压盖的拉深级进模模具设计

压盖的拉深级进模模具设计
1  引言
冲压加工是利用安装在压力机上的模具,对板料施加压力,使板料在模具里产生变形或分离,从而获得一定形状、尺寸和性能的产品零件的生产技术。由于冲压加工经常在常温状态下进行,因此也称冷冲压。冷冲压是金属压力加工方法之一,它是建立在金属塑性变形理论基础上的材料成形工程技术,冲压加工的原材料一般为板料,故也称板料冲压。
冲压生产靠模具和压力机完成加工过程,与其它加工方法相比,在技术和经济方面有如下特点;     
(1)冲压件的尺寸精度由模具来保证,所以质量稳定,互换性好。      
(2)由于利用模具加工,所以可获得其它加工方法所不能或难以制造的壁薄、重量轻、刚性好、表面质量高、形状复杂的零件。
(3)冲压加工一般不需要加热毛坯,也不像切削加工那样,大量切削金属 ,所以它不但节能,而且节约金属。
(4)对于普通压力机每分钟可生产几十件,而高速压力机每分钟可生产几百上千件。所以它是一种高效率的加工方法。      
由于冲压工艺具有上述突出的特点,因此在国民经济各个领域广泛应用。例如,航空航天、机械、电子信息、交通、兵器、日用电器等产业都有冲压加工。不但产业界广泛用到它,而且每一个人每天都直接与冲压产品发生联系。冲压可制造钟表及仪器的小零件,也可制造汽车、拖拉机的大型覆盖件。冲压材料可使用黑色金属、有色金属以及某些非金属材料冲压也存在一些缺点,主要表现在冲压加工时的噪声、振动两种公害。这些问题并不完全是冲压工艺模具本身带来的,而主要是由于传统的冲压设备落后所造的。随着科学技术的进步,这两种公害一定会得到解决。
1.1  冲压成型工艺发展方向和动向
随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展,冲压工艺和冲模技术也在不断地革新和发展。冲压加工技术在21世纪发展方向和动向,主要有以下几个方面:      
(1)工艺分析计算的现代化。冲压技术与现代数学、计算机技术联姻,对复杂曲面零件(像覆盖件)进行计算机模拟和有限元分析,达到预测某一工艺方案对零件成形的可能性与成形过程中将会发生的问题,供设计人员进行修改和选择。这种设计方法是将传统的经验设计升华为优化设计,缩短了模具设计与制造周期,节省了昂贵的模具试模费用等。      
(2)模具计算机辅助设计、制造与分析(CAD/CAM/CAE)的研究和应用,将极大地提高模具制造效率,提高模具的质量,使模具设计与制造技术实现CAD/CAE/CAM一体化。目前,模具设计与制造中常用的软件有Autocad、pro-E、MasterCAM、UG、Cimatron、DellCAM 、PressCAD、Mouldflow和Solidwork.     
(3)冲压生产的自动化。为了满足大量生产的需要,冲压生产已向自动化,无人化方向发展。现已经实现了利用高速冲床和多工位精密级进模实现单机自动,冲压的速度可达每分钟几百上千次。大型零件的生产已实现了多机联合生产线,从板料的送进到冲压加工,最后检验可全由计算机控制,极大地减轻了工人的劳动强度,提高了生产率。目前已逐渐向无人化生产形成的柔性冲压加工中心发展。      
(4)为适应市场经济需求,大批量与多品种小批量共存。发展适宜小于批量生产的各种简易模具、经济模具和标准化且容易变换的模具系统。    
(5)推广和发展冲压新工艺和新技术。如精密冲裁、液压拉深、电磁成形、超塑性成形等。  
(6)与材料科学结合,不断改进板料性能,以提高其成形能力和使用效果。
1.2  国内模具发展趋势
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;
1.3  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%。
2  零件介绍
2.1  工件图  

材料: Q195           厚度: 0.7mm
图1   制件图
首先,零件的外形为的椭圆,中间经过浅拉深成形、压印,中间冲圆形孔,两端凸缘各冲腰圆孔。零件材料为Q195,是一种碳素结构钢。屈服强度195MPA,具有高的塑性、韧性和焊接性能、良好的压力加工性能。主要的冲压工艺:冲导正孔、冲裁废料、压印、浅拉深成形、冲孔及落料。此工件的拉深部分形状满足拉深的工艺要求,可采用拉深工序加 工。而对于零件孔与外形结构和材料的性质都满足冲裁工艺的要求,所以零件的空结构与外形结构分别采用冲孔与落料的冲压工序完成。
由于本零件需要经过拉深,冲孔落料工序方可成形。首先应当对此零件进行冲裁和拉深的工艺性分析,冲裁工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性,所谓冲裁工艺性好是指能用普通的冲裁方法,在模具寿命和生产率较高,成本较低的条件下得到质量合格的冲裁件。因此,冲裁件的结构形状,尺寸大小,精度等级,材料及厚度应当符合冲裁工艺性要求。
冲裁件的结构工艺性要求是冲裁件的形状应力求简单,对称,有利于材料的合理利用。冲裁件的内形及外形的转角处要尽量避免尖角,应当用圆弧过渡,同时也应当尽量避免冲裁件上有过长的凸出悬臂和凹槽,如果有的话悬臂和凹槽的宽度也不宜过小,另外为了避免工件变形和保证模具的强度,孔边距和孔间距不能过小。
2.2  零件的工艺分析
根据制件的工艺分析,知道制件是个简单的圆筒形拉深件。所以它的工序有一 个:拉深。同时此工件有有三个孔,因此,本制件的工艺方案就是:拉深再冲孔和 落料三个基本的工序。
可以有以下三个工艺方案:  
方案一:先拉深,后冲孔最后落料。采用单工序模生产。
方案二:拉深—冲孔—落料复合冲压。采用复合模生产。
方案三:拉深—冲孔—落料级进进行冲压。采用级进模生产。  
方案一模具结构简单,但是需要三道工序三副模具,成本高而生产效率低,难以满足批量生产和低成本生产。方案二只需一副模具,工件的精度及生产效率都较高但是工件的最小壁厚 0.7mm 小于凸,凹模许用最小壁厚 3.2mm,模具强度较差,制造难度大,并且冲压后成品留在模具上,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。通过对上述三种方案的分析比较,该工件的冲压生产采用方案三为佳。
2.3  拉伸模具设计的设计思路
拉深是冲压基本工序之一,它是利用拉深模在压力机作用下,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。圆筒件是最典型的拉深件,其工作过程很简单就一个拉深,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。
2.4  确定是否压边
为了解决拉深过程中的起皱问题,在实际生产中的主要方法是在模具结构上采用压料装置。常用的压料装置分为刚性压料装置和弹性压料装置两种。是否采用压料装置看是否在拉深过程中可能放生起皱。实际生产中可以通过查表来判断拉深过程中是否会起皱和采用压料装置。
2.5  拉伸次数的确定
根据工件的外形分析可得工件需要两次拉伸,为了保证工件内形的要求,还需要进行一次整形,以便得要想要的尺寸。
2.6  冲压排样设计
2.6.1  排样方法
冲压件在条料和带料或板料上的布置方法叫排样。合理的排样是提高材料利用率和降低成本,保证冲压件质量及模具寿命的有效措施。冲压所产生的废料可以分为两类:一类是结构废料,是有冲压件的形状结构特点产生;另一类是有冲压件之间和冲压件与条料侧边之间的搭边,以及料头,料尾和边余料而产生的工艺性废料。要提高材料利用率,主要从减少工艺废料着手,可以通过设计合理的排样方案,选择合适的板料规格和合理的裁板法。
排样方法分为三种:1 有废料排样 2 少废料排样 3 无废料排样 本零件由于考虑到其结构的特点采用单排为了提高零件精度和模具寿命,采用有废料排样,但是材料利用率低。
排样设计原则
(1)在不影响凹模强度的情况下,工步数选得越少越好,尤其是公差要求较严的零件,排样是工步不宜太多,否则累积误差大,导致所冲制件的精度降低。
(2)为保证坯料送进的步距精度,必须设置导正销。在以后各工位中,在板料易于串动的部位设置3-5个导正销。导正销的位置尽可能设在废料中,这样可选用较大尺寸的导正销。
(3)在多工序级进模中,一般应把分离工序如冲孔、切口、切槽等安排在前面;接着安排弯曲,拉伸等成形工序;而对精度要求较高的拉深和弯曲件应在成形工序后安排整形工序,最后安排切断和落料工序。
(4)冲件在条料上的排样,应考虑冲压生产率,冲模耐用性、冲模结构是否简单和操作的方便及安全等。
(5)条料宽度的选择与在板料的排样应考虑选用条料宽度较大而步距较小的方案,可将板料切成条料,并减少冲制时间。
(6)在可能的情况下,要求产品的设计修正产品零件的结构形状和尺寸,减少和消除设计废料的形成,并可能采取少无废料的方式
2.6.2  进(步)距的确定    
进(步)距指冲压过程中条料每次向前送进的距离,步距的基本尺寸为排样时沿送进方向两相邻工位毛坯之间的最小距离值,该值取决于冲件的外形轮廓尺寸和两冲件间的搭边值及排样方式,级进模任何相邻两工位的距离都必须相等。步距的精度直接影响冲件精度。由于步距的误差,不仅影响分段切除余料,导致外形尺寸的误差,还影响冲件内、外形的相对位置。也就是说,步距精度愈高,冲件精度也愈高,但步距精度过高,模具制造也就愈困难。所以步距精度的确定必须根据冲件的具体情况而定。
2.6.3  塔边的确定
塔边的确定,排样时冲压件之间的以及冲压件与条料侧边之间留下的工艺性废料叫搭边。搭边的作用一是补偿定位误差和剪板误差,确保冲出合格的零件; 二增加条料刚度,方便条料送进,提高劳动生产率;同时,搭边还可以避免冲压时条料边缘的毛刺被拉入模具间隙,从而提高模具寿命。
搭边值的大小与下列因素有关 :
(1)材料的力学性能 硬材料的搭边值可小一些,软材料、脆材料的搭边值要大一些。
(2)零件的形状与尺寸 零件尺寸大或有尖角和突出等复杂开头时,搭边值应大一些。
(3)材料厚度 厚度大的材料搭边值取大一些。
(4)送料及挡料方式 手工送料时,有侧压板导向的搭边值可以小些。
2.6.4  条料宽度的确定
条料宽度指根据排样结果确定的毛坯所需条料宽度方向的最小尺寸,按下式计算:

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