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沖壓模具設計中側(cè)壁起皺的分析 F.-k. Chen and Y.-C. Liao 臺灣 臺北市國立臺灣大學機械工程部門 在沖壓過程中，起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側(cè)壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當發(fā)生起皺時，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過有限元模擬方法被檢查到。模擬結(jié)果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實際部分。在側(cè)壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因為介于沖頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的。為減少起皺，一個最適宜的沖模設計方法就是利用有限元分析法。在無起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實測結(jié)果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實了利用有限元分析法去設計沖模的優(yōu)勢。 關鍵詞：側(cè)壁起皺；沖模；階梯的矩形杯子；帶有錐度的主形杯子 1． 介紹 起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因，在產(chǎn)品中起皺往往不能被接受。在金屬板料成形過程中，有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生：邊緣起皺，側(cè)壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個復雜形狀零件的操作時，側(cè)壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側(cè)壁區(qū)域的金屬板料相對于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質(zhì)量，側(cè)壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯，在未被加固的側(cè)壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺，而且在實際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會通過裂痕導致失敗。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(jié)構(gòu)，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(cè)部力的彈性灣曲。Yu et al.從實驗性和分析性上研究起皺問題，通過理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個圓周波的起皺可能發(fā)生，然而，實驗結(jié)果顯示是四到六個。當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(cè)壁，在帶有錐度的杯子也相應的存在傾斜的側(cè)壁。在沖壓過程中，側(cè)壁上的金屬板料相對沒被支撐，因此，這個部位更容易起皺。在當前的研究中，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(gòu)造網(wǎng)眼。圖2顯示工具的完整布置的網(wǎng)眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對稱條件，方形杯子的四分之一被分析。在模擬中，板形壞料放在壓力機上，沖模向下移動，逆著壓力機夾緊板形壞料。然后沖模上升使得板形壞料按著模腔成形。 圖2 有限元網(wǎng)眼 為了表演一個精確的有限元分析法，金屬板料的真實應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(cè)壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對于沖壓一個錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。 3.1沖模間隙的影響 為了檢查沖模間隙對起皺的影響，在沖壓一個錐度方形杯子時，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應力應變曲線如圖3所示。 圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子 模擬結(jié)果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象，沖模間隙為50mm沖壓出來的杯子模擬形狀如圖4。從圖4中可以看出，起皺分布在側(cè)壁，側(cè)壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側(cè)壁有大面積區(qū)域不被支撐，同樣，由于沖模間隙不一樣，沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大，在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來越不牢固。在壓縮下，側(cè)壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來的產(chǎn)品，兩個主要的應變比率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(cè)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(cè)壁中心很少發(fā)生起皺。還說明了沖模間隙越大，β的實際值就越大。因此，增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側(cè)壁處發(fā)生起皺的可能性。 3.2沖壓力的影響 眾所周知，在沖壓過程中，增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響，沖模間隙為50mm與起皺是有關聯(lián)的，用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個力分別產(chǎn)生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分，剩下的模擬條件與給定的是一樣的。處于中間的300KN也被用來模擬。 模擬結(jié)果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側(cè)壁的起皺。在圖4中已標出沿著橫截面M-N的β值與沖壓力為100KN和600KN的β值作比較。模擬結(jié)果指出兩種情況下，沿著橫截面M-N的β值是一樣的。為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形狀，正如圖4和圖6標出的那樣，側(cè)壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出，兩個外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因為起皺的原因主要是由于在有橫向壓力存在的側(cè)壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。 圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值 4階梯矩形杯子 在沖壓一個階梯矩形杯子時，起皺發(fā)生在側(cè)壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側(cè)壁C沿臺階D-E而行。在近期的研究中，在一個實際的產(chǎn)品中檢查到了這種幾何形狀。這種產(chǎn)品使用的原材料的厚度是0.7mm，從拉力測試中獲得的應力應變關系如圖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(cè)壁處經(jīng)常發(fā)生起皺。從圖7中可以看出，皺紋發(fā)分布在側(cè)壁上，但是在階梯邊緣拐角處最為嚴重，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(cè)壁上，類似真實零件中的那樣。 圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側(cè)壁高度的橫截面線條 圖7 產(chǎn)品零件中的拉裂和起皺 圖8 產(chǎn)品拉裂和起皺的模擬形狀 如圖1（b）就像A-B邊緣半徑和沖孔拐角處A的半徑一樣，沖孔的半徑也很小，這被認為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實產(chǎn)品中通過增加半徑得到證實。 個別的嘗試也被用來消除起皺。第一，沖壓力加到原來的2倍。但是，就像在拉深帶有錐度的杯子中得到的結(jié)果一樣，沖壓力對消除起皺現(xiàn)象沒有起有很大的效果。通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結(jié)論。于是我們推測，這種起皺不能通過增加沖壓力來得到抑制。 由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域，往往會因為大量的金屬流動而起皺，一種通過在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡單方法被用來吸收多余的材料。為了多余的金屬能有效的被吸收，掛鉤應該平衡的加在起皺位置?；谶@種理念，兩個掛鉤被加在鄰近在壁上吸收多余的材料，如圖9如示。模擬結(jié)果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設計中是不允許的。 利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實的產(chǎn)品沖壓過程中是不可能的。對沖壓過程中金屬流動的精密監(jiān)測顯示板料最開始通過沖頭的力按模腔的形狀成形，直到板料接觸到如圖1（b）階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如 圖9 加到側(cè)壁的起皺 圖10顯示的那樣。這就為模具設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(cè)壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因為整個沖頭邊緣和整個階梯邊緣的不平坦引起的，不僅僅是沖頭拐角處和階梯拐角處之間的不平坦。為了證實這種說法，兩種改進過了的模具設計被用來實驗：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(jié)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(jié)果，有限元模擬分析法得到的沿橫截面G-H的厚度分布如圖14所示，這與產(chǎn)品的尺寸做了比較，比較的結(jié)果顯示在圖15。從圖15可以看出有限元模擬分析法得到的預想的厚度分布和產(chǎn)品得到的厚度分布是相符合的。這種吻合證實了有限元模擬分析法的效率。 圖14 無缺陷產(chǎn)品零件 圖15 G-H處模擬和測量厚度 5概要和結(jié)束語 通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺，而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。 第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側(cè)壁上，這種起皺的原因是因為沖模間隙過大（沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距）。當金屬被拉至模腔中，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(cè)壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設計過程中，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(jié)果和真實產(chǎn)品中看到的結(jié)果相吻合說明了有限元模擬分析法的準確性，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。 附件三： 紫瑯職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計任務書 系部名稱 機電工程系 專業(yè)班級 模具 3091 學生姓名 林威 指導教師姓名 程洋 設計題目 鑰匙毛坯沖壓模具設計 撰寫畢業(yè)論文的目的 撰寫畢業(yè)設計的目的是總結(jié)和檢驗學生在學校期間的學習成果，培養(yǎng)學生綜合運用所學的專業(yè)知識以及專業(yè)技能進行獨立分析和解決問題的能力，使學生受到科學研究的基本訓練，達到專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)目標的要求。通過撰寫畢業(yè)設計強化學生對專業(yè)理論知識和專業(yè)技能的理解和掌握,培養(yǎng)學生收集資料和調(diào)查研究的能力、培養(yǎng)學生進行專業(yè)理論分析及論證的能力。 撰寫畢業(yè)論文要求 1. 要求一定要有結(jié)合實際的對某具體課題進行有獨立見解的設計,并要求有一定的技術含量；. 2 . 設計應該在所規(guī)定的時限內(nèi)完成； 3. 書面材料、框架及字數(shù)應符合規(guī)定； 4. 學會查閱有關的技術資料和相關的規(guī)范； 5 .掌握相關規(guī)范的選擇和運用； 撰寫畢業(yè)論文進度安排 2011年11月中旬—12月上旬 依照任務書閱讀文獻，收集資料準備草案 2011年12月上旬—12月中旬 確定方案，編寫設計開題報告，并交老師審核 2011年12月中旬—2012年3月中旬 完成初稿，交老師審核。 2012年3月中旬—4月下旬 完成二稿，交老師審核 2012年4月下旬—5月下旬 定稿并提交畢業(yè)設計相關資料，準備答辯 2012年6月2日—6月3日 答辯 紫瑯職業(yè)技術學院 2012屆模具專業(yè)畢業(yè)設計開題報告 姓名 林威 系部 機電工程系 專業(yè) 模具設計與制造 班級 模具3091 題目 鑰匙毛坯沖壓模具設計 一、選題背景、目的及意義 背景：鑰匙是與我們每個人生活息息相關的工具。隨著社會不停發(fā)展，鑰匙也越具特色。由于學校組織的崗位實習是在工廠的模具房實習，恰巧又以沖壓模具居多，所以就了解熟悉了沖壓模。 目的:在畢業(yè)之前自己設計一副模具，以便檢驗自己三年所掌握的知識水平。 意義：鍛煉了自己的能力，也是為自己在大學所學的專業(yè)知識做總結(jié)。 二、主要內(nèi)容及提綱 摘 要 目 錄 1、沖壓模具的設計步驟 1.1分析沖壓件零件圖 1.2選擇卸料方案 1.3工藝方案的確定 2.1合理的排樣 2.2模具結(jié)構(gòu)設計與工作過程 3、工作零件的加工 3.1模具的主要部分及加工 3.4沖壓力計算及壓力機選擇 3.3組裝工藝要求 4.定位裝置的確定 4.3選擇模架及其他模架零件 致 謝 參考文獻 三、主要方法和措施 對鑰匙外形進行分析，采用倒裝復合模的加工工藝，通過合理的排樣與沖壓力的計算，進行了模具結(jié)構(gòu)設計以及注意問題。實踐證明，該模具沖出來的零件毛刺小，斷面平整光滑，生產(chǎn)率高，成本低，達到了預期目的。 四、主要參考文獻 （1） 《冷沖壓工藝與模具設計》 中國勞動社會保障出版社。2006 （2） 《冷沖模設計》中國勞動社會保障出版社。1998 （3） 《冷沖壓技術問答》 機械工業(yè)出版社。2004 （4） 《沖模設計編寫組》 機械工業(yè)出版社。2007 （5） 《冷沖壓技術》 機械工業(yè)出版社。2000 （6） 《沖壓模具設計與制造》 高等教育出版社。2002 五、畢業(yè)設計推進計劃 2011年11月中旬—12月上旬 依照任務書閱讀文獻，收集資料準備草案 2011年12月上旬—12月中旬 確定方案，編寫設計開題報告，并交老師審核 2011年12月中旬—2012年3月中旬 完成初稿，交老師審核。 2012年3月中旬—4月下旬 完成二稿，交老師審核 2012年4月下旬—5月下旬 定稿并提交畢業(yè)設計相關資料，準備答辯 2012年6月2日—6月3日 答辯 學生簽名： 2011 年12 月16 日 指導教師意見（對選題的有效性、研究方法的正確性、課題的廣度、深度的意見及開題是否通過）： 通過（ ） 修改后通過 （ ） 未通過 （ ） 指導教師簽名： 2011 年 12 月 16日 注：開題報告裝訂在畢業(yè)設計（論文）任務書后 開題是否通過請指導教師在括號內(nèi)打“ √” 紫瑯職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 題 目： 鑰匙毛坯沖壓模具設計 副 標 題： 學 生 姓 名： 林威 所在系、專業(yè)： 機電工程系,模具設計與制造 班 級： 模具3091 指 導 教 師： 程洋 日 期： 2012年5月29日 I 摘 要 摘 要 本文主要根據(jù)鑰匙的形狀及工藝特點，分析了工序集中的可能性，提出制造鑰匙外形的工藝方案，介紹了復合模的結(jié)構(gòu)及設計中應注意的問題。由于學校大部分的學生對鑰匙的需求量都很大，因此設計出一份合理的鑰匙外形模具很有現(xiàn)實意義 關鍵詞：間隙沖裁 沖孔落料 工藝分析 I 目 錄 目 錄 摘 要 I 目 錄 I 1、鑰匙模具分析 1 1.1分析零件圖 1 1.1.1分析模具的結(jié)構(gòu) 1 1.1.2制定沖壓方案 1 1.1.3設計工藝方案 1 1.2卸料方案的確定 1 1.2.1彈性卸料方式 1 1.2.2模具設計計算 2 1.2.3制作圖紙 2 1.3工藝方案的確定 2 1.3.1方案選擇 2 2、排樣 3 2.1合理的排樣 3 2.1.1排樣方式的確立 3 2.1.2 鑰匙零件圖 3 2.2模具結(jié)構(gòu)設計 4 2.2.1模具結(jié)構(gòu)設計 4 2.3 模具工作過程 4 3、工作零件的結(jié)構(gòu) 5 3.1模具的主要部分 5 3.2凹模結(jié)構(gòu) 5 3.3凸模結(jié)構(gòu) 7 3.4沖壓力計算及壓力機選擇 8 3.5凸凹模刃口尺寸計算方法 9 3.6模具工作過程 11 3.3組裝工藝要求 11 3.3.1選擇基準件 11 3.3.2組建裝配 11 3.3.3總體裝配 11 4.定位裝置的確定 12 4.1壓力中心計算 12 4.2裝配原則 12 4.3選擇模架及其他模架零件 12 4.3.1模架 12 4.3.2墊板 12 4.4試驗 12 致 謝 13 參考文獻 14 I 鑰匙毛坯沖壓模具設計 1、鑰匙模具分析 1.1分析零件圖 1.1.1分析模具的結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品零件圖是制定沖壓工藝方案和模具設計的重要依據(jù)，制定沖壓工藝要從分析產(chǎn)品的零件圖入手。分析零件圖包括技術性和經(jīng)濟性兩個方面： 1. 根據(jù)沖壓件的生產(chǎn)綱領，分析產(chǎn)品的成本，闡明采用沖壓生產(chǎn)可采取的經(jīng)濟效益。 2. 沖壓件的工藝性是指該零件沖壓加工的難易程度。在技術方面，主要分析該零件的形狀特點、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合沖壓工藝的特點。如果發(fā)現(xiàn)沖壓工藝性差，則需要對沖壓件產(chǎn)品提出修改意見 1.1.2制定沖壓方案 1．在分析了沖壓件的工藝性質(zhì)后，通常在對工序性質(zhì)、工序數(shù)目、工序順序及組合方式基礎上，制定幾種不同的沖壓工藝方案。 2．從產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、設備占用情況、模具制造的難易程度和使用壽命高低、工藝成本、操作方便和安全程度等方面進行綜合考慮，比較，最后確定經(jīng)濟合理的工藝方案。 1.1.3設計工藝方案 依據(jù)所確定的零件成形的總體方案，確定沖壓工序的工藝方案。沖壓工序的工藝方案的內(nèi)容如下： 1 確定完成本工序成形的加工方法； 2 確定本工序的主要工藝參數(shù)； 3 根據(jù)各沖壓工序的成形極限，進行必要的工藝設計； 4 確定各工序的成形力； 5 計算并確定每個工序的形狀和尺寸、繪出各工序圖。 1.2卸料方案的確定 1.2.1彈性卸料方式 為了將沖壓后卡篩在凸模上、凸凹模上的制件或廢料卸掉，將制件從凹模中推出來，以保證下次沖壓正常進行，設計模具時，必須正確選擇卸料方式和裝置。 對于沖裁料厚度在0.8mm-1.5mm下并且要求沖裁件比較平整的，可選用彈性卸料方式；卸料裝置設計的是否正確，直接影響工件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和操作安全程度 1.2.2模具設計計算 計算或估算模具各主要零件（凹模、凸模固定板、墊板、凸模、打料板）的外形尺寸，并確定標準模架以及卸料橡膠或彈簧的自由高度。 確定凸、凹模的間隙，計算凸、凹模工作部分尺寸 1.2.3制作圖紙 根據(jù)分析、計算及圖形繪制本產(chǎn)品的設計說明書。 本次設計一套沖孔、落料的模具。經(jīng)過查閱資料，首先要對零件進行工藝分析，經(jīng)過工藝分析和對比，采用沖孔落料工序，通過沖裁力、頂件力、卸料力等計算，確定壓力機的型號。再分析對沖壓件加工的模具適用類型選擇所需設計的模具。得出將設計的模具類型后將模具的各工作零部件設計過程表達出來。 1.3工藝方案的確定 1.3.1方案選擇 上述零件看該零件圖看，加工該零件的一般的方法即是采用先沖孔，后落料兩道工序內(nèi)容。但由于用級進模沖壓時，進料過程中零件中間有一個直徑4的孔,在模具中的位置不能保證，還對材料的寬度的要求較嚴格。 用倒裝復合模，即一次行程中在模具的同一部位可以同時完成幾道工序，減少了工序數(shù)量和模具數(shù)量，減少操作人員和設備占用量，減低生產(chǎn)成本。該種模具對板料定位精度要求比級進模低，沖模的輪廓尺寸較小，沖出的沖件平整度較高。適用于像鑰匙外形這樣形狀的零件而且沖出后尺寸精度和表面質(zhì)量都能滿足以上工序分析中的要求。經(jīng)過對該零件的工藝分析以及生產(chǎn)實踐，應選擇后者。 2、排樣 2.1合理的排樣 2.1.1排樣方式的確立 設計條料排樣圖,要考慮到材料的利用率及板料的纖維方向。因為零件的形狀為腰形，因此可采用有廢料排樣。 圖1排樣圖 .影響排樣形式的因素 (1)零件的形狀。零件的合理排樣與其形狀有密切關系，例如圓形零件不可能實現(xiàn)無廢料排樣。在使用條件許可時，也可改變零件形狀，以設計最佳排樣方式。 (2)零件的斷面質(zhì)量、精度要求。當零件的斷面質(zhì)量和尺寸精度要求較高且形狀較復雜時，應采用有廢料排樣形式。 (3)沖模結(jié)構(gòu)。有廢料排樣的沖模結(jié)構(gòu)比較復雜。少、無廢料排樣沖裁多用連續(xù)模、導板模，當零件孔與外形相對位置公差很小時，可用復合模。在無廢料沖裁中，多數(shù)凸模單面切割，受到很大的側(cè)向力，為此，凸模側(cè)面要有支撐結(jié)構(gòu)零件，如反側(cè)壓擋塊。 (4)模具壽命。有廢料排樣模具全部刃口參與沖裁，受力均勻，模壽命較高；少、無廢料排樣凸模單面切割，有時毛刺會被凸模帶入間隙，導致模具壽命較短。 (5)操作的方便與安全。有廢料排樣模具的零部件較為安全，操作方便、安全；少、無廢料排樣的模具結(jié)構(gòu)簡單，操作時往往欠方便與安全。 (6)生產(chǎn)率。有的少、無廢料排樣模具一次沖裁可獲得兩個以上的零件，有利于提高生產(chǎn)率。 2.1.2 鑰匙零件圖 材料的選擇 根據(jù)使用要求，如圖2所示，材料為1Cr18Ni9,（不銹剛）厚度為0.5㎜。零件成形后要求有精確的尺寸及較小的表面粗糙度值。 （2）沖孔工藝的確定，考慮到Φ4孔是起懸掛作用，因此對孔的精度與位置要求并不高，一般沖孔方案就可以滿足要求。因受凸模強度的限制,孔的尺寸不應太小.沖孔的最小尺寸取決于材料性能,凸模的強度和模具結(jié)構(gòu)等 圖2 零件圖 2.2模具結(jié)構(gòu)設計 2.2.1模具結(jié)構(gòu)設計 模具在設計制造過程中本生精度要比產(chǎn)品進度高。只有提高了模具精度才能近一步提高產(chǎn)品精度 零件質(zhì)量與模具結(jié)構(gòu)以及工作零件精度有關，合理的模具結(jié)構(gòu)是制造合格零件的關鍵之一。因此，根據(jù)具體的零件形狀、尺寸以及材料，必須要合理設計模具結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上工藝分析，設計了倒裝復合模，模具結(jié)構(gòu)如圖3所示 2.3 模具工作過程 模具的沖孔凸模和落料凹模裝在上模，凸凹模裝在下模上。所以由其結(jié)構(gòu)我們可以看出，該模具屬于倒裝式復合模。 如圖所示，該模具處于閉合位置。當沖模開始運行的時候，滑塊的移動會帶動其模柄向上運動，與模柄連接的上模座會與墊板、凸模固定板、凸模、凹模、推件塊等相關零件發(fā)生聯(lián)鎖的向上運動，自動送料裝置將條料送到模具的正確位置。模具中導料銷和擋料銷與加工條料相接觸，對條料起到固定和導向的作用，這樣可以確保其在沖壓時處于正確的位置且不發(fā)生位移。壓力機帶動滑塊向下運動，這時卸料板和凹模將毛坯固定壓緊，接著就開始沖裁。被沖下來的毛坯材料會被凸凹模壓在孔內(nèi)，而外部的毛坯材料則在凸凹模上被壓緊。然后，沖床滑塊開始它的回程運動。坯料會在彈簧的作用下，通過卸料板推出凸凹模，剩下工件則被留在了凹模的孔內(nèi)。當推桿接觸到?jīng)_床的打料橫梁后，會向下移動帶動推板，推板則會推動推銷向下運動，而推銷會推動推件塊向下運動，最終將工件從凹?？字许敵雎湎隆? 3、工作零件的結(jié)構(gòu) 3.1模具的主要部分 凸模和凹模分開加工 一般在制造的沖裁模批量較大時采用此種方法,在這種情況下,需要分別計算和標注凸模和凹模的尺寸和公差,落料時,間隙取在凸模上. 圖3模具圖 1.上模座2導柱3凹模4凸凹模5下模座6銷釘7凸模8銷釘9螺釘10凹模11導柱12固定板 3.2凹模結(jié)構(gòu) 圖4凹模及加工步驟 工序號 工序名稱 工序內(nèi)容 設備 1 備料 將毛坯鍛成 2 熱處理 退火 3 銑 銑六面,厚度留單邊磨量0.2~0.3mm 銑床 4 平磨 磨厚度到上限尺寸,磨側(cè)基面保證互相垂直 平面磨床 5 鉗工 劃各型孔,螺孔,銷孔位置劃漏孔輪廓線 6 鉗工 加工好凸模,配作沖孔凹模達要求 7 銑 銑漏料孔達要求 銑床 8 鉗工 鉆鉸6×φ10,鉆攻4XM12 鉆床 9 熱處理 淬火,回火,保證HRC60~62 10 平磨 磨厚度及基面達到要求 平面磨床 11 線切割 按圖切割各型孔,留0.005~0.01單邊研量 線切割機床 12 鉗工 研光各型孔達要求 13 檢驗 確定模板尺寸 1) 凹模的厚度： H=Kb 式中 b— 凹?？椎淖畲髮挾?(mm ) K― 系數(shù) H― 凹模厚度 通過差表 可得凹模厚度 通過凹模板的確定，可算出其他板的厚度 包括 下模座厚度 導向板厚度 凸模固定板厚度 墊板厚度 上模座厚度 2﹚可得模板尺寸及其它零件： 下模座 凹模板 導向板 凸模固定板 墊板 上模座 3)．選用標準螺釘： 凹模采用整體式凹模，為了制造方便各沖裁的凹?？拙梢圆捎镁€切割中走絲加工，也可以保證精度 3.3凸模結(jié)構(gòu) 圖5凸模 凸模材料為Cr12，加工時應先按圖紙要求加工臺階孔，應注意刃口部分先打φ4的小孔，然后進行熱處理達到要求，利用線切割加工刃口部分達到圖樣要求 3.4沖壓力計算及壓力機選擇 根據(jù)沖裁力計算公式為 模具采用彈性卸料裝置和推件結(jié)構(gòu)，根據(jù)所需卸料力和推件力 根據(jù)計算得出數(shù)據(jù),查表可知所需沖壓力,可選設備為開式壓力機J23—35 3.5凸凹模刃口尺寸計算方法 由于加工模具的方法不同，凸模與凹模刃口部分尺寸的計算公式與制造公差的標注也不同，刃口尺寸的計算方法可分為以下兩種情況：凹模與凸模分開加工，凸模和凹模配合加工，從此工件的結(jié)構(gòu)上分析，選擇凸模與凹模分開加工的制造方法：采用這種方法，凸模和凹模分別按圖紙加工至尺寸，要分別標注凸模和凹模的刃口尺寸及制造公差（凸模δp、凹模δd），適用于圓形或簡單形狀的制件。為了保證初始間隙值小于最大合理間隙2Cmax，必須滿足下列條件： 或取： 也就是說，新制造模具應該是，否則制造的模具部隙已超過允許變動范圍2Cmin～2Cmax,影響模具的使作壽命。 刃口尺寸及公差 由于材料較厚,模具間隙較小,模具的間隙由配作保證,工藝比較簡單,并且還可以放大基準件的制造公差,(一般可取沖件公差的1/4),使制造容易,因此采用配作加工為宜. 由落料尺寸得,凹模會變小,所以得以凹模為基準,配作凸模.刃口尺寸由沖孔尺寸得,凸模尺寸變小,所以以凸模為基準,配作凹模. 圖7模具結(jié)構(gòu)圖 注意: 在進行模具結(jié)構(gòu)及零件設計時，需首先根據(jù)條料排樣圖確定總體結(jié)構(gòu)，然后一次為基礎，詳細設計其中的組成零件。這一過程實際上就是自頂向下的設計過程。模具組成零件的形狀除受成形工藝形狀約束外，還受其在模具中所處的位置及其他零件的關系約束，只有總裝在結(jié)構(gòu)基礎上，才能獲得零件的相關約束，進行零件的設計。 為此，在利用CAD畫圖時，應采用自頂向下的設計模式，依次實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)及零件的設計。具體表述為：首先，根據(jù)條料排樣圖確定模具的總體框架結(jié)構(gòu)，從典型結(jié)構(gòu)庫中實體化一種導向結(jié)構(gòu)圖，然后直接在該總體結(jié)構(gòu)下，設計其他相關模具零件，以使零件設計和裝配設計相關聯(lián)。這樣，在設計某一零件時，其相關零件的形狀變化可被自動處理，從而保證設計結(jié)構(gòu)一致性。當零件設計完成后，可將裝配結(jié)構(gòu)中的每一零件輸出到相應的文件中，用來產(chǎn)生相應零件的裝配圖，并標注相關尺寸、技術要求等。 搭邊: 在進行模具結(jié)構(gòu)及零件設計時，需首先根據(jù)條料排樣圖確定總體結(jié)構(gòu)，然后一次為基礎，詳細設計其中的組成零件。這一過程實際上就是自頂向下的設計過程。模具組成零件的形狀除受成形工藝形狀約束外，還受其在模具中所處的位置及其他零件的關系約束，只有總裝在結(jié)構(gòu)基礎上，才能獲得零件的相關約束，進行零件的設計。 連接零件 此類零件包括螺釘、銷釘?shù)?，主要作用是?lián)接其它零部伯，使之共同完成工件的制造 3.6模具工作過程 如圖所示，該模具的沖孔凸模和落料凹模裝在上模，凸凹模裝在下模上。所以由其結(jié)構(gòu)我們可以看出，該模具屬于倒裝式復合模。 如圖所示，該模具處于閉合位置。當沖模開始運行的時候，滑塊的移動會帶動其模柄向上運動，與模柄連接的上模座會與墊板、凸模固定板、凸模、凹模、推件塊等相關零件發(fā)生聯(lián)鎖的向上運動，自動送料裝置將條料送到模具的正確位置。模具中導料銷和擋料銷與加工條料相接觸，對條料起到固定和導向的作用，這樣可以確保其在沖壓時處于正確的位置且不發(fā)生位移。壓力機帶動滑塊向下運動，這時卸料板和凹模將毛坯固定壓緊，接著就開始沖裁。被沖下來的毛坯材料會被凸凹模壓在孔內(nèi)，而外部的毛坯材料則在凸凹模上被壓緊。然后，沖床滑塊開始它的回程運動。坯料會在彈簧的作用下，通過卸料板推出凸凹模，剩下工件則被留在了凹模的孔內(nèi)。當推桿接觸到?jīng)_床的打料橫梁后，會向下移動帶動推板，推板則會推動推銷向下運動，而推銷會推動推件塊向下運動，最終將工件從凹?？字许敵雎湎隆? 3.3組裝工藝要求 3.3.1選擇基準件 選擇裝配基準件。 選擇基準件的原則是按照模具主要零件加工時的依賴關系來確定 3.3.2組建裝配 組件裝配。 組件裝配是指模具在總裝配前，將兩個以上的零件按照規(guī)定技術要求連接成一個組件的裝配工作 3.3.3總體裝配 總體裝配。 總裝是將零件和組件結(jié)合成一幅完整的模具過程。在總裝前，應選好裝配的基準件和安裝好上、下模的裝配順序。 在裝配模具時必須嚴格控制和調(diào)整凸、凹模間隙的均勻性。間隙調(diào)整后，才能緊固銷釘21A及螺釘。 檢驗、調(diào)試。 模具裝配完畢后，必須保證裝配精度，滿足規(guī)定的各項技術要求，檢驗模具各部分的功能。在實際生產(chǎn)條件下進行試模，當試模合格后，模具加工、裝配才算基本完成。 4.定位裝置的確定 因為板料厚度t=5mm,屬于較小厚度的板材,且制件尺寸不大,固采用側(cè)面兩個固定擋料銷定位導向,在送料方向由于受凸模和凹模的影響,為了不至于削弱模具的強度,在送給方向采用一個彈簧擋料裝置的活動擋料銷. 4.1壓力中心計算 此零件的外形為對稱件，中間的異形孔不是對稱的，但孔的尺寸很小，左右兩邊的圓弧各自的壓力中心和零件中心線的距離差距不大，所以該零件的壓力中心可近似認為就是零件外形中心線的交點 4.2裝配原則 裝配應以凹凸模作裝配基準件。先將裝有凹凸模的固定板用螺栓和銷釘安裝，固定在指定的相應位置上；再按凹凸模的內(nèi)形裝配和調(diào)整沖孔凸模固定板的相對位置，使沖孔凹凸模的間隙趨于均勻，用螺栓固定；然后再以凹凸模的外形為基準，裝配和調(diào)整落料凹模相對凹凸模的位置，調(diào)整間隙，用螺栓固定 4.3選擇模架及其他模架零件 4.3.1模架 根據(jù)GB/T 2851.5-90,由凹模周界200X160,及安裝要求,選取 凹模周界:LXB=250X200,閉合高度:H=220~265,上模座:250X200X50 下模座:250X200X60,導柱:32X210,35X210, 導套:32X115X48,35X115X48 4.3.2墊板 墊板的作用是承受并擴散凸模傳遞的壓力,以防止模座被擠壓損傷,因此在與模座接觸面之間加上一塊淬硬磨平的墊板.墊板的外形尺寸與凸模固定板相同,厚度可取3~10mm,這里設計時,由于壓力較大,根據(jù)GB2865.2-81選取規(guī)格為LXBXH=200X160X8. 4.4試驗 零件裝配完成以后，個別零件之間可能出現(xiàn)型號干涉的情況，需對裝配體進行干涉檢查；否則零件有可能無法安裝或正常工作。需對零件重新進行裝配或修改零件尺寸，直到消除干涉為止，表明各個零部件被正確安裝，可以正常工作 12 致 謝 致 謝 以上對鑰匙外形進行分析，采用倒裝復合模的加工工藝，通過合理的排樣與沖壓力的計算，進行了模具結(jié)構(gòu)設計以及注意問題。實踐證明，該模具沖出來的零件毛刺小，斷面平整光滑，生產(chǎn)率高，成本低，達到了預期目的。 三年的大學生活就快走入尾聲，我的校園生活即將就要劃上句號，心中是無盡的難舍與眷戀。從這里走出，對我的人生來說，將是踏上一個新的征程，要把所學的知識應用到實際工作中去。 回首三年，取得了很多成績，生活中有快樂也有艱辛。感謝老師們?nèi)陙韺ξ易巫尾痪氲慕陶d和無微不至關懷，使我在關心和愛護下度過難忘的三年大學生活。 最大收獲就是學會了做一次設計項目的具體流程。從策劃構(gòu)思、總體設計到各個模塊的的具體設計及其組合，再到編寫需要提交的論文，這一切如今仍歷歷在目。我想，這種對整體設計流程的把握應該是以后走上工作崗位所必需的技能，而這種技能卻只能通過自己的親身實踐才能獲得。這也是為什么我認為機械設計大作業(yè)這種教學實踐模式值得推廣的原因。 畢業(yè)設計是我在大學生涯完成的最后一項內(nèi)容,此時此刻，我感覺自己有很多想要說的話，有很多需要感謝的人。首先感謝指導老師程洋給予的支持與指導,以及但由于工作的原因和條件的限制,我在外面所做的畢業(yè)設計并不完善。自從回校之后,向老師們請教和指導,他們都在百忙之中給予了我悉心的指導和幫助。師生之情無法言表，在此，謹向恩師們深表謝意 13 參考文獻 參考文獻 u 圖書： （1） 《冷沖壓工藝與模具設計》 中國勞動社會保障出版社。2006 （2） 《冷沖模設計》中國勞動社會保障出版社。1998 （3） 《冷沖壓技術問答》 機械工業(yè)出版社。2004 （4） 《沖模設計編寫組》 機械工業(yè)出版社。2007 （5） 《冷沖壓技術》 機械工業(yè)出版社。2000 （6） 《沖壓模具設計與制造》 高等教育出版社。2002 15