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沖壓模具設(shè)計中側(cè)壁起皺的分析 F.-k. Chen and Y.-C. Liao 臺灣 臺北市國立臺灣大學(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。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側(cè)壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當(dāng)發(fā)生起皺時，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過有限元模擬方法被檢查到。模擬結(jié)果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實(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，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，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，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，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，通過有限元分析法得到的模具設(shè)計方法得到證實(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，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，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，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，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?；谶@種理念，兩個掛鉤被加在鄰近在壁上吸收多余的材料，如圖9如示。模擬結(jié)果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設(shè)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(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)計的改進(jìn)提供了有價值的信息。 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)計理想產(chǎn)品的沖壓模具設(shè)計是很難完成的。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，如圖12所示。隨著設(shè)計方法的改進(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，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. 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W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機(jī)械和冶金，1993年第二季。 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書 設(shè)計（論文） 課題名稱 支架零件沖壓工藝與沖模設(shè)計 學(xué)生姓名 院（系） 工學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 職 稱 教 授 學(xué) 歷 博 士 畢業(yè)設(shè)計（論文）要求： 1．要求在完成論文期間，態(tài)度端正，積極主動，大量查閱文獻(xiàn)資料。 2．按時完成畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，技術(shù)路線準(zhǔn)確，可行。 3．繪制零件圖和裝配圖，圖紙量不少于1.5張A0圖紙。 4．完成畢業(yè)設(shè)計說明書，格式正確，要求字?jǐn)?shù)不少于6000字。 5．完成電子文檔及PPT文檔，并打印裝訂成冊。 畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容與技術(shù)參數(shù)： 1．支架零件圖紙一張。 2．零件生產(chǎn)綱領(lǐng)：中等批量。 3．要求完成零件的沖壓工藝分析，完成其成形過程所需的排樣、模具零件圖和裝配圖設(shè)計。 畢業(yè)設(shè)計（論文）工作計劃： 1．2008年11月～12月：接受畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，查閱整理文獻(xiàn)資料； 2．2009年1月：確定課題設(shè)計方案； 3．2009年2月～4月：繪制設(shè)計圖紙及編寫設(shè)計說明書； 4．2009年5月10日之前：定稿打印，裝備畢業(yè)設(shè)計答辯。 接受任務(wù)日期 2008 年 12 月 1 日 要求完成日期 2009 年 5 月 10 日 學(xué) 生 簽 名 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 院長（主任）簽名 年 月 日 學(xué)校代碼： 序 號： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目： 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 學(xué) 院： 工 學(xué) 院 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 年 級： 指導(dǎo)教師： 二 OO 九年 五 月 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 i 摘 要 摘 要 沖壓制品已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和日常生活中的方面得到廣泛應(yīng)用,特別是在機(jī)械 業(yè)中更為突出。機(jī)械產(chǎn)品的外殼大部分是沖壓制品，產(chǎn)品性能的提高要求高質(zhì)量的沖 壓模具和沖壓性能，成型工藝和制品的設(shè)計。 沖壓制品的成型方法很多。其主要用于是沖孔，落料，彎曲，拉伸等。而沖壓模， 約占成型總數(shù)的 60％以上。當(dāng)然如利用電氣控制，可實(shí)現(xiàn)半自動化或自動化作業(yè)。 冷沖沖裁模主要用于金屬制品的成型，它是沖壓制品生產(chǎn)中十分重要的工藝裝置。 沖壓模的基本組成是：上下模座、下模墊板、下模固定板、凹模鑲塊、抬料釘、導(dǎo)料 板、卸料板,導(dǎo)柱導(dǎo)套、卸料板彈釘、卸料板等。 通過對沖裁圖樣零件的工藝性的正確分析，設(shè)計了一個連續(xù)沖裁沖孔落料模。本 設(shè)計介紹了模具成型零件包括凸模、凹模及其他零件如卸料板、固定板、墊板、導(dǎo)柱、 導(dǎo)套等的設(shè)計和選用過程，重要零件的工藝參數(shù)的選擇與計算，沖裁機(jī)構(gòu)與送料擋料 以及其它結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程，并對著重對模具的設(shè)計部分作了詳細(xì)介紹。 關(guān)鍵詞 沖孔 落料 復(fù)合模 沖孔落料模 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 ii The blanking dies design of fixed plate Abstract: Stamping products has been extensively applied in the industry, agriculture, national defense and in the daily lives of area, especially in the machinery industry. mechanical products is the most pressing housing products, and the improvement of product performance requires of high-quality performance stamping molds ,stamping,process and product design. There are many ways of molding products of stamping. Piercing is mainly used for blanking, bending, stretching, etc. And Stamping molds almost form more than 60 percent of the total number. For example ,Electrical Control can be realized as semi-automatic or automatic operation. Cold-metal stamping die mainly used for the molding products, and it is very important in the production of stamping technology devices. The basic component of stamping molds is block model from top to bottom, mould plate, fixed-plate of mould plate, die inserts, raising nails, plate unloading . Introduction sets column, unloading bombs nail plate, plate discharge and so on. Through to technological correct analysis of the blanking patterns components, has designed a continual blanking punching die blanking . This design introduced the mold formation components including the plunger, the lower die and other components like unload the yard lumber, the dead plate, the backing strip, the guide pillar, the guide sleeve and so on design and select the process, the technological parameter's choice and the computation of the important components, the blanking organization and the feeding keep off the material as well as other structure design process, and to has made the detailed introduction emphatically to mold's design parts. Key words: piercing blanking compound die Punch holes cut die 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 iii 目 錄 1 緒 論 ........................................................................................................................................................1 1.1 沖壓的概念、特點(diǎn)及應(yīng)用 ...................................................................................................................1 1.2 沖壓的基本工序及模具 .......................................................................................................................2 1.3 沖壓技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 ...............................................................................................................2 2 工藝方案設(shè)計 ..........................................................................................................................................6 2.1 零件結(jié)構(gòu)及工藝分析 ...........................................................................................................................6 2.2 零件的展開圖 ........................................................................................................................................7 2.3 工藝方案確定 ........................................................................................................................................8 3 沖孔落料復(fù)合模設(shè)計 ............................................................................................................................9 3.1 工序排樣 ................................................................................................................................................9 3.1.1 毛坯排樣方法及排樣圖 .................................................................................................................9 3.1.2 確定步距大小 ..............................................................................................................................10 3.1.3 計算條料寬度 ..............................................................................................................................10 3.1.4 條料尺寸及步距精度 ..................................................................................................................11 3.2 沖裁力的計算及初選沖壓機(jī) .............................................................................................................11 3.2.1 沖裁力的計算 ..............................................................................................................................11 3.2.2 壓力機(jī)的選擇 ..............................................................................................................................12 3.3 沖模壓力中心的確定 ..........................................................................................................................12 3.4 沖裁模刃口尺寸計算 ..........................................................................................................................13 3.4.1 沖孔凸摸和凹模刃口尺寸的確定 ..............................................................................................13 3.4.2 落料凸摸和凹模刃口尺寸的確定 ..............................................................................................13 3.5 凸摸、凹模和凸凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計及零件圖 .....................................................................................14 3.5.1 凹模厚度 H 和凹模寬度 B 的確定 .............................................................................................14 3.5.2 落料凸模長度 的確定 ............................................................................................................15PL 3.5.3 凸凹模的結(jié)構(gòu)選擇 ......................................................................................................................16 3.6 其他機(jī)構(gòu)設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)件選擇 .............................................................................................................17 3.6.1 工作單元結(jié)構(gòu) ..............................................................................................................................17 3.6.2 卸料機(jī)構(gòu)設(shè)計 ..............................................................................................................................17 3.6.3 定位定距機(jī)構(gòu)設(shè)計 ......................................................................................................................17 3.6.4 導(dǎo)正銷機(jī)構(gòu)設(shè)計 ..........................................................................................................................17 3.6.5 模架的選擇 ..................................................................................................................................18 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 iv 3.6.7 模柄的選擇 ..................................................................................................................................18 3.6.8 凸模固定板的選擇 ......................................................................................................................18 3.6.9 凸凹模固定板的選擇 ..................................................................................................................18 3.7 繪制總裝配圖及部分零件圖 .............................................................................................................19 4 總結(jié) ..........................................................................................................................................................20 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................................21 致謝 ...............................................................................................................................................................22 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 1 1 緒 論 1.1 沖壓的概念、特點(diǎn)及應(yīng)用 沖壓是利用安裝在沖壓設(shè)備（主要是壓力機(jī)）上的沖模對材料施加壓力，使其產(chǎn) 生分離或塑性變形，從而獲得所需零件（俗稱沖壓或沖壓件）的一種壓力加工方法。 沖壓通常是在常溫下對材料進(jìn)行冷變形加工，且主要采用板料來加工成所需零件，所 以也叫冷沖壓或板料沖壓。沖壓是材料壓力加工或塑性加工的主要方法之一，隸屬于 材料成型工程技術(shù)。 沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料（金屬或非金屬）批 量加工成所需沖件的一種工藝裝備。沖模在沖壓中至關(guān)重要，沒有符合要求的沖模， 批量沖壓生產(chǎn)就難以進(jìn)行；沒有先進(jìn)的沖模，先進(jìn)的沖壓工藝就無法實(shí)現(xiàn)。沖壓工藝 與模具、高效的沖壓設(shè)備和沖壓材料構(gòu)成沖壓加工的三要素，只有它們相互結(jié)合才能 得出沖壓件。 與機(jī)械加工及塑性加工等其它方法相比，沖壓加工無論在技術(shù)方面還是經(jīng)濟(jì)方面 都具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)如下： (1).沖壓加工的生產(chǎn)效率高，且操作方便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動化。這是因?yàn)闆_ 壓是依靠沖模和沖壓設(shè)備來完成加工，普通壓力機(jī)的行程次數(shù)為每分鐘可達(dá)幾十次， 高速壓力要每分鐘可達(dá)數(shù)百次甚至千次以上，而且每次沖壓行程就可能得到一個沖件。 （2）.沖壓時由于模具保證了沖壓件的尺寸與形狀精度，且一般不破壞沖壓件的表 面質(zhì)量,而模具的壽命一般較長,所以沖壓的質(zhì)量穩(wěn)定,互換性好,具有“一模一樣”的 特征。 （3）.沖壓可加工出尺寸范圍較大、形狀較復(fù)雜的零件，如小到鐘表的秒表，大到 汽車縱梁、覆蓋件等，加上沖壓時材料的冷變形硬化效應(yīng)，沖壓的強(qiáng)度和剛度均較高， 冷沖壓產(chǎn)品壁薄、質(zhì)量輕、剛度好。 （4）.沖壓一般沒有切屑碎料生成，材料的消耗較少，且不需其它加熱設(shè)備，因而 是一種省料，節(jié)能的無切削加工方法，沖壓件的成本較低。 但是，沖壓加工所使用的模具一般具有專用性，有時一個復(fù)雜零件需要數(shù)套模具 才能加工成形，且模具 制造的精度高，技術(shù)要求高，是技術(shù)密集形產(chǎn)品，制造成本高。 所以，只有在沖壓件生產(chǎn)批量較大的情況下，沖壓加工的優(yōu)點(diǎn)才能充分體現(xiàn)，從而獲 得較好的經(jīng)濟(jì)效益。 沖壓在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是大批量生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。相當(dāng)多的工業(yè)部門 越來越多地采用沖壓法加工產(chǎn)品零部件，如機(jī)械制造、車輛生產(chǎn)、儀器、儀表、電子、 航空、航天、家電及輕工等行業(yè)。在這些工業(yè)部門中，沖壓件所占的比重都相當(dāng)?shù)拇螅?少則 60%以上，多則 90%以上。不少過去用鍛造、鑄造和切削加工方法制造的零件，現(xiàn) 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 2 在大多數(shù)已經(jīng)被質(zhì)量輕、剛度好的沖壓件所代替。通過沖壓加工，大大提高了生產(chǎn)效 率，降低了成本。因此可以說，如果生產(chǎn)中不采用沖壓工藝，許多工業(yè)部門的產(chǎn)品提 高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、快速進(jìn)行產(chǎn)品更新?lián)Q代等都是難以實(shí)現(xiàn)的。 1.2 沖壓的基本工序及模具 由于沖壓加工的零件種類繁多，各類零件的形狀、尺寸、精度要求及生產(chǎn)批量又各不 相同，因而生產(chǎn)中采用的沖壓工藝方法也是多種多樣的。概括起來，可分為分離工序 和成形工序兩大類；分離工序是指使坯料沿一定的輪廓線分離而獲得一定形狀、尺寸 和切斷面質(zhì)量的沖壓件（俗稱沖裁件）的工序；成形工序是指使坯料在不破裂的條件 下產(chǎn)生塑性變形而獲得一定形狀和尺寸的沖壓件的工序。 上述兩類工序，按基本變形方式不同又可分為沖裁、彎曲、拉深、成形和立體壓 制五種基本工序，每種基本工序還包含有多種單一工序。 在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)沖壓件的生產(chǎn)批量較大、尺寸較少，而公差要求較小時，若用 分散的單一工序來沖壓是不經(jīng)濟(jì)甚至難于達(dá)到要求。這時在工藝上多采用組合工序， 即把兩個以上的單獨(dú)工序組成的一道工序，構(gòu)成所謂復(fù)合、級進(jìn)、復(fù)合-級進(jìn)的組合工 序。 復(fù)合沖壓——在壓力機(jī)的一次工作行程中，在一副模具的同一工位上同時完成兩 種或兩種以上不同單一工序的一種組合方法式。 級進(jìn)沖壓——在壓力機(jī)上的一次工作行程中，按照一定的順序在同一模具的不同 工位上完面兩種或兩種以上不同單一工序的一種組合方式。 復(fù)合-級進(jìn)——在一副沖模上包含復(fù)合和級進(jìn)兩種方式的組合工序。 沖模的結(jié)構(gòu)類型也很多。通常按工序性質(zhì)可分為落料模、沖孔模、切斷模、切邊模、 切舌模、剖切模、整修模、精沖模等；按工序的組合方式可分為單工序模（俗稱簡單 模） 、復(fù)合模和級進(jìn)模（俗稱連續(xù)模）等。盡管有的沖裁俗稱簡單模很復(fù)雜，但總是分 為上模和下模。上模一般固定在壓力機(jī)的滑塊上，下模固定在壓力機(jī)的工作臺上。工 作時，坯料在下模面上通過定位零件定位，壓力機(jī)滑塊帶動上模下壓，在模具工作零 件（即凸模、凹模等）的作用下坯料便產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需形狀與尺 寸的沖件。上?；厣龝r，模具的卸料與出件裝置將沖件或廢料從凸、凹模上卸下或推、 頂出來，以便進(jìn)行下一次沖壓循環(huán)。 1.3 沖壓技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，許多新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新 材料不斷涌現(xiàn)，因而促進(jìn)了沖壓技術(shù)的不斷革新和發(fā)展。其主要表現(xiàn)和發(fā)展方向如下。 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 3 (1).沖壓成形理論及沖壓工藝方面 沖壓成形理論的研究是提高沖壓技術(shù)的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外對沖壓成形理論的研 究非常重視，在材料沖壓性能研究、沖壓成形過程應(yīng)力應(yīng)變分析、板料變形規(guī)律研究 及坯料與模具之間的相互作用研究等方面均取得了較大的進(jìn)展。特別是隨著計算機(jī)技 術(shù)的飛躍發(fā)展和塑性變形理論的進(jìn)一步完善，近年來國內(nèi)外已開始應(yīng)用塑性成形過程 的計算機(jī)模擬技術(shù)，即利用有限元（FEM）等有值分析方法模擬金屬的塑性成形過程， 根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計人員可預(yù)測某一工藝方案成形的可行性及可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題， 并通過在計算機(jī)上選擇修改相關(guān)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)工藝及模具的優(yōu)化設(shè)計。這樣既節(jié)省了 昂貴的試模費(fèi)用，也縮短了制模具周期。 研究和推廣應(yīng)用旨在提高生產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和擴(kuò)大沖壓工藝應(yīng)用范圍 的各種沖壓新工藝，也是沖壓技術(shù)的發(fā)展重要趨勢。目前，國內(nèi)外相繼涌現(xiàn)并迅速用 于生產(chǎn)的沖壓先進(jìn)工藝有精密沖壓工藝、軟模成形工藝、高能高速成形工藝及無模多 點(diǎn)成形工藝等精密、高效、經(jīng)濟(jì)的沖壓新工藝。這些沖壓先進(jìn)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng) 取得并將進(jìn)一步取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。其中，精密沖裁（精沖）是提高沖裁件質(zhì) 量的有效方法，又是擴(kuò)大沖壓加工范圍的重要途徑，目前精密沖裁加工零件的厚度可 達(dá) 25mm，精度可達(dá) IT6~IT7 級，精沖方法不僅可以沖裁，還可以成形（精密彎曲、拉 深、翻邊、冷擠、壓印和沉孔等） ，用液體、橡膠、聚氨酯等作柔性凸?；虬寄５能浤?成形工藝，能加工出用普通加工方法難以加工的材料和復(fù)雜形狀的零件，并可以大為 改善成形條件、提高極限變形程度。在特定生產(chǎn)條件下具有明顯的經(jīng)濟(jì)效果；采用爆 炸等高能效成形方法可以快速生成批量小、形狀復(fù)雜、強(qiáng)度高的板料件，在航天、國 防工業(yè)中具有重要的實(shí)用價值。利用金屬材料的超塑性進(jìn)行超塑成形，可以用一次成 形代替多次常規(guī)的沖壓成形工序，這對于加工形狀復(fù)雜和大型板料零件具有突出的優(yōu) 越性，對于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度，解決一些特殊產(chǎn)品的生產(chǎn)方面具有重要意義。 無模多點(diǎn)成形是用高度可調(diào)的凸模群體代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具進(jìn)行板料曲面成形的一種先進(jìn)技 術(shù)，我國已自主設(shè)計制造了具有國際領(lǐng)先水平的無模多點(diǎn)成形設(shè)備，解決了多點(diǎn)壓機(jī) 成形法，從而可根據(jù)需要改變變形路徑與受力狀態(tài)，提高了材料的成形極限，同時利 用反復(fù)成形技術(shù)可消除材料內(nèi)殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)無回彈成形。無模多點(diǎn)成形系統(tǒng)以 CAD/CAM/CAE 技術(shù)為主要手段，能快速經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)三維曲面的自動化成形。 (2).沖模設(shè)計與制造方面 沖模是實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)的基本條件.在沖模的設(shè)計制造上,目前有兩種趨向應(yīng)給予足 夠的重視:一是模具結(jié)構(gòu)與精度正朝著兩方面發(fā)展。一方面,為了適應(yīng)高速、自動、精 密、安全等大批量現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，沖模正向高效率、高精度、高壽命及多工位、多 功能方向發(fā)展，與此相比適應(yīng)的新型模具材料及其熱處理技術(shù)，各種高效、精密、數(shù) 控自動化的模具加工機(jī)床和檢測設(shè)備以及模具 CAD/CAM 技術(shù)也在迅速發(fā)展；另一方面， 為了適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代和試制或小批量生產(chǎn)的需要，鋅基合金沖模、聚氨酯橡膠沖模、 薄板沖模、鋼帶沖模、組合沖模等各種簡易沖模及其制造技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 4 精密、高效的多工位及多功能級進(jìn)模和大型復(fù)雜的汽車覆蓋件沖模代表了現(xiàn)代沖 模的技術(shù)水平。目前，50 個工位以上的級進(jìn)模進(jìn)距精度可達(dá)到 2 微米，多功能級進(jìn)模 不僅可以完成沖壓全過程，還可完成焊接、裝配等工序。我國已能自行設(shè)計制造出達(dá) 到國際水平的精度達(dá) 2-5 微米，進(jìn)距精度 2-3 微米，總壽命達(dá) 1 億次。我國主要汽車 模具企業(yè)，已能生產(chǎn)成套轎車覆蓋件模具，在設(shè)計制造方法、手段方面已基本達(dá)到了 國際水平，而在制造方法手段方面已基本達(dá)到了國際水平，模具結(jié)構(gòu)、功能方面也接 近國際水平，但在制造質(zhì)量、精度、制造周期和成本方面與國外相比還存在一定差距。 二是模具設(shè)計與制造的現(xiàn)代化。模具制造技術(shù)現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。計算 機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)在模具技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，使模具設(shè) 計與制造水平發(fā)生了深刻的革命性的變化。目前最為突出的是模具 CAD/CAM/CAE。在這 方面，國際上有許多應(yīng)用成熟的計算機(jī)軟件，我國不但能消化、應(yīng)用國外的有關(guān)軟件， 少數(shù)單位還能自行開發(fā)或正在開發(fā)模具 CAD/CAM/CAE 軟件。在一些行業(yè)，如汽車行業(yè) 的主要模具企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了模具 CAD/CAM/CAE 一體化。盡管其總體水平與國際上的還有 差距，但它代表了我國模具技術(shù)的發(fā)展成果與發(fā)展方向。 模具的加工方法迅速現(xiàn)代化。其中高速銑削加工、電火花銑削加工、慢走絲切割 加工、精密磨削及拋光技術(shù)、數(shù)控測量等代表了現(xiàn)代沖模制造的技術(shù)水平。高速銑削 加工不但具有加工速度高以及良好的加工精度和表面質(zhì)量（主軸轉(zhuǎn)速一般為 15000～40000r/min）,加工精度一般可達(dá) 10 微米，最好的表面粗糙度 Ra≤1 微米） ， 而且與傳統(tǒng)切削加工相比具有溫升低（工件只升高 3 攝氏度） 、切削力小，因而可加工 熱敏材料和剛性差的零件，合理選擇刀具和切削用量還可實(shí)現(xiàn)硬材料（HRC 60）加工， 大大提高模具裝配精度，優(yōu)化了模具加工工藝。電火花銑削加工（又稱電火花創(chuàng)成加 工）是以高速旋轉(zhuǎn)的簡單管狀電極作三維或二維輪廓加工（像數(shù)控銑削加工一樣） ，因 此不再需要制造昂貴的成形電極，如日本三菱公司生產(chǎn)的 EDSCAN8E 電火花銑削加工機(jī) 床，配置有電極損耗自動補(bǔ)償系統(tǒng)、CAD/CAM 集成系統(tǒng)、在線自動測量系統(tǒng)和動態(tài)仿真 系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今電火花加工機(jī)床的技術(shù)水平；慢走絲線切割技術(shù)的發(fā)展水平已相當(dāng) 高，功能也相當(dāng)完善，自動化程度已達(dá)到無人看管運(yùn)行的程度，目前切割速度已達(dá)到 300mm /min,加工精度可達(dá)±1.5 微米，表面粗糙度達(dá) Ra=01～0.2 微米;精度磨削及拋2 光已開始使用數(shù)控成形磨床、數(shù)控光學(xué)曲線磨床、數(shù)控連續(xù)軌跡坐標(biāo)磨床及自動拋光 等先進(jìn)設(shè)備和技術(shù);模具加工過程中的檢測技術(shù)也取得了很大的發(fā)展,現(xiàn)在三坐標(biāo)測量 機(jī)除了能高精度地測量復(fù)雜三維曲面的數(shù)據(jù)外,其良好的溫度補(bǔ)償裝置、可靠的抗振保 護(hù)裝置、嚴(yán)密的防塵裝置，使得這種精密設(shè)備從嚴(yán)加隔離的測量場所走向在線生產(chǎn)現(xiàn) 場檢測。此外，激光快速成形技術(shù)（RPM）與樹脂澆注技術(shù)在快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù)中得到 了成功的應(yīng)用。利用 RPM 技術(shù)快速成形三維原型后，通過陶瓷精鑄、電弧涂噴、消失 模、熔模等技術(shù)可快速制造各種成形模。如清華大學(xué)開發(fā)研制的“M-RPMS-Ⅱ型多功能 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 5 快速原型制造系統(tǒng)”是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的世界惟一擁有兩種快速成形工藝（分層實(shí) 體制造 SSM 和熔融擠壓成形 MEM）的系統(tǒng)，它基于“模塊化技術(shù)集成”之概念而設(shè)計和 制造，具有較好的價格性能比。一汽模具制造公司在以 CAD/CAM 加工的主模型為基礎(chǔ)， 采用瑞士汽巴精化的高強(qiáng)度樹脂澆注成形的樹脂沖模應(yīng)用在國產(chǎn)轎車試制和小批量生 產(chǎn)開辟了新的途徑。 (3).沖壓設(shè)備和沖壓生產(chǎn)自動化方面 性能良好的沖壓設(shè)備是提高沖壓生產(chǎn)技術(shù)水平的基本條件，高精度、高壽命、高 效率的沖模需要高精度、高自動化的沖壓設(shè)備相匹配。為了適應(yīng)沖壓新工藝的需要， 研制了許多新型結(jié)構(gòu)的沖壓設(shè)備，為了滿足新產(chǎn)品少批量生產(chǎn)的需要。目前沖壓設(shè)備 也由單工位、單功能、低速壓力機(jī)朝著多工位、多功能、高速和數(shù)控方向發(fā)展，為了 提高生產(chǎn)效率和安全保障，應(yīng)用各種自動化裝置、機(jī)械手乃至機(jī)器人的大量使用，使 沖壓生產(chǎn)效率得到大幅度提高，各式各樣的沖壓自動線和高速自動壓力機(jī)紛紛投入使 用。如在數(shù)控四邊折彎機(jī)中送入板料毛坯后，在計算機(jī)程序控制下便可依次完成四邊 彎曲，從而大幅度提高精度和生產(chǎn)率；在高速自動壓力機(jī)上沖壓電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片時， 一分鐘可沖幾百片，并能自動疊成定、轉(zhuǎn)子鐵芯，生產(chǎn)效率比普通壓力機(jī)提高幾十倍， 材料利用率高達(dá) 97%；公稱壓力為 250KN 的高速壓力機(jī)的滑塊行程次數(shù)已達(dá) 2000 次 /min 以上。在多功能壓力機(jī)方面，日本豐田公司生產(chǎn)的 2000KN“沖壓中心”采用 CNC 控制，只需 5min 時間就可完成自動換模、換料和調(diào)整工藝參數(shù)等工作；美國惠特尼公 司生產(chǎn)的 CNC 金屬板材加工中心，在相同的時間內(nèi)，加工沖壓件的數(shù)量為普通壓力機(jī) 的 4～10 倍，并能進(jìn)行沖孔、分段沖裁、彎曲和拉深等多種作業(yè)。 近年來，為了適應(yīng)市場的激烈競爭，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，且其更新?lián)Q代 的周期大為縮短。沖壓生產(chǎn)為適應(yīng)這一新的要求，開發(fā)了多種適合不同批量生產(chǎn)的工 藝、設(shè)備和模具。其中，無需設(shè)計專用模具、性能先進(jìn)的轉(zhuǎn)塔數(shù)控多工位壓力機(jī)、激 光切割和成形機(jī)、CNC 萬能折彎機(jī)等新設(shè)備已投入使用。特別是近幾年來在國外已經(jīng)發(fā) 展起來、國內(nèi)亦開始使用的沖壓柔性制造單元（FMC）和沖壓柔性制造系統(tǒng)（FMS）代 表了沖壓生產(chǎn)新的發(fā)展趨勢。FMS 系統(tǒng)以數(shù)控沖壓設(shè)備為主體，包括板料、模具、沖壓 件分類存放系統(tǒng)、自動上料與下料系統(tǒng)，生產(chǎn)過程完全由計算機(jī)控制，車間實(shí)現(xiàn) 24 小 時無人控制生產(chǎn)。同時，根據(jù)不同使用要求，可以完成各種沖壓工序，甚至焊接、裝 配等工序，更換新產(chǎn)品方便迅速，沖壓件精度也高。 (4).沖壓標(biāo)準(zhǔn)化及專業(yè)化生產(chǎn)方面 模具的標(biāo)準(zhǔn)化及專業(yè)化生產(chǎn)，已得到模具行業(yè)和廣泛重視。因?yàn)闆_模屬單件小批 量生產(chǎn)，沖模零件既具的一定的復(fù)雜性和精密性，又具有一定的結(jié)構(gòu)典型性。因此， 只有實(shí)現(xiàn)了沖模的標(biāo)準(zhǔn)化，才能使沖模和沖模零件的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、商品化，從而 降低模具的成本，提高模具的質(zhì)量和縮短制造周期。目前，國外先進(jìn)工業(yè)國家模具標(biāo) 準(zhǔn)化生產(chǎn)程度已達(dá) 70%～80%，模具廠只需設(shè)計制造工作零件，大部分模具零件均從標(biāo) 準(zhǔn)件廠購買，使生產(chǎn)率大幅度提高。模具制造廠專業(yè)化程度越不定期越高，分工越來 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 6 越細(xì)，如目前有模架廠、頂桿廠、熱處理廠等，甚至某些模具廠僅專業(yè)化制造某類產(chǎn) 品的沖裁模或彎曲模，這樣更有利于制造水平的提高和制造周期的縮短。我國沖模標(biāo) 準(zhǔn)化與專業(yè)化生產(chǎn)近年來也有較大發(fā)展，除反映在標(biāo)準(zhǔn)件專業(yè)化生產(chǎn)廠家有較多增加 外，標(biāo)準(zhǔn)件品種也有擴(kuò)展，精度亦有提高。但總體情況還滿足不了模具工業(yè)發(fā)展的要 求，主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化程度還不高（一般在 40%以下） ，標(biāo)準(zhǔn)件的品種和規(guī)格較少，大 多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)件廠家未形成規(guī)?；a(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)件質(zhì)量也還存在較多問題。另外，標(biāo)準(zhǔn)件生 產(chǎn)的銷售、供貨、服務(wù)等都還有待于進(jìn)一步提高。 2 工藝方案設(shè)計 2.1 零件結(jié)構(gòu)及工藝分析 該支架由支架面和兩個支架腳、兩個側(cè)面板組成，并且兩支架腳與支架面成傾斜 關(guān)系，在使用時，兩支架腳受力充分，這樣支架面也可以起到更好的支撐作用，整個 支架零件工作時受力平穩(wěn)、效率高。 沖裁零件的工藝性，是指沖裁零件對沖壓工藝的適應(yīng)性，即沖裁件的形狀結(jié)構(gòu)， 尺寸大小，尺寸偏差，形位公差與尺寸基準(zhǔn)等是否符合沖裁工藝的要求。沖裁零件的 工藝性對沖裁沖裁零件的質(zhì)量，材料利用率，生產(chǎn)率，模具制造難易，模具壽命，操 作方式及沖壓設(shè)備的選用等都有很大影響。 零件圖如下： 圖 2-1 零件圖 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 7 （1） 材料 該零件的材料為 08AF，其沖壓性能好。 （2）零件結(jié)構(gòu) 該零件有沖孔、落料、脹形、兩個彎曲幾個工序特征，形狀相對復(fù)雜， 孔與外緣的壁厚較大，沒有極限沖裁特征，成形容易，適合沖裁，但是中間凸臺處的 成型只能采用漲型，故在成型上較復(fù)雜，再有兩次彎曲在空間上也比較復(fù)雜，所以要 求加工工序要仔細(xì)考慮。 （3）沖裁件的外形 除無廢料沖裁或鑲拼結(jié)構(gòu)外，應(yīng)避免尖角，在各直線或曲線的連 接處，應(yīng)用適宜的圓角過渡。其最小圓角半徑也要滿足工藝要求。如果沖裁件有尖角， 不僅給模具制造帶來困難，而且模具壽命會顯著降低。 （4）尺寸精度 零件圖上形狀尺寸沒有公差，精度等級可看作 IT14 級，沖壓加工可 以實(shí)現(xiàn)?？字行木嗤瑯右彩?IT14 的精度等級，可以通過模具結(jié)構(gòu)的正確設(shè)計來實(shí)現(xiàn)。 （5）沖孔的最小尺寸 沖孔的最小尺寸與孔的形狀，板材力學(xué)性能和厚度有關(guān)，因受 凸模強(qiáng)度的限制，沖孔的尺寸不能太小。該零件零件圖最小沖孔直徑為 d=7mm。其中 d 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板料厚度 1.3*t=1.95mm。故符合模具設(shè)計。 2.2 零件的展開圖 凸臺位置成型時，由于外界材料較多故在成型時外部材料向凸臺位置的流動受到 限制，因此要用脹形工藝成型，故無須考慮展開時的尺寸變化，所以展開時的主要尺 寸變化就是彎曲位置的尺寸，由資料[1]得知，彎曲直角時的公式可以用來計算各個展 開后的零件尺寸，在這里我采用了手工計算的方法對其形狀進(jìn)行展開。 該工件有兩處彎曲，均為直角彎曲，故在計算時可以利用公式：L=L1+L2+2лr 所一展開后工件的尺寸如圖所示。由于該零件為彎曲件，而且其工作環(huán)境對其制造精 度要修并不是很高，所以可以使尖角處的尺寸進(jìn)行一些修飾，該成圓角便于沖孔落料。 當(dāng)讓要保證工件的形狀正確。在手工計算展開圖時應(yīng)對經(jīng)典的彎曲件進(jìn)行參考，查閱 國標(biāo)計算公式，才能保證計算結(jié)果正確。 當(dāng)然也可以利用 FASTFORM 軟件進(jìn)行展開，這是一種專用的實(shí)體零件展開軟件，他能夠 根據(jù)所給的零件材料和實(shí)體零件圖進(jìn)行展開，操作簡便，使用范圍廣，精度高，給我 們帶來了很大的便捷性。該軟件也有局限性，比如材料不全，如果立體三維圖尺寸不 準(zhǔn)確，導(dǎo)致展開圖也不準(zhǔn)確。 展開圖如下：（具體尺寸可看展開后坯料零件圖） 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 8 圖 2-2 展開圖 2.3 工藝方案確定 沖裁模的制造費(fèi)用較高，故產(chǎn)量小時采用其它加工方法可能較沖裁更為經(jīng)濟(jì)。只 有在大批量生產(chǎn)時，沖裁加工才能取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。一般來說，產(chǎn)量很大時可選 用連續(xù)模和高效沖壓設(shè)備，以提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)率；中小批量生產(chǎn)時，常采用簡 單?；驈?fù)合模，以降低模具成本。 一般對于這樣的工件通常采用先落料沖孔再進(jìn)行漲型、彎曲的加工方法。由于該 工件的生產(chǎn)批量較大—為中批量，則有以下幾種方案進(jìn)行比較。 該零件包括沖孔、落料、脹形、兩個彎曲幾個基本工序，表 1 中列有三種工藝方案。 第一種：單工序模生產(chǎn)： 落料→沖孔→脹形→一次彎曲→二次彎曲 結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)；單工序模就是在一個工序內(nèi)完成一次工藝，該模具結(jié)構(gòu)簡單，設(shè) 計容易，沖件表面較平整。但需要多道工序、多套模具才能完成整個零件的加工，生 產(chǎn)效率低，難以滿足零件中批量生產(chǎn)的需求。且多道工序中的定位誤差難以消除，將 導(dǎo)致孔心距尺寸精度難以保證。總體上將該方案適合簡單零件的加工成形。 第二種：復(fù)合模生產(chǎn)： 落料-沖孔復(fù)合→脹形→一次彎曲→二次彎曲 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)；復(fù)合模能在壓力機(jī)一次形成內(nèi)，完成落料、沖孔及拉深等數(shù)道工序。 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 9 在完成這些工序的過程中，沖件材料無需進(jìn)給移動。其主要優(yōu)點(diǎn)有： （1） 采用復(fù)合模進(jìn)行沖裁可以獲得精度較高，質(zhì)量較好的零件。 （2） 沖件精度較高，不受松了誤差影響，內(nèi)外形相對一致性好。 （3） 沖件表面較為平整。 （4） 適宜沖薄料，也適宜沖脆性或軟質(zhì)材料。 （5） 可以充分利用短料和邊角余料。 （6） 沖模壽命較長。 3 沖孔落料復(fù)合模設(shè)計 3.1 工序排樣 3.1.1 毛坯排樣方法及排樣圖 根據(jù)材料的合理利用情況，條料排樣方法分為: （1） 有廢料排樣 沿沖件全部外形沖裁，在沖件周邊都留有搭邊，因此材料利用率低 名單沖件尺寸完全又沖模來保證，因此精度高，模具壽命也高，生產(chǎn)中絕大多 數(shù)沖裁件都是采用有廢料排樣。 （2） 少廢料排樣 沿沖件部分外形切斷或沖裁，只在沖件之間或沖件與條料側(cè)邊之間 留有搭邊。因此剪裁條料質(zhì)量和定位誤差的影響，其沖件質(zhì)量稍差，同時邊緣 毛刺被凸摸帶入間隙也影響模具壽命，但材料利用率高，沖模結(jié)構(gòu)簡單。 （3） 無廢料排樣 沿直線或曲線切斷條料而獲得沖件，無任何搭邊。沖件的質(zhì)量和模 具壽命更差一些，但材料利用率高。另外，當(dāng)送進(jìn)步距為兩倍零件寬度時，一 次切斷能獲得兩個沖件，有利于提高勞動生產(chǎn)率。 根據(jù)展開圖，采用有廢料直排的排樣方法，其排樣圖如圖： 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 10 圖 3-1 排樣圖 3.1.2 確定步距大小 查表(搭邊數(shù)值表)知,搭邊值為: 沿送進(jìn)方向搭邊為 =1 mm1a 側(cè)向搭邊為 =1.2 mm 由此可算出步距初定為： S=c+ =2×131.6+2=265.2mm1a 式中：c---制品最大寬度（mm） ---零件間側(cè)向搭邊值（mm） 由此可以算出一個步距內(nèi)材料的利用率為： η= ×100%==74.31%BSA 式中：A---一個步距內(nèi)沖裁件的實(shí)際面積（mm ） ；2 B---條料寬度（mm） ； S---步距（mm） 。 由利用率可知，排樣合理。 3.1.3 計算條料寬度 模具結(jié)構(gòu)采用初始擋料銷和擋料桿定距裝置，并在條料的送進(jìn)過程中安有側(cè)壓裝置， 這樣能使條料始終緊靠同一側(cè)導(dǎo)料板送進(jìn)，因此只須在條料與另一側(cè)導(dǎo)料板間留有間 隙，故按下式計算，查表得：條料寬度的單向偏差 =0.7,條料板與最寬條料之間的間? 隙Z=8mm 條料寬度： 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 11 B =（ ）0??aD2mx?0?? =（131.6+2×1.2） 7. =134 mm07. 導(dǎo)料板之間的距離： A=B+Z= +Za2mx? =131.6+2×1.2+8 =142 mm 式中：B---條料寬度（mm） ； A---導(dǎo)料板之間的距離（mm） ； ---條料寬度的單向（負(fù)向）偏差（mm） ；? Z---導(dǎo)料板與最寬條料之間的間隙（mm） ； ---側(cè)搭邊值（mm） ；a ---條料寬度方向沖裁件的最大尺寸（mm） 。mxD 3.1.4 條料尺寸及步距精度 條料寬度定為 B=134 mm ， 步距為 S=265.2 mm； 步距精度: 工位數(shù)為 n=3 ； 由輪廓尺寸精度查得 =0.1； ‘T 根據(jù)沖裁的間隙 從修正系數(shù)表中查得 K=1.00； 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式: 取 =0.04 '30.142TK???2? ---步距對稱偏差值；2T? ---沖件沿送料方向最大輪廓尺寸精度提高三級后實(shí)際公差值； ‘ n---工位數(shù)； k---修正系數(shù)。 3.2 沖裁力的計算及初選沖壓機(jī) 3.2.1 沖裁力的計算 沖裁力計算包括沖裁力，卸料力，頂件力的計算。 沖裁力是凸模與凹模相對運(yùn)動使工件與板料分離所需的力。沖裁力是設(shè)計模具， 選擇壓力機(jī)的重要參數(shù)。影響沖裁力的因素很多，主要的有材料力學(xué)性能，厚度，沖 裁件周邊長度，模具間隙大小及刃口鋒利程度等。 (1) 計算沖裁力公式為: bkLtF?? F---沖裁力（N） ； L---沖裁周邊長度（mm） ； t---材料厚度（mm） ； ---材料抗剪強(qiáng)度（MPa） ；b? k---修正系數(shù)，一般k取1.3。 由設(shè)計手冊查得 =300 Mpa ,修正系數(shù)k取1.3,t=1.5 mmb 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 12 =1.3×345.46×1.5×300btkLF??落 =202.09 KN （2）沖孔力的計算 =1.3×7×3.14×1.5×300沖 =12.86 KN (3) 計算推件力公式： FnKT? ---推件力（N） ；TF ---同時卡在凹模內(nèi)的工件（或廢料）數(shù)；n ---推件力系數(shù)。tk 由表查出推件力系數(shù) =0.055 T h為凹模型口直壁高度，t為板料厚度，= 由模具設(shè)計手冊查得 h=5 mm， =5／1.5×0.055×202.09FnKT? =37.05 KN (4) 總沖壓力近似為： F= + + =202.09+12.86+37.05落 沖 T =252 3.2.2 壓力機(jī)的選擇 選用沖床的公稱壓力 應(yīng)大于計算出來的總壓力 =252KN，而F? 總F =（1.2～1.3） =1.2×252=302.4 KN。最大閉合高度應(yīng)大于沖模閉合高度+5 F?總 mm，工作臺臺面尺寸應(yīng)能滿足模具的正確安裝。按上述要求，結(jié)合工廠實(shí)際，可選用 JA21-35開式雙柱可傾壓力機(jī)。并需要在工作抬面上配備墊塊，墊塊實(shí)際尺寸可配制。 雙柱壓力機(jī)JA21-35參數(shù)： 公稱壓力：350 KN 滑塊行程：130 mm 滑塊行程次數(shù)：50次/min 最大閉合高度：280 mm 閉合高度調(diào)節(jié)量：60 mm 工作臺尺寸（前后mm×左右mm）：380 mm×610mm 墊板尺寸（厚度mm×孔徑mm）：60 mm×22.5 mm 模柄尺寸（直徑mm×深度mm）：φ50 mm×70 mm 滑塊底面尺寸（前后mm×左右mm）：210mm×270mm 最大傾斜角度：30 ? 3.3沖模壓力中心的確定 沖壓力合力的作用點(diǎn)稱為模具的壓力中心。模具的壓力中心應(yīng)該通過壓力機(jī)滑塊 的中心線。利用CAD的REGION面域指令來形成一個面域，再用其中查詢功能查找出該面 域的質(zhì)心，在進(jìn)行進(jìn)一步的確定該工件的質(zhì)心所在。 操作結(jié)果如圖： 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 13 圖3-2 由于所設(shè)計的工件是軸對稱圖形，故沖裁壓力中心是在對稱軸上的，只要確定在 軸上的位置就可以了，通過上述辦法經(jīng)過操作我們知道外輪廓線的壓力中心在內(nèi)孔壓 力中心的正下面7mm出。利用計算外輪廓面域面積為691mm 2而內(nèi)孔環(huán)的面域面積為22 mm2，我們可利用下面的計算方法來得到整個工件的壓力中心：（利用杠桿平衡的原理） 691×（7-L）=22×L 得 L=22/691×7=0.223mm 又由于L=0.223mm偏移量很小，所以我們就可以忽略孔對壓力中心的位置的影響。所以 我們可以定壓力中心的位置為是在孔正下方7mm處。 3.4 沖裁模刃口尺寸計算 3.4.1 沖孔凸摸和凹模刃口尺寸的確定 沖中心孔φ7凸、凹模刃口尺寸計算，沖孔時以凸模尺寸為基準(zhǔn)，按凸模與凹模分別加 工法加工。 查表得： =0.132 mm =0.240mmminZmaxZ - =0.240-0.132=0.108 mmaxi 凸、凹模制造公差分別為： =0.030 mm =0.040 mmp?d? + =0.030+0.040=0.070 mmd 因?yàn)?+ =0.070≤ - =0.108 故符合條件pmaxZin 查表得： =0.75 =0.160? 支架零件沖壓與沖模設(shè)計 14 =（ + ） =（7+0.75×0.160） =7.12pdminx?0p??03.?03.? =（ + ） =（7.12+0.132） =7.252iZd?4.?4.? 3.4.2 落料凸摸和凹模刃口尺寸的確定 落料凹模的刃口尺寸由于零件的外形比較復(fù)雜，為了保證零件沖壓精度，采用凸、凹 模 配合加工法加工。 根據(jù)零件的形狀，凹模磨損后其尺寸變化有兩種情況： 1.凹模磨損后變大的尺寸；（圖中 、 ） ，即按一般落料凹模尺寸公式計算，即：1A2 查表得 =0.132 ， =0.240 ， =0.75 minZmaxZ 按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造精度查手冊得 =0.7 ， =0.6 1?2 ） =（70-0.