墊片沖壓工藝與模具設計

第3章排樣方案設計和材料利用率計算針對沖壓零件的特性，通過對沖壓過程的全面分析，對沖壓零件進行了技術經濟分析，從而制定出一套較為合理的沖壓工藝方案。3.1沖裁工藝方法的選擇沖壓工藝可以分為三種：單獨的、結合的和多次的。采用單工序沖裁模式，即在一次行程內，先進行落料，然后再進行沖孔，以達到最佳的沖壓效果。重新設計后的方案二：使用多個沖壓部件，通過使用多個模具來實現(xiàn)快速、高效的制造。這種新的制造技術可以大大提高制造效率，并且可以節(jié)省大量的人力。采用級進沖裁技術，可以將多個沖壓步驟按照特定的順序組合起來，使得每個步驟都能夠按照預先設計的步驟，從而實現(xiàn)對零件的精確加工。表3-1顯示了三種工序的性能。表3-1單工序沖裁、級進沖裁和復合沖裁性能比較項目單工序模復合模級進模生產批量小批量中批量和大批量中批量和大批量沖壓精度較低較高較高沖壓生產率低，壓力機一次行程內只能完成一個工序較高，壓力機一次行程內可完成二個以上工序高，壓力機在一次行程內能完成多個工序實現(xiàn)操作機械化自動化的可能性較易，尤其適合于多工位壓力機上實現(xiàn)自動化制件和廢料排除較復雜，只能在單機上實現(xiàn)部分機械操作容易，尤其適應于單機上實現(xiàn)自動化生產通用性通用性好，適合于中小批量生產及大型零件的大量生產通用性較差，僅適合于大批量生產通用性較差，僅適合于中小型零件的大批量生產沖模制造的復雜性和價格結構簡單，制造周期短，價格低沖裁較復雜零件時，比級進模低沖裁較簡單零件時低于復合模根據分析結合表3-1得出結論：采用方法一的模型雖然結構較為簡潔，但由于只有兩道工序和兩副模型，使得其效率較低，無法達到預期的年產能。采用方案二可以大大提升沖壓的形狀準確性、尺寸一致性以及生產效率，雖然其所使用的模具比方案一更加復雜，但是因為其幾何形狀相對簡單，使得其制作成本大大降低。采用一副單獨的模具可以大大提升生產效率，然而，由于其中的零部件的沖削精度有所欠缺，因此，為了確保其形狀的準確性，必須采用一個專門的導正銷來進行調整，這使得模具的制作和安裝變得更加繁瑣。經過全面的分析和比較，選擇方案二進行生產。3.2沖裁結構的選取按工作部件的裝配方式，可分為正裝復合模具和倒裝復合模具。這兩種方法各自的優(yōu)勢和劣勢和應用范圍列于表3-2中。表3-2正裝式復合模、倒裝式復合模的優(yōu)點、缺點及適用范圍比較項目正裝(順裝）式復合模倒裝式復合模結構凸凹模裝在上模，落料凹模和沖孔凸模裝在下模凸凹模裝在下模，落料凹模和沖孔凸模裝在上模優(yōu)點沖出的沖件平直度較高結構較簡單缺點結構復雜，沖件容易被嵌入邊料中影響操作不宜沖制孔邊距離較小的沖裁件適用范圍沖制材質較軟或板料較薄的平直度要求較高的沖裁件，還可以沖制孔邊距離較小的沖裁件不宜沖制孔邊距離較小的沖裁件，但倒裝式復合模結構簡單、又可以直接利用壓力機的打桿裝置進行推件，卸料可靠，便于操作，并為機械化出件提供了有利條件，故應用十分廣泛正裝式復合模具能夠滿足對平整度的極端需求，特別是對于那些比較柔韌的、厚重的零件。相比之下，倒裝式復合模更加實惠，它的設計更加緊湊，而且更容易使用，因此在工業(yè)生產中得到了普遍的使用?？偠灾?，這種零部件的外觀很簡潔，但是它的精確性不高，因此建議使用倒裝式復合模具。3.3排樣方法和方式的確定在日常生產中，根據不同經驗排樣的方法分為三個，分別是廢物處理方法、減少浪費的布局模式、非浪費布局。本次設計方案里，零件大都屬于特形零件。基于以上三種方式，我們根據工作經驗，多數(shù)采用少量布置法。由于沒有具體的規(guī)定，因此在接下來的工作中，我們會根據自己的工作經驗，選擇一種方法，并以其精確度為基礎，盡可能地減少布局的使用率。因為材料厚度為2.0mm，查參考文獻[4]，側搭邊值為2.0mm、搭邊值為2.2mm。排樣方式的確定：采用CAD進行排樣設計，排樣設計如下圖3.1條料步距、寬度的確定寬度mm步距mm圖3.1排樣圖表3-3搭邊值料厚/（mm）圓件及r矩形件邊長L≤50mm矩形件邊長L>50mm或圓角r≤0.250.25~0.50.5~0.80.8~1.21.2~1.61.6~2.02.0~2.52.5~3.03.0~3.53.5~4.04.0~5.05.0~12aa11.82.01.21.51.01.20.81.01.01.21.21.51.51.81.82.22.22.52.52.83.03.50.6t0.7taa12.22.51.82.01.51.81.21.51.51.81.82.52.02.22.22.52.52.82.53.23.54.00.7t0.8taa12.83.02.22.51.82.01.51.81.82.02.02.22.22.52.52.82.83.23.23.54.04.50.8t0.9t3.4材料利用率的計算η—材料利用率A—工件的面積（通過使用二維軟件，我們測量出A的結果為1946.566mm2。）B—條料寬度S—沖裁步距一個步距內的材料利用率：=87.6%第4章沖裁力及壓力中心計算確定最佳的沖切力量需要考慮到使用的壓縮空氣動力學特性，并且需要對模具進行精確的測試，以確保它們能夠滿足最佳的沖切性能。對于常見的平刃沖切模，F(xiàn)p的值應該根據相關公式進行確定。式（4-1）在式（4-1）中，τ-材料的抗剪強度，可以在表5-3（MPa）中找到相關數(shù)據；L-沖裁周邊總長(mm）；t-材料厚度(mm）；通過分析影響沖壓模具刃口損傷、沖壓模具內沖壓模具間隙數(shù)量及分布不均、沖壓模具材料力學性能及沖壓模具厚度不均勻等因素，得到1~3個安全系數(shù)。如果無法確定抗拉強度τ，則應采用Kp=1.3的方式來估測，從而獲得更準確的結果。根據08鋼的力學特性，我們可以從表4-1中得知抗剪強度τ為350MPa。根據材料的相關特性和原始狀態(tài)，τ的取值可以從相關設計資料和手冊中獲得，本次設計采用t=2.0mm的材料，將τ取值調整為350MPa。表4-1抗剪強度τ材料名稱牌號材料狀態(tài)抗剪強度τ/MPa碳素結構鋼08已退火260～34015270～38020280～40035400～5204.1沖裁力計算根據文獻[5]，沖裁力公式：式（4-2）式中—連接板件周邊長度（mm）；—材料厚度（mm）；—材料抗減強度（）；—系數(shù)，在一般設計的過程中我們取=1.3。結果如下：落料（沖裁周長為186.56mm）沖孔（沖裁周長為31.4mm）總沖裁力：式（4-3）4.2其他力的計算根據文獻[6]，卸料力和推件力計算公式：式中—沖裁力（）；、、—分別為卸料力、推件力、頂件力系數(shù)。推件力計算時按一次卡住2個工件來計算，帶入相關數(shù)據得：通過查文獻[6]得K卸=0.045式（4-4）K推=0.055所需的卸料力和推件力分別為：式（4-5）式（4-6）4.3總的沖壓力計算按照以上幾種生產力的計算，把這幾種生產力相加就可以得到本次制件所需要的總的生產力：式（4-7）4.4壓力中心計算利用CAD中的質量特性計算壓力的中心為（0，0），壓力中心的位置在零件的中心位置。計算結果如圖4.1所示。式（4-8）式（4-9）將零件的各值代入相對應的公式，壓力中心在產品的中心位置。圖4.1零件圖第5章模具零件設計5.1凹凸模零件的設計5.1.1沖裁間隙的確定沖裁過程中，間距的大小對于成功完成沖裁任務至關重要，它可以幫助我們確保沖裁件的斷面質量和尺寸準確，同時也能夠降低沖裁的壓力，增長沖模的壽命。因此，在制作沖模的過程中，應該控制好沖裁間距的大小，就像圖5.1中那樣。在沖壓加工過程中，常見的破壞方法包括磨損、變形、破碎、壓縮和壓縮破壞。不同的破壞方法會導致不同的破壞情況。破壞的部位會受到破壞的部位的不同，破壞的部位會受到破壞的部位的不同。隨著間距的不斷擴大，卸載能量也會相應提升，從而對沖模的壽命產生負面的影響。通常，在（10%~15%）t的間距范圍內，磨損程度會更低，使得壽命更長。圖5.1沖裁間隙圖因為沖壓間距的大小會直接或間接地影響到產品的性能，因此，沒有一個完全準確的參考標準，可以保證產品的性能達到最優(yōu)，包括優(yōu)良的截面品質、良好的尺度精確性、較短的使用期限和較低的沖壓強。因此，為了獲取更高的沖裁件切割截面品質與規(guī)格精確度，我們必須遵循一個基本的原則：盡可能地延長模具的使用期限。目前，我們通常會通過經驗方式或者查詢方式，來選擇一個適當?shù)拈g距。5.1.2沖孔凸模的設計在計算沖壓高度的時候，要將其它部件的高度都考慮進去，并且要與模具的設計相結合，確定出最優(yōu)的固定板、脫模板和原始彈性，還有修邊余量，這樣才能保證最好的沖壓效果。凸模高度為：L=H2+H1+H式中H1—凸模固定板厚度，得：H1=16mm；H2—落料凹模厚度，得：H2=25mm；H—附加長度，取1mm。由公式得：L=16+25+1=42(mm)凸模是一種具有高強度、高耐磨性能的重要零件。所以，要選用耐磨性更好的鉻12合金，而在精度上，則要選用IT7合金。根據法則，我們可以計算出刃口的尺寸。在決定沖壓模具凸、凹模具的刀刃尺寸時，應牢記以下原則：（1）由于落料與沖孔的不同，它們的尺寸也有所不同。對于落料，首選的是適當?shù)陌寄?，通過縮短其直徑可以達到較好的間隔效果；而對于沖孔，則需要選擇更加精確的凸模，并通過加寬其直徑，從而達到較好的間隔效果；（2）經過研究發(fā)現(xiàn)，當凹模和凸模的刃口受到摩擦時，它們的基準尺寸會發(fā)生相似的改變，即將它們的基準值設置為與工件的最低極限值相同；而當凸模的刃口受到摩擦時，它們的孔徑會發(fā)生相似的改變，因此，它們的基準值也會相似地設置為與工件的最高極限值相同；（3）在凸模和凹模之間，應確保適當?shù)拈g距；（4）在沖裁件的加工過程中，凸模和凹模的設計必須符合其尺寸精確性。在生產過程中，通過采取兩種措施，可確保產品的精度和尺寸符合要求：（1）通過分別加工凸模和凹模，并嚴格控制尺寸和公差，可以實現(xiàn)成批生產，并且可以實現(xiàn)互換。但是，該工藝要求對模具的尺寸精度進行嚴格的控制，從而增加了該工藝的難度。采用此方法，可方便地生產出形狀簡單，有較大間隙的模具，并能用高精密儀器生產出沖、凹模具制品；（2）采用單工序加工法，即將凸模與凹模分別安裝在基準件上，以確保合理的間隙。在加工過程中，凸模與凹模之間不得互換，而是依據基準件的特性進行安裝。通常，下料件采用凹模，而沖孔件采用凸模。這種技術通常被用來制造一些復雜的沖壓件，因為其中間隙很小。通過應用上述計算法則，為了確保凸模和凹模之間的精確加工，必須確保以下關系：所以，為確保生產出的模具質量，我們必須確保它的初始間距在Zmin~Zmax之內，這樣才能延長它的使用壽命。為此，我們將采取獨特的加工方式來完成這一任務。當進行分離加工時，可以使用以下公式來計算：所以，新制造的模具應該保證。該組合式沖模的制造方法為：分體式沖模。分開加工時計算公式如下：落料式(5-1）式(5-2）沖孔式(5-3）式(5-4）式中：D凸、D凹-分別為落料凹模和凸模的基本尺寸；d凸、d凹-分別為沖孔凹模和凸模的基本尺寸；Dmax-落料件的最大極限尺寸；dmin-沖孔件的最小極限尺寸；△-沖裁件公差；x-磨損系數(shù)；凹、凸模具作為模具的重要組成部分，總是處在相對運動的狀態(tài)，在工作時，凹、凸模具極易發(fā)生磨損，必須對凹、凸模具進行相應的尺寸、公差分析，選取合適的間隙，經過計算、分析，減少凹、凸模具間的磨損。一般情況下，我們會使用對尺寸工差以及偏差進行分析的方法如下：δ凸、δ凹-分別是凸模和凹模的制造公差，凸模偏差為負，凹模偏差為正。由表可得：Zmin=0.246mmZmax=0.36mmZmax－Zmin=(0.36－0.246)mm=0.104mm由表得，x=0.5；設凸、凹模分別按IT6和IT7級加工制造，則：沖孔凸模刃口尺寸根據公式5-3：d凸=（10+0.5×0.36）0-0.02=10.180-0.02mm沖孔凹模刃口尺寸根據公式5-4：d凹=（10+0.5×0.36+0.246）0+0.02=10.4260+0.02mm落料凸模根據公式5-2有：D凸1=（65－0.5×0.74－0.246）0-0.02=64.3840-0.02mmD凸2=（30－0.5×0.43－0.246）0-0.02=29.4940-0.02mm落料凹模根據公式5-1有：D凹1=（65－0.5×0.74）0+0.02=64.630+0.02mmD凹2=（30－0.5×0.52）0+0.02=29.740+0.02mm5.2凸凹模和沖孔凸模結構設計我們采用倒裝復合模，凸凹模尺寸計算如下：式中h1—卸料板厚度h2—凸凹模固定板厚度，取10mmh—橡膠厚度見下圖5.2和5.3圖5.2沖孔凸模圖5.3凸凹模5.3卸料螺釘?shù)倪x用采用GB2867.5-1981標準的M10×70型號的圓柱頭內六角卸料螺釘，可以有效地滿足工程施工的需求。5.4模柄的選用該模具手柄用于將上模具座與沖壓機的滑塊連接起來。針對該模具的結構特點，選擇了帶有螺紋的手柄。在設計模柄時模柄的長度不能超過凹槽中凹槽的深度，凹槽的直徑必須與凹槽中凹槽的直徑相匹配。綜合以上，選擇了該模具的手柄:GB/T2870-81。5.5圓柱銷和螺釘?shù)倪x用根據最佳的孔徑和螺絲的尺寸，我們應當采用內部六角形螺釘來固定上下兩個模具。內六角螺絲（固定牢固，不暴露螺頭）和內六角螺絲是沖裁模具常用的兩種類型。以上模座、墊板、凸模固定板和凹模為基礎，使用4個M10×40mm的螺釘進行固定，4個M10×60mm的螺釘進行固定，模柄與上模座使用4個M10×40mm的螺釘進行固定，螺釘分布對稱，使緊固零件受力均勻。在沖壓模具中，通常使用帶有圓筒形頭部的內六角螺桿。根據螺釘長度和最小孔邊距的要求，上模和下模選擇圓柱銷。第6章相關模具結構設計6.1送料方式和定位方式的選擇由于產品的批量生產以及模具類型已被確定，因此可采用前、后自動送料模式進行制造。(1)因為該沖壓模具采用條狀材料，因此可對條狀材料的輸送方向進行控制：第一種：導引針，它的構造簡單，是一種標準零件，它的導向和定位一般都用在單程模具和組合模具上。第二種：導軌，它的結構很簡單，是一種標準零件，它的導向和定位一般都用在單程的級進模上。結論，綜合以上，此模具適合于第一種方法，采用導引針引導。(2)條狀材料的進給量控制方案包括：方法一：緊固止動銷。它具有結構簡單、制作方便等優(yōu)點，在小尺寸沖壓零件的止料定位中得到了廣泛應用。計劃二：可移動止動銷.它具有結構簡單、制作方便、適用面廣等優(yōu)點。在進料過程中，不需提起臺面，使進料更加容易。結論：通過對幾種方案的對比，確定了無需提升盤、進給量容易的可移動止動銷。6.2卸料和出件方式為了提高卸料沖模的效率，我們選擇了固定卸料板和彈性卸料板。固定卸料板可以有效地處理較厚的零件，更能提供更高的表面質量。相對來說，彈性排料板更適合用于加工厚度較薄的直徑2mm以下的工件，并能提供較高的表面質量，并且可以提供更好的模具精度。由于制件的料厚為2.0毫米，這種薄型工件的精度要求極高，因此，采用彈性卸料技術來完成這一任務將是最佳選擇。6.3落料凹模板外形尺寸通過精確的測量和計算，我們可以確定凹模的最小尺寸，并將其與實際情況相結合，以達到最佳的設計效果。根據文獻[7]最小尺寸計算如下：凹模板厚度尺寸H=ks垂直于送料方向落料凹模寬度B=s+（2.5~4）H送料方向落料凹模長度式中s—垂直于送料方向的凹模刃壁間的最大距離—生產制件的最大長度；—生產制件的最大寬度；k—生產系數(shù)，根據文獻生產系數(shù)k值見表5.1。表6.1系數(shù)K值材料料寬b/mm材料厚度t/mm材料厚度t/mm材料厚度t/mm≤500.30～0.400.35～0.500.45～0.60>50～1000.20～0.300.22～0.350.30～0.45>100～2000.15～0.200.18～0.220.22～0.30>2000.10～0.150.12～0.180.15～0.22查表6.1得：K=0.3。為了滿足工件沖裁尺寸和沖裁力的要求，并且保證推件裝置的安全性，我們決定將凹模的厚度調整至25mm，以此來提升模具的性能，并減少凹模刃口的磨損。通過應用公式，可以計算出凹模的邊壁厚度。C=（1.5～2）H=1.5×25～2×25=37.5～50mm通過測量凹模的厚薄以及其周圍的材料，我們就能夠精準地調整其長度。通過應用公式，可以計算出凹模的長度：L=b1+2c=65+2×47.5=160mm通過應用公式，我們可以計算出凹模的寬度：B=b2+2c=30+2×47.5=125mm即：L×B×H=160mm×125mm×25mm凹模零件圖見下圖6.1，材料是Cr12。圖6.1落料凹模6.4其他板尺寸的確定6.4.1卸料板設計出料板與沖床和模具之間的距離通常為0.15毫米[5]，一般情況下卸料板設計結合凹模的大小，結合凹模長度和寬度，厚度選擇為12mm，按照凹模的大小，制定出卸料板的尺寸為160×140×12mm。卸料板零件圖如下圖6.2，材料為45。圖6.2卸料板6.4.2凸模固定板設計凸模的實心板形狀通常與凹模相同,厚度為凹模尺寸的0.6—0.8倍[6]。厚度的計算如下：H凸固=（0.6～0.8）H凹在上式中，H代表凸模固定板的厚度；H凹—凹模厚度。代入公式得：H凸固=（0.6～0.8）H凹=（0.6～0.8）H凹=（0.6～0.8）×25=15～20（mm）采用16mm厚的凸模來固定板，以達到最佳效果。根據圖6.3，可以看到凸模固定板的零件，其材料為45。圖6.3凸模固定板6.4.3墊板設計按照模具的尺寸，墊板的厚度應該是6mm，而且它的尺寸也應該是160×140×6mm。根據圖6.4，我們可以看到墊板的零件，它的材料是45。圖6.4墊板6.4.4橡膠選用(1)根據卸料力求橡膠截面尺寸橡膠產生的壓力：式中—橡膠所產生的壓力，設計時取大于或等于卸料力；—橡膠橫截面積；在設計過程中，為了確保單位面積的壓力符合要求，應該根據壓縮量的大小，選擇1.1作為預壓量的參考值。由于，(2)橡膠高度計算在選用橡膠時，其允許最大壓縮量應不超過其自由高度的45%，即：式中—橡膠允許的總壓縮量；—橡膠的自由高度。橡膠預壓縮量一般取自由高度的10%～15%，即：式中—橡膠預壓縮量。故而式中—卸料板的工作行程，，為板料厚度；—凸模刃口修磨量，一般為4～12mm，我們取8mm則=32mm。6.5模架的選擇在模具的結構上，中央支撐結構既能夠降低成本，又能夠滿足對稱的要求。而后支撐結構則更加實用，其設計靈活，易于操作，而且更容易拆卸。斜支撐結構的特點在于其具有良好的穩(wěn)定性，能夠更好地指揮操作。四角型導柱通常被應用在小型零部件的制造中，而在制造復雜的、需求極其苛刻的零部件時，它的應用就顯得尤為重要。因此，在進行了多方考量之后，最終確定采用后型。模架組合查參考文獻[8]，見下表6.2。表6.2模架組名稱數(shù)量材料規(guī)格標準上模座1HT200265x200x40mmGB/T2855.1-2008下模座1HT200265x200x45mmGB/T2855.2-2008導柱1Cr12?25x155mmGB/T2861.3-2008導套1Cr12?25x75X38mmGB/T2861.8-2008第7章壓力機和校核模具高度7.1選擇壓力機壓機是由機器驅動的，它們通常被稱為機械氣壓機、曲柄壓力機或者高速沖床。它們也被稱為液壓壓力機或者氣壓壓力機。曲柄壓力機通常被廣泛使用，它們的機體外觀類似英文字母C，具有較好的操控性能，但是機體的強度較低，因此在承受較重的壓強時容易發(fā)生變形。通常，加壓機的最大功率都不能達到2000KW。J23-35型加壓機是一種具有良好機體結構、優(yōu)異的機械強度、可靠的加工質量、易于操控的加壓機。它的優(yōu)勢是可靠的機械強度、可靠的加工質量、易于操控，因而是最佳的加壓機。從第四章中所述的零件沖壓壓力的計算中，我們可以得知總沖壓壓力。在對沖裁壓力和產品模閉合高度進行全面分析后，我們優(yōu)先考慮使用J23-35這種型號的壓縮空氣動力設備。壓力機J23-35主要技術參數(shù)[9]如下所示公稱壓力：350kN 滑塊行程：120mm滑塊行程次數(shù)：80次/min 最大閉合高度：270mm閉合高度調節(jié)量：60mm 滑塊中心線到機身的距離：225mm工作臺尺寸：前后440mm、左右810mm模柄孔尺寸：直徑Φ50mm、深度60mm7.2模具閉合高度的計算該模具閉合高度[10]：其中，h1—上模座厚度，h2—下模座厚度；h3—凸模固定板厚h4—卸料板厚度h5—橡膠厚度h6—凹模厚度h7—墊板厚度h8—凸凹模固定板厚h=1mm，這是一個關于在沖壓過程中將物體壓縮到凹槽中的參數(shù)。從相關分析可以得出，該模具封口高度低于所選壓力機J23-35的最大裝模高度270mm，所以所選壓機可以滿足用途要求。保定理工學院本科畢業(yè)設計第8章模具結構分析8.1模具總裝配圖模具總裝配圖如下圖8.1所示圖8.1倒裝復合模裝配圖8.2模具的主要特點因為沖件精度較低，且沒有進給誤差的干擾，復合模沖壓成型零件均從模具型口處推入，所以零件面比較平整，適用于沖壓薄件。盡管復合模具的結構相對復雜，但它們可以通過壓力機的打桿裝置來輕松地推出制品，這樣可以保證卸料的可靠性，并且操作起來也更加方便。8.3復合模的工作過程這種模具是一種倒置的復合模，當它運行時，材料會被放置到擋料銷上。當進行沖切操作時，上模會向下移動，由于彈性材料的卸載板會比凹模的?？谏戏降耐七M器的表面高0.5mm，所以需要把材料壓實。上模的運動可以實現(xiàn)快速的沖壓，而且不需要任何額外的設備，只需要輕輕一按，就可以將沖壓后的物體拋棄。此外，還可以使用一種新型的推動機制，它可以將被壓縮的物體通過一個剛性的推動機制將其拉出。通過使用倒裝式復合模，可以輕松地將沖孔廢料通