電飯煲傳感器外殼沖壓工藝與模具設計,電飯煲,傳感器,外殼,沖壓,工藝,模具設計 南昌航空大學科技學院學士學位論文 1 引言 1.1背景 目前，我國經(jīng)濟仍處于高速發(fā)展階段，國際上經(jīng)濟全球化發(fā)展趨勢日趨明顯，這為我國模具工業(yè)高速發(fā)展提供了良好的條件和機遇。一方面，國內模具市場將繼續(xù)高速發(fā)展，另一方面，模具制造也逐漸向我國轉移以及跨國集團到我國進行模具采購的趨向也十分明顯。因此，放眼未來，國際、國內的模具市場總體發(fā)展趨勢前景看好，預計中國模具將在良好的市場環(huán)境下得到高速發(fā)展，我國不但會成為模具大國，而且一定逐步向模具制造強國的行列邁進?！笆晃濉逼陂g，中國模具工業(yè)水平不僅在質和量的方面有很大提高，而且在行業(yè)結構、產(chǎn)品水平、開發(fā)創(chuàng)新能力、企業(yè)的體制與機制以及技術進步的方面也會取得較大發(fā)展。隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品的外形在滿足性能要求的同時，變的越來越復雜，而產(chǎn)品的制造離不開模具，利用計算機輔助軟件進行模具設計不但提高模具的制造精度而且還縮短了設計及加工的時間。 冷沖壓成形是一種歷史悠久的金屬加工工藝，隨著工業(yè)水平的不斷進步，冷沖壓技術和設備日益完善，在汽車、機械制造、電子電器等行業(yè)中，沖壓加工得到了廣泛的應用。大到汽車的覆蓋件，小到鐘表以及儀器儀表元件，大多是由冷沖壓方法制成的。學習、研究和發(fā)展冷沖壓技術，對發(fā)展我國國民經(jīng)濟和加速現(xiàn)代化工業(yè)建設具有重要意義。傳統(tǒng)的沖壓工藝及模具設計只能在眾多簡化和假設的基礎上進行初步的設計計算，然后依靠大量的經(jīng)驗，反復試模、修模來保證沖壓件的成形品質。從而拖延新產(chǎn)品的開發(fā)，造成研發(fā)成本過高，在市場競爭中處于被動的地位。70年代起，有限元法開始應用于板料成形過程的模擬，各種成熟的CAE仿真軟件應用于模具工業(yè)中，有效地用來解決模具制造中的難題如拉裂、起皺、回彈的預測。伴隨沖壓成形的計算機仿真技術日漸成熟，并在沖壓工藝與模具設計中發(fā)揮出越來越大的作用，成熟的仿真技術可以減少試模次數(shù)，在一定條件下還可使模具和工藝設計一次合格從而避免修模。這就可以大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品品質和市場競爭力。 1.2冷沖模成形特點 冷沖模是在溫室下把金屬或非金屬板料放在模具內，通過壓力機和模具對板料施加壓力，使板料發(fā)生分離或變形制成所需零件的模具。各類冷沖壓模成形特點如下： 1.2.1沖裁模 沖裁模的成形特點是：將一部分材料與另一部分材料分離。如圖1.1所示的沖裁模成形過程，沖裁模分為落料模和沖孔模。落料模的成形特點是將材料封閉的輪廓分開，而最終得到的是一個平整的零件；沖孔模是將零件的材料與封閉的輪廓分離，使零件得到孔。 圖1-1沖裁模成形過程 1.2.2彎曲模 彎曲模的成形特點是：將板料或沖裁后的坯料通過壓力在模具內彎曲成一定的角度和形狀。如圖1.2所示彎曲模成形過程，是將平直的板料壓成帶有一定角度的彎曲形狀。 圖1-2彎曲模成形過程 1.2.3拉深模 拉深模的成形特點是：將經(jīng)過沖裁得到的平板坯料，壓制成開口的空心零件。如圖1.3所示拉深模成形過程，是將平板的坯料拉深成筒形零件。 圖1-3拉深模成形過程 1.2.4多工位級進模 多工位級進模的成形特點是：可以完成多道沖壓工序，局部分離與連續(xù)成形結合；配備有自動送料、自動出件、安全檢測等裝置；模具結構復雜，鑲塊較多，模具制造精度要求很高，制造和裝調難度大。 1.3冷沖模具的發(fā)展趨勢 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)越來越意識到產(chǎn)品質量、成本和新產(chǎn)品的開發(fā)能力的重要性。近年來許多模具企業(yè)因此加大了用于技術進步的投資力度，一些國內模具企業(yè)已普及了二維CAD，并開始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS等國際通用軟件，個別廠家還引進了DYNAFORM等CAE軟件，并成功應用于沖壓模的設計中。 目前，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。許多研究機構和大專院校開展模具技術的研究和開發(fā)，在模具CAD/CAE/CAM技術方面取得了顯著進步。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。而模具技術的發(fā)展應該為適應模具產(chǎn)品“交貨期短”、“精度高”、“質量好”、“價格低”的要求服務。 1.3.1有限元分析商業(yè)軟件簡介 有限元法作為一個具有牢固理論基礎和廣泛應用價值的數(shù)值分析工具，在工程應用中起著越來越重要的作用。一些發(fā)達國家投入了大量的人力，物力和財力，開發(fā)了一系列的商業(yè)化軟件，如早期出現(xiàn)的SAP， ANSYS， MARC， NASTRAN， ADFNA等和近年來開發(fā)的專用于薄板金屬沖壓成形過程模擬的SHEET， LS-DYNA， LS-NIKE3D， AUTOFORM，OPTRIS， PAM-STAMP， ROBUST不Il ITAS-3D等軟件。許多文獻及NUMISHEET'99國際會議標準考題(Benchmark)的研究者采用上述程序對薄板金屬成形過程進行了模擬。 MARC分析公司(MARC Analysis Corporation)于1971年推出MARC的第一個版本后，成為世界上第一家非線性有限元公司。MARC軟件中采用了TL、 U.L表述、歐拉描述和更新歐拉表述。瞬態(tài)問題可用包括牛頓法、擬牛頓法、直線搜索、弧長搜索、隱式動力學和顯式動力學在內的不同時間積分求解器求解。MARC 軟件中包含豐富的材料庫，可對金屬塑性加1過程進行數(shù)值模擬。MARC軟件考慮了汽車部件加工分析中的以下問題:模具和工件的接觸和摩擦、厚度的變化、回彈、拉伸破壞、殘余應力等。該軟件已成功應用于汽車前擋泥板沖壓成形過程的模擬。 PAM-STAMP足一個采用顯式時間積分有限元技術的用于薄板金屬沖壓成形過程仿真的專業(yè)軟件包，由法國ESI (Engineering System Internal)開發(fā)研制。該軟件著重考慮了拉延筋的作用，建立了一個與拉延筋作用等價的分析模型。軟件中包括了多種材料模型，分別考慮了非應變率敏感和應變率敏感的不同情況，還考慮了曲面壓料面的壓邊圈在壓邊過程中與毛壞初接觸及毛坯彎曲等頂成形過程，并且采川了簡便的有限元網(wǎng)格生成技術.此外還采用了加速的接觸判斷算法，提高了處理接觸問題的效率。德國慕尼黑技術大學的M.Kohnhiiuser和北京航空航天大學的張曉京等人利用PAM-STAMP模擬了NUMISHEET'99會議給出的奧迪轎車前門內板多步?jīng)_壓成形的標準考題。 在PAM-STAMP的基礎上，1990年又出現(xiàn)了一個新的薄板金屬成形分析軟件OPTRIS.OPTRIS采用顯式時間積分，可允許網(wǎng)格細化，計算精度高，除繼承了PAM-STAMP的特點外，OPTRIS最大的特點是允許有限單元個數(shù)超過100000個。OPTRIS采用等效拉延筋模型可以模擬多工步薄板成形問題。 LS-DYNA3D是美國LawrenceL ivemore國家實驗室的J.O.Hallquist教授主持開發(fā)的幾何大變形、非線性材料和接觸摩擦滑動邊界二重非線性動力分析程序。LS-DYNA3D是由DYNA3D發(fā)展而來的，DYNA3D出現(xiàn)于1976年，早期主要應用于重型固體的低速碰撞問題，從DYNA3D的1987年版本開始已經(jīng)可以進行薄板成形模擬了，在這個版本中包含了單元厚度變化、Belytschko-Tsay板殼單元，近年來LS-DYNA3D己成功而廣泛地應用于薄板成形的分析中，它具有彈塑性本構材料模型和各向異性材料模型，可考慮薄板的各向異性性質。所用的庫侖摩擦算法和豐富的接觸算法可用來處理任意復雜的三維接觸問題。為了分析薄板成形問題，LS-DYNA3D 包含了多種函數(shù)和特性來滿足數(shù)值分析的需要，如網(wǎng)格自適應、多種CAD模型接口、大規(guī)模并行機(MPP)算法等。LS-DYNA3D最大特點是版本更新速度快，它將計算機技術和有限元方法的最新進展迅速地應用于程序中，目前最新的版本是950. LS-DYNA3D 是一個開放式的軟件系統(tǒng)，它具有五個用戶開發(fā)接口，為用戶進行二次開發(fā)提供了極為便利的條件。當今許多軟件，如DYTRAN， PAM-STAMP，OPTRRIS 都是在LS-DYNA3D的早期版本DYNA3D的基礎上發(fā)展起來的。LS-DYNA3D940版本具有12種單元、90種材料模型(其中包括5種用戶可開發(fā)材料接口)、10種狀態(tài)方程、28種接觸--碰撞算法，在美國的兵器、宇骯、汽車、和工業(yè)部門得到了廣泛的應用。 LS-NIKE3D也是美國Lawrence Livermore國家實驗室開發(fā)的大型非線性有限元程序。它利用隱式算法來解決需要進行面與面接觸算法的靜態(tài)、準靜態(tài)載荷條件的結構分析問題。它具有平面和軸對稱元素，用線接觸來解決二維或薄板成形截面分析。這一點對于彎曲過程、法蘭邊成形過程以及沖壓成形過程中工件局部區(qū)域的計算十分有效?，F(xiàn)在，LS-NIKE3D己被應用于沖壓成形過程的回彈問題。由于隱式算法的限制，LS-NIKE3D版本更新的速度比LS-DYNA3D要慢得多。 1.3.2 DYNAFORM軟件簡介 本文的仿真工作是通過eta/DYNAFORM軟件完成的。LS-DYNA軟件是用來計算模擬的軟件，而eta/DYNAFORM 軟件則是用來建立零件有限元模烈，設置各種材料參數(shù)和邊界條件，生成LS-DYNA3D的計算文件，并讀入LS-DYNA3D的計算結果文件d3plot來察看計算結果的一個軟件包。 eta/DYNAFORM軟件是由美國工程技術聯(lián)合公司(ETA)研制的基于LS-DYNA的薄板金屬沖壓仿真計算軟件包，目前的最新版本是5.2版。這個專業(yè)計算機輔助工程(CAE)軟件把LS-DYNA，及LS-NIKE3D 963版的強大分析能力，與eta/FEMB的流程化前處理和后處理功能結合起來了。這些分析程序和交互功能被合成來在薄板金屬沖壓工業(yè)中服務于模具設計和研制。此軟件也最大利用了傳統(tǒng)的CAE技術來減少建立原型所需的昂貴費用和漫長的產(chǎn)品研制周期時間。 eta/DYNAFORM分析引擎的主要部件是LS-DYNA3D和LS-NIKE3D，這兩個軟件都是由加利福尼亞州利弗莫爾市的利弗莫爾軟件技術公司(LSTC)研制的，這兩個程序也都是通用的非線性動態(tài)有限元分析程序，LS-DYNA和LS-NIKE3D分別利用顯示和隱式計算方法來解決流體和固體結構問題。這些程序己被成功地研制應用于汽車防撞性、乘員安全性、水下爆破、薄板金屬沖壓等方面。 薄板金屬沖壓研究周期的瓶頸是模具設計先導時間。eta/DYNAFORM 軟件模擬了這個建模過程，從而縮短建模試驗時間、降低制造高品質嵌鑲板和模具部件所需的費用。尤其是eta/DYNAFORM 簡單有效地研究了建模過程中的四個重要設計關系:壓邊、拉伸、回彈和多步模具。這些模擬使得工程師可在設計周期的早期進行產(chǎn)品設計的可行性研究。 用戶也可利用定義好的模具曲面數(shù)據(jù)來預測覆蓋件在成形過程中的沖壓性能:開裂、起皺和變薄，還可預測滑痕和回彈效果。 1.4復合模 1.4.1 概述 在實際生產(chǎn)中常常將幾個單工序沖壓過程集中與一套模具來完成，這種在一副模具上、在沖床的一次行程中，在同一工位上完成兩種或兩種以上沖壓工序的模具稱為復合模。 復合模的特點有： 生產(chǎn)效率成倍提高。例如原來由兩副模具分別完成的落料，沖孔工序，若使用落料、沖孔復合模時，則可以由一副模具在一次沖壓行程中完成，生產(chǎn)效率提高了一倍。若原來由四副單工序模完成的落了、沖孔、拉深、切邊的沖壓工序，在采用了四合一復合模后，生產(chǎn)效率可提高四倍。而且還節(jié)省了人力、電力和工序間的搬運工作。 提高沖壓件的質量。在復合模具中幾道沖壓工序是在同一工位上完成的，無需重新定位，因此在完成幾道沖壓工序過程中沖壓件的定位基準不動，從而使沖壓工件的位置精度得到提高。例如當沖壓件的外緣與內孔的同心度要求較高時，采用復合模就較容易滿足要求。另外，對于那些尺寸較小的沖壓工件或形狀比較復雜而重新定位又比較困難的沖壓工件，采用復合模就可以避免重新定位的困難及在重新定位時產(chǎn)生的誤差。復合模的同心度誤差在以內。 對模具制造精度要求比較高。由于復合模要在一副模具中完成幾道沖壓工序，因此模具結構一般要比單工序模具復雜，而且個零部件在動作時要求相互不干涉、準確可靠。這就要求模具的制造應有比較高的精度。因此模具的制造成本也就提高了，制造周期相對延長，維修也不如單工序模簡單。 1.4.2 復合模的種類 按復合工序的性質分類，復合?？煞譃橐韵聨追N： 沖裁類復合模。 如落料、沖孔復合模，切斷、沖孔復合模等。 成形類復合模。如彎曲復合模，擠壓復合模等。 沖裁與成形復合模。如落料、拉深復合模，沖孔、翻邊復合模，拉深切邊復合模，落料、拉深、沖孔、翻邊復合模等。 1.4.3選擇復合模的原則 確定是否采用復合模要考慮以下幾個方面： 生產(chǎn)批量。 復合?？梢猿杀兜靥岣呱a(chǎn)效率，生產(chǎn)批量越大，提高生產(chǎn)效率就越顯得重要。因此，在大批量生產(chǎn)時更適合使用復合模。在單間小批量生產(chǎn)中應采用單工序模，這樣由于模具結喉簡單，幾個單工序?？赡鼙纫惶讖秃夏５某杀具€低。 沖壓工件的精度。 當沖壓工件的尺寸精度或同軸度、對稱度等位置精度要求比較高時，應考慮采用復合模具，對于形狀比較復雜，重新定位可能產(chǎn)生比較大加工誤差的沖壓工件，也可采用復合模。 復合工序的數(shù)量。 一般復合模的復合工序數(shù)量在四工序以下，更多的工序將導致模具結構過于復雜，同時模具的強度、剛度、可靠性、也將隨之下降，制造及維修更加困難。 在分析沖壓工件的特點，確定是否采用復合模時，可參照以上原則及表1-1、表1-2綜合進行考慮。 表1-1 沖壓生產(chǎn)批量與合理模具形式 批量 項目 單件 小批 中批 大批 大量 大件 <1 12 220 20300 >300 中件 <1 15 550 501000 >1000 小件 <1 110 10100 1005000 >5000 模具形式 簡單模單工序模 單工序模 級進模，復合模，單工序模 級進模，復合模 級進模，復合模 設備形式 通用壓機 通用壓機 高速壓機，自動和半自動通用壓機 機械化高速壓機，自動機 專用壓機與自動機 表1-2 單工序模、級進模和復合模的比較 比較項目 單工序 級進模 復合模 工件尺寸精度 比較低 一般，IT11級以下 比較高，IT9以下 工件形位公差 工件不平整，同軸度、對稱度及位置度誤差大 不太平整，有時要校平，同軸度、對稱度及位置度誤差比較大 工件平整，同軸度、對稱度及位置度誤差小 沖壓生產(chǎn)率 低，沖床一次行程內只能 完成一個工序 高，沖床一次行程 內能完成多個工序 比較高，沖床一次行程內可完成兩個以上工序 實現(xiàn)錯做機械化、自動化的可能性 比較容易，尤其適合多工位 沖床上實現(xiàn)自動化 容易，尤其適合與單機上實現(xiàn)自動化 難，工件與廢料排除比較復雜，只能在單機上實現(xiàn)部分機械化操作 對材料的要求 對條料寬度要求不嚴， 可用邊角料 對條料或帶料寬度要求嚴格 對條料要求不嚴，可用邊角料 生產(chǎn)安全性 安全性比較差 比較安全 安全性比較差 模具制造的難 易程度 比較易，結構簡單， 制造周期段，價格低 形狀簡單件，比用復合模制造難度低 形狀復雜件，比用級進模的制造難度低 應用 通用性好，適于中、小批量 生產(chǎn)和大型件的大量生產(chǎn) 通用性差，適與形狀簡單，尺寸不大，精度要求不高的大批量生產(chǎn) 通用性差，適與形狀復雜、尺寸不大、精度要求比較高的大批量生產(chǎn) 1.4.4 復合模的設計要點 復合模的設計從本質上講，與單工序模沒有什么區(qū)別，但根據(jù)實際經(jīng)驗，在設計復合模時需要注意以下幾個方面的問題 曲柄壓力機的許用壓力曲線與復合模壓力曲線的關系。 對于單工序加工來說，沖壓力曲線不能超過曲柄壓力機許用壓力曲線每否則設備將因超載而損壞。對復合模沖壓加工也應滿足這一要求。但對于復合模沖壓時所用壓力機的行程中有各個大比例的工作行程，這樣就容易造成超載。尤其是對落料、拉深復合模，落料在先，拉深在后，落料力一般比較大，拉深力比較小，而設備壓力曲線的變化趨勢則相反，所用極易產(chǎn)生超載，因此在選擇設備時要特別注意。 復合模中凹凸模的設計。在復合模中最具有特點的模具零件就是凹凸模。由于凹凸模的壁厚從強度上要求不能過薄，否則模具壽命太短。因此凹凸模的壁厚在設計時必須進行校核，使之大于最小壁厚值。而最小壁厚值現(xiàn)在一般是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)而定。并且，當凹凸模裝與上模時（該結構稱為正裝復合模），內孔不積存廢料，凹凸模受到的脹力小，此時最小壁厚可小些。當凹凸模裝與下模時（該結構稱為倒裝復合模），凹凸模孔口中積存有廢料，孔口受脹力大，此時最小壁厚要大些。其值見表1-3。 表1-3 凹凸模最小壁厚 (mm) 料厚 0．4 0．5 0．6 0．7 0．8 0．9 1．0 1．2 1．5 1．75 最小壁厚 1．4 1．6 1．8 2．0 2．3 2．5 2．7 3．2 3．6 4．0 最小直徑 15 18 21 復合模中的卸料、推件裝置。 在復合模中由于有較多的動作要在沖床的一次形成中完成，為簡化模具結構，通常將一些輔助動作，如卸料及推件動作，采用彈性裝置來完成。同時彈性裝置也可使沖壓工件在整個沖壓加工過程中始終受到壓力，而使沖壓工件的平整度更好。 復合模選用的模架。 由于復合模的精度比較高，因此復合模的模架也應選用精度比較高的模架。滾珠式模架相對于滑動式模架具有導向精度高，壽命長的優(yōu)點，因此長選用滾珠式模架。模架中的模座也常選用鋼板模座，一代替普通的鑄鐵模座，因為鋼質模座強度更高，加工工藝性好。對要求精度比較高的符合模，可采用球面浮動模柄，以減小沖壓設備或模具安裝時的誤差對模具的不利影響。應當注意的是，當采用浮動式模柄時，導柱不能離開導套，否則可能產(chǎn)生嚴重的機床和人身事故。 復合模工作部分零件的材料選用。 復合模的工作部分零件應選用加工性比較好的材質。耐磨性好、淬透性高、熱處理變形小的材料，是復合模工作部分零件的理想材料。 1.5沖壓加工的經(jīng)濟性 所謂經(jīng)濟性，就是以最小的耗費取得最大的經(jīng)濟效果。也就是生產(chǎn)中的“最小最大”原則。在沖壓生產(chǎn)中，保證產(chǎn)品質量，完成產(chǎn)品數(shù)量、品種計劃的前提下，產(chǎn)品成本越低，說明企業(yè)經(jīng)濟效果越大。 1.5.1沖壓件的制造成本 沖壓件的制造成本為：C總=C材+C工+C模 式中C總——制造成本； C材——材料費，包括原材料、外購件費； C工——加工費，包括工人工資、設備折舊費、車間經(jīng)費； C?！＞哔M。 產(chǎn)品成本受產(chǎn)量的影響較大，特別是沖壓生產(chǎn)尤為突出。產(chǎn)品成本分為固定費用和變動費用兩部分。固定費用是指在一定時期和一定產(chǎn)量范圍內，它的總額不隨產(chǎn)量的變動而變化，它是維持生產(chǎn)能力而基本不變的費用。變動費用是指它的總額隨產(chǎn)量的增減而成比例的增減。 1.5.2降低成本的措施 降低產(chǎn)品成本，包括增產(chǎn)、節(jié)約兩方面。增產(chǎn)可減低產(chǎn)品成本中的固定費用，相對地減少消耗，節(jié)約便能，直接降低消耗，它們都是降低成本的重要途徑。沖壓件的成本包括材料費用、加工費、模具費等。因此，降低成本就是要降低以上各項費用。 降低成本的措施有： 1） 試制和小批量沖壓生產(chǎn)中，降低成本中的固定費能取得較好的經(jīng)濟效果，其中降低模具費上降低成本的有措施。 2） 沖壓生產(chǎn)中，工藝合理化是降低成本的有力手段，一般在制定新產(chǎn)品工藝時進行。由于工藝的合理化能降低模具費、節(jié)約加工工時、降低材料費等，所以必然降低零件總成本。 3） 產(chǎn)量較大時，采用多件同時沖壓，可使模具費、材料費、和加工費降低，同時有利于成形表面拉力均勻化。 4） 自動化生產(chǎn)，從安全和降低成本兩個方面來看，將成為沖壓加工的發(fā)展方向。 5） 提高材料利用率是降低沖壓件制造成本的重要措施之一。 2 沖壓件工藝性分析 2.1制件的工藝分析 本制件為圓柱形零件，工程圖如圖2.1所示，由圓角及直邊和底面型孔三部分組成。從技術要求和使用條件來看， 零件具的精度要求不是很高。 在拉深加工成形時，其圓角部分相當于圓筒型件得拉深，而直邊部分相當于簡單得彎曲變形。但是這兩者之間是相互關聯(lián)而不是相互分開的。因此，在拉深這類零件時，它們之間是相互影響的，這給拉深工藝帶來復雜性。 根據(jù)沖壓件的成形特點，該外殼零件的沖壓生產(chǎn)要用到的沖壓加工基本工序有：落料，拉深（可能多次），沖孔，切邊等。 圖2-1 零件圖 2.2拉深次數(shù) 圓形零件的拉深次數(shù)主要與它的相對高度H/d和相對厚度t/D有關。其相對高度計算值小于或等于許用數(shù)值時，可一次拉深成形，否則須采用多次拉深成形，其拉深次數(shù)可根據(jù) 對于本制件，其相對高度 H/d＝23/40=0.575 相對厚度： (t/D)×100＝(0.6/82.1)×100＝0.731 相對直徑: =1.2 由以上數(shù)據(jù)查表4－21【1】可得該制件的拉深次數(shù)n＝1，本制件屬于淺圓柱形零件。 對于一次拉深即能成形的圓柱形件，其凸模工作部分的形狀尺寸應該取未等于圓柱形件的形狀和尺寸。而凹模工作部分的尺寸和形狀，基本上與圓筒形件選擇原則相似，即 R凹＝（4～10）t 式中 R凹——凹模圓角半徑（mm） t——板料厚度（mm） 本設計中R凹＝8.8﹥10t，滿足工藝性要求。R凹=4(mm) 36 南昌航空大學科技學院畢業(yè)設計論文 3 模具設計 3.1毛坯尺寸的確定 計算帶凸緣筒形拉深件的工序尺寸有兩個原則： 1） 對于窄凸緣拉身件，可在前幾次拉深中不留凸緣，先拉成圓桶件，而在以后的拉深中形成錐形的凸緣（由于愛錐形的壓邊圈下拉進的結果），最后將起校成平面。 2） 對于寬凸緣拉深件，則應在第一次拉深時，就拉成零件所需要的凸緣直徑，而在以后各次拉深中，凸緣直徑保持不變。 本工件毛坯材料選擇是不銹鋼，形狀是形狀簡單的帶凸緣的圓桶形拉深件，查表4-7[1]公式得零件尺寸 =77.1(mm) 在拉深過程中，常因材料機械性能的方向性，模具間隙不均勻，板厚變化，摩擦阻力不等及定位不準等影響，而使拉深件口部或凸緣周邊不齊，必須進行修邊，故在計算毛坯尺寸時應按加上修邊余量后的零件尺寸進行展開計算。因為此零件是帶凸緣圓桶形拉深件，=1.2所以查表4-5[1]得修邊余量=2.5 所以毛坯尺寸為 =82.1(mm) 3.2工藝方案的選擇 3.2.1模具的結構形式 冷沖模的結構形式多種多樣，如果按工序的組合分類，可分為單工序模、級進模、復合模等。各種沖模的構成大體相同，主要由工作零件、定位零件、卸料與推料零件、導向零件、聯(lián)接與固定零件等組成。 由于本制件結構簡單，精度要求不高，經(jīng)分析由落料、拉深、沖孔三道工序組成。如果使用單工序模則會使制造周期增長，不利于提高生產(chǎn)率；經(jīng)分析可知： 材料：該沖裁件的材料A3鋼是普通碳素鋼，具有較好的可沖壓性能。 零件結構：該沖裁件結構簡單，比較適合沖裁。 零件精度：該零件精度要求不高IT13即可以了。 結論：適合沖裁。 該零件包括落料、沖孔和拉深三個基本工序，可以才用以下幾種工藝方案： 1）先落料，然后拉深再沖孔，最后切邊。采用單工序模生產(chǎn)。 2）落料拉深復合沖壓模具，再沖孔，最后切邊。采用復合模與單工序模相結合生產(chǎn)。 3）落料沖孔復合沖壓模具，再拉深，最后切邊。采用復合模與單工序模相結合生產(chǎn)。 4）先落料，然后沖孔，再拉深最后切變，采用單工序模生產(chǎn)。 分析和比較上述四種工藝方案可以看出：方案1）模具結構簡單，但需要三道工序，三套模具才能完成連件的加工，生產(chǎn)效率較低難以滿足零件批量生產(chǎn)的需求；方案3）模具雖然結構合理，采用了復合模具，但先沖孔在拉深就沒辦法保證底面型孔的精度要求，有可能會在拉深時造成孔的變形。方案4）和方案1）一樣也是模具結構簡單，但需要的工序太多生產(chǎn)效率太低。由于零件結構簡單，為提高生產(chǎn)效率，該制件也不適合級進模。故采用在壓力機一次行程內，完成落料、拉深兩道工序的復合模。 因此，本制件在技術和經(jīng)濟上都較為合理的工藝方案為復合模沖壓。由于零件底面有4個孔，要保證孔的加工精度和公差要求，最后選定用方案（2）進行生產(chǎn)。 3.2.2沖裁力 理論沖裁力（N）可按下式計算： F0=Lt 式中 L――沖裁件周長（mm）； t――材料厚度； ――材料抗剪強度（Mpa）。 選擇設備噸位時，考慮刃口磨損和材料厚度及力學性能波動等因素，實際沖裁力可能增大，所以應取 F=1.3F0=1.3LtLtb 式中 F――最大可能沖裁力（稱沖裁力）； b――材料抗拉強度（Mpa）。 本制件中，F(xiàn)Ltb=＝68057.616(N) 3.2.3卸料力、推件力和頂件力 1)卸料力： F卸＝K卸F 式中 F卸－－卸料力（N）； K卸――卸料系數(shù)； F――沖裁力（N）。 查表2-20[16]得 K卸＝0.45 所以 F卸=0.45=30625.927 (N) 2）頂件力： F頂＝K頂F 式中 F頂－－頂件力（N）； K頂――頂件系數(shù)（N）； F――沖裁力（N）。 查表2-20[16] 得 K頂＝0.050 所以F頂=0.050=3402.881（N） 3）推件力： F推＝K推F 式中 F推－－推件力（N）； K推――推件系數(shù)（N）； F――沖裁力（N）。 查表2-21[16]得 K推＝0.06 所以F推＝0.06＝4083.457（N） 3.3排樣 排樣是指工件在條料、帶料后板料上布置的方法。工件的合理布置（即材料的經(jīng)濟利用）與零件的形狀有密切關系。本零件排樣方式采用單排即可。查表2-18[1]，確實搭邊值： 兩工件間的搭邊：a=1(mm) 工件邊緣的搭邊：=1.2(mm) 步距為：83.1(mm) 條料寬度是：B==84.1(mm) 確定后排樣圖如圖所示。 圖3-1 排樣圖 3.4 壓邊力與拉深力 為防止在拉深過沖中，工件的邊壁后凸緣起皺，應使毛坯（或半成品）被拉入凸模周角以前，保持穩(wěn)定狀態(tài)，起穩(wěn)定程度主要取決與毛坯的相對厚度或以后個次拉深半成品的相對厚度。所以查表4-80[1]需采用壓邊圈。 3.4.1 壓邊力 壓邊力公式： FY=Ap 式中 FY－－壓邊力（N）； A－－壓邊圈面積（mm2）； p－－單位壓邊力（Mp）。 查表得 p＝2.5p/Mp ；A＝3406.437 mm2 所以FY=3406.4372.7=8516.092(N) 3.4.2 拉深力 在確定拉深件所需壓力機噸位時，必須先求得拉深力。由拉深力公式得： FL＝ ＝ ＝33987.36(N)` 3.5 模具壓力中心和閉合高度的確定 由于本件是對稱件，所以模具壓力中心在制件的幾何中心。如圖4.1所示。 3.6 壓力機的選擇 壓力機的噸位應當?shù)扔诨虼笥跊_壓時的總力。 F壓F總 式中 F壓－－所選壓力機的噸位； F總－－沖壓時的總力。 圖3圖3-2 壓力中心 F總＝33987.36＋68057.616 ＝104044.976（N） 由于本模具中有打料桿，故選擇帶有打料桿的壓力機。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，查冷沖模具設計手冊選定壓力機為： 壓力機型號: J11-16 公稱壓力/KN: 160 滑塊行程/mm 70 滑塊行程次數(shù)/： 120 最大閉合高度/mm： 225 閉合高度調節(jié)量/mm： 45 滑塊中心線到床身距離/mm: 160 墊板尺寸/mm 50 3.7 模具主要零部件的設計 凸凹模刃口尺寸計算原則: (1)落料時，落料件的外徑尺寸等于凹模的內徑尺寸;沖孔時，沖孔件的內徑等于凸模的外徑尺寸。所以落料時應以凹模為設計尺寸，然后按間隙值確定凸模尺寸;沖孔模應以凸模為設計基準，然后按間隙值確定尺寸。 (2)凸、凹模應考慮磨損規(guī)律。凸模刃口尺寸磨損使沖孔尺寸減小，凹模刃口尺寸磨損使落料尺寸增大，故設計落料模時，制造模具時凹模刃口尺寸應趨向于工件的最小極限尺寸;設計沖孔模時，其刃口基本尺寸應趨向于工件的最大極限尺寸。 (3)凸、凹模之間應保證合理的間隙值.由于間隙在模具磨損后增大，所以在設計凸、凹模時均取最小合理間隙Zmin 。一般沖模精度較工件精度高2～3級。若零件沒有標準公差，則對于非園件按GB非配合尺寸的IT14級處理，圓形件一般按IT10級處理。 3.7.1 落料凹模的結構設計 1)落料間隙的確定 普通落料其經(jīng)濟精度為IT12～IT14，取IT14。確定沖裁間隙主要有理論法和經(jīng)驗公式法。經(jīng)驗公式: C=mt 式中 C－－合理沖裁間隙(mm); m－－系數(shù)，與板厚及材料有關; t－－板料厚度. 查表得: m=25% 所以： C=mt=25%0.6=0.15(mm) 沖孔凹模應以凸模為設計基準，然后按間隙值確定其尺寸. 2)落料凸模刃口尺寸計算 模具刃口尺寸及其公差的計算與加工方法有關，基本上可以分為兩類：一種是分開加工，一種是配合加工。 本模具零件采用配合加工的方法。配合加工就是用凸模與凹模相互單配的方法來保證合理間隙。加工后，凸模與凹模必須對號入座，不能互換。一般情況下，落料件以凹模為基準，沖孔件以凸模為基準。作為基準的模具零件圖紙上標注尺寸及公差，在相配合的非基準的模具零件圖紙上標注相同的基本尺寸，但不標注公差，在技術要求中要說明非基準的模具零件要按作為基準的模具零件的實際尺寸配做，保證間隙在Zmin～Zmax范圍內。 落料凹模刃口尺寸計算公式： D凹=（D-x） 查表2-34[1]得凸凹模的制造偏差0.115（mm） 查表2-29[1] 得凸凹模的極限偏差=0.008 查表2-30[1]得：x=0.5 B凸=（82.1-0.5×0.39） =81.92 凸模刃口尺寸按凹模實際尺寸配做，保證雙面間隙值在0.36～0.48之間。 3)承壓應力校核 沖裁時，凸模承受的壓應力p ，必須小于凸模材料強度允許的壓應力[p]: p =[p ] 對于圓形凸模，由上式可得 即 dmin 式中 p —— 凸模承受的壓應力（Mp）； F —— 沖裁力； A—— 凸模最小截面積； [p ] ——凸模材料的許用壓應力（Mp）； d ——凸模最小直徑（mm）； t ——毛坯厚度（mm）； ——毛坯材料的抗剪強度（Mp）。 對于本凸模帶入數(shù)值得： dmin ＝3.2mm d＝82.13.2 本制件滿足應力校核的條件。 3.7.2 沖孔凸模的結構設計 如圖4.2所示沖底面中心孔凸模的結構（材料為T10A）： 圖3-2沖孔凸模 1)沖裁間隙的確定 普通沖裁件，其經(jīng)濟精度為IT12～IT14，取IT13.沖孔比落料高一個等級。確定沖裁間隙主要有理論法和經(jīng)驗公式法。查表2-24[1] 得 =0.36(mm) =0.48(mm) 沖孔凹模應以凸模為設計基準，然后按間隙值確定其尺寸. 2)沖孔凸模刃口尺寸計算 此零件底面有兩種孔要沖出來，一個是底面中心處的中心圓孔，另外就是排在中心孔周圍的三個非規(guī)則的孔。對于底面的中心圓孔，本模具零件采用配合加工的方法。沖孔凸模刃口尺寸計算公式： d凸=（d+x）-0凸 查表4—6[16]得凸凹模的制造偏差0.021; 查表2-29得圓形凹凸模具的極限偏差=0.005; 查表4—16[16]得： x=0.5 d凸=（22-0.5×0.13）0-0.005 =21.350-0.003 凹模刃口尺寸按凸模實際尺寸配做，保證雙面間隙值在0.36～0.48之間。 對于那三個非規(guī)則的型孔，本模具也采用配合加工的方法。凹凸模的尺寸計算，沖孔見按凸模磨損都尺寸變?。ˋ類尺寸），變大（B類尺寸），不變（C類尺寸）的規(guī)律分為三種，計算公式查表2-32得沖孔凸模刃口尺寸計算公式： A=（A+X） B=（B-X） A1=（9+0.50.13）=9.065 A2=（4.7+0.50.13）=5.036 B=(7.5-0.50.13)=7.435 3)承壓應力校核 沖裁時，凸模承受的壓應力p ，必須小于凸模材料強度允許的壓應力[p]: p =[p ] 對于圓形凸模，由上式可得 即 dmin 式中 p —— 凸模承受的壓應力（Mp）； F —— 沖裁力； A—— 凸模最小截面積； [p ] ——凸模材料的許用壓應力（Mp）； d ——凸模最小直徑（mm）； t ——毛坯厚度（mm）； ——毛坯材料的抗剪強度（Mp）。 對于本凸模帶入數(shù)值得： dmin ＝3.2mm d＝223.2 本制件滿足應力校核的條件。 3.7.3凸凹模的結構設計 凹凸模厚度:從強度考慮，壁厚受最小值限制。凸凹模的最小壁厚受模具結構的影響。由于本模具結構采用倒裝式，內孔會積存廢料，所以最小壁厚要大些。倒裝式復合模的凸凹模最小壁厚:對于黑金屬和硬材料約為壁厚的1.5倍，但不小于0.7mm。 查表2-39得c=32(mm);h=22(mm) 由以上數(shù)據(jù)可知:本凸凹模符合要求。 由以上數(shù)據(jù)可知:本凸凹模符合要求。 圖3-3凸凹模 3.8模具標準件的選擇 3.8.1 模架的選擇 根據(jù)合模具閉合高度H=262mm。選定模架為中間導柱模架，查模具標準手冊得: 上模架如圖4.4所示。 下模架如圖4.5所示。 圖3-4上模架 圖3-5下模架 3.8.2擋料銷 擋料銷用于限定條料送進距離、擋住條料的搭邊或工件輪廓，起定位作用。擋料銷有固定擋料銷和活動擋料銷兩類。 固定擋料銷分圓形與鉤形兩種，一般裝在凹模上。圓形擋料銷結構簡單，制造容易，但銷孔離凹模刃口較近，會削弱凹模的強度。鉤形擋料銷遠離凹模刃口，不會削弱凹模強度。為防止形狀不對稱的鉤頭轉動，需要加定向銷，因此增加了制造的工作量。綜合以上兩種擋料銷選用固定擋料銷。 查表10-60，選用如下圖所示的A型固定擋料銷 圖3-6擋料銷 3.8.3卸料裝置 卸料裝置的型式較多，它包括固定卸料板、活動卸料板、彈壓卸料板和廢料切刀等幾種。卸料板除把材料從凸模上卸下外，有時也起壓料或為凸模導向的作用。因此，在大批量生產(chǎn)用的模具上，要用淬硬得的卸料板。固定卸料板適用于沖制材料厚度大于和等于0.8mm的帶料或條料。彈壓卸料板主要用于沖制薄件和要求平整的沖件。此卸料板常用于復合沖裁模。其彈力來源于彈簧或橡皮。 本模具采用橡皮作為彈性裝置，選用橡皮有以下幾種原則 （1）為保證橡皮不至過早失去彈性而損壞，起允許最大壓縮量不應超過起自由高度45%，一般取=（0.350.45），橡皮的預壓縮量一般取起自由高低的1015%。 (2)橡皮所產(chǎn)生的壓力 F=AP 式中F------壓力， A------橡皮橫截面積， P------與橡皮壓縮量有關的單位壓力。 (3)對橡皮高度與知覺之比按下式進行核算: 式中D------橡皮直徑。 如果用適當將橡皮分成若干塊，在其墊以鋼墊圈。 3.8.4推件裝置 推件裝置有剛性和彈性兩種。彈性推件器一般裝于模座下面，與下模板相連。這種裝置除有推出工件的作用外，還能壓平工件，還可以用于卸料和緩沖。剛性推件器一般置于上模，推件力大且可靠，其推件力通過打桿→推板→推桿→推塊傳至工件。 推桿常選用3～4個且分布均勻、長短一致。推桿裝載上模板的孔內，為保證凸模支承剛度和強度，放推桿的孔不能全挖空，推板的形狀要按被拆下的工件形狀來設計。 3.8.5導向零件設計與標準 導向零件可保證模具沖壓時，上、下模有一精確的位置關系。在中、小型模具中廣泛采用的導向零件是導柱和導套。 導柱（導套）常用兩個。對中型沖?；驔_制精度要求高的自動化沖模，則采用四個導柱。在安裝圓形沖件等一類無方向性的沖模時，為避免裝錯，將對角模架和中間模架上的兩個導柱，做成直徑不等的型式；四導柱的模架，可做成前后導柱的間距不同的模座。對可能產(chǎn)生側向推力時，要設置止推塊，使導柱不受彎曲力。 一般導柱安裝在下模座，導套安裝在上模座，分別采用過盈配合。高速沖裁、精密沖裁或硬質合金沖裁模具，要求采用滾珠導向結構。 查表10-39，本模具選用A型導柱 3.8.6模柄的選用 中、小型沖模通過模柄將上模板固定在壓力機的滑塊上。常用的模柄形式如下。 (1）壓入式模柄 它與上模座孔采用H7/s6的過渡配合，并加銷釘防轉。如圖4.6所示。 (2）旋入式模柄 通過螺紋與模座聯(lián)接，用螺釘防松，裝卸方便，多用于有導模的沖模。 (3）凸緣模柄 用3～4個螺釘固定在上模座的窩孔內，多用于較大型的模具上。 (4）浮動模柄 通過凹球面模柄與凸球面墊塊聯(lián)接，裝入壓力機滑塊后，允許模柄與模柄軸心線之間的偏離，可減少滑塊誤差對模具導向精度的影響。 查表10-49，本模具采用比較常見的B型凸緣式模柄。 圖3-7模柄 3.8.7凸模固定板與墊板 凸模固定板將凸模固定在模座上，其平面輪廓尺寸除應保證凸模安裝孔外， 還要考慮螺釘與銷釘孔的位置。其型式有圓形和矩形兩種。厚度一般取凹模厚度的0.6～0.8倍。 墊板的作用是直接承受和擴散凸模傳遞的壓力，以降低模座所受的單位壓力，保證模座以免被凸模端面壓陷。 3.8.8壓縮橡皮的選用 橡膠能承受的負荷比彈簧大，且安裝調整方便，價格不貴，是模具中廣泛使用的彈性元件。橡膠所能產(chǎn)生的壓力： F=AP 式中 F——橡膠所能產(chǎn)生的壓力(N)； A——橡膠的橫截面積(mm2)； P——與橡膠壓縮量有關的單位壓力(MPa)，可由下表查出，這里選取壓縮量為20%時的p=0.7MPa。 表3-1 橡膠壓縮量與單位壓力值 壓縮量(%) 10 15 20 25 30 35 單位壓力/MPa 0.26 0.5 0.74 1.06 1.52 2.10 為了保證橡膠的正常使用，不至于過早損壞，應控制其最大的壓縮量S總為自由高度H自由的35%～45%。而橡膠的預壓縮量S預，一般取H自由的10%～15%。則橡膠的工作行程為： S工作=S總 - S預 =(0.25～0.3) H自由 所以橡膠的自由高度為： 式中 S工作——卸料板或推件塊、壓邊圈等的工作行程與模具修磨量或調整量(4～6mm)之和再加1。 橡膠的高度H與直徑D之比必須下式的范圍內。 如果超過1.5，應將橡膠分成若干段，在其間加鋼墊圈，并使每段橡膠的H/D值仍在上述范圍內。 橡膠所能產(chǎn)生的工作壓力，由于缺乏橡膠的性能資料，很少作詳細計算。所以橡膠斷面面積的確定，一般是憑經(jīng)驗估計，并根據(jù)模具空間的大小進行合理布置。同時，在橡膠裝上模具后，周圍要留有足夠的空隙位置，以允許橡膠壓縮是斷面尺寸的脹大。 選用橡膠的計算步驟如下： 1) 根據(jù)工作行程S工作計算橡膠的自由高度 H自由=(3.5～4)S工作 本套模具中，工作形成S工作為40mm，取H自由=3.5 S工作=140mm。 2) 根據(jù)H自由計算橡膠的裝配高度H H=(0.85～0.9) H自由 這里取H=0.85 H自由=0.85×140mm = 119mm。 根據(jù)《沖壓手冊》選擇圓柱形橡膠，如圖5-2所示，d按結構選用， 圖3-8橡膠 計算得：D=110mm。 3) 校核橡膠高度與直徑比 表明橡膠滿足要求。 3.9拉深模結構設計 3.9.1凸、凹模間隙 拉深模得間隙z/2(單面)一般比毛坯略大些，其值按下式計算: 單面間隙 z/2=tmax+ct 式中 tmax——板料得最大厚度， tmax=t+; ——板料得正偏差; c ——間隙系數(shù). 查表4-37[1]得: c=0.2 =0.20 故有，單面間隙: z/2=0.6+0.20+0.20.6 =0.92(mm) 3.9.2凸、凹模制造公差 凸、凹模的制造公差可根據(jù)工件公差確定，若拉深件公差為IT12級以上，則凸、凹模制造公差采用IT8、IT9級精度;若為IT14以下時，則凸、凹模制造公差采用IT10級精度。若采用配合時，只在凸?；虬寄Ｉ蠘俗⒐睿硗庖粋€按間隙配作。本制件為IT11。 對于凸、凹模的制造公差，根據(jù)工件的材料的厚度與工件直徑來選定，其數(shù)值查表4-76[1]得: =0.04 =0.03 =0.22 凸模尺寸Dd公式: =(D-0.75-2c)=(41-0.750.22-20.92)=38.995 工件在拉深時，由于空氣壓力的作用或者潤滑油的粘性等因素，使工件很容易粘貼附在凸模上。為使工件不至于緊貼在凸模上，設計凸模時，應有通氣孔。 圖3-9拉深凸模 4 DYNAFORM仿真驗證 通過dynaformd的紡真驗證，本設計設計出來的模具在制造工件時，工件的凸緣圓角處有稍微的起皺，對于這種情況解決方法是在本模具的拉深凸模上涂些潤滑油、潤滑脂。 結論 本次設計將近歷時一個學期，我學習了幾乎所有的與模具相關的知識，并翻閱了大量相關的資料，在這個學期里我從一個從沒接觸過模具的門外漢到現(xiàn)在也可以說得上是對模具有了初步的理解，這對我將來出去工作是很有用處的。這次設計是實踐與理論相結合的一次鍛煉，為以后走上工作崗位的奠定了堅實的基礎，在設計前期，首先對將要用到的知識進行一次系統(tǒng)的學習，使自己對設計過程有一個大概的方案，在設計過程中我從相關資料中學習大量的相關理論知識，確定了設計方案，明確了自己的設計思路，使得自己在設計過程中少走了不少彎路。所以這次的畢業(yè)設計是對我在學校學習的一個完善。 在這畢業(yè)前的一次鍛煉，使我的知識得到了擴充，開拓了創(chuàng)造思維能力，對-以后的工作充滿的信心，也是我從這次的設計中發(fā)現(xiàn)了自己欠缺的一面，使我在今后的工作中能彌補、完善。 參考文獻 [1] 姜奎華主編. 沖壓工藝與模具設計. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.6 [2] 解汝升. 沖壓模具設計與制造技術. 北京：中國標準出版社，1997 [3] 許發(fā)樾主編. 實用模具設計與制造手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，2001.2 [4] 廖念釗等主編. 互換性與技術測量. 北京：中國計量出版社，2011.2·第5版 [5] Wilson，F(xiàn).W.Die design handbook MaGraw Hill 1990.6 鳴謝 衷心感謝羅海泉老師的精心教導，羅老師的教導令我受益終生。 在本次畢業(yè)設計中，我從羅老師身上學到了很多東西。羅老師認真負責的工作態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神和深厚的理論水平都使我受益匪淺。無論在理論上還是在實踐中，都給予我很大的幫助，使我得到不少的提高.這對我以后的工作和學習都是一種巨大的幫助。 同時也感謝有關老師和同學的熱心幫助。 在此向各位老師和同學致謝。