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2023-07-01
设计流程及工序图——45钢冲压件加工优化方案
【摘要】：（一）设计的前期准备前期的准备工作主要包括阅读产品零件图，收集、查阅有关资料，根据产品的原始数据研究设计任务，分析产品实施冷冲压加工的可能性、经济性等。本设计的产品材料是45钢，属优质碳素结构钢，其力学性能是强度、硬度和塑性指标适中，经退火后，用冲裁的加工方法是完全可以成形的。②落料、冲孔单工序模，工序图如图2-55所示。
（一）冲压件工艺性分析
1.零件尺寸精度
从产品图可以看出，零件尺寸全部为未注公差尺寸，均可按照IT14级尺寸精度，查未注公差尺寸附录确定零件各构成尺寸在实际冲压中的公差为：φ9±0.18、
、φ1.8
、φ20±0.26、φ25±0.26。
2.零件结构形状
零件的外形对称，结构简单；零件壁宽2.8﹥1.5t=1.5×0.5=0.75；孔虽然是配合孔，但孔的尺寸精度和位置精度都只是一般要求，相对直径较大；孔壁尺寸也大于1.5t；以上这些条件都适合于冲裁。
3.确定冲压工艺方案
零件冲压生产所需要的基本工序有冲孔和落料两种性质的工序，因此可能的冲压方案有：全部安排单工序生产，使用冲孔落料复合模生产，采用级进模生产。
由于零件尺寸小、生产批量又较大，从操作安全、方便以及提高生产效率的角度出发，很明显使用级进模的生产方式是最合适的。根据零件的外形和厚度，可采用双侧刃定距、横向送料的级进模冲压方式。
（二）冲压工艺方案的确定
1.零件排样
该零件的结构特点是材料薄、尺寸小，形状类似于“T”形，因此用作图法取50°的“对排”、侧刃定距、级进模冲压成形；为了使料尾的几个零件能够冲裁下来，采用双侧刃对角前后排列，如图6-41所示。
图6-41 排样图
根据排样图可以近似计算出两列对排零件的中心距为25 mm。废料宽度=25+9+2×1=36(mm），其中搭边值由查表得a1=1 mm；条料宽度=36+2×1.5=39(mm），其中侧刃余量选取b=1.5 mm；步距=9+1=10(mm）(搭边取a=1 mm）。
2.模具工作过程
模具工作过程如图6-42所示。
图6-42 模具工作过程
第一步：条料送进至侧刃挡板，开始冲压，在条料上冲出一个小孔和裁去一个进距A的窄条，使条料的一边出现一个横肩。
第二步：推进条料，使条料紧靠侧刃挡板，进行第二次冲压，在条料上再冲出一个小孔和裁去一个进距的窄条，同时在条料端面冲出另一个零件孔的一部分，同时冲出和工件尾部相同的一部分。
第三步：再次推进条料，使第二次冲出的横肩紧靠侧刃挡板，进行第三次冲压，同时冲出两个小孔，第一次落下一个工件。
第四步：再次推进条料，一个侧刃和落料凸模以及两个冲孔凸模同时参加冲裁，第二个落料凸模冲掉工件头部的一部分。
第五步：与上述基本相同。
第六步：开始同时冲下两个零件，第二个侧刃也开始工作。
由于该副模具采用了斜对排的排样方法，材料的利用率较高(见下面材料利用率计算）；但斜对排同时也带来了凸、凹模单边受力的缺陷，特别是采用硬质合金模具时，由于凸、凹模单边受力可能导致模具凸、凹模损坏，因此对于硬质合金模具，可以采用直对排，以避免损坏模具。
一般来讲，侧刃可以安装一个，也可以安装两个，而双侧刃可以成对并列，也可以对角前后安装。双侧刃定距时比单侧刃准确，工位较多的级进模使用双侧刃呈对角排列还可以减小料尾长度，反而会省料。用侧刃定距准确、送料方便、精度较高，生产效率提高显著，同时也便于实现机械化和自动化。因此在电子工业中，一般要求批量大的接触簧片、焊片等零件，大多采用此种类型的模具。侧刃装置的定位是利用裁切条料边缘(裁切的长度为进距A，而裁切的宽度为1.5～2.5 mm）来控制步距(进距）和挡料的。
（三）模具结构形式确定
1.凹模轮廓尺寸
凹模厚度为：
H=KB1=K(36+2×6）=48K=48×0.3=14.4(mm）
取侧刃为标准宽度6 mm，系数K查表得K=0.3。凹模宽度为：
B=B1+(2～4）H=48+2×14.4=76.8(mm）
凹模长度为：
L=l1+2l2=10×6+2×22=104(mm）
式中l2为沿送料方向凹模洞口到边缘的最小距离，查表取l2=22 mm。
2.根据凹模轮廓尺寸选取标准凹模
根据凹模零件轮廓的计算尺寸L×B×H=104×76.8×14.4，选取标准凹模板的尺寸规格为L×B×H=100×80×16。
3.选取模具结构的典型组合
根据材料状态、厚度以及零件的排样图，选定模具结构为“矩形横向送料弹压卸料典型组合”形式。
4.根据典型组合选取标准模架
根据选定的凹模板的尺寸规格以及典型组合形式，选取对角导柱模架：100×80×(120～145）(GB/T2851.1）。
（四）主要设计计算
1.材料利用率
材料利用率按下式进行计算：
F1=[(π×92）/4]+[20-(9/2）]×2.8+[(25-20）×1.8]-[(π×62）/4]=88(mm2）
F0=10×39=390(mm2）
η=(2×88）/390≈45%
2.计算冲裁力，选取压力机吨位
计算冲裁一个零件的周边长度L1。
外轮廓周边长度l1为：
l1=(3.14×9-2.8）+2×(20-9/2）+2×(5-0.9）+3.14×0.9≈67.5(mm）
孔周边长度l2为：
l2=πd=3.14×6≈18.8(mm）
侧刃冲切长度l3为：
l3=10+1.5=11.5(mm）
故
L1=l1+l2+l3=67.5+18.8+11.5=97.8(mm）
每步冲压两件，计算总冲裁力。
冲裁力F为：
F=1.3Ltτ/1000=1.3×195.6×0.5×26/1000≈3.31(kN）
式中τ=26 MPa可查表选取。
卸料力F卸为：
F卸=KF=0.03×3.31=0.0993(kN）
推料力F推为：
F推=KF(h/t）=0.04×3.31×(5/0.5）=1.324(kN）
式中K=0.04可查表选取，取凹模刃口工作高度为5 mm。因此总冲裁力F总为：
F总=F+F卸+F推=3.31+0.0933+1.324≈4.7(kN）
3.压力中心确定
由于冲裁力小，并且采用了对角导柱模架，受力平稳，同时根据零件的排样图可以看出，模具压力中心不会超出冲模模柄的投影面积之外，因此这里不做详细计算。
4.凸、凹模刃口工作尺寸计算
(1）冲孔凸模
式中d凸=0.01可查表选取。
(2）冲孔凹模
式中Zmin=0.03 mm。
校核：δ凸+δ凹≤Zmax-Zmin(Zmax可查表得到）
由于0.01+0.016﹥0.05-0.03，因此在采取分别制造凸、凹模的方式时，应该缩小凸、凹模的制造公差，保证最小间隙Zmin。选取δ凸=0.008，δ凹=0.012，则分别制造凸、凹模时其公差为：
此时0.008+0.012=0.05-0.03，满足要求。
(3）侧刃工作尺寸及公差
由于零件精度较低并且无导正销装置，因此直接选取步距为侧刃公称尺寸，则尺寸为：
(4）落料凹模刃口工作尺寸
从零件外形来看，对应于零件的各凹模型腔尺寸磨损以后均会导致零件尺寸增加，故可按下列公式计算：
同理可得：
、20±0.06、25±0.06。
(5）落料凸模刃口工作尺寸
落料凸模刃口工作尺寸按照下式进行计算：
同理可得：
。
对应于工件25±0.26的落料凸模尺寸为：
D凸=(D凹-0.5×Zmin）±0.06=(25-0.5×0.03）±0.06=24.985±0.06≈25±0.06
对应于工件20±0.26的落料凸模尺寸为：
D凸=(D凹-cos45°×0.5×Zmin）±0.06=(20-0.0106）±0.06≈19.9±0.06≈20±0.06
上面计算结果表明，任何一个对应的凸、凹模制造公差之和，都大于间隙公差，因此在采用分别制造凸、凹模的方式时，不能够获得所需要的模具间隙；如果缩小模具的制造公差来保证δ凸+δ凹≤Zmax-Zmin的要求，则必然会增加模具制造困难程度，提高模具的制造成本，因此针对此种情况，应该采用配作的方法。配作时可以采用凹模按凸模配作，也可以采用凸模按凹模配作，一般按生产习惯和现场生产设备情况而定。在本例中采用凹模按照凸模配作。
（五）模具总体设计
为了避免下模的紧固螺钉与侧刃孔之间发生交叉(或是壁厚太小），将螺钉孔的位置做了适当的修改，如图6-43所示，模具零件明细表如表6-3所示。
图6-43 簧片冲孔落料级进模
表6-3 簧片冲孔落料级进模零件明细表
（六）模具主要零件设计
1.模具零件图
(1）凹模
绘制凹模正式零件图，实际上是把排样图(图6-41）和经过计算选取的标准凹模轮廓图形结合起来，具体凹模结构如图6-44所示。
凹模型腔位置尺寸，常以凹模轮廓的几何中心或以凹模互相垂直的两边为基准标准，视各厂的加工设备和加工习惯而定。本例中选取凹模中心线为设计基准。图中的尺寸14±0.05，是根据排样后保证零件直壁部分两边均有1 mm的最小搭边值的前提下，由排样图的几何关系而求得。
图6-44 凹模
(2）卸料板与固定板
设计时应注意卸料板与固定板型孔位置以及公差应该与凹模一致，分别如图6-45及图6-46所示。
图6-45 卸料板
图6-46 固定板
(3）凸模
侧刃、冲孔凸模和落料凸模分别如图6-47、图6-48及图6-49所示。
图6-47 侧刃
图6-48 冲孔凸模
图6-49 落料凸模
当采取线切割或成形磨削加工时，落料凸模应设计成直通式凸模，落料凹模、卸料板和凸模固定板均采用线切割加工，从而可以大大缩短模具的制造周期。
2.模具其他零件的结构尺寸计算
(1）模具闭合高度
模具的闭合高度H模=上模座厚度+下模座厚度+垫板厚度+凸模高度+凹模高度-材料厚度-0.5=30+40+6+45+16-0.5-0.5=136 mm，其中0.5为冲裁时为保证材料完全分离，凸模进入凹模洞口的余量。
前面选取模架的闭合高度为120～145 mm，模具的闭合高度满足Hmax-5≥H模≥Hmin+10，因此模具的闭合高度合适。
(2）弹簧选取
根据前面计算出来的零件冲压时的卸料力为993 N，拟选用四根弹簧，则每根弹簧承担的卸料力为993/4=248.25 N。由于该零件冲裁时弹簧的工作行程很短，卸料力主要靠弹簧预压缩时产生。查表确定圆柱螺旋压缩弹簧，选取弹簧为D=15，以b=2.5，H0=40，该弹簧在最大负荷条件下产生的总变形量F2=10.8 mm，最大工作负荷为247 N。该弹簧自由长度40 mm，最大负荷下长度为40-10.8=29.2(mm）。为减小凸模长度，需要在凸模固定板上与弹簧相对应的位置开设沉孔或通孔，以安放弹簧。图6-43中凸模固定板与卸料板之间的距离为45-12-16+0.5=17.5(mm），显然小于弹簧最大负荷下压缩后的长度。
(3）卸料螺钉的长度
从装配图6-43可以看出，卸料螺钉的长度等于弹簧预压缩后的长度加上垫板的厚度。如果取弹簧的预压缩量等于10 mm，则卸料螺钉的长度为10+6=16(mm）。
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