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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
《近似熵作為診斷工具為機(jī)器健康監(jiān)測(cè)》
Ruqiang燕,羅伯特x.Gao_
美國馬薩諸塞大學(xué)機(jī)械工業(yè)工程部門阿姆赫斯特馬
論文于2005年4月7日收到初稿;修改后稿件于2006年2月16 日收到,2006年2月22通過；2006年4月4日許可上網(wǎng)。
文摘
本文是基于近似熵(ApEn)提出的一種新的機(jī)器健康監(jiān)測(cè)方法, 這是一種統(tǒng)計(jì)量化的規(guī)律性的時(shí)間序列,如電子振動(dòng)信號(hào)測(cè)量電機(jī)或滾動(dòng)軸承。由于結(jié)構(gòu)缺陷的發(fā)展引起一個(gè)機(jī)器系統(tǒng)工況惡化，大量的頻率成分包含振動(dòng)信號(hào)在內(nèi)都會(huì)增加, 導(dǎo)致它的規(guī)律減少并增加了其相應(yīng)的ApEn價(jià)值。介紹了理論框架以后,數(shù)值模擬給出了解析信號(hào)間的定量關(guān)系，建立了嚴(yán)重的信號(hào)退化和ApEn值。模擬的結(jié)果驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，盡管基于現(xiàn)實(shí)軸承振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。研究表明,ApEn能有效表征嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性缺陷,具有計(jì)算效率高、堅(jiān)韌性高的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:近似熵;機(jī)器健康監(jiān)測(cè)；計(jì)算效率
前言
過去的幾十年里在世界范圍的機(jī)器上的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和健康診斷研究越來越引起人們的注意。這種努力充分推進(jìn)了傳感技術(shù)像信號(hào)工程一樣持續(xù)進(jìn)步。除了常用的時(shí)間(統(tǒng)計(jì)[1])和頻率(光譜[2、5、6)域技術(shù), 先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù),如盲源分離,和小波變換，作為新工具機(jī)械系統(tǒng)故障檢測(cè)研究 [10]由于摩擦瞬時(shí)變化、阻尼、或加載條件,機(jī)器系統(tǒng)中非線性行為也是很有特色的。因此,非線性參數(shù)估計(jì)技術(shù)提供了一個(gè)好的替代品,defect-related特征提取隱藏在測(cè)量信號(hào)從而不得有效的被定義為使用其他方法。大量的非線性參數(shù)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了研究，如對(duì)相關(guān)尺寸測(cè)量和復(fù)雜],為病人睡眠評(píng)估、變速箱牙齒的缺陷診斷和滾動(dòng)軸承缺陷的檢測(cè)?？煽康墓浪汴P(guān)聯(lián)維數(shù)時(shí)間序列需要大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算導(dǎo)致漫長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和insuitability在線, 但在很多需要即時(shí)應(yīng)用。與測(cè)量的復(fù)雜性比較計(jì)算更有效率。信號(hào)的復(fù)雜可以被描述為兩方面: 復(fù)雜的Lempel-Ziv和近似熵(ApEn)。Lempel根基復(fù)雜性的表明時(shí)間序列規(guī)律性，其能有效顯示大腦活動(dòng)模式與深度之間的病人麻醉波的量化關(guān)系，作為一個(gè)例子,electroencephalographs(EEG)測(cè)試病人所顯示出來的一種更高價(jià)值在清醒狀態(tài)比在睡眠狀態(tài)時(shí)。此外,進(jìn)行的心臟系統(tǒng)研究已經(jīng)成為心臟節(jié)律的重要指標(biāo)如竇性心律(SR)、室性心動(dòng)過速(VT)及心室顫(VF) 可以從這個(gè)復(fù)雜的世界有效地探測(cè)閾值、分離, 而其他技術(shù), 如傅里葉transform-based VF-filtering,凸現(xiàn)了困難。由復(fù)雜振動(dòng)測(cè)試值分析產(chǎn)生大量[24]旋轉(zhuǎn)機(jī)器顯示那以來和成長(zhǎng)故障的機(jī)器可變化的復(fù)雜性與價(jià)值。另一項(xiàng)研究在對(duì)缺陷檢測(cè)滾動(dòng)軸承間的定量關(guān)系建立了復(fù)雜的價(jià)值和缺陷尺寸,進(jìn)而]顯示缺陷的嚴(yán)重水平。
時(shí)序價(jià)值復(fù)雜性的評(píng)價(jià)是基于“coarse-graining”操作的序列模式轉(zhuǎn)化為一個(gè)只有少數(shù)的符號(hào)例如0和1, ,而且它包括僅在一維數(shù)據(jù)序列比較和計(jì)數(shù)。相比較而言,近似熵在多維空間的矢量表示時(shí)間序列的規(guī)律性且,包含了更多的相關(guān)信息。這使它成為一個(gè)有吸引力的工具,用于監(jiān)視系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，信息的時(shí)間一個(gè)缺點(diǎn)是有價(jià)值的進(jìn)展不僅用于診斷當(dāng)前機(jī)器運(yùn)行,而且還在預(yù)測(cè)未來的行為。在研究汽輪發(fā)電機(jī)時(shí),發(fā)現(xiàn)在松動(dòng)后軸承襯套被鑒別以后與正常操作條件相比ApEn 的優(yōu)勢(shì)更加突出。在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域,對(duì)胎兒的心率研究使用cardiotocography(公司)時(shí)表明ApEn價(jià)值觀和病理?xiàng)l件相關(guān)性。在類似的腦電信號(hào)研究時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種可以提高ApEn數(shù)值以被用來檢測(cè)和表征eplieptic活動(dòng)。在另一項(xiàng)研究中, 通過ApEn值變化腦電圖信號(hào)不同的睡眠狀態(tài)被成功的鑒別出來。在對(duì)田野里植物生理數(shù)據(jù)分析時(shí)，兩個(gè)熱帶樹種水分欠缺時(shí)在sap水流動(dòng)力的變化，ApEn值被清楚地鑒別出來。此外,ApEn已經(jīng)應(yīng)用于檢測(cè)人類運(yùn)動(dòng),在靜態(tài)背景、運(yùn)動(dòng)環(huán)境和世俗的雜波根據(jù)他們的ApEn價(jià)值可以區(qū)分。此外,ApEn表明是有效的特征探測(cè)器在為潛在的感興趣圖像目標(biāo)檢測(cè)和圖像壓縮識(shí)別時(shí)。最近, ApEn的應(yīng)用一直延續(xù)到評(píng)估微妙的、可利用的改變金融市場(chǎng)時(shí)間序列的分析。
本文研究的是ApEn作為刻畫機(jī)器操作條件下的測(cè)量效用, 目的是介紹一種定量診斷工具為機(jī)器的健康監(jiān)測(cè)。在呈現(xiàn)的理論背景下，幾個(gè)影響ApEn關(guān)鍵的關(guān)聯(lián)計(jì)算參數(shù)被討論,例如 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、采樣率、尺寸、公差值。數(shù)值模擬的仿真分析并提出了建立的定量關(guān)系在信號(hào)規(guī)律(這是由于缺陷傳播影響結(jié)構(gòu)健康的降解)和和ApEn值之間。利用現(xiàn)實(shí)軸承試驗(yàn)臺(tái)對(duì)振動(dòng)信號(hào)測(cè)量對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。良好的協(xié)議仿真和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),確認(rèn)在ApEn結(jié)構(gòu)缺陷情況下,其計(jì)算效率和魯棒性高。
2理論背景
對(duì)于一個(gè)時(shí)間序列{ x(1)、x(2)、x、y(N)),其“規(guī)律” 通過ApEn在多維空間可以被測(cè)量。在這建立了一系列的向量表示為：
在情商，每個(gè)向量是由m連續(xù)、離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間序列s，deXeiT的距離;XejTT兩個(gè)向量之間X(i)和X(j)可以被定義為最大的區(qū)別在他們各自的相應(yīng)的要素:
這里
數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量包含在時(shí)間序列里。描述每一個(gè)向量X(i),測(cè)量向量X(i)和其他所有向量之間的相似性被誤解為
方程式的標(biāo)志r，3代表一個(gè)預(yù)定的公差值,定義為：
r=k.std(s)
這里k的取值范圍k>0, std代表標(biāo)準(zhǔn)偏差的時(shí)間序列.表達(dá)式為
時(shí)間序列的ApEn表示為：
對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說,組成一個(gè)有限的時(shí)間序列數(shù)據(jù)點(diǎn),用來估計(jì)ApEn價(jià)值時(shí)間系列,這是定義為
方程式(8)表示,當(dāng)維度的向量提高m + 1在時(shí)間序列重構(gòu)向量之間的相似度。在分析時(shí)間序列的影響規(guī)律相關(guān)的ApEn值。越大的規(guī)律性,越低ApEn價(jià)值。舉一個(gè)例子,周期時(shí)間序列僅包含單一頻率成分將有很低ApEn值(接近于零),由于其較高的信號(hào)規(guī)律。相比之下,包含復(fù)雜多頻率成分的時(shí)間序列ApEn的值高,由于其較低的規(guī)律性。
為了預(yù)測(cè)一個(gè)給定的時(shí)間序列S的ApEn值，,數(shù)據(jù)點(diǎn)包含在數(shù)列的首段重新排列成一數(shù)列m一次m + 1維向量,如圖1。從每個(gè)矢量分析計(jì)算這兩個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離。這重構(gòu)算法的相似性度量公式建立在一個(gè)給定的r值向量,。隨后,時(shí)間序列數(shù)據(jù)點(diǎn)S和N 的ApEn值的計(jì)算公式是 (8)。為了確保ApEn計(jì)算中的一致性，最小的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N,以及適當(dāng)?shù)木S度m和公差r需要確定。在當(dāng)代研究中，基于現(xiàn)實(shí)的的一個(gè)軸承試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、尺寸、和公差在ApEn值計(jì)算中的影響被考慮。
2.1長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的影響
圖2表明了完整振動(dòng)測(cè)量信號(hào)，“健康”軸承在徑向載荷9 kN下的采樣率10 kHz。功率譜密度的信號(hào)顯示存在的四個(gè)主要頻率成分：(1)軸承失衡頻率幅, 當(dāng)軸承不在他的旋轉(zhuǎn)中心時(shí)產(chǎn)生的重力會(huì)發(fā)生什么，如圖3所示圖3(a);
(2)非標(biāo)準(zhǔn)頻率fm，當(dāng)軸承(里面或外面)跑出軌道平面會(huì)發(fā)生什么，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸不再有軸平行如圖3所示圖3(b); (3)在fBPFO軌道外面的傳遞頻率，他是和傳遞球周期性通過一個(gè)固定位置相關(guān)的；(4)其諧波,數(shù)值取決于(2fBPFO ).
ApEn值和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度之間的關(guān)系如圖4，這里六個(gè)振動(dòng)信號(hào)在同一軸承測(cè)量里充分顯示6, 10, 14, 18, 22 和 26 kHz各自在同樣采樣率下。當(dāng)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)增加到1000以上時(shí)可以看到ApEn值的變化對(duì)每一個(gè)具體的采樣率變得微不足道。此外, 由不同的采樣率的方法引起的ApEn值的差異接近常數(shù)和更小數(shù)值，例如6千赫和26千赫,ApEn之間的差異值為0.104; 當(dāng)采樣率增加到超過14 kHz,差別就迅速減少到低于0.01。這樣的結(jié)果是與[13,21]理論分析一致，在750和5000之間的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)認(rèn)為是足夠的在達(dá)到穩(wěn)定的和一致的ApEn值。
一旦數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是固定的，一個(gè)更高的采樣率轉(zhuǎn)化為一個(gè)較短的數(shù)據(jù)采樣周期,反之亦產(chǎn)生然。
一個(gè)采樣周期是指短周期,短時(shí)間序列觀察, 隨后,areduced數(shù)量的時(shí)間信息的ApEn納入計(jì)算，導(dǎo)致較低ApEn值。這一趨勢(shì)的發(fā)展如圖4，在采樣率最高的26千赫?f年代帶來的最低ApEn值(e例如 ApEn ? 0.038 for 1000 data points). 為了進(jìn)一步量化數(shù)據(jù)采樣率的影響, 幾個(gè)振動(dòng)信號(hào)在“健康”軸承中不同的采樣率下測(cè)量。從這些信號(hào)計(jì)算ApEn的值顯示在圖5，在維m(m?2、3、y,10)作為一種參數(shù)?？梢钥吹紸pEn值隨著采樣率的增高越來越低。當(dāng)采樣率增加超過一定閾值(e.g. 22 kHz), ApEn值接近一個(gè)固定值(大約
0.04),波動(dòng)小于4%。
2.1長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的影響
圖2說明了振動(dòng)測(cè)量信號(hào)從一個(gè)完好的“健康”軸承徑向載荷下的
9 kN和采樣率10 kHz。功率譜密度的信號(hào)顯示存在的四個(gè)主要頻率成分:(1)軸承失衡頻率幅,它出現(xiàn)在重力中心軸承不符合它的旋轉(zhuǎn)中心,如圖所示圖3中(a);(2) 沖壓條影響較大
頻率fm,它出現(xiàn)在兩個(gè)軸承的詳細(xì)信息(內(nèi)部和外部)掉了相同的飛機(jī),導(dǎo)致不再具有軸平行于轉(zhuǎn)軸軸心,如圖所示圖3中(b);(3)的頻率在傳fBPFO外跑道,它關(guān)系到定期通過滾動(dòng)球在一個(gè)固定的參考位置;(4)其諧波,數(shù)值取決于(2 fBPFO)。
ApEn值和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度之間的關(guān)系圖4中可以看出, 這里六個(gè)相同的軸承振動(dòng)信號(hào)測(cè)量比較顯示,采樣率分別為6, 10, 14, 18, 22 and 26 kHz?？梢钥吹?當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度比數(shù)據(jù)點(diǎn)1000更大時(shí),ApEn值的變化對(duì)每一個(gè)具體的采樣率變得微不足道。此外, 由于不同的采樣率差異引起的ApEn值接近常數(shù)或更小的值。例如, 6千赫和26千赫ApEn之間的差異值為0.104; 當(dāng)采樣率增加超過14 kHz,差別就迅速減少到低于0.01。這樣的結(jié)果與提出的理論分析一致 [13,21) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在750和5000之間的被認(rèn)為是十分穩(wěn)定和一致的ApEn值。
一旦數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是固定的,更高的采樣率轉(zhuǎn)化為更短的數(shù)據(jù)采樣周期
,反之亦然。一個(gè)更短的采樣周期是指時(shí)間序列的短跨度觀察,隨后,
減少量的時(shí)間信息的ApEn納入計(jì)算,導(dǎo)致較低的ApEn值。這一趨勢(shì)圖4中可以看到,在采樣率最高的26千赫?f帶來的最低ApEn值(例如ApEn?0.038為1000數(shù)據(jù)點(diǎn))。為了進(jìn)一步量化數(shù)據(jù)采樣率的影響,幾個(gè)振動(dòng)信號(hào)從“健康”軸承在不同的采樣率測(cè)量ApEn的從這些信號(hào)計(jì)算值顯示在圖5中,維m(m?2、3、y,10)作為一種參數(shù)?？吹剿膬r(jià)值,而ApEn采樣率。當(dāng)采樣率增加了超過一定閾值(例如22千赫),ApEn穩(wěn)態(tài)值方法的價(jià)值(大約0.04),波動(dòng)小于4%。
2.2公差的影響
影響ApEn值的另一個(gè)參數(shù)是公差r。如公式（5）所示，r值選擇取決于特殊時(shí)間序列s的k值選擇包含一個(gè)固定數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在ApEn值估算中k的影響如圖6所示，評(píng)估9種不同的維度m以驗(yàn)證ApEn計(jì)算結(jié)果的一致性。
在不同采樣率下隨著k值的增加，不斷變化的ApEn值減少相應(yīng)的維m。ApEn值的差異與不同的相關(guān)m值相比變的微不足道，如k接近0.4.例如，at k ? 0:4, 由于不同的m值引起的ApEn值的 變化小于4%。這樣的一種變異被考慮要進(jìn)行現(xiàn)代的研究，因此公差值r 一致k ? 0:4 被選為后續(xù)ApEn計(jì)算方式。
2.3維度的影響
如方程式1所示，維度m的增加將導(dǎo)致包括更多的時(shí)間信息信號(hào)列入ApEn計(jì)算中。同時(shí)提高了整體計(jì)算精度，高的m值將導(dǎo)致更高的計(jì)算成本。這被實(shí)驗(yàn)確認(rèn)在圖7中，這里維度m從2到10的增加將引起時(shí)間花費(fèi)超過三倍的增加（從0.5到2.05秒）。對(duì)k40:4進(jìn)行評(píng)價(jià)，在這個(gè)范圍之外的ApEn值并沒有明顯改變，如圖6所示。因?yàn)楫?dāng)維度m的值從2增加到10時(shí)ApEn值的變化低于6.6%，低的m值通常被認(rèn)為是最優(yōu)的ApEn值。因此m ? 2被選作當(dāng)今的
3.測(cè)試信號(hào)的構(gòu)想
為了定量表征一個(gè)機(jī)器的健康狀態(tài)和其退化（嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)缺陷增加），一個(gè)測(cè)試信號(hào)需要提供一個(gè)基參數(shù)。這樣一個(gè)測(cè)試信號(hào)需要被明確地表達(dá)在現(xiàn)代的研究中。從一個(gè)滾動(dòng)軸承基礎(chǔ)上做振動(dòng)信號(hào)測(cè)量，如圖2所示。通過逆傅立葉變換，四個(gè)主要頻率成分（共有8192 213?頻率組件）確認(rèn)軸承信號(hào)頻譜(at 10, 20, 41, and 82 Hz, respectively) 結(jié)合一個(gè)附加噪聲e（t）建造那個(gè)測(cè)試信號(hào)s（t）在一起,四個(gè)主要頻率成分代表91%的內(nèi)容的原始信號(hào)。測(cè)試信號(hào)表示為
在公式9中，XetT代表原始軸承信號(hào)的重建信號(hào)的四個(gè)頻率成分，表示為：
噪聲成分e(t)的定義是由信噪比(SNR)[35]確定：
這里表示X(t) 和e(t)的長(zhǎng)度。測(cè)試信號(hào)的構(gòu)成顯示并行計(jì)算值與軸承振動(dòng)信號(hào)在圖8。使用這個(gè)測(cè)試信號(hào)，對(duì)于不同的SNRs計(jì)算出不同的ApEn值，如表格一所示。
可以看出當(dāng)SNRs從100分貝降到0分貝時(shí)測(cè)試信號(hào)的ApEn值增加超過8倍。信噪比的下降是反映在波形越來越多的“噪音”
這類似于一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的惡化在通過結(jié)構(gòu)時(shí)引起和穿透的缺陷。此外,因?yàn)樵胍粜盘?hào)隨著頻帶寬的增加被加到那個(gè)測(cè)試信號(hào)，接著由于信噪比降低，他是和包含在信號(hào)中的頻率元件的數(shù)字增加一致的，如表格（1）中“頻譜”縱列所示。該仿真結(jié)果證實(shí)了ApEn值提供了一種定量測(cè)量降解動(dòng)態(tài)信號(hào)的特點(diǎn)，他可以通過機(jī)器健康狀態(tài)的惡化代表。
4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
探討近似熵的適宜性,對(duì)機(jī)器的健康監(jiān)測(cè)與診斷, 實(shí)驗(yàn)研究了在軸承試驗(yàn)臺(tái)得到實(shí)施，如圖9所示。振動(dòng)信號(hào)從五個(gè)球軸承承（四個(gè)NU205軸承從[36]SKF,一個(gè)1100的基米-雷克南軸承）pre-seeded測(cè)量與結(jié)構(gòu)缺陷在一系列轉(zhuǎn)速、組裝條件。由于振動(dòng)資料包含物理信息的工作狀況(或健康狀態(tài))軸承被監(jiān)控, 評(píng)價(jià)其相應(yīng)的ApEn值將會(huì)發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)軸承的條件。軸承檢測(cè)系統(tǒng)由直流電機(jī)(課Cl6D34FT18), 兩支持枕頭塊(SKF 209 - 112)，測(cè)試軸承支承住房、液壓缸(米勒4 Z644B),一個(gè)液壓泵(Enerpac P392)和光電編碼器的轉(zhuǎn)速測(cè)量。這液壓缸是能夠應(yīng)用廣泛的負(fù)載到軸承在干熄爐徑向方向上。電機(jī)速度綜合調(diào)整利用速度控制器。一個(gè)加速度計(jì)(PCB 621 B40)上設(shè)置了考試軸承的振動(dòng)測(cè)試外殼。區(qū)分不同參數(shù)對(duì)ApEn的影響，試驗(yàn)研究了不同結(jié)構(gòu)缺陷用軸承severities,在不同的轉(zhuǎn)速、載荷條件下,如下所述
4.1剛度缺陷影響
如圖10是4振動(dòng)信號(hào)從四個(gè)測(cè)試軸承得到的，在四種不同剛度缺陷條件下：“健康的“(無損)，” 輕度損壞“(0.1毫米洞) ” 中等傷害“(0.5毫米洞),‘嚴(yán)重?fù)p壞”（1毫米洞）。信號(hào)下獲得了轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘一個(gè)液壓管路壓力為500磅/英寸2與徑向負(fù)荷的9.163 kN用于測(cè)試軸承。在四個(gè)不同賦存條件不容易知名的從時(shí)域顯示。然而,相應(yīng)的計(jì)算值A(chǔ)pEn揭示了一個(gè)一致的上升趨勢(shì),為軸承健康狀況惡化。表2說明了價(jià)值A(chǔ)pEn一年的四個(gè)軸承缺陷嚴(yán)重性條件,計(jì)算出不同的平均5重復(fù)測(cè)試運(yùn)行。ApEn穩(wěn)定的值是所有的四個(gè)條件相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)差。
如表格2所示，缺陷軸承的ApEn值始終高于健康的軸承。缺陷尺寸越大，ApEn值越高，這可以得到解釋通過這樣的事實(shí)從一個(gè)有振動(dòng)信號(hào)頻率成分缺陷的軸承含有更多頻率元件, 如表1所示, 導(dǎo)致較低的規(guī)律性以及隨后的信號(hào)模式,更高的ApEn值。實(shí)際上, 對(duì)軸承頻譜任何非理想運(yùn)行狀態(tài)將導(dǎo)致增加頻率元件 ，從而增強(qiáng)其ApEn值。這樣非理想狀況下包含不均衡的例子，如圖3(a)所示，或者錯(cuò)位，如圖3(b)所示。隨著缺陷尺寸的增加，缺陷包含震動(dòng)將變得比一個(gè)較小的缺陷引起的更加強(qiáng)烈，更多的影響會(huì)產(chǎn)生
當(dāng)滾動(dòng)體滾進(jìn)或滾出那個(gè)缺陷時(shí), 導(dǎo)致相關(guān)缺陷更長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)。結(jié)果,越來越多的頻率成分被包含進(jìn)頻譜，從而導(dǎo)致更高的ApEn值。
為了驗(yàn)證ApEn值的穩(wěn)健性，作為一種方式對(duì)缺陷的嚴(yán)格分類，對(duì)同一套測(cè)試軸承進(jìn)一步的試驗(yàn)，在不同的壓力下（例如7.331kN or 400 PSI）和旋轉(zhuǎn)速度(例如1200轉(zhuǎn)/分鐘)。在表格3所示的結(jié)果說明了ApEn值的同一個(gè)趨勢(shì)和分布在表格2的。
圖11說明了ApEn值的增加隨著缺陷尺寸增長(zhǎng)，這里錯(cuò)誤的調(diào)信號(hào)表明ApEn值計(jì)算的可變性。很明顯,ApEn提供了一個(gè)定量測(cè)量方式對(duì)嚴(yán)重的分類缺陷水平。
4.2轉(zhuǎn)速的影響
關(guān)于ApEn值在軸承轉(zhuǎn)速的影響進(jìn)行了研究，根據(jù)值及平均值對(duì)每一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)如圖4及表格12所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加，,ApEn值也增加，對(duì)所有的健康軸承或者缺陷軸承。這可以解釋這樣的事實(shí)軸承振動(dòng)信號(hào)頻率范圍隨轉(zhuǎn)速增加而增加。同時(shí),新的振動(dòng)模式的生成率也增加, 導(dǎo)致ApEn值的增加。在同樣速率下，從一個(gè)有缺陷的軸承振動(dòng)頻率成分含有更多由于周期滾球之間的相互作用和結(jié)構(gòu)缺陷，從而有一個(gè)較高的ApEn值。這解釋了為什么ApEn值曲線上方存在著缺陷軸承和健康軸承。
4.3載荷的影響
軸承的ApEn值的載荷的影響在表5和圖13分別得到說明。從軸承試驗(yàn)臺(tái)液壓泵系統(tǒng)對(duì)測(cè)試軸承提供徑向載荷，這結(jié)果表明, 在微小負(fù)荷范圍內(nèi)并沒有改變ApEn值同樣對(duì)于健康的或有缺陷的軸承。這是因?yàn)樨?fù)載變化不影響振動(dòng)元件的頻率成分，因此沒有引起ApEn值的變化。
4.4生命周期測(cè)試
為了評(píng)價(jià)ApEn值作為機(jī)器健康狀況測(cè)試方式的實(shí)用性，一個(gè)run-to-failure試驗(yàn)研究在一個(gè)52毫米外徑深溝球軸承啟動(dòng)(type 1100 KR)。Undera的徑向載荷5498牛頓。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘下進(jìn)行的。對(duì)缺陷模擬結(jié)構(gòu),一個(gè)0.27毫米寬的外溝槽通過外軌道被引進(jìn)，如圖14右邊所示。連續(xù)運(yùn)行大約234萬轉(zhuǎn)以后，缺陷尺寸有擴(kuò)大到5.5毫米，如圖15左邊所示。在達(dá)到270萬轉(zhuǎn)以上，缺損的傳播在整個(gè)使軸承滾道與實(shí)用價(jià)值非功能性。振動(dòng)信號(hào)在實(shí)驗(yàn)期間每隔7分鐘測(cè)試，代表缺陷的傳播過程。
對(duì)每個(gè)振動(dòng)信號(hào)從生命周期測(cè)試得到的，1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的40個(gè)數(shù)據(jù)段被選擇進(jìn)行計(jì)算ApEn值。那意味著ApEn值被用作代表各個(gè)信號(hào)段的ApEn值。ApEn值和循環(huán)之間的關(guān)系如圖15所示，由三位缺陷傳播階段被指定。在每一個(gè)階段軸承缺陷的型號(hào)被測(cè)量出來。我們可以看出ApEn值顯示一般的增長(zhǎng)趨勢(shì)隨著軸承惡化的一般趨勢(shì)（從階段1到階段3）。從實(shí)驗(yàn)軸承中這樣的一個(gè)趨勢(shì)表明了振動(dòng)振幅的趨勢(shì)，如圖15所示。
為了比較性能，在軸承生命循環(huán)周期測(cè)試期間復(fù)雜的Lempel-Ziv[12、20也對(duì)信號(hào)保存進(jìn)行了比較。圖16表示軸承循環(huán)的功能隨著復(fù)雜的Lempel-Ziv和ApEn值的增加的相對(duì)百分比。雖然都出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)增長(zhǎng)趨勢(shì)的惡化軸承的健康狀態(tài), ApEn值顯示出占有很大的百分比比復(fù)雜的Lempel– Ziv所占有的每個(gè)階段過渡。這是得到了定量說明在圖6，并且可以歸因于事實(shí)上時(shí)間相關(guān)信息包含在ApEn固有的復(fù)雜性計(jì)算過程比制定。因此, ApEn提出了一種更有效固有測(cè)量方式對(duì)于鑒別不同工作狀態(tài)存在的機(jī)器比復(fù)雜性Lempel檢測(cè)。
5結(jié)論
目前近似熵已經(jīng)顯示出在機(jī)器系統(tǒng)健康狀態(tài)的鑒定一種有效措施。通過軸承試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究表明,測(cè)試軸承的惡化在恒定的速度下可以有效地識(shí)別通過ApEn值的增加（例如對(duì)于無損軸承，當(dāng)0.1毫米直徑孔傳入外軌道對(duì)于開始的健康、無損軸承近似熵值有276%的增加）。這ApEn值也能顯示機(jī)器的速度的敏感變化。對(duì)于一個(gè)健康的軸承ApEn值增長(zhǎng)了513%時(shí)軸承轉(zhuǎn)速”將從300增加到1200轉(zhuǎn)/分, 而對(duì)于一個(gè)有缺陷的軸承，近似熵值增加到214%。軸承負(fù)荷的變化沒有表現(xiàn)出任何不良的影響對(duì)ApEn的值。從一個(gè)run-to-failure的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，ApEn值顯示出一個(gè)有效的措施
對(duì)心軸軸承系統(tǒng)characterising的退化。
為了探討ApEn值的計(jì)算效率，進(jìn)行了試驗(yàn)研究對(duì)筆記本電腦與2.0兆赫CPU和512 MB內(nèi)存。平均來說,演算花了0.75秒完成計(jì)算1000數(shù)據(jù)要點(diǎn)演算。這樣的結(jié)果表明,ApEn值一般適合在線應(yīng)用。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)的廣泛適用性機(jī)器系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)和故障診斷，研究繼續(xù)分析了振動(dòng)信號(hào)在不同的缺陷和不同類型的軸承。此外, ApEn值循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整合正在被研究為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器剩余預(yù)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)。
感謝書
作者欣然承認(rèn)感謝這項(xiàng)研究基金的提供者美國國家科學(xué)基金會(huì)在# DMI - 0218161獎(jiǎng)中。感謝從SKF and Timken得到的實(shí)驗(yàn)支持。
河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目名稱
拖拉機(jī)機(jī)架框冷沖模具設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
趙永帥
專業(yè)班級(jí)
08機(jī)制3班
學(xué)號(hào)
0828060041
一、 選題的目的和意義：
沖壓模具在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)中，工人生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)量大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率的提高。隨著當(dāng)今科技的發(fā)展， 工業(yè)生產(chǎn)中模具的使用已經(jīng)越來越引起人們的重視，而被大量應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中來。沖壓模具的自動(dòng)送料技術(shù)也投入到實(shí)際的生產(chǎn)中，沖壓模具可以大大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，減輕工人負(fù)擔(dān)，具有重要的技術(shù)進(jìn)步意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
UG是當(dāng)前世界上最先進(jìn)和緊密集成CAID/CAD/CAE/CAM的系統(tǒng)解決方案，它的功能覆蓋整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程。由于UG制圖是基于三維實(shí)體模型建立一張完全的二維工程圖的過程與工具，它提供的主模型設(shè)計(jì)思想為各學(xué)科的并行工程提供了保證。同時(shí)，由于與三維模型具有關(guān)聯(lián)性的視圖、剖視圖、各類標(biāo)注等功能，使得用戶不必?fù)?dān)心產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)的更改。
該設(shè)計(jì)通過三維軟件UG建模、裝配及工程圖的生成，并且參考三維圖畫出CAD圖。以三維模型UG可方便地進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacture, CAM)，實(shí)現(xiàn)無紙化設(shè)計(jì)，和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比經(jīng)濟(jì)效益方面提高了很多!它的經(jīng)濟(jì)效益主要表現(xiàn)在該課題的設(shè)計(jì)方法上。在設(shè)計(jì)的過程中，運(yùn)用了參數(shù)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。這樣的設(shè)計(jì)方法對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來說，能夠很好的提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，在產(chǎn)品改進(jìn)的過程中,只需要改變產(chǎn)品零件模型的一些參數(shù),就可以改變產(chǎn)品的形狀與特性，以達(dá)到要求。而且在產(chǎn)品的加工過程中，能夠真正的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的無紙化生產(chǎn)，大大地提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，給企業(yè)帶來了非常大的經(jīng)濟(jì)效益，而且減輕了設(shè)計(jì)人員的工作復(fù)雜程度。模具還有爆炸視圖功能，讓人對(duì)它的結(jié)構(gòu)和零件一目了然；它的試模功能更是可以在虛擬的情況下模擬模具的工作原理，大大節(jié)約了人力物力和財(cái)力，為公司節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)能力，縮短了生產(chǎn)周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益，增加了公司的競(jìng)爭(zhēng)力。
二、 國內(nèi)外研究綜述：
1、國內(nèi)方面：
模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，因?yàn)槟＞咴诤艽蟪潭壬蠜Q定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展對(duì)模具工業(yè)提出了越來越高的要求，也為其發(fā)展提供了巨大的動(dòng)力。近10年來，中國模具工業(yè)一直以每年15%左右的增長(zhǎng)速度快速發(fā)展。但與發(fā)達(dá)國家相比，中國模具工業(yè)無論在技術(shù)上，還是在管理上，都存在較大差距。特別在大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命模具技術(shù)上，差距尤為明顯。中國每年需要大量進(jìn)口此類模具，在模具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，中低檔模具相對(duì)過剩，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇價(jià)格偏低，降低了許多模具企業(yè)的效益。而中高檔模具能力不足，模具的開發(fā)能力較弱，技術(shù)人才嚴(yán)重不足，科研開發(fā)和技術(shù)攻關(guān)投入少等一系列問題，嚴(yán)重制約了中國模具行業(yè)的發(fā)展。
2、國外方面：
我國模具生產(chǎn)廠中多數(shù)是自產(chǎn)自配的工模具車間（分廠），自產(chǎn)自配比例高達(dá)60%左右，而國外模具超過70%屬商品模具。專業(yè)模具廠大多是“大而全”、“小而全”的組織形式，而國外大多是“小而?！?、“小而精”。國內(nèi)大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命的模具占總量比例不足30%，而國外在50%以上。2004年，模具進(jìn)出口之比為3.7﹕1，進(jìn)出口相抵后的凈進(jìn)口額達(dá)13.2億美元，為世界模具凈進(jìn)口量最大的國家。
三、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所用的主要技術(shù)與方法：
課題主要內(nèi)容是研究冷沖壓模具的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該深入學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械CAD/CAM、冷沖壓技術(shù)等相關(guān)在課題研究中需要掌握的理論知識(shí)，理論的掌握是實(shí)踐的基礎(chǔ)。同時(shí)應(yīng)該對(duì)所設(shè)計(jì)的冷沖模具的對(duì)象機(jī)架框的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)制造工藝進(jìn)行全面的了解。再運(yùn)用Solidworks對(duì)所涉及的沖壓件進(jìn)行三維實(shí)體的繪制，并利用Solidworks的工程圖生成功能輸出二維視圖。這樣利用三維軟件就可以加速產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)程，縮短了設(shè)計(jì)的周期，也確保了產(chǎn)品的質(zhì)量[9]。把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)運(yùn)用到了冷沖壓模具設(shè)計(jì)的實(shí)際之中，這也是本課題的創(chuàng)新點(diǎn)之一。
冷沖模具是模具類別中應(yīng)用最廣泛的一種，通過模具對(duì)金屬的直接加壓使其產(chǎn)生塑性變形，金屬材料分離，以獲得一定尺寸和性能的金屬零件[10]。模具的設(shè)計(jì)過 程是和生產(chǎn)實(shí)際分不開的。所以設(shè)計(jì)的方法是要在深入學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械CAD/CAM、冷沖壓技術(shù)等相關(guān)在課題研究中需要掌握的理論知識(shí)，發(fā)揮Solidworks這一三維設(shè)計(jì)軟件在模具設(shè)計(jì)與制造中的作用同時(shí)，并且與成型產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和工藝相結(jié)合，運(yùn)用理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)踐推動(dòng)理論的研究方法進(jìn)行有效方法進(jìn)行機(jī)架框的沖裁模、彎曲模和成形模的設(shè)計(jì)工作。
模具設(shè)計(jì)者進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該根據(jù)所收集到的設(shè)計(jì)資料，經(jīng)過充分理解、研究、確定模具結(jié)構(gòu)設(shè)想后，在允許的情況下調(diào)查使用單位和制造單位，征求其意見，摸清設(shè)備狀況及技術(shù)情況以及加工能力，作出初步方案開始進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。
冷沖模具的一般設(shè)計(jì)路線為[11]：
（1) 分析整理技術(shù)資料，確定設(shè)計(jì)依據(jù)。
（2）確定工藝方案，決定模具結(jié)構(gòu)形式。
（3）繪制模具草圖，進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)及必要的工藝計(jì)算。
（4）進(jìn)行沖模的總體設(shè)計(jì)。
（5）模具主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（6）選定沖壓設(shè)備。
（7）繪制模具總圖。
（8）繪制各非標(biāo)準(zhǔn)零件圖
（9）編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。
四、 主要參考文獻(xiàn)與資料獲得情況：
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五、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排（按周說明）
第5 周： 熟悉設(shè)計(jì)題目，掌握所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的工作原理，通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館尋找相關(guān)的資料，并認(rèn)真閱讀，逐步形成設(shè)計(jì)思路.
第6 周： 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
第7~9周： 著手開始設(shè)計(jì)，通過查閱相關(guān)資料和設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)計(jì)各個(gè)零件的形狀、尺寸，統(tǒng)籌兼顧，并不斷完善各種尺寸；
第10 周： 完成中期檢查表
第11~12周：在老師的指導(dǎo)下，修改設(shè)計(jì)的零件，使整個(gè)系統(tǒng)更加完善、合理。
第13 周： 然后用Auto CAD軟件，繪制各零件圖和裝配圖圖；
第14~15周：整理設(shè)計(jì)資料，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
第16 周： 將畢業(yè)設(shè)計(jì)資料送老師審批并做好修改，畢業(yè)設(shè)計(jì)完成
六、 指導(dǎo)教師審批意見：
指導(dǎo)教師： （簽名）
年 月 日
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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文
摘 要
隨著中國工業(yè)不斷地發(fā)展，模具行業(yè)也顯得越來越重要。本文針對(duì)拖拉機(jī)機(jī)架框的沖壓工藝性，分析比較了成型過程不同沖壓工藝，確定用三幅單模完成落料、沖孔、彎曲的工序過程。介紹了拖拉機(jī)機(jī)架框冷沖壓成形過程，且重點(diǎn)分析了坯料形狀、尺寸，落料模、沖孔模、彎曲模的工作原理、工藝性、圓角半徑、精度、工序、力的計(jì)算、間隙及凸凹模深度、壓力機(jī)的選擇，并給出了合理的模具總體設(shè)計(jì)。還具體分析了模具的主要零部件（如凸凹模、卸料裝置、拉深凸模、墊板、凸模固定板等）的設(shè)計(jì)與制造，沖壓設(shè)備的選用，凸凹模間隙調(diào)整和編制一個(gè)重要零件的加工工藝過程。列出了模具所需零件的詳細(xì)清單，并給出了合理的裝配圖。通過充分利用現(xiàn)代模具制造技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝方法能大幅度提高生產(chǎn)效率，這種方法對(duì)類似產(chǎn)品具有一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)機(jī)架框；冷沖壓；模具裝配圖；三維建模
ABSTRACT
With China's industries continue to develop and die industry is also becoming increasingly important. This article in view of the tractor frame box stamping technology, analyses and compares the different forming process of stamping process, determine three photos with single mode complete blanking, punching, bending process process. Introduced the tractor frame box cold stamping process, and analyses the blank shape, size, blanking mold, punching die bending die, the working principle, technology, fillet radius, the precision and the working procedure, force calculation, clearance and die and punch depth, the choice of the press, and gives the rational mould overall design. For the process, the center of pressure, the die size and the tolerance of the calculation, design mold. Also analyzes the mold of the main components (such as punch and die and dump devices, drawing punch, slates, Punch plate, etc.) design and manufacturing, stamping equipment selection, punch-gap adjustment and establishment of a vital parts machining process. Die requirements set out a detailed list of parts, and gives a reasonable assembly. By fully utilizing modern manufacturing technology to mold traditional mechanical parts for structural improvements, design optimization, Process optimization methods can greatly enhance production efficiency, the method of similar products have some reference.
Keywords: Tractor frame dialog; Cold stamping; Mold assembly drawing; 3 d modeling
目 錄
摘 要 I
目 錄 1
1 前言 1
1.1 題目的意義 1
2 沖壓的基本知識(shí) 2
2.1 沖壓的基本工序 2
2.2 沖壓模具 4
2.2.1 沖模的要求 4
2.2.2 沖模的種類 5
2.2.3 沖模結(jié)構(gòu)組成 5
2.2.4 國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述 6
3 沖壓工藝分析與方案論證 8
3.1 沖壓工藝分析 8
3.2 沖壓方案論證 9
4 落料模設(shè)計(jì) 11
4.1 落料模的工作原理 11
4.2 沖壓工藝分析，確定沖壓工藝方案 11
4.3 排樣 11
4.4 進(jìn)行必要的工藝計(jì)算 12
4.4.1 落料力 12
4.4.2 卸料力 12
4.3.3推件力 13
4.4.3 選擇沖床時(shí)的總壓力 13
4.5 確定模具的壓力中心 14
4.6 計(jì)算凸、凹模刃口尺寸 15
4.7 模具各主要零件設(shè)計(jì) 16
4.7.1 凹模的厚度、壁厚及材料 16
4.7.2 墊板的采用與厚度 18
4.7.3 卸料橡膠的自由高度 19
4.7.4 上下模座的外形尺寸和厚度 20
4.7.5 上下模座的材料 20
4.7.6 模具的總體設(shè)計(jì) 20
4.8 選擇沖壓設(shè)備 21
5 沖孔模的設(shè)計(jì) 23
5.1 沖孔模的工作原理 23
5.2 沖壓件的工藝分析 23
5.3 計(jì)算沖壓力 23
5.3.1 沖孔力 23
5.3.2 沖孔時(shí)的卸料力 24
5.3.3 推件力計(jì)算 24
5.3.4 選擇沖床時(shí)的總壓力 24
5.4 確定模具壓力中心 25
5.5 計(jì)算凸模、凹模的刃口尺寸 25
5.6 模具總體設(shè)計(jì)主要零部件設(shè)計(jì) 27
5.6.1 模具主要零部件的設(shè)計(jì) 27
5.6.2 模具總體設(shè)計(jì) 30
5.6.3 模具的工作原理 30
5.7 凸模校核 31
5.7.1 圓形凸模的校核 31
5.7.2 非圓形凸模的強(qiáng)度校核 32
5.8 壓力機(jī)的選擇 32
6 彎曲模的設(shè)計(jì) 34
6.1 彎曲模的工作原理 34
6.2 彎曲件的工藝性 34
6.2.1 彎曲件的工藝性 34
6.2.2 彎曲件的彎曲圓角半徑 34
6.2.3 彎曲件的孔與彎曲處的最小距離 34
6.2.4 彎曲件的精度 35
6.3 彎曲件工序的確定原則 35
6.4 彎曲力的計(jì)算 36
6.4.1 自由彎曲力的計(jì)算 36
6.4.2 頂件力和卸料力的計(jì)算 36
6.4.3 彎曲時(shí)壓力機(jī)壓力的確定 37
6.5彎曲模工作部分的尺寸 37
6.5.1 凸凹模的圓角半徑及凹模深度 37
6.5.2 彎曲模的間隙 39
6.5.3 壓力機(jī)的選擇 39
6.6 模具總體設(shè)計(jì) 40
7 結(jié)論 49
致 謝 50
參考文獻(xiàn) 52
附件清單 54
1
河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文
1 前言
1.1 題目的意義
該設(shè)計(jì)通過二維軟件CAD軟件畫出CAD圖。以二維CAD實(shí)現(xiàn)無紙化設(shè)計(jì)，和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比經(jīng)濟(jì)效益方面提高了很多!它的經(jīng)濟(jì)效益主要表現(xiàn)在該課題的設(shè)計(jì)方法上。在設(shè)計(jì)的過程中，運(yùn)用了參數(shù)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。這樣的設(shè)計(jì)方法對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來說，能夠很好的提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，在產(chǎn)品改進(jìn)的過程中,只需要改變產(chǎn)品零件模型的一些參數(shù),就可以改變產(chǎn)品的形狀與特性，以達(dá)到要求。而且在產(chǎn)品的加工過程中，能夠真正的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的無紙化生產(chǎn)，大大地提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，給企業(yè)帶來了非常大的經(jīng)濟(jì)效益，而且減輕了設(shè)計(jì)人員的工作復(fù)雜程度。模具還有爆炸視圖功能，讓人對(duì)它的結(jié)構(gòu)和零件一目了然；它的試模功能更是可以在虛擬的情況下模擬模具的工作原理，大大節(jié)約了人力物力和財(cái)力，為公司節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)能力，縮短了生產(chǎn)周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益，增加了公司的競(jìng)爭(zhēng)力。
河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文
2 沖壓的基本知識(shí)
2.1 沖壓的基本工序
冷沖壓是機(jī)械中常見的一種金屬加工方法。它是利用安裝在壓力機(jī)上的沖模對(duì)板料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或變形，以獲得一定的幾何精度的機(jī)械零件或制品，通常是在室溫下進(jìn)行加工的，所以稱為冷沖壓或板料沖壓。冷沖壓既可以加工金屬材料，也可以加工非金屬材料。
冷沖壓與金屬切削加工相比有如下優(yōu)點(diǎn)：
a.金屬材料經(jīng)沖壓變形后，其強(qiáng)度和剛度都得到提高。它能使較薄金屬材料沖制成尺寸大、質(zhì)量小、強(qiáng)度及剛度都較高的金屬制件。盡管越來越多的汽車零件被塑料件所代替，但迄今為止，汽車覆蓋件主要仍是沖壓件，世界上各大汽車廠研制的新型汽車亦采用沖壓件為覆蓋件。可以說冷沖壓是一種不能用其他加工方法替代的加工方法。
b.冷沖壓利用金屬塑性，使金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形以達(dá)到制件形狀和尺寸要求。冷沖壓既不同于鍛壓加工，不需要對(duì)金屬材料加熱，也不同于常見的金屬切削，它是一種節(jié)能、無切屑的加工方法。由于在變形過程中未切斷金屬纖維，因而制件具有較合理的流線分布，這也是冷沖壓制件強(qiáng)度和剛度好的重要原因之一。
c.冷沖壓最重要的工藝裝備是冷沖模，用冷沖模使金屬材料變形，因此，沖壓件基本上保持了模具工作部分的形狀和尺寸精度。由于制模水平的提高，目前模具精度已達(dá)到微米級(jí)，制件精度可以達(dá)到IT7～I(xiàn)T6級(jí)。
d.冷沖壓生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單，因而易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，生產(chǎn)率高。如一條由4～6大型壓力機(jī)組成的沖壓生產(chǎn)線， 一分鐘可以制造大尺寸汽車覆蓋件數(shù)十件。
e.盡管制造冷沖模的技術(shù)要求高、難度大、成本高，但由于一副模具能沖制成千上萬乃至上億個(gè)制件，加之沖壓生產(chǎn)率高，因而在大批量生產(chǎn)的條件下，沖壓成本及低。
由于沖壓件的形狀、尺寸和精度要求不同，因此，沖壓加工的方法是多種多樣的。根據(jù)材料的變形特點(diǎn)及工廠現(xiàn)行的習(xí)慣，沖壓的基本工序可分為分離工序與塑性變形工序兩大類。
所謂分離工序，就是沖壓過程中使沖壓零件與板料沿一定的輪廓線相互分離，并獲得一定斷面質(zhì)量的沖壓加工方法。而塑性變形工序是使沖壓毛坯在不破壞的條件下發(fā)生塑性變形，以獲得所要求的形狀、尺寸和精度的沖壓加工方法。
主要沖壓工序的分類及特征可見下表1-1。
表2-1主要沖壓工序的分類
類別
工序名稱
工序特征
分
離
工
序
切斷
用剪刀或模具切斷板料，切斷線不是封閉的
落料
沖孔
用模具沿封閉線沖切板料，沖下的部分為工件
用模具沿封閉線沖切板料，沖下的部分為廢料
切口
用模具將板料局部切開而不全分離,切口部分材料發(fā)生彎曲
切邊
用模具將工件邊緣多余的材料沖切下來
變
形
工
序
彎曲
用模具使板料彎成一定角度或一定形狀
拉深
用模具將板料壓成任意形狀的空心件
壓肋
用模具將板料局部拉伸成凸起和凹進(jìn)的形狀
翻邊
用模具將板料上的孔或外緣翻成直壁
縮口
用模具對(duì)空心件口部加由外向內(nèi)的徑向壓力,使局部直徑縮小
脹形
用模具對(duì)空心件加向外的徑向力,使局部直徑擴(kuò)張
整形
將工件不平的表面壓平,將原先彎曲或拉深件壓成正確形狀
2.2 沖壓模具
2.2.1 沖模的要求
沖壓模具（簡(jiǎn)稱沖模）是對(duì)金屬板材進(jìn)行沖壓加工以獲得合格產(chǎn)品的工具。在沖壓加工過程中，沖模的凸模與凹模直接接觸被加工材料并相對(duì)作用使其產(chǎn)生塑性變形達(dá)到預(yù)期的零件。因此對(duì)沖模的要求：沖模應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度，剛度和相應(yīng)的形狀尺寸精度；沖模主要零件應(yīng)具有足夠的耐磨性和使用壽命；沖模的結(jié)構(gòu)應(yīng)該確保操作安全，方便，便于管理和維修；沖模應(yīng)有使材料方便送進(jìn)，工件方便取出，定位可靠的裝置，以保證生產(chǎn)的工件質(zhì)量穩(wěn)定；為使沖模上下運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確，需要有導(dǎo)向裝置；沖模零件的加工和裝配應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)單，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，以縮短模具的制造周期，降低成本；沖模應(yīng)具有與壓力機(jī)連接的部位，以適應(yīng)安裝和管理的需要。
2.2.2 沖模的種類
從工藝性質(zhì)分為沖裁模、彎曲模、拉深模、成形模等；
從工序組合分為單工序模、復(fù)合模、連續(xù)模等；
從材料送進(jìn)方式分為手動(dòng)送料模、半自動(dòng)送料模、自動(dòng)送料模等；
從適用范圍分為通用模和專用模等；
從導(dǎo)向方式分為無導(dǎo)向模、板式導(dǎo)向模、滑動(dòng)導(dǎo)向模等。
2.2.3 沖模結(jié)構(gòu)組成
沖模結(jié)構(gòu)由五部分組成，即工作零件，輔助裝置，導(dǎo)向裝置，支撐零件，緊固零件。
a.工作零件：沖模的工作零件是凸模和凹模，在復(fù)合模中還有凸凹模。它們成對(duì)互相配合，完成對(duì)坯料的成形。他們的形狀尺寸，尺寸精度，固定方法決定著沖模的性能，模具成本及使用壽命。
b.輔助裝置：輔助裝置是協(xié)助凸模，凹模完成工藝成形不可缺少的裝置。
c.導(dǎo)向裝置：它是保證上模，下模準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)的裝置，要求工作可靠，導(dǎo)向精度好，有一定的互換性。
d.支承零件：在上模座和下模座上安裝著凸模，凹模及其它所有的零件。它們和壓力機(jī)連接，傳遞并承受著工作壓力。
e.緊固零件：中大型模具大多采用沉頭螺栓和銷作可卸式連接。模具的連接可靠，拆卸方便也是沖模設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求。
2.2.4 國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述
模具朝著標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、專業(yè)化和商品化的方向發(fā)展。世界主要工業(yè)國模具標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)程度達(dá)80%，模具廠只需設(shè)計(jì)制造模具工作零件，大部分模具零件均從模具標(biāo)準(zhǔn)廠購買，使生產(chǎn)率大幅度提高。模具制造廠專業(yè)程度越來越高，分工越來越細(xì)，而規(guī)模變小。如目前有模架廠、頂桿廠、熱處理廠，甚至某些模具廠僅專業(yè)化生產(chǎn)某類產(chǎn)品的沖裁?；驈澢?，這樣更有利于制造水平的提高和制造周期的縮短。
冷沖壓朝著使用CAD/CAM技術(shù)方向發(fā)展。自80年代初，世界模具行業(yè)采用CNC機(jī)床，開發(fā)和研究沖摸CAD/CAM技術(shù)，使沖摸設(shè)計(jì)和制造現(xiàn)代化。用計(jì)算機(jī)才用有限元模擬金屬板料變形情況，可以預(yù)測(cè)某一工藝方案對(duì)制件成形的可能性和將會(huì)發(fā)生的問題。計(jì)算機(jī)將結(jié)果顯示在終端上供設(shè)計(jì)人員選擇修改，這樣既節(jié)省了昂貴的試模費(fèi)用，也縮短了制模周期。采用CAD/CAM/CAE技術(shù)，可以使制模周期縮短1/2～2/3，精度提高1～2級(jí)。目前用CNC機(jī)床加工的模具精度已達(dá)μm級(jí)。世界各主要工業(yè)國已廣泛使用此技術(shù)，我國也正由實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)入實(shí)用。
隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，商品競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。為爭(zhēng)奪市場(chǎng)，如何提高冷沖壓模具設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量和縮短周期，已成為沖壓工程技術(shù)人員所面臨的重大課題。除了采用簡(jiǎn)易模具技術(shù)，解決產(chǎn)品試制及小批量生產(chǎn)外，目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用成組技術(shù)進(jìn)行組織產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)、制造及生產(chǎn)。成組技術(shù)是將產(chǎn)品整體為研究對(duì)象，分析產(chǎn)品相似性，將形狀結(jié)構(gòu)、尺寸、精度等相似的產(chǎn)品分類成組，從而引導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)達(dá)到成本低、周期短的目的。由于產(chǎn)品相似性使產(chǎn)品制造工藝也具有相似性，這就為冷沖壓模具設(shè)計(jì)應(yīng)用成組技術(shù)創(chuàng)造了條件。典型組合模具不僅能適應(yīng)小批量生產(chǎn)要求，作到一模多用，只要更換個(gè)別工藝件就能組合成新模具進(jìn)行新的品種生產(chǎn)，從而為小批量生產(chǎn)開辟了新的途徑。典型組合模也具能適應(yīng)中、大批量生產(chǎn)要求，工具制造部門可在、事先制造典型組合模具作為半成品庫存，設(shè)計(jì)部門能在短期內(nèi)補(bǔ)充設(shè)計(jì)所需工藝件，即可在較短時(shí)間內(nèi)制造組合成專用模具供中、大批量生產(chǎn)。
此外，用鋅合金作為模具材料，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制造容易，不需要專門的模具加工設(shè)備，省工、省料。模具用鋅合金的性能，相當(dāng)于低碳鋼，加工性質(zhì)類似于青銅鑄件。由于鋅合金的獨(dú)有的特點(diǎn)，必將在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，對(duì)提高沖壓生產(chǎn)的工藝技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)機(jī)電工業(yè)的發(fā)展，將起積極作用。
47
3 沖壓工藝分析與方案論證
3.1 沖壓工藝分析
圖
的
圖3-1 零件圖
該零件為拖拉機(jī)機(jī)架框，如圖3-1所示。上面有2個(gè)Φ15的孔，一個(gè)Φ11的孔，一個(gè)Φ12的孔以及兩個(gè)11×125的鈑金槽?？字饕糜诮影宓难b配，故這幾個(gè)孔的位置是需要保證的重點(diǎn)。另外鈑金槽是用于定位的，位置度也需要得到一定的保證。
a.該零件的厚度為3毫米。對(duì)于一般的沖壓來說，它的厚度是過厚了一點(diǎn)，所以在彎曲時(shí)若能有效地利用過彎曲和校正彎曲來控制回彈，則可以得到形狀和尺寸比較準(zhǔn)確的零件；
b.鈑金槽邊緣和所有的孔邊緣至彎曲半徑R的中心距離都大于材料厚度的兩倍（6毫米），從而鈑金槽邊和所有的孔都位于變形區(qū)之外，彎曲時(shí)不會(huì)引起它們變形，故鈑金槽邊和所有的孔都可以在彎曲前沖出?？讻_好后，也可作為彎曲時(shí)的定位。
由圖可知，該零件結(jié)構(gòu)形狀難度一般，但并不對(duì)稱。是由圓弧直線組成，根據(jù)零件的具體情況，要完成全部的工序而生成該產(chǎn)品，需經(jīng)過以下三道工序，它們分別是：落料、沖孔和彎曲。
3.2 沖壓方案論證
沖壓該零件需要的基本工序有落料、沖孔、彎曲。由于工件結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，為了減少模具的制造難易程度，這里選擇單工序簡(jiǎn)單模。具體工序方案主要有有以下幾種：
方案一：先落料、再彎曲、最后沖孔。工序較少且較集中，使用設(shè)備較少，生產(chǎn)效率較高。在每道工序中都存在著一定的誤差，這樣零件的精度很難保證。且沖孔模具的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。
方案二：先落料、再?zèng)_孔、最后彎曲。工序較少且較集中，使用設(shè)備較少，生產(chǎn)效率較高。進(jìn)行彎曲時(shí)有較好的定位。加工精度得到很好的保證。模具結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造成本較低，符合經(jīng)濟(jì)要求。
方案三：先落料、然后沖孔、再彎曲、最后再?zèng)_孔。工序復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，對(duì)于批量生產(chǎn)并不適易，在每道工序中都存在著一定的誤差，這樣零件的精度很難保證。
方案四：先沖孔、再落料、最后彎曲。這種工序方案中，孔先沖出，給后面的工序提供了很好的定位。提高了產(chǎn)品的位置精度。但是這樣操作不方便，就增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，生產(chǎn)效率降低了。
綜合考慮到零件的性能、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)批量、生產(chǎn)效率使用設(shè)備、模具制造的難易程度及壽命高低、操作方便與安全等方面，經(jīng)過以上的方案比較，可知第二案比較好，所以選擇方案二。
4 落料模設(shè)計(jì)
4.1 落料模的工作原理
在沖壓加工過程中，沖模的凸模與凹模直接接觸被加工材料并對(duì)材料施加壓力，使材料沿輪廓線分離，從而得到預(yù)期的零件。
4.2 沖壓工藝分析，確定沖壓工藝方案
該零件形狀簡(jiǎn)單，是由圓弧和直線組成的。沖裁件內(nèi)外形所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度為IT13，孔中心與邊緣距離尺寸公差相比較，可認(rèn)為該零件的精度要求能夠在沖裁加工中得到保證。其它尺寸標(biāo)注、生產(chǎn)批量等情況，也均符合沖裁的工藝要求，根據(jù)文獻(xiàn)1，故決定采用單工序落料模加工，且一次沖壓成形。
4.3 排樣
在條料上沖裁時(shí)，工件之間以及工件和條料側(cè)邊之間的余料稱為搭邊。根據(jù)文獻(xiàn)[9，10]，采用斜排式的排樣方式。
由表2-13查得最小搭邊mm，mm；
通過UG的面分析的功能得到該零件的毛坯的面積：A =97235mm；
條料的寬度:=3+88.3+233+3+3=330.3； 進(jìn)距：h=629.7+2=635.7mm；
根據(jù)公式：
（4-1）
得一個(gè)進(jìn)距的材料利用率為：
4.4 進(jìn)行必要的工藝計(jì)算
該模具采用彈性卸料和下出件方式。Q235的抗拉強(qiáng)度為 。
4.4.1 落料力
根據(jù)文獻(xiàn)[11]公式：
（4-2）
其中：—落料力(N)；
—抗拉強(qiáng)度(MPa)，取=400MPa；
t—材料厚度(MPa)，t=3mm；
—零件的毛坯的周長(zhǎng)(mm)。
通過UG的面分析的功能得到該零件的毛坯的周長(zhǎng)L=1548mm
故 =(1548×3×400)N=1858×10N
4.4.2 卸料力
表4-1 卸料力、推料力和頂料力系數(shù)
鋼
料厚（mm）
K
K
K
≤0.1
0.6～0.09
0.1
0.14
>0.1～0.5
0.04～0.07
0.065
0.08
>0.5～2.5
0.025～0.06
0.05
0.06
>2.5～6.0
0.015～0.04
0.025
0.05
>6.5
0.015～0.04
0.025
0.03
鋁、鋁合金
0.03～0.08
0.03～0.07
紫銅、黃銅
0.02～0.06
0.03～0.09
根據(jù)公式：
（4-3）
其中：F—落料力(N)；
K—系數(shù)，取K=0.04。
故 =(0.04×1858×10)=74.32×10N
4.3.3推件力
根據(jù)公式：
（4-4）
其中：F—落料力(N)；
K—系數(shù)， K=0.045；
n—卡在凹模洞口的工件(或廢料)數(shù)目。
故=(1×0.045×1765×10)N=83.61×10N
4.4.3 選擇沖床時(shí)的總壓力
選擇沖床時(shí)的總壓力為： F=F+F+F=2016KN
4.5 確定模具的壓力中心
按比例畫出零件形狀，選定坐標(biāo)系XOY，如圖3-1所示。因零件不對(duì)稱，故Xc，Yc都需計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，將工件沖裁周邊分成L1，L2，…，L25基本線段，求出各段的重心：
L1=88.3 X1=0 Y1=188.85
L2=629.7 X2=－242.5 Y2=233
L3=122.047 X3=－544.38 Y3=218.95
L4=83.93 X4=－629.55 Y4=175.2
L5=99.85 X5=－580.08 Y5=103.57
L6=88.13 X6=-600.36 Y6=17.26
L7=580.69 X7=--281.33 Y7=72.92
根據(jù)公式：
（4-5）
得mm
根據(jù)公式：
Y= （4-6）
得Y=mm
故 壓力中心坐標(biāo)值為（-301.60，133.22）
圖4-1 壓力中心圖
4.6 計(jì)算凸、凹模刃口尺寸
落料時(shí)，落料件的尺寸是由凹模決定的，因此應(yīng)以落料凹模作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。
查文獻(xiàn)[9]，由表2-1得間隙值Z=0.46 Z=0.64mm
由于凹模結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，尺寸在生產(chǎn)過程中有變大和縮小，所以用配合加工計(jì)算法來計(jì)算凹模。
第一類：凸?；虬寄Ｔ谀p后會(huì)增大的尺寸；
第二類：凸?；虬寄Ｔ谀p后會(huì)減小的尺寸；
第三類：凸模或凹模在磨損后基本不便的尺寸。
第一類尺寸：（沖裁件上該尺寸的最大極限尺寸-x）
第二類尺寸：（沖裁件上該尺寸的最小極限尺寸+x）
第三類尺寸：沖裁件上該尺寸的中間尺寸±（1/8）
根據(jù)公式
（4-5）
其中：—凹模尺寸(mm)；
—系數(shù)，按工件精度由文獻(xiàn)[12]表2-7查得：=0.75；
—工件公差(mm)；
則凹模各部分尺寸為：
尺寸為88.3時(shí)，=（88.3-0.75×0.54）=87.9
尺寸為485時(shí)， mm
尺寸為R33.7時(shí)， mm
尺寸為R51.3時(shí)， mm
尺寸為629時(shí)， mm
凸模工作部分尺寸按凹模配制，保證雙面均勻間隙為mm。
4.7 模具各主要零件設(shè)計(jì)
4.7.1 凹模的厚度、壁厚及材料
根據(jù)文獻(xiàn)[11]經(jīng)驗(yàn)公式：
（4-6）
計(jì)算凹模厚度
其中：b—工件最大外形尺寸,b=629.7mm；
K—系數(shù),查表4-2得K=0.18
表4-2 厚度系數(shù)
板料厚度t/mm
b/mm
0.5
1
2
3
>3
<50
0.30
0.35
0.42
0.50
0.60
50～100
0.20
0.22
0.28
0.35
0.42
100～200
0.15
0.18
0.20
0.24
0.30
>200
0.10
0.12
0.15
0.18
0.22
故:mm，取mm。
根據(jù)公式：
（4-7）
得凹模壁厚：C=2=228mm
根據(jù)凹模厚度及工件尺寸,可以估算凹模的外形尺寸:
長(zhǎng)度、寬度和厚度:1086×689×114 mm。
由于在冷態(tài)下被加工材料的變形抗力較大且存在加工硬化效應(yīng)，故凹模和凸模承受很大的載荷及摩擦、沖擊作用。Cr12MoV具有優(yōu)良的熱處理性和耐磨性，且韌性較好，通過高溫淬火，還具有一定的熱硬性，所以凹模和凸模的材料選用Cr12MoV。
4.7.2 墊板的采用與厚度
是否采用墊板,視模座所承受的應(yīng)力是否超過模座材料的許用應(yīng)力而定.當(dāng)壓應(yīng)力大于,則應(yīng)采用墊板;反之,可以不加墊板.該工件落料凸模承壓面尺寸如圖4-2所示。模板承受的壓應(yīng)力:
圖4-2 凸模承壓面
根據(jù)公式：
（4-8）
得MPa
Q235的=120～160MPa，所以?？梢圆患訅|板.但是考慮到模具的閉合高度,且墊板具有緩沖作用.故仍加墊板.其厚度取為12mm.
4.7.3 卸料橡膠的自由高度
根據(jù)零件材料厚度為3mm,沖裁時(shí)凸模進(jìn)入凹模深度取1mm,維修時(shí)刃磨量為6mm,模具開啟時(shí)卸料板極高出凸模壓3mm.因此總的工作行程mm。
根據(jù)文獻(xiàn)[16]公式：
（4-9）
橡膠的自由高度：
考慮到模具的閉合高度及卸料具體情況，可取mm。
模具組裝時(shí),橡膠的預(yù)壓量根據(jù)公式:
（4-10）
得mm
橡膠的閉合高度
mm
取63mm
橡膠的斷面面積根據(jù)公式：
D= （4-11）
其中F=1915×10 ，P=2～3MPa
故 D=78.4mm
4.7.4 上下模座的外形尺寸和厚度
根據(jù)凹模外形尺寸確定下模座尺寸為：
長(zhǎng)度、寬度和厚度： 1156×819×130（mm）
相應(yīng)確定上模座尺寸為：
長(zhǎng)度、寬度和厚度： 1156×819×120（mm）
卸料板的外形尺寸和厚度為：
長(zhǎng)度、寬度和厚度： 1086×689×18（mm）
4.7.5 上下模座的材料
因?yàn)樯舷履Ｗ诠ぷ髦惺艿捷^大的沖擊力，故選擇HT200，它能夠承受較大的載荷且，鑄造性能好，由于石墨有一定潤滑效果，HT200具有較好的減磨和耐磨性。
4.7.6 模具的總體設(shè)計(jì)
根據(jù)上述確定的方案及各步計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)模具草總圖，如圖4-3所示.本模具采用手工送料，由于凸模斷面比較復(fù)雜，考慮到加工方便，決定采用螺釘固定方式與模座和墊板相固
圖4-3 落料模
4.8 選擇沖壓設(shè)備
由上面的計(jì)算結(jié)果可知：
最大的沖壓力為： KN；
模具的最大閉合高度為： H=505mm；
模具外形尺寸為： 1156×819（mm）；
根據(jù)以上的資料根據(jù)文獻(xiàn)[14]選擇壓力機(jī)的型號(hào)J21-250（開式可傾壓力機(jī)），壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下所示：
公稱壓力/KN： 2500
滑塊行程/mm： 200
行程次數(shù)： 30
最大的閉合高度/mm： 500
封閉高度調(diào)節(jié)量： 150
工作臺(tái)板尺寸/mm： 1200×800
電動(dòng)機(jī)功率/KW： 30
5 沖孔模的設(shè)計(jì)
5.1 沖孔模的工作原理
因?yàn)榕c落料同為分離工序，所以工作原理相似，其工作原理為在沖壓加工過程中，沖模的凸模與凹模直接接觸被加工材料并對(duì)材料施加壓力，使材料沿輪廓線分離，從而在工件上得到預(yù)期的孔。
5.2 沖壓件的工藝分析
該工序是在材料為Q235上進(jìn)行非圓形和圓形的沖孔加工，由于沖孔尺寸的工件外形尺寸均較簡(jiǎn)單，且生產(chǎn)批量不大，為縮短模具的制造周期，降低模具成本，而采用單工序模進(jìn)行對(duì)零件的加工。
5.3 計(jì)算沖壓力
該模具采用彈性卸料和下出件方式。Q235的抗拉強(qiáng)度為 MPa。
5.3.1 沖孔力
根據(jù)文獻(xiàn)[11]公式：
（5-1）
其中：F—沖孔力(N)；
—抗拉強(qiáng)度(MPa)，取=400MPa；
t—材料厚度(MPa)，t=3mm；
L—零件的沖孔毛坯的周長(zhǎng)(mm)。
所沖孔的總周長(zhǎng)為L(zhǎng)=2×2×3.14×7.5+2×3.14×6+2×3.14×5.5+[2×3.14×5.5×0.5×2+2×（125-11）] ×2=691.5
故 N。
5.3.2 沖孔時(shí)的卸料力
根據(jù)文獻(xiàn)[11]公式
（5-2）
其中：F—沖孔力(N)；
K—系數(shù)。K=0.04。
故 F=KF=0.04×829.8×10=33.2×10N
5.3.3 推件力計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[11]公式：
（5-3）
其中：F—沖孔力(N)；
K—系數(shù)。K=0.045
n—卡在凹模洞口的工件(或廢料)數(shù)目,n=5
取凹模刃口形式為上小下大的形式,。
故 F=nKF=(5×0.045×829.8×10)N=186.7×10N
5.3.4 選擇沖床時(shí)的總壓力
選擇沖床時(shí)的總壓力為 F=F+ F + F=829.8+33.2+186.7=1049.7KN
5.4 確定模具壓力中心
按比例畫出零件形狀，與落料模選定同一坐標(biāo)系XOY。因零件孔不對(duì)稱，故Xc與Yc都需計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[14]將工件沖裁周邊分成L1，L2，…，L11基本線段，求出各段的重心：
L1=262.54 X1=--92.5 Y1=214
L2=262.54 X2=－377.5 Y2=214
L3=34.54 X2=-470 Y3=214
L4=47.1 X4=－-596 Y4=172.1
L5=47.1 X5=-571 Y5=33.8
L6=37.68 X6=－70 Y6=144.7
由公式：
（5-4）
可計(jì)算mm
由公式：
= （5-5）
可計(jì)算得=mm
故壓力中心坐標(biāo)值為（-285.22,185.1）
5.5 計(jì)算凸模、凹模的刃口尺寸
沖孔時(shí)，尺寸是由凸模決定的，因此應(yīng)以沖孔凸模為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。
根據(jù)文獻(xiàn)[12]表2-1得間隙值Z=0.46 Z=0.64mm
凸、凹模制造公差由表3-6查得：
對(duì)于15的孔：=-0.02
對(duì)于12的孔：=-0.02
對(duì)于11的孔：=-0.02
用分別加工法計(jì)算凸模：
根據(jù)公式：
， （5-6）
其中：—凸模尺寸(mm)；
—工件基本尺寸(mm)；
—系數(shù)，按工件精度查得：=0.75；
當(dāng)工件公差為IT10以上時(shí)， 取x=1
當(dāng)工件公差為IT13～11時(shí)， 取x=0.75
當(dāng)工件公差為IT14以上時(shí)， 取x=0.5
—工件公差(mm)；
—凸模制造公差(mm)。
則各凸模各部分尺寸為：
對(duì)于Φ15孔 mm
對(duì)于Φ11孔 mm
對(duì)于Φ12孔 mm
對(duì)于11×125鈑金槽 R=（5.5+0.75×0.27） mm
凸模工作部分尺寸按凹模配制，保證雙面均勻間隙為mm。
5.6 模具總體設(shè)計(jì)主要零部件設(shè)計(jì)
5.6.1 模具主要零部件的設(shè)計(jì)
a)凹模計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[11]，mm，mm，
根據(jù)公式：
（5-7）
（5-8）
H= Kb=0.24×125=30，C=2H=60
其中：H—凹模厚度(mm)；
C—凹模壁度(mm)；
b—最大外形尺寸(mm)；
t—材料厚度(mm)。
根據(jù)凹模厚度和壁厚及工件尺寸,可以計(jì)算凹模的外形尺寸:
長(zhǎng)度、寬度和厚度為mm
b）凸模及相關(guān)組件的設(shè)計(jì)
凸模組件有一般包括凸模、凸模固定板以及墊板等。對(duì)于該沖孔模采用的結(jié)構(gòu)形式為臺(tái)階的形式，而凸模的一般固定方式為銷釘和螺釘來固定。
由于該沖孔零件的厚度比較大，所以對(duì)于該模具的材料要有較高的耐磨性能，并能夠承受較大的沖裁力。所以選用了Cr12MoV為凸模材料，凸模工作部分的表面粗糙度為0.8mm其它的表面粗糙度為6.3mm。
對(duì)于該模具而言，由于制件的尺寸比較大，所以采用凸模固定板的方式來固定凸模，凸模固定板的主要作用是在零件加工的過程中，對(duì)凸模起到一定的保護(hù)作用，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)凸模的固定作用。
由凸模的主要尺寸及其結(jié)構(gòu)教室凸模固定板的尺寸如下：
按文獻(xiàn)[11]經(jīng)驗(yàn)公式:
（5-9）
mm
可取凸模固定板的厚度為：mm
c）凸模和凹模的材料
由于在冷態(tài)下被加工材料的變形抗力較大且存在加工硬化效應(yīng)，故凹模和凸模承受很大的載荷及摩擦、沖擊作用。Cr12MoV具有優(yōu)良的熱處理性和耐磨性，且韌性交好，通過高溫淬火，還具有一定的熱硬性，所以凹模和凸模的材料選用Cr12MoV。
d）卸料橡膠的自由高度:
根據(jù)零件材料厚度為3mm,沖裁時(shí)凸模進(jìn)入凹模深度取1mm,維修時(shí)刃磨量為5mm,模具開啟時(shí)卸料板高出凸模壓3mm.因此總的工作行程mm
根據(jù)[15]公式:
（5-10）
橡膠的自由高度mm
取mm
模具組裝時(shí),橡膠的預(yù)壓量根據(jù)公式:
（5-11）
mm
橡膠的裝配高度
mm
取40mm
根據(jù)公式：
D= （5-12）
得D==53.96
D-橡膠外徑
e）上下模座的外形尺寸、厚度和材料
根據(jù)凹模外形尺寸確定下模座尺寸為：
長(zhǎng)度、寬度和厚度：860×483×45(mm）
相應(yīng)確定上模座尺寸為：
長(zhǎng)度、寬度和厚度：860×483×30（mm）
因?yàn)樯舷履Ｗ诠ぷ髦惺艿捷^大的沖擊力，故選擇HT200，它能夠承受較大的載荷且，鑄造性能好，由于石墨有一定潤滑效果，HT200具有較好的減磨和耐磨性。
卸料板的外形尺寸和厚度為：
長(zhǎng)度、寬度和厚度：750×353×18（mm）
5.6.2 模具總體設(shè)計(jì)
根據(jù)以上分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)出沖孔模，如圖5-1所示結(jié)構(gòu)。
圖5-1 沖孔模
5.6.3 模具的工作原理
完成該工序時(shí)，零件的坯料在沖壓過程中極易滑動(dòng)，必須采取定位措施。具體的方法是采用固定銷的方式來達(dá)到定位的效果。在零件加工時(shí)，可直接將坯料放在凹模上進(jìn)行加工。這樣的定位方式既安全又可靠。
模具的總體結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。上模座采用帶柄的矩形模座，凸模采用固定板和螺釘和銷釘固定在模座。下模部分由凹模、下模座等組成，通過螺釘和銷釘固定。
模具的工作過程：將落料后的坯料放在凹模上，與定位銷接觸，這樣起到定位的作用。當(dāng)模具下行時(shí)，凸模與坯料進(jìn)行接觸，使坯料充分的定位，繼續(xù)下行時(shí)，使零件的各部位成形。上?；爻虝r(shí)，通過橡膠回彈的作用，帶動(dòng)卸料螺釘，將工件彈出并完成該工序的加工。
5.7 凸模校核
根據(jù)文獻(xiàn)[16]公式：凸模為圓形的公式：
（5-13）
凸模為非圓形的公式 ：
（5-14）
由于所選的凸模材料為Cr12MoV，根據(jù)表查得=981～1569MPa.
5.7.1 圓形凸模的校核
a）Φ11孔的凸模強(qiáng)度校核
由上面的公式可知：
則MPa
由于小于標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力，所以該凸模的強(qiáng)度符合條件。
b）Φ12孔的凸模強(qiáng)度校核
由上面的公式可得：
則MPa
由于小于標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力，所以該凸模的強(qiáng)度符合條件
c）Φ15孔的凸模強(qiáng)度校核
由上面的公式可知可根據(jù)公式計(jì)算
則MPa
由于小于標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力，所以該凸模的強(qiáng)度符合條件
5.7.2 非圓形凸模的強(qiáng)度校核
鈑金槽的凸模是一個(gè)非圓形的凸模，所以它的強(qiáng)度校核可以用非圓形的凸模公式來校核。
由公式： P==315×10 F=3.14×5.5+11×114=1349
可得MPa
由于小于標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力，所以該凸模的強(qiáng)度符合條件。
5.8 壓力機(jī)的選擇
由計(jì)算結(jié)果可知
最大的沖壓力為 KN，
模具的最大閉合高度為 H=176mm，
模具外形尺寸為 860×483
模柄的尺寸為 Φ70×80
根據(jù)以上的資料，根據(jù)文獻(xiàn)[14]選擇壓力機(jī)的型號(hào)JD21-160，壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下所示：
公稱壓力/ KN： 1600
滑塊行程/mm： 160
行程次數(shù)： 40
最大的閉合高度/mm： 450
工作臺(tái)尺寸/mm： 1120×710
模柄孔的尺寸/mm： Φ70×80
最大傾角度/o： 25o
工作臺(tái)厚度/mm： 130
電動(dòng)機(jī)功率/KW： 11
6 彎曲模的設(shè)計(jì)
6.1 彎曲模的工作原理
凸模與凹模直接接觸被加工材料并對(duì)材料施加壓力，使板料或沖裁后的坯料沿著一直線軸產(chǎn)生永久變形，形成一定的角度或形狀.
6.2 彎曲件的工藝性
6.2.1 彎曲件的工藝性
具有良好工藝性的彎曲件，能簡(jiǎn)化彎曲工藝過程和提高彎曲件的精度，并有利于模具的制造。彎曲件的工藝性內(nèi)容很多，主要的是彎曲半徑以及彎曲件的幾何形狀和尺寸精度等。
6.2.2 彎曲件的彎曲圓角半徑
材料產(chǎn)生塑性變形才能形成所需要的形狀，為了實(shí)現(xiàn)彎曲件的形狀，彎曲圓角半徑最大值是沒有限制的。彎曲件的彎曲圓角半徑不應(yīng)過小或過大。彎曲半徑過小，彎曲時(shí)外層材料拉深變形量容易被彎裂；彎曲半徑過大，因受到回彈的影響，彎曲角度和圓角半徑的精度均不能保證。
6.2.3 彎曲件的孔與彎曲處的最小距離
孔邊距彎曲半徑R的中心距離L與料厚有關(guān)，一般為：t<2mm時(shí)，取Lt ；t>2mm時(shí)，取L2t。當(dāng)孔邊距彎曲半徑R中心距離過小，而彎曲件結(jié)構(gòu)又允許時(shí)，可先在彎曲線上沖出工藝孔，或切出月牙槽，以轉(zhuǎn)移變形區(qū)域，得到所需要孔的正確形狀。該制件對(duì)孔的要求不是很高，所以可以在沖孔后在進(jìn)行彎曲。
6.2.4 彎曲件的精度
彎曲件的精度要求應(yīng)合理。影響彎曲件精度的因子很多，如材料厚度公差，材料性質(zhì)、回彈、偏移等。對(duì)于精度要求較高的彎曲件，必須減少材料的厚度公差，消除回彈。但這在某些情況下有一定困難，因此，彎曲件的尺寸精度一般在IT13以下。
6.3 彎曲件工序的確定原則
除形狀簡(jiǎn)單的彎曲件以外，許多彎曲件都需要經(jīng)過幾次彎曲成形才能達(dá)到最后要求。為此就必須確定工序的先后順序。彎曲件工序的確定，應(yīng)根據(jù)制件形狀的復(fù)雜程度，尺寸大小，精度高低，材料性質(zhì)，生產(chǎn)批量等因子綜合考慮 。如果彎曲工序安排合理，可以減少工序，簡(jiǎn)化模具。反之，安排不當(dāng)，不僅費(fèi)工時(shí)，且得不到滿意的制件。工序確定的一般原則如下：
對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的彎曲件，盡可能一次成型。
對(duì)于形狀較復(fù)雜的彎曲件，一般需要兩次或多次彎曲成形，多次彎曲時(shí)應(yīng)該先彎外角后彎內(nèi)角，并應(yīng)該使后一次彎曲不影響前一次彎曲部分，以及前一次彎曲必須使后一次彎曲有適當(dāng)?shù)亩ㄎ换鶞?zhǔn)。
彎曲角和彎曲次數(shù)多的制件，以及非對(duì)稱形狀制件和有孔或有切口的制件等，由于彎曲很容易發(fā)生變形或出現(xiàn)尺寸誤差，為此，最好在彎曲過后在切口或沖孔。
對(duì)于批量大，尺寸小的制件，為了提高生產(chǎn)率，應(yīng)采用有沖裁，壓彎和切斷等多任務(wù)序的連續(xù)沖壓工藝成性。
非對(duì)稱的制件，若單件彎曲時(shí)毛坯容易發(fā)生偏移，應(yīng)采用成對(duì)彎曲成形，彎曲后在切開。
所以，根據(jù)上面所述結(jié)合制件的形狀可以確定該制件的工序，應(yīng)該采用一次彎曲成形。
6.4 彎曲力的計(jì)算
6.4.1 自由彎曲力的計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[12]自由彎曲力的公式：
（6-1）
==393×10N
其中：—自由彎曲力(N)；
K—安全系數(shù)，一般取K=1.3；
B—彎曲件的寬度(mm)；
t—彎曲件的厚度(mm)；
r—彎曲件的內(nèi)彎曲半徑(mm)；
—材料的強(qiáng)度極限(Mpa)；
6.4.2 頂件力和卸料力的計(jì)算
對(duì)一般的彎曲模而言，其頂件力或卸料力P值可取自由彎曲力的30～80%。
根據(jù)文獻(xiàn)[12]公式
（6-2）
則：Q=N
取Q=200×10N
6.4.3 彎曲時(shí)壓力機(jī)壓力的確定
由于該彎曲為有壓料的自由彎曲，所以它的壓力機(jī)的壓力應(yīng)大于自由彎曲力、頂件力和壓料力之和。
根據(jù)文獻(xiàn)[12]公式：
Q （6-3）
則：N
6.5彎曲模工作部分的尺寸
6.5.1 凸凹模的圓角半徑及凹模深度
彎曲模工作部分尺寸的確定應(yīng)視變形條件，變形程度，材料的厚度與性能而定。彎曲凸模的圓角半徑和彎曲角應(yīng)根據(jù)工件的內(nèi)圓角半徑和角度并考慮彈復(fù)值進(jìn)行修正后確定。根據(jù)文獻(xiàn)[11]進(jìn)行如下計(jì)算：
a) 凸模圓角半徑r當(dāng)較小時(shí)，r=r，當(dāng)較大時(shí)，則應(yīng)考慮回彈現(xiàn)象而予以修正。
在本設(shè)計(jì)中，==0.5 較小，故取r=r
b)凹模圓角半徑r，常根據(jù)材料厚度選取，
t2mm時(shí)，r=(3～6)t
t=2～4mm時(shí), r=(2～3)t
t>4mm時(shí)，r=2t
在本設(shè)計(jì)中，t=3mm，故取r=(2～3)t=(2～3)×3=6～9mm，取r=8mm
c)凹模尺寸的計(jì)算
根據(jù)公式：
（6-4）
（6-5）
得： H=Kb=0.18×624=112 H=2×112=224
凹模各部分的尺寸：
根據(jù)公式：
A=（A-k） （6-6）
尺寸為50的邊：A=（50-×0.46）=49.89
尺寸為485的邊：A=（485-×0.97）=49.89
尺寸為R28的邊：A=（28-×0.33）=49.89
尺寸為R50的邊：A=（50-×0.46）=27.96
查表得h=6 故凹模深度為H=38+6+18=70
其中頂板為H=18，頂板在凹模中工作。 R=8
d)根據(jù)文獻(xiàn)[14]查表4-8得h=6 故凹模深度為H=38+6+18=70
凹模的尺寸為1072×642×112
上模座的尺寸為1142×772×90
其中頂板為H=18，頂板在凹模中工作。 R=8
下模座的尺寸為1142×772×100
因?yàn)樯舷履Ｗ诠ぷ髦惺艿捷^大的沖擊力，故選擇HT200，它能夠承受較大的載荷且，鑄造性能好，由于石墨的有一定潤滑效果，HT200具有較好的減磨和耐磨性。
由于在冷態(tài)下被加工材料的變形抗力較大且存在加工硬化效應(yīng)，故凹模和凸模承受很大的載荷及摩擦、沖擊作用。Cr12MoV具有優(yōu)良的熱處理和耐磨性，且韌性交好，通過高溫淬火，還具有一定的熱硬性，所以凹模和凸模的材料選用Cr12MoV。
6.5.2 彎曲模的間隙
根據(jù)公式：
（6-7）
所以Z/2=3+0.01+0.08×3=3.25
Z/2—彎曲凸、凹模單面間隙；
t—板料厚度的基本尺寸；
=板料厚度的正偏差；
K—彎曲間隙系數(shù)，其值按文獻(xiàn)[14]表4-10選取
在本設(shè)計(jì)中，精度要求較高時(shí)，如接觸彎曲,則C=t=3mm。
6.5.3 壓力機(jī)的選擇
由計(jì)算結(jié)果可知
最大的沖壓力為 KN，
模具的最大閉合高度為 H=343mm，
模具外形尺寸為 1142×772
模柄的尺寸為 Φ70×80
根據(jù)以上的資料，根據(jù)文獻(xiàn)[14]選擇壓力機(jī)的型號(hào)J13-160，壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下所示：
公稱壓力/ KN： 1600
滑塊行