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毕业设计的第三阶段

排样设计与计算

1.材料利用率

冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料利用率,它是衡量合理利用材料的经济性指标。

一个步距内的材料利用率(图2.5.1)可用下式表示

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若考虑到料头、料尾和边余料的材料消耗,则一张板料(或带料、条料)上总的材

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值越大,材料的利用率就越高,在冲裁件的成本中材料费用一般占60%以上,可见材料利用率是一项很重要的经济指标。

2.提高材料利用率的方法

冲裁所产生的废料可分为两类(图2.5.1):一类是结构废料,是由冲件的形状特点产生的;另一类是由于冲件之间和冲件与条料侧边之间的搭边,以及料头、料尾和边余料而产生的废料,称为工艺废料。

要提高材料利用率,主要应从减少工艺废料着手。减少工艺废料的有力措施是:设计合理的排样方案,选择合适的板料规格和合理的裁板法(减少料头、料尾和边余料),或利用废料作小零件(如表2.5.1中的混合排样)等。

对一定形状的冲件,结构废料是不可避免的,但充分利用结构废料是可能的。当两个不同冲件的材料和厚度相同时,在尺寸允许的情况下,较小尺寸的冲件可在较大尺寸冲件的废料中冲

制出来。如电机转子硅钢片,就是在定子硅钢片的废料中取出的,这样就使结构废料得到了充分利用。另外,在使用条件许可下,当取得零件设计单位同意后,也可以改变零件的结构形状,提高材料利用率,如图2.5.2所示。

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2.5.2 零件形状不同材料利用情况的对比

根据材料的合理利用情况,条料排样方法可分为三种,如图2.5.3所示。

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图2.5.3 排样方法分类

1.有废料排样如图2.5.3a所示。沿冲件全部外形冲裁,冲件与冲件之间、冲件与条料之间都存在有搭边废料。冲件尺寸完全由冲模来保证,因此精度高,模具寿命也高,但材料利用率低。

2.少废料排样如图2.5.3b所示。沿冲件部分外形切断或冲裁,只在冲件与冲件之间或冲件与条料侧边之间留有搭边。因受剪裁条料质量和定位误差的影响,其冲件质量稍差,同时边缘毛刺被凸模带入间隙也影响模具寿命,但材料利用率稍高,冲模结构简单。

3.无废料排样如图2.5.3c所示。冲件与冲件之间或冲件与条料侧边之间均无搭边,沿直线或曲线切断条料而获得冲件。冲件的质量和模具寿命更差一些,但材料利用率最高。另外,如图2.5.3c所示,当送进步距为两倍零件宽度时,一次切断便能获得两个冲件,有利于提高劳动生产率。

采用少、无废料的排样可以简化冲裁模结构,减小冲裁力,提高材料利用率。但是,因条料本身的公差以及条料导向与定位所产生的误差影响,冲裁件公差等级低。同时,由于模具单边受力(单边切断时),不但会加剧模具磨损,降低模具寿命,而且也直接影响冲裁件的断面质量。为此,排样时必须统筹兼顾、全面考虑。

冲裁力的计算

影响冲裁力的主要因素是材料的力学性能、厚度、冲裁件轮廓周长及冲裁间隙、刃口锋利程度与表面粗糙度等。

综合考虑上述影响因素,平刃口模具的冲裁力可按下式计算

F=KLtτ b

式中,F——冲裁力,单位为N;

L——冲裁件周边长度,单位为mm;

t——材料厚度,单位为mm;

τb——材料抗剪强度,单位为MPa;

K——考虑模具间隙的不均匀、刃口的磨损、材料力学性能与厚度的波动等因素引入的修正系数,一般取K=1.3。

对于同一种材料,其抗拉强度与抗剪强度的关系为σb≈1.3τb,故冲裁力也可按下式计算

F=Ltσb

卸料力、推件力与顶件力的计算

卸料力、推件力与顶件力是从压力机和模具的卸料、推件和顶件装置中获得的,所以在选择压力机的公称压力和设计冲模以上装置时,应分别予以计算。影响这些的力因素较多,主要有材料的力学性能与厚度、冲裁件形状与尺寸、冲模间隙与凹模孔口结构、排样的搭边大小及润滑情况等。在实际计算时,常用下列经验公式

F X=K X F

F T=nK T F

F D=K D F

式中,F X、F T、F D——分别为卸料力系数、推件力系数和顶件力系数,其值见表2-20;

F——冲裁力,单位为N;

n——同时卡在凹模孔内的冲裁件(或废料)数,n=h/t(h为凹模孔口的直刃壁高度,t为材料厚度)。

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螺旋压力机的吨位的计算公式如下:

1. P=p/q=(64~73)F/q

式中P——螺旋压力机吨位(KN);

P——模锻所需变形力(KN);

F——4连同飞边的投影面积(cm2);

(64~73~——复杂锻件系数取73,简单件取64;

q——是一个变形系数,按螺旋压力机模锻中的行程和变形功可分为:

①锻件需要大的变形行程、变形量和变形功进行模锻时,q=0.6~1.1;

②锻件需要较小的变形行程和变形功进行模锻时q=1.3;

③锻件只需要很小的变形行程,但需要很大的变形力进行精压时q=1.6。

2. P=(17.5~28)KF总(KN)

式中F总——锻件连同飞边的总投影面积(cm2);

K——钢种系数;

(17.5~28)——系数28用于变形困难(如挤压变形,有飞边变形等)及生产率高的条件下,反之取17.5。

上式适用于锤击2~3次成形时所需设备的吨位计算。如果需一次锤击成形应按计算增大一倍。

模具压力中心的计算

多凸模冲裁时压力中心的计算步骤如下:

①选定坐标轴XY。

②计算出各单一图形的压力中心到坐标轴的距离χ1、χ2、χ3、…、χn和y1、y2、y3、…、

y n。

③计算各单一图形轮廓的周长L1、L2、L3、…、L n。

④ 将计算数据分别代入 n n n n

χ0=∑L i χi /∑L i 和y 0= ∑L i y i /∑L i ,即可求得压力中心坐标(X 0,Y 0) i=1 i=1 i=1 i=1

冲裁间隙的计算

冲裁间隙的数值等于凸、凹模刃口尺寸的差值,即 Z=D d -d p

式中,D d ——凹模刃口尺寸; d p ——凸模刃口尺寸。 凸、凹模刃口的计算

落料时,因落料件光面尺寸与凹模刃口尺寸相等或基本一致,应先确定凹模刃口尺寸,即以凹模刃口尺寸为基准。又因落料件尺寸会随凹模刃口的磨损而增大,为保证凹模磨损到一定程度仍能冲出合格零件,故凹模基本尺寸应取落料件尺寸公差范围内的较小尺寸。落料凸模的基本尺寸则是在凹模基本尺寸上减去最小合理间隙。

冲孔时,因孔的光面尺寸与凸模刃口尺寸相等或基本一致,应先确定凸模刃口尺寸,即以凸模刃口尺寸为基准。又因冲孔的尺寸会随凸模刃口的磨损而减小,故凸模基本尺寸应取冲裁件尺寸公差范围内的较大尺寸。冲孔凹模的基本尺寸则是在凸模基本尺寸上加上最小合理间隙。

凸、凹模刃口的制造公差应根据冲裁件的尺寸公差和凸、凹模加工方法确定,既要保证冲裁间隙要求=和冲出合格零件,又要便于模具加工。

设落料件外形尺寸为D 0-δ,冲孔件内孔尺寸为d +δ

0,根据刃口尺寸计算原则,可得落料时

D d =(D max -χΔ)

+δd

D p =( D d -Z min )0-δp =( D max -χΔ- Z min ) 0-δp

冲孔时

d p =(d min +x Δ) 0-δ

p

d d =( d p + Z min ) +δ

d 0= (d min +χΔ+ Z min ) +δ

d

式中,D d 、D p ——落料凹、凸模刃口尺寸,单位为mm ; d p 、d d ——冲孔凸、凹模刃口尺寸,单位为mm ; D max ——落料件的最大极限尺寸,单位为mm ; d min ——冲孔件孔的最小极限尺寸,单位为mm ;

Δ——冲裁件的制造公差,

单位为mm (若冲裁件为自由尺寸,可按IT14级精度处理); Z min ——最小合理间隙,单位为mm ;

δp 、δd ——凸、凹模制造公差,单位为mm,按“入体”原则标注,即凸模按单向负偏差标准,凹模按单向正偏差标准。δp 、δd 可分别按IT6和IT7确定,或取(1/4~1/6)Δ; χ——磨损系数,χ值在0.5~1之间,她与冲裁件精度有关,按下列关系选取:冲裁件精度为IT10以上时,χ=1;冲裁件精度为IT11~IT13时,χ=0.75;冲裁件精度为IT14一下时,χ=0.5。

无论是冲孔还是落料,为了保证间隙,凸、凹模的制造公差必须满足下列条件 δp +δd ≤Z max - Z min

如果δp +δd >Z max - Z min 时,可以取δp =0.4(Z max - Z min ),δd =0.6(Z max - Z min )。如果δp +δd >>Z max - Z min ,则应采用凸、凹模配作方法。

当在同一工步冲出冲裁件上两个以上孔时,因凹模磨损后孔距尺寸不变,故凹模型孔的中心距可按下式确定

L d =(L min +0.5Δ)±Δ/8

式中,L d——凹模型孔中心距,单位为mm;

L min——冲裁件孔心距的最小极限尺寸,单位为mm;

Δ——冲裁件孔心距公差,单位为mm。

当冲裁件上有位置公差要求的孔时,凹模上型孔的位置公差一般可取冲裁件位置公差的1/3~1/5。

弹性元件的选用与计算

在冲裁模卸料与出件装置中,常用的弹性元件是弹簧和橡胶。

⑴弹簧的选用与计算

在卸料装置中,常用的弹簧是圆柱螺旋压缩弹簧。这种弹簧已标准化,设计时根据所要求弹簧的压缩量和生产的压力按标准选用即可。

①卸料弹簧选择的原则

a. 为保证卸料正常工作,在非工作状态下,弹簧应预压,其预压力Fy大于等于单个弹簧承受的卸料力,即

F y≥F x/n

式中,F y——弹簧的预压力,单位为N;

F x——卸料力,单位为N;

n——弹簧数量。

b. 弹簧的极限压缩量应大于或等于弹簧工作时的总压缩量,即

h j≥h=h y+h x+h m

式中,h j——弹簧的极限压缩量,单位为mm;

h——弹簧工作时的总压缩量,单位为mm;

h y——弹簧在预压力作用下产生的预压量,单位为mm;

h x——卸料板的工作行程,单位为mm;

h m——凸模或凸凹模的刃磨量,单位为mm,通常取h m=4~10mm。

c. 选用的弹簧能够合理的布置在模具的相应空间内。

②卸料弹簧选用与计算步骤

a.根据卸料力和模具安装弹簧的空间大小,初定弹簧数量n,计算每个弹簧应产生的预压

力F y。

b.根据预压力和模具结构预选弹簧规格,选择时应使弹簧的极限工作压力F j大于预压力

F y,初选时一般可取F j=(1.5~2)F y。

c.计算预选弹簧在预压力作用下的预压量h y。

H y=F y h j/F j

d.校核弹簧的极限压缩量是否大于实际工作的总压缩量,即h j≥h=h y+h x+h m。如不满足,

则必须重选弹簧规格,直至满足为止。

e.列出所选弹簧的主要参数:d(钢丝直径)、D2(弹簧中径)、t(节距)、h0(自由长度)、n

(圈数)、F j(弹簧的极限工作压力)、h j(弹簧的极限压缩量)。

⑵橡胶的选用与计算

由于橡胶允许承受的载荷较大,安装调整灵活方便,因而是冲裁模中常用的弹性元件。冲裁模中用于卸料的橡胶有合成橡胶和聚氨酯橡胶,其中聚氨酯的性能比合成橡胶优异,是常用的卸料弹性元件。冲模标准中还专门规定了聚氨酯橡胶的规格与尺寸,选用方便。

①卸料橡胶选择的原则

a.为保证卸料正常工作,应使橡胶的预压力F y大于或等于卸料力F x,即

F y≥F x

橡胶的压力与压缩量之间不是线性关系。橡胶压缩时产生的压力按下式计算

F=Ap

式中,A——橡胶的横截面积(与卸料板贴合的面积),单位为mm;

P——橡胶的单位压力,单位为MPa,其值与橡胶的压缩量、形状及尺寸大小有关。

b. 橡胶极限压缩量应大于或等于橡胶工作时的总压缩量,即

h j≥h=h y+h x+h m

式中,h j——橡胶的极限压缩量,单位为mm,为了保证橡胶不过早失效,一般合成橡胶取

h j=(0.35~0.45)h0,聚氨酯橡胶取h j=0.35h0,h0为橡胶的自由高度;

h——橡胶工作时的总压缩量,单位为mm;

h y——橡胶的预压量,单位为mm,一般合成橡胶取h y=(0.1~0.15)h0,聚氨酯橡胶取h y=0.1h0;

h x——卸料板的工作行程,单位为mm,一般取h x=t+1,t为板料厚度;

h m——凸模或凸凹模的刃磨量,一般取h m=4~10mm。

b.橡胶的高度h0与外径D之比应满足条件:

0.5≤h0/D≤1.5

②橡胶选用与计算步骤

a.根据模具结构确定橡胶的形状与数量n。

b.确定每块橡胶所承受的预压力F y=F x/n。

c.确定橡胶的横截面积及截面尺寸。

d.计算并校核橡胶的自由高度h0。橡胶的自由高度可按下式计算

h0=(h x+h m)/0.25~0.3

橡胶自由高度的校核式为0.5≤h0/D≤1.5。若h0/D>1.5,可将橡胶分成若干层,并在层间垫以钢垫片;若h0/D<1.5,则应重新确定其尺寸。