机械毕业设计1620油位传感器壳体模具设计与动画演示Word格式文档下载.docx

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（7）模具CAD/CAM技术将有更快的发展

模具CAD/CAM技术在模具设计和制造上的优势越来越明显，它是模具技术上的又一革命，普及和提高CAD/CAM技术的应用已经势在必行。

2冲模设计概述

冲压模具是金属加工的基本方法之一，它是通过冲压机床安装在其上的模具施加压力于板料或带料毛坯上，使毛坯全体或局部发生塑性变形，从而获得所需的零件形状。

目前，冲压加工主要用于制造金属薄板零件，包括黑色金属和有色金属板零件，有时也用于加工部分非金属板零件。

2.1冲模设计原始资料

在设计冲模设计之前，需要掌握一下原始资料：

（1）冲压件图样及技术要求

零件为380传感器壳体。

钢号：

08、表面质量级别Ⅱ级拉伸延展级别：

S、抗拉强度：

275～410MPa、伸长率：

δ10％≥30；

（2）零件的批量大小5000个；

（3）产品工艺卡；

（4）模具制造车间的设备加工能力零件精度、大小要求完全满足；

（5）冲压生产车间的冲压设备资料；

（6）标准采用GB708-88/GB710－88。

2.2冲模设计步骤

在进行冲模设计时，为设计出合理的冲压成形工艺和模具结构，应遵循下述的设计步骤：

（1）根据冲压件产品图进行冲压件工艺性分析，确定该零件是否适宜采用冲压方式进行生产，或者确定在不改变冲压件功能的要求情况下，改变冲压件的形状能否获得更好的冲压工艺性。

（2）根据冲压件的形状特点、生产批量要求以及企业的模具制造能力，确定采用单工序模、复合模还是采用连续模加工该冲压件。

（3）进行零件展开计算、毛坯排样、工序设计、冲压力及压力中心计算等，并绘制工序方案图或条料排样图。

（4）根据冲压力计算结果选择冲压设备。

所选冲压设备的公称压力应大于所需的冲压力，闭合高度与冲模的闭合高度相适应，而且滑块行程必须满足工艺要求。

（5）根据冲压工序的设计结果，确定模具的总体结构、选择模具、设计工作部件及辅助部件，必要时，还应进行零部件的强度校核计算，以确保零件的强度要求。

（6）用Solidworks和CAD绘制模具总装图和零部件图，进行动画模拟。

3冲压工艺过程设计

3.1毛坯展开计算

冲压件由板料经冲压成形而获得，因此，首先必须将冲压件展平，获得其毛坯形状，才能确定选用合适的板料。

由于冲压成形过程中材料的塑性变形情况较复杂，且塑性变形的过程本身是不可逆的，很难找到精确的毛坯计算方法，通常都是采用经验公式或经验方法进行近似计算，然后通过试模确定精确的毛坯形状。

对形状较复杂冲压件的毛坯形状则可采用有限元法计算获得。

3.1.1弯曲展开计算

弯曲展开就是将冲压件的弯曲部分展平，同时将与弯曲部分相邻的平直部分变换到相应位置的过程，因此，弯曲展开计算的关键就是计算弯曲部分的展开长度。

由弯曲变形特点分析可知，弯曲展开长度与中性层的长度相等。

若以曲率半径

来表示中性层的位置，则其可按下式近似确定[2]：

（1）

式中：

－弯曲内侧半径；

－料厚；

－中性层位移参数。

知道中性层位置后，弯曲展开长度就可按下式进行计算：

（2）

－弯曲展开长度；

－弯曲角；

－弯曲中性层半径。

3.1.2拉深展开计算

由于拉伸成形伴随复杂的的金属流动，因此，除一些规则的拉深工件可采用解析法计算其毛坯形状外，其他不规则的拉深工件则只能凭经验按材料的流动特点分区计算，或者采用有限元法计算得出毛坯形状。

但不论何种方法，都难以获得精确得毛坯形状。

通常是在已做好得拉深模中对计算出得毛坯进行试压、修改，直到工件合格后才能将最终得毛坯形状确定下来，然后再做落料模。

由于拉深成形过程中材料得体积不变，而且拉深出来得拉深件其壁厚也基本不变（变薄拉深除外），因此，拉深件得毛坯尺寸可按等面积法进行计算。

我们得这个工件是规则的，规则拉深件的毛坯尺寸就可按等面积法解析计算获得。

下面是计算过程：

（1）修边余量的确定

由于成形过程中的金属流动和材料的各相异性，导致毛坯拉深后工件的边口不齐，如图1所示。

一般情况下，拉深后都要修边，因此再计算毛坯尺寸前，应首先确定修边余量并计

入工件的高度或凸缘直径。

修边余量查相关文献得[3]：

图1带修边的拉深成形图

1.5mm

（2）毛坯尺寸得确定

圆筒形拉深件得横截面为圆形，因此，其毛坯形状亦为圆形。

进行毛坯计算时，首先将工件分解为若干个简单几何体，分别求出各几何体得表面积。

对其求和获得工件得表面积，然后根据等面积法，即可得圆形毛坯得直径。

图2不带修边的拉深成形图

如图2所示对于我们设计得工件，可将其分解为图所示得三各简单几何体，它们的表面积分别为：

图3成形图上部分

（3）

图4底边过渡部分

（4）

图5底边

（5）

根据表面积法，可得圆形毛坯直径为

图6毛坯图

=136mm（6）

3.2毛坯排样

毛坯排样是指毛坯在条料上的布置方法，合理的排样是降低冲压件的制造成本，提供冲压件质量，保证模具寿命的有效措施。

3.2.1排样方式

按照排样时工件之间，以及工件与条料侧边之间是否留有余料，排样可分为有废料排样和少、无废料排样两大类。

而按毛坯条料的布置形式，排样又可分为直排、斜排、对排、多排和混合排等。

我们采用的是有废料排样和直排相结合。

对于有废料排样，由于工件周边都有余料（废料），模具沿工件全部外形进行冲裁，因此，这类排样才能保证冲裁件的质量，冲模的寿命也长，但材料的利用率低。

而对于少废料和无废料排样，工件的周边的某些部分没有余料，因此，这样的排样方式节省材料，并有利于一次冲裁多个工件，提高生产率。

但采用少废料和无废料排样时，由于条料的宽度的公差以及条料导向与工件定位所产生的误差，使工件的质量和精度难以保证；

而且，由于采用单边冲裁，还会影响断面质量及模具寿命。

在具体进行毛坯排样时，选择何种排样方式除了考虑上述因素外，还必须考虑采用何种模具进行加工。

当采用连续模时，毛坯排样方式还与连续成形的载体设计有密切关系。

3.2.2搭边

排样时的工件之间、以及工件与条料侧边之间留下的余料叫搭边。

搭边除可补偿条料的定位误差、保证冲出合格工件以外，还能保持条料有一定的刚度。

便于送料。

搭边是废料，从节省材料的角度出发，搭边值应该越小越好。

但过小的搭边容易被挤进凹模，增加刃口磨损，降低模具寿命，并且也影响冲裁件的剪切表面质量。

当采用连续冲压成形工艺时，为了使条料送进顺利，特别是在采用侧刃定距的情况下，搭边应该选择大些。

如图7，我们根据上面的要求查文献得出合适的搭边值为1.5mm。

图7排样搭边图

3.2.3步距

所谓步距是条料在冲压生产过程中，每次送进的距离。

它是由毛坯形状、排样方式及搭边大小确定的，并与采用何种模具类型有密切关系。

步距值应尽量取的圆整，或者取小数点后1～2位，以便模具加工制造。

所以我们取：

S=D+a=136+1.5＝137.5mm（7）

3.2.4材料利用率

所谓材料利用率是指在一段条料上能冲出的所有零件的总面积与这段条料的面积之比。

排样时，在保证工件质量的前提下，应尽量考虑如何提高材料的利用率。

但如果一种排样较其他排样的利用率提高不多，而又使模具结构复杂化，那么这样的排样就不可取，一般应根据工件的批量、材料的贵重程度、模具结构的复杂程度等综合考虑。

如果采用连续冲压成形，则应主要考虑排样对模具结构复杂性的影响，而不是材料利用率。

材料利用率可按下式计算[4]：

78.4%（8）

A—冲裁件的面积；

N—一个步距内冲裁件的数目；

B—条料宽度；

h—进距。

3.3冲压工艺方案设计

通常情况下，冲压件都需要通过多道冲压工序才能加工出来。

所谓冲压工艺方案设计，就是确定那些冲压工序以及他们的组合方式来完成冲压件的加工。

主要包括以下内容：

（1）根据冲压件的形状特点、冲压工序的成形特点、冲压件的精度和生产批量要求及模具的复杂程度，确定采用单冲、复合还是连续冲压成形工艺。

（2）划分冲压件的形状，并划分出各部分形状可以通过相应的冲压工序加工出来，如冲裁成形部分、弯曲成形部分、拉伸成形部分等。

（3）根据冲压件的旋转、材料性能及尺寸和精度要求等，确定所采用的冲压工序次数及其工艺参数和相应的辅助工序，并对这些工序进行合理的组合与排列。

（4）绘制冲压工艺方案图。

当采用单冲、复合成形方案时，其工艺方案图为一组中间工序件图；

当采用连续冲压成形方案时，其工艺方案图为条料排样图。

冲压工艺方案的好坏，直接决定了冲压件制造技术的合理性、冲压件质量和成本。

所以，正确合理地制定冲压工艺方案是一项十分重要的工作[5]。

我们加工的工件:

原来的冲压工艺是：

落料→拉深→切边→冲孔共4道工序，需4副以上模具。

这样落后的工艺，不仅产品质量很不稳定，而且生产效率低，安全风险大，成本高，非常不适应当前的生产。

因此，需改善其工艺流程，以提高产品质量和生产效率，降低安全风险和生产成本。

要达到此目的，就必须减少模具数量，把分散的工序集中在尽量少的模具上完成。

3.3.1工艺分析

集中冲压工序减少模具数量，有2条途径：

一是设计连续模，二是设计复合模。

本零件的材料是08号钢板料厚1.5mm，形状是较复杂的圆柱体，外形尺寸φ136mm，需落料、拉深、切边、冲孔工序。

如果设计连续模，模具外形尺寸相当大，该企业的设备不匹配。

而复合模则可以完成落料、拉深、冲孔的复合工序，余下切边工序另外进行。

都可以一次成形，而且与落料、拉深、冲孔及切边这几道分离工序是不同直径的同心圆，所以可以设计复合模，在一次冲压过程中顺序完成。

基于前面的分析，把原来的冲压工艺改为用一副复合模，经一次冲压完成落料、拉深和冲孔工序，其余的切边工序单独完成。

实施这样的工艺，关键是复合模的设计。

（1）冲裁工序设计

冲裁是冲压工艺的最基本工序之一。

在冲压加工中应用极广。

它既可直接冲出成品零件也可以为弯曲、拉深和挤压等其它工序准备坯料，还可以在已成形的工件进行再加工（切边、切舌、冲孔等工序）。

冲裁工序主要用于加工冲压件上的孔和外形。

当采用单工序模加工时，由于中间工序难以定位，同时也为了避免增加模具数量，一般不宜把孔和外形分割成一组简单的形状来加工。

因此，工件的外形就对应落料工序，工件的每一个孔就对应一个冲孔工序。

而当采用复合模加工时，由于不存在中间工序件定位和增加模具数量的问题，同时为了保证条料能顺利的送进，如果孔和外形的形状较复杂，一般需将其分隔成一组简单形状的冲裁工序，以简化凸凹模制造。

（2）拉深工序设计计算

我们进行拉深工序计算主要是为了校核工件能否能进行一次拉深成功，或者需要几次拉深能够满足要求。

工件在拉深时不起皱、不破裂情况下的最小拉深系数—极限拉深系数。

所以在确定一个零件是否能够一次拉深成功时，应首先计算它的总拉深系数，如果它小于极限拉深系数，就必须进行多次拉深。

总拉深系数M总=d/D=80/136=0.59（9）

由文献查得

M极=0.63＞0.59=M总

故一次拉深即可完成要求[5]。

（3）辅助工序设计

为改善冲压成形条件，或便于工序件的定位，通常要增加一些辅助工序。

如在带料连续拉深成形时，为便于拉深成形过程中材料的流动，通常都需要增加一个切口工序，对于几何形状不对称的零件，为便于冲压成形和定位，有时采用成对冲压的方法成形，以便改变冲压成形的条件、避免成形过程中坯料的偏移，然后再通过剖切或切断辅助工序将其截成两个零件，对于复杂弯曲、拉深成形的冲压件，为便于定位，有时需要冲制工艺孔作为定位之用，该工序亦是辅助工序。

3.3.2工序组合

所谓工序组合就是确定再一副模具上完成的工序。

按照这些工序再模具上布置方式的不同，可分为单冲工序、复合工序和连续成形工序。

它们分别与单冲模、复合模、连续模相对应。

在进行工序组合时，要着重考虑工序组合的必要性和可行性。

组合的必要性取决于冲压件的生成批量和制造精度。

一般情况下，当批量较大且精度要求较高时，应考虑采用复合工序或连续冲压工序；

当批量小且精度要求不高时，采用单工序分开成形比较适宜。

而组合的可行性则主要考虑一下几个方面：

（1）工序的组合应保证能加工出符合精度和质量要求的冲压件。

（2）对于组合在一起的工序，其成形动作在模具结构上时可实现的，且不至于给模具制造与维修带来太多的困难，并保证模具又足够的强度。

当采用复合成形方式组合工序时，工序数一般不超过4个。

另外，当零件上的孔间距或孔边距较小时，不宜采用复合成形工序，否则其凸凹模的壁厚满足不了强度的要求。

（3）将工序组合在一起后，应使其与企业现有的冲压设备相匹配。

这是由于将工序组合到一起后，冲压力及模具尺寸可能都会增大，应保证其不超出企业现有冲压设备所保证的范围。

3.3.3工序顺序的安排

工序顺序的安排主要取决于冲压变形规律和冲压件质量的要求。

当冲压工序的顺序变更不影响零件的质量时，则应当根据模具结构、工序件定位和操作的方便性来考虑工序顺序的安排。

在进行工序顺序安排时应注意遵循以下原则：

（1）尺寸精度要求较高的部分应尽量放在较后的工序。

（2）所有的孔只要其形状和位置不受后续工序的影响，应尽量在平板毛坯状态下冲制出来，以便于定位和简化冲孔工序的模具结构。

（3）当某个成形工序导致材料的流动影响到其他工序的形状时，应尽量先完成该成形工序。

另外，当孔间距或孔边距较小时，应先冲大孔和一般精度的孔，在冲小孔和精度高的孔，或先落料再冲孔，以将可能产生的畸变限制再最小的范围内。

3.3.4冲压力与压力中心计算

在冲压生产过程中，冲压力包括：

使材料产生塑性变形获得相应工件形状得各工序得冲压力，以及卸料力、推件力和顶件力等。

所有压力的合力中心。

计算冲压力的目的，是为了选择合适的冲压设备或弹性元件。

计算压力中心的目的，则是为了使压力中心位于冲压设备允许的范围内，以免偏心过大导致模具受力不均，影响模具寿命。

因为我们所要加工的工件是规则零件所以其压力中心就是工件的集合中心，以下是它们冲压力的计算：

（1）冲裁工序冲压成形力计算参考公式为：

83025N（10）

L—冲裁轮廓总长；

t—材料厚度；

—材料的抗拉强度。

（2）拉深工序（不带边）冲压成形力计算参考公式为：

40584N（11）

D—坯料直径；

d1—一次拉深后工件的直径。

（3）卸料力、推件力、顶件力及压料力计算：

卸料力、推件力、顶件力的计算方法都是一样的，只是系数k的取值不一样。

当为冲裁件时，F为冲裁力；

当为拉深件时，F为拉深力。

卸料力、推件力、顶件力计算公式：

5864N（12）

压料力计算公式：

7835N（13）

A—压料板下的毛坯投影面积；

P—单位压边力。

（4）总压力计算

由于在一副模具中各冲压工序和辅助装置不一定是同时工作的，因此，在计算总冲压力时，不能仅简单的将所有力叠加，而应根据冲压工序和辅助装置的组合方式及作用方式，确定某一时刻的最大冲压力做总冲压力。

我们采用落料拉深冲孔复合模时，由于拉深是落料完成后才开始进行的，而落料力和压料力是同时产生的。

且落料力比拉深力大，则此时所需的最大冲压力则是落料力和压料力之和[5]。

F总=F落+f压=90860N（14）

4冲模结构及零部件设计

冲压工艺方案设计完成后，冲模的类型就已确定。

冲模总体结构设计就是根据所采用的模具类型、制作的精度要求、形状特点及冲压工艺方案，确定模具的结构形式、模具的总体尺寸及模架，以及设计各零件部件的具体结构。

4.1冲压设备及选用

冲压设备属锻压机械。

常见冷冲压设备有机械压力机（以Jxx表示其型号）和液压机（以Yxx表示其型号）。

4.1.1冲压设备分类

（1）机械压力机按驱动滑块机构的种类可分为曲柄式和摩擦式；

（2）按滑块个数可分为单动和双动；

（3）按床身结构形式可分为开式（C型床身）和闭式（Ⅱ型床身）；

（4）按自动化程度可分为普通压力机和高速压力机等。

4.1.2压力机的选择

（1）中、小型冲压件选用开式机械压力机；

（2）大、中型冲压件选用双柱闭式机械压力；

（3）导板模或要求导套不离开导柱的模具，选用偏心压力机、形模等；

（4）大量生产的冲压件选用高速压力机或多工位自动压力机；

（5）校平、整形和温热挤压工序选用摩擦压力机；

（6）薄板冲裁、精密冲裁选用刚度高的精密压力机；

（7）大型、形状复杂的拉深件选用双动或三动压力机；

（8）小批量生产中的大型厚板件的成形工序，多采用液压压力机。

4.1.3压力机规格的选择

（1）公称压力

压力机滑块下滑过程中的冲击力就是压力机的压力。

压力的大小随滑块下滑的位置不同，也就是随曲柄旋转的角度不同而不同。

压力机的公称压力——我国规定滑块下滑到距下极点某一特定的距离Sp（此距离称为公称压力行程，随压力机不同此距离也不同，如JC23-40规定为7mm，JA31-400规定为13mm，一般约为（0.05～0.07）滑块行程）或曲柄旋转到距下极点某一特定角度α（此角度称为公称压力角，随压力机不同公称压力角也不相同）时，所产生的冲击力称为压力机的公称压力。

公称压力的大小，表示压力机本身能够承受冲击的大小。

压力机的强度和刚性就是按公称压力进行设计的。

压力机的公称压力与实际所需冲压力的关系—冲压工序中冲压力的大小也是随凸模（或压力机滑块）的行程而变化的。

在冲压过程中，凸模在任何位置所需的冲压力应小于压力机在该位置所发出的冲压力。

最大拉深力虽然小于压力机的最大公称压力，但大于曲柄旋转到最大拉深力位置时压力机所发出的冲压力，也就是拉深冲压力曲线不在压力机许用压力曲线范围内。

故应选用所示压力更大吨位的压力机。

因此为保证冲压力足够，一般冲裁、弯曲时压力机的吨位应比计算的冲压力大30%左右。

拉深时压力机吨位应比计算出的拉深力大60%～100%。

滑块行程长度是指曲柄旋转一周滑块所移动的距离，其值为曲柄半径的两倍。

选择压力机时，滑块行程长度应保证毛坯能顺利地放入模具和冲压件能顺利地从模具中取出。

特别是成形拉深件和弯曲件应使滑块行程长度大于制件高度的2.5～3.0倍。

（2）行程次数

行程次数即滑块每分钟冲击次数。

应根据材料的变形要求和生产率来考虑。

（3）工作台面尺寸

工作台面长、宽尺寸应大于模具下模座尺寸，并每边留出60～100mm，以便于安装固定模具用的螺栓、垫铁和压板。

当制件或废料需下落时，工作台面孔尺寸必须大于下落件的尺寸。

对有弹顶装置的模具，工作台面孔尺寸还应大于下弹顶装置的外形尺寸。

（4）滑块模柄孔尺寸

模柄孔直径要与模柄直径相符，模柄孔的深度应大于模柄的长度。

（5）闭合高度

压力机的闭合高度－是指滑块在下止点时，滑块底面到工作台上平面（即垫板下平面）之间的距离。

压力机的闭合高度可通过调节连杆长度在一定范围内变化。

当连杆调至最短（对偏心压力机的行程应调到最小），滑块底面到工作台上平面之间的距离，为压力机的最大闭合高度；

当连杆调至最长（对偏心压力机的行程应调到最大），滑块处于下止点，滑块底面到工作台上平面之间的距离，为压力机的最小闭合高度。

压力机的装模高度－指压力机的闭合高度减去垫板厚度的差值。

没有垫板的压力机，其装模高度等于压力机的闭合高度。

模具的闭合高度是指冲模在最低工作位置时，上模座上平面至下模座下平面之间的距离。

理论上为：

Hmin-H1≤H≤Hmax－H1

亦可写成：

Hmax-M－H１≤H≤Hmax－H１

式中：

H——模具闭合高度；

Hmin——压力机的最小闭合高度；

Hmax——压力机的最大闭合高度；

H１——垫板厚度；

M——连杆调节量；

Hmin－H１——压力机的最小装模高度；

Hmax-H１——压力机的最大装模高度。

由于缩短连杆对其刚度有利，同时在修模后，模具的闭合高度可能要减小。

因此一般模具的闭合高度接近于压力机的最大装模高度。

所以在实用上为：

Hmin-H１＋10≤H≤Hmax-H１－5

（6）电动机功率的选择

必须保证压力机的电动机功率大于冲压时所需要的功率。

4.1.4模具在压力机上的安装

在压力机上安装与调整