屏屏板零件冲压成形工艺及模具设计.docx

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屏屏板零件冲压成形工艺及模具设计

屏屏板零件冲压成形工艺及模具设计

1绪论

中国模具发展的现状:

改革开放以来,随着国民经济的高速发展,市场对模具的需求量不断增长。

近年来,模具工业中的冲冷加工以15%左右的增长速度快速发展,模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化,除了国有专业模具厂外,集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。

浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”;广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业,科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心;中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。

冷冲压与其它加工方法相比,具有独到之处,所以在工业生产中,尤其在大批量生产中应用十分广泛。

相当多的工业部门都越来越多地釆用冷冲压加工产品零部件,如汽车、拖拉机、电器、仪表、电子、国防以及日用品等行业。

在这些工业部门中,冲压件所占的比重都相当大,不少过去用铸造、锻造、切削加工方法制造的零件,现在已被质量轻、刚度好的冲压件所替代。

通过冲压加工制造,大大提高了生产率,降低了成本。

可以说,如果在生产中不广泛釆用冲压工艺,许多工业部门的产品要提高生产率、提高质量、降低成本,进行产品的更新换代是难以实现的。

国外的模具技术水平:

车身制造中的级进冲模发展迅速。

在自动冲床上用级进冲裁模或组合冲模加工转子、定子板,或者应用于插接件作业,都是众所周知的冲压技术,近些年来,级进组合冲裁模在车身制造中开始得到越来越广泛的应用,用级进模直接把卷材加工为成型零件和拉伸件。

加工的零件也越来越大,省去了用多工位压力机和成套模具生产所必需串接的板材剪切、涂油、板坯运输等后续工序。

级进组合冲模已在美国汽车工业中普遍应用,其优点是生产率高,模具成本低,不需要板料剪切,与多工位压力机上使用的阶梯模相比,节约30%。

但是级进组合冲模技术的应用受拉伸深度、导向和传输的带材边缘材料表面硬化的限制,主要用于拉伸深度比较浅的简单零件,因此不能完全替代多工位压力机,绝大多数零件应优生考虑在多工位压力机上加工。

凡工业较为发达的国家,对标准化工作都十分重视,因为能给工业带来质量、效率和效益。

模具是专用成形工具产品,虽然个性化强,但也是工业产品,所以标准化工作十分重要。

模具标准化工作主要包括模具技术标准的制订和执行、模具标准件的生产和应用以及有关标准的宣传、贯彻和推广等工作。

中国模具标准化工作起步较晚,加之宣传、贯彻和推广工作力度小,因此模具标准化落后于生产,更落后于世界上许多工业发达的国家。

国外模具发达国家,如日本、美国、德国等,模具标准化工作已有近100年的历史,模具标准的制订、模具标准件的生产与供应,已形成了完善的体系。

而中国模具标准化工作只是从“全国模具标准化技术委员会”成立以后的1983年才开始的。

目前中国已有约2万家模具生产单位,模具生产有了很大发展,但与工业生产要求相比,尚很不适应,其中一个重要原因就是模具标准化程度和水平不高。

级进冲裁模,级进模(又称连续模、跳步模),是指压力机在一次行程中,依次在模具几个不同的位置上同时完成多道冲压工序的冲模。

整个制件的成形是在级进过程中逐步完成的。

级进成形是属工序集中的工艺方法,可使切边、切口、切槽、冲孔、塑性成形、落料等多种工序在一副模具上完成。

级进模可分为普通级进模和多工位精密级进模。

多工位精密级进模我们将作为一专题在后续章节中讨论。

由于用级进模冲压时,冲裁件是依次在几个不同位置上逐步成形的,因此要控制冲裁件的孔与外形的相对位置精度就必须严格控制送料步距。

为此,级进模有两种基本结构类型:

用导正销定距的级进模与用侧刃定距的级进模。

今后模具的发展方向:

未来冲压模具制造技术发展趋势模具技术的发展应该为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求服务。

达到这一要求急需发展如下几项:

1、面推广CAD/CAM/CAE技术

2、速铣削加工

3、具扫描及数字化系统

4、火花铣削加工

5、高模具标准化程度

6、质材料及先进表面处理技术

7、模具研磨抛光将自动化、智能化

8、具自动加工系统的发展

 

2总裁件的工艺性分析

此工件只有落料和冲孔两个工序。

材料为黄铜H62,具有良好的冲压性能,适合总裁。

工件结构相对简单,有一个Ø7mm的孔、一个Ø5mm的孔、两个Ø2.5mm的孔和十三个Ø1.5mm孔;孔与孔、孔与边缘之间的距离也要满足要求,最小壁厚为3.5mm(12个Ø1.5mm的孔与Ø55.5mm外圆、两个Ø3.5mm的孔与Ø55.5mm的外圆之间的壁厚)。

屏屏板的上面的形状公差为0.2mm。

外圆轮廓的尺寸为Ø55.5

mm,未注公差均按IT13级精度制造,尺寸精度较低,普通总裁完全能够满足要求。

3冲压工艺方案的确定

该工件包括落料和冲孔两个基本工序,可以有以下三种工艺方案:

方案一:

先落料,后冲孔。

方案二:

落料—冲孔复合冲压,釆用复合模生产。

方案三:

冲孔—落料级进冲压。

釆用级进模生产。

方案一模具结构简单,但需要两道工序、两副模具,成本很高而且生产效率很低,难以满足大批量生产要求。

方案二只需一副模具,工件的精度及生产效率都较高,但工件最小壁厚3.5mm接近凸凹模许用最小壁厚,模具强度较差,制造难度大,并且冲压后成品留在其模具上。

在清理模具上的物料时会影响冲压速度,操作不方便。

方案三也只是需要一副模具;生产效率高,操作方便,工件精度也能满足要求。

通过对以上三种方案的分析比较,该工件的冲压生产釆用方案三为佳。

 

4主要的设计计算

4.1排样方式的确定及其计算

屏屏板排样图

冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样。

排样正确与否将影响到材料的合理利用、冲件质量、生产率、模具结构与寿命。

冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分率叫材料利用率,它是衡量合理利用材料的指标。

一个步距内的材料利用率η可用下式表示:

η=

=72%

A————一个步距内冲裁件的实际面积;

B—————条料宽度;

S—————步距(η值越大,材料的利用率就越高,在冲裁件的成本中材料费用一般占用60%以上)

排样进冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边留下的工艺废料叫搭边。

搭边虽是废料,但在冲裁工艺中却有很大作用。

它补偿了定位误差和剪裁误差,确保冲裁出合格零件。

搭边宽度对冲裁过程及冲裁件质量有很大的影响,因此一定要合理确定搭边值。

搭边过大,材料利用率低;搭边过小时,搭边的强度和刚度不够,在冲裁中将被拉断,使冲裁件产生毛刺,有时甚至单边拉入模具间隙,造成冲裁呼不均,损坏模具刃口。

根据生产的统计,正常搭边比无搭边冲裁时的模具寿命高50%以上。

在排样方案和搭边值确定之后,就可以确定条料的宽度,进而确定导料板间的距离。

无侧压装置的模具,应考虑在送料过程中因条料的摆动而使侧面搭边减小。

为了补偿侧面搭边的减小,条料宽度应增加一个条料可能的摆动量,可按下式计算:

条料宽度—————B

=(Dmax+2a+Z)

导料板间距离—————A=B+2a+2Z

式中Dmax—————条料宽度方向冲裁件的最大尺寸

a—————侧搭边值

Δ—————条料宽度的单位(负向)偏差;

Z—————导料板与最宽条料之间的间隙;

设计级进模,首先要设计条料排样图。

屏屏板的形状整体是一个圆盘形的特点,直排材料的利用率最高,所以应釆用直排。

如图

(2)所示的排样方法,可设计成边料载体的冲压方式,显著地减少废料。

边料载体是利用材料搭边冲出导正工艺孔而形成的载体,实际上这是利用边废料作载体、省料、应用普遍。

见参考文献[1]中表2.5.2搭边值取工件间a1=1.2mm和侧面a=1.5mm,条料宽度为B=59mm,步距S=56.7mm,一个步距的材料利用率为η=72%。

(计算见表1)。

见参考文献[10]板材标准,宜选用950×1500的黄铜板,每张黄铜板可剪裁为16张条料(59×1500),每张条料可冲26个工件,故每张黄铜板的材料利用率为71%。

表1条料的相关计算

项目分类

项目

公式

结果

备注

排样

冲裁件面积A

A=27.752×π

2418mm

查表2.5.2得最小搭边

值a1=1.2mma=1.5mm釆用无侧压置,条料与

导料板Cmin间隙

Cmin=0.5mm

条料宽度B

B=55.5+2×1.5+0.5

59mm

步距S

S=55.5+1.2

56.7mm

一个步距的材料利用率η

η=

72%

4.2冲压力的计算

通常所说的冲裁力是指冲裁力是指冲裁力最大值,这是选用压力机和设计模具的重要依据之一。

用平刃口模具冲裁时,其冲裁力F一般按下式计算:

F=KLtτb

式中F—————冲裁力;

L—————冲裁周边长度;

T—————材料厚度;

τb—————材料抗剪强度;

K—————系数

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

为使冲裁工作继续进行,必须将箍在凸樫上的料卸下,将卡在凹模内的料推出。

从凸模上卸下箍着的料所需的力称卸料力;将梗塞在凹模内的料顺冲裁方向推出所需的力称推件力;逆冲裁方向将料从凹模内顶出所需的力称顶件力。

卸料力、推件力和顶件力是从冲床、卸料装置中获得的。

一般常用下列经验公式计算:

卸料力—————Fx=KxF

推件力—————FT=nKTF

顶件力—————FV=KVF

式中F———冲压力;

FxFTFV—————卸料力、推件力、顶件力系数;

N—————同时卡在凹模内的冲裁件(或废料)数。

n=

式中h—————凹模洞口的直刃壁高度

t-————板料厚度

该模具釆用级进模,拟选择弹性卸料,下出件。

冲压力的相关计算见表2。

根据计算结果,冲压设备拟选J23—25。

(见参考文献[5]附录)

表2冲压力的相关计算

项目计算

项目

公式

结果

备注

冲压力

冲裁力F

F=KLtτb=1.3×2950.16×

2×300

230224.8N

L=295016mm

Tb=300MPa

卸料力Fx

FX=KXF=0.04×230224.8

9209N

查表2.6.1

KT=0.06

kX=0.04

推件力FT

FT=nkTF=4×0.06×230224.8

55254N

n=h/t=8/2=4

kD=0.06

冲裁力总

力FZ

FZ=FX+F+FT=

230224.8+9209+55254

294687.8N

弹性卸料、下出件

4.3压力中心的确定及相关计算

冲压力合力的作用点称为模具的压力中心。

模具的压力中心应该通过压力机滑块的中心线。

对于有模柄的冲模来说,须使压力中心通过模柄的中心线。

否则,冲压时滑块就会承受偏心载荷,导致滑块导轨的模具导向部分不正常的磨损,还会使合理间隙得不到保证,从而影响到制件质量和降低模具寿命甚至损坏模具。

冲裁形状对称的冲件时,其压力中心位于冲件轮廓图形的几何中心。

冲裁直线段时,其压力中心位于直线段的中点。

冲裁圆弧线段时,其压力中心的位置按公式:

确定复杂形状冲裁件的压力中心和多凸模模具的压力中心,常用解析法和作图法,该设计釆用解析法。

计算压力中心时,先画出凹模型口图,如图(3)所示。

在图中将xoy坐标系建立在图示的对称中心线上,将冲裁轮廓线按几何图形分解成L1~L4共四组基本线段,用解析法求得该模具的压力中心C点的坐标(-0.337,6.07)。

有关计算如表(3)所示。

(参考文献[5]中的压力中心的确定及相关计算)

表3压力中心数据表

基本要素长度L/mm

各基本要素压力中心的坐标值

x

y

L1=174.27

0

28.35

L2=100.48

0

-28.35

L3=15.7

-7.5

-15

L4=4.71

3.88

-13.86

合计295.16

-0.337

6.07

由以上计算结果可以看出,该项工件冲裁力不大,压力中心偏移坐标原点O较小,为了便于模具的加工和装配,模具中心仍选在坐标原点O。

若选用J23—25冲床,C点仍在压力机模柄孔投影面积范围内,满足要求。

凹模型口图

4.4工作零件刃口尺寸的计算

凸模和凹模的刃口尺寸和公差,直接影响冲裁件的尺寸精度。

模具的合理间隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差来保证。

因此确定凸、凹模刃口尺寸和公差,是冲裁件设计中的一项重要工作。

在冲裁件尺寸的测量和使用中,都是以光面的尺寸为基准。

落料件的光面是因凹模刃口挤切材料产生的,而孔的光面是凸模刃口挤切核工业部产生的。

故计算刃口尺寸时,应按落料和冲孔两种情况分别进行。

其原则如下:

落料时因落料件光面尺寸与凹模尺寸相等(或基本一致),应先确定凹模尺寸,即以凹模尺寸为基准。

又因落料件尺寸会随凹刃口的磨损而增大,为保证凹模磨损到一定程度仍能冲出合格零件,故落料凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小尺寸。

而落料凸模基本尺寸,则按凹模基本尺寸减最小初始间隙。

冲孔时,因工件光面的孔径与凸模尺寸相等(或基本一致),应先确定凸模尺寸,即以凸模尺寸为基准。

又因冲孔的尺寸会随凸模的磨损而减小,故冲孔凸模基本尺寸应取工件孔尺寸公差范围内的较小尺寸。

而冲孔凹模基本尺寸则按凸模基本尺寸加最小初始间隙。

在确定工作零件刃口尺寸计算方法之前,首先要考虑工件零件的加工方法及模具装配方法。

结合该模具的特点,工作零件的形状相对较简单,适宜釆用线切割机床分别加工落料凸模、凹模、凸模固定板以及卸料板,这种加工方法可以保证这些零件各个孔的同轴度,使装配工作简化。

因此工作零件刃口计算就按分开加工的方法来计算,如表4所示(参考文献[1]和文献[6]上面的标准公差数值的选定和凸模与凹模刃口尺寸的确定。

表4工作零件刃口尺寸的计算

尺寸及分类

尺寸转换

计算公式

结果

备注

落料

Ø55.5

Ø55.5

DA=(Dmax-XΔ)

DT=(DA-Zmin/2)

DA=55.25

查表2.3.3得冲裁双面间隙Zmax=0.16mm

Zmax=0.12mm未注公差均为IT13级精度制造,磨损系数X=0.5,凸凹模IT8级加工制造。

校核满δA+δT=(Zmax-Zmax)

DT=55.19

冲孔

Ø1.5

Ø1.5

dT=(dmin+XΔ)

dA=(dT+Zmin/2)0+δΤ

dT=1.57

dA=1.63

Ø3.5

Ø3.5

dT=3.59

dA=3.65

Ø7

Ø7

dT=7.11

dA=7.17

Ø5

Ø5

dT=5.09

dA=5.15

孔心距

Ø45

Ø45

LA=L

Δ/8

LA=45

R15

R15

LA=15

4.5卸料橡胶的设计

卸料橡胶的设计计算见表(5),选用的4块橡胶板的厚度务必一致,不然会造成受力不均匀,运动产生歪斜,影响模具的正常工作。

表(5)卸料橡胶的设计计算

项目

公式

结果

备注

卸料板工作行程h工

h工=h1+t+h2

6mm

h1为凸模进卸料板的高度1mm

橡胶工作行程H工

H工=h工+h修

8mm

h修为凸模修模量,取2mm

橡胶自由高度H自由

H自由=4H工

32mm

取H工为H自由的25%

橡胶的预压缩

量H预

H预=15%H自由

4.8mm

一般

H预=(10%~15%)H自由

每个橡胶承受的

裁荷F1

F1=F卸/4

2302.25N

选用4个圆筒形橡胶

橡胶的外径D

D=(d2+.27(F1/P))0.5

68mm

d为圆筒形橡胶的内径,取d=13mm

校核橡胶自由高度H自由

0.5

H自由/D=0.54

1.5

满足要求

P=0.5MPa

橡胶的安装高度H安

H安=H自由-H预

26.8mm

h2为凸模冲裁后进入凹模的深度3mm

 

5模具的总体设计

5.1模具类型的选择

由冲压工艺分析可知,釆用级进冲压,所以模具类型为级进模。

5.2定位方式的选择

因为该模具釆用的是条料,控制条料的送料方向釆用导料板,无侧压装置。

控制条料的送料的送进步距釆用挡料销初定距,导料销精定距,而第一件的冲压位置因为条料长度有一定的余量,可以靠操作工目测来定。

5.3卸料、出件方式的选择

因为工件料厚为2mm.,相对较薄,卸料力也比较小,故可弹性卸料,又是因为是级进模生产,所以釆用下出件比较便于操作与提高生产效率。

5.4导向方式的选择

为了提高模具寿命和工件质量,方便安装调整,该级进模釆用中间导柱的导向方式。

 

6主要零件的结构设计

6.1工作零件的结构设计

图4落料凸模

6.1.1落料凸模

凸模长度主要根据模具结构,并考虑修磨、操作安全、装配等的需要来确定。

当按冲模典型组合标准选用时,则可取标准长度,否则应该进行计算。

结合工件外形并考虑加工,将落料凸模设计成直通式,釆用线切割机床加工,2个M6的螺钉固定在垫板上,与凸模固定板的配合按H6/h5。

其中总长度可按公式计算求得:

L=h1+h2+t+h=(25+14+2+20)mm=61mm

L—————凸模长度。

(mm)h1—————凸模固定板厚度(mm)

h2—————卸料板厚度(mm)t—————板厚

h—————增加长度

它包括凸模的修模量,凸模进入凹模的深度(0.5~1mm)。

凸模固定板与卸料板之间的安全距离等,一般取10~20mm,具体结构可参见图4所示。

具体结构可参见图(4)所示。

6.1.2冲孔凸模

冲小孔凸模,所谓小孔,一般系指孔径d小于被冲板料的厚度可直径d<1mm的圆孔和面积A<1mm2的异形孔。

它大大超过了对一般冲孔零件的结构工艺性要求。

冲小孔的凸模强度和刚度差,容易弯曲和折弯,所以必须釆取措施提高它的强度和刚度,从而提高其使用寿命。

其方法有

①冲孔凸模加保护与导向。

②釆用短凸模的冲孔模。

③在冲模的其它结构设计与制造上釆取保护小凸模措施。

冲孔凸模加保护与导向有两种,即局部保护与导向和全长保护与导向。

它是利用弹压卸料板对凸模进行保护与导向。

因为所冲的孔均为圆形,又因为冲孔凸模比较,所以冲孔模釆用台阶式,一方面方便,另一方面又便于装配与更换。

其中Ø5的圆形凸模可选用标准件BII型式(尺寸为5.09×61)。

冲13个Ø3.5和一个Ø7的孔的凸模结构如图5所示:

图5冲孔凸模

在一般情况下,凸模的强度和刚度是足够的,没有必要进行校核。

但是当凸模的截面尺寸很小面冲裁的板料厚度较大或根据结构需要确定的凸模特别细长时,则应进行承压能力和抗纵弯曲能力的校核。

小孔Ø1.5

r冲孔凸模强度和刚度校核(d>1.3t不要校核)。

(参考文献[5]中的凸模的校核)

6.1.2.1凸模最小直径的校核

为使弹压卸料板加工方便,取凸模与卸料的双面间隙为0.15mm(不起导向作用)。

小凸模dp2纵向总压力P2Σ;

P2Σ=P2+Q1

冲裁力P2=1.3τLt=1.3τπdt

推件力Q1=nK1P2=1.3τπdtnK1

则P2Σ=1.3τπdt+1.3τπdtnK1=1.3τπdt(1+nK1)

根据公式

Fmax

=

则dmin=

=

=1.29mm

Dp2=dd2-Zmin=1.63-0.12=1.51mm

因dp2>1.29,所以凸模强度足够(取凹模洞口直径8,取

=300MPa。

6.1.2.2凸模最大自由长度的校核

P2Σ=1.3τπdt(1+nK1)

=1.3×300×3.14×1.51×2×(1+4×0.06)

=4585.88N

≈4586N

根据公式Lmax

普通压力机取K=1.0,卸料板不起导向作用时,取

=1、取E=3×105;最小惯性矩J=πd4/64

0.05d4

Lmax=

=12.92mm

由此可知,小凸模工作部分长度不能超过12.95mm,现取小凸模工作部分长度为12mm。

6.2凹模

在实际生产中,由于冲裁件的形状和尺寸千变万化,因而大量使用外形为圆形或矩形的凸模板,在其上面开设所需要的凹模洞口,用螺钉和销钉直接固定在支承件上,它与固定板、垫板和模座等配套使用。

凹模釆用螺钉和销钉定位时,要保证螺钉间、螺孔与销孔及螺孔、销孔与凹模刃口壁间的距离不能太近,否则会影响模具寿命。

凹模釆用整体凹模,各冲裁的凹模孔均釆用线切割机床加工,安排凹模在模架上的位置时,要依据计算压力中心的依据将压力中心与模柄中心重合。

其轮廓尺寸可按文献[1]公式2.9.3、2.9.4计算:

凹模厚度H=kb=0.3×59=17.7mm(查表2.9.5得k=0.3)

凹模壁厚c(1.5~2)H=26.55~35.4mm

取凹模厚度H=20mm,凹模壁厚C=35mm,

凹模宽度B=b+2c=(59+2×35)=129mm

凹模长度L取190mm(送料方向)

凹模轮廓尺寸为:

190×129×20mm,结构如图6所示。

图6落料凹模

6.3定位零件的设计

使用导正销的的目的是消除送进导向和送料定距或定位板等粗定位的误差,保证孔与外形相对位置公差的要求。

导正销主要用于级进模,也可用于单工序模。

导正销通常与挡料销配合使用,也可于侧刃配合使用。

为了使导正销工作可靠,避免折断,导正销的直径一般应大于2mm,即孔径小于2mm的孔不宜用导正销导正,但可另冲直径大于2mm的工艺孔进行导正。

导正销的头部由圆锥形的导入部分和圆柱形的导正部分组成。

导正部分的直径和高度尺寸及公差很重要。

导正销的基本尺寸可按下式计算:

d=dT—a

d—————导正销的基本尺寸;

dT—————冲孔凸模直径;

a—————导正销与冲孔凸模直径的差值;

导正销的圆柱部分直径按公差与配合标准h6~h9制造。

高度尺寸一般取(0.5~0.8)t(t为板料厚度)。

落料凸模下部设置两个导正销,分别借用工件上两个Ø3.54mm的孔作为导正孔。

Ø3.54mm导正孔的导正销的结构如图(7)所示。

导正应在卸料板压紧板料之前完成导正,考虑料厚和装配后卸料板下平面超出凸模端右1.5mm,所以导正销直线部分的长度为1.2mm。

导正销釆用H7/r6安装在落料凸模端面,导正销导正部分与导正孔釆用H7/h6配合。

(文献[10]导正销的选用)

图7导正销

起粗定距的活动挡料销、弹簧和螺栓选用标准件,规格为6×14。

(文献[10]中的挡料销和螺栓的选用)。

6.4导料板的设计

导料板一般设在条料两侧,其结构有两种:

一种是国家标准结构,它与卸料板分开制造;另一种是与卸料板制成整体的结构。

使条料顺利通过,两导料板间距离应等于条料最大宽度加上一个间隙值(见排样及条料宽度计算)。

导料板的高度H取决于挡料方式和板料厚度,以便于送料为原则。

导料板的内侧与条料接接触,外侧与凹模齐平,导料板与条料之间的间隙取0.5mm,这样就可以确定了导料板的宽度,导料板的厚度按文献[1]表2.9.7选择,取导料板的厚度为8mm。

(如图8所示)导料板釆用45号钢制作,热处理硬度为40~45HRC,用螺钉和销钉固定在凹模上,导料板的进料端安装有承料板。

图8导料板

6.5卸料部件的设计

6.5.1卸料

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