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沖壓模具設(shè)計(jì)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(xué)機(jī)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(shí)。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(shí)，當(dāng)發(fā)生起皺時(shí)，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(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實(shí)際部分。在側(cè)壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因?yàn)榻橛跊_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(shè)計(jì)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(shí)測結(jié)果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實(shí)了利用有限元分析法去設(shè)計(jì)沖模的優(yōu)勢。 關(guān)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(fù)雜形狀零件的操作時(shí)，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(shí)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(dǎo)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(jì)算。對于沖壓一個復(fù)雜形狀的零件，當(dāng)起皺發(fā)生在中心區(qū)域時(shí)，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?yán)?，一塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示是四到六個。當(dāng)通過一個有錐度的模具畫出金屬板料時(shí)，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(guān)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(yùn)用使得分析包括在沖壓一個復(fù)雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(shí)，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(dāng)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(shè)計(jì)來減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測一個實(shí)際產(chǎn)品成形時(shí)，通過有限元分析法得到的模具設(shè)計(jì)方法得到證實(shí)。 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(xué)是用CAD或PRO/E軟件來設(shè)計(jì)的。同樣用CAD軟件，三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)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(rèn)為是剛硬的，而且對應(yīng)的網(wǎng)眼被用來定義工具幾何學(xué)而不是壓力分析。同樣CAD軟件使用四節(jié)點(diǎn)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(jī)上，沖模向下移動，逆著壓力機(jī)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(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當(dāng)前的研究中，拉深成形的金屬板料也被用來模擬。為在飛機(jī)上切割下的樣本測試被進(jìn)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(jìn)行著。平均的流動力σ，計(jì)算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因?yàn)槊恳粋€方法真實(shí)應(yīng)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(dāng)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(shè)置，沖頭的速度一般設(shè)置在10m/s，庫侖摩擦系數(shù)設(shè)置在0.1。 圖3 金屬板料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(guān)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(rèn)為是影響起皺的至關(guān)重要尺寸。在當(dāng)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(guān)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(shí)，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進(jìn)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)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(yīng)變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實(shí)際值比β的評論值大，假設(shè)當(dāng)起皺發(fā)生時(shí)，β的實(shí)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(biāo)記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴(yán)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(shí)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(guān)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(biāo)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(biāo)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(shí)，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因?yàn)槠鸢櫟脑蛑饕怯捎谠谟袡M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(shí)，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(shí)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(fù)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(shí)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(yán)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(jìn)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(shè)計(jì)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(shí)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(rèn)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(shí)產(chǎn)品中通過增加半徑得到證實(shí)。 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?yàn)榇罅康慕饘倭鲃佣鸢?，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(yīng)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(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(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了有價(jià)值的信息。 圖10 當(dāng)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(yīng)用到如圖11所示，從而使得模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)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?yàn)檎麄€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(shí)這種說法，兩種改進(jìn)過了的模具設(shè)計(jì)被用來實(shí)驗(yàn)：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(shí)也說明在兩步拉深工序中，如果相應(yīng)的順序被應(yīng)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?yàn)榻饘俨蝗菀淄ㄟ^較低的階梯進(jìn)入模具型腔。 圖12改善模具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)理想產(chǎn)品的沖壓模具設(shè)計(jì)是很難完成的。但是，由于額外的模具費(fèi)用和操作費(fèi)用，兩個操作的制造費(fèi)用是很高的。為了保持較低的制造費(fèi)用，零件的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，如圖12所示。隨著設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，產(chǎn)品真實(shí)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(jìn)一步驗(yàn)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(yù)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(shí)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?yàn)闆_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(dāng)金屬被拉至模腔中，在沖頭和型腔中有一有害的拉深時(shí)，大的沖模間隙導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計(jì)過程中，通過有限元模擬分析法單獨(dú)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(shí)了這種模具設(shè)計(jì)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(shí)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(zhǔn)確性，還證實(shí)了用有限元分析法代替真實(shí)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(xué)委員會授于NSC-86-2212-E002-028編號才使得這個項(xiàng)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(xiàn) 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(jī)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(jī)械學(xué)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(shí)驗(yàn)的技巧，pp.345-353，1986. 4. R.Narayanasamy和R.Sowerby，“當(dāng)用一種圓錐形的沖模成形時(shí)的金屬板料起皺”，材料處理技術(shù)雜志，41，pp.275-290，1994. 5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機(jī)械和冶金，1993年第二季。 瀘 州 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 機(jī)械電力工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 題目： 沖壓模具設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 秦紅梅 所在系部 機(jī)械電力工程系 年 級 063模具3班 專 業(yè) 模具設(shè)計(jì)與制造 指導(dǎo)教師 張化錦老師 成 績 2008 年 11 月 28 日 指導(dǎo)教師評閱書 指導(dǎo)教師評語： 建議成績:□ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級前的□內(nèi)畫“√”） 指導(dǎo)教師： （簽名） 單位：（蓋章） 年 月 日 評閱教師評閱書 評閱教師評語： 建議成績：□ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級前的□內(nèi)畫“√”） 評閱教師： （簽名） 單位：（蓋章） 年 月 日 教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見 教研室（或答辯小組）評語： 評定成績：□ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”） 教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名） 年 月 日 教學(xué)系意見： 系主任： （簽名） 年 月 日 4 目錄 第一章 概論 5 1.1模具工業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)狀 5 1.1.1模具工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r 5 1.1.2模具工業(yè)未來前景 5 1.2 CAD在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 6 1.3 Pro/e在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 7 第二章 工藝分析與模具結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì) 7 2.1 工藝分析 7 2.1.1沖裁件的形狀與尺寸要求 7 2.2 制定工藝方案 8 2.2.1零件工藝要求 8 2.2.2工序順序的編排與工序組合 8 第三章 工藝計(jì)算 9 3.1 毛坯展開計(jì)算 9 3.2 排樣優(yōu)化設(shè)計(jì) 10 3.2.1搭邊 10 3.2.2 排樣方案設(shè)計(jì) 10 3.2.3 排樣方案比較 11 3.2.4 排樣方案選擇 12 3.3 沖壓力的計(jì)算 12 3.3.1沖裁力的計(jì)算 12 3.3.2退料力、頂出力的計(jì)算 12 3.3.3降低沖裁力的方法 13 3.4計(jì)算壓力中心 13 第四章 沖壓設(shè)備選擇 15 4.1典型沖壓設(shè)備概述（曲柄壓力機(jī)) 15 4.2沖壓設(shè)備選擇原則 15 4.2.1沖壓設(shè)備類型的選擇 15 4.2.2沖壓設(shè)備規(guī)格的確定件 15 4.3選擇沖壓設(shè)備 15 第五章 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 5.1 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 5.1.1方案分析 17 5.2模具閉合高度分析 17 5.2.1閉合高度概述 17 5.2.2估算模具閉合高度 17 第六章 模具主要零部件設(shè)計(jì) 18 6.1 凸、凹模設(shè)計(jì) 18 6.1.1計(jì)算沖裁間隙 18 6.1.2凸、凹模刃口尺寸計(jì)算 18 6.1.3凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 6.1.4凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 6.2 卸料裝置設(shè)計(jì) 21 6.3 彈性元件的選擇 22 6.3.1 橡膠的選擇原則 22 6.3.2 卸料裝置橡膠的選擇 22 6.4螺釘和銷釘?shù)倪x擇 23 6.4.1 螺釘?shù)倪x擇 23 6.4.1 銷釘?shù)倪x擇 23 6.5定位方式設(shè)計(jì) 23 6.6導(dǎo)向零件選擇 24 6.6.1 分析 24 6.6.2 導(dǎo)柱、導(dǎo)套選擇 24 6.7支撐零件選擇（上、下模座） 24 6.7.1上、下模座選擇原則 24 6.7.2上、下模座的選擇 25 6.8模架的選擇 25 第七章 模具總圖繪制 25 7.1繪制二維工程圖 25 7.2 三維建模 26 第八章 模具主要零部件制造工藝的編制 27 8.1上模板 27 8.2下模板 27 8.3凸模 27 8.4凹模 28 8.5退料板 29 8.6導(dǎo)柱 29 8.7導(dǎo)套 30 第九章 總結(jié) 30 結(jié)束語 31 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 第一章 概論 1.1模具工業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)狀 1.1.1模具工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r 據(jù)有關(guān)方面預(yù)測，模具市場的總體趨熱是平穩(wěn)向上的，在未來的模具市場中，沖壓模具的發(fā)展速度將高于其它模具，在模具行業(yè)中的比例將逐步提高。隨著沖壓工業(yè)的不斷發(fā)展，對沖壓模具提出越來越高的要求是正常的，因此，精密、大型、復(fù)雜、長壽命沖壓模具的發(fā)展將高于總量發(fā)展速度。同時(shí)，由于近年來進(jìn)口模具中，精密、大型、復(fù)雜、長壽命模具占多數(shù)，所以，從減少進(jìn)口、提高國產(chǎn)化率角度出發(fā)，這類高檔模具在市場上的份額也將逐步增大。建筑業(yè)的快速發(fā)展，使各種異型材擠出模具、PVC沖壓管材管接頭模具成為模具市場新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，高速公路的迅速發(fā)展，對汽車輪胎也提出了更高要求，因此子午線橡膠輪胎模具，特別是活絡(luò)模的發(fā)展速度也將高于總平均水平；以塑代木，以塑代金屬使沖壓模具在汽車、摩托車工業(yè)中的需求量巨大；家用電器行業(yè)在“十五”期間將有較大發(fā)展，特別是電冰箱、空調(diào)器和微波爐等的零配件的沖壓模需求很大；而電子及通訊產(chǎn)品方面，除了彩電等音像產(chǎn)品外，筆記本電腦和網(wǎng)機(jī)頂盒將有較大發(fā)展，這些都是沖壓模具市場的增長點(diǎn)。 1.1.2模具工業(yè)未來前景 模具標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用將日漸廣泛，模具標(biāo)準(zhǔn)化及模具標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用能極大地影響模具制造周期。使用模具標(biāo)準(zhǔn)件不但能縮短模具制造周期，而且能提高模具質(zhì)量和降低模具制造成本。同時(shí)，快速經(jīng)濟(jì)模具的前景十分廣闊。由于人們要求模具的生產(chǎn)周期越短越好，因此開發(fā)快速經(jīng)濟(jì)模具越來越引起人們的重視。例如研制各種超塑性材料來制作模具；用環(huán)氧、聚酯或在其中填充金屬、玻璃等增強(qiáng)物制作簡易模具。這類模具制造工藝簡單，精度易控制，收縮率較小，價(jià)格便宜，壽命較高。還可用水泥沖壓制作汽車覆蓋件模具。中、低熔點(diǎn)合金模具，噴涂成型模具，電鑄模，精鑄模，層疊模，陶瓷吸塑模及光造型和使用熱硬化橡膠快速制造低成本模具等快速經(jīng)濟(jì)模具將進(jìn)一步發(fā)展。快換模架、快換沖頭等也將日益發(fā)展。另外采用計(jì)算機(jī)控制和機(jī)械手操作的快速換模裝置、快速試模裝置技術(shù)也會得到發(fā)展和提高。 1.2 CAD在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 一般說來，模具零件的圖形都是由直線、曲線等圖象對象構(gòu)成的。AutoCAD完全滿足模具制圖過程中的各種制圖要求。例如，利用AutoCAD可以方便地繪制點(diǎn)、直線、圓弧、圓等基本圖形對象，還可以對基本圖形進(jìn)行編輯，以構(gòu)成復(fù)雜的模具圖形。與傳統(tǒng)的手工繪圖相比，AutoCAD具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 1 . 減少重復(fù)性工作 當(dāng)圖紙上有多個相同圖形、或者所繪圖形對稱于某一軸線時(shí)，可利用復(fù)制、鏡像、陣列等功能快速地從已有圖形得到其他部分。還可以方便的將已有零件圖組裝模具裝配圖，就如實(shí)際裝配模具零件一樣，從而驗(yàn)證零件尺寸是否正確，以及是否會出現(xiàn)零件之間的干涉問題。同樣，利用AutoCAD的 復(fù)制等功能，可以方面的把模具裝配圖坼分成所需的模具零件圖。當(dāng)設(shè)計(jì)系列產(chǎn)品時(shí)，可以根據(jù)已有圖形，通過比例縮放功能派生出新的圖形出來。 2 . 便于建立圖形庫 AutoCAD可以將常用圖形，如符合國家標(biāo)準(zhǔn)的軸承、螺栓、螺母和墊圈等分別建成圖形庫，當(dāng)需要繪制這些圖形時(shí)，可以調(diào)用插入即可。 3 . 易規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 國家機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)械制圖的線型、線寬、尺寸標(biāo)柱樣式、文字樣式等均有明確的規(guī)定，利用AutoCAD相應(yīng)的樣式設(shè)置，可以相應(yīng)的滿足這些標(biāo)準(zhǔn)要求。 4 . 便于圖形的保存和打印 AutoCAD設(shè)計(jì)的圖形，可直接通過繪圖儀打印到硫酸紙，不再需要描圖員描圖，無論繪制的圖形有多大量，均可運(yùn)用磁盤、光盤等儲存介質(zhì)進(jìn)行保存，圖紙保存質(zhì)量高、壽命長。 基于上述優(yōu)點(diǎn)，利用AutoCAD進(jìn)行模具繪圖時(shí)，能大大提高繪圖效率，減輕設(shè)計(jì)工作量。雖然用AutoCAD有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有不足之處，如繪制零號、一號圖幅的圖形時(shí)，由于計(jì)算機(jī)屏幕的限制，用戶不能直觀查看整個圖形只能通過AutoCAD提供的鳥瞰試圖、顯示縮放、移動等功能了解全圖，這對沒多少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的用戶來說，會影響設(shè)計(jì)中的直觀判斷。 1.3 Pro/e在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 在這次設(shè)計(jì)過程中，采用Pro/e繪圖的次數(shù)并不多，但是在繪制三維圖時(shí)，全部采用Pro/e，在導(dǎo)圖時(shí)也采用了。 第二章 工藝分析與模具結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì) 2.1 工藝分析 2.1.1沖裁件的形狀與尺寸要求 工件名稱： 墊板 工件簡圖： 如圖2.1.1所示 生產(chǎn)批量： 10萬件（大批量） 材料 ： QS n6.5-0.1 材料厚度t： 0.3mm (圖2.1.1） 沖裁件的尺寸要求：㈠ 零件圖上所有沒注公差的尺寸，屬自由尺寸，可按IT14級確定工件的尺寸的公差，最小孔邊距2.1mm公差為-0.11.屬11級精度。查公差表可得歌尺寸公差： 零件外形：25-00.52mm; 零件內(nèi)形：40+0.3mm; 10+0.25mm 孔心距： 5.5±0.3mm 2.2 制定工藝方案 2.2.1零件工藝要求 此工件只有沖孔和落料兩個工序。材料為QS n6.5-0.1，具有良好的沖壓性能，適合沖裁。工件結(jié)構(gòu)簡單，有一個Φ4mm的橢圓孔和兩個Φ1mm的孔孔與孔、孔與邊緣之間的距離也滿足要求，最小壁厚為2.1mm（橢圓與Φ1、兩個Φ1的孔之間、及橢圓、Φ1與外圓之間的厚度）。工件的尺寸全部為自由公差，可看著IT14級，尺寸精度較低，普通沖裁完全能滿足要求。 2.2.2工序順序的編排與工序組合 該工件包括落料、沖孔兩個基本工序，可以有以下三種工藝方案： 方案一：先落料，后沖孔。采用單工序模。 方案二：落料——沖孔復(fù)合沖壓。采用復(fù)合模生產(chǎn)。 方案三：沖孔——落料級進(jìn)沖壓。采用級進(jìn)模生產(chǎn)。 方案一模具結(jié)構(gòu)簡單，但是需要兩道工序兩副模具，成本要求高而且生產(chǎn)效率低，難以滿足大批量生產(chǎn)要求。方案二只需一副模具，工件的精度及生產(chǎn)效率都較高，但工件最小壁厚2.1mm小于凸、凹模許用的最小壁厚尺寸3.2mm，模具強(qiáng)度較差，制造困難大，并且沖壓后成品件留在模具上，在清理模具上的物料時(shí)會影響沖壓速度，操作不方便。方案三也只要一副模具，生產(chǎn)效率高，操作方便，工件精度也能滿足要求。通過對上述三種方案的比較分析，該件的沖壓生產(chǎn)采用方案三為佳。 第三章 工藝計(jì)算 3.1 毛坯展開計(jì)算 毛坯長L 毛坯寬B=（ Lmax + 2a + C ) = 25+2×1.5+ 0.5 = 28.5mm 式中： L——毛坯長度； B——毛坯寬度； D——條料寬度方向沖裁件最大尺寸； A——側(cè)搭邊值，見《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》表2.5.2； C——導(dǎo)料板與最寬條料之間的間隙，其最小值見《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》表 2.5.5。 3.2 排樣優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.2.1搭邊 此工件中的圓形或圓角r > 2t 。所以工件與側(cè)面的距離a取1.5mm，工件與工件之間取a1為1.2mm。 式中：t —— 為材料厚度； 3.2.2 排樣方案設(shè)計(jì) 排樣方式最主要采用提高材料的利用率，降低成本及保證沖裁件及模具的使用壽命為前提。故方案有廢料的直排方式，如圖3.2.2所示： (圖3.2.2） 方案二：有廢料直對排： （圖3.2.3） 3.2.3 排樣方案比較 排樣圖方案一 一個步距的材料利用率：η= A/Bsｘ100％ A = 220 - 2πφ-(πR+0.6ｘ4)=198.8mm 工件的步距s為：B+ a = 12.2mm η= A/Bs=198.8/28.5ｘ12.2ｘ100％=57.1％ 方案二的材料利用率：η= A/Bsｘ100％ s　=B + a =26.2mm 　　　　　　　　　　η= 198.8／14 ｘ26. Ｘ100％＝54.4％ 查板材標(biāo)準(zhǔn)選用700mm×800mm的剛板，每張剛板可剪裁25張條料（28mm×800mm），每張條料可沖1625個工件，則ηθ： Ηθ=nA1÷LB×100％ =1625×198.8÷770×800×100% =52.4% 故一張剛板的材料利用率為25.4% 式中：η——一個步距的材料利用率； B —— 工件寬度； A——一個步距內(nèi)沖裁件的實(shí)際面積； B——條料寬度； s——步距. 根據(jù)選擇的排樣方式?jīng)_裁件的沖裁步驟： （1） 先沖兩個φ1和橢圓 （2） 對工件的外形狀落料 3.2.4 排樣方案選擇 方案一的材料利用率比方案二的高，方案一在沖裁過程中工件飛的剛性、強(qiáng)度都相較方案二好。在滿足材料利用率及工件最后的剛性等條件下，排樣方式選擇方案一。 3.3 沖壓力的計(jì)算 3.3.1沖裁力的計(jì)算 沖裁力是沖裁過程中凸模對板料施加的壓力，它是隨凸模進(jìn)入材料的深度（凸模行程）而變化的。通常說的沖裁力是指沖裁力的最大值。 工件的沖裁力為： F = KLtτb = 1.3ｘ68ｘ0.3ｘ300=7956(N) 式中： F——沖裁力； L——沖裁周邊長度； t——材料厚度； τb ——材料抗剪強(qiáng)度； K——系數(shù)（一般取值1.3） 3.3.2退料力、頂出力的計(jì)算 退料力﹑頂出力包括卸料力、推件力和頂件力 卸料力：從凸模上卸下卡住的料所需要的力 ； 推件力：將梗塞在凹模內(nèi)的料順沖裁方向推出所需要的力； 頂件力：逆沖裁方向?qū)⒘蠌陌寄?nèi)頂出所需要的力。 卸料力的計(jì)算：Fx=KxF =0.05 Ｘ 7956=397.8(N) 推件力的計(jì)算: Ft=nKt F n =h/t =3/0.3 =10 Ft = 10 Ｘ0.063Ｘ7956=5014.3(N) 頂出力的計(jì)算: Fd=Kd F =0.08 Ｘ 7956= 636.5(N) 式中: F —— 沖裁力; Kx、Kt、Kd ——卸料力、推件力、頂件力系數(shù),見《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》 表2.6.1; n —— 同時(shí)卡在凹模內(nèi)的沖裁件(或廢料)數(shù); n = h/t h ——凹模洞口的直刃壁高度; t —— 板料厚度。 3.3.3降低沖裁力的方法 為了實(shí)現(xiàn)小設(shè)備沖裁大工件,或使沖裁過程平穩(wěn)以減少壓力機(jī)振動,常采用以下方法降低沖裁力。 1.階梯凸模沖裁 在多凸摸的沖模中,將凸模設(shè)計(jì)成不同的長度,使工件端面呈階梯式布置,這樣,各凸模沖裁力的最大峰值不同時(shí)出現(xiàn),從而達(dá)到降低沖裁力的目的。 2. 斜刃沖裁 用平刃口沖裁模具時(shí),沿刃口整個周邊同時(shí)沖切材料,故沖裁力很大。若將凸模(或凹模)刃口平面作成與其軸線傾斜一個角度的斜刃,則沖裁時(shí)刃口就不是全部同時(shí)切入,而是逐步地將材料切離,這樣就相當(dāng)于把沖裁件整個周邊長分成若干小段進(jìn)行剪切分離,因而能明顯降低沖裁力。 3.加熱沖裁(紅沖) 3.4計(jì)算壓力中心 模具的壓力中心就沖壓合力的作用點(diǎn)。 確定模具的壓力中心 (1) 按比例畫出圖形的輪廓，如圖3.4.1 圖3.4.1 （2） 任意位子畫出坐標(biāo)軸X、Y，如圖3.4.1所示。 （3） 將組成圖形的輪廓劃分為若干簡單的線段求出各線段長L1、L2 、L3…Ln L1=πR1=3.14×4.1 = 12.9mm L2=1/4 πR2 =1/4 × 3.14×4＝3.14mm L3＝8.46mm L4= 1/2πD=1/2×3.14×11＝17.3mm L5=15.4mm （4） 確定各段的重心位置X1、X2、… X3 和Y1、Y2、… Y3。 L1 (6,6.9) ; L2 (12.94,4) ; L3 (13.7,0) ; L4 (21.4,5.5) ; L5 (17.17,11) (5) 按《沖壓模具與設(shè)計(jì)》公式（2.6.12）、（2.6.13）算出壓力中心坐標(biāo)（X0、Y0)。 X0=L1X1+L2X2+L3X3+L4X4+L5X5÷L1+L2+L3+L4+L5 =77.4+40.6+115.9+370.22+264.4÷12.9+3.14+8.46+17.3+15.4 =14.08 Y0=L1Y1+L2Y2+L3Y3+L4Y4+L5Y5÷L1+L2+L3+L4+L5 =89+12.56+0+95.15+169.4÷57.2 =6.4 零件的壓力中心即所求的中心如圖3.4.2所示： （圖3.4.2） 第四章 沖壓設(shè)備選 4.1典型沖壓設(shè)備概述（曲柄壓力機(jī)) 曲柄壓力機(jī)的工作原理：利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，電動機(jī)通過帶輪及齒輪帶動曲軸運(yùn)動，經(jīng)連桿使滑塊作直線往復(fù)運(yùn)動。曲柄壓力機(jī)分為偏心壓力機(jī)和曲軸壓力機(jī)，二者區(qū)別主要在主軸，前者主軸是偏心軸，后者主軸是曲軸。偏心壓力機(jī)一般是開式壓力機(jī)，而曲軸壓力機(jī)有開式和閉式之分。 曲柄壓力機(jī)的特點(diǎn)有：生產(chǎn)率高，適合與各種沖壓加工。 4.2沖壓設(shè)備選擇原則 4.2.1沖壓設(shè)備類型的選擇 （1） 中小型沖壓件 選擇開式機(jī)械壓力機(jī) （2） 大中型沖壓件 選擇雙柱閉式機(jī)械壓力機(jī) （3） 導(dǎo)板?；蛞髮?dǎo)套不離開導(dǎo)柱的模具 選擇偏心壓力機(jī) （4） 大量生產(chǎn)的沖壓件 選擇高速壓力機(jī)或多工位自動壓力機(jī) 4.2.2沖壓設(shè)備規(guī)格的確定 壓力機(jī)的選用原則： （1） 公稱壓力 公稱壓力的大小，表示壓力機(jī)本身能夠承受的沖擊大小。 （2） 滑塊行程長度 是指曲柄旋轉(zhuǎn)一周滑塊所移動的距離，其值為曲柄半徑的兩倍。 （3） 行程次數(shù) 行程次數(shù)即指滑塊每分鐘沖擊次數(shù)。 （4） 工作臺面尺寸 （5） 滑塊模柄孔 （6） 閉合高度 （7） 電動機(jī)功率的選擇 4.3選擇沖壓設(shè)備 對于曲柄壓力機(jī)來說，必須滿足以下要求： （1）壓力機(jī)的標(biāo)稱壓力必須大于沖壓的工藝力的總和FZ。即 FZ>ΣF。 更確切地說，應(yīng)該是沖壓過程的負(fù)荷曲線必須在壓力機(jī)的許用負(fù)荷曲線之下。 該工件采用剛性卸料： ΣF=F+FT=7956+5014.3(N)=12970.3(N) 即： FZ≥ 1297.0（N)≈12.97（KN) （2）壓力機(jī)的裝模高度必須符合模具閉合高度的要求。 （3）壓力機(jī)的行程要滿足工件成形的要求。 （4）壓力機(jī)的臺面尺寸必須大于模具下模座的外形尺寸，并要留有固定模具的位置。一般每邊應(yīng)大出50～70mm以上。壓力機(jī)臺面上的漏料孔尺寸必須大于大件（或廢料）的尺寸。 鑒于該工件屬小型大批量生產(chǎn)， 在保證費(fèi)用地等情況下，選擇開式機(jī)械壓力機(jī)。根據(jù)工件的沖壓總工藝力選擇： J23 - 3.15開式可傾壓力機(jī) （3.15表示公稱壓力為31.5KN）壓力機(jī)的技術(shù)參數(shù)為： 滑塊公稱壓力P0：31.5KN 滑塊行程S： 25mm 行程次數(shù)（快速）：200次/s 連桿調(diào)節(jié)量：25mm 最大閉合高度：120mm 最大裝模高度：100mm 工作臺尺寸（前后×左右）：100mm×90mm 模柄孔尺寸：φ25mm×40mm 最大傾斜角度：450 墊板尺寸（厚度×孔徑）：25mm ×φ50mm 第五章 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1.1方案分析 由沖壓工藝分析得知，沖裁該工件選擇級進(jìn)模，所以該模具類型為級進(jìn)模。 5.2模具閉合高度分析 5.2.1閉合高度概述 模具的閉合高度是指沖裁模在最低工作位置時(shí)，上模座板上平面至下模座下平面之間的距離。 5.2.2估算模具閉合高度 模具的閉合高度與壓力機(jī)裝模高度的關(guān)系： Hmax - M - H1 ≤ H ≤ Hmax - H1 實(shí)際上使用： Hmin -H1 + 10mm ≤ H ≤ Hmax - H1 - 5mm 式中： H——模具閉合高度； Hmin——壓力機(jī)的最小閉合高度； Hmax——壓力機(jī)的最大閉合高度； H1——墊板厚度； M——連桿調(diào)節(jié)量； Hmin - H1——壓力機(jī)的最小裝模高度； Hmax - H1——壓力機(jī)的最大裝模高度。 根據(jù)所選的壓力機(jī)可知： Hmin = 120mm 裝模高度調(diào)節(jié)量為 25mm Hmax = 145mm 估算模具閉合高度： 100 - 25 + 10 ≤ H ≤ 120 - 25 -5 即 85 ≤ H ≤ 90 估取模具閉合高度為： 88mm 第六章 模具主要零部件設(shè)計(jì) 6.1 凸、凹模設(shè)計(jì) 6.1.1計(jì)算沖裁間隙 根據(jù)沖裁件的要求,對于尺寸精度和表面質(zhì)量要求不高的零件，在滿足沖裁件的要求的前提下，以降低沖裁力、提高模具壽命的目的下，根據(jù)《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》表2.3.3得雙面沖裁間隙值： Zmin = 0.021; Zmax = 0.027 6.1.2凸、凹模刃口尺寸計(jì)算 ⑴ 落料 設(shè)工件的尺寸為D-△0，根據(jù)計(jì)算原則，落料時(shí)以凹模為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。首先確定凹模尺寸，使凹模的基本尺寸接近或等于工件輪廓的最小極限尺寸；將凹模尺寸減去最小合力間隙值即得到凸模。 DA = (DA -Zmin)0+δT DT = (Dmax －χ△ －Zmin）0-δT Φ11 RA = ( 11 - 0.052 )0+δT =10.950+0.0.02 RT = ( 11 - 0.5×0.14 -0.052 )0-δT = 10.890-0..02 Φ8.2 RA = （8.2 - 0.052）0+0.02 = 8.150+0.02 RT = ( 8.2 - 0.5×0.14 -0.052 )0-δT = 8.080-0.02 ⑵ 設(shè)沖孔尺寸為d0+△，根據(jù)計(jì)算原則，沖孔時(shí)以凸模為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。首先確定凸模尺寸，使凸模的基本尺寸接近或等于工件孔的最大極限尺寸；將凸模尺寸增大最小合理間隙值即得到凹模尺寸。 dT = ( dmin + x△ ）0-δT dA = ( dT + Zmin )0+δA = ( dmin + x△ + Zmin )0+δA Φ1 RT = ( 1 + 0.5×0.14 ）0-0.02 = 1.070-0.02 RA= ( 1 + 0.5×0.14+0.021）0+0.021 = 1.090+0.02 Φ4 RT = ( 4 + 0.5×0.14 ）0-0.02 =4.07 0-0.02 RA= (4 + 0.5×0.14+0.03）0+0.02 = 4.100+0.02 ⑶ 孔心距屬于磨損厚基本不變的尺寸。在痛一工步中，在工件上沖出孔距為L±△／2兩個孔時(shí)，其凹模型孔中心距Ld可按下式計(jì)算： Ld = L ±1/8△ 兩個φ1 5.5 Ld = 5.5 ± 1/8 ×0.14 = 5.5 ± 0.018 上述式中：DA 、DT —— 落料凸、凹模尺寸； dT 、dA —— 沖孔凸、凹模尺寸； Dmax —— 落料件的最大極限尺寸； dmin —— 沖孔件孔的最小極限尺寸； L 、Ld —— 工件孔心距和凹?？仔木嗟墓Q尺寸； △ —— 工件制造公差，查表值0.14； Zmin —— 最小合理間隙； X —— 磨損系數(shù)，取0.5，按IT8級制造； δT、δA —— 凸 、凹模的制造公差，可按IT6~IT7級選取，查《沖壓模具設(shè)計(jì) 與制造表2.4.1得。 6.1.3凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Φ1的兩個孔的凸模采用加全程保護(hù)與向?qū)鐖D6.1.3所示 Φ4的橢圓選擇圓形凸模. 采用固定卸料板卸料及導(dǎo)料板時(shí)，凸模按下式計(jì)算： L = h1 + h2 + h3 + h 導(dǎo)料板h1 = 6mm ，卸料板厚h2 =12mm , 凸模固定板厚 =12mm , 凸模修模量h = 15mm.則： L = 6 + 12 + 12 + 15 = 45mm 注：凸模固定板厚度是凹模厚度的0.6—0.8倍取得，凸模修模量包括凸模的修模量、凸模進(jìn)入凹模的深度（0.5—1mm)、凸模固定板與卸料板的安全距離等，一般取10—20mm。 6.1.4凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 凹模的采用圓形凹模，使用螺釘固定。 圖6.1.4 凹模厚度 H = (0.1×P)-3 P取12 971 N ≈ 10.9mm 凹模的長度 L = b + 2c = 25 + 2×26 = 77mm 凹模的寬度 B =步距 + 工件寬 + 2c = 12.2 + 11 + 2×26 = 75.2mm 步距 = 12.2mm , 工件寬 = 11mm 式中： H —— 凹模厚度； P —— 總沖裁力； L —— 凹模的長度； B —— 凹模的寬度； b —— 沖裁件長度； c —— 凹模壁厚26；見《模具設(shè)計(jì)與制造實(shí)訓(xùn)》表6-2 根據(jù)GB/T 8057—95，確定凹模外形尺寸為100×80×20。 凹模的刃口形式，如又圖所示 ： 刃口高度H = 3 （《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》表2.9.4所示） 6.2 卸料裝置設(shè)計(jì) 卸料裝置分為固定卸料裝置、彈性卸料裝置和廢料切刀三種。質(zhì)量要求高而且板料較薄的宜選用彈性卸料裝置。此工件選用彈性卸料裝置。 圖6.2.1 1——彈性元件（橡膠）； 2 —— 卸料板 卸料板厚經(jīng)驗(yàn)值取 = 12 mm,外形尺寸與凹模一致。 6.3 彈性元件的選擇 彈性元件主要包括彈簧和橡膠，主要為彈性卸料提供作用力和行程。在此工件中，選用橡膠作為彈性元件。 6.3.1 橡膠的選擇原則 橡膠的允許承受的負(fù)荷較大，安裝調(diào)整靈活方便，是沖裁模中常用的彈性元件。 橡膠的選擇原則： ⑴ 為保證橡膠正常工作，所選橡膠應(yīng)滿足預(yù)壓力要求： F0 ≥ 式中： F0 —— 橡膠在預(yù)壓縮狀態(tài)下的壓力（N)； FX —— 卸料力。 ⑵ 為保證橡膠不過早失效，其允許最大壓縮量不應(yīng)超過其自由高度的45%。一般取： △H2 = (0.35～0.45）H0 式中： △H2 —— 橡膠允許的總壓縮量； H0 —— 橡膠的自由高度。 橡膠預(yù)壓縮量一般取自由高度的10%～15%。 △H0 = （0.10～0.15）H0 式中△H0為橡膠預(yù)壓縮量（mm）。 故 △H1 = △H2 - △H0 =（0.25～0.35）H0 即 △H1 = △H’ + △H∥ 式中： △H’—— 卸料板的工作行程， △H’= t+1，t為板料厚度； △H∥ —— 凸模刃口修模量。 ⑶ 橡膠高度與直徑之比按下式校核： 0.5 ≤ H0/D ≤ 1.5 式中：D —— 橡膠外經(jīng)（mm）。 6.3.2 卸料裝置橡膠的選擇 ⑴ 根據(jù)工藝性質(zhì)核模具結(jié)構(gòu)確定橡膠性能、形狀為長方體和數(shù)量1。沖裁卸料選用較硬橡膠。 ⑵ 根據(jù)卸料力求橡膠橫截面尺寸 Fxy = AP 所以，橡膠的橫截面積為 A = Fxy / P 式中：Fxy —— 橡膠所產(chǎn)生的壓力，設(shè)計(jì)時(shí)取大于或等于卸料力（即F0)； P —— 橡膠所產(chǎn)生的單位面積壓力，與壓縮有關(guān)，其值可按《沖壓模具設(shè)計(jì) 與制造》圖2.9.35確定，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)壓力下的單位力； A —— 橡膠橫截面積。 橡膠允許的總壓縮量: △H2 = (0.35～0.45）H0 △H1 = △H2 - △H0 =（0.25～0.35）H0 △H1 = △H’ + △H∥ △H’= t+1 = 0.3 + 1 = 1.3mm △H∥ = 3 mm (根據(jù)《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》表2.9.4取得） 故 △H1 = 1.3+3 = 4.3 mm H0 = 4.3/（0.25～0.35）= 14 mm △H2 = (0.35～0.45）H0 = (0.35～0.45）× 15 =6mm 橡膠的預(yù)壓縮量： △H0 = （0.10～0.15）H0 = 2 mm 橡膠的橫截面積為 A = Fxy / P = 400 / 20 = 20 mm2 ⑶ 求橡膠高度尺寸 H0 = △H1 /（0.25～0.35） = 4.3/（0.25～0.35）= 14 mm ⑷ 校核橡膠高度與直徑之比： 0.5 ≤ H0/D ≤ 1.5 H0/D = 14 / 10 =1.4 結(jié)果表示橡膠高度尺寸符合要求. 6.4螺釘和銷釘?shù)倪x擇 6.4.1 螺釘?shù)倪x擇 螺釘和銷釘都是標(biāo)準(zhǔn)件，螺釘用于固定模具零件，一般選用內(nèi)六角螺釘。選擇規(guī)定參考《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》表2.9.14。本套模具的凹模厚度為10.9mm，所以選擇M4、M5號螺釘。 6.4.1 銷釘?shù)倪x擇 銷釘起固定作用，常用圓柱銷釘。 6.5定位方式設(shè)計(jì) 定位零件是用來保證條料的正確送進(jìn)及在模具中的正確位置。具有卸料板的級進(jìn)模，常采用導(dǎo)料板送進(jìn)導(dǎo)向的模具。選擇與卸料板分開式的導(dǎo)料板。導(dǎo)料板厚度4mm。對于條料的公差較大，為避免條料在導(dǎo)料板中偏擺，使最小搭邊值得到保證，應(yīng)在送料方向裝側(cè)壓裝置，對于只有0.3mm的板料，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)選用雙側(cè)刃。導(dǎo)料板厚4mm，外形尺寸與凹模平齊。導(dǎo)料板與條料之間的間隙取1mm。 6.6導(dǎo)向零件選擇 6.6.1 分析 導(dǎo)向零件是用來保證上模相對與下模的正確運(yùn)動。對生產(chǎn)批量較大的、零件公差要求較高、壽命要求較長的模具，一般都要采用導(dǎo)向裝置。模具中運(yùn)用最廣的是導(dǎo)柱和導(dǎo)套。 導(dǎo)柱和導(dǎo)套一般采用過盈配合H7/H6，分別壓入下模座和上模座的安裝孔中。 6.6.2 導(dǎo)柱、導(dǎo)套選擇 導(dǎo)柱選用標(biāo)準(zhǔn)型，導(dǎo)套選用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)套。 其應(yīng)符合圖6.6.2所示： 采用對角導(dǎo)柱的導(dǎo)向方式。 根據(jù)凹模周界尺寸為依據(jù)選擇 導(dǎo)柱尺寸為d/mm×L/mm : φ20×110； 導(dǎo)套尺寸為d/mm×L/mm ×D/mm：φ20×70×28 圖6.6.2 6.7支撐零件選擇（上、下模座） 6.7.1上、下模座選擇原則 模座分為上、下模座，起形狀相似。 在選擇原則上一般遵循： （1） 盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)模架，而標(biāo)準(zhǔn)模架的型式和規(guī)格就決定了上、下模座的型式和規(guī)格。 （2） 所選用或設(shè)計(jì)的模座必須與所選壓力機(jī)的工作臺和滑塊的有關(guān)尺寸相適應(yīng)，并進(jìn)行必要的校核。 （3） 模座的上、下表面的平行度應(yīng)達(dá)到要求，平行度公差一般為4級。 （4） 上、下模座的導(dǎo)套、導(dǎo)柱安裝孔中心距必須一致，精度一般要求在±0.02mm一下；模座的導(dǎo)柱、導(dǎo)套安裝孔的軸線應(yīng)與模座的上、下平行面垂直，安裝滑動式導(dǎo)柱和導(dǎo)套時(shí)，垂直度公差一般為4級 （5） 模座的上、下表面粗糙度Ra值為1.6～0.8μm,在保證平行度的前提下，可允許Ra值降低為3.2～1.6μm。 6.7.2上、下模座的選擇 上模板尺寸：100×80×30 下模板尺寸：100×80×40 6.8模架的選擇 該模架采用的是由上模座、下模座、導(dǎo)柱、導(dǎo)套組成的滑動對角導(dǎo)柱模架，該模架的特點(diǎn)在于導(dǎo)向裝置安裝在模具的對稱線上，滑動平穩(wěn)，導(dǎo)向準(zhǔn)確可靠。 上模座厚度取30mm、下模座厚度取40mm、上模墊板取8mm、凸模固定板厚為12mm，所以該模具的閉合高度為： H閉 = H上 + H墊 + H + L + H下 - h2 =30 + 8 + 20 + 45 + 40 - 1 = 142mm 可見該模具的閉合高度小于壓力機(jī)J23-25的最大裝模高度（145mm），可以使用。  第七章 模具總圖繪制 7.1繪制二維工程圖 見后面附圖 7.2 三維建模 見后面附圖 第八章 模具主要零部件制造工藝的編制 8.1上模板 上模座板的加工工藝過程 材料：HT200 序號 工序名稱 工序內(nèi)容 1 備料 按GB/T2855.5-90選擇100×80的模架。 2 鉗工 ①劃線：螺釘孔中心線 ，銷釘孔中心線，模柄孔中心線及輪廓線 ②鉆孔：鉆螺釘過孔及锪背面沉孔至要求。 3 平磨 與模柄配平模柄孔φ25及臺階到要求。 4 鉗工 與模柄配轉(zhuǎn)止銷孔到要求。 5 鉗工 總裝配 ①用透光層保證凸模固定板上凸模下模中的凹模對中后，上模座凸模固定板配作銷釘。 ②用墊板層凹模與下模上的凸模對中后，上模座與凹模板配作銷釘。 6 鉗工 總裝配。 8.2下模板 下模座板的加工工藝過程 材料：HT200 序號 工序名稱 工序內(nèi)容 1 備料 按GB/T2855.5-90選擇100×80的模架。 2 鉗工 ①劃線 ：緊固螺釘過中心線，卸料螺釘過中心線，落廢料孔過中心線，凸模螺釘過孔中心線。 ②鉆孔 ：鉆上述所述孔到要求，锪孔背面沉孔到要求。 3 鉗工 鉆凸模配作銷釘孔。 4 鉗工 總裝配。 8.3凸模 沖孔φ1和橢圓φ4的加工工藝過程相似。下面以φ1做例 沖孔凸模的加工工藝過程 材料：T10A 硬度：56～60HRC 序號 工序名稱 工序內(nèi)容 1 備料 鍛件（退火出力）φ5×50mm 2 熱處理 退火，硬度達(dá)180～200HB 3 車 ①車一端面，打頂尖孔，車外圓至φ3mm，調(diào)頭車另一端，長度達(dá)48mm，打頂尖孔。 ②雙頂尖頂，車外圓尺寸到要求尺寸為止。 4 檢驗(yàn) 檢驗(yàn)。 5 熱處理 淬火，硬度到50～60HRC。 6 磨削 磨削外圓尺寸φ10-0.25至要求。 7 線切割 切除工件端面頂尖孔，尺寸長度達(dá)450+0.52。 8 磨削 磨削端面至Ra0.8μm 9 檢驗(yàn) 檢驗(yàn)。 10 鉗工 裝配（鉗修及裝配，保證）。 8.4凹模 凹模的加工工藝過程 材料：Gr12 硬度：60～64HRC 序號 工序名稱 工序內(nèi)容 1 備料 鍛件（退火狀態(tài)）：105mm×85mm×23mm 2 粗銑 銑六面到尺寸：100.4mm×80.4mm×21mm，注意：兩大平面與兩相鄰側(cè)面用標(biāo)準(zhǔn)角尺測量達(dá)基本垂直。 3 平面磨 磨光兩大平面達(dá)20.6mm，磨兩相鄰側(cè)面達(dá)垂直度，垂直度達(dá)0.02mm/100mm。 4 鉗工 ①劃線：畫出各孔徑中心線并畫出凹模洞口輪廓尺寸； ②鉆孔：鉆螺紋底孔，銷釘?shù)卓准鞍寄６纯诖┚€孔； ③鉸孔：鉸銷釘孔到要求； ④攻絲：攻螺紋絲到要求。 5 熱處理 淬火 使硬度達(dá)60～64HRC。 6 平面磨 磨光兩大平面，使厚度達(dá)20.3mm。 7 線切割 割凹模洞口，并留0.01mm～0.02mm。 8 鉗工 ①研磨凹?？湛趦?nèi)側(cè)面達(dá)0.8μm 9 鉗工 墊片層保護(hù)凹模與凸模間隙的均勻后，凹模與上模座配作銷釘。 10 平面磨 磨凹模板上平面厚度達(dá)到要求。 11 鉗工 總裝配。 8.5退料板 卸料板的加工工藝過程 材料：45＃ 硬度：24～28HRC 序號 工序名稱 工序內(nèi)容 1 備料 氣割下料105mm×85mm×15mm。 2 熱處理 調(diào)質(zhì)處理 硬度24～28HRC。 3 粗銑 銑六面到100.5mm×80.5mm×12.8mm，并使兩大平面與相鄰兩側(cè)面基本垂直。 4 平磨 磨平兩大平面，厚度達(dá)12.4mm，并磨兩相鄰側(cè)面使四面垂直，垂直度達(dá)0.02mm/100mm。 5 鉗工 ①劃線：螺紋孔中心線，定位釘孔中心線及中間型孔輪廓線； ②鉆孔：螺紋底孔，定位釘?shù)卓仔痛┚€孔； ③鉸絲，攻絲：鉸定位釘?shù)卓椎揭螅菁y孔攻絲到要求。 6 線切割 割型孔到要求。 7 鉗工 ①型孔與凸模裝配； ②定位釘與定位釘裝配； ③螺紋孔與螺釘裝配。 8 平磨 磨厚度到要求。 9 鉗工 總裝配。 8.6導(dǎo)柱 導(dǎo)柱的加工工藝過程 材料：20＃ 硬度：58～62HRC 序號 工序名稱 工序內(nèi)容 1 備料 鍛件（退火出力）φ24×115mm 2 熱處理 退火，硬度達(dá)180～200HB 3 車 ①車一端面，打頂尖孔，車外圓至φ22mm，調(diào)頭車另一端，長度達(dá)113mm，打頂尖孔。 ②雙頂尖頂，車外圓尺寸到要求尺寸為止。 4 檢驗(yàn) 檢驗(yàn)。 5 熱處理 淬火，硬度到58～62HRC。 6 磨削 磨削外圓尺寸φ200-0.52至要求。 7 線切割 切除工件端面頂尖孔，尺寸長度達(dá)1100+0.52。 8 磨削 磨削端面至Ra0.8μm 9 檢驗(yàn) 檢驗(yàn)。 10 鉗工 裝配（鉗修及裝配，保證）。 8.7導(dǎo)套 導(dǎo)套的加工工藝過程 材料：20＃ 硬度：58～62HRC 序號 工序名稱 工序內(nèi)容 1 備料 下料：φ23mm×75mm×32mm 2 熱處理 退火，硬度達(dá)180～200HB 3 車 ①車一端面，打頂尖孔，車外圓至φ28.5mm，調(diào)頭車另一端，長度達(dá)71mm，打頂尖孔。 ②雙頂尖頂，車外圓尺寸到要求尺寸為止。 ③鉆孔：鉆內(nèi)側(cè)孔達(dá)20.00mm 4 檢驗(yàn) 檢驗(yàn)。 5 熱處理 淬火，硬度到58～62HRC。 6 磨削 磨削外圓尺寸φ280-0.52至要求。 7 線切割 切除工件端面，尺寸長度達(dá)700+0.52。 磨削 磨削端面至Ra0.8μm 檢驗(yàn) 檢驗(yàn)。 鉗工 裝配（鉗修及裝配，保證）。 第九章 總結(jié) 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我了解到生產(chǎn)合格的沖壓產(chǎn)品必須有精密的模具、合理的沖壓成形工藝和高效的沖壓設(shè)備。沖模在實(shí)現(xiàn)沖壓加工中是必不可少的工藝裝備。若沒有符合要求的沖模，就不能生產(chǎn)出合格的沖壓件；沒有先進(jìn)的沖模，先進(jìn)的沖壓成形工藝就無法實(shí)現(xiàn)。因此在沖壓生產(chǎn)過程中先進(jìn)的沖壓模具是十分重要的。 沖壓模具的設(shè)計(jì)是精密的設(shè)計(jì)，不僅要經(jīng)過嚴(yán)密的設(shè)計(jì)和精密的計(jì)算而且要應(yīng)用到CAD等繪圖軟件。經(jīng)過查閱大量的資料、嚴(yán)密的設(shè)計(jì)及精密的計(jì)算完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中不但應(yīng)用了課本知識和大量的課外知識，而且應(yīng)用了CAD、Proe/E等學(xué)習(xí)軟件。本次設(shè)計(jì)的沖壓模具經(jīng)過檢驗(yàn)是一套可以加工合格成品的先進(jìn)模具。本次設(shè)計(jì)既有合理的設(shè)計(jì)流程又有嚴(yán)密的計(jì)算和繪圖，且符合產(chǎn)品的工藝加工要求，所以是一套合格的模具。 本次設(shè)計(jì)使我更加了解沖壓模具的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)原理，學(xué)會知識的融合貫通。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中不僅要了解產(chǎn)品的工藝和技術(shù)參數(shù)，而且要懂得沖壓模具和沖壓設(shè)備的加工原理，只有將產(chǎn)品和模具緊密的聯(lián)系在一起才能設(shè)計(jì)出先進(jìn)的沖壓模具。 結(jié)束語 經(jīng)過一個多月查閱資料，基于UG的三維造型、CAD的二維設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，本次設(shè)計(jì)主要涉及了UG的立體制圖造型的相關(guān)知識及CAD作圖等諸多方面。設(shè)計(jì)中涉及到的許多問題，更是對以前所學(xué)的知識的鞏固及對過去三年中所學(xué)知識的系統(tǒng)總結(jié)，相信這次的設(shè)計(jì)對我們將來的工作會有一定的幫助。 在設(shè)計(jì)中，我積極查閱資料，細(xì)心鉆研各個技術(shù)細(xì)節(jié)，爭取把此次設(shè)計(jì)搞好。通過這次設(shè)計(jì)，讓我明白了在設(shè)計(jì)的過程中考慮問題應(yīng)該全面，知道了一些查閱資料的方法和技巧，如何篩選自己需要的信息等知識。通過這次設(shè)計(jì)，提高了我獨(dú)立做事的能力。 由于沖壓制件的結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，但是在設(shè)計(jì)各塊板時(shí)，帶來模具的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，這就要求我們模具設(shè)計(jì)人員不斷地想出更多合理可靠的模具結(jié)構(gòu)來成型不同要求的制件。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，我們應(yīng)充分利用我們所掌握的有關(guān)數(shù)學(xué)、力學(xué)以及材料學(xué)等相關(guān)方面的知識，通過運(yùn)用國內(nèi)外先進(jìn)的CAD/CAE/CAM集成技術(shù)軟件來進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，這樣我們就會不斷提高自身的業(yè)務(wù)技能和專業(yè)技術(shù)水平，從而增加新產(chǎn)品的潛在價(jià)值和市場競爭力，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)。 致謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是為了使學(xué)生鞏固和加深對沖壓模具的了解和認(rèn)識。本次沖壓模具設(shè)計(jì)使我們這個設(shè)計(jì)小組的所有成員對以前所學(xué)的知識有了更深刻的認(rèn)知，我們把書本上所學(xué)的理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中來，這樣理論與實(shí)踐的相互結(jié)合，充分驗(yàn)證了我們大學(xué)來學(xué)習(xí)成果。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們本著全面開拓思路、勇于創(chuàng)新的原則，全面提高對模具的了解和實(shí)際的動手能力，把以前不是很懂的知識在腦海里加深了一次，為以后在實(shí)際工作中出色地完成任務(wù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于我們知識水平有限，缺乏很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在此套沖壓模具設(shè)計(jì)中出現(xiàn)一些錯誤，但是各位老師熱心地給予指導(dǎo)，指出我的問題所在，并要求我及時(shí)作出更改，使我順利的完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此我非常感謝各位老師給予我的幫助，由衷地謝謝你們！ 參考文獻(xiàn) [1]張鼎承主編.沖模設(shè)計(jì)手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988 [2]王孝培主編.沖壓手冊（第二版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999 [3]陳錫棟等編.沖模設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999 [4]劉見超等主編.沖壓模具設(shè)計(jì)與制造.北京：高等教育出版社，2004 [5]袁定福編著.Pro/ENGINEER Wildfire2.0模具設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2003 [6]楊占堯編著.沖壓模具圖冊.北京：高等教育出版社，2004 [7]李發(fā)致編.模具先進(jìn)制造技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 [8]趙振鐸等編著.實(shí)用沖裁技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004 [9]盧險(xiǎn)峰編著.沖壓工藝模具學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999 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