1、第9章 工艺与模具设计内容与步骤,9.1 冲压工艺设计的内容与步骤,(1)设计前的准备工作 1)生产任务书或产品图及其技术条件 包括电子文档或实物 2)原材料情况 板材的尺寸规格、牌号及其冲压性能、材料的供应情况及产地等。 3) 生产纲领 生产批量 4)设备情况 可供选用的设备型号、技术参数及使用说明书 5)模具技术水平 加工设备及技术力量 6)各种技术标准和手册资料 7)数字化设计的软硬件条件,(2)冲压工艺设计的主要内容及步骤 1)冲压件工艺性分析 根据冲压件产品图，分析冲压件的形状特点，尺寸大小，精度要求、原材料尺寸规格和力学性能，结合可选用设备规格以及模具制造条件、生产批量等因素，分析
2、零件工艺性。若工艺性不好，应在不影响产品使用前提下，向有关人员提出修改意见，对产品做出适合工艺性的修改。 冲压件工艺性:是指冲压件对某种冲压工艺的适应性能力或难易程度。,2)确定工艺方案 在冲压工艺性分析的基础上，提出各种可能的冲压工艺方案，经过综合分析、比较，最后确定适合于所给生产条件的最佳方案，内容包括工序性质、工序数目、工序顺序及组合方式等。,3)选择模具类型与结构形式 根据冲压件的形状特点、精度要求、生产批量、工厂模具加工条件、操作上的习惯、现有通用机械化自动化装置的特点等确定模具类型和结构形式。 4)选择冲压设备 根据需要完成的冲压工序性质选定设备的类型，并进一步按照冲压加工所需要的
3、变形力、变形功和零件尺寸，选定设备的吨位。,9.2 确定冲压工艺方案的一般原则,(1)冲压工艺必须符合变形规律在需经数道工序成形时，零件是逐步形 成的。每一道工序都使毛坯一部分变为成品的 一部分。为使每道工序都能顺利完成任务，应 使该道工序中应变形的部分为弱区。 1)有些几何形状相同的零件，由于尺寸差别， 为保证“变形区应为弱区”条件，必须采用不同 冲压加工方案。图9-1所示为油封内、外夹圈。 这两个零件材料和形状相同,由于尺寸上的差 别，必须采用不同的冲压方案。,图9-1 油封内夹圈与外夹圈的冲压工艺过程,2)为保证“变形区为弱区”的条件，有时要增加一些附加工序。 图9-2所示轴承盖，用落料
4、、拉深、冲23mm孔的方案，其拉深系数为0.43，已超过了极限拉深系数，不能一次成形。采用落料预冲11孔、拉深、冲23孔的方案，使法兰保持为弱区，但底部也可产生一定的变形量。拉深时11孔扩大，底部的部分材料转向侧壁，从而使成形高度得到增加。因此可一次拉深成形。,图9-2 轴承盖零件图,3)确定工序顺序时，应考虑冲压变形趋向性。例如，有拉深变形和扩孔变形趋向的带底孔拉深件，研究表明：当拉深系数小于一临界值0(08钢0=0.6)时，拉深件底部的任意小孔都要发生变形。因此，该类零件上的小孔必须在拉深后冲出，否则，底部会发生扩孔变形。,(2)冲压件尺寸精度对冲压工艺过程要求 1)对孔的尺寸、位置或零件
5、上某一部分尺寸有较高精度要求时，应当把这种工序安排在成形之后。图9-3所示锁圈，内孔尺寸22 -0.1有精度要求，故其工艺过程为落料、成形、冲孔。若内孔22没有精度要求，不是配合尺寸，则其工艺过程可以是：落料冲孔、成形两道工序，这样工序少且效率高。,图9-3 锁圈的冲压工艺过程,2)拉深件口部、扩孔件孔边缘都难以得到规则而平齐的形状，尤其当使用的板料具有较大的方向性时更为严重。因此，在一般情况下，拉深件、翻边件、扩孔件等最后都安排一道修边工序。,3)对制件几何形状或尺寸有高精度要求时，须增加精整工序。图9-4调温器外壳在成形后就设有对底部和法兰的整形工序。实际上精压、校正弯曲也属于精整工序。,
6、图9-4 调温器外壳零件示意,4)对零件壁部的变薄有无要求，是选择伸长类成形或压缩类成形的主要依据。如图9-4所示的零件，若底部侧壁的壁厚要求不严，则可采用翻边工序；若不允许变薄，则必须是采用拉深工序，最后把底冲切掉。,(3)操作上的要求 1)当需要数道冲压工序加工时，解决好操作定位是保证冲压件尺寸精度的基本条件。如图9-4所示零件，第一道拉深工序拉深出的60-0.4是以后各道工序的定位尺寸；图9-5所示零件，仅用尺寸62定位是不够的。为了防止毛坯的转动，须加方向定位。该零件用两5.5孔解决冲侧孔和冲孔翻边工序的方向定位。,图9-5 增加工艺定位的零件,为消除多次定位的误差，尽量使全部工序都用
7、零件的同一个部分作为定位基准。定位基准最好是选用毛坯外形或孔，且应该使所选定毛坯定位部分，在冲压过程中不产生变形或位移。当在冲压中间毛坯上找不到合适的定位部分时，也可以利用在以后工序中需要切除的废料上冲制“工艺孔”来定位。,2)不便取拿操作小零件或形状特殊不易定位零件，不要先落料，应在冲压完成后分离。如各种链条零件及日用小五金零件等。 3)工艺稳定性是冲压工艺设计不可忽略的问题。原材料力学性能波动、厚度波动、模具制造误差、模具调整、润滑变化、设备精度等等，都对冲压工艺的稳定性有影响。 工艺稳定性差，废品率显著增高，对原材料、设备性能、模具精度、操作水平等的要求也很苛刻，有时在实际生产条件下难以
8、达到。提高工艺稳定性的主要措施是降低变形程度。,(4)模具的结构与强度上的要求模具型式选定，主要决定于生产批量。当批量大时，尽量用级进模或复合模，把多工序合并成为一道冲压工序。当生产批量小时可选择简单模。复合模结构中，当凸凹模壁厚较小，强度得不到保证时，则应放弃复合模而选用级进模、单工序模或者修改冲压件的某些工艺尺寸。,(5)半成品形状与尺寸的确定半成品是毛坯和制件之间的过渡件。半成品可分为两个组成部分：已成形部分，其形状与尺寸和制件相同；待成形部分，其形状与尺寸和制件不同。这些过渡性的尺寸与形状，虽然在零件冲压完成后会消失，但对每道工序成败及制件的质量有重要影响。确定半成品形状与尺寸时，需要
9、考虑的主要问题是变形的要求。下面以图9-6为例，来说明冲压半成品形状与尺寸确定的依据和方法。,图9-6 出气阀罩盖的冲压过程,1)半成品尺寸可根据极限变形参数求得，这样可减少工序、增加定位因素。图9-6a第一道落料拉深工序后的直径22,就是根据极限拉深系数计算得出的。,2)确定半成品尺寸时，必须保证每道工序中被 已形成部分隔开的部分在以后加工中都在本身 范围内进行金属分配和转移，不能从其它部分 补充金属，也不应有多余金属。图9-6b第二道 拉深工序后，便已形成直径16.5圆筒形部 分。该部分尺寸与制件相同，是已成形部分， 以后工序中不再变形。确定半成品尺寸时，必 须使被这部分隔开的部分金属足够
10、它们在以后 工序里形成制件相应部分的需要。因此，第二 道工序后的半成品内部各个尺寸，根据这个原 则按面积相等方法计算。,3)冲压局部的凹坑或凸起时，如所需材料不容易或不能从相邻部分得到补充，应在半成品相应部位采取储料措施。从图c所示第三道工序后的半成品底部形状和尺寸来看,凹坑的直径过小 ,第二道工序的半成品形状做成球面形状,为以后形成凹坑部位储存材料，使第三工序中一次成形凹坑成为可能。,4)曲面形状零件的半成品形状是具有较强抗失稳能力的，能有效防止下一道工序中的失稳起皱。如图9-6a、b中第一、二道工序球底形状，对第三道工序的成形是较为有利的。 5)有时半成品的过渡尺寸，直接影响制件的表面质量
11、。如多道工序中凸模的圆角半径或宽法兰边零件多次拉深时，凹模与凸模的圆角半径都不宜过小，否则在制件的表面上会残留有其圆角部位弯曲与变薄的痕迹，降低零件的表面光滑程度。,9.3 典型零件冲压工艺设计实例,图9-7 侧盖前支承零件,(1)摩托车侧盖前支承冲压工艺设计图9-7为摩托车侧盖前支承，材料Q215钢，厚1.5，产量5万件。 1)零件冲压工艺性分析 该件以2个5.9凸包定位焊接在支架上，腰圆孔用于侧盖装配，位置是需要保证重点。该零件属隐蔽件，被侧盖完全遮蔽，外观要求不高。零件端部四角为尖角，采用落料工艺性较差，根据零件使用情况，将四角改为半径为2圆角，零件的“腿”较长，若有效利用过弯曲和校正弯
12、曲来控制回弹，则可以得到尺寸比较准确的零件。,腰圆孔边至弯曲半径R中心为2.5，大于材料厚度，位于变形区之外，弯曲时不会引起孔变形，故该孔可在弯曲前冲出。 2)确定工艺方案 首先根据零件形状确定工序类型和选择工序顺序。冲压该零件需要的基本工序有剪切（或落料）、冲腰圆孔、一次弯曲、二次弯曲和冲凸包，其中弯曲决定零件总体形状和尺寸，因此选择合理的弯曲方法十分重要。 a.弯曲方法比较 弯曲方法可采用图9-8中的任何一种,图9-8 弯曲成形方法,第一种方法（图9-8a）为一次成形，优点用一副模具成形，生产率高，减少设备和操作人员。缺点是毛坯都参与变形，零件表面擦伤严重，形状与尺寸都不精确，弯曲处变薄严
13、重，这些缺陷将随零件“腿”长的增加和“脚”长的减少而愈加明显。 第二种方法（图9-8b）先弯曲端部两角，再弯曲中间两角。这显然比第一种方法弯曲变形的激烈程度缓和。但回弹现象仍难控制，且增加了模具、设备和操作人员。,第三种方法（图9-8c）弯端部两角并使中间两角预弯45，再在另一副模具上弯曲成形，由于能够实现过弯曲和校正弯曲来控制回弹，形状和尺寸精度较高。由于成形过程中材料受凸、凹模圆角的阻力小，零件表面质量好。这种弯曲变形方法对于精度要求高或长“腿”短“脚”弯曲件的成形特别有利。 b.工序组合方案比较 根据冲压该零件需要的基本工序和不同的弯曲方法,有下列多种组合芳案。,方案一：落料与冲腰圆孔复
14、合、弯四角、冲凸包。优点是工序比较集中，占用设备和人员少，但回弹难控制，尺寸和形状不精确，表面擦伤严重。 方案二：落料与冲腰圆孔复合、弯端部两角、弯中间两角、冲凸包。优点是模具结构简单，投产快，但回弹难控制，尺寸和形状也不精确，而且工序分散，占用设备和人员多。,方案三：落料与冲腰圆孔复合、弯端部两角并使中间两角预弯45、弯中间两角、冲凸包。优点是回弹容易控制，尺寸和形状精确，表面质量好，缺点是工序分散，占用设备和人员多。 方案四：冲腰圆孔、切断及弯四角连续冲压、冲凸包。优点是工序比较集中，占用设备和人员少，但回弹难控制，尺寸和形状不精确，表面擦伤严重。,方案五：冲腰圆孔、切断及弯端部两角连续冲
15、压、弯中间两角、冲凸包。该方案实质上与方案二差不多，只是采用了结构复杂的连续模，故工件回弹难控制，尺寸和形状也不精确。 方案六：将方案三全部工序组合，采用带料连续冲压。优点是工序集中，只用一副模具完成全部工序，实质是把方案三各工序分别布置在级进模上，所以还具有方案三的各项优点，缺点是模具结构复杂，安装、调试和维修困难。制造周期长。,综合上述，该零件虽然对表面外观要求不高，但由于“腿”特别长，需要有效地利用过弯曲和校正弯曲来控制回弹，其方案三和方案六都能满足这一要求，但考虑到该零件生产批量不是太大，故选用方案三，其冲压工序如下：落料冲孔、一次弯曲（弯曲端部两角并使中间两角预弯45）、二次弯曲（弯
16、曲中间两角）、冲凸包。,3)确定各工序模具类型与结构形式 冲压工艺方案确定后，模具种类也就确定, 各工序模具结构形式见图9-9。 4)确定冲压设备(略),(a)落料冲孔 (b)一次弯曲图9-9 模具结构形式,(c)二次弯曲（弯曲中间两角） (d)冲凸包 图9-9 模具结构形式,(2)玻璃升降器外壳冲压工艺设计图9-10为玻璃升降器外壳，材料08钢，厚度1.5，中批量生产。要求确定其工艺方案。,图9-10 外壳冲压件,1)零件工艺性分析 该零件是汽车车门上玻璃升降器外壳，部件图见图9-11。传动机构装于外壳内腔，通过凸缘上均布三个3.2小孔铆接在座板上，传动轴以IT11间隙配合装在16.5承托部
17、位，通过制动弹簧、联动片、心轴与小齿轮联接，摇动手柄时，传动轴将动力传递至小齿轮，再带动大齿轮，升降车窗玻璃。,图9-11,图9-12,外壳用1.5厚钢板，保证了足够的刚度和强度。外壳内腔配合尺寸16.50+0.12，22.30+0.14, 16 0+0.2为IT11IT12级。为保证外壳承托部位16.5与轴套同轴，三个小孔3.2与16.5的相互位置要准确，小孔中心圆直径420.1为IT10级。,根据零件技术要求进行工艺性分析：零件属带凸缘筒件拉深,工艺性较好，22.30+0.14, 16.50+0.12，16 0+0.2几个尺寸精度偏高，这可在末次拉深时采取较高模具制造精度和较小模具间隙，并
18、安排整形工序。由于3.2小孔中心距要求高，需采用高级冲模（工作部分采用IT7级以上精度）同时冲出三孔，且冲孔时应以22.3内孔定位。,该零件底部的成形可有三种方法，一种采用阶梯拉深后车去底部，另一种采用阶梯拉深后冲去底部，再一种采用拉深后冲底孔，再翻边（见图9-12）。三种方法中，第一种质量高，但生产率低，且费料，底部要求不高时不宜采用；第二种冲底，要求零件底部的圆角半径压成接近清角（R0），需要增加一道整形工序且质量不易保证；第三种生产率较高且省料，翻边端部虽不如以上的好，但该零件高度21为未注公差尺寸，翻边完全可以保证要求，所以采用第三种方法是较合理的。,2)分析比较和确定工艺方案a.计算
19、毛坯尺寸 需先确定翻边前的半成品尺寸。翻边前是否也需要拉成阶梯零件？这要核算翻边的变形程度。计算表明:采用圆柱形凸模，用冲孔模冲孔时，一次能安全翻出h=5高度。翻边前的半成品形状和尺寸如图9-13所示。,图9-13 翻边前的半成品形状和尺寸,b.计算拉深次数 经计算(略)确定采用三次拉深工序，减小各次工序的变形程度，而选用较小的圆角半径，从而可能在不增加模具套数的情况下，既能保证零件质量，又可稳定生产。 三次拉深工序的拉深系数为：,c.确定工序的合并与工序顺序 当工序较多时，先确定出基本工序，再将各基本工序作可能的组合并排出顺序，得出不同的工艺方案，进行分析比较后找出适合于具体生产条件的最佳方
20、案。对于外壳，需包括以下基本工序：,落料，首次拉深，二次拉深，三次拉深，冲11孔，翻边，冲33.2孔，切边。由基本工序，可拟出五种方案： 方案一、落料与首次拉深复合，其余按基本工序。 方案二、落料与首次拉深复合，冲11底孔与翻边复合（见图9-14a），冲三个小孔3.2与切边复合（见图9-14b），其余按基本工序。,落料，首次拉深，二次拉深，三次拉深，冲11孔，翻边，冲三个3.2孔，切边。根据这些基本工序，可拟出如下五种方案：,a) 冲孔与翻边 b) 冲小孔与切边 图9-14 方案二部分模具结构原理图,方案三、落料与首次拉深复合，冲11底孔与冲三小孔3.2复合（见图9-15a），翻边与切边复合（
21、见图9-15b），其余按基本工序。,图9-15 方案三部分模具结构原理图,方案四、落料、首次拉深与冲11底孔复合（见图9-16），其余按基本工序。 方案五、采用带料连续拉深或在多工位自动压力机上冲压。 分析比较上述五种方案，可见：方案二中，冲11孔与翻边复合，由于模壁厚度较小，模具容易损坏。冲三3.2小孔与切边复合，也存在模壁太薄的问题。,图9-16 方案四第一工序模具结构图,方案三虽然解决了上述模壁太薄的矛盾，但冲11底孔与冲3.2小孔复合及翻边与切边复合时，它们的刃口都不在同一平面上，而且磨损快慢也不一样，这会给修磨带来不便，要保持相对位置也有困难。,方案四中，落料、首次拉深与冲11底孔复
22、合，冲孔凹模与拉深凸模做成一体，给修磨造成困难。冲底孔后再经二次和三次拉深，孔径一旦变化，会影响翻边高度和翻边口缘质量。,方案五，采用带料连续拉深或多工位自动压机冲压可获得高的生产率，而且操作安全，也避免上述方案所指出的缺点，但这一方案需要专用压力机或自动送料装置，而且模具结构复杂，制造周期长，生产成本高，只有在大量生产中才较适宜。,方案一没有上述缺点，但其工序复合程度较低，生产率较低。不过单工序模具结构简单，制造费用低，这在中小批量生产中却是合理的，因此决定采用第一方案。本方案在第三次拉深和翻边工序中，于冲压行程临近终了时，模具可对工件产生刚性锤击而起到整形作用，故无需另加整形工序。,3)主
23、要工艺参数计算 a.确定排样、裁板方案 这里毛坯直径65不算太小，考虑到操作方便，采用单排。(确定搭边、步距、料宽,计算材料利用率等略) b.确定各中间工序尺寸(计算过程略) 两次拉深半成品尺寸见图9-17 、图9-18 。其余中间工序尺寸均按零件要求尺寸而定，各工序尺寸详见图9-19所示。,图9-17 首次拉深半成品尺寸 图9-18 二次拉深半成品尺寸,图9-19 外壳冲压工序图,c.计算各工序压力，选用压力机 冲压车间现有压力机为250kN，630kN，800kN等，根据计算,各工序均选用250kN压力机， 4)编写冲压过程工艺卡片,表9-1 冲压工艺卡片,9.4 模具设计的内容和步骤,1
24、.冲模设计的内容 (1)确定冲模的结构形式 (2)确定冲模的压力中心 (3)确定冲模的闭合高度 (4)关键零件的强度计算及弹性元件的选用 (5)选择冲压设备 (6)绘制模具总图及模具零件图,2.确定冲模的结构形式 工艺设计时已经确定了模具的组合方式（简单模、级进模或复合模） ；冲模设计时要确定其具体结构形式。模具的结构设计根据冲压件形状、尺寸、精度、材料性能和生产批量、冲压设备、模具加工条件、工艺方案等进行。在满足品质的前提下，力求结构简单、周期短、成本低、效率高、寿命长。 结构设计内容如下：,(1)根据制件形状和尺寸，确定凸、凹模结构形式和固定方法 (2)根据毛坯特点、制件精度和批量，确定定
25、位方式 (3)根据工件和废料形状、大小确定进、出料和排除废料的方式 (4)根据板料厚度和冲压件精度要求，确定压料与卸料方式,(5)根据批量，确定操作方式：手工操作，自动或半自动操作 (6)根据制件特征和对模具寿命要求，确定模具的加工精度 (7)根据所使用的设备，确定模具的安装与固定方式。 为便于加工、维修和操作安全，结构设计应注意以下几点：,1)大型、复杂形状的模具零件，加工困难时，应考虑采用镶拼结构，以利于加工。 2)模具结构应保证磨损后修磨方便；尽量做到不拆卸即可修磨；影响修磨必须去掉的零件，做成易拆卸结构。,3)工作零件多，且寿命相差大时，应将易损件做成快换结构形式，尽量做到可以分别调整
26、和补偿易磨损件的相关尺寸。 4)需要经常修磨和调整的部分尽量放在模具的下部。 5)质量较大的模具应有方便的起运孔或钩环等。,3.确定冲模的压力中心 冲压力合力作用点称为模具压力中心。如果模具压力中心与压力机滑块中心不一致，冲压时会产生偏载，导致模具以及压力机滑块与导轨急剧磨损，降低模具和压力机的使用寿命。所以设计冲模时，必须确定模具的压力中心。,压力中心的计算，可采用空间平行力系和合力作用线（平面投影为作用点）的求解方法，根据“各分力对某轴力矩之和等于其合力对同轴之矩”的力学原理求得。具体计算方法如下：,(1)单凸模压力中心的计算 首先将与凸模对应的凹模刃口图形置于xoy坐标平面内，把组成图形
27、的轮廓划分为若干线段l1、l2、ln ，计算其冲裁力F1、F2、Fn，这些力是垂直于图面方向的平行力系，由各分力之和算出合力。算出各线段的重心坐标，分别为x1、x2、xn和y1、y2、yn ，按求解原理列式，求出压力中心坐标（ 、 ）：,(2)多凸模的压力中心计算 xoy平面有m个凸模投影图形，各图形轮廓总长度L1、L2、Lm。各图形的压力中心坐标分别为 ( , ) 、 ( , ) 、 ( , ) ，则整副冲模的压力中心坐标( , ) 为：,4.确定冲模闭合高度 冲模闭合高度是指模具在最低工作位置时，上模板的上平面与下模板的下平面间的距离hm。冲模闭合高度应与压力机的装模高度相适应。,1-滑块
28、；2-打料横梁；3-垫板；4-工作台；5-机身；6-模具 图9-20 模具与压力机的安装尺寸,装模高度指滑块处于下死点时，滑块底面到工作台垫板上平面间的距离。压力机连杆长度是可以调节的，所以装模高度也是可调的。连杆调至最短时的装模高度称最大装模高度hmax，连杆调至最长时装模高度称最小装模高度hmin（图9-20）。设计冲模和选择设备时，应使模具闭合高度与压力机装模高度符合如下关系式：,缩短连杆对压力机工作有利，加之冲模修模后闭合高度减小，一般希望模具闭合高度接近压力机的最大装模高度。模具闭合高度过小，可以加一块附加垫板；如果模具闭合高度过大，则可拆去压力机的工作台垫板。,hmax-5mmhmhmin+10mm,设计冲模和选用设备时，还应考虑滑块行程必须满足冲压工艺要求。对于冲裁模其行程一般要求较小；对于弯曲模和拉深模，其行程要求较大。例如，对拉深模，为保证能够方便装卸工件，一般取行程等于或大于拉深件高度的2.5倍。,模具设计时，上模板的轮廓尺寸一般不应超出滑块底面尺寸。如果因结构需要必须超出时，应注意防止与机身或导轨相碰撞；下模板轮廓尺寸应小于工作台垫板尺寸，要留有固定模具的足够余地。 模具的模板及推件、顶件等零件尺寸，也都应与压力机的有关尺寸相适应。,
