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方形件沖壓模具設(shè)計(jì)【落料?！?落料模,方形,沖壓,模具設(shè)計(jì) 沖壓模具設(shè)計(jì)中側(cè)壁起皺的分析 F.-k. Chen and Y.-C. Liao 臺(tái)灣 臺(tái)北市國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械工程部門 在沖壓過(guò)程中，起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時(shí)。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對(duì)沒(méi)有支撐的側(cè)壁。在沖壓一個(gè)有錐度的方形杯子時(shí)，當(dāng)發(fā)生起皺時(shí)，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過(guò)有限元模擬方法被檢查到。模擬結(jié)果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過(guò)增加沖壓力來(lái)被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過(guò)程的起皺時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有相似幾何類型的實(shí)際部分。在側(cè)壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因?yàn)榻橛跊_頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的。為減少起皺，一個(gè)最適宜的沖模設(shè)計(jì)方法就是利用有限元分析法。在無(wú)起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實(shí)了利用有限元分析法去設(shè)計(jì)沖模的優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：側(cè)壁起皺；沖模；階梯的矩形杯子；帶有錐度的主形杯子 1． 介紹 起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因，在產(chǎn)品中起皺往往不能被接受。在金屬板料成形過(guò)程中，有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生：邊緣起皺，側(cè)壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個(gè)復(fù)雜形狀零件的操作時(shí)，側(cè)壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側(cè)壁區(qū)域的金屬板料相對(duì)于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質(zhì)量，側(cè)壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯，在未被加固的側(cè)壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺，而且在實(shí)際操作中也可以通過(guò)增加沖壓力來(lái)防止起皺，但是過(guò)度的拉力會(huì)通過(guò)裂痕導(dǎo)致失敗。因此，沖壓力必須處于一個(gè)狹小的范圍，一方面，要高于抑制起皺的力，另一方面，要低于產(chǎn)生破裂的力。沖壓力的狹小范圍很難計(jì)算。對(duì)于沖壓一個(gè)復(fù)雜形狀的零件，當(dāng)起皺發(fā)生在中心區(qū)域時(shí)，有意義的沖壓力范圍甚至不存在。 為了檢查起皺的形成結(jié)構(gòu)，Yoshida et al.發(fā)明了一種測(cè)試，在這種測(cè)試?yán)铮粔K薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計(jì)劃一個(gè)近似的理論模型，在這種模型里面，起皺的開始取決于在壓力不均勻區(qū)域中有壓縮的側(cè)部力的彈性灣曲。Yu et al.從實(shí)驗(yàn)性和分析性上研究起皺問(wèn)題，通過(guò)理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個(gè)圓周波的起皺可能發(fā)生，然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示是四到六個(gè)。當(dāng)通過(guò)一個(gè)有錐度的模具畫出金屬板料時(shí)，Narayanasamy和sowerby用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板料的起皺。他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類。 那些努力都被聚中于和簡(jiǎn)單形狀零件關(guān)聯(lián)的起皺問(wèn)題上，例如：一個(gè)圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動(dòng)態(tài)軟件和有限元方法的成功運(yùn)用使得分析包括在沖壓一個(gè)復(fù)雜形狀零件的起皺問(wèn)題成為可能。在當(dāng)前的研究中，三維有限元分析法被用來(lái)分析在沖壓一個(gè)帶有階梯的矩形部分的過(guò)程中，產(chǎn)生起皺的金屬流動(dòng)制造參數(shù)上。 一個(gè)帶有階梯的方形杯子，在杯子的每一邊都有一個(gè)傾斜的側(cè)壁，在帶有錐度的杯子也相應(yīng)的存在傾斜的側(cè)壁。在沖壓過(guò)程中，側(cè)壁上的金屬板料相對(duì)沒(méi)被支撐，因此，這個(gè)部位更容易起皺。在當(dāng)前的研究中，起皺過(guò)程中的各種不同的制造參數(shù)的影響都在被研究。在沖壓一個(gè)帶有階梯的方形杯子時(shí)，就像圖1B顯示的一樣，可以觀測(cè)到另一種形式的起皺。為了評(píng)估分析的效力，在當(dāng)前的研究中，一個(gè)確切階梯幾何形狀的物體被檢測(cè)。通過(guò)使用有限元分析法和用適宜的模具設(shè)計(jì)來(lái)減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測(cè)一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品成形時(shí)，通過(guò)有限元分析法得到的模具設(shè)計(jì)方法得到證實(shí)。 圖1帶有錐度方形杯子的拉伸（a）和帶有階梯的矩形杯子的拉伸（b） 2有限元模型 包括沖頭、模具和毛壞固定器等工具幾何學(xué)是用CAD或PRO/E軟件來(lái)設(shè)計(jì)的。同樣用CAD軟件，三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)的外形元素被采用用來(lái)為以上工具生產(chǎn)網(wǎng)眼系統(tǒng)。對(duì)于有限元模擬來(lái)說(shuō)，工具被認(rèn)為是剛硬的，而且對(duì)應(yīng)的網(wǎng)眼被用來(lái)定義工具幾何學(xué)而不是壓力分析。同樣CAD軟件使用四節(jié)點(diǎn)外形元素來(lái)為板形壞料構(gòu)造網(wǎng)眼。圖2顯示工具的完整布置的網(wǎng)眼系統(tǒng)和用來(lái)沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對(duì)稱條件，方形杯子的四分之一被分析。在模擬中，板形壞料放在壓力機(jī)上，沖模向下移動(dòng)，逆著壓力機(jī)夾緊板形壞料。然后沖模上升使得板形壞料按著模腔成形。 圖2 有限元網(wǎng)眼 為了表演一個(gè)精確的有限元分析法，金屬板料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當(dāng)前的研究中，拉深成形的金屬板料也被用來(lái)模擬。為在飛機(jī)上切割下的樣本測(cè)試被進(jìn)行，它們依次從0度的旋轉(zhuǎn)方向到45度的旋轉(zhuǎn)方向，再到90度的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行著。平均的流動(dòng)力σ，計(jì)算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因?yàn)槊恳粋€(gè)方法真實(shí)應(yīng)變通常用來(lái)模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓，就如圖3顯示的那樣。 當(dāng)前研究中所有的模擬利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。為了完成模似所需輸入數(shù)據(jù)的設(shè)置，沖頭的速度一般設(shè)置在10m/s，庫(kù)侖摩擦系數(shù)設(shè)置在0.1。 圖3 金屬板料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 3 錐度方形杯中的起皺 正像圖1a顯示的那樣，草圖暗示著一些有關(guān)錐度方形杯子的尺寸，方形沖頭每一面的長(zhǎng)度（2WP）、模腔的尺寸（2Wd）和高度(H)被認(rèn)為是影響起皺的至關(guān)重要尺寸。在當(dāng)前研究中，模腔尺寸和沖頭尺寸的差距的一半稱作沖模間隙（記作G），G= Wd- WP。相關(guān)的在側(cè)壁沒(méi)被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過(guò)增加沖壓力來(lái)被抑制。相對(duì)于沖壓一個(gè)錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來(lái)的部分被研究。 3.1沖模間隙的影響 為了檢查沖模間隙對(duì)起皺的影響，在沖壓一個(gè)錐度方形杯子時(shí)，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進(jìn)行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。 圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子 模擬結(jié)果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象，沖模間隙為50mm沖壓出來(lái)的杯子模擬形狀如圖4。從圖4中可以看出，起皺分布在側(cè)壁，側(cè)壁拐角尤其明顯。這就說(shuō)明在沖壓過(guò)程中，起皺是由于在側(cè)壁有大面積區(qū)域不被支撐，同樣，由于沖模間隙不一樣，沖頭各邊的長(zhǎng)度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大，在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來(lái)越不牢固。在壓縮下，側(cè)壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來(lái)的產(chǎn)品，兩個(gè)主要的應(yīng)變比率β被介紹，β=εmin/εmax，這里的εmin和εmax分別是主要的和次要的應(yīng)變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實(shí)際值比β的評(píng)論值大，假設(shè)當(dāng)起皺發(fā)生時(shí)，β的實(shí)際值越大，起皺的可能性就越大。 在三個(gè)沖模間隙不同的沖壓中，同一側(cè)壁高度，沿著橫截面M-N的β值在圖4中標(biāo)記出，在圖5中畫出。圖5中說(shuō)明嚴(yán)重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對(duì)三個(gè)沖模間隙不同的沖壓，在側(cè)壁中心很少發(fā)生起皺。還說(shuō)明了沖模間隙越大，β的實(shí)際值就越大。因此，增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側(cè)壁處發(fā)生起皺的可能性。 3.2沖壓力的影響 眾所周知，在沖壓過(guò)程中，增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響，沖模間隙為50mm與起皺是有關(guān)聯(lián)的，用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來(lái)模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個(gè)力分別產(chǎn)生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分，剩下的模擬條件與給定的是一樣的。處于中間的300KN也被用來(lái)模擬。 模擬結(jié)果顯示沖壓力的增加并沒(méi)有幫助消除發(fā)生在側(cè)壁的起皺。在圖4中已標(biāo)出沿著橫截面M-N的β值與沖壓力為100KN和600KN的β值作比較。模擬結(jié)果指出兩種情況下，沿著橫截面M-N的β值是一樣的。為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形狀，正如圖4和圖6標(biāo)出的那樣，側(cè)壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出，兩個(gè)外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說(shuō)明在沖壓帶有錐度的方形杯子時(shí)，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因?yàn)槠鸢櫟脑蛑饕怯捎谠谟袡M向壓力存在的側(cè)壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對(duì)沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒(méi)有影響。 圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值 4階梯矩形杯子 在沖壓一個(gè)階梯矩形杯子時(shí)，起皺發(fā)生在側(cè)壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側(cè)壁C沿臺(tái)階D-E而行。在近期的研究中，在一個(gè)實(shí)際的產(chǎn)品中檢查到了這種幾何形狀。這種產(chǎn)品使用的原材料的厚度是0.7mm，從拉力測(cè)試中獲得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。 這種沖壓部分產(chǎn)品的程序包括通過(guò)清理焊縫的深拉。在這種深拉過(guò)程中，沒(méi)有焊縫被用在沖模表面來(lái)幫助幫助金屬的流動(dòng)。但是，由于沖頭拐角處的半徑過(guò)小和其復(fù)雜的幾何形狀，如圖7顯示的那樣，在沖頭邊緣上部經(jīng)常發(fā)生拉裂，在真實(shí)產(chǎn)品的側(cè)壁處經(jīng)常發(fā)生起皺。從圖7中可以看出，皺紋發(fā)分布在側(cè)壁上，但是在階梯邊緣拐角處最為嚴(yán)重，就像圖1（b）中A-D，B-E顯示的那樣。在沖頭的上部邊緣，金屬往往被拉裂，就像圖7所示。 為了進(jìn)一步的了解沖壓過(guò)程中板料的變形，誕生了一種有限元的方法。這種有限元模擬方法被在最初的設(shè)計(jì)中。部分的模擬形狀如圖8所示。從圖8中可以看出，零件上部邊緣的網(wǎng)眼被拉深，皺紋分布在側(cè)壁上，類似真實(shí)零件中的那樣。 圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側(cè)壁高度的橫截面線條 圖7 產(chǎn)品零件中的拉裂和起皺 圖8 產(chǎn)品拉裂和起皺的模擬形狀 如圖1（b）就像A-B邊緣半徑和沖孔拐角處A的半徑一樣，沖孔的半徑也很小，這被認(rèn)為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，拉裂可以通過(guò)增加以半徑來(lái)避免。這種理念在現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中通過(guò)增加半徑得到證實(shí)。 個(gè)別的嘗試也被用來(lái)消除起皺。第一，沖壓力加到原來(lái)的2倍。但是，就像在拉深帶有錐度的杯子中得到的結(jié)果一樣，沖壓力對(duì)消除起皺現(xiàn)象沒(méi)有起有很大的效果。通過(guò)增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結(jié)論。于是我們推測(cè)，這種起皺不能通過(guò)增加沖壓力來(lái)得到抑制。 由于在金屬屈服于過(guò)大壓力的區(qū)域，往往會(huì)因?yàn)榇罅康慕饘倭鲃?dòng)而起皺，一種通過(guò)在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡(jiǎn)單方法被用來(lái)吸收多余的材料。為了多余的金屬能有效的被吸收，掛鉤應(yīng)該平衡的加在起皺位置?；谶@種理念，兩個(gè)掛鉤被加在鄰近在壁上吸收多余的材料，如圖9如示。模擬結(jié)果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒(méi)被吸收。這說(shuō)明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來(lái)吸收所有過(guò)量的材料，但是這在模具設(shè)計(jì)中是不允許的。 利用有限元分析法分析沖壓工序的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是沖壓過(guò)程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測(cè)，而這在真實(shí)的產(chǎn)品沖壓過(guò)程中是不可能的。對(duì)沖壓過(guò)程中金屬流動(dòng)的精密監(jiān)測(cè)顯示板料最開始通過(guò)沖頭的力按模腔的形狀成形，直到板料接觸到如圖1（b）階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如 圖9 加到側(cè)壁的起皺 圖10顯示的那樣。這就為模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了有價(jià)值的信息。 圖10 當(dāng)板料接觸臺(tái)階邊緣的起皺形成 圖11 切除了的臺(tái)階拐角 對(duì)于起皺的發(fā)生，最初的一個(gè)猜想是沖頭拐角處范圍A和階梯拐角處范圍D之間的金屬板料處于不平坦的拉深，就如圖1（b）所示。階梯拐角處被切主要是為了改善拉深條件，這樣就允許通過(guò)增加階梯邊緣有更多的拉伸被應(yīng)用到如圖11所示，從而使得模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)得到發(fā)展。但是，杯子側(cè)壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因?yàn)檎麄€(gè)沖頭邊緣和整個(gè)階梯邊緣的不平坦引起的，不僅僅是沖頭拐角處和階梯拐角處之間的不平坦。為了證實(shí)這種說(shuō)法，兩種改進(jìn)過(guò)了的模具設(shè)計(jì)被用來(lái)實(shí)驗(yàn)：為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作，一種是切去整個(gè)階梯，而另一種是增加更多的拉深操作。前一個(gè)方法的模擬形狀所圖12所示。自從更低的階梯被切去后，拉深工序與圖12中的矩形杯子拉深工序性很相似。從圖12中可以看出起皺現(xiàn)象已被消除。 在這兩種操作的拉深工序中，板料最初是被拉到很深的階梯處，如圖13（a）所示，然后，較低的階梯在第二步拉深操作中成形，同是，如圖13（b）所示的想象形狀也得到了。從圖13（b）可以清晰的看出，通過(guò)兩步拉深工序可以造出沒(méi)有起皺的階梯矩形杯子，同時(shí)也說(shuō)明在兩步拉深工序中，如果相應(yīng)的順序被應(yīng)用，則更低一些的階梯處的成形是伴隨更深階梯處成形和最深階梯邊緣處成形的最早成形，如圖1(b)中的A-B，因?yàn)榻饘俨蝗菀淄ㄟ^(guò)較低的階梯進(jìn)入模具型腔。 圖12改善模具設(shè)計(jì)的模擬形狀 圖13 兩個(gè)操作步驟中的a第一步操作 b第二步操作 有限元分析法說(shuō)明用簡(jiǎn)單的拉深操作來(lái)設(shè)計(jì)理想產(chǎn)品的沖壓模具設(shè)計(jì)是很難完成的。但是，由于額外的模具費(fèi)用和操作費(fèi)用，兩個(gè)操作的制造費(fèi)用是很高的。為了保持較低的制造費(fèi)用，零件的設(shè)計(jì)師對(duì)形狀做出了合適的改變，而且通過(guò)有限元模擬分析法結(jié)果去切除較低的臺(tái)階來(lái)改善模具設(shè)計(jì)，如圖12所示。隨著設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，產(chǎn)品真實(shí)的沖壓模具被制造出來(lái)，而且零件還沒(méi)有起皺，如圖14所示。通過(guò)有限元模擬分析法得到的零件也沒(méi)有起皺。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模擬分析法的結(jié)果，有限元模擬分析法得到的沿橫截面G-H的厚度分布如圖14所示，這與產(chǎn)品的尺寸做了比較，比較的結(jié)果顯示在圖15。從圖15可以看出有限元模擬分析法得到的預(yù)想的厚度分布和產(chǎn)品得到的厚度分布是相符合的。這種吻合證實(shí)了有限元模擬分析法的效率。 圖14 無(wú)缺陷產(chǎn)品零件 圖15 G-H處模擬和測(cè)量厚度 5概要和結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過(guò)程中的起皺，而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。 第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側(cè)壁上，這種起皺的原因是因?yàn)闆_模間隙過(guò)大（沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距）。當(dāng)金屬被拉至模腔中，在沖頭和型腔中有一有害的拉深時(shí)，大的沖模間隙導(dǎo)致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐，因此大面積區(qū)域不被支撐導(dǎo)致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過(guò)增加沖壓力的方法來(lái)得到抑制。 另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過(guò)程中。起皺往往發(fā)生在臺(tái)階以上的側(cè)壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過(guò)有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺(tái)階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)有限元模擬分析法單獨(dú)的嘗試被用來(lái)消除起皺，切除了臺(tái)階的模具被建立。通過(guò)無(wú)缺陷的零件證實(shí)了這種模具設(shè)計(jì)方法對(duì)消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結(jié)果和真實(shí)產(chǎn)品中看到的結(jié)果相吻合說(shuō)明了有限元模擬分析法的準(zhǔn)確性，還證實(shí)了用有限元分析法代替真實(shí)的模具制造方法的效力。 感謝 作者希望感謝中國(guó)人民共和國(guó)民族科學(xué)委員會(huì)授于NSC-86-2212-E002-028編號(hào)才使得這個(gè)項(xiàng)目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產(chǎn)品零件。 參考文獻(xiàn) 1. K. Yoshida， H. Hayashi， K. Miyauchi， Y. Yamato， K. Abe， M. Usuda， R. Ishida and Y. Oike，在金屬板料，皺紋機(jī)械工具的效果取決于不均勻的拉深 2. T.X.Yu，W.Johnson 和 W.J.Stronge， “圓形碟子在半球形模具中的沖壓成形”，機(jī)械學(xué)雜志，26，pp.131-148，1984 3. W.J.stronge，M.P.F.Sutcliffe和T.X.Yu，在沖壓期間，圓形碟子的塑性起皺。實(shí)驗(yàn)的技巧，pp.345-353，1986. 4. R.Narayanasamy和R.Sowerby，“當(dāng)用一種圓錐形的沖模成形時(shí)的金屬板料起皺”，材料處理技術(shù)雜志，41，pp.275-290，1994. 5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機(jī)械和冶金，1993年第二季。 工廠 冷沖件 工藝卡片 產(chǎn)品型號(hào) 零件名稱 方形件 共1頁(yè) 車間 產(chǎn)品名稱 零件代號(hào) 第1頁(yè) 材料 牌號(hào)及規(guī)格 材料 技術(shù)要求 毛 坯 尺 寸 每毛坯制件數(shù) 利 用 率 重 量 15 條料 2.2×78×1000 66 87.6% 序號(hào) 工序名 工序內(nèi)容 加 工 簡(jiǎn) 圖 設(shè) 備 工 裝 工時(shí) 1 下料 下料 剪板機(jī)Q11-1000 2 落料 落料 壓力機(jī)J23-6.3 專用模具 3 尺寸檢驗(yàn) 根據(jù)零件圖檢驗(yàn)沖壓件尺寸 1 XX 學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 沖壓模具設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 號(hào) 系 部 機(jī)電工程系 專 業(yè) 模具設(shè)計(jì)與制造 指導(dǎo)教師 職 稱 2 摘要 本文通過(guò)設(shè)計(jì)方形件該零件的沖裁模.首先對(duì)沖壓件進(jìn)行工藝性 分析,對(duì)沖壓模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),畫裝配圖. 沖壓是利用安裝在沖壓設(shè)備（主要是壓力機(jī)）上的模具對(duì)材料 施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需零件（俗稱沖 壓或沖壓件）的一種壓力加工方法。沖壓通常是在常溫下對(duì)材料進(jìn) 行冷變形加工，且主要采用板料來(lái)加工成所需零件，所以也叫冷沖 壓或板料沖壓。沖壓是材料壓力加工或塑性加工的主要方法之一， 隸屬于材料成型工程技術(shù) 關(guān)鍵字: 沖壓 凸模 凹模 模架 凸凹模 Abstract In this paper, through the design of bending plate of this part of the blanking die. First of all, on the technical analysis of the stamping parts, the overall structure of the stamping die design, drawing the assembly drawing. Stamping is installed in the use of stamping equipment (mainly Press) on the mold to exert pressure on the material, to produce plastic deformation or separation, to obtain the necessary parts (commonly known as stamping or punching.) a pressure processing method. Stamping is usually at room temperature cold deformation processing of materials, and mainly used to process sheet metal parts as required, also called cold stamping or sheet metal stamping. Stamping is one of the main methods of pressure processing or plastic materials processing, belonging to the technology of material forming Engineering Keywords: stamping convex die mold punch and die. 目錄 第一章 方形件的工藝分析 .............................................................................................................7 第二章 零件的工藝性分析 .............................................................................................................7 第一節(jié) 沖裁件的精度與粗糙度 .........................................................................8 第二節(jié) 確定工藝方案 .........................................................................................8 第三章 沖壓模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ....................................................................................................9 第一節(jié) 模具類型 .................................................................................................9 第二節(jié) 導(dǎo)向與定位方式 .....................................................................................9 第三節(jié) 卸料與出件方式 .....................................................................................9 第四節(jié) 模架類型及精度 .....................................................................................9 第四章 沖壓模具工藝與設(shè)計(jì)計(jì)算 ............................................................................................10 第一節(jié) 排樣設(shè)計(jì)與計(jì)算 ...................................................................................10 第二節(jié) 搭邊值的確定 .......................................................................................10 第三節(jié) 進(jìn)距與條料寬度計(jì)算 ...........................................................................11 第四節(jié) 材料利用率的計(jì)算 ...............................................................................13 第五章 計(jì)算沖壓力與壓力機(jī)的初選 .......................................................................................15 第一節(jié) 沖裁力 Fp的計(jì)算 ..................................................................................15 第二節(jié) 卸料力 Fq1的計(jì)算 .................................................................................15 第三節(jié) 頂件力 Fq2的計(jì)算 .................................................................................16 第四節(jié) 總的沖壓力 F 的計(jì)算 ...........................................................................16 第五節(jié) 壓力機(jī)的初選 .......................................................................................17 第六章 模具壓力中心的確定 ......................................................................................................18 第七章 沖裁模間隙的確定 ...........................................................................................................19 第一節(jié) 沖裁間隙 Z ...........................................................................................19 第二節(jié) 沖裁間隙分析 .......................................................................................19 第八章 凹、凸模刃口尺寸的計(jì)算 ............................................................................................21 第一節(jié) 刃口尺寸計(jì)算的基本原則 ...................................................................21 第二節(jié) 刃口尺寸的計(jì)算 ...................................................................................21 5 第九章 主要零部件的設(shè)計(jì) ...........................................................................................................24 第一節(jié) 工作零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .......................................................................24 第二節(jié) 橡膠的選用 ...........................................................................................30 第三節(jié) 模架及其零件的設(shè)計(jì) ...........................................................................31 第十章 校核模具閉合高度及壓力機(jī)有關(guān)參數(shù) ....................................................................33 第一節(jié) 閉合高度的計(jì)算 ...................................................................................33 第二節(jié) 沖壓設(shè)備的選定 ...................................................................................33 結(jié)論 .........................................................................................................................................................35 致謝 .........................................................................................................................................................36 參考文獻(xiàn) ...............................................................................................................................................36 前 言 模具工業(yè)既是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)組成部分，又是高新技術(shù)產(chǎn) 業(yè)化的重要領(lǐng)域。模具在模具，電子，輕工，汽車，紡織，航空， 航天等工業(yè)領(lǐng)域里，日益成為使用最廣泛的主要工藝裝備，它承擔(dān) 了這些工業(yè)領(lǐng)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(chǎng)的需求上，僅以汽車，摩托 車行業(yè)的模具市場(chǎng)為例。汽車，摩托車行業(yè)是模具最大的市場(chǎng)，在 工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，這一市場(chǎng)占整個(gè)模具市場(chǎng)一半左右。汽車工業(yè)是 我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)五大支柱產(chǎn)業(yè)之一，汽車工業(yè)重點(diǎn)是發(fā)展零部件，經(jīng) 濟(jì)型轎車和重型汽車，汽車模具作為發(fā)展重點(diǎn)，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，一個(gè)型號(hào)的汽車所需 模具達(dá)幾千副，價(jià)值上億元。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，汽車將 不斷換型，汽車換型時(shí)約有 80%的模具需要更換。中國(guó)摩托車產(chǎn)量 位居世界第一，據(jù)統(tǒng)計(jì)， 中國(guó)摩托車共有 14 種排量 80 多個(gè)車型，1000 多個(gè)型號(hào)。單輛摩托 車約有零件 2000 種，共計(jì) 5000 多個(gè)，其中一半以上需要模具生產(chǎn)。 一個(gè)型號(hào)的摩托車生產(chǎn)需 1000 副模具，總價(jià)值為 1000 多萬(wàn)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(chǎng)。 第一章 方形件的工藝分析 第一節(jié) 沖壓件 沖壓件圖如下圖所示: 沖壓技術(shù)要求: 1. 材料:15 鋼 2. 材料厚度:2.2mm 3. 生產(chǎn)批量:大批量 第二章 零件的工藝性分析 該零件材料為 15 鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,抗剪強(qiáng)度為 300mpa.形狀對(duì)稱,有 落料， 1 個(gè)工序具有良好的沖壓性能，適合沖裁。工件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn) 8 單，孔與孔、孔與邊緣之間的的距離也滿足要求. 第一節(jié) 沖裁件的精度與粗糙度 沖裁件的經(jīng)濟(jì)公差等級(jí)不高于 IT11 級(jí),一般落料公差等級(jí)最好低于 IT10 級(jí),沖孔件公差等級(jí)最好低于 IT9 級(jí),工件的尺寸全部為自由公 差，可看作 IT14 級(jí)，尺寸精度較底，普通沖裁完全能滿足要求。 零件圖上所注公差經(jīng)查標(biāo)準(zhǔn)公差表 1.2 為 IT14 級(jí)，尺寸精度較低，普通沖 裁完全可以滿足要求。 根據(jù)以上分析：該零件沖裁工藝性較好，適宜沖裁加工。查公差表得各尺 寸公差： 零件外形：55 mm、14 mm、29 mm062.?043.?052.? 表 1.2 部分標(biāo)準(zhǔn)公差值（GB/T1800.3—1998） 公差等級(jí) IT6 IT7 IT8 IT9 IT10 IT11 IT12 IT13 IT14 IT15 基本尺寸 /μm /mm ＞3～6 8 12 18 30 48 75 0.12 0.18 0.30 0.48 ＞6～10 9 15 22 36 58 90 0.15 0.22 0.36 0.58 ＞10～18 11 18 27 43 70 110 0.18 0.27 0.43 0.70 ＞18～30 13 21 33 52 84 130 0.21 0.33 0.52 0.84 ＞30～50 16 25 39 62 100 160 0.25 0.39 0.62 1.00 ＞50～80 19 30 46 74 120 190 0.30 0.46 0.74 1.20 ＞80～120 22 35 54 87 140 220 0.35 0.54 0.87 1.40 第二節(jié) 確定工藝方案 該沖裁件包括落料和沖孔兩個(gè)基本工序,可采用的沖裁方案有單工序 9 沖裁,復(fù)合沖裁和級(jí)進(jìn)沖裁三種： 沖裁工序按工序的組合程度可分為單工序沖裁、復(fù)合沖裁和級(jí)進(jìn)沖裁。 由于工件比較簡(jiǎn)單，在這里只需要落料工序，所以選擇單工序沖裁，單工 序沖裁是在壓力機(jī)的一次行程中。 第三章 沖壓模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一節(jié) 模具類型 根據(jù)零件的沖裁工藝方案,采用落料沖裁模. 第二節(jié) 導(dǎo)向與定位方式 導(dǎo)向形式：滑動(dòng)導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向 定位方式：板料定位靠導(dǎo)料銷和彈簧彈頂?shù)幕顒?dòng)擋料銷完成，因?yàn)?該模具采用的是條料，控制條料的送進(jìn)方向采用的是導(dǎo)料板，無(wú)側(cè) 壓裝置?？刂茥l料的送進(jìn)步距采用擋料銷定距。 第三節(jié) 卸料與出件方式 沖孔凸模與凸凹模沖孔，沖孔廢料直接落料。利用推件塊將制件頂 出。 第四節(jié) 模架類型及精度 該模具采用后側(cè)導(dǎo)柱模架，以凹模周界尺寸為依據(jù)，選擇模架規(guī)格。 10 第四章 沖壓模具工藝與設(shè)計(jì)計(jì)算 第一節(jié) 排樣設(shè)計(jì)與計(jì)算 沖裁件在板料、帶料或條料上的布置方法稱為排樣。排樣的意義在于減小 材料消耗、提高生產(chǎn)率和延長(zhǎng)模具壽命，排樣是否合理將影響到材料的合理利 用、沖件質(zhì)量、生產(chǎn)率、模具結(jié)構(gòu)與壽命。 根據(jù)材料經(jīng)濟(jì)利用程度，排樣方法可以分為有搭邊、少搭邊和無(wú)搭邊排樣 三種，根據(jù)制件在條料上的布置形式，排樣有可以分為直排、斜排、對(duì)排、混 合排、多排等多重形式。 因此有下列三種方案： 方案一：有搭邊排樣 沿沖件外形沖裁，在沖件周邊都留有搭邊。沖件尺 寸完全由沖模來(lái)保證，因此沖件精度高，模具壽命高，但材料利用率低。 方案二：少搭邊排樣 因受剪切條料和定位誤差的影響，沖件質(zhì)量差，模 具壽命較方案一低，但材料利用率稍高，沖模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 方案三：無(wú)搭邊排樣 沖件的質(zhì)量和模具壽命更低一些，但材料利用率最 高。 通過(guò)上述三種方案的分析比較，綜合考慮模具壽命和沖件質(zhì)量，該沖件的 排樣方式選擇方案一為佳?？紤]模具結(jié)構(gòu)和制造成本有廢料排樣的具體形式選 擇直排最佳（如圖 5.1 所示）。 第二節(jié) 搭邊值的確定 排樣時(shí)零件之間以及零件與條料側(cè)邊之間留下的工藝余料，稱為搭邊。 搭邊的作用是補(bǔ)償定位誤差，保持條料有一定的剛度，保證零件質(zhì)量和送 料方便。搭邊過(guò)大，浪費(fèi)材料。搭邊過(guò)小，沖裁時(shí)容易翹曲或被拉斷，不僅會(huì) 增大沖件毛刺，有時(shí)還會(huì)拉入凸、凹模間隙中損壞模具刃口，降低模具壽命。 或影響送料工作。搭邊值是廢料，所以應(yīng)盡量取小，但過(guò)小的搭邊值容易擠進(jìn) 凹模，增加刃口磨損。根據(jù)制件厚度與制件的排樣方法查表 5.1 得： 11 兩制件之間搭邊值 a1=1mm 側(cè)搭邊值 a=2.5mm 表 5.1 搭邊值和側(cè)邊值 手動(dòng)送料 圓形 非圓形 往復(fù)送料 自動(dòng)送料材料厚 度 t a a1 a a1 a a1 a a1 1 以下 1.5 1.5 2 1.5 3 2 1～2 2 1.5 2.5 2 3.5 2.5 3 2 2～3 2.5 2 3 2.5 4 3.5 3～4 3 2.5 3.5 3 5 4 4 3 4～5 4 3 5 4 6 5 5 4 5～6 5 4 6 5 7 6 2.0 5 第三節(jié) 進(jìn)距與條料寬度計(jì)算 一、送料進(jìn)距 A 條料在模具上每次送進(jìn)的距離稱為送料進(jìn)距，每個(gè)進(jìn)距可沖出一個(gè)或多個(gè) 零件。 A=D+a1 (5.1) 式中 D——平行于送料方向的沖裁件寬度 a1——沖裁件之間搭邊值 模具相對(duì)于模架是采用從前往后的縱向送料方式,還是采用從右往左的橫向 送料方式，這主要取決于凹模的周界尺寸。就本模具而言,采用縱向送料方式。 12 圖 5.1 排樣圖 二、條料寬度 B 計(jì)算 排樣方式和搭邊值確定以后，條料的寬度也就可以設(shè)計(jì)出。計(jì)算條料寬度 有三種情況需要考慮： 1.有側(cè)壓裝置時(shí)條料的寬度。 2.無(wú)側(cè)壓裝置時(shí)條料的寬度。 3.有定距側(cè)刃時(shí)條料的寬度。 有側(cè)壓裝置的模具，能使條料始終沿著導(dǎo)料板送進(jìn)。 13 圖 5.2 有側(cè)壓裝置時(shí)條料的寬度確定 本設(shè)計(jì)采用的是有側(cè)壓裝置的模具。 所謂條料寬度，是指工件最大極限尺寸加上側(cè)搭邊值。因條料是由板料剪 裁下料而得，為保證送料順利，規(guī)定其上偏差為零，下偏差為負(fù)值 。其計(jì)?? 算公式如下： B=[D+2a] （5.2） 0 - △ 式中 B——條料寬度基本尺寸； D——條料寬度方向零件輪廓的最大尺寸； a——側(cè)搭邊值，查表 5.1； △——條料下料剪切公差； 表 5.2 剪切公差△及條料與導(dǎo)料板之間隙 C（mm） 條料寬度(mm) ≤1 ＞1～2 ＞2～3 ＞3～5條料厚度(mm) △ C △ C △ C △ C ≤50 0.4 0.1 0.5 0.2 0.7 0.4 0.9 0.6 ＞50～100 0.5 0.1 0.6 0.2 0.8 0.4 1.0 0.6 ＞100～150 0. 0.2 0.7 0.3 0.9 0.5 1.1 0.7 ＞150～220 0.7 0.2 0.8 0.3 1.0 0.5 1.2 0.7 根據(jù)零件圖查表 5.2 確定剪料公差及條料與導(dǎo)板之間的間隙△=0.6。 根據(jù)公式(5.2)： B=[D+2a+c] 0 - △ =78 06.? 14 第四節(jié) 材料利用率的計(jì)算 一、計(jì)算沖壓件面積、周長(zhǎng) 因?yàn)樵摴ぜD由多段圓弧組成，計(jì)算周長(zhǎng)需要準(zhǔn)確的找到各段圓弧的長(zhǎng)度， 計(jì)算面積也需要準(zhǔn)確的找到切點(diǎn)，諸多因素采用人工計(jì)算時(shí)計(jì)算量較大，因此 采用三維輔助軟件可快速準(zhǔn)確的計(jì)算出面積、周長(zhǎng)（如圖 5.3）。 圖 5.3 沖壓件的周長(zhǎng)和面積 取面積 F=973.92mm2 周長(zhǎng) L=145.99mm 二、計(jì)算材料利用率 沖裁件的實(shí)際面積與所用板料面積的百分比叫材料的利用率。 材料利用率通常以一個(gè)進(jìn)距內(nèi)制件的實(shí)際面積與所用毛坯面積的百分率 η 表示： η=(nF/AB)×100% （5.3） 式中 η——材料利用率（%）； n——沖裁件的數(shù)目； 15 F——沖裁件的實(shí)際面積(mm2)；包括工件面積與廢料面積； B——板料寬度(mm)； A——送料進(jìn)距； 根據(jù)公式(5.3)： η=(973.92×2/78×28.5)×100% ≈87.6% 由此可之，η 值越大，材料的利用率就越高，廢料越少。因此，要提高材 料利用率，就要合理排樣，減少工藝廢料。 第五章 計(jì)算沖壓力與壓力機(jī)的初選 計(jì)算沖裁力是為了選擇合適的壓力機(jī)，設(shè)計(jì)模具和檢驗(yàn)?zāi)＞叩膹?qiáng)度，壓力 機(jī)的噸位必須大于所計(jì)算的沖裁力，以適宜沖裁的要求，普通平刃沖裁模，其 沖裁力 一般可以按下式計(jì)算：PF Fp=Kp Ltτ =Lt （6.1） 式中 τ——材料抗剪強(qiáng)度（MPa）； L——沖裁周邊總長(zhǎng)（mm）； t——材料厚度（mm）； 系數(shù) Kp是考慮到?jīng)_裁模刃口的磨損，凸模與凹模間隙之波動(dòng)，取 Kp =1.3。 第一節(jié) 沖裁力 Fp的計(jì)算 據(jù)圖 5.3 可得一個(gè)零件內(nèi)外周邊之和 L=145.99mm。 查碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能表知：15 的抗剪強(qiáng)度 τ=216Mpa～304Mpa，取 260Mpa，制件厚度 t=2.2mm，則 根據(jù)公式(6.1)： F p= Kp Ltτ =1.3×2.2×145.99×260 16 =68833.7(N) ≈68.8（KN） 第二節(jié) 卸料力 Fq1的計(jì)算 Fq1=KxFp （6.2） 式中 Kx——卸料力系數(shù)，查表 6.1 取 Kx＝0.05。 根據(jù)公式（6.2）： F q1= KxFp =0.05×68.8（KN） ≈3.44(KN) 表 6.1 卸料力、推件力和頂件力系數(shù) 料厚 t/mm Kx kt Kd 鋼 ≤0.1 ＞0.1～0.5 ＞0.5～2.5 ＞2.5～6.5 ＞6.5 0.065～0.075 0.045～0.055 0.04～0.05 0.03～0.04 0.02～0.03 0.1 0.063 0.055 0.045 0.025 0.14 0.08 0.06 0.05 0.03 第三節(jié) 頂件力 Fq2的計(jì)算 Fq2= KdFp （6.3） 式中 Kd——頂件力系數(shù)。 查表 6.1 得 Kd＝0.06. 根據(jù)公式（6.3）： F q2= KdFp =0.06×68.8（KN） ≈4.128（KN） 17 第四節(jié) 總的沖壓力 F 的計(jì)算 根據(jù)模具結(jié)構(gòu)總的沖壓力 F=FP+Fq1+Fq2 =68.8+3.44+4.128 =76.4(KN) 選用的壓力機(jī)公稱壓力 P≥（1.1～1.3）F，取系數(shù)為 1.3，則： P≥1.3F=1.3x76.4(KN)=99.3(KN)。 4.3 彎曲力的計(jì)算 本產(chǎn)品屬于 V 形彎曲，由于彎曲雖然是一副模具所以在計(jì)算彎曲力時(shí)， 需要計(jì)算 1 次，V 形彎曲的計(jì)算公式如下 ，彎曲力計(jì)算 F=0.6KBttδ/(R+t) (4-1) F=0.6×1.3×22×1×600/（0.5+1）=6864N =6.864KN 式中 F——彎曲力（N） ； B——產(chǎn)品的彎曲的寬度（mm） ； δ——材料抗拉強(qiáng)度（MPa） ；（550-700 MPa） t——材料厚度；(mm) K——系數(shù)，通常 K=1.3； 第五節(jié) 壓力機(jī)的初選 沖裁時(shí)，壓力機(jī)的公稱壓力必須大于或等于沖裁各工藝力的總和。 沖壓設(shè)備屬鍛壓模具。常見的冷沖壓設(shè)備有模具壓力機(jī)。 表 6.2 部分常用開式壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) 型號(hào)技術(shù)參數(shù) 單 位 J23-4 J23-6.3 J23-10 J23-16 J23-25 J23-63 J23-100 滑塊公稱壓 力 KN 40 63 100 160 250 630 1000 滑塊行程次 數(shù) 次 /mm 200 160 135 115 100 70 70 18 最大閉合高 度 mm 160 170 180 220 250 360 360 閉合高度調(diào) 節(jié)量 mm 35 40 50 60 70 90 90 立柱間距 mm 100 150 180 220 260 250 250 左 右 mm 100 140 170 200 300 300滑塊 地面 尺寸 前后 mm 90 120 150 180 340 340 直 徑 mm 30 50模柄孔尺 寸 深度 mm 50 70 墊塊厚度 mm 35 40 50 60 70 80 90 最大傾斜角 ° 45 35 30 左 右 mm 280 315 360 450 560 630 710工作臺(tái)尺 寸 前后 mm 180 200 240 300 360 420 480 根據(jù)沖壓力的計(jì)算和壓力中心的計(jì)算，選擇開式壓力機(jī)的型號(hào)為 J23-10。 第六章 模具壓力中心的確定 模具壓力中心是指諸沖壓合力的作用點(diǎn)位置，為了確保壓力機(jī)和模具正常 工作，應(yīng)使沖模的壓力中心與壓力機(jī)滑塊的中心相重合。否則，會(huì)使沖模和壓 力機(jī)滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導(dǎo)軌間產(chǎn)生過(guò)大磨損，模具導(dǎo)向零件加速磨 損，降低了模具和壓力機(jī)的使用壽命。 模具的壓力中心，可按以下原則來(lái)確定： 1.對(duì)稱零件的單個(gè)沖裁件，沖模的壓力中心為沖裁件的幾何中心。 2.工件形狀相同且分布對(duì)稱時(shí)，沖模的壓力中心與零件的對(duì)稱中心相重合。 3.各分力對(duì)某坐標(biāo)軸的力矩之代數(shù)和等于諸力的合力對(duì)該軸的 力矩。求出 合力作用點(diǎn)的坐標(biāo)位置 0，0（x=0,y=0），即為所求模具的壓力中心。 19 其中 、 、 ……… 分別為各沖裁周邊長(zhǎng)度。1L23NL 由于該零件屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故其壓力中心在其中心位置 按比例畫出零件形狀，選定坐標(biāo)系 XOY。計(jì)算出零件壓力中心為（0，0） 第七章 沖裁模間隙的確定 第一節(jié) 沖裁間隙 Z 指沖裁模中凹模刃口橫向尺寸 DA與凸模刃口橫向尺寸 DT的差值（如圖 8.1），是設(shè)計(jì)模具的重要工藝參數(shù)。 圖 8.1 沖裁間隙 第二節(jié) 沖裁間隙分析 一、間隙對(duì)沖裁件尺寸精度的影響 沖裁件的尺寸精度是指沖裁件的實(shí)際尺寸與基本尺寸的差值，差值越小， 則精度越高，這個(gè)差值包括兩方面的偏差，一是沖裁件相對(duì)于凸模或凹模的偏 差，二是模具本身的制造偏差。 二、間隙值的確定 20 凸、凹模間隙對(duì)沖裁件質(zhì)量、沖裁工藝力、模具壽命都有很大的影響。設(shè) 計(jì)模具時(shí)一定要選擇合理的間隙，以保證沖裁件的斷面質(zhì)量、尺寸精度滿足產(chǎn) 品的要求，所需沖裁力小、模具壽命高，但分別從質(zhì)量，沖裁力、模具壽命等 方面的要求確定的合理間隙并不是同一個(gè)數(shù)值，只是彼此接近。考慮到模具制 造中的偏差及使用中的磨損、生產(chǎn)中通常只選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鳛楹侠黹g隙， 只要間隙在這個(gè)范圍內(nèi)，就可以沖出良好的制件，這個(gè)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。考慮到模具在使用過(guò)程中的磨損 使間隙增大，故設(shè)計(jì)與制造新模具時(shí)要采用最小合理間隙值 Zmin。 確定合理間隙的方法有經(jīng)驗(yàn)法、理論確定法和查表法。 對(duì)于尺寸精度，斷面垂直度要求高的制件應(yīng)選用較小的間隙值，對(duì)于垂直 度與尺寸精度要求不高的制件，應(yīng)以降沖裁力、提高模具壽命為主，可采用較 大的間隙值。由于理論法在生產(chǎn)中使用不方便，所以常采用查表法來(lái)確定間隙 值。 根據(jù)間隙表 8.1 查得材料 15 的最小雙面間隙 Zmin=0.246mm，最大雙面間隙 Zmax=0.360mm 表 8.1 部分較大間隙的沖裁模具初始雙面間隙 08、10、35、0 9Mn2、15 40、50 16Mn 65Mn材料厚 度 m Z 最小 Z 最大 Z 最小 Z 最大 Z 最小 Z 最大 Z 最小 Z 最大 小于 0.5 較小間隙 0.5 0.04 0.060 0.040 0.060 0.040 0.060 0.040 0.060 0.8 0.072 0.104 0.072 0.104 0.072 0.104 0.064 0.092 1.0 0.100 0.140 0.100 0.140 0.100 0.140 0.90 0.126 1.2 0.126 0.180 0.132 0.180 0.132 0.180 1.5 0.132 0.240 0.170 0.240 0.170 0.240 2.0 0.246 0.360 0.260 0.380 0.260 0.380 2.5 0.360 0.500 0.380 0.540 0.380 0.540 3.0 0.460 0.640 0.480 0.660 0.480 0.660 21 4.0 0.640 0.880 注：08 鋼沖裁皮革、石棉和紙板時(shí)，取間隙的 25%。 第八章 凹、凸模刃口尺寸的計(jì)算 第一節(jié) 刃口尺寸計(jì)算的基本原則 沖裁件的尺寸精度主要取決于模具刃口的尺寸的精度，模具的合理間隙也 要靠模具刃口尺寸及制造精度來(lái)保證。正確確定模具刃口尺寸及制造公差，是 設(shè)計(jì)沖裁模關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 由此在決定模具刃口尺寸及其制造公差時(shí)需要考慮以下原則： 1.落料件尺寸由凹模尺寸決定，沖孔尺寸由凸模尺寸決定。故設(shè)計(jì)落料模 時(shí)，以凹模為基準(zhǔn)，間隙取在凸模上；設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，以凸模尺寸為基準(zhǔn)，間 隙取在凹模上。 2.考慮到?jīng)_裁中凸、凹模的磨損，設(shè)計(jì)落料凹模時(shí)，凹?；境叽鐟?yīng)取尺 寸公差范圍的較小尺寸；設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，凹?；境叽鐟?yīng)取工件孔尺寸公差范 圍的較大尺寸。 3.確定沖模刃口制造公差時(shí)。如果對(duì)刃口精度要求過(guò)高，增加成本，如果 對(duì)刃口精度要求過(guò)低，會(huì)使模具的壽命降低。若工件沒(méi)有標(biāo)注公差，則對(duì)于非 圓形工件按國(guó)家“非配合尺寸的公差數(shù)值”IT14 級(jí)處理，沖?？砂?IT11 級(jí)制 造；對(duì)于圓形工件按 IT6～I(xiàn)T7 級(jí)制造。沖壓件的尺寸公差應(yīng)按“入體”原則標(biāo) 注單項(xiàng)公差，落料件上偏差為零，下偏差為負(fù)；沖孔件上偏差為正，下偏差為 零。 22 第二節(jié) 刃口尺寸的計(jì)算 根據(jù)模具的加工方法不同，凸、凹模刃口尺寸的計(jì)算方法分為兩種情況。 凸模與凹模分開加工和凸模與凹模配合加工。對(duì)于該制件應(yīng)該選用凸模與凹模 分開加工方法。 凸模與凹模分開加工是指凸模和凹模分別按圖紙加工至尺寸。要分別標(biāo)注 凸模與凹模刃口尺寸與制造公差。為了保證初始間隙值小于最大合理間隙 Zmax 必須滿足下列條件： minmaxpd Z—??? 或者 、????inmaxd6.0???? ????minax4.0????? 與工件制造精度有關(guān)，可查表 9.1 取值：當(dāng)工件精度 IT10 以上，取 x=1；當(dāng)工件精度 IT11～I(xiàn)T13，取 x=0.75；當(dāng)工件精度 IT14，則取 x=0.5。 表 9.1 磨損系數(shù) X 非圓形 圓形 1 0.75 0.5 0.75 0.5 料厚 t(mm) 工件公差△/mm 1 1～2 2～4 ＞4 ＜0.16 ＜0.20 ＜0.24 ＜0.30 0.17～0.35 0.21～0.41 0.25～0.49 0.31～0.59 ≥0.36 ≥0.42 ≥0.50 ≥0.60 ＜0.16 ＜0.20 ＜0.24 ＜0.30 ≥0.16 ≥0.20 ≥0.24 ≥0.30 根據(jù)圖 1.1 和表 9.1 查得磨損系數(shù) X 取 0.5，即 X=0.5 落料凸、凹模計(jì)算 凹模： D d=(D－X△) d??0 凸模： D p=( Dd－Z min) ＝(D－X△－Z min)P??0P?? 式中 Dd——落料凹?；境叽?mm)； Dp——落料凸?；境叽?mm)； 23 D——落料件最大極限尺寸(mm)； ?——落料件外徑公差(mm)； Zmin——凸、凹模最小初始雙面間隙(mm)； X——磨損系數(shù)，是為了使沖裁件的實(shí)際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的 中間尺寸，與工件制造精度有關(guān)。表 9.1 取 X=0.5。 由公差表（1.2）查得：55 mm、14 mm、29 mm 設(shè)凸、凹模分別按062.?043.?052.? IT6 和 IT7 級(jí)加工。 所以凹模 14 0-0.43:Dd1=(D1-X )?d ??0 =(14-0.5×0.43)0+0.018 =13.7850+0.018mm 290-0.52:Dd2=(D2-X ) d?? =(29-0.5×0.52)0+0.021 =28.740+0.021mm 55 :Dd4=(D4-X )062.?? d?? =(55-0.5×0.62) 03.? =54.69 mm 03.? 凸模 14 0-0.43:Dp1=(Dd1-Zmin) 0P?? =(13.785-0.246) 01.? =13.539 mm 01.? 290-0.52:Dp2=(Dd2- Zmin) P? =(28.74-0.246) 013.? =28.608 mm 013.? 55 :Dp4=(Dd4- Zmin)062.?P? =(54.69-0.246) 019.? =54.444 mm 019.? 24 校核因?yàn)? ｜ ｜＋｜ ｜=0.018+0.011=0.029mm1p?2d ｜ ｜＋｜ ｜=0.013+0.021=0.034mm2 ｜ ｜＋｜ ｜=0.016+0.025=0.041mm3p3d ｜ ｜＋｜ ｜=0.019+0.030=0.049mm4?4 Zmax－Z min =0.24-0.132=0.108mm(Zmax、Z min是凸、凹模最大初始雙面間隙， 查表 8-1 得 Zmax =0.24、Z min =0.132)滿足｜ ｜＋｜ ｜≤Z max－Z min。pd? 第九章 主要零部件的設(shè)計(jì) 第一節(jié) 工作零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 一、凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外形尺寸計(jì)算 1.凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 凹模：在沖壓過(guò)程中與凸模配合直接對(duì)沖壓制件進(jìn)行分離或成形的工作零 件。 凹模洞口的類型如圖 10.1 所示，其中 a、b、c 型為直筒式刃口凹模，其特 點(diǎn)是制造方便，刃口強(qiáng)度高，本設(shè)計(jì)選用 c 型筒口。 圖 10.1 凹模類型 2.外形尺寸計(jì)算 凹模結(jié)構(gòu)分為整體式和鑲拼式兩大類，本設(shè)計(jì)凹模采用整體式凹模。 凹模厚度： H=Kb(≥15mm) (10.1) 凹模壁厚： C=(1.5～2)H(≥30mm) (10.2) 25 凹模外形尺寸： B=b+2C (10.3) 式中 b——沖裁件的最大外形尺寸；（mm）； K——系數(shù)，考慮板料厚度的影響（見表 10.1）； H——凹模厚度； C——凹模壁厚； B——凹模外形最大尺寸。 表 10.1 系數(shù) K 的數(shù)值 厚度 t/mm b/mm 0.5 1 2 3 ＞3 ＜50 0.3 0.35 0.42 0.5 0.6 ＞50-100 0.2 0.22 0.28 0.35 0.42 ＞100-200 0.15 0.18 0.2 0.24 0.3 ＞200 0.1 0.12 0.15 0.18 0.22 根據(jù)圖 1.1 查表 10.1，取 K=0.25，又 b=75mm，則由公式 10.1 和公式 10.2 得： 凹模厚度： H=Kb=0.25×107=26.75mm； 凹模壁厚： C=(1.5～2)H=(1.5～2) ×26.75=40.125～53.5mm 根據(jù)表 10.2 取凹模厚度：H=30mm；取凹模壁厚 C=45mm。 根據(jù)公式（10.2）： B=b+2C =107+2×45 =197mm L=b+2C =30+2×45 =120mm 查表 10.2，選取凹模外形尺寸 L×B=200mm×125mm。 26 表 10.2 矩形和圓形凹模的外形尺寸(JB/T-6743.1-1994) 矩形凹模的長(zhǎng)度和寬度 L×B 矩形和圓形凹模厚度 H 63×50、63×63 10、12、14、16、18、20 80×63、80×80、100×63、100×80、100 ×100、125×80 12、14、16、18、20、22 125×100、125×125、140×80、140×80 14、16、18、20、22、25 140×125、140×140、160×100、160×125 、160×140、200×100、200×125 16、18、20、22、25、28 160×160、200×140、200×160、250×125 、250×140 16、20、22、25、28、32 凹模輪廓尺寸為 200mm×125mm×40mm。 二、沖孔凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外形尺寸計(jì)算 1.凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 因?yàn)榱慵愋?，采用線切割方法進(jìn)行加工，所以采用整體直通式凸模（如 圖 10.3），與凸模固定板采用 H7/m6 配合，按凸模的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式與尺寸規(guī)格 選取。 2.凸模外形尺寸計(jì)算 凸模長(zhǎng)度尺寸應(yīng)根據(jù)模具的具體結(jié)構(gòu)確定，因?yàn)樵撃＞卟捎玫氖堑寡b式復(fù) 合模，采用的是彈壓卸料上出件方式，其總長(zhǎng)按相關(guān)公式計(jì)算： L = H1 + H2 + H + t 式中 H1——凸模固定板厚度；得 H1=0.8×H 凹=0.8×40=32mm。 H2——卸料板厚度查表 10.4； t——材料的厚度； H——沖裁件厚度和凸模進(jìn)入凸凹模一般 4～10mm。則： L =32+20+6.5+1.5=60mm 凸模強(qiáng)度校核：該凸模不屬于細(xì)長(zhǎng)桿，強(qiáng)度足夠。 27 圖 10.3 沖孔凸模尺寸 3.凸模材料的選用 模具刃口要求有較高的耐磨性，并能承受沖裁時(shí)的沖擊力，因此應(yīng)有高的 硬度與適當(dāng)?shù)捻g性。形狀復(fù)雜且壽命要求較高的凸模選用 Cr12、Cr12MoV 等制 造。 該凸模材料應(yīng)選 Cr12MoV，熱處理 58～62HRC。 三、凸凹模的設(shè)計(jì)和外形尺寸計(jì)算 1.凸凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 凸凹模是復(fù)合沖裁中的主要零件。他的內(nèi)外邊緣均為刃口，內(nèi)外邊緣之間 的壁厚取決于沖裁件的尺寸。從強(qiáng)度方面考慮，其壁厚應(yīng)受最小限制。當(dāng)模具 為正裝結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)孔不積存廢料，脹力小，最小壁厚可以小些；當(dāng)模具為倒裝 結(jié)構(gòu)時(shí)，若內(nèi)孔為直筒形刃口形式，且采用下出料方式，則內(nèi)孔積存廢料，脹 力大，故最小壁厚應(yīng)大些。凸凹模的最小壁厚值，倒裝復(fù)合模的凸凹模最小壁 厚見表 10.3。 表 10.3 倒裝復(fù)合模凸凹模的最小壁厚 材料厚度 mm 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2. 5 最小壁厚 a 2.7 3.2 3.6 4.0 4.4 4.9 5.2 5. 8 由于選用的是倒裝式復(fù)合模，所以查表得：最小壁厚 a=3.8。 2.凸凹模的外形尺寸計(jì)算 其長(zhǎng)度 可按下式計(jì)算：L L = h1+h2+h （10.4） 式中 h1——凸凹模固定板厚度；得 h1=0.6×H 凹=0.6×40=24mm。 28 h2——卸料板厚度；查表 10.4 取 15mm。 h——附加長(zhǎng)度（包括凸模進(jìn)入凹模深度，彈性元件安裝高度）； 根據(jù)公式（10.4）： L = h 1+h2+h =24+15+10 =49mm 表 10.4 卸料板厚度 卸料板寬度沖件厚度 tmm ＜50 50～80 80～125 125～200 ＞200 ≤0.8 6 6 8 10 12 ＞0.8～1.5 6 8 10 12 14 ＞1.5～3 8 10 12 14 16 四、工作零件材料的選用 由于沖模為冷沖模，所以材料要有良好的耐磨性、高強(qiáng)度、足夠的韌性、 良好的抗疲勞性、良好的抗粘結(jié)能力、可段性、可切削性、可磨削性、熱處理 工藝性等。由上要求在該模具中沖孔凸模、凸凹模和凹模板的材料選用 Cr12MoV 鋼。Cr12MoV 剛具有較好的淬透性，很高的耐磨性，有較高的沖擊韌度。 淬火、回火工藝見表 10.5。 表 10.5 Cr12MoV 鋼的淬火、回火工藝 低淬低回工藝 中淬中回工藝 高淬高回工藝 鋼號(hào) 淬火溫度 /℃ 淬火 硬度 HRC 回火 溫度 /℃ 淬火 溫度 /℃ 淬火 硬度 HRC 回火 溫度 /℃ 淬火溫 度 /℃ 淬火 硬度 HRC 回火 溫度 /℃ Cr12M OV 950～ 1000 62～ 64 200 1030 63～6 4 400 1080～ 1100 40～6 0 500～ 520 五、卸料部分的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)卸料零件的目的，是將沖裁后卡箍在凸模上或凸凹模上的制件或廢料 卸掉，常用的卸料方式有：剛性卸料、彈壓卸料板。本設(shè)計(jì)采用彈壓卸料裝置， 采用彈壓卸料裝置有一定的裝配要求：在模具開啟狀態(tài)，卸料板應(yīng)高出模具工 作零件刃口 0.3mm～0.5mm,以便順利卸料。 本模具的卸料板僅有卸料作用，卸料板的邊界尺寸與凹模的邊界尺寸相同， 取 250mm×140mm，卸料板的厚度按表 10-4 選擇，卸料板厚度為 20mm。卸料板 29 采用 45 鋼制造，熱處理淬火硬度 43～48HRC。 卸料板上設(shè)置 4 個(gè)卸料螺釘，公稱直徑為 10mm,螺紋部分為 M8.5×10mm,卸 料螺釘尾部應(yīng)留有足夠的行程空間，以保證卸料的正常運(yùn)動(dòng)。 六、定位零件的設(shè)計(jì) 沖模的定位裝置零件是用來(lái)保證材料的進(jìn)料正確及在沖模中保持位置的正 確性。定位零件的種類很多，主要有導(dǎo)料板、導(dǎo)料銷、擋料銷、側(cè)刃、導(dǎo)正銷 和定位板等。 由沖壓工藝分析可知，該模具的定位零件是采用的是固定擋料銷送進(jìn)定距 和固定導(dǎo)料銷送進(jìn)定位如簡(jiǎn)圖 10.3 所示。 1.擋料銷的設(shè)計(jì) 常見的擋料銷有三種形式。固定擋料銷、活動(dòng)擋料銷和始用擋料銷。 在此選用 A 型擋料銷，作為該模具中的擋料銷和導(dǎo)料銷。其結(jié)構(gòu)形式和尺 寸規(guī)格如圖 10.4 和表 10.5。 選取該模具的擋料銷和導(dǎo)料銷的直徑 d＝8 的 A 型固定擋料銷。m 活動(dòng)擋料銷 固定擋料銷 圖 10.4 擋料銷 表 10.5 定擋料銷尺寸規(guī)格表(mm) d(h11) d1(m6) 基本尺 寸 極限偏差 基本尺 寸 極限偏差 h L 6 0-0.075 3 +0.008+0.002 3 8 8 2 10 10 0 -0.090 4 +0.012 +0.004 3 13 30 16 8 3 13 20 0 -0.110 10 +0.015 +0.006 16 25 0-0.130 12 +0.018+0.007 4 20 本模具的設(shè)計(jì)選用固定擋料銷（JB/T7649.10-1994）,材料 45，熱處理硬 度 43～48HRC。 圖 10.5 擋料銷固定方式 擋料銷按圖 a）方式固定，其尺寸可按下式計(jì)算： S1=A-Dp/2+D/2+0.1 （10.5） =A-（D p -D）/2+0.1 式中 A——步距(mm)； Dp——落料凸模直徑(mm)； D——擋料銷頭部直徑(mm)； 根據(jù)公式(10.5)： S 1=32-(12-8)/2+0.1 =30.1mm 2.導(dǎo)料銷的設(shè)計(jì) 條料的送料方向是條料靠著一側(cè)的導(dǎo)料板，沿著設(shè)計(jì)的送料方向?qū)蛩瓦M(jìn)。 本設(shè)計(jì)采用導(dǎo)料銷導(dǎo)向，本設(shè)計(jì)選用固定式。設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)料銷應(yīng)選兩個(gè)且位于條 料的同側(cè)，從右向左送料時(shí)，導(dǎo)料銷應(yīng)裝在后側(cè)；從前向后送料時(shí)，導(dǎo)料銷應(yīng) 裝在左側(cè)。 綜上，定位零件采用一個(gè)固定擋料銷和單邊兩個(gè)導(dǎo)料銷定位，固定擋料銷 和導(dǎo)料銷固定在卸料板上。導(dǎo)料銷材料采用 45 鋼制造，熱處理硬度 43～48HRC。 七、推件裝置的設(shè)計(jì) 31 推件和頂件的目的，是將制件從凹模中推出來(lái)（凹模在上模）或頂出（凹 模在下模）。推件裝置可分為彈性推件裝置和剛性推件裝置兩種,彈性推件裝置 一般裝在下模，具有壓料作用，沖件質(zhì)量好,但推件力較小。常用于正裝式復(fù)合 ?；驔_裁薄板料的落料模中。剛性推件裝置一般裝在上模，利用壓力機(jī)的推件 力，因此，推件力大，推件可靠，但不具有壓料作用。常用于倒裝式復(fù)合模中。 綜上，本設(shè)計(jì)選用剛性推件裝置，的基本零件有推件塊、推桿、推板，連接推 桿和打桿，這些零件從標(biāo)準(zhǔn)中選取。 第二節(jié) 橡膠的選用 彈性裝置主要有彈簧和橡膠兩種，因?yàn)樵撃＞邽閺?fù)合模具，所以采用橡膠 作為卸料板的彈性元件。根據(jù)模具安裝空間，安裝四個(gè)圓筒形合成橡膠，設(shè)卸 料螺釘直徑為 8mm，橡膠上螺釘孔直徑為 10mm，則： 一、橡膠高度的計(jì)算 橡膠的自由高度，由下式得： mHh42350.2.830.25. ～～～＝自 ???? （10.6） 式中 H 自 ——橡膠的自由高度( )；m h——卸料板的工作行程( )； H——凹?；虬纪鼓５娜心チ浚╩m）；一般取 4～10mm； 則橡膠高度取42mm。 二、橡膠直徑的計(jì)算 （10.7))(12306.4/52mpPAx?? （10.8）） AdD(14.32104.32 ????? 式中 px——橡膠的壓力，可取等于或大于卸料力( )；N p——與橡膠壓縮量的單位壓力，查表 10.6 得 1.06 ；aMP 32 A——橡膠截面面積( )；2m d——橡膠上螺釘孔直徑（mm）； D——橡膠的直徑( )； 因?yàn)樵诖四＞咧胁捎玫氖菑棄盒读习?，所以橡膠在模具中的個(gè)數(shù)為四個(gè)， 直徑為 41 的圓筒形橡膠。m 因?yàn)?.5< =0.976<1.5，所以選橡膠符合要求。421 橡膠的安裝高度： H d =42-0.1×42=37.8mm（取 38mm） 表 10.6 橡膠壓縮量與單位壓力關(guān)系 壓縮量/% 10 15 20 25 30 35 聚氨酯橡膠 1.1 2.5 4.2 5.6單位壓力 /MPap合成橡膠 0.26 0.5 0.74 1.06 1.52 2.1 第三節(jié) 模架及其零件的設(shè)計(jì) 常用的導(dǎo)柱導(dǎo)套式模架，是由上、下模座和導(dǎo)向零件組成。模架是整副模 具的骨架，模具的全部零件都固定在它的上面，并承受沖壓過(guò)程的全部載荷。 模具上模座和下模座分別與沖壓設(shè)備的滑塊和工作臺(tái)固定。上、下模間的精確 位置，由導(dǎo)柱、導(dǎo)套的導(dǎo)向來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)選用后側(cè)導(dǎo)柱模架如圖 10.6，后側(cè) 導(dǎo)柱模架，由于前面和左、右不受限制，送料和操作比較方便，因?qū)е惭b在 后側(cè)，工作時(shí)，偏心距會(huì)造成導(dǎo)柱導(dǎo)套單邊磨損，并且不能使用浮動(dòng)模柄結(jié)構(gòu)。 圖 10.6 模架 33 一、模架的選用 以凹模周界尺寸為依據(jù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T2851.1—1990 選擇模架規(guī)格為： 200mm×125mm×40mm（GB/T2855.1-1990）。 二、導(dǎo)柱、導(dǎo)套的選用 導(dǎo)柱與導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)、尺寸一般都是直接由標(biāo)準(zhǔn)中選取，在選用時(shí)導(dǎo)柱的長(zhǎng) 度應(yīng)保證沖模在最底工作位置時(shí)，導(dǎo)

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