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沖壓模具設計
一、簡述
沖壓模具--在冷沖壓加工中，將材料（金屬或非金屬）加工成零件（或半成品）的一種特殊工藝裝備，稱為冷沖壓模具（俗稱冷沖模）。沖壓--是在室溫下，利用安裝在壓力機上的模具對材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需零件的一種壓力加工方法。
沖壓模具是沖壓生產(chǎn)必不可少的工藝裝備，是技術密集型產(chǎn)品。沖壓件的質量、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本等，與模具設計和制造有直接關系。模具設計與制造技術水平的高低，是衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標志之一，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。
二、分類
沖壓模具的形式很多，沖模也依工作性質,模具構造,模具材料三方面來分類。
一般可按以下幾個主要特征分類：
１．根據(jù)工藝性質分類
a.沖裁模 沿封閉或敞開的輪廓線使材料產(chǎn)生分離的模具。如落料模、沖孔模、切斷模、切口模、切邊模、剖切模等。
b.彎曲模 使板料毛坯或其他坯料沿著直線（彎曲線）產(chǎn)生彎曲變形，從而獲得一定角度和形狀的工件的模具。
c.拉深模 是把板料毛坯制成開口空心件，或使空心件進一步改變形狀和尺寸的模具。
d.成形模 是將毛坯或半成品工件按圖凸、凹模的形狀直接復制成形，而材料本身僅產(chǎn)生局部塑性變形的模具。如脹形模、縮口模、擴口模、起伏成形模、翻邊模、整形模等。
２．根據(jù)工序組合程度分類
a.單工序模 在壓力機的一次行程中，只完成一道沖壓工序的模具。
b.復合模 只有一個工位，在壓力機的一次行程中，在同一工位上同時完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具。
c.級進模（也稱連續(xù)模） 在毛坯的送進方向上，具有兩個或更多的工位，在壓力機的一次行程中，在不同的工位上逐次完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具。
3、依產(chǎn)品的加工方法分類
依產(chǎn)品加工方法的不同，可將模具分成沖剪模具、彎曲模具、抽制模具、成形模具和壓縮模具等五大類。
a. 沖剪模具：是以剪切作用完成工作的，常用的形式有剪斷沖模、下料沖模、沖孔沖模、修邊沖模、整緣沖模、拉孔沖模和沖切模具。
b.彎曲模具：是將平整的毛胚彎成一個角度的形狀，視零件的形狀、精度及生產(chǎn)量的多寡，乃有多種不同形式的模具，如普通彎曲沖模、凸輪彎曲沖模、卷邊沖模、圓弧彎曲沖模、折彎沖縫沖模與扭曲沖模等。
c.抽制模具：抽制模具是將平面毛胚制成有底無縫容器。
d.成形模具：指用各種局部變形的方法來改變毛胚的形狀，其形式有凸張成形沖模、卷緣成形沖模、頸縮成形沖模、孔凸緣成形沖模、圓緣成形沖模。
e.壓縮模具：是利用強大的壓力，使金屬毛胚流動變形，成為所需的形狀，其種類有擠制沖模、壓花沖模、壓印沖模、端壓沖模。
三、模具典型結構
通常模具是由二類零件組成:
第一類 是工藝零件，這類零件直接參與工藝過程的完成并和坯料有直接接觸，包括有工作零件、定位零件、卸料與壓料零件等；
第二類 是結構零件，這類零件不直接參與完成工藝過程，也不和坯料有直接接觸，只對模具完成工藝過程起保證作用，或
對模具功能起完善作用，包括有導向零件、緊固零件、標準件及其它零件等，如表1.1.3所示。應該指出，不是所有的沖模都必須具備上述六種零件，尤其是單工序模，但是工作零件和必要的固定零件等是不可缺少的。
四、模具先進制造工藝及設備
模具制造技術現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎。隨著科學技術的發(fā)展，計算機技術、信息技術、自動化技術等先進技術正不斷向傳統(tǒng)制造技術滲透、交叉、融合，對其實施改造，形成先進制造技術。
模具先進制造技術的發(fā)展主要體現(xiàn)在：
1．高速銑削加工
普通銑削加工采用低的進給速度和大的切削參數(shù)，而高速銑削加工則采用高的進給速度和小的切削參數(shù)，高速銑削加工相對于普通銑削加工具有如下特點：
a.高效 高速銑削的主軸轉速一般為15000r/min～40000r/min，最高可達100000r/min。在切削鋼時，其切削速度約為400m/min，比傳統(tǒng)的銑削加工高5～10倍；在加工模具型腔時與傳統(tǒng)的加工方法(傳統(tǒng)銑削、電火花成形加工等)相比其效率提高4～5倍。
b.高精度 高速銑削加工精度一般為10μm，有的精度還要高。
c.高的表面質量 由于高速銑削時工件溫升?。s為3°C），故表面沒有變質層及微裂紋，熱變形也小。最好的表面粗糙度Ra小于1μm，減少了后續(xù)磨削及拋光工作量。
d.可加工高硬材料 可銑削50～54HRC的鋼材，銑削的最高硬度可達60HRC。
鑒于高速加工具備上述優(yōu)點，所以高速加工在模具制造中正得到廣泛應用，并逐步替代部分磨削加工和電加工。
2．電火花銑削加工
電火花銑削加工（又稱為電火花創(chuàng)成加工）是電火花加工技術的重大發(fā)展，這是一種替代傳統(tǒng)用成型電極加工模具型腔的新技術。像數(shù)控銑削加工一樣，電火花銑削加工采用高速旋轉的桿狀電極對工件進行二維或三維輪廓加工，無需制造復雜、昂貴的成型電極。日本三菱公司最近推出的EDSCAN8E電火花創(chuàng)成加工機床，配置有電極損耗自動補償系統(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)了當今電火花創(chuàng)成加工機床的水平。
3．慢走絲線切割技術
目前，數(shù)控慢走絲線切割技術發(fā)展水平已相當高，功能相當完善，自動化程度已達到無人看管運行的程度。最大切割速度已達300mm2/min，加工精度可達到±1.5μm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm。直徑0.03～0.1mm細絲線切割技術的開發(fā)，可實現(xiàn)凹凸模的一次切割完成，并可進行0.04mm的窄槽及半徑0.02mm內(nèi)圓角的切割加工。錐度切割技術已能進行30°以上錐度的精密加工。
磨削及拋光加工由于精度高、表面質量好、表面粗糙度值低等特點，在精密模具加工中廣泛應用。目前，精密模具制造廣泛使用數(shù)控成形磨床、數(shù)控光學曲線磨床、數(shù)控連續(xù)軌跡坐標磨床及自動拋光機等先進設備和技術。
5．數(shù)控測量
產(chǎn)品結構的復雜，必然導致模具零件形狀的復雜。傳統(tǒng)的幾何檢測手段已無法適應模具的生產(chǎn)。現(xiàn)代模具制造已廣泛使用三坐標數(shù)控測量機進行模具零件的幾何量的測量，模具加工過程的檢測手段也取得了很大進展。三坐標數(shù)控測量機除了能高精度
地測量復雜曲面的數(shù)據(jù)外，其良好的溫度補償裝置、可靠的抗振保護能力、嚴密的除塵措施以及簡便的操作步驟，使得現(xiàn)場自動化檢測成為可能。
模具先進制造技術的應用改變了傳統(tǒng)制模技術模具質量依賴于人為因素，不易控制的狀況，使得模具質量依賴于物化因素，整體水平容易控制，模具再現(xiàn)能力強。
五、模具新材料及熱、表處理
隨著產(chǎn)品質量的提高，對模具質量和壽命要求越來越高。而提高模具質量和壽命最有效的辦法就是開發(fā)和應用模具新材料及熱、表處理新工藝,不斷提高使用性能, 不銹鋼板材沖壓模具材料改善加工性能。
1.沖壓模具材料
制造沖壓模具的材料有鋼材、硬質合金、鋼結硬質合金、鋅基合金、低熔點合金、鋁青銅、高分子材料等等。目前制造沖壓模具的材料絕大部分以鋼材為主，常用的模具工作部件材料的種類有：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻或中鉻工具鋼、中碳合金鋼、高速鋼、基體鋼以及硬質合金、鋼結硬質合金等等。
a.碳素工具鋼
在模具中應用較多的碳素工具鋼為T8A、T10A等，優(yōu)點為加工性能好，價格便宜。但淬透性和紅硬性差，熱處理變形大，承載能力較低[1]。
b.低合金工具鋼
低合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入了適量的合金元素。與碳素工具鋼相比，減少了淬火變形和開裂傾向，提高了鋼的淬透性，耐磨性亦較好。用于制造模具的低合金鋼有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代號CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代號GD)等。
c. 高碳高鉻工具鋼
常用的高碳高鉻工具鋼有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代號D2），它們具有較好的淬透性、淬硬性和耐磨性，熱處理變形很小，為高耐磨微變形模具鋼，承載能力僅次于高速鋼。但碳化物偏析嚴重，必須進行反復鐓拔（軸向鐓、徑向拔）改鍛，以降低碳化物的不均勻性，提高使用性能。
d. 高碳中鉻工具鋼
用于模具的高碳中鉻工具鋼有Cr4W2MoV、Cr6WV 、Cr5MoV等，它們的含鉻量較低，共晶碳化物少，碳化物分布均勻，熱處理變形小，具有良好的淬透性和尺寸穩(wěn)定性。與碳化物偏析相對較嚴重的高碳高鉻鋼相比，性能有所改善。
e. 高速鋼
高速鋼具有模具鋼中最高的的硬度、耐磨性和抗壓強度，承載能力很高。模具中常用的有W18Cr4V（代號8-4-1）和含鎢量較少的W6Mo5 Cr4V2（代號6-5-4-2，美國牌號為M2）以及為提高韌性開發(fā)的降碳降釩 高速鋼 6W6Mo5 Cr4V（代號6W6或稱低碳M2）。高速鋼也需要改鍛 ，以改善其碳化物分布 。
f. 基體鋼
在高速鋼的基本成分上添加少量的其它元素，適當增減含碳量，以改善鋼的性能。這樣的鋼種統(tǒng)稱基體鋼。它們不僅有高速鋼的特點，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲勞強度和韌性均優(yōu)于高速鋼，為高強韌性冷作模具鋼，材料成本卻比高速鋼低。模具中常用的基體鋼有 6Cr4W3Mo2VNb（代號65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代號LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代號012AL）等。
g. 硬質合金和鋼結硬質合金
硬質合金的硬度和耐磨性高于其它任何種類的模具鋼，但抗彎強度和韌性差。用作模具的硬質合金是鎢鈷類，對沖擊性小而耐磨性要求高的模具，可選用含鈷量較低的硬質合金。對沖擊性大的模具，可選用含鈷量較高的硬質合金。
鋼結硬質合金是以鐵粉加入少量的合金元素粉末（如鉻、 鉬 、鎢、釩等）做粘合劑，以碳化 鈦或碳化鎢為硬質相 ，用粉末冶金方法燒結而成。鋼結硬質合金的基體是鋼，克服了硬質合金韌性較差、加工困難的缺點，可以切削、焊接、鍛造和熱處理。 鋼結硬質合金含有大量的碳化物，雖然硬度和耐磨性低于硬質合金，但仍高于其它鋼種，經(jīng)淬火、回火后硬度可達 68 ~ 73HRC。
h.新材料
沖壓模具使用的材料屬于冷作模具鋼，是應用量大、使用面廣、種類最多的模具鋼。主要性能要求為強度、韌性、耐磨性。目前冷作模具鋼的發(fā)展趨勢是在高合金鋼D2（相當于我國Cr12MoV）性能基礎上，分為兩大分支：一種是降低含碳量和合金元素量，提高鋼中碳化物分布均勻度，突出提高模具的韌性。如美國釩合金鋼公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊鋼公司的DC53(Cr8Mo2SiV)等。另一種是以提高耐磨性為主要目的，以適應高速、自動化、大批量生產(chǎn)而開發(fā)的粉末高速鋼。如德國的320CrVMo13，等。
2．熱處理、表處理新工藝
為了提高模具工作表面的耐磨性、硬度和耐蝕性，必須采用熱、表處理新技術，尤其是表面處理新技術。除人們熟悉的鍍硬鉻、氮化等表面硬化處理方法外，近年來模具表面性能強化技術發(fā)展很快，實際應用效果很好。其中，化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）以及鹽浴滲金屬（TD）的方法是幾種發(fā)展較快，應用最廣的表面涂覆硬化處理的新技術。它們對提高模具壽命和減少模具昂貴材料的消耗，有著十分重要的意義。
六、沖壓模具材料的選用原則
在沖壓模具中，使用了各種金屬材料和非金屬材料，主要有碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鑄鋼、硬質合金、低熔點合金、鋅基合金、鋁青銅、合成樹脂、聚氨脂橡膠、塑料、層壓樺木板等。
制造模具的材料，要求具有高硬度、高強度、高耐磨性、適當?shù)捻g性、高淬透性和熱處理不變形(或少變形)及淬火時不易開裂等性能。
合理選取模具材料及實施正確的熱處理工藝是保證模具壽命的關鍵。對用途不同的模具，應根據(jù)其工作狀態(tài)、受力條件及被加工材料的性能、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)率等因素綜合考慮，并對上述要求的各項性能有所側重，然后作出對鋼種及熱處理工藝的相應選擇。
1. 生產(chǎn)批量
當沖壓件的生產(chǎn)批量很大時，模具的工作零件凸模和凹模的材料應選取質量高、耐磨性好的模具鋼。對于模具的其它工藝結構部分和輔助結構部分的零件材料，也要相應地提高。在批量不大時，應適當放寬對材料性能的要求，以降低成本。
2. 被沖壓材料的，性能、模具零件的使用條件
當被沖壓加工的材料較硬或變形抗力較大時，沖模的凸、凹模應選取耐磨性好、強度高的材料。拉深不銹鋼時，可采用鋁青銅凹模，因為它具有較好的抗粘著性。而導柱導套則要求耐磨和較好的韌性，故多采用低碳鋼表面滲碳淬火。又如，碳素工具鋼的主要不足是淬透性差，在沖模零件斷面尺寸較大時，淬火后其中心硬度仍然較低，但是，在行程次數(shù)很大的壓床上工作時，由于它的耐沖擊性好反而成為優(yōu)固定板、卸料板類零件，不但要有足夠的強度，而且要求在工作過程中變形小。另外，還可以采用冷處理和深冷處理、真空處理和表面強化的方法提高模具零件的性能。對于凸、凹模工作條件較差的冷擠壓模，應選取有足夠硬度、強度、韌性、耐磨性等綜合機械性能較好的模具鋼，同時應具有一定的紅硬性和熱疲勞強度等。
3. 材料性能
應考慮材料的冷熱加工性能和工廠現(xiàn)有條件。
4. 降低生產(chǎn)成本
注意采用微變形模具鋼，以減少機加工費用。
5. 開發(fā)專用模具鋼
對特殊要求的模具，應開發(fā)應用具有專門性能的模具鋼。
6. 考慮我國模具的生產(chǎn)和使用情況
選擇模具材料要根據(jù)模具零件的使用條件來決定，做到在滿足主要條件的前提下，選用價格低廉的材料，降低成本。
七、模具CAD/CAM技術
計算機技術、機械設計與制造技術的迅速發(fā)展和有機結合，形成了計算機輔助設計與計算機輔助制造（CAD/CAM）這一新型技術。
CAD/CAM是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關鍵技術，是一項高科技、高效益的系統(tǒng)工程，它以計算機軟件的形式為用戶提供一種有效的輔助工具，使工程技術人員能借助計算機對產(chǎn)品、模具結構、成形工藝、數(shù)控加工及成本等進行設計和優(yōu)化。模具CAD/CAM能顯著縮短模具設計及制造周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質量已成為人們的共識。
隨著功能強大的專業(yè)軟件和高效集成制造設備的出現(xiàn)，以三維造型為基礎、基于并行工程（CE）的模具CAD/CAM技術正成為發(fā)展方向，它能實現(xiàn)面向制造和裝配的設計，實現(xiàn)成形過程的模擬和數(shù)控加工過程的仿真，使設計、制造一體化。
快速經(jīng)濟制模技術為了適應工業(yè)生產(chǎn)中多品種、小批量生產(chǎn)的需要，加快模具的制造速度，降低模具生產(chǎn)成本，開發(fā)和應用快速經(jīng)濟制模技術越來越受到人們的重視。目前，快速經(jīng)濟制模技術主要有低熔點合金制模技術、鋅基合金制模技術、環(huán)氧樹脂制模技術、噴涂成形制模技術、疊層鋼板制模技術等。應用快速經(jīng)濟制模技術制造模具，能簡化模具制造工藝、縮短制造周期（比普通鋼模制造周期縮短70%～90%）、降低模具生產(chǎn)成本（比普通鋼模制造成本降低60%～80%），在工業(yè)生產(chǎn)中取得了顯著的經(jīng)濟效益。對提高新產(chǎn)品的開發(fā)速度，促進生產(chǎn)的發(fā)展有著非常重要的作用。
八、沖壓模具行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及技術趨勢
1、現(xiàn)狀
改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，市場對模具的需求量不斷增長。近年來，模具工業(yè)一直以15%左右的增長速度快速發(fā)展，模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化，除了國有專業(yè)模具廠外，集體、合資、獨資和私營也得到了快速發(fā)展。浙江寧波和黃巖地區(qū)的“模具之鄉(xiāng)”；廣東一些大集團公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，科龍、美的、康佳等集團紛紛建立了自己的模具制造中心；中外合資和外商獨資的模具企業(yè)現(xiàn)已有幾千家。 隨著與國際接軌的腳步不斷加快，市場競爭的日益加劇，人們已經(jīng)越來越認識到產(chǎn)品質量、成本和新產(chǎn)品的開發(fā)能力的重要性。而模具制造是整個鏈條中最基礎的要素之一。近年許多模具企業(yè)加大了用于技術進步的投資力度，將技術進步視為企業(yè)發(fā)展的重要動力
點。對于 。一些國內(nèi)模具企業(yè)已普及了二維CAD，并陸續(xù)開始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等國際通用軟件，個別廠家還引進了、C-Flow、DYNAFORM和MAGMASOFT等CAE軟件，并成功應用于沖壓模的設計中。
以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術已取得很大進步，東風汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產(chǎn)部分轎車覆蓋件模具。此外，許多研究機構和大專院校開展模具技術的研究和開發(fā)。經(jīng)過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術方面取得了顯著進步；在提高模具質量和縮短模具設計制造周期等方面做出了貢獻。
2、未來沖壓模具制造技術發(fā)展趨勢
模具技術的發(fā)展應該為適應模具產(chǎn)品“交貨期短”、“精度高”、“質量好”、“價格低”的要求服務。
達到這一要求急需發(fā)展如下幾項： (1)全面推廣CAD/CAM/CAE技術
模具CAD/CAM/CAE技術是模具設計制造的發(fā)展方向。隨著微機軟件的發(fā)展和進步，普及CAD/CAM/CAE技術的條件已基本成熟，各企業(yè)將加大CAD/CAM技術培訓和技術服務的力度；進一步擴大CAE技術的應用范圍。計算機和網(wǎng)絡的發(fā)展正使CAD/CAM/CAE技術跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨院所地在整個行業(yè)中推廣成為可能，實現(xiàn)技術資源的重新整合，使虛擬制造成為可能。
(2)高速銑削加工
國外近年來發(fā)展的高速銑削加工，大幅度提高了加工效率，并可獲得極高的表面光潔度。另外，還可加工高硬度模塊，還具有溫升低、熱變形小等優(yōu)點。高速銑削加工技術的發(fā)展，對汽車、家電行業(yè)中大型型腔模具制造注入了新的活力。目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展。
(3)模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)
高速掃描機和模具掃描系統(tǒng)提供了從模型或實物掃描到加工出期望的模型所需的諸多功能，大大縮短了模具的在研制制造周期。有些快速掃描系統(tǒng)，可快速安裝在已有的數(shù)控銑床及加工中心上，實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集、自動生成各種不同數(shù)控系統(tǒng)的加工程序、不同格式的CAD數(shù)據(jù)，用于模具制造業(yè)的“逆向工程”。模具掃描系統(tǒng)已在汽車、摩托車、家電等行業(yè)得到成功應用，相信在“十五”期間將發(fā)揮更大的作用。
(4)電火花銑削加工
電火花銑削加工技術也稱為電火花創(chuàng)成加工技術，這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工型腔的新技術，它是有高速旋轉的簡單的管狀電極作三維或二
維輪廓加工(像數(shù)控銑一樣)，因此不再需要制造復雜的成型電極，這顯然是電火花成形加工領域的重大發(fā)展。國外已有使用這種技術的機床在模具加工中應用。預計這一技術將得到發(fā)展。
(5)提高模具標準化程度
我國模具標準化程度正在不斷提高，估計目前我國模具標準件使用覆蓋率已達到30%左右。國外發(fā)達國家一般為80%左右。
(6)優(yōu)質材料及先進表面處理技術
選用優(yōu)質鋼材和應用相應的表面處理技術來提高模具的壽命就顯得十分必要。模具熱處理和表面處理是否能充分發(fā)揮模具鋼材料性能的關鍵環(huán)節(jié)。模具熱處理的發(fā)展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善應發(fā)展工藝先進的氣相沉積(TiN、TiC等)、等離子噴涂等技術。
(7)模具研磨拋光將自動化、智能化
模具表面的質量對模具使用壽命、制件外觀質量等方面均有較大的影響，研究自動化、智能化的研磨與拋光方法替代現(xiàn)有手工操作，以提高模具表面質量是重要的發(fā)展趨勢。
(8)模具自動加工系統(tǒng)的發(fā)展
這是我國長遠發(fā)展的目標。模具自動加工系統(tǒng)應有多臺機床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的機具、刀具數(shù)控庫；有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng)；有質量監(jiān)測控制系統(tǒng)。