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畢業(yè)設計（論文）
汽車轉向螺帽墊片沖壓模具設計
31
31
摘 要
本畢業(yè)設計重點是沖裁、基本工序及其模具的計算和設計，本畢業(yè)設計在沖壓基本理論的基礎上，詳盡的針對沖裁模和彎曲模的設計原理、方法的應用，還特別對沖裁、各類工藝及模具的設計計算。本文介紹的模具實例結構簡單實用，使用方便可靠，首先根據工件圖算工件的展開尺寸，在根據展開尺寸算該零件的壓力中心，材料利用率，畫排樣圖。根據零件的幾何形狀要求和尺寸的分析，采用復合模沖壓，這樣有利于提高生產效率，模具設計和制造也相對于簡單。當所有的參數計算完后，對模具的裝配方案，對主要零件的設計和裝配要求技術要求都進行了分析。
關鍵詞：沖裁；沖壓 ；設計
ABSTRACT
This graduation design is focused on the blanking, basic process and the calculation of the mold and the design, the graduation design on the basis of the basic theory of stamping, elaborate on the design of the blanking die and bending die principle, method of application, are particularly hedge cutting, the design and calculation of all kinds of technology and die. Examples in this paper, the mold structure is simple and practical, convenient and reliable use, first of all, according to a development size work-piece figure is in according to the size to calculate the pressure center of the parts, material utilization, painting row kind diagram. According to the requirements of the parts geometric shape and size analysis, adopting compound stamping die, so that to improve the production efficiency, mold design and manufacturing is relative to the simple. When all the parameters are calculated, the mould assembly scheme, the design of main parts and assembly technology requirements are analyzed.
Key words: blanking; Stamping; design
目錄
緒??論 1
1 汽車轉向螺帽墊片的工藝分析 5
2 確定工藝方案及模具的結構形式 6
3 模具總體結構設計 7
3.1 模具類型的選擇 7
3.2定位方式的選擇 7
3.3卸料方式的選擇 7
3.4導向方式的選擇 7
4 模具設計工藝計算 7
4.1搭邊值的確定 7
4.2條料寬度的確定 8
4.3 排樣 9
4.4材料利用率的計算 9
5 沖裁力的計算 11
5.1計算沖裁力的公式 11
5.2 總沖裁力、卸料力、推料力、頂件力、彎曲力和總沖壓力 11
6 模具壓力中心與計算 13
7 沖裁模間隙的確定 14
8 刃口尺寸的計算 15
8.1刃口尺寸計算的基本原則 15
8.2刃口尺寸的計算 16
8.3計算凸、凹模刃口的尺寸 17
8.4沖裁刃口高度 19
9 主要零部件的設計 19
9.1 工作零件的結構設計 19
9.1.1凹模的設計 19
9.0.8凸凹模的設計 21
9.1.3外形凸模的設計 21
9.1.4內孔凸模設計 22
9.2卸料部分的設計 23
9.3定位零件的設計 23
9.4模架及其它零件的設計 24
9.4.1上下模座 24
9.4.2模柄 24
9.4.3模具的閉合高度 25
10 模具總裝圖 25
11 壓力機的選擇 26
總 結 27
致 謝 28
參考文獻 30
緒??論??
一.模具在加工工業(yè)中的地位??
模具是利用其特定形狀去成型具有一定的形狀和尺寸制品的工具。在各種材料加工工業(yè)中廣泛的使用著各種模具。例如金屬鑄造成型使用的砂型或壓鑄模具、金屬壓力加工使用的鍛壓模具、冷壓模具以及汽車模具等各種模具。?
對模具的全面要求是：能生產出在尺寸精確、外觀、物理性能等各方面都滿足使用要求的公有制制品。以模具使用的角度，要求高效率、自動化操作簡便；從模具制造的角度，要求結構合理、制造容易、成本低廉。??
模具影響著制品的質量。首先，模具型腔的形狀、尺寸、表面光潔度、分型面、進澆口和排氣槽位置以及脫模方式等對制件的尺寸精度和形狀精度以及制件的物理性能、機械性能、電性能、內應力大小、各向同性性、外觀質量、表面光潔度、氣泡、凹痕、燒焦、銀紋等都有十分重要的影響。其次，在加工過程中，模具結構對操作難易程度影響很大。在大批量生產塑料制品時，應盡量減少開模、合模的過程和取制件過程中的手工勞動，為此，常采用自動開合模自動頂出機構，在全自動生產時還要保證制品能自動從模具中脫落。另外模具對制品的成本也有影響。當批量不大時，模具的費用在制件上的成本所占的比例將會很大，這時應盡可能的采用結構合理而簡單的模具，以降低制品的成本。??
現代生產中，合理的加工工藝、高效的設備、先進的模具是必不可少是三項重要因素，尤其是模具對實現材料加工工藝要求、塑料制件的使用要求和造型設計起著重要的作用。高效的全自動設備也只有裝上能自動化生產的模具才有可能發(fā)揮其作用，產品的生產和更新都是以模具的制造和更新為基礎的。由于制件品種和產量需求很大，對模具也提出了更高的要求。因此促進模具的不斷向前發(fā)展，首先要提高對模具設計的精確度。?
二.模具的發(fā)展趨勢?
近年來，模具增長十分迅速，高效率、自動化、大型、微型、精密、高壽命的模具在整個模具產量中所占的比重越來越大。從模具設計和制造角度來看，模具的發(fā)展趨勢可分為以下幾個方面：??
（1）理論研究的深入發(fā)展?
在模具設計中，對工藝原理的研究越來越深入，模具設計已經從有經驗設計階段逐漸向理論技術設計方面發(fā)展，使得產品不僅有了量的提升更有了質的跨越。?
（2）高效率、自動化??
現代企業(yè)中大量采用各種高效率、自動化的模具結構。高速自動化的成型機械配合以先進的模具，對提高產品質量，提高生產率，降低成本起了很大的作用。??
（3）大型、超小型及高精度??
由于產品應用的擴大，于是出現了各種大型、精密和高壽命的成型模具，為了滿足這些要求，研制了各種高強度、高硬度、高耐磨性能且易加工、熱處理變形小、導熱性優(yōu)異的制模材料。?更加注重模具的專業(yè)性。?
（4）革新模具制造工藝
大學期間的學習即將結束，畢業(yè)設計是其中最后一個實踐環(huán)節(jié)，是對以前所學的知識及所掌握的技能的綜合運用和檢驗。隨著我國經濟的迅速發(fā)展，采用模具的生產技術得到愈來愈廣泛的應用。隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)產品的品種和數量不斷增加。換型不斷加快，使模具的需要不斷增加，而對模具的質量要求越來越高。模具技術在國民經濟中的作用越來越顯得更為重要。?
模具是一種特殊的模型，用來塑造(制造)產品；從工藝的角度，模具是一種成型制品的特殊工藝裝備。模具是工業(yè)生產的基礎工藝裝備，在電子、汽車、電機、電器、儀表、家電和通訊等產品中，60％—80％的零部件都依靠模具成形，模具質量的高低決定著產品質量的高低，因此，模具被稱之為“工業(yè)之母”。模具又是“效益放大器”，用模具生產的最終產品的價值，往往是模具自身價值的幾十倍、上百倍。?目前，我國沖壓技術與工業(yè)發(fā)達國家相比還比較的落后，主要原因是我國在沖壓基礎理論及成形工藝、模具標準化、模具設計、模具制造工藝及設備等方面與工業(yè)發(fā)達的國家尚有相當大的差距，導致我國模具在壽命、效率、加工精度、生產周期等方面與工業(yè)發(fā)達國家的模具相比差距相當大。?
隨著國民經濟總量和工業(yè)產品技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對模具的需求量越來越大，技術要求也越來越高。雖然模具種類繁多，但其發(fā)展重點應該是既能滿足大量需要，又有較高技術含量，特別是目前國內尚不能自給，需大量進口的模具和能代表發(fā)展方向的大型、精密、復雜、長壽命模具。模具標準件的種類、數量、水平、生產集中度等對整個模具行業(yè)的發(fā)展有重大影響。因此，一些重要的模具標準件也必須重點發(fā)展，而且其發(fā)展速度應快于模具的發(fā)展速度，這樣才能不斷提高我國模具標準化水平，從而提高模具質量，縮短模具生產周期，降低成本。由于我國的模具產品在國際市場上占有較大的價格優(yōu)勢，因此對于出口前景好的模具產品也應作為重點來發(fā)展。根據上述需要量大、技術含量高、代表發(fā)展方向、出口前景好的原則選擇重點發(fā)展產品，而且所選產品必須目前已有一定技術基礎，屬于有條件、有可能發(fā)展起來的產品。?
沖壓是一種先進的少無切削加工方法，具有節(jié)能省材、效率高、產品質量好、重量輕、加工成本低等一系列優(yōu)點,在汽車、航空航天、儀器儀表、家電、電子、通訊、軍工、日常用品等產品的生產中得到了廣泛的應用.據統計，薄板成型后，制造了相當于原材料的12倍的附加值,在國民經濟生產總值中，與其相關的產品占四分之一，在現代汽車工業(yè)中，沖壓件的產值占總產值的59%。隨著我國經濟的迅速發(fā)展，采用模具的生產技術得到愈來愈廣泛的應用。?
在完成大學期間的課程學習、生產實習，我熟練地掌握了機械制圖、機械設計、機械原理等專業(yè)基礎課和專業(yè)課方面的知識，對機械制造、加工的工藝有了一個系統、全面的理解，達到了學習的目的。對于模具設計這個實踐性非常強的設計課題，我們進行了大量的實習。經過生產實習，我對于冷沖模具有了一個全新的認識，豐富和加深了對各種模具的結構和動作過程方面的知識。在指導老師的細心指導下和在工廠師傅的講解下，我們對于模具的設計和制造工藝有了系統而深刻的認識。同時在實習現場親手拆裝了一些典型的模具實體并查閱了很多相關資料，通過這些實踐，我們熟練掌握了模具的一般工作原理、制造、加工工藝。通過在圖書館借閱相關手冊和書籍，更系統而全面了細節(jié)問題。鍛煉了縝密的思維并使我們初步具備了設計工作者應有的素質。設計中，將充分利用和查閱各種資料，并與同學進行充分討論，盡最大努力搞好本次畢業(yè)設計。?
在設計的過程中，將有一定的困難，但有指導老師的悉心指導和自己的努力，相信會完滿的完成畢業(yè)設計任務。由于學生水平有限，而且缺乏經驗，設計中難免有不妥之處，懇請各位老師指正。
1 汽車轉向螺帽墊片的工藝分析
沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料（金屬或非金屬）批量加工成所需沖件的專用工具。沖模在沖壓中至關重要，沒有符合要求的沖模，批量沖壓生產就難以進行；沒有先進的沖模，先進的沖壓工藝就無法實現。沖壓工藝與模具、沖壓設備和沖壓材料構成沖壓加工的三要素，只有它們相互結合才能得出沖壓件。與機械加工及塑性加工的其它方法相比，沖壓加工無論在技術方面還是經濟方面都具有許多獨特的優(yōu)點。
圖2—1 零件圖
如圖2—1所示零件圖。
生產批量：大批量;
材料： Q235
該材料，經退火及時效處理，具有較高的強度、硬度，適合做中等強度的零件。
尺寸精度：其他的形狀尺寸均未標注公差，屬自由尺寸，可安IT14級確定工件的公差。
表0.8部分標準公差值（GB/T1800.3—1998）
公差等級
IT6
IT7
IT8
IT9
IT10
IT11
IT12
IT13
IT14
IT15
基本尺寸
/μm /mm
＞3～6
8
12
18
30
48
75
0.12
0.18
0.30
0.48
＞6～10
9
15
22
36
58
90
0.15
0.22
0.36
0.58
＞10～18
11
18
27
43
70
110
0.18
0.27
0.43
0.70
＞18～30
13
21
33
52
84
130
0.21
0.33
0.52
0.84
＞30～50
16
25
39
62
100
160
0.25
0.39
0.62
1.00
＞50～80
19
30
46
74
120
190
0.30
0.46
0.74
0.80
＞80～120
22
35
54
87
140
220
0.35
0.54
0.87
1.40
工件結構形狀：制件需要進行落料、沖孔、基本工序，尺寸較小。
結論：該制件可以進行沖裁
制件為大批量生產，應重視模具材料和結構的選擇，保證磨具的復雜程度和模具的壽命。
2 確定工藝方案及模具的結構形式
根據制件的工藝分析，其基本工序有落料、沖孔基本工序，按其先后順序組合，可得如下幾種方案;
(1) 落料——沖孔；單工序模沖壓
(2) 沖孔——落料；連續(xù)模沖壓。
(3) 沖孔——落料；復合模沖壓。
方案（1）屬于單工序模沖裁工序沖裁模指在壓力機一次行程內
完成一個沖壓工序的沖裁模。由于此制件生產批量大，尺寸又較這兩種方案生產效率較低，操作也不安全，勞動強度大，故不宜采用。
方案（2）屬于連續(xù)模，是指壓力機在一次行程中，依次在模具幾個不同的位置上同時完成多道沖壓工序的模具。于制件的結構尺寸小，厚度小，連續(xù)模結構復雜，又因落料在前彎曲在后，必然使彎曲時產生很大的加工難度，因此，不宜采用該方案。
方案（3）屬于復合沖裁模，復合沖裁模是指在一次工作行程中，在模具同一部位同時完成數道沖壓工序的模具。采用復合模沖裁，其模具結構沒有連續(xù)模復雜，生產效率也很高，又降低的工人的勞動強度，所以此方案最為合適。
根據分析采用方案（4）復合沖裁。
3 模具總體結構設計
3.1 模具類型的選擇
???? ?由沖壓工藝分析可知，采用復合沖壓，所以模具類型為復合模。
3.2定位方式的選擇
? ?因為該模具采用的是條料，控制條料的送進方向采用導料銷，有側壓裝置?？刂茥l料的送進步距采用導正銷定距。
3.3卸料方式的選擇
? 因為工件料厚為0.8mm，相對較薄，卸料力不大，故可采用彈性料裝置卸料。
3.4導向方式的選擇
? 為了提高模具壽命和工件質量，方便安裝調整，該復合模采用對角導柱的導向方式。
4 模具設計工藝計算
4.1搭邊值的確定
排樣時零件之間以及零件與條料側邊之間留下的工藝余料，稱為搭邊。搭邊的作用是補償定位誤差，保持條料有一定的剛度，以保證零件質量和送料方便。搭邊過大，浪費材料。搭邊過小，沖裁時容易翹曲或被拉斷，不僅會增大沖件毛刺，有時還有拉入凸、凹模間隙中損壞模具刃口，降低模具壽命?；蛴绊懰土瞎ぷ鳌?
搭邊值通常由經驗確定，表所列搭邊值為普通沖裁時經驗數據之一。
表5—2 搭邊a和a1數值
表5.1搭邊值和側邊值
材料厚度t
手動送料
自動送料
圓形
非圓形
往復送料
a
a1
a
a1
a
a1
a
a1
1以下
1.5
1.5
2
1.5
3
2
1～2
2
1.5
2.5
2
3.5
2.5
3
2
2～3
2.5
2
3
2.5
4
3.5
3～4
3
2.5
3.5
3
5
4
4
3
4～5
4
3
5
4
6
5
5
4
5～6
5
4
6
5
7
6
2.0
5
該制件是矩形工件，根據尺寸從表4—2中查出：兩制件之間的搭邊值a1=0.8（mm）,側搭邊值a=1.5(mm)。
由于該制件的材料，所以兩制件之間的搭邊值為：
取a1=2(mm)
取a=2(mm)
4.2條料寬度的確定
計算條料寬度有三種情況需要考慮；
有側壓裝置時條料的寬度。
無側壓裝置時條料的寬度。
有定距側刃時條料的寬度。有定距側刃時條料的寬度。
有側壓裝置的模具，能使條料始終沿著導料板送進。
條料寬度公式：
B=（D+2a） 公式（5—2）其中條料寬度偏差上偏差為0，下偏差為—△，見表4—3條料寬度偏差。
D ——條料寬度方向沖裁件的最大尺寸。
a——側搭邊值。
查表4—3條料寬度偏差為0.15
根據公式4 —1 B=（D+2a）
=（40+2×2）0-0.1
=440-0.1
表5—3 條料寬度公差(mm)
條料寬度
B/mm
材料厚度t/mm
～0.5
>0.5～1
>1～2
～20
0.05
0.08
0.10
>20～30
0.08
0.10
0.15
>30～50
0.10
0.15
0.20
4.3 排樣
根據材料經濟利用程度，排樣方法可以分為有廢料、少廢料和無廢料排樣三種，根據制件在條料上的布置形式，排樣有可以分為直排、斜排、對排、混合排、多排等多重形式。
采用少、無廢料排樣法，材料利用率高，不但有利于一次沖程獲得多個制件，而且可以簡化模具結構，降低沖裁力，但是，因條料本身的公差以及條料導向與定位所產生的誤差的影響，所以模具沖裁件的公差等級較低。同時，因模具單面受力（單邊切斷時），不但會加劇模具的磨損，降低模具的壽命，而且也直接影響到沖裁件的斷面質量。
4.4材料利用率的計算
沖裁零件的面積為：通過測量得到S=267.36mm2
沖裁零件的周長為：L=193.03 mm
一個步距內的材料利用率為：
n11=(nF/Bh)×100%
n為一個步距內沖件的個數。
n11=(nF/Bh)×100%
=81.96%
圖5—3 排樣圖
5 沖裁力的計算
5.1計算沖裁力的公式
計算沖裁力是為了選擇合適的壓力機，設計模具和檢驗模具的強度，壓力機的噸位必須大于所計算的沖裁力，以適宜沖裁的要求，普通平刃沖裁模，其沖裁力F p一般可以按下式計算：
Fp=KptLτ 公式（6—1）
式中 τ——材料抗剪強度，見附表（MPa）；
L——沖裁周邊總長（mm）；
t——材料厚度（mm）;
系數Kp是考慮到沖裁模刃口的磨損，凸模與凹模間隙之波動（數值的變化或分布不均），潤滑情況，材料力學性能與厚度公差的變化等因數而設置的安全系數Kp，一般取1~3。當查不到抗剪強度r時，可以用抗拉強度σb代替τ，而取Kp=1的近似計算法計算。
根據常用金屬沖壓材料的力學性能查出Q235的抗剪強度為280～310(MPa)，
取τ=300(MPa)
5.2 總沖裁力、卸料力、推料力、頂件力、彎曲力和總沖壓力
由于沖裁模具采用彈壓卸料裝置和自然落料方式?？偟臎_裁力包括
F——總沖壓力。
Fp——總沖裁力。
FQ——卸料力
FQ1——推料力。
FQ2——頂件力
FC——彎曲力
根據常用金屬沖壓材料的力學性能查出Q235—Y的抗剪強度為280～310(MPa )
5.2.1 總沖裁力：
Fp=KptLτ
=1×0.8×193.03×300
=45.486(KN)
表6—5 卸料力、推件力和頂件力系數
料厚t/mm
Kx
Kt
Kd
鋼
≤0.1
＞0.1~0.5
＞0.5~0.25
＞2.5~6.5
＞6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.03
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
鋁、鋁合金
純銅，黃銅
0.025~0.08
0.02~0.06
0.03~0.07
0.03~0.09
對于表中的數據，后的材料取小直，薄材料取值。
5.2.2 卸料力FQ的計算
FQ=Kx Fp 公式(6—2)
K——卸料力系數。
查表6—5得KＸ＝0.025~0.08，取KＸ＝0.08
根據公式6—2 FQ=KＸ Fp
＝0.08×45.486
＝3.638(KN)
5.2.3推料力FQ1的計算
FQ1=KtFp 公式(6—3)
Kt——推料力系數。
查表6—5得Kt＝0.03~0.07, 取Kt=0.07
根據公式6—3 FQ1=KtFp
=0.07×45.486
≈3.18(KN)
5.2.4頂件力FQ2的計算
FQ2=KdFp 公式(6—4)
Kd——頂件力系數。
查表6—5得Kd＝0.03~0.07, 取Kt=0.07
根據公式6—4 FQ2=KdFp
=0.07×45.486
≈3.18(KN)
5.2.6總的沖壓力的計算
根據模具結構總的沖壓力： F=Fp+FQ+FQ1+FQ2+FC
F=Fp+FQ+FQ1+FQ2+FC
=108.03(KN)
根據總的沖壓力，初選壓力機為：開式雙柱可傾壓力機J23—25。
6 模具壓力中心與計算
模具壓力中心是指諸沖壓合力的作用點位置，為了確保壓力機和模具正常工作，應使沖模的壓力中心與壓力機滑塊的中心相重合。否則，會使沖模和壓力機滑塊產生偏心載荷，使滑塊和導軌間產生過大磨損，模具導向零件加速磨損，降低了模具和壓力機的使用壽命。
模具的壓力中心，可安以下原則來確定：
1、對稱零件的單個沖裁件，沖模的壓力中心為沖裁件的幾何中心。
2、工件形狀 相同且分布對稱時，沖模的壓力中心與零件的對稱中心相重合。
3、各分力對某坐標軸的力矩之代數和等于諸力的合力對該軸的力矩。求出合力作用點的坐標位置0，0（x=0,y=0），即為所求模具的壓力中心。
Xo=L1X1+L2X2+……LnXn/L1+L2+……Ln
Yo=L1Y1+L2Y2+……LnYn/L1+L2+……Ln
由于該零件是一個矩形圖形，屬于對稱中心零件，所以該零件的壓力中心在圖形的幾何中心O處。如圖6—1所示：
7 沖裁模間隙的確定
設計模具時一定要選擇合理的間隙，以保證沖裁件的斷面質量、尺寸精度滿足產品的要求，所需沖裁力小、模具壽命高，但分別從質量，沖裁力、模具壽命等方面的要求確定的合理間隙并不是同一個數值，只是彼此接近?？紤]到制造中的偏差及使用中的磨損、生產中通常只選擇一個適當的范圍作為合理間隙，只要間隙在這個范圍內，就可以沖出良好的制件，這個范圍的最小值稱為最小合理間隙Cmin，最大值稱為最大合理間隙Cmax。考慮到模具在使用過程中的磨損使間隙增大，故設計與制造新模具時要采用最小合理間隙值Cmin。
沖裁間隙的大小對沖裁件的斷面質量有極其重要的影響，此外，沖裁間隙還影響模具壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖裁件的尺寸精度。沖裁過程中，凸模與被沖的孔之間，凹模與落料件之間均有摩擦，間隙越小，模具作用的壓應力越大，摩擦也越嚴重，而降低了模具的壽命。較大的間隙可使凸模側面及材料間的摩擦減小，并延緩間隙由于受到制造和裝配精度的限制，雖然提高了模具壽命而，但出現間隙不均勻。因此，沖裁間隙是沖裁工藝與模具設計中的一個非常重要的工藝參數。
由于硬呂與中碳剛的間隙取值是一樣的，所以硬呂材料的間隙值與中碳剛的間隙取值一樣。
根據實用間隙表 8—1 查得材料的最小雙面間隙2Cmin=0.126mm，最大雙面間隙2Cmax=0.180mm
表8—1 沖裁模初始用間隙2c(mm)
材料
厚度
08、10、35、
09Mn、Q235
16Mn
40、50
65Mn
2Cmin
2Cmax
2Cmin
2Cmax
2Cmin
2Cmax
2Cmin
2Cmax
小于0.5
極小間隙
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
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