制将从简单形状零件成形发展到覆盖件等复杂形状零件成形，从而真正进入实用阶段。 注重产品制造全过程，最大程度地实现多目标全局综合优化。 优化将从传统的单一成形环节向产品制造全过程及全生命期的系统整体发展。 对产品可制造性和成形工艺的快速分析与评估能力将有大的发展。 以便从产品初步设计甚至构思时起，就能针对零件的可成形性及所需性能的保 证度，作出快速分析评估。 冲压技术将具有更大的灵活性或柔性，以适应未来小指量多品种混流生产模式及市场多样化、个性化需求的发展趋势，加强企业对市场变化的快速响应能力。 重视复合化成形技术的发展。 以复合工艺为基础的先进成形技术不仅正在从制造毛坯向直接制造零件方向发展，也正在从制造单个零件向直接制造结构整体的方向发展。 深入研究冲压变形的基本规律、各种冲压工艺的变形理论、失稳理论与极限变形程度等；应用有限元、边界元等技术，对冲压过程进行数字模拟分析，以预测某一工艺过程中坯料对冲压的适应性及可能出现的质量问题，从而 优化冲压工艺方案，使塑性变形理论逐步起到对生产过程的直接指导作用。 制造冲压件用的传统金属材料，正逐步被高强钢板、涂敷镀层钢板、塑料夹层钢板和其他复合材料或高分子材料替代。 随着材料科学的发展，加强研究各种新材料的冲压成形性能，不断发展和改善冲压成形技术。 在模具设计与制造中，开发并应用计算机辅助设计和制造系统（ CAD/CAM），发展高精度、高寿命模具和简易模具（软模、低熔点金模具等）制造技术以及通用组合模具、成组模具、快速换模装置等，以适应冲压产品的更新换代和各种生产批量的要求。 推广应用数控冲压设备、冲压 柔性加工系统（ FMS）、多工位高速自动冲压机以及智能机器人送料取件，进行机械化与自动化的流水线冲压生产。 精冲与半精冲、液压成形、旋压成形、爆炸成形、电水成形、电磁成形、超塑成形等技术得到不断发展和应用，某些传统的冲压加工方法将被它们所取代，产品的冲压加工趋于更合理、更经济。 6 2 冲压工艺分析 2． 1 零件材料的分析 冷冲压模具包括冲裁、弯曲、拉深、成形等各种单工序模和由这些基本工序组成的复合模、级进模等各种模具。 设计这些模具时，首先要了解被加工材料的力学性能。 材料的力学性能是进行模具设计时各种计算的主要 依据。 故在分析零件冲压成形工艺，设计冲压模具前，必须要了解和掌握材料的一些力学性能，以便设计。 现将 空气滤清器壳 零件材料为 10 号钢的力学性能主要参数及其概念叙述如下： （ 1）应力 ：材料单位面积上所受的内力，单位是 N/mm2 ，用 Pa 表示。 106 Pa=1MPa； 1MPa = 1N/mm2 ； 109 Pa = 1GPa。 （ 2）屈服点 σ s：材料开始产生塑性变形时的应力值，单位是 N/mm2。 弯曲、拉深、成形等工序中，材料都是在达到屈服强度时进行塑性变形而完成该工序的成形的。 经查表取 σ s = 210 MPa。 （ 3）抗拉强度σ b。 材料受到拉深作用，开始产生断裂时的应力值，单位是 MPa。 σ b = 340MPa。 （ 4）抗剪强度τ b。 材料受到剪切作用，开始产生断裂时的应力值，单位是 MPa。 取τ b = 255～333MPa。 （ 5）弹性模量 E。 材料在弹性范围内，表示受力与变形的指标，弹性模量大，表示材料受力后变形较小，或者说，产生一定的变形需要较大的力。 E = 194 x 103 MPa。 （ 6）屈服比σ s/σ b。 是材料的屈服强度与抗拉强度之比，其值越小，表示材料允许的塑性变形区越大，在拉深工序中，材料的屈服比较小时，所需的压边力和所需克服的摩擦力相应的减小，有利于提高成形极限。 （ 7）伸长率δ。 在材料性能实验时，试件由拉伸试验机拉断后，对接起来测量长度，其伸长量与原长度之比 称为伸长率，其数值用“％”表示，其数值越大表示材料的塑性越好。 经查表可得，材料为 10 号钢的伸长率δ =31％。 综上所述，对 空气滤清器壳 零件材料 10 号钢的力学性能分析，主要是为了便于模具设计中各参数的计算，故在后序的模具设计中各参数的计算均以上面所取的数值进行计算。 零件工艺性的分析 冲压件工艺性是指冲压零件在冲压加工过程中加工的难易程度。 虽然冲压加工工艺过程包括备料 — 冲压加工工序 — 必要的辅助工序 — 质量检验 — 组合、包装的全过程，但分析工艺性的重点要在冲压加工工序这一过程里。 而冲压加工工序很多，各种工序中 的工艺性又不尽相同。 即使同一个零件，由于生产单位的生产条件、工艺装备情况及生产的传统习惯等不同，其工艺性的涵义也不完全一样。 这里我们重点分析零件的结构工艺性。 7 该零件为 空气滤清器壳 ，结构简单，对称，是典型的冲压件。 在冲压过程中要注意控制冲载程度，加工时，根据零件的结构，形状等一些技术要求，应考虑以下几点： （ 1）凸、凹模间隙的决定 ：对于断面垂直度、尺寸精度要求不高的零件，在保证零件要求的前提下，应以降低冲载力，提高模具寿命为主，采用大间隙；对于断面垂直度、尺寸精度要求较高的零件，应选用较小的间隙值。 间隙 Z=2t(1h/t)tanβ。 （ 2）考虑模具刃口钝利情况 ：当模具刃口磨损成圆角变钝时，刃口与材料接触面积增加，应力集中效应减轻，挤压作用大，延缓了裂纹的产生，制件圆角大，光亮带宽，但裂纹发生点要由刃口侧面向上移动，毛刺高度加大，即使间隙合理，也仍会产生毛刺。 根据零件图，初步分析可以知道 空气滤清器壳 零件的冲压成形需要多道工序才能完成，进行反拉深，形成外形尺寸形状，其次冲孔。 综上所述 ， 空气滤清器壳 由原始毛坯冲压成形应包括的基本工序有：反拉深，冲孔复合模等。 确定工艺方案和模具形式 在冲压分析的基础上，找出工艺与模具设计的特点与难点，根据实际情况提出各种可能的冲压工艺方案，内容包括工序性质，工序数目，工序顺序及组合方式等，有时同一种冲压零件也可能存在多个可行的方案，通常每种方案各有优缺点，应从产品质量生产效率，设备占用情况，模具制造的难易程度和模具的使用寿命的高低，生产成本，操作方便与安全程度等方面进行综合分析、比较，确定出适合于现有生产条件的最佳方案，故在一定的条件下，以最简 单的方法，最快的速度，最少的劳动量，最少的费用，可靠的加工出符合图样各项要求的零件，在保证加工质量的前提下，选择经济合理的工艺方案。 确定工艺方案及模具形式： 根据对冲压零件的形状、尺寸、精度及表面质量要求的分析结果，确定冲压所需的基本的工序，反拉深，冲孔复合。 根据初步工艺计算，确定工艺数目，如冲压次数等。 根据个别工序的变形特点、质量要求等确定工序顺序。 一般可按照下列原则进行： 1）、对冲带孔的或有缺口的冲裁件，如选用简单模，一般先落料，再冲孔或切口，使用级进模，则先冲空孔或切口后落料 2）、对于到孔的拉深件，一般先拉深，后冲孔，但孔的位置在零件底部且孔径尺寸要求不高时，也可先冲孔后拉深。 3）、对于形状复杂的拉深件，为便于材料变形和流动，应先形成内部形状，再拉深外部形状。 4）、整形或校平工序，应在冲压件基本成型以后进行。 根据生产批量和条件（冲压加工条件和模具制造条件）确定工序组合。 生产批量大时，冲压工序应尽可能组合在一起，用复合模具；小批量生产用单工序简单模。 8 由于 离合器 冲压成形需要的多道工序完成，因此选择合理的成形工艺方案十分重要，考虑到生产批量大，应在生产 合格零件的基础上尽量提高生产效率，降低生产成本。 要提高生产成本，应该尽量选择合理的工艺方案，选择复合能复合的工序，但复合程度太高，模具的结构复杂，安装调试困难，模具成本高，同时可能降低模具的强度，缩短模具寿命。 根据零件形状确定冲压工序类型和选择工序顺序，为了提高生产率，保证模具结构简单，冲压件尺寸稳定、精度高，冲压该零件的基本工序为反拉深，冲孔复合模。 图 所示为 空气滤清器壳 零件，材料为 10 号钢，厚度为 t=2mm，大批量生产。 而冷冲压是一种先进的金属加工方法，这是建立在金属塑性变形的基础上，利用 模具与冲压设备对板料金属进行加工，以获得所需要的零件形状和尺寸。 冷冲压和切削加工相比较，具有生产率高，加工成本低，材料利用率高，产品尺寸精度稳定，操作简单，容易实现机械化和自动化等一系列优点，特别适合大批量生产，因此，此零件的生产选用冲压加工较为经济合理。 图 空气滤清器壳 2． 4 冲压工序数确定 由零件图（ ），冲压开始，毛坯材料应先进行落料工序，通过计算初步确定毛坯的外形尺寸，落料件为圆形，压力中心在圆心上，为典型的落料；落料之后包括了正拉深、反拉深、冲孔、等工序；进行拉深时，须用经验公式计算拉深系数 m，判断是否可以一次拉深成形，通过验算可知此零件可以一次拉深成形；然后在冲中心孔，综上可知，冲压此零件主要有以下几个基本工序： （ 1） 落料； （ 2） 正拉深； （ 3） 反拉深； （ 4） 冲中间孔； 2． 5 模具类型的确定 冲压生产的模具制造费用比较高，占冲压件总成本的 10%~30%， 甚至更高，所以采用冲压加工的生产方式，必须视生产批量决定采用何种模具形式，由表 28[2]：生产批量与模具形式之间的关系，参考知，此工件为大批量生产，如果采用单工序模，虽然单工序模具有结构简单，操作安 9 全方便，模具使用寿命高，成本低等优点，但最主要是工序数较大，生产批量大，形状较为复杂，采用单工序模很难达到精度要求，且生产率低，位置误差较大，故不采用单工序模；所以模具形式采用级进模与复合模较为合理，显然此工件满足冲压工艺的要求，成形时包括了落料、反拉深、冲孔、压筋等工序，整形与车边采用专用模具与车床进行，且工 件体积较大，拉深与压筋都比较容易实现，但由此工件的形状分析知不适合采用级进模。 通过表 29[2]单工序模、级进模与复合模的比较，综合考虑各种生产成本和经济性，确定此工件的冲压成形模具采用复合模具。 2． 6 工艺方案分析 采用落料拉深冲孔复合模，而本人要做的是毛坯已经是落料正拉深之后的零件了，所以工艺方案为反拉深冲孔复合模。 3 模具结构型式的确定 通过以上工 艺分析与工艺方案的确定，选定模具种类：落料模，拉深模，冲孔模 等，而落料与 正 拉深复合， 反拉深与 冲孔复合，整形为一套模具，总共为 二套模具，本设 计只设计其中的反拉深 与冲孔 复合模具 ， 综合 上面的分析，画出模具的结构草图 ： ?50H7r6?35H7h6?35H7r6?16H7m6?16H7m6?81H7h6?16H7h6?99H7h6?8H7h6 ?8H7h64 部分工艺参数计算 4． 1 毛坯尺寸计算： 尺寸不变原理 拉深前和拉深后材料的体积不变； 对于不变薄拉深因假设变形中材料厚度不变，既拉深前毛坯的面积与工件面积相等。 相似原理 毛坯的形状一般与工件截面形状相似；毛坯的周边必须制成光滑曲线， 无急剧的转折。 如图示零件其毛坯既为圆形。 这样，当工件的重量、体积或面积已知时，其毛坯尺寸就可以求得。 其具体方法有：等重量法，等体积法 ，等面积法，分析图解法和作图法等。 在生产上应用的最多的是等面积法，下面就用等面积 10 法求出图示零件的毛坯尺寸。 先计算零件的表面积。 因材料厚度 为 3mm， 则以 中 径来计算。 由于拉深时材料厚度不均匀，机械性能有方向性，模具的间隙不均匀以及毛坯定位不准确等原因，拉深后工件的口部是不齐平的。 为使工件整齐，应切去不平的部分。 在生产上用的最多的是等面积法来计算零件的毛坯尺寸。 先计算零件的表面积，因材料厚度大于 1mm,如以外径和外高或内部尺寸来计算，则毛坯尺寸误差大。 故对于料厚大于 1mm 的工件，应以零件厚度的中线为准来计算，即零 件尺寸从料厚中间算起。 由于拉深时材料厚度不均匀，机械性能有方向性，模具的间隙不。