52端盖冲压成形工艺及模具设计

1.绪论目前，我国冲压技术与工业发达国家相比还相当的落后，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。1.1国内模具的现状和发展趋势1.1.1国内模具的现状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。1.1.2国内模具的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；10）开发新的成形工艺和模具。 1.2 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. 落料冲孔拉深复合模2.1冲压工件的工艺分析图一工件名称：端盖生产批量：批量材料：20钢厚度：1.5mm对固定套翻边件进行分析可知， 30F处有内孔翻边成形，翻边前应预冲孔， 41F是圆筒件拉深件直径，经计算可一次拉深成形。工序安排为落料，拉深,冲孔，翻边等该工件。2.2工艺方案确定该零件所需的基本冲压工序为落料、冲孔、拉深、翻边。可拟订出以下三种工艺方案。方案一：用简单模分四次加工，即落料——拉深——冲孔——翻边。方案二：落料拉深冲孔复合模，再翻边。方案三：落料冲孔级进模，再拉深，再翻边。采用方案一，生产率低，工件的累计误差大，操作不方便，由于该工件为中批量生产，方案二和方案三更具有优越性。但复合模模具的行位精度和尺寸精度容易保证，且生产率也高。尽管模具结构比较复杂但由于零件的几何形状简单对称，模具制造并不困难。级进模虽生产率也高，但零件的冲裁精度稍差。欲保证冲压件的行位精度，需要在模具上设置导正销导正，故模具制造、安装较复合模复杂。通过对上述三种方按的分析比较，该零件采用方案二最佳。故应采用两副模具来完成。第一副模具为落料拉深冲孔复合模，第二副模具为单工序翻边模。2.3必要的工艺计算2.3.1毛坯尺寸计算由最终制件从翻边算起，毛坯的预冲孔直径计算。由文献[7]公式可知() t r H D d o 72 . 0 43 . 0 2---= =325mm 根据等面积原则，用解析法求该零件的毛坯直径。首先将零件分为圆、圆环两个简单的几何体。= 1 A π 64 . 552 ) 3 7 )( 5 . 1 2 41 (=-´+mm2[] 2 2 r 8 r 2 d r 2 4 /+-=）（ππ A =243.85mm 2 A3 =π/4 2 ) 3 2 43 (´-=1074.66mm 2 A4=π 2 0 ) 2 ( d =307.75mm 2 A5=A3­A4 =766.91mm 2 则毛坯展开尺寸= D mm A A A 447 ) ( 4 5 2 1»++p查表得拉伸的修边余量 mm h 0 . 2=D则毛坯的直径 mm mm mm D 474 0 . 1 2 7 . 44=´+=。2.3.2排样该工件排样根据落料工序设计。考虑操作方便及模具结构简单，故采用单排排样设计。由表查得搭边值 mm a 0 . 1 1= mm a 2 . 1=采用双排挡料销挡料。则：条料宽 mm a mm b 7 . 48 2 7 . 46=+=，条料的进距 mm a s 9 . 47 7 . 46 1=+=。则冲裁单件材料的利用率可按下式计算，即 % 100´= bs nAh式中 A—一个冲裁件的面积， 2 mm ； n—一个进距内的冲裁件数量； b—条料宽度， mm； s—进距， mm。得： % 100 9 . 47 7 . 48 ) 2 / 7 . 46 ( % 100 2´´=´=ph bs nA % 4 . 73=设计模具时，条料的排样很重要。分析零件形状可知，确定排样方案：条料从右至左送进，落料凸模的冲压力比较均匀，零件形状精度容易保证。条料的排样如图2所示排样图图22.3.3计算工序压力1.落料力的计算t klt F=落式中落 F —落料力； L—冲裁件剪切周边长度 mm； t—冲裁件材料厚度 mm；t—被冲材料的抗剪强度 MPa； K—系数，一般取 3 . 1 。落料力为：t klt F=落=π 400 5 . 1 44´´´=82.9KN2.冲孔力的计算t Lt F 3 . 1=冲式中 L——工件内轮廓周长（ mm）则 KN N F 37 . 36 300 5 . 1 8 . 19 14 . 3 3 . 1=´´´´=冲3.拉深力计算由于零件为浅拉深，可按有压边圈的圆筒形件近似计算。按下式计算： b dt k Fsp=拉式中拉 F ——拉深力（ N ）； a——拉深件直径， mm d 41=； t——材料厚度； bs——材料的强度极限（ MPa ）,查手册σb= MPa 400 ； k——修正因数。拉伸系数 93 . 0 7 . 46 41=== D d m 。查表得修正因数 50 . 0= k 则 KN F 03 . 40 400 5 . 1 5 . 42 14 . 3 50 . 0=´´´´=拉4.压边力的计算压边力用 AP F q=计算，式中： A——压边圈面积； P——单位压边力，由表查得 MPa P 6 . 2=; 2 2 2 89 . 186 ) 44 7 . 46 ( 4 mm A=-=π压边力则为 KN AP F q 380 . 0 2 89 . 186=´==5.卸料力的计算落卸卸 F K F´=式中卸 K ——卸料力系数；查手册知 05 . 0=卸 K 则卸料力为： KN KN F 2 . 4 9 . 82 05 . 0»´=卸6.推件力的计算：按式冲推推 F nK F=计算式中推 K ——推件力因数，查表得 05 . 0=推 K ； n——卡在凹模内的工件数，查[7]得n=3；则推件力为 KN KN F 5 . 12 9 . 82 05 . 0 3=´´=推故工序总力： KN KN F F F F F F F 67 . 176 5 . 12 37 . 36 4 . 0 03 . 40 2 . 4 9 . 82=+++++=+++++=推冲压拉卸落总2.3.4压力中心的确定由于该零件是中心对称图形,故压力中心位于零件轮廓图形的几何中心上。 2.4 模具总体结构设计2.4.1模具类型设计经分析,应采用复合模结构。2.4.2模具具体结构设计1.正倒装结构的确定根据上述分析，采用倒装复合模具可直接利用压力机的打杆装置进行推件，卸料可靠，便于操作。2.送料方式的确定因是大批量生产，采用手动送料方式。3.定位装置的确定因该制件采用的是倒装复合模，所以直接用挡料销和导料销即可。4.导向方式的选择为确保零件的质量及稳定性，选用导柱、导套导向。由于该零件导尺寸不大，且精度要求不是太高，所以宜采用后侧导柱模架。5.卸料、压料方式本模具采用倒装结构,卡于凸凹模上的废料可由卸料板推出,而冲孔废料则可以在下模座中开设通槽，使废料从孔洞中落下。顶件压边装置安装在下模妨碍了冲孔废料的排出。6.出件方式本模具采用倒装结构，工件留在落料凹模孔洞中，应在凹模孔设置推件块推出。2.5主要工作零部件设计由表2.4查得冲裁模刃口双面间隙 mm Z mm Z 24 . 0 , 132 . 0 m