ZL50裝載機總體及工作裝置設計

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防止活塞銷冷擠壓工藝中出現(xiàn)流動缺陷的新方法 D.J.Lee ,D.J.Kim, B.M.Kim 精密機械工程系，研究生院，釜山國家大學，釜山，韓國 機械設計工程部門，研究生院，釜山國家大學，釜山，韓國 機械工程系，工程研究中心，釜山國家大學，釜山，韓國編號3 Janjeon-董，Kumjeong-顧，釜山609-735，韓國 摘要： 這份報告主要研究的是作為汽車零部件之一的活塞銷的流動缺陷。在聯(lián)合冷擠壓制活塞銷的工藝中，起皺就是一種流動缺陷，它是由死金屬區(qū)引起的。具有這種缺陷的部件帶有很明顯的外部特征，特征是被一微小而且厚的塊狀物嵌入材料中，這種缺陷對保證尺寸精度和降低材料損失是不利的，活塞銷的這種缺陷對于其強度和疲勞壽命也有不利的影響。因此，在工藝設計的早期預測并防止這種缺陷是非常重要的。防止其產(chǎn)生的最好方法就是通過控制材料流動來限制或減少死金屬區(qū)。有限元模擬分析方法被應用于流動缺陷研究分析當中，這份研究報告提出了通過去除死金屬區(qū)防止產(chǎn)生流動缺陷的新工藝方法——有限元分析法。將有限元分析的結果與實驗結果做比較，結果表明有限元分析的結果與實驗結果相符合。 關鍵詞： 流動缺陷；活塞銷釘；材料流動控制；前后雙向冷擠壓；死金屬區(qū)；有限元分析 1、序言 冷加工是一種及其重要而且經(jīng)濟的加工方法，尤其對于大批量制件的加工，其優(yōu)點更為突出。由于冷加工具有高的成品率、精確的尺寸精度、良好的表面光潔度，優(yōu)良的機械加工性和冶金工藝性等優(yōu)點，因此冷加工是工業(yè)生產(chǎn)當中應用最為廣泛的零件加工工藝。 冷鍛制件廣泛應用于飛機制造、摩托車、螺母和螺栓等生產(chǎn)制造。但是，冷鍛制件也有可能產(chǎn)生缺陷，這主要取決于金屬材料的變形過程、成形加工的外部條件和材料的流動方式等?？裳由斓牧鸭y缺陷是由材料的引應力狀態(tài)和變形過程引起的；流動缺陷是由不穩(wěn)定的材料流動引起的；低的尺寸精度是由低的模具尺寸精度和摩擦情況引起的，總之，鍛壓制件的缺陷主要包括兩類，分別是內部缺陷和外部缺陷。 這些缺陷危害到產(chǎn)品的質量和制造成本，因此，在工藝設計中的早期預防是非常重要的。利用有限元分析法中的不同可用標準來研究大型鍛件的可延伸裂紋缺陷。KIM和KIM對兩道加強筋進行冷擠壓件的內部和外部缺陷研究，并還在進行一種防止產(chǎn)生這些缺陷的加工工藝設計。 這份報告是一份關于汽車活塞銷產(chǎn)生的缺陷的測試報告，而這種活塞銷是采用前后雙向聯(lián)合擠壓的方式支撐的。這份報告中也提出了新的工藝方法可在工藝設計的早期防止產(chǎn)生流動缺陷，而這些新工藝方案是通過有限元分析研究得出的，實驗證明，這些新工藝方案是可行的。 2、成形工藝與缺陷形成分析 2.1、成形工藝 活塞銷是汽車零部件當中用來連接活塞與曲軸的并傳遞動力的部件，當采用冷沖壓制活塞銷時，設計要求必須保證前后雙向沖壓時具有相同的高度并且不能出現(xiàn)鍛壓缺陷，因為活塞銷在周期性大載荷作用下工作。制作活塞銷的材料是AISI-4135H合金鋼，它具有如下材料流動性 σ＝768.06*ε0.139 ，潤滑措施是采用潤滑油類的磷鍍在活塞銷表面進行潤滑，經(jīng)試驗測試摩擦系數(shù)M為0.1。 加工活塞銷釘以前用的是多步驟加工法（如圖3所示），前兩步通過導圓角和沖出非圓形的基準孔等預處理工序來減少缺陷的產(chǎn)生，從而可以提高尺寸精度和模具壽命，第三步和第四步相同，分別是從前后雙向沖出圓形的腹板，最后一步是修整工序，從而得到活塞銷的形狀，然而，用普通加工方法加工的結果顯示：第三步的早期會在腹板部位形成缺陷，更嚴重的是在缺陷產(chǎn)生的部位出現(xiàn)了一種不一致的流動形式，這種形式是一種非常壞的流動形式的延伸 圖1 活塞銷釘?shù)男螤詈统叽? 圖2 活塞銷釘?shù)牧鲃尤毕? 圖3活塞銷釘傳統(tǒng)的形成過程 2.2用有限元分析預測缺陷的產(chǎn)生 塑性變形組織分布和有效應力對比圖的應用，暗示著有限元精密塑造程序在成形與缺陷分析領域中的商業(yè)價值。最初的坯料直徑為30mm，深度為61mm，最終成品的體積為43.118，這種成形工藝看上去類似于普通加工結果。 最大的裂縫值可以結算出斷裂缺陷產(chǎn)生的可能性，在這個沖壓過程中，其大小只有0.08mm，而且分布在坯料和沖床活塞沖頭接觸的端部。因此，可以避免流動缺陷的產(chǎn)生，因此這種缺陷并不能產(chǎn)生可延展的裂紋。金屬流動的流線圖是由Altan和Knoerr提出的，他們正在從事這種缺陷的分析研究，隨著沖頭沖壓深度的增加，劇烈變動的流線出現(xiàn)了不同的流動速度，從而導致實驗中缺陷的產(chǎn)生（如圖5所示）。 所以金屬流動只出現(xiàn)在第四步的反向沖壓而不出現(xiàn)在正向沖壓，并且在靠近腹板處的金屬被拔起形成一條筋，很像是重疊缺陷，因此，活塞銷的流動缺陷產(chǎn)生并發(fā)展的原因是：正反沖壓時由于死金屬區(qū)域產(chǎn)生而造成的金屬流動速度的不同，這種現(xiàn)象在像活塞銷這種薄壁件沖出尺寸精度高，材料損耗少的孔的制件中是非常明顯的。對于活塞銷這類工作溫度高，載荷大而且為交變載荷的零件來說，這種流動缺陷的產(chǎn)生會對其強度和疲勞壽命產(chǎn)生有害的影響。因此，有必要研究一種新工藝來防止產(chǎn)生流動缺陷。 圖4有效的負荷和裂縫價值的關系 圖5金屬流動和速度的關系 3.防止缺陷的工藝分析與設計 流動缺陷產(chǎn)生的原因是金屬限制死金屬區(qū)域的流動。為了在傳統(tǒng)工藝中早期的沖壓部位(第三步)消除死金屬區(qū)，正沖壓或反沖壓工藝被改為聯(lián)合正反沖壓工藝，這種工藝在兩個完全相反的方向上同時進行同樣地動作。由于正反兩向不同的沖壓率和沖壓長度，要使兩個方向上同時完成材料流動是很困難的，因此在提前完成材料流動就會出現(xiàn)傳統(tǒng)工藝一樣出現(xiàn)的死金屬區(qū)。 因此，在活塞銷成形這種情況下，兩個方向的沖壓率和沖壓長度都是1.89和51mm。目前，一項關于活塞銷的沖壓長度的調查研究正在進行開模正反沖壓工藝的分析，兩個方向上的沖壓長度是不同的，正向沖壓長度長為24.9mm，反向沖壓長度如圖6所示要比正向的短。 反向金屬流動必須強制性的被限制才能滿足設計要求，而這就意為著死金屬區(qū)會產(chǎn)生。因此，要想在兩個方向上得到相同的沖壓長度，提出了三種控制金屬流動的方法，這三種方法都不同程度的強制限制金屬流動。 圖6反向沖壓長度 3.1 改變初加工的形狀 在正反雙向沖壓之前，為了保證從腹板中心處起正反兩個方向的沖壓長度相等，就得要求初加工要將反向沖壓筋的長度設計與雙向沖壓長度24.9mm有所不同。圖7展示了這種改進的工藝的結果，圖8展示了在這種情況下采用正反雙向沖壓工藝時最后一步中金屬的流動。從模擬實驗的結果可以得出，兩個方向的沖壓筋的長度都是51mm，這恰好滿足設計要求和活塞銷的尺寸要求。另外，死金屬區(qū)的金屬流動形式相同，而不像采用普通加工時會產(chǎn)生流動缺陷，而且在兩個方向上的流動速度也是連續(xù)變化的，這就意為著金屬流動在整個過程中是一致的，不會出現(xiàn)限制其流動的死金屬區(qū)。 圖七 多級樣板的修改過程 圖八金屬網(wǎng)的流動 3.2 驅動沖壓模膛 驅動模膛工藝被用來控制金屬流動從而滿足設計要求，這種設備采用向相反方向運動的模膛先與已經(jīng)沖壓成形的一側接觸（如圖9所示），這樣就有助于加快后沖壓方向上的金屬流動而減慢先沖壓方向上的金屬流動速度，采用這種工藝制作的活塞銷，由于反方向沖壓提前完成，而此時活塞正沿著這個方向移動從而增加了金屬沿著這個方向的流動，這個工藝的首要變化因素是沖頭與活塞的相對速率和金屬材料與活塞之間的摩擦條件。 在這個研究中，由于摩擦系數(shù)m＝0.1（在毛胚材料和模膛之間），模擬實驗只與相對速率這一變量有關。如果相對速率小于滿足同時成型最合適的速率，則在反向方向上的沖壓過程就會比正向沖壓提前完成，這樣的話就會像采用普通加工一樣在相同部位產(chǎn)生流動缺陷，相反，如果相對速率大于最適宜的速率，則正向沖壓過程就會比反向沖壓過程提前完成，這樣就會在相反地部位產(chǎn)生缺陷。 因此，為了滿足設計要求，采用半分法可以找出最佳的相對速率，從結果來看，最佳的相對速率是0.48，圖10和11顯示了相對速率分別為0.1 、0.48、1.0時采用一次沖壓變形過程和金屬流動情況。圖11（c）顯示了當采用最佳相對速率0.48時的金屬流動形式，它記錄了一個可以防止缺陷產(chǎn)生的流動形式。 圖9軸向移動的箱體示意圖 圖10根據(jù)相對速度比率變化的活塞銷釘形態(tài) 圖11根據(jù)相對速度比率比較的金屬 3.3 修改模具結構 這種被提出的修改模具結構的工藝可以限制金屬在反方向上的流動，而在這個方向上容易提前完成變形，從而可以實現(xiàn)在兩個方向上同時完成變形，采用這種工藝時，為了能在兩個方向上同時完成變形過程而得到相同的變形長度，卸料器又被設計者重新采用，它是一種使沖頭從制件中抽出的裝置。如果采用普通加工工藝中的固定式卸料器，則由于材料流動受到限制，會出現(xiàn)死金屬區(qū)，而此時產(chǎn)生的部位與采用雙向沖壓時產(chǎn)生在中間位置不同。 因此，一種利用彈簧彈力的結構可以推遲金屬材料沿反方向的流動。圖12顯示了這種模具結構，采用這種方法，選用合適的彈簧彈力對于滿足變形同時完成的要求來講是很重要的，因而有限元模擬可以計算出這種必要地彈力。從模擬結果來看，需要給卸料器施加5噸的彈力。圖13展示了這種工藝下金屬流動形式，與其它改進的工藝方法相比，這種工藝在死金屬區(qū)沒有出現(xiàn)不連續(xù)的流動速度，此處的金屬流動形式是相同的。 圖12使用沖壓模板的凹模模子結構示意圖 圖13使用沖壓模板的金屬流動 4.結果和實驗 通過有限元分析法分析出的三種方法中是適合防止金屬的流動缺陷。每個方法的情況如下。第一種方法是初步加工的產(chǎn)品需要三級過程(預制， 正反壓擠，穿孔)并且有一個簡單的模具結構；第二方法是使用沿軸方向移動的沖孔模板；第三種方法是軸向移動的箱體需要二級過程(前后壓擠，穿孔)并且有一個復雜的模具結構。關于在里面形成的負荷，這三個方法都非常相似。 特別是在沿軸方向移動的大約10噸的箱體情況下形成最大的負荷比其他方法小，因為在穿孔過程中沿軸方向移動的箱體會增加材料的流動。通過表1分析出的方法為形成做出了比較。在這項研究過程中，一個用在初步加工產(chǎn)品的實驗被進行，并且為了證實模擬結果所以使用一個250噸能力的多級樣板。在穿孔之前，為了金屬的觀察蝕刻流動能夠正常被進行，所以必須為活塞銷做一個流動缺陷檢查。圖14就是表示這個實驗結果，這種方法改變了初步加工的產(chǎn)品。實驗結果證明了在缺陷區(qū)域內金屬流動的缺陷是相同的，并且滿足形成同時完成和在兩個擠壓方向長度相同。這種過程和模擬的結果相符。 傳統(tǒng)方法 初步加工的產(chǎn)品的使用 沖壓模板的使用 移動箱體的用途 最大負荷（噸） 97.2 96.3 96.1 84.0 擠壓的過程 2個階段 2個階段 1個階段 1個階段 缺陷 存在 不存在 不存在 不存在 表1 各個方法的比較 圖14 對流動缺陷的消除 5.結論 在這項研究過程中，流動缺陷過程和預防缺陷的過程都已經(jīng)被有限元分析重新設計。，缺陷的原因已經(jīng)被分析，并且通過分析已經(jīng)模擬出了結果。從模擬結果中可以看出，有限元分析方法是可以防止流動缺陷并且滿足生產(chǎn)過程中控制材料的流動狀態(tài)。通過有限元分析的結果和實驗的結果做比較，可以得出以下幾個結論： （1）活塞銷里存在流動缺陷的原因是材料限制死金屬區(qū)域的流動。消除這個區(qū)域最重要的是控制材料的流動。 （2）初步加工的產(chǎn)品設計和改變模具結構是使用軸向運動的擠壓箱來消除擠壓過程中出現(xiàn)的流動缺陷。 （3）被提出的方法滿足了工藝的要求，向前擠壓的長度部分和落后的部分都是相同的，這些已經(jīng)由實驗所證實。 參考文獻： [1] T.Altan，S.I.Oh，L.Gegel，Metal forming，ASM(1983). [2] T. Okamoto，T. Fukuda，H. Hagita，Source Book on Cold Forming，ASTM，1997，pp. 216–226. [3] S.W.Oh，T.H.Kim，B.M.Kim，J.C.Choi，KSME 19 (12) (1995) 3121–3129. [4] R.C.Batra，N.V.Nechitailo，Int.J.Plast. 13 (4) (1997) 291–306. [5] A.S. Wifi，A.Abdel-Hamid，N. El-Abbasi， J. Mater. Process. Technol. 77 (1998) 285–293. [6] D.J. Kim，B.M. Kim，J. KSTP 8 (6) (1999) 612–619. [7] D.C. Ko，Pusan National University Dissertation，1998. [8] T. Altan，M. Knoerr，J. Mater. Process. Technol. 35 (1992) 275–302. [9] K. Osakata，X. Wang，S. Hanami，J. Mater. Process. Technol. 71 (1997) 105–112. 10 1 目錄 摘要 2 前言 4 緒論 5 1 分析研究零件的工藝性 11 1 1 零件分析說明 11 1 2 工藝方案的確定 11 1 2 1 落料工序 13 1 2 2 彎曲工序 13 2 模具設計 13 2 1 零件工藝分析 13 2 2 模具結構設計 13 2 2 1 模具結構形式的選擇 13 2 2 2 模具結構的分析與說明 14 2 2 工藝參數(shù)計算 15 2 2 1 展開尺寸的計算 15 2 2 2 排樣尺寸的計算 16 2 2 3 沖壓力的計算 19 2 2 4 壓力中心的計算 20 2 2 5 落料凸 凹模的刃口尺寸的計算和公差的確定 22 2 2 6 凹模周界尺寸計算 26 2 2 7 彈性元件的參數(shù)計算 27 2 2 8 彎曲工序力的計算 27 2 2 9 彎曲凸模圓角半徑 28 2 2 10 彎曲凹模圓角半徑 28 2 2 11 彎曲凹模的深度 28 2 2 12 彎曲凸凹模的間隙 29 2 2 13 彎曲凸凹模的尺寸 29 2 3 壓力機的選擇 31 2 4 模架的選擇及壓力機的校核 32 2 5 確定裝配基準 32 附錄 33 英語資料翻譯 33 英語資料 33 中文 37 畢業(yè)設計小結 40 參考文獻 41 2 摘要 沖壓制品已在工業(yè) 農(nóng)業(yè) 國防和日常生活中的方面得到廣泛應用 特別是 在機械業(yè)中則為突出 機械產(chǎn)品的外殼大部分是沖壓制品 產(chǎn)品性能的提高要 求高素質的沖壓模具和沖壓性能 成型工藝和制品的設計 沖壓制品的成型方法很多 其主要用于是沖孔 落料 彎曲 拉伸等 而 沖壓模 約占成型總數(shù)的 60 以上 當然如利用電氣控制 可實現(xiàn)半自動化或 自動化作業(yè) 冷沖沖裁模主要用于金屬制品的成型 它是沖壓制品生產(chǎn)中十分重要的工 藝裝置 沖壓模的基本組成是 上下模座 下模墊板 下模固定板 凹模鑲塊 抬料釘 導料板 卸料板 導柱導套 卸料板彈釘 卸料板等 沖裁模成型的廣泛適用 正是我這個設計的根本出發(fā)點 關鍵詞 沖孔 落料 3 Abstract Stamping products has been extensively applied in the industry agriculture national defense and in the daily lives of area especially in the machinery industry Mechanical products is the most pressing housing products and the improvement of product performance requires of high quality performance stamping molds stamping process and product design There are many ways of molding products of stamping Piercing is mainly used for blanking bending stretching etc And Stamping molds almost form more than 60 percent of the total number For example Electrical Control can be realized as semi automatic or automatic operation Cold metal stamping die mainly used for the molding products and it is very important in the production of stamping technology devices The basic component of stamping molds is block model from top to bottom mould plate fixed plate of mould plate die inserts raising nails I plate plate unloading I Introduction sets column unloading bombs nail plate plate Discharge and so on The widely application of blanking moulding is exactly the basic perpose of my design Key wards Piercing Blanking 4 前 言 模具是現(xiàn)代化的生產(chǎn)重要工藝裝備 在國民經(jīng)濟的各個部門都越來越多地 依模具來進行生產(chǎn)加工 越來越引起人們的重視 模具也趨向標準化 隨著模具的迅速發(fā)展 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中 模具已經(jīng)成為生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn) 品不可缺少的重要工藝設備 這次畢業(yè)設計是在學習完所有模具課程的基礎上 進行的 是對我綜合能力的考核 是對我所學知識的綜合運用 也是對我所學 知識的回顧與檢查 本次設計是在指導老師認真 耐心的指導下 對模具的經(jīng)濟性 模具的壽 命 生產(chǎn)周期 及生產(chǎn)成本等指標下進行全面 仔細的分析下而進行設計的 在此 我表示衷心的感謝他們對我的教誨 沖模是模具設計與制造專業(yè)的主要專業(yè)課程之一 它具有很強的實踐性和 綜合性 通過學習這門課程 使我對沖壓模具有了新的認識 從中也學到了不 少知識 激發(fā)了我對沖壓模具的愛好 但因本人經(jīng)驗有限 因此很難避免的存在一些不合理之處 望各位老師批 評和指正 以使我的畢業(yè)設計做到合理 同時也為我走出校門步入社會打下堅 實的基礎 5 緒論 1 1 模具工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位 模具是制造業(yè)的一種基本工藝裝備 它的作用是控制和限制材料 固態(tài)或 液態(tài) 的流動 使之形成所需要的形體 用模具制造零件以其效率高 產(chǎn)品質 量好 材料消耗低 生產(chǎn)成本低而廣泛應用于制造業(yè)中 模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎工業(yè) 是國際上公認的關鍵工業(yè) 模具生產(chǎn)技 術水平的高低是衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標志 它在很大程度上 決定著產(chǎn)品的質量 效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力 振興和發(fā)展我國的模具工業(yè) 正日益受到人們的關注 早在 1989 年 3 月中國政府頒布的 關于當前產(chǎn)業(yè)政策 要點的決定 中 將模具列為機械工業(yè)技術改造序列的第一位 模具工業(yè)既是高新技術產(chǎn)業(yè)的一個組成部分 又是高新技術產(chǎn)業(yè)化的重要 領域 模具在機械 電子 輕工 汽車 紡織 航空 航天等工業(yè)領域里 日 益成為使用最廣泛的主要工藝裝備 它承擔了這些工業(yè)領域中 60 90 的產(chǎn) 品的零件 組件和部件的生產(chǎn)加工 模具制造的重要性主要體現(xiàn)在市場的需求上 僅以汽車 摩托車行業(yè)的模 具市場為例 汽車 摩托車行業(yè)是模具最大的市場 在工業(yè)發(fā)達的國家 這一 市場占整個模具市場一半左右 汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟五大支柱產(chǎn)業(yè)之一 汽車工業(yè)重點是發(fā)展零部件 經(jīng)濟型轎車和重型汽車 汽車模具作為發(fā)展重點 已在汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策中得到了明確 汽車基本車型不斷增加 2005 年將達到 170 種 一個型號的汽車所需模具達幾千副 價值上億元 為了適應市場的需 求 汽車將不斷換型 汽車換型時約有 80 的模具需要更換 中國摩托車產(chǎn)量 位居世界第一 據(jù)統(tǒng)計 中國摩托車共有 14 種排量 80 多個車型 1000 多個型 號 單輛摩托車約有零件 2000 種 共計 5000 多個 其中一半以上需要模具生 產(chǎn) 一個型號的摩托車生產(chǎn)需 1000 副模具 總價值為 1000 多萬元 其他行業(yè) 如電子及通訊 家電 建筑等 也存在巨大的模具市場 目前世界模具市場供不應求 模具的主要出口國是美國 日本 法國 瑞 士等國家 中國模具出口數(shù)量極少 但中國模具鉗工技術水平高 勞動成本低 只要配備一些先進的數(shù)控制模設備 提高模具加工質量 縮短生產(chǎn)周期 溝通 外貿渠道 模具出口將會有很大發(fā)展 研究和發(fā)展模具技術 提高模具技術水 平 對于促進國民經(jīng)濟的發(fā)展有著特別重要的意義 1 2 各種模具的分類和占有量 模具主要類型有 沖模 鍛摸 塑料模 壓鑄模 粉末冶金模 玻璃模 6 橡膠模 陶瓷模等 除部分沖模以外的的上述各種模具都屬于腔型模 因為他 們一般都是依靠三維的模具形腔是材料成型 1 沖模 沖模是對金屬板材進行沖壓加工獲得合格產(chǎn)品的工具 沖模占 模具總數(shù)的 50 以上 按工藝性質的不同 沖模可分為落料模 沖孔模 切口 模 切邊模 彎曲模 卷邊模 拉深模 校平模 翻孔模 翻邊模 縮口模 壓印模 脹形模 按組合工序不同 沖模分為單工序模 復合模 連續(xù)模 2 鍛模 鍛模是金屬在熱態(tài)或冷態(tài)下進行體積成型是所用模具的總稱 按鍛壓設備不同 鍛模分為錘用鍛模 螺旋壓力機鍛模 熱模鍛壓力鍛模 平 鍛機用鍛模 水壓機用鍛模 高速錘用鍛模 擺動碾壓機用鍛模 輥鍛機用鍛 模 楔橫軋機用鍛模等 按工藝用途不同 鍛模可分為預鍛模具 擠壓模具 精鍛模具 等溫模具 超塑性模具等 3 塑料模 塑料模是塑料成型的工藝裝備 塑料模約占模具總數(shù)的 35 而且有繼續(xù)上升的趨勢 塑料模主要包括壓塑模 擠塑模 注射模 此 外還有擠出成型模 泡沫塑料的發(fā)泡成型模 低發(fā)泡注射成型模 吹塑模等 4 壓鑄模 壓鑄模是壓力鑄造工藝裝備 壓力鑄造是使液態(tài)金屬在高溫 和高速下充填鑄型 在高壓下成型和結晶的一種特殊制造方法 壓鑄模約占模 具總數(shù)的 6 5 粉末冶金模 粉末冶金模用于粉末成型 按成型工藝分類粉末冶金模 有 壓模 精整模 復壓模 熱壓模 粉漿澆注模 松裝燒結模等 模具所涉及的工藝繁多 包括機械設計制造 塑料 橡膠加工 金屬材料 鑄造 凝固理論 塑性加工 玻璃等諸多學科和行業(yè) 是一個多學科的綜合 其復雜程度顯而易見 1 3 我國模具工業(yè)的現(xiàn)狀 自 20 世紀 80 年代以來 我國的經(jīng)濟逐漸起飛 也為模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供 了巨大的動力 20 世紀 90 年代以后 大陸的工業(yè)發(fā)展十分迅速 模具工業(yè)的 總產(chǎn)值在 1990 年僅 60 億元人民幣 1994 年增長到 130 億元人民幣 1999 年已 達到 245 億元人民幣 2000 年增至 260 270 億元人民幣 今后預計每年仍會以 10 15 的速度快速增長 目前 我國 17000 多個模具生產(chǎn)廠點 從業(yè)人數(shù)五十多萬 除了國有的專 業(yè)模具廠外 其他所有制形式的模具廠家 包括集體企業(yè) 合資企業(yè) 獨資企 業(yè)和私營企業(yè)等 都得到了快速發(fā)展 其中 集體和私營的模具企業(yè)在廣東和 浙江等省發(fā)展得最為迅速 例如 浙江寧波和黃巖地區(qū) 從事模具制造的集體 企業(yè)和私營企業(yè)多達數(shù)千家 成為我國國內知名的 模具之鄉(xiāng) 和最具發(fā)展活 7 力的地區(qū)之一 在廣東 一些大集團公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè) 為了提高其 產(chǎn)品的市場競爭能力 紛紛加入了對模具制造的投入 例如 科龍 美的 康 佳和威力等知名集團都建立了自己的模具制造中心 中外合資和外商獨資的模 具企業(yè)則多集中于沿海工業(yè)發(fā)達地區(qū) 現(xiàn)已有幾千家 在模具工業(yè)的總產(chǎn)值中 企業(yè)自產(chǎn)自用的約占三分之二 作為商品銷售的 約占三分之一 其中 沖壓模具約占 50 中國臺灣 40 塑料模具約占 33 中國臺灣 48 壓鑄模具約占 6 中國臺灣 5 其他各類模具 約占 11 中國臺灣 7 中國臺灣模具產(chǎn)業(yè)的成長 分為萌芽期 1961 1981 成長期 1981 1991 成熟期 1991 2001 三個階段 萌芽期 工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)設備與技術的不斷改進 由于紡織 電子 電氣 電機和機械業(yè)等產(chǎn)品外銷表現(xiàn)暢旺 連帶使得模具制造 維修業(yè)者和周邊廠商 如熱處理產(chǎn)業(yè)等 逐年增加 在此階段的模具包括 一般民生用品模具 鑄 造用模具 鍛造用模具 木模 玻璃 陶瓷用模具 以及橡膠模具等 1981 年 1991 年是臺灣模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅速且高度成長的時期 有鑒 于模具產(chǎn)業(yè)對工業(yè)發(fā)展的重要性日益彰顯 自 1982 年起 臺灣地區(qū)就將模具產(chǎn) 業(yè)納入 策略性工業(yè)適用范圍 大力推動模具工業(yè)的發(fā)展 以配合相關工業(yè)產(chǎn) 品的外銷策略 全力發(fā)展整體經(jīng)濟 隨著民生工業(yè) 機械五金業(yè) 汽機車及家 電業(yè)發(fā)展 沖壓模具與塑料模具 逐漸形成臺灣模具工業(yè)兩大主流 從 1985 年 起 模具產(chǎn)業(yè)已在推行計算機輔助模具設計和制造等 CAD CAM 技術 所以臺灣 模具業(yè)接觸 CAD CAM CAE CAT 技術的時間相當早 成熟期 在國際化 自由化和國際分工的潮流下 1994 年 1998 年 由臺 灣地區(qū)政府委托金屬中心執(zhí)行 工業(yè)用模具技術研究與發(fā)展五年計劃 與 工 業(yè)用模具技術應用與發(fā)展計劃 以協(xié)助業(yè)界突破發(fā)展瓶頸 并支持產(chǎn)業(yè)升級 朝向開發(fā)高附加值與進口依賴高的模具 1997 年 11 月間臺灣憑借模具產(chǎn)業(yè)的 實力 獲得世界模具協(xié)會 ISTMA 認同獲準入會 正式成為世界模具協(xié)會會員 整體而言 臺灣模具產(chǎn)業(yè)在這一階段的發(fā)展 隨著機械性能 加工技術 檢 測能力的提升 以及計算機輔助設計 臺灣模具廠商供應對象已由傳統(tǒng)的民用 家電 五金業(yè)和汽機車運輸工具業(yè) 提升到計算機與電子 通信與光電等精密 模具 并發(fā)展出汽機車用大型鈑金沖壓 大型塑料射出及精密鍛造等模具 1 4 世界五大塑料生產(chǎn)國的產(chǎn)能狀況 美國塑料 原料 的產(chǎn)量多年來一直雄居各國之首 早在 80 年代前期 美國 塑料產(chǎn)量就已達 2000 萬噸之多 1986 年增至 23l0 萬噸 占全球總產(chǎn)量 8100 噸的 28 5 此后美國塑料產(chǎn)量繼續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)定增長之勢 1988 年 1990 年 1992 年 1994 年 1996 年和 1998 年分別增加到 2710 萬噸 2810 萬噸 3010 8 萬噸 3410 萬噸 4000 萬噸和 4360 萬噸 占世界總產(chǎn)量的比例從 1996 年起提 高到 30 以上 2001 年美國塑料產(chǎn)量為 4170 萬噸 其中以聚乙烯為最多 達 1500 多萬噸 其次分別是氯乙烯 650 萬噸 聚丙烯 720 萬噸 聚苯乙烯對酞酸 脂 320 萬噸 聚苯乙烯 280 萬噸 國內塑料消費量 產(chǎn)量 進口量一出口量 美 國也是全球最多的 美國的全部塑料消費量 2001 年為 4280 萬噸 美國人均塑 料消費量也是很高的 2000 年為 159 公斤 2001 年略減為 155 公斤 居全球 第 3 位 美國現(xiàn)有各種大小塑料企事業(yè)單位 1 萬多家 其中職工人數(shù)少于 50 人 的占總數(shù)的 53 50 l00 人的占 21 100 500 人的占 23 超過 500 人的 占近 4 職工總數(shù)近 90 萬人 在美國塑料制品加工業(yè)的就職人數(shù)達 110 萬 2001 年的出貨金額為 2150 億美元 人均出貨金額為 195 美元 德國是世界最大的塑料 原料 生產(chǎn)國之一 上世紀 90 年代初的 1991 年 1992 年和 1993 年 德國塑料產(chǎn)量都為 990 多萬噸 1994 年增達超過 1000 萬噸 的 1110 萬噸 1998 年達近 1300 萬噸 1999 年為近 1400 萬噸 2000 年增至 1550 萬噸 超過日本為世界第 2 大塑料生產(chǎn)國 2001 年上升為 1580 萬噸 2002 年已過 1600 萬噸 2001 年德國生產(chǎn)的種種塑料原料中 聚乙烯為 285 萬 噸 低密度聚乙烯 160 萬噸 高密度聚乙烯 125 萬噸 氯乙烯 175 萬噸 聚丙 烯 160 萬噸 德國 2001 年的國內塑料消費量為 1280 萬噸 其中聚乙烯 265 萬 噸 聚丙烯 155 萬噸 氯乙烯 152 萬噸 德國人均塑料消費量 2001 年為 160 公 斤 在世界上僅少于比利時的 172 公斤 高于美國的 155 公斤 排在世界第 2 位 德國塑料制品加工業(yè)的職工總計有近 30 萬人 2001 年的出貨金額為 360 億美元 人均 126 美元 德國塑料制品加工企業(yè)中職工少于 50 人的占 44 50 100 人的占 28 100 500 人的占 25 500 人以上的占 4 中國塑料工業(yè)多年持續(xù)高速增長 1991 年產(chǎn)量僅為 250 萬噸 1995 年增為 350 萬噸 1998 年超過 700 萬噸 到 2002 年已增達約 1400 萬噸 超過日本而 成為世界第 3 大塑料原料生產(chǎn)國 中國今年塑料制品市場將持續(xù)走強 在包裝 工程 建材 農(nóng)用和日用塑料制品等各個領域都將有較大幅度的增長 需求量 將超過 2500 萬噸 其中包裝塑料制品今年需求量將超過 850 萬噸 工程塑料制 品需求量將達 400 萬噸左右 建材塑料制品需求量將達 300 萬噸以上 農(nóng)用塑 料制品需求量將在 500 萬噸左右 日用塑料制品需求量約為 80 萬噸左右 日本在很長的時期內都是僅次于美國的世界第 2 大塑料生產(chǎn)國 一直到 1997 年 日本塑料產(chǎn)量曾經(jīng)連續(xù)多年增長 年產(chǎn)量在 70 年代中期就已達 500 多萬噸 1987 年突破 1000 萬噸 1991 年達約 1300 萬噸 1992 年和 1993 年因 受日本經(jīng)濟下滑的影響 產(chǎn)量略有減少 分別降至 1258 和 1225 萬噸 從 1994 年起產(chǎn)量再度增長 1994 年 1995 年和 1996 年分別回升到 1300 萬噸 1400 萬噸和 1470 萬噸 1997 年的產(chǎn)量又比上年增長 3 7 達到 1521 萬噸 首次 9 超過 1500 萬噸 但這種增勢在 1998 年受到遏制 產(chǎn)量大幅度減少 1998 年 日本塑料產(chǎn)量為 1390 萬噸 比上年減少了 8 7 1999 年和 2000 年日本塑料 產(chǎn)量分別回升到 1432 萬噸和 1445 萬噸 但仍遠未恢復到 1997 年的水平 2001 年和 2002 年日本塑料產(chǎn)量再度下降至 1400 萬噸以下的 1364 萬噸和 1361 萬噸 2002 年日本塑料 原料 產(chǎn)量減為 1361 萬噸 而中國則增為 1366 萬噸 日本又 退居第 4 位 韓國塑料產(chǎn)量增長十分迅速 1986 年超過 200 萬噸 1990 年增達 300 萬噸 1992 年突破 500 萬噸 1994 年 1996 年和 1997 年分別上升到 600 多萬噸 700 多萬噸和 800 多萬噸 1998 年產(chǎn)量增至 850 萬噸 1999 年突破 900 萬噸 2001 年達 1200 萬噸 躋身于世界 5 大塑料生產(chǎn)國之列 韓國塑料原料產(chǎn)品中 以聚乙烯居首 2001 年產(chǎn)量為 340 萬噸 低密度聚乙烯 160 萬噸 高密度聚乙 烯 180 萬噸 聚丙烯以 238 萬噸排在第 2 位 其次分別是聚酯 161 萬噸 氯乙 烯 124 萬噸 ABS AS 樹脂 86 萬噸 聚苯乙烯 77 萬噸 韓國國內塑料消費量 2001 年 420 萬噸 只相當于產(chǎn)量的 1 3 略高 人均塑料消費量 2001 年為 106 公斤 韓國塑料制品加工業(yè)的職工總數(shù) 2001 年為 3 1 萬人 出貨金額為 85 億 美元 人均 276 美元 塑料產(chǎn)量位居世界前 10 名的國家和地區(qū)還有法國 660 萬噸 比利時 600 萬 噸 中國臺灣 598 萬噸 加拿大 432 萬噸和意大利 385 萬噸 均為 2001 年產(chǎn)量 1 5 我國模具技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 20 世紀 80 年代開始 發(fā)達工業(yè)國家的模具工業(yè)已從機床工業(yè)中分離出來 并發(fā)展成為獨立的工業(yè)部門 其產(chǎn)值已超過機床工業(yè)的產(chǎn)值 改革開放以來 我國的模具工業(yè)發(fā)展也十分迅速 近年來 每年都以 15 的增長速度快速發(fā)展 許多模具企業(yè)十分重視技術發(fā)展 加大了用于技術進步的投入力度 將技術進 步作為企業(yè)發(fā)展的重要動力 此外 許多科研機構和大專院校也開展了模具技 術的研究與開發(fā) 模具行業(yè)的快速發(fā)展是使我國成為世界超級制造大國的重要 原因 今后 我國要發(fā)展成為世界制造強國 仍將依賴于模具工業(yè)的快速發(fā)展 成為模具制造強國 中國塑料模工業(yè)從起步到現(xiàn)在 歷經(jīng)了半個多世紀 有了很大發(fā)展 模具 水平有了較大提高 在大型模具方面已能生產(chǎn) 48 約 122CM 大屏幕彩電塑殼 注射模具 6 5KG 大容量洗衣機全套塑料模具以及汽車保險杠和整體儀表板等 塑料模具 精密塑料模方面 以能生產(chǎn)照相機塑料件模具 多形腔小模數(shù)齒輪 模具及塑封模具 經(jīng)過多年的努力 在模具 CAD CAE CAM 技術 模具的電加工 和數(shù)控加工技術 快速成型與快速制模技術 新型模具材料等方面取得了顯著 10 進步 在提高模具質量和縮短模具設計制造周期等方面作出了貢獻 盡管我國模具工業(yè)有了長足的進步 部分模具已達到國際先進水平 但無 論是數(shù)量還是質量仍滿足不了國內市場的需要 每年仍需進口 10 多億美元的各 類大型 精密 復雜模具 與發(fā)達國家的模具工業(yè)相比 在模具技術上仍有不 小的差距 今后 我國模具行業(yè)應在以下幾方面進行不斷的技術創(chuàng)新 以縮小 與國際先進水平的距離 1 注重開發(fā)大型 精密 復雜模具 隨著我國轎車 家電等工業(yè)的快速 發(fā)展 成型零件的大型化和精密化要求越來越高 模具也將日趨大型化和精密 化 2 加強模具標準件的應用 使用模具標準件不但能縮短模具制造周期 降低模具制造成本而且能提高模具的制造質量 因此 模具標準件的應用必將 日漸廣泛 3 推廣 CAD CAM CAE 技術 模具 CAD CAM CAE 技術是模具技術發(fā)展的一 個重要里程碑 實踐證明 模具 CAD CAM CAE 技術是模具設計制造的發(fā)展方向 可顯著地提高模具設計制造水平 4 重視快速模具制造技術 縮短模具制造周期 隨著先進制造技術的不 斷出現(xiàn) 模具的制造水平也在不斷地提高 基于快速成形的快速制模技術 高 速銑削加工技術 以及自動研磨拋光技術將在模具制造中獲得更為廣泛的應用 11 1 分析研究零件的工藝性 1 1 零件分析說明 零件形狀及其一般要求 制件如圖 1 1 所示 材料為 20 鋼 材料厚度為 1mm 制件尺寸精度按圖紙要求 未注按 IT12 級 生產(chǎn)綱領年產(chǎn) 10 萬件 1 2 工藝方案的確定 沖裁件的工藝性是指從沖壓工藝方面來衡量設計是否合理 一般的講 在 滿足工件使用要求的條件下 能以最簡單最經(jīng)濟的方法將工件沖制出來 就說 明該件的沖壓工藝性好 否則 該件的工藝性就差 當然工藝性的好壞是相對 的 它直接受到工廠的沖壓技術水平和設備條件等因素的影響 以上要求是確 定沖壓件的結構 形狀 尺寸等對沖裁件工藝的實應性的主要因素 12 確定方案就是確定沖壓件的工藝路線 主要包括沖壓工序數(shù) 工序的組合和 順序等 確定合理的沖裁工藝方案應在不同的工藝分析進行全面的分析與研究 比較其綜合的經(jīng)濟技術效果 選擇一個合理的沖壓工藝方案 影響沖壓件工藝性的因素主要有零件的形狀特點 尺寸大小 設計基準 公 差等級和形狀位置誤差要求 材料的厚度及成形后允許的變薄量 材料的機械性 能和沖壓性能 在沖壓過程中產(chǎn)生的回彈 翹曲的可能性 毛刺大小和方向要求 等 這些因素對確定沖壓工序的性質 數(shù)量和順序 對模具的結構形式及制造精 度要求等都有很大關系 因此 在制定沖壓工藝過程中必須根據(jù)零件圖認真加以 分析 尤其應該注意分析零件在沖壓加工中的難點所在 良好的沖壓工藝性表現(xiàn) 在材料消耗少 沖壓成形時不必采用特殊的控制措施 工藝過程簡單而且壽命長 產(chǎn) 品質量穩(wěn)定 操作方便等 如果發(fā)現(xiàn)零件的工藝性差 則應該在不影響使用要求 的前提下 對零件的形狀 尺寸及其它要求作必要的修改 在工藝分析的基礎上 根據(jù)產(chǎn)品圖紙進行必要的工藝計算 然后分析沖壓件的 沖壓性質 沖壓次數(shù) 沖壓順序和工序組合方式 提出各種可能的沖壓工藝方案 通 過對產(chǎn)品質量 生產(chǎn)效率 設備條件 模具制造和壽命 操作安全以及經(jīng)濟效益等方 面的綜合分析和比較 確定出一種適合于本單位生產(chǎn)的最佳工藝方案 確定工藝方 案時應考慮到以下內容 1 沖壓性質 剪裁 落料 沖孔 是常見的沖壓工藝各沖壓工序有其不同的 性質 特點和用途 編制沖壓工藝時 可以根據(jù)產(chǎn)品圖和生產(chǎn)批量等要求 合理地選 擇這些工序 2 沖壓次數(shù) 沖壓次數(shù)是指同一性質的工序重復進行的次數(shù) 對于拉深件 可根據(jù)它的形狀和尺寸 以及板料許可的變形程度 計算出拉深次數(shù) 彎曲件或沖 裁件的沖壓次數(shù)也是根據(jù)具體形狀和尺寸及極限變形程度來決定 3 沖壓順序 沖壓件各工序的先后順序 主要依據(jù)工序的變形特點和質量 要求等安排的 一般按列原則進行 1 對于帶孔的或有缺口的沖裁件 如果選用簡單模 一般先落料 再沖孔或切 口 使用連續(xù)模時 則應先沖孔或切口 后落料 2 對于帶孔的彎曲件 孔邊與彎曲線的間距較大時 可以先沖孔 后彎曲 如果 孔邊在彎曲線附近 必須在零件壓彎后再沖也 孔與基準面的間距有嚴格要求時 也應先壓彎后沖孔 3 對于帶孔的拉深件 一般來說 都是先拉深 后沖孔 但是孔的位置在零件底 部 且孔徑尺寸要求不高時 也可以先在毛坯上沖孔 后拉深 4 多角彎曲件 應從材料變形和彎曲時材料流動兩方面安排彎曲的先后順 序 一般情況下 先彎外角 再彎內角 5 對于形狀復雜的拉深件 為了便于材料變形和流動 應先成形內部形狀 再 拉深外部形狀 6 整形或校平工序 應在沖壓件基本成形以后進行 4 組合方式 工序的組合方式可以選用復合模和連續(xù)模 主要取決于沖 壓件的生產(chǎn)批量 尺寸大小和精度等因素 一般按下列原則進行 7 對于多孔的沖裁件 當孔之間的間距 孔與材料邊的距離大于允許值時 最好落料與沖孔在一道復合工序中完成 8 當彎曲件的平直高度大于 10mm 時 彎曲工序一般與沖裁工序分開單獨 進行 對于形狀復雜的彎曲件 為簡化模具設計過程 降低模具制造成本 一般安排 13 由兩道劃兩道以上的工序來完成 而形狀較簡單的彎曲件 如 V 形 U 形 Z 形等 應盡量采用一道工序彎曲成形 根據(jù)這一要求對該零件進行工藝分析和工藝方案的確定 由于工件由落料和彎曲兩部分組成 必須分成落料工序和彎曲工序 1 2 1 落料工序 根據(jù)制件的工藝的分析 其基本工序有落料和沖孔兩種 按其先后順序組合 以及合理的加工方案有以下幾種 1 落料 沖孔 單工序沖壓 2 沖孔 落料 單件復合式?jīng)_壓 方案 1 為單工序沖壓 由于制件生產(chǎn)批量大 尺寸又小 這種方案生產(chǎn)效 率低 操作也不安全 故不宜采用 方案 2 為復合式?jīng)_壓 采用復合沖壓 解決了操作安全性和生產(chǎn)率等問題 主要用于生產(chǎn)批量大 精度要求高的沖壓件 故此方案最為合適 1 2 2 彎曲工序 本制件為兩個方向的 U 形彎曲 且生產(chǎn)批量大 在保證生產(chǎn)效率的前提下 用 一套彎曲模成型 2 模具設計 2 1 零件工藝分析 本制件形狀簡單 尺寸 厚度適中 一般批量生產(chǎn) 屬于普通沖壓件 但 在設計冷沖壓模具時要注意以下幾點 1 制件由落料和彎曲兩部分組成 2 此制件的加工難點主要在輪廓沖壓加工上 3 有一定的批量 在設計時要重視模具的材料和結構的選擇 保證一定的 模具壽命 2 2 模具結構設計 根據(jù)確定的沖壓工藝方案和制件的形狀 特點 要求等因素確定沖模的類型 及結構形式 14 2 2 1 模具結構形式的選擇 在模具設計中雖然單工序模具比較簡單也比較容易制造 但是制件離制件邊 緣尺寸較小在落料后勢必會影響模具的精度 且 必然材料的切向流動的 壓力 有可能使工件中細小部分的凸模變形 因此考慮采用彈壓卸料裝置 的復合沖壓 這樣既提高了工作效率又提高了模具的壽命 這樣一來提高 了模具的使用價值 因為制件精度不是多高 采用兩副模具 一副是落料 模 一副是彎曲模 這樣就降低了模具的制造難度 且適合生產(chǎn)條件不是 很好的企業(yè)生產(chǎn)模具 給模具生產(chǎn)帶來一定的廣度 給生產(chǎn)降低了成本 帶來了更大的經(jīng)濟利益 2 2 2 模具結構的分析與說明 1 落料沖孔模結構的分析與說明 本道模具主要用來完成落料 目的明確簡單 看似易設計 但對于本制件 來說它是一個上下不對稱的制件 為了保證在彎曲后的精度 所以要在本 工序中做到的精度 在本制件考慮到形狀有一定的復雜 且較薄 1mm 為了保證制件有較高的平直度 故采用正裝式落料模 制件制造時還要考 慮到制件的定位 根據(jù)制件的特征 為了保證凹模的強度 故采用鉤形當 料銷 和采用外形定位的定位銷 如圖 15 2 彎曲模具設計 彎曲模具的結構設計是在彎曲工序確定后的基礎上進行的 設計時應考慮彎曲件的形 狀要求 材料性能以及生產(chǎn)批量等因素 1 模具結構的分析說明 本制件為兩側雙 U 形彎曲 為了便于加工 降低成本 將凹模做成一體式 其結構如圖 上圖的結構是模具工作時的部位是這副模具的核心 這樣的結構可以適用于批 量生產(chǎn) 即使壞了也可以再制造一個新的重新加工 這大大縮短了工作周期 提高了生產(chǎn)率 而且卸料方便 給生產(chǎn)產(chǎn)家?guī)砹烁玫慕?jīng)濟利益 2 彎曲模的卸料裝置的設計說明 本制件在彎曲后將脹在凹模里 在模具開模時用采用柔性卸料 在開模時 利用彈簧把凹模里的工件頂出來 同時此裝置也有壓料作用 如圖 16 2 2 工藝參數(shù)計算 2 2 1 展開尺寸的計算 根據(jù)零件尺寸 計算落料工序展開尺寸 由于工件 R50 的工件間 a1 的值為 1 側邊 a 的值為 1 8 2 條料寬度的計算 在設計模具是為了方便 采用無側壓裝置送料方式條料寬度計算公式如下 B D 2a Z 0 式中 B 為條料寬度的基本尺寸 D 為條料寬度方向零件輪廓的最大尺寸 a 側面搭邊 Z 導料板與最寬條料之間的間隙 條料寬度的負向偏差 搭邊距 a 如上所示 間隙 剪切公差 Z 查課本得 0 5mm Z 0 5mm 由上面公式計算得 B 132 6 2 2 0 5 0 0 5 137 10 0 5mm 3 步距的計算 由制件的展開圖 所生成的縱向有效尺寸為 Ls 100 5mm 步間距計算公式為 L Ls a1 式中 L 為步間距 Ls 為橫向有效尺寸 18 a1 搭邊距 L 100 5 1 8 102 3mm 由此可得模具排樣圖如下 圖 2 4 根據(jù)要求查資料 選板的規(guī)格 3000 850 1 每塊板可剪 1500 137 規(guī)格條料 12 塊 材料利用率達 90 以上 4 材料利用率的計算 衡量材料經(jīng)濟利用的指標是材料利用率 一個進距內的材料利用率為 10 hBAn 式中 A 沖裁件面積 包括沖出小孔在內 mm 2 n 一個進距內的沖件數(shù)目 B 條料寬度 mm h 進距 mm 由公式得 85 19 2 2 3 沖壓力的計算 當一次沖裁完成以后 為了能夠順利地進行下一次沖裁 必須適時的解決 出件 卸料及排除廢料等問題 選取的沖裁方式不同時 出件 卸料及排除廢 料的形式也就不同 因此沖裁方式將直接決定沖裁模的結構形式 并影響沖裁 件的質量 根據(jù)不同產(chǎn)品的結構和工藝性能 本副模具頂板式順出件結構 由 于本模具采用順出件式模具沖裁 省去校平工序 既可滿足工件對平面度的要 求 有能保證安全生產(chǎn) 完成本制件所需的沖壓力由沖裁力 彎曲力 及卸料力 推料力 頂料力 和壓料力組成 1 沖裁力 F 沖 的計算 由課本式子 F 沖 KtL 式中 為材料的抗剪強度 MPa F 沖 沖裁力 N L 沖裁周邊總邊長 mm t 材料厚度 mm 說明 系數(shù) K 是考慮到?jīng)_裁刃口的磨損 凸模與凹模的波動 數(shù)值的變化 或分布不均 潤滑情況 材料力學性能與厚度公差的變化等因素而設置的安全 系數(shù) 一般取 1 2 當查不到抗剪強度 時 可用抗拉強度 b代替 而取 Kp 1 的近似計算法計算 查 模具設計指導 取 275 MPa 所以沖裁力 F 沖 1 3 1 837 09 275 294kN 2 卸料力 Fx 推料力 FT 頂料力 FD 的計算 在沖裁結束時 由于材料的彈性回復 包括徑向彈性回復和彈性翹曲的回 復 及摩擦的存在 將使沖落部分的材料梗塞在凹模內 而沖裁剩下的材料則 緊箍在凸模上 為使沖裁工作繼續(xù)進行 必須將箍在凸模上的料卸下 將卡在 凹模內的料推出 從凸模上卸下箍著的料所需要的力稱卸料力 將梗塞在凹模 內的料順沖裁方向推出所需要的力稱推件力 逆沖裁方向從凹模內頂出所需要 的力稱頂件力 在實際生產(chǎn)中影響卸料力 推料力 頂料力的因素很多 要精確計算很困 難 在實際生產(chǎn)中常采用經(jīng)驗公式計算 卸料力 F x KxF 推料力 FT nKTF 頂料力 FD KDF 式中 20 F 沖裁力 N Kx卸料力系數(shù) 其值為 0 045 0 055 薄料取大值 厚料取小值 KT 推件力系數(shù) 其值為 0 063 KD 頂件力系數(shù) 其值為 0 08 n 時卡在凹模內的沖裁件數(shù) 或廢料 數(shù) n h t h 凹模洞口的直刃壁高度 t 板料厚度 卸料力和頂料力是設計卸料裝置和彈頂裝置的依據(jù) 因此 Fx 0 045 294 13 23 KN FT 0 063 294 18 52KN FD 0 08 294 23 52 KN 總壓力 F 總的計算 F 總 F 沖 F x FD 294 13 23 23 52 330KN 2 2 4 壓力中心的計算 由于工件形狀比較復雜 用解析法求壓力中心 X0 LX L Y0 LY L 根據(jù)圖 2 5 直角坐標系 求出各線段中點坐標和長度 線段坐標和長度見下表 X y l x l y l 21 0 0 84 0 0 42 2 5 5 210 12 5 41 2 5 1 5 61 8 7 5 40 5 6 2 81 12 51 9 7 22 8 1183 32 159 6 64 8 8 5 4 2 272 16 35 7 66 3 14 5 11 729 3 159 5 64 8 20 5 4 2 272 16 86 1 54 8 22 17 931 6 374 46 3 41 2 38 5 1782 55 1586 2 54 8 60 5 17 931 6 1028 5 64 8 62 4 2 272 16 260 4 66 3 68 11 729 3 748 64 8 74 4 2 272 16 310 8 51 9 75 5 22 8 1183 32 1721 4 40 5 76 5 2 81 153 41 2 77 5 1 5 61 8 116 25 42 89 23 966 2047 0 100 5 84 0 8442 42 89 23 966 2047 41 2 77 5 1 5 61 8 116 25 40 5 76 5 2 81 153 51 9 75 5 22 8 1183 32 1721 4 64 8 74 4 2 272 16 310 8 66 3 63 2 18 5 1226 55 1169 2 64 8 52 5 4 2 272 16 220 5 60 8 51 5 304 255 58 3 47 5 7 408 1 332 5 56 8 42 5 4 2 238 56 178 5 50 8 41 9 457 2 369 46 3 31 5 19 879 7 598 5 54 8 22 17 931 6 374 64 8 20 5 4 2 272 16 86 1 66 3 14 5 11 729 3 159 5 64 8 8 5 4 2 272 16 35 7 51 9 7 22 8 1183 32 159 6 40 5 6 2 81 12 41 2 5 1 5 61 8 7 5 42 2 5 5 210 12 5 34 87 2 12 56 427 04 1095 232 17 88 5 48 67 827 39 4307 295 6 5 89 62 403 5518 28 5 88 5 40 82 1163 37 3612 57 22 53 8 68 5 12 56 675 728 860 36 31 65 9 12 56 389 36 827 704 53 8 68 5 12 56 675 728 860 36 36 41 2 18 56 668 16 764 672 26 3 41 2 12 56 330 328 517 472 36 41 2 18 56 668 16 764 672 53 8 21 3 12 56 675 728 267 528 21 14 12 56 263 76 175 84 53 8 14 12 56 675 728 175 84 sum 837 09 81 512 45326 55 求出 X0 0 09738 Y0 54 148 在不影響使用的前提下為了簡化設計和制造 區(qū)中心為 X0 0 YO 50 25 2 2 5 落料凸 凹模的刃口尺寸的計算和公差的確定 沖裁件的尺寸精度主要決定于模具刃口尺寸精度 模具的合理間隙值也主 要靠刃口尺寸及制造精度來保證 正確決定模具刃口尺寸及制造公差 是設計 沖裁模具的主要任務之一 在決定模具刃口尺寸及其制造公差時需考慮下列原則 1 落料件尺寸由凹模尺寸決定 故設計落料精度時 以凹模為基準 間隙取在 凸模上 2 考慮到?jīng)_裁中凸 凹模的磨損 設計時 凹?；境叽鐟≈萍叽绻罘?圍的較小尺寸 設計沖孔時 凸?；境叽鐒t應取工件尺寸公差范圍的較大 尺寸 這樣 在凸 凹磨損到一定的程度的情況下 仍能沖出合格的制件 凸凹模間隙則取最小合理間隙值 3 確定沖模刃口制造公差時 應考慮制件的公差要求 如果對刃口尺寸精度要 求過高 即制造公差過小 會使模具制造困難 增加成本 延長生產(chǎn)周期 如果對刃口尺寸精度要求過低 即制造精度公差過大 則生產(chǎn)出來的制件可 能不合格 會使模具的壽命降低 若制件沒有標注公差 則對于非圓形件按 國家標準 非配合尺寸的公差數(shù)值 IT14 級處理 沖模則可按 IT11 級制造 對于圓形件 一般可按 IT7 IT6 級制造模具 沖壓件的尺寸公差應按 入體 原則標注為單向公差 落料件上偏差為零 下偏差為負 沖孔件上偏差為正 下偏差為零 本制件為簡單圖形 故按配作法計算凸 凹模刃口尺寸 根據(jù)凸 凹模刃 口尺寸計算公式 先計算出落料凹模刃口尺寸 凹模磨損后變大的尺寸 max0 AA 凹模磨損后變小的尺寸 23 0min AABx 凹模磨損后不變的尺寸 AAC 相應的凹模刃口尺寸A 工件的最大極限尺寸max 工件的最小極限尺寸inB 工件的基本尺寸C 工件公差 工件偏差 4A A X 系數(shù) 一般為 0 5 1 由圖 2 2 知 凹模磨損后不變的尺寸有 凹模磨損后變小的尺寸有 24 凹模磨損后變大的尺寸有 根據(jù)自由公差表 25 把尺寸代入公式 得 變大后的尺寸 變小后的尺寸 26 最后得圖 2 2 6 凹模周界尺寸計算 因制件形狀復雜 尺寸不大 考慮到為了便于加工 故選用整體式凹模比較合 理 1 凹模厚度尺寸 H 的計算 由凹模的計算公式為 27 31mm 3HF 沖 2940 又因為沖裁輪廓線全長超過了 50mm 故應乘以修正系數(shù) K 由 模具設計指導 可得凹模厚度的修正系數(shù) K 的值為 k 1 37 則 H 凹 1 37 31 42 47mm 將凹模厚度圓整成 43mm 2 落料凹模周界尺寸 L B 的計算 因為凹?？卓谳喞獮橹本€和圓弧形組成所以 凹?？卓谥陛喞獮橹本€時 W 1 5H 1 5 43 64 5mm L 250 260mm B 220 230mm 2 2 7 彈性元件的參數(shù)計算 沖壓工藝中常見的彈性元件有彈簧和橡膠等 但是由于這副模具的結構和結 合實際生產(chǎn) 因此我們選用橡膠作為卸料的彈性元件 1 確定橡膠的自由高度 H 自 有資料查 模具設計指導 得 H 自 L 工 0 25 0 30 h 修磨 式中的 L 工為模具的工作行程再加 1 3mm 本模具的工作行程為沖孔落料 故 L 工 1mm h 修磨的取值范圍為 4 6mm 在這里取中間值 5mm H 自 2 0 25 5 5 8 13mm 取 13 2 確定 L 預和 H 裝 由表 3 9 可得如下計算公式 L 預 0 1 0 15 H 自 0 15 9 2mm H 裝 H 自 L 預 9 1 35 mm 11mm 3 確定橡膠橫截面積 A A F q F 由前可知為 F 13 23KN q 0 26 0 5MPa 在這里 由于該模具的工作行程比較小 因 此取 q 0 4MPa 則 A 13230 0 5m 26000mm 2 2 8 彎曲工序力的計算 彎曲力是選擇壓力機和設計模具的重要依據(jù)之一 由于彎曲力受材料性能 零 件形狀 彎曲方法 模具結構等多種因素的影響 很難用理論分析的方法進行 準確計算 所以在生產(chǎn)中常采用經(jīng)驗公式來計算 1 U 形件的彎曲力 20 7bKBtFr 自 式中 自由彎曲在沖壓行程結束時的彎曲力F自 彎曲件的寬度B 28 彎曲件的厚度t 彎曲件的內彎曲半徑r 材料的抗拉強度b 安全系數(shù) 一般取 K 1 3K 本制品由兩個方向的 U 形彎曲組成 且內半徑近似為 0 厚度為 1mm 寬度一邊為 80mm 另一邊為 68 5mm 400b 2 20 70 713 86 5 1490bBtF Nr 自 2 頂料力 D和壓料 YF力的計算 0 38 491 742 自 kN 03k 2 2 9 彎曲凸模圓角半徑 當彎曲件的相對彎曲半徑 r t 較小時 取凸模圓角半徑等于或略小于 工件內側的圓角半徑 r 但不能小于材料允許的最小彎曲半徑 若彎曲件 的 r t 小于最小相對彎曲半徑 則應取凸模圓角半徑 rt rmin 然后增加 一道整形工序 使整形模圓角半徑 rt r0 本制件厚度為 1mm 軟鋼 根據(jù)資料查的最小彎曲半徑 rmin 0 1t 既 rmin 0 1mm 由于制件不需要整形 選凸模圓角半徑為 0 10 2 2 10 彎曲凹模圓角半徑 凹模入口處的圓角半徑的大小對彎曲力以及彎曲件的質量均有影響 過小的凹模圓角半徑會使彎距的彎曲力臂減小 毛坯沿凹模圓角滑入時的 阻力增大 彎曲力增加 并容易使工件表面擦傷甚至出現(xiàn)壓痕 在生產(chǎn)中 通常根據(jù)材料的厚度選擇凹模圓角半徑 當 t 2mm 時 ra 3 6 t 當 t 2 4mm 時 ra 2 3 t 當 t 4mm 時 ra 2t 本制件凹模圓角半徑應取 ra 2 5mm 2 2 11 彎曲凹模的深度 凹模的深度要適當 若過小則彎曲件的兩端自由部分太長 工件回彈 29 大 不平直 若深度過大則凹模增加高度 多耗材并需要較大的壓力機工 作行程 對于 彎曲件 若直邊高度不大或要求兩邊平直 則凹模深度應大于 工件深度 對于彎曲邊角度較大 而平直度要求不高的 U 形件 可查資料 根據(jù)經(jīng)驗確定 本制件對過去后平直度要求不高 根據(jù)資料得凹模深度為 18mm 2 2 12 彎曲凸凹模的間隙 行件的彎曲時必須合理 確定凸 凹之間的間隙 間隙過大則回彈 工件形狀和尺寸誤差增大 間隙過小會增加彎曲力 使工件厚度減薄 增 加摩擦 擦傷工件并降低模具的壽命 形件的凸凹模具的單面間隙值一 般可按下式計算 maxZtCtt Z 彎曲凸 凹模單邊間隙 t 工件材料厚度 基本尺寸 材料厚度的正偏差 C 間隙系數(shù) 本制件取 0 05 本制件材料的厚度公差為 0 9 151 4Ztt m 2 2 13 彎曲凸凹模的尺寸 尺寸標在外形上的彎曲件凸凹模尺寸計算公式 凹模尺寸 max0 75 AAL 凸模尺寸 2TTZ 凸 凹模橫向尺寸 A 彎曲件橫向的最大尺寸 maxL 彎曲件橫向的尺寸公差 凸 凹模制造公差 可取 IT7 IT9 級精度 一般取凸模的精度比凹模的精度A T 高一級 根據(jù)公式得凹模尺寸如圖 30 凹模厚度 25mm 凸模尺寸如圖 31 凸模高度 55mm 2 3 壓力機的選擇 由于該制件是一普通制件 且精度要求不高 因此選用開式可傾壓力機 它具 有工作臺三面敞開 操作方便 成本低廉的優(yōu)點 由于沖孔落料復合模的壓力 行程的特點是在開始階段即 需要很大的壓力 而在后面階段所需要的反倒要小 的多 因此若按總的壓力來選取壓力機 很可能出現(xiàn)雖然總的壓力滿足要求 但是在初始階段沖裁時已經(jīng)超載 同時 選用拉深壓力機還應該對沖裁功進行 核算 否則會出現(xiàn)壓力機在力的大小滿足要求 但是功率有可能過載 飛輪轉 速降低 從而引起電動機轉速降低過大 損壞電動機 因此精確確定壓力機壓 力應當根據(jù)壓力機說明書中給出的允許工作負荷曲線 并校核功率 但是在一 般條件下 可以根據(jù)生產(chǎn)車間的實際條件 在現(xiàn)有壓力機中選取 在這里根據(jù) 總壓力為 330KN 從資料中提供的壓力機公稱壓力序列中選取 400KN 的壓力機 型號為 J23 40 由此可知 電動機的功率遠遠大于所需壓力機的電動機功率 故 可以選用此電動機 32 2 4 模架的選擇及壓力機的校核 1 選擇模架及確定其他沖模零件的有關標準 根據(jù)凹模周界尺寸 B 200 210mm L 250 260mm 查材料選取典型組合 250 200 220 265 由表 5 9 選取滑動導向后側導柱模架 250 200 220 265I 上模坐 250 20 50 下模坐 250 200 60 導柱 32 210 導套 23 115 48 2 校核壓力機安裝尺寸 模座的外形尺寸為 405 285 最大閉合高度為 265mm 由資料查得 J23 40 型壓 力機的工作臺尺寸為 630mm 420mm 最大閉合高度為 300mm 連桿調節(jié)長度為 80mm 故符合安裝要求 2 5 確定裝配基準 裝配基準 落料沖孔應以沖材凸凹模為裝配基準件 首先確定凸凹模在模架中的位置 安裝凸凹模組件 確定凸凹組件在下模 座的位置 然后用平行板將凸凹模和下模座夾緊 沖裁模具材料的選取 可查 冷沖壓模具設計指導 表 8 8 和 8 9 沖裁模的常用配合 H7 h6 的間隙定位配合 導柱和導套的配合 H7 r6 的過度配合 用于較高的定位 凸模與固定板的配合 導套與模座 導套與固定板 模柄與模座的配合 H7 m6 的過度配合 能以最好的定位精度滿足零件的剛性和定位要求 凸 模的固定導套與模座的固定 導柱與固定板的固定 33 附錄 模具先進制造技術 模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎工業(yè) 受到政府和企業(yè)界的高度重視 發(fā)達國 家 模具工業(yè)是進入富裕社會的源動力 之說 可見其重視的程度 當今 模 具就是經(jīng)濟效益 的觀念 已被越來越多的人所接受 而在模具制造中 廣泛 采用各種先進的制造技術并使之不斷發(fā)展完善 是促進模具工業(yè)興旺發(fā)達的必 由之路 模具先進制造技術從廣義上講是模具制造業(yè)不斷吸取信息技術和現(xiàn)代管理 技術的成果 并將其綜合應用于模具產(chǎn)品設計 加工 檢驗 管理 銷售 使 用 服務乃至回收的模具制造全過程 以實現(xiàn)優(yōu)質 高效 低耗和靈活生產(chǎn) 提高在多變的市場中的適應能力和競爭能力的模具制造技術的總稱 模具先進 制造技術的一個發(fā)展趨勢就是 客戶化 小批量和快速交貨 而其總的發(fā)展趨勢是 高效化 精密化 柔性化 網(wǎng)絡化 虛擬化 智能 化 集成化和全球化 模具產(chǎn)品要達到 功能 Function 交貨期 Time to market 質量 Quality 價格 Cost 和服務 Service 均優(yōu)良 即 FTQCS 五要素 缺一不可 模具制造技術迅速發(fā)展 已成為現(xiàn)代制造技術的重要組成部分 如模具的 CAD CAM 技術 模具的激光快速成型技術 模具的精密成形技術 模具的超 精密加工技術 模具在設計中采用有限元法 邊界元法進行流動 冷卻 傳熱 過程的動態(tài)模擬技術 模具的 CIMS 技術 已在開發(fā)的模具 DNM 技術以及數(shù) 控技術等 幾乎覆蓋了所有現(xiàn)代制造技術 現(xiàn)代模具制造技術朝著加快信息驅動 提高制造柔性 敏捷化制造及系統(tǒng) 化集成的方向發(fā)展 一 模具加工的前沿技術 高速數(shù)控加工 高速數(shù)控加工的關鍵技術是 高速主軸及高速進給驅動系統(tǒng)機床 高速 加工刀具系統(tǒng) 基于 CAD CAM 自動化數(shù)控編程 1 高速數(shù)控切削 主要針對車削和銑削 一般高速數(shù)控切削的主軸轉速比普通數(shù)控切削轉速 高 1 10 倍 高速數(shù)控切削的另一個內涵是采用高的進給速度 維持切削力不 變 提高轉速就能夠提高切除率 減少切削時間 維持進給速度在普通切削水 平 提高轉速就能夠降低切削力 可以加工較細或較薄的模具零件 高速主軸是高速數(shù)控切削的首要條件 目前主軸轉速可達 100000 轉 min 高速切削速度在 5 100m s 完全可以達到模具零件的鏡面車削和鏡面銑削 2 高速銑削 第三代制模技術 高速銑削加工不但具有加工速度高以及良好的加工精度和表面質量 而且 與傳統(tǒng)的切削加工相比具有溫升低 加工工件只升高 3 熱變形小 因而適合 于溫度和熱變形敏感材料 如鎂合金等 加工 還由于切削力小 可適