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摘 要
本文的課題是支架的沖壓工藝及模具設計，進行了落料—沖孔復合模及折彎單工序模兩套模具的設計。文中簡要概述了選題的目的、意義、沖壓件國內外現狀和模具市場發(fā)展趨勢。對產品進行了詳細工藝分析和工藝方案的確定。按照沖壓模具設計的一般步驟，計算并設計了這兩套模具上的主要零部件。落料—沖孔復合模采用四導柱標準模架，折彎模采用中間導柱圓形標準模架并選用了合適的沖壓設備。此外，最后達到設計的模具沖壓工藝方案合理,模具結構型式正確。保證了工件上孔和外形的相對位置的準確性，提高了加工精度。如此設計出的結構可確保模具工作運行可靠和沖壓產品大批量生產的要求。并且通過對現有知識表達方法及其存在的問題、以及沖壓模具智能化設計特點的分析,提出了基于XML (eXtensible Markup Language)語言的知識表達與應用方法。在設計知識重用理論及概念模型的基礎上,研究分析了沖壓模具設計各個階段知識重用的方法,建立了設計知識重用的層次與模型,并分析提出了在CAD、KM和CBR技術基礎上,如何實現整個設計過程的知識重用的方法
關鍵詞：落料-沖孔復合模；單工序折彎模；隔位沖壓；XML
Abstract
Topic of this paper is the stent stamping process and die design, carried out blanking - punching and bending modulus composite single-mode sets the mold design process. This paper briefly outlines the purpose, significance, stamping mold market situation and development trend of domestic and international topics. The product was analyzed to determine the detailed processes and process solutions. Following the general procedure of stamping die design, calculation and design of the main components of these two sets of mold. Blanking - Punching Compound Die four-pillar standard mold, bending mold using the middle pillar round standard mold and selected the appropriate stamping equipment. In addition, the final design of the mold stamping process to reach reasonable solutions, mold structure type is correct. Ensuring the accuracy of the relative position of the holes and the shape of the workpiece, to improve the machining accuracy. Such a structure designed to ensure reliable operation and stamping mold work product requirements of mass production. And the analysis of existing knowledge representation and its problems, as well as intelligent stamping die design features, the proposed method is based on knowledge representation and application of XML (eXtensible Markup Language) language. Knowledge reuse in design theory and conceptual model, based on research and analysis of the various stages of stamping die design knowledge reuse method to establish the level of design knowledge reuse and model, and analyzes presented in CAD, KM and CBR technology, based on how the way to achieve knowledge reuse throughout the design process
Key words: Blanking-punching compound die；Single-slot module processes；Stamping separated spaces；XML
第1章 緒論
1.1沖壓工藝概述
1.1.1 沖壓工藝簡介
沖壓是塑性加工的基本方法之一，它是利用安裝在壓力機上的模具，在室溫下對材料施加壓力使其產生變形或分離，從而獲得具有一定形狀、尺寸和精度的制件的一種壓力加工方法。因為它主要用于加工板料制件，所以也稱板料沖壓。在機械制造中是一種高效率的加工方式。
沖壓廣泛應用于金屬制品各行業(yè)中，尤其在汽車、儀表、軍工、家用電器等工業(yè)中占有極其重要的地位。
沖壓工藝有如下特點：
1.能沖壓出其它加工方法難以加工或無法加工的形狀復雜的零件。比如，從儀器儀表小型零件到汽車覆蓋件、縱梁等大型零件，均由沖壓加工完成。
2.沖壓件質量穩(wěn)定，尺寸精度高。由于沖壓加工是有模具成型，模具制造精度高、使用壽命長，故沖壓件質量穩(wěn)定，制件互換性好。尺寸精度一般可達IT10～IT14級，最高可達到IT6級，有的制件不需要在加工，便可滿足裝配和使用要求。
3.沖壓件具有重量輕、強度高、剛性好和表面粗糙度小等特點。
4.沖壓加工生產效率極高，沒有其它任何一種機械加工方法能與之相比。比如，汽車覆蓋件這樣的大型沖壓件的生產效率，可達每分鐘數件；高速沖壓小型制件，可達每分鐘上千件。
5.材料利用率高，一般為70%～85%。因此沖壓件能實現少廢料或無廢料生產。在某些情況下，邊角余料也可充分利用。
6.操作簡單，便于組織生產，易于實現機械化和自動化生產。對操作工人的技術素質要求不高，新工人經短時培訓便能上崗操作。
7.沖壓的特點是模具制造時間長、制造成本高，故不適宜于單件小批量生產。另外，沖壓生產多采用機械壓力機，由于滑塊往復運動快，手工操作時，勞動強度大，易發(fā)生事故，故必須特別重視安全生產、安全管理以及采取必要的安全技術措施。
8.沖壓模設計需要有很強的想象力與創(chuàng)造力，對于模具的設計者和制造者無論在理論、經驗、創(chuàng)造力方面都要有很高的要求。
1.1.2 沖壓模具的發(fā)展
近年來，我國沖壓模具水平已有很大提高。大型沖壓模具已能生產單套重量達50多噸的模具。為中檔轎車配套的覆蓋件模具內也能生產了。精度達到1~2μm，壽命2億次左右的多工位級進模國內已有多家企業(yè)能夠生產。表面粗糙度達到Ra≤1.5μm的精沖模，大尺寸（φ≥300mm）精沖模及中厚板精沖模國內也已達到相當高的水平。
1. 模具CAD/CAM技術狀況
我國模具CAD/CAM技術的發(fā)展已有20多年歷史。由原華中工學院和武漢733廠于1984年共同完成的精神模CAD/CAM系統(tǒng)是我國第一個自行開發(fā)的模具CAD/CAM系統(tǒng)。由華中工學院和北京模具廠等于1986年共同完成的冷沖模CAD/CAM系統(tǒng)是我國自行開發(fā)的第一個沖裁模CAD/CAM系統(tǒng)。上海交通大學開發(fā)的冷沖模CAD/CAM系統(tǒng)也于同年完成。20世紀90年代以來，國內汽車行業(yè)的模具設計制造中開始采用CAD/CAM技術。國家科委863計劃將東風汽車公司作為CIMS應用示范工廠，由華中理工大學作為技術依托單位，開發(fā)的汽車車身與覆蓋模具CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)于1996年初通過鑒定。在此期間，一汽和成飛汽車模具中心引進了工作站和CAD/CAM軟件系統(tǒng)，并在模具設計制造中實際應用，取得了顯著效益。1997年一汽引進了板料成型過程計算機模擬CAE軟件并開始用于生產。
21世紀開始CAD/CAM技術逐漸普及，現在具有一定生產能力的沖壓模具企業(yè)基本都有了CAD/CAM技術。其中部分骨干重點企業(yè)還具備各CAE能力。
模具CAD/CAM技術能顯著縮短模具設計與制造周期，降低生產成本，提高產品質量，已成為人們的共識。在“八五”、九五“期間，已有一大批模具企業(yè)推廣普及了計算機繪圖技術，數控加工的使用率也越來越高，并陸續(xù)引進了相當數量CAD/CAM系統(tǒng)。如美國EDS的UG，美國Parametric Technology公司 Pro/Engineer，美國CV公司的CADSS，英國DELCAM公司的DOCT5，日本HZS公司的CRADE及space-E, 以色列公司的Cimatron 還引進了AutoCAD CATIA 等軟件及法國Marta-Daravision公司用于汽車及覆蓋件模具的Euclid-IS等專用軟件。國內汽車覆蓋件模具生產企業(yè)普遍采用了CAD/CAM技術/DL圖的設計和模具結構圖的設計均已實現二維CAD，多數企業(yè)已經向三維過渡，總圖生產逐步代替零件圖生產。且模具的參數化設計也開始走向少數模具廠家技術開發(fā)的領域。
在沖壓成型CAE軟件方面，除了引進的軟件外，華中科技術大學、吉林大學、湖南大學等都已研發(fā)了較高水平的具有自主知識產權的軟件，并已在生實踐中得到成功應用，產生了良好的效益。
快速原型（RP）傳統(tǒng)的快速經濟模具相結合，快速制造大型汽車覆蓋件模具，解決了原來低熔點合金模具靠樣件澆鑄模具，模具精度低、制件精度低，樣樣制作難等問題，實現了以三維CAD模型作為制模依據的快速模具制造，它標志著RPM應用于汽車身大型覆蓋件試制模具已取得了成功。
圍繞著汽車車身試制、大型覆蓋件模具的快速制造，近年來也涌現出一些新的快速成型方法，例如目前已開始在生產中應用的無模多點成型及激光沖擊和電磁成型等技術。它們都表現出了降低成本、提高效率等優(yōu)點。
2.模具設計與制造能力狀況
在國家產業(yè)政策的正確引導下，經過幾十年努力，現在我國沖壓模具的設計與制造能力已達到較高水平，包括信息工程和虛擬技術等許多現代設計制造技術已在很多模具企業(yè)得到應用。
雖然如此，我國的沖壓模具設計制造能力與市場需要和國際先進水平相比仍有較大差距。這一些主要表現在高檔轎車和大中型汽車覆蓋件模具及高精度沖模方面，無論在設計還是加工工藝和能力方面，都有較大差距。轎車覆蓋件模具，具有設計和制造難度大，質量和精度要求高的特點，可代表覆蓋件模具的水平。雖然在設計制造方法和手段方面基本達到了國際水平，模具結構周期等方面，與國外相比還存在一定的差距。
標志沖模技術先進水平的多工位級進模和多功能模具，是我國重點發(fā)展的精密模具品種。有代表性的是集機電一體化的鐵芯精密自動閥片多功能模具，已基本達到國際水平。
但總體上和國外多工位級進模相比，在制造精度、使用壽命、模具結構和功能上，仍存在一定差距。
汽車覆蓋件模具制造技術正在不斷地提高和完美，高精度、高效益加工設備的使用越來越廣泛。高性能的五軸高速銑床和三軸的高速銑床的應用已越來越多。NC、DNC技術的應用越來越成熟，可以進行傾角加工超精加工。這些都提高了模具面加工精度，提高了模具的質量，縮短了模具的制造周期。
模具表面強化技術也得到廣泛應用。工藝成熟、無污染、成本適中的離子滲氮技術越來越被認可，碳化物被覆處理（TD處理）及許多鍍（涂）層技術在沖壓模具上的應用日益增多。真空處理技術、實型鑄造技術、刃口堆焊技術等日趨成熟。激光切割和激光焊技術也得到了應用。
1.2工藝方案的確定
1.2.1 Q235的性能
Q235經退火處理后，其抗剪強度為260～360MPa，其抗拉強度為330～450 MPa，其伸長率為32%，其屈服點為200 MPa，適合于做沖壓材料。
圖1—1 壓板：材料Q235 生產批量 大批量
1.2.2 方案確定
方案一：沖孔—落料—彎曲
方案二：落料，沖孔(復合)—彎曲
方案三：落料，沖孔(連續(xù))—彎曲
方案一：單工序模，先沖孔再落料保證一定的精度，但主要適用于生產量較小或單件生產，生產率較低，且多了一模具，生產周期長。
方案二：避免了多次定位的結構，并在沖裁過程中可以壓料，工件較平整，較單工序?？s短生產周期。
方案三: 根據生產量，模具可以采用復合模和連續(xù)模，但是連續(xù)模的結構復雜，對制造精度的要求高，連續(xù)模與復合模比較生產周期長，成本高，維護也困難。
經過比較分析壓板的模具設計采用方案二。
1.2.3 有關設計
壓板由落料沖孔和彎曲兩工步成型，需要設計落料沖孔復合模和彎曲成型模。
壓板生產過程要求模具的結構簡單，生產率高，將兩副模具即落料復合模和彎曲模均設計成一模一腔。復合模設計成先落料再沖孔的結構，采用正裝結構，廢料落在凹模上，內孔不積存廢料，脹力小，為節(jié)約材料凸凹模的最小壁厚取值要?。粔簭潟r，毛坯可能會偏移，設有壓料裝置，彎曲后零件可能留在凸模上也可能留在凹模上要求有卸料和推件裝置。
第2章 復合沖壓模具設計與計算
2.1 沖裁件的工藝設計
2.1.1沖裁件的工藝性分析
沖裁件的工藝性分析是指沖裁件對沖裁的適應性，即沖裁件的形狀結構、尺寸的大小及偏差等是否符合加工的工藝要求。沖裁件的工藝性是否合理對沖裁件的質量、模具的壽命和生產率有很大影響。
壓板的形狀較簡單，無過長的切口和過長的切槽沖孔的孔徑不是很小，孔與孔之間、孔與邊緣之間的距離無過小的現象。壓板的內外形狀有尖銳的清角，為提高模具的壽命，可將清角改為R1的圓角。壓板的零件圖上未標注尺寸公差，屬未標注公差尺寸，可按IT14級確定尺寸公差。經分析壓板符合沖裁工藝要求。
2.1.2 確定工藝方案及模具形式
綜上分析，沖裁件精度要求不高，尺寸不大，形狀不復雜生產量為中批量生產，材料厚度，t=0.8mm,且孔位精度無要求，采用手工送料、彈性卸料、自動漏料、導料銷導料的沖孔落料復合沖裁模具結構形式。
2.2毛坯尺寸的計算
由于壓板需要彎曲工序，需要在沖孔落料前計算毛坯的尺寸。
在板彎曲時，可以認為彎曲前后的寬度和厚度保持不變。因此彎曲毛坯尺寸的確定是指長度展開尺寸的確定。根據應變中性層的意義，毛坯長度應該等于中性層的長度。因此彎曲件的展開長度等于各直邊部分的各彎曲部分長度之和即
L總 =∑L直邊+∑L彎曲 2-1
各個部分彎曲中性層長度L彎曲計算如下：
L彎曲=παρ/180= πα(R+Kt)/180 2-2
式中：α——彎曲中心角，（°）；
R——彎曲件內表面的圓角半徑，mm；
K——中性層因素；
t——材料厚度，mm；
ρ——應變中性層的曲率半徑，mm；
表2-1應變中性層因素K
R/t
0.10
0.25
0.50
1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
5.0
7.5
K
0.30
0.34
0.38
0.42
0.44
0.45
0.47
0.475
0.48
0.50
鉸鏈彎形時，毛坯展開長度公式為：
L=a＋πα（r＋Kt）/180
=60.4
取L=60.5mm
2.3凹凸模間隙的選擇
沖裁間隙指凸、凹模刃口間隙的距離。沖裁間隙是沖壓工藝和模具設計中的重要參數，它直接影響沖裁件的質量、模具壽命和力能的消耗，應根據實際情況和需要合理的選用。沖裁間隙有單面間隙和雙面間隙之分。
2.3.1沖裁間隙的分類
根據沖裁件尺寸精度、剪切質量、模具壽命和力能消耗等主要因素，將金屬材料沖裁間隙分成三種類型：Ⅰ類（小間隙），Ⅱ類（中等間隙），Ⅲ類（大間隙）。
2.3.2 沖裁間隙對沖裁件的影響
1、間隙過小時，由凹模刃口處產生的裂紋在繼續(xù)加壓的情況下將產生二次剪切，繼而被擠入凹模。這樣，制件端面中部留下撕裂面，而兩頭出現光亮帶，在端面出現擠長的毛刺。毛刺雖長單易去除，只要中間撕裂不是很深，仍可用。
2、間隙過大時，材料的彎曲與拉伸增大，拉伸應力增大，材料容易被撕裂，使制件的光亮代減小，圓角與斷裂都增大，毛刺大而厚，難去除。所以隨著間隙的增大，制件的斷裂面的傾斜度的增大，毛刺增高。
2.3.3 間隙對尺寸精度的影響
沖裁件的尺寸精度是指沖裁件的實際尺寸與公差尺寸的差值。間隙越小，則精度越高。這個差值包含兩個方面的偏差，一是沖裁件相對于凸?；虬寄３叽绲钠?，一是模具本身的制造偏差。其中凸、凹模間隙是影響凸?；虬寄３叽绲钠畹闹饕蛩亍?
當凸、凹模的間隙較大時，材料所受拉伸作用增大。沖裁完后，材料的彈性恢復使落料尺寸小于凹模尺寸，沖孔孔徑大于凸模直徑。此時穹彎的彈性恢復方向與其相反，鼓薄板沖裁時制件尺寸偏差減小。在間隙較小時，由于材料受凸、凹模擠壓力大，故沖裁完后，材料的彈性恢復使落料件尺寸增大，沖孔孔徑減小。
2.3.4 間隙對沖裁力的影響
隨著間隙的增大，材料所受的拉力增大，材料容易斷裂分離，因此沖裁力減小。但是繼續(xù)增大間隙時，會因從凸、凹模刃口處產生的裂紋不重合，沖裁力減小。
由于間隙的增大，使沖裁件的光亮面變小，落料尺寸小于凹模尺寸，沖孔尺寸大于凸模尺寸，因而使卸料力、推件力或頂件力也隨之減小。但是，間隙繼續(xù)增大時，因為毛刺增大，引起卸料力、頂件力也迅速增大。
2.3.5 間隙對模具壽命的影響
沖裁模具的壽命通常以保證獲得合格產品時的沖裁次數來表示。沖裁過程中模具的失效形式一般有：磨損、變形、崩刃和凹模刃口漲裂四種。
間隙增大時可使沖裁力、卸料力等減小，因而模具的磨損也減??；但當間隙繼續(xù)增大時，卸料力增加，又影響模具磨損，一般間隙為（10%--15%t）時磨損最小模具壽命較高。間隙小時，落料件梗塞在凹模洞口的漲裂力也大。
2.3.6 確定合理間隙的理論依據
由以上分析可見，凸、凹模對沖裁件質量、沖裁力、模具壽命等都有很大的影響。因此，在設計和制造模具時有一個合理的間隙值，以保證沖裁件的斷面質量好，尺寸精度高，所需沖裁力小，模具壽命高。生產中常選用一個適當的范圍作為合理間隙。這個范圍的最小值稱為最小合理間隙Zmin,最大值稱為最大合理間隙Zmax。設計與制造新模具時采用最小合理間隙值。
確定合理間隙的理論根據是以凸、凹模刃口處產生的裂紋相重合為依據?？梢杂嬎愕玫胶侠黹g隙值，計算公式如下：
Z=2t(1- )tanβ 2-3
由上式可看出，間隙z與材料厚度t、相對切入深度h0/t及破裂角β有關。對硬而脆的材料，h0/t有較小值時，則合理間隙值較大。對軟而韌的材料，h0/t有較大值，則合理間隙值較小。板厚越大，合理間隙越大。
由于理論計算在生產中不便使用，故目前廣泛使用的是經驗數據。
2.3.7合理間隙的選擇
表2-2 常用金屬材料的沖裁初始間隙（雙面）
材料
厚度
08、10、35、09Mn、Q235、B3
Q235
40、50
最小值
△z
最小值
△z
最小值
△z
0.5
0.025
+0.010
0.030
+0.010
0.035
+0.010
0.6
0.030
+0.020
0.036
+0.020
0.042
+0.020
0.8
0.040
0.048
0.056
0.9
0.045
0.054
0.063
1.0
0.050
0.060
0.070
1.2
0.070
+0.030
0.080
+0.030
0.100
+0.030
1.5
0.090
0.110
0.120
2.0
0.120
+0.050
0.140
+0.050
0.160
+0.050
zmax=zmin＋△z，由表可知，此復合模的最小雙面間隙為zmin=0.090mm，最大雙面間隙為zmax=0.120mm。
2.4凹凸模制造方法及刃口尺寸的計算
2.4.1 凹凸模的制造方法
凸、凹模的加工方法有兩種：凸、凹模分開加工法和凸、凹模配合加工方法。
當凸、凹模分開加工時，模具具有互換性，便于模具成批量生產，但精度要求很高，制造困難，相應的會增加加工成本。凸、凹模配合加工適合于較復雜的、非圓形的模具，制造簡單，成本低。
鑒于上述分析，就零件圖所需的凸、凹模宜采用凸、凹模配合加工。
2.4.2凹凸模刃口尺寸的計算
模具刃口尺寸精度等級是影響沖裁件尺寸精度等級的主要因素，模具的合理間隙值也是靠模具刃口尺寸及其精度來保證的。因此，在確定凹、凸模工作部分尺寸及其制造精度時，必須主要考慮到沖裁變形規(guī)律、沖裁件精度等級、模具磨損和制造特點等。
實踐證明，落料件尺寸由凹模刃口尺寸確定；而沖孔件尺寸由凸模刃口尺寸決定。所以，計算凸、凹模刃口尺寸時，應按落料和沖孔兩種情況分別考慮。在生產過程中，凸、凹模刃口尺寸又因磨損而發(fā)生變化。凸模越磨越小，凹模越磨越大，結果使間隙越來越大。因此，在設計和制造模具時，取最小合理間隙值。
(1)落料時，先確定凹模工作部分尺寸，其大小應取接近于或等于工件的最小極限尺寸，以保證凹模磨損到一定尺寸范圍內，仍能沖出合格工件。凸模公稱尺寸應比凹模公稱尺寸小一個合理間隙值。
(2)沖孔時，先確定凸模工作部分尺寸，其大小應取接近或等于孔的最大極限尺寸，以保證凸模磨損到一定尺寸范圍內，仍能沖出合格工件。凹模公稱尺寸應比凸模公稱尺寸大一個合理間隙值。
(3)對于落料件，一般標注單向負公差。假定工件的尺寸為D，工件公差為△，則工件尺寸就是。沖孔件的公差一般為單向正公差，假定沖孔件的公稱尺寸為d，工件公差為△，則沖孔件公差為。若工件尺寸標注有正負公差，則應將正負偏差換成上述要求的等價的正公差或負公差，若工件沒有標注公差，則工件公差按國家標準非配合尺寸的IT14級來處理。
凹凸模配合加工，是指先加工凸模（或凹模），然后根據制好的凸模（或凹模）的實際尺寸，配做凹模（或凸模），在凹模（或凸模）上修出最小合理間隙值。其方法是把先加工出的凸模（或凹模）做為基準件，它的工作部分的尺寸作為基準尺寸，而與它配做的凹模（或凸模），只需在圖紙上標明相應部分的凸模公稱尺寸（或凹模公稱尺寸），注明“××尺寸按凸模（或凹模）配做，每邊保證間隙××”。這樣基準件的制造公差δp（或δd）的大小就不在受凸、凹模間隙大小的限制，是模具制造容易。一般基準件的制造公差δp（或δd）=。
1.落料
落料時應以凹模為基準，在后配做凸模。落料凹模磨損后，刃口尺寸的變化有增大、減小、不變三中情況。
圖2-1 沖裁零件圖
凹模磨損后增尺寸增大時，凹模尺寸按公式 計算，其中系數x按IT14精度等級取值x=0.5。
尺寸72在磨損后增大，△=0.74mm，化為72.37
= (72.37－0.5×0.74)
= 72
尺寸37.5在磨損后增大，△=0.62mm，化為37.81
=(37.81－0.5×0.62)
= 37.5
尺寸12在磨損后增大，△=0.43mm，化為12.215
= (12.215－0.5×0.43)
= 12
尺寸10在磨損后增大，△=0.43mm，化為10.215
= (10.215－0.5×0.43)
= 10
尺寸7在磨損后增大，△=0.36mm，化為7.18
= (7.18－0.5×0.36)
=7
尺寸5在磨損后增大，△=0.30mm，化為5.15
= (5.15－0.5×0.30)
=5
凹模磨損后尺寸減小時，凹模尺寸按計算。
尺寸18磨損后減小，△=0.43mm，化為17.785
=(17.785＋0.5×0.43) = 18
凹模磨損后尺寸不變時，按 計算。
尺寸52在磨損后尺寸不變，△=0.74mm
=52
＝52
尺寸20.5在磨損后尺寸不變，△=0.52mm
=20.5
＝20.5
2.沖孔
落料時應以凸模為基準，然后配做凹模。落料凸模磨損后，刃口尺寸的變化有增、大減、小不、變三中情況。
凸模磨損后尺寸增大時，凸模尺寸按公式計算，其中系數x
按IT14精度等級取值x=0.5。
凸模磨損后尺寸減小時，凸模尺寸按公式計算。
尺寸2-Φ5磨損后尺寸減小，△=0.30mm，化為D=4.85
凸模磨損后尺寸不變的有C1、C2，按計算。
尺寸2-Φ5磨損后尺寸減小，△=0.30mm，化為D=3.85
＝(4.85+0.5×0.30)
=5
2.5排樣
2.5.1排樣的意義
在大量和大批生產時，原始毛坯材料在沖壓零件的成本中占60%以上，因此節(jié)約材料和減少廢料（既材料的經濟利用率）具有很重要的意義。
沖裁件在條料上的布置方法稱為排樣。排樣的合理與否影響到材料的經濟利用，還會影響到模具結構與壽命、生產率、工件公差等級、生產操作方便與安全等。因此，排樣是沖裁工藝與模具設計中一項很重要的工作。
排樣是否合理，經濟性是否好，可用材料利用率來衡量。
利用率用下式來衡量：
2-4
M成------一個成品的重量，kg
H-------一個零件的消耗定額,kg;
M-------沖壓原料的重量，kg ;
n-------原材料上排樣所得零件的數量，個
2.5.2排樣的方法
同一個工件，可有幾種不同的排樣方法。采用最佳排樣方法，應使工藝廢料最少，材料利用率高。
排樣方法按有無廢料可分為三種：
１）有廢料排樣：沿工件的全部外形沖裁。工件與工件之間、工件與條料側邊之間都存在有搭邊廢料。
2）少廢料排樣：沿工件的部分外形切斷或沖裁，而廢料只有沖裁刃之間的搭邊或側搭邊。
3）無廢料排樣：工件與工件之間，工件之間，均無搭邊廢料。條料以直線或曲線的切斷而得到工件。
形特征、排樣的形式又可分為直排、斜排、對排、混合排、多排及沖裁搭邊等。
根據零件的結構特點，選用如下的排樣方式，每次沖壓過程沖出一個零件。
排樣方式與零件在板料上的排布如下圖：
圖2-3零件排布圖
2.5.3搭邊、進距及材料利用率的計算
1.搭邊
排樣時工件與工件之間及工件與條料之間留下的余料稱為搭邊及側搭邊。搭邊使工件沿整個周邊封閉沖裁時補償送料的誤差，并將其在模具上定位，以保證沖裁出完整的工件。搭邊還可以保持條料有一定的剛度和強度，便于送進模具內。
搭邊值要合理確定。塔邊值過大，材料利用率低。搭邊值過小，在沖裁中將會被拉斷，造成送料困難，且使工件產生毛刺，有時還會拉入凸模和凹模間隙中，損壞模具刃口，降低模具壽命。
搭邊值的大小取決于以下因素：
（1）材料的厚度 材料的厚度越大，搭邊值也越大。
（2）材料的機械性能 塑性好的材料，搭邊值大；硬度高與強度大的材料，搭邊值小。
（3）工件形狀 工件外形越復雜，圓角半徑越小，搭邊值越大。
（4）工件尺寸 工件尺寸大，搭邊值取大。
（5）排樣的形式 對排的搭邊值大于直排的搭邊值。
（6）送料和擋料的方式 手工送料，有側壓板導料的搭邊值可取小點。
搭邊值一般由經驗確定，如表2-3所示。
根據表，可取a=a1=2.5mm。
排樣方式與塔邊值決定后，條料的寬度與進距也可以決定。
條料寬度的確定與模具是否采用側壓裝置或側刃有關。
無側壓裝置的條料寬度的確定；條料在送進過程中可能沿導料板的一側，也可能沿另一側，條料導向面的變化將使側搭邊值減小，為保證最小側搭邊值，條料寬度應加大些：
圖2-4條料的寬度
表2-3 搭邊值的經驗值
卸料板形式
條料厚度
搭邊值
a
a1
彈
性
卸
料
板
～ 0.25
1.5～2.5
1.8～2.6
>0.25～0.5
1.2～2.2
1.5～2.5
＞0.5～1.0
1.5～2.5
1.8～2.6
＞1.0～1.5
1.8～2.8
2.2～3.2
＞1.5～2.0
2.0～3.0
2.4～3.4
固
定
卸
料
板
0～0.25
2.2～3.2
＞0.25～0.5
2.0～3.0
＞0.5～1.0 1.01.01.0
1.5～2.5
＞1.0～1.5
1.8～2.8
＞1.5～2.0
2.0～3.0
條料的寬度的計算：
B= 2-5
式中 B—— 條料的公稱寬度，mm
D——垂直于送料方向的工件尺寸,mm
a1——側搭邊,mm
b0——條料與導料板間的間隙,見表2-4
——條料寬度的公差，見表2-4
表2-4剪切條料公差及導料板與條料間的間隙值（mm）
0～1.0
＞1.0～2.0
＞2.0～3.0
＞3.0～5.0
Δ
b0
Δ
b0
Δ
b0
Δ
b0
～50
0.4
0.1
0.5
0.2
0.7
0.4
0.9
0.6
>50～100
0.5
0.6
0.8
1.0
>100～150
0.6
0.2
0.7
0.3
0.9
0.5
1.1
0.7
>150～220
0.7
0.8
1.0
1.2
B=[D+2(a+Δ)+b0] =[72+2×(2.5+0.5)+0.2]
=78.2 mm
條料的寬度的公稱尺寸為B=78.2mm。
2.進距
進距是每次將條料送入模具進行沖裁的距離，進距的計算與排樣方式有關，進距是決定擋料銷位置的依據。
此工序為落料沖孔復合模，零件的進距A的計算公式為：
A＝B + a 2-6
式中 B—平行于送料方向工件的寬度；
a—沖裁件之間的搭邊值。
進距
A=B＋a=37.5＋2.5
=40mm
3.材料利用率的計算(注：取板材規(guī)格為900×1800×1.5)
工件的有效面積
S0 = 1924.32mm
假設條料的長度為900mm，則條料上可以沖出的零件個數為
n1 = = 22.43個 取n1＝22個
n２ = 1800/78.2 = 23.02個 取n２ =23個
則一塊板料上可以沖出的零件個數為
n = n1×n２ =506個
假設條料的長度為1800mm，則條料上可以沖出的零件個數為
n1 = = 44.93個 取n1＝44個
n２ = 900/78.2 = 11.50個 取n２ =11個
則一塊板料上可以沖出的零件個數為
n = n1×n２ =484個
顯然第一種方法沖的零件比第二種方法沖的零件多，因此選擇第一種方法
η = 6T=
= 60.1
則材料的利用率為60.1%。
2.6沖裁力的計算及選擇壓力機
2.6.1沖裁力的計算
1.計算沖裁力
計算沖裁力的目的是為了選用合適的壓力機、設計模具和檢驗模具強度。壓力機的噸位必須大于沖裁力。
一般平刃口模具沖裁時，沖裁力可按下式計算：
2-7
式中 P—— 沖裁力，N；
F—— 沖切斷面積，mm2；
L—— 沖裁周邊長度，mm;
t—— 材料厚度，mm；
—— 材料抗剪強度，MPa；Q235的抗剪強度為216～304MPa，取300MPa；
K—— 安全系數，一般取K＝1.3，考慮到模具刃口的磨損，凸凹模間隙的波動，材料機械性能的變化，材料厚度及偏差等因素。
在沖裁高強度材料或厚度大、周邊長的工件時，所需的沖裁力較大。如果超過現有壓力機噸位，就必須采取措施降低沖裁力，主要有斜刃模具沖裁、階梯模具沖裁和加熱模具沖裁幾種方法。
沖裁周邊長度
L=72×2＋37.5×2＋20.5×4＋3×3.14×4
=338.2mm
則沖裁力為
P=KLtτ=1.3×338.2×1.5×300=197.84KN
2.卸料力、頂件力與推件力的計算
沖裁結束后，由于彈性變形的恢復，會使工件卡緊在凸模或凹模上，必須施加外力，將其取下。
卸料力：將緊箍在凸模上的料卸下所需的力
推件力和頂件力：將卡在凹模中的工件推出或頂出所需的力
表2-5 卸料力、推件力及頂件力的因數
沖裁材料
K卸
K推
K頂
紫銅黃銅
0.02～0.06
0.03～0.09
鋁、鋁合金
0.025～0.08
0.03～0.07
鋼
材 料
厚 度
mm
～0.1
＞0.1～0.5
＞0.5～2.5
＞2.5～6.5
＞6.5
0.06～0.075
0.045～0.055
0.04～0.05
0.03～0.04
0.02～0.03
0.10
0.065
0.050
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
卸料力、推件力及頂件力是由壓力機和模具的卸料與頂件裝置獲得的。在選擇壓力機噸位和設計模具時，要根據模具結構來考慮卸料力、推件力與頂件力的大小，并作必要的計算。影響這些力的因素較多，主要有：材料的機械性能和厚度，工件的形狀和尺寸大小，凸、凹模間隙，排樣的搭邊大小及潤滑情況等。生產中，常用下列經驗公式計算：
2-8
2-9
2-10
K卸、K頂、K推—— 卸料因數、推料因數、頂件因數，
其值見表2-5；
P ——沖裁力， N ；
n —— 卡在凹?？變鹊墓ぜ?，n＝h/t(h為凹
模刃口直高度，t為工件材料厚度)。
卸料力
=0.045×197.84=8.90KN
推件力
=0.05×197.84=9.89KN
頂件力
=0.06×197.84 =11.87KN
3.壓力中心的確定
沖裁力合力的作用點稱為沖模壓力中心。
為保證沖模平衡地工作，沖模的壓力中心必須通過模柄軸線，且與壓力機滑塊的中心線相重合，以防止模具工作時發(fā)生歪斜、間隙不均勻、導向磨損等。定壓力中心主要對復雜沖裁模、多凸模沖孔模及連續(xù)模進行。通常模具布置時將壓力中心安放在凹模的對稱中心點上。
沖模壓力中心的確定過程如下：
1）按比例繪出凸模工作部分的外形；
2）0任意選定坐標軸X－Y。坐標軸的選定應使計算簡便；
3）計算各圖形輪廓周長：L1、 L2、 L3、 L4… Ln(代替沖裁力)，以及各圖形重心坐標：(x1,y1)、 (x2,y2)、 (x3,y3)、 (x4,y4)… (xn,yn)；
4）根據“合力對某軸的力矩等于各分力對同軸力矩的和”的力學原理，得到沖模壓力中心坐標計算公式為：
2-11
因兩腔是對稱分布，則壓力中心是
4.沖裁功的計算
A≈0.5Pt 2-12
式中 A---成形的過程的功，Nm
P---成形工藝力和輔助工藝力之和,N
t---沖裁料厚度，mm
P=P+P+P=197.84+8.90+11.87=218.61kN
沖裁功
A=0.5Pt=0.5×218.61×1.5=163.96N·m
2.6.2選擇壓力機
沖壓設備的正確選擇及合理使用將決定沖壓生產能否順利進行，并與產品、模具壽命、生產效率、產品成本等密切相關。
1.壓力機的類型
1.開式壓力機：在中、小型的沖裁件、彎曲件或拉深件的沖壓生產中，主要選用
開式壓力機。
2．閉式壓力機：在大、中和精度高的沖壓生產中，主要選用閉式壓力機。
3．液壓機：在小批量和大型拉深、彎曲和成型件的生產中多選用液壓機。打算內液壓機一般不適于沖裁工作。
4．高速壓力機：用于大批量生產。通常于連續(xù)模和自動送料裝置配套使用。
5．精壓機：用于精壓和體積精壓等工藝。
6．精沖壓力機：用于精沖工藝，采用專用精沖模具，也可在普通壓力機上實現精沖。
2.壓力機的選擇原理
沖壓設備的選擇主要是根據沖壓工藝性質、生產批量大小、沖壓件的形狀、尺寸及精度要求等因素來決定的。沖壓生產中常用的設備種類很多，選用設備時主要應考慮下述因素：
(1).沖壓設備的類型和工作形式是否適用于應完成的工序，是否符合安全生產和環(huán)保的要求。
(2).沖壓設備的壓力和功率是否滿足應完成任務工序的要求。
(3).沖壓設備裝模高度、工作臺尺寸、行程等是否適合應完成工序所所使用的模具。
(4).沖壓設備的行程次數是否滿足生產率的要求等。
3.選擇壓力機
一般情況下所選壓力機的標稱壓力大于或等于成型工藝力和輔助工藝力總和的1.3倍，對于工作行程小于標稱壓力行程的工序也可直按壓力機的標稱壓力選擇設備。
因此壓力機的標準壓力必須大于沖裁力P=197.84KN。根據以上參數選用開式固定臺壓力機J21-40型。它的部分技術參數如下表所示：
表2-6 開式固定臺壓力機J23-25的部分技術參數
公稱壓力/KN
滑塊行程/mm
行程次數/（次/min）
最大裝模高度/mm
連桿調節(jié)長度/mm
250
65
55～105
270
55
工作臺尺寸/mm
模柄孔尺寸/mm
電動機功率/kW
前后
左右
直徑
深度
2.2
370
360
φ30
70
由壓力機的參數可知壓力機的封閉高度
Hmax=270mm Hmin=215mm
模具的封閉高度：
(Hmax-5)mm H (Hmin+10)mm
(270-5)≥H≥(215+10)
265≥H≥225
2.7沖裁模主要零件的設計
2.7.1凹模設計
1.凹模的刃口形式
凹模的刃口形式有直壁刃口凹模(如圖2-7a、b)和錐形刃口凹模（如圖2-7c、d）。
直辟刃口凹模刃口強度較高，刃口修磨后工作部分尺寸不變，制造方便，適用于沖裁形狀復雜或公差等級要求較高的工件。但是在刃口孔內易于聚集廢料或工件，增大了凹模的脹裂力、推件力和孔壁的磨損。磨損后刃口形成倒錐形狀，可能使沖成的工件從孔口反跳到凹模表面上造成操作困難。
a)型一般適用于非圓形工件。
b)型適于圓形工件、需將工件或廢料頂出的模具或復合沖裁模。
錐形刃口凹模刃口強度較低，刃口尺寸在修磨后有所增大，但一般對工件尺寸和凹模壽命影響不大。工件或廢料很容易從凹?？變嚷湎?，孔內不易積聚工件或廢料，孔壁所受的摩擦力及脹裂力小，所以凹模的磨損及每次修磨量小。錐形刃口凹模適用于形狀簡單、公差等級要求不高、材料較薄的工件。
沖孔落料復合模凹模采用直壁刃口形式（b）。
圖2-5 凹模的刃口形式
圖中凹?？仔蛥等缦卤硭荆?
表2-7 凹?？湛谥饕獏?
材料厚度t/mm
主要參數
h/mm
α
β
<0.5
≥4
15″
2°
0.5～1
≥5
1.0～2.5
≥6
2.凹模輪廓尺寸
凹模的輪廓尺寸應保證有足夠的強度和剛度。凹模的輪廓尺寸，因其結構形式不一，受力狀態(tài)比較復雜，目前還不能用理論計算方法確定。在實際生產中，一般根據沖裁材料的厚度，按經驗公式作概略的計算。凹模的輪廓尺寸應保證有足夠的強度和剛度。目前還不能用理論公式計算來確定，一般情況凹模的輪廓尺寸可按如下的經驗公式確定。
凹模厚度： H=kb（須≥15mm）
凹模壁厚： C≥（1.5～2.0）H（須≥30～40mm）
凹模刃口線為直線時，取C≥1.5H；若為尖端狀或具有復雜形狀時，取C≥2.0H；
式中 b——沖裁件的最大外形尺寸,mm
k——系數,查表2-8。
表2-8系數K值
b/mm
材料厚度/mm
0.5
1
2
3
>3
50～100
0.2
0.22
0.28
0.35
0.42
100～200
0.15
0.18
0.2
0.24
0.3
板料的厚度t=0.8mm，取k=0.28，則凹模厚度：
H=Kb=72×0.28=20.16mm 取H=21mm
凹模壁厚
C≥（1.5～2.0）H=31.5～42mm 取C=42mm
則模具的外形尺寸為
B=2C+b=88+72=160mm
B=2C+b=88+37.5=125.5mm
選取沖壓模具凹模尺寸為：160mm×125mm×21mm。
凹模固定螺釘的大小如下表所示：
表2-9凹模厚度與螺釘的大小
凹模厚度/mm
≤13
>13～19
>19～25
>25～32
>32
螺孔大小/mm
M4、M5
M5、M6
M6、M10
M8、M10
M10、M12
根據表2-8選用M10內六角螺釘。采用螺釘固定時，釘孔到刃口邊及釘孔之間的距離要有足夠的距離，其最小值如下表：
表2-10螺孔到刃口邊的最小距離
螺釘孔
M4
M6
M8
M10
M12
M16
M20
M24
A
淬火
8
10
12
14
16
20
25
30
不淬火
6.5
8
10
11
13
16
20
25
B
淬火
7
12
14
17
19
24
28
35
C
淬火
5
3
不淬火
2.7.2 凹凸模設計
凸模固定端與模座直接接觸時，當單位壓力超過模座材料的許用壓力時，模座表面
就會損傷，為此應在凸模頂端與模座之間加一個淬硬墊板。通常凸模固定端面的壓力超過80～90MPa時（模座材料采用鑄鐵）或壓力超過（80～120MPa(模座材料為Q235)時需要加墊板。
凸凹模固定端面的應力計算：
q =< 2-13
q——固定端面的應力，MPa;
F——落料或沖孔的沖裁力，N;
A——固定部分的最大剖切面積，mm2;
——模座材料的許用應力，MPa.
q==197.84÷1924.32=102.8MPa
凹凸模需要加墊板。
沖壓過程中的凹凸模最小壁厚為a=5mm，查表2-9可知最小壁厚為3.8mm，a=5≥3.8mm，因此凹凸模壁厚滿足要求
表2-11凸凹模最小壁厚 (mm)
料厚/mm
0.4
0.6
0.8
0.9
1.0
1.2
1.5
最小壁厚a/mm
1.4
1.8
2.3
2.5
2.7
3.2
3.8
最小直徑D/mm
15
18
21
凸凹模的長度
L=H1+H2+H3+H 2-14
H1——固定板的厚度，mm 取20mm；
H2——卸料板的厚度,mm 取16mm；
H3——導料銷的高度,mm 取3mm；
H——附加長度，mm 取35.5mm。
L=20+16+3+35.5=74.5mm
2.7.3沖孔凸模的設計
1.凸模長度的計算
凸模的長度
L≤H1+H2+H3 2-15
H1——凹模的高度，mm;
H2——墊板的高度,mm;
H3——凸模固定板的高度,mm。
L=21+14+20=55mm
2.凸模強度的校核
沖裁時，凸模承受的壓應力ρ壓，必須小于凸模材料強度允許的壓應力[ρ壓]：
ρ= 2-16
對圓形凸模，P=πdtτ，代入上式可得：
式中 P——沖裁力，N
F——凸模最小端面積，mm2
d——凸模直徑，mm
t——毛料厚度，mm
τ——毛料材料的抗剪強度，MPa
——凸模材料的許用壓應力，MPa
凸模材料選用45鋼，經調質處理，τ=432～549MPa， =981～1569MPa
d/t=4/1.5=2.67 ≥4×549/981=2.24
2.67>2.24
因此凸模承受壓力能力足夠。
對于有導向裝置的凸模，不發(fā)生失穩(wěn)的允許凸模的長度：
=270 2-17
——允許的凸模的最大長度,mm;
P——沖裁力，N;
d——凸模最小截面的直徑，mm.
=1.3×3.14×4×1.5×250=6.123kN
=270=270×4/=55.38mm≥50mm
因此凸模長度滿足要求。
2.7.4定位零件的確定
定位零件(裝置)的作用是保證坯料的正確送進及在沖模中的正確位置。
使用條料時，保證條料送進導向的零件有導料板、導料銷等。導料銷一般用兩個，
壓裝在凹模上的固定式，在卸料板上的為活動式。導料銷多用于單工序模和復合模。
擋料銷是用來限制條料送進步距，抵住條料的搭邊或工件輪廓的零件，起定位作用。擋料銷分為固定擋料銷和活動擋料銷。
為保證導料銷與凹模刃口間的距離，導料銷選用擋料銷的形式。
圖2-6 固定擋料銷結構尺寸
查相關手冊，取h=3mm，D=10mm，d=4mm，L=13mm。
2.7.5卸料與推料裝置
1.卸料裝置
卸料裝置的主要作用是把材料由凸模上卸下，有時也可作壓料板，以防止材料變形，并能幫助送料導向和保護凸模。卸料裝置有剛性與彈性卸料板和廢料切刀等形式。固定卸料板結構簡單，但卸料力大。彈性卸料板卸料力小，一般用于材料厚度小于等于1.5mm的沖裁。
卸料半選用彈性卸料板，彈性材料選擇橡膠。卸料板的厚度值與凹模寬度有關，其值如下：
表2-12卸料板厚度的選擇 mm
材料厚度t/mm
卸料板寬度B/mm
≤50
>50～80
>80～125
>125～200
>200
≤0.8
8
10
12
14
16
>0.8～1.5
10
12
14
16
18
則卸料板的厚度選擇16mm。
卸料用彈性元件有彈簧、橡膠、氣墊三種它們的性能不同，要根據需要選擇。目前國內小型壓力機中常用的彈性元件是彈簧和橡膠。與彈簧相比橡膠的剛度要大些，因此要求卸料力大而行程小的模具應選擇橡膠，反之則選擇彈簧。
沖裁復合模中選擇橡膠。卸料和頂件用硬橡膠，拉邊多選用軟橡膠。
彈性橡膠選用具聚氨脂。根據模架初選彈性元件的直徑D=45mm，考慮預壓縮量和工作過程的壓縮，最大壓縮量一般不超過35%，最小取10%。取=25%，則H=40mm。
彈性元件的乘壓作用力：
P=FE 2-18
P——彈性元件的乘壓力，N;
F——彈性元件的受力作用面積，mm2;
E——彈性元件的彈性模量，MPa;
E’——近似彈性模量，MPa,;
C——修正因數;
H——彈性元件的高度，mm;
H——彈性元件的壓縮量,mm
E＇和C根據《沖壓及模具設計》表3.28聚氨酯橡膠的形狀系數～近似彈性模量查出E＇=375MPa和3.29K’-E實驗族的修正系數曲線查出C=1.25。
P= FCE＇= E＇C
=×1.25×3.75×25%=138.1kN
校核：彈性卸料力P卸=8.9kN
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