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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)現了一個有相似幾何類型的實際部分。在側壁被發(fā)現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，產生起皺的金屬流動制造參數上。 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網眼系統(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眼。圖2顯示工具的完整布置的網眼系統(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據的一部分。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據的設置，沖頭的速度一般設置在10m/s，庫侖摩擦系數設置在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，在一個實際的產品中檢查到了這種幾何形狀。這種產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，在沖頭邊緣上部經常發(fā)生拉裂，在真實產品的側壁處經常發(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 產品零件中的拉裂和起皺 圖8 產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。這種理念在現實產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。 河南機電高等專科學校 學生畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 學生姓名 學 號 指導教師 選題情況 課題名稱 難易程度 偏難 適中 偏易 工作量 較大 合理 較小 符合規(guī)范化的要求 任務書 有 無 開題報告 有 無 外文翻譯質量 優(yōu) 良 中 差 學習態(tài)度、出勤情況 好 一般 差 工作進度 快 按計劃進行 慢 中期工作匯報及解答問題情況 優(yōu) 良 中 差 中期成績評定： 所在專業(yè)意見： 負責人： 年 月 日 河南機電高等?？茖W校 畢業(yè)設計任務書 系 部： 材料工程系 專 業(yè)： 模具設計與制造 學生姓名: 學 號: 設計題目： 彎板的沖壓工藝與模具設計 起 迄 日 期: 2009年 3月 20 日 ~ 5 月20 日 指 導 教 師: 2009年3月20日 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 1．本畢業(yè)設計（論文）課題來源及應達到的目的： 本設計題目為彎板彎曲模設計，通過設計，應對沖壓工藝生產較為熟悉，能熟練使用相關設計手冊，獨立完成一套模具的設計及模具工作零件加工工藝的編制。并且能夠運用模具設計軟件完成模具裝配圖及零件圖的繪制。 2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）： （1）了解目前國內外沖壓模具的發(fā)展現狀； （2）分析鋼板的成形工藝并確定其工藝方案； （3）模具主要設計計算； （4）繪制模具總裝圖，并繪制零件圖； （5）模具的裝配及調試； （6）得出設計結論。 零件名稱：彎曲板 生產批量：大批量 材料：H62 料厚：4mm 板寬：20mm 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日 系部意見： 系領導： 年 月 日 河南機電高等?？茖W校 畢業(yè)設計說明書 畢業(yè)設計題目： 彎曲板沖壓工藝與模具設計 系 部 專 業(yè) 模具設計與制造 班 級 學生姓名 學 號 指導教師 2009年05 月20日 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計說明書 1 緒 論 近幾年來，我國模具技術有了很大發(fā)展，模具設計與制造水平有了較大提高，大型、精密、復雜高效和長壽命模具的需求量大幅度增加，模具質量、模具壽命明顯提高，模具交貨期較前縮短，模具CAD/CAM技術也得到了相當廣泛的應用。 1.1 國內模具的現狀和發(fā)展趨勢 1.1.1國內模具的現狀 沖壓技術廣泛應用于航空、汽車、電機、家電和通信等行業(yè)零部件的成形。由于沖壓工藝具有生產率高，能成形復雜零件，適合大批量生產等優(yōu)點，在某些領域已經取代機械加工，并正逐步擴大其應用范圍。據國際生產技術協(xié)會預測到本世紀中，機械零部件中60%的粗加工，80%的精加工要由模具來完成。因此沖壓技術對發(fā)展生產、增加效益、更新產品等方面具有重要作用。 經調查，全國模具行業(yè)從業(yè)人員的崗位分布情況大致如下：從事模具設計，模具工藝過程實施，產品質量檢驗和監(jiān)督工作的人員占總數的42%；其次是具體生產設備的操作，模具的制造、調試和維修，從事這類工作的是智能型操作人員，占總數的26%；三是從事生產組織，技術指導和技術管理工作的人員，占總數的14%；四是從事模具營銷工作和售后技術服務的人員，占總數的9%；五是個體、行政管理人員，占總數的9%。 從20世紀80年代初開始，工業(yè)發(fā)達國家的模具工業(yè)，已從機床工業(yè)中分離出來，并發(fā)展成為一個獨立的工業(yè)部門，而且其產值已超過機床工業(yè)的產值。改革開放以來，中國的模具工業(yè)發(fā)展十分迅速；近年來，一直以每年15%左右的增長速度快速發(fā)展。目前，中國約有17000多個模具制造廠點，從業(yè)人數60多萬；2001年中國模具工業(yè)總產值達320億元人民幣，中國模具工業(yè)的技術水平取得了長足的進步。國民經濟的高速發(fā)展對模具工業(yè)提出了越來越多且越來越高的要求巨大的市場需求推動著中國模具工業(yè)更快地發(fā)展。2001年中國大陸制造業(yè)對模具的市場需求量約為430億元人民幣；今后幾年仍將以每年10%以上的速度增長。對于大型、精密、復雜高效和長壽命模具需求的增長將遠超過每年10%的增幅。 雖然說我國模具業(yè)發(fā)展迅速，但遠遠不能適應國民經濟發(fā)展的需要。我國尚存在以下幾方面的不足: 第一，體制不順，基礎薄弱?！叭Y”企業(yè)雖然已經對中國模具工業(yè)的發(fā)展起了積極的推動作用，私營企業(yè)近年來發(fā)展較快，國企改革也在進行之中，但總體來看，體制和機制尚不適應市場經濟，再加上國內模具工業(yè)基礎薄弱，因此，行業(yè)發(fā)展還不盡如人意，特別是總體水平和高新技術方面。 ??? 第二，開發(fā)能力較差，經濟效益欠佳.我國模具企業(yè)技術人員比例低，水平較低，且不重視產品開發(fā)，在市場中經常處于被動地位。我國每個模具職工平均年創(chuàng)造產值約合1萬美元，國外模具工業(yè)發(fā)達國家大多是15～20萬美元，有的高達25～30萬美元，與之相對的是我國相當一部分模具企業(yè)還沿用過去作坊式管理，真正實現現代化企業(yè)管理的企業(yè)較少。 ?? 第三，工藝裝備水平低，且配套性不好，利用率低．雖然國內許多企業(yè)采用了先進的加工設備，但總的來看裝備水平仍比國外企業(yè)落后許多，特別是設備數控化率和CAD/CAM應用覆蓋率要比國外企業(yè)低得多。由于體制和資金等原因，引進設備不配套，設備與附配件不配套現象十分普遍，設備利用率低的問題長期得不到較好解決。裝備水平低，帶來中國模具企業(yè)鉗工比例過高等問題。 ? 第四，專業(yè)化、標準化、商品化的程度低、協(xié)作差。由于長期以來受“大而全”“小而全”影響，許多模具企業(yè)觀念落后，模具企業(yè)專業(yè)化生產水平低，專業(yè)化分工不細，商品化程度也低。目前國內每年生產的模具，商品模具只占45%左右，其馀為自產自用。模具企業(yè)之間協(xié)作不好，難以完成較大規(guī)模的模具成套任務，與國際水平相比要落后許多。模具標準化水平低，標準件使用覆蓋率低也對模具質量、成本有較大影響，對模具制造周期影響尤甚。 第五，模具材料及模具相關技術落后．模具材料性能、質量和品種往往會影響模具質量、壽命及成本，國產模具鋼與國外進口鋼相比，無論是質量還是品種規(guī)格，都有較大差距。塑料、板材、設備等性能差，也直接影響模具水平的提高。 1.1.2　國內模具的發(fā)展趨勢 巨大的市場需求將推動中國模具的工業(yè)調整發(fā)展。雖然我國的模具工業(yè)和技術在過去的十多年得到了快速發(fā)展，但與國外工業(yè)發(fā)達國家相比仍存在較大差距，尚不能完全滿足國民經濟高速發(fā)展的需求。未來的十年，中國模具工業(yè)和技術的主要發(fā)展方向包括以下幾方面:???? 1） 模具日趨大型化；??? ? 2） 在模具設計制造中廣泛應用CAD/CAE/CAM技術；?? ? 3） 模具掃描及數字化系統(tǒng)；??? ? 4） 在塑料模具中推廣應用熱流道技術、氣輔注射成型和高壓注射成型技術；? ?? 5） 提高模具標準化水平和模具標準件的使用率；??? 6） 發(fā)展優(yōu)質模具材料和先進的表面處理技術；??? 7） 模具的精度將越來越高；? ? 8） 模具研磨拋光將自動化、智能化；?? ?? 9） 研究和應用模具的高速測量技術與逆向工程；?? ?10）開發(fā)新的成形工藝和模具。 1.2　國外模具的現狀和發(fā)展趨勢 模具是工業(yè)生產關鍵的工藝裝備，在電子、建材、汽車、電機、電器、儀器儀表、家電和通訊器材等產品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。用模具生產制作表現出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清潔環(huán)保的特性，是其他加工制造方法所無法替代的。模具生產技術水平的高低，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著產品的質量、效益和新產品的開發(fā)能力。近幾年，全球模具市場呈現供不應求的局面，世界模具市場年交易總額為600～650億美元左右。美國、日本、法國、瑞士等國家年出口模具量約占本國模具年總產值的三分之一。? 國外模具總量中,大型、精密、復雜、長壽命模具的比例占到50%以上；國外模具企業(yè)的組織形式是"大而專"、"大而精"。2004年中國模協(xié)在德國訪問時，從德國工、模具行業(yè)組織--德國機械制造商聯(lián)合會（VDMA）工模具協(xié)會了解到，德國有模具企業(yè)約5000家。2003年德國模具產值達48億歐元。其中（VDMA）會員模具企業(yè)有90家，這90家骨干模具企業(yè)的產值就占德國模具產值的90%，可見其規(guī)模效益。 隨著時代的進步和技術的發(fā)展，國外的一些掌握和能運用新技術的人才如模具結構設計、模具工藝設計、高級鉗工及企業(yè)管理人才，他們的技術水平比較高．故人均產值也較高．我國每個職工平均每年創(chuàng)造模具產值約合1萬美元左右，而國外模具工業(yè)發(fā)達國家大多15～20萬美元，有的達到 25～30萬美元。國外先進國家模具標準件使用覆蓋率達70%以上，而我國才達到45％ 沖壓技術的發(fā)展主要反映在以下5個方面： （1）模具的計算機輔助能力設計和輔助制造技術 采用該技術，模具設計和制造效率一般可提高2-3倍，模具生產周期可縮短1/2-1/3。目前，已達到CAD/CAM一體化，模具圖紙只是作為檢驗模具之用。 （2）工藝分析中的板料成形模擬仿真技術 （沖壓CAE） （3）快速模具制造技術的發(fā)展 將快速成形（RPM）技術與各種常規(guī)的鑄造、粉末燒結工藝相結合而發(fā)展起來的快速模具制造技術以及低熔點合金模具，樹脂模具都可用于冷沖壓成形。?? （4）采用沖壓新工藝 精密沖裁、液壓成形、沖壓焊接復合工藝等特種沖壓工藝的采用，使沖壓工藝的應用范圍進一步擴大，沖壓制件的質量和效率大大提高，從而使生產成本進一步降低。 （5）冷沖壓生產的機械化和自動化 為了滿足大批量生產的需要，沖壓設備已由單工位的低速壓力機發(fā)展到多工位的高速壓力機；在高速壓力機上采用多工位的級進模進行沖壓加工，使冷沖壓生產達到高度自動化；汽車覆蓋件可采用自動送料、自動取件、自動傳送的流水線生產。 1.3 沖壓加工特點 沖壓加工與其它加工方法相比,無論在技術方面,還是在經濟方面,都具有許多獨特的優(yōu)點.如:沖壓在少,無切屑加工方法之一,是一種省能,低耗,高效的加工方法,因而制品的成本較低。 沖壓件的尺寸公差由模具保證,具有一模一樣的特征,所以產品質量穩(wěn)定,沖壓可以壁薄,重量輕,形狀復雜,表面質量好,剛性好的工件。冷沖壓生產靠壓力機和模具完成加工過程,其生產效率高,操作方便,易于機械化與自動化,用普通壓力機進行沖壓加工,每分鐘可達幾十件,用高速壓力機生產,每分鐘可達數百件或千件以上。 1.4 沖壓加工和沖模在生產中的地位 由于冷沖壓加工具有上述突出的優(yōu)點，因此在批量生產中得到廣泛的應用,在汽車，拖拉機，電機，電器儀表和日用品的生產中，已占據十分重要的地位，特別是在電子工業(yè)產品生產中，已成為不可缺少的，主要加工方法之一，沖模在實現冷沖壓加工是必不可少的工藝設備，沒有先進的模具技術，先進的沖壓工藝就無法實現，眾所周知，產品要具有況爭能力，除了應具有的先進模具技術，穩(wěn)定的使用性能，結構新穎，更新?lián)Q代快等特點外，還必須具有價格競爭優(yōu)勢，這就需要采用先進，高效的生產手段，不斷降低成本，要達到上述目的，途徑是多方面的，模具就是其中的重要因素之一，它的重要性早已為國內外所重視,并為工業(yè)發(fā)達國家的發(fā)展過程所證實，在美國，日本等工業(yè)發(fā)達國家,模具工業(yè)年產值，早已超過了機床工業(yè)，在模具工業(yè)中沖模占的比例很大，由此可以看出冷沖壓與沖模在國內外生產中的重要地位. 隨著科學技術的不斷發(fā)展進步和工業(yè)生產的迅速發(fā)展，沖壓及模具技術也在為斷革新與發(fā)展，主要表現以下方面：工藝分析計算方法現代化，近幾年來,國外開始采用有限變形的彈塑性有限元法，對復雜成形件的成形過程進行應力應變分析和計算機模擬，以預測某一工藝方案對零件成形的可能性和會發(fā)生的問題，將結果顯示在圖形終端上，供設計人員進行修改和選擇，這樣，不但可以節(jié)省模具試用制費用，縮短新產品的試制周期，而且可以逐步建立一套能結合生產實際的先進設計方法，既促進了沖壓工藝的發(fā)展，也將使塑性成形理論逐步達到對生產實際的指導作用。 修改和選擇，這樣，不但可以節(jié)省模具試用制費用，縮短新產品的試制周期，而且可以逐步建立一套能結合生產實際的先進設計方法，既促進了沖壓工藝的發(fā)展，也將使塑性成形理論逐步達到對生產實際的指導作用. 在校學生設計是對手工設計的一種練習，也是為自己以后獨立設計的一種演練，在這個基礎階段，必須把一些基本的方法、步驟、公式、表格查法的掌握，才能為以后的設計服務。 本次設計的任務是使同學們了解沖壓成型的基本原理；熟悉沖壓用材料、模具用材料以及沖壓用設備等；掌握各種沖壓工藝的成型方法，并具有初步解決生產中常出現的工藝問題的能力；掌握各種沖壓模具的設計方法，并具有設計中等復雜程度沖壓模具能力。 1.5 U形彎曲模具設計的進度 1.了解目前國內外沖壓模具的發(fā)展現狀，所用時間20天； 2.確定加工方案，所用時間5天； 3.模具的設計，所用時間30天； 4．模具的調試．所用時間5天 2 彎曲件工藝分析 2.1　工件圖及要求 零件名稱：彎曲板 生產批量：大批量 材料：H62 料厚：4mm 板寬：20mm 工件圖 此工件是小于90度U形彎曲件，零件圖（見上圖）中的尺寸公差為未注公差，在處理這類零件公差時均按IT14級要求。彎曲圓角半徑R為2.5mm，大于最小彎曲半徑（＝0.6ｔ＝0.6×4＝2.4ｍｍ），故此件形狀、尺寸、精度均滿足彎曲工藝的要求，可用彎曲工序加工。 2.2工藝方案的確定 （1）該工件是基于預彎U形件上對左右兩側進行，由所用材料H62的特性和壁厚可選零件圖中彎曲圓角為R=2.5mm，具有良好工藝性的彎曲件，不僅能簡化彎曲工藝過程和模具設計，而且能夠提高彎曲件的精度和節(jié)省材料。 （2）零件圖中的尺寸公差為未注公差，在處理這類零件公差等級是均按IT14要求，彎曲圓角半徑R=2.5mm，大于最小彎曲半徑（Rmin=0.6t=0.6*4mm=2.4mm）,所以該工件形狀、尺寸、精度均滿足彎曲工藝的要求，可用壓彎工藝加工。由于在進行直角彎曲時，如果彎邊過小，彎邊在模具上支持的長度過小，不容易形成足夠的彎矩，將產生不規(guī)則變形，很難得到形狀準確的零件。為避免這種情況，應使彎邊高度H>2.5t,當H<2.5t時，則應在彎曲部位開槽，使之便于彎曲。或加大此處的彎邊高度H，在彎曲后在裁去加高的部分，該工件是基于U形件的基礎上進行L形壓彎成型的。有圖中可知彎曲成形 后工件的H=9.5mm>2.5*2=5mm，故不易產生缺陷。 （3）板材彎曲零件的彎曲線與板料纖維方向的關系：冷沖壓使用的板料多是經過軋制成形，金屬在軋制過程中形成了纖維方向（其纖維方向與軋制方向相同）軋制板材在各方向的性能是有差別的，材料沿纖維線方向塑性較好，所以彎曲板料或卷料時彎曲線最好與纖維方向垂直，這樣彎曲件不易開裂。 如果在同一零件上具有不同方向的彎曲，在考慮彎曲件排樣經濟性的同時，應當盡可能使彎曲線與纖維方向的夾角a不小于30°。 如果彎曲半徑過小，彎曲時板料外層拉伸變形量過大，是拉伸應力達到或超過抗拉強度，則板料彎曲存在一個最小圓角半徑允許值。R>rmin。當圓角半徑必須小于最小圓角半徑時，可設法提高材料的塑性，例如將材料退火或在加熱狀態(tài)下彎曲。厚板可采用先開槽或壓槽的方法，使彎曲部位的板料變薄，能防止彎曲部位開裂。 理論上講，彎曲圓角半徑最大值是沒有限制的，但也不宜過大，因為過大時，受到回彈的影響，彎曲角度與圓角半徑的精度都不易達到要求。 （4）板材請按去零件的沖裁件毛刺面與彎曲方向： 彎曲件的毛坯往往是經沖裁落料而形成的，其沖裁的斷面一部分是光亮面，另一部分是毛刺面。彎曲件應使其毛刺面作為彎曲件的內側，當必須將毛刺面置于外側時，應盡量加大彎曲半徑，以避免開裂。 以上分析可得該零件所需的沖壓工序為彎曲，采用彎鉤形單工序彎曲模。 2.3 彎曲工藝計算　 2.3.1 彎曲件毛坯展開長度的計算　 當彎曲圓角半徑較?。ǎ颍?.5ｔ）時，由于彎曲變形時不僅彎曲圓角部分變薄嚴重，而且與圓角部分相鄰的直邊部分也產生了一定的變薄，所以應該按變形前后體積不變條件確定長度。通常采用表3.5所示經驗公式計算。 當彎曲圓角半徑較小（ｒ0.5ｔ）時，由于變薄不嚴重，可按中性層展開原則，坯料總長度等于彎曲件直線部分長度和彎曲圓角部分應變中性層長度之和，即　 Ｌ彎＝ Ｌ總＝直＋彎 　　　　　　?。剑? 式中Ｌ彎--------------------彎曲件彎曲圓角部分長度； Ｌ總---------坯料展開總長度 -------------------彎曲中心角 因為Ｒ＝2.5＞0.5×4，屬于圓角半徑較大的彎曲件。所以彎曲件的展開長度按直邊與圓角邊分段進行計算。視直邊區(qū)在彎曲前后長度不變，圓角區(qū)展開長度按彎曲前后中性層長度不變條件進行計算。 1) 由于Ｒ/ｔ＝2.5/4＝0.63，查表3.4，得中性層位移系數X＝0.42 變形區(qū)中性層曲率半徑按式（3.7）計算 　　　＝ｒ＋ｘｔ＝（2.5＋0.42×4）ｍｍ＝3.64 2) 毛坯尺寸（中性層長度） Ｌ總＝直＋彎 　　?。虖潱剑剑恚? 該零件毛坯展開長度為 Ｌ總＝［（13－2－2.5）×2＋（60-2×4-2×2.5）＋5.71×2+2.86×2］ｍｍ 　　 ＝83.2ｍｍ 2.3.2 彎曲模工作部分尺寸計算 1) 凸模圓角半徑。 當彎曲件的相對彎曲半徑ｒ/ｔ較小時，取凸模圓角的半徑ｒ凸等于或小于彎曲件內側的圓角的半徑r，但不能小于表3.1所示列的最小的彎曲半徑。若彎曲件的ｒ/ｔ小于最小相對彎曲半徑/ｔ，則彎曲時應?。荆∪缓笤黾右坏勒蔚墓ば?，使得整形凸模的凸模圓角半徑＝ｒ。由于此工件ｒ/ｔ＝2.5/4＝0.63較小且Ｒ為2.5ｍｍ，大于最小彎曲半徑（＝0.6ｔ＝2.4ｍｍ），故凸模圓角半徑為ｒ凸＝Ｒ＝2.5ｍｍ。 2) 凹模圓角半徑。 凹模圓角的半徑的大小對彎曲力以及對彎曲件的質量均由影響。過小會使彎矩的彎曲力臂減小，毛坯沿凹模圓角滑入時的阻力很大，彎曲力增加，并易使工件表面擦傷甚至出現壓痕。凹模兩邊的圓角半徑應一致，否則在彎曲時毛坯會發(fā)生偏移. 實際生產中，通常根據材料的厚度來選擇。 當ｔ＜2ｍｍ時，＝（3～6）ｔ； 當ｔ＝2～4ｍｍ,＝（2～3）ｔ； 當ｔ＞4ｍｍ，＝2ｔ 因為材料的厚度為4ｍｍ，所以＝（2～3）ｔ，所以凹模圓角的半徑?。?ｍｍ。 3) 凹模工作部分深度的設計計算。 凹模深度要適當，若過小，則彎曲件兩端自有部分太長，工件回彈大，不平直；若深度過大，則凹模增高，多耗模具材料，并需要較大的壓力機工作行程。 對于Ｕ形彎曲模：若平直邊高度不大或要求兩邊平直，則凹模深度應大于工件的深度；若彎曲件直邊較長，且平直度要求不高，則凹模深度可以小于工件的高度。 凹模工作部分的深度將決定板料的進模深度，同時也影響到彎曲件直邊的平直度，對工件的尺寸精度造成一定的影響。此彎曲件：直邊高度為13ｍｍ，板厚4ｍｍ，查表3.12得凹模的底部最小厚度＝6ｍｍ，因此，凹模工作部分深度為直邊的高度加斜邊的高度加活動凹模的高度加頂料板的厚度，即＝13＋4+12＋12＝45ｍｍ。 4) 凸凹模間隙。 對于U形彎曲件，必須合理確定凸凹模之間的間隙。間隙過大，則回彈大，工件的形狀和尺寸不容易保證。間隙過小，會增加彎曲力，使工件厚度減薄，增加摩擦，擦傷工件并降低模具壽命。U形件凸凹模的單面間隙一般可按下式計算 彎曲有色金屬 彎曲黑色金屬 式中————凸凹模單面間隙（mm） ———板料的最小厚度和最大厚度（mm） t—————板料厚度的基本尺寸（mm） C—————間隙系數，其值按表3.14選取 但當工件精度要求不高或校正彎曲時，生產中常采用調整凸凹模間隙的方法來解決工件回彈問題。設計彎曲模結構時，常常把凹模做成可調式或鑲拼式。當設計為可調式時，可以將模具的凸凹模間隙值初選為材料厚度t。 5） 凸凹模橫向尺寸及公差 工件標注外形尺寸時，以凹模為基準進行計算，間隙取在凸模上。查表2.5得 凹模橫向尺寸 凸模橫向尺寸 式中 2.3.3 彎曲件回彈值的計算 由于回彈值直接影響了彎曲件的形狀和尺寸，因此，在模具設計和制造時，必須要先考慮材料的回彈。通常是先根據經驗數值和簡單的計算和初步確定模具工作部分尺寸，然后在試模修正模具的相應部分的形狀和尺寸。 影響回彈的因素： 材料的力學性能：由金屬變形特點可知，卸載時，彈性恢復的應變量與材料的屈服極限成正比，與彈性模量E成反比，即σs /E越大，回彈越大。也就是說材料的屈服極限σs越大，彈性模量E越小，彎曲變形的回彈也越大。因為材料的屈服極限σs越高，材料在一定的變形程度下，其變形區(qū)斷面內的應力也越大，因而可以引起更大的彈性變形，所以回彈值也越大；而彈性模量E越大，則材料抵抗彈性變形的能力越強，所以回彈值越小。 相對彎曲半徑r/t：相對彎曲半徑r/t越小，則回彈值越小。因為相對彎曲半徑r/t越小，彎曲變形程度越大，變形區(qū)總的切向變形程度增大，塑性變形再總變形中占得比例增大，而相應彈性變形的比例則減少，從而回彈值減少。反之，相對彎曲半徑r/t越大，則回彈值越大，這也是r/t很大的工件不易彎曲成形的原因。 彎曲中心角α：彎曲中心角α越大，回彈角也越大，因為隨著α增大，變形區(qū)段長度增加，會談累積值也增大，回彈角也就越大但對曲率半徑的回彈沒有影響。 彎曲方式：自有彎曲時，回彈值大；校正彎曲時，回彈值小。再無底彎曲模內作自由彎曲時，會談最大；再有底彎曲模內作自由彎曲時，會談最小。這是因為校正彎曲時，校正力比自有彎曲時的彎曲力大得多，使得變形區(qū)的應力、應變狀態(tài)與自由彎曲時有所不同。極大地校正彎曲力迫使變形區(qū)外側的拉應力有所減小，而在外側中性層附近還出現與內側相同的壓縮應力。隨著校正力的增加，壓應力區(qū)逐步向外側擴展，致使變形區(qū)的大部分甚至全部斷面均出現壓縮應力，卸載后內、外兩側的回彈趨勢相互抵消，產生了減小回彈的效果。 彎曲件形狀：一般，彎曲件形狀越復雜一次彎曲成形的數量越多，則彎曲時各部分相互牽制作用越大；彎曲中拉伸變形的成分越大，則回彈量越小，因此，一次彎曲成形時，U型件的回彈量比V型件的回彈量小。 磨具間隙：在彎曲U型件時，凸、凹模間隙對回彈角有較大的影響，間隙越大，會談較也越大。當采用負間隙時，由于磨具對材料的擠壓作用，可使回彈角減小至最小值，甚至出現零或負值。 控制回彈的措施： 從選用材料上采取措施。在滿足彎曲件使用要求的前提下，盡可能選用彈性模量E大、屈服極限σs小、力學性能比較穩(wěn)定的材料，以減少彎曲時的回彈。 改進彎曲件的結構設計。在彎曲件設計上改進某些結構，增強彎曲件的剛度以減少回彈，比如：在彎曲變形區(qū)壓制加強筋，增加彎曲件的剛度。 從工藝上采取措施： 采用熱處理工藝。對一些硬材料或已經冷作硬化的材料，彎曲前先進行退火處理，降低其硬度以減少彎曲時的回彈，待彎曲后再淬硬。對回彈較大的材料，在條件允許的情況下，甚至可采用加熱彎曲。 采用拉彎工藝。相對彎曲半徑很大的彎曲件，由于變形程度很小，變形區(qū)大部分或全部處于彈性變形狀態(tài)，彎曲回彈量很大，甚至根本無法成形，這時可以采用拉彎工藝。 從模具結構上采取措施。 補償法。一般來說，它是消除彎曲件回彈最簡單的方法，在實際生產中廣泛使用。 對于比較硬的材料，可根據回彈值對模具工作部分的形狀和尺寸進行修正。 對于軟材料（如：Q215、Q235、10、20和H62等），其回彈角小于5°時，可在模具上作出補償角并取較小的凸凹模間隙。 單角彎曲時，根據回彈量的大小，將凸模圓角半徑和頂角預先做小些，然后調試修模，補償回彈。 雙角彎曲時，可在凸模兩側分別作出回彈角或將模具底部做成圓弧形，利用底部向下的回彈作用，來補償彎曲件側壁的回彈。 校正法。對于材料厚度在0.8以上，塑性比較好，且r/t又不大時，可以改變凸模結構，使校正力集中在彎曲變形區(qū)，改變變形區(qū)應力、應變狀態(tài)，迫使材料內、外側同為切向壓應力，從而使內、外側回彈趨勢相互抵消，以達到減少回彈的目的。 縱向加壓法。 采用軟凹模法。由于軟凹模能將壓力均勻的傳到材料上，使彎曲件與金屬凸模完全貼合，其回彈量比金屬凹模小的多。因此，可利用橡膠或聚氨酯凹模代替剛性金屬凹模進行彎曲。 金屬板材在塑性彎曲時總是伴隨著彈性變形，因此，當工件彎曲后就會發(fā)生彈復。影響彈復量的因素很多，主要與材料的機械性能，板材的厚度，彎曲半徑的大小以及彎曲時校正力的大小有關，要在理論上計算彈復值是有困難的，通常在模具設計時按經驗總結的數據來選擇，經試沖后再對模具工作部分加以修正。確定彈復值的多少將直接影響彎曲件的質量，通過經驗值以及查找資料得到回彈角。 １）相對彎曲半徑較大時自由彎曲的回彈值?！? 當相對彎曲半徑ｒ/ｔ10時，回彈值比較大，卸載后彎曲件的彎曲角半徑和角度都發(fā)生了較大變化，此時，可以不考慮材料厚度的變化及應力，應變中性層的移動，以簡化計算。在這種情況下，凸模圓角半徑ｒ凸和凸模圓角部分中心角可按下式進行計算 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 式中　　　?。蛲埂鼓A角半徑（ｍｍ） 　　　　　 ———————凸模圓角部分中心角 　　　　　?。颉獜澢A角半徑（ｍｍ） 　　　　　　——————彎曲件圓角部分中心角 　　　　　 ——————彎曲件材料的屈服極限（Ｍｐａ） 　　　　　 Ｅ——————彎曲件材料的彈性模量（Ｍｐａ） 　　　　　 ｔ——————彎曲件材料厚度（ｍｍ） ２）相對彎曲半徑較小時自由彎曲的回彈值 當彎曲件的相對彎曲半徑r/t＜5時，由于變形程度大，卸載后彎曲半徑的變化很小，可以不予考慮，而僅考慮彎曲中心角的變化。 　　　當彎曲件彎曲中心角不為90度時，其回彈角按下式計算 　　　　　　　　　　　　　 　式中　　　——————彎曲件的彎曲中心角為時的回彈角 　　　　　　—————彎曲中心角為90度時的回彈角 　　　　　　——————彎曲件的彎曲中心角 　第一次彎曲時彎曲中心角為90度，因此查相關手冊，取回彈角為3度，第二次彎曲時彎曲角為45度時，由以上公式得 　　　　　　　　　　 即彎曲角為45度時的回彈角為1.5度。 2.3.4 彎曲力的計算 Ｕ形件校正彎曲時，在進行校正彎曲前是自由彎曲，彎曲力為： ===16.58kN 頂件力F頂可近似取自由彎曲力的0.3—0.8倍，即 F頂＝（0.3－0.8）＝＝ｋＮ 　　取F頂=13kN。 校正彎曲時，校正彎曲力最大值在壓力機工作到下止點的位置，且校正力遠遠大于自由彎曲力（或接觸彎曲力），而在彎曲工作過程中，二者又不是同時存在的，因此查表３.７得ｐ＝70ＭｐＡ，所以校正力Ｆ校為： Ｆ校＝Ａｐ＝（20*60）*70＝84ＫＮ 所以第一次彎曲時： 　Ｆ＝＋Ｆ校＝16.58＋84＝100.58ＫＮ 第二次彎曲時： 　=＝＝16.58ＫＮ 對于校正彎曲，由于校正彎曲力比頂件力大的多，故頂件力可以忽略，但這里為了保險起見，在計算壓力機公稱壓力時，還是將頂件力考慮進去。 Ｆ壓機 綜合考慮以上得，初選壓力機型號為JB23—16. 2.4 模具總體設計 模具總體設計包括：模具類型的確定好模具結構形式的確定. 2.4.1 模具類型的確定 沖模的類型與沖壓工藝方案是相互對應的，兩者都是根據生產批量，零件形狀和尺寸，零件質量要求，材料性質和厚度，沖壓設備和制模條件，操作因素等確定。復合?？梢詻_尺寸較大的零件，但對材料厚度，孔心距，孔邊距又一定的限制；級進模沖小型零件，尤其是形狀復雜的異形件，但級進模輪廓尺寸受壓力機臺面尺寸的限制；單工序模不受零件尺寸和板厚的限制。復合模沖壓比單工序模具沖壓的沖件質量好；而級進模的沖壓件質量一般介于單工序模與復合模之間。 由于采用沖壓工藝方案為彎曲，所以采用單工序彎曲模。 2.4.2 模具結構形式的確定 模具類型確定后，還要確定模具的具體結構形式，主要包括：送料與定位方式的確定，卸料與出件方式的確定，工作零件的結構及其固定方式的確定，模具精度及導向方式的確定等。對于復雜的彎曲模及其他需要改變沖壓力方向和工作零件運動方向的模具，還要確定傳力和運動的機構。 由于該模具采用單工序彎曲模，上模主要有上模座，凸模，模柄，墊板，斜楔和凸模固定板等零件組成；下模主要有下模座，頂料板，活動凹模，蓋板，支撐板，彈簧，彈簧管，頂桿和定位板等零件組成。彎曲工件有下面的彈簧頂出。 2.5 模具主要零部件的設計 2.5.1 彎曲凸模、凹模的結構設計 由于制件結構簡單精度要求不高，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注凸模和凹模的尺寸和公差。 由于該工件是沿著工件彎曲角的中心線方向彎曲的， 所以工件是簡單的U型彎曲，只需確定彎曲的角度即可，有零件圖可知，零件的彎曲角為90°和45°，因為彎曲時有回彈存在，且回彈角為3°，所以可將凸模彎曲角做成為87°和42°，凹模彎曲角做成90°和45°。凸模材料選用Cr12MoV，熱處理硬度為60～64HRC，凹模材料選用 Cr1212MoV， 熱處理硬度為60～62HRC，凸凹模形式如下圖所示 凸模結構 凹模結構 2.5.2 模柄的設計 模柄的作用是固定上模座于壓力機滑塊上時使模具的壓力中心與壓力機的壓力中心保證一致,所以,模柄的長度不得大于壓力機滑塊內模柄孔的深度,模柄直徑應與模柄孔直徑一致.根據模具的總體特點,選用整體式模柄,其結構形式如下圖所示 整體式模柄 2.5.3 螺釘和銷釘的設計 螺釘和銷釘都是標準件,設計模具時按標準選用即可,螺釘用于固定模具零件，一般選用內六角螺釘;銷釘起定位作用,常用圓柱銷釘.螺釘，銷釘規(guī)格應根據沖壓大小，凹模厚度等確定，選用銷釘的型號為φ8×90，螺釘的型號為M16×60，螺釘，銷釘的材料都可采用45鋼。 2.5.4 下模座的設計 下模座的材料選用HT200，規(guī)格為200×450，熱處理硬度為43～48HRC。 2.5.5 彈簧的設計 根據模具結構彈簧，彈簧所需的預壓力為 　　　　　?。疲埃?3ｋＮ 根據預壓力和模具結構尺寸，初選序號為73～77的彈簧，其最大工作負荷Ｆ０＝21ｋＮ＞13ｋＮ。雖然彈簧的最大工作負荷符合要求，但其彈簧太長，會使模具的高度增加，所以選用最大工作負荷為21ｋＮ范圍內的彈簧。 試選78～83號中的79號彈簧，校核檢驗彈簧最大許可壓縮量Ｌｍａｘ＞彈簧實際總壓縮量Ｌ總。79號彈簧的具體參數是：彈簧外徑Ｄ＝55ｍｍ，材料直徑ｄ＝9ｍｍ，自由高度Ｈ０＝120ｍｍ，節(jié)距ｔ＝14.5ｍｍ，Ｆ０＝21ｋＮ，極限載荷時彈簧高度為88.4ｍｍ?！　　　　　　　　　　　　? 彈簧最大可壓縮量?。蹋恚幔剑?20-88.4）＝31.6mm 　 彈簧預壓縮量 L`= 校核：卸料板工作行程 t+h1+h2=（4+1+0.5）=5.5mm 凸模刃磨量和調節(jié)量　　h3=6mm 彈簧實際總壓縮量　L總=L‘＋t+h1+h2+h3=19.6+5.5+6=27.1mm 由于31.6mm＞27.1,即Ｌｍａｘ＞L總，所以所選彈簧是合適的。 79號彈簧的規(guī)格為： 外徑：Ｄ＝55mm 鋼絲直徑：d=9.0mm 自由高度：H0=120mm 裝配高度：H2＝H0-L’=120-19.6=100.4mm 彈簧的窩座深度：ｈ=H0-Lmax+h卸料板+t+1-h修模 =120-31.6+16+4+1-77-6 　　　　　　　　=24.4mm 彈簧的外漏高度：H3=H2-h-h卸料板窩深＝100.4-24.4-7=69mm 2.5.6 模架的設計　模架各零件標記如下： 上模座：300*250*50 下模座：300*250*65 模 柄：φ40mm×60mm 墊板厚度：300*250*`15 頂件板厚度:60*20*12 凸模固定板的厚度:300*250*25　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2.6 沖壓設備的選定 初選壓力機的公稱壓力為160ＫＮ，即JB23——16型壓力機。 2.6.1 壓力機的選用 壓力機的選用是根據沖壓工藝性質，沖壓件批量大小，模具尺寸精度。變形力大小，設備情況。 最大閉合高度： 220mm。 最大裝模高度： 180mm。 連桿調節(jié)長度： 45mm。 壓力機工作臺尺寸（前后×左右）：300mm×450mm。 模柄孔尺寸（直徑×深度）：φ40mm×60mm， 最大傾斜角度： 35° 沖壓設備與沖壓工藝的關系 沖壓設備類型 壓彎 沖裁 生產量 曲柄壓力機 小行程 不適用 適用 高 中行程 適用 較高 大行程 較高 雙動拉伸壓力機 不適用 不適用 較高 摩擦壓力機 適用 可用 低 液壓機 無 不適用 低 液壓機在小批量和大型拉深彎曲和成形件的生產中多選用液壓機，但液壓機一般不適用于沖裁工作并且彎曲成形式生產率低。 本設計中沖壓設備選用曲柄壓力機，而該壓力機有分為開式壓力機和閉式壓力機。 在中小型的沖裁件，彎曲件成淺拉伸機的壓力生產中，主要選用開式壓力機。 在大中型和精度要求要求高的沖壓件的生產中，主要選用閉式壓力機。 經過上邊對比可得沖壓設備選用開式曲柄壓力機，即初選壓力機型號為JB-23-16 2.6.2 沖壓設備的選擇 沖壓設備的選擇主要是根據沖壓工藝性質、生產批量、沖壓件的幾何形狀尺寸和精度要求等因素來確定的。沖壓生產常用的設備很多。選用設備時，應主要考慮下述因素： ① 沖壓設備的型號和工作形式是否適用于完成的工序；是否符合安全生產和環(huán)保的要求 ② 沖壓設備的壓力和功率是否滿嘴應完成工序的需要 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是否滿足生產率的要求等。 2.6.3 壓力機校核： 由于彎曲模不是標準的的模架，因而，需要自行設計。取上模座的高度為35ｍｍ，模柄高度H=（H上+H下）=（60+40）mm=100mm，凸模H=（H上+H下）=（40+20）=６０mm，凹模Ｈ＝35ｍｍ，墊板的高度為15ｍｍ，下模座H=50mm，中間的安全距離為25ｍｍ。彎曲模閉合高度是指沖床運行到下止點時，模具工作狀態(tài)的高度，模具的閉合高度是指模具工作行程終了時，上模座上平面至下模座下平面之間的距離。故模具閉合高度Hd為： ?。龋剑壬夏Ｗ韧鼓９潭ò澹劝寄＃葔|板＋Ｈ下模座＋Ｈ安全距離 　　＝（35＋25＋35＋15＋50＋25）ｍｍ 　?。?85ｍｍ 壓力機能滿足模具使用要求。 2.7繪制模具總裝圖 彎曲板的模具圖如圖所 總 結 本課程設計是我們進行完了三年的模具設計與制造專業(yè)課程后進行的，它是對我們三年來所學課程的又一次深入、系統(tǒng)的綜合性的復習，也是一次理論聯(lián)系實踐的訓練。它在我們的學習中占有重要的地位。 通過這次畢業(yè)設計使我從新系統(tǒng)的復習了所學專業(yè)知識同時也鞏固了先前學到了的知識，同時感觸最深刻的是：所學知識只有在應用中才能在更深刻理解和長時間記憶。對一些原來一知半解的理論也有了進一步的的認識。特別是原來所學的一些專業(yè)基礎課：如機械制圖、模具材料、公差配合與技術測量、冷沖模具設計與制造等有了更深刻的理解，使我進一步的了解了怎樣將這些知識運用到實際的設計中。同時還使我更清楚了模具設計過程中要考慮的問題，如怎樣使制造的模具既能滿足使用要求又不浪費材料，保證工件的經濟性，加工工藝的合理性。 在設計的過程中通過沖壓手冊、模具制造簡明手冊、模具標準應用手冊等隊要設計的問題進行查詢，我了解了通過更多的途徑去了解我要做的設計，使設計更具合理性。也使我學會了設計過程中對資料的查詢和運用。通過這次設計，我更加深入地學習了冷沖壓技術工作設計的內容。冷沖壓技術工作設計的內容包括冷沖壓工藝設計、模具設計及沖模制造三方面內容，盡管三者的工作內容不同，但三者之間存在著相互滲透、相互補充、相互依存的關系。 冷沖壓工藝設計是針對給定的產品圖樣，根據其生產批量的大小、沖壓設備的類型規(guī)格、模具制造能力及工人技術水平等具體生產條件，從對產品零件圖的沖壓工藝性分析入手經過必要的工藝計算，制定出合理的工藝方案，最后編寫沖壓工藝卡的一個綜合分析、計算、設計過程。沖壓工藝方案的確定包括工序性質、數量的確定，工序順序的安排，工序組合方式及工序定位方式的確定等內容。 沖壓模具設計則是依據制定的沖壓工藝規(guī)程，在認真考慮毛坯的定位、出件、廢料排出諸問題以及模具的制造維修方便、操作安全可靠等因素后，設計計算并構思出與沖壓設備相適應的模具總體結構，然后繪制出模具總裝圖和所有非標準零件圖的整個設計繪圖過程。 歷經近三個月的畢業(yè)設計即將結束，在這次畢業(yè)設計中通過參考、查閱各種有關模具方面的資料，請教各位老師有關模具方面的問題，并且和同學的探討，模具設計在實際中可能遇到的具體問題，使我在這短暫的時間里，對模具的認識有了一個質的飛躍。 從陌生到開始接觸，從了解到熟悉，這是每個人學習事物所必經的一般過程，我對模具的認識過程亦是如此。經過近三個月的努力，我相信這次畢業(yè)設計一定能為三年的大學生涯劃上一個圓滿的句號，為將來的事業(yè)奠定堅實的基礎。 參考文獻 [1]王孝培主編.沖壓手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1990 [2]李紹林主編.實用模具技術手冊[M].上?？茖W技術出版社，1998 [3]陳錫棟、主編.實用模具技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001 [4]模具實用技術叢書編委會.沖壓設計應用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999 [5]楊玉英主編.實用沖壓工藝及模具設計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004 [6]許發(fā)樾主編.實用模具設計與制造手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000 [7]王芳主編.冷沖壓模具設計指導[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1998 [8]李易、于成功、聞小芝主編.現代模具設計、制造、調試與維修實用手冊[M].北京：金版電子出版公司，2003 [9]翟德梅主編.模具制造技術[M].河南機電高等專科學校 [10]任嘉卉主編.公差與配合手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000 [11]劉建超主編.沖壓模具設計與制造[M]. 北京：高等教育出版社，1996 [12]成虹主編.沖壓工藝與模具設計.北京：電子科技大學出版社，2002 [13]駱志斌主編.模具工實用技術手冊.南京：江蘇科學技術出版社，1999 27