2391 齒輪螺栓墊片沖壓成形工藝與模具設計1,齒輪,螺栓,墊片,沖壓,成形,工藝,模具設計
河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書1 1 緒 論目前，我國沖壓技術與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當?shù)穆浜螅饕蚴俏覈跊_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。我國模具近年來發(fā)展很快，據(jù)不完全統(tǒng)計，2003 年我國模具生產廠點約有 2 萬多家，從業(yè)人員約 50 多萬人，2004 年模具行業(yè)的發(fā)展保持良好勢頭，模具企業(yè)總體上訂單充足，任務飽滿，2004 年模具產值 530 億元。進口模具 18.13 億 美元，出口模具4.91 億美元，分別比 2003 年增長 18%、32.4%和 45.9%。進出口之比 2004 年為3.69:1，進出口相抵后的進凈口達 13.2 億美元，為凈進口量較大的國家。在 2 萬多家生產廠點中，有一半以上是自產自用的。在模具企業(yè)中，產值過億元的模具企業(yè)只有 20 多家，中型企業(yè)幾十家，其余都是小型企業(yè)。 近年來， 模具行業(yè)結構調整和體制改革步伐加快，主要表現(xiàn)為：大型、精密、復雜、長壽命中高檔模具及模具標準件發(fā)展速度快于一般模具產品；專業(yè)模具廠數(shù)量增加，能力提高較快；"三資"及私營企業(yè)發(fā)展迅速；國企股份制改造步伐加快等。雖然說我國模具業(yè)發(fā)展迅速，但遠遠不能適應國民經濟發(fā)展的需要。我國尚存在以下幾方面的不足:第一，體制不順，基礎薄弱。 “三資”企業(yè)雖然已經對中國模具工業(yè)的發(fā)展起了積極的推動作用，私營企業(yè)近年來發(fā)展較快，國企改革也在進行之中，但總體來看，體制和機制尚不適應市場經濟，再加上國內模具工業(yè)基礎薄弱，因此，行業(yè)發(fā)展還不盡如人意，特別是總體水平和高新技術方面。 第二，開發(fā)能力較差，經濟效益欠佳.我國模具企業(yè)技術人員比例低，水平較低，且不重視產品開發(fā)，在市場中經常處于被動地位。我國每個模具職工平均年創(chuàng)造產值約合 1 萬美元，國外模具工業(yè)發(fā)達國家大多是 15～20 萬美元，有的高達 25～30 萬美元，與之相對的是我國相當一部分模具企業(yè)還沿用過去作坊式管理，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化企業(yè)管理的企業(yè)較少。 第三，工藝裝備水平低，且配套性不好，利用率低．雖然國內許多企業(yè)采用了先進的加工設備，但總的來看裝備水平仍比國外企業(yè)落后許多，特別是設備數(shù)控化率和河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書2 CAD/CAM 應用覆蓋率要比國外企業(yè)低得多。由于體制和資金等原因，引進設備不配套，設備與附配件不配套現(xiàn)象十分普遍，設備利用率低的問題長期得不到較好解決。裝備水平低，帶來中國模具企業(yè)鉗工比例過高等問題。第四，專業(yè)化、標準化、商品化的程度低、協(xié)作差． 由于長期以來受“大而全”“小而全”影響，許多模具企業(yè)觀念落后，模具企業(yè)專業(yè)化生產水平低，專業(yè)化分工不細，商品化程度也低。目前國內每年生產的模具，商品模具只占 45%左右，其馀為自產自用。模具企業(yè)之間協(xié)作不好，難以完成較大規(guī)模的模具成套任務，與國際水平相比要落后許多。模具標準化水平低，標準件使用覆蓋率低也對模具質量、成本有較大影響，對模具制造周期影響尤甚。 第五，模具材料及模具相關技術落后．模具材料性能、質量和品種往往會影響模具質量、壽命及成本，國產模具鋼與國外進口鋼相比，無論是質量還是品種規(guī)格，都有較大差距。塑料、板材、設備等性能差，也直接影響模具水平的提高。設計者：劉濤2009 年 5 月 15 日2 零件的工藝性分析工件名稱：齒輪螺栓墊片生產批量：大批量材料：A3 鋼 厚度：1mm河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書3 圖 1 零件圖2.1 零件的總體分析該零件為齒輪螺栓墊片，材料為 A3 鋼，即為 Q235 的舊牌號，具有良好的塑性、韌性、冷沖壓性能，能夠進行一般的沖壓加工。零件形狀較為復雜，采用圓弧過渡，但零件對稱分布，有沖孔、落料兩個工序特征。2.1.1 外形落料的工藝性齒輪螺栓墊片屬于中等尺寸零件，料厚 1mm，外形較為復雜，采用圓弧過渡，以便于模具加工，減少熱處理開裂，減少沖裁時尖角處的崩刃和過快磨損，尺寸精度要求一般。2.1.2 沖孔的工藝性有兩個 10 的孔，尺寸精度一般。?2.1.3 沖裁件的孔邊距和孔間距為避免工件變形和保證模具強度，孔邊距和孔間距不能過小。 【1】 其最小許可值當?。?。根據(jù)工件的尺寸可得 ，所以工件的尺寸符合要求。??1.5ct?:4.5C?1t沖孔時因凸模強度限制孔的尺寸不應太小，否則凸模易折斷，查表 2.7.3【1】 知，工件上孔的直徑大于或等于 0.35 倍的料度即 。由任務書零件圖易于看出工件0.3dt?的尺寸符合要求。2.1.4 尺寸精度河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書4 圖示零件的尺寸均未注公差的一般尺寸，按慣例取 IT14 級，尺寸精度較低，符合一般沖壓的經濟精度要求。3 工藝方案的確定該零件所需的基本沖壓工序為落料和沖孔，可擬訂出以下三種工藝方案。方案一：單工序模生產。方案二：落料沖孔復合模。方案三：沖孔落料級進模。 采用方案一，生產率低，工件的累計誤差大，操作不方便，由于該工件為大批量生產，方案二和方案三更具有優(yōu)越性。該零件 φ10mm 的孔與外圓之間的最小距離為 4mm，大于此凸凹模允許的最小壁厚（2.7mm） （1） ，可以采用沖孔、落料復合?；驔_孔、落料連續(xù)模。但復合模模具的形位精度和尺寸精度容易保證，且生產率也高。盡管模具結構比較復雜但由于零件的幾何河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書5 形狀簡單對稱，模具制造并不困難。級進模雖生產率也高，但零件的沖裁精度稍差。欲保證沖壓件的形位精度，需要在模具上設置導正銷導正，故模具制造、安裝較復合模復雜。通過對上述三種方按的分析比較，該零件的沖壓生產采用方按二的復合模為佳。4 排樣設計與計算設計復合模時，首先要設計條料排樣圖。根據(jù)工件的形狀選擇有廢料排樣，且為直排的形式，雖然材料的利用率低于少廢料和無廢料排樣，但工件的精度高，且易于保證工件外形的圓角。4.1 確定搭邊與搭肩值搭邊和搭肩值一般是由經驗確定的，查表 2.5.2【1】 。取最小搭邊值為 ，1.5am?最小搭肩值 。2.am?4.2 確定零件的排樣方案設計模具時，條料的排樣很重要。分析零件形狀可知，確定排樣方案：條料從右至左送進，落料凸模的沖壓力比較均勻，零件形狀精度容易保證。條料的排樣如圖 2所示。河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書6 排 樣 圖2 排樣方案4.3 計算送料步距和條料的寬度按如上排樣方式，并根據(jù)工件的尺寸確定送料步距為搭肩值與工件寬度之和。即 274.Lam??查表 2.5.3 可知條料寬度單向偏差為 0.50mm，由公式計算如下：????000 0max1 .5.5.57217BDm?? ???????所以確定條料的寬度 B 為 0.5導料板間距離 （無側壓裝置）7.AC???—條料寬度方向沖裁件的最大尺寸。maxD—搭邊值1C—導料板與條料之間的間隙 （查表 2.5.5）0.5C?4.4 計算材料的利用率根據(jù)一般的市場供應情況，原材料選用 的冷扎薄鋼板。每12501m?河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書7 塊可剪 規(guī)格條料 16 條，材料剪切利用率達 96％。1507m?材料利用率通用公式 【1】 10%nABS???式中 A—一個沖裁剪的面積 。2mn— 一個步距內的沖裁件數(shù)量。B—條料寬度 。2S—步距 。m材料利用率： ??978.45236%?????5 計算沖壓力和初選壓力機5.1 沖裁工序總力的計算由工件結構和前面所定的沖壓方案可知，本模具采用彈性卸料裝置和下出料方式的沖裁模?？紤]到模具刃部被磨損、凸凹模不均勻和波動、材料力學性能及材料厚度偏差等因素的影響。本模具采用普通平刃口模具沖裁，其沖裁力 P 按下式計算：bPKLt??式中 P—沖裁力（KN） 。K—系數(shù)，一般取 1.3 L—沖裁件剪切周邊長度（mm） 。t—沖裁件材料厚度（mm）—被沖材料的抗剪強度 。???aMP上式中抗剪強度 與材料種類和坯料的原始狀態(tài)有關，可在手冊中查詢，為方便計算，可取材料的 ，故沖裁力表達式又可表示為：b0.8??河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書8 b1.3tPL????查手冊 【3】 的 取極限值235Qba750MP:＝ ba50MP?＝4.6KN??孔 ＝ ＝104.P落 ＝ ＝ 3.52.8.1?孔沖 落＝ ＝ ＝查表 2.6.1【1】 卸料力系數(shù) X0.4K＝卸料力 .637XPN??沖 ＝ ＝推件力 Tn沖—推件力系數(shù),由手冊查得TKTK＝ 0.5n—同時卡在凹模的工件(或廢料)數(shù),其中 n=h/th—凹模刃部直壁洞口高度（mm） ，t—料厚( mm) 查手冊 【5】 表 2.9.4 可得和 h=6mm,故 n=6/1.5＝4T40.586.12.PnKKN???沖工序總力 .378.61.92ZXTFPKN???沖5.2 初選壓力機壓力機的公稱壓力必須大于或等于工序總力。查手冊 【2】 初選開式可傾壓力機參數(shù)初選壓力機型號為 J23-16 和 J23-25，見表一。表一 所選擇壓力機的相關參數(shù)河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書9 型號 公稱壓力/kN滑塊行程/mm最大封閉高度/mm工作臺尺寸/mm可傾斜角/。封閉高度調節(jié)量/mmJ23-16 160 55 220 300×450 35 45J23-25 250 65 270 370×560 30 555.3 確定壓力中心 模具的壓力中心就是沖壓力合力的作用點。為了保證壓力機和模具的正常工作，應使模具的壓力中心和壓力機滑塊的中心線相重合。否則沖壓時滑塊會承受偏心載荷，導致滑塊的滑軌和模具的導向部分不正常磨損，還會使合理間隙得不到保證，從而影響制件的質量降低模具壽命甚至損壞模具。而本模具所沖裁的制件形狀左右對稱，所以模具的壓力中心在幾何圖形的中心點上。河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書10 6 模具結構形式的選擇與確定6.1 模具類型的選擇由沖壓工藝分析可知，采用倒裝復合沖壓，所以模具類型為倒裝復合模。6.2 定位方式的選擇因為該模具采用的是條料，所以選用導料銷和擋料銷來實現(xiàn)對沖裁條料的定位。6.3 導向方式的選擇為了提高模具壽命和工作質量，方便安裝調整，該復合模采用后側導柱的導向方式。6.4 卸料方式該模具采用倒裝結構，沖孔廢料直接由沖孔凸模從凸凹模內孔推下。工件厚度為1mm，料厚相對較厚，卸料力也比較小，故可采用彈性卸料。河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書11 6.5 送料方式采用手動送料。7 模具工作零部件刃口尺寸的計算該零件屬于無特殊要求的一般沖孔落料件，外形尺寸由落料獲得，小孔尺寸則由沖孔得到。查表 2.3.3 可知 min0.1Z?max0.14Z?maxin.44Z?又模具的精度等級為 IT14 級。查表 2.2【4】 取0.43??0.5X?7.1 沖裁 孔的凸、凹模刃口尺寸的計算1?凸模尺寸 ????000min .16.41.5325TTdx m? ?????????凹模尺寸 ?0.640.24inin0..35AAZ?? ???校核： maxinT????即 滿足公差間隙條件。0.16.240.河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書12 7.2 外形落料凸模、凹模刃口尺寸的計算此落料件為形狀較為復雜的零件，所以利用凸凹模配作法，這種方法有利于獲得最小的合理間隙，放寬對模具的加工設備的精度要求。以落料凹模為基準件，由公差表查得工件個尺寸的公差等，確定 x采用配作法，計算凹模的刃口尺寸，首先是根據(jù)凹模磨損后輪廓變化情況正確判斷出模具刃口各個尺寸在磨損過程中是變大還是變小，還是不變這三種情況，然后分別按不同的計算公式計算。a、凹模磨損后會增大的尺寸-------第一類尺寸 A第一類尺寸： 14max0()jA????b、凹模磨損后會減小的尺寸-------第二類尺寸 B第二類尺寸： 0max14()jB????c、凹模磨損后會保持不變的尺寸 第三類尺寸 C第三類尺寸： min1(0.5)8jC????其落料凹模的基本尺寸計算如下：第一類尺寸：磨損后增大的尺寸： 110.740.18541max0()(72.53)63A m??????????100.17542ax01.43()(.)?? ???110.30.75443max0()(5.7)A m?? ?????河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書13 110.520.13444max0()(2.)97A m??????????第三類尺寸：磨損后基本不變的尺寸： 1min11(0.5)(40.6250.).6239.07588C m???????????圖 3 落料凹模刃口部分尺寸落料凸模的基本尺寸與凹模相同，分別是71.63mm、16.785mm、4.775mm、19.74mm、39.69mm，不必標注公差，但要在技術條件中注明：凸模實際刃口尺寸與落料凹模配制，保證最小雙面合理間隙值Zmin=0.100（落料凸模、凹模刃口部分尺寸分別見圖 4、5）河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書14 圖 4 落料凸模刃口部分尺寸8 模具主要零部件設計8.1 工作零部件的結構設計8.1.1 落料凹模的設計凹模采用整體式凹模，各沖裁的凹模孔均采用線切割加工。安排凹模在模架上的位置時，要依據(jù)計算的壓力中心的數(shù)據(jù)，使壓力中心與模柄中心重合。整體式凹模裝于下模座上, 凹模高度可按經驗公式計算，即凹模高度 H=Kb凹模壁厚 C=(1.5～2)H式中 b----凹?？椎淖畲髮挾龋ǖ?B 不小于 15mm）C-----凹模壁厚， 指刃口至凹模外形邊緣的距離K=系數(shù)（查表 2－40 【5】 K=0.22）凹模高度 H=Kb=0.22×71.63=15.76mm 河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書15 按表取標準值 H=16mm凹模壁厚 C= C=(1.5～2)H =24mm～32mm（ ）30~4Cm?凹模壁厚取 32mm。凹模寬度 271.63215.6BbC????凹模上螺孔到凹模外緣的距離一般取（1.7～2.0）d, 圖 5 凹模上的螺孔設計與選用d 為螺孔的距離，由于凹模厚度為 16mm，所以根據(jù)表 2.46【2】 查得螺孔選用 4×M8的螺釘固定在下模座。故選用如圖 6 。 螺孔到凹模外緣的最小距離 【6】 ：a2=1.5d=1.5×8=12mma3=1.13d=1.13 8≈9mm?凹模上螺孔到銷孔的距離一般取 b>2d,所以 b 應大于 16。根據(jù)上述方法確定凹模外形尺寸須選用矩形凹模板 160×125×16（JB/T7643.1）【6】8.1.2 沖孔凸模的設計因為所沖的孔均為圓形，而且都不屬于需要特別保護的小凸模，所以沖孔凸模采用臺階式。一方面加工簡單，另一方面便于裝配與更換。查表 1－214 【5】 沖兩個 孔的圓形凸?？蛇x用標準件 B 型式。如圖 7 所示。1?河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書16 圖 6 沖孔凸模的結構形式凸模長度一般是根據(jù)結構上的需要而確定的，其凸模長度用下列公式計算：L=h1+h2+h3+h式中 L—凸模長度， mmh1—凸模固定板高度，mmh2—卸料板高度，mmh3—導料板高度，mmh—附加高度，一般取 15~20mm沖裁 10mm 孔凸模尺寸及其組件確定和標準化（包括外形尺寸和厚度）?小凸模長度 L=20+14+6+18=58mm由小凸模刃口 d=11.15mm 查手冊 【2】 表 2.54 可知 h=5mm, D1=16mm, D=15mm, L=58㎜。小凸模強度校核 要使凸模正常工作，必須使凸模最小斷面的壓應力不超過凸模材料的許用壓應力，即河 南 機 電 高 等 專 科 學 校 畢 業(yè) 設 計 說 明 書17 對于圓形凸模 min4[]td???式中 —圓形凸模最小截面直徑，mmmindt—沖裁材料厚度，mm—沖裁材料的抗剪強度，取 140Mpa【3】?—凸模材料許用強度，取 120Mpa【3】???dmin≥ = =4.67mm 所以承壓能力足夠。][4?t102?抗縱向彎曲力校核 對于圓形凸模（有導向裝置） 2max70dLF?式中 Lmax ——允許的凸模最大自由長度，mmF ——沖模力,Nｄ——凸模最小截面的直徑，mm= =631.99mm 所以長度適宜。2max70dLF?24.6781?凸模固定端面的壓力q =
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