凹迷宫片零件冲压成形工艺与模具研究设计.docx

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凹迷宫片零件冲压成形工艺与模具研究设计

凹迷宫片零件冲压成形工艺与模具设计

绪论

模具是一种特殊的模型，用来塑造（制造）产品；从工艺的角度，模具是一种成型制品的特殊工艺装备。

模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等产品中，60％—80％的零部件都依靠模具成形，模具质量的高低决定着产品质量的高低，因此，模具被称之为“百业之母”。

模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。

目前，我国冲压技术与工业发达国家相比还比较的落后，主要原因是我国在冲压基础理论及成形工艺、模具标准化、模具设计、模具制造工艺及设备等方面与工业发达的国家尚有相当大的差距，导致我国模具在寿命、效率、加工精度、生产周期等方面与工业发达国家的模具相比差距相当大。

一，国内模具的现状和发展趋势

我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国发经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。

一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竟争激烈。

我国模具近年来发展很快，据不完全统计，2003年我国模具生产厂点约有2万多家，从业人员约50多万人，2004年模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2004年模具产值530亿元。

进口模具18.13亿 美元，出口模具4.91亿美元，分别比2003年增长18%、32.4%和45.9%。

进出口之比2004年为3.69:

1，进出口相抵后的进净口达13.2亿美元，为净进口量较大的国家。

在2万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。

在模具企业中，产值过亿元的模具企业只有20多家，中型企业几十家，其余都是小型企业。

 近年来， 模具行业结构调整和体制改革步伐加快，主要表现为：

大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于一般模具产品；专业模具厂数量增加，能力提高较快；"三资"及私营企业发展迅速；国企股份制改造步伐加快等。

虽然说我国模具业发展迅速，但远远不能适应国民经济发展的需要。

我国尚存在以下几方面的不足:

第一，体制不顺，基础薄弱。

“三资”企业虽然已经对中国模具工业的发展起了积极的推动作用，私营企业近年来发展较快，国企改革也在进行之中，但总体来看，体制和机制尚不适应市场经济，再加上国内模具工业基础薄弱，因此，行业发展还不尽如人意，特别是总体水平和高新技术方面。

   第二，开发能力较差，经济效益欠佳.我国模具企业技术人员比例低，水平较低，且不重视产品开发，在市场中经常处于被动地位。

我国每个模具职工平均年创造产值约合1万美元，国外模具工业发达国家大多是15～20万美元，有的高达25～30万美元，与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理，真正实现现代化企业管理的企业较少。

  第三，工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低．虽然国内许多企业采用了先进的加工设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控化率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多。

由于体制和资金等原因，引进设备不配套，设备与附配件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较好解决。

装备水平低，带来中国模具企业钳工比例过高等问题。

 第四，专业化、标准化、商品化的程度低、协作差．由于长期以来受“大而全”“小而全”影响，许多模具企业观念落后，模具企业专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。

目前国内每年生产的模具，商品模具只占45%左右，其馀为自产自用。

模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务，与国际水平相比要落后许多。

模具标准化水平低，标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，对模具制造周期影响尤甚。

第五，模具材料及模具相关技术落后．模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢相比，无论是质量还是品种规格，都有较大差距。

塑料、板材、设备等性能差，也直接影响模具水平的提高。

巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。

虽然我国的模具工业和技术在过去的十多年得到了快速发展，但与国外工业发达国家相比仍存在较大差距，尚不能完全满足国民经济高速发展的需求。

未来的十年，中国模具工业和技术的主要发展方向包括以下几方面:

（1）模具日趋大型化；   

（2）在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术；  

 （3）模具扫描及数字化系统；   

 （4）在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术； 

  （5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率；   

（6）发展优质模具材料和先进的表面处理技术；   

（7）模具的精度将越来越高； 

 （8）模具研磨抛光将自动化、智能化；  

  （9）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；  

 10）开发新的成形工艺和模具。

模具技术集合了机械、电子、化学、光学、材料、计算机、精密监测和信息网络等诸多学科，是一个综合性多学科的系统工程。

模具技术的发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济的方向发展，模具产品的技术含量不断提高，模具制造周期不断缩短，模具生产朝着信息化、无图化、精细化、自动化的方向发展，模具企业向着技术集成化、设备精良化、产批品牌化、管理信息化、经营国际化的方向发展。

我国模具行业今后仍需提高的共性技术有：

（1）建立在CAD/CAE平台上的先进模具设计技术，提高模具设计的现代化、信息化、智能化、标准化水平。

（2）建立在CAM/CAPP基础上的先进模具加工技术与先进制造技术相结合，提高模具加工的自动化水平与生产效率。

（3）模具生产企业的信息化管理技术。

例如PDM（产品数据管理）、ERP（企业资源管理）、MIS（模具制造管理信息系统）及INTERMET平台等信息网络技术的应用、推广及发展。

（4）高速、高精、复合模具加工技术的研究与应用。

例如超精冲压模具制造技术、精密塑料和压铸模具制造技术等。

（5）提高模具生产效率、降低成本和缩短模具生产周期的各种快速经济模具制造技术。

（6）先进制造技术的应用。

例如热流道技术、气辅技术、虚拟技术、纳M技术、高速扫描技术、逆向工程、并行工程等技术在模具研究、开发、加工过程中的应用。

　　（7）原材料在模具中成形的仿真技术。

　　（8）先进的模具加工和专有设备的研究与开发。

　　（9）模具及模具标准件、重要辅件的标准化技术。

　　（10）模具及其制品的检测技术。

　　（11）优质、新型模具材料的研究与开发及其正确应用。

　　（12）模具生产企业的现代化管理技术。

二、国外模具的现状和发展趋势

模具是工业生产关键的工艺装备，在电子、建材、汽车、电机、电器、仪器仪表、家电和通讯器材等产品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。

用模具生产制作表现出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清洁环保的特性，是其他加工制造方法所无法替代的。

模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。

近几年，全球模具市场呈现供不应求的局面，世界模具市场年交易总额为600～650亿美元左右。

美国、日本、法国、瑞士等国家年出口模具量约占本国模具年总产值的三分之一。

国外模具总量中,大型、精密、复杂、长寿命模具的比例占到50%以上；国外模具企业的组织形式是"大而专"、"大而精"。

2004年中国模协在德国访问时，从德国工、模具行业组织--德国机械制造商联合会（VDMA）工模具协会了解到，德国有模具企业约5000家。

2003年德国模具产值达48亿欧元。

其中（VDMA）会员模具企业有90家，这90家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的90%，可见其规模效益。

随着时代的进步和技术的发展，国外的一些掌握和能运用新技术的人才如模具结构设计、模具工艺设计、高级钳工及企业管理人才，他们的技术水平比较高．故人均产值也较高．我国每个职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右，而国外模具工业发达国家大多15～20万美元，有的达到25～30万美元。

国外先进国家模具标准件使用覆盖率达70%以上，而我国才达到45％．

随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。

虽然模具种类繁多，但其发展重点应该是既能满足大量需要，又有较高技术含量，特别是目前国内尚不能自给，需大量进口的模具和能代表发展方向的大型、精密、复杂、长寿命模具。

模具标准件的种类、数量、水平、生产集中度等对整个模具行业的发展有重大影响。

因此，一些重要的模具标准件也必须重点发展，而且其发展速度应快于模具的发展速度，这样才能不断提高我国模具标准化水平，从而提高模具质量，缩短模具生产周期，降低成本。

由于我国的模具产品在国际市场上占有较大的价格优势，因此对于出口前景好的模具产品也应作为重点来发展。

根据上述需要量大、技术含量高、代表发展方向、出口前景好的原则选择重点发展产品，而且所选产品必须目前已有一定技术基础，属于有条件、有可能发展起来的产品。

三，落料、拉深，冲孔模具设计与制造方面

拉深是冲压基本工序之一，它是利用模具在压力机作用下，将平板坯料或空心工序件制成开口空心零件的加工方法。

它不仅可以加工旋转体零件，还可以加工盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件，但是，加工出来的制件的精度都很底。

一般情况下，拉深件的尺寸精度应在IT13级以下，不宜高于IT11级。

只有加强拉深变形基础理论的研究，才能提供更加准确、实用、方便的计算方法，才能正确地确定拉深工艺参数和模具工作部分的几何形状与尺寸，解决拉深变形中出现的各种实际问题，从而，进一步提高制件质量。

该工件中有锥形拉深部分，锥形拉深是最典型的拉深件，其工作过程很简单就是一个拉深，根据计算确定它可以一次拉深成功.根据计算的结果和选用的标准模架，为了保证制件的顺利加工和顺利取件，模具必须有足够高度。

要改变模具的高度，只有从改变导柱和导套的高度。

导柱和导套的高度可根据拉深凸模与拉深凹模工作配合长度决定．设计时可能高度出现误差，应当边试冲边修改高度。

第1章零件冲压工艺分析

1.1制件图及要求

图1—1工件图

名称：

凹迷宫片

材料：

45钢

厚度：

5mm

1.2零件工艺分析

该零件需要采用拉深、冲孔和落料三道工序即可完成，材料为45钢，45钢具有良好的冲压性能，适合冲裁。

工件相对简单，尺寸均匀对称。

由《冲压模具设计与制造》P27表1.3.6查得45钢的抗剪强度为440～560MPa，抗拉强度为530～680MPa以后简《冲模》。

工件未注公差可视为自由公差，取IT14等级精度，由《冲压模具简明设计手册》P36表2.4.8查得凸凹模最小壁厚a＝4.9mm,以后简称《设计手册》由工件可得最小孔边距为（60-50）/2＝5mm故可以采用符合模冲压。

φ50孔的偏差代号为H8，φ80外径的偏差代号为g6，由《公差配合与技术测量》P16表2-4和表2-6查得其偏差分别为：

φ50ES=+0.039

EI=0

公差δ=0.039mm

φ80ES=-0.01

EI=-0.029

公差δ=0.019mm

1.3冲压工艺方案选择

该工件由冲孔、拉深和落料三个基本工序，可以采用以下三个工艺方案：

第一种：

用简单模分三次加工，即拉深——-落料——冲孔。

用简单模生产

第二种：

拉深冲孔落料复合模。

用复合模生产

第三种：

拉深冲孔落料级进模。

用级进模生产

方案一，模具结构简单，但需要三道工序两副模具，生产效率低，难以满足该零件的年产量的要求。

方案二只需一副模具，冲压件的形位精度和尺寸精度容易保证，且生产效率高，尽管模具结构较方案一复杂，但由于零件的几何形状简单对称，模具制造并不困难。

方案三也只需要一副模具，生产效率也很高，但零件的冲压精度稍差，欲保证冲压件的形位精度，需要在模具上设置导正销，故模具制造、安装较复合模复杂。

通过对上述三种方案的分析比较，该工件的冲压生产采用方案二为佳，故采用复合模进行冲压生产。

1.4工艺计算

1.4.1排样方案的确定及其毛坯尺寸的计算

该冲件为几何形状简单的矩形冲件，故采用有废料的直排方式，可以有效减少废料。

由《设计手册》P128表4.14查得该制件的毛坯直径的公式为：

D=[d21+d23-d22+2L（d1+d2）]1/2

公式中：

d1--------底中径

d2--------口中径

d3--------外径

L--------斜面长度

根据制件图尺寸可知：

D=[602+802-702+2×7×（70+60）]1/2=83.14mm

所以毛坯直径为83.14mm

下面对工件的搭边值进行确定，各部分尺寸的确定由《冲模》P65表2.5.2查得，最小的搭边值工件间a＝1.5mm侧面a1＝1.8mm，又因为制件有拉深工序。

由零件图的尺寸可知拉深的尺寸为稍大于7mm。

又考虑到板材拉深后仍要保证有足够的压边，工件间距a＝15mm侧面间距a1＝15mm，所以其排样图如图2-1所示：

取由零件图和排样图可以计算条料的宽度B=80+23.5=87mm。

一个步距的长度为S=80+3.0=83mm，可以计算出一个步距的条料的利用率为50%。

可得下表：

表1—1设计排样计算表

工程

公式

结果

备注

冲裁件的面积A

A=3.14×（40+7）2-3.14×252

4973.8

由表2.5.2查得最小搭边值

条料宽度B

B=80+2×3.5

87

a＝15a1＝15

步距S

S=80+3.0

83

一个步距材料利用率n

n=Na/BS×100%

69.6%

1-2排样图

1.4.2冲压力的计算

该模具采用正装复合模，选择弹性卸料，下出件弹性打料杆顶出工件，冲压力的计算如下：

由《冲模》P69得冲裁力

F=KLtTb

公式中：

F冲裁力

L冲裁周边长度，L=3.14×80+3.14×50=408.2mm

t材料厚度t=2mm

Tb材料抗剪强度取500MPa

K系数

系数K是考虑到实际生产，模具间隙值是波动和不均匀、刃口的磨损，板料力学性能和厚度波动等因素的影响而给出的修正系数，一般取K=1.3

根据以上数据计算可得：

F=530660N

下面对卸料力进行计算：

卸料力Fx=KxF

顶件力FD=KDF

公式中:

F冲裁力为530660N

Kx卸料力系数由《冲模》P70表2.6.1查得Kx=0.05

KD为推件力系数由表2.6.1查得KD=0.06

所以Fx=0.05×530660=26533N

FD=0.06×530660=31839N

又制件有拉深部分，则拉深力的计算为：

由《设计手册》P149表4.44查得旋转形非变薄拉深力：

P=3.14dt6b（D/d-C）

该公式可简化为：

P=A6b

公式中：

A-----拉深件的截面面积

6b-------抗拉强度

故P=A6b=3.14×3.72×600=25792N

又因为落料凹模是由弹顶器作用下，使模具在拉深时处在不运动状态，所以克服弹顶器的力F弹应大于拉深力，我们取F弹=30000N

由于采用弹性卸料装置，下出件，故：

F总=F+Fx+FD+P

=F+0.05F+0.06F+P

=530660+26533+31839+25792

=614864N

因为F总=614864N查《设计手册》P389表13.10选用压力机型号为JH21-80

JH21-80压力机参数

公称压力/KN800

公称压力行程/mm4.5

滑块行程/mm160

行程次数/次/mm40～75

最大闭合高度/mm320

闭合高度调节量/mm80

工作台尺寸/mm左右310

前后950

工作台孔径/mm150

模柄孔尺寸/mm直径50

深度60

电动机功率/KW7.5

1.4.3压力中心的确定

压力中心就是冲压力的作用点，为了保证压力机和模具的正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心线相重合，否则冲压时滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具的导向部分不正常磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而使制件质量受到影响和降低模具寿命，甚至损坏模具。

由工件图可知，为简单的对称冲裁件，其压力中心位于冲裁件轮廓图形的几何中心上。

第2章工作零件刃口尺寸的计算

在确定工作零件刃口之前，首先要考虑到工作零件的加工方法和模具的装配方法，结合该模具的特点，工作零件的性状相对简单，社和采用线切割机床分别加工落料凹模、凸凹模中的冲孔凹模，这种加工可以保证这些零件各孔同轴度，使装配工作简化，因此工作零件刃口尺寸计算可按分别加工的方法来计算。

2.1落料加工工序

在落料加工工序中要完成的是对一个φ80的孔进行落料，由2-2的计算结果得

φ80ES=-0.01

EI=-0.029

公差δ=0.019mm

由《冲模》P55表2.3.3查得模具设计时的最大、最小间隙分别为：

Zmax=0.18mm

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dA=50.160+0.024mm

表2—1工件零件刃口尺寸的计算

分类

尺寸

计算公式

结果

落料

φ80

DA=（Dmax-x△）0+δA

DT=（DA-Zmin）-δT0

DA=79.980+0.024mm

DT=79.840-0.016mm

冲孔

φ50

dT=（dmin+x△）-δT0

dA=（dT+Zmin）0+δA

dT=50.02-0.0160mm

dA=50.160+0.024mm

2.3卸料橡皮的设计

由以上计算可知卸料力Fx=26533N，这个力相对比较大，需要采用卸料力载荷大的装置，所以采用橡皮板，选用4块橡皮，且4块橡皮的厚度务必一致，不然会造成受力不均匀，运动产生歪斜，影响模具正常工作。

弹顶器F弹=30000N，可采用一块整体橡皮。

根据卸料力求橡胶的横截面面积

2.3.1橡胶的选择原则

A、为保证相继正常工作，所选橡皮应满足预压力要求：

F0＞Fx

公式中：

F0橡胶在预压力压缩状态下的压力N

Fx卸料力N

B、为保证橡皮不过早失效，其允许最大压缩量不应超过其自由高度的45%，一般取

△H2=（0.35～0.45）H0

公式中

△H2橡胶的允许总压缩量mm

H0橡胶的自由高度mm

橡胶的预压量一般取自由高度的10%～15%

△H0=（0.10～0.15）H0

公式中△H0为橡胶预压缩量mm

故△H1=△H2-△H0=（0.25～0.35）H0

而△H1=△H′+△H〞

公式中△H′卸料板的工作行程△H′=t+1其中t为料厚

△H〞凸模刃口修磨量mm

C、橡胶高度与直径之比应按下公式校核：

0.5≤H0/D≤1.5

式中D为橡胶外径mm

2.3.2橡胶选择步骤

A、根据工艺性质和模具结构确定橡胶性能、形状和数量，一般冲裁卸料用较硬的橡胶，选择4个圆筒形橡胶。

B、由Fx≤Fxy=AP

可得Fxy应大于或等于卸料力Fx

则可得橡胶的横截面面积为A=Fxy/P

公式中Fxy橡胶产生的压力，设计时取大于或等于卸料力Fx

P橡胶所产生的单位面积压力与压缩量有关，其值可按《冲模》P122图2.9.35确定，设计时取预压缩量下的单位面积

A橡胶面积

卸料板的工作行程

HI=h1+t+h

公式中h1凹模落料后凸凹模进入凹模的深度/mm（这里取mm）

T板厚度

h拉深深度（由零件图计算得h=5mm）

即H1=2+2+5=9mm

橡胶的工作行程：

H2=H1+h修

即H2=9+5=14mm

其中h修为凸凹模的修磨余量取5mm

橡胶的工作高度取自由高度的25%，根据以上的计算和说明得知橡胶的自由高度为

H自由=4H2=56mm

每个橡胶承受的载荷为F1=FX/4=6633N

试取压缩量为40%，查《冲模》P122图2.9.35可得：

单位压力约为3MPa则：

由上公式A=6633/3=2211m㎡

则D=（d2+1.27Fxy/P）0.5

其中d取12mm计算得：

D=54mm

同理可计算出弹顶器上的橡胶：

直径D=58mm

自由高度H=36mm

2.3.3校核

H/D=56/54=1.04

H/D=36/58=0.62

均满足0.5≤H/D≤1.5

故4个圆筒形橡胶即可满足要求

表2—2卸料橡皮参数

工程

公式

结果

备注

顶板工作行程

HI=h1+t+h

9mm

h1凹模落料后进入凸凹模的深度

橡胶工作行程

H2=h1+h修

14mm

h修为凸凹模的修磨余量取5mm

橡胶自由高度

H自由=4H2

56mm

橡胶的工作高度取自由高度的25%

橡胶预压缩量

H预=15%H自由

7.4mm

一般取自由高度的15%～25%

每个橡胶的载荷

F1=FX/4

6633N

选择4个圆筒形橡胶

橡胶的外径

D=（d2+1.27Fxy/P）0.5

54mm

d为圆筒形橡胶的内径取d=12mm

校核橡胶自由高度

0.5≤H/D≤1.5

满足要求

橡胶的安装高度

H安=H自由-H预

48.6mm

表2—3弹顶器橡皮参数

工程

公式

结果

备注

卸料板工作行程

HI=h1+t

4mm

h1凹模落料后进入凸凹模的深度

橡胶工作行程

H2=h1+h修

9mm

h修为凸凹模的修磨余量取5mm

橡胶自由高度

H自由=4H2

36mm

橡胶的工作高度取自由高度的25%

橡胶预压缩量

H预=15%H自由

5.4mm

一般取自由高度的15%～25%

橡胶的载荷

F1=FX/4

30000N

选择4个圆筒形橡胶

橡胶的外径

D=（d2+1.27Fxy/P）0.5

113.8mm

d为圆筒形橡胶的内径取d=16mm

校核橡胶自由高度

0.5≤H/D≤1.5

满足要求

橡胶的安装高度

H安=H自由-H预

30.6mm

第3章模具的总体设计

1由冲压工艺分析可知，采用正装复合模

2定位方法的选择

由于该模具采用的是条料，控制条料的送料方向采用挡料销，与送料垂直的方向上用导料板对料导正，

3卸料、出件方式的选择

因为工件厚度为5mm，相对比较薄，卸料力不是太大，故可以用弹性卸料。

又因为是正装复合模，使用采用下模弹性顶杆出件。

④导向方式的选择

为了提高模具的寿命、工件质量及减少模具总体尺寸、方便安装调试，该复合模要采用后侧导柱的导向方式。

3.1主要零部件的设计

根据模具设计的基本形式，可以确定模具的基本结构原理图如下：

图3—1装配图

3.2落料凹模的设计

落料凹模采用整体式，用线切割机床加工，故采用直通式凹模，安装凹模在模架上的位置时，要依据压力中心的数据，将压力中心与模柄中心重合，其轮廓尺寸可按经验公式