笔记本散热器冲裁模具三维结构设计

笔记本散热器冲裁模具三维结构设计 摘要 计算机如今已是家喻户晓的应用工具，而便携式移动电脑更受广大学生和白领等阶层的青睐。由于移动电脑是方便移动的，因此便精简了不少机构，结构做得更加紧凑，电脑内部电子元器件的大量发热更加困难散开，因此散热是便携式移动电脑的一个老大难。选择便携式移动电脑的散热架作为零件来设计其模具更有深层意义。由于散热架的市场需求量大，又要满足用户易于携带的要求，因此选择冲压工艺更能满足设计性能。冲压是一种先进的少、无切屑加工方法，它具有生产率高、加工成本低、利用率高、制品尺寸精度稳定，易于达到产品结构轻量化、操作简单、容易实现机械化与自动化的一系列优点，在汽车、航空航天、仪器仪、家电、电子、通信、军工、玩具、日用品等产品的生产中得到了广泛应用。冲压模具在生活中应用如此广泛，但是，冲压模设计是一项比较繁杂的工程。冲压模设计的非化和工序繁多，导致了目前国内仍然采用传统的二维设计方式来完成精密复杂的冲压模设计，这便导致了设计时间长、出错率高、设计与加工无法顺利快速衔接等一系列问题。由于模具行业的竞争日趋激烈，要求模具的制造工期越来越短，这一局面势必将会被打破，三维冲压模设计软件的出现，正是顺应了目前的迫切需求，有效地弥补了传统的二维设计的不足。 关键词:笔记本散热器、冲压、模具、三维 1 Notebook Cooler Blanking Die Design of three-dimensional structure ABSTRACT As is now a well-known computer application tools, and portable mobile computer is more popular with the students and white-collar workers and other strata of all ages.Because the mobile computer is easy to move, so many organizations have streamlined the structure in a more compact, a large number of electronic components inside the computer more difficult to disperse heat, so heat is a problem for portable computers.Select the cooling rack portable computers to design the mold as the part is more profound meaning.Cooling rack because the market demand, but also to meet the requirements of the user easy to carry, so choose the stamping process to better meet the design performance.Less pressing is an advanced, non-chip processing methods, it has high productivity, low cost, high utilization of materials, products, dimensional accuracy and stability, easy to reach the product mix lightweight, simple operation, easy to implement a series of mechanization and automation Advantages in the automotive, aerospace, instrumentation, home appliances, electronics, communications, military, toys, daily necessities and other products widely used in production.Stamping die such a broad application in life, but, stamping die design is a more complicated project.Stamping die design and process non-standard variety, led to the current two-dimensional country is still using the traditional way to complete the sophisticated design of stamping die design, which has led to the design for a long time, error rate, design and processing speed of convergence can not be successfully And other issues. As the mold industry is becoming more competitive, requiring more and more mold manufacturing period is short, the situation is bound to be broken, three-dimensional appearance of stamping die design software, is in line with the urgent needs of the present, make up the traditional Two-dimensional design deficiencies. :、、、StampingMoldNotebook Coolerthree-dimensional KEY WORDS 2 目 录 第1章 绪 论 ................................................ 1 1.1 课题的提出 .......................................................................................1 1.2 笔记本散热器冲裁模具的开发背景 .................................................1 1.3 本课题主要内容 ................................................................................1 1.3.1 设计 ...................................................................................1 1.3.2 压力机选型 ................................................................................2 1.3.3 尺寸计算 ...................................................................................2 1.3.4 排样设计 ...................................................................................2 1.3.5 三维绘图 ...................................................................................2 第2章 笔记本散热器的工艺性分析 .............................. 3 2.1 笔记本散热器的精度等级分析 ..........................................................3 2.2 笔记本散热器的形状分析 ..................................................................3 2.3 笔记本散热器的尺寸分析 ..................................................................4 第3章 确定冲裁的工艺方案 .................................... 5 第4章 选择模具的结构形式 ................................... 8 4.1 上下模的导向方式及其模架、模柄 ...................................................8 4.2 毛坯定位方式的确定 ..........................................................................8 4.2.1 送料方向的控制 ........................................................................8 4.2.2 送料步距的控制 ........................................................................9 4.3 卸料方式 .............................................................................................9 4.4 主要零部件的定位 ..............................................................................9 4.5 特殊结构的设计..................................................................................9 第5章 工艺计算 ............................................. 11 1 毛坯尺寸计算 ................................................................................... 11 5. 5.2 排样设计与计算................................................................................ 11 5.3 冲裁力的计算 ................................................................................... 13 5.3.1 落料冲裁力的计算 .................................................................. 14 5.3.2 冲孔冲裁力的计算 .................................................................. 14 3 5.3.3 弯曲力的计算 .......................................................................... 15 5.4 卸料力及推件力的计算 .................................................................... 16 5.5设备的选择 ........................................................................................ 17 5.6计算模具工作部分尺寸并确定其制造公差 ...................................... 18 5.6.1冲裁凸、凹模工作部分尺寸计算及其制造公差的确定 ......... 18 5.6.2弯曲模具工作部分尺寸计算及其制造公差的确定 ................. 24 5.7 弹簧的选用与计算 ............................................................................ 26 5.8 模具压力中心的设计 ........................................................................ 27 5.9主要零部件的强度验算 ..................................................................... 27 参 考 文 献 .................................................. 28 致 谢 .................................................. 30 4 第1章 绪 论 1.1 课题的提出 机械制造设计及自动化专业毕业设计是在我们学完大学全部课程后 ，并进行了金工实习和生产实习的基(包括全部考查课和考试课及专业课) 础上进行的一个教学重要环节。是对我们运用理论知识与实践相结合的一次全面考验，并检验我们四年来学习的效果，进一步巩固我们所学的知识，培养我们运用各种资料和分析问题，解决问题的实际工作能力。这是我们在走向社会工作之前对所学课程的最后一次深入和综合性的复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们的大学学习生活中占有很重要的地位。 该毕业设计题目来源于生产实际，属于工业设计，能够满足毕业设计的要求。笔记本散热器的市场量需求较大，并为轻薄易携带的材料，充分满足冲压的工艺性能，而且冲压件特别适合大批量生产。因此，选择冲压生产是经济适用的。 1.2 笔记本散热器冲裁模具的开发背景 计算机如今已是家喻户晓的应用工具，而便携式移动电脑更受广大学生和白领等阶层的青睐。据不完全统计，07级机械专业学生平均几乎人手一台。由于移动电脑是方便移动的，因此便精简了不少机构，结构做得更加紧凑，电脑内部电子元器件的大量发热更加困难散开，因此散热是便携式移动电脑的一个老大难。选择便携式移动电脑的散热架作为零件来设计其模具更有深层意义。由于散热架的市场需求量大，又要满足用户易于携带的要求，因此选择冲压工艺更能满足设计性能。目前市场有多种笔记本散热器，有铝合金锻造而成的，有钢材冲裁而成。为了降低生产成本，选择钢材冲压件更符合标准。 1.3 本课题主要内容 1.3.1 方案设计 零件与模具的选材:由于笔记本散热架要求重量较轻与刚度较好，因此选择A3钢材既能满足要求。而模具需要大批量生产，要求能有较好的耐磨度，因此选择合金工具钢Cr12既能满足要求。散热架的外形比较简单，通过落料便能得出外形轮廓，风扇孔和通风孔利用冲孔工艺，固定螺栓孔 1 采用冲孔之后，还需对各边进行圆角处理，外形得经过几次弯曲才能最终 成型。 1.3.2 压力机选型 压力机是模具工作母机，通过零件材料，计算出冲裁力，再根据模具 的轮廓尺寸，选择合适的压力机。 1.3.3 尺寸计算 尺寸计算是笔记本散热架模具设计中的重要环节，根据散热架的各种 工艺尺寸，计算出相应凹、凸模具的尺寸。 1.3.4 排样设计 准确的排样设计能够提高材料的经济利用率，降低生产成本，根据计 算出的模具尺寸，合理的选择排样方法，为笔记本散热架的生产带来更高 的经济效益。 1.3.5 三维绘图 根据计算所得的模具各项尺寸，用Pro/ENGINEER绘出模具的三维零 件实体图。将各部分零件装配，模拟模具的加工过程。对加工过程中的各 种受力进行分析和校验。 2 第2章 笔记本散热器的工艺性分析 冲裁件的工艺分析是指冲裁件的结构、形状、尺寸等对冲裁工艺的适应性。在设计冲裁模之前，首先要对冲裁件的工艺性进行分析。所谓冲裁件的工艺性能好就是指:能用一般的冲裁方法，在模具寿命较高、生产率较高、成本较低的条件下得到质量合格的冲裁件。 冲裁件工艺性主要包括以下几个方面: 2.1 笔记本散热器的精度等级分析 冲裁件的精度一般可达IT12~IT10级，较高精度可达IT10~IT8，冲孔的精度比落料约高一级。 对笔记本散热器的工艺性进行分析，其外形尺寸409比较大，精度要求在IT8。其中需加工的最小尺寸为固定风扇的Φ3螺孔，其公差也在IT8，而且冲裁时是冲孔工序，更容易达到精度等级。因此，对于整个零件来说，所有精度等级均在IT10~IT8范围内，符合冲裁件加工的要求。 2.2 笔记本散热器的形状分析 冲裁件的形状应力求简单、对称、圆角过渡，以便于模具加工，减少热处理或冲压时在尖角处开裂的现象。同时也能防止尖角部位刃口的过快磨损。冲裁件的形状还应尽可能的避免过长的悬臂和切口，同时冲裁件的形状还应有利于排样时材料的经济利用。 笔记本散热器的展开形状为一块长方形铁板，在铁板上有冲的圆形、方形、圆弧状的孔，整体来说，形状较为简单。但是，为了能让用户使用方便，笔记本散热器还带有一定的斜度，需要加上弯曲工序。因此，完成整个零件的加工需要经过落料、冲孔、弯曲三个工序。零件的形状没有过长的悬臂和切口，外形也有利于排样时的经济利用。笔记本散热器的形状也符合冲裁件的加工要求，适合用冲裁加工。 3 2.3 笔记本散热器的尺寸分析 冲裁时，由于受到凸、凹模强度与模具结构的限制，冲裁件的最小尺寸有一定的限制。如冲孔的最小尺寸、孔距的最小尺寸、孔与边缘的最小边距、工件悬臂与窄槽的最小宽度等，都有一定的限制。 笔记本散热器最小冲孔尺寸为Φ3，而加工的孔的最小直径为d>1.5t,其中t为零件材料的厚度(选取1.2mm厚的A3钢板)，3>1.5*1.2=1.8,所以，冲孔满足要求，而每个孔之间的距离都相对比较大，也能满足要求，孔与边缘的边距也较大，能够满足要求。所以，笔记本散热器的尺寸也满足冲裁件的加工要求，适合用冲裁加工。 通过对笔记本散热器的工艺性进行分析，笔记本散热器满足冲裁件的工艺要求，适合用冲裁加工。 4 第3章 确定冲裁的工艺方案 确定工艺方案就是确定冲压件的工艺路线，主要包括冲压工序数、工序的组合和顺序等。 确定合理的冲裁工艺方案应在工艺分析的基础上，根据冲裁件的生产批量、尺寸精度的高低、尺寸大小、形状复杂程度、材料的厚薄、冲模制造条件与冲压设备条件等多方面因素，拟订出合理的工艺方案，其综合的经济技术效果应该最好。 确定工艺方案主要就是要确定用单工序模还是用连续模或复合模。对于模具设计来说，这是首先要确定的重要一步，属于总体设计的范畴。 表1列出了生产批量与模具类型的关系。 表2列出了连续模与复合模的性能比较。 下述两个表格从各个方面比较了各种工序组合方式的各自特点，在确定工艺方案时可供参考。 项目 生 产 批 量 单件 小批 中批 大批 大量 1~2 >2~20 >20~300 >300 大型件 <1 1~5 >5~50 >50~1000 >1000 中型件 >1~10 >10~100 >100~5000 >5000 小型件 单工序模 单工序模 单工序模 单工序模 硬质合金模具类型 组合模 组合模 连续模、复连续模、复连续模、 简易模 简易模 合模 合模 复合模、 半自动模 自动模 半自动模 表1 生产批量与模具类型的关系 5 项目 连续模 复合模 工件情况 尺寸精度 可达IT3~IT10 可达IT9~8 工件形状 可加工复杂零件，如宽度形状与尺寸要受模具 极小的异形件、特殊形件 结构与强度的限制 孔与外形的较差 较高 位置精度 工件平整性 较差，易弯曲 推板上落料，平整 工件尺寸 易较小零件 可加工较大零件 0.6~6mm 0.05~3mm 工件料厚 工艺性能 操作性能 方便 不方便，要手动卸料 安全性 比较安全 不太安全 生产率 可用高生产率高速压力机 不宜高速冲裁 条料宽度 要求严格 要求不严格 可利用边角余料 模具制造 形状简单的工件比复合模 形状复杂工件比连续容易 模容易 表2 连续模与复合模的性能比较 确定工艺方案的主要原则概括起来有以下三点: 1. 保证冲裁件质量 用复合模冲出的工件精度高于连续模，而连续模又高于单工序模。这是因为用单工序模冲压多工序的冲裁件时，要经过多次定位和变形，产生积累误差大，冲裁件精度较低。复合模是在同一位置一次冲出，不存在定位误差。因此，对于精度较高的冲裁件宜用复合工序进行冲裁。 2. 经济性原则 6 在保证质量的前提下，应尽可能降低成本，提高经济效益。所以，对于中大批量的冲裁件，应尽量采用高效率的多工序模，而在试制与小批量生产时应尽可能采用单工序模于各种形式的简易模具。 3. 安全性原则 工人操作是否方便、安全也是在确定工艺方案时要考虑的一个十分重要的问题。例如对于一些形状复杂、需要进行多道工序冲压的小型冲裁件，如果用单工序模进行冲裁，需用手钳放置毛坯，多次进出危险区域，很不安全。因此，对于这类冲裁件，有时即使批量不大，也采用比较安全的连 续模进行冲压。 从表1来看，笔记本散热器属于大型件，需要大量生产，则与条件相对应的的模具有硬质合金连续模、复合模、自动模;从表2来看，连续模的工艺性能和模具制造比复合模要更胜一筹，因此，选择连续模更能满足各项要求。但连续模在条料要求、孔与外形的位置精度、工件平整性等方面还不理想，在设计模具时需要更多的去考虑连续模性能不足的方面。设计大型压料装置，让模具提高工件的平整性，增加工人操作的安全系数。在生产率方面，应尽可能的提高冲裁速度，以使模具的效率充分发挥。设计的连续模应该完成落料、冲孔、弯曲等三个工序。 7 第4章 选择模具的结构形式 冲裁工艺方案已经确定，现需要确定模具各个部分的具体结构，包括上下模的导向方式及其模架的确定;毛坯定位方式的确定;卸料方式的确定;主要零部件的定位与固定方式以及其他特殊结构的设计等等。 在进行上述模具结构设计时，还应考虑凸模和凹模刃口磨损后修磨方便，易损坏的与易磨损的零件拆换方便，重量较大的模具应有方便的启运孔或钩环，模具结构要在各个细小的环节尽可能考虑到操作者的安全等。 4.1 上下模的导向方式及其模架、模柄 标准模架中，应用最广的是用导柱、导套作为导向装置的模架。因凹凸模设计的是左右两半部分，要求上模座能够给予左半部分行程空间，标准模架难以达到要求，故不采用标准模架，但为了考虑充分使用标准件原则，选择标准直滑动导套与导柱(相关尺寸由冲模设计手册中查得)作为导向装置，模架自主设计。而模架的形式采用中间导柱，因为两个导柱左、右对称分布，受力均衡，磨损后还能有较高的导向精度。 中小型模具都是通过模柄固定在压力机滑块上的。对于大型模具则可用螺钉、压板直接将上模座固定在滑块上。考虑到直接将上模座固定在压力机滑块上，不利于操作，因此，还是采用模柄固定在压力机滑块上。 4.2 毛坯定位方式的确定 冲模的定位零件用以控制条料的正确送进以及单个毛坯的正确位置。对于条料，所谓控制正确送进就是要控制送料方向及送料步距。 4.2.1 送料方向的控制 条料的送料方向一般都是靠着导料板或导料销一侧导向送进，以免送偏，用导料销控制送料方向是，一般要用两个，导料销的结构与挡料销相同。 8 这次采用导料销一侧导向送进方式送料，而只用一个导料销，用两个挡料块作为侧压装置，利用片弹簧的推力在一侧施加作用力来导料。 4.2.2 送料步距的控制 送料步距的是由挡料销控制的，在连续模中，还有侧刃和导正销共同作用来精确控制前后工序间的精确定位。 这次设计采用的是复合模，故不需要侧刃和导正销，只考虑利用挡料销在凹模的一侧挡料作为送料步距，利用作为侧压装置的挡料块控制步距。当压力机一次行程之后，毛坯微微向上抬起，当条料运动到上个工序落料后的边缘时，被挡料销挡住行程，继续冲裁。 4.3 卸料方式 卸料装置由刚性卸料装置和弹性卸料装置几种。刚性卸料装置常用于较硬、较厚且精度要求不太高的工件冲裁，其结构简单、卸料力大，卸料板与凸模之间的单边间隙取(0.1~0.5)t。弹性卸料装置一般由卸料板、弹性元件(弹簧或橡皮)和螺钉组成，常用于冲裁厚度小于1.5mm的板料，由于有压料作用，冲裁件平整，广泛用于复合模中，卸料板与凸模之间的单边间隙取(0.1~0.2)t。 这次设计采用的是复合模，因此选用弹性卸料装置。将卸料装置设计在下模座上，随凸模的压入下降，随凸模的上升顶出零件。 4.4 主要零部件的定位 模具的主要零部件包括上面的凹凸模、下面的凹模和凸模弯曲复合模。其中，凹凸模用6颗M10的螺栓固定在上模座上，凹模用4颗M10的螺钉固定在下模座上面，复合模用4颗M10的螺钉固定在凹模上面。这样装配，便于复合模磨损后的修磨，或者更换。 4.5 特殊结构的设计 9 将凹凸模设计为左右两半部分，左半部分凹凸模在推杆的作用力下可 以左右滑动，右半部分随着压力机滑块的上下进行冲压。 10 第5章 工艺计算 5.1 毛坯尺寸计算 根据被加工零件的实际尺寸，再加上各项磨损值与公差配合等，确定毛坯的尺寸。 弯曲件毛坯展开尺寸的计算，板料属于单角弯曲，弯曲角α=90º，可按照弯曲角等于90º时的展开长度近似计算，即公式: , L=0.5t×+l+ l 90:,90:21 式中 L-------弯曲角不等于90º的毛坯展开长度，[L]为mm; ,90:,90: α ---------弯曲件弯曲角; l，l-------弯曲件直边部分长度，[ l, l]为mm。 2211 计算: ,L= l+ l+(r+xt) 90:2012 材料厚度t=1.2，则r/t=8/1.2>4,《冲压工艺学》课本表3-1，得x=0.5. 0 ,L= l+ l+(r+xt) 90:2012 , =345+18+(8+0.5×1.2) 2 =376.502mm 弯曲角α为120 º时，毛坯的展开长度: ,L= L+l+ l 90:,90:90:21 =376.502×(120 º/90 º)+345+18 =409mm 5.2 排样设计与计算 5.2.1排样设计的分类 根据材料经济利用的程度，排样方法可分为: 1. 有废料排样方法 有废料排样方法是在冲裁件与冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间，都有工艺余料(称搭边)存在，冲裁是沿着冲裁件的封闭轮廓进行， 11 所以冲裁件质量较好，模具寿命较长，但材料利用率低。 2. 少废料排样 少废料排样方法是只有在冲裁件与冲裁件之间或只有在冲裁件与条料侧边之间留有搭边，而在冲裁件与条料侧边或在冲裁件与冲裁件之间无搭边存在。这种排样方法的冲裁只沿着冲裁件的部分外轮廓进行，材料利用率可达70%~90%。 3. 无废料排样方法 无废料排样方法是在冲裁件与冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间均无搭边存在。这种排样方法的冲裁件实际上是直接由切断调料获得，所以材料利用率可达85%~95%。 5.2.2排样设计计算: 1.搭边值的确定 查《冲压模具设计手册》确定搭边值:两件工件间的搭边:a=2.0mm。 1 2.送料步距的确定 送料步距S=D+ a=300+1.8mm=301.8mm，式中D为平行于送件方向1 的冲件宽度。 步距为301.8mm。 4. 条料宽度的确定 模具送料结构采用无侧压装置，因考虑在送料过程中条料摆动量会引起侧面搭边值减少，为了补偿侧面搭边减少，条料宽度应增加条料可能的摆动量。 0000条料宽度B=(D+2a+C)=(409+2×2+0.5)=413.5mm -0.1-0.1-,-, 式中 D-----条料宽度方向冲裁件最大尺寸 a-----侧搭边值 12 ?------条料宽度的单向负偏差，查《冲压模具设计手册》得?=0.1mm C-------导料板与最宽条料之间的间隙，其最小值查《冲压模具设计手册》得0.5mm。 选择条料规格为900mm×1800mm，综合这几种排样方法，再根据实际零件的尺寸，采用少废料排样方法综合效率比较高。排样方式如图: 图1 5.3 冲裁力的计算 在冲裁过程中，冲裁力的大小是不断变化的。冲裁力是指板料作用在凸模上的最大抗力，用板料作用在凸模上产生最大抗力而出现裂纹时的板料内剪切变形区的切应力作为材料的抗剪强度τ(Mpa)。 对于普通平刃口的冲裁，其冲裁力F可按下式计算: F=KLtτ 式中 F----冲裁力(N); K---冲裁件周长(mm); t----板料厚度(mm); τ--- 材料的抗剪强度(Mpa)，见《冷冲模设计》课本表2--3。 K---系数。是考虑到刃口钝化、间隙不均匀、材料力学性能与厚 度波动等因素而增加的安全系数。常取K=1.3。 在一般情况下，材料的σ?1.3τ，为计算方便，也可用下式计算冲裁b 13 力: F=Ltσb 5.3.1 落料冲裁力的计算 L=(300+409)×2=1418mm σ=450Mpa (《冷冲模设计》课本表2—3查得) b t取1.2mm。 F=1418×1.2×450=765720N=765.72KN 5.3.2 冲孔冲裁力的计算 首先计算安装风扇的圆弧部分的冲裁力: 3Cmm边切掉的圆弧长度为:，其中C为对应圆弧的周长，R为半34R 径。 3CR=6一圈所冲的圆弧长度:C-×4=π×12-3×π×12×4/(4×6)=18.84mm 4R 3CR=11一圈所冲的圆弧长度:C-×4=π×22-3×π×22×4/(4×11)4R =50.24mm 一块圆弧状的周长为:18.84+50.24+5×8=109.08mm 3CR=15一圈所冲的圆弧长度:C-×8=π×30-3×π×30×8/(4×15)4R =56.52mm 3CR=19一圈所冲的圆弧长度:C-×8=π×38-3×π×38×8/(4×19) 4R =81.64mm 一块圆弧状的周长为:56.52+81.64+4×16=202.16mm 3CR=22一圈所冲的圆弧长度:C-×8=π×44-3×π×44×8/(4×22)4R =100.48mm 14 3CR=27一圈所冲的圆弧长度:C-×8=π×54-3×π×54×8/(4×27) 4R =131.68mm 一块圆弧状的周长为:100.48+131.68+5×16=312.16mm 4个Φ3的孔的周长:C=π×3×4=37.68mm 两部分总的周长为:(312.16+37.68)×2=699.68mm 冲裁力F=699.68 ×1.2×450=377827.2N 其次，计算24个竖条的冲裁力: 单个周长: C=π×3+49×2=107.42mm 总周长为:107.42×24=2578.08mm 冲裁力F=2578.08 ×1.2×450=1392163.2N 再次，计算20个横条的周长: C=π×3+20×2=49.42mm 总周长为:49.42 ×20=988.4 冲裁力F=988.4 ×1.2×450=533736N 最后，计算4个Φ10的孔的周长:C=π×10×4=125.6mm 冲裁力F=125.6 ×1.2×450=67824N 总的冲裁力为F=377827.2+1392163.2+533736+67824=2371550.4N 总 =2371.55KN 5.3.3 弯曲力的计算 20.6Kbtσ b弯曲力的计算公式: F= 自r，t 式中: F-----冲压行程结束时的自由弯曲力(N); 自 K-------安全系数，一般取K=1.3; 15 b-------弯曲件的宽度(mm); t--------弯曲材料的厚度(mm); σ---材料的强度极限(MPa); b r-------弯曲件的内弯曲半径(mm)。 F=0.7×1.3×300×1.2×1.2×450/(8+1.2)=19228.7N 自 由此可以看见，总的冲裁力是比较大的，为了降低冲裁力，提高压力机的使用效率，采用阶梯冲裁的方式进行加工。弯曲工序最后完成。 5.4 卸料力及推件力的计算 一般情况下，冲裁件从板料切下以后，径向因弹性变形而扩张，板料上的孔则沿径向发生弹性收缩。同时，冲下的零件与余料还要力图恢复弹性穹弯。这两种恢复的结果，会使落料梗塞在凹模内，而冲裁后剩下的板料则箍紧在凹模上。因此，需要一个将板料和零件推卸掉的力，称为卸料力。根据冲裁力等参数，计算出推件力、顶件力和卸料力。为在模具上添加卸料装置做准备。将箍在凸模上的板料卸下所需的力称为卸料力F;从卸凹模内向下推出工件或废料所需的力称为推件F;从凹模内向上顶出工件推 或废料所需的力称为顶件F。 顶 F、F、F和冲件轮廓的形状、冲裁间隙、材料种类和厚度、润滑顶卸推 情况、凹模洞口形状等因素有关，在实际生产中常用以下经验公式计算: F=KF 卸卸 F= nKF 推推 F= KF 顶顶 式中 F----冲裁力; K---卸料力系数; 卸 K---推件力系数; 推 K---顶件力系数; 顶 n------陷在凹模内的冲件数(n=h/t); 16 h------凹模直壁洞口的高度。 料厚/mm K K K 顶卸推 ?0.1 0.06~0.09 0.1 0.14 >0.1~0.5 0.04~0.07 0.065 0.08 钢 >0.5~2.5 0.025~0.06 0.05 0.06 >2.5~6.5 0.02~0.05 0.045 0.05 >6.5 0.015~0.04 0.025 0.03 铝、铝合金 0.03~0.08 0.03~0.07 紫铜、黄铜 0.02~0.06 0.03~0.09 注:卸料力系数K在冲多孔、大搭边和轮廓复杂时取上限值。 卸 表3 卸料力、推件力和顶件力系数 压力机所需要的总压力计算: 采用弹压卸料装置和下出件模具时: F=F+ F+ F 总卸推 采用弹压卸料装置和上出件模具时: F=F+ F+ F 顶总卸 采用刚性卸料装置和下出件模具时: F=F + F 总推 这次采用弹压卸料装置和上出件模具，则: =F+ F+ F F顶总卸 =F+0.05F+0.06F =1.11F=1.11×2371.55 =2632.4205KN 5.5设备的选择 计算冲裁力的目的是为了合理的选用压床和设计模具。根据零件材料的厚度与抗剪切强度、冲裁周长计算冲裁力。为了减少冲裁力，可以把模具设计成为斜刃口，降低对冲压设备的要求。根据计算的冲裁力，合理的选择曲柄压力机。压床的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应冲裁的要 17 求。 根据计算的冲裁力，选择压力机型号为J31-250，其主要参数如下表: 压公公滑滑最装模导退工作台滑块底垫力称称块块大高度轨料尺寸面尺寸板机压压行行装调节间杆mm mm 厚型力力程程模量距行度号 kN 行m次高mm 离程m 程m 数 度mmm 前左前左 m次mm m m 后 右 后 右 m /mi n J3125010.315 20 490 200 900 19100850 9140 -250 4 550 00 0 0 0 表4 压力机主要参数 5.6计算模具工作部分尺寸并确定其制造公差 5.6.1冲裁凸、凹模工作部分尺寸计算及其制造公差的确定 模具工作部分尺寸设计的重要环节，他影响产品的形状、尺寸、精度、冲裁力等，所以模具工作部分尺寸设计是否合理，对解决加工过程中各方面的矛盾都带来直接的影响，起着决定性的作用。模具工作部分的尺寸设计主要包括以下几个方面: 尺寸计算原则: (1) 模具刃口尺寸精度是影响冲裁件尺寸精度的首要因素，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及其公差来保证。由此，在决定模具刃口尺寸及其制造公差时，需考虑下述原则: 落料制件尺寸由凹模尺寸决定，冲孔时孔的尺寸由凸模尺寸决定。 考虑到冲裁中凸、凹模的磨损，设计落料模时，凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小尺寸;设计冲孔模时，凸模基本尺寸应取工件孔的尺寸公差范围内的较大尺寸。 确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的精度要求。 (2) 尺寸计算方法: 18 由于模具加工和测量方法的不同，凹模与凸模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差的标注也不同，基本可以分为两类: 凸模与凹模分开加工 采用这种方法，要分别标注凸模和凹模的刃口尺寸与制造公差。其计算公式为: ，,凹落料: D=(D-x?) 0凹max0 D=(D-Z)=(D- x?- Z) -,凹minmaxmin凸凸0冲孔: d=(d+ x?) -,min凸凸，,凹 d=(d+ Z)=(d+ x?+Z) 凹0minminmin凸 式中:D、D-----分别为落料凹模和凸模的基本尺寸; 凹凸 d、d-------分别为冲孔凸模和凹模的基本尺寸; 凹凸 D-------落料件的最大极限尺寸; max d--------冲孔件的极小尺寸; min ? ------冲裁件的公差; x-------磨损系数，其值应在0.5~1之间，与冲裁件精度 有关。可直接按冲裁件的公差值由表3查取或按冲裁件的 公差等级选取: 当工件公差为IT10以上时，取x=1 当工件公差为IT13~IT11时，取x=0.75 当工件公差为IT14以下时，取x=0.5 δ、δ-------分别为凹模和凸模的制造偏差，凸模偏差取负凹凸 向(相当于基准轴的公差带位置)，凹模偏差取正向(相当于基准孔的公差带位置)。一般可按零件公差?的1/3~1/4来选取;对于简单形状(如圆形件、方形件等)，由于制造简单，精度容易保证，制造公差可按IT8~IT6级选取，或可查表6。 材料厚度 工 件 公 差? 1 ?0.16 0.17~0.35 ?0.36 <0.16 ?0.16 19 1~2 ?0.20 0.21~0.41 ?0.42 <0.20 ?0.20 2~4 ?0.24 0.25~0.49 ?0.50 <0.24 ?0.24 >4 ?0.30 0.31~0.59 ?0.60 <0.30 ?0.30 磨损系数 非圆形x值 圆形x值 1 0.75 0.5 0.75 0.5 表5磨损系数(mm) 公称尺寸 凸模偏差凹模偏差公称尺寸 凸模偏差凹模偏差 δ δ δ δ 凹凹凸凸 ?18 -0.020 +0.020 >180~260 -0.030 +0.045 >18~30 -0.020 +0.025 >260~360 -0.035 +0.050 >30~80 -0.020 +0.030 >360~500 -0.040 +0.060 >80~120 -0.025 +0.035 >500 -0.050 +0.070 >120~180 -0.030 +0.040 表6简单形状冲裁时凸、凹模的制造偏差(mm) 凸模与凹模配合加工 对于形状较复杂或料薄的工件，为了保证凸、凹模间一定的间隙值，必须采用配合加工。此方法是先做好其中的一件作为基准件，然后以此基准件为标准来加工另一件，使他们之间保持一定的间隙值。计算复杂形状的凸模和凹模工作部分的尺寸时，在一个凸模或凹模上会同时存在着三类不同性质的尺寸，需要区别对待。 第一类:凸模或凹模在磨损后会增大的尺寸; 第二类:凸模或凹模在磨损后会减小的尺寸; 第三类:凸模或凹模在磨损后基本不变的尺寸。 这三类尺寸有着不同的计算方法，对于落料凹模或冲孔凸模在磨损后 20 将会增大的第一类尺寸，相当于简单形状的落料凹模尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的确定方法分开加工的落料公式类同。 ，(1/4),第一类尺寸=(冲裁件上该尺寸的最大极限尺寸- x?) 0 对于冲孔凸模或落料凹模在磨损后将会减小的第二类尺寸，相当于简单形状的冲孔凸模尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的确定方法就与分开加工的冲孔公式类同。 0第二类尺寸=(冲裁件上该尺寸的最小极限尺寸+ x?) (-1/4), 对于凸模或凹模磨损后基本不变的的第三类尺寸不必考虑磨损的影响，凸模和凹模的基本尺寸就取冲裁件的中间尺寸，其公差取正负对称公布。 第三类尺寸=冲裁件上该尺寸的中间尺寸?(1/8)? 计算落料凸模和凹模工作部分的尺寸，采用凸模和凹模分别加工的方法进行计算。 ，,凹D=(D-x?) 0凹max0 D=(D-Z)=(D- x?- Z) -,凹minmaxmin凸凸 由《冷冲模设计》课本表3-3查得Z=0.126，Z=0.180. minmax 0计算第一个尺寸409，由表3、表4查得，磨损系数x=0.5，δ=+0.060、-0.5凹δ=-0.040. 凸 ，0.060，0.060 D=(409-0.5×0.5) =408.75mm 凹00 00 D=(409-0.5×0.5-0.126)=408.624mm -0.040-0.040凸 0计算第二个尺寸300，由表3、表4查得，磨损系数x=0.5，δ=+0.050、-0.5凹δ=-0.035 凸 ，0.050，0.050 D=(300-0.5×0.5) =299.75mm 凹00 00 D=(300-0.5×0.5-0.126)=299.624mm -0.035凸-0.035 计算冲竖条孔的凹凸模尺寸:需要凹凸模配合加工。由《冷冲模设计》 21 课本表3-3查得Z=0.126，Z=0.180.由表3查得磨损系数x=0.5。 minmax ，0.1，0.01其中，第二类尺寸有:R1.5,49。第三类尺寸有10?0.01,60?0.01。 00 ，0.100计算R1.5，d=(1.5+0.5×0.1)=1.55mm 0凸-0.025(-1/4)，0.1 ，0.0100计算49，d=(49+0.5×0.01)=49.05mm 凸(-1/4)，0.010-0.0025 计算10?0.01，d=10.005?(1/8)×0.01=10.005?0.00125mm 凸 计算60?0.01，d=60.005?(1/8)×0.01=60.005?0.00125mm 凸 冲孔凹模的基本尺寸与凸模相同，分别是R1.55、49.05、9.005、60.005。 但不必注公差，注明以0.126~0.180间隙与冲孔凸模配制。 计算冲安装风扇部分的弧形孔的凸模尺寸:需要凹凸模配合加工。由 《冷冲模设计》课本表3-3查得Z=0.126，Z=0.180.由表3查得磨损系minmax数x=0.5。 ，0.02，0.02，0.02，0.02、R19、R27、3;第二类尺其中，第一类尺寸有:R110000 ，0.02，0.02，0.02，0.02，0.02寸有:R6、R15、R22、Φ3;第三类尺寸:R35、160?0.01。 00000 ，0.02，(1/4)，0.02，0.005计算R11，d=(11.02-0.5×0.02)=11.01mm 凸000 ，0.02，(1/4)，0.02，0.005计算R19，d=(19.02-0.5×0.02)=19.01mm 凸000 ，0.02，(1/4)，0.02，0.005计算R27，d=(27.02-0.5×0.02)=27.01mm 凸000 ，0.02，(1/4)，0.02，0.005计算3，d=(3.02-0.5×0.02)=3.01mm 凸000 ，0.0200计算R6，d=(6+0.5×0.02)=6.01mm -0.005凸0(-1/4)，0.02 ，0.0200计算R15，d=(15+0.5×0.02)=15.01mm -0.005凸0(-1/4)，0.02 ，0.0200计算R22，d=(22+0.5×0.02)=22.01mm -0.005凸0(-1/4)，0.02 22 ，0.0200计算Φ3，d=(3+0.5×0.02)=3.01mm 凸-0.0050(-1/4)，0.02 ，0.02计算R35，d=35.01?(1/8)×0.02=35.01?0.0025mm 凸0 计算160?0.01，d=160.005?(1/8)×0.01=160.005?0.00125mm 凸 冲孔凹模的基本尺寸与凸模相同，分别是R11.01、R19.01、R27.01、3.01、R6.01、R15.01、R22.01、Φ3.01、R35.01、160.005。但不必注公差，注明以0.126~0.180间隙与冲孔凸模配制。 ，0.02计算4个工艺孔Φ10的凸模尺寸:需要凹凸模配合加工。由《冷冲0 模设计》课本表3-3查得Z=0.126，Z=0.180.由表3查得磨损系数x=0.5。 minmax ，0.02其中Φ10为第二类尺寸;186?0.01,255?0.02、75?0.02为第三类尺0 寸。 ，0.0200计算Φ10，d=(10+0.5×0.02)=10.01mm 凸-0.0050(-1/4)，0.02 计算186?0.01，d=186.005?(1/8)×0.01=186.005?0.00125mm 凸 计算255?0.02，d=255.01?(1/8)×0.02=255.01?0.0025mm 凸 计算75?0.02，d=75.01?(1/8)×0.02=75.01?0.0025mm 凸 冲孔凹模的基本尺寸与凸模相同，分别是Φ10.01、186.005、255.01、75.01。但不必注公差，注明以0.126~0.180间隙与冲孔凸模配制。 计算冲20个横条孔的凸模尺寸:需要凹凸模配合加工。由《冷冲模设计》课本表3-3查得Z=0.126，Z=0.180.由表3查得磨损系数x=0.5。 minmax ，0.02其中，第二类尺寸:R1.5、20?0.01;第三类尺寸:10?0.01、20?0.01。 0 0，0.020计算R1.5，d=(1.5+0.5×0.02)=1.51mm -0.005凸0(-1/4)，0.02 00计算20?0.01，d=(20+0.5×0.01)=20.005mm -0.005凸(-1/4)，0.02 23 计算10?0.01，d=10.005?(1/8)×0.01=10.005?0.00125mm 凸 计算20?0.01，d=20.005?(1/8)×0.01=20.005?0.00125mm 凸 冲孔凹模的基本尺寸与凸模相同，分别是R1.51、20.005、10.005、20.005。但不必注公差，注明以0.126~0.180间隙与冲孔凸模配制。 5.6.2弯曲模具工作部分尺寸计算及其制造公差的确定 弯曲凸模的圆角半径:当弯曲件的相对弯曲半径r/t较小时，凸模圆角半径等于弯曲件的弯曲半径，但必须大于最小弯曲圆角半径。若r/t小于最小相对弯曲半径，则可先弯成较大的圆角半径，再采用整形工序进行整形。若弯曲件的相对弯曲半径r/t较大，精度要求较高时，凸模圆角半径应根据回弹值作相应的修正。 弯曲凹模的圆角半径:凹模圆角半径r不能过小，否则弯矩的力臂减凹 小，毛坯沿凹模圆角滑进时阻力增大，从而增加弯曲力，并使毛坯表面擦伤。对称压弯件两边的凹模圆角半径r应一致，否则压弯时毛坯会产生偏凹 移。生产中，按材料的厚度决定凹模圆角半径: t?2mm r=(3~6)t 凹 t=2~4mm r=(2~3)t 凹 t>4mm r=2t 凹 选择的材料为A3，t=1.2mm。故r=(3~6)t，确定r=1.2×6=7.2mm。 凹凹 弯曲凸模和凹模之间的间隙:对于V形件，凸模和凹模之间的间隙是由调解压力机的装模高度来控制的。对于U形弯曲件，凸模和凹模之间的间隙值对弯曲件回弹、表面质量和弯曲力均有很大的影响。间隙愈大，回弹增大，工件的误差愈大;间隙过小，会使零件边部壁厚减薄，降低凹模 24 寿命。凸模和凹模单边间隙Z一般可按下式计算: Z=t+ct=t+?+ct max 式中 Z------弯曲模凸模和凹模的单边间隙; t-------材料厚度基本尺寸; ?-----材料厚度的上偏差; -10。 c------间隙系数，可查《冷冲模设计》课本表5当工件精度要求较高时，其间隙值应适当减小，取Z=t。 由此，Z=1.2+0.02+0.10×1.2=1.34mm 弯曲凸模和凹模宽度尺寸计算与工件尺寸的标注有关。一般原则是:工件标注外形尺寸，则模具以凹模为基准件，间隙取在凸模上。反之，工件标注内形尺寸，则模具以凸模为基准件，间隙取在凹模上。 当工件标注外形时，则: ，,凹 L=( Lmax-0.75?) 凹0 0 L=( L-2Z) -,凹凸凸 当工件标注内形时，则: 0 L=( Lmin+0.75?) -,凸凸 ，,凹 L=( L+2Z) 凹凸0 式中 Lmax-----弯曲件宽度的最大尺寸; Lmin------弯曲件宽度的最小尺寸; L--------凸模宽度; 凸 L--------凹模宽度; 凹 ?-------弯曲件宽度的尺寸公差; δ、δ------凸模和凹模的制造偏差，一般按IT9级选用。 凹凸 25 5.7 弹簧的选用与计算 弹性卸料与顶件装置中的弹性元件常使用弹簧与橡皮。在选用时都必须同时满足冲裁工艺(包括压力和行程)和冲模结构的要求。 螺旋弹簧的选用:这种弹簧已经标准化了，每个型号弹簧的主要技术参数是能承受的工作极限负荷F与其相对应的工作极限负荷下的变形量j L。设计模具时，根据所需的卸料力或推件力F以及所需的最大压缩行程jQ L来计算F与L，然后在标准中选用相应规格的弹簧。 jj0 选用的一般步骤如下: 1.根据模具结构与尺寸，确定可装置弹簧的数目n。 ‘2.计算每个弹簧的卸料或顶件载荷F= F/n。 QQ 3.计算卸料或顶件时所需的最大压缩行程(以卸料工作状态为例) L=h+t+ h+ h 0231 式中 h-----卸料板高出凸模端面的高度，一般为1mm; 1 h-----凸模进入凹模的深度，一般为0.5~1mm; 2 h------凸模的总修磨量，一般为4~10mm; 3 t-----冲裁件厚度(mm)。 4.计算弹簧工作时的总行程L; 总 ‘ L=L+L 0总 ‘‘ 式中的L极为产生F所需的弹簧预压缩量。L必须不大于弹簧许可Q总 ‘‘‘的L。H为弹簧产生预压缩量L(相应产生预压力F)时弹簧的高度，jQ ‘‘若弹簧的自由高度为H，则: H=H- L。 26 5.计算所需弹簧的工作极限负荷F与工作极限负荷下的变形量L。 jj ‘ F= F/K Qj L= L/(1-K) j0 6.根据求出F、L从标准选择弹簧型号。 jj 7.根据模具结构校核n个这样的弹簧是否可以安置，如不合适，再按上述步骤重选。 由此计算，则L=13.2mm 0 L=13.2/(1-0.6)=33mm j ‘ F= F/1=0.11F=0.11×2371.55=260.8705KN QQ ‘ F= F/K=260.8705/0.6=434.7841KN Qj 5.8 模具压力中心的设计 冲压力合力的作用点称为模具的压力中心。模具的压力中心必须通过模柄轴线而和压力机滑块的中心线重合。否则滑块就会受到偏心载荷而导致滑块导轨和模具的不正常磨损，降低模具寿命甚至损坏模具。压力中心的计算是采用空间平行力系的合力作用线的求解方法。在绘图时，可以利用Autocad面域的逻辑运算快速求解压力中心。 5.9主要零部件的强度验算 对最细部分的凸模进行强度校核计算，以保证凸模能够正常工作。最细的凸模为Φ3×35。 计算冲击载荷:所承受的最大作用力为冲孔时的冲裁力，计算冲裁力: F= Ltσ b 所承受的最大载荷为: 27 2 P=F/S=πd tσ/πr=2t/rσ=1.6σ<[σ] bbbs 符合材料的力学性能，满足要求。 参 考 文 献 [1] 丁松聚，冷冲模设计[M]，北京:机械工业出版社 ，2005 [2] 付宏生，冷冲压成型工艺与模具设计制造[M]，北京:化学工业出版社 ，2005 [3] 肖景容，姜奎华等，冲压工艺学[M]，北京:机械工业出版社，1999 [4] 周本凯，冷冲压模具优化设计与典型案例[M]，北京:机械工业出版社，2010 [5] 柯旭贵，先进冲压工艺与模具设计[M]，北京:高等教育出版社，2008 [6] 陈炎嗣，多工位级进模设计与制造[M]，北京:机械工业出版社，2006 [7] 林清安，Pro/E零件设计-基础篇(上、下)[M]，北京:北京大学出版社， 28 2000 [8] 李锦标，易铃棋，郭雪梅，精通Pro/Engineer野火版4.0产品模具设计[M]，北京:清华大学出版社，2009 [9] 中国模具设计大典编委会，中国模具设计大典[M]，江西:科学技术出版社 ，2003 [10] 《冲模设计手册》编写组，冲模设计手册[M]，北京:机械工业出版社，1999 [11] 郑家贤，冲压工艺与模具实用手册[M]，北京:机械工业出版社，2005 [12] 温莉敏，王贤才，王益民，王韬，许树勤等，间隙与精冲质量的关系研究[J]，模具工业，2010年第36卷第2期 [13] 吕耀峰，吴转萍等，上支座加强板的成形分析及冲孔模的三维设计[J]，模具制造，2010.8第109期 [14] 汪训煌，快换结构在精冲模中的应用[J]，模具制造，2010.8第109期 [15] 叶立渊，吴会龙，宛仕超，利用多种途径提高整车冲压件材料的利用率[J]，模具制造，2011.2第115期 [16] 喻晨曦，程云志，彭海滨，汽车散热主片冲压工艺与模具设计改进[J]，模具工业，2010第36卷第2期 [17] Xu Zi ming,Stamping process and design of progressive for rectangular parts with thin deep cylinder[J]， DIE AND MOULD TECHNOLOGY，NO.1 2011 [18] Xu Shan zhuang,Design of the Piercing Blanking Compound Die for the Chuck[J]，DIE AND MOULD MANUFACTURE，NO.11. 2010.Total Issue.NO.112 [19] [德]K.Stoeckhert/G.Menning 编著，任冬云等译 ，模具制造手册，北京:化学工业出版社，2003.1 29 致 谢 为期13周的毕业设计就要结束了，在这段时间里，我学到了很多东西，尤其在王建平老师的指导下完成了这一系列的设计过程，让我受益匪浅。这次毕业设计使我能综合运用大学四年的课程的基本理论, 并结合生产实际，最终完成设计。它是检验我四年来所学知识和应用能力的一面镜子，在这次设计中，暴露了我不少知识方面的欠缺，同时也增强了我改正他们的信心，为以后的工作打下了良好的基础。再次，衷心的感谢指导老师给予我的帮助，各位同学的支持。另外，由于自己水平有限，设计中存在不少问题，希望各位老师给予指正。 30