某塑件沖壓模具設計【落料沖孔復合?！俊痉吥！俊?套】,落料沖孔復合模,翻邊模,2套,某塑件,沖壓,模具設計,沖孔,復合 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度的旋轉方向到45度的旋轉方向，再到90度的旋轉方向進行著。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?；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。 凸模 工藝過程卡片 產(chǎn)品代號 零（部）件名稱 零（部）件號 凸模 材 料 Cr12MoV 毛坯種類 鍛坯 毛坯尺寸 15㎜50㎜ 每一毛坯可制零件數(shù) 1 工序序號 工序 名稱 工 序 內(nèi) 容 設 備 夾輔具名稱 刀具名稱規(guī)格 量具名稱及規(guī)格 0 下料 15㎜50㎜ 鋸床 虎鉗 鋸條 游標卡尺 5 車 車工作部分一側的端面 臥式車床 三爪自定心卡盤 游標卡尺 10 車 車外圓（留磨削余量0.3mm）、車退刀槽、切斷 臥式車床 三爪自定心卡盤、頂尖 900車刀 15 熱處理 淬火+回火，56-60HRC 高頻爐 20 檢驗 檢驗熱處理是否達到要求 硬度計 游標卡尺 35 磨外圓 磨外圓保證㎜、mm及表面粗糙度達圖紙要求 平面磨床 三爪自定心卡盤 砂輪 游標卡尺、直尺 40 切斷 切斷工作部分端有中心孔的部分，保證工作部分長度20mm和端面um 手搖磨床 虎鉗 切斷刀 游標卡尺 45 鉗工精修 刃口型面的磨削或研磨加工，全面達到設計要求 H78-1電動拋光機 游標卡尺 50 檢驗 檢驗各尺寸精度、表面粗糙度、垂直度是否符合要求 檢測儀 編 制 學號 審 查 共 張 第 張 凸模固定板工藝過程卡片 產(chǎn) 品 代 號 零 （部） 件 名 稱 零 （部） 件 代 號 凸模固定板 材 料 45 毛 坯 種 類 矩形毛坯 毛 坯 尺 寸 每一毛坯可制零件數(shù) 1 工序序號 工序 名稱 工 序 內(nèi) 容 設 備 夾 輔 具 名 稱 刀 具 名 稱 規(guī) 格 量 具 名 稱 及 規(guī) 格 5 鑄造 毛坯 鍋爐 砂型箱 扳鉗 10 熱處理 去應力退火 扳鉗 20 粗銑 粗銑外形六面 XK5012 臺虎鉗 立銑刀 10 游標卡尺 規(guī)格0.02 30 精銑 精銑外形六面 XK5012 臺虎鉗 立銑刀 5 游標卡尺 規(guī)格0.02 40 鉆削 工件對稱中心孔8 ZY5140 臺虎鉗 8麻花鉆 游標卡尺 規(guī)格0.02 50 線切割 矩形槽 DK7725e 螺釘 壓板 0.18 鉬絲 游標卡尺 規(guī)格0.02 60 精銑 精銑至尺寸 XK5012 臺虎鉗 立銑刀5 游標卡尺 規(guī)格0.02 70 精銑 精銑至尺寸 XK5012 臺虎鉗 立銑刀5 游標卡尺 規(guī)格0.02 80 鉆削 4×M9 8 8.8 ZY5140 臺虎鉗 10 8 8.8麻花鉆 游標卡尺 規(guī)格0.02 90 攻絲 4×M10 絲錐柄 臺虎鉗 M8絲錐 游標卡尺 規(guī)格0.02 100 鉸削 21 ZY5140 臺虎鉗 21鉸刀 游標卡尺 規(guī)格0.02 110 鉆削 27 深度5 ZY5140 臺虎鉗 擴孔鉆27 游標卡尺 規(guī)格0.02 120 磨削 保證Ra1.6 保證平行度 Ra3.2 MK2932B 工作臺磁鐵 氧化鋁砂輪 游標卡尺 規(guī)格0.02 130 熱處理 淬火 保證HRC46 扳鉗 140 檢驗 編 制 陳召福 校 核 審 查 共 1 張 第 1 張 凹模加工工藝過程卡片 文件編號 凹模加工工藝過程卡片 產(chǎn)品型號 零(部)件圖號 共2頁 產(chǎn)品名稱 零(部)件名稱 凹模 第1頁 材料牌號 Cr12MoV 毛坯種類 鍛造 毛坯外形尺寸 40×18×60 每坯件數(shù) 1 每臺件數(shù) 1 備注 工序號 工序名稱 工序內(nèi)容 車間 設備 工藝裝備 基本時間/min 1 鍛造 鍛造，鍛成六面體，并進行退火處理。 鍛造車間 空氣錘 2 銑六個面 在刨銑床上加工鍛坯的六個面。 機加工車間 銑床 Ф315㎜的YG8硬質(zhì)合金面銑刀 通用夾具 游標卡尺 10.98 3 平磨 磨削上、下兩個平面和角尺面。 機加工車間 磨床 通用夾具 CBN砂輪 4 鉗工劃線 鉗工劃線劃出型孔輪廓線及螺孔和銷孔等位置。 鉗工車間 T68 專用夾具 游標卡尺 內(nèi)規(guī)徑 25.47 描繪 5 去廢料 先在型孔適當位置鉆孔，然后用帶鋸機去除中心廢料。 機加工車間 6 鉗工 加工螺孔（鉆孔、攻螺紋）和加工銷孔（鉆孔、鉸孔） 機加工車間 Ф7㎜直柄短麻花鉆 Ф5㎜直柄短麻花鉆 通用夾具 絲錐 底圖號 7 熱處理 淬火和回火處理，檢查硬度，表面硬度要求達到58~62HRC。 鉗工車間 8 平磨 平磨上下兩面 機加工車間 磨床 通用夾具 CBN砂輪 9 銑導槽 在銑床上銑削工件的導槽， 保證一定的加工精度 機加工車間 銑床 硬質(zhì)合金鍵槽銑刀 通用夾具 游標卡尺 10 退磁處理 11 電火花加工型孔 利用凸模加長一段鑄鐵后做為電極，電加工完成后去掉鑄鐵部分做凸模用。由于間隙較大，故先用粗加工，然后調(diào)整平動頭的偏心量，再用精加工，從而達到凸凹模的配合間隙要求。 電火花加工車間 裝訂號 姓名 學號 日期 指導老師 40 致謝 XX學院 畢業(yè)設計（論文） 題 目 某工件沖壓模具設計 姓 名 學 號 系 部 專 業(yè) 指導教師 職 稱 摘要： 本文通過設計某工件該零件的沖裁模.首先對沖壓件進行工藝性分析,對沖壓模具總體結構設計,畫裝配圖. 沖壓是利用安裝在沖壓設備（主要是壓力機）上的模具對材料施加壓力，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材料進行冷變形加工，且主要采用板料來加工成所需零件，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 關鍵字: 沖壓 凸模 凹模 模架 凸凹模 前 言 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，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 錄 摘要.....................................4 一 沖壓件.......................................7 二 零件的工藝性分析..........................7 2.1 零件的工藝性分析.............................7 2.2 沖裁件的精度與粗糙...........................7 2.3 確定工藝方案.................................8 三 沖壓模具總體結構設計 ....................9 3.1 模具類型.....................................9 3.2 操作與定位方式...............................9 3.3 卸料與出件方式...............................9 3.4 模架類型及精度...............................9 四 沖壓模具工藝與設計計算...................9 4.1 排樣設計與計算...............................9 4.2 設計沖壓力與壓力中心,初選壓力機. ............11 4.3 計算凸凹模刃口尺寸及公差.....................11 五 模具的總張圖與零件圖.....................12 5.1 沖壓模具的零件圖............................13 (1)凹模的設計...................................13 (2)凸模的設計...................................14 (3)凸凹模的設計..................................15 5.2選擇堅固件及定位零件.........................15 (1) 螺釘規(guī)格的選用..............................15 (2) 活動擋料銷..................................16 5.3設計和選用卸料與出件零件.....................16 (1)卸料板......................................16 5.4選擇模架及其它模具零件.......................17 (1) 模架.......................................17 (2) 模柄.......................................18 (3) 墊板.......................................19 (4) 凸模固定板..................................20 (5) 凸凹模固定板................................21 5.5壓力機的校核.................................21 5.6模具的裝配圖.............................22 六 總結..............................................23 七 致謝..............................................24 八 參考文獻.........................................25 某工件的工藝分析 一．沖壓件 沖壓件圖如下圖所示: 沖壓技術要求: 1. 材料:08鋼 2. 材料厚度:0.8mm 3. 生產(chǎn)批量:大批量 二 .零件的工藝性分析. 2.1 零件的工藝性分析 該零件材料為08鋼結構簡單,抗剪強度為300mpa.形狀對稱,有落料，沖孔，翻邊3個工序具有良好的沖壓性能，適合沖裁。工件結構相對簡單，有兩個孔；孔與孔、孔與邊緣之間的的距離也滿足要求，最小壁厚為2mm. 2.2 沖裁件的精度與粗糙度 沖裁件的經(jīng)濟公差等級不高于IT11級,一般落料公差等級最好低于IT10級,沖孔件公差等級最好低于IT9級,工件的尺寸全部為自由公差，可看作IT14級，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)查標準公差表1.2為IT14級，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： 11mm、14mm、9mm 零件內(nèi)形： 2 mm、2.5 mm 表1.2部分標準公差值（GB/T1800.3—1998） 公差等級 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 2.3確定工藝方案. 該沖裁件包括落料和沖孔兩個基本工序,可采用的沖裁方案有單工序沖裁,復合沖裁和級進沖裁三種： 沖裁工序按工序的組合程度可分為單工序沖裁、復合沖裁和級進沖裁。 復合沖裁是在壓力機的一次行程中，在模具的同一位置同時完成兩個或兩個以上的工序；級進沖裁是把一個沖裁件的幾個工序，排列成一定順序，組成級進模，在壓力機的一次行程中，模具的不同位置同時完成兩個或兩個以上的工序，除最初幾次沖程外，每次沖程都可完成一個沖裁件。該工件包括落料、沖孔兩個基本工序，可以有以下五種工藝方案： 方案一：先落料，后沖孔，翻邊。采用單工序模生產(chǎn)。 方案二：落料-沖孔復合沖壓，翻邊。采用倒裝復合模+單工序模生產(chǎn)。 方案三：沖孔-翻邊-切斷級進沖壓。采用級進模生產(chǎn)。 方案一結構簡單，但需三道工序、三副模具才能完成，生產(chǎn)效率也低，如此則浪費了人力、物力、財力，從經(jīng)濟性的角度來考慮不妥當，難以滿足大批量的生產(chǎn)要求。 方案二采用倒裝復合模生產(chǎn)，與方案一相比，倒裝復合模具把凸凹模放在下模，雖然模具結構較方案二簡單，可沖工件的孔邊距也較大，但是工件的平整性較方案一差。翻邊也是一次成型實現(xiàn)。 方案三采用沖孔翻邊切斷級進模具生產(chǎn)，也只需要一副模具，制造精度高，先沖孔后翻邊，切斷，但是其模具結構復雜，生產(chǎn)周期長，成本高。 通過上述三種方案的分析比較，該工件的沖壓生產(chǎn)采用方案二為佳。 三.沖壓模具總體結構設計 3.1模具類型 根據(jù)零件的沖裁工藝方案,采用復合沖裁模. 3.2 導向與定位方式 導向形式：滑動導柱導套導向 定位方式：板料定位靠導料銷和彈簧彈頂?shù)幕顒訐趿箱N完成，因為該模具采用的是條料，控制條料的送進方向采用的是導料板，無側壓裝置。控制條料的送進步距采用擋料銷定距。 3．3 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。 3．4 模架類型及精度 該模具采用后側導柱模架，以凹模周界尺寸為依據(jù)，選擇模架規(guī)格。 四． 沖壓模具工藝與設計計算 第一節(jié) 排樣設計與計算 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、模具結構與壽命。 根據(jù)材料經(jīng)濟利用程度，排樣方法可以分為有搭邊、少搭邊和無搭邊排樣三種，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，沖模結構簡單。 方案三：無搭邊排樣 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]模具結構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 排樣時零件之間以及零件與條料側邊之間留下的工藝余料，稱為搭邊。 搭邊的作用是補償定位誤差，保持條料有一定的剛度，保證零件質(zhì)量和送料方便。搭邊過大，浪費材料。搭邊過小，沖裁時容易翹曲或被拉斷，不僅會增大沖件毛刺，有時還會拉入凸、凹模間隙中損壞模具刃口，降低模具壽命?；蛴绊懰土瞎ぷ?。搭邊值是廢料，所以應盡量取小，但過小的搭邊值容易擠進凹模，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： 兩制件之間搭邊值a1=2mm 側搭邊值a=2mm 表5.1搭邊值和側邊值 材料厚度t 手動送料 自動送料 圓形 非圓形 往復送料 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) 進距與條料寬度計算 一、送料進距A 條料在模具上每次送進的距離稱為送料進距，每個進距可沖出一個或多個零件。 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。 圖5.1排樣圖 二、條料寬度B計算 排樣方式和搭邊值確定以后，條料的寬度也就可以設計出。計算條料寬度有三種情況需要考慮： 1.有側壓裝置時條料的寬度。 2.無側壓裝置時條料的寬度。 3.有定距側刃時條料的寬度。 有側壓裝置的模具，能使條料始終沿著導料板送進。 圖5.2有側壓裝置時條料的寬度確定 本設計采用的是有側壓裝置的模具。 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，下偏差為負值。其計算公式如下： B=[D+2a] （5.2） 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△及條料與導料板之間隙C（mm） 條料厚度(mm) 條料寬度(mm) ≤1 ＞1～2 ＞2～3 ＞3～5 △ 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板之間的間隙△=0.6。 根據(jù)公式(5.2)： B=[D+2a+c] =(14+2×2) =18 第四節(jié) 材料利用率的計算 一、計算沖壓件面積、周長 因為該工件圖由多段圓弧組成，計算周長需要準確的找到各段圓弧的長度，計算面積也需要準確的找到切點，諸多因素采用人工計算時計算量較大，因此采用三維輔助軟件可快速準確的計算出面積、周長（如圖5.3）。 圖5.3沖壓件的周長和面積 取面積F=63mm2 周長L=59.07mm 二、計算材料利用率 沖裁件的實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進距內(nèi)制件的實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； F——沖裁件的實際面積(mm2)；包括工件面積與廢料面積； B——板料寬度(mm)； A——送料進距； 根據(jù)公式(5.3)： η=(63/18×8.4)×100% ≈41.7% 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。 第六章 計算沖壓力與壓力機的初選 計算沖裁力是為了選擇合適的壓力機，設計模具和檢驗模具的強度，壓力機的噸位必須大于所計算的沖裁力，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算： Fp=Kp Ltτ =Lt （6.1） 式中τ——材料抗剪強度（MPa）； L——沖裁周邊總長（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，取Kp =1.3。 第一節(jié) 沖裁力Fp的計算 據(jù)圖5.3可得一個零件內(nèi)外周邊之和L=59.07mm。 查碳素結構鋼的力學性能表知：08F的抗剪強度τ=216Mpa～304Mpa，取260Mpa，制件厚度t=0.8mm，則 根據(jù)公式(6.1)： Fp= Kp Ltτ =1.3×0.8×59.07×260 =68833.7(N) ≈68.8（KN） 第二節(jié) 卸料力Fq1的計算 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）： Fq1= 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）： Fq2= KdFp =0.06×68.8（KN） ≈4.128（KN） 第四節(jié) 總的沖壓力F的計算 根據(jù)模具結構總的沖壓力F=FP+Fq1+Fq2 =68.8+3.44+4.128 =76.4(KN) 選用的壓力機公稱壓力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 翻邊力的計算 本產(chǎn)品屬于V形翻邊，由于翻邊雖然是一副模具所以在計算翻邊力時，需要計算1次，V形翻邊的計算公式如下 ，翻邊力計算 F=0.6KBttδ/(R+t) (4-1) F=0.6×1.3×22×1×600/（0.5+1）=6864N =6.864KN 式中 F——翻邊力（N）； B——產(chǎn)品的翻邊的寬度（mm）； δ——材料抗拉強度（MPa）；（550-700 MPa） t——材料厚度；(mm) K——系數(shù)，通常K=1.3； 第五節(jié) 壓力機的初選 沖裁時，壓力機的公稱壓力必須大于或等于沖裁各工藝力的總和。 沖壓設備屬鍛壓機械。常見的冷沖壓設備有機械壓力機。 表6.2部分常用開式壓力機的主要技術參數(shù) 技術參數(shù) 單位 型號 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 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 滑塊地面尺寸 左右 mm 100 140 170 200 300 300 前后 mm 90 120 150 180 340 340 模柄孔尺寸 直徑 mm 30 50 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 工作臺尺寸 左右 mm 280 315 360 450 560 630 710 前后 mm 180 200 240 300 360 420 480 根據(jù)沖壓力的計算和壓力中心的計算，選擇開式壓力機的型號為J23-10。 第七章 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位置，為了確保壓力機和模具正常工作，應使沖模的壓力中心與壓力機滑塊的中心相重合。否則，會使沖模和壓力機滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導軌間產(chǎn)生過大磨損，模具導向零件加速磨損，降低了模具和壓力機的使用壽命。 模具的壓力中心，可按以下原則來確定： 1.對稱零件的單個沖裁件，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稱時，沖模的壓力中心與零件的對稱中心相重合。 3.各分力對某坐標軸的力矩之代數(shù)和等于諸力的合力對該軸的 力矩。求出合力作用點的坐標位置0，0（x=0,y=0），即為所求模具的壓力中心。 其中、、………分別為各沖裁周邊長度。 由于該零件屬于對稱結構，故其壓力中心在其中心位置 按比例畫出零件形狀，選定坐標系XOY。計算出零件壓力中心為（0，0） 第八章 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），是設計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際尺寸與基本尺寸的差值，差值越小，則精度越高，這個差值包括兩方面的偏差，一是沖裁件相對于凸?；虬寄５钠?，二是模具本身的制造偏差。 二、間隙值的確定 凸、凹模間隙對沖裁件質(zhì)量、沖裁工藝力、模具壽命都有很大的影響。設計模具時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數(shù)值，只是彼此接近?？紤]到模具制造中的偏差及使用中的磨損、生產(chǎn)中通常只選擇一個適當?shù)姆秶鳛楹侠黹g隙，只要間隙在這個范圍內(nèi)，就可以沖出良好的制件，這個范圍的最小值稱為最小合理間隙Zmin，最大值稱為最大合理間隙Zmax。考慮到模具在使用過程中的磨損使間隙增大，故設計與制造新模具時要采用最小合理間隙值Zmin。 確定合理間隙的方法有經(jīng)驗法、理論確定法和查表法。 對于尺寸精度，斷面垂直度要求高的制件應選用較小的間隙值，對于垂直度與尺寸精度要求不高的制件，應以降沖裁力、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確定間隙值。 根據(jù)間隙表8.1查得材料08F的最小雙面間隙Zmin=0.070mm，最大雙面間隙Zmax=0.104mm 表8.1部分較大間隙的沖裁模具初始雙面間隙 材料厚度 08、10、35、09Mn2、08F 40、50 16Mn 65Mn 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 4.0 0.640 0.880 注：08鋼沖裁皮革、石棉和紙板時，取間隙的25%。 第九章 凹、凸模刃口尺寸的計算 第一節(jié) 刃口尺寸計算的基本原則 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保證。正確確定模具刃口尺寸及制造公差，是設計沖裁模關鍵環(huán)節(jié)。 由此在決定模具刃口尺寸及其制造公差時需要考慮以下原則： 1.落料件尺寸由凹模尺寸決定，沖孔尺寸由凸模尺寸決定。故設計落料模時，以凹模為基準，間隙取在凸模上；設計沖孔模時，以凸模尺寸為基準，間隙取在凹模上。 2.考慮到?jīng)_裁中凸、凹模的磨損，設計落料凹模時，凹?；境叽鐟〕叽绻罘秶妮^小尺寸；設計沖孔模時，凹?；境叽鐟」ぜ壮叽绻罘秶妮^大尺寸。 3.確定沖模刃口制造公差時。如果對刃口精度要求過高，增加成本，如果對刃口精度要求過低，會使模具的壽命降低。若工件沒有標注公差，則對于非圓形工件按國家“非配合尺寸的公差數(shù)值”IT14級處理，沖?？砂碔T11級制造；對于圓形工件按IT6～IT7級制造。沖壓件的尺寸公差應按“入體”原則標注單項公差，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。 第二節(jié) 刃口尺寸的計算 根據(jù)模具的加工方法不同，凸、凹模刃口尺寸的計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。對于該制件應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： 或者、 一、沖孔凸、凹模計算 設沖孔尺寸為根據(jù)以上原則，沖孔時以凸模設計為基準，首先確定凸模刃口尺寸，使凸模基本尺寸接近或等于工件孔的最大極限尺寸，再增大凹模尺寸以保證最小合理間隙Zmin。凸模制造偏差取負偏差，凹模取正偏差。其計算公式為： 凸模 dp=(d＋x△)0- δp 凹模 dd=(＋Zmin)0+ δd＝(d＋X△＋Zmin) 0+ δd 在同一工步中沖出制件兩個以上孔時，凹模型孔中心距Ld按下式確定： Ld=(Lmin＋0.5△)±0.125△ 式中dd——沖孔凹?；境叽?mm)； dp——沖孔凸?；境叽?mm)； d——沖孔件孔的最小極限尺寸(mm)； Ld——同一工步中凹模孔距基本尺寸(mm)； Lmin——制件孔距最小極限尺寸(mm)； △——沖孔件孔徑公差(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，可查表9.1取值：當工件精度IT10以上，取x=1；當工件精度IT11～IT13，取x=0.75；當工件精度IT14，則取x=0.5。 表9.1磨損系數(shù)X 料厚t(mm) 非圓形 圓形 1 0.75 0.5 0.75 0.5 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 設凸、凹模分別按IT6和IT7級加工制造，所以 凸模： dp =(d+X△) 0- δp =(2+0.5×0.43) =12.215 凹模： dd=( dp +Zmin) =(2.215+0.132) =2.347 校核: ｜δp｜＋｜δd｜=0.011+0.018=0.029mm 表8.1得Zmax =0.1；Zmin =0.14)。 ｜δp｜＋｜δd｜≤Zmax－Zmin 所以沖孔凸、凹模刃口尺寸dp=2.2150-0.011mm，dd=2.3470+0.018mm 二、落料凸、凹模計算 凹模： Dd=(D－X△) 凸模： Dp=( Dd－Zmin)＝(D－X△－Zmin) 式中Dd——落料凹?；境叽?mm)； Dp——落料凸?；境叽?mm)； D——落料件最大極限尺寸(mm)； r——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。表9.1取X=0.5。 由公差表（1.2）查得：12mm 、22mm、41.6mm設凸、凹模分別按IT6和IT7級加工。 所以凹模 120-0.43:Dd1=(D1-X) =(12-0.5×0.43)0+0.018 =11.7850+0.018mm 220-0.52:Dd2=(D2-X) =(22-0.5×0.52)0+0.021 =21.740+0.021mm 41.6:Dd4=(D4-X) =(41.6-0.5×0.62) =41.29mm 凸模 120-0.43:Dp1=(Dd1-Zmin) =(11.785-0.132) =11.653mm 220-0.52:Dp2=(Dd2- Zmin) =(21.74-0.132) =21.608mm 41.6:Dp4=(Dd4- Zmin) =(41.29-0.10) =41.19mm 校核因為 ｜｜＋｜｜=0.018+0.011=0.029mm ｜｜＋｜｜=0.013+0.021=0.034mm ｜｜＋｜｜=0.016+0.025=0.041mm ｜｜＋｜｜=0.019+0.030=0.049mm Zmax－Zmin =0.24-0.132=0.108mm(Zmax、Zmin是凸、凹模最大初始雙面間隙，查表8-1得Zmax =0.24、Zmin =0.132)滿足｜｜＋｜｜≤Zmax－Zmin。 6.3.3 翻邊凸模，凹模設計計算 毛坯經(jīng)凹模圓角進入凹模時，受翻邊和摩擦作用，若凹模圓角半徑過小，因徑向拉力增大，易使拉伸件表面劃傷或產(chǎn)生斷裂；若過大，則壓邊面積小，由于懸空增大，易起內(nèi)皺。因此，合理的選擇凹模圓角半徑很重要。具體數(shù)值查表可得。 翻邊模間隙是單面間隙，即凹模和凸模直徑之差的一半。 本次設計的模具結構比較簡單，在選擇間隙時可以直接查表，所以查表可知間隙為(1-1.1t)，t為材料厚度。由于產(chǎn)品圓角較大，所以間隙不能大，否則產(chǎn)品有錐度，精度差，不符合要求，間隙太小，模具壽命短，所以取間隙為t。 凸、凹模工作部分尺寸的確定，主要考慮模具的磨損和產(chǎn)品的回彈。 1）、制件標注外形尺寸 凹模尺寸為 L d=（Lmax –0.75Δ） 凸模尺寸為 L p=（Ld–0.75Δ–Z） （2）、制件標注內(nèi)尺寸 凸模尺寸為 L p=（Lmin +0.4Δ） 凹模尺寸為 L d=（Lp+0.4Δ+Z） 其中 L—產(chǎn)品件的外形或內(nèi)尺寸 Δ—產(chǎn)品件的尺寸偏差 L d—產(chǎn)品凹模的基本尺寸 L p—產(chǎn)品凸模的基本尺寸 Z—凸凹模雙面間隙 具體計算如下，制件標注內(nèi)尺寸，按此公式計算 翻邊凸模尺寸為 L p1=（Lmin +0.4Δ） =0.5 凹模尺寸為 L d1=（Lp1+0.4Δ+Z） =1.5 凸、凹模工作表面粗造度要求：凹模工作表面和型腔表面粗造度應達到0.8；圓角處的表面粗造度一般要求0.4；凸模工作部分表面粗造度一般要求0.8-1.6。 第十章 主要零部件的設計 第一節(jié) 工作零件的設計與計算 一、凹模的結構設計和外形尺寸計算 1.凹模的結構設計 凹模：在沖壓過程中與凸模配合直接對沖壓制件進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，其特點是制造方便，刃口強度高，本設計選用c型筒口。 圖10.1凹模類型 2.外形尺寸計算 凹模結構分為整體式和鑲拼式兩大類，本設計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) 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 b/mm 厚度t/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。 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、沖孔凸模的結構設計和外形尺寸計算 1.凸模的結構設計 因為零件異行，采用線切割方法進行加工，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，按凸模的標準結構形式與尺寸規(guī)格選取。 2.凸模外形尺寸計算 凸模長度尺寸應根據(jù)模具的具體結構確定，因為該模具采用的是倒裝式復合模，采用的是彈壓卸料上出件方式，其總長按相關公式計算： 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入凸凹模一般4～10mm。則： L =32+20+6.5+1.5=60mm 凸模強度校核：該凸模不屬于細長桿，強度足夠。 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，并能承受沖裁時的沖擊力，因此應有高的硬度與適當?shù)捻g性。形狀復雜且壽命要求較高的凸模選用Cr12、Cr12MoV等制造。 該凸模材料應選Cr12MoV，熱處理58～62HRC。 三、凸凹模的設計和外形尺寸計算 1.凸凹模的結構設計 凸凹模是復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。從強度方面考慮，其壁厚應受最小限制。當模具為正裝結構時，內(nèi)孔不積存廢料，脹力小，最小壁厚可以小些；當模具為倒裝結構時，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，故最小壁厚應大些。凸凹模的最小壁厚值，倒裝復合模的凸凹模最小壁厚見表10.3。 表10.3倒裝復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合模，所以查表得：最小壁厚a=3.8。 2.凸凹模的外形尺寸計算 其長度可按下式計算： 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。 h2——卸料板厚度；查表10.4取15mm。 h——附加長度（包括凸模進入凹模深度，彈性元件安裝高度）； 根據(jù)公式（10.4）： L = h1+h2+h =24+15+10 =49mm 表10.4卸料板厚度 沖件厚度tmm 卸料板寬度 ＜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、高強度、足夠的韌性、良好的抗疲勞性、良好的抗粘結能力、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 鋼號 低淬低回工藝 中淬中回工藝 高淬高回工藝 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 /℃ Cr12MOV 950～1000 62～64 200 1030 63～64 400 1080～1100 40～60 500～520 五、卸料部分的設計 設計卸料零件的目的，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。本設計采用彈壓卸料裝置，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。卸料板采用45鋼制造，熱處理淬火硬度43～48HRC。 卸料板上設置4個卸料螺釘，公稱直徑為10mm,螺紋部分為M8.5×10mm,卸料螺釘尾部應留有足夠的行程空間，以保證卸料的正常運動。 六、定位零件的設計 沖模的定位裝置零件是用來保證材料的進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，主要有導料板、導料銷、擋料銷、側刃、導正銷和定位板等。 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定距和固定導料銷送進定位如簡圖10.3所示。 1.擋料銷的設計 常見的擋料銷有三種形式。固定擋料銷、活動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料銷。其結構形式和尺寸規(guī)格如圖10.4和表10.5。 選取該模具的擋料銷和導料銷的直徑d＝8的A型固定擋料銷。 活動擋料銷 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) h L 基本尺寸 極限偏差 基本尺寸 極限偏差 6 0 -0.075 3 +0.008 +0.002 3 8 8 0 -0.090 4 +0.012 +0.004 2 10 10 3 13 16 0 -0.110 8 +0.015 +0.006 3 13 20 10 4 16 25 0 -0.130 12 +0.018 +0.007 20 本模具的設計選用固定擋料銷（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，其尺寸可按下式計算： S1=A-Dp/2+D/2+0.1 （10.5） =A-（Dp -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)： S1=32-(12-8)/2+0.1 =30.1mm 2.導料銷的設計 條料的送料方向是條料靠著一側的導料板，沿著設計的送料方向導向送進。本設計采用導料銷導向，本設計選用固定式。設計時導料銷應選兩個且位于條料的同側，從右向左送料時，導料銷應裝在后側；從前向后送料時，導料銷應裝在左側。 綜上，定位零件采用一個固定擋料銷和單邊兩個導料銷定位，固定擋料銷和導料銷固定在卸料板上。導料銷材料采用45鋼制造，熱處理硬度43～48HRC。 七、推件裝置的設計 推件和頂件的目的，是將制件從凹模中推出來（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。常用于正裝式復合模或沖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。常用于倒裝式復合模中。綜上，本設計選用剛性推件裝置，的基本零件有推件塊、推桿、推板，連接推桿和打桿，這些零件從標準中選取。 第二節(jié) 橡膠的選用 彈性裝置主要有彈簧和橡膠兩種，因為該模具為復合模具，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，安裝四個圓筒形合成橡膠，設卸料螺釘直徑為8mm，橡膠上螺釘孔直徑為10mm，則： 一、橡膠高度的計算 橡膠的自由高度，由下式得： （10.6） 式中H自——橡膠的自由高度()； 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、橡膠直徑的計算 （10.7) （10.8） 式中px——橡膠的壓力，可取等于或大于卸料力()； p——與橡膠壓縮量的單位壓力，查表10.6得1.06； A——橡膠截面面積()； d——橡膠上螺釘孔直徑（mm）； D——橡膠的直徑()； 因為在此模具中采用的是彈壓卸料板，所以橡膠在模具中的個數(shù)為四個，直徑為41的圓筒形橡膠。 因為0.5<=0.976<1.5，所以選橡膠符合要求。 橡膠的安裝高度： Hd =42-0.1×42=37.8mm（取38mm） 表10.6橡膠壓縮量與單位壓力關系 壓縮量/% 10 15 20 25 30 35 單位壓力/MPa 聚氨酯橡膠 1.1 2.5 4.2 5.6 合成橡膠 0.26 0.5 0.74 1.06 1.52 2.1 第三節(jié) 模架及其零件的設計 常用的導柱導套式模架，是由上、下模座和導向零件組成。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，并承受沖壓過程的全部載荷。模具上模座和下模座分別與沖壓設備的滑塊和工作臺固定。上、下模間的精確位置，由導柱、導套的導向來實現(xiàn)。本設計選用后側導柱模架如圖10.6，后側導柱模架，由于前面和左、右不受限制，送料和操作比較方便，因導柱安裝在后側，工作時，偏心距會造成導柱導套單邊磨損，并且不能使用浮動模柄結構。 圖10.6模架 一、模架的選用 以凹模周界尺寸為依據(jù)，根據(jù)標準GB/T2851.1—1990選擇模架規(guī)格為：200mm×125mm×40mm（GB/T2855.1-1990）。 二、導柱、導套的選用 導柱與導套的結構、尺寸一般都是直接由標準中選取，在選用時導柱的長度應保證沖模在最底工作位置時，導柱上端面與上模座頂面的距離不小于(10～15)mm。在最高工作位置時，導柱上端面與導套的下端面的距離不小于(10～20)mm，導柱和導套的配合精度由表10.7查出選擇II級。 根據(jù)標準GB/T2851.1—1990知模架的閉合高度Hmin=160mm，Hmax=190mm。 導柱d/mm×L/mm為25mm×150mm 導套d/mm×L/mm×D/mm為25mm×85mm×33mm 表10.7導柱、導套配合間隙 配合形式 導柱直徑 模架精度等級 配合后的過盈量 I級 II級 配合間隙值 滑動配合 ≤18 ≤0.010 ≤0.015 ＞18～30 ≤0.011 ≤0.017 ＞30～50 ≤0.014 ≤0.021 ＞50～80 ≤0.016 ≤0.025 滾動配合 ＞18～35 0.01～0.02 三、上、下模座的選用 根據(jù)模架的規(guī)格選擇對應的上、下模座如下：