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沈阳航空航天大学
2017年12月1日
摘要
本次综合实训设计垫片的冲压模具,零件结构简单对称,料厚较小,设计者将其设计为级进模模具,主要有冲孔落料两道工序。本说明书以图文并茂的方式对此零件的模具设计加以介绍,主要叙述了从零件的工艺性分析到模具结构的设计、工艺计算、冲模结构的设计以及主要零件设计等,直到最后的模具装配图、零件图、排样图等一系列的设计过程。其中详尽的分析讲述了针对于该零件的冲压模具完整设计方法,读者可以从本说明书中简单、明确的了解该设计的主要思想路线及合理设计制造方案,加深对级进模模具设计知识的了解、应用以及提升关于级进模模具的分析问题、解决问题的能力。
关键词:垫片、级进模、冲孔落料、模具、设计
目录
第1章冲压工艺分析.........................................
1.1零件工艺分析...................................
1.1.1产品结构形状及材料分析....................
1.1.2产品尺寸精度、粗糙度、断面质量分析...........
1.2冲压工艺方案的确定...............................
1.2.1第一种方案.........................
1.2.2第二种方案............................
1.2.3第三种方案................................
第2章冲压工艺计算................................
2.1排样.......................................
2.1.1搭边....................................
2.1.2条料宽度和导尺间距离.................
2.1.3送料步距.................................
2.1.4材料利用率...............................
2.2计算冲压力...............................
2.2.1冲裁力计算...............................
2.2.2卸料力、推件力与顶件力的计算..............
2.3压力中心的计算............................
第3章级进模凸凹模设计...........................
3.1模具刃口尺寸的计算.........................
3.1.1冲孔凸、凹模.......................
3.1.2落料凹、凸模........................
3.2凹模的设计...........................
3.2.1凹模厚度H的计算................
3.2.2凹模长度和宽度.........................
3.2.3凹模材料.....................................
3.2.4凹模固定方法............................
3.3凸模的设计...................................
3.3.1凸模强度——压应力校核....................
3.3.2凸模材料.................................
第4章基本冲模结构的确定......................
4.1模具的形式...............................
4.2定位装置...................................
4.3卸料装置...........................
4.3.1条料的卸除.................................
4.3.2废料及工件的卸除.........................
4.4导向装置................................
4.5模架.......................................
第5章级进模主要零件设计.........................
5.1卸料弹簧设计.............................
5.2凸模固定板设计...........................
5.3垫板设计.................................
5.4卸料板设计...............................
5.5模座的选择.................................
第6章压力机校核...............................
6.1模柄孔的校核...............................
6.2模具闭合高度的校核..........................
6.3压力机工作台尺寸的校核......................
6.4冲裁力校核...............................
总结......................................
参考文献....................................
第1章冲压工艺分析
1.1零件工艺分析
1.1.1产品结构形状及材料分析
由零件图可知,该零件为矩形片落料圆形冲孔,外形简单对称,整个外形光滑、圆整,无狭槽、尖角;孔与孔之间、孔与零件边缘之间最小距离c满足c>1.5t要求(其中料厚t为2.0mm, 可得出c=(62.8-9-50.5)/2=3.3mm, 1.5t=3mm)。
对于冲压件材料一般要求的力学性能是强度低,塑性高,表面质量和厚度公差符合国家
标准
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。本设计的产品材料是08号钢,其力学性能是强度、硬度和塑性指标适中,用冲裁的加工方法是完全可以成形的。另外产品对于表面质量等没有严格要求,所以尽量采用国家标准板材,其冲裁出的产品的表面质量等就可以保证。
经上述分析,产品的材料性能符合冷冲压加工要求。
1.1.2产品尺寸精度、粗糙度、断面质量分析
1)尺寸精度根据零件图上所注尺寸,工件要求不高,采用IT14级精度,普通冲裁可满足要求。
2)粗糙度、断面质量查《冲压手册》表2-12得,一般冲裁件冲材料厚度t≥2.0mm金属板料时,其断面粗糙度为3.2μm;本产品在断面粗糙度和尺寸精度上均要求不高,所以断面质量可以保证,用冲裁的加工方法是完全可以成形的。
1.2 冲压工艺方案的确定
完成此工件需要冲孔、落料两道工序。其加工的工艺方案分为以下三种:
1.2.1第一种方案
采用单工序逐步加工
1)冲孔落料单工序模,工序简图见图1-2-1-1。
2)落料冲孔单工序模,工序简图见图1-2-1-2。
特点:由于单工序模,模具制造简单,维修方便。但生产率低,工件精度低,不适合大中批件的生产。
图1-2-1-1冲孔落料单工序模简图
图1-2-1-2 落料冲孔单工序模简图
1.2.2第二种方案
采用复合模加工成形,工序简图见1-2-2。
特点:生产率较高,工件精度高。但模具制造较复杂,调整维修较麻烦,使用寿命低。
图1-2-2 冲孔落料复合模
1.2.3第三种方案
采用级进模加工成形,工序简图见图1-2-3。
特点:生产率高,便于实现机械化、自动化,适合加工复杂的小型冲裁件,但模具制造复杂,调整维修麻烦,工件精度较低。
图1-2-3 冲孔落料级进模
根据本零件的设计要求以及各方案的特点,决定采用第三种方案级进模加工成形比较合理。
第2章冲压工艺计算
2.1排样
采用直排有废料排样,虽然此零件斜排能够提高材料利用率,但是设计计算复杂。排样图见2-1-1。
图2-1-1 排样图
2.1.1搭边
查《冲压手册》表2-17得,当t=1.0mm时,确定侧搭边值a=2mm,工件间搭边值a1=2.4mm。
2.1.2条料宽度和导尺间距离
采用单边侧刃。
条料宽度:B=L+2a’+nb=L+1.5a+nb (a’=0.75a) 式(2-1)
导尺间距离:A=B+Z0=L+1.5a+nb+Z0 式(2-2)
A1=L+1.5a+Y 式(2-3)
式中L——冲裁件垂直于送料方向的尺寸,L=62.8mm;
n——侧刃数,n=1;
b——侧刃切去的条料宽度,查《冷冲压模具设计难点与技巧》表1-7得b=1.5mm;
Y——冲切后条料宽度与导料板的间隙,查《冷冲压模具设计难点与技巧》表1-7得Y=0.10mm;
Z0——条料与导料板之间的间隙,查《冷冲压模具设计难点与技巧》表
1-6得Z0=0.1mm;
∴
B=62.8+1.5×2+1×1.5=67.3mm
A=67.3+0.1=67.4mm
A1=62.8+1.5×2+0.10=65.9mm
2.1.3送料步距
级进模送料步距S=D+a1=62.8+2.4=65.2 式(2-4)
式中D——冲裁件横向最大尺寸,D=40mm;
2.1.4材料利用率
一个步距内材料利用率η=A/BS×100%式(2-5)
式中 A——一个步距内冲裁件的实际面积
B——条料宽度
S——步距
图2-1-4
面积计算参照图图2-1-4
A= 62.8×62.8-4×π×4.52 -π×25.252=1687.55mm2
∴η=1687.55/(67.3×65.8)×100%=38.11%
2.2计算冲压力
2.2.1冲裁力计算
采用平刃口模具冲裁时,其冲裁力F可按下式计算:F=K L t τ式(2-6)
式中 F——冲裁力
L——冲裁件周边长度
t——材料厚度,t=1.0mm
τ——材料抗剪强度,查《手册》08钢,τ=220~310,取τ=280
K——修正系数,一般取k=1.3
冲裁力公式为P=P孔+P落式(2-7)
①冲孔冲裁力P孔
其中L孔=50.5π+4π×9=86.5πmm
P孔=1.3×86.5π×2.0×280=197832N
取P孔=198KN
②落料冲裁力P落
其中L落=62.8×4=251.2mm
P落=1.3×251.2×2.0×280=182873.6N
取P落=183KN
∴冲裁力P=P孔+P落 =198+183=381KN 式(2-8)
2.2.2卸料力、推件力与顶件力的计算
常用下列经验公式 PX=KXP 式(2-9)
PT=n KTP 式(2-10)
D=KDP 式(2-11)
式中:KXKTKD——分别为卸料力系数、推件力系数与顶件力系数,查《冲压模具设计》表2-20得KX=0.045,KT=0.05,KD=0.06
F——冲裁力
n——同时卡在凹模孔内的冲裁件数
采用弹性卸料装置和下出料方式冲模时P Σ=P+PX+PT
∴卸料力PX=0.045×381=17.145KN
冲孔推件力PT1 =2×0.05×198=19.8KN
落料推件力PT2=1×0.05×183=9.15KN
∴总冲压力P Σ=P+ PX +PT1 + PT2 =381+17.145+19.8+9.15=427.1KN 式(2-12)
对于冲裁工序,压力机的公称压力应大于或等于冲裁时总压力的1.1~1.3倍,即P0 ≥(1.1~1.3)P Σ=469.8~555.2 ,查《冲压手册》表9-3得,选择开式曲轴压力机,公称压力630KN。
2.3压力中心的计算
图2-3-1
建立坐标系于落料中心,如图2-3-1。
压力中心到Y轴距离
X=(L落×0+L孔×65.2+2L销×65.2/2+ L刃×58.6)/(L落+L孔+L销+L刃)
=32.6mm 式(2-13)
压力中心到X轴距离Y近似看作0。
第3章级进模凸凹模设计
3.1模具刃口尺寸的计算
3.1.1冲孔凸、凹模
冲孔(φ50.5 φ9 φ2),设计时大孔小孔参考图3-1-1-1,导正钉孔参考图3-1-1-2。冲孔件时,尺寸为内形尺寸,基准型面为凸模。
d凸=(d +x Δ)
式(3-1)
其中 d凸——冲孔凸模刃口尺寸;
d凹——冲孔凹模刃口尺寸;
x——摩擦系数,冲裁件精度为IT14时,x=0.5;
Δ——工件孔径公差,mm,Δ=0.16mm;
δt——凸模刃口尺寸制造偏差,mm,查《冲压手册》表2-28得,
δt大 =0.020mm,δt小=0.020;
δa——凹模刃口尺寸制造偏差,mm,查《冲压手册》表2-28得,
δa大=0.020mm,δa小=0.020mm;
Zmin——凸、凹模最小合理间隙,mm,查《冲压模具设计》表2-10得,Zmin=0.100mm,Zmax=0.140mm;
大孔:d凸=(50.5+0.5×0.16)0 -0.02 =50.580 -0.02 mm
d凹=*50.58mm
小孔:d凸=(9+0.5×0.16)0 -0.02 =9.080 -0.02 mm
d凹=*9.08mm
导正钉孔:d凸=(2+0.5×0.16)0 -0.02=2.080 -0.02 mm
d凹=*2.08mm
校核间隙:Zmax-Zmin=0.04mm;δt +δa =0.04mm;所以满足Zmax-Zmin≥δt +δa的条件;所以各孔凸、凹模刃口尺寸均计合理。
3.1.2落料凹、凸模
落料件时,尺寸为外形尺寸,基准型面为凹模。设计参考图3-1-2-1。
A=62.8 d凹=(A1-xΔ)+δt 0式(3-2)
其中 d凸——落料凸模刃口尺寸;
d凹——落料凹模刃口尺寸;
x——摩擦系数,冲裁件精度为IT14时,x=0.5;
Δ——工件孔径公差,mm,Δ=0.74mm;
δt——凸模刃口尺寸制造偏差,mm查《冲压手册》表2-28得,
δt=0.020mm。
δa——凹模刃口尺寸制造偏差,mm,查《冲压手册》表2-28得,δa =0.020mm
d凹=(62.8-0.5×0.74)+0.02 0=62.13+0.02 0 mm
d凸=*62.13
校核间隙:Zmax-Zmin=0.04mm;δt +δa =0.04mm;所以满足Zmax-Zmin≥δt +δa的条件;所以各孔凸、凹模刃口尺寸均计合理。
为了方便加工,因为凸模较多,以先加工凸模,再凹模配合凸模加工的方法。所以用尺寸转化法将凹模尺寸转化到凸模上。
D凸 =(d凹1 +δ-Zmin)
=(62.43+0.02-0.100)
=62.350 -0.02 mm
式(3-3)
D凹 = *62.05
3.2凹模的设计
3.2.1凹模厚度H的计算
凹模厚度:H=Kb 式(3-4)
式中 K——系数,查《冲压手册》表2-40得K=0.22
b——工件最大外形尺寸
∴ H=0.22×62.8=13.816mm 取凹模厚度为32mm
凹模壁厚:C=(1.5~2)H 式(3-5)
取C=40mm
3.2.2凹模长度和宽度
B=62.8+2C=142.8mm
L=62.8+2C=142.8mm
按照《冲压模具设计手册》取B×L×H=160×250×40
3.2.3凹模材料
凹模材料一般选择Cr12MoV
3.2.4凹模固定方法
凹模与下模座用4个M12的螺钉装配,4个M12的销钉固定。
3.3凸模的设计
凸模的长度L=H1+H2+H3+Y
式中: H1—为凸模固定板的厚度
H2—为卸料板的厚度
H3—为导料板的厚度
Y—为附加的长度,包括凸模刃口尺寸的修磨量,凸模进入凹模的深
度(0.5~1mm),凸模固定板与卸料板的安全距离A等。其中A取15~20.
L=28+15+5+15=63mm
3.3.1凸模强度——压应力校核
校核公式为:
[σ]压式(3-6)
式中
——冲孔冲裁力,N; P孔=82KN
——凸模最小断面积,
=πr2=3.14×4.52=63.585mm2
[σ]压——凸模材料的许用压应力,MPa,材料为Cr12MoV
查手册,[σ]压=(1000~1600)Mpa。
因为
=
=1294MPa<[σ]压
所以凸模强度符合要求。
3.3.2凸模材料
凸模材料一般选择Cr12MoV
第4章基本冲模结构的确定
4.1模具的形式
级进模按其自动化程度,分为级进模和自动模两类;按其完成冲压工序的不同,主要分为冲裁类级进模、成形类级进模两大类。其中,冲裁类级进模常见的形式有冲孔、落料级进模,冲孔、切断级进模,拉伸、弯曲级进模等。很明显,本零件的加工采用冲孔、落料级进模。
4.2定位装置
采用导料板和长方形定距侧刃进行粗定位。定距侧刃切去条料旁侧少量材料而达到挡料的目的。由于条料厚度较薄所需送料力较小,若采用双边侧刃浪费原材料,且模具尺寸增大浪费模具成本,所以本设计采用单边侧刃。采用梯形导正钉导正进行精定位,以保证相对位置和步距的精度。
4.3卸料装置
4.3.1条料的卸除
采用弹性卸料板。卸料板不仅起卸料作用或兼保导向作用,而且还起到压料作用。
4.3.2废料及工件的卸除
废料和工件经过漏料孔及冲床工作台面的漏料孔落出。
4.4导向装置
采用滑动式导柱导套导向,主要是为保证凸模和凹模之间的小间隙,满足零件较大的生产批量,并使零件的冲裁质量得到保证。
4.5 模架
采用四导柱模架,导柱对称分布,受力平衡,滑动平稳,能承受级进模高速冲压次数。具备导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点,所以采用四导柱模架。
第5章级进模主要零件设计
5.1卸料弹簧设计
1.根据总卸料力PX 估计拟用弹簧个数n,算出每个弹簧所承受负荷P弹。
取卸料弹簧个数为n=4 P弹=PX /n=17.145/4=4.286 式(5-1)
2.查表《冲压手册》10-1 弹簧选2×18×22
3.Fj=135N hj=12.3mm h预=F预×hj/Fj=4.286×12.3/135=2.39 式(5-2) h预+h工作+h修磨=2.39+2+6=10.39<hj式(5-3)
故所选弹簧是合适的。
5.2凸模固定板设计
凸模固定板形状为矩形125×160,厚度约取凸模的40%,取厚度为28mm。
5.3垫板设计
理论上,确定是否需要垫板的方法如下:条件:冲裁时,如果凸模的端部对模座的压应力超过模座材料的许用压应力,这时需要凸模端部与模座之间加上一块强度较高的垫板。即下列情况需要加垫板。σy≥[σy],σy=
式(5-5)
式中 y——凸模端面压应力,MPa;
[σy]——模座材料许用压应力,铸铁约为100MPa,钢约为200MPa; P——冲裁力N;
F——凸模上端面面积,mm2;
因上
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采用铸铁材料,所以[σy]=100MPa>38MPa,不用加上垫板。
垫板厚度一般为3~10mm,取6mm。
垫板材料常用T7或T8工具钢,热处理硬度为48~52HRC。垫板淬硬后两面应磨平,表面粗糙度R0.32~0.63um。本设计中,有有级进模冲裁力较大,生产批量较大,给凸模的后面加上淬过火的凸模垫板,目的是增加凸模的强度,防止凸模的后座回缩,增加使用寿命。
5.4卸料板设计
1)卸料板的形状和尺寸。卸料板取矩形板,厚度为H=15mm,卸料板材料选45钢,不用热处理淬硬。