毕业设计-材料成型及控制工程

四川理工学院毕业设计说明书第1页共40页第1章前言冲压是通过模具对板材施加压力或拉力，使板材塑性成形，有时对板材施加剪切力而使板材分离，从而获得一定尺寸、形状和性能的一种零件加工方法。由于冲压加工经常在材料冷状态下进行，因此也称冷冲压。冲压加工的原材料一般为板材或带材，故也称板材冲压。根据通用的分类的方法，冲压工艺可以分成分离工序和成形工序两大类。分离是按一定轮廓线将工件与板料分开。分离工序分为冲裁、切断、切边和剖切。成形是在不破坏板料的条件下，通过塑性变形获得所要求的形状和尺寸精度。成形工序分为弯曲、卷圆、拉深、缩口和校形等。在普通冲裁中，材料都是从模具刃口处产生裂纹而剪切分离的。冲裁得到的工件剪切面上有塌角、断裂带和毛刺，并带有明显的锥度，断面粗糙度Ra值为12.5~6.3um，尺寸精度在IT11级以下。而精密冲裁是使材料呈纯剪切的形式进行冲裁。它是在普通冲裁的基础上，通过改进模具来提高制件的精度，改善断面质量，尺寸精度可达IT6~IT9级，断面粗糙度Ra值为1.6~0.4um，断面垂直度可达8930’或更佳，最小光亮面大于80%以上。自1932年德国人发明了精密冲裁工艺以来，由于其具有高效、精密、节能、少废料等特点，已广泛应用于仪器仪表、汽车、军工、航空等领域。1.1冷冲压模具在工业生产中的地位目前，工业生产中普遍采用模具成形工艺方法，以提高产品的生产率和质量。一般压力机加工，一台普通压力机设备每分钟可以生产零件几件到几十件，高速压力机的生产率已经到每分钟数百件甚至上千件。据不完全统计，飞机、汽车、拖拉机、电视、仪器、仪表等产品，有60﹪左右的零件是用模具加工出来的；而自行车、手表、洗衣机、电冰箱及电风扇等轻工产品，有90﹪左右的零件是用模具加工出来的；至于日用五金、餐具等物品的大批量生产基本上完全靠模具来进行。现而易见，模具作为一种专用的工艺装备，在生产中的决定性作用和重要地位逐渐为人们所共识。1.2冲压工艺的发展现状近几年，冲压成形工艺有很多新的发展，特别是精密冲裁、精密成形、精密剪第1章前言第2页共40页切、复合材料成形、超塑性成形、软模成形以及电磁成形等工艺日新月异，冲压件的成形精度日趋精确，生产率也有极大的提高，正在把冲压加工提高到高品质的、新的发展水平。前几年的精密冲压主要是对平板零件进行精密冲裁，而现在，除了精密冲裁外还兼有精密弯曲、精密拉深、压印等，可以进行复杂零件的立体精密成形。过去的精密冲裁只能对厚度为5~8mm以下的中板或薄板进行加工，而现在可以对厚度为25mm的厚板实现精密冲裁，并可对b900MPa的高强度合金材料进行精冲。1.3模具CAD/CAM的发展趋势从20世纪70年代中期至今，计算机逐渐进入模具生产的设计、制造、管理等各个领域；辅助进行零件图纸输入、毛坯展开、条料排样、确定模座尺寸和标准、绘制装配图和零件图、输入NC程序（用于数控加工中心和线切割编程）等工作，使得模具设计、加工精度与复杂性不断提高，模具制造周期不断缩短。当前国际上计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的发展趋势是：继续发展几何图形系统，以满足复杂零件和模具的要求；在CAD和CAM的基础上建立生产集成系统（CIMS）；开展塑性成形模拟技术（包括物理模拟和数学模拟）的研究，以提高工艺分析和模具CAD的理论水平和实用性；开发智能数据库和分布数据库，发展专家系统和智能CAD等。四川理工学院毕业设计说明书第3页共40页第2章零件工艺性分析如图2-1所示精密垫片，生产批量为小批量，材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti，强度大，抗拉强度b=650MPa，具有良好的冷加工工艺性。图2-1精密垫片从零件的形状来看,该冲压件的结构简单且对称，是规则的几何形状。由文献[1]图2-48求最小孔径dmin查得该垫片材料可以精冲的最小孔径为0.7mm,小于垫片的内孔尺寸2mm。因此，该精冲件的结构工艺性较好。从零件的尺寸精度来看，外圆的基本尺寸为4mm，公差为0.018mm，由文献[4]附录表1标准公差数值查得该外圆为IT8级精度。2mm内孔与4mm外圆有很高的同轴度要求（同轴度0.025mm），冲裁断面与零件两大面有垂直度要求，普通冲压不能达到要求。从工序的角度看，有冲孔和落料两个工序，断面粗糙度Ra3.2um，属于光洁冲裁范畴。总体上看，该零件的冲压加工性不好，难度较大，对模具的设计、选材和制造要求都较高。第3章工艺方案的制定第4页共40页第3章工艺方案的制定该精密垫片需要冲孔和落料两个冲压基本工序，有这两个工序可以排出以下三种方案：方案一：先落料，再冲孔，采用单工序模生产；方案二：落料—冲孔复合冲压，采用复合模生产；方案三：冲孔—落料连续冲压，采用级进模生产。分析比较上述三种方案，可以看出：方案一中，单工序模具结构简单，制造费用低，适合小批量生产，但是该冲压件的尺寸很小，采用单工序模生产时送料不方便。另外，该冲压件有精度要求，为避免多次冲压生产的定位误差大，也不宜采用单工序模生产。方案三中，工序间自动送料，可以自动排除制件，生产效率高，手不需伸入模具工作区，比较安全，但是由于该零件内外形同轴度要求高度（同轴度0.025mm），若采用级进模生产，存在步距定位误差，凸、凹模加工及装配误差，因此同轴度很难达到要求。方案二没有上述缺点，但是模具结构复杂，制造较困难，成本高，不过复合模具结构紧凑，冲出的制件精度较高，生产率也高，适合大批量生产，特别是内孔与外圆的同轴度容易保证。因此决定采用精冲复合结构，这样既保证了落料与冲孔的同轴度，又避免了由于零件外形尺寸大小而带来的而次定位困难，同时，采用复合模使零件的排样设计更加灵活，还可以将小凸模的保护套与推件板合为一体。四川理工学院毕业设计说明书第5页共40页第4章模具结构的确定按照落料凹模安装的位置，复合模可以分为正装复合模和倒装复合模。其中，正装复合模冲裁时的冲孔废料由上模向下推出，孔的废料落在下模表面，需要及时清除，操作不方便，且不太安全。在冲裁过程中，板料被凸凹模与下模的弹性顶件器压紧，故冲出的制件较平整，尺寸精度也高，适合薄料冲裁。同时，凸凹模的孔内不容易积聚冲孔废料，可以减小孔内废料的胀力，有利于减小凸凹模的最小壁厚。倒装复合模工作时所产生的冲孔废料直接由下模部分漏出，而制件被嵌在上模部分落料凹模内，回程时由刚性推件装置将制件推下，比较容易引出模外，故操作比正装复合模方便，且安全。经过对正、倒装复合模结构的分析比较，由于该垫片是精密制件，冲2mm内孔需要反顶力，以保证零件表面光滑平整、质量好，所以决定采用倒装复合模结构及弹性卸料方式。采用倒装复合模生产时，精冲工艺过程如图4-1：图4-1精冲过程图中1—凸模2—顶出器3—凹模4—材料5—反推杆6—齿圈压板7—凸凹模图a为材料送进模具；图b为模具闭合，材料被齿圈、凸模、凹模、顶出器、反推杆、凸凹模压紧；图c为材料在受压状态下被冲裁；图d为冲裁结束，模具开启；图e为齿圈压板卸下废料，并向前送料；图f为顶出器顶出零件，并排走零件。第5章工艺计算第6页共40页第5章工艺计算5.1排样、搭边和条料宽度的计算5.1.1排样设计冲裁件在板、条等材料上的布置方法称为排样。排样的合理与否，会影响到材料的经济利用率，还会影响到模具结构、生产率、制件质量、生产操作方便与安全等。排样的目的是为了画出正确的模具排样图。一个较佳的排样方案必须兼顾冲压件的公差等级、冲压件的生产批量、模具结构和材料利用率等方面的因素。根据材料的利用情况，排样的方法可以分为三种：有废料排样，少废料排样和无废料排样。其中，有废料排样法的材料利用率较低，但制件的质量和冲模寿命较高，常用于工件形状复杂、精度要求较高的排样。本工件的4mm外圆为IT8级精度，精度要求高，因此，决定采用直排有废料的排样方式。排样图如图5-1所示：图5-1排样图中B—条料宽度；b—两工件间的搭边；A—进距；a—工件与条料边缘间的搭边。5.1.2搭边值的选取排样中相邻两工件之间的余料或工件与条料边缘间的余料称为搭边。大的搭边值有利于提高精冲的断面质量，但材料利用率低，不经济。因此，在选择搭边值时，应在满足冲切断面质量的条件下尽可能选取最小值。精冲由于采用了V形环压边，所以搭边的宽度比普通冲裁大。搭边值的选择主要根据零件材料的厚度来定。本精四川理工学院毕业设计说明书第7页共40页密垫片的材料厚度t=0.4mm，由文献[1]表2-29精冲搭边数值查得：两工件间的搭边为：a=1.5mm；工件与条料边缘间的搭边为：a1=1.5mm。5.1.3条料宽度的确定条料宽度的确定原则是：最小条料宽度要保证冲裁冲裁时工件周边有足够的搭边值。同侧导料销定位的条料宽度B如图5-2所示：图5-2同侧导料销定位的条料宽度其计算公式参考文献[5]2.6式为：B=D+2a（5-1）式中B——条料宽度的基本尺寸（mm）；D——垂直送料方向的零件尺寸（mm）；a——工件与条料边缘间的搭边（mm）。故条料宽度为：B=D+2a=4mm+21.5mm=7mm进距是指条料在模具上每次送进的距离。它是决定挡料销位置的依据。每次只冲一个零件的进距h的计算公式为：h=B+a（5-2）式中B——平行于送料方向工件的宽度（mm）；第5章工艺计算第8页共40页a——冲件之间的搭边值（mm）。故进距为：h=B+a=4mm+1.5mm=5.5mm5.2材料利用率的计算材料利用率是衡量排样经济性和合理性的指标。其计算公式如下：一个进距内的材料利用率为：=bhnA100%（5-3）式中A——冲裁件面积（包括冲出的小孔在内）（mm2）；n——一个进距内冲件数目；b——条料宽度（mm）；h——进距（mm）。冲裁件面积为：A=（R2-r2）=3.14(22-12)=9.42mm2故一个进距内的材料利用率为：=5.5742.91100%=24.47%由文献[6]表1-2冷扎钢板和钢带的规格（mm）选择12006000.4mm的钢板。一张板料上的总的材料利用率为：四川理工学院毕业设计说明书第9页共40页=BLNA100%（5-4）式中N——一张板料上冲件总数目；L——板材长度（mm）；B——板材宽度（mm）。横裁:条料数n1=bL=71200171（条）每条件数n2=haB=5.55.1600=108（件）总件数N=n1n2=171108=18468（件）板料利用率为：=BLNA100%=12006009.4218468100%=24.16%纵裁：条料数n1=bL=760085（条）每条件数n2=haL=5.55.11200=217（件）总件数N=n1n2=85217=18445（件）板料利用率为：第5章工艺计算第10页共40页=BLNA100%=12006009.4218445100%=24.13%比较以上计算的结果知：横裁的板料利用率比纵裁的板料利用率高，所以板料采用横裁的方式，一张板料上的总的材料利用率为24.16%。5.3齿圈压板设计齿圈是精冲的重要组成部分，其作用是冲裁前先压住材料，防止剪切区以外的材料在剪切过程中随凸模流动，使材料在冲裁过程中始终保持和冲裁方向垂直而不翘起。常用的形式为尖状齿形圈（或称V形圈）。齿圈的齿形如图5-3所示：图5-3齿圈的齿形图中h—齿圈齿高a—齿圈齿宽齿圈的分布根据加工零件的形状和要求考虑，因为本精密垫片形状简单，所以齿圈做成和工件的外形相同。由于垫片的材料厚度只有0.4mm，因此只需在齿圈压板上设置单面齿圈。齿圈齿形的尺寸取决于材料厚度和材料抗拉强度。由文献[1]表2-28单面齿圈齿形尺寸查得：齿圈齿高为：h=0.08mm,齿圈齿宽为：四川理工学院毕业设计说明书第11页共40页a=0.25mm。5.4精冲压力的计算根据精密冲裁的变形机理，实现精密冲裁需提供3种力的作用，即使材料分离的剪切力，实现压料的压边力，反顶工件的反顶力，这3种力一般不是同时产生的，而是通过压力机的协调动作，按先后动作顺序交替产生的。冲裁结束后，卸料力将废料