彈簧支架級進模設計及其制造工藝

彈簧支架級進模設計及其制造工藝,彈簧,支架,級進模,設計,及其,制造,工藝 摘 要 闡述了級進模的結構設計工程及其工作過程，通過系統(tǒng)的工藝分析，采用沖孔、翻邊 、落料等工序進行加工。通過計算工藝力以確定模具壓力中心，并選擇壓力機的型號。落料凹模通過凹模固定板與下模座連接來固定。模具采用下出料方式和彈性卸料卸料裝置。本模具結構較簡單，性能可靠，工作平穩(wěn)，提高了生產效率，降低勞動強度和生產成本。 關鍵字：級進模，沖壓工藝，模具設計，沖孔，落料，翻邊 ABSTRACT The passage expounds on the structure designing project and work process of the progressive die, and uses some working procedures, such as punching, flanging, blanking and so on, to process through the technologic analysis of the system. Through calculating the process to determine the center of the die’s pressure, and select the model of the presses. Blanking die is fixed by connecting the die holder with the die set. The die adopts the way of lower ejection and elasticity discharge devices. Its structure is relatively simple, the performance is reliable and the work is steady. It has improved the producing efficiency and reduced the intensity of labor and cost of production. Keywords: Progressive die; Stamping process; Mold designing; Punch; Blanking; Flanging 41 第1章 緒 論 板料成形一般稱為沖壓，它是對厚度較小的板料，利用專門的模具，使金屬板料通過一定模孔而產生塑性變形，從而獲得所需的形狀、尺寸的零件或坯料。沖壓這類塑性加工方法可進一步分為分離工序和成形工序兩類。分離工序用于使沖裁件與板料沿一定的輪廓線相互分離，如沖裁、剪切等工序；成形工序用來使坯料在不破壞的條件下發(fā)生塑性變形，成為具有要求形狀和尺寸的零件，如彎曲、拉深等工序。 隨著生產技術的發(fā)展，還不斷產生新的塑性加工方法，例如連鑄連軋、液態(tài)模鍛、等溫鍛造和超塑性成形等，這些都進一步擴大了塑性成形的應用范圍。 塑性加工按成形時工件的溫度還可以分為熱成形、冷成形和溫成形三類。熱成形是充分進行再結晶的溫度以上所完成的加工，如熱軋、熱鍛、熱擠壓等；冷成形是在不產生回復和再結晶的溫度以下進行的加工，如冷軋、冷沖壓、冷擠壓、冷鍛等；溫成形是在介于冷、熱成形之間的溫度下進行的加工，如溫鍛、溫擠壓等。本工件的成形屬于冷成形。 雖金屬塑性成形的方法多種多樣，具有各自的特點。但它們具有共同的特點，即都要利用金屬的塑性，并都要借助于一定的外力使其產生塑性變形，這就是所謂的金屬塑性加工。 金屬的塑性加工是以塑性為前提條件。塑性越好，則預示著金屬具有更好的塑性成形適應能力，允許產生更大的變形量；反之，如果金屬一受力即行斷裂，則塑性加工也就無從進行，因而，從工藝角度出發(fā)，人們總是希望變形金屬具有良好的塑性。 因而對金屬塑性成形工藝應提出相應的要求： 1）使金屬具有良好的塑性； 2）使變形抗力?。? 3）保證塑性成形件質量，即使成形件組織均勻、晶粒細小、強度高、殘余應力小等； 4）能了解變形力，以便為選擇成形設備、設計模具提供理論依據(jù)。 第2章 沖壓件工藝分析 沖壓件的工藝性，是指沖壓件對沖壓工藝的適應性，即沖裁件的形狀結構、尺寸大小、尺寸偏差、形位公差與尺寸基準等是否符合沖壓工藝要求。本次設計的工件形狀如圖2-1，現(xiàn)對該工件沖壓工藝性進行分析： 2.1分析工件的技術要求 2.1.1加工表面的尺寸精度及尺寸基準 工件中對標有尺寸精度的尺寸按照零件圖的精度進行設計，對其他未標尺寸按一般精度設計，即按國標對非圓形工件精度等級取IT14級設計，對圓形工件精度等級取IT10級設計。 沖裁件的尺寸基準應盡可能和制模時的定位基準重合，以避免產生基準不重合誤差。孔位尺寸基準應盡量選擇在沖裁過程中始終不參加變形的面或線上，切不要與參加變形的部分聯(lián)系起來。如圖1-2所示： 原設計尺寸的標注圖（a），對沖裁圖樣是不合理的，因為這樣的標注，尺寸L1、L2必須考慮到模具的磨損而相應給以較寬的公差，造成孔心距的不穩(wěn)定，孔心距公差會隨著模具磨損而增大。改用圖（b）的標注，兩孔的孔心距才不會受模具磨損的影響，比較合理。本工件的標注也屬于圖（b）類型的標注，它的孔位尺寸基準在沖裁過程中不參加變形，因而能保證工件上兩孔的孔心距不受模具磨損的影響，比較合理。 2.1.2主要加工表面的形位公差精度 通過分析零件圖，該零件的主要形位公差精度是中心凸臺處中心孔的位置公差，即要保證中心孔的同軸度偏差不超過0.05。其他未表注形位公差精度按一般的精度要求處理即可滿足工藝要求。 2.1.3表面質量要求 該工件為標有表面質量精度要求按照一般要求處理即可滿足工藝要求，即表面粗糙度。 2.2工件材料及機械性能 2.2.1工件材料化學成分對塑性的影響 工件材料Q215-F，為碳素結構鋼。 其化學成分（查文獻[2]第105頁表8-1）及影響如下：含C量為0.09%～0.15%，為低碳鋼，碳對碳鋼性能的影響最大，碳能固溶于鐵，形成鐵素體和奧氏體，它們都具有良好的塑性。當碳的含量超過鐵的溶碳能力時，多余的碳便與鐵形成化合物Fe3C,稱為滲碳體。滲碳體具有很高的硬度，而塑性幾乎為零，對基體的塑性變形起阻礙作用，而使碳鋼的塑性降低，隨著含碳量的增加，滲碳體的數(shù)量亦增多，塑性的降低也越大。圖1-3為退火狀態(tài)下，含碳量對碳鋼的塑性和強度指標的影響曲線。因而，對于冷成形用的碳鋼，含碳量應低。 含量為0.25%~0.55%，為鋼中的雜質元素，元素會與鋼中的碳形成硬而脆的碳化物，使鋼的強度提高，而塑性下降，但碳化物的影響還與它的形狀、大小和分布狀態(tài)有密切關系。因而在該工件的材料中含量不宜過高。 含量不大于0.30%，含量不大于0.050%，含量不大于0.045%，一般來說、、都是鋼中有害雜質，它們在鐵中會形成各種化合物，使鋼的強度、硬度提高，而使塑性降低，因而、、應盡量減少其含量。 氧在鐵中的溶解度很小，主要是以氧化物的形式存在于鋼中，它們多以雜亂、零散的點狀分布于晶界處。氧在鋼中無論以固溶液還是氧化物形式存在都使鋼的塑性降低，以氧化物形式存在時尤為嚴重，因為它在鋼中起空穴和微裂紋的作用。氧化物還會與其他夾雜物形成易熔共晶體分布于晶界處，造成鋼的熱脆性，因而氧元素在鋼中也不宜太高，因而脫氧方法采用沸騰處理，以減少氧在鋼中的含量，提高鋼的塑性。 2.2.2工件材料的機械性能 Q215-F的機械性能的技術數(shù)據(jù)如下（查文獻[2]第106頁表8-2）： 屈服強度（鋼材厚度（直徑））, 抗拉強度， 伸長率（鋼材厚度（直徑））. 板料的機械性能對沖壓成形性能也有影響： 板料的強度指標越高，產生相同變形量的力越大； 塑性指標越高，成形時所承受的極限變形量就越大； 剛性指標越高，成形時抵抗失穩(wěn)的能力就越大。 對沖壓成形性能的要求，即屈強比要小。Q215-F的屈強比，較小，塑性指標也較高適宜沖壓成形。 綜上所述，本工件采用Q215-F較為合理，可滿足該工件的生產工藝要求。 2.3零件的結構工藝性分析 此工件為彈簧支架，工件體積不大。主要工序為沖孔、落料、翻邊。 2.3.1沖孔部分工藝性要求 所示工件部分要采用沖孔工序。沖裁件的形狀應盡可能簡單、對稱、避免復雜形狀的曲線，在許可的情況下，把沖裁件設計成少、無廢料排樣的形狀，以減少廢料。矩形孔兩端宜用原弧連接，以利于模具加工。 沖裁件各直線或曲線的連接處，盡量避免銳角，嚴禁尖角。除在少、無廢料排樣或采用鑲拼模結構時，都應有適當?shù)膱A角相連，以利于模具制造和提高模具壽命，圓角半徑R的最小值可參考文獻[4]第75頁表2-17選取。 沖裁件凸出或凹入部分不能太窄，盡可能避免過長的懸臂和窄槽，見圖1-6。最小寬度一般不小于，若沖裁件為高碳鋼時，，,當材料厚度時，按計算。 沖裁件的孔徑受沖孔凸模強度和剛度的限制，不宜太小，否則容易折斷或壓彎，沖孔的最小尺寸可參考文獻[4]第75頁表2-18。如果采用帶保護套的凸模，穩(wěn)定性高，凸模不易折損，最小沖孔尺寸可以減小，參考文獻[4]第76頁表2-19。 沖孔件上孔和孔、孔與邊緣之間的距離不能過小，以避免工件變形、模壁過薄或因材料易被拉入凹模而影響模具壽命。一般孔邊距?。簩A孔為（1～1.5）t，對矩形孔為（1.5～2）t（圖1-7）。孔距的最小尺寸可見文獻[4]第76頁表2-20。 在彎曲件或拉深件上沖孔時，為避免凸模受水平推力而折斷，孔壁與工件直壁之間因保持一定的距離，使L≥R+0.5t。 本工件基本符合上述各項要求，因而在結構上是滿足工藝的，能夠進行沖孔落料加工。 2.3.2翻邊部分工藝性要求 本工件屬于圓孔翻邊的中間階段，即凸模下面的材料尚未完全轉移到側面之前，如果停止變形，就會得到如圖1-8所示的成形，這種成形叫做擴孔成形，其變形區(qū)材料受拉應力，切向伸長，厚度減薄，易發(fā)生破裂，屬伸長類翻邊。所以在圓孔翻邊時，應保證毛坯孔邊緣的金屬伸長變形小于材料塑性伸長所允許的極限值。本工件翻邊高度較小，翻邊系數(shù)K（K=0.789）較大滿足工藝要求。 影響圓孔翻邊成形極限的因素如下： 1．材料伸長率和硬化指數(shù)n大，Kl小，成形極限大。 2．孔緣如無毛刺和無冷作硬化時，Kl較小，成形極限較大。為改善孔緣狀況，可采用鉆孔代替沖孔，或在沖孔后進行整修，有時還可在沖孔后退火，以消除孔緣表面硬化。 3．用球形、錐形和拋物線形凸模翻邊時，變形條件比平底凸模優(yōu)越，Kl較小。在平底凸模中，其相對圓角半徑rp/t越大，極限翻邊系數(shù)可越小。 4．板材相對厚度越大，Kl越小，成形極限越大。 綜上所述，本工件結構滿足工藝要求，可以采用模具進行加工。 第3章 工藝方案確定 3.1工藝方案的提出 根據(jù)本工件的外形尺寸及形狀，可確定本工件屬于落料沖孔工序，中間帶有孔的凸臺。凸臺的加工方法有兩種：1）凸臺采用翻邊的中間工序，擴孔成形，即先沖孔，再翻邊；2）先進行淺拉深，再采用沖孔的方法將孔沖出。 根據(jù)上述的加工方法可提出以下幾種模具典型結構所設計的模具加工方案： 1）單工序模生產 單工序模結構簡單，制作周期短，制作成本低廉，生產效率低，沖出的制件精度不高，且工人勞動強度大，不適合大批量的生產。 2）復合模生產 復合模結構緊湊，沖出的制件精度較高，適合大批量生產，特別是孔與制件外形的同心度容易保證。但模具結構復雜，模具制造較困難，制造成本高，制造周期長等缺點。 3）級進模生產 在一副級進模上可對形狀十分復雜的沖壓件進行沖裁、彎曲、拉深成形等工序，故生產率高，便于實現(xiàn)機械化和自動化，適于大批量生產。由于采用條料（或帶料）進行連續(xù)沖壓，所以操作方便安全。級進模的主要缺點是結構復雜，制造精度高，周期較長，成本高。 在生產本工件時若采用單工序模生產，制作本工件至少需要5個單工序，也就意味著需要5副以上的模具來進行生產，而且本工件需要長年大批大量生產，采用單工序不但所需的單工序模較多而且會造成產品精度無法保證，經(jīng)濟效益低等缺點，故不宜采用單工序模進行生產。 若采用復合模生產，本工件因工件有帶孔凸臺，且為內圓翻邊，若采用擴孔成形，則模具中間部分不但結構非常復雜，而且加工非常困難，裝配也困難，故不采用擴孔成形加工帶孔凸臺，而采用先進行淺拉深再沖孔。在進行拉深時，圓錐部分的材料一部分是從底面流動得來的，另一部分要從主板上流動而來，而后者若為材料流動留有余量，就要增加工件排樣步距，從而造成材料消耗的增加。而且模具因為本工件較小而使其制作困難，成本增加。 若采用級進模生產，則中間帶孔凸臺的加工，若采用先淺拉深再沖孔，也會造成材料的消耗增加。而采用先沖預孔，再進行擴孔成形，翻邊時材料流動的特點是預孔周圍的材料沿圓周方向伸長，使材料變??；而徑向材料長度幾乎沒有變化，即材料在徑向沒有伸長，因而不會引起主板上的材料流動。在排樣時，只要按正常沖裁搭邊值即可，可節(jié)省材料。 綜合上述幾種方案的比較，應選用級進模進行生產，既可實現(xiàn)大批量生產，也可以節(jié)約材料。因此選用級進模生產。 3.2工件生產工序的確定 空工位的設置是為了保證模具具有足夠的強度，確保模具的壽命，或是為了便于設置特殊結構。本模具因長度不是很大，有足夠的強度，且不需設置特殊結構，因而可不設空工位。 3.3模具定位零件與卸料零件的選擇 3.3.1定位零件的選擇 定位部分零件的作用是使毛胚（條料或塊料）送料時有準確的位置，保證沖出合格制件，不致沖缺而造成浪費。因工件本身帶有一明顯的凸臺，故模具可不設側刃定位裝置，而利用凸臺對其定位。模具使用條料，用手工送料。第二工位翻邊以后，板料下面形成明顯的凸包。手工送料時，放在下一工位的凹模中即可。第二和第五工位的凸模設有導正銷進行精確定位。在第一和第二工位各設置一個始用擋料銷，供條料開始送進時的第一、第二工位使用。 3.3.2卸料零件的選擇 卸料裝置分為剛性（即固定卸料板）和彈性兩種，廢料切刀也是一種卸料的形式。 固定卸料板的卸料力大，但無壓料作用，毛胚材料厚度大于0.8mm時多采用次形式。 彈性卸料板的卸料力小，但有壓料作用，沖裁質量較好，多用于薄料。 因本工件中加工工程中有一翻邊工序，需要有壓料作用，且工件卸料力不大，故選用彈性卸料裝置。 3.3.3出料方式的選擇 出料方式有上出料和下出料兩種方式，若采用上出料方式，則還需將廢料或工件鉤出，不利于級進模的連續(xù)生產；若采用下出料方式，廢料或工件可直接從凹?？字新┏觯Y構簡單，且有利于連續(xù)大量生產。故出料方式選用下出料方式。 第4章 排樣設計 4.1材料利用率 排樣的合理與否，影響到材料的經(jīng)濟利用率，還會影響到模具結構、生產率、制件質量、生產操作方便與安全等。因此，排樣是沖裁工藝與模具設計中一項很重要的工作。 沖壓件大批量生產成本中，毛坯材料費用占60%以上，排樣的目的就在于合理利用原材料。衡量排樣經(jīng)濟性、合理性的指標是材料的利用率。其計算公式如下： 一個進距內的材料利用率η為 4.1.1 式中 A——沖裁件面積（包括沖出的小孔在內）（mm2）； n——一個進距內沖件數(shù)目； B——條料寬度（mm）； h——進距（mm）； 一張板料上總的材料利用率η∑為 4.1.2 式中 N——一張板料上沖件總數(shù)目； L——板料長度（mm）。 要提高材料的利用率，就必須減少廢料面積，沖裁過程中所產生的廢料可分為兩種情況（如圖4-1）。 （1）結構廢料 由于工件結構形狀的需要，如工件內孔的存在而產生的廢料，稱為結構廢料（如圖4-1中5），它決定于工件的形狀，一般不能改變。 （2）工藝廢料 工件之間和工件與條料邊緣之間存在的搭邊，定位需要切去的料邊與定位孔，不可避免的料頭和料尾廢料，稱為工藝廢料，它決定于沖壓方式和排樣方式，是可以改變的，我們提高材料的利用率，主要就是減少工藝廢料，優(yōu)化排樣方式。 4.2排樣方法 根據(jù)材料的利用情況，排樣的方法分三種： 1．有廢料排樣 沿工件的全部外形沖裁工件與工件之間，工件與條料側邊之間都有工藝余料（搭邊） 存在，沖裁后搭邊成為廢料，如圖3-2（a）所示。 2．少廢料排樣 沿工件的部分外形輪廓切斷或沖裁，只在工件之間或是工件與條料側邊之間有搭邊存在，如圖3-2（b）所示。 3．無廢料排樣 工件與工件之間，工件與條料側邊之間均無搭邊存在，條料沿直線或曲線切斷而得到工件。如圖3-2（c）所示。 有廢料排樣法的材料利用率較低，但制件的質量和沖模壽命較高，常用于工件形狀復雜、尺寸精度要求較高的排樣。 少、無廢料排樣法的材料利用率較高，同時，少、無廢料排樣法有利于一次沖裁多個工件，可以提高生產率。由于這兩種排樣法沖切周邊減少，所以還可以簡化模具結構，降低沖裁力。但它們的應用范圍有一定局限性，受工件形狀的限制，且由于條料本身的寬度公差，條料導向與定位所產生的誤差，會直接影響工件尺寸而使工件精度降低。同時也會降低沖模的壽命，并會影響到工件的斷面質量，所以少、無廢料排樣常用于精度要求不高的工件排樣。 本工件對外形尺寸雖無嚴格的尺寸精度要求，但中間帶孔凸臺有嚴格的尺寸精度，且工件形狀比較復雜；本工件大批大量生產，因而對模具壽命要求較高，因此排樣方法采用有廢料排樣法排樣。 圖3-3、3-4兩種排樣方法均為直排，圖3-5為斜排。因是同一工件，所以一個進距當中的材料利用面積是相同的，初步計算此三種排樣方法的材料利用率， 根據(jù)公式1.1.1 a b c 通過比較，斜排的材料利用率要比直排材料利用率要大，因而采用斜排排樣方法進行排樣。 4.3搭邊值的選用和條料的選用及步距的確定 4.3.1．搭邊值的選用 搭邊的作用是補償定位誤差，防止由于條料的寬度誤差、送料步距誤差、送料歪斜誤差等原因而沖裁出殘缺的廢品。此外，還應保持條料有一定的強度和剛度，保證送料的順利進行，從而提高制件質量，使凸、凹模刃口沿整個封閉輪廓線沖裁，使受力平衡，提高模具壽命和工件斷面質量。另外，還可以防止沖裁時條料邊緣的毛刺拉入模具中損壞模具。 影響搭邊值大小的因素主要有： 1．材料的力學性能 塑性好的材料，搭邊值要大些，硬度高與強度大的材料，搭邊值可小一些。 2．材料的厚度 材料越厚，搭邊值也越大。 3．工件的形狀和尺寸 工件外形越復雜，圓角半徑越小，搭邊值越大。 4．排樣的形式 對排的搭邊值大于直排的搭邊。 5．送料及檔料方式 用手工送料，有側壓板導向的搭邊值可小一些。 綜合上面各種因素，根據(jù)文獻[4]第72頁表2-13可查得 工件間搭邊值a=1.0mm； 工件與條料側邊之間的搭邊值a1=1.2mm 。 4.3.2．條料寬度的確定 條料方案的確定原則是：最小條料寬度要保證沖裁時工件周邊有足夠的搭邊值，最大條料寬度要能在沖裁時順利地在導料板之間送進，并與導料板之間有一定間隙。工件條料是在有側壓裝置的導料板之間送料時，且模具有側刃，條料寬度參考文獻[4]第72頁計算公式計算： 3.3.1 式中 B——條料標稱寬度（mm）； D——工件垂直于送料方向的最大尺寸（mm）； a1——側搭邊（mm）； ——條料寬度的公差（mm），可參見文獻[4]第73頁表2-14； n——側刃數(shù),n=2； C——側刃重切的料邊寬度（mm），（可參考文獻[4]第74頁2-16） 查表得 =0.6mm C=2.0mm 則 故取條料寬度B=63.5mm。 導料板間的距離： 3.3.2 b0——條料與導料板間的間隙（mm），可參見文獻[4]第73頁表2-15。 查表可得 b0=0.5mm。 4.3.3．步距的確定 步距又稱進距，是指條料在模具上每次送進的距離，進距的計算與排樣方式有關，每個進距可以沖出一個零件，也可沖出多個零件，同時進距也是決定擋料銷位置的依據(jù)。每次只沖一個零件的進距A的計算公式參見文獻[4]第74頁公式 3.3.3 式中 ——平行于送料方向工件的寬度； ——沖件之間的搭邊值。 4.4材料利用率的確定 工件的投影面積通過AutoCAD繪圖后幾何特性可得知為1352.3mm2。 一個步距的工件材料利用面積 第5章 模具主要受力分析計算 5.1翻邊力的計算 翻邊計算有：①計算翻邊前的毛坯孔徑；②變形程度計算；③翻邊力的計算。根據(jù)工件圖計算翻邊前毛胚孔徑，稱為底孔孔徑，底孔周邊材料在翻邊時材料沒有徑向流動。在分析它的橫截面時，可把它視為彎曲。即如下圖所示虛線部位的材料．翻邊后移動到實線位置，而其長度不變，前、后兩部分內的中心線長度相等。這與彎曲材料展開的計算是相同的。計算時應按點劃線的圓弧和直線，通過幾何關系計算其長度，在此略去圓角進行近似計算。計算BC段長，先用作圖法求出點劃線上的B點、C點的位置，并標注 在圖4-1中。在直角三角形BDC中，用勾股定理計算BC長。 故： 由以上分析，EC應是AB與BC的和： 因此，計算出底孔所需的直徑： 考慮到翻邊后還要沖裁Ф19mm孔，故留有余量，將孔定為Φ15mm。 校核變形程度。材料翻邊過程是底孔沿圓周方向被拉伸長的過程，其變形量不應超過材料的伸長率，否則會出現(xiàn)裂紋。用變形前、后圓周長之比，表示變形程度。在翻邊計算中稱其為翻邊系數(shù)K，參見文獻[4]第194頁公式： 4.1.1 式中 ——毛胚上圓孔的初始直徑； ——翻邊后豎邊的中徑。 故 查文獻[5]第166頁表5-5得，允許的K值為0.72，因此計算出的比K值大，即設計合理。翻邊時不會出現(xiàn)裂紋。 若采用圓柱形平底凸模，圓孔翻邊力的計算公式可參考文獻[4]第196頁式（6-12） 4.1.2 式中 F——翻邊力（N）； dm——翻邊后豎邊的中徑（mm）； d0——圓孔初始直徑（預制孔）（mm）； t0——毛胚厚度（mm），t0=1.5mm； σs——材料屈服點（），σs=215。 平底凸模底部圓角半徑對翻邊力有一定影響，增大可降低翻邊力。 若采用球底凸模時（參見文獻[4]第196頁式（6-13）） 4.1.3 式中符號意義同上式，其中m為系數(shù)，與K值有關，當 K=0.5時，m取0.2～0.25；K=0.6時，m取0.14～0.18； K=0.7時，m取0.08～0.12；K=0.8時，m取0.05～0.07。 設計翻邊模時，翻邊凸模的圓角半徑應盡可能的取大些，以降低翻邊力，或做成球形或拋物線形式，以改善翻邊成形時的塑性流動條件。因本工件翻邊工序屬于擴孔成形，且還需在凸臺上沖制底孔，故采用平底凸模來滿足工件結構要求。 在計算翻邊力時，翻邊前孔徑取實際孔徑值Φ15mm，與翻邊所需孔徑Φ16.92mm相比縮小1.92mm，則Φ19mm也應縮小1.92mm，翻邊后的實際孔徑應為Φ17.08mm。故將=15mm,=17.08mm代入式4.1.2，得 5.2沖壓力的計算 5.2.1沖裁力的計算 沖裁力可以參考文獻[4]第50頁式（2-1）（2-2） 或 4.2.1 式中 ——沖裁件周邊長度（mm）； ——材料厚度（mm）; ——材料抗減強度（）； ——系數(shù)?？紤]到模具刃口的磨損，模具間隙的波動，材料力學性能的變化及材料厚度偏差等因素，一般取=1.3。 ——材料的抗拉強度（），一般情況下，材料的，取。 為計算方便通常采用后者進行計算。 落料時沖裁周長通過AutoCAD繪圖后的幾何特性可得知其周長為153mm。 則從第一個工位到第五個工位中所有沖裁力的計算如下： 第一工位：沖Φ15mm的工藝孔 第三工位：沖Φ19mm的底孔 第四工位：沖兩個Ф5.5mm孔。 第五工位：落料 5.2.2整形壓力的計算 整形壓力的計算方法與校正壓力相同，可參考文獻[4]第101頁式（3-11） 4.2.2 式中 ——整形力（）； ——單位整形力（）； ——工件整形面積（）。 關于單位整形力的選取與彎曲校正以及校平工藝的校平力不同，整形力是使整形局部的壓強超過材料的抗壓強度，而產生變形，但是最后作用在校正面上的壓強必須低于材料的抗壓強度。綜合以上因素，值取為150。事實上，校平力的大小取決于模具在壓力機上安裝時對壓力機的調整，而調整壓力機的依據(jù)是試沖時工件是否符合要求，因而整形壓力也可按經(jīng)驗取沖裁力的。 5.2.3卸料力與推件力的計算 由于沖裁中材料的彈性變形及摩擦的存在，沖裁后帶孔部分的材料會緊箍在凸模上，而落下部分的材料會緊卡在凹模洞口中。從凸模上卸下緊箍著的材料所需的力稱為卸料力；把落料件從凹模洞口順著沖裁方向推出去的力稱為推件力；逆著沖裁方向頂出變的力稱力頂件力。如下圖所示： 影響卸料力、推件力和頂出力的因素很多，如材料的種類，材料厚度，沖裁間隙，零件形狀尺寸以及潤滑情況等。這些力通常采用經(jīng)驗公式進行計算，參考文獻[4]第52頁公式 4.2.3 4.2.4 4.2.5 式中 ——沖裁力（）； 、、——分別為卸料力、推件力、頂件力系數(shù)，其值可參考文獻[4]第52頁表2-2。 實際生產中，凹?？卓谥袝瑫r卡有好幾個工件，因而在計算推件力時應考慮工件數(shù)目。本模具擬設在沖裁時凹?？字粫ㄗ∫粋€工件，因而推件力只需計算卡住一個工件時的沖裁力。 沖裁時所需的沖壓力為沖裁力、卸料力、推件力之和，應根據(jù)不同的模具結構區(qū)別對待。本模具采用彈性卸料裝置和下出料方式，其總沖壓力的公式可參考文獻[4]第52頁公式： 4.2.6 通過查表得 則第一工位到第五工位中所需的卸料力和推件力分別為： 第一工位： 第三工位： 第四工位： 第五工位： 各個工位的總沖壓力如下： 第一工位： 第三工位： 第四工位： 第五工位： 通過以上計算，得到各工步的沖壓力分別為： 第一工位：孔沖裁，沖壓力為； 第二工位：翻邊，沖壓力為； 第三工位：孔沖裁和整形，沖壓力總合為； 第四工位：兩處孔沖裁，沖壓力為； 第五工位：外形落料，沖壓力為。 模具總沖壓力為模具各個工步的沖壓力總和； 第6章 壓力機噸位選擇 6.1模具壓力中心的確定 沖裁時的合力作用點或多工序模各工序沖壓力的合力作用點，稱為模具壓力中心。如果模具壓力中心與壓力機滑塊中心不一致，沖壓時會產生偏載，導致模具以及滑塊與導軌的急劇磨損，降低模具和壓力機的使用壽命。通常利用求平行力系合力作用點的方法（解析法或圖解法）確定模具壓力中心。 如下圖本工件的排樣圖，為減少計算，坐標設為圖中所示，則根據(jù)力學定理，諸分力對軸力矩之和等于起合力對同軸之矩，則有 因此模具的壓力中心在離原心處，即壓力中心位于第三工位中心線左側處。 6.2壓力機噸位選擇 6.2.1 沖壓設備類型的選擇 根據(jù)所要完成的沖壓工藝的性質，生產批量的大小，沖壓件的幾何尺寸和精度要求等來選擇設備的類型。 對于中小型的沖裁件，彎曲件或拉深件的生產，主要應采用開式機械壓力機。雖然開式?jīng)_床的剛度差，在沖壓力的作用下床身的變形能夠破壞沖裁模的間隙分布，降低模具的壽命或沖裁件的表面質量。可是，由于它提供了極為方便的操作條件和非常容易安裝機械化附屬裝置的特點，使它成為目前中、小型沖壓設備的主要形式。 對于大中型沖壓件的生產．多采用閉式結構形式的機械壓力機，其中有一般用途的通用壓力機，也有臺面較小而剛度大的專用擠壓壓力機、精壓機等。在大型拉深件的生產中，應盡量選用雙動拉深壓力機，因其可使所用模具結構簡單，調整方便。 在小批量生產當中，尤其是大型厚板沖壓件的生產多采用液壓機。液壓機沒有固定的行程，不會因為板料厚度變化而超載，而且在需要很大的施力行程加工時，與機械壓力機相比具有明顯的優(yōu)點。但是，液壓機的速度小，生產效率低，而且零件的尺寸精度有時因受到操作因素的影響而不十分穩(wěn)定。 摩擦壓力機具有結構簡單、造價低廉、不易發(fā)生超負荷損壞等特點，所以在小批量生產中常用來完成彎曲、成形等沖壓工作。但是，摩擦壓力機的行程次數(shù)較少，生產率低，而且操作也不太方便。 在大批量生產或形狀復雜零件的大量生產中，應盡量選用高速壓力機或多工位自動壓力機。 綜合以上因素，選用開式壓力機比較合適。 6.2.2確定壓力機設備的規(guī)格 （1）壓力機的行程太小，應能保證成型零件的取出和毛坯的放進，例如拉深所用的壓力機行程，至少應大于成型零件的高度兩倍以上。 （2）壓力機工作臺面的尺寸應大于沖模平面尺寸，且還需留有安裝固定的余地，但過大的工作臺面上安裝小尺寸的沖模，工作臺的受力條件也是不利的。 （3）所用壓力機的閉合高度應與沖模閉合高度相適應。 模具閉合高度是指上模在最低工作位置時，下模板的底面到上模板頂面的距離。 壓力機的閉合高度是指滑塊在下死點時，工作臺面到滑塊的距離。大多數(shù)壓力機，其連桿長度能調節(jié)，也即壓力機的閉合高度可以調整，故壓力機有最大的閉合高度，最小閉合高度。 設計模具時，模具的閉合高度的數(shù)值應該滿足下式 5.2.1 如無特殊情況應取上限值，即最好取在（見圖5-2），這是為了避免連桿調節(jié)過長，螺紋接觸面積小而壓壞。如果模具閉合高度實在太小，可以在壓床下面加墊板。 （4）沖壓力與壓力機能的配合關系：當進行沖裁等沖壓加工時，由于其施力行程較小，近于板料的厚度，所以可按沖壓過程中作用于壓力機滑塊上所有力的總和選取壓力機。通常取壓力機的名義噸位比大。 本模具在沖裁過程中總的沖壓力，為防止設備過載，可按公稱壓力選擇壓力機。參考文獻[6]第49頁初選壓力機型號為J21-25壓力機，其主要技術參數(shù)如下： 公稱壓力： 標稱壓力行程： 滑塊行程： 最大封閉高度： 封閉高度調節(jié)量： 工作臺尺寸（前后左右）： 工作臺孔尺寸（前后左右）： 模柄孔尺寸（直徑深度）： 第7章 模具工作部分設計計算 7.1沖裁間隙 沖裁間隙是沖裁模的凸模和凹模刃口之間的間隙。沖裁間隙分為單邊間隙和雙邊間隙單邊間隙用C表示,雙邊間隙用Z表示。 間隙值的大小對沖裁件質量、模具壽命、沖裁力的影響很大，是沖裁工藝與模具設計中一個極其重要的工藝參數(shù)。 7.1.1沖裁間隙對沖裁件質量的影響 沖裁件的質量主要是指斷面質量、尺寸精度、和形狀誤差。斷面應平直、光滑；圓角?。粺o裂紋、撕裂、夾層和毛刺等缺陷。零件表明應盡可能平整。尺寸應在圖樣規(guī)定的公差范圍內。影響沖裁件質量的因素有：凸、凹模間隙值的大小及其分布的均勻性，模具刃口鋒利狀態(tài)、模具結構與制造精度，材料性能等，其中，間隙值的大小與分布的均勻性是主要因素。 沖裁件的尺寸精度是指沖裁件實際尺寸與標稱尺寸的差值（δ），差值越小，精度越高。這個差值包括兩方面的偏差，一是沖裁件相對凸?；虬寄３叽绲钠?，二是模具本身的制造偏差。 沖裁件相對凸?；虬寄３叽绲钠睿饕怯捎跊_裁過程中，材料受拉伸、擠壓、彎曲等作用引起的變形，在加工結束后工件脫離模具時，會產生彈性恢復而造成的。偏差值可能是正的，也可能是負的。影響這一偏差值的因素主要是凸、凹模的間隙。 當間隙較大時，材料所受拉伸作用增大，沖裁完畢后，因材料的彈性恢復，沖裁件尺寸向實體方向收縮，使落料件尺寸小于凹模尺寸，而沖孔件的尺寸則大于凸模尺寸。當間隙較小時，凸模壓入板料接近擠壓狀態(tài)，材料受凸、凹模擠壓力大，壓縮變形大，沖裁完畢后，材料的彈性恢復使落料件尺寸增大，而沖孔件的孔徑則變小。 此外，尺寸變化量的大小還與材料力學性能、厚度、軋制方向、沖裁件形狀等因素有關。材料軟，彈性變形量小，沖裁后彈性恢復量就小，零件的精度也就高。材料硬，彈性恢復就大。 上述討論的是模具在制造精度一定的前途下進行的，間隙對沖裁件精度的影響比模具本身制造精度的影響要小得多，若模具刃口制造精度低，沖裁出的工件精度也就無法得到保證。模具的制造精度與沖裁件精度之間的關系見表6-1。 表6-1 沖裁件精度 沖模制造精度 材 料 厚 度 t (mm) 0.5 0.8 1.0 1.5 2 3 4 5 6 8 10 12 IT6～IT7 IT7～IT9 IT9 IT8 - - IT8 IT9 - IT9 IT10 - IT10 IT10 IT12 IT10 IT12 IT12 - IT12 IT12 - IT12 IT12 - - IT12 - - IT14 - - IT14 - - IT14 - - IT14 模具的磨損及模具刃口在壓力作用下產生的彈性變形也會影響到間隙及沖裁件應力狀態(tài)的改變，對沖裁件的質量會產生綜合性影響。 7.1.2 間隙對模具壽命的影響 沖裁模具的壽命以沖出合格制品的沖裁次數(shù)來衡量，分兩次刃磨間的壽命與全部磨損后的總壽命。沖裁過程模具的損壞有磨損、崩刃、折斷、啃壞等多種形式。 影響模具壽命的因素很多，有模具間隙；模具制造材料和精度、表面粗糙度；被加工材料特性；沖裁件輪廓形狀和潤滑條件等。模具間隙是其中的一個主要因素。因為在沖裁過程中，模具端面受到很大的垂直壓力和側壓力，而模具表面與材料的接觸面僅局限在刃口附近的狹小區(qū)域，這就意味著即使整個模具在許用壓應力下工作，但在模具刃口處所受的壓力也非常大。這種高的壓力會使沖裁模具和板材的接觸面之間產生局部附著現(xiàn)象，當接觸面發(fā)生相對滑動時，附著部分便發(fā)生剪切而引起磨損——附著磨損。其磨損量與接觸壓力、相對滑動距離成正比，與材料屈服強度成反比。它被認為是模具磨損的主要形式。當模具間隙減小時，接觸應力（垂直力、側壓力、摩擦力）會隨之增大，摩擦距離隨之增長，摩擦發(fā)熱嚴重，因此模具磨損加劇（如圖6-1），甚至使模具與材料之間發(fā)生粘結現(xiàn)象。而接觸壓力的增大，還會引起刃口等異常損壞。這些都導致模具壽命大 大降低。因此適當增大模具間隙，可使凸、凹模側面與材料間的摩擦減小，并減緩間隙不均勻的不利因素，從而提高模具壽命。但間隙過大，板料的彎曲拉伸相應增大，使模具刃口端面上的正壓力增大，容易產生崩刃或產生塑性變形使磨損加劇，降低模具壽命。同時，間隙過大，卸料力會隨之增大，也會增加模具的磨損。所以間隙是影響模具壽命的有一個重要因素。 從上圖可看出，凹模端面的磨損比凸模大，這是由于凹模端面上材料的滑動比較自由，而凸模下面的材料沿板面方向的移動受到限制的原因，而圖中所看到凸模側面的磨損最大，是因為從凸模上卸料，長距離，摩擦加劇了側面的磨損，若采用較大的間隙可使孔徑在沖裁后因彈性回彈增大，卸 料時減少與凸模的摩擦，從而減小凸模側面的磨損。 模具刃口的磨損，帶來刃口的鈍化和間隙的增加，使制件尺寸精度降低，沖裁能量增大，斷面粗糙。刃口的鈍化會使裂紋發(fā)生點由刃口端面向側面移動，發(fā)生在刃口磨損部分終止處，從而產生大小和磨損量相當?shù)拿蹋ㄍ鼓Ｈ锌谀モg，毛刺產生在落料件上，凹模刃口磨鈍，毛刺產生在孔上），所以必須注意盡量減小模具磨損。為提高模具壽命，一般需要增大間隙，使2/t達到15%～25%，模具壽命可提高3～5倍，若采用小間隙，就必須提高模具硬度與模具制造精度，在沖裁刃口進行充分的潤滑，以減小磨損。 7.1.3 對沖裁力、卸料力的影響 當間隙減小，凸模壓入板材的情況接近擠壓狀態(tài)，材料所受拉應力減小，壓應力增大，板料不易產生裂紋，因此最大沖裁力增大；當間隙增大，板料所受拉應力增大，材料容易產生裂紋，因此沖裁力減小。繼續(xù)增大間隙值，凸、凹模刃口產生的裂紋不相重合，會發(fā)生二次斷裂，沖裁力下降變緩（圖6-2）。 間隙大小對卸料力的影響可見圖6-3。間隙增大時，而沖裁件光滑帶窄，落料件尺寸偏差為負，沖孔件尺寸偏差為正，因此使卸料力、推件力或頂件力減小。間隙繼續(xù)增大時，而毛刺增大，卸料力、頂件力迅速增大。 7.2合理間隙的選用 由以上分析可知，凸、凹模間隙是沖裁過程最重要的工藝參數(shù)，它對沖裁件質量、模具壽命、沖裁力和卸料力等都有很大的影響。因此，設計模具時，一定要選擇一個合理的間隙，使沖裁件的斷面質量好，尺寸精度高，模具壽命長，所需沖裁力小。但嚴格來說，并不存在一個同時滿足所有理想要求的合理間隙?？紤]到模具制造中的偏差及使用中的磨損，生產中通常是選擇一個適當?shù)姆秶?，就可以基本滿足以上各項要求，沖出合格制件。這個范圍的最小值稱為最小合理間隙，最大值稱為最大合理間隙?？紤]到模具在使用過程中的逐步磨損，設計和制造新模具時應采用最小 合理間隙。 確定合理間隙的方法主要有理論計算法和查表選取法兩種。 7.2.1理論計算法 確定間隙時理論計算的依據(jù)主要是：在合理間隙的情況沖裁時，材料在凸、凹模刃口處產生的裂紋成直線會合。從圖6-4所示的幾何關系可得出計算合理間隙的公式： 6.2.1 式6.2.1引自文獻[4]第56頁式（2-5）。 式中 ——產生裂紋時的凸模壓入深度（mm）； ——料厚（mm）； ——最大切應力方向與垂線間夾角（即裂紋方向角）。 由上式可知，間隙Z一板材厚度、相對壓入深度、裂紋方向角β有關。而、β又與材料性質有關，表6-2為常用材料的與β的近似值。由表中可以看到，影響間隙值的主要因素是板材力學性能及其厚度。板材越厚、越硬或塑性越差，值越小，合理間隙值越大。材料越軟，值越大，合理間隙值越小。材料硬化后，之比值較表中值要小10%左右。式中，令，稱為材料的品質系數(shù)。 由于這種方法用起來不方便，所以目前生產上普遍使用的是查表選取法。 表6-2 與β值 材料 （%） β t<1 T=1～2 t=2～4 t>4 軟鋼 中硬鋼 硬鋼 75～70 65～60 54～47 70～65 60～55 47～45 65～55 55～48 44～38 50～40 45～35 35～25 5°～6° 4°～5° 4° 7.2.2查表選取法 如上所述，間隙的選取主要與材料的種類、厚度有關，但由于各種沖壓件對其斷面質量和尺寸精度的要求不同，以及生產條件的差異，在生產實踐中就很難有一種統(tǒng)一的間隙數(shù)值，各種資料中給的間隙值并不相同，有的相差較大，選用時應按使用要求分別選取。對于斷面質量和尺寸精度要求高的工件，應選用小的間隙值，而對于精度要求不高的工件，則應盡可能采用大間隙，以利于提高模具壽命、降低沖裁力。同時還必須結合生產條件，根據(jù)沖裁件尺寸和形狀、模具材料和加工方法、沖壓方法及生產率等，靈活掌握、斟情增減。本模具設計沖裁間隙的選取，參考表6-3選取。 表6-3 沖裁模具初始雙面間隙Z （mm） 材料厚度 08、10、35、09Mn、Q235 16Mn 40、50 65Mn 小于0.5 極小間隙 0.5 0.040 0.060 0.040 0.060 0.040 0.060 0.040 0.060 0.6 0.048 0.072 0.048 0.072 0.048 0.072 0.048 0.072 0.7 0.064 0.092 0.064 0.092 0.064 0.092 0.064 0.092 … … … … … … … … … 1.0 0.100 0.140 0.100 0.140 0.100 0.140 0.064 0.126 1.2 0.126 0.180 0.132 0.018 0.132 0.018 - - 1.5 0.132 0.240 0.170 0.240 0.170 0.023 - - 本模具所沖裁的材料為Q215-AF鋼，材料厚度為1.5mm，查表得：=0.132mm， =0.240mm. 7.3 模具刃口尺寸的計算 沖裁件的尺寸精度主要決定于模具刃口的尺寸精度，合理的間隙的數(shù)值也必須依靠模具刃口尺寸來保證。因此，正確確定模具刃口尺寸及其公差是設計沖裁模的主要任務之一。 7.3.1計算原則 由于凸、凹模之間存在間隙，所以沖裁件斷面都是帶有錐度的，且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，沖裁件的小端尺寸等于凸模尺寸。在測量與使用過程中，落料件是以大端尺寸為 基準，沖孔件孔徑是以小端尺寸為基準。沖裁過程中，凸、凹模要與沖裁零件或廢料發(fā)生摩擦，凸模越磨越小，凹模越磨越大，結果使間隙越用越大。因此，在確定凸、凹模刃口尺寸時，必須遵循下述原則： （1）落料模先確定凹模尺寸，其標稱尺寸應取接近或者等于制件的最小極限尺寸，以保證凹模磨損到一定尺寸范圍內，也能沖出合格制件，凸模刃口的標稱尺寸比凹模小一個最小合理間隙。 （2）沖裁模先確定凸模刃口尺寸，其標稱尺寸應接近或者等于制件的最大極限尺寸，以保證凸模磨損到一定尺寸范圍內，也能沖出合格的孔。凹模刃口的標稱尺寸應比凸模大一個最小合理間隙。 （3）選擇模具刃口制造公差時，要考慮工件精度與模具精度的關系，既要保證工件的精度要求，又要保證有合理的間隙值。一般沖裁件精度較工件精度高2～3級。若零件沒有標注意公差，則對于非圓形件按國家標準非配合尺寸的IT14級精度來處理，圓形件一般可按IT10級精度來處理，工件尺寸公差應按“入體”原則標注為單向公差，所謂“入體”原則是指標注工件尺寸時應向材料實體方向單向標注，即：落料件正公差為零，只標注負公差；沖孔件負公差為零，只標注正公差。 7.3.2計算方法 模具工作部分尺寸及公差的計算方法與加工方法有關，基本上可分為兩類。 1.凸模與凹模分開加工 凸、凹模分開加工，是指凸模和凹模分別按圖樣加工至尺寸。此種方法適用于圓形或形狀簡單的工件，為了保證凸、凹模間隙小于最大合理間隙，不僅凸、凹模分別標注公差（凸模，凹模），而且要求有較高的制造精度，以滿足如下條件 6.3.1 或取 6.3.2 6.3.3 也就是說，新制造的模具應該是，如圖6-5所示。否則制造的模具間隙已超過允許的變動范圍~，影響模具的使用壽命。 2.凸模與凹模配合加工 對于沖制件形狀復雜或薄板制件的模具,其凸、凹模往往采用配合加工的方法。此方法是先加工好凸模（或凹模）作為基準件，然后根據(jù)此基準件的實際尺寸，配作凹模（或凸模），使他們保持一定距離。因此，只需在基準件上標注尺寸及公差，另一件只標注標稱尺寸，并注明“××尺寸按凸模（或凹模）配作，保證雙面間隙”。這樣?？煞糯蠡鶞始闹圃旃?。其公差不再受凸、凹模間隙大小的限制，制造容易，并容易保證凸、凹模間的間隙。 由于復雜形狀工件各部分尺寸性質不同，凸模和凹模磨損后，尺寸變化趨勢不同，所以基準件的刃口尺寸計算方法也不相同。 7.4級進模的各個工位沖裁凸、凹模刃口尺寸計算 7.4.1第一工位沖孔模刃口尺寸計算 因該工位處為一沖孔模因而應以凸模為基準，然后再計算凹模刃口。 圖6-6(a)(b)所示為在板料上沖孔所使用的模具及沖孔后板料的示意圖。因該沖模比較簡單因而凸模與凹模分開進行加工。 因該孔為一工藝孔，因此沖模尺寸的極限偏差按粗糙級進行計算，將該孔尺寸化為單向公差：。 由文獻[4]第58頁表2-5得： 由文獻[4]第63頁表2-10得： ，故可用。 因在該工序處為一沖孔工序，故該模具的刃口尺寸的計算公式可參考文獻[4]第63頁式2-8、2-9： 6.4.1 6.4.2 式中 、——沖孔凸、凹模直徑； ——沖孔件標稱尺寸； ——工件制造公差； ——凸、凹模最小合理間隙（雙邊）（）； 、——凸、凹模的制造公差（）； ——系數(shù)，是為了使沖裁件的實際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的中間尺寸，與工件制造精度有關，可參考文獻[4]第64頁表2-11，或按下列關系?。? 工件精度以上， 工件精度， 工件精度。 取 所以