汽车离合器冲压工艺及模具设计.doc

济南大学毕业设计1 前言随着近代工业的发展，各个行业的产品中60至80的零部件都要依靠模具成型。用模具成型的制件所表现出来的优点是其他加工制造方法所无法比拟的。经历了金融危机之后，模具工业呈现新发展特点与趋势，结构调整等方面取得了不少成绩，信息社会经济全球化不断发展进程，模具行业发展趋势主要模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方面发展。伴随着产品技术含量不断提高，模具生产向着信息化、数字化、无图化、精细化、自动化方面发展；模具企业向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展。 当今世界正进行着新一轮的产业调整一些模具制造逐渐向发展中国家转移，中国正成为世界模具大国。近年来，外资对我国模具行业投入量增大，工业发达国家将模具向我国转移的趋势进一步明朗化。但与国民经济需求和世界先进水平相比，我国模具差距仍很大，一些大型、精密、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竞争激烈，所以我国一般技术水平的模具消费已经相对饱和。 一是进口模具大部分是技术含量高的大型精密模具，而出口模具大部分是技术含量较低的中低档模具，因此技术含量高的中高档模具市场满足率低于冲压模具总体满足率，这些模具的发展已滞后于冲压件生产，而技术含量低的中低档模具市场满足率要高于冲压模具市场总体满足率；二是由于我国的模具价格要比国际市场低格低许多，具有一定的竞争力，因此其在国际市场的前景看好。这决定了我国模具行业还是大有可为的。从起步到现在，我国模具工业已经走过了半个多世纪。从 20世纪以来，我国就开始重视模具行业的发展，提出政府要支持模具行业的发展。从产品水平上来说，为B级及以下档次轿车及其他乘用车商用车等配套全套汽车模具，为电子行业配套精度达2m，寿命达2亿次以上精密高速多工位级进模，单套模具重量超过100吨巨型模具，长达6米大型多工位级进模具，表面粗糙度达到 Ra1.5m的精冲模，大尺寸（300mm）精冲模及中厚板精冲模，导光板模具、光盘模具、生物芯片模具等许多高水平模具己都能生产。计算机技术、信息技术等先进技术在模具技术中得到广泛的应用，是模具设计与制造水平发生了深刻的革命性的变化。目前最为突出的是模具CAD/CAE/CAM。这些技术显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量，已成为人们的共识。在这方面，国际上有许多应用成熟的计算机软件，我国不但能消化、应用国外的有关软件，少数单位还能自行开发或正在开发模具CAD/CAE/CAM软件。在一些行业，如汽车行业的主要模具行业，实现了模具CAD/CAE/CAM一体化。尽管其总体水平与国际上的还有差距，但它代表了我国模具技术行业的发展成果与发展方向。为了提高冲压模具的寿命，模具表面的各种强化超硬处理等技术也是发展重点。对于模具数字化制造、系统集成、逆向工程、快速原型/模具制造及计算机辅助应用技术等方面形成全方位解决方案，提供模具开发与工程服务，全面提高企业水平和模具质量，这更是冲压模具技术发展的重点。经过“十一五”努力，我国模具水平以达到进入亚洲先进水平的行列，再经过两个五年计划，2020年时基本达到国际水平，使我国不但成为模具生产大国，而且进入世界模具生产制造强国之列。2 工艺方案的制定图2.1为汽车离合器的零件的冲压件，材料为Q235钢板，厚度3mm，属于大量生产，要求编制冲压工艺方案。图2.1 零件实体图及各部分尺寸2.1 冲压件的工艺分析该零件为汽车离合器配件，材料较厚。零件外形对称，无尖角、凹陷或其他形状突变，表面不允许有折皱及折痕等缺陷，系典型的板料冲压件。零件外形尺寸无公差要求，壁部圆角半径r12。通过上述工艺分析，可以看出该零件为普通的拉深冲孔件，毛坯料为圆形，先拉深后冲孔，尺寸精度要求不高，主要是轮廓成形问题，有属于大量生产，一次可以用冲压方法生产。2.2 确定工艺方案2.2.1 计算毛坯尺寸工件的主要成形工序有落料、拉深、冲孔，旋转体零件采用圆形毛坯，其直径按面积相等的原则计算（不考虑板料的厚度变化），计算毛坯尺寸时，现将零件划分为若干便于计算的简单几何体，分别求出面积后相加。得零件总面积，则毛坯直径为： （2-1）即 D= （2-2）式中 D 平面毛坯直径（mm）； d 拉深后的圆筒直径（mm），d=197mm； r 圆角半径（mm），r=12mm； h 拉深高度（mm），h=h+h，h=2mm，h=48.5mm，h修边余量；毛坯尺寸为：D = =273(mm)所以，该汽车离合器配件的毛坯直径为273mm。2.2.2 确定排样方式和计算材料利用率图2.2毛坯形状和尺寸较大，为便于手工送料，选用单排冲压。工件沿边搭边a=4mm,工件间搭边a1=4mm,排样图如图2.3所示图2.2 毛坯落料图图2.3 排样图一个进距的材料利用率 （2-3）式中 A 冲裁件的面积，A=r2； n 一个进距内冲裁件数目； b 条料宽度； h 进距；所以， =75.16%2.2.3 冲压工序性质和工序次数的选择冲压该零件，需要的基本工序和次数有：（1） 落料；（2） 拉深；（3） 冲孔；（4） 修边。2.2.4 工序组合及其方案比较根据以上这些工序，可以作出下列各种组合方案。方案一：按照基本工序顺序：落料拉深修边冲孔方案二：按照基本工序：落料冲孔拉深修边方案三：将落料、拉深复合，按照基本工序：落料、拉深复合修边冲孔对以上三种方案进行比较，可以看出：方案一：按照基本工序排列的冲压工艺每步工序都只使用简单模具，结构简单，制造周期短，价格较低，适合中小批量生产；从生产效率、模具结构和寿命方面考虑，将落料、拉深和冲孔在三套模具上冲压，有利于降低冲裁力和提高模具寿命。但是由于工序较多，操作不方便，零件的尺寸不易控制，又增加了模具数量，依照零件的批量要求来看，单工序模不合适。方案二：与方案一比较，冲孔后在再拉深容易使孔变形，不能保证零件形状，影响产品质量。方案三：将落料、拉深复合，实现两道工序在一副模具上完成，减少了工序数和模具数，降低模具的费用和零件的生产费用，冲压出的工件质量较高，符合零件大批量的要求，提高了经济效益，降低了生产成本。通过上述对三种方案的分析，最终选用方案三：落料、拉深复合修边冲孔。其基本工序为：（1）第一步工序：落料、拉深复合，工件如图2.4。 图2.4 落料、拉深工件图（2）第二步工序：修边，工件如图2.5。 图2.5 修边工件图（3）第三步工序：冲孔，工件如图2.6。图2.6 冲孔工件图2.3 计算工序冲压力和选择冲压设备计算冲裁力的目的是为了合理地选用压力机和设计模具。压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应于冲裁要求。2.3.1 第一道工序落料拉深（1）落料力的计算 （2-4）式中 L冲裁件周长（mm）,L=； t 材料的厚度（mm），t=3mm； 材料抗剪强度（MPa）。选择设备吨位时，考虑刃口磨损和材料厚度及力学性能波动等因素，实际冲裁力可能增大，所以应取 （2-5）式中 材料抗拉强度，(Mpa); Q235 =375460Mpa，取；所以 1080.10（KN）（2）拉深力的计算首先确定工件的拉伸次数：工件总的拉深系数： （2-6）式中 d 拉深后圆筒直径，（mm）； D 毛坯直径，（mm）；所以 =0.72毛坯的相对厚度：由相对厚度查极限拉深系数，查表2.1得极限拉深系数为。因为 所以，工件只需要一次拉深就能满足要求。表2.1 极限拉深系数拉深系数毛坯的相对厚度0.300.600.601.01.11.5m0.580.550.53根据公式计算拉深力 (2-7)式中 k 系数；圆筒件第一次拉深时的系数=0.55； L 圆筒件的周长（mm），为圆筒件的第一次工序直径，由于工件厚度1mm,所以根据料厚中线计算，=197mm； t 材料厚度，（mm）；t=3mm； 材料抗拉强度，（Mpa），Q235的材料抗拉强度为375460 Mpa，取=420 Mpa。 所以 =428.68（KN）（3） 压边力由是否采用压边圈的条件，判断是否需要压边圈。 因为 100%=1.1018300.0200.02530800.0200.030801200.0250.0351201800.0300.040为了保证冲模的间隙小于最大合理间隙： （mm）（mm）因为 则取 （mm） （mm）由于零件为圆形且比较简单，所以凸凹模可以分开加工，且零件的公差等级为IT12级，公差为0.46mm，即。落料凹模的尺寸： （3-1）式中 D 落料件外径的基本尺寸，（mm）； 凹模的制造公差，（mm）； 工件的制造公差，（mm）； 磨损系数，其值在0.51之间；取系数x=0.5。所以 =272.77（mm）落料凸模的尺寸： （3-2）式中 D 落料件外径的基本尺寸，（mm）； 凹模的制造公差，（mm）； 工件的制造公差，（mm）； 磨损系数，其值在0.51之间；取系数x=0.5； Z 最小合理间隙，（mm）。所以 =272.31（mm）（2）拉深凸、凹模刃口尺寸根据凸、凹模制造公差表，查得表3.3拉深凸、凹模的制造公差：凸模：（mm）凹模：（mm）表3.3 凸、凹模的制造公差材料厚度/mm拉深直径/mm100 1.5 0.10 0.08零件的公差等级为IT12级，制造公差为0.46mm，即=0.46mm。拉深凸模的刃口尺寸： （3-3）式中 D 拉深件的最大外形尺寸，（mm）； 工件的制造公差，（mm）； Z 拉深模的双面间隙，（mm）；Z=2c；凸、凹模间隙c：c=tmax+kt，系数k=0.12所以 =192.94（mm）凸模的圆角半径过大或过小对防止起皱和拉裂及降低极限拉深系数不利。取=12mm，与工件圆角相等。拉深凹模的刃口尺寸： （3-4）所以 =199.66（mm）3.5 落料凹模（1）厚度Ha凹模的厚度可根据冲裁力大小、工件的尺寸，取Ha=64mm。（2）凹模的外形尺寸根据要求取壁厚b=50mm，则圆形凹模的直径： D=273+250=373（mm）（3）刃壁形式因为此复合模结构简单，结合冲模凹模的刃壁形式选择直壁形式。（4）凹模的固定形式利用销钉定位，用螺钉将其固定在下模座上。（5）凹模的材料凹模材料选用9Mn2V3.6拉深凸模（1） 凸模的固定利用螺钉固定和销钉定位。（2） 凸模的高度根据凸模的固定形式及与其它零件的配合情况，取凸模的高度：h=94mm。（3） 凸模的材料凸模材料选用9Mn2V3.7 凸凹模（1）长度的设计 根据前面确定的凹模厚度，在保证凸凹模强度的要求下，取凸凹模长度为185mm。（2） 凸凹模壁厚的校核 凸凹模最小壁厚a=6.7mm。所以设计的凸凹模的壁厚满足最小壁厚的要求。（3）凸凹模的材料凸凹模材料选用9Mn2V3.8 卸料橡胶为了保证橡胶垫不过早失去弹性而损坏，其允许的最大压缩量不得超过自由高度的45，一般取H许=（0.35 0.45）H0。橡胶垫的预压缩量一般取自由高度的1015，即H预=（0.10 0.15）H0（1）确定橡胶的自由高度H0 （3-5）=60=210240（mm）式中 H工=h工作+h修磨（2）确定橡胶的横截面积A（mm） （3-6）式中 q-橡胶在与压缩状态下的单位压力：约为23（3）确定橡胶弹簧的平面尺寸外径D按下面计算公式计算60（mm） （3-7）（4）校核橡胶弹簧的自由高度H0 。H0与其直径D之比应该在如下的范围内： （3-8）如果比值超过了1.5，应将橡胶分成若干段在其间垫上钢垫片分隔开。若小于0.5，则应重新确定其高度。所以应将橡胶分成若干块，并用钢板隔开。（5）橡胶弹簧的安装高度（mm） （3-9）3.9 压边橡胶由上节的公式得：（1）确定橡胶的自由高度H0=55=192.5220（mm）式中 H工=h工作+h修磨（2）确定橡胶的横截面积A（mm）式中 q橡胶在与压缩状态下的单位压力：约为23（3）确定橡胶弹簧的平面尺寸外径D按下面计算公式计算155（mm）（4）校核橡胶弹簧的自由高度H0 。H0与其直径D之比应该在如下的范围内：如果比值超过了1.5，应将橡胶分成若干段在其间垫上钢垫片分隔开。若小于0.5，则应重新确定其高度。（5）橡胶弹簧的安装高度橡胶垫的预压缩量一般取自由高度的1015，即H预=（0.100.15）H0， 取H预=30mm，（mm）3.10 卸料板根据工件要求选择弹性卸料板，固定方式采用卸料螺钉固定，材料选用45钢，热处理淬硬。卸料孔每侧与凸模保持间隙查表3.4得：mm 表3.4卸料板孔与凸凹模的单边间隙c值 板料厚度/mm0.50.511单边间隙c/mm0.050.100.15根据模具的尺寸等综合因素考虑，取卸料板宽度B=420mm；根据卸料板宽度尺寸查表得出卸料板的厚度h=16mm。3.11 压边圈根据工艺分析知，这套模具需要压边圈，其尺寸大小为：直径D=265mm，厚度h=10mm。固定方式：压边圈上打有螺纹孔，使推杆与之连接，在工作过程中还可以起推件的作用。3.12 定位装置为了限定被冲材料的进给步距，并准确地将工件安放在冲模上设定的位置，保证下一步工序的顺利进行，必须采用各种形式的定位装置。设计模具结构时，采用挡料销进行定位。3.13模具闭合高度的确定冲模闭合高度，是指冲模处于闭合状态（工作行程最低点）时，上模座的上平面至下模座的下平面之间的高度（不含模柄高度）。冲模的闭合高度必须与压力机的闭合高度相适应。压力机的闭合高度是指滑块在下死点位置时，滑块下平面至工作台（不含垫板厚度）的距离。即： =344mm （3-10）式中 模具的闭合高度 压力机最小闭合高度；=320mm； 压力机最大闭合高度；=450mm。故该模具的闭合高度满足要求。3.14 模具的润滑在拉深时使用润滑剂可以减少材料与模具之间的摩擦，降低变形阻力，冷却工作表面，并可以保护工件表面不被拉毛或少被拉毛，提高弓箭的表面质量。浅拉深时润滑要求较低，一般锭子油即可。深拉深时，菜油、工业猪油都是较好的润滑剂，但应尽可能是用矿物油加附加料代替。对于变薄拉深钢板可采用磷化皂化工艺。此处使用锭子油。3.15模具的最终结构模具的最后总装图如图3.1、3.2、3.3所示。图3.1 落料拉深复合模装配工程图1上模座 2导柱 3导套 4橡胶垫1 5橡胶挡板 6卸料螺钉7上模垫板 8模柄 9顶杆 10圆柱头内六角螺钉 11凸凹模12圆柱头内六角螺钉 13圆柱销 14导套 15导柱 16挡料销 17卸料板 18下模座 19圆柱销 20圆柱头内六角螺钉 21推杆 22压边圈 23拉深凸模 24圆柱头内六角螺钉 25双头螺柱 26托板 27橡胶垫2 28六角螺母 29弹顶板 30圆柱销 31下模垫板 32落料凹模图3.2 落料拉深复合模三维装配图图3.3 落料拉深复合模三维爆炸图4 冲孔模具结构与设计4.1 模架设计（1）模座的外形尺寸选择模架尺寸主要是根据凹模的轮廓尺寸考虑。由凹模外形尺寸D=200mm，确定选用后侧式模架，国标代号GB/T2851.3-1990，选用上模座尺寸为，下模座的尺寸为。（2）模座的材料本设计从降低模具成本考虑选用铸铁HT200。4.2模柄、导柱和导套的选用模柄对于中小型模具用于固定上模。模柄一般用Q235-A或45钢制成。其直径大小必须根据选定压力机孔直径大小相应确定。常用的有：压入式模柄、旋入式模柄、螺钉固定式模柄等。本设计采用“螺钉固定式模柄”，材料为Q235-A，d=50mm，D=100mm。根据标准件表，选用标准的导柱、导套，选B型的导套、导柱。型号：导柱B40h623075GB/T2861.2；导套B40H712048GB/T2861.7。4.3 模具压力中心的计算对于简单形状的冲裁以及形状简单而对称的工件，如圆形、正多边形、矩形等，其冲模的压力中心即工件的几何中心。由于工件的外形是对称的，所以模具的压力中心位于工件的几何中心。确定了压力中心之后，在进行模具装配时必须是，模柄和压力中心在一条竖直线上，这样才不会产生弯矩，使模具磨损。4.4模具刃口尺寸计算能够保证冲裁切断面有最好的质量，并使冲裁模寿命较高，冲裁力最小时的冲裁间隙，叫作合理的冲裁模的合理间隙。实际证明：间隙在一个合理的范围内，都会得到合格的零件制品，间隙范围的上限为最大的合理间隙Z，下限为最小合理间隙Z。根据落料、冲孔模刃口使用间隙，查表3.1得冲裁初始双边间隙值Z=0.460mm，Z=0.640mm。由于工件的各个部分尺寸性质不同，凸模和凹模磨损情况也不同，所以基准件的刃口尺寸需要按不同的方法计算。冲孔尺寸因凸模磨损情况不同分成A、B、C三类尺寸，其基准件的刃口尺寸均可按下面三式计算：A类： （4-1）B类： （4-2）C类： （4-3）式中 、 基准件尺寸,（mm）；、 相应的工件极限尺寸,（mm）； 工件公差，（mm）； 基准件制造偏差，单位mm，当刃口尺寸公差标注行持为+（或-）时，=，当标注形式为，。工件的公差等级为IT12级，根据零件形状，凸模磨损后其尺寸变化有三种情况。第一类尺寸A。查表得 ，由上面公式得(mm)第二类尺寸。查表得，由公式得（mm）（mm）（mm）第三类尺寸C。由公式得：（mm） 该零件凹模刃口各部分尺寸按上述凸模的响应部分尺寸配制，保证双面间隙值=0.460 0.640。凹模对应的尺寸：(mm)（mm）（mm）（mm）（mm）4.5 冲孔凹模（1） 凹模的固定方式利用销钉和螺钉固定在下模座上。（2）刃壁的形式该件的结构简单，选择刃高h0=3mm。（3）凹模的外形尺寸凹模的直径尺寸要根据零件的结构尺寸设计，得： D=200-23=194（mm）（4）厚度H 凹模的厚度可根据冲裁力大小、工件的尺寸，取H=60mm。（5）材料的选用材料选用9Mn2V4.6 冲孔凸模由于冲裁直径较大，圆形凸模加工成台阶式结构，为了改善凸模强度和刚度，在中间增加一个过度段。固定方式采用凸模固定板固定。采用弹压卸料板的冲裁模凸模长度 L=h1+h2+h3+t+13mm （4-4）式中 h1 凸模固定板厚度； h2 卸料板厚度； h3 弹性元件最大压缩时凸模固定板下平面与卸料板上平面间的间的距离； L 凸模长度； T 冲裁材料料厚； 13mm 凸模修磨量故 L=20+21+16+3+13mm， 取 L=64mm（1）计算带台肩的凸模最大允许长度 （4-5）式中 t 材料厚度，（mm）；t=3mm； c 系数，c=0.197； 凸模的最大端的直径，（mm）；=170mm； E 凸模材料的弹性模量，E=210000Mpa； 材料的抗剪强度，=350Mpa；所以 =473.62（mm）则设计的凸模长度满足最大允许长度。 （2）凸模的强度校核按下式进行凸模强度校核： （4-6）式中 t 冲裁件厚度，（mm）；t=1.2mm； d 凸模直径，（mm）；d=143.39mm； 材料的抗剪强度，（Mpa）；=350Mpa； 凸模刃口接触应力，（Mpa）； 凸模材料许用压应力，对于常用合金模具钢，可取18002200Mpa；所以 =707.07（Mpa）凸模的强度满足要求。4.7 卸料橡胶为了保证橡胶垫不过早失去弹性而损坏，其允许的最大压缩量不得超过自由高度的45，一般取H许=（0.350.45）H0。橡胶垫的预压缩量一般取自由高度的1015，即H预=（0.100.15）H0（1） 确定橡胶的自由高度 （4-7）=9=31.536（mm）取=35mm式中 H工=h工作+h修磨（2） 确定橡胶的横截面积A（mm2） （4-8）式中 q 橡胶在与压缩状态下的单位压力：约为23。（3） 确定橡胶弹簧的平面尺寸外径D按下面计算公式计算50（mm） （4-9）（4）校核橡胶弹簧的自由高度H0 。H0与其直径D之比应该在如下的范围内： （4-10）如果比值超过了1.5，应将橡胶分成若干段在其间垫上钢垫片分隔开。若小于0.5，则应重新确定其高度。所以应将橡胶分成若干块，并用钢板隔开。（5）橡胶弹簧的安装高度H预=（0.100.15）H0=3.55.25（mm） （4-11）4.8 蝶形弹簧的设计根据顶件力F=34.78KN，由于力较大，弹簧的参数为：弹簧厚度=0.9mm，高度h=1.6，每片允许行程下的负荷为F=880N。由于 =39.52 （4-12）所以，用40片弹簧，将其分为4组进行组合可满足要求。4.9 卸料板根据工件要求选择弹性卸料板，固定方式采用卸料螺钉固定，材料选用45钢，热处理淬硬。卸料孔每侧与凸模保持间隙查表3.4得：mm 根据模具的尺寸等综合因素考虑，取卸料板宽度B=270mm；根据卸料板宽度尺寸查表4.10得出卸料板的厚度h=16mm。4.10 推件板由于工件套在凹模上，冲完孔后不好卸件，需要加推荐装置，将其推件板设计成圆板，直径D=260mm，厚度h=10mm。4.11 模具闭合高度的确定冲模闭合高度，是指冲模处于闭合状态（工作行程最低点）时，上模座的上平面至下模座的下平面之间的高度（不含模柄高度）。冲模的闭合高度必须与压力机的闭合高度相适应。压力机的闭合高度是指滑块在下死点位置时，滑块下平面至工作台（不含垫板厚度）的距离。即： H=250mm （4-13）式中 H 模具的闭合高度