毕业设计 汽车备轮架加固板冲孔落料复合模设计与计算.docx

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毕业设计汽车备轮架加固板冲孔落料复合模设计与计算

第一章绪论

1.1中国冲压模具现状

根据考古发现，早在2000多年前，我国已有冲压模具被用于制造铜器，证明了中国古代冲压成型和冲压模具方面的成就在世界领先。

1953年，长春第一汽车制造厂在中国首次建立了冲模车间，该厂于1958年开始制造汽车覆盖件模具。

我国于20世纪60年代开始生产精冲模具。

在走过了漫长的发展道路之后，目前我国已形成了300多亿元（未包括港、澳、台的统计数字，下同。

）各类冲压模具的生产能力。

近年来，我国冲压模具水平已有很大提高。

大型冲压模具已能生产单套重量达50多吨的模具。

为中档轿车配套的覆盖件模具国内也能生产了。

精度达到1~2μm，寿命2亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产。

表面粗糙度达到Ra≦1.5μm的精冲模，大尺寸（Φ≧300mm）精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。

1.1.1模具CAD/CAM技术状况

 我国模具CAD/CAM技术的发展已有20多年历史。

由原华中工学院和武汉733厂于1984年共同完成的精冲模CAD/CAM系统是我国第一个自行开发的模具CAD/CAM系统。

由华中工学院和北京模具厂等于1986年共同完成的冷冲模CAD/CAM系统是我国自行开发的第一个冲裁模CAD/CAM系统。

上海交通大学开发的冷冲模CAD/CAM系统也于同年完成。

20世纪90年代以来，国内汽车行业的模具设计制造中开始采用CAD/CAM技术。

国家科委863计划将东风汽车公司作为CIMS应用示范工厂，由华中理工大学作为技术依托单位，开发的汽车车身与覆盖件模具CAD/CAPP/CAM集成系统于1996年初通过鉴定。

在此期间，一汽和成飞汽车模具中心引进了工作站和CAD/CAM软件系统，并在模具设计制造中实际应用，取得了显著效益。

1997年一汽引进了板料成型过程计算机模拟CAE软件并开始用于生产。

模具CAD/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量，已成为人们的共识。

在“八五”、“九五”期间，已有一大批模具企业推广普及了计算机绘图技术，数控加工的使用率也越来越高，并陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统。

如美国EDS的UG，美国ParametricTechnology公司的Pro/Engineer，美国CV公司的CADS5，英国DELCAM公司的DOCT5，日本HZS公司的CRADE及space-E，以色列公司的Cimatron，还引进了AutoCAD、CATIA等软件及法国Marta-Daravision公司用于汽车及覆盖件模具的Euclid-IS等专用软件。

国内汽车覆盖件模具生产企业普遍采用了CAD/CAM技术。

DL图的设计和模具结构图的设计均已实现二维CAD，多数企业已经向三维过渡，总图生产逐步代替零件图生产。

且模具的参数化设计也开始走向少数模具厂家技术开发的领域。

在冲压成型CAE软件方面，除了引进的软件外，华中科技大学、吉林大学、湖南大学等都已研发了较高水平的具有自主知识产权的软件，并已在生产实践中得到成功应用，产生了良好的效益。

 快速原型（RP）与传统的快速经济模具相结合，快速制造大型汽车覆盖件模具，解决了原来低熔点合金模具靠样件浇铸模具，模具精度低、制件精度低，样件制作难等问题，实现了以三维CAD模型作为制模依据的快速模具制造，并且保证了制件的精度，为汽车行业新车型的开发、车身快速试制提供了覆盖件制作的保证，它标志着RPM应用于汽车车身大型覆盖件试制模具已取得了成功。

 围绕着汽车车身试制、大型覆盖件模具的快速制造，近年来也涌现出一些新的快速成型方法，例如目前已开始在生产中应用的无模多点成型及激光冲击和电磁成型等技术。

它们都表现出了降低成本、提高效率等优点。

1.1.2模具设计与制造能力状况

  在国家产业政策的正确引导下，经过几十年努力，现在我国冲压模具的设计与制造能力已达到较高水平，包括信息工程和虚拟技术等许多现代设计制造技术已在很多模具企业得到应用。

 虽然如此，我国的冲压模具设计制造能力与市场需要和国际先进水平相比仍有较大差距。

这些主要表现在高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模方面，无论在设计还是加工工艺和能力方面，都有较大差距。

轿车覆盖件模具，具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点，可代表覆盖件模具的水平。

虽然在设计制造方法和手段方面已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步，但在制造质量、精度、制造周期等方面，与国外相比还存在一定的差距。

标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种。

有代表性的是集机电一体化的铁芯精密自动阀片多功能模具，已基本达到国际水平。

但总体上和国外多工位级进模相比，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，仍存在一定差距。

 汽车覆盖件模具制造技术正在不断地提高和完善，高精度、高效益加工设备的使用越来越广泛。

高性能的五轴高速铣床和三轴的高速铣床的应用已越来越多。

NC、DNC技术的应用越来越成熟，可以进行倾角加工和超精加工。

这些都提高了模具型面加工精度，提高了模具的质量，缩短了模具的制造周期。

 模具表面强化技术也得到广泛应用。

工艺成熟、无污染、成本适中的离子渗氮技术越来越被认可，碳化物被覆处理（TD处理）及许多镀（涂）层技术在冲压模具上的应用日益增多。

真空处理技术、实型铸造技术、刃口堆焊技术等日趋成熟。

激光切割和激光焊接技术也得到了应用。

1.2冲压模具的发展重点与展望

 发展重点的选取应根据市场需求、发展趋势和目前状况来确定。

可分为产品重点、技术重点两个方面来研究。

1.2.1冲压模具产品发展重点。

 冲压模具共有7小类，并有一些按其服务对象来称呼的一些种类。

目前急需发展的是汽车覆盖件模具，多功能、多工位级进模和精冲模。

这些模具现在产需矛盾大，发展前景好。

 汽车覆盖件模具中发展重点是技术要求高的中高档轿车大中型覆盖件模具，尤其是外覆盖件模具。

高强度板和不等厚板的冲压模具及大型多工位级进模、连续模今后将会有较快的发展。

多功能、多工位级进模中发展重点是高精度、高效率和大型、高寿命的级进模。

精冲模中发展重点是厚板精冲模大型精冲模，并不断提高其精度

1.2.2冲压模具技术发展重点。

模具技术未来发展趋势主要是朝信息化、高速化生产与高精度化发展。

因此从设计技术来说，发展重点在于大力推广CAD/CAE/CAM技术的应用，并持续提高效率，特别是板材成型过程的计算机模拟分析技术。

模具CAD、CAM技术应向宜人化、集成化、智能化和网络化方向发展，并提高模具CAD、CAM系统专用化程度。

为了提高CAD、CAE、CAM技术的应用水平，建立完整的模具资料库及开发专家系统和提高软件的实用性十分重要。

从加工技术来说，发展重点在于高速加工和高精度加工。

高速加工目前主要是发展高速铣削、高速研抛和高速电加工及快速制模技术。

高精度加工目前主要是发展模具零件精度1μm以下和表面粗糙度Ra≦0.1μm的各种精密加工。

提高模具标准化程度，搞好模具标准件生产供应也是冲压模具技术发展重点之一。

为了提高冲压模具的寿命，模具表面的各种强化超硬处理等技术也是发展重点。

对于模具数字化制造、系统集成、逆向工程、快速原型/模具制造及计算机辅助应用技术等方面形成全方位解决方案，提供模具开发与工程服务，全面提高企业水平和模具质量，这更是冲压模具技术发展的重点。

1.3中国冲压模具发展趋势

根据国内和国际模具市场的发展状况，以及未来我国的模具行业做出调整后，将呈现出十大发展趋势：

一是模具日趋大型化；二是模具的精度将越来越高；三是多功能复合模具将进一步发展；四是热流道模具在塑料模具中的比重将逐渐提高；五是气辅模具及适应高压注射成型等工艺的模具将有较大发展；六是模具标准化和标准件的应用将日渐广泛；七是快速经济模具的前景十分广阔；八是压铸模具的比例将不断提高；九是塑料模具的比例将不断增大；十是模具技术含量将不断提高，中高档模具比例将不断增大。

这就是我国模具行业未来的发展趋势。

第二章冲孔落料复合模设计与计算

2.1.概述

冲压工艺是塑性加工的基本加工方法之一。

它主要用于加工板料零件，所以有时也叫板料冲压。

冲压加工时，板料在模具的作用下，于其内部产生使之变形的内力。

当内力的作用达到一定程度时，板料毛坯或毛坯的某个部位便会产生与内力的作用性质相对应的变形，从而获得一定的形状.尺寸和性能的零件。

冲压通常在冷态下进行，因此也称为冷冲压。

板材冲压具有下列特点：

（1）材料利用率高。

（2）可加工薄壁、形状复杂的零件。

（3）冲压件在形状和尺寸精度方面的互换性好。

（4）能获得质量轻而强度高、钢性好的零件。

（5）生产率高，操作简单，容易实现机械化和自动化。

因此，冲压工艺是一种产品质量较好而且成本低的加工工艺。

用它生产的产品一般还具有重量轻且刚性好的特点。

板材冲压常用的金属材料有低碳钢、铜、铝、镁合金及高塑性的合金钢等。

冲压工艺在汽车，电机，仪器等各种民用轻工产品以及航空和兵工等的生产方面占据十分重要的地位。

现代各先进工业化国家的冲压生产都是十分发达的。

在我国的现代化建设进程中，冲压生产占有重要的地位。

2.2设计任务

零件名称：

汽车备轮架加固板

　材料：

08钢板

厚度：

4mm

生产批量：

大量生产

　要求编制工艺方案。

图2-1汽车备轮架加固板零件图 

图2-2汽车备轮架加固板实体图

2.3冲压件的工艺分析

该零件为备轮架加固板，材料较厚，其主要作用是增加汽车备轮架强度。

零件外形对称，无尖角、凹陷或其他形状突变，系典型的板料冲压件。

零件外形尺寸无公差要求，壁部圆角半径

，相对圆角半径

为1.25，大于表相关资料所示的最小弯曲半径值，因此可以弯曲成形。

的八个小孔和两个腰圆孔分别均布在零件的三个平面上，孔距有位置要求，但孔径无公差配合。

圆孔精度不高，弯曲角为

，也无公差要求。

通过工艺分析，可以看出该零件为普通的厚板弯曲件，尺寸精度要求不高，主要是轮廓成形问题，又属大量生产，因此可以用冲压方法生产。

2.4确定工艺方案

2.4.1计算毛坯尺寸

该零件的毛坯展开尺寸可按式下式计算：

2-1

上式中

          圆角半径

；

            板料厚度

;

为中性层系数，由表查得

；

，

为直边尺寸，由图2-3可知:

2-2

2-3

将这些数值代入，得毛坯宽度方向的计算尺寸

  2-4

 考虑到弯曲时板料纤维的伸长，经过试压修正，实际毛坯尺寸取

同理，可计算出其他部位尺寸，最后得出如图2-3所示的弯曲毛坯的形状和尺寸。

2.4.2冲压工序性质和工艺方案的选择

冲压该零件，需要的基本工序和次数有：

（a）落料；（b）冲

孔6个；（c）冲底部

孔2个；（d）冲

孔；（e）冲2个腰圆孔；（f）首次弯曲成形；（g）二次弯曲成形。

根据以上这些工序，可以作出下列各种组合方案。

方案一：

落料——首次弯曲——二次弯曲——冲孔。

方案二：

冲孔——落料——首次弯曲——二次弯曲。

方案三：

冲孔，落料（连续模）——首次弯曲——二次弯曲。

方案四：

冲孔，落料（复合模）——首次弯曲——二次弯曲。

对以上三种方案进行比较，可以看出：

方案一：

全部冲孔工序安排在弯曲成形后进行，缺点是成形后冲孔，模具结构复杂，刃磨和修理比较困难，上、下料操作也不方便。

方案二：

单工序模，先冲孔再落料保证一定的精度，但主要适用于生产量较小或单件生产，生产率较低，且多了一模具，生产周期长。

方案三：

从生产效率、模具结构和寿命方面考虑，将落料和零件上的孔组合在三套模具上冲压，有利于降低冲裁力和提高模具寿命，同时模具结构比较简单，操作也较方便。

但是连续模的结构复杂，对制造精度的要求高，制造成本高。

方案四：

落料和零件上的孔采用复合模组合冲压，优点是节省了工序和设备，而且有利于降低零件的生产成本，可以提高生产效率。

通过以上的方案分析，选用方案四比较合理。

2.4.3确定排样方式和计算材料利用率

2.4.3.1排样的意义

冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样

排样合理就能降低材料消耗。

大批量生产时，材料的经济利用是一个重要问题，特别对贵重的有色金属。

排样的合理与否将影响到材料的经济利用、模具结构与寿命、生产率、冲裁质量、生产操作方便与安全等。

2.4.3.2材料的利用率

排样是否合理，经济性是否好，可用材料利用率来衡量。

利用率用下式来衡量：

2-8

M成------一个成品的重量，kg

H-------一个零件的消耗定额,kg;

M-------冲压原料的重量，kg;

n-------原材料上排样所得零件的数量，个

确定条料的利用率[6]：

（取板料的规格为365

500

1.4）

工件的有效面积：

S0=255500mm2

条料的宽度：

B=365mm搭边值a=4mm,a1=5mm

2.4.3.3确定排样方式

图2-3的毛坯形状和尺寸较大，为便于手工送料，选用单排冲压。

有三种排样方式，见图2-4a、b、c。

由表查得沿送料进方向的搭边

，侧向搭边

，因此，三种单排样方式产材料利用率分别为64％、64％和70％。

第三种排样方式，虽然材料利用率最高，但是落料时需二次送料而且模具结构复杂。

为此，本设计选用第二种排样方法。

图2-3冲压件展开图

  a）材料利用率64%                          b）材料利用率64%

c）材料利用率70%

图2-4排样方式

2.4.3.4利用率的计算

条料的宽度为450mm，则条料上可冲压工件的个数为：

n1=

=33取n=33

假如条料的宽度为900mm,则条料上可冲压的零件个数为：

n2=

=66取n=66

当条料的长为500mm时的利用率:

=

=0.70

=

=0.70

即条料的利用率为：

η=70％

2.5.冲裁工艺性分析及间隙的选择

冲裁件的工艺性分析是指冲裁件对冲裁的适应性，即冲裁件的形状结构、尺寸的大小及偏差等是否符合加工的工艺要求。

冲裁件的工艺性是否合理对冲裁件的质量、模具的寿命和生产率有很大影响。

2.5.1冲裁间隙的选择

冲裁间隙指凸、凹模刃口间隙的距离。

冲裁间隙是冲压工艺和模具设计中的重要参数，它直接影响冲裁件的质量、模具寿命和力能的消耗，应根据实际情况和需要合理的选用。

冲裁间隙有单面间隙和双面间隙之分。

根据冲裁件尺寸精度、剪切质量、模具寿命和力能消耗等主要因素，将金属材料冲裁间隙分成三种类型[3]：

Ⅰ类（小间隙），Ⅱ类（中等间隙），Ⅲ类（大间隙）。

2.5.2冲裁间隙对冲裁件的影响

1、间隙过小时，由凹模刃口处产生的裂纹在继续加压的情况下将产生二次剪切，继而被挤入凹模。

这样，制件端面中部留下撕裂面，而两头出现光亮带，在端面出现挤长的毛刺。

毛刺虽长单易去除，只要中间撕裂不是很深，仍可用。

2、间隙过大时，材料的弯曲与拉伸增大，拉伸应力增大，材料容易被撕裂，使制件的光亮代减小，圆角与断裂都增大，毛刺大而厚，难去除。

所以随着间隙的增大，制件的断裂面的倾斜度的增大，毛刺增高。

2.5.3间隙对尺寸精度的影响

冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与公差尺寸的差值。

这个差值包含两个方面的偏差，一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差，一是模具本身的制造偏差。

其中凸、凹模间隙是影响凸模或凹模尺寸的偏差的主要因素。

当凸、凹模的间隙较大时，材料所受拉伸作用增大。

冲裁完后，材料的弹性恢复使落料尺寸小于凹模尺寸，冲孔孔径大于凸模直径。

此时穹弯的弹性恢复方向与其相反，鼓薄板冲裁时制件尺寸偏差减小。

在间隙较小时，由于材料受凸、凹模挤压力大，故冲裁完后，材料的弹性恢复使落料件尺寸增大，冲孔孔径减小。

2.5.4间隙对冲裁力的影响

随着间隙的增大，材料所受的拉力增大，材料容易断裂分离，因此冲裁力减小。

但是继续增大间隙时，会因从凸、凹模刃口处产生的裂纹不重合，冲裁力减小。

由于间隙的增大，使冲裁件的光亮面变小，落料尺寸小于凹模尺寸，冲孔尺寸大于凸模尺寸，因而使卸料力、推件力或顶件力也随之减小。

但是，间隙继续增大时，因为毛刺增大，引起卸料力、顶件力也迅速增大。

2.5.5间隙对模具寿命的影响

冲裁模具的寿命通常以保证获得合格产品时的冲裁次数来表示。

冲裁过程中模具的失效形式一般有：

磨损、变形、崩刃和凹模刃口涨裂四种。

间隙增大时可使冲裁力、卸料力等减小，因而模具的磨损也减小；但当间隙继续增大时，卸料力增加，又影响模具磨损，一般间隙为（10%--15%）t时磨损最小模具寿命较高。

间隙小时，落料件梗塞在凹模洞口的涨裂力也大。

2.5.6确定合理间隙的理论依据

由以上分析可见，凸、凹模对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命等都有很大的影响。

因此，在设计和制造模具时有一个合理的间隙值，以保证冲裁件的断面质量好，尺寸精度高，所需冲裁力小，模具寿命高。

生产中常选用一个适当的范围作为合理间隙。

这个范围的最小值称为最小合理间隙

最大值称为最大合理间隙

。

设计与制造新模具时采用最小合理间隙值。

确定合理间隙的理论根据是以凸、凹模刃口处产生的裂纹相重合为依据。

可以计算得到合理间隙值，计算公式如下：

Z=2t（1-

）tanβ2-5

由上式可看出，间隙z与材料厚度t、相对切入深度

/t及破裂角β有关。

对硬而脆的材料，

/t有较小值时，则合理间隙值较大。

对软而韧的材料，

/t有较大值，则合理间隙值较小。

板厚越大，合理间隙越大。

由于理论计算在生产中不便使用，故目前广泛使用的是经验数据。

2.5.7合理间隙的选择

表2-1冲裁模较大单面间隙

材料

厚度

08、10、35、09Mn、Q235、B3

Q235

40、50

65Mn

最小值

最大值

最小值

最大值

最小值

最大值

最小值

最大值

0.5

0.020

0.030

0.020

0.030

0.020

0.030

0.020

0.030

0.6

0.024

0.036

0.024

0.036

0.024

0.036

0.024

0.036

0.8

0.036

0.052

0.036

0.052

0.036

0.052

0.036

0.052

0.9

0.045

0.063

0.045

0.063

0.045

0.063

0.045

0.063

1.0

0.050

0.070

0.050

0.070

0.050

0.070

0.0450

0.063

1.2

0.063

0.090

0.066

0.090

0.066

0.090

1.5

0.066

0.120

0.085

0.120

0.085

0.120

2.0

0.123

0.180

0.130

0.190

0.130

0.190

间隙的选择可以按照如下原则：

对于断面垂直度与尺寸公差要求较高的工件，选择较小的合理间隙值。

这时冲裁力与模具寿命作为次要因素来考虑。

对于断面垂直度与尺寸公差要求的前提下，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，采用较大的合理间隙值。

部分冲裁件的单面间隙值见表2-1。

由表格可知，此复合模的最小单面间隙为

=0.082mm，最大单面间隙

=0.11mm。

2.6冲裁力、卸料力、顶件力的计算及压力机的确定和选择

2.6.1冲裁力的计算

计算冲裁力的目的是为了选用合适的压力机、设计模具和检验模具强度。

压力机的吨位必须大于冲裁力。

一般平刃口模具冲裁时，冲裁力可按下式计算：

2-6

P——冲裁力，N；

F——冲切断面积，mm2；

L——冲裁周边长度，mm;

t——材料厚度，mm；

——材料抗剪强度，Mpa；

K——安全系数，一般取K＝1.3，考虑到模具刃口的磨损，凸凹模间隙的波动，材料机械性能的变化，材料厚度及偏差等因素,刚08的抗剪强度为210--300Mpa，取

=260Mpa[4]。

2.6.2降低冲裁力的方法

在冲裁高强度材料或厚度大、周边长的工件时，所需的冲裁力较大。

如果超过现有压力机吨位，就必须采取措施降低冲裁力，主要有斜刃模具冲裁、阶梯模具冲裁和加热模具冲裁几种方法。

本次设计采用斜刃模具冲裁以降低冲裁力。

2.6.3落料冲裁力的计算

（1）平刃口模具冲裁时，落料力按下式计算：

2-7

将加固板毛坯的周长

，厚度

以及08钢材料的抗剪强度

代入上式，得

为了降低落料力，改用斜刃口模具，落料力:

上式中，

为模具斜刃口部分长度。

考虑到落料时条料容易安置和定位，模具的部分刃口可以设计成平口的。

因此，

表示刃口部分的长度（如果模具刃口全部做成斜口的，则

），如图3-16所示。

图中

平刃口长度      

，

斜刃口长度      

，

取              

则              

（2）推件力:

    2-8

设同时梗塞在凹模内的零件数

，查表系数

，代入上式，得

（3）选用冲压设备

这一工序的落料力

，推件力

，因此，工序所需的总压力

2.6.4冲孔力的计算

（1）冲压8个

孔，冲孔力

                F1=44600N

（2）冲压底部圆孔，冲孔力

（3）腰圆孔冲孔力

（4）选用冲压设备

工序总的冲孔力  

故可选用1000kN压力机。

2.6.5顶件力、卸料力、推件力的计算

冲裁结束后，由于弹性变形的恢复，会使工件卡紧在凸模或凹模上，必须施加外力，将其取下。

卸料力：

将紧箍在凸模上的料卸下所需的力

推件力和顶件力：

将卡在凹模中的工件推出或顶出所需的力

表2-2卸料力、推件力及顶件力的因数

冲裁材料

K卸

K推

K顶

紫铜黄铜

0.02～0.06

0.03～0.09

铝、铝合金

0.025～0.08

0.03～0.07

钢

材料

厚度

mm

～0.1

＞0.1～0.5

＞0.5～2.5

＞2.5～6.5

＞6.5

0.06～0.075

0.045～0.055

0.04～0.05

0.03～0.04

0.02～0.03

0.10

0.065

0.050

0.045

0.025

0.14

0.08

0.06

0.05

0.03

2-9

2-10

2-11

K卸、K顶、K推——卸料因数、推料因数、顶件因数，

其值见表2-2；

P——冲裁力，N；

n——卡在凹模孔内的工件数，n＝h/t（h为凹

模刃口直高度，t为工件材料厚度）。

落料：

P卸落=K顶P=884.2KN

冲孔：

P1=K顶P=44.6KN

P2=NK推P=89.2K