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沖壓模具設(shè)計中側(cè)壁起皺的分析
F.-k. Chen and Y.-C. Liao
臺灣 臺北市國立臺灣大學(xué)機械工程部門
在沖壓過程中，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。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側(cè)壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當(dāng)發(fā)生起皺時，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，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實際部分。在側(cè)壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因為介于沖頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的。為減少起皺，一個最適宜的沖模設(shè)計方法就是利用有限元分析法。在無起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實測結(jié)果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實了利用有限元分析法去設(shè)計沖模的優(yōu)勢。
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。在沖壓一個復(fù)雜形狀零件的操作時，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，而且在實際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會通過裂痕導(dǎo)致失敗。因此，沖壓力必須處于一個狹小的范圍，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算。對于沖壓一個復(fù)雜形狀的零件，當(dāng)起皺發(fā)生在中心區(qū)域時，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)明了一種測試，在這種測試?yán)?，一塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計劃一個近似的理論模型，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.從實驗性和分析性上研究起皺問題，通過理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個圓周波的起皺可能發(fā)生，然而，實驗結(jié)果顯示是四到六個。當(dāng)通過一個有錐度的模具畫出金屬板料時，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單形狀零件關(guān)聯(lián)的起皺問題上，例如：一個圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動態(tài)軟件和有限元方法的成功運用使得分析包括在沖壓一個復(fù)雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當(dāng)前的研究中，三維有限元分析法被用來分析在沖壓一個帶有階梯的矩形部分的過程中，產(chǎn)生起皺的金屬流動制造參數(shù)上。
一個帶有階梯的方形杯子，在杯子的每一邊都有一個傾斜的側(cè)壁，在帶有錐度的杯子也相應(yīng)的存在傾斜的側(cè)壁。在沖壓過程中，側(cè)壁上的金屬板料相對沒被支撐，因此，這個部位更容易起皺。在當(dāng)前的研究中，起皺過程中的各種不同的制造參數(shù)的影響都在被研究。在沖壓一個帶有階梯的方形杯子時，就像圖1B顯示的一樣，可以觀測到另一種形式的起皺。為了評估分析的效力，在當(dāng)前的研究中，一個確切階梯幾何形狀的物體被檢測。通過使用有限元分析法和用適宜的模具設(shè)計來減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測一個實際產(chǎn)品成形時，通過有限元分析法得到的模具設(shè)計方法得到證實。
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軟件來設(shè)計的。同樣用CAD軟件，三節(jié)點和四節(jié)點的外形元素被采用用來為以上工具生產(chǎn)網(wǎng)眼系統(tǒng)。對于有限元模擬來說，工具被認(rèn)為是剛硬的，而且對應(yīng)的網(wǎng)眼被用來定義工具幾何學(xué)而不是壓力分析。同樣CAD軟件使用四節(jié)點外形元素來為板形壞料構(gòu)造網(wǎng)眼。圖2顯示工具的完整布置的網(wǎng)眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對稱條件，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上，沖模向下移動，逆著壓力機夾緊板形壞料。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
為了表演一個精確的有限元分析法，金屬板料的真實應(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模擬。為在飛機上切割下的樣本測試被進行，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)方向進行著。平均的流動力σ，計算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因為每一個方法真實應(yīng)變通常用來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)壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對于沖壓一個錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。
3.1沖模間隙的影響
為了檢查沖模間隙對起皺的影響，在沖壓一個錐度方形杯子時，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進行模擬沖壓。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。這就說明在沖壓過程中，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的產(chǎn)品，兩個主要的應(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的實際值比β的評論值大，假設(shè)當(dāng)起皺發(fā)生時，β的實際值越大，起皺的可能性就越大。
在三個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中說明嚴(yán)重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對三個沖模間隙不同的沖壓，在側(cè)壁中心很少發(fā)生起皺。還說明了沖模間隙越大，β的實際值就越大。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模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個力分別產(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也被用來模擬。
模擬結(jié)果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(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，兩個外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因為起皺的原因主要是由于在有橫向壓力存在的側(cè)壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。
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
在沖壓一個階梯矩形杯子時，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沿臺階D-E而行。在近期的研究中，在一個實際的產(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)品的程序包括通過清理焊縫的深拉。在這種深拉過程中，沒有焊縫被用在沖模表面來幫助幫助金屬的流動。但是，由于沖頭拐角處的半徑過小和其復(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。
為了進一步的了解沖壓過程中板料的變形，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，拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實產(chǎn)品中通過增加半徑得到證實。
個別的嘗試也被用來消除起皺。第一，沖壓力加到原來的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，沖壓力對消除起皺現(xiàn)象沒有起有很大的效果。通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結(jié)論。于是我們推測，這種起皺不能通過增加沖壓力來得到抑制。
由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域，往往會因為大量的金屬流動而起皺，一種通過在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡單方法被用來吸收多余的材料。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，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設(shè)計中是不允許的。
利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實的產(chǎn)品沖壓過程中是不可能的。對沖壓過程中金屬流動的精密監(jiān)測顯示板料最開始通過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)計的改進提供了有價值的信息。
圖10 當(dāng)板料接觸臺階邊緣的起皺形成
圖11 切除了的臺階拐角
對于起皺的發(fā)生，最初的一個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)計的改進得到發(fā)展。但是，杯子側(cè)壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因為整個沖頭邊緣和整個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。為了證實這種說法，兩種改進過了的模具設(shè)計被用來實驗：為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作，一種是切去整個階梯，而另一種是增加更多的拉深操作。前一個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，通過兩步拉深工序可以造出沒有起皺的階梯矩形杯子，同時也說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，因為金屬不容易通過較低的階梯進入模具型腔。
圖12改善模具設(shè)計的模擬形狀
圖13 兩個操作步驟中的a第一步操作 b第二步操作
有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設(shè)計理想產(chǎn)品的沖壓模具設(shè)計是很難完成的。但是，由于額外的模具費用和操作費用，兩個操作的制造費用是很高的。為了保持較低的制造費用，零件的設(shè)計師對形狀做出了合適的改變，而且通過有限元模擬分析法結(jié)果去切除較低的臺階來改善模具設(shè)計，如圖12所示。隨著設(shè)計方法的改進，產(chǎn)品真實的沖壓模具被制造出來，而且零件還沒有起皺，如圖14所示。通過有限元模擬分析法得到的零件也沒有起皺。
為了進一步驗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。這種吻合證實了有限元模擬分析法的效率。
圖14 無缺陷產(chǎn)品零件
圖15 G-H處模擬和測量厚度
5概要和結(jié)束語
通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺，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為沖模間隙過大（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，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增加沖壓力的方法來得到抑制。
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程中。起皺往往發(fā)生在臺階以上的側(cè)壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設(shè)計過程中，通過有限元模擬分析法單獨的嘗試被用來消除起皺，切除了臺階的模具被建立。通過無缺陷的零件證實了這種模具設(shè)計方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結(jié)果和真實產(chǎn)品中看到的結(jié)果相吻合說明了有限元模擬分析法的準(zhǔn)確性，還證實了用有限元分析法代替真實的模具制造方法的效力。
感謝
作者希望感謝中國人民共和國民族科學(xué)委員會授于NSC-86-2212-E002-028編號才使得這個項目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產(chǎn)品零件。
參考文獻
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河南機電高等?？茖W(xué)校
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
系 部：
專 業(yè)：
學(xué)生姓名: 學(xué) 號
設(shè)計(論文)題目：沖孔—落料級進模
起 迄 日 期: 2006 年 04 月 13 日~ 05月 14日
指 導(dǎo) 教 師:
發(fā)任務(wù)書日期: 2006年 03 月 10 日
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題來源及應(yīng)達到的目的：
2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
（1）工藝分析、排樣設(shè)計
（2）工藝方案的確定
（3）工藝計算
（4）沖裁力與壓力中心的計算，初選壓力機
（5）模具結(jié)構(gòu)形式的選擇與確定
（6）主要工作機構(gòu)的設(shè)計和主要工作機構(gòu)的設(shè)計
（7）模具的裝配及調(diào)試
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
系部意見：
系領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
河南機電高等?？茖W(xué)校
畢業(yè)設(shè)計論文
論文題目：沖孔—落料級進模
系 部
專 業(yè)
班 級
學(xué)生姓名
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
2006年 05 月 13 日
河南機電高等?？茖W(xué)校
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學(xué)生姓名： 學(xué) 號：
專 業(yè)： 模具設(shè)計與制造
設(shè)計(論文)題目： 落料—沖孔—級進模
指導(dǎo)教師：
2006年5月8日
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫1500字左右（本科生200字左右）的文獻綜述(包括目前該課題在國內(nèi)外的研究狀況、發(fā)展趨勢以及對本人研究課題的啟發(fā))：
文 獻 綜 述
在進行畢業(yè)設(shè)計之前，必須做好一切準(zhǔn)備工作，而收集有關(guān)設(shè)計課題研究方面的資料、文獻是最為重要的。在設(shè)計工作開始時，只有對課題研究的內(nèi)容有了，充分地了解，才會有設(shè)計目的和方向；所以收集、查閱有關(guān)文獻資料是必要的。
在設(shè)計之前首先應(yīng)該對國內(nèi)外的模具發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢有所了解，以便在設(shè)計過程中能夠正確、合理地設(shè)計出一套模具。下面就先分析一下國內(nèi)外的模具發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢以及我國的模具發(fā)展現(xiàn)狀。
1.隨著工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，沖壓產(chǎn)品的生產(chǎn)正呈現(xiàn)出多品種、少批量，復(fù)雜、大型、精密，更新?lián)Q代速度快等變化特點，沖壓模具也正向高效、精密、長壽命、大型化方向發(fā)展。為適應(yīng)市場的變化，隨著計算機技術(shù)和制造技術(shù)的迅速發(fā)展，沖壓模具設(shè)計與制造技術(shù)正在由手工設(shè)計、依靠工人的經(jīng)驗和常規(guī)的機械加工技術(shù)向計算機輔助設(shè)計（CAD）、數(shù)控加工中心進行切削加工、數(shù)控線切割、數(shù)控電火花等為核心的計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）技術(shù)方面轉(zhuǎn)變。模具的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢如下詳述：
1）.CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用：CAD/CAM是一項高科技、高效益的系統(tǒng)工種，是模具設(shè)計與制造行業(yè)的有效輔助工具；通過它能夠?qū)Ξa(chǎn)品、模具結(jié)構(gòu)、成型工藝、數(shù)控加工及成本等進行設(shè)計和優(yōu)化?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用與模具的設(shè)計與制造加工的過程中，并還在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新。
2）.模具標(biāo)準(zhǔn)件：模具的標(biāo)準(zhǔn)化對縮短模具制造周期、提高質(zhì)量、降低成本起到很大的作用。我國的模具標(biāo)準(zhǔn)化程度達到30%以下，而國外先進國家達到70%—80%左右。這樣，不僅有利于國內(nèi)的模具制造的發(fā)展，也有利于模具的國際化發(fā)展。
3）.模具的制造精度：國外的制造水平能夠是制造公差達到0.003—0.005 mm，表面的粗糙度達到Ra 0.0002 mm以下（花10以上）；我國的制造水平可以是制造公差達到0.01—0.02 mm,模具表面的粗糙度達到Ra0.00160.0008 mm（花7—8）。由此可見，如今模具技術(shù)的發(fā)展水平還是很高的，但也可以看出我國在這方面的技術(shù)與國外先進國家還有很大的差距。
4）.模具的使用壽命：國外的沖壓模具的使用壽命，（合金鋼制模）500—1000萬次，（硬質(zhì)合金制模）2億次；我國的沖壓模具的使用壽命分別為：100—400萬次，6000—1億次。模具的使用壽命的加長就意味著模具的制造成本降低，從而提高了生產(chǎn)效益。
5）.模具的加工制造設(shè)備：國外已經(jīng)廣泛地使用了數(shù)控加工中心，線切割，電火花，化學(xué)腐蝕等先進的設(shè)備，大大地提高了模具的制造周期。
2.我國的模具業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀：進入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的工業(yè)化程度也有了很大地提高，特別是在模具行業(yè)有了很大地發(fā)展。如：在模具設(shè)計與制造上，不但自己可以制造一些大型，精密，復(fù)雜，高效，長壽命的模具，并且能夠出口到國外，打開國外的市場。但是，目前我國的沖壓技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當(dāng)落后，主要原因是我國在沖壓基礎(chǔ)理論及成型工藝，模具標(biāo)準(zhǔn)化，模具設(shè)計，模具制造工藝及設(shè)備等方面與工業(yè)發(fā)達國家尚有相當(dāng)大的差距，導(dǎo)致我國的模具在壽命，效率，加工精度，生產(chǎn)周期等方面與工業(yè)發(fā)達國家的模具相比差距相當(dāng)大。因此這就需要我們努力去研究，推動我國模具業(yè)的發(fā)展。
3.在查閱、收集有關(guān)資料的時候，不僅使我對模具業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、模具的設(shè)計與制造技術(shù)等有了更多，更全面地了解；而且收集到了許多有關(guān)本課題的研究，與本課題相關(guān)、相似的東西，查找各種有關(guān)模具設(shè)計與制造方面的經(jīng)驗公式，和經(jīng)驗數(shù)據(jù)；通過查閱資料和文獻能夠?qū)⒄n堂上所學(xué)習(xí)到的理論知識，與實際生產(chǎn)當(dāng)中的實例相結(jié)合去更好地成設(shè)計任務(wù)；并且使我在課程設(shè)計上有了更多的設(shè)計思路，也有了更多的考慮空間，同時也使我在設(shè)計的過程中能夠從多方面地去考慮問題——模具設(shè)計的合理性及對設(shè)計好的模具在工作過程中可能會出現(xiàn)的問題及解決辦法。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
２．本課題的研究思路（包括要研究或解決的問題和擬采用的研究方法、手段（途徑）及進度安排等）：
（1）查閱相關(guān)資料，撰寫開題報告----1.5周；
（2）進行各種工藝計算----3周；
（3）根據(jù)計算結(jié)果，繪制裝配圖，并繪制非標(biāo)準(zhǔn)件零件圖----2周
（4）撰寫畢業(yè)說明書，編制加工工藝卡。----1周
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
本綜述具有一定的廣度，說明作者在撰寫的過程中查閱了大量的相關(guān)文獻，對目前先進的工藝進行了調(diào)查研究，并針對課題進行初步分析，提出了可行的設(shè)計方案。
2．對本課題的研究思路、深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
查閱資料充分，研究思路新穎，能達到預(yù)期的設(shè)計目的。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
手柄沖孔—落料級進模設(shè)計
緒論
一.冷沖壓在工業(yè)生產(chǎn)中的地位
模具是大批生產(chǎn)同形產(chǎn)品的工具，是工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備。模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)工業(yè)。
模具可保證沖壓產(chǎn)品的尺寸精度。使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，而在加工中不破壞產(chǎn)品表面。用模具生產(chǎn)零部件可以采用冶金廠大量生產(chǎn)的廉價的扎制剛板或剛帶為壞料，且在生產(chǎn)中不需加熱，具有生產(chǎn)效率高質(zhì)量好重量輕成本低且節(jié)約能源和原材料等一系列優(yōu)點，是其它加工方法所不能比擬的。使用模具已成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向?，F(xiàn)代制造工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展。
目前，工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用怒局成形工藝方法，以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量。一般壓力機加工，一臺普通壓力機設(shè)備每分鐘可生產(chǎn)零件幾件到幾十件，高速壓力機的生產(chǎn)率已達到每分鐘數(shù)百件甚至上千件。據(jù)不完全統(tǒng)計，飛機汽車拖拉機電機電器儀器儀表等產(chǎn)品，游60%左右的零件是用模具加工出來的；而自行車手表洗衣機電冰箱及電風(fēng)扇等輕工產(chǎn)品，有90%左右的零件是用模具加工出來的；至于日用五金，餐具等物品的大批量生產(chǎn)基本上完全靠模具來進行。顯而易見，模具作為一種專用的工藝裝備，在生產(chǎn)中決定性作用和重要地位逐漸為人們所共識。
二.了解目前國內(nèi)外沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀
1.國內(nèi)沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1現(xiàn)狀
改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，市場對模具的需求量不斷增長。近年來，模具工業(yè)一直以15%左右的增長速度快速發(fā)展，模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化，除了國有專業(yè)模具廠外，集體、合資、獨資和私營也得到了快速發(fā)展。浙江寧波和黃巖地區(qū)的“模具之鄉(xiāng)”；廣東一些大集團公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，科龍、美的、康佳等集團紛紛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)現(xiàn)已有幾千家。
隨著與國際接軌的腳步不斷加快，市場競爭的日益加劇，人們已經(jīng)越來越認(rèn)識到產(chǎn)品質(zhì)量、成本和新產(chǎn)品的開發(fā)能力的重要性。
近年許多模具企業(yè)加大了用于技術(shù)進步的投資力度，將技術(shù)進步視為企業(yè)發(fā)展的重要動力。一些國內(nèi)模具企業(yè)已普及了二維CAD，并陸續(xù)開始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等國際通用軟件，個別廠家還引進了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE軟件，并成功應(yīng)用于沖壓模的設(shè)計中。
以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術(shù)已取得很大進步，東風(fēng)汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產(chǎn)部分轎車覆蓋件模具。此外，許多研究機構(gòu)和大專院校開展模具技術(shù)的研究和開發(fā)。經(jīng)過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術(shù)方面取得了顯著進步；在提高模具質(zhì)量和縮短模具設(shè)計制造周期等方面做出了貢獻。
例如，吉林大學(xué)汽車覆蓋件成型技術(shù)所獨立研制的汽車覆蓋件沖壓成型分析KMAS軟件，華中理工大學(xué)模具技術(shù)國家重點實驗室開發(fā)的注塑模、汽車覆蓋件模具和級進模CAD/CAE/CAM軟件，上海交通大學(xué)模具CAD國家工程研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖模CAD軟件等在國內(nèi)模具行業(yè)擁有不少的用戶。
雖然中國模具工業(yè)在過去十多年中取得了令人矚目的發(fā)展，但許多方面與工業(yè)發(fā)達國家相比仍有較大的差距。例如，精密加工設(shè)備在模具加工設(shè)備中的比重比較低；CAD/CAE/CAM技術(shù)的普及率不高；許多先進的模具技術(shù)應(yīng)用不夠廣泛等等，致使相當(dāng)一部分大型、精密、復(fù)雜和長壽命模具依賴進口。
1.2未來沖壓模具制造技術(shù)發(fā)展趨勢
模具技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該為適應(yīng)模具產(chǎn)品“交貨期短”、“精度高”、“質(zhì)量好”、“價格低”的要求服務(wù)。達到這一要求急需發(fā)展如下幾項：
(1)全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)
模具CAD/CAM/CAE技術(shù)是模具設(shè)計制造的發(fā)展方向。隨著微機軟件的發(fā)展和進步，普及CAD/CAM/CAE技術(shù)的條件已基本成熟，各企業(yè)將加大CAD/CAM技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)的力度；進一步擴大CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍。計算機和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展正使CAD/CAM/CAE技術(shù)跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨院所地在整個行業(yè)中推廣成為可能，實現(xiàn)技術(shù)資源的重新整合，使虛擬制造成為可能。
(2)高速銑削加工
國外近年來發(fā)展的高速銑削加工，大幅度提高了加工效率，并可獲得極高的表面光潔度。另外，還可加工高硬度模塊，還具有溫升低、熱變形小等優(yōu)點。高速銑削加工技術(shù)的發(fā)展，對汽車、家電行業(yè)中大型型腔模具制造注入了新的活力。目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展。
(3)模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)
高速掃描機和模具掃描系統(tǒng)提供了從模型或?qū)嵨飹呙璧郊庸こ銎谕哪Ｐ退璧闹T多功能，大大縮短了模具的在研制制造周期。有些快速掃描系統(tǒng)，可快速安裝在已有的數(shù)控銑床及加工中心上，實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集、自動生成各種不同數(shù)控系統(tǒng)的加工程序、不同格式的CAD數(shù)據(jù)，用于模具制造業(yè)的“逆向工程”。模具掃描系統(tǒng)已在汽車、摩托車、家電等行業(yè)得到成功應(yīng)用，相信在“十五”期間將發(fā)揮更大的作用。
(4)電火花銑削加工
電火花銑削加工技術(shù)也稱為電火花創(chuàng)成加工技術(shù)，這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工型腔的新技術(shù)，它是有高速旋轉(zhuǎn)的簡單的管狀電極作三維或二維輪廓加工(像數(shù)控銑一樣)，因此不再需要制造復(fù)雜的成型電極，這顯然是電火花成形加工領(lǐng)域的重大發(fā)展。國外已有使用這種技術(shù)的機床在模具加工中應(yīng)用。預(yù)計這一技術(shù)將得到發(fā)展。
(5)提高模具標(biāo)準(zhǔn)化程度
我國模具標(biāo)準(zhǔn)化程度正在不斷提高，估計目前我國模具標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率已達到30%左右。國外發(fā)達國家一般為80%左右。
(6)優(yōu)質(zhì)材料及先進表面處理技術(shù)
選用優(yōu)質(zhì)鋼材和應(yīng)用相應(yīng)的表面處理技術(shù)來提高模具的壽命就顯得十分必要。模具熱處理和表面處理是否能充分發(fā)揮模具鋼材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模具熱處理的發(fā)展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善應(yīng)發(fā)展工藝先進的氣相沉積(TiN、TiC等)、等離子噴涂等技術(shù)。
(7)模具研磨拋光將自動化、智能化
模具表面的質(zhì)量對模具使用壽命、制件外觀質(zhì)量等方面均有較大的影響，研究自動化、智能化的研磨與拋光方法替代現(xiàn)有手工操作，以提高模具表面質(zhì)量是重要的發(fā)展趨勢。
(8)模具自動加工系統(tǒng)的發(fā)展
這是我國長遠(yuǎn)發(fā)展的目標(biāo)。模具自動加工系統(tǒng)應(yīng)有多臺機床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的機具、刀具數(shù)控庫；有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng)；有質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)。
2.國外沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀
由于工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展，目前國內(nèi)外制造業(yè)廣泛地采用了無切削、少切削加工工藝，如精密沖壓、精密鍛造、壓力鑄造、冷擠壓、熱擠壓及等溫超塑成形等新工藝，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削加工工藝。模具作為主要的成形工具，已成為一種重要的加工裝備。家用電器行業(yè)約80％的零部件、機電行業(yè)約70％的零部件均采用模具成形，塑料、橡膠、陶瓷、建材、耐火材料制品大部分均采用模具成形。
????一種中型載重汽車的改型，需要4000套模具，重達2000多噸。生產(chǎn)一種型號的照相機，需要500套模具，在很多行業(yè)中，模具費用已經(jīng)占產(chǎn)品成本的15％～30％。因此，工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的改進、生產(chǎn)率的提高、成本的降低、產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，在很大程度上取決于模具的制造精度和質(zhì)量、制造周期、生產(chǎn)成本、使用壽命等因素。
? 隨著全球經(jīng)濟一體化進程加快，模具工業(yè)在國民經(jīng)濟中所發(fā)揮的作用越來越明顯，機械電子、汽車、輕工、建材和國防工業(yè)等部門都大量采用模具進行生產(chǎn)，并提出越來越高的要求。模具工業(yè)已成為新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要組成部分，模具技術(shù)水平的高低與產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力有密切關(guān)系，它成為衡量一個國家工業(yè)水平高低的重要標(biāo)志之一。20世紀(jì)80年代以來，日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家，模具工業(yè)的產(chǎn)值超過機床工業(yè)的產(chǎn)值。
? 當(dāng)前模具工業(yè)發(fā)展有兩個特點：一是要縮短制模周期、降低制模成本。由于人們對工業(yè)晶的品種、數(shù)量和質(zhì)量要求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期越來越短，而且多品種小批量生產(chǎn)較多，因此對模具制造提出了嚴(yán)格的要求。二是模具向大型化、復(fù)雜化、精密化和自動化發(fā)展。模具制造要求越來越高，制造工藝越來越復(fù)雜。為了降低模具生產(chǎn)成本，增加效益，保證質(zhì)量，在采用先進設(shè)備和制造工藝的同時，必須采用多種工藝措施盡量延長模具使用壽命。其中合理選用模具材料，采用先進的熱處理和表面強化工藝，不斷推廣應(yīng)用新材料就是一個主要的方面。
? 模具鋼是制造模具的主要材料。盡管模具材料品種繁多，但是模具鋼在模具制造業(yè)中使用最多，是模具工業(yè)最重要的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來隨著模具工業(yè)的迅速發(fā)展，模具鋼的發(fā)展也極為迅速。世界各國都把模具鋼分類于合金工具鋼中，其產(chǎn)量已占合金工具鋼產(chǎn)量的70％一80％。
落料沖孔級進模設(shè)計
工件名稱：手柄
生產(chǎn)批量：大批量
材料：45號鋼
厚度：2.0mm
工件簡圖：
圖1工件簡圖
1 工藝分析、排樣設(shè)計
1.1 工件的工藝性分析
圖示零件材料為45號鋼板，能夠進行一般的沖壓加工，市場上也容易得到這種材料，價格適中。
手柄外形落料的工藝性：手柄屬于中等尺寸零件，料厚2.0mm，外形復(fù)雜程度一般，尺寸精度要求一般，因此可采用落料工藝獲得。
手柄沖孔的工藝性：大小為φ5mm和φ8mm的孔，尺寸精度要求一般，可采用沖孔。
此工件只有外形落料和沖孔兩個工序。圖示零件尺寸均為未注公差的一般尺寸，按慣例取IT14級，符合一般級進沖壓的經(jīng)濟精度要求，模具精度取IT9級即可。
由以上分析可知，圖示零件具有比較好的沖壓工藝性，適合沖壓生產(chǎn)。
1.2 排樣設(shè)計
（1）確定零件的排樣方案
設(shè)計模具時，條料的排樣很重要。手柄零件具有一頭大一頭小的特點，單向排列時材料的利用率低，采用對排（圖2所示）的排樣方案可以提高材料的利用率，減少廢料。為了避免制作兩套凸模和凹模零件，降低模具的制造成本，采用調(diào)頭沖的送料方式，即隔位沖壓，條料完成一個方向的沖壓后，將條料水平方向旋轉(zhuǎn)1800，再沖第二遍，在第一次沖裁的間隔中沖裁出第二部分工件。
（2）條料寬度、導(dǎo)尺間寬度和材料利用率的計算
查表取得搭邊值為2.5mm和3.5mm。
送料步距如圖2所示
B=32+16+2.5+2.5=53 mm
條料寬度的計算：擬采用無側(cè)壓裝置的送料方式，由b-Δ=〔D+2a+c1〕- Δ
D—條料寬度方向沖裁件的最大尺寸
a—側(cè)搭邊值
c1—導(dǎo)料板與最寬條料之間的間隙
代入數(shù)據(jù)計算，取得條料寬度為135mm。
導(dǎo)尺間距離的計算：由s=D+2(a+c1),代入數(shù)據(jù)計算得導(dǎo)尺間距離為136 mm。
材料利用率的計算：
根據(jù)一般的市場供應(yīng)情況，原材料選用1000 mm×2000 mm×2.2 mm的冷軋薄鋼板。
每塊可剪2000mm ×135 mm規(guī)格條料7條，材料剪切利用率達94.5%。由一個步距的材料利用率通用計算公式：
=
式中 A—一個沖裁件的面積，A2653.66mm2;
n—一個進距內(nèi)的沖裁件數(shù)量；
B—條料寬度，mm;
s—步距， mm
得
==74.2%
2 工藝方案的確定
2.1 工藝方案的確定
手柄零件所需的基本沖壓工序為落料和沖孔，可擬訂出以下三種工藝方案。
方案一：用簡單的單工序模分三次加工，即落料——沖孔——沖孔。
方案二：沖孔落料復(fù)合模。
方案三：沖孔落料級進模。
圖2 工件排樣圖
方案一：模具結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但工件的累計誤差大，操作不方便，由于該工件為中批量生產(chǎn)，需三套設(shè)備成本高，生產(chǎn)率低。
方案二：生產(chǎn)率較方案一和三都高，加工精度高，但模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度較大成本高，還有模具對壓力機噸位要求較方案一和三都高。
方案三：生產(chǎn)率較方案二低，精度略低于方案二，但是模具結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜成本較低，壓力機噸位要求低，故節(jié)省能源，由于此為大批量生產(chǎn)，精度要求不高，相比較而言方案三更具有可行性，更具有優(yōu)越性。
手柄零件大端φ5mm的孔與R16mm的外圓及φ8mm的孔之間的距離為3.5mm，大于此零件要求的最小壁厚（3.2mm）（1），可以采用沖孔、落料復(fù)合?；驔_孔、落料級進模。復(fù)合模模具制造難度大，并且沖壓后產(chǎn)品留在模具上，在清理模具上的物料時會影響沖壓速度，因此選用級進模更為合理。
3 工藝計算
3.1 工作零部件的計算
由于制件結(jié)構(gòu)簡單，精度要求不高，所以采用凸模和凹模分開加工的方法制作凸凹模。這時需要分別計算和標(biāo)注凸模和凹模的尺寸和公差。
沖孔時，間隙取在凹模上，則：
凸模尺寸
dap=（d+x△）-δp0
凹模尺寸
dd=(d+x△+Zmin)0+δ
式中 Dd Dp——落料凹模和凸模的刃口尺寸，mm
dp dd ——沖孔凹模和凸模的刃口尺寸，mm
x——磨損系數(shù)，查表2-30[1]得：IT14級時x=0.5。
Zmin——雙面間隙，mm
△——工件公差，mm
δ——凸模和凹模的制造公差，mm
（1）沖裁φ5mm孔凸模、凹模刃口尺寸的計算
凸模尺寸
由表2-10[1]查得△=0.3
dap=（d+x△）-δp0 =(5+0.5×0.30)0-0.02 =5.150-0.02
凹模尺寸
由表2-23[1]得Zmin=0.26
dd=(d+x△+Zmin)0+δ=(5+0.5×0.30+0.26)0+0.02 =5.410+0.02
（2）沖裁φ8mm孔凸模、凹模刃口尺寸的計算
凸模尺寸由表2-10得△=0.36
dap=（d+x△）-δp0 =(8+0.5×0.36) 0-0.02 =8.18 0-0.02
凹模尺寸查表2-23得Zmin=0.26
dd=(d+x△+Zmin)0+δ=(8+0.5×0.36+0.26) 0+0.02=8.440+0.02
（3）外形落料凸模、凹模刃口尺寸的計算
因此落料件為復(fù)雜的制件，所以利用凸凹模配合法，這種方法有利于獲得最小的合理間隙，放寬對模具的加工設(shè)備的精度要求。
采用配作法，計算凹模的刃口尺寸，首先是根據(jù)凹模磨損后輪廓變化情況正確判斷出模具刃口各個尺寸在磨損過程中是變大還是變小，還是不變這三種情況，然后分別按不同的計算公式計算。
a、凹模磨損后會增大的尺寸-------第一類尺寸A
第一類尺寸：Aj=(Amax-x△)0+0.25△
b、凹模磨損后會減小的尺寸-------第二類尺寸B
第二類尺寸：Bj=(Bmax+x△)0-0.25△
c、凹模磨損后會保持不變的尺寸 第三類尺寸C
第三類尺寸：Cj=(Cmin+0.5△)60.125△
其落料凹模的基本尺寸計算如下：
圖3（a） 凹模尺寸示意圖
第一類尺寸：磨損后增大的尺寸：
A1=(Amax-x△) =(8-0.5×0.43) =7.785
A2=(Amax-x△) =(16-0.5×0.62) =15.69
落料凸模的基本尺寸與凹模相同，分別是7.785mm，15.69mm，不必標(biāo)注公差，但要在技術(shù)條件中注明：凸模實際刃口尺寸與落料凹模配制，保證最小雙面合理間隙值Zmin=0.26。
圖3（b）凸模尺寸示意圖
4 沖裁力與壓力中心的計算，初選壓力機
4.1 沖裁工序總力的計算
由工件結(jié)構(gòu)和前面所定的沖壓方案可知，本工件的沖裁力包括以下部分。
沖四個φ5mm孔的力P1、沖φ8mm孔的力P2，落外型料的力P3，向下推出φ5mm沖孔廢料的力P4，向下推出φ8mm孔廢料的力P5，向下推出工件的力P6。由彈性卸料板卸條料的廢料的力是壓力機提供的，故用計算在內(nèi)，沖裁φ5mm，φ8mm及工件外形后卸條料的力分別為P7、P8、P9。
考慮到模具刃部被磨損、凸凹模間隙不均勻和波動、材料力學(xué)性能及材料厚度偏差等因素的影響，實際計算沖裁力時按下面公式：
P=KLtτ
式中 P—沖裁力（kN）
L—沖裁件剪切周邊長度（mm）
t—沖裁件材料厚度（mm）
τ—被沖材料的抗剪強度(MPa)
K—系數(shù)，一般取1.3。
上式中抗剪強度τ與材料種類和坯料的原始狀態(tài)有關(guān)，可在手冊中查詢。為方便計算，可取材料的τ=0.8σb,故沖裁力表達式又可表示為：
P=1.3Ltτ≈Ltσb
式中 σb—被沖材料抗拉強度(MPa)。查手冊[1]表8—7得45鋼的σb=600MPa
P1=4×5π×2.0×600=25.12kN
P2=8π×2.0×600=30.14kN
由于L3=
=268.7mm
則：P3=268.7×2.0×600=322.4kN
推件力 Pt=nKtP
Kt—推件力系數(shù), Kt=0.055
n—同時卡在凹模的工件(或廢料)數(shù),其中
n=h/t
h—凹模刃部直壁洞口高度（mm），
t—料厚( mm)
查手冊[2]表2—40可得和h=6mm,故n=3如圖4所示：
圖4 沖孔凹模示意圖
P4==7.64kN
P5==3.06kN
P6=3×0.055×198.1=32.69kN
卸料力 根據(jù)經(jīng)驗公式得
P =0.03P
P7 =0.03×46.29=1.39 kN
P8 =0.03×18.52=0.56 kN
P9 =0.03×198.1=5.95 kN
工序總力
P=P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7+P8+P9 =25.12+30.4+322.4+7.64+3.06+32.69+1.39+0.56+5.95
=429.1KN
4.2 彈性橡膠板的計算。
本模具中橡膠板的工作行程由以下幾個部分組成：凸模修模量5mm；凸模凹進卸料板1mm；公件厚度2.2mm；凸模沖裁后進入凹模2mm；以上四項長度之和就是橡膠板的工作行程S工作；即
S工作=（5+1+2.2+2）mm=9.2mm
取壓縮量為自由高度的0.3則橡膠的自由高度為:
H自由===30.7mm
由上面計算可知：P卸= P7+ P8+ P9=1.39+0.56+5.95=7.9KN
預(yù)壓縮量取15%，由圖1-17可查出P=0.5MPa，此時橡膠板應(yīng)具有足夠的卸料力，其卸料力的大小用式1-2計算橡膠板所需的面積。則
A===15800=158
結(jié)合模具的實際結(jié)構(gòu)，將橡膠板分成若干塊安裝。橡膠高度H自由與直徑D之比需要滿下式：
0.5
橡膠板的自由高度為30.7mm，厚度不可低于要求的尺寸，超出這個厚度時應(yīng)考慮到每加厚1mm，就將增加相應(yīng)的工作載荷約。橡膠板的總面積為158,分為4塊，每個用螺釘安裝在一塊，每個卸料螺釘安裝一塊，中間鉆孔13mm。四塊橡膠板的厚度無比一致，不然會造成受力不均勻，運動產(chǎn)生歪斜，影響模具的正常工作，卸料板采用45鋼制造，淬火硬度為40---45HRC。
4.3 初選壓力機
開式可傾壓力機參數(shù)初選壓力機型號為J23-63和J23-100
型號
公稱壓力/kN
滑塊行程/mm
最大封閉高度/mm
工作臺尺寸/mm
滑塊底面尺寸/mm
可傾斜角/·
封閉高度調(diào)節(jié)量/mm
J23-63
630
130
360
480×710
——
30
80
J23-100
1000
130
480
710×1080
190×210
30
60
4.4 壓力中心的計算
模具的壓力中心就是沖壓力合力的作用點。為了保證壓力機和模具的正常工作，應(yīng)使模具的壓力中心與壓力機的中心滑塊中心線重合。否則，沖壓時滑塊就會承受偏心載荷，導(dǎo)致滑塊導(dǎo)軌與模具的導(dǎo)向部分不正常的磨損，還會使合理的間隙得不著保證，從而影響制件的質(zhì)量和降低模具的壽命，甚至損壞模具。
此為多凸模模具的壓力中心，首先計算大凸模的壓力中心
圖5 (a) 壓力中心
計算其壓力中心的步驟如下：
① 按比例畫出凸模的工作部分剖面圖（見圖5a）
② 在任意距離處作x-x軸y-y軸
③ 分別計算出各線段和圓弧的重心到x-x軸的距離y1, y2, y3, y4和到y(tǒng)-y軸的距離x1, x2, x3, x4,
④ 大凸模的壓力中心到坐標(biāo)軸的距離下式確定：
到y(tǒng)-y軸的距離
x0=
==61.4mm
到x-x軸的距離
y0=
==0mm
⑤ 由于其余三個凸模為規(guī)則的凸模 ，則總的壓力中心為
圖5（b）壓力中心示意圖
到y(tǒng)-y軸的距離
x0=
=
=89.8mm
到x-x軸的距離
y0==
=-15.8mm
5 模具結(jié)構(gòu)形式的選擇與確定
1）正倒裝結(jié)構(gòu)：根據(jù)上述分析，本零件的沖壓包括沖孔和落料兩個工序，為方便小孔廢料和成形工件的落下，采用正裝結(jié)構(gòu)，即沖孔凹模和落料凹模都安排在下模。
2）送料方式：采用手工送料方式。
3）定位裝置：本工件在級進模中尺寸是較大的，又是大批量生產(chǎn)，順沖時第一個工位采用始用擋料銷定位，第二個工位采用固定擋料銷定位。調(diào)頭沖時第一個工位設(shè)置一個始用擋料銷定位（和順沖時的始用擋料銷定位不在同一個位置），第二工位靠固定擋料銷定位。送料時廢料孔與固定擋料銷作為粗定距，在大凸模上安裝一個導(dǎo)正銷，利用條料上φ5mm和φ8mm的孔做導(dǎo)正銷孔進行導(dǎo)正，依此作為條料送進的精確定距。
4）導(dǎo)向方式：為確保零件的質(zhì)量及穩(wěn)定性，選用導(dǎo)柱、導(dǎo)套導(dǎo)向。由于已經(jīng)采用了手工送料方式，為了提高開敞性和導(dǎo)向均勻性，采用對角導(dǎo)柱模架。
5）卸料方式：本模具采用正裝結(jié)構(gòu)，沖孔廢料和工件留在凹?？锥粗?，為了簡化模具結(jié)構(gòu)，可以在下模座中開有通槽，使廢料和工件從孔洞中落下。工件厚度為2.0mm，為了保證工件有比較好的平整度，采用彈壓性卸料裝置。選用 JB/T8068.3-1995 彈壓縱向送料典型組合。
6 主要工作機構(gòu)的設(shè)計和主要工作機構(gòu)的設(shè)計
6.1 工作零部件的設(shè)計（尺寸、位置、標(biāo)準(zhǔn)與示意圖）
工作零部件的設(shè)計（用一個整體的凸模固定板）
沖小圓孔的凸模，為了增加凸模的強度與剛度，凸模非工作部分直徑應(yīng)作成逐漸增大的多級形式如圖6所示：
圖6 沖孔凸模
凸模長度一般是根據(jù)結(jié)構(gòu)上的需要而確定的，其凸模長度用下列公式計算：
L=h1+h2+h3- h4
式中 L—凸模長度， mm
h1—凸模固定板高度，mm
h2—卸料板高度，mm
h3—橡膠板的厚度 ，mm
h4—凹進卸料板內(nèi)1mm
圖7整體式凹模
整體式凹模如圖7裝于下模座上，由于下模座孔口較大因而使工作時承受彎曲力矩，若凹模高度H及模壁厚度C不足時，會使凹模產(chǎn)生較大變形，甚至破壞。但由于凹模受力復(fù)雜，凹模高度可按經(jīng)驗公式計算，即
凹模高度H=KB
凹模壁厚C=(1.5~2)H
式中B----凹?？椎淖畲髮挾龋╩m），但B不小于15mm
C-----凹模壁厚（mm）， 指刃口至凹模外形邊緣的距離；
K=系數(shù)，取0.20
凹模高度H=KB=0.20×119=23.8mm 取標(biāo)準(zhǔn)值28mm
凹模壁厚C=1.5H = 1.5×28=40mm
凹模上螺孔到凹模外緣的距離一般?。?.7~2.0）d,
d 為螺孔的距離，由于凹模厚度為28mm，所以根據(jù)表2.46﹝2﹞查得螺孔選用4×M8的螺釘固定在下模座。
螺孔到凹模外緣的最小距離a2=1.5d=1.5×8=12mm
a3=1.13d≈9mm
凹模上螺孔間距由表2.47查得最小間距為40mm，最大間距為90mm。
螺孔到銷孔的距離一般取b>2d,所以b應(yīng)大于１６。
根據(jù)上述方法確定凹模外形尺寸須考慮到裝橡膠塊的尺寸，故選用 矩形凹模板的周界尺寸為250×200×28。
①沖裁φ5mm孔凸模、凹模各尺寸及其組件確定和標(biāo)準(zhǔn)化（包括外形尺寸和厚度）
小凸模長度 L=20+14-1+30.7=63.7mm
由小凸模刃口d=5.15mm
可知 h=3mm, D1=11mm, D=8mm, L=63.7mm
小凸模強度校核 要使凸模正常工作，必須使凸模最小斷面的壓應(yīng)力不超過凸模材料的許用壓應(yīng)力，即
對于圓形凸模 dmin≥
式中 dmin—圓形凸模最小截面直徑，mm
t—沖裁材料厚度，mm
—沖裁材料的抗剪強度，MPa
—凸模材料許用強度，?。?.0~1.6）×103MPa
dmin≥==2.95mm 所以承壓能力足夠。
抗縱向彎曲力校核 對于圓形凸模（有導(dǎo)向裝置）
?。蘭ax≤
式中 Lmax ——允許的凸模最大自由長度，mm
F ——沖模力,N
ｄ——凸模最小截面的直徑，mm
Lmax≤==66.57mm 所以長度適宜。
選用沖孔圓凸模：JB/T8057.2—1995 BⅡ 5.15×63.7
凸模固定端面的壓力
q =<
式中 q—凸模固定端面的壓力，MPa
F—落料或沖孔的沖裁力，N
—模座材料許用壓應(yīng)力，MPa
q ==158.5MPa
凸模固定板端面壓力超過了80～90ＭＰa，為此應(yīng)在凸模頂端與模座之間加一個淬硬的墊板。矩形墊板材料可用45鋼，結(jié)構(gòu)形式和尺寸規(guī)格見JB/T7643.3—1994查得250×200×10
由于采用整體式凹模，所以由外形落料凹模確定其凹模板厚度（圖7），其凹模刃口高度由表2.40JB/T7643.1—1994查得h=6mm，β=
②沖裁φ8mm孔凸模、凹模各尺寸及其組件確定和標(biāo)準(zhǔn)化（包括外形尺寸和厚度）
凸模長度 L=20+14-1+30.7=63.7mm
由凸模刃口d=8.18mm查得D=12mm,D1=15mm,h=3mm,L=63.7mm
選用圓凸模：JB/T8057.2—1995 BⅡ 8.18×63.7
③外形落料凸模、凹模各尺寸及其組件的確定和標(biāo)準(zhǔn)化（包括外形尺寸和厚度）
外形凸模的設(shè)計：外形凸模用線切割機床加工成直通式凸模，用兩個M8的螺釘固定在墊板上，由于采用彈性卸料板，凸模按下式計算：
L=h1+h2-h3+h4
圖8 外形凸模長度尺寸示意圖
其中： h1為固定板厚度（20 mm），h2
為卸料板厚度（14mm），h3考慮到凸模下端面到卸料板下端面的距離-（1mm），
h4為彈性橡膠塊的厚度（30.7mm）。
所以：L=20+14-1+30.7=63.7 mm
凸模固定板材料可用45鋼，結(jié)構(gòu)形式和尺寸規(guī)格見（GB…）/T7643.2—1994可得250×200×20
圖9
凹模組件的尺寸確定和示意圖（用整體式凹模）
凹模采用整體式凹模，各沖裁的凹?？拙捎镁€切割加工，安排凹模在模架上的位置時，要依據(jù)計算的壓力中心的數(shù)據(jù)，使壓力中心與模柄中心重合。
凹模的長度選取要考慮以下因素：
a)保證有足夠的安裝剛性卸料板的位置。
b)便于導(dǎo)尺發(fā)揮作用，保證送料粗定位精度。
選取凹模 250×200×28。材料：Cr12制造，熱處理硬度為58～62HRC。
6.2 定位裝置的設(shè)計
（1）始用擋料裝置的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)化（尺寸、位置!!!、標(biāo)準(zhǔn)與示意圖）（包括順沖和掉頭沖兩個始用導(dǎo)料銷）
圖10 擋料塊示意圖
擋料塊標(biāo)記：JB/T7649.1—1994 71310
材 料： 45鋼，
熱處理硬度：43~48HRC
技術(shù) 條件：按JB/T7653—1994的規(guī)定。
手動擋料塊位置的確定：
根據(jù)條料排樣圖2可計算出手動擋料塊的位置如圖所示：
圖11手動擋料塊示意圖
（2）固定擋料銷的設(shè)計
固定擋料銷的設(shè)計根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件，選用此擋料銷如圖12
圖12 固定擋料銷
選用JB/T7649.10—94 A型固定擋料銷 直徑φ8mm，h=4mm材料為45鋼
根據(jù)分析選用廢料孔前端定位時擋料銷位置如圖13
廢料孔前端定位時擋料銷位置
=C-()+0.1
——擋料銷與導(dǎo)正銷的間距，mm
圖13擋料銷位置示意圖
C——連續(xù)模的步距，mm
dr——導(dǎo)正銷的直徑，mm
d——擋料銷頭部直徑，mm
=53-()+0.1=52.85mm
（3）導(dǎo)正銷的設(shè)計
導(dǎo)正銷主要用于級進模上，消除擋料銷的定位誤差，以獲得較精確的工件。導(dǎo)正銷的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)設(shè)計，尺寸精度，材料的熱處理等可參照J(rèn)B/T7647.1—94和JB/T7647.2—94選定。
導(dǎo)正銷的結(jié)構(gòu)形式查手冊[2]選用如圖14（（選自沖壓手冊）91
圖14導(dǎo)正銷
D=d-2a
D——導(dǎo)正銷直徑的基本尺寸
d——沖孔凸模直徑
2a——導(dǎo)正銷與孔徑兩邊的間隙
沖裁φ5mm孔的導(dǎo)正銷 查表得h=0.6t 2a=0.05mm
D=d-2a=5.15-0.05=5.10mm
h=0.6×2.2=1.32mm
沖裁φ8mm孔的導(dǎo)正銷查表得h=0.6t 2a=0.07.mm
D=d-2a=8.18-0.07=8.11mm
h=0.6×2.2=1.32mm
（4）導(dǎo)料板的設(shè)計（包括兩塊導(dǎo)料板的間距、外形尺寸和厚度與示意圖等）
根據(jù)凹模周界?。簩?dǎo)料板JB/T7653—1994 250×56×10
圖15 導(dǎo)料板示意圖
6.3 標(biāo)準(zhǔn)模架的選用（前面已經(jīng)確定為中間導(dǎo)柱模架）
由凹模周界選用標(biāo)準(zhǔn)模架（包括導(dǎo)柱、導(dǎo)套、上模座、下模座、模柄的標(biāo)準(zhǔn)和示意圖）
選用GB/T2851.1—1990 250×200×170~210
技術(shù)條件：按JB/T8050—1999的規(guī)定。
模柄標(biāo)記：JB/T 7646.1—1994 A 503110
材 料：Q235—A。F
技術(shù)條件：按JB/T7653—1994的規(guī)定：
導(dǎo)柱標(biāo)記： GB/T2861.1 —1990 323160
GB/T2861.1 —1990 353160
導(dǎo)套標(biāo)記：GB/T2861.6 —1990 323105343
GB/T2861.6 —1990 353105343
上模座標(biāo)記：GB/T2855.9 —1990 2503200345
下模座標(biāo)記：GB/T2855.10 —1990 2503200350
6.4 卸料裝置的設(shè)計
在前面已經(jīng)確定了采用剛性卸料板，設(shè)計卸料板為一整體板。本模具的卸料板不僅有卸料作用，還具有外形凸模的導(dǎo)向作用，并能對小凸模起保護作用。卸料板的邊界尺寸經(jīng)查手冊[2]表15.28得：
卸料板長度L =250mm,寬度B=200mm厚度h0=14mm
此模具中，卸料板對沖孔落料凸模起導(dǎo)向作用，卸料板和凸模按H7/h6配合制造
6.5 聯(lián)接件的選用
本模具采用螺釘固定，銷釘定位。具體講
內(nèi)六角螺釘標(biāo)記：35鋼M8365 GB70—85
GB70—85 M8365 45鋼
螺釘標(biāo)記：GB68—76 M8330 45鋼
圓柱銷釘標(biāo)記：GB 119—86 6365 35鋼
止動圓柱銷標(biāo)記：GB119—86 436
6.6 裝配圖的設(shè)計
圖16 模具裝配圖
1-模架；2-凹模；3-導(dǎo)料板；4-導(dǎo)正銷；5-卸料板；6-卸料螺釘；7-凸模固定板；10-落料凸模；11-大孔凸模；12-小孔凸模；13-活動擋料銷；14-彈簧；15-承料板
該模具采用中間導(dǎo)柱模架，模具上模部分主要有上模板，墊板，凸模固定板及卸料板等組成。卸料方式采用彈性卸料，以橡膠為彈性元件。下模部分有下模座，凹模板，導(dǎo)料板等組成。沖孔廢料和成品件均由漏料孔漏出。
6.7 壓力機的選擇與校核
模座外形尺寸420×270mm,閉合高度200mm,有文獻[4]中，JC23—63型壓力機工作臺尺寸為480×710mm,最大閉合高度為360mm，連桿調(diào)節(jié)長度為80mm,所以在工作臺上加一35～70mm的墊板，即可安裝。模柄孔尺寸也于本副模具所選模柄尺寸相符。
6.8 模具零件材料選用如下表
22
始用擋料塊
2
45鋼
21
固定擋料銷
1
45鋼
20
卸料板
1
45鋼
19
螺釘
10
35鋼
18
凸模
1
Cr12
17
圓柱銷
6
35鋼
16
凸模
1
Cr12
15
止轉(zhuǎn)銷
1
35鋼
14
模柄
1
Q235
13
落料凸模
1
Cr12
12
固定螺釘
2
35鋼
11
凸模墊板
1
45鋼
10
內(nèi)六角螺釘
10
35鋼
9
上模座
1
HT200
8
導(dǎo)套
2
20
7
凸模固定板
1
45鋼
6
橡膠塊
4
5
導(dǎo)正銷
2
45鋼
4
導(dǎo)料板
2
3
凹模板
1
Cr12
2
導(dǎo)柱
2
20
1
下模座
1
HT200
序號
名稱
件數(shù)
材料
表6—1 模具零件材料選用表
7 模具的裝配及調(diào)試
根據(jù)級進模裝配要點，選凹模作為裝配基準(zhǔn)件，先裝下模，再裝上模，并調(diào)整間隙，試沖，返修。具體裝配如下：
序號
工序
工藝說明
1
凸，凹模預(yù)配
1． 裝配前仔細(xì)檢查各凸模形狀及尺寸以及凹模形孔，是否符合圖紙要求精度，形狀。
2． 將各凸模分別與相應(yīng)的凹模孔相配，檢查其間隙是否加工均勻。不合適者應(yīng)重新修磨或更換
2
凸模裝配
以凹模孔定位，將各凸模分別壓入凸模固定板7的形孔中，并擰緊牢固
3
裝配下模
1． 在下模座1上劃中心線，按中心線預(yù)裝凹模2，導(dǎo)料板3
2． 在下模座1導(dǎo)料板3上，用以加工好的凹模分別確定其螺孔位置，并分別鉆孔攻絲
3． 將下模座1導(dǎo)料板3凹模2活動擋料銷13彈簧14裝在一起，并用螺釘擰緊打入銷釘
4
裝配上模
1． 在已裝好的下模上放等高墊鐵，再在凹模中放入0.12mm的紙片，然后將凸模與固定板組合裝入凹模
2． 預(yù)裝上模座，劃出與凸模固定板相應(yīng)鏍孔，鉆孔位置并鉆鉸鏍孔
3． 用螺釘將固定板組合，墊板8，上模座連接在一起但不要擰緊
4． 復(fù)查凸，凹模間隙并調(diào)整合后適合，緊固螺釘
5． 安裝導(dǎo)正銷4，承料板15
6． 切紙檢查，合適后打入銷釘
5
試沖與調(diào)整
裝機試沖并根據(jù)試沖結(jié)果作相應(yīng)調(diào)整
表7—1 模具裝配順序
設(shè)計總結(jié)
在河南機電高等?？茖W(xué)校學(xué)習(xí)三年，收獲頗豐。三年來，在老師悉心的指導(dǎo)下，大大豐富了自己的文化知識，同時也為自己創(chuàng)造了一個很好的發(fā)展機會，為以后的人生道路選擇了正確的方向。
目前，我國沖壓技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當(dāng)落后，主要原因是我國在沖壓基礎(chǔ)理論及成形工藝、模具標(biāo)準(zhǔn)化、模具設(shè)計、模具制造工藝及設(shè)備方面與工業(yè)發(fā)達國家尚有相當(dāng)大的差距，導(dǎo)致我國模具在壽命、效率、加工精度、生產(chǎn)周期等方面與工業(yè)發(fā)達國家的模具相比差距相當(dāng)大。
隨著工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的不斷高，沖壓產(chǎn)品生產(chǎn)正呈現(xiàn)多品種、少批量，復(fù)雜、大型、精密，更新?lián)Q代速度較快等變化特點，沖壓模具正向高效、精密、長壽命、大型化方向發(fā)展。為適應(yīng)市場變化，隨著計算機技術(shù)和制造技術(shù)的迅速發(fā)展，沖壓模具設(shè)計與制造技術(shù)正由手工設(shè)計、依靠人工經(jīng)驗和常規(guī)機械加工技術(shù)向以計算機輔助設(shè)計、數(shù)控切削加工、數(shù)控電加工為核心的計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)轉(zhuǎn)變。并且也加深了相關(guān)理論知識的認(rèn)識。同時熟練掌握了專業(yè)工具書的使用方法。在整個過程中，增強了自己的的能力。當(dāng)然，由于本人水平有限及缺乏生產(chǎn)實際經(jīng)驗，該設(shè)計難免存動手能力及獨立思考解決問題在不足之處。希望老師對此提出批評意見，在此表示萬分的感謝。
致謝
經(jīng)過這段的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，對于本次畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有指導(dǎo)老師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的
首先感謝專業(yè)老師以及校領(lǐng)導(dǎo)三年來對我的辛勤教育和培養(yǎng)，使我順利地完成三年學(xué)業(yè)并且學(xué)到了不少的知識。
本文是在于智宏老師，楊占堯教授，原紅玲老師等老師的指導(dǎo)和幫助下順利完成的，在此我表示忠心的感謝。在寫本論文的過程中，我翻閱了許多資料擴大了知識面為以后的工作打下了很好的基礎(chǔ)。
由于時間比較倉促，筆者水平有限，設(shè)計中難免有不足和疏漏之處，敬請批評和指正。
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