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防止活塞銷冷擠壓工藝中出現(xiàn)流動(dòng)缺陷的新方法
D.J.Lee ,D.J.Kim, B.M.Kim
精密機(jī)械工程系，研究生院，釜山國(guó)家大學(xué)，釜山，韓國(guó)
機(jī)械設(shè)計(jì)工程部門，研究生院，釜山國(guó)家大學(xué)，釜山，韓國(guó)
機(jī)械工程系，工程研究中心，釜山國(guó)家大學(xué)，釜山，韓國(guó)編號(hào)3
Janjeon-董，Kumjeong-顧，釜山609-735，韓國(guó)
摘要：
這份報(bào)告主要研究的是作為汽車零部件之一的活塞銷的流動(dòng)缺陷。在聯(lián)合冷擠壓制活塞銷的工藝中，起皺就是一種流動(dòng)缺陷，它是由死金屬區(qū)引起的。具有這種缺陷的部件帶有很明顯的外部特征，特征是被一微小而且厚的塊狀物嵌入材料中，這種缺陷對(duì)保證尺寸精度和降低材料損失是不利的，活塞銷的這種缺陷對(duì)于其強(qiáng)度和疲勞壽命也有不利的影響。因此，在工藝設(shè)計(jì)的早期預(yù)測(cè)并防止這種缺陷是非常重要的。防止其產(chǎn)生的最好方法就是通過控制材料流動(dòng)來限制或減少死金屬區(qū)。有限元模擬分析方法被應(yīng)用于流動(dòng)缺陷研究分析當(dāng)中，這份研究報(bào)告提出了通過去除死金屬區(qū)防止產(chǎn)生流動(dòng)缺陷的新工藝方法——有限元分析法。將有限元分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較，結(jié)果表明有限元分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。
關(guān)鍵詞：
流動(dòng)缺陷；活塞銷釘；材料流動(dòng)控制；前后雙向冷擠壓；死金屬區(qū)；有限元分析
1、序言
冷加工是一種及其重要而且經(jīng)濟(jì)的加工方法，尤其對(duì)于大批量制件的加工，其優(yōu)點(diǎn)更為突出。由于冷加工具有高的成品率、精確的尺寸精度、良好的表面光潔度，優(yōu)良的機(jī)械加工性和冶金工藝性等優(yōu)點(diǎn)，因此冷加工是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的零件加工工藝。
冷鍛制件廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、摩托車、螺母和螺栓等生產(chǎn)制造。但是，冷鍛制件也有可能產(chǎn)生缺陷，這主要取決于金屬材料的變形過程、成形加工的外部條件和材料的流動(dòng)方式等?？裳由斓牧鸭y缺陷是由材料的引應(yīng)力狀態(tài)和變形過程引起的；流動(dòng)缺陷是由不穩(wěn)定的材料流動(dòng)引起的；低的尺寸精度是由低的模具尺寸精度和摩擦情況引起的，總之，鍛壓制件的缺陷主要包括兩類，分別是內(nèi)部缺陷和外部缺陷。
這些缺陷危害到產(chǎn)品的質(zhì)量和制造成本，因此，在工藝設(shè)計(jì)中的早期預(yù)防是非常重要的。利用有限元分析法中的不同可用標(biāo)準(zhǔn)來研究大型鍛件的可延伸裂紋缺陷。KIM和KIM對(duì)兩道加強(qiáng)筋進(jìn)行冷擠壓件的內(nèi)部和外部缺陷研究，并還在進(jìn)行一種防止產(chǎn)生這些缺陷的加工工藝設(shè)計(jì)。
這份報(bào)告是一份關(guān)于汽車活塞銷產(chǎn)生的缺陷的測(cè)試報(bào)告，而這種活塞銷是采用前后雙向聯(lián)合擠壓的方式支撐的。這份報(bào)告中也提出了新的工藝方法可在工藝設(shè)計(jì)的早期防止產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，而這些新工藝方案是通過有限元分析研究得出的，實(shí)驗(yàn)證明，這些新工藝方案是可行的。
2、成形工藝與缺陷形成分析
2.1、成形工藝
活塞銷是汽車零部件當(dāng)中用來連接活塞與曲軸的并傳遞動(dòng)力的部件，當(dāng)采用冷沖壓制活塞銷時(shí)，設(shè)計(jì)要求必須保證前后雙向沖壓時(shí)具有相同的高度并且不能出現(xiàn)鍛壓缺陷，因?yàn)榛钊N在周期性大載荷作用下工作。制作活塞銷的材料是AISI-4135H合金鋼，它具有如下材料流動(dòng)性 σ＝768.06*ε0.139 ，潤(rùn)滑措施是采用潤(rùn)滑油類的磷鍍?cè)诨钊N表面進(jìn)行潤(rùn)滑，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試摩擦系數(shù)M為0.1。
加工活塞銷釘以前用的是多步驟加工法（如圖3所示），前兩步通過導(dǎo)圓角和沖出非圓形的基準(zhǔn)孔等預(yù)處理工序來減少缺陷的產(chǎn)生，從而可以提高尺寸精度和模具壽命，第三步和第四步相同，分別是從前后雙向沖出圓形的腹板，最后一步是修整工序，從而得到活塞銷的形狀，然而，用普通加工方法加工的結(jié)果顯示：第三步的早期會(huì)在腹板部位形成缺陷，更嚴(yán)重的是在缺陷產(chǎn)生的部位出現(xiàn)了一種不一致的流動(dòng)形式，這種形式是一種非常壞的流動(dòng)形式的延伸
圖1 活塞銷釘?shù)男螤詈统叽? 圖2 活塞銷釘?shù)牧鲃?dòng)缺陷
圖3活塞銷釘傳統(tǒng)的形成過程
2.2用有限元分析預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生
塑性變形組織分布和有效應(yīng)力對(duì)比圖的應(yīng)用，暗示著有限元精密塑造程序在成形與缺陷分析領(lǐng)域中的商業(yè)價(jià)值。最初的坯料直徑為30mm，深度為61mm，最終成品的體積為43.118，這種成形工藝看上去類似于普通加工結(jié)果。
最大的裂縫值可以結(jié)算出斷裂缺陷產(chǎn)生的可能性，在這個(gè)沖壓過程中，其大小只有0.08mm，而且分布在坯料和沖床活塞沖頭接觸的端部。因此，可以避免流動(dòng)缺陷的產(chǎn)生，因此這種缺陷并不能產(chǎn)生可延展的裂紋。金屬流動(dòng)的流線圖是由Altan和Knoerr提出的，他們正在從事這種缺陷的分析研究，隨著沖頭沖壓深度的增加，劇烈變動(dòng)的流線出現(xiàn)了不同的流動(dòng)速度，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中缺陷的產(chǎn)生（如圖5所示）。
所以金屬流動(dòng)只出現(xiàn)在第四步的反向沖壓而不出現(xiàn)在正向沖壓，并且在靠近腹板處的金屬被拔起形成一條筋，很像是重疊缺陷，因此，活塞銷的流動(dòng)缺陷產(chǎn)生并發(fā)展的原因是：正反沖壓時(shí)由于死金屬區(qū)域產(chǎn)生而造成的金屬流動(dòng)速度的不同，這種現(xiàn)象在像活塞銷這種薄壁件沖出尺寸精度高，材料損耗少的孔的制件中是非常明顯的。對(duì)于活塞銷這類工作溫度高，載荷大而且為交變載荷的零件來說，這種流動(dòng)缺陷的產(chǎn)生會(huì)對(duì)其強(qiáng)度和疲勞壽命產(chǎn)生有害的影響。因此，有必要研究一種新工藝來防止產(chǎn)生流動(dòng)缺陷。
圖4有效的負(fù)荷和裂縫價(jià)值的關(guān)系
圖5金屬流動(dòng)和速度的關(guān)系
3.防止缺陷的工藝分析與設(shè)計(jì)
流動(dòng)缺陷產(chǎn)生的原因是金屬限制死金屬區(qū)域的流動(dòng)。為了在傳統(tǒng)工藝中早期的沖壓部位(第三步)消除死金屬區(qū)，正沖壓或反沖壓工藝被改為聯(lián)合正反沖壓工藝，這種工藝在兩個(gè)完全相反的方向上同時(shí)進(jìn)行同樣地動(dòng)作。由于正反兩向不同的沖壓率和沖壓長(zhǎng)度，要使兩個(gè)方向上同時(shí)完成材料流動(dòng)是很困難的，因此在提前完成材料流動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)工藝一樣出現(xiàn)的死金屬區(qū)。
因此，在活塞銷成形這種情況下，兩個(gè)方向的沖壓率和沖壓長(zhǎng)度都是1.89和51mm。目前，一項(xiàng)關(guān)于活塞銷的沖壓長(zhǎng)度的調(diào)查研究正在進(jìn)行開模正反沖壓工藝的分析，兩個(gè)方向上的沖壓長(zhǎng)度是不同的，正向沖壓長(zhǎng)度長(zhǎng)為24.9mm，反向沖壓長(zhǎng)度如圖6所示要比正向的短。
反向金屬流動(dòng)必須強(qiáng)制性的被限制才能滿足設(shè)計(jì)要求，而這就意為著死金屬區(qū)會(huì)產(chǎn)生。因此，要想在兩個(gè)方向上得到相同的沖壓長(zhǎng)度，提出了三種控制金屬流動(dòng)的方法，這三種方法都不同程度的強(qiáng)制限制金屬流動(dòng)。
圖6反向沖壓長(zhǎng)度
3.1 改變初加工的形狀
在正反雙向沖壓之前，為了保證從腹板中心處起正反兩個(gè)方向的沖壓長(zhǎng)度相等，就得要求初加工要將反向沖壓筋的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)與雙向沖壓長(zhǎng)度24.9mm有所不同。圖7展示了這種改進(jìn)的工藝的結(jié)果，圖8展示了在這種情況下采用正反雙向沖壓工藝時(shí)最后一步中金屬的流動(dòng)。從模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得出，兩個(gè)方向的沖壓筋的長(zhǎng)度都是51mm，這恰好滿足設(shè)計(jì)要求和活塞銷的尺寸要求。另外，死金屬區(qū)的金屬流動(dòng)形式相同，而不像采用普通加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，而且在兩個(gè)方向上的流動(dòng)速度也是連續(xù)變化的，這就意為著金屬流動(dòng)在整個(gè)過程中是一致的，不會(huì)出現(xiàn)限制其流動(dòng)的死金屬區(qū)。
圖七 多級(jí)樣板的修改過程 圖八金屬網(wǎng)的流動(dòng)
3.2 驅(qū)動(dòng)沖壓模膛
驅(qū)動(dòng)模膛工藝被用來控制金屬流動(dòng)從而滿足設(shè)計(jì)要求，這種設(shè)備采用向相反方向運(yùn)動(dòng)的模膛先與已經(jīng)沖壓成形的一側(cè)接觸（如圖9所示），這樣就有助于加快后沖壓方向上的金屬流動(dòng)而減慢先沖壓方向上的金屬流動(dòng)速度，采用這種工藝制作的活塞銷，由于反方向沖壓提前完成，而此時(shí)活塞正沿著這個(gè)方向移動(dòng)從而增加了金屬沿著這個(gè)方向的流動(dòng)，這個(gè)工藝的首要變化因素是沖頭與活塞的相對(duì)速率和金屬材料與活塞之間的摩擦條件。
在這個(gè)研究中，由于摩擦系數(shù)m＝0.1（在毛胚材料和模膛之間），模擬實(shí)驗(yàn)只與相對(duì)速率這一變量有關(guān)。如果相對(duì)速率小于滿足同時(shí)成型最合適的速率，則在反向方向上的沖壓過程就會(huì)比正向沖壓提前完成，這樣的話就會(huì)像采用普通加工一樣在相同部位產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，相反，如果相對(duì)速率大于最適宜的速率，則正向沖壓過程就會(huì)比反向沖壓過程提前完成，這樣就會(huì)在相反地部位產(chǎn)生缺陷。
因此，為了滿足設(shè)計(jì)要求，采用半分法可以找出最佳的相對(duì)速率，從結(jié)果來看，最佳的相對(duì)速率是0.48，圖10和11顯示了相對(duì)速率分別為0.1 、0.48、1.0時(shí)采用一次沖壓變形過程和金屬流動(dòng)情況。圖11（c）顯示了當(dāng)采用最佳相對(duì)速率0.48時(shí)的金屬流動(dòng)形式，它記錄了一個(gè)可以防止缺陷產(chǎn)生的流動(dòng)形式。
圖9軸向移動(dòng)的箱體示意圖
圖10根據(jù)相對(duì)速度比率變化的活塞銷釘形態(tài)
圖11根據(jù)相對(duì)速度比率比較的金屬
3.3 修改模具結(jié)構(gòu)
這種被提出的修改模具結(jié)構(gòu)的工藝可以限制金屬在反方向上的流動(dòng)，而在這個(gè)方向上容易提前完成變形，從而可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上同時(shí)完成變形，采用這種工藝時(shí)，為了能在兩個(gè)方向上同時(shí)完成變形過程而得到相同的變形長(zhǎng)度，卸料器又被設(shè)計(jì)者重新采用，它是一種使沖頭從制件中抽出的裝置。如果采用普通加工工藝中的固定式卸料器，則由于材料流動(dòng)受到限制，會(huì)出現(xiàn)死金屬區(qū)，而此時(shí)產(chǎn)生的部位與采用雙向沖壓時(shí)產(chǎn)生在中間位置不同。
因此，一種利用彈簧彈力的結(jié)構(gòu)可以推遲金屬材料沿反方向的流動(dòng)。圖12顯示了這種模具結(jié)構(gòu)，采用這種方法，選用合適的彈簧彈力對(duì)于滿足變形同時(shí)完成的要求來講是很重要的，因而有限元模擬可以計(jì)算出這種必要地彈力。從模擬結(jié)果來看，需要給卸料器施加5噸的彈力。圖13展示了這種工藝下金屬流動(dòng)形式，與其它改進(jìn)的工藝方法相比，這種工藝在死金屬區(qū)沒有出現(xiàn)不連續(xù)的流動(dòng)速度，此處的金屬流動(dòng)形式是相同的。
圖12使用沖壓模板的凹模模子結(jié)構(gòu)示意圖 圖13使用沖壓模板的金屬流動(dòng)
4.結(jié)果和實(shí)驗(yàn)
通過有限元分析法分析出的三種方法中是適合防止金屬的流動(dòng)缺陷。每個(gè)方法的情況如下。第一種方法是初步加工的產(chǎn)品需要三級(jí)過程(預(yù)制， 正反壓擠，穿孔)并且有一個(gè)簡(jiǎn)單的模具結(jié)構(gòu)；第二方法是使用沿軸方向移動(dòng)的沖孔模板；第三種方法是軸向移動(dòng)的箱體需要二級(jí)過程(前后壓擠，穿孔)并且有一個(gè)復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu)。關(guān)于在里面形成的負(fù)荷，這三個(gè)方法都非常相似。
特別是在沿軸方向移動(dòng)的大約10噸的箱體情況下形成最大的負(fù)荷比其他方法小，因?yàn)樵诖┛走^程中沿軸方向移動(dòng)的箱體會(huì)增加材料的流動(dòng)。通過表1分析出的方法為形成做出了比較。在這項(xiàng)研究過程中，一個(gè)用在初步加工產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)被進(jìn)行，并且為了證實(shí)模擬結(jié)果所以使用一個(gè)250噸能力的多級(jí)樣板。在穿孔之前，為了金屬的觀察蝕刻流動(dòng)能夠正常被進(jìn)行，所以必須為活塞銷做一個(gè)流動(dòng)缺陷檢查。圖14就是表示這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種方法改變了初步加工的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在缺陷區(qū)域內(nèi)金屬流動(dòng)的缺陷是相同的，并且滿足形成同時(shí)完成和在兩個(gè)擠壓方向長(zhǎng)度相同。這種過程和模擬的結(jié)果相符。
傳統(tǒng)方法
初步加工的產(chǎn)品的使用
沖壓模板的使用
移動(dòng)箱體的用途
最大負(fù)荷（噸）
97.2
96.3
96.1
84.0
擠壓的過程
2個(gè)階段
2個(gè)階段
1個(gè)階段
1個(gè)階段
缺陷
存在
不存在
不存在
不存在
表1 各個(gè)方法的比較
圖14 對(duì)流動(dòng)缺陷的消除
5.結(jié)論
在這項(xiàng)研究過程中，流動(dòng)缺陷過程和預(yù)防缺陷的過程都已經(jīng)被有限元分析重新設(shè)計(jì)。，缺陷的原因已經(jīng)被分析，并且通過分析已經(jīng)模擬出了結(jié)果。從模擬結(jié)果中可以看出，有限元分析方法是可以防止流動(dòng)缺陷并且滿足生產(chǎn)過程中控制材料的流動(dòng)狀態(tài)。通過有限元分析的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果做比較，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：
（1）活塞銷里存在流動(dòng)缺陷的原因是材料限制死金屬區(qū)域的流動(dòng)。消除這個(gè)區(qū)域最重要的是控制材料的流動(dòng)。
（2）初步加工的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改變模具結(jié)構(gòu)是使用軸向運(yùn)動(dòng)的擠壓箱來消除擠壓過程中出現(xiàn)的流動(dòng)缺陷。
（3）被提出的方法滿足了工藝的要求，向前擠壓的長(zhǎng)度部分和落后的部分都是相同的，這些已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
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1 目錄 摘要2 前言4 緒論 ................................................................5 1 分析研究零件的工藝性 ............................................11 1.1 零件分析說明 ................................................................................................11 1.2 工藝方案的確定 ............................................................................................11 1.2.1 落料工序 .............................................................................................13 1.2.2 彎曲工序 ....................................................................................................13 2 模具設(shè)計(jì) .........................................................13 2.1 零件工藝分析 ................................................................................................13 2.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................................................................13 2.2.1 模具結(jié)構(gòu)形式的選擇 .........................................................................13 2.2.2 模具結(jié)構(gòu)的分析與說明 .....................................................................14 2.2 工藝參數(shù)計(jì)算 .................................................................................................15 2.2.1 展開尺寸的計(jì)算 .................................................................................15 2.2.2 排樣尺寸的計(jì)算 ................................................................................16 2.2.3 沖壓力的計(jì)算 .....................................................................................19 2.2.4 壓力中心的計(jì)算 .................................................................................20 2.2.5 落料凸、凹模的刃口尺寸的計(jì)算和公差的確定 .............................22 2.2.6 凹模周界尺寸計(jì)算 .............................................................................26 2.2.7 彈性元件的參數(shù)計(jì)算 .........................................................................27 2.2.8 彎曲工序力的計(jì)算 .............................................................................27 2.2.9 彎曲凸模圓角半徑 .............................................................................28 2.2.10 彎曲凹模圓角半徑 ...........................................................................28 2.2.11 彎曲凹模的深度 ...............................................................................28 2.2.12 彎曲凸凹模的間隙 ...........................................................................29 2.2.13 彎曲凸凹模的尺寸 ...........................................................................29 2.3 壓力機(jī)的選擇 ................................................................................................31 2.4 模架的選擇及壓力機(jī)的校核 ........................................................................32 2.5 確定裝配基準(zhǔn) ................................................................................................32 附錄 ...............................................................33 英語資料翻譯 .......................................................................................................33 英語資料： ....................................................................................................33 中文： ............................................................................................................37 畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié) .......................................................................................................40 參考文獻(xiàn) ...............................................................................................................41 2 摘要 沖壓制品已在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國(guó)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)中則為突出。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 求高素質(zhì)的沖壓模具和沖壓性能，成型工藝和制品的設(shè)計(jì)。 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(dòng)化或 自動(dòng)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。 沖裁模成型的廣泛適用，正是我這個(gè)設(shè)計(jì)的根本出發(fā)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：沖孔、落料 3 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, I. plate , plate unloading I. Introduction sets column, unloading bombs nail plate, plate Discharge and so on. The widely application of blanking moulding is exactly the basic perpose of my design. Key wards：Piercing、Blanking 4 前 言 模具是現(xiàn)代化的生產(chǎn)重要工藝裝備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門都越來越多地 依模具來進(jìn)行生產(chǎn)加工，越來越引起人們的重視，模具也趨向標(biāo)準(zhǔn)化。 隨著模具的迅速發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具已經(jīng)成為生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn) 品不可缺少的重要工藝設(shè)備。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)完所有模具課程的基礎(chǔ)上 進(jìn)行的，是對(duì)我綜合能力的考核，是對(duì)我所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，也是對(duì)我所學(xué) 知識(shí)的回顧與檢查。 本次設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)老師認(rèn)真、耐心的指導(dǎo)下，對(duì)模具的經(jīng)濟(jì)性、模具的壽 命、生產(chǎn)周期、及生產(chǎn)成本等指標(biāo)下進(jìn)行全面、仔細(xì)的分析下而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 在此, 我表示衷心的感謝他們對(duì)我的教誨. 沖模是模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的主要專業(yè)課程之一。它具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和 綜合性，通過學(xué)習(xí)這門課程，使我對(duì)沖壓模具有了新的認(rèn)識(shí)，從中也學(xué)到了不 少知識(shí)，激發(fā)了我對(duì)沖壓模具的愛好。 但因本人經(jīng)驗(yàn)有限，因此很難避免的存在一些不合理之處，望各位老師批 評(píng)和指正，以使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)做到合理，同時(shí)也為我走出校門步入社會(huì)打下堅(jiān) 實(shí)的基礎(chǔ)。 5 緒論 1.1 模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位 模具是制造業(yè)的一種基本工藝裝備，它的作用是控制和限制材料（固態(tài)或 液態(tài)）的流動(dòng)，使之形成所需要的形體。用模具制造零件以其效率高，產(chǎn)品質(zhì) 量好，材料消耗低，生產(chǎn)成本低而廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中。 模具工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)，是國(guó)際上公認(rèn)的關(guān)鍵工業(yè)。模具生產(chǎn)技 術(shù)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，它在很大程度上 決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。振興和發(fā)展我國(guó)的模具工業(yè)， 正日益受到人們的關(guān)注。早在 1989 年 3 月中國(guó)政府頒布的關(guān)于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策 要點(diǎn)的決定中，將模具列為機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造序列的第一位。 模具工業(yè)既是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)組成部分，又是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要 領(lǐng)域。模具在機(jī)械，電子，輕工，汽車，紡織，航空，航天等工業(yè)領(lǐng)域里，日 益成為使用最廣泛的主要工藝裝備，它承擔(dān)了這些工業(yè)領(lǐng)域中 6090的產(chǎn) 品的零件，組件和部件的生產(chǎn)加工。 模具制造的重要性主要體現(xiàn)在市場(chǎng)的需求上，僅以汽車，摩托車行業(yè)的模 具市場(chǎng)為例。汽車，摩托車行業(yè)是模具最大的市場(chǎng)，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，這一 市場(chǎng)占整個(gè)模具市場(chǎng)一半左右。汽車工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)五大支柱產(chǎn)業(yè)之一， 汽車工業(yè)重點(diǎn)是發(fā)展零部件，經(jīng)濟(jì)型轎車和重型汽車，汽車模具作為發(fā)展重點(diǎn)， 已在汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策中得到了明確。汽車基本車型不斷增加，2005 年將達(dá)到 170 種。一個(gè)型號(hào)的汽車所需模具達(dá)幾千副，價(jià)值上億元。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需 求，汽車將不斷換型，汽車換型時(shí)約有 80的模具需要更換。中國(guó)摩托車產(chǎn)量 位居世界第一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)摩托車共有 14 種排量 80 多個(gè)車型，1000 多個(gè)型 號(hào)。單輛摩托車約有零件 2000 種，共計(jì) 5000 多個(gè)，其中一半以上需要模具生 產(chǎn)。一個(gè)型號(hào)的摩托車生產(chǎn)需 1000 副模具，總價(jià)值為 1000 多萬元。其他行業(yè)， 如電子及通訊，家電，建筑等，也存在巨大的模具市場(chǎng)。 目前世界模具市場(chǎng)供不應(yīng)求，模具的主要出口國(guó)是美國(guó)，日本，法國(guó)，瑞 士等國(guó)家。中國(guó)模具出口數(shù)量極少，但中國(guó)模具鉗工技術(shù)水平高，勞動(dòng)成本低， 只要配備一些先進(jìn)的數(shù)控制模設(shè)備，提高模具加工質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，溝通 外貿(mào)渠道，模具出口將會(huì)有很大發(fā)展。研究和發(fā)展模具技術(shù)，提高模具技術(shù)水 平，對(duì)于促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著特別重要的意義。 1.2 各種模具的分類和占有量 模具主要類型有：沖模，鍛摸，塑料模，壓鑄模，粉末冶金模，玻璃模， 6 橡膠模，陶瓷模等。除部分沖模以外的的上述各種模具都屬于腔型模，因?yàn)樗?們一般都是依靠三維的模具形腔是材料成型。 （1）沖模：沖模是對(duì)金屬板材進(jìn)行沖壓加工獲得合格產(chǎn)品的工具。沖模占 模具總數(shù)的 50以上。按工藝性質(zhì)的不同，沖?？煞譃槁淞夏＃瑳_孔模，切口 模，切邊模，彎曲模，卷邊模，拉深模，校平模，翻孔模，翻邊模，縮口模， 壓印模，脹形模。按組合工序不同，沖模分為單工序模，復(fù)合模，連續(xù)模。 （2）鍛模：鍛模是金屬在熱態(tài)或冷態(tài)下進(jìn)行體積成型是所用模具的總稱。 按鍛壓設(shè)備不同，鍛模分為錘用鍛模，螺旋壓力機(jī)鍛模，熱模鍛壓力鍛模，平 鍛機(jī)用鍛模，水壓機(jī)用鍛模，高速錘用鍛模，擺動(dòng)碾壓機(jī)用鍛模，輥鍛機(jī)用鍛 模，楔橫軋機(jī)用鍛模等。按工藝用途不同，鍛模可分為預(yù)鍛模具，擠壓模具， 精鍛模具，等溫模具，超塑性模具等。 （3）塑料模：塑料模是塑料成型的工藝裝備。塑料模約占模具總數(shù)的 35，而且有繼續(xù)上升的趨勢(shì)。塑料模主要包括壓塑模，擠塑模，注射模，此 外還有擠出成型模，泡沫塑料的發(fā)泡成型模，低發(fā)泡注射成型模，吹塑模等。 （4）壓鑄模：壓鑄模是壓力鑄造工藝裝備，壓力鑄造是使液態(tài)金屬在高溫 和高速下充填鑄型，在高壓下成型和結(jié)晶的一種特殊制造方法。壓鑄模約占模 具總數(shù)的 6。 （5）粉末冶金模：粉末冶金模用于粉末成型，按成型工藝分類粉末冶金模 有：壓模，精整模，復(fù)壓模，熱壓模，粉漿澆注模，松裝燒結(jié)模等。 模具所涉及的工藝繁多，包括機(jī)械設(shè)計(jì)制造，塑料，橡膠加工，金屬材料， 鑄造（凝固理論） ，塑性加工，玻璃等諸多學(xué)科和行業(yè)，是一個(gè)多學(xué)科的綜合， 其復(fù)雜程度顯而易見。 1.3 我國(guó)模具工業(yè)的現(xiàn)狀 自 20 世紀(jì) 80 年代以來，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)逐漸起飛，也為模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供 了巨大的動(dòng)力。20 世紀(jì) 90 年代以后，大陸的工業(yè)發(fā)展十分迅速，模具工業(yè)的 總產(chǎn)值在 1990 年僅 60 億元人民幣，1994 年增長(zhǎng)到 130 億元人民幣，1999 年已 達(dá)到 245 億元人民幣，2000 年增至 260270 億元人民幣。今后預(yù)計(jì)每年仍會(huì)以 1015的速度快速增長(zhǎng)。 目前，我國(guó) 17000 多個(gè)模具生產(chǎn)廠點(diǎn)，從業(yè)人數(shù)五十多萬。除了國(guó)有的專 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)等，都得到了快速發(fā)展。其中，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。例如，浙江寧波和黃巖地區(qū)，從事模具制造的集體 企業(yè)和私營(yíng)企業(yè)多達(dá)數(shù)千家，成為我國(guó)國(guó)內(nèi)知名的“模具之鄉(xiāng)”和最具發(fā)展活 7 力的地區(qū)之一。在廣東，一些大集團(tuán)公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，為了提高其 產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，紛紛加入了對(duì)模具制造的投入。例如，科龍，美的，康 佳和威力等知名集團(tuán)都建立了自己的模具制造中心。中外合資和外商獨(dú)資的模 具企業(yè)則多集中于沿海工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，現(xiàn)已有幾千家。 在模具工業(yè)的總產(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。其中，沖壓模具約占 50（中國(guó)臺(tái)灣：40） ，塑料模具約占 33（中國(guó)臺(tái)灣：48） ，壓鑄模具約占 6（中國(guó)臺(tái)灣：5） ，其他各類模具 約占 11（中國(guó)臺(tái)灣：7） 。 中國(guó)臺(tái)灣模具產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)，分為萌芽期（19611981） ，成長(zhǎng)期（1981 1991） ，成熟期（19912001）三個(gè)階段。 萌芽期，工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備與技術(shù)的不斷改進(jìn)。由于紡織，電子，電氣， 電機(jī)和機(jī)械業(yè)等產(chǎn)品外銷表現(xiàn)暢旺，連帶使得模具制造，維修業(yè)者和周邊廠商 （如熱處理產(chǎn)業(yè)等）逐年增加。在此階段的模具包括：一般民生用品模具，鑄 造用模具，鍛造用模具，木模，玻璃，陶瓷用模具，以及橡膠模具等。 1981 年1991 年是臺(tái)灣模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅速且高度成長(zhǎng)的時(shí)期。有鑒 于模具產(chǎn)業(yè)對(duì)工業(yè)發(fā)展的重要性日益彰顯，自 1982 年起，臺(tái)灣地區(qū)就將模具產(chǎn) 業(yè)納入“策略性工業(yè)適用范圍” ，大力推動(dòng)模具工業(yè)的發(fā)展，以配合相關(guān)工業(yè)產(chǎn) 品的外銷策略，全力發(fā)展整體經(jīng)濟(jì)。隨著民生工業(yè)，機(jī)械五金業(yè)，汽機(jī)車及家 電業(yè)發(fā)展，沖壓模具與塑料模具，逐漸形成臺(tái)灣模具工業(yè)兩大主流。從 1985 年 起，模具產(chǎn)業(yè)已在推行計(jì)算機(jī)輔助模具設(shè)計(jì)和制造等 CAD/CAM 技術(shù)，所以臺(tái)灣 模具業(yè)接觸 CAD/CAM/CAE/CAT 技術(shù)的時(shí)間相當(dāng)早。 成熟期，在國(guó)際化，自由化和國(guó)際分工的潮流下，1994 年，1998 年，由臺(tái) 灣地區(qū)政府委托金屬中心執(zhí)行“工業(yè)用模具技術(shù)研究與發(fā)展五年計(jì)劃”與“工 業(yè)用模具技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展計(jì)劃” ，以協(xié)助業(yè)界突破發(fā)展瓶頸，并支持產(chǎn)業(yè)升級(jí)， 朝向開發(fā)高附加值與進(jìn)口依賴高的模具。1997 年 11 月間臺(tái)灣憑借模具產(chǎn)業(yè)的 實(shí)力，獲得世界模具協(xié)會(huì)（ISTMA）認(rèn)同獲準(zhǔn)入會(huì)，正式成為世界模具協(xié)會(huì)會(huì)員， 。整體而言，臺(tái)灣模具產(chǎn)業(yè)在這一階段的發(fā)展，隨著機(jī)械性能，加工技術(shù)，檢 測(cè)能力的提升，以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，臺(tái)灣模具廠商供應(yīng)對(duì)象已由傳統(tǒng)的民用 家電，五金業(yè)和汽機(jī)車運(yùn)輸工具業(yè)，提升到計(jì)算機(jī)與電子，通信與光電等精密 模具，并發(fā)展出汽機(jī)車用大型鈑金沖壓，大型塑料射出及精密鍛造等模具。 1.4 世界五大塑料生產(chǎn)國(guó)的產(chǎn)能狀況 美國(guó)塑料(原料)的產(chǎn)量多年來一直雄居各國(guó)之首。早在 80 年代前期，美國(guó) 塑料產(chǎn)量就已達(dá) 2000 萬噸之多，1986 年增至 23l0 萬噸，占全球總產(chǎn)量 8100 噸的 28.5，此后美國(guó)塑料產(chǎn)量繼續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)之勢(shì)，1988 年、1990 年、 1992 年、1994 年、1996 年和 1998 年分別增加到 2710 萬噸、2810 萬噸、3010 8 萬噸、3410 萬噸、4000 萬噸和 4360 萬噸，占世界總產(chǎn)量的比例從 1996 年起提 高到 30以上。2001 年美國(guó)塑料產(chǎn)量為 4170 萬噸，其中以聚乙烯為最多，達(dá) 1500 多萬噸。其次分別是氯乙烯 650 萬噸、聚丙烯 720 萬噸、聚苯乙烯對(duì)酞酸 脂 320 萬噸、聚苯乙烯 280 萬噸。國(guó)內(nèi)塑料消費(fèi)量(產(chǎn)量+進(jìn)口量一出口量)，美 國(guó)也是全球最多的。美國(guó)的全部塑料消費(fèi)量 2001 年為 4280 萬噸。美國(guó)人均塑 料消費(fèi)量也是很高的，2000 年為 159 公斤，2001 年略減為 155 公斤 ，居全球 第 3 位。美國(guó)現(xiàn)有各種大小塑料企事業(yè)單位 1 萬多家，其中職工人數(shù)少于 50 人 的占總數(shù)的 53，50l00 人的占 21，100500 人的占 23，超過 500 人的 占近 4，職工總數(shù)近 90 萬人。在美國(guó)塑料制品加工業(yè)的就職人數(shù)達(dá) 110 萬， 2001 年的出貨金額為 2150 億美元，人均出貨金額為 195 美元。 德國(guó)是世界最大的塑料(原料)生產(chǎn)國(guó)之一，上世紀(jì) 90 年代初的 1991 年、 1992 年和 1993 年，德國(guó)塑料產(chǎn)量都為 990 多萬噸，1994 年增達(dá)超過 1000 萬噸 的 1110 萬噸1998 年達(dá)近 1300 萬噸，1999 年為近 1400 萬噸，2000 年增至 1550 萬噸，超過日本為世界第 2 大塑料生產(chǎn)國(guó)，2001 年上升為 1580 萬噸， 2002 年已過 1600 萬噸。2001 年德國(guó)生產(chǎn)的種種塑料原料中，聚乙烯為 285 萬 噸(低密度聚乙烯 160 萬噸，高密度聚乙烯 125 萬噸)，氯乙烯 175 萬噸，聚丙 烯 160 萬噸。德國(guó) 2001 年的國(guó)內(nèi)塑料消費(fèi)量為 1280 萬噸，其中聚乙烯 265 萬 噸，聚丙烯 155 萬噸氯乙烯 152 萬噸。德國(guó)人均塑料消費(fèi)量 2001 年為 160 公 斤，在世界上僅少于比利時(shí)的 172 公斤，高于美國(guó)的 155 公斤，排在世界第 2 位。德國(guó)塑料制品加工業(yè)的職工總計(jì)有近 30 萬人，2001 年的出貨金額為 360 億美元，人均 126 美元。德國(guó)塑料制品加工企業(yè)中職工少于 50 人的占 44，50100 人的占 28，100500 人的占 25，500 人以上的占 4。 中國(guó)塑料工業(yè)多年持續(xù)高速增長(zhǎng)，1991 年產(chǎn)量?jī)H為 250 萬噸，1995 年增為 350 萬噸，1998 年超過 700 萬噸，到 2002 年已增達(dá)約 1400 萬噸，超過日本而 成為世界第 3 大塑料原料生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)今年塑料制品市場(chǎng)將持續(xù)走強(qiáng)，在包裝、 工程、建材、農(nóng)用和日用塑料制品等各個(gè)領(lǐng)域都將有較大幅度的增長(zhǎng)，需求量 將超過 2500 萬噸。其中包裝塑料制品今年需求量將超過 850 萬噸，工程塑料制 品需求量將達(dá) 400 萬噸左右，建材塑料制品需求量將達(dá) 300 萬噸以上，農(nóng)用塑 料制品需求量將在 500 萬噸左右，日用塑料制品需求量約為 80 萬噸左右。 日本在很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)都是僅次于美國(guó)的世界第 2 大塑料生產(chǎn)國(guó)。一直到 1997 年，日本塑料產(chǎn)量曾經(jīng)連續(xù)多年增長(zhǎng)，年產(chǎn)量在 70 年代中期就已達(dá) 500 多萬噸，1987 年突破 1000 萬噸，1991 年達(dá)約 1300 萬噸，1992 年和 1993 年因 受日本經(jīng)濟(jì)下滑的影響，產(chǎn)量略有減少，分別降至 1258 和 1225 萬噸。從 1994 年起產(chǎn)量再度增長(zhǎng)，1994 年、1995 年和 1996 年分別回升到 1300 萬噸、1400 萬噸和 1470 萬噸，1997 年的產(chǎn)量又比上年增長(zhǎng) 3.7，達(dá)到 1521 萬噸，首次 9 超過 1500 萬噸。但這種增勢(shì)在 1998 年受到遏制，產(chǎn)量大幅度減少。1998 年， 日本塑料產(chǎn)量為 1390 萬噸，比上年減少了 8.7。1999 年和 2000 年日本塑料 產(chǎn)量分別回升到 1432 萬噸和 1445 萬噸，但仍遠(yuǎn)未恢復(fù)到 1997 年的水平。2001 年和 2002 年日本塑料產(chǎn)量再度下降至 1400 萬噸以下的 1364 萬噸和 1361 萬噸。 2002 年日本塑料(原料)產(chǎn)量減為 1361 萬噸。而中國(guó)則增為 1366 萬噸，日本又 退居第 4 位。 韓國(guó)塑料產(chǎn)量增長(zhǎng)十分迅速，1986 年超過 200 萬噸，1990 年增達(dá) 300 萬噸， 1992 年突破 500 萬噸，1994 年、1996 年和 1997 年分別上升到 600 多萬噸、 700 多萬噸和 800 多萬噸，1998 年產(chǎn)量增至 850 萬噸，1999 年突破 900 萬噸， 2001 年達(dá) 1200 萬噸，躋身于世界 5 大塑料生產(chǎn)國(guó)之列。韓國(guó)塑料原料產(chǎn)品中 以聚乙烯居首，2001 年產(chǎn)量為 340 萬噸(低密度聚乙烯 160 萬噸，高密度聚乙 烯 180 萬噸)，聚丙烯以 238 萬噸排在第 2 位，其次分別是聚酯 161 萬噸、氯乙 烯 124 萬噸、ABSAS 樹脂 86 萬噸、聚苯乙烯 77 萬噸。韓國(guó)國(guó)內(nèi)塑料消費(fèi)量 2001 年 420 萬噸，只相當(dāng)于產(chǎn)量的 1/3 略高。人均塑料消費(fèi)量 2001 年為 106 公斤，韓國(guó)塑料制品加工業(yè)的職工總數(shù) 2001 年為 3.1 萬人，出貨金額為 85 億 美元，人均 276 美元。 塑料產(chǎn)量位居世界前 10 名的國(guó)家和地區(qū)還有法國(guó) 660 萬噸、比利時(shí) 600 萬 噸、中國(guó)臺(tái)灣 598 萬噸、加拿大 432 萬噸和意大利 385 萬噸(均為 2001 年產(chǎn)量)。 1.5 我國(guó)模具技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 20 世紀(jì) 80 年代開始，發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的模具工業(yè)已從機(jī)床工業(yè)中分離出來， 并發(fā)展成為獨(dú)立的工業(yè)部門，其產(chǎn)值已超過機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)值。改革開放以來， 我國(guó)的模具工業(yè)發(fā)展也十分迅速。近年來，每年都以 15的增長(zhǎng)速度快速發(fā)展。 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)步的投入力度，將技術(shù)進(jìn) 步作為企業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。此外，許多科研機(jī)構(gòu)和大專院校也開展了模具技 術(shù)的研究與開發(fā)。模具行業(yè)的快速發(fā)展是使我國(guó)成為世界超級(jí)制造大國(guó)的重要 原因。今后，我國(guó)要發(fā)展成為世界制造強(qiáng)國(guó)，仍將依賴于模具工業(yè)的快速發(fā)展， 成為模具制造強(qiáng)國(guó)。 中國(guó)塑料模工業(yè)從起步到現(xiàn)在，歷經(jīng)了半個(gè)多世紀(jì)，有了很大發(fā)展，模具 水平有了較大提高。在大型模具方面已能生產(chǎn) 48（約 122CM）大屏幕彩電塑殼 注射模具，6.5KG 大容量洗衣機(jī)全套塑料模具以及汽車保險(xiǎn)杠和整體儀表板等 塑料模具，精密塑料模方面，以能生產(chǎn)照相機(jī)塑料件模具，多形腔小模數(shù)齒輪 模具及塑封模具。經(jīng)過多年的努力，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 10 進(jìn)步；在提高模具質(zhì)量和縮短模具設(shè)計(jì)制造周期等方面作出了貢獻(xiàn)。 盡管我國(guó)模具工業(yè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，部分模具已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但無 論是數(shù)量還是質(zhì)量仍滿足不了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要，每年仍需進(jìn)口 10 多億美元的各 類大型，精密，復(fù)雜模具。與發(fā)達(dá)國(guó)家的模具工業(yè)相比，在模具技術(shù)上仍有不 小的差距。今后，我國(guó)模具行業(yè)應(yīng)在以下幾方面進(jìn)行不斷的技術(shù)創(chuàng)新，以縮小 與國(guó)際先進(jìn)水平的距離。 （1）注重開發(fā)大型，精密，復(fù)雜模具；隨著我國(guó)轎車，家電等工業(yè)的快速 發(fā)展，成型零件的大型化和精密化要求越來越高，模具也將日趨大型化和精密 化。 （2）加強(qiáng)模具標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用；使用模具標(biāo)準(zhǔn)件不但能縮短模具制造周期， 降低模具制造成本而且能提高模具的制造質(zhì)量。因此，模具標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用必將 日漸廣泛。 （3）推廣 CAD/CAM/CAE 技術(shù)；模具 CAD/CAM/CAE 技術(shù)是模具技術(shù)發(fā)展的一 個(gè)重要里程碑。實(shí)踐證明，模具 CAD/CAM/CAE 技術(shù)是模具設(shè)計(jì)制造的發(fā)展方向， 可顯著地提高模具設(shè)計(jì)制造水平。 （4）重視快速模具制造技術(shù)，縮短模具制造周期；隨著先進(jìn)制造技術(shù)的不 斷出現(xiàn)，模具的制造水平也在不斷地提高，基于快速成形的快速制模技術(shù)，高 速銑削加工技術(shù)，以及自動(dòng)研磨拋光技術(shù)將在模具制造中獲得更為廣泛的應(yīng)用。 11 1 分析研究零件的工藝性 1.1 零件分析說明 零件形狀及其一般要求 制件如圖 1-1 所示，材料為 20 鋼，材料厚度為 1mm，制件尺寸精度按圖紙要求， 未注按 IT12 級(jí)，生產(chǎn)綱領(lǐng)年產(chǎn) 10 萬件。 1.2 工藝方案的確定 沖裁件的工藝性是指從沖壓工藝方面來衡量設(shè)計(jì)是否合理。一般的講，在 滿足工件使用要求的條件下，能以最簡(jiǎn)單最經(jīng)濟(jì)的方法將工件沖制出來，就說 明該件的沖壓工藝性好，否則，該件的工藝性就差。當(dāng)然工藝性的好壞是相對(duì) 的，它直接受到工廠的沖壓技術(shù)水平和設(shè)備條件等因素的影響。以上要求是確 定沖壓件的結(jié)構(gòu)，形狀，尺寸等對(duì)沖裁件工藝的實(shí)應(yīng)性的主要因素。 12 確定方案就是確定沖壓件的工藝路線，主要包括沖壓工序數(shù)，工序的組合和 順序等。確定合理的沖裁工藝方案應(yīng)在不同的工藝分析進(jìn)行全面的分析與研究， 比較其綜合的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，選擇一個(gè)合理的沖壓工藝方案。 影響沖壓件工藝性的因素主要有零件的形狀特點(diǎn),尺寸大小,設(shè)計(jì)基準(zhǔn),公 差等級(jí)和形狀位置誤差要求,材料的厚度及成形后允許的變薄量,材料的機(jī)械性 能和沖壓性能,在沖壓過程中產(chǎn)生的回彈,翹曲的可能性,毛刺大小和方向要求 等.這些因素對(duì)確定沖壓工序的性質(zhì),數(shù)量和順序,對(duì)模具的結(jié)構(gòu)形式及制造精 度要求等都有很大關(guān)系,因此,在制定沖壓工藝過程中必須根據(jù)零件圖認(rèn)真加以 分析,尤其應(yīng)該注意分析零件在沖壓加工中的難點(diǎn)所在.良好的沖壓工藝性表現(xiàn) 在材料消耗少,沖壓成形時(shí)不必采用特殊的控制措施,工藝過程簡(jiǎn)單而且壽命長(zhǎng),產(chǎn) 品質(zhì)量穩(wěn)定,操作方便等.如果發(fā)現(xiàn)零件的工藝性差,則應(yīng)該在不影響使用要求 的前提下,對(duì)零件的形狀,尺寸及其它要求作必要的修改. 在工藝分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)產(chǎn)品圖紙進(jìn)行必要的工藝計(jì)算,然后分析沖壓件的 沖壓性質(zhì),沖壓次數(shù),沖壓順序和工序組合方式,提出各種可能的沖壓工藝方案.通 過對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量,生產(chǎn)效率,設(shè)備條件,模具制造和壽命,操作安全以及經(jīng)濟(jì)效益等方 面的綜合分析和比較,確定出一種適合于本單位生產(chǎn)的最佳工藝方案.確定工藝方 案時(shí)應(yīng)考慮到以下內(nèi)容: 1 沖壓性質(zhì):剪裁,落料,沖孔,是常見的沖壓工藝各沖壓工序有其不同的 性質(zhì),特點(diǎn)和用途.編制沖壓工藝時(shí),可以根據(jù)產(chǎn)品圖和生產(chǎn)批量等要求,合理地選 擇這些工序. 2 沖壓次數(shù):沖壓次數(shù)是指同一性質(zhì)的工序重復(fù)進(jìn)行的次數(shù).對(duì)于拉深件, 可根據(jù)它的形狀和尺寸,以及板料許可的變形程度,計(jì)算出拉深次數(shù).彎曲件或沖 裁件的沖壓次數(shù)也是根據(jù)具體形狀和尺寸及極限變形程度來決定. 3 沖壓順序:沖壓件各工序的先后順序,主要依據(jù)工序的變形特點(diǎn)和質(zhì)量 要求等安排的,一般按列原則進(jìn)行: (1) 對(duì)于帶孔的或有缺口的沖裁件,如果選用簡(jiǎn)單模,一般先落料,再?zèng)_孔或切 口.使用連續(xù)模時(shí),則應(yīng)先沖孔或切口,后落料. (2) 對(duì)于帶孔的彎曲件,孔邊與彎曲線的間距較大時(shí),可以先沖孔,后彎曲.如果 孔邊在彎曲線附近,必須在零件壓彎后再?zèng)_也.孔與基準(zhǔn)面的間距有嚴(yán)格要求時(shí), 也應(yīng)先壓彎后沖孔. (3) 對(duì)于帶孔的拉深件,一般來說,都是先拉深,后沖孔,但是孔的位置在零件底 部,且孔徑尺寸要求不高時(shí) ,也可以先在毛坯上沖孔,后拉深. (4) 多角彎曲件,應(yīng)從材料變形和彎曲時(shí)材料流動(dòng)兩方面安排彎曲的先后順 序.一般情況下,先彎外角,再彎內(nèi)角. (5) 對(duì)于形狀復(fù)雜的拉深件,為了便于材料變形和流動(dòng),應(yīng)先成形內(nèi)部形狀,再 拉深外部形狀. (6) 整形或校平工序,應(yīng)在沖壓件基本成形以后進(jìn)行. 4 組合方式:工序的組合方式可以選用復(fù)合模和連續(xù)模,主要取決于沖 壓件的生產(chǎn)批量,尺寸大小和精度等因素.一般按下列原則進(jìn)行: (7) 對(duì)于多孔的沖裁件,當(dāng)孔之間的間距, 孔與材料邊的距離大于允許值時(shí), 最好落料與沖孔在一道復(fù)合工序中完成. (8) 當(dāng)彎曲件的平直高度大于 10mm 時(shí),彎曲工序一般與沖裁工序分開單獨(dú) 進(jìn)行. 對(duì)于形狀復(fù)雜的彎曲件,為簡(jiǎn)化模具設(shè)計(jì)過程,降低模具制造成本,一般安排 13 由兩道劃兩道以上的工序來完成;而形狀較簡(jiǎn)單的彎曲件 (如 V 形,U 形,Z 形等), 應(yīng)盡量采用一道工序彎曲成形. 根據(jù)這一要求對(duì)該零件進(jìn)行工藝分析和工藝方案的確定。 由于工件由落料和彎曲兩部分組成，必須分成落料工序和彎曲工序 1.2.1 落料工序 根據(jù)制件的工藝的分析，其基本工序有落料和沖孔兩種。按其先后順序組合 以及合理的加工方案有以下幾種： 1、落料-沖孔，單工序沖壓。 2、沖孔-落料，單件復(fù)合式?jīng)_壓。 方案 1)為單工序沖壓。由于制件生產(chǎn)批量大，尺寸又小，這種方案生產(chǎn)效 率低，操作也不安全，故不宜采用； 方案 2)為復(fù)合式?jīng)_壓。采用復(fù)合沖壓，解決了操作安全性和生產(chǎn)率等問題， 主要用于生產(chǎn)批量大，精度要求高的沖壓件，故此方案最為合適。 1.2.2 彎曲工序 本制件為兩個(gè)方向的 U 形彎曲，且生產(chǎn)批量大，在保證生產(chǎn)效率的前提下，用 一套彎曲模成型。 2 模具設(shè)計(jì) 2.1 零件工藝分析 本制件形狀簡(jiǎn)單、尺寸、厚度適中，一般批量生產(chǎn)，屬于普通沖壓件，但 在設(shè)計(jì)冷沖壓模具時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： 1、制件由落料和彎曲兩部分組成， 2、此制件的加工難點(diǎn)主要在輪廓沖壓加工上。 3、有一定的批量，在設(shè)計(jì)時(shí)要重視模具的材料和結(jié)構(gòu)的選擇，保證一定的 模具壽命。 2.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)確定的沖壓工藝方案和制件的形狀、特點(diǎn)、要求等因素確定沖模的類型 及結(jié)構(gòu)形式。 14 2.2.1 模具結(jié)構(gòu)形式的選擇 在模具設(shè)計(jì)中雖然單工序模具比較簡(jiǎn)單也比較容易制造,但是制件離制件邊 緣尺寸較小在落料后勢(shì)必會(huì)影響模具的精度。且，必然材料的切向流動(dòng)的 壓力，有可能使工件中細(xì)小部分的凸模變形，因此考慮采用彈壓卸料裝置 的復(fù)合沖壓。這樣既提高了工作效率又提高了模具的壽命，這樣一來提高 了模具的使用價(jià)值。因?yàn)橹萍炔皇嵌喔?，采用兩副模具，一副是落?模、一副是彎曲模。這樣就降低了模具的制造難度，且適合生產(chǎn)條件不是 很好的企業(yè)生產(chǎn)模具，給模具生產(chǎn)帶來一定的廣度。給生產(chǎn)降低了成本， 帶來了更大的經(jīng)濟(jì)利益。 2.2.2 模具結(jié)構(gòu)的分析與說明 1、落料沖孔模結(jié)構(gòu)的分析與說明 本道模具主要用來完成落料，目的明確簡(jiǎn)單，看似易設(shè)計(jì)。但對(duì)于本制件 來說它是一個(gè)上下不對(duì)稱的制件，為了保證在彎曲后的精度，所以要在本 工序中做到的精度。在本制件考慮到形狀有一定的復(fù)雜，且較薄（1mm） ， 為了保證制件有較高的平直度，故采用正裝式落料模。制件制造時(shí)還要考 慮到制件的定位，根據(jù)制件的特征，為了保證凹模的強(qiáng)度，故采用鉤形當(dāng) 料銷、和采用外形定位的定位銷。 如圖 15 2、彎曲模具設(shè)計(jì) 彎曲模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在彎曲工序確定后的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮彎曲件的形 狀要求、材料性能以及生產(chǎn)批量等因素。 1 模具結(jié)構(gòu)的分析說明 本制件為兩側(cè)雙 U 形彎曲，為了便于加工、降低成本，將凹模做成一體式， 其結(jié)構(gòu)如圖 上圖的結(jié)構(gòu)是模具工作時(shí)的部位是這副模具的核心，這樣的結(jié)構(gòu)可以適用于批 量生產(chǎn)，即使壞了也可以再制造一個(gè)新的重新加工，這大大縮短了工作周期， 提高了生產(chǎn)率，而且卸料方便。給生產(chǎn)產(chǎn)家?guī)砹烁玫慕?jīng)濟(jì)利益。 2 彎曲模的卸料裝置的設(shè)計(jì)說明 本制件在彎曲后將脹在凹模里，在模具開模時(shí)用采用柔性卸料，在開模時(shí) 利用彈簧把凹模里的工件頂出來，同時(shí)此裝置也有壓料作用。如圖 16 2.2 工藝參數(shù)計(jì)算 2.2.1 展開尺寸的計(jì)算 根據(jù)零件尺寸，計(jì)算落料工序展開尺寸 由于工件 R50 的工件間 a1 的值為 1 側(cè)邊 a 的值為 1.8 2 條料寬度的計(jì)算 在設(shè)計(jì)模具是為了方便，采用無側(cè)壓裝置送料方式條料寬度計(jì)算公式如下： B=(D+2a +Z) 0- 式中 B為條料寬度的基本尺寸； D為條料寬度方向零件輪廓的最大尺寸 a 側(cè)面搭邊 Z導(dǎo)料板與最寬條料之間的間隙 條料寬度的負(fù)向偏差 搭邊距 a 如上所示 間隙 、剪切公差 Z 查課本得 =0.5mm、Z=0.5mm 由上面公式計(jì)算得 B=(132.6+22+0.5)0-0.5=137.10-0.5mm 3 步距的計(jì)算 由制件的展開圖 所生成的縱向有效尺寸為 Ls=100.5mm 步間距計(jì)算公式為： L=Ls+a1 式中 L為步間距 Ls為橫向有效尺寸 18 a1搭邊距 L=100.5+1.8=102.3mm 由此可得模具排樣圖如下： 圖 2-4 根據(jù)要求查資料，選板的規(guī)格 30008501 每塊板可剪 1500137 規(guī)格條料 12 塊，材料利用率達(dá) 90%以上。 4 材料利用率的計(jì)算 衡量材料經(jīng)濟(jì)利用的指標(biāo)是材料利用率。 一個(gè)進(jìn)距內(nèi)的材料利用率為 = %10*hBAn 式中A沖裁件面積（包括沖出小孔在內(nèi)） （mm 2） ； n一個(gè)進(jìn)距內(nèi)的沖件數(shù)目； B條料寬度（mm） ； h進(jìn)距（mm）. 由公式得：=85% 19 2.2.3 沖壓力的計(jì)算 當(dāng)一次沖裁完成以后，為了能夠順利地進(jìn)行下一次沖裁，必須適時(shí)的解決 出件、卸料及排除廢料等問題。選取的沖裁方式不同時(shí)，出件、卸料及排除廢 料的形式也就不同。因此沖裁方式將直接決定沖裁模的結(jié)構(gòu)形式，并影響沖裁 件的質(zhì)量。根據(jù)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工藝性能，本副模具頂板式順出件結(jié)構(gòu)。由 于本模具采用順出件式模具沖裁，省去校平工序，既可滿足工件對(duì)平面度的要 求，有能保證安全生產(chǎn)。 完成本制件所需的沖壓力由沖裁力、彎曲力、及卸料力、推料力、頂料力 和壓料力組成 1. 沖裁力 F 沖 的計(jì)算 由課本式子： F 沖 =KtL 式中： 為材料的抗剪強(qiáng)度（MPa） F 沖 沖裁力（N） L沖裁周邊總邊長(zhǎng)（mm） t材料厚度（mm） 說明：系數(shù) K 是考慮到?jīng)_裁刃口的磨損、凸模與凹模的波動(dòng)（數(shù)值的變化 或分布不均） 、潤(rùn)滑情況、材料力學(xué)性能與厚度公差的變化等因素而設(shè)置的安全 系數(shù)，一般取 1.2。當(dāng)查不到抗剪強(qiáng)度 時(shí)，可用抗拉強(qiáng)度 b代替 ，而取 Kp=1 的近似計(jì)算法計(jì)算。 查模具設(shè)計(jì)指導(dǎo)取 =275 MPa 所以沖裁力 F 沖 =1.31837.09275=294kN 2. 卸料力 Fx 、 推料力 FT 、 頂料力 FD 的計(jì)算 在沖裁結(jié)束時(shí)，由于材料的彈性回復(fù)（包括徑向彈性回復(fù)和彈性翹曲的回 復(fù)）及摩擦的存在，將使沖落部分的材料梗塞在凹模內(nèi)，而沖裁剩下的材料則 緊箍在凸模上。為使沖裁工作繼續(xù)進(jìn)行，必須將箍在凸模上的料卸下，將卡在 凹模內(nèi)的料推出。從凸模上卸下箍著的料所需要的力稱卸料力；將梗塞在凹模 內(nèi)的料順沖裁方向推出所需要的力稱推件力；逆沖裁方向從凹模內(nèi)頂出所需要 的力稱頂件力. 在實(shí)際生產(chǎn)中影響卸料力、推料力、頂料力的因素很多，要精確計(jì)算很困 難。在實(shí)際生產(chǎn)中常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 卸料力： F x=KxF 推料力： FT = nKTF 頂料力： FD =KDF 式中： 20 F 沖裁力（N） Kx卸料力系數(shù)，其值為 0.045--0.055(薄料取大值、厚料取小值） ； KT推件力系數(shù)，其值為 0.063 KD頂件力系數(shù)，其值為 0.08 n時(shí)卡在凹模內(nèi)的沖裁件數(shù)(或廢料)數(shù) n=h/t h凹模洞口的直刃壁高度 t板料厚度 卸料力和頂料力是設(shè)計(jì)卸料裝置和彈頂裝置的依據(jù)。 因此： Fx =0.045294=13.23 KN FT=0.063294=18.52KN FD=0.08294=23.52 KN 總壓力 F 總的計(jì)算 F 總= F 沖 F xFD=294+13.23+23.52=330KN 2.2.4 壓力中心的計(jì)算 由于工件形狀比較復(fù)雜，用解析法求壓力中心 X0=LX/L Y0=LY/L 根據(jù)圖 2-5 直角坐標(biāo)系，求出各線段中點(diǎn)坐標(biāo)和長(zhǎng)度 線段坐標(biāo)和長(zhǎng)度見下表 X y l x*l y*l 21 0 0 84 0 0 42 2.5 5 210 12.5 41.2 5 1.5 61.8 7.5 40.5 6 2 81 12 51.9 7 22.8 1183.32 159.6 64.8 8.5 4.2 272.16 35.7 66.3 14.5 11 729.3 159.5 64.8 20.5 4.2 272.16 86.1 54.8 22 17 931.6 374 46.3 41.2 38.5 1782.55 1586.2 54.8 60.5 17 931.6 1028.5 64.8 62 4.2 272.16 260.4 66.3 68 11 729.3 748 64.8 74 4.2 272.16 310.8 51.9 75.5 22.8 1183.32 1721.4 40.5 76.5 2 81 153 41.2 77.5 1.5 61.8 116.25 42 89 23 966 2047 0 100.5 84 0 8442 -42 89 23 -966 2047 -41.2 77.5 1.5 -61.8 116.25 -40.5 76.5 2 -81 153 -51.9 75.5 22.8 -1183.32 1721.4 -64.8 74 4.2 -272.16 310.8 -66.3 63.2 18.5 -1226.55 1169.2 -64.8 52.5 4.2 -272.16 220.5 -60.8 51 5 -304 255 -58.3 47.5 7 -408.1 332.5 -56.8 42.5 4.2 -238.56 178.5 -50.8 41 9 -457.2 369 -46.3 31.5 19 -879.7 598.5 -54.8 22 17 -931.6 374 -64.8 20.5 4.2 -272.16 86.1 -66.3 14.5 11 -729.3 159.5 -64.8 8.5 4.2 -272.16 35.7 -51.9 7 22.8 -1183.32 159.6 -40.5 6 2 -81 12 -41.2 5 1.5 -61.8 7.5 -42 2.5 5 -210 12.5 -34 87.2 12.56 -427.04 1095.232 -17 88.5 48.67 -827.39 4307.295 6.5 89 62 403 5518 28.5 88.5 40.82 1163.37 3612.57 22 -53.8 68.5 12.56 -675.728 860.36 -31 65.9 12.56 -389.36 827.704 53.8 68.5 12.56 675.728 860.36 -36 41.2 18.56 -668.16 764.672 26.3 41.2 12.56 330.328 517.472 36 41.2 18.56 668.16 764.672 -53.8 21.3 12.56 -675.728 267.528 -21 14 12.56 -263.76 175.84 53.8 14 12.56 675.728 175.84 sum 837.09 -81.512 45326.55 求出 X0=-0.09738 Y0=54.148 在不影響使用的前提下為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和制造，區(qū)中心為 X0=0，YO=50.25 2.2.5 落料凸、凹模的刃口尺寸的計(jì)算和公差的確定 沖裁件的尺寸精度主要決定于模具刃口尺寸精度，模具的合理間隙值也主 要靠刃口尺寸及制造精度來保證。正確決定模具刃口尺寸及制造公差，是設(shè)計(jì) 沖裁模具的主要任務(wù)之一。 在決定模具刃口尺寸及其制造公差時(shí)需考慮下列原則： 1.落料件尺寸由凹模尺寸決定。故設(shè)計(jì)落料精度時(shí)，以凹模為基準(zhǔn)，間隙取在 凸模上。 2.考慮到?jīng)_裁中凸、凹模的磨損，設(shè)計(jì)時(shí)，凹?；境叽鐟?yīng)取制件尺寸公差范 圍的較小尺寸；設(shè)計(jì)沖孔時(shí)，凸?；境叽鐒t應(yīng)取工件尺寸公差范圍的較大 尺寸。這樣，在凸、凹磨損到一定的程度的情況下，仍能沖出合格的制件。 凸凹模間隙則取最小合理間隙值。 3.確定沖模刃口制造公差時(shí)，應(yīng)考慮制件的公差要求。如果對(duì)刃口尺寸精度要 求過高（即制造公差過小） ，會(huì)使模具制造困難，增加成本，延長(zhǎng)生產(chǎn)周期； 如果對(duì)刃口尺寸精度要求過低（即制造精度公差過大） ，則生產(chǎn)出來的制件可 能不合格，會(huì)使模具的壽命降低。若制件沒有標(biāo)注公差，則對(duì)于非圓形件按 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“非配合尺寸的公差數(shù)值”IT14 級(jí)處理，沖模則可按 IT11 級(jí)制造； 對(duì)于圓形件，一般可按 IT7IT6 級(jí)制造模具。沖壓件的尺寸公差應(yīng)按“入體” 原則標(biāo)注為單向公差，落料件上偏差為零，下偏差為負(fù)；沖孔件上偏差為正， 下偏差為零。 本制件為簡(jiǎn)單圖形，故按配作法計(jì)算凸、凹模刃口尺寸。根據(jù)凸、凹模刃 口尺寸計(jì)算公式，先計(jì)算出落料凹模刃口尺寸 凹模磨損后變大的尺寸 max0()AA 凹模磨損后變小的尺寸 23 0min()AABx 凹模磨損后不變的尺寸 AAC 相應(yīng)的凹模刃口尺寸A 工件的最大極限尺寸max 工件的最小極限尺寸inB 工件的基本尺寸C 工件公差 工件偏差 4AA X系數(shù)，一般為 0.5-1 由圖 2-2 知 凹模磨損后不變的尺寸有 凹模磨損后變小的尺寸有 24 凹模磨損后變大的尺寸有 根據(jù)自由公差表 25 把尺寸代入公式，得 變大后的尺寸 變小后的尺寸 26 最后得圖 2.2.6 凹模周界尺寸計(jì)算 因制件形狀復(fù)雜,尺寸不大,?？紤]到為了便于加工，故選用整體式凹模比較合 理. 1.凹模厚度尺寸 H 的計(jì)算:由凹模的計(jì)算公式為 27 = =31mm 3HF沖 2940 又因?yàn)闆_裁輪廓線全長(zhǎng)超過了 50mm,故應(yīng)乘以修正系數(shù) K.由模具設(shè)計(jì)指導(dǎo) 可得凹模厚度的修正系數(shù) K 的值為 k=1.37 則 H 凹=1.37*31=42.47mm 將凹模厚度圓整成 43mm 2.落料凹模周界尺寸 LB 的計(jì)算:因?yàn)榘寄？卓谳喞獮橹本€和圓弧形組成所以： 凹?？卓谥陛喞獮橹本€時(shí) W=1.5H=1.543=64.5mm L=250-260mm.B=220-230mm 2.2.7 彈性元件的參數(shù)計(jì)算 沖壓工藝中常見的彈性元件有彈簧和橡膠等,但是由于這副模具的結(jié)構(gòu)和結(jié) 合實(shí)際生產(chǎn),因此我們選用橡膠作為卸料的彈性元件. 1.確定橡膠的自由高度 H 自,有資料查模具設(shè)計(jì)指導(dǎo)得: H 自=L 工/(0.25-0.30)+h 修磨 式中的 L 工為模具的工作行程再加 1-3mm.本模具的工作行程為沖孔落料,故 L 工1mm,h 修磨的取值范圍為 4-6mm,在這里取中間值 5mm. H 自=2/（0.25-5)+5=8-13mm 取 13 2.確定 L 預(yù)和 H 裝.由表 3-9 可得如下計(jì)算公式: L 預(yù)=(0.1-0.15)H 自=0.15*9=2mm H 裝=H 自-L 預(yù)=(9-1.35)mm=11mm 3.確定橡膠橫截面積 A A=F/q F 由前可知為 F=13.23KN,q=0.26-0.5MPa.在這里,由于該模具的工作行程比較小,因 此取 q=0.4MPa 則 A=13230/0.5m=26000mm 2.2.8 彎曲工序力的計(jì)算 彎曲力是選擇壓力