毕业论文设计合页铰链冲压工艺分析及模具设计

毕业论文设计合页铰链冲压工艺分析及模具设计内容摘要：

以下特点： （ 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。 这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。 [7] （ 2）用冷冲压加工方法可以得到形状复杂、用其他加工方法难以加工的工件，如薄壳零件等。 冷冲压的尺寸精度是由模具保证的，因此，尺寸稳定，互换性好。 （ 3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表针，大 到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压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，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，同时冲压件的成本较低。 但是，冲压加工中所用的模具一般结构比较复杂，生产周期较长、成本较高。 因此，在单件、小批量生产中采用冲压工艺受到一定的限制。 冲压工艺多用于成批、大量生产。 冲模是冲压加工工艺的装备之一，被广泛地运用在汽车、飞机、电机、仪表以及国防工业中。 冲压工艺具有生产效率高、生产成本低、材料利用率高、能成形复杂零件、适合大批 量生产的优点，在某些领域已取代机械加工，并正逐步扩大其工艺范围。 因此，冲压技术对发展生产、增强效率、更新产品等方面具有重要的作用。 但同时，冲压技术的推广受到模具成本高，不适应中小生产规模的限制。 但是总的说来，随着我国经济实力的进一步加强，模具行业，包括冲模一定会得到更普及地应用。 冲模的设计包括冲裁模设计、弯曲模设计、拉伸、胀形等模具的设计。 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。 本次设计的零件包括了冲孔、落料和卷圆的加工。 通过对冲孔模、落料模、 卷太原工 业学院毕业设计 2 圆模的学习，分析和比较了各加工工艺方案，完成了模具总体的结构分析与设计，进行毛坯尺寸、排样、工序尺寸、冲压压力、压力中心、模具工作部分尺寸等工艺计算。 绘制了装配草图并进行零部件初步选用设计，然后确定外形尺寸，选择冲压设备，绘制总的装配图和零件图并制定了典型零件的加工工艺规程。 设计说明 本次设计的是合页铰链模具。 有冲孔、落料、卷圆三道工序。 设计的难点是既要冲孔落料又要卷圆，所以用级进模具比较复杂。 因此可以分开设计成三套模具：冲孔，落料用一套模具，卷圆用另外一套模具。 在卷圆前还需要有一道预弯工 序以减小卷圆时模具所受到的侧向力，同时也可以提高模具使用寿命。 设计内容及过程 对零件进行分析可知工件需落料、冲孔、卷圆，确定该工件采用三套模具加工而成。 第一套模具为落料冲孔复合模具，第二套模具为预弯模具，第三套模具为卷圆模具。 确定了模具种类之后再作工艺计算，计算出冲裁时的冲裁力、卸料力、推件力、卷圆力、确定模具的压力中心、选择压力机和确定冲模的闭合高度，最后根据前面所计算出的内容确定模具的凸模、凹模尺寸和形状。 设计出凸模和凹的模固定板、卸料板、垫板等模具的主要零部件。 模具主要零部件结构设计 是模具设计的主要内容，其内容包含凹模结构设计、凸模结构设计、定位零件、弹性卸料装置、橡胶的选用、导柱与导套、模柄与模架的选取等重要零件的设计加工方法和加工注意要点。 结构设计确定后，根据设计的各零部件以及所选用的标准件，用 CAD 绘出所有的零件图，再根据各个零件之间的装配关系完成相应的模具总装图。 为了保证零件的加工精度和强度，在模具的设计过程中，应对凹模壁厚、定位销的位置、凸模和凹模刃口的尺寸精度等问题给予注意。 太原工 业学院毕业设计 3 2 冲压件的工艺性分析 工艺分析 （ 1）该制件为合页铰链，厚度 2mm，经零 件展开可知用矩形板料即可； （ 2）制件有卷圆部分，应该有预弯曲工艺； （ 3）制件上有小圆孔，冲小孔时应注意对冲头的保护。 工艺方案的分析 因为制件属于中厚板且形状较为复杂的工件，因此可确定其生产的基本工艺为：冲孔落料→预弯→卷圆。 太原工 业学院毕业设计 4 3 确定裁板及排样的方案 排样的意义及排样方式的确定 排样的意义 冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法称为排样。 排样合理就能用同样的材料冲出更多的零件来，降低材料消耗。 大批量生产时，材料的费用一般占 冲裁成本的 60%以上。 因此材料的经济利用是一个重要的问题，特别是对贵重的有色金属。 排样是否合理将影响到材料的经济利用、冲裁件的质量、模具结构与寿命、生产率、生产操作方便与安全等。 排样的意义就在于保证用最低的材料消耗和最高的劳动生产率得到合格的零件。 排样方式的确定 方案一：有废料排样 沿冲件外形冲裁，在冲件周边都留有搭边。 冲件尺寸完全由冲模来保证，因此冲件精度高，模具寿命高，但材料的利用率低。 [3] 方案二：少废料排样 因受剪切条料和定位误差的影响，冲件质量差，模具寿命较方案一低，但材 料利用率稍高，冲模结构简单。 [3] 方案三：无废料排样 冲件的质量和模具寿命更低一些，但材料的利用率高。 [3] 通过上述三种方案的分析比较，综合考虑模具寿命和冲件质量，该冲件的排样方式选择方案一为佳。 考虑模具结构和制造成本又废料排样的具体形式选择直排最佳。 计算毛坯尺寸以及确定搭边值 计算毛坯尺寸 查阅参考文献（ 1）可知，工件经卷圆展开后的毛坯尺寸的计算公式如下： L＝ L1＋ R •π•β180176。 （式 ） 太原工 业学院毕业设计 5 式中 R＝ r＋ K3•t； L—弯曲件的 展开长度； K3—弯曲中性层系数。 由零件图可知 r/t＝ 3/2＝ ，则查阅参考文献（ 1）附表 2 可得 K3＝。 将已知的和查表所得的数据带入（式 ）可得： L＝ 34＋ ﹙ 3＋ 2﹚ π 315176。 180176。 ＝ 57mm。 搭边 由于所用材料为 10 钢，为低碳钢而且毛坯长度为 L＝ 57mm，查阅参考文献（ 3），由表 310 可得搭边值 a 和 a1的数值如下： 工件间： a＝ ，侧面： a1＝。 送料步距 A 条料在模具上每次送 进的距离称为送料步距（简称步距或近距）。 每个步距可以冲出一个零件，也可以冲出几个零件。 查阅参考文献（ 3）可知送料步距 A 的计算公式如下： A＝ D＋ a （式 ） 式中 D—平行于送料方向的冲裁件宽度； a—冲裁件之间的搭边值。 将已知的和查表所得的数据带入（式 ）可得： A＝ D＋ a＝ 24mm＋ ＝。 条料宽度 B 查阅参考文献（ 3）可知条料宽度 B 的计算公式如下： B＝（ D＋ 2a1＋ 2Δ＋ b0） 0Δ （式 ） 式中 D—冲裁件与送料方向垂直的最大 尺寸； 太原工 业学院毕业设计 6 a1—冲裁件与条料侧边之间的搭边值； Δ —板料剪裁时的下偏差； b0—条料与导料板之间的间隙。 （ 1）由零件图可知： D＝ 57mm； （ 2）由上述可知： a1＝ ； （ 3）查阅参考文献（ 3）表 311 可知：Δ＝ ； （ 4）查阅参考文献（ 3）表 312 可知： b0＝。 将已知的和查表所得的数据带入（式 ）可得： B＝（ 57＋ 2 ＋ 2 1＋ ） ＝。 排样图的确定 根据上述所确定的毛坯尺寸、搭边值、送料步距、条料 宽度以及所选用的直排有废料排样方式，最终确定的排样图如图所示： 图 排样图 材料利用率 η 的计算 查阅参考文献（ 3）可知材料的利用率 η的计算公式如下： 太原工 业学院毕业设计 7 η＝ S1AB 100%＝ S1S2 100% （式 ） 式中 S1—一个步距内零件的实际面积； S0—一个步距内所需毛坯的面积； A—送料步距； B—条料的宽度。 将已知的和查表所得的数据带入（式 ）可得 η＝ 57 24－ 2π 178。 100%＝ %，则可知排样是合理的。 太原工 业学院毕业设计 8 4 计算各工序压力、压力中心以及初选压力机 各工序压力的计算 在此次的设计中压力包括：冲裁力、预弯卷圆力、卸料力、推件力。 冲裁力 查阅参考文献（ 3）可知冲裁力的计算公式如下： F＝ K•L•t•τ （式 ） 式中 F—冲裁力（ N）； L—冲裁件周长（ mm）； t—板料厚度（ mm）； τ—材料的抗剪强度（ MPa）； K—系数。 是考虑到刃口钝 化、间隙不均匀、材料力学性能与厚度波动等因素而增加的安全系数。 常取 K＝。 （ 1）由前述可知冲孔和切搭边余料冲裁周边长度： L＝ 57 2＋ 24 2＋ 2 π ＝ ； （ 2）查阅参考文献（ 3）表 23 可知， 10 钢的抗剪强度 τ＝ 255~333（ MPa），这里取 τ＝ 330MPa； 将已知的和查表所得的数据带入（式 ）可得： F＝ 2 330＝ ≈。 推件力 查阅参考文献（ 3）可知推件力的计算公式如下： F 推 ＝ n•K 推 •F （式 ） 式中 F—冲裁力； K 推 —推件力系数； n—梗塞在凹模内内的冲件数（ n＝ h/t）； 太原工 业学院毕业设计 9 h—凹模直壁洞口的高度； t—板料厚度。 （ 1）查阅参考文献（ 3）表 38 可知推件力系数 K 推 ＝ ； （ 2）这里取凹模直壁洞口的高度为 h＝ 6mm，则梗塞在凹模内的冲件数 n＝ 3； （ 3）冲裁力 F＝ K•L•t•τ＝ 2 π 7 2 330＝。 将已知的和查表所得的数据带入（式 ）可得： F 推 ＝ n•K 推 •F＝ 3 ＝。 卸料力 查阅参考文献（ 3）可知卸料力的计算公式如下： F 卸 ＝ K 卸 •F （式 ） 式中 F—冲裁力； K 卸 —卸料力系数； （ 1）查阅参考文献（ 3），由表 38 可知卸料力系数 K 卸 ＝ ~，此处取为K 卸 ＝ ； （ 2）冲裁力 F＝ K•L•t•τ＝ ﹙ 57 2＋ 24 2﹚ 2 330＝ 138996N。 将已知的和查表所得的数据带入（式 ）可得： F 卸 ＝ K 卸 •F＝ 138996N＝。 弯曲力 查阅参考文献（ 1）表 1124 可 知单角自由弯曲的弯曲力计算公式如下： F＝ •B •t178。 •σbr+t （式 ） 式中 F—弯曲力（ N）； B—弯曲件弯边宽度（ mm）； r—弯曲件内侧圆角半径（ mm）； σb—材料抗拉强度（ N∕ mm 178。 ）。 （ 1)由前述可知弯曲件的弯边宽度 B＝ 24mm； 太原工 业学院毕业设计 10 （ 2）由工件图可知弯曲件内侧圆角半径 r＝ 3mm； （ 3）查阅参考文献（ 3）表 23 可知 10 钢的抗拉强度 σb ＝ 294~432（ N∕ mm 178。 ），此处设计取抗拉强度 σb ＝ 430（ N∕ mm 178。 ）。 将已知的和查表所得的数据 带入（式 ）可得： F 弯 ＝ •B •t178。 •σbr+t ＝ 24 2178。 4303+2 ＝。 弯曲部分有压料装置，压料力可近似取自由弯曲力的 ~ 倍，所以压料力 F 压 ＝ •F＝ ＝。 初选压力机 （ 1）查阅参考文献（ 3）可知，采用弹压卸料装置和下出件模具时，压力机所需总压力 F 总 ＝ F+ F 卸 +F 推 ，将已知的数据带入公式可得压力机所需的总压力为： F 总 ＝ + KN + KN ＝ KN （ 2）在冷冲模设计中，一般情况下，压力机的公称压力应大于或等于成形工艺力和辅助工艺力总和的 倍，由上述计算的模具所需的压力可知所选压力机的公称压力应满足 F≧ ＝。 （ 3）查阅参考文献（ 1）表 182 可初选压力机的型号为 J2325 即可满足要求，其主要技术参数如下： 表 J2325 压力机主要技术参数表 公称压力（ KN） 滑块行程(mm) 压力机 工作台面尺寸 (mm) 滑块模柄孔尺寸 (mm) 压力机最大闭合高度 (mm) 连杆调节量 (mm) 250 65 前后： 380 左右： 610 直径： υ40 深度： 60 280 60 压力中心计算 冲压力合力的作用点称为模具的压力中心。 模具的压力中心必须通过模柄轴线而和压力机滑块的中心线重合，否则滑块就会受到偏心载荷而导致滑块导轨和模具的不太原工 业学院毕业设计 11 正常磨损，降低模具寿命甚至损坏模具，压力中心的计算式采用空间平行力系的合力作用线的求解方法。 通过对零件的排样图的分析，如下图所示建立坐标系： 图 压力中心计算图 查阅参考文献（ 3）可知压力中心的计 算公式如下所示： X0＝ L1•X1＋ L2•X2＋„＋ Ln •XnL1+L2＋„＋ Ln （式 ） Y0＝ L1•Y1＋ L2•Y2＋„＋ Ln •YnL1+L2＋„＋ Ln （式 ） 式中 L L„„ Ln 为各凸模的周长， X X2„„ Xn 与 Y Y2„„ Yn 分别为各凸模压力中心的坐标位置。 （ 1）由排样图可知 L1＝ L2＝π 7＝ ， L3＝ 57 2＋ 24 2＝ 163mm； （ 2）由上图可知对应的 X1＝﹣ 6， Y1＝ ； X2＝ 6， Y2＝ ； X3＝ 0， Y3＝ 0。 则将数据分别带入（式 ）和（式 ）可得压力中心的坐标（ X0， Y0）如下所示： X0＝ L1•X1＋ L2•X2+L3 •X3L1+L2＋ L3 ＝ ﹙﹣ 6﹚＋ 6+0 ＋ ＋ 163 ＝ 0 Y0＝ L1•Y1＋ L2•Y2＋ L3 •Y3L1+L2＋ L3 ＝ ＋ +0 ＋ ＋ 163 ＝ 由于该工件的冲裁力不大，而且压力中心偏移坐标原点较小，为便于模具的加工太原工 业学院毕业设计 12 和装配，模具的压力中心仍选择在图 中的坐标原点处，前述所选用的 J2325 双柱可倾式压力机，由于模柄孔直径为 υ40mm，故压力中心仍在压力机模柄孔投影面积范围之内，因此满足要求。 太原工 业学院毕业设计 13 5 模具设计 冲孔、落料复合模的设计 凸模、凹模间隙的分析与确定 （ 1）冲裁间隙分析 冲裁间隙是指冲裁凸模和凹模之间工作部分的尺寸之差。 即 Z=D 凹 － D 凸 ，凸模、凹 模间隙对冲裁工艺力、冲裁件质量以及模具寿命都有很大的影响。 故设计模具时间隙的选择一定要合理，从而保证冲裁件的尺寸精度和断面质量满足产品的要求，所需冲裁力较小、模具寿命较高。 但分别从冲裁力、质量、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙往往并不是同一个数值，只是彼此接近。 考虑到模具在制造中的偏差及使用中的磨损，生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就可以冲出良好的制件，这个范围的最小值称为最小合理间隙 Zmin，最大值称为最大合理间隙 Zmax。 考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计 与制造新模具时要采用最小合理间隙 Zmin。 （ 2）确定合理间隙的方法有经验法、理论确定法和查表法。 根据以往的研究与使用的经验，在确定间隙值时要按要求分类选用。 对于尺寸精度和断面垂直度要求高的制件应选用较小的间隙值，对于垂直度与尺寸精度要求不高的制件，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，可采用较大的间隙值。 由于理论法在生产中使用不方便，所以常采用查表法来确定间隙值。 在本次的设计中财用查表法来确定间隙 Z。 （ 3）查阅参考文献（ 3）表 33 可知，冲孔、落料的冲裁间隙值如下所示： Zmin＝ ， Zmax＝。 冲孔、落料凸模和凹模工作部分尺寸的计算 设计落料模先确定凹模刃口尺寸，以凹模为基准，间隙取在凸模上，即冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来取得；设计冲孔模先确定凸模刃口尺寸，以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口。