摘 要

本文研究对象是一个某汽车变速箱零件BF换挡锁板，材料35钢、厚度5mm、最大孔径15mm、最小孔径6mm、周界640mm、公差等级T7，偏中小件，零件形状成扁平板状，边缘结构稍复杂，需要冲裁工序较少；就其结构特点及精度要求选择了精密冲压方案，设计精冲模具及诸多零件结构，借助三维建模软件PROE对BF换挡锁板以及反压板、凸凹模、凹模、V形齿圈进行建模，借助数值仿真分析软件DEFORM针对精冲过程进行了三维数值模拟，着重关注剪切面质量即光洁面占比、塌角及毛刺等，分析了影响质量的冲裁速度、冲裁间隙、齿圈齿形参数、反压力压边力、凸模凸凹模的刃口圆角半径等因素，设置多组数据进行仿真模拟，参考比较结果，筛选并制定了合理的精冲工艺方案，绘制总装配图和各零件图，所得结果对于精冲BF换挡锁板具有重要的指导意义。

关键词：精冲工艺；DEFORM；模具

Abstract

The research object of this paper is a certain automobile gearbox part BF shift lock plate, material 35 steel, thickness 5mm, maximum aperture 15mm, minimum aperture 6mm, perimeter 640mm, tolerance grade T7, small and medium parts, the part shape is flat plate, the edge structure is slightly complex. The blanking process is less, the precision stamping scheme is selected according to its structural characteristics and precision requirements, and the fine blanking die and many parts are designed. With the help of the three-dimensional modeling software PROE, the BF shift lock plate, the reverse pressure plate, the punch and concave die and the V-shaped gear ring are modeled, and the three-dimensional numerical simulation of the fine blanking process is carried out with the help of the numerical simulation analysis software DEFORM. This paper focuses on the quality of the shear plane, such as the proportion of the smooth surface, the collapse angle and the burr, and analyzes the factors affecting the quality, such as the blanking speed, the blanking clearance, the tooth profile parameters of the gear ring, the back pressure blank holder force, the edge fillet radius of the punch, and so on. Several groups of data are set up for simulation, and with reference to the results of comparison, a reasonable fine blanking process plan is screened and formulated, and the general assembly drawing and each part drawing are drawn. The results obtained have important guiding significance for fine blanking BF shift lock plate.

Key Words： Fine blanking process; DEFORM; die

目录

第1章 绪论 1

1.1精冲技术背景 1

1.2精冲技术发展与应用 1

1.3精冲现状 2

1.4选题相关 3

第2章 零件工艺分析 4

2.1工艺性分析 4

2.2确定精冲工艺方案 4

2.2.1精冲工艺计算 4

2.2.2工艺方案确定 5

2.2.3活动凸模式和固定凸模式精冲模比较 5

2.2.4选择合适的精冲机 6

2.2.5排样和搭边 7

第3章模具零部件设计 8

3.1齿圈 8

3.1.1齿圈作用 8

3.1.2齿圈设计 8

3.2凸、凹模间隙 9

3.3凹模和凸模设计 10

3.3.1凹模设计 11

3.3.2凸模设计 11

3.4传力杆 12

3.4.1设计要求 12

3.4.2载荷计算 13

3.5顶出装置 14

3.6反压板 14

3.7精冲模架 14

第4章数值模拟分析 15

4.1建模及导入 15

4.2精冲过程 16

4.2.1应力应变分析 16

4.2.2齿圈分析 16

4.2.3冲裁面质量分析 16

第5章结论 17

参考文献 18

致谢 20

第1章 绪论

1.1精冲技术背景

精冲技术最早起源于1921年的德国，瑞士一位名叫Fritz Schiness的匠人在自己的家庭作坊里进行设计和创造性实验，设计了最简易的液压冲裁装置，使用的冲压材料是料厚为8mm、抗拉强度为600N/的钢材，并初步成功进行了一些简单的精密冲裁和剪切实验。

Fritz Schiness在1922年4月9日向德国申请机构申请了“金属零件液压冲裁装置”的专利，之后一年对该工艺进行完善并且与1923年3月9日向世人展示了自己的成果，轰动一时，大家才开始认识到精冲这一门工艺，随后它就被很多国家借鉴，例如：瑞士、法国、英国和美国等^[1]。

Fritz Schiness作为该技术的创始人，当然对该技术的了解程度也领先于其他人，在1924年他成功将该技术应用到实际生产中，建立了第一个精冲模具制造工厂，又紧接着在1925年生产出了第一个精冲零件，一个扁平类环状制件，料厚4mm，壁厚3.5mm，凸起宽3mm，软钢材料，抗拉强度550 N/。自从该技术推广向世界，各个国家争相效仿，但大多数应用于精密钟表行业，一直到1952年瑞士某公式才首次自行设计和制造了肘节式精冲机^[1]。在之后的十年是该技术快速发展的时期，一大批优秀的工程师投身其中，对精冲技术的发展奠定了牢固的基础。

1.2精冲技术发展与应用

精冲技术从被创造到至今约90年，相比较其他的生产工艺技术，精冲技术的发展是缓慢前进的，前五十年的发展很有限，近四十年则发展较快，主要表现在精冲零件、精冲模具、精冲材料、精冲寿命、精冲设计与制造这五个方面，首先是精冲零件的进步，从简单到复杂，从平面到立体，从尺寸小到尺寸大，从低强度到高强度，工艺的复杂性也随之提升，多了例如弯曲、拉深、沉孔、冷挤、翻边、压印这样的工艺。

再到精冲模具，结构的复合化、自动化、标准化、智能化、大型化，将精冲技术的工艺水平提升到了一个很高的地步，现在的大部分采用连续复合模，将很多工序复合到一道工步，节省行程，将模具单元化后，分解式组件和插入式的模块能更好的适应实际生产，不需要卸载模具，即可在短时间内更换损坏的组件，便捷实用。

模具材料做到了真正的多种多样，不仅仅是常见的钢材，还增加了很多新面孔，精冲凸凹模一般会采用高铬合金钢（X155CrVMo12.1、X220CrVMo13.4）和一些高速钢，例如S-6-5-2、S-6-5-3，相关材料专业人士又将目光转向了高强度、高耐磨性、高韧性材料，硬质合金材料GT30、GT40、CPM9V，都是现如今经常被用到的模具材料，这一进步也意味着设计多样的选择^[1]。

再回到实际生产，离不开模具设计与制造，优良的精冲制件往往更需要高精度的工艺设计流程，传统的设计是简陋的，依靠实验经验得到，但新时代的技术给了其更多的可能性，赋予了新的生命，那就是计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造(CAM)，用计算机模拟设计与制造，更快捷更精确更全面。

精冲技术的应用开始受制于其生产难度，因此只应用于精密钟表行业，但随之技术的进步和发展，精冲技术越来越被使用于各种机械制造行业，机械、航空航天、兵器等，以汽车行业为主，据统计一辆新型汽车的冲压零件60%-70%采用了精冲技术，这一数据表面该技术的实际生产应用已经相当成熟，生产商自主开发技术日益成熟，向着更加适合国情的方向发展。

1.3精冲现状

精冲技术作为冲压技术发展的新领域，是大家正在探索的先进的工艺方法。理论上它不仅仅可以冲压，它能在一次冲压中获得比普通冲裁零件尺寸精度高、尺寸小、冲裁面光洁度高、垂直度和互换性好的优质精冲零件，还可以替代现存的铸造、锻造、粉末冶金、以及机加工方法。并且所能应用的行业领域也是相当之广，所以可以展望未来的精冲工艺会得到更长足的发展。

相比于其他国家，我国的精冲技术引进较晚，发展也稍微落后。国外20世纪50年代就进入了实用阶段，60年代大发展期，70年代达到精冲件普及，许多汽车业。新世纪以来，我国的精冲技术发展有了长足的进步，均能自主研发组织精冲件的生产，大批量是这个时代的代名词，当然质量上也可以达到外资企业的标准。这些充分表明了我国在该领域基本有能力完成自主开发，达到高标准、大批量、高效率。

精冲工艺在长达半个多世纪的实际生产中多采用强力压边精冲，然而进入新世纪之后，面临更丰富的领域，强力压边精冲不会向更厚的方向发展，只适合扁平类零件，那么要突破压边精冲的极限厚度，必须要开发新的精冲方法，于是有了现如今的对向凹模精冲、集成精冲、挤出精冲、往复成形精冲等，虽然强力压边精冲还是生产中绝对主流的精冲方法，但是新开发的精冲技术依靠其鲜明的特点仍旧占有一席之地，将来还会出现更多的精冲方法。

目前,国内外关于精冲成形机理的研究方法主要为理论研究、实验研究和有限元数值模拟三种方法^[2]。

理论研究欧美各国以及瑞士日本等国比较领先，我国在这方面起步较晚，目前基本属于吸收消化外国引进的技术，慢慢完善自主开发新技术的能力，根据自己的实际情况灵活运用。实验研究通常是利用大变形矩阵法、网格法对精冲成形过程的应变应力进行研究，。有限元数值模拟是研究最多的方向，比如这次运用到的DEFORM仿真分析软件就是类似这样的方法，该方法可以对精冲零件从压边力、反压力、相对冲裁间隙、压边圈齿形参数、凸凹模圆角半径、冲裁速度等因素分析对精冲件质量的影响，从而确定最佳的精冲方案。国内外学者通过实验和有限元法对精冲机理、工艺参数等对精冲件质量影响大的因素方向做了很多研究，各有侧重，解决了很多问题， 但仍有一些问题尚未解决，有待于进一步研究，比如如何加工更厚、更复杂、强度更高的精冲件，模具寿命短，精冲材料性能等问题。对于存在的问题，还需要理论和实践相结合研究解决。

1.4选题相关

本次选题对象BF换档锁板是某型汽车变速箱中的关键零件，其精度与性能会极大的影响变速箱的使用寿命，精冲技术生产的零件具有精度高、综合性能好的特点，可以较好的适应此零件的技术要求，另外考虑到我国50%以上的精冲件都应用在汽车行业，开发该类零件精冲生产技术具有较大的实用价值。

35号钢优质碳素结构钢（GB/T699-2015）有良好的塑性和适当的强度，淬火HRC40-45，工艺性能较好，焊接性能尚可，大多在正火状态和调质状态下使用。良好的塑性指标，良好的变形性能，精冲时变形区的材料随刃口流动而不会断裂，加之其屈服强度和抗拉强度低，有利于实现精冲过程的工艺润滑，提高模具寿命和剪切面质量。另外BF换挡锁板该零件尺寸精度达到IT7，中等精度要求，零件外形结构较复杂，最小孔径6mm，料厚5mm，属于中等精冲零件。

在满足零件技术要求的前提下，考虑到成本问题，选用材料35钢，以求质量与经济的统一。

第二章 零件工艺分析

2.1工艺性分析

本次选题对象BF换档锁板是某型汽车变速箱中的关键零件，其精度与性能会极大的影响变速箱的使用寿命，因此冲压工艺分析必不可少。

首先零件形状及尺寸偏小，尺寸精度要求T7，中等精度要求， 要求剪切面光洁。由制件图可见R 5mm的1/4圆孔和 ϕ 15mm圆孔等处的尺寸要求很高，普通冲裁工艺难以达到的尺寸精度。另外该锁板材质：35钢，厚度5mm，查表可得35钢的可精冲最大厚度为8mm，抗拉强度 σb (MPa)≥530MPa，在精冲难度等级属于中等。由以上综合得出，该制件符合精冲件结构工艺性要求，适合精冲工艺进行加工。

2.2确定精冲工艺方案

2.2.1精冲工艺计算

冲裁力： = 64050.9 = 1526kN
压边力： = 1.448022.2 = 1567kN

反压力： = 305kN

卸料力： = 76.3kN-152.6kN

顶件力： = 76.3kN-152.6kN

总压力： =1526 (30%-50%)1567 305 = 2301.1kN-2614.5.5kN

2.2.2工艺方案制定

根据该制件的结构分析结果，外形尺寸比较大，内外圆同轴度要求比较高，制件成形工序比较简单，一次冲孔一次落料即可完成，对比分析简单模、复合模和连续模的功能和结构：

• 复合模：可以同时冲出内形与外形，需要的工步少，基本都是一道工步，因此也非常节省空间，可以将多组模具组合成一套模具，避免模具过大的问题，大多数精冲件都会选择复合模
• 简单模：冲孔和落料选一道工序进行，只冲孔不冲外形或者只冲外形不冲孔，这种模具结构多适用于卡尺尺身或者尺框这类只需要一种冲裁工艺的零件，不适用于外形结构较复杂的工件
• 连续模：连续模也是实际生产中使用较多的一类精冲模结构，多道工序分成若干个工步，可以完成多种冲压工艺，压扁精冲、精冲弯曲、精冲压沉头，而且连续模的使用很灵活，遇到凸凹模强度太弱的复合模时，可以用连续模分别冲出工件的内、外形廓，弥补复合模工步单一的缺点^[2]

经过上述对比分析三类精冲模的结构与适用范围，BF换挡锁板的内外形轮廓采用两道工序完成，一次冲孔一次落料，考虑到定位精度以及孔径之间同轴度的要求，连续模和简单模都无法实现，综合冲压性质、工序组合、冲压顺序和冲压次数等因素后，决定采用精冲复合模结构，既可以保证冲孔和落料的同轴度，又可以避免模具尺寸过大没有合适的模架容纳凸凹模。同时，采用复合模的结构也让原材料的排样设计更加灵活。

2.2.3活动凸模式和固定凸模式精冲模比较

• 活动凸模式精冲机

这种模具结构特点是凸模依靠模座与压边圈的内孔导向，通过压边圈和凹模保持相对的位置，凹模和压边圈分别固定在上、下模座上，这类精冲机结构要求凸模和压边圈之间的间隙比凸模和凹模之间的间隙更加小。只有让凸模有较长的导向（闭锁销）和正确定位才能保证对中，这一点和复合模的机制相类似，一套精冲模具提高定位精度，减小不必要的模具空间，如果凸模轮廓的最大尺寸超过了凸模的高度，准确度和定位精度就不易保证。上世纪后期大量采用的一类活动凸模式精冲模典型结构，其特点就是上、下模座不带定位锥形凹槽、压边圈和凹模直接装在上、下模座平面，定位精度依靠压边圈和闭锁销对中保证，这类结构在实际生产中应用广泛，但也存在其缺陷，活动凸模式模具主要适用于中、小尺寸的工件。

• 固定凸模式精冲模

相比活动凸模式精冲模，固定凸模式精冲模最显著的特点就是凸模固定在模座上，压边圈通过传力杆和模座、凸模保持相对运动，这一特征赋予固定凸模式精冲机更广阔的适用范围，内孔较多的零件、不对称的复杂零件、需要连续精冲的零件、冲压力较大的零件、窄长而大型的零件。

不同的模具结构形式，要求压力机具备相应的工作台结构相匹配。固定凸模式精冲模具要求压力机的工作台中心有柱塞液压缸。活动凸模式精冲模具要求压力机的工作台中心部位固定四周有环形液压缸、柱塞构成的浮动液压工作台。活动凸模式模具的凸凹模直接固定在工作台的中心部位，支撑条件比较好，可以满足大冲裁力的不断作用，压边圈是固定在四周浮动的工作台，也比固定凸模式模具平稳。固定凸模式模具需要很多跟传力杆推动，传力杆的高度、口径有误差，就会使凸凹模受到侧应力导致侧弯。此外活动凸模式模具凸凹模刃口修磨后，只需要根据要求更换垫圈即可继续进行精冲，十分便捷，而固定凸模式精冲模具在修磨后，还需要修磨各个传力杆（损耗比较大），还要重新调整压力机的封闭高度，总之在实用性方面，活动凸模式精冲模具优于固定凸模式模具。当然活动凸模式精冲模具也有缺点，不适用与多孔或内轮廓较大、窄长的零件。

经过上述的分析与比较，BF换挡锁板属于中等尺寸精冲件，内孔较少，扁平结构，定位精度要求高，所以选用活动凸模式精冲模具作为本次实验的模具结构。

2.2.4选择合适的精冲机

精冲机按主传传动系统结构 ，可分为机械传动和液压传动两类。液压式传动结构简单，价格低，采用较普遍，但封闭高度的重复精度不如机械式的。综合本次选用的制件尺寸偏小，厚度5mm偏薄，故选择机械传动精冲机。

机械传动精冲机特点如下^[1]：

• 滑块的运动行程是恒定的，具有精确的上死点和下死点位置。
• 稳定性高。
• 形成较曲柄连杆机构短，加压时间长，每分钟行程数可达140次， 所以生产率高。
• 能耗低。
• 调整维修费用低。

机械式肘杆传动精冲机其压边系统、反压系统，都采用液压机构。

精冲诸力计算：

按查表得

按S查表得齿圈高度

外周长；