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沖壓模具設計中側壁起皺的分析 F.-k. Chen and Y.-C. Liao 臺灣 臺北市國立臺灣大學機械工程部門 在沖壓過程中，起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當發(fā)生起皺時，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過有限元模擬方法被檢查到。模擬結果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實際部分。在側壁被發(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)品中介于模擬結果和實測結果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實了利用有限元分析法去設計沖模的優(yōu)勢。 關鍵詞：側壁起皺；沖模；階梯的矩形杯子；帶有錐度的主形杯子 1． 介紹 起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因，在產(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，側壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個復雜形狀零件的操作時，側壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側壁區(qū)域的金屬板料相對于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質量，側壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯，在未被加固的側壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺，而且在實際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會通過裂痕導致失敗。因此，沖壓力必須處于一個狹小的范圍，一方面，要高于抑制起皺的力，另一方面，要低于產(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構，Yoshida et al.發(fā)明了一種測試，在這種測試里，一塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計劃一個近似的理論模型，在這種模型里面，起皺的開始取決于在壓力不均勻區(qū)域中有壓縮的側部力的彈性灣曲。Yu et al.從實驗性和分析性上研究起皺問題，通過理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個圓周波的起皺可能發(fā)生，然而，實驗結果顯示是四到六個。當通過一個有錐度的模具畫出金屬板料時，Narayanasamy和sowerby用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板料的起皺。他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類。 那些努力都被聚中于和簡單形狀零件關聯(lián)的起皺問題上，例如：一個圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動態(tài)軟件和有限元方法的成功運用使得分析包括在沖壓一個復雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當前的研究中，三維有限元分析法被用來分析在沖壓一個帶有階梯的矩形部分的過程中，產(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壁，在帶有錐度的杯子也相應的存在傾斜的側壁。在沖壓過程中，側壁上的金屬板料相對沒被支撐，因此，這個部位更容易起皺。在當前的研究中，起皺過程中的各種不同的制造參數(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度的旋轉方向到45度的旋轉方向，再到90度的旋轉方向進行著。平均的流動力σ，計算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因為每一個方法真實應變通常用來模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓，就如圖3顯示的那樣。 當前研究中所有的模擬利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。為了完成模似所需輸入數(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。相關的在側壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對于沖壓一個錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。 3.1沖模間隙的影響 為了檢查沖模間隙對起皺的影響，在沖壓一個錐度方形杯子時，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應力應變曲線如圖3所示。 圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子 模擬結果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(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，起皺分布在側壁，側壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側壁有大面積區(qū)域不被支撐，同樣，由于沖模間隙不一樣，沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大，在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來越不牢固。在壓縮下，側壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來的產(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，同一側壁高度，沿著橫截面M-N的β值在圖4中標記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對三個沖模間隙不同的沖壓，在側壁中心很少發(fā)生起皺。還說明了沖模間隙越大，β的實際值就越大。因此，增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側壁處發(fā)生起皺的可能性。 3.2沖壓力的影響 眾所周知，在沖壓過程中，增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響，沖模間隙為50mm與起皺是有關聯(lián)的，用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個力分別產(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。 模擬結果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側壁的起皺。在圖4中已標出沿著橫截面M-N的β值與沖壓力為100KN和600KN的β值作比較。模擬結果指出兩種情況下，沿著橫截面M-N的β值是一樣的。為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形狀，正如圖4和圖6標出的那樣，側壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出，兩個外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因為起皺的原因主要是由于在有橫向壓力存在的側壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。 圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值 4階梯矩形杯子 在沖壓一個階梯矩形杯子時，起皺發(fā)生在側壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側壁C沿臺階D-E而行。在近期的研究中，在一個實際的產(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，皺紋分布在側壁上，類似真實零件中的那樣。 圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側壁高度的橫截面線條 圖7 產(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。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。模擬結果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設計中是不允許的。 利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實的產(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 加到側壁的起皺 圖10顯示的那樣。這就為模具設計的改進提供了有價值的信息。 圖10 當板料接觸臺階邊緣的起皺形成 圖11 切除了的臺階拐角 對于起皺的發(fā)生，最初的一個猜想是沖頭拐角處范圍A和階梯拐角處范圍D之間的金屬板料處于不平坦的拉深，就如圖1（b）所示。階梯拐角處被切主要是為了改善拉深條件，這樣就允許通過增加階梯邊緣有更多的拉伸被應用到如圖11所示，從而使得模具設計的改進得到發(fā)展。但是，杯子側壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因為整個沖頭邊緣和整個階梯邊緣的不平坦引起的，不僅僅是沖頭拐角處和階梯拐角處之間的不平坦。為了證實這種說法，兩種改進過了的模具設計被用來實驗：為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作，一種是切去整個階梯，而另一種是增加更多的拉深操作。前一個方法的模擬形狀所圖12所示。自從更低的階梯被切去后，拉深工序與圖12中的矩形杯子拉深工序性很相似。從圖12中可以看出起皺現(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概要和結束語 通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺，而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。 第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側壁上，這種起皺的原因是因為沖模間隙過大（沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距）。當金屬被拉至模腔中，在沖頭和型腔中有一有害的拉深時，大的沖模間隙導致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐，因此大面積區(qū)域不被支撐導致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過增加沖壓力的方法來得到抑制。 另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過程中。起皺往往發(fā)生在臺階以上的側壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設計過程中，通過有限元模擬分析法單獨的嘗試被用來消除起皺，切除了臺階的模具被建立。通過無缺陷的零件證實了這種模具設計方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結果和真實產(chǎn)品中看到的結果相吻合說明了有限元模擬分析法的準確性，還證實了用有限元分析法代替真實的模具制造方法的效力。 感謝 作者希望感謝中國人民共和國民族科學委員會授于NSC-86-2212-E002-028編號才使得這個項目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產(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。 河南機電高等專科學校 學生畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 學生姓名 學 號 指導教師 選題情況 課題名稱 落料沖孔級進模 難易程度 偏難 適中 √ 偏易 工作量 較大 合理 √ 較小 符合規(guī)范化的要求 任務書 有 √ 無 開題報告 有 √ 無 外文翻譯質量 優(yōu) 良 √ 中 差 學習態(tài)度、出勤情況 好 √ 一般 差 工作進度 快 按計劃進行 √ 慢 中期工作匯報及解答問題情況 優(yōu) 良 √ 中 差 中期成績評定：良 所在專業(yè)意見： 圖紙結構合理，設計條理清晰，按規(guī)定的時間進度進行 負責人： 年 月 日 河南機電高等專科學校 畢業(yè)設計（論文）任務書 系 部： 專 業(yè)： 學生姓名: 學 號: 設計(論文)題目： 落料沖孔級進模 起 迄 日 期: 2006 年 4月10日~ 5 月13 日 指 導 教 師: 發(fā)任務書日期: 2006 年 3月 20 日 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 1．本畢業(yè)設計（論文）課題來源及應達到的目的： 　 工件名稱：手柄 生產(chǎn)批量：大批量 材料：10號鋼 厚度：2.2mm 2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）： 1. 工藝分析 2. 工藝方案的確定 3. 模具設計（沖裁力的計算，壓力中心的確定，刃口尺寸計算） 4. 模具總體結構設計 5. 模具裝配 6. 總結 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日 系部意見： 系領導： 年 月 日 河南機電高等?？茖W校 畢業(yè)設計（論文）評語 學生姓名： 班級: 學號： 題 目： 落料沖孔級進模 綜合成績： 指導者評語： 該畢業(yè)生能在規(guī)定的時間內完成畢業(yè)答辯內容，設計具有很好的創(chuàng)意將難的問題變得很簡單，論文寫作規(guī)范;但是由于在設計的邏輯性方面有一定的問題， 建議該生的成績評定為“良”. 可以提交答辯！ 指導者(簽字)： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）評語 評閱者評語： 論文選題具有一定的價值與意義，有很強的創(chuàng)新性； 圖紙和說明書工作量較大； 寫作規(guī)范； 但是在一些問題上還值得商榷； 建議成績評定為“良”； 可以提交答辯。 評閱者(簽字)： 年 月 日 答辯委員會（小組）評語： 知識面掌握廣泛、 邏輯思維能力強、 口頭表達能力良好、 回答問題情況良好，但是還存在一定的問題. 答辯委員會（小組）負責人(簽字)： 年 月 日 河南機電高等?？茖W校 畢業(yè)設計論文 論文題目：落料沖孔級進模 系 部 專 業(yè) 班 級 學生姓名 學 號 指導教師 2006年 05 月 13 日 機械加工工藝過程卡 機械加工工藝過程卡片 產(chǎn)品型號 零（部）件圖號 02 產(chǎn)品名稱 落料沖孔級進模 零（部）件名稱 凸模 共（2 ）頁第（1 ）頁 材料牌號 Cr12 毛坯 種類 棒料 毛坯外型尺寸 mm ×320 每個毛坯可制件數(shù) 4 每臺 件數(shù) 1 備注 工序號 工序名稱 工 序 內 容 車間 工段 設備 工 藝 裝 備 工時 準終 單件 1 下料 剪切長80mm的棒料 金工車間 1 鋸床 鋸床專用夾具 20 5 2 鍛造 反復多次鐓粗拔長 鍛造車間 1 自由鍛 120 30 3 熱處理 去應力退火 鍛造車間 5 加熱爐 圓口鉗 90 90 4 車削 車外圓和端面 金工車間 2 車床 車床專用夾具 60 60 5 熱處理 高溫淬火、回火 鍛造車間 5 電熱爐 圓口鉗 120 120 6 線切割 切削凹?？? 金工車間 6 線切割機床 線切割專用夾具 120 120 7 精磨 磨削外圓 金工車間 5 磨床 磨床專用夾具 30 30 8 修整 鉗工修整外部輪廓 金工車間 8 30 30 設計日期 審核日期 標準化日期 會簽 日期 標記 記數(shù) 更改文 件號 簽字 日期 標記 處數(shù) 更該文件號 2006.5 機械加工工序卡片 產(chǎn)品型號 零(部)件圖號 02 產(chǎn)品名稱 落料沖孔級進模 零(部)件名稱 凸模 共( 2 )頁 第(2 )頁 車間 工序號 工序名稱 材料牌號 金工車間 6 線切割 Cr12 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每個毛坯可制件數(shù) 每臺件數(shù) 棒料 4 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數(shù) 線切割機床 DK7710 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 皂化液 工位器具編號 工位器具名稱 工序工時 準終 單件 120 120 工步號 工步內容 工藝裝備 主軸轉速 r·minˉ1 切削速度 m·minˉ1 進給量 mm·rˉ1 切削深度 mm 進給次數(shù) 工步工時 機動 輔助 1 穿絲孔的加工 鉆床 600 1.5 70 3 5 2 2 工件的找正 5 5 3 確定電極絲中心坐標 5 5 4 加工 1 30 15 設 計(日期) 審 核(日期) 標準化(日期) 會 簽(日期) 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 2006.5 模具典型零件機械加工工序卡 河南機電高等?？茖W校 畢業(yè)設計(論文)開題報告 學生姓名： 學 號： 專 業(yè)： 設計(論文)題目： 落料沖孔級進模 指導教師： 2006年 4 月9 日  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫1500字左右（本科生200字左右）的文獻綜述(包括目前該課題在國內外的研究狀況、發(fā)展趨勢以及對本人研究課題的啟發(fā))： 文 獻 綜 述 在進行畢業(yè)設計之前，必須做好一切準備工作，而收集有關設計課題研究方面的資料、文獻是最為重要的。在設計工作開始時，只有對課題研究的內容有了，充分地了解，才會有設計目的和方向；所以收集、查閱有關文獻資料是必要的。 在設計之前首先應該對國內外的模具發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢有所了解，以便在設計過程中能夠正確、合理地設計出一套模具。下面就先分析一下國內外的模具發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢以及我國的模具發(fā)展現(xiàn)狀。 1.隨著工業(yè)產(chǎn)品質量的不斷提高，沖壓產(chǎn)品的生產(chǎn)正呈現(xiàn)出多品種、少批量，復雜、大型、精密，更新?lián)Q代速度快等變化特點，沖壓模具也正向高效、精密、長壽命、大型化方向發(fā)展。為適應市場的變化，隨著計算機技術和制造技術的迅速發(fā)展，沖壓模具設計與制造技術正在由手工設計、依靠工人的經(jīng)驗和常規(guī)的機械加工技術向計算機輔助設計（CAD）、數(shù)控加工中心進行切削加工、數(shù)控線切割、數(shù)控電火花等為核心的計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）技術方面轉變。模具的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢如下詳述： 1）.CAD/CAM技術的應用：CAD/CAM是一項高科技、高效益的系統(tǒng)工種，是模具設計與制造行業(yè)的有效輔助工具；通過它能夠對產(chǎn)品、模具結構、成型工藝、數(shù)控加工及成本等進行設計和優(yōu)化?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應用與模具的設計與制造加工的過程中，并還在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新。 2）.模具標準件：模具的標準化對縮短模具制造周期、提高質量、降低成本起到很大的作用。我國的模具標準化程度達到30%以下，而國外先進國家達到70%—80%左右。這樣，不僅有利于國內的模具制造的發(fā)展，也有利于模具的國際化發(fā)展。 3）.模具的制造精度：國外的制造水平能夠是制造公差達到0.003—0.005 mm，表面的粗糙度達到Ra 0.0002 mm以下（花10以上）；我國的制造水平可以是制造公差達到0.01—0.02 mm,模具表面的粗糙度達到Ra0.00160.0008 mm（花7—8）。由此可見，如今模具技術的發(fā)展水平還是很高的，但也可以看出我國在這方面的技術與國外先進國家還有很大的差距。 4）.模具的使用壽命：國外的沖壓模具的使用壽命，（合金鋼制模）500—1000萬次，（硬質合金制模）2億次；我國的沖壓模具的使用壽命分別為：100—400萬次，6000—1億次。模具的使用壽命的加長就意味著模具的制造成本降低，從而提高了生產(chǎn)效益。 5）.模具的加工制造設備：國外已經(jīng)廣泛地使用了數(shù)控加工中心，線切割，電火花，化學腐蝕等先進的設備，大大地提高了模具的制造周期。 2.我國的模具業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀：進入21世紀，隨著科學技術的發(fā)展，我國的工業(yè)化程度也有了很大地提高，特別是在模具行業(yè)有了很大地發(fā)展。如：在模具設計與制造上，不但自己可以制造一些大型，精密，復雜，高效，長壽命的模具，并且能夠出口到國外，打開國外的市場。但是，目前我國的沖壓技術與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當落后，主要原因是我國在沖壓基礎理論及成型工藝，模具標準化，模具設計，模具制造工藝及設備等方面與工業(yè)發(fā)達國家尚有相當大的差距，導致我國的模具在壽命，效率，加工精度，生產(chǎn)周期等方面與工業(yè)發(fā)達國家的模具相比差距相當大。因此這就需要我們努力去研究，推動我國模具業(yè)的發(fā)展。  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 ２．本課題的研究思路（包括要研究或解決的問題和擬采用的研究方法、手段（途徑）及進度安排等）： 1. 先通過收集和查閱各種文獻資料和與同學老師的交流、指導，對目前國內外的模具（沖壓模具）的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢進行深入的了解，預計用時間三天； 2. 拿到工件的結構簡圖，對工件進行結構形狀、尺寸精度、加工工藝性等方面作出詳細地分析，并查閱相關資料看是否符合常規(guī)零件結構設計，預計用時兩天； 3. 經(jīng)過對工件的結構工藝性分析，擬訂可行的沖壓工藝方案，并經(jīng)過分析，研究、比較，選擇一種最為合理的沖壓工藝作為生產(chǎn)應用，估計用時間兩天； 4. 進行主要的設計計算，利用各種經(jīng)驗公式或者經(jīng)驗數(shù)據(jù)對沖壓力（沖裁力、卸料力、總沖壓工藝力），壓力中心的位置，工作零部件的刃口尺寸的設計計算以及彈性卸料元件橡膠的設計，預計需用時間四天； 5. 根據(jù)工件的結構，材料，生產(chǎn)批量來進行模具的總體設計，包括模具的類型，定位方式，卸料方式，導向方式等方面的設計；在設計中，應該綜合考慮模具的安裝，維修，生產(chǎn)效率等，預計用時間兩天； 6. 對模具的主要零部件進行設計，主要有凸模、凹模、定位板、卸料板、模架和導柱導套等零件，根據(jù)工作需要的強度來設計尺寸，包括各零件的圖紙，預計需用時間五天； 7. 模具的總裝圖和工作原理（有裝配簡圖）需要用時間兩天； 8. 模具主要零部件的加工工藝過程（凸模、凹模、定位板、卸料板）分析與設計，預計用時間兩天； 9. 模具的裝配與調試，預計用時兩天。 參考文獻 1、盧吉連著 我國模具應用技術現(xiàn)狀與發(fā)展 模具技術 2000 2、胡石玉 龔光容著 模具制造技術 東南大學出版社 1997 3、黃毅宏著 模具知道工藝 機械工業(yè)出版社 2000 4、李發(fā)致著 模具先進制造技術 機械工業(yè)出版社 2003 5、陳良杰著 國外模具技術發(fā)展動態(tài) 模具工業(yè) 2005 6、高佩福著 實用模具制造技術 中國輕工業(yè)出版社 2000 7、萬戰(zhàn)勝著 沖壓工藝及模具設計 中國鐵道出版社 1995 8、王樹勛著 模具實用技術設計綜合手冊 華南理工大學出版社 1995 9、馮曉曾 王家瑛 何世禹著 模具壽命指南 機械工業(yè)出版社 1994 10、周永泰著 改革開放以來我國模具工業(yè)發(fā)展主要成就 模具工業(yè) 2005  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 指導教師意見： 1．對“文獻綜述”的評語： 2．對本課題的研究思路、深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測： 指導教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）成績 畢業(yè)設計成績 指導老師認定成績 小組答辯成績 答辯成績 指導老師簽字 答辯委員會簽字 答辯委員會主任簽字 手柄沖孔、落料級進模設計 1 概述 冷沖壓是塑性加工的基本方法之一，它是利用安裝在壓力機上的模具，在室溫下對板料施加壓力使其變形和分離，從而獲得一定形狀、尺寸的零件的加工方法。因為它主要用于加工板料零件，所以也稱板料沖壓。 在冷沖壓加工中，將材料（金屬或非金屬）加工成零件（或半成品）的一種特殊工藝裝備，稱為冷沖壓模具（俗稱冷沖模）。冷沖模在實現(xiàn)冷沖壓加工中是必不可少的工藝裝備，沒有先進的模具技術，先進的沖壓工藝就無法實現(xiàn)。 沖壓加工在汽車、拖拉機、電機、電器、儀表和日用品的生產(chǎn)中，已占據(jù)十分重要的地位。 1.1 冷沖壓的特點及應用 1.1.1冷沖壓的特點 (1) 能沖壓出其他加工工藝難以加工或無法加工的形狀復雜的制件。如汽車覆蓋件等。 (2) 沖壓件質量穩(wěn)定，尺寸精度高。由于沖壓加工是靠模具成型，模具制造精度高、使用壽命長，故沖壓件質量穩(wěn)定，制件互換性好。尺寸精度一般可達到IT10～14級，最高可達到IT16級，有的制件不需再機械加工，便可滿足裝配和使用要求。 (3) 沖壓件具有重量輕、強度高、剛性好和表面粗糙度小等特點。 (4) 生產(chǎn)效率高，如汽車覆蓋件這樣的大型件的生產(chǎn)效率，可達每分鐘數(shù)件。 (5) 材料利用率高，一般為70%～85%，因此沖壓加工能實現(xiàn)少廢料，甚至無廢料生產(chǎn)。 (6) 操作簡單，便于組織加工生產(chǎn)。 (7) 易于機械化與自動化生產(chǎn)。 (8) 冷沖壓的缺點就是模具制造周期長、制造成本高，故不適合單件小批量生產(chǎn)。另外，冷沖壓生產(chǎn)多采用機械壓力機，由于滑塊往復運動快，手工操作時，勞動強度大，易發(fā)生事故，故必須特別重視安全生產(chǎn)、安全管理以及采取必要的安全技術措施。 1.1.2 冷沖壓的應用 沖壓加工的應用范圍十分廣泛，不僅可以加工金屬板料，而且也可以加工非金屬材料，在汽車、拖拉機、電機、電器、儀表、玩具以及日常生活用品的生產(chǎn)方面，都占有十分重要的地位。另外，在國防工業(yè)生產(chǎn)中，如飛機、導彈、各種槍彈與炮彈的生產(chǎn)，沖壓加工也占有很大的比例。 隨著汽車和家用電器等行業(yè)的飛速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達國家，對發(fā)展冷沖壓生產(chǎn)給予了高度重視。據(jù)近年來的統(tǒng)計表明，美、日等國的模具工業(yè)年產(chǎn)值已超過機床工業(yè)年產(chǎn)值的6%～12%。冷沖壓模具歷史悠久、用途廣、技術成熟，在各種模具中所占比例最大。汽車、摩托車、家電行業(yè)是模具最大的市場，占整個模具市場的60%以上。因此沖壓工藝在我國現(xiàn)代化建設中有著非常廣闊的發(fā)展前景。 1.2 冷沖壓的基本工序和沖壓工藝要求 1.2.1 基本工序 冷沖壓基本工序按板料的變形特點，可分為分離工序和變形工序兩大類。 金屬板料在沖壓力的作用下，其應力超過強度極限而沿一定的輪廓線斷裂，稱為分離工序。分離工序又可分為落料、沖孔和剪切等。 金屬板料在沖壓力的作用下，其應力超過屈服極限（但低于強度極限）而產(chǎn)生塑性變形，從而獲得一定形狀和尺寸要求的制件，稱為變形工序。變形工序又可分為彎曲、拉深、翻邊、脹形和旋壓等。 1.2.2 沖壓工藝要求 沖壓過程中，沖模是對金屬板料進行沖壓加工以獲得合格產(chǎn)品的工具，沖模的凸模與凹模直接接觸被加工材料并相對運動使其產(chǎn)生塑性變形來得到預期的零件。因此要求沖模： （1） 應具有足夠的強度、剛度和相應的形狀和尺寸精度； （2） 主要零件應有足夠的耐磨性及使用壽命； （3） 結構應確保操作安全，便于使用和維修； （4） 應有使材料順利送進、工件方便取出、定位可靠的裝置，以保證生產(chǎn)的工件質量穩(wěn)定； （5） 要有導向裝置以使沖模上下運動準確； （6） 零件的加工和裝配應盡可能簡單，盡量采用標準件、普通件，以縮短模具的制造周期，降低成本； （7） 結構應與沖壓設備的主要技術參數(shù)相適應，以便牢固的安裝在沖壓設備上； （8） 應具有與沖壓設備連接的部位和搬運吊裝部位，以適應安裝和管理的需要。 1.3 沖壓工藝新技術的發(fā)展 隨著科學技術的不斷進步和工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，冷沖壓技術及模具不斷革新和發(fā)展，沖壓工藝新技術發(fā)展主要反映在以下5個方面。 （1） 模具的計算機輔助設計和輔助制造技術（模具CAD/CAM） 采用該技術，模具設計和制造的效率一般可提高2～3倍，模具生產(chǎn)周期可縮短1/2～2/3。目前已達到CAD/CAM一體化，模具圖紙只是作為檢驗模具之用。 （2） 工藝分析中的板料成型模擬仿真技術（沖壓CAE） 對于普通沖壓工藝的制定，可根據(jù)有關資料進行工藝設計、計算；而對于復雜的曲面成型，例如汽車覆蓋件的成形，傳統(tǒng)的方法是憑設計者的經(jīng)驗，進行對比分析，初步確定工藝方案和有關參數(shù)，然后設計實驗模具并進行試沖。因此，周期長、投資大、風險大。近幾年來，國內外已采用彈塑性有限元法，開發(fā)出板料成型過程的模擬軟件，供設計人員對工藝參數(shù)進行修改和選擇，以預測某一工藝方案對零件成型的可行性和可能發(fā)生的質量問題。這一虛擬成型技術，即沖壓CAE，不僅可以節(jié)省昂貴的模具實驗費用，也可以大大縮短試制周期和提高成型件的質量。 （3） 快速模具制造技術的發(fā)展 將快速成型技術與各種常規(guī)的鑄造、粉末燒結工藝相結合而發(fā)展起來的快速模具制造技術，以及低熔點合金模具、樹脂模具都可用于冷沖壓成型。其模具的制造周期僅為常規(guī)模具切削制造的1/5～1/3，而成本僅為后者的1/4～1/2，在精度和壽命方面又能滿足生產(chǎn)上的使用要求，非常適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、工藝驗證或中、小批量生產(chǎn)的需要。 （4） 采用沖壓新工藝 精密沖裁、液壓成型、沖壓-焊接復合工藝等特種沖壓工藝的采用，使沖壓工藝的應用范圍進一步擴大，沖壓制件的質量和生產(chǎn)效率大大提高，從而使生產(chǎn)成本進一步降低。 （5） 冷沖壓生產(chǎn)的機械化和自動化 為了滿足大批量生產(chǎn)的需要，沖壓設備已由單工位的低速壓力機發(fā)展到多工位的高速壓力機；在高速壓力機上采用多工位的級進模進行沖壓加工，使冷沖壓生產(chǎn)達到高度自動化。 冷沖壓工藝與模具是一門實用性很強的課程，在學習這門課之前，除了應掌 握機械設計、金屬學、金屬塑性加工力學等基礎理論課程外，還應對沖壓生產(chǎn)實踐有所了解，具有初步的感性認識，這樣才能在學習中理論聯(lián)系實際，了解模具的類型 、結構，掌握模具的設計要點和設計方法等。 2.落料沖孔級進模設計 工件名稱：手柄 生產(chǎn)批量：大批量 材料：10號鋼 厚度：2.2mm 工件簡圖： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 2.1工藝分析、排樣設計 2.1.1手柄沖壓的工藝性分析 圖示零件材料為10號鋼板，能夠進行一般的沖壓加工，市場上也容易得到這種材料，價格適中。 手柄外形落料的工藝性：手柄屬于中等尺寸零件，料厚2.2mm，外形復雜程度一般，尺寸精度要求一般，因此可采用落料工藝獲得。 手柄沖孔的工藝性：大小為φ5mm和φ8mm的孔，尺寸精度要求一般，可采用沖孔。 此工件只有外形落料和沖孔兩個工序。圖示零件尺寸均為未注公差的一般尺寸，按慣例取IT14級，符合一般級進沖壓的經(jīng)濟精度要求，模具精度取IT9級即可。 由以上分析可知，圖示零件具有比較好的沖壓工藝性，適合沖壓生產(chǎn)。 2.1.2排樣設計 （1）確定零件的排樣方案 設計模具時，條料的排樣很重要。手柄零件具有一頭大一頭小的特點，單向排列時材料的利用率低，采用對排（圖2所示）的排樣方案可以提高材料的利用率，減少廢料。為了避免制作兩套凸模和凹模零件，降低模具的制造成本，采用調頭沖的送料方式，即隔位沖壓，條料完成一個方向的沖壓后，將條料水平方向旋轉1800，再沖第二遍，在第一次沖裁的間隔中沖裁出第二部分工件。 （2）條料寬度、導尺間寬度和材料利用率的計算 查表取得搭邊值為2.5mm和3.5mm。 送料步距如圖2所示 B=32+16+2.5+2.5=53 mm 條料寬度的計算：擬采用無側壓裝置的送料方式，由b-Δ=〔D+2a+c1〕- Δ D—條料寬度方向沖裁件的最大尺寸 a—側搭邊值 c1—導料板與最寬條料之間的間隙 代入數(shù)據(jù)計算，取得條料寬度為135mm。 導尺間距離的計算：由s=D+2(a+c1),代入數(shù)據(jù)計算得導尺間距離為136 mm。 材料利用率的計算： 根據(jù)一般的市場供應情況，原材料選用1000 mm×2000 mm×2.2 mm的冷軋薄鋼板。 每塊可剪2000mm ×135 mm規(guī)格條料7條，材料剪切利用率達94.5%。由一個步距的材料利用率通用計算公式： = 式中 A—一個沖裁件的面積，A2653.66mm2; n—一個進距內的沖裁件數(shù)量； B—條料寬度，mm; s—步距， mm 得 ==74.2% 2.2工藝方案的確定及工藝計算 手柄零件所需的基本沖壓工序為落料和沖孔，可擬訂出以下三種工藝方案。 方案一：用簡單的單工序模分三次加工，即落料——沖孔——沖孔。 方案二：沖孔落料復合模。 方案三：沖孔落料級進模。 圖2 方案一：模具結構簡單，成本低，但工件的累計誤差大，操作不方便，由于該工件為中批量生產(chǎn)，需三套設備成本高，生產(chǎn)率低。 方案二：生產(chǎn)率較方案一和三都高，加工精度高，但模具結構復雜，制作難度較大成本高，還有模具對壓力機噸位要求較方案一和三都高。 方案三：生產(chǎn)率較方案二低，精度略低于方案二，但是模具結構不太復雜成本較低，壓力機噸位要求低，故節(jié)省能源，由于此為大批量生產(chǎn)，精度要求不高，相比較而言方案三更具有可行性，更具有優(yōu)越性。 手柄零件大端φ5mm的孔與R16mm的外圓及φ8mm的孔之間的距離為3.5mm，大于此零件要求的最小壁厚（3.2mm）（1），可以采用沖孔、落料復合?；驔_孔、落料級進模。復合模模具制造難度大，并且沖壓后產(chǎn)品留在模具上，在清理模具上的物料時會影響沖壓速度，因此選用級進模更為合理。 2.3模具結構形式的選擇與確定 （1）正倒裝結構：根據(jù)上述分析，本零件的沖壓包括沖孔和落料兩個工序，為方便小孔廢料和成形工件的落下，采用正裝結構，即沖孔凹模和落料凹模都安排在下模。 （2）送料方式：采用手工送料方式。 （3）定位裝置：本工件在級進模中尺寸是較大的，又是大批量生產(chǎn)，順沖時第一個工位采用始用擋料銷定位，第二個工位采用固定擋料銷定位。調頭沖時第一個工位設置一個始用擋料銷定位（和順沖時的始用擋料銷定位不在同一個位置），第二工位靠固定擋料銷定位。送料時廢料孔與固定擋料銷作為粗定距，在大凸模上安裝一個導正銷，利用條料上φ5mm和φ8mm的孔做導正銷孔進行導正，依此作為條料送進的精確定距。 （4）導向方式：為確保零件的質量及穩(wěn)定性，選用導柱、導套導向。由于已經(jīng)采用了手工送料方式，為了提高開敞性和導向均勻性，采用對角導柱模架。 （5）卸料方式：本模具采用正裝結構，沖孔廢料和工件留在凹?？锥粗校瑸榱撕喕＞呓Y構，可以在下模座中開有通槽，使廢料和工件從孔洞中落下。工件厚度為2.2mm，為了保證工件有比較好的平整度，采用彈壓性卸料裝置。選用 JB/T8068.3-1995 彈壓縱向送料典型組合。 2.4沖壓力與壓力中心的計算 2.4.1沖裁工序總力的計算 由工件結構和前面所定的沖壓方案可知，本工件的沖裁力包括以下部分。 沖四個φ5mm孔的力P1、沖φ8mm孔的力P2，落外型料的力P3，向下推出φ5mm沖孔廢料的力P4，向下推出φ8mm孔廢料的力P5，向下推出工件的力P6。由于彈性卸料板卸條料的廢料的力是壓力機提供的，故用計算在內，沖裁φ5mm，φ8mm及工件外形后卸條料的力分別為P7、P8、P9。 考慮到模具刃部被磨損、凸凹模間隙不均勻和波動、材料力學性能及材料厚度偏差等因素的影響，實際計算沖裁力時按下面公式： P=KLtτ 式中 P—沖裁力（kN） L—沖裁件剪切周邊長度（mm） t—沖裁件材料厚度（mm） τ—被沖材料的抗剪強度(MPa) K—系數(shù)，一般取1.3。 上式中抗剪強度τ與材料種類和坯料的原始狀態(tài)有關，可在手冊中查詢。為方便計算，可取材料的τ=0.8σb,故沖裁力表達式又可表示為： P=1.3Ltτ≈Ltσb 式中 σb—被沖材料抗拉強度(MPa)。查手冊[1]表8—7得10鋼的σb=335MPa P1=4×5π×2.2×335=46.29kN P2=8π×2.2×335=18.52kN 由于　　L3= =268.7mm 則：P3=268.7×2.2×335=198.1kN 推件力 Pt=nKtP Kt—推件力系數(shù), Kt=0.055 n—同時卡在凹模的工件(或廢料)數(shù),其中n=h/t h—凹模刃部直壁洞口高度（mm）， t—料厚( mm) 查手冊[2]表2—40可得和h=6mm, 故n=3如圖3所示： 圖3 P4==7.64kN P5==3.06kN P6=3×0.055×198.1=32.69kN 卸料力 根據(jù)經(jīng)驗公式得 P =0.03P P7 =0.03×46.29=1.39 kN P8 =0.03×18.52=0.56 kN P9 =0.03×198.1=5.95 kN 工序總力 P=P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7+P8+P9 =46.29+18.52+198.1+7.64+3.06+32.69+1.39+0.56+5.95 =314.2KN 2.4.2彈性橡膠板的計算 本模具中橡膠板的工作行程由以下幾個部分組成：凸模修模量5mm；凸模凹進卸料板1mm；公件厚度2.2mm；凸模沖裁后進入凹模2mm；以上四項長度之和就是橡膠板的工作行程S工作；即 S工作=（5+1+2.2+2）mm=9.2mm 取壓縮量為自由高度的0.3則橡膠的自由高度為: H自由===30.7mm 由上面計算可知：P卸= P7+ P8+ P9=1.39+0.56+5.95=7.9KN 預壓縮量取15%，由圖1-17可查出P=0.5MPa，此時橡膠板應具有足夠的卸料力，其卸料力的大小用式1-2計算橡膠板所需的面積。則 A===15800=158 結合模具的實際結構，將橡膠板分成若干塊安裝。橡膠高度H自由與直徑D之比需要滿下式： 0.5 橡膠板的自由高度為30.7mm，厚度不可低于要求的尺寸，超出這個厚度時應考慮到每加厚1mm，就將增加相應的工作載荷約。橡膠板的總面積為158,分為4塊，每個用螺釘安裝在一塊，每個卸料螺釘安裝一塊，中間鉆孔13mm。四塊橡膠板的厚度無比一致，不然會造成受力不均勻，運動產(chǎn)生歪斜，影響模具的正常工作，卸料板采用45鋼制造，淬火硬度為40---45HRC。 2.4.3初選壓力機 開式可傾壓力機參數(shù)初選壓力機型號為J23-40和J23-35 型號 公稱壓力/kN 滑塊行程/mm 最大封閉高度/mm 工作臺尺寸/mm 滑塊底面尺寸/mm 可傾斜角/· 封閉高度調節(jié)量/mm J23-40 400 100 330 700×460 —— 30 80 J23-35 350 80 280 380×610 190×210 20 60 2.4.4壓力中心的計算　 模具的壓力中心就是沖壓力合力的作用點。為了保證壓力機和模具的正常工作，應使模具的壓力中心與壓力機的中心滑塊中心線重合。否則，沖壓時滑塊就會承受偏心載荷，導致滑塊導軌與模具的導向部分不正常的磨損，還會使合理的間隙得不著保證，從而影響制件的質量和降低模具的壽命，甚至損壞模具。 此為多凸模模具的壓力中心，首先計算大凸模的壓力中心 圖4a 計算其壓力中心的步驟如下： ①、按比例畫出凸模的工作部分剖面圖（見圖4a） ②、在任意距離處作x-x軸y-y軸 ③、 分別計算出各線段和圓弧的重心到x-x軸的距離y1, y2, y3, y4和到y(tǒng)-y軸的距離x1, x2, x3, x4, ④、大凸模的壓力中心到坐標軸的距離下式確定： 到y(tǒng)-y軸的距離 x0= ==61.4mm 到x-x軸的距離 y0= ==0mm ⑤、由于其余三個凸模為規(guī)則的凸模 ，則總的壓力中心為 圖4（b） 到y(tǒng)-y軸的距離 x0= = =89.8mm 到x-x軸的距離 y0= = =-15.8mm 2.5模具主要工作零件的設計與標準化（尺寸、位置、標準與示意圖） （１）工作零部件的計算 由于制件結構簡單，精度要求不高，所以采用凸模和凹模分開加工的方法制作凸凹模。這時需要分別計算和標注凸模和凹模的尺寸和公差。 沖孔時，間隙取在凹模上，則： 凸模尺寸 dap=（d+x△）-δp0 凹模尺寸 dd=(d+x△+Zmin)0+δ 式中 Dd Dp——落料凹模和凸模的刃口尺寸，mm dp dd——沖孔凹模和凸模的刃口尺寸，mm x——磨損系數(shù)，查表2-30[1]得：IT14級時x=0.5。 Zmin——雙面間隙，mm △——工件公差，mm δ——凸模和凹模的制造公差，mm ①　沖裁φ5mm孔凸模、凹模刃口尺寸的計算 凸模尺寸 由表2-10[1]查得△=0.3 dap=（d+x△）-δp0 =(5+0.5×0.30)0-0.02 =5.150-0.02 凹模尺寸 由表2-23[1]得Zmin=0.26 dd=(d+x△+Zmin)0+δ=(5+0.5×0.30+0.26)0+0.02 =5.410+0.02 ②　沖裁φ8mm孔凸模、凹模刃口尺寸的計算 凸模尺寸由表2-10得△=0.36 dap=（d+x△）-δp0 =(8+0.5×0.36) 0-0.02 =8.18 0-0.02 凹模尺寸查表2-23得Zmin=0.26 dd=(d+x△+Zmin)0+δ=(8+0.5×0.36+0.26) 0+0.02=8.440+0.02 ③　外形落料凸模、凹模刃口尺寸的計算 因此落料件為復雜的制件，所以利用凸凹模配合法，這種方法有利于獲得最小的合理間隙，放寬對模具的加工設備的精度要求。 采用配作法，計算凹模的刃口尺寸，首先是根據(jù)凹模磨損后輪廓變化情況正確判斷出模具刃口各個尺寸在磨損過程中是變大還是變小，還是不變這三種情況，然后分別按不同的計算公式計算。 a、凹模磨損后會增大的尺寸-------第一類尺寸A 第一類尺寸：Aj=(Amax-x△)0+0.25△ b、凹模磨損后會減小的尺寸-------第二類尺寸B 第二類尺寸：Bj=(Bmax+x△)0-0.25△ c、凹模磨損后會保持不變的尺寸 第三類尺寸C 第三類尺寸：Cj=(Cmin+0.5△)60.125△ 其落料凹模的基本尺寸計算如下： 圖5（a） 第一類尺寸：磨損后增大的尺寸： A1=(Amax-x△) =(8-0.5×0.43) =7.785 A2=(Amax-x△) =(16-0.5×0.62) =15.69 落料凸模的基本尺寸與凹模相同，分別是7.785mm，15.69mm，不必標注公差，但要在技術條件中注明：凸模實際刃口尺寸與落料凹模配制，保證最小雙面合理間隙值Zmin=0.26。 圖5（b） （2）工作零部件的設計與標準化（用一個整體的凸模固定板） 沖小圓孔的凸模，為了增加凸模的強度與剛度，凸模非工作部分直徑應作成逐漸增大的多級形式如圖6所示： 圖6 凸模長度一般是根據(jù)結構上的需要而確定的，其凸模長度用下列公式計算： L=h1+h2+h3- h4 式中 L—凸模長度， mm h1—凸模固定板高度，mm h2—卸料板高度，mm h3—橡膠板的厚度 ，mm h4—凹進卸料板內1mm 　　　　　　　　　　　　 圖7 整體式凹模如圖7裝于下模座上，由于下模座孔口較大因而使工作時承受彎曲力矩，若凹模高度H及模壁厚度C不足時，會使凹模產(chǎn)生較大變形，甚至破壞。但由于凹模受力復雜，凹模高度可按經(jīng)驗公式計算，即 凹模高度H=KB 凹模壁厚C=(1.5~2)H 式中　　B----凹?？椎淖畲髮挾龋琺m但B不小于15mm C-----凹模壁厚，mm 指刃口至凹模外形邊緣的距離； 　　 K=系數(shù)，取0.20 凹模高度H=KB=0.20×119=23.8mm 取標準值28mm 凹模壁厚C=1.5H = 1.5×28=40mm 凹模上螺孔到凹模外緣的距離一般取（1.7~2.0）d, 圖8 d 為螺孔的距離，由于凹模厚度為28mm，所以根據(jù)表2.46﹝2﹞查得螺孔選用4×M8的螺釘固定在下模座。故選用如圖8： 螺孔到凹模外緣的最小距離a2=1.5d=1.5×8=12mm a3=1.13d≈9mm 凹模上螺孔間距由表2.47查得最小間距為40mm，最大間距為90mm。 　　 螺孔到銷孔的距離一般取b>2d,所以b應大于１６。 根據(jù)上述方法確定凹模外形尺寸須考慮到裝橡膠塊的尺寸，故選用矩形凹模板的周界尺寸為250×200×28。 ①沖裁φ5mm孔凸模、凹模各尺寸及其組件確定和標準化（包括外形尺寸和厚度） 小凸模長度 L=20+14-1+30.7=63.7mm 由小凸模刃口d=5.15mm 可知 h=3mm, D1=11mm, D=8mm, L=63.7mm 小凸模強度校核 要使凸模正常工作，必須使凸模最小斷面的壓應力不超過凸模材料的許用壓應力，即 對于圓形凸模 dmin≥ 式中 dmin—圓形凸模最小截面直徑，mm t—沖裁材料厚度，mm —沖裁材料的抗剪強度，MPa —凸模材料許用強度，?。?.0~1.6）×103MPa dmin≥==2.95mm 所以承壓能力足夠。 抗縱向彎曲力校核　對于圓形凸模（有導向裝置）　 　　　　　　　　　　　　　Ｌmax≤ 式中 Lmax ——允許的凸模最大自由長度，mm 　F ——沖模力,N ｄ——凸模最小截面的直徑，mm Lmax≤==66.57mm 所以長度適宜。 選用沖孔圓凸模：JB/T8057.2—1995 BⅡ 5.15×63.7 凸模固定端面的壓力 　　　　　　　　　　q =< 式中　　　　　q—凸模固定端面的壓力，MPa F—落料或沖孔的沖裁力，N 　　　　　　—模座材料許用壓應力，MPa q ==158.5MPa 凸模固定板端面壓力超過了80～90ＭＰa，為此應在凸模頂端與模座之間加一個淬硬的墊板。矩形墊板材料可用45鋼，結構形式和尺寸規(guī)格見JB/T7643.3—1994查得250×200×10 由于采用整體式凹模，所以由外形落料凹模確定其凹模板厚度（圖7），其凹模刃口高度由表2.40JB/T7643.1—1994查得h=6mm，β= ②沖裁φ8mm孔凸模、凹模各尺寸及其組件確定和標準化（包括外形尺寸和厚度） 凸模長度 L=20+14-1+30.7=63.7mm 由凸模刃口d=8.18mm查得D=12mm,D1=15mm,h=3mm,L=63.7mm 選用圓凸模：JB/T8057.2—1995 BⅡ 8.18×63.7 ③外形落料凸模、凹模各尺寸及其組件的確定和標準化（包括外形尺寸和厚度） 外形凸模的設計：外形凸模用線切割機床加工成直通式凸模，用兩個M8的螺釘固定在墊板上，由于采用彈性卸料板，凸模按下式計算： L=h1+h2-h3+h4 圖9 其中： h1為固定板厚度（20 mm），h2 為卸料板厚度（14mm），h3考慮到凸模下端面到卸料板下端面的距離-（1mm）， h4為彈性橡膠塊的厚度（30.7mm）。 所以：L=20+14-1+30.7=63.7 mm　 凸模固定板材料可用45鋼，結構形式和尺寸規(guī)格見JB/T7643.2—1994可得250×200×20 圖10 （3）凹模組件的尺寸確定和示意圖（用整體式凹模） 凹模采用整體式凹模，各沖裁的凹?？拙捎镁€切割加工，安排凹模在模架上的位置時，要依據(jù)計算的壓力中心的數(shù)據(jù)，使壓力中心與模柄中心重合。 凹模的長度選取要考慮以下因素： a)保證有足夠的安裝剛性卸料板的位置。 b)便于導尺發(fā)揮作用，保證送料粗定位精度。 選取凹模JB/T7643.1—1994 250×200×28。材料：Cr12制造，熱處理硬度為58～62HRC。 ２.６其它零部件設計與標準化 （1）始用擋料裝置的設計與標準化（尺寸、位置、標準與示意圖）（包括順沖和掉頭沖兩個始用導料銷） 圖11 擋料塊標記：JB/T7649.1—1994 71310 材 料： 45鋼， 熱處理硬度：43~48HRC 技術 條件：按JB/T7653—1994的規(guī)定。 手動擋料塊位置的確定： 根據(jù)條料排樣圖2可計算出手動擋料塊的位置如圖所示： 圖12 （２） 固定擋料銷的設計與標準化 　　 固定擋料銷的設計根據(jù)標準件，選用此擋料銷如圖 圖13 選用JB/T7649.10—94 A型固定擋料銷 直徑φ8mm，h=4mm材料為45鋼 根據(jù)分析選用廢料孔前端定位時擋料銷位置如圖 廢料孔前端定位時擋料銷位置 =C-()+0.1 ——擋料銷與導正銷的間距，mm 圖14 C——連續(xù)模的步距，mm dr——導正銷的直徑，mm d——擋料銷頭部直徑，mm =53-()+0.1=52.85mm （3）導正銷的設計與標準化 導正銷主要用于級進模上，消除擋料銷的定位誤差，以獲得較精確的工件。導正銷的結構形式，結構設計，尺寸精度，材料的熱處理等可參照JB/T7647.1—94和JB/T7647.2—94選定。 導正銷的結構形式查手冊[2]選用如圖（（選自沖壓手冊）91 圖15 D=d-2a D——導正銷直徑的基本尺寸 d——沖孔凸模直徑 2a——導正銷與孔徑兩邊的間隙 沖裁φ5mm孔的導正銷 查表得h=0.6t 2a=0.05mm D=d-2a=5.15-0.05=5.10mm h=0.6×2.2=1.32mm 沖裁φ8mm孔的導正銷查表得h=0.6t 2a=0.07.mm D=d-2a=8.18-0.07=8.11mm h=0.6×2.2=1.32mm （4）導料板的設計與標準化（包括兩塊導料板的間距、外形尺寸和厚度與示意圖等） 根據(jù)凹模周界?。簩Я习錔B/T7653—1994 250×56×10 圖16 ３模具總體結構設計 ３.１標準模架的選用（前面已經(jīng)確定為對角形模架） 由凹模周界選用標準模架（包括導柱、導套、上模座、下模座、模柄的標準） 選用GB/T2851.1—1990 250×200×170~210 技術條件：按JB/T8050—1999的規(guī)定。 圖17 圖18 模柄標記：JB/T 7646.1—1994 A 503110 材 料：Q235—A。F 技術條件：按JB/T7653—1994的規(guī)定： 導柱標記：　GB/T2861.1 —1990 323160 　GB/T2861.1 —1990 353160 導套標記：　GB/T2861.6 —1990 323105343 GB/T2861.6 —1990 353105343 上模座標記：GB/T2855.9 —1990 2503200345 下模座標記：GB/T2855.10 —1990 2503200350 ３.２卸料裝置的設計與標準化 在前面已經(jīng)確定了采用剛性卸料板，設計卸料板為一整體板。本模具的卸料板不僅有卸料作用，還具有外形凸模的導向作用，并能對小凸模起保護作用。卸料板的邊界尺寸經(jīng)查手冊[2]表15.28得： 卸料板長度L =250mm,寬度B=200mm厚度h0=14mm 此模具中，卸料板對沖孔落料凸模起導向作用，卸料板和凸模按H7/h6配合制造 ３.３聯(lián)接件的選用與標準化 本模具采用螺釘固定，銷釘定位。具體講 內六角螺釘標記：　35鋼M8365 GB70—85 　GB70—85 M8365 35鋼 螺釘標記：　　GB68—76 M8330 35鋼 圓柱銷釘標記：GB 119—86 6365 35鋼 止動圓柱銷標記：GB119—86 436 35鋼 ３.４總裝圖 圖19 ３.５壓力機的選擇與校核 模座外形尺寸420×270mm,閉合高度200mm,有文獻[4]中，JC23—35型壓力機工作臺尺寸為610×380mm,最大閉合高度為280mm，連桿調節(jié)長度為60mm,所以在工作臺上加一35～70mm的墊板，即可安裝。模柄孔尺寸也于本副模具所選模柄尺寸相符。 ３.６ 模具零件材料選用一覽表 22 始用擋料塊 2 45鋼 71310 JB/T7649.1—1994 21 固定擋料銷 1 45鋼 8mm，h=4mm A型 JB/T7649.10—94 20 卸料板 1 45鋼 19 螺釘 10 35鋼 M8330 GB68—76 18 凸模 1 Cr12 5.15×63.7 JB/T8057.2—1995 17 圓柱銷 6 35鋼 6365 GB 119—86 16 凸模 1 Cr12 8.18×63.7 JB/T8057.2—1995 15 止轉銷 1 35鋼 436 GB119—86 14 模柄 1 Q235 A503110 JB/T 7646.1 13 落料凸模 1 Cr12 12 固定螺釘 2 35鋼 M6340 GB/68—76 11 凸模墊板 1 45鋼 2503200310 JB/T7643.3—1994 10 內六角螺釘 10 35鋼 M8365 GB70—85 9 上模座 1 HT200 2503200345 GB/T2855.1—1990 8 導套 2 20 323105343 GB/T2861.6—1990 353105343 GB/T2861.6—1990 7 凸模固定板 1 45鋼 2503200320 JB/T7643.2—1994 6 橡膠塊 4 5 導正銷 2 45鋼 4 導料板 2 250356310 JB/T7563—1994 3 凹模板 1 Cr12 2503200328 JB/T7463.1—1994 2 導柱 2 20 323160 GB/T2861.1—1990 353160 GB/T2861.1—1990 1 下模座 1 HT200 2503200350 GB/T2855.2—1990 序號 名稱 件數(shù) 材料 備注 3.7模具的裝配 根據(jù)級進模裝配要點，本副模具的裝配選凸、凹模為基準件，先裝下模，再裝上模，裝配后，應保證間隙均勻，落料凹模刃口面應高出拉深凸模工作面5mm， 并調整間隙、試沖、返修。具體裝配如下： 凸、凹模預配 （1） 裝配前仔細檢查各凸模形狀及尺寸以及凹模形孔，是否符合圖紙要求尺寸精度、形狀。 （2） 將各凸模分別與相應的凹模孔相配，檢查其間隙是否加工均勻。不適合者應重新修磨或更換。 凸模裝配 以凹?？锥ㄎ?，將各凸模分別壓入凸模固定板的形孔中，并擠緊牢固。 裝配下模 （1） 在下模座上劃中心線，按中心預裝凹模、導料板； （2） 在下模座、導料板上，用已加工好的凹模分別確定其螺孔位置，并分別鉆孔，攻絲； （3）將下模座、導料板、凹模裝在一起，并用螺釘緊固，打入銷釘。 裝配上模 （1） 在已裝好的下模上放等高墊鐵，再在凹模中放入0.12mm的紙片，然后將凸模與固定板組合裝入凹模； （2） 預裝上模座，劃出與凸模固定板相應螺孔、銷孔位置并鉆鉸螺孔、銷孔； （3） 用螺釘將固定板組合、墊板、上模座連接在一起，但不要擰緊； （4） 將卸料板套裝在已裝入固定板的凸模上，裝上橡膠和卸料螺釘，并調節(jié)橡膠的預壓量，使卸料板高出凸模下端約1mm； （5） 復查凸、凹模間隙并調整合適后，緊固螺釘； （6） 安裝導正銷、承料板； （7） 切紙檢查，合適后打入銷釘。 試沖與調整 裝機試沖并根據(jù)試沖結果作相應調整 設計總結 通過這次畢業(yè)設計讓我們把平時在課堂上學到的理論與實際生產(chǎn)結合了起來。看似簡單的零件想要得到，也是需要許多工序才能完成的。我們只所以選擇使用模具來達到這樣的效果，不僅與生產(chǎn)批量有關，還與生產(chǎn)條件有關。如果是大批量生產(chǎn)的零件使用模具就很容易實現(xiàn)機械化和現(xiàn)代化。能夠保證零件的尺寸相差不大，以實現(xiàn)互換。設計是一個關鍵的工作，要查閱大量資料和統(tǒng)計計算工作，設計是個苦差事。 設計的好壞直接影響到制件質量和勞動強度以及生產(chǎn)成本。所以設計者應該具備淵博的知識和大量的實踐經(jīng)驗作為基礎，應該懂得生產(chǎn)的環(huán)節(jié)。這樣才能設計出好的實用的模具來。 我傾注了大量的勞動和汗水在這個設計，由于缺乏經(jīng)驗與實踐。設計的十分艱辛，雖然借鑒了許多，還是有好多不明白之處。 致謝 本設計經(jīng)原紅玲講師的精心指導和同學的熱心幫助才得以如期完成，在此我誠心的向他們感謝。另外還要感謝我的專業(yè)老師們，在大學三年讓我學到了扎實的專業(yè)知識和處理問題的實用方法，以及其他老師的教導，讓我大學期間學到了做人的道理與原則。讓我踏上社會，走上工作崗位完成了很好的過度。時光如梭，三年的大學生活轉眼過去，而我也即將離開可敬的老師和熟悉的同學朋友們，溶入到社會的大潮中去。在這之際，我們將完成最后的使命——做畢業(yè)設計。畢業(yè)設計是一項非常繁雜的工作，它涉及的知識非常廣泛，由于資質有限，很多知識掌握的不是很牢固，因此在設計中遇到了很多的問題。但這并沒有成為我的絆腳石，在指導老師不時的精心指導和同學們的熱心幫助下，并通過在圖書館的仔細查閱，使我克服了一個又一個的困難，從而使我的畢業(yè)設計日趨完善。 最后，再次感謝我的指導老師原紅玲的精心指導和各位老師和同學的大力幫助，使我順利完成任務，并向你們致意深深的敬意，在以后的生活中我一定努力工作，不辜負你們寄予我的厚望 參考文獻 【1】 陳錫棟、靖穎怡主編 沖模設計應用實例 機械工業(yè)出版社 2000 【2】 郝濱海 編著 沖壓模具簡明設計手冊 化學工業(yè)出版社 2004 【3】 吳伯杰 編著 沖壓工藝與模具 電子工業(yè)出版社 2005 【4】 薛彥成 主編 公差配合與技術測量 機械工業(yè)出版社 2004 【5】 王孝培 主編 沖壓手冊 機械工業(yè)出版社 1988 【6】 楊玉英 主編 實用沖壓工藝及模具設計手冊 機械工業(yè)出版社 2005 【7】 史鐵梁 主編 冷沖模設計指導 機械工業(yè)出版社 1996 【8】 中國機床總公司編 著 全國機床產(chǎn)品供貨目錄 機械工業(yè)出版社 2002 【9】 楊占堯 主編 沖壓模具圖冊 高等教育出版社 2004 【10】高為國 主編 模具材料 機械工業(yè)出版社 2005 【11】翟德梅 主編 模具制造技術 機專自編教材 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 30 頁 共 30 頁