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沖壓模具設(shè)計(jì)中側(cè)壁起皺的分析 F.-k. Chen and Y.-C. Liao 臺(tái)灣 臺(tái)北市國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械工程部門 在沖壓過(guò)程中，起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時(shí)。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對(duì)沒(méi)有支撐的側(cè)壁。在沖壓一個(gè)有錐度的方形杯子時(shí)，當(dāng)發(fā)生起皺時(shí)，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過(guò)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(guò)增加沖壓力來(lái)被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過(guò)程的起皺時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(gè)最適宜的沖模設(shè)計(jì)方法就是利用有限元分析法。在無(wú)起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實(shí)了利用有限元分析法去設(shè)計(jì)沖模的優(yōu)勢(shì)。 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(guò)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(gè)復(fù)雜形狀零件的操作時(shí)，側(cè)壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側(cè)壁區(qū)域的金屬板料相對(duì)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(guò)增加沖壓力來(lái)防止起皺，但是過(guò)度的拉力會(huì)通過(guò)裂痕導(dǎo)致失敗。因此，沖壓力必須處于一個(gè)狹小的范圍，一方面，要高于抑制起皺的力，另一方面，要低于產(chǎn)生破裂的力。沖壓力的狹小范圍很難計(jì)算。對(duì)于沖壓一個(gè)復(fù)雜形狀的零件，當(dāng)起皺發(fā)生在中心區(qū)域時(shí)，有意義的沖壓力范圍甚至不存在。 為了檢查起皺的形成結(jié)構(gòu)，Yoshida et al.發(fā)明了一種測(cè)試，在這種測(cè)試?yán)?，一塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計(jì)劃一個(gè)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(wèn)題，通過(guò)理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個(gè)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(gè)。當(dāng)通過(guò)一個(gè)有錐度的模具畫出金屬板料時(shí)，Narayanasamy和sowerby用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板料的起皺。他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類。 那些努力都被聚中于和簡(jiǎn)單形狀零件關(guān)聯(lián)的起皺問(wèn)題上，例如：一個(gè)圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動(dòng)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(gè)復(fù)雜形狀零件的起皺問(wèn)題成為可能。在當(dāng)前的研究中，三維有限元分析法被用來(lái)分析在沖壓一個(gè)帶有階梯的矩形部分的過(guò)程中，產(chǎn)生起皺的金屬流動(dòng)制造參數(shù)上。 一個(gè)帶有階梯的方形杯子，在杯子的每一邊都有一個(gè)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(guò)程中，側(cè)壁上的金屬板料相對(duì)沒(méi)被支撐，因此，這個(gè)部位更容易起皺。在當(dāng)前的研究中，起皺過(guò)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(gè)帶有階梯的方形杯子時(shí)，就像圖1B顯示的一樣，可以觀測(cè)到另一種形式的起皺。為了評(píng)估分析的效力，在當(dāng)前的研究中，一個(gè)確切階梯幾何形狀的物體被檢測(cè)。通過(guò)使用有限元分析法和用適宜的模具設(shè)計(jì)來(lái)減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測(cè)一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品成形時(shí)，通過(guò)有限元分析法得到的模具設(shè)計(jì)方法得到證實(shí)。 圖1帶有錐度方形杯子的拉伸（a）和帶有階梯的矩形杯子的拉伸（b） 2有限元模型 包括沖頭、模具和毛壞固定器等工具幾何學(xué)是用CAD或PRO/E軟件來(lái)設(shè)計(jì)的。同樣用CAD軟件，三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)的外形元素被采用用來(lái)為以上工具生產(chǎn)網(wǎng)眼系統(tǒng)。對(duì)于有限元模擬來(lái)說(shuō)，工具被認(rèn)為是剛硬的，而且對(duì)應(yīng)的網(wǎng)眼被用來(lái)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(lái)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(lái)沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對(duì)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(dòng)，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(gè)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(lái)模擬。為在飛機(jī)上切割下的樣本測(cè)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(dòng)力σ，計(jì)算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因?yàn)槊恳粋€(gè)方法真實(shí)應(yīng)變通常用來(lái)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(kù)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(zhǎng)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(méi)被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過(guò)增加沖壓力來(lái)被抑制。相對(duì)于沖壓一個(gè)錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來(lái)的部分被研究。 3.1沖模間隙的影響 為了檢查沖模間隙對(duì)起皺的影響，在沖壓一個(gè)錐度方形杯子時(shí)，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進(jìn)行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。 圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子 模擬結(jié)果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象，沖模間隙為50mm沖壓出來(lái)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(shuō)明在沖壓過(guò)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(zhǎng)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(lái)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(lái)的產(chǎn)品，兩個(gè)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(píng)論值大，假設(shè)當(dāng)起皺發(fā)生時(shí)，β的實(shí)際值越大，起皺的可能性就越大。 在三個(gè)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(shuō)明嚴(yán)重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對(duì)三個(gè)沖模間隙不同的沖壓，在側(cè)壁中心很少發(fā)生起皺。還說(shuō)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(guò)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(lái)模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個(gè)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(lái)模擬。 模擬結(jié)果顯示沖壓力的增加并沒(méi)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(gè)外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說(shuō)明在沖壓帶有錐度的方形杯子時(shí)，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因?yàn)槠鸢櫟脑蛑饕怯捎谠谟袡M向壓力存在的側(cè)壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對(duì)沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒(méi)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(gè)階梯矩形杯子時(shí)，起皺發(fā)生在側(cè)壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側(cè)壁C沿臺(tái)階D-E而行。在近期的研究中，在一個(gè)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(cè)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(guò)清理焊縫的深拉。在這種深拉過(guò)程中，沒(méi)有焊縫被用在沖模表面來(lái)幫助幫助金屬的流動(dòng)。但是，由于沖頭拐角處的半徑過(guò)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(guò)程中板料的變形，誕生了一種有限元的方法。這種有限元模擬方法被在最初的設(shè)計(jì)中。部分的模擬形狀如圖8所示。從圖8中可以看出，零件上部邊緣的網(wǎng)眼被拉深，皺紋分布在側(cè)壁上，類似真實(shí)零件中的那樣。 圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側(cè)壁高度的橫截面線條 圖7 產(chǎn)品零件中的拉裂和起皺 圖8 產(chǎn)品拉裂和起皺的模擬形狀 如圖1（b）就像A-B邊緣半徑和沖孔拐角處A的半徑一樣，沖孔的半徑也很小，這被認(rèn)為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，拉裂可以通過(guò)增加以半徑來(lái)避免。這種理念在現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中通過(guò)增加半徑得到證實(shí)。 個(gè)別的嘗試也被用來(lái)消除起皺。第一，沖壓力加到原來(lái)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(duì)消除起皺現(xiàn)象沒(méi)有起有很大的效果。通過(guò)增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結(jié)論。于是我們推測(cè)，這種起皺不能通過(guò)增加沖壓力來(lái)得到抑制。 由于在金屬屈服于過(guò)大壓力的區(qū)域，往往會(huì)因?yàn)榇罅康慕饘倭鲃?dòng)而起皺，一種通過(guò)在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡(jiǎn)單方法被用來(lái)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(gè)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(méi)被吸收。這說(shuō)明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來(lái)吸收所有過(guò)量的材料，但是這在模具設(shè)計(jì)中是不允許的。 利用有限元分析法分析沖壓工序的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是沖壓過(guò)程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測(cè)，而這在真實(shí)的產(chǎn)品沖壓過(guò)程中是不可能的。對(duì)沖壓過(guò)程中金屬流動(dòng)的精密監(jiān)測(cè)顯示板料最開始通過(guò)沖頭的力按模腔的形狀成形，直到板料接觸到如圖1（b）階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如 圖9 加到側(cè)壁的起皺 圖10顯示的那樣。這就為模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了有價(jià)值的信息。 圖10 當(dāng)板料接觸臺(tái)階邊緣的起皺形成 圖11 切除了的臺(tái)階拐角 對(duì)于起皺的發(fā)生，最初的一個(gè)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(guò)增加階梯邊緣有更多的拉伸被應(yīng)用到如圖11所示，從而使得模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)得到發(fā)展。但是，杯子側(cè)壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因?yàn)檎麄€(gè)沖頭邊緣和整個(gè)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(shuō)法，兩種改進(jìn)過(guò)了的模具設(shè)計(jì)被用來(lái)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(gè)階梯，而另一種是增加更多的拉深操作。前一個(gè)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(guò)兩步拉深工序可以造出沒(méi)有起皺的階梯矩形杯子，同時(shí)也說(shuō)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^(guò)較低的階梯進(jìn)入模具型腔。 圖12改善模具設(shè)計(jì)的模擬形狀 圖13 兩個(gè)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(shuō)明用簡(jiǎn)單的拉深操作來(lái)設(shè)計(jì)理想產(chǎn)品的沖壓模具設(shè)計(jì)是很難完成的。但是，由于額外的模具費(fèi)用和操作費(fèi)用，兩個(gè)操作的制造費(fèi)用是很高的。為了保持較低的制造費(fèi)用，零件的設(shè)計(jì)師對(duì)形狀做出了合適的改變，而且通過(guò)有限元模擬分析法結(jié)果去切除較低的臺(tái)階來(lái)改善模具設(shè)計(jì)，如圖12所示。隨著設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，產(chǎn)品真實(shí)的沖壓模具被制造出來(lái)，而且零件還沒(méi)有起皺，如圖14所示。通過(guò)有限元模擬分析法得到的零件也沒(méi)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(wú)缺陷產(chǎn)品零件 圖15 G-H處模擬和測(cè)量厚度 5概要和結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過(guò)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(guò)大（沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距）。當(dāng)金屬被拉至模腔中，在沖頭和型腔中有一有害的拉深時(shí)，大的沖模間隙導(dǎo)致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐，因此大面積區(qū)域不被支撐導(dǎo)致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過(guò)增加沖壓力的方法來(lái)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(guò)程中。起皺往往發(fā)生在臺(tái)階以上的側(cè)壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過(guò)有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺(tái)階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)有限元模擬分析法單獨(dú)的嘗試被用來(lái)消除起皺，切除了臺(tái)階的模具被建立。通過(guò)無(wú)缺陷的零件證實(shí)了這種模具設(shè)計(jì)方法對(duì)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(shuō)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(guó)人民共和國(guó)民族科學(xué)委員會(huì)授于NSC-86-2212-E002-028編號(hào)才使得這個(gè)項(xiàng)目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產(chǎn)品零件。 參考文獻(xiàn) 1. K. Yoshida， H. Hayashi， K. Miyauchi， Y. Yamato， K. Abe， M. Usuda， R. Ishida and Y. Oike，在金屬板料，皺紋機(jī)械工具的效果取決于不均勻的拉深 2. T.X.Yu，W.Johnson 和 W.J.Stronge， “圓形碟子在半球形模具中的沖壓成形”，機(jī)械學(xué)雜志，26，pp.131-148，1984 3. W.J.stronge，M.P.F.Sutcliffe和T.X.Yu，在沖壓期間，圓形碟子的塑性起皺。實(shí)驗(yàn)的技巧，pp.345-353，1986. 4. R.Narayanasamy和R.Sowerby，“當(dāng)用一種圓錐形的沖模成形時(shí)的金屬板料起皺”，材料處理技術(shù)雜志，41，pp.275-290，1994. 5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機(jī)械和冶金，1993年第二季。 上海電機(jī)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題審批表 申報(bào)人 所屬學(xué)院 設(shè)計(jì)（論文）選題名稱 接觸片級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)及其制造工藝 課題來(lái)源 自選課題 課題簡(jiǎn)介： 該模具主要用于大批量生產(chǎn)某企業(yè)電器產(chǎn)品中“接觸片”沖件，沖件材料為帶QSn6.5-0.1 Y 0.2X600 GB2060，厚度0.2mm。沖件形狀較復(fù)雜，沖件的沖壓內(nèi)容包括落料、沖孔、成型等，一般需要安排多個(gè)工位才能沖壓成形。該沖件年產(chǎn)量80萬(wàn)件。在對(duì)該級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)時(shí)，要認(rèn)真分析沖件的特點(diǎn)，合理確立沖壓加工的先后順序。模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要確保本方案的實(shí)施，并按圖控制材料的輾紋方向。 選題理由及準(zhǔn)備情況： 根據(jù)教學(xué)的要求，體現(xiàn)本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)。通過(guò)對(duì)本課題級(jí)進(jìn)模排樣方案的確定，模具結(jié)構(gòu)的選擇和制造工藝的編制，使學(xué)生運(yùn)用學(xué)到的理論知識(shí)，緊密地結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，熟悉、掌握模具設(shè)計(jì)和制造工藝編制的步驟和方法，接受一次比較系統(tǒng)的、針對(duì)性強(qiáng)的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，從而達(dá)到提高學(xué)生模具設(shè)計(jì)的能力。 本課題已有“接觸片”沖件圖，準(zhǔn)備工作已落實(shí)。 設(shè)計(jì)（論文）要求及所具備的條件： 要求學(xué)生熟悉使用UGNX軟件，最終完成裝配圖、零件圖、設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書、主要零件加工工藝過(guò)程卡片及模具裝配工藝過(guò)程說(shuō)明書。要求完成裝配圖1張、主要零件圖5張以上、不少于1萬(wàn)字的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書1份，工藝卡片一套及裝配說(shuō)明書一份。 總完成量是兩張A0 30頁(yè)報(bào)告書 以及一些答辯的提示 其他要求和任務(wù)書一樣 設(shè)計(jì)要求配備計(jì)算機(jī)、相關(guān)的UGNX軟件，多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)資料等。 指導(dǎo)小組意見(jiàn)： 組長(zhǎng)簽字： 年 月 日 上海電機(jī)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 課 題 接觸片級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)及其制造工藝 年 月 日 至 年 月 日共 周 專 業(yè) 年 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 學(xué) 院（系）院長(zhǎng)（簽字） 指 導(dǎo) 教 師 （簽字） 年 月 日 注：本任務(wù)書由上海電機(jī)學(xué)院教務(wù)處印制。 課 題 來(lái) 源 自選課題 課 題 的 目 的 、 意 義 通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)課題的實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程的知識(shí)，充分發(fā)揮個(gè)人積極性，從而提高學(xué)生的模具設(shè)計(jì)能力。 通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)課題的實(shí)踐，是學(xué)生四年學(xué)習(xí)生涯的總練習(xí)。是檢驗(yàn)、是考核，更是鍛煉。使學(xué)生在親身體會(huì)之后，明確了今后努力的方向。 通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)課題的實(shí)踐，拉近了學(xué)校與企業(yè)的距離。 要 求 按照指導(dǎo)老師制定的時(shí)間表，定期進(jìn)行設(shè)計(jì)總結(jié)及信息反饋，保證按時(shí)保質(zhì)保量完成任務(wù)。 設(shè)計(jì)要求完成裝配圖1張、主要零件圖5張以上、不少于1萬(wàn)字的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書1份，工藝卡片一套及裝配說(shuō)明書一份。 課 題 主 要 內(nèi) 容 及 進(jìn) 度 分析課題的沖壓工藝及沖壓方案，基于UG進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝設(shè)計(jì)，最終完成裝配圖、零件圖、設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書、主要零件加工工藝過(guò)程卡片和模具裝配工藝過(guò)程說(shuō)明書以及外文資料的譯文。 1.﹙10.15—10.31﹚研究沖件圖，收集、研讀資料，擬定沖壓工藝方案，完成排樣圖。 2.﹙11.01—11.30﹚擬定模具結(jié)構(gòu)方案，完成模具裝配草圖。 3.﹙12.01—01.31﹚進(jìn)行必要的工藝計(jì)算。 4.﹙02.01—02.28﹚完成模具總裝配圖，零件圖，工藝卡片制作。 5.﹙03.01—03.31﹚撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算、裝配說(shuō)明書，翻譯外文資料。 6.﹙04.01—04.30﹚答辯準(zhǔn)備。 以上各項(xiàng)由指導(dǎo)教師填寫（請(qǐng)用鋼筆） - 4 - 接觸片級(jí)進(jìn)模沖壓設(shè)計(jì) 第1章 緒 論 1.1模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用 模具是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備，它以特殊的形狀通過(guò)一定的方式使原材料成型。例如，沖壓件和鍛件是通過(guò)沖壓和鍛造方式使金屬材料在模具內(nèi)發(fā)生塑性形變而獲得的；金屬壓鑄件、粉末冶金件以及塑料、陶瓷、橡膠、玻璃等非金屬制品，絕大多數(shù)也是用模具成型的。由于模具具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、省料和低成本等特點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，特別是汽車、拖拉機(jī)、機(jī)械制造、家電等行業(yè)得到及其廣泛的利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用模具制造的零件，在飛機(jī)、汽車、拖拉機(jī)、電機(jī)、電器等產(chǎn)品中占60%~80%；在電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等行業(yè)占到了80%以上；在自行車、手表、洗衣機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇等輕工產(chǎn)品中占到了85%以上。據(jù)國(guó)際生產(chǎn)技術(shù)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，到2000年止，機(jī)械零件粗加工的75%和精加工的50%都是由模具來(lái)完成的。 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)工業(yè)產(chǎn)品數(shù)量、品種、質(zhì)量及款式都有越來(lái)越高的要求。為了滿足人類的需要，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都十分重視模具技術(shù)的發(fā)展，大力發(fā)展模具工業(yè)，積極采用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，提高模具制造水平，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。美國(guó)是世界上超級(jí)的經(jīng)濟(jì)大國(guó)，也是世界模具工業(yè)的領(lǐng)先國(guó)家。據(jù)1989年統(tǒng)計(jì)，美國(guó)模具行業(yè)有12554個(gè)企業(yè)，從業(yè)人員17。28萬(wàn)人，模具總產(chǎn)值達(dá)64.47億美元。日本模具工業(yè)是從1957年開始發(fā)展起來(lái)的，當(dāng)年模具中產(chǎn)值僅有106億日元，到了1991年總產(chǎn)值已超過(guò)了17900億日元，在34年中增長(zhǎng)了169倍，這也是日本經(jīng)濟(jì)能飛速發(fā)展，并在國(guó)際市場(chǎng)上占有一定優(yōu)勢(shì)的重要原因之一。現(xiàn)在，日本的模具工業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了高度的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和商品化。 現(xiàn)在，大家都意識(shí)到，研究和發(fā)展模具技術(shù)，對(duì)于促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有特別重要的意義。模具技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平的重要標(biāo)志之一。模具工業(yè)能促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的發(fā)展和質(zhì)量的提高，并能獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益，因而引起了各國(guó)家的高度重視和贊賞。模具也被譽(yù)為“進(jìn)入富裕社會(huì)的原動(dòng)力”、“金屬加工業(yè)中的帝王”等。因此可以斷言，隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位將日益提高，模具技術(shù)也會(huì)不段的發(fā)展，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 1.2全球模具發(fā)展概況 全球主要模具生產(chǎn)國(guó)包括亞洲地區(qū)的日本、韓國(guó)與中國(guó)，以及美洲地區(qū)的美國(guó)、歐洲地區(qū)的德國(guó)。 1.2.1各國(guó)產(chǎn)業(yè)形貌 在全球主要模具產(chǎn)銷國(guó)家當(dāng)中，中國(guó)模具企業(yè)及從業(yè)人數(shù)最多，近七成屬于國(guó)有企業(yè)，外資企業(yè)亦占多數(shù)，大型模具廠員工約600～700人，更有規(guī)模達(dá)上千人的公司，臺(tái)商投資的富士康集團(tuán)(Foxconn)員工人數(shù)將近6,000人最具代表性，中型模具廠則150～300人之間，小型模具廠也至少有50人左右，其他國(guó)家的模具業(yè)則多以中小型企業(yè)型態(tài)經(jīng)營(yíng)。 在產(chǎn)品類別上，2002年日本與中國(guó)偏重生產(chǎn)沖壓模及塑料模，兩者產(chǎn)值合計(jì)比重高達(dá)八成，南韓則以其他模具產(chǎn)值比重最大，占總產(chǎn)值四成七。 在應(yīng)用市場(chǎng)方面，日本、韓國(guó)、美國(guó)與德國(guó)以汽車模具為最大宗產(chǎn)品，而我國(guó)則以電子通訊產(chǎn)品用模具為主。 依照2002年各國(guó)出入差狀況來(lái)看，日本、南韓及德國(guó)的模具屬與出口大國(guó)，中國(guó)與美國(guó)的模具則因國(guó)內(nèi)需求市場(chǎng)大，本國(guó)廠商無(wú)法完整供應(yīng)，須借進(jìn)口模具以滿足下游市場(chǎng)的產(chǎn)品制造。由2002年各國(guó)主要進(jìn)出口國(guó)別分析，與地域分布有極大的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)出口地區(qū)多屬鄰近國(guó)家，而日本較特別的是出口地區(qū)以美國(guó)為主，但隨著中國(guó)近年各下由游產(chǎn)業(yè)快速的發(fā)展，已有漸漸轉(zhuǎn)向拓展中國(guó)市場(chǎng)的趨勢(shì)。 在各國(guó)工資方面，根據(jù)美國(guó)國(guó)貿(mào)局2002年所作模具產(chǎn)業(yè)白皮書的調(diào)查結(jié)果，以德國(guó)時(shí)薪最高，技術(shù)人員時(shí)薪水平為$12.13～$19.28，設(shè)計(jì)人員則為$16.91～$25.26，日本與美國(guó)則介于中中間，中國(guó)工資最低，技術(shù)人員年薪僅$732～$5,853，設(shè)計(jì)人員僅為$2,927～$5,853，若以最高年薪為基準(zhǔn)與德國(guó)比較，則僅能僱用德國(guó)技術(shù)人員約38天左右，由此可看出先進(jìn)國(guó)家與中國(guó)低廉的工資成本差距如此之大。各國(guó)模具產(chǎn)業(yè)概況詳如表1—1所示。 表1—1 全球主要模具生產(chǎn)國(guó)家產(chǎn)業(yè)概況 國(guó)別 日本 中國(guó) 韓國(guó) 美國(guó) 德國(guó) 企業(yè)家數(shù) 12,000家 18,000家 4,000家 7,000家 5,000家 從業(yè)人數(shù) 11萬(wàn)3千人 50萬(wàn)人 3萬(wàn)5千人 12萬(wàn)9千人 3萬(wàn)4千人 企業(yè)類型 小型企業(yè) 大中型企業(yè) 小型企業(yè) 中小型 中小型 產(chǎn)品類別 沖壓模與塑料模占八成 沖壓模與塑料模占八成 其他模具占四成七 沖壓模、塑料模為主 沖壓模、塑料模為主 出入超狀況 強(qiáng)出超國(guó) 強(qiáng)入超國(guó) 強(qiáng)出超國(guó) 準(zhǔn)入超國(guó) 準(zhǔn)出超國(guó) 主要進(jìn)口國(guó) 韓國(guó) 日本 日本 加拿大 瑞士 主要出口國(guó) 美國(guó) 香港 日本 加拿大 捷克 平均工資 (美元) 時(shí)薪$8～22 年薪$585～10,243 -- 時(shí)薪$18.4 時(shí)薪$12～5 產(chǎn)值 (百萬(wàn)美元) 2001年 13,131.5 3,817.8 1,722.6 13,204.0 3,248.8 2002年 11,985.8 4,349.0 2,400.0 -- -- 資料來(lái)源：海關(guān)進(jìn)出口月報(bào)、美國(guó)國(guó)貿(mào)局模具產(chǎn)業(yè)白皮書/金屬中心IT IS計(jì)劃整理 1.2.2各國(guó)優(yōu)劣勢(shì)分析 技術(shù)先進(jìn)國(guó)家如日本、美國(guó)、德國(guó)等，對(duì)于高精度與復(fù)合性模具開發(fā)，不論在設(shè)計(jì)能力或制造技術(shù)上，均有領(lǐng)先的地位，同時(shí)也擁有訓(xùn)練精良的技術(shù)研發(fā)人才。其中，日本模具廠商在技術(shù)上較重視拋光與研磨加工制程，德國(guó)模具廠商則由提高機(jī)械加工與放電加工的精度與效率著手，以降低手工加工的時(shí)間。 在市場(chǎng)規(guī)模上，不論產(chǎn)值或國(guó)內(nèi)需求以日本衰退最為明顯。在運(yùn)營(yíng)成本上，常面臨高工資、高福利的問(wèn)題，因此下游產(chǎn)業(yè)或模具廠商逐漸將生產(chǎn)據(jù)點(diǎn)移往鄰近的新興工業(yè)國(guó)或技術(shù)后進(jìn)國(guó)家，以降低勞工成本，增強(qiáng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，但是這樣的趨勢(shì)往往會(huì)造成技術(shù)無(wú)形中外流的疑慮，使得本身更須投入大筆研發(fā)費(fèi)用，以加速提升加工技術(shù)與高速機(jī)械性能，拉大彼此間的差異。 以韓國(guó)及中國(guó)來(lái)看，我國(guó)在技術(shù)上落后于日、美、德，但仍優(yōu)于南韓，同時(shí)在生產(chǎn)速度上也遙遙領(lǐng)先。韓國(guó)與中國(guó)最近幾年的市場(chǎng)生產(chǎn)與需求規(guī)模呈現(xiàn)成長(zhǎng)走勢(shì)，尤其中國(guó)模具業(yè)正在快速發(fā)展中，各國(guó)知名大廠進(jìn)駐生產(chǎn)設(shè)備，無(wú)形中提升模具開發(fā)實(shí)力與設(shè)計(jì)能力。成本方面，中國(guó)特別是大陸與韓國(guó)因擁有相對(duì)低的人力成本優(yōu)勢(shì)，故對(duì)于模具售價(jià)上，往往采取低價(jià)行銷打入市場(chǎng)，也因此在全球景氣欠佳的局勢(shì)中，成功拓取市場(chǎng)買家的青睞，最明顯的例子就是出口值的漲勢(shì)。綜合上述全球主要模具生產(chǎn)國(guó)家的相對(duì)優(yōu)劣勢(shì)分析，整合如表1—2所示。 表1—2 全球主要模具生產(chǎn)國(guó)家優(yōu)劣勢(shì)分析 ? 相對(duì)優(yōu)勢(shì) 相對(duì)劣勢(shì) 日 ? 本 1.擁有技術(shù)精良的技術(shù)人才。 2.產(chǎn)品具有高品質(zhì)保證。 3.生產(chǎn)前置期短(快速)。 4.擁有高精密度、高復(fù)合度模具的制造能力。 1.相對(duì)高的勞工成本。 2.產(chǎn)業(yè)空洞化問(wèn)題嚴(yán)重。 3.在CAD/CAM及3D電腦軟件自主能力及運(yùn)用上，與技術(shù)先進(jìn)國(guó)相比仍嫌不足。 韓 國(guó) 1.因1998年經(jīng)濟(jì)危機(jī)，韓元大幅貶值人事費(fèi)用降低，模具價(jià)格下跌，有利于出口成長(zhǎng)。 2.小型模具廠的背后多有大企業(yè)財(cái)力及物力的支持。 1.模具設(shè)計(jì)能力與開發(fā)技術(shù)仍待加強(qiáng)。 中 國(guó) 1.具有高度成長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)并擁有國(guó)際級(jí)下游客戶群聚效應(yīng)。 2.擁有低工資的技術(shù)與設(shè)計(jì)人員。 3.成立模具專區(qū)，吸引國(guó)外廠商形成產(chǎn)業(yè)聚落。 1.缺乏靈活與創(chuàng)意的模具設(shè)計(jì)能力。 2.尚無(wú)生產(chǎn)高精度與復(fù)雜度高的技術(shù)能力。 3.須以高成本進(jìn)口模具，以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品低品質(zhì)的供應(yīng)缺口。 美 國(guó) l.高品質(zhì)產(chǎn)品。 2.擁有研發(fā)實(shí)力與創(chuàng)新性的生產(chǎn)技術(shù)。 3.產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力強(qiáng)。 4.擁有廣大應(yīng)用市場(chǎng)及多樣化的下游客戶基礎(chǔ)。 1.勞工成本高。 2.市場(chǎng)價(jià)格高。 3.相關(guān)員工福利、訓(xùn)練、保險(xiǎn)費(fèi)用負(fù)擔(dān)重。 德 國(guó) 1.擁有優(yōu)良傳統(tǒng)模具的生產(chǎn)工藝技術(shù)。 2.堅(jiān)實(shí)的師徒制習(xí)藝計(jì)劃。 3.在生產(chǎn)高精密度和復(fù)合度的模具上，擁有相當(dāng)好的技術(shù)基礎(chǔ)。 1.勞工成本高。 2.下游客戶移至生產(chǎn)成本較低的國(guó)外據(jù)點(diǎn),包括東歐和中國(guó)。 3.模具制造廠也隨著下游客戶外移。 資料來(lái)源：美國(guó)國(guó)貿(mào)局模具產(chǎn)業(yè)白皮書/金屬中心IT IS計(jì)劃整理 整體而言，由于各國(guó)模具業(yè)者，多以中小企業(yè)型態(tài)經(jīng)營(yíng)，因此，在營(yíng)運(yùn)資金籌措上常遭遇困難，若無(wú)政府政策支持與稅務(wù)的優(yōu)惠措施，模具業(yè)者將形成單打獨(dú)斗與孤軍奮戰(zhàn)的狀況，更不論與國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。除了中國(guó)與韓國(guó)外，各國(guó)均面臨勞工成本高的壓力，因此唯有提高產(chǎn)品附加價(jià)值才能擺脫低成本的競(jìng)爭(zhēng)壓力。 1.3中國(guó)模具發(fā)展?fàn)顩r 目前，中國(guó)17000多個(gè)模具生產(chǎn)廠點(diǎn)，從業(yè)人數(shù)約50多萬(wàn)。1999年中國(guó)模具工業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)245億元人民幣。工業(yè)總產(chǎn)值中企業(yè)自產(chǎn)自用的約占三分之二，作為商品銷售的約占三分之一。在模具工業(yè)的總產(chǎn)值中，沖壓模具約占50%，塑料模具約占33%，壓鑄模具約占6%，其它各類模具約占11%。 鑒于模具作為包括機(jī)床工具、汽車制造、食品包裝等在內(nèi)的機(jī)械行業(yè)中機(jī)械基礎(chǔ)件產(chǎn)業(yè)，以及電工電器、電子及信息行業(yè)的支持產(chǎn)業(yè)，在發(fā)展先進(jìn)生產(chǎn)力當(dāng)中，處于非常關(guān)鍵并服務(wù)全行業(yè)的地位，其發(fā)展對(duì)產(chǎn)業(yè)配套能力的提升和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)聚集優(yōu)勢(shì)的形成將起到重要作用。改革開放以來(lái)，中國(guó)模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化。除了國(guó)有專業(yè)模具廠外，其他所有制形式的模具廠家，包括集體企業(yè)、合資企業(yè)、獨(dú)資企業(yè)和私營(yíng)企業(yè)，都得到了快速發(fā)展，集體和私營(yíng)的模具企業(yè)在廣東和浙江等省發(fā)展得最為迅速。目前，國(guó)內(nèi)已能生產(chǎn)精度達(dá)2微米的精密多工位級(jí)進(jìn)模，工位數(shù)最多已達(dá)160個(gè)，壽命1～2億次。在大型塑料模具方面，現(xiàn)在已能生產(chǎn)48英寸電視的塑殼模具、6.5Kｇ大容量洗衣機(jī)的塑料模具，以及汽車保險(xiǎn)杠、整體儀表板等模具。在精密塑料模具方面，國(guó)內(nèi)已能生產(chǎn)照相機(jī)塑料模具、多型腔小模數(shù)齒輪模具及塑封模具等。在大型精密復(fù)雜壓鑄模方面，國(guó)內(nèi)已能生產(chǎn)自動(dòng)扶梯整體踏板壓鑄模及汽車后橋齒輪箱壓鑄模。在汽車模具方面，現(xiàn)已能制造新轎車的部分覆蓋件模具。其他類型的模具，例如子午線輪胎活絡(luò)模具、鋁合金和塑料門窗異型材擠出模等，也都達(dá)到了較高的水平，并可替代進(jìn)口模具。 在中國(guó)，人們已經(jīng)越來(lái)越認(rèn)識(shí)到模具在制造中的重要基礎(chǔ)地位，認(rèn)識(shí)到模具技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平高低的重要標(biāo)志，并在很大程度上決定著產(chǎn)品質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。 許多模具企業(yè)十分重視技術(shù)發(fā)展，加大了用于技術(shù)進(jìn)步的投資力度，將技術(shù)進(jìn)步視為企業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α４送?，許多研究機(jī)構(gòu)和大專院校開展模具技術(shù)的研究和開發(fā)。目前，從事模具技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)和院校已達(dá)30余家，從事模具技術(shù)教育的培訓(xùn)的院校已超過(guò)50余家。其中，獲得國(guó)家重點(diǎn)資助建設(shè)的有華中理工大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)CAD國(guó)家工程研究中心、北京機(jī)電研究所精沖技術(shù)國(guó)家工程研究中心和鄭州工業(yè)大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心等。經(jīng)過(guò)多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術(shù)、模具的電加工和數(shù)控加工技術(shù)、快速成型與快速制模技術(shù)、新型模具材料等方面取得了顯著進(jìn)步；在提高模具質(zhì)量和縮短模具設(shè)計(jì)制造周期等方面做出了貢獻(xiàn)。 雖然中國(guó)模具工業(yè)在過(guò)去十多年中取得了令人矚目的發(fā)展，但許多方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大的差距。根據(jù)“十一五”模具行業(yè)發(fā)展的任務(wù)與目標(biāo)，我國(guó)模具行業(yè)要努力解決發(fā)展中存在的諸如總量供不應(yīng)求、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不夠合理、工藝裝備水平低、配套性不好、利用率低、技術(shù)人才嚴(yán)重不足、專業(yè)化程度低、高檔產(chǎn)品市場(chǎng)缺席。特別在大型、精密、復(fù)雜和長(zhǎng)壽命模具技術(shù)上存在明顯差距，這些類型模具的生產(chǎn)能力也不能滿足國(guó)內(nèi)需求，因而需要大量從國(guó)外進(jìn)口等問(wèn)題，使我國(guó)模具行業(yè)向大型、精密、復(fù)雜、高效、長(zhǎng)壽命和多功能方向發(fā)展，在良好的市場(chǎng)環(huán)境中穩(wěn)步前進(jìn)。 43 第2章 零件工藝性分析及工藝方案的確定 2.1沖壓工藝分析： 沖裁件的工藝性是指沖裁件對(duì)沖壓工藝的適應(yīng)性，即沖裁件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、精度等級(jí)等是否符合沖裁加工的工藝要求。良好的結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)保證材料消耗少，工序數(shù)目少，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而壽命高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，等等。通常對(duì)沖裁件的工藝性影響最大的是幾何形狀尺寸和精度要求。 2.1.1沖裁件的形狀和尺寸要求 ①?zèng)_裁件的形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、對(duì)稱，最好采用圓形、矩形等規(guī)則的幾何形狀或由這些形狀所組成， 使排樣時(shí)廢料最少。 ②沖裁件的凸出懸臂和凹槽的寬度不宜太小，以免凸模折斷，其合理間隙如表： 表2—1沖裁件的凸出懸臂和凹槽的最小寬度B ③沖裁件的外形或內(nèi)形的轉(zhuǎn)角處，要避免夾角出現(xiàn)，應(yīng)以圓弧過(guò)渡，以便于模具加工，減少熱處理或沖壓時(shí)在尖角處開裂的現(xiàn)象；同時(shí)可以防止尖角部位的刃口磨損過(guò)快而使模具壽命降低。其圓角半徑的最小值見(jiàn)表1—2： 表2—2 沖裁件圓角半徑r的最小值 ④沖孔時(shí)，由于受到?jīng)_孔凸模強(qiáng)度的限制，孔的尺寸不宜過(guò)小。沖孔的孔徑尺寸與孔的形狀、材料的機(jī)械性能、材料厚度等有關(guān)，見(jiàn)表1—3： 表2—3 沖孔的最小尺寸 ⑤沖裁件的孔與孔之間、孔與邊緣之間的距離不應(yīng)過(guò)小，否則模具的強(qiáng)度和沖裁件的質(zhì)所量不能保證，其許可值如圖2—1所示 。 圖2—1 孔邊距 ⑥在彎曲件或拉延件上沖孔時(shí)，為了避免沖孔時(shí)凸模受水平推力而折斷，孔邊與零件直邊間應(yīng)保持一定距離。一般取C≧R+0.5t. 2.1.2 沖裁件的精度與斷面粗糙度 ①?zèng)_裁件的經(jīng)濟(jì)精度一般不高一IT11級(jí)，最高精度可達(dá)IT8～9級(jí)。沖孔比落料的精度要高一級(jí)。 ②沖裁件的斷面粗糙度一般為Rａ=12.5～50nm，最高可達(dá)Rａ=6.3 nm。 2.1.3沖裁的經(jīng)濟(jì)性 所謂經(jīng)濟(jì)性，就是以最小的耗費(fèi)取得最大的經(jīng)濟(jì)效果，即生產(chǎn)中的“最小最大”原則。 1.沖裁件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸 沖裁件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，應(yīng)該有良好的工藝性，以便于沖裁，便于模具的制造，降低成本。 ①在設(shè)計(jì)沖裁件時(shí)，在不改變使用性能的前提下，可以直線代曲線，以圓形代矩形，使凸、凹模制造與維修方便，減少鉗工工作量，降低成本。 ②盡量采用通用尺寸和標(biāo)準(zhǔn)直徑，充分利用現(xiàn)成的工藝裝備。 ③尺寸標(biāo)注要靈活，以擴(kuò)大沖裁工藝的靈活性。 2.合理利用材料 ①在滿足零件強(qiáng)度和使用要求的情況下，減少材料厚度。 ②沖裁件的結(jié)構(gòu)形狀符合少、無(wú)廢料排樣時(shí)，能提高材料的利用率，從而減少材料消耗，降低成本。 ③采用套料排樣沖裁，充分利用結(jié)構(gòu)廢料，既省料又省工序，經(jīng)濟(jì)效果顯著，如圖所示。 圖2—2 套料連續(xù)沖裁的排樣 ④合理選用沖裁件材料。在保證使用和工藝性能的同時(shí)，盡量采用“廉價(jià)代貴重，薄料代厚料，黑色代有色”和統(tǒng)一及減少品種規(guī)格等一系列降低成本的措施。 綜上所述，如圖2—3為零件圖，此零件為接觸片，滿足沖裁工藝性各方面的要求，也可以保證足夠的剛度和強(qiáng)度。由資料2—表4—1查出其精度等級(jí)為IT12級(jí)。 圖2—3 零件圖 此零件經(jīng)過(guò)幾何形狀的分析可以看出，它是由兩個(gè)半圓和中間的矩形部分組成。圓形部位的成型是拉深。中間矩形部位的成型很象是彎曲，但實(shí)際上它是側(cè)壁的材料在凸模的壓力作用下沿凹模的圓角流進(jìn)去的，屬于拉深。底部的三個(gè)孔是由沖孔工序完成。兩翼的U形部分既可以由反拉深完成，也可以由翻邊完成，但此零件的尺寸較小，如果采用反拉深凸模的制造精度和強(qiáng)度要求都比較高，凸、凹模的安裝空間狹小，難以實(shí)現(xiàn)，所以選擇翻邊完成。 2.2沖壓工藝方案設(shè)計(jì)： 制定沖裁工藝方案就是要確定沖裁件的工藝路線。工藝路線不但影響產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，而且影響生產(chǎn)成本、勞動(dòng)強(qiáng)度、設(shè)備投資等。因此制定工藝路線時(shí)，需要提出幾個(gè)方案，進(jìn)行分析對(duì)比，尋求最經(jīng)濟(jì)合理的方案。 2.2.1工藝方案的分析： 零件的形狀表明，在拉深前該零件展開毛坯面積計(jì)算，將其分為直線和彎曲部分進(jìn)行展開計(jì)算。由參考文獻(xiàn)3上表2—7用插值法取的該零件的中性層系數(shù)為x0=0.345;則由參考文獻(xiàn)1公式（3—12）可以得出該零件的展開長(zhǎng)度為： （2—1） =（16.5＋0.675×2＋1.275×2）＋（0.5＋0.345×0.3）×3.14＋（0.45÷2＋0.345×0.3）×3.14×2 =23.35㎜ 同理，零件的展開寬度為： L寬 =3.3＋（0.45÷2＋0.345×0.3）×1800/1800×3.14×2＋（0.5＋0.345×0.3）×3.14 =10.16㎜ 工件的形狀是翻邊以后的形狀,在翻邊以前應(yīng)該按翻邊工序計(jì)算展開.其展開圖為: 圖中示的？為零件在翻邊時(shí)落料凸模的直徑d凸 =[10.16-3.3-1.4-3.79]㎜＋4.6㎜＋1㎜ =7.28㎜ 該零件的主要工序拉深工序按下列順序進(jìn)行計(jì)算： 2.2.1.1計(jì)算毛坯直徑 單工序拉深模的毛坯是單個(gè)的，級(jí)進(jìn)模的坯料則是條料。計(jì)算毛坯直徑是根據(jù)拉深成型以后，工件的表面積與毛坯面積相等的原理，進(jìn)行毛坯直徑的計(jì)算。按參考文獻(xiàn)3表4—7中序號(hào)4的公式計(jì)算。既： (2—2) 將圖1——5與表中圖相對(duì)應(yīng)，d凸=7.27㎜；d=4.3㎜；H=1.7㎜；r=0.5㎜,代入上式，則： Di= =8.94mm 上述計(jì)算的Di是“計(jì)算毛坯直徑”，還要加上修邊余量而得出實(shí)際毛坯直徑D。修邊余量由參考文獻(xiàn)2表7—1查出，其值=1.0mm 故實(shí)際毛坯直徑D=Di+=8.94+1.0=9.94mm 2.4.1.2計(jì)算能否一次拉成 由寬凸緣件第一次拉深最大相對(duì)高度h1/d確定能否一次拉深成形。判斷的原則是：寬凸緣件的拉深系數(shù)大于該零件的第一次拉深系數(shù)極限值，或者零件的相對(duì)高度小于其第一次拉深的最大相對(duì)高度值，則該零件可以一次拉成。如圖2—3所示，拉深高度h1=2mm,拉深筒直徑d1=4.3mm,則h1/d1==0.465 ①．計(jì)算d凸/d，其中對(duì)應(yīng)值㎜，d1=4.3㎜,則： ②．計(jì)算毛坯相對(duì)厚度。 根據(jù)以上參數(shù)，按資料2表4—8中查出ｈ1/ｄ的最大值為0。70～0.58。前面算出的本工件的最大相對(duì)高度值為0.465，故的出結(jié)論，該工件可以一次拉深完成。 2.2.2搭邊值的確定 排樣中相鄰兩工件間的余料或條料與工件邊緣間的余料為搭邊。其作用是補(bǔ)償定位誤差，防止由于條料的寬度誤差、送料步距誤差、送料歪斜誤差等原因而沖裁出殘缺的廢品。搭邊值要合理，過(guò)大材料的利用率低。值過(guò)小，就不能發(fā)揮搭邊的作用，在沖裁的過(guò)程中會(huì)被拉斷，造成送料困難，使工件產(chǎn)生毛刺，有時(shí)還會(huì)被拉入凸模和凹模間隙，損壞模具刃口，降低模具的壽命。搭邊值過(guò)小，會(huì)使作用在凸模側(cè)表面上的法向應(yīng)力沿著落料毛坯周長(zhǎng)的均勻分布不均勻，引起模具刃口的磨損。為了避免這一現(xiàn)象，搭邊的最小寬度大約取為毛坯的厚度，使之大于塑變區(qū)的寬度。 本工件的材料塑性較好，工件本身的外形比較復(fù)雜，圓角半徑比較小，所以起搭邊值要取的大一點(diǎn)。 2.2.4料寬的計(jì)算 條料寬度的確定原則是：最小條料寬度要保證沖裁時(shí)工件周邊有足夠的搭邊值，最大條料的寬度要能在沖裁時(shí)順利地在導(dǎo)料板之間進(jìn)送，并與導(dǎo)料板之間有一定的間隙。因此，在確定條料寬度時(shí)必需考慮到模具的結(jié)構(gòu)中是否采用側(cè)壓裝置和側(cè)刃，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行計(jì)算。 圖2—7 有側(cè)刃時(shí)的條料寬度 當(dāng)模具有側(cè)刃的時(shí)候，條料寬度按下式進(jìn)行計(jì)算： (2—3) 式中 B——條料的標(biāo)稱寬度; D——工件垂直于送料方向的最大尺寸(㎜); ａ1——側(cè)搭邊(㎜); △——條料寬度公差(㎜),見(jiàn)表2—5; ｎ——側(cè)刃數(shù); C——側(cè)刃沖切的料邊寬度(㎜),見(jiàn)表2—6; 表2—5剪切條料寬度公差 (㎜) 表2—6 ｂ1和C的值 （㎜） 則根據(jù)上述要求，本零件條料的寬度為: 經(jīng)圓整尺寸后，條料寬度取為30㎜ 2.2.5步距的計(jì)算 步距是指條料在模具上每次送進(jìn)的距離，步距的計(jì)算與排樣的方式有關(guān)，每個(gè)步距可以沖出一個(gè)零件，也可以沖出幾個(gè)零件。 每次只沖出一個(gè)零件的進(jìn)距A的計(jì)算公式為 A=B+ａ (2—4) 式中 B——平行于送料方向工件的寬度； ａ——沖件間的搭邊值； 由零件的排樣圖可以看出，每一個(gè)進(jìn)距只沖一個(gè)零件，即該零件的進(jìn)距采用上式： A=B+ａ =9.94 +1.8㎜ =11.74㎜ 經(jīng)圓整尺寸后A取值為12㎜。 第3章 主要工藝計(jì)算 3.1沖壓力的計(jì)算 3.1.1計(jì)算原則 由于凸、凹模之間存在間隙，所以沖裁件斷面都是帶有錐度的，且落料件的大端尺才等于凹摸尺寸，沖孔件的小端尺寸等丁凸模尺寸。在測(cè)量與使用中，落料件是以大端尺寸為基準(zhǔn)，沖孔件孔徑是以小端尺寸為基準(zhǔn)。沖裁過(guò)程中，凸、凹模要與沖裁零件或廢料發(fā)生摩擦，凸模越磨越小，凹模越磨越大，結(jié)果使間隙越用越大。因此，在確定凸、凹模刃口尺寸時(shí)，必須遵循下述原則： ①.落料模先確定凹模刃口尺寸，其標(biāo)稱尺寸應(yīng)取接近或等于制件的最小極限尺寸，以保證凹模磨損到一定尺寸范圍內(nèi)，也能沖出合格制件．凸模刃口的標(biāo)稱尺寸比凹模小一個(gè)最小合理間隙。 。 ②．沖孔模先確定凸橫刃口尺寸，其標(biāo)稱尺寸應(yīng)取接近或等于制件的員大極限尺令保證凸模磨損到一定尺寸范圍內(nèi)，也能沖出合格的孔。凹橫刃口的標(biāo)稱尺寸應(yīng)比凸模大最小合理間隙。 ③．選擇模具刃口制造公差時(shí)，要考慮工件精度與模具精度的關(guān)系，既要保證工件的精度要求，又要保證有合理的間隙值。一般沖模精度較工件精度高2—3級(jí)。若零件沒(méi)有標(biāo)注公差，則對(duì)于非圓形件按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)非配合尺寸的ITl4級(jí)精度來(lái)處理，圓形件一般可按IT10級(jí)精度來(lái)處理，工件尺寸公差應(yīng)技“入體”原則標(biāo)注為單向公差，所謂“人體”原則是指標(biāo)注工件尺寸公差時(shí)應(yīng)向材料實(shí)體方向單向標(biāo)注，即：落料件正公差為零，只標(biāo)注負(fù)公差；沖孔件負(fù)公差為零，只標(biāo)注正公差。 3.1.2計(jì)算方法 模具工作部分尺寸及公差的計(jì)算方法與加工方法有關(guān)，基本上可分為兩類。 3.1.2.1凸模與凹模分開加： 凸、凹摸分開加工，是指凸模和凹模分別按圖樣加工至尺寸，此種方法適用于圓形或形狀簡(jiǎn)單的工件，為了保證凸、凹模間初始間隙小于最大合理間隙Zｍａｘ不僅凸、凹模分別標(biāo)注公差(凸模，凹模)，而且要求有較高的制造精度，以滿足如下條件： 或取 也就是說(shuō)，新制造的模具應(yīng)該是如圖3—1所示。否則，制造的模具間隙已超過(guò)了允許的變動(dòng)范圍，影響模具的使用壽命。 圖3—1 凸、凹模分別加工時(shí)的間隙變動(dòng)范圍 3.1.2.2凸模和凹模配合加工： 對(duì)于沖制形狀復(fù)雜或薄板制件的模具，其凸、凹模往往采用配合加工的方法。此方法是先加工好凸模(或凹模)作為基準(zhǔn)件，然后根據(jù)此基準(zhǔn)件的實(shí)際尺寸．配做凹模(或凸模)，使它們保持一定的間隙。因此，只需在基準(zhǔn)件上標(biāo)注尺寸及公差，另一件只標(biāo)注標(biāo)稱尺寸，并注明“××尺寸按凸模(或凹模)配作，保證雙面間隙××”。這樣，可放大基準(zhǔn)件的制造公差。其公差不再受凸、凹模間隙大小的限制．制造容易并容易保證凸、凹模間的間隙。 本工件的此道工序?yàn)闆_孔，沖孔應(yīng)以凸模為基準(zhǔn)件，然后配做凹模。先做凸模，凸模磨損后，刃口的尺寸的變化有增大、減小、不變?nèi)N情況，如圖1—9所示。應(yīng)按三種不同的情況分別進(jìn)行計(jì)算： a)沖孔件 ｂ）凸模尺寸 圖 3—2 沖孔件和凸模尺寸 1）.磨損后凸模尺寸變小（A類），設(shè)工件尺寸為，則 (3—4) 2).磨損后凸模尺寸變大（B類），設(shè)工件尺寸為，則 (3—5) 3）。磨損后凸模尺寸不變（C類），按制件標(biāo)注尺寸不同分為 制件尺寸為時(shí) (3—6) 制件尺寸為時(shí) (3—7) 制件尺寸為時(shí) (3—8) 式中 A凸、B凸、C凸——————凸模刃口尺寸(㎜); —————凸模尺寸制造偏差(㎜),; —————工件制造偏差,對(duì)稱偏差時(shí), =; △ —————制件公差(㎜). 本工件屬于磨損后凸模尺寸變小(A類),則其尺寸按(3—4)式計(jì)算: = =㎜ 3.1.3沖裁力的計(jì)算 采用平刃口凸模和凹模沖裁時(shí)，其沖裁力的計(jì)算見(jiàn)下式： （3—9） 式中 ——— 沖裁力（N） L————沖裁件周長(zhǎng)（㎜） ｔ———材料厚度（㎜） ———材料抗剪強(qiáng)度（MPa） 考慮到凸、凹模刃口的磨損，模具間間隙的波動(dòng)，材料力學(xué)性能的變化以及材料厚度偏差等因素，實(shí)際所需的沖裁力還需增加30﹪，故選擇沖床時(shí)的沖裁力（N）應(yīng)為： （3—10） 式中 ———材料的抗拉強(qiáng)度 則沖工件底部三個(gè)孔工件的沖裁力F2為： F2=3 =3×（3××0.3×700）N =3×1978.2N =5934.6N 沖兩個(gè)切口用的工藝孔㎜時(shí)的沖壓力F3為： F3=2×Lt =2×(2××0.3×700)N =2637.6N 沖兩工藝孔間切口用的沖壓力F4為： =23×0.3×700N =4830N 側(cè)刃切邊力的計(jì)算： F7 =Lt =24×0.3×700N =5040N 3.1.4卸料力、推件力和頂出力的計(jì)算 由于沖裁中材料的彈性變形及摩擦的存在，沖裁后帶孔的部分會(huì)緊箍在凸模上，而落下的部分會(huì)緊卡在凹模的洞口中。從凸模上卸下緊箍著的材料所需的力稱為卸料力；把落料件從凹模洞口順著沖裁方向推出去的力成為推件力；反向頂出來(lái)的力為頂出力。 F卸、F推、F頂是由壓力機(jī)和模具卸料、頂件裝置獲得的，影響這些力的因素主要有材料的力學(xué)性能、材料厚度、模具間隙、凸、凹模表面精度、零件形狀和尺寸以及潤(rùn)滑情況等。要準(zhǔn)確計(jì)算這些力比較困難，實(shí)際生產(chǎn)中采用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算： （3—11） 由2—表2—15可以查出=0.04～0.07；=0.065；=0.08，則工件在各工位的總的卸料力為： =（F2＋F3＋） =0.065×（5934.6＋2637.6＋11757.27）N =0.05×20329.47N =1016.47N 總的頂料力為： =（F1＋F6＋F8） =0.08×（5807＋5807＋2739.87）N =0.08×14354N =1148N 總壓力F為： F=F1＋F2＋F3＋F4＋F5＋F6＋F7＋＋ =5807＋5934.6＋2637.6＋4830＋11757.27＋5807＋5040＋1016.47＋1148N =43978N 3.2翻邊模工作部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 進(jìn)入翻邊工序，工件先與帶料脫離。由壓桿壓在凹模上，此時(shí)工件的外緣為平面，這時(shí)進(jìn)行的翻邊為外緣翻邊。在兩端，凸緣的材料在翻邊模的作用下橫向產(chǎn)生壓縮的變形，周長(zhǎng)被壓短而形成工件最后的形狀。對(duì)于這種翻邊工序，需要計(jì)算翻邊部位的變形量，如果變形量超過(guò)允許的數(shù)值，工件將產(chǎn)生褶皺，甚至把模具撐裂。 3.2.1落料工序部分模具尺寸計(jì)算 前面已經(jīng)敘述過(guò)對(duì)于薄板制件的模具其凸、凹模采取配合加工的方法。落 件以凹模為基準(zhǔn)件，然后配做凸模。刃口尺寸的變化有增大、減小、不變?nèi)N情況因此凹模刃口尺寸應(yīng)按不同情況分別計(jì)算。 1)凹模磨損后尺寸變大。計(jì)算這類尺寸，按落料凹模公式進(jìn)行計(jì)算： (3—12) 2)凹模磨損后尺寸變小。計(jì)算這類尺寸，按沖孔凸模公式進(jìn)行計(jì)算： (3—13) 3)凹模磨損后尺寸不變。計(jì)算這類尺寸應(yīng)按下述三科情況進(jìn)行計(jì)算： 制件尺寸為時(shí) （3—14） 制件的尺寸為時(shí)： （3—15） 制件尺寸為時(shí) （3—16） Ad、、Bd、Cd——————凹模刃口尺寸(mm)； A、B、C——————工件標(biāo)稱尺寸(mm)， △——————工件公差(mm)； △/——————工件偏差，對(duì)稱偏差時(shí)，/＝／2； ——————凹模制造偏差(mm)，＝／4； 本工件在凹模磨損后尺寸變大，應(yīng)按（1—12）式進(jìn)行計(jì)算： = =㎜ 凸模尺寸的計(jì)算公式： （3—17） 式中Zmin為凸、凹模最小合理間隙（雙邊），由1—表2—6可以取出Zmin=0.03 則： = =㎜ 3.2.2翻邊凸、凹模的設(shè)計(jì) 此工件的尺寸比較小，其凸模的尺寸應(yīng)在拉深凸模的尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算加工。則其配合圖形如下： 圖3—3 翻邊凸模計(jì)算示意圖 由于此翻邊凸模的形狀比較特殊為一環(huán)狀零件，則其內(nèi)徑按拉深凸模尺寸加上工件厚度再取適當(dāng)?shù)拈g隙值進(jìn)行計(jì)算，公差按“入體原則”進(jìn)行標(biāo)注。則凸模工作部分刃口內(nèi)徑尺寸為： ㎜ =㎜ =㎜ 翻邊凸模工作部分刃口外徑的尺寸是在翻邊凸模內(nèi)徑的尺寸上再加上工件U形空間允許的尺寸厚度；公差按照“入體原則”進(jìn)行標(biāo)注。由工件圖可以看出工件U形空間允許的尺寸厚度值為18.4－17.5=0.9㎜，則翻邊凸模外徑的尺寸為： ㎜ =㎜ =㎜ 凸模工作部分的高度H取為2㎜. 翻邊凹模的刃口尺寸是在翻邊凸模外刃口尺寸的基礎(chǔ)上加上工件材料厚度而得到。公差按照“入體原則進(jìn)行標(biāo)注”，則翻邊凹模的刃口尺寸為： ㎜ =㎜ =㎜ 則由圖1—10可以看出：凹、凸模的工作部分厚度L是由落料凸模的刃口尺寸和翻邊凹模的刃口尺寸決定的。L==7.28-6.44=0.84㎜，兩面的公差按相關(guān)凸、凹模作用面公差標(biāo)注。 翻邊的變形程度用（1——18）式計(jì)算： （3—18） 按照上述，工件的對(duì)應(yīng)值ｂ=1.485；R=1.4；則翻邊變形量Ec為： Eｃ=1.484÷（1.4＋1.485）=0.51 與參考文獻(xiàn)2表5—10中數(shù)值對(duì)照，變形量在允許范圍之內(nèi)。 翻邊力F8的大小采用下式計(jì)算： F= （3—19） 式中 L——————翻邊周邊長(zhǎng)度（㎜） K——————因數(shù)，一般取0.2～0.3。 F8= =1.25（2.8＋13×2）㎜×0.3㎜×700MPａ×0.3 =2739.87N 第4章 沖模材料與壽命 為了延長(zhǎng)沖模壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益，合理選用模具材料成為模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。因在選用制造模具中的主要羅件材料時(shí)，必須滿足下列基本要求： (1)根據(jù)模具的工作特點(diǎn)相失效形式，確定模具的失效抗力指標(biāo)，尤其是對(duì)韌性的要求； (2)考慮其冷加工工藝性能和熱加工工藝性能是否良好； (3)分析模具的使用價(jià)值．盡可能采用質(zhì)量好的鋼種，但也要考慮到其經(jīng)濟(jì)性，模材料費(fèi)用占整個(gè)模具制造費(fèi)用的6％一10％； (4)為了降低生產(chǎn)成本，注意采用微變形模具鋼．以降低機(jī)械加工費(fèi)用； (5)對(duì)于特種要求的模具．應(yīng)開發(fā)應(yīng)用具有專門性能的模具鋼。 選擇材料要根據(jù)模具零件的使用條件來(lái)決定。做到在滿足主要條件的前提下．選擇價(jià)格低的材料，使成本最低。如多工位級(jí)進(jìn)模應(yīng)是高效、精密．長(zhǎng)壽命的三高模具，凸模、凹模的材料應(yīng)具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和足夠的韌性，故必須選用優(yōu)質(zhì)合金鋼和硬質(zhì)臺(tái)金材料。在拉深不銹鋼制件則，所選用的材料應(yīng)有較高的抗粘附性。對(duì)于固定板、卸料板類零件，不但要有足夠的強(qiáng)度，而且要求模具在工作過(guò)程中變形小。另外還可以采用冷處理和深冷處理、真空處理和表面強(qiáng)化的方法提高模 4.1沖模材料 4.1.1沖模材料的種類 制造中小型沖模的材料有：鑄鐵、碳鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金以及鋅合金、低熔點(diǎn)合金、塑料、環(huán)氧村脂、聚氨酯橡膠、層壓樺木板等。 凸、凹模所使用的模具鋼有：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻工具鋼、高碳中鉻工具鋼、高速鋼、基體鋼、硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金等?，F(xiàn)將常用模具鋼的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍簡(jiǎn)介如下： (1)碳素工具鋼：在模具中應(yīng)用較多的碳素工具鋼是T10A，其優(yōu)點(diǎn)是加工性好，價(jià)格便宜，但淬透性和紅硬性差、熱處理變形大。它適用于制造工作負(fù)荷不大、形狀簡(jiǎn)單的凸、凹模和要求耐磨的其他模具零件。 (2)低合金工具鋼：用于模具的低合金工具鋼有CrWMn、9CrSi、GCrl5、9Mn2V 等。這類鋼具有高的淬透性，熱處理變形小，有較高的硬度和耐磨性，常用作形狀復(fù)雜的中小型沖裁模和彎曲模的成形零件。其中9Mn2v是適合我國(guó)資源的鋼種，可以用它宋代替其他低合金工具鋼用作模具。 (3)高碳高鉻工具鋼：常用的高碳高鉻工具鋼有Cfl2、Crl2Mo和Crl2MoV，它們具有較好的淬硬性、淬透性、耐磨性、抗回火穩(wěn)定性及熱處理變形小等優(yōu)點(diǎn)。但碳化物偏析嚴(yán)重，必須在三方六面進(jìn)行反復(fù)鐓拔(軸向鐓，徑向撥)改鍛后，使用效果才更加顯著(坯料直徑在25mm以下的可以不經(jīng)改鍛)，常用于制造工作負(fù)荷大或要求耐磨性高、形狀復(fù)雜的精密模具的凸、凹模和冷擠壓凹模。 (4)高碳中鉻工具鋼：用于模具的高碳中鉻工具鋼有Cr4WV和Cr4W2MoV，其中Cr4W2MoV是一種空冷微變形模具鋼，其特點(diǎn)是共晶碳化物顆粒細(xì)小，分布均勻，具有較高的淬硬性、淬透性、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性，可以作為上述幾種高碳高鉻工具鋼的代用品，常用作硅鋼片沖裁模的凸、凹模和冷擠壓凹模。 (5)高速工具鋼：高速工具鋼內(nèi)含有一定的C，Cr，W，V，Co等元素，熱處理后可以顯著提高硬度、耐磨性和韌性等性能，是制造高精密．高耐磨的高級(jí)模具材料，但價(jià)格較貴，因此適用于小件的沖模或用于大型沖模的嵌鑲部分。由于高速鋼在高溫狀態(tài)下能保持高的硬度和耐磨性，所以又是制造溫?cái)D、熱擠、塑料等模具的極好材料。 我國(guó)高速鋼的主要型號(hào)有：W18Cr4V、W12Cr4V4Mo、W12Mo3Cr4V3N(V3N)、W9Mo3Cr4V3、W6Mo5Cr4V3、W6Mo5Cr4V5SiNbAl(B201)、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V等。 (6)高強(qiáng)度基體鋼：高強(qiáng)度基體鋼是指抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比都高．且具有一定的塑性和韌性的鋼種。目前可分為基體鋼和馬氏體時(shí)效鋼兩類，用于模具的主要是基體鋼。 基體鋼是以高速鋼成份為基休，具有高速鋼淬火成份的鋼種。這類鋼具有很高的抗壓強(qiáng)度和耐磨性，在高溫條件下使用時(shí)，其紅硬性很好；由于含碳量比高速鋼低，故淬火剩余碳化物少、韌性可以大為改善，因其耐磨性比高速鋼和高鉻合金鋼差，多用于熱處理中容易開裂的模具。 我國(guó)近年來(lái)試用的新鋼種有：65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、7Cr7Mo3V2Si(LD一1)、 6Cr4Mo3Ni2WV(CG—2)及5Cr4Mo3SiMnVAl(012AL)等。 (7)鋼結(jié)硬質(zhì)合金和硬質(zhì)合金：鋼結(jié)硬質(zhì)合金和硬質(zhì)合金中含有35％～97%的WC或TiC，因而硬度特別高，耐磨性也特別好，但是沖擊韌性很差。隨著碳化物WC或TiC含量的增加，其硬度和耐磨性增加，沖擊韌性下降。因此用作沖模材料時(shí)，一般使用含Co量多的，韌性大的型號(hào)。例如YG20、Y625等型號(hào)可用于冷擠壓模；YGl5、YG20用于沖裁模，YGll或YG8用于拉伸模。 不論用于何種模具，由于硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金價(jià)格貴，且韌性又差，因此宜用鑲嵌件形式在模具中出現(xiàn)，以提高模具的使用壽命及節(jié)約材料，降低模具成本。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了超細(xì)粒度(晶粒)的硬質(zhì)合金．其硬質(zhì)相和Co接合力好、硬度高及強(qiáng)度好，是制造三高模具的理想材料。 硬質(zhì)合金作模具材料，在硬度和耐磨性方面是比較理想的，但韌性較差、加工困難。鋼結(jié)硬質(zhì)合金卻起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用。鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以鐵粉加上少量的合金元素粉末(如鉻、鉑、鎢等)做粘結(jié)劑．以碳化鈦或碳化鎢為硬質(zhì)相，用一般粉末冶金法燒結(jié)而成．它的基體是鋼，因此可以切削、焊接、熱處理，還可以鍛造。同時(shí)，又因它含有大量的碳化物，故保留了硬質(zhì)合金的高硬度(經(jīng)淬火、回火后HRC68—73)和良好的耐磨性。 我國(guó)鋼結(jié)硬質(zhì)合金的型號(hào)有GT35、TLW50、GW50和DT等。 常用于模具的硬質(zhì)合金牌號(hào)有Y68、YG8C、YG11、YG11C、YG15、YG20C、YG25等。 (8)調(diào)質(zhì)預(yù)硬鋼：這類鋼就是合金結(jié)構(gòu)鋼，本是熱作模具鋼種．如42CrMo等。由于這類鋼有一定的淬透性，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后即可用于模具，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外將許多沖模都用這類鋼制造。既便于切削加工，又簡(jiǎn)化了熱處理工藝，降低了模具成本、提高了模具制造精度。 用這類鋼可以制造的模具主要零件有：小批量生產(chǎn)的成形模，拉深模的凸模和凹模．各種模具的卸料板、凸模座、凹模座、凸模襯套、凹模襯套、凸模和凹模固定板及墊板等。 我國(guó)常用的預(yù)硬鋼鋼號(hào)有：35Cr，35CrMo、40Cr，42CrMo等。 (9)火焰淬火鋼：為了適應(yīng)大型模具的發(fā)展，我國(guó)開發(fā)的用火焰淬硬的新型模具鋼7CrSiMnMoV(CH一1)，6CrNiMnSiMoV(GD)，用于制造大型模具的刃口及拉伸模的型面。當(dāng)模具全部加工完成后，在刃口或需要硬度和耐磨性的部位，用氧一乙炔火掐加溫至淬火溫度，在空氣中冷卻，即可達(dá)到淬火的目的。由于該鋼種淬火溫度區(qū)寬、所以操作方便，變形小。整個(gè)凸模式凹模均可采用分段淬硬。 (10)熱處理微變形鋼Cr2Mn2SiWMoV：減小熱處理變形，對(duì)形狀復(fù)雜、精密的模具更為需要。我國(guó)研制的Cr2Mn2SiWMoV鋼，其熱處理變化率低于±0．004％，比正常的變形率±0．1％～±0．2％低得多。實(shí)踐證明：在100mm的矩形凹模上，長(zhǎng)和寬的尺寸變化為±0．01mm。若研磨得當(dāng)，其尺寸變化率幾乎可控制為零。 4.1.2沖模常用零件的材料及熱處理要求 沖模零件常用的材料及熱處理要求見(jiàn)表4—1可供選用時(shí)參考。 表4—1 沖模常用材料及熱處理 零件名稱 材料牌號(hào) 熱處理 硬 度 HRC 凸模 凹模 沖裁模 產(chǎn)量小 T8A、T10A、9Mn2V、GrWMn 淬火 58～62 62～64 產(chǎn)量大 CrWMn、Cr12MoV、GCr15、YG15、5Cr6WV、Cr4W2MoV 彎曲 成 形 凸 模 凹 模 T8A、T10A、9Mn2V、CrWMn、Crl2MoV、GCrl5、Cr4W2MoV、Cr2Mn2SiWMoV、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V、65Nb、 GT35、GT50、TLW50、GD、CH－、LD-1、CG—2、012A1、YG15、YG20 淬火 58～62 62～64 加熱彎曲凸、凹模 5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMoVLSi 拉 深 翻 邊 凸 模 凹 模 加熱拉深凸、凹模 CrWMn、Crl2MoV、Cr6WV、9Mn2V、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V、GD、GT35、 TLW50、GW50、DT、5CrNiMo、5CrMnMo、Cr5MoVlSi YG8、YGl5 淬火 58～62 62～64 冷 擠 壓 凸 模 凹 模 W18Cr4V、Cr12Mo、Crl2MoV、GCrl5、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V、65Nb、GT35、TLW50、GW50、DT、YGl5、YG20、YG25 淬火 58～62 62～64 續(xù)表 零件名稱 材 料 牌 號(hào) 熱處理 硬度HRC 凸模固定板 凹模固定板 卸料固定板 墊 板 Q235、Q275、T10A、CrwMn、9Mn2V Crl2、40Cr、42CrMo 淬 火 Q235:HB300～400 HRC58～60 8Cr2MnWoVs(固定板用) 調(diào) 質(zhì) HRC40～48 YG20(冷鐓墊板用) 側(cè)刃、廢料切刀、斜楔滑塊、導(dǎo)正銷、頂銷、推板、頂板、固定卸料板、導(dǎo)料板 定位板、擋料銷 T8A、T10A、CrWMn、9Mn2V、 Cr6WV、Crl2、Crl2MoV、W6Mo5Cr4V2 淬火 HRC58～60 彈 簧 65Mn、60Si2MnA、50CrVA 淬火 HRC43～48 上、下模座 HT20—40、Q235、Q275、45、ZG45 導(dǎo)住、導(dǎo)套 20號(hào)鋼 滲碳淬火 HRC58～62 GCr15、T10A 淬火 HRC62～66 4.2沖模壽命 沖模在正常工作中，沖出廢品制件以前所沖制件的數(shù)量稱為沖模壽命。沖模在兩次刃磨之間所沖制件數(shù)量稱刃磨壽命；沖模因摩擦導(dǎo)致磨損至不能再修復(fù)為止，其所沖制件總數(shù)稱為沖?？倝勖荒Ｒ蚰撤N原因而損壞,使不能再修復(fù)，則損壞前所沖制件總數(shù)稱為損壞壽命。模具因自然磨損或損壞,使模具不能繼續(xù)沖出合格工件，稱此模具失效。 具有互換性的沖模，總壽命難于計(jì)算。因?yàn)橐讚p件可以更換，而非易損件材料好、精度高，正常情況下不易損壞。因此對(duì)于互換性模具而言主要是研究刃磨壽命。 4.2.1沖模失效的方式與原因 4.2.1.1沖模失效的方式: (1)磨損：沖模在使用過(guò)程中因摩擦自然磨損而失效者，是一種正常的失效方式。刃模具的自然磨損規(guī)律與刃具磨損相似，分為初期磨損、正常磨損和急劇磨損三個(gè)階段(圖4—1)。使用對(duì)應(yīng)控制在正常磨損階段以內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)急劇磨損時(shí)，應(yīng)立即刃磨。 在沖裁硬、碎材料(如云母、硅鋼、高碳鋼等)時(shí)，會(huì)因硬?；蛱蓟锏膭兟涠鹉チＤp，使磨損加快，此時(shí)要求凸、凹模硬度高，耐磨性好。當(dāng)沖壓高 韌性金屬(如不銹鋼等)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)粘附磨損．使磨損加快，此時(shí)要求凸、凹模 耐磨性高、抗粘性強(qiáng)，同時(shí)保持良好的潤(rùn)滑。對(duì)于彎曲、拉深，持別是冷擠,因 變形金屬與模具上工作表面的相對(duì)流動(dòng)，會(huì)使摩擦磨損和粘附磨損加劇，因此，要求模具有較高的耐磨性、抗粘性和小的表面粗糙度值，同時(shí)保持良好的潤(rùn)滑。 圖4—1 模具壽命影響圖 沖模的磨損除了上述與被沖材料有關(guān)外，還與沖件幾何形狀、沖裁間隙、搭邊等多種因素有關(guān)。一般凸模比凹模磨損大，因?yàn)橥鼓Ｔ谝淮涡谐讨信c被沖裁材料有上下兩次相對(duì)摩擦，所以凸模的磨損率一般是凹模的2—3倍．因此沖裁時(shí)要控制凸模切入材料的深度。對(duì)于有尖角的制件，當(dāng)尖角在n／5以下時(shí)，夾角愈小凸模磨損愈嚴(yán)重，當(dāng)夾角小于n／20時(shí)，凸模的磨損量可為沖裁直線部位(夾角為n)磨損量的40余倍。從圖4—2可以看出，沖裁間隙、工藝搭邊對(duì)磨損影響也很大。 （ａ）搭邊為3㎜時(shí)ｔ=2㎜ （ｂ）搭邊為1.2㎜時(shí)材料08鋼 圖4—2 沖裁間隙對(duì)模具磨損的影響 沖模磨損的界限條件(界限壽命條件)是制件誤差許可的變動(dòng)范圍，因此設(shè)計(jì)凸模時(shí)考慮的最大許可磨損量(設(shè)計(jì)儲(chǔ)備量)，在數(shù)值上應(yīng)等于制件的公差值，這就是模具磨損的界限條件之一．