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沖壓模具設計中側壁起皺的分析 F.-k. Chen and Y.-C. Liao 臺灣 臺北市國立臺灣大學機械工程部門 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壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當發(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)品中介于模擬結果和實測結果的好協(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計沖模的優(yōu)勢。 關鍵詞：側壁起皺；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。在沖壓一個復雜形狀零件的操作時，側壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側壁區(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。對于沖壓一個復雜形狀的零件，當起皺發(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構，Yoshida et al.發(fā)明了一種測試，在這種測試里，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，實驗結果顯示是四到六個。當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雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當前的研究中，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壁，在帶有錐度的杯子也相應的存在傾斜的側壁。在沖壓過程中，側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是用CAD或PRO/E軟件來設計的。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，工具被認為是剛硬的，而且對應的網(wǎng)眼被用來定義工具幾何學而不是壓力分析。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，金屬板料的真實應力應變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當前的研究中，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)的設置，沖頭的速度一般設置在10m/s，庫侖摩擦系數(shù)設置在0.1。 圖3 金屬板料的應力應變關系 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)被認為是影響起皺的至關重要尺寸。在當前研究中，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。相關的在側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，金屬的應力應變曲線如圖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，起皺分布在側壁，側壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側壁有大面積區(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變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實際值比β的評論值大，假設當起皺發(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，同一側壁高度，沿著橫截面M-N的β值在圖4中標記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴重的起皺一般發(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。 模擬結果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側壁的起皺。在圖4中已標出沿著橫截面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標出的那樣，側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力應變關系如圖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)分布在側壁上，但是在階梯邊緣拐角處最為嚴重，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，這被認為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結果，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，掛鉤應該平衡的加在起皺位置。基于這種理念，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 加到側壁的起皺 圖10顯示的那樣。這就為模具設計的改進提供了有價值的信息。 圖10 當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用到如圖11所示，從而使得模具設計的改進得到發(fā)展。但是，杯子側壁處仍然有起皺，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，如果相應的順序被應用，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計理想產(chǎn)品的沖壓模具設計是很難完成的。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果去切除較低的臺階來改善模具設計，如圖12所示。隨著設計方法的改進，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計方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結果和真實產(chǎn)品中看到的結果相吻合說明了有限元模擬分析法的準確性，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 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”，機械學雜志，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。實驗的技巧，pp.345-353，1986. 4. R.Narayanasamy和R.Sowerby，“當用一種圓錐形的沖模成形時的金屬板料起皺”，材料處理技術雜志，41，pp.275-290，1994. 5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機械和冶金，1993年第二季。 太原科技大學 課 程 設 計 任 務 書 專業(yè)班級 成型082202H 設計人郝穎蕾 同組人 無 設計題目 轉(zhuǎn)子倒裝式?jīng)_孔落料復合模工藝分析及其模具設計 設計參數(shù)： 零件圖 材料 坡莫合金 大批量生產(chǎn) 設計要求： 零件結構性能、沖壓工藝性能的分析 單工序制定、多種工藝方案制定、最佳工藝方案選擇確定 必要計算（刃口尺寸、力、凸凹模間隙） 模具結構設計、標準件選擇，繪制模具總圖 模具零部件設計，繪制主要非標零件圖 沖壓設備選擇 、參數(shù)確定 按規(guī)定編寫課程設計說明書一份（不少于5000字） 模具裝配總圖一張（1#或0# 圖） 非標零件圖（6張） 設計時間： 2012 年 02月 20 日 至 2012 年 03 月 06日 設計人(簽字) 指導教師(簽字) 教研室主任(簽字) 附注：本課程設計任務書由學生附入設計說明書內(nèi)。 名稱 轉(zhuǎn)子 材料 坡莫合金 每張件數(shù) 6 消耗定額 82.57% 工序 工序說明 工序簡圖 設備 1 沖孔 J23-40 沖壓工藝卡片 太原科技大學 課程設計說明書 設計題目：轉(zhuǎn)子倒裝式?jīng)_孔落復合模 工藝分析及其模具設計 姓 名 郝穎蕾 學 院（系） 華科學院材料系 專 業(yè) 材料成型及控制工程（模具） 年 級 成型：082202H 學 號 200822020085 指導教師 段興旺 2012年 3月 6日 摘要 本套模具是一套沖孔、落料復合模。它的工序順序是第一步落料，第二步是沖孔。通過對沖孔、落料工件圖樣的工藝性的正確分析，設計了一個沖孔、落料復合模。首先對工件進行了工藝分析，確定了最佳工藝方案，并進行工藝計算；然后確定了沖孔、落料復合模的結構型式，并對主要結構零件進行了設計計算和強度校核；并合理的選擇了壓力機。通過本課題研究，使我掌握了沖壓模具設計的理論知識。 Abstract This set of mold progressive die set punching, blanking level. The process sequence is the first step in a hole at the same time red and the surrounding three holes, the second step is a direct blanking. Through the correct analysis of the process of punching, blanking, workpiece pattern, design a punching, blanking, progressive die. Workpiece process analysis to determine the best process plan and process calculation; and then determine the punching, blanking progressive mode of the structure type, and the main structural components of the design calculations and strength check of; and reasonable choice for the press. Through this research, I mastered the theoretical knowledge of the stamping die design. 太原科技大學課程設計說明書 目錄 第一章 緒論 1 1.1 沖壓模具的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 1.1.1我國模具技術的現(xiàn)狀 1 1.1.2未來沖壓模具制造技術發(fā)展趨勢 2 1.2 課題研究的理論依據(jù) 4 第二章 沖壓成型工藝分析和工藝方案的確定 5 2.1 沖壓的基本工序分類及模具類型的選擇 5 2.2 沖模設計與制造的程序 5 2.3 沖壓工藝編制與沖模設計的步驟和內(nèi)容 6 2.3.1 沖壓工藝編制 6 2.3.2 沖模設計 7 2.3.3 沖模制造工藝的選擇 9 2.4 設計任務 9 2.5 工件的工藝分析 10 2.6 工藝方案的確定 10 2.7 模具結構方案的確定 11 2.8 小結 11 第三章 落料沖孔模工藝計算及模具結構設計 12 3.1 排樣設計與計算 12 3.2 沖裁力計算 13 3.3 壓力機選擇 13 3.3.1沖壓設備的選擇原則 13 3.3.2選擇壓力機及壓力機參數(shù) 14 3.4 確定模具壓力中心 14 3.5 凸、凹模刃口尺寸計算 15 3.5.1刃口尺寸計算的一般原則 15 3.5.2刃口尺寸計算方法 15 3.5.3落料-沖孔模刃口尺寸的計算 15 3.6 確定凹模外形尺寸，選擇標準 16 3.7 沖模結構設計 17 3.7.1裝配圖 17 3.7.2模具結構型式分析 18 3.7.3模具主要零部件的結構和設計 18 3.7.4模具的工作過程 20 3.8小結 20 第四章 沖壓模具工件的機械加工 21 4.1 沖壓工作零件的技術要求 21 4.2 沖模工作零件的熱處理 21 4.3 沖模工作零件機械加工工藝過程 21 5.3.1凸模加工工藝工程 21 5.3.2凹模加工工藝過程 21 4.4 小結 22 第五章 模具裝配 23 5.1 沖模裝配 23 5.2 沖模的安裝 24 5.3 小結 24 第六章 結論 25 參考文獻 26 致謝 27 附零件圖、裝配圖 II 太原科技大學課程設計說明書 第一章 緒論 1.1沖壓模具的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1.1.1我國模具技術的現(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。而模具制造是整個鏈條中最基礎的要素之一，模具制造技術現(xiàn)已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標志，并在很大程度上決定企業(yè)的生存空間。 近年許多模具企業(yè)加大了用于技術進步的投資力度，將技術進步視為企業(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，并成功應用于沖壓模的設計中。 以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術已取得很大進步，東風汽車公司模具廠、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，許多研究機構和大專院校開展模具技術的研究和開發(fā)。經(jīng)過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術方面取得了顯著進步；在提高模具質(zhì)量和縮短模具設計制造周期等方面做出了貢獻。 例如，吉林大學汽車覆蓋件成型技術所獨立研制的汽車覆蓋件沖壓成型分析KMAS軟件，華中理工大學模具技術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，精密加工設備在模具加工設備中的比重比較低；CAD/CAE/CAM技術的普及率不高；許多先進的模具技術應用不夠廣泛等等，致使相當一部分大型、精密、復雜和長壽命模具依賴進口。 我國的模具工業(yè)的發(fā)展，日益受到人們的重視和關注?！澳＞呤枪I(yè)生產(chǎn)的基礎工藝裝備”也已經(jīng)取得了共識。在電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電和通信等產(chǎn)品中，60%~80%的零部件都要依靠模具成形（型）。用模具生產(chǎn)制件所具備的高精度、高復雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比擬的。模具又是“效益放大器”，用模具生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的價值，往往是模具自身價值的幾十倍、上百倍。目前全世界模具年產(chǎn)值約為600 億美元，日、美等工業(yè)發(fā)達國家的模具工業(yè)產(chǎn)值已超過機床工業(yè)。近幾年，我國模具工業(yè)一直以每年15%左右的增長速度發(fā)展，2003年，我國模具總產(chǎn)值超過400億元人民幣。 　中國模具產(chǎn)業(yè)除了要繼續(xù)提高生產(chǎn)能力，今后更要著重于行業(yè)內(nèi)部結構的調(diào)整和技術發(fā)展水平的提高。結構調(diào)整方面，主要是企業(yè)結構向?qū)I(yè)化調(diào)整，產(chǎn)品結構向著中高檔模具發(fā)展，向進出口結構的改進，中高檔汽車覆蓋件模具成形分析及結構改進、多功能復合模具和復合加工及激光技術在模具設計制造上的應用、高速切削、超精加工及拋光技術、信息化方向發(fā)展。 1.1.2未來沖壓模具制造技術發(fā)展趨勢 模具技術的發(fā)展應該為適應模具產(chǎn)品“交貨期短”、“精度高”、“質(zhì)量好”、 “價格低廉的要求服務。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 模具CAD/CAM/CAE技術是模具設計制造的發(fā)展方向。隨著微機軟件的發(fā)展和進步，普及CAD/CAM/CAE技術的條件已基本成熟，各企業(yè)將加大CAD/CAM技術培訓和技術服務的力度；進一步擴大CAE技術的應用范圍。計算機和網(wǎng)絡的發(fā)展正使CAD/CAM/CAE技術跨地區(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也稱為電火花創(chuàng)成加工技術，這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工型腔的新技術，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雜的成型電極，這顯然是電火花成形加工領域的重大發(fā)展。國外已有使用這種技術的機床在模具加工中應用。預計這一技術將得到發(fā)展。 5) 提高模具標準化程度 我國模具標準化程度正在不斷提高，估計目前我國模具標準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 選用優(yōu)質(zhì)鋼材和應用相應的表面處理技術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發(fā)展工藝先進的氣相沉積(TiN、TiC等)、等離子噴涂等技術。 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 這是我國長遠發(fā)展的目標。模具自動加工系統(tǒng)應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)。CNC雕刻機在國內(nèi)的發(fā)展上從最近的一兩年才有較大的發(fā)展，相關加工廠和使用單位時刻以敏銳的眼光盯著廠家的動向，這也是身為雕銑機主機生產(chǎn)廠一點也不敢松懈的真正原因所在。作為用戶當然要選合適的設備，如果選型不當，不但不能賺錢反而令陷入為機器打工的苦澀局面。那么什么樣的機床才是好機床？ 我們認為好機床的定義是這樣的：能夠在短期內(nèi)收回投資的機床才是好機床。數(shù)控機床的設計使用壽命一般為7年，主要是數(shù)控方面的使用壽命為準，這樣花錢和掙錢的比例關系將直接影響您的生意，所以仔細分析功能進行選型是有效投資的必要條件。在國外很早就有雕銑機的名詞（CNC engraving and milling machine），嚴格地講雕是銑的一部分，是購買雕刻機還是購買數(shù)控銑式加工中心是經(jīng)常要問自己的問題。另外，還有目前盛行的高速切削機（HSCMACHINE）。 還是讓我們首先搞清楚三個機型區(qū)別： 1）數(shù)控銑和加工中心 用于完成較大銑削量的工件的加工設備 2）數(shù)控雕銑機 用于完成較小銑削量，或軟金屬的加工設備 3）高速切削機床 用于完成中等銑削量，并且把銑削后的打磨量降為最低的加工設備。 1.2課題研究的理論依據(jù) 1）沖裁是利用模具使板料產(chǎn)生分離的沖壓工序，包括落料、沖孔、切口、修邊等。 用它可以制作零件或為彎曲、拉深、成形等工序準備毛坯。從板料沖下所需形狀的零件叫落料，在工件上沖出所需形狀的孔（沖去的為廢料）叫沖孔。 2）沖裁過程：沖裁即是分離工序，工件受力時必須從彈、塑性變形開始，以斷裂告終。當凸模下降接觸板料，板料即受到凸、凹模壓力而產(chǎn)生彈性變形，由于力矩的存在，使板料產(chǎn)生彎曲，即從模具表面上翹起。隨著凸模下壓，模具刃口壓入材料，內(nèi)應力狀態(tài)滿足塑性條件時，產(chǎn)生塑性變形，不同凸模行程，其變形程度不同，且凹模刃口附近變形大于凸模刃口附近的變形。由此可知，塑性變形從刃口開始，隨著切刃的深入，變形區(qū)向板料的深度方向發(fā)展、擴大，直到板料的整個厚度方向上塑性變形，板料的一部分相對另一部分移動。力矩將板料壓向整個厚度方向上產(chǎn)生塑性變形，板料的一部分相對于另一部分移動。力矩將板料壓向切刃的側表面，故切刃相對于板料移動時，這些力將表面平壓，在切口表面上形成光亮帶。當切刃附近材料各層中達到極限應變與應力值時，便產(chǎn)生微裂，裂紋產(chǎn)生后，沿著大剪應速度方向發(fā)展，直至上、下裂紋會合，板料就完全分離。 3）模具間隙：模具間隙系指凸、凹模刃口縫隙的距離，用符號c表示，俗稱單面間隙。而雙面間隙用Z表示。間隙對沖裁件質(zhì)量、沖裁力、模具壽命的影響很大，是沖裁工藝與模具設計中的一個極其重要的問題。 第二章 沖壓成型工藝分析和工藝方案的確定 2.1 沖壓的基本工序分類及模具類型的選擇 沖壓工序基本分為以下兩大類： 第一類是材料受外力后應力超過其強度極限，使材料發(fā)生剪裂或局部剪裂。諸如：板料的剪裂、剪截、沖孔、落料、切口、整修、裁切、沖口等多種作業(yè)形式，但均屬于分離工序；第二類是材料受到外力應力超過其屈服極限，使材料經(jīng)過塑性變形后成一定的形狀。諸如：彎曲、縮口、卷邊、扭轉(zhuǎn)、拉伸、起伏成形、體積沖壓等變形方式，但均屬于變形工序。將上述兩個以上的單工序連續(xù)沖壓與復合在一套模具上沖壓便構成連續(xù)沖壓與復合沖壓工序。 上述各種沖壓變形工序所用的模具，雖然結構千變?nèi)f化，但仍然可按其沖壓過程的動作特征、主要結構特點以及完成的工藝作業(yè)類別，將其劃分成以下幾大類： 1）單工序沖模（亦稱單沖模） 這種沖模是在壓力機的一次行程中只完成一個沖壓工藝工序。一般均以其完成的沖壓工藝工序的名稱來命名：如只進行沖孔的稱之為沖孔模；只進行一次彎曲的稱為彎曲模。 2）連續(xù)模（亦稱多工序連續(xù)模） 這種模具是在壓力機一次行程中，在模具的不同工位上，能同時完成兩個或兩個以上沖壓工序。根據(jù)連續(xù)完成的沖壓工序的工藝作業(yè)類別又將連續(xù)模分為：多工位連續(xù)沖裁模、多工位連續(xù)式復合模兩種。連續(xù)模只有沖裁工位的，即只進行沖孔、切口、落料等屬于沖裁作業(yè)的工位，稱為多工位連續(xù)沖裁模。如果連續(xù)模諸工位中，除了沖裁作業(yè)外，還有拉伸或彎曲、成形：包括翻邊、沖擠、壓印等屬于沖裁式復合模。 3）復合模 該類模具僅一個工位，在壓力機的一次行程中能完成兩個或兩個以上沖壓工步，根據(jù)這類模具完成的沖壓工步的類別，可將其分為：沖裁式復合模、綜合式復合模兩種。只完成沖裁作業(yè)的復合模，最常見的是沖孔—落料復合模。如果連續(xù)模諸工位中,除了沖裁作業(yè)外，還有拉伸或彎曲、成形任意一個或一個以上變形工步的復合模，通稱其為綜合式復合模、多工位連續(xù)式復合模。 2.2 沖模設計與制造的程序 由于國內(nèi)目前正處在市場經(jīng)濟的管理體制與生產(chǎn)組織形式正在逐步改革和健全過程之中，故目前國內(nèi)對沖模設計與制造的程序，尚無固定的標準模式，但整個過程大致可以分為如下七個階段： 1） 沖壓設計。提供沖件圖及技術要求； 2） 編制沖壓工藝文件。包括：沖壓工藝卡、沖壓工藝手則、工序質(zhì)量分析表、工序質(zhì)量控制圖等； 3） 沖模設計。符合工藝要求，結構合理，制造容易的整套沖模圖紙； 4） 沖模制造。按沖模圖紙制造的沖模，其零部件全部合格且沖出沖件符合沖件圖要求，沖模經(jīng)驗合格證，方可交付使用； 5） 試模驗證。新沖模須經(jīng)沖件設計，沖壓工藝編制人員、沖模設計者、使用單位、專職檢驗員、安全員等有關人員共同參加，進行試模考核與驗證，合格后各方算驗證通過。 6） 投產(chǎn)使用試模驗證。新沖模交付使用必須有《沖模驗證單》等隨行文本。并要在使用過程做投產(chǎn)、維修、出現(xiàn)與解決的問題等記錄工作。 7） 維修保管。每次使用完成，必須將最后沖制的樣件栓在模具上，同上述填寫好的技術檔案及有關記錄一并送檢后入庫。需要修理至合格后方入庫保管備用。 2.3 沖壓工藝編制與沖模設計的步驟和內(nèi)容 2.3.1 沖壓工藝編制 根據(jù)沖壓件圖編制沖壓工藝的步驟和主要內(nèi)容如下： 1） 進行沖件工藝分析即研究并熟悉沖件結構形狀、尺寸、沖壓加工工藝及沖壓精度，了解沖件材料及材料質(zhì)量，尤其是表面質(zhì)量。這一階段實際上是編制沖壓工藝的前期準備工作,十分重要。首先要詳細了解沖件在整個產(chǎn)品中的地位、作用及性能,要研究和分析沖件的沖壓工藝性及改變沖件結構尺寸與形狀從而簡化加工過程及沖模結構的可能性；研究沖件在現(xiàn)場條下進行經(jīng)濟沖壓實現(xiàn)成批與大量生產(chǎn)的可能性；改變沖件結構形狀與尺寸實現(xiàn)少無廢料沖壓的可能性。 2） 確定生產(chǎn)性質(zhì)，投產(chǎn)批量和年總產(chǎn)量。為經(jīng)濟合理的選定沖模類型，結構及最經(jīng)濟的制模工藝提供可靠依據(jù)。 3） 確定工藝要素，編制工藝文件。 （1） 確定沖壓件生產(chǎn)的工序及設備種類, （2） 計算沖壓力，選定沖壓設備。 （3） 編制沖壓工藝初稿，并與沖壓工藝施工人員、沖模設計者、產(chǎn)品設計人、質(zhì)檢人員等有關人員商討、會簽、最后形成正式文件。 （4） 提出沖模設計任務書。 2.3.2 沖模設計 1） 力，諸如：卸料力、頂件力、卸件力、廢料切斷刀、拉深壓邊力、彈壓卸料板壓料力、彈性元件的彈力等。根據(jù)計算總壓力選用設備的合理性、沖模裝夾是否困難，壓力機的形程、閉合高度、壓力行程曲線能否滿足工藝施工要求，排樣圖中搭邊與沿邊值以及排樣方法是否合理，工步順序及工位布置是否合適等。 2） 最后按確定的沖模類型，規(guī)定沖?？傮w結構，提出采用典型設計組合、沖模零部件標準及有關設計要求。就沖裁模而言，對單工序模、沖裁復合模、多工位連續(xù)式?jīng)_裁模，應采用GB2851—2875—81《冷沖?！芬约?990年修訂本的國家標準中規(guī)定的典型組合標準規(guī)格，并按其規(guī)定選配成套冷沖模標準零部件、模板等標準件。對于含有拉深、彎曲、內(nèi)外緣翻邊等也盡量考慮使用上述標準，以利于制模。 3） 沖模的細部設計與計算，包括： （1） 送出料裝置的配置及操作方式的確定。在單件、小批量生產(chǎn)中，一般不配用送出裝置而用手工操作；大批量生產(chǎn)中應配用通用或?qū)Ｓ米詣铀统隽涎b置，以確保生產(chǎn)安全高效，中批生產(chǎn)可考慮由模具帶動的鉤式簡易送料裝置和拔桿卸料器，可實現(xiàn)連續(xù)沖壓。 （2） 壓料與卸料系統(tǒng)的設計，要依據(jù)沖件圖對工件平面度的要求和原料的厚度，沖件形狀及變形工步，確定壓料與否，而后確定固定卸料板還是彈性卸料板，甚至分工位兩者組合的卸料系統(tǒng)。 （3） 頂件系統(tǒng)與卸件裝置的設計，從沖模結構考慮：落料凹模裝在下模的正裝復合沖裁模以及上模出件的彎曲、拉深、翻邊等單工序模和多工位連續(xù)式復合模的這些工藝作業(yè)的工位，一般都要在其凹模洞口中設頂件器。頂件器一般由裝在下模下邊的彈性元件驅(qū)動，而卸件器則靠一套剛性頂桿、推板推卸出件。上述裝置設計模具時要根據(jù)實際需要設置。 （4） 進位限位裝置設計。根據(jù)排樣圖確定的使用側刃、擋料銷的位置及尺寸，選用標準規(guī)定的合適類型與規(guī)格。此外，還要根據(jù)模具結構和提高送進材料定位精度的實際需要，設計側壓裝置、擋料銷、工藝定位孔等，始用擋料銷、固定擋料銷種類繁多，應按沖件厚度、結構形狀與尺寸、搭邊寬度等情況選用。 （5） 選定沖模制造精度等級，主要依據(jù)沖件圖要求的沖壓精度，一般要提高1—2級精度，作為沖模制造精度的等級。凸、凹模工作尺寸、進距誤差、多工送進誤差等均需以確定的沖模制造精度為依據(jù)進行計算，以確保沖制工件尺寸精度不超差。 （6） 計算并確定沖模的壓力中心。對于多工位連續(xù)模這一點較為重要。欲使沖模工件正常而平穩(wěn)，要使其壓力中心與其模柄的軸心線重合，最多不得超過模柄的投影面積之外，否則會產(chǎn)生偏移彎矩，加速壓力機滑塊與導軌以及模具導向機構的磨損。 （7） 計算沖模工作零件尺寸，首先按沖件材料種類及厚度選定間隙極其取向再行計算。除凸、凹模刃口尺寸需按事先選定或工廠習慣采用的制模工藝進行計算外、與此有關的固定板、卸料板及與其配對便用的斜楔滑塊、鉤式送料裝置的零部件尺寸，都要進行計算并確定下來，方可制圖。 4） 根據(jù)選用的GB2851—2875—81《冷沖?！穱鴺?，按其規(guī)定配用的標準模架及成套零部并考慮上述各步驟設計內(nèi)容及結果，繪出模具總裝配圖和非標準零件。 在繪制沖?？傃b配圖時需注意解決好以下一些問題： （1） 按沖件的沖壓工藝過程卡規(guī)定使用的沖壓設備及其主要技術規(guī)格，諸如：壓力機臺面尺寸，壓力機臺面及其滑塊上裝模柄孔的尺寸、最小閉合高度等參數(shù)，作為選用標準模架和模柄以及確定模座底面積、模具落料孔以及模具平面裝夾尺寸的依據(jù)。即便選用標準典型組合，也必須考慮上述參數(shù)給予銜接； （2） 注意設計合適的凹模結構形狀，并對其強度進行必要的校核； （3） 凸模長度要進行細致的計算，對于小孔沖模，當凸模直徑等于或小于料厚或沖裁高強度材料小孔時，除在結構上采取加固措施外，對凸模的抗壓強度和抗縱彎穩(wěn)定性要分別進行比要的驗算； （4） 注意拔桿卸件系統(tǒng)、模具帶動的送料裝置等直接裝在模具上或與模具聯(lián)動的機構，與模具主沖壓動作的協(xié)調(diào)、配合。必要時可先設計并繪出各機構動作過程組合曲線圖，防止在一個部位動作相碰撞。 2.3.3沖模制造工藝的選擇 沖模制造工藝是沖模非標準工作零件即非圓形凸、凹模的制造方法。沖模的標準零部件，包括一些圓形凸模及圓凹模的加工工藝都已定型且這些零件大多可在市場上隨時購買。故通常所說的沖模制造工藝是指那些需要另行單獨制造的非圓凸、凹模以及其他復雜的非標準凸、凹模的制造方法。 首先應該將需要加工的凸、凹模零件表面按其用途、作用及加工工藝不同分為：配合面與接觸面兩種。配合面是在沖模組裝或總裝時，該面與其他零部件配合，要求有一定的尺寸與形位精度及表面粗糙度。 2.4設計任務 零件簡圖：如圖2-1所示 年產(chǎn)量：大批量 材料：坡莫合金 材料厚度：0.2mm 制件的尺寸精度：IT14級 2.5工件的工藝分析 對工藝分析包括技術和經(jīng)濟方面兩個方面內(nèi)容。在技術方面，根據(jù)工件圖，主要分析該沖壓件的形狀特點、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合沖壓工藝要求；在經(jīng)濟方面，主要根據(jù)沖壓件生產(chǎn)批量，分析產(chǎn)品成本，闡明采用沖壓生產(chǎn)可以取得的經(jīng)濟效益。因此，沖壓件的工藝分析，主要討論在不影響零件使用的前提下，能否以最簡單經(jīng)最經(jīng)濟的方法沖壓出來。能夠做到的，表示該沖壓件的工藝性好；反之，工藝性差。影響沖壓件工藝性的因素很多，從技術和經(jīng)濟方面考慮，主要因素有以下幾個方面 該制件形狀比較簡單，由圓組成的，尺寸一般，厚度適中，大批量，屬于普通沖壓件，但是有幾點應注意： 1) 由于零件上有12個小孔已經(jīng)沖好了，沖孔時要保證中間大孔的位置精度。 2) 大批量生產(chǎn)，應重視模具材料和結構的選擇，保證一定的壽命。 2.6工藝方案的確定 根據(jù)制件工藝性分析，該零件包括落料和沖孔兩個基本工序，可采用的以下三種方案： 1) 第一步落料，第二步?jīng)_孔，采用單工序模生產(chǎn)。 2) 第一步落料-沖孔復合沖壓，采用復合模生產(chǎn)。 3) 第一步?jīng)_孔-落料連續(xù)沖壓，采用級進模生產(chǎn)。 方案1）模具結構簡單，但需要兩道工序，兩套模具才能完成零件加工，生產(chǎn)效率較低，難以滿足零件大批量生產(chǎn)要求。由于零件結構相對簡單，為提高生產(chǎn)率，主要應采用復合模沖壓和級進模沖壓。 由于采用級進或多工位自動送料裝置，生產(chǎn)率高，模具結構復雜，制造周期長，成本高。故采用復合模生產(chǎn)。 3.2 沖裁力計算 平刃沖模沖裁時，沖裁力F0＝Ltτ，但考慮到模具刃口的磨損，模具間隙的波動，材料機械性能變化和材料厚度偏差等因素，實際所需沖裁力必須增大30％，即： F=1.3F0=Ltσb 查表1-4 τ=700MPa （1） 沖制件中間大孔： 查表2-8]k1=0.05 由經(jīng)驗選取n=3 查表2-8k1=0.063 沖孔力：F沖=Ltσb 得1.8×103N 卸料力F卸：F卸=k 1F沖 得：90N 推件力F推：F推=nk 2F沖 得：340N F=F沖＋F卸＋F推 F=2.23×103N 3.3壓力機選擇 3.3.1沖壓設備的選擇原則 沖壓設備的選擇主要是根據(jù)沖壓工藝性質(zhì)、生產(chǎn)批量大小、沖壓件的幾何形狀、尺寸及精度要求等因素來確定的。沖壓生產(chǎn)中常用的沖壓設備種類很多，選擇沖壓設備時主要考慮下述因素： 1） 沖壓設備的類型和工作方式是否適用于應完成的工序；是否符合安全生產(chǎn)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工序的需要； 3） 沖壓設備的裝模高度、工作臺面尺寸、行程等是否適合應完成工序所用的模具； 4） 沖壓設備的行程次數(shù)是否滿足生產(chǎn)率的要。 3.3.2選擇壓力機及壓力機參數(shù) 由表1-5查得，沖孔時的壓力機應選標稱壓力為40×103N的開式可傾壓力機J23-4 型號 公稱壓力/KN 滑塊行程/mm 滑塊行程次數(shù)/n˙min-1 J23-4 40 200 最大閉合高度/mm 閉合高度調(diào)節(jié)量/mm S S1 S2 工作臺尺寸/mm 長×寬 160 35 40 40 6 280×180 墊板尺寸/mm 模柄孔尺寸/mm 厚度 孔徑 直徑 深度 35 30 30 50 表3-1 開式可傾壓力機J23-16主要技術參數(shù) 3.5凸、凹模刃口尺寸計算 3.5.1刃口尺寸計算的一般原則 1) 刃口尺寸應保證沖出合格零件 2) 沖孔時孔的實際尺寸基本與凸模刃口尺寸一致，因此應先計算凸模刃口尺寸，合理沖裁間隙值依靠改變凹模刃口尺寸獲得。 3) 刃口磨損一些仍能沖出合格工件 4) 隨著沖裁件數(shù)量的增加，凸模與凹模的刃口在不斷磨損，并不斷改變?nèi)锌诔叽?。只要磨損量不超過一定范圍，模具應仍能沖出合格工件。 5) 設計時應取最小合理沖裁間隙 6) 隨著凸模與凹模刃口磨損量的不斷增大，沖裁間隙也將不斷增大。所以設計模具時，沖裁間隙應取其允許的最小值Zmin。 7) 應注意到，凸模與凹模刃口尺寸的制造公差影響沖裁間隙的大小。所以刃口尺寸的計算與處理既要保證沖出合格的工件，又要保證合理的沖裁間隙值。 3.5.2刃口尺寸計算方法 常用的計算刃口尺寸方法有兩種：一是凸模與凹模分別注出各自的基本尺寸及其公差，簡稱公差法制模；二是只有基準件（落料時為凹模，沖孔時為凸模）注出基本尺寸及其制造公差，而配作件（落料時為凸模，沖孔時為凹模）則只注與基準件相同的基本尺寸，不注公差，在技術要求中注明配作時應達到的合理沖裁間隙值Zmin，簡稱為配作法制模。 3.5.3落料-沖孔模刃口尺寸的計算 查表2-1，材料是坡莫合金，料厚0.2mm的初始雙面間隙為：Zmax=0.10mm,Zmin=0.06mm 對于精度為IT14的工件，磨損系數(shù)X=0.5,。 查表2-10[2]得凸凹模的制造公差：δp=0.020mm, δd=0.020mm 查表3-1[6]得工件公差Δ=0.30mm 校核：Zmax-Zmin=0.10mm-0.06mm=0.04mm δp+δd=0.02mm+0.02mm=0.04mm 滿足δp+δd≤Zmax-Zmin 表3-3 中間大孔刃口尺寸計算 基本尺寸 公差 公式 結果 備注 φ3.2 0.30mm 3.350.02 0 0.02 0　 3.190 -0.02 1) 凹模的外形結構與輪廓尺寸 表3-5 凹模的外形結構與輪廓尺寸 項目 公式 結果 取值 備注 凹模高度 H=Kb 23.3mm 30mm 查表2-19k=0.40 凹模壁厚 c=1.5H 45 45 凹模周界尺寸 312×312 300×300 2) 標準模架的選取 根據(jù)凹模周界尺寸，L=300mm B=300mm 查表5-10[2]選取四導柱模架，確定模架的標準尺寸。 其中，上模座：400×315×60 下模座：400×315×75 導柱：45×260 導套：45×150×58 3) 其他零件也從標準件中選取。 3.7沖模結構設計 3.7.1裝配圖 根據(jù)模具總裝圖結構，沖壓工藝要求的計算，設計出的落料—沖孔模如圖3-3 1、 上模座 2、導柱 3、導套 4、內(nèi)六角螺釘 5、推桿 6、模柄7、圓形凸模 8、推板9、頂桿10、圓柱銷 11、凸模墊板 12、凸模固定板 13、凹模墊板 14、腰形凸模 15、推件塊16、落料凹模17、卸料板18、卸料橡膠 19、凹模墊板20、下模座21、卸料螺釘22、圓柱銷23、凸凹模24、內(nèi)六角螺釘25、彈性擋料銷 圖3-3 落料—沖孔模裝配圖 3.7.2模具結構型式分析 根據(jù)工件可選用落料和沖孔復合模具。復合模是在壓力機的一次行程內(nèi)在模具的一個工位上完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具，是一種多工序沖壓模具。復合模與單工序模相比，主要優(yōu)點是生產(chǎn)效率和沖壓件精度高；其缺點是模具結構復雜，不易制造。它適合精度要求較高的軟材料或薄板料沖壓件。 圖3.3為落料和沖孔的復合模。適用用于圓形工件。沖壓時上模下行，使凸凹模24與落料凹模1、圓形沖孔凸模15接觸，從而成型工件。上模回程后由推件塊6和卸料板21將沖壓件推出。 3.7.3模具主要零部件的結構和設計 1） 圓形凸模 中間大孔為圓形，選用圓形凸模。凸模做成階梯形，用以增加強度。凸模用凸模固定板和凸模墊板模座連接在一起，凸模墊板，凸模固定板用內(nèi)六角螺釘和柱銷與上模座連接在一起。 2） 凹模 凹模由內(nèi)六角螺釘和圓柱銷固定在上模座上。刃口選用直筒形，刃口強度較高，刃磨后工作部分尺寸不變。為保證工件的平整性，在該凹模內(nèi)安裝護板，有利于提高沖壓質(zhì)量，適合沖壓形狀復雜的工件。最大缺點每次沖壓后，工件或廢料在凹模內(nèi)，會增加孔壁磨損。 3） 凸凹模 凹模由內(nèi)六角螺釘和圓柱銷固定在下模座上。 4） 卸料板部件設計 （1） 彈性卸料板有一定的厚度，用螺栓和銷釘固定在下模座上，能承受的卸料力比較大。固定卸料板和凸模的單邊間隙，一般取0.1～0.5mm，但不小于0.05mm。固定卸料板厚度與沖裁力大小、卸料尺寸等有關，一般取5～10mm.。 （2） 卸料橡膠計算 采用橡膠塊作為彈性元件。具有承受載荷比彈簧大，安全與安裝調(diào)整方便等優(yōu)點。橡膠塊的選用包括決定其品種、高度及截面尺寸等等。 a) 橡膠塊品種的選擇 考慮到模具結構，選用四個圓筒形的聚氨酯橡膠，則每個橡膠所承受的預壓力為： Fy=F卸料力/4=90N/4=7×103N b) 確定橡膠的橫截面積A。取hy=10%h0=0.1h0,查表3-35[2]，得到P=1.1MPa, 則A= Fy/P=7.675×103N/1.1=6.98×103（mm2） c) 橡膠塊截面尺寸的計算 選用直徑為12mm的卸料螺釘，取橡膠上螺釘過孔的直徑為 d=16mm，則橡膠外徑D==mm=95mm d) 計算并校核橡膠塊高度 h0=(mm)=52(mm) 因為h0/D=52/95=0.55,故所選橡膠符合要求。橡膠的安裝高度ha=h0-hy=52-52×0.1=46.8(mm) 卸料螺釘及其設置 a) 螺紋長度雖短但與光桿段有臺階，可保證旋入彈性壓力板后不易松動 b) 螺釘長度使指光桿段長度且有公差要求，便于保證彈性卸料板工作平面與模面平行。 c) 螺釘材料為45號鋼且要求熱處理硬度為35～40HRC，以便保證螺釘有足夠的強度，能夠承受卸料過程中反復作用的拉應力。 d) 卸料螺釘?shù)拈L度的確定 卸料螺釘：L=43mm+22mm=65 e) 模座沉孔深度的計算 h=20+3+10+15=98mm 5） 導柱導套 導柱和導套都是圓柱形，加工方便，容易裝配，是模具行業(yè)應用最廣泛的導向裝置。導柱的直徑一般在16～60mm之間，長度L在90～320mm之間，下部長度與下模板導柱孔采用過盈配合，配合時，孔徑會收縮，所以導套過盈配合部分的孔徑應比導套和導柱間隙配合孔徑增大1mm。 導住和導套為間隙配合，要求配合表面堅硬和耐磨，且有一定的強韌性，常用20號鋼制作，表面經(jīng)過滲碳淬火處理，硬度為HRC58～62，滲碳層深度0.8～1.2mm。 3.7.4模具的工作過程 本套模具可完成落料、沖孔兩個工序。條料送進時，有彈頂擋了銷導向，沖首件是以目測定位，待沖第二個工件時，則用擋料銷定位。模具工作時，用壓力機的氣墊壓邊，可獲得較大的壓邊力，壓力和行程的大小也容易調(diào)節(jié)，另外，可使模具結構簡單。氣墊壓邊是通過拖桿傳到壓邊圈上進行壓邊的。工件制出后，上模上行，打桿和推件塊起作用，把工件從凸凹模中推出。 3.8小結 本章對落料沖孔模進行了排樣計算、沖壓力計算、沖壓設備選擇、壓力中心計算、模具工作部件設計、落料沖孔模裝配圖及模具工作過程。 第四章 沖壓模具工件的機械加工 4.1沖壓工作零件的技術要求 1) 保證凸、凹模尺寸精度和凸凹模之間的間隙均勻。 2) 保證凸、凹模表面形狀和位置精度。 3) 表面光潔、刃口鋒利、刃口部分的表面粗糙度為Ra0.4m,配合表面的粗糙度為Ra0.8~1.6m，其余為Ra6.3m。 4) 凸、凹模工作部分要求是具有較高的硬度，耐磨性及良好的韌性，凹模工作部分的要求是硬度為60~62HRC，凸模為58~62RHC。鉚式凸模采用高碳鋼制造，配合部分不要求淬硬，工作部分采用局部淬火。 4.2沖模工作零件的熱處理 沖模工作零件的毛坯通常采用退火，正火熱處理，。目的主要是消除內(nèi)應力，降低硬度以改善切削加工性能。沖模工作零件在精加工前要進行淬火和回火熱處理，以提高其硬度和耐磨性。 4.3沖模工作零件機械加工工藝過程 4.3.1凸模加工工藝工程 圓形凸模加工比較簡單，熱處理前毛坯經(jīng)車削加工，配合面留適當磨削余量；熱處理后，經(jīng)外圓磨削而可以達到其技術要求。在加工中，可采用一次裝夾或采用一定位基準安裝加工的工藝措施來保證。 其加工過工程為：下料→鍛造→退火→粗加工→粗磨基準面→畫線→工作面半精加工→淬火、回火→磨削→修研 4.3.2凹模加工工藝過程 圓形凹模加工 凹模加工屬于孔系加工，除保證孔的尺寸和形狀精度外，還要保證各型孔間的位置精度，可采用高精度坐標鏜床加工 非圓形凹模加工 加工過程為：下料→ 鍛造→ 退火→ 粗加工六面→ 粗磨基準面 →畫線→ 型孔半精加工→ （型孔精加工）→ 淬火、回火→ 精磨 4.4小結 本章介紹了沖壓工作零件的技術要求及模具零件的加工過程及加工工藝 第五章 模具裝配 5.1沖模裝配 沖壓模具的裝配是按照設計要求、結構特點和技術條件，以一定的裝配順序和方法，將模具零件連接或固定起來，達到一定的裝配技術要求，并保證加工出合格沖壓件的過程。對于沖裁模，既要保證零件的加工精度，也要保證裝配技術要求，若裝配不能保證均勻的沖裁間隙，會影響沖壓件的質(zhì)量及模具的使用、維修和壽命。 在模具進行裝配之前，要仔細研究設計圖樣，按照模具的結構和技術要求，確定合理的裝配順序及裝配方法，選擇合理的檢測方法和測量工具。 沖壓模在使用時，上模座部分通過模柄安裝在壓力機的滑塊上，是模具的活動部分。下模座部分被固定在壓力機的工作臺上，是模具的固定部分。 模具工作時，活動部分和固定部分上的工作零件必須保證正確的相對位置，才能使模具正常工作。模具裝配時，為了方便地將上、下兩部分的工作零件調(diào)整到正確位置，并使凸模、凹模具有均勻的間隙，應正確安排上、下模的裝配順序。 裝配有模架的模具時，一般是先裝配模架，再進行模具工作零件和其他結構零件的裝配。上、下模的裝配順序應根據(jù)上模和下模上所安裝的模具零件在裝配和調(diào)整過程中所受限制的情況來決定。如果上模部分的模具零件在裝配和調(diào)整時所受限制最大，則應先裝上模部分，并以它為基準調(diào)整下模部分的零件，保證凸、凹模配合間隙均勻。反之，則應先裝模具的下模部分，并以它為基準調(diào)整上模部分的零件。 上、下模的裝配順序應根據(jù)模具的結構來決定。對于無導柱的模具，凸、凹模的配合間隙是在模具安裝到壓力機上時才進行調(diào)整，上、下模的配合可以分別進行。 模具安裝過程： 1) 組件裝配 將模柄裝配于上模座內(nèi)并磨平端面；將拉深凸模裝入凸模固定板內(nèi)，作為凸模組件。 2) 確定裝配基準件 落料拉深復合模應以拉深凸模為裝配基準件，裝配時首先確定拉深凸模在模架中的位置。 安裝凸模組件時，確定凸模組件在下模座上的位置，然后用平行夾板將凸模組件、墊板和下模座夾緊。 安裝固定凸模組件時，將凸模組件在下模座重新找正定位，用平行夾板夾緊。鉆、鉸銷孔和螺孔，裝入定位銷和螺釘。 3) 安裝上模部分 檢查上模各個零件尺寸是否能滿足裝配技術條件，檢查各零件尺寸是否合適、動作是否靈活等。 安裝上模和調(diào)整落料間隙時，將上模部分各零件分別裝于上模座和模柄的孔內(nèi)，用平行夾板將凸凹模、凸模組件、墊板和上模座輕輕夾緊，然后調(diào)整間隙時可以采用墊片法調(diào)整，并對紙片進行手動試沖，直至外形沖裁間隙均勻，再用平行夾板將各板夾緊。 鉆鉸上模部分銷孔和螺孔時，上模部分可通過平行夾板夾緊，在鉆床上以墊板上的銷孔和螺孔作為引鉆孔，鉆鉸銷釘孔和螺紋孔。然后安裝定位銷和螺釘，拆掉平行夾板。 5.2沖模的安裝 1) 擦清壓力機滑塊底面、工作臺以及沖模上、下模座的頂面和底面。 2) 將沖模置于壓力機工作臺上，移至近似工作位置。 3) 觀察廢料或零件能否落下。 4) 用手搬動飛輪或利用壓力機的存動裝置，使壓力機滑塊逐步降至下極點。在滑塊下降過程中移動沖模，以便模柄進入滑塊中的模柄孔內(nèi)。 5) 調(diào)節(jié)壓力機至近似閉合高度。 6) 安裝固定下模的壓板、墊塊和螺栓，但不擰緊。 7) 緊固上模，確保上模座頂面與滑塊底面緊貼無隙。 8) 緊固下模，逐次交替擰緊。 9) 調(diào)整閉合高度，使凸模進凹模。 10) 回升滑塊，在各滑動部分加潤滑劑。確保證導套上部分出氣糙暢通。 11) 以紙片試沖，觀察毛刺以判斷間隙是否均勻?；瑝K寸動或由手搬飛輪移動。 12) 刃口加油，用規(guī)定材料試沖若干件，檢查沖件質(zhì)量。 13) 安裝、調(diào)試送料和出料裝置。 14) 再次試沖。 15) 安裝全套。5.3小結 本章介紹了沖模的裝配及沖模的安裝順序 第六章 結論 為期三個星期的課程設計已經(jīng)結束，轉(zhuǎn)子倒裝式?jīng)_孔落料復合模工藝分析與模具的設計也已經(jīng)接近尾聲，在本次設計中，主要有以下幾個方面的設計過程： 1) 通過調(diào)研和查閱資料對工件的形狀及尺寸進行分析，從而確定工件的沖壓工藝方案，確定對工件加工由兩套模具完成，分別是落料—沖孔復合模。 2) 根據(jù)工件的形狀及尺寸，確定其搭邊值，為繪制排樣圖作好了準備。其次根據(jù)工件的形狀和尺寸計算各個工序的沖壓力，為壓力機的選取提供了有利的條件。 3) 對落料—沖孔復合模進行設計。此模具的主要作用是完成工件的落料以及沖零件周邊的12個腰形孔，主要介紹了落料凹模、凸凹模以及凸模的設計及其強度的較核。 4) 通過此次畢業(yè)設計，使我在模具設計方面以及機械設計方面的知識水平有了很大的提高，使理論更加聯(lián)系實際。為我在以后的工作以及學習起到了很大的幫助作用。但是由于個人水平有限和時間的原因，本次設計還存在很多缺點： 5) 在設計中大量的選擇標準件，所以在設計中對于有些標準件沒有進行強度較核，可能會影響零部件在工作過程中的強度。 6) 由于沒有實際工作的經(jīng)驗，設計中沒能集中的考慮各方面的因素對模具進行全方位的設計，可能在加工過程中會存在某些問題。 綜合考慮整個設計過程，使我的專業(yè)水平有了很大的提高，在以后的學習工作中，我會總結過去的經(jīng)驗和教訓，使自己的能力得到更好的發(fā)揮。 參考文獻 [1]《沖壓工藝與模具設計》成虹主編，北京：高等教育出版社，2006.7 [2] 《冷沖模設計手冊》編寫組，冷沖模設計手冊[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2002.8 [3]《機械制造工藝學》王季琨主編，天津：天津大學出版社，1998.9 [4]《模具設計指導》史鐵梁主編，機械工業(yè)出版社，江蘇科學技術出版社，2003.5 [5]《模具實用手冊》駱志斌主編，江蘇科學技術出版社，2005.4 [6]《互換性與測量技術》廖念釗主編，機械工業(yè)出版社，199 感謝信 我的設計完成了，在設計的過程中，段老師給了我很大的幫助。如果沒有羅老師多次指導，沒有羅老師的悉心教導，沒有羅老師不厭其煩的看圖挑錯，我想我的設計不會這么順利地完成。 在這個設計的過程中，我不僅在學習方面得到了段老師的幫助，段老師那一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神也深深地感染。我對段老師的感激之情真的不是幾句話就能表達的。在此，只能說一句：“謝謝您！老師您辛苦了！”。 最后再次對段老師的幫助表示衷心的感謝，謝謝她這三個星期來對我的無私幫助！ 26