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沖壓模具設計中側壁起皺的分析
F.-k. Chen and Y.-C. Liao
臺灣 臺北市國立臺灣大學機械工程部門
在沖壓過程中，起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當發(fā)生起皺時，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過有限元模擬方法被檢查到。模擬結果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實際部分。在側壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因為介于沖頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的。為減少起皺，一個最適宜的沖模設計方法就是利用有限元分析法。在無起皺產品中介于模擬結果和實測結果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實了利用有限元分析法去設計沖模的優(yōu)勢。
關鍵詞：側壁起皺；沖模；階梯的矩形杯子；帶有錐度的主形杯子
1． 介紹
起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因，在產品中起皺往往不能被接受。在金屬板料成形過程中，有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生：邊緣起皺，側壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個復雜形狀零件的操作時，側壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側壁區(qū)域的金屬板料相對于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質量，側壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯，在未被加固的側壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺，而且在實際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會通過裂痕導致失敗。因此，沖壓力必須處于一個狹小的范圍，一方面，要高于抑制起皺的力，另一方面，要低于產生破裂的力。沖壓力的狹小范圍很難計算。對于沖壓一個復雜形狀的零件，當起皺發(fā)生在中心區(qū)域時，有意義的沖壓力范圍甚至不存在。
為了檢查起皺的形成結構，Yoshida et al.發(fā)明了一種測試，在這種測試里，一塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計劃一個近似的理論模型，在這種模型里面，起皺的開始取決于在壓力不均勻區(qū)域中有壓縮的側部力的彈性灣曲。Yu et al.從實驗性和分析性上研究起皺問題，通過理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個圓周波的起皺可能發(fā)生，然而，實驗結果顯示是四到六個。當通過一個有錐度的模具畫出金屬板料時，Narayanasamy和sowerby用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板料的起皺。他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類。
那些努力都被聚中于和簡單形狀零件關聯(lián)的起皺問題上，例如：一個圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動態(tài)軟件和有限元方法的成功運用使得分析包括在沖壓一個復雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當前的研究中，三維有限元分析法被用來分析在沖壓一個帶有階梯的矩形部分的過程中，產生起皺的金屬流動制造參數(shù)上。
一個帶有階梯的方形杯子，在杯子的每一邊都有一個傾斜的側壁，在帶有錐度的杯子也相應的存在傾斜的側壁。在沖壓過程中，側壁上的金屬板料相對沒被支撐，因此，這個部位更容易起皺。在當前的研究中，起皺過程中的各種不同的制造參數(shù)的影響都在被研究。在沖壓一個帶有階梯的方形杯子時，就像圖1B顯示的一樣，可以觀測到另一種形式的起皺。為了評估分析的效力，在當前的研究中，一個確切階梯幾何形狀的物體被檢測。通過使用有限元分析法和用適宜的模具設計來減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測一個實際產品成形時，通過有限元分析法得到的模具設計方法得到證實。
圖1帶有錐度方形杯子的拉伸（a）和帶有階梯的矩形杯子的拉伸（b）
2有限元模型
包括沖頭、模具和毛壞固定器等工具幾何學是用CAD或PRO/E軟件來設計的。同樣用CAD軟件，三節(jié)點和四節(jié)點的外形元素被采用用來為以上工具生產網(wǎng)眼系統(tǒng)。對于有限元模擬來說，工具被認為是剛硬的，而且對應的網(wǎng)眼被用來定義工具幾何學而不是壓力分析。同樣CAD軟件使用四節(jié)點外形元素來為板形壞料構造網(wǎng)眼。圖2顯示工具的完整布置的網(wǎng)眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對稱條件，方形杯子的四分之一被分析。在模擬中，板形壞料放在壓力機上，沖模向下移動，逆著壓力機夾緊板形壞料。然后沖模上升使得板形壞料按著模腔成形。
圖2 有限元網(wǎng)眼
為了表演一個精確的有限元分析法，金屬板料的真實應力應變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當前的研究中，拉深成形的金屬板料也被用來模擬。為在飛機上切割下的樣本測試被進行，它們依次從0度的旋轉方向到45度的旋轉方向，再到90度的旋轉方向進行著。平均的流動力σ，計算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因為每一個方法真實應變通常用來模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓，就如圖3顯示的那樣。
當前研究中所有的模擬利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。為了完成模似所需輸入數(shù)據(jù)的設置，沖頭的速度一般設置在10m/s，庫侖摩擦系數(shù)設置在0.1。
圖3 金屬板料的應力應變關系
3 錐度方形杯中的起皺
正像圖1a顯示的那樣，草圖暗示著一些有關錐度方形杯子的尺寸，方形沖頭每一面的長度（2WP）、模腔的尺寸（2Wd）和高度(H)被認為是影響起皺的至關重要尺寸。在當前研究中，模腔尺寸和沖頭尺寸的差距的一半稱作沖模間隙（記作G），G= Wd- WP。相關的在側壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對于沖壓一個錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。
3.1沖模間隙的影響
為了檢查沖模間隙對起皺的影響，在沖壓一個錐度方形杯子時，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應力應變曲線如圖3所示。
圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子
模擬結果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象，沖模間隙為50mm沖壓出來的杯子模擬形狀如圖4。從圖4中可以看出，起皺分布在側壁，側壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側壁有大面積區(qū)域不被支撐，同樣，由于沖模間隙不一樣，沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大，在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來越不牢固。在壓縮下，側壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來的產品，兩個主要的應變比率β被介紹，β=εmin/εmax，這里的εmin和εmax分別是主要的和次要的應變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實際值比β的評論值大，假設當起皺發(fā)生時，β的實際值越大，起皺的可能性就越大。
在三個沖模間隙不同的沖壓中，同一側壁高度，沿著橫截面M-N的β值在圖4中標記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對三個沖模間隙不同的沖壓，在側壁中心很少發(fā)生起皺。還說明了沖模間隙越大，β的實際值就越大。因此，增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側壁處發(fā)生起皺的可能性。
3.2沖壓力的影響
眾所周知，在沖壓過程中，增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響，沖模間隙為50mm與起皺是有關聯(lián)的，用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個力分別產生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分，剩下的模擬條件與給定的是一樣的。處于中間的300KN也被用來模擬。
模擬結果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側壁的起皺。在圖4中已標出沿著橫截面M-N的β值與沖壓力為100KN和600KN的β值作比較。模擬結果指出兩種情況下，沿著橫截面M-N的β值是一樣的。為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形狀，正如圖4和圖6標出的那樣，側壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出，兩個外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因為起皺的原因主要是由于在有橫向壓力存在的側壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。
圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值
4階梯矩形杯子
在沖壓一個階梯矩形杯子時，起皺發(fā)生在側壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側壁C沿臺階D-E而行。在近期的研究中，在一個實際的產品中檢查到了這種幾何形狀。這種產品使用的原材料的厚度是0.7mm，從拉力測試中獲得的應力應變關系如圖3所示。
這種沖壓部分產品的程序包括通過清理焊縫的深拉。在這種深拉過程中，沒有焊縫被用在沖模表面來幫助幫助金屬的流動。但是，由于沖頭拐角處的半徑過小和其復雜的幾何形狀，如圖7顯示的那樣，在沖頭邊緣上部經(jīng)常發(fā)生拉裂，在真實產品的側壁處經(jīng)常發(fā)生起皺。從圖7中可以看出，皺紋發(fā)分布在側壁上，但是在階梯邊緣拐角處最為嚴重，就像圖1（b）中A-D，B-E顯示的那樣。在沖頭的上部邊緣，金屬往往被拉裂，就像圖7所示。
為了進一步的了解沖壓過程中板料的變形，誕生了一種有限元的方法。這種有限元模擬方法被在最初的設計中。部分的模擬形狀如圖8所示。從圖8中可以看出，零件上部邊緣的網(wǎng)眼被拉深，皺紋分布在側壁上，類似真實零件中的那樣。
圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側壁高度的橫截面線條
圖7 產品零件中的拉裂和起皺
圖8 產品拉裂和起皺的模擬形狀
如圖1（b）就像A-B邊緣半徑和沖孔拐角處A的半徑一樣，沖孔的半徑也很小，這被認為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結果，拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實產品中通過增加半徑得到證實。
個別的嘗試也被用來消除起皺。第一，沖壓力加到原來的2倍。但是，就像在拉深帶有錐度的杯子中得到的結果一樣，沖壓力對消除起皺現(xiàn)象沒有起有很大的效果。通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結論。于是我們推測，這種起皺不能通過增加沖壓力來得到抑制。
由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域，往往會因為大量的金屬流動而起皺，一種通過在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡單方法被用來吸收多余的材料。為了多余的金屬能有效的被吸收，掛鉤應該平衡的加在起皺位置?；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。模擬結果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設計中是不允許的。
利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實的產品沖壓過程中是不可能的。對沖壓過程中金屬流動的精密監(jiān)測顯示板料最開始通過沖頭的力按模腔的形狀成形，直到板料接觸到如圖1（b）階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如
圖9 加到側壁的起皺
圖10顯示的那樣。這就為模具設計的改進提供了有價值的信息。
圖10 當板料接觸臺階邊緣的起皺形成
圖11 切除了的臺階拐角
對于起皺的發(fā)生，最初的一個猜想是沖頭拐角處范圍A和階梯拐角處范圍D之間的金屬板料處于不平坦的拉深，就如圖1（b）所示。階梯拐角處被切主要是為了改善拉深條件，這樣就允許通過增加階梯邊緣有更多的拉伸被應用到如圖11所示，從而使得模具設計的改進得到發(fā)展。但是，杯子側壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因為整個沖頭邊緣和整個階梯邊緣的不平坦引起的，不僅僅是沖頭拐角處和階梯拐角處之間的不平坦。為了證實這種說法，兩種改進過了的模具設計被用來實驗：為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作，一種是切去整個階梯，而另一種是增加更多的拉深操作。前一個方法的模擬形狀所圖12所示。自從更低的階梯被切去后，拉深工序與圖12中的矩形杯子拉深工序性很相似。從圖12中可以看出起皺現(xiàn)象已被消除。
在這兩種操作的拉深工序中，板料最初是被拉到很深的階梯處，如圖13（a）所示，然后，較低的階梯在第二步拉深操作中成形，同是，如圖13（b）所示的想象形狀也得到了。從圖13（b）可以清晰的看出，通過兩步拉深工序可以造出沒有起皺的階梯矩形杯子，同時也說明在兩步拉深工序中，如果相應的順序被應用，則更低一些的階梯處的成形是伴隨更深階梯處成形和最深階梯邊緣處成形的最早成形，如圖1(b)中的A-B，因為金屬不容易通過較低的階梯進入模具型腔。
圖12改善模具設計的模擬形狀
圖13 兩個操作步驟中的a第一步操作 b第二步操作
有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設計理想產品的沖壓模具設計是很難完成的。但是，由于額外的模具費用和操作費用，兩個操作的制造費用是很高的。為了保持較低的制造費用，零件的設計師對形狀做出了合適的改變，而且通過有限元模擬分析法結果去切除較低的臺階來改善模具設計，如圖12所示。隨著設計方法的改進，產品真實的沖壓模具被制造出來，而且零件還沒有起皺，如圖14所示。通過有限元模擬分析法得到的零件也沒有起皺。
為了進一步驗證有限元模擬分析法的結果，有限元模擬分析法得到的沿橫截面G-H的厚度分布如圖14所示，這與產品的尺寸做了比較，比較的結果顯示在圖15。從圖15可以看出有限元模擬分析法得到的預想的厚度分布和產品得到的厚度分布是相符合的。這種吻合證實了有限元模擬分析法的效率。
圖14 無缺陷產品零件
圖15 G-H處模擬和測量厚度
5概要和結束語
通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺，而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。
第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側壁上，這種起皺的原因是因為沖模間隙過大（沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距）。當金屬被拉至模腔中，在沖頭和型腔中有一有害的拉深時，大的沖模間隙導致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐，因此大面積區(qū)域不被支撐導致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過增加沖壓力的方法來得到抑制。
另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過程中。起皺往往發(fā)生在臺階以上的側壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設計過程中，通過有限元模擬分析法單獨的嘗試被用來消除起皺，切除了臺階的模具被建立。通過無缺陷的零件證實了這種模具設計方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結果和真實產品中看到的結果相吻合說明了有限元模擬分析法的準確性，還證實了用有限元分析法代替真實的模具制造方法的效力。
感謝
作者希望感謝中國人民共和國民族科學委員會授于NSC-86-2212-E002-028編號才使得這個項目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產品零件。
參考文獻
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4. R.Narayanasamy和R.Sowerby，“當用一種圓錐形的沖模成形時的金屬板料起皺”，材料處理技術雜志，41，pp.275-290，1994.
5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機械和冶金，1993年第二季。
湖南大學衡陽分校課程設計
湖南大學衡陽分校
畢業(yè)設計
課 題 名 稱 鎖殼沖裁模具設計
學 生 姓 名 余 坤
學 號 2003103317
院(系)、專業(yè) 機械系2003級模具三班
指 導 教 師 李良喜
2006年 05 月 25 日
計 算 內 容
說 明
目錄
前言 ………………………………………………………3
第1章 工藝分析工藝方案的確定…………………………10
1.3 零件材料性能分析及工件工藝性分析……………10
1.4 零件工藝性的分析 ………………………………12
1.6 確定工藝方案及模具結構形式……………………14
第2章 工作原理……………………………………………16
第3章 工藝設計及排樣方案…………………………… 17
3.2 確定排樣方式和計算材料利用率……………………19
第4章 工作零件設計…………………………………… 22
第5章 參考資料………………………………………… 30
第6章 總結……………………………………………… 31
計 算 內 容
說 明
前 言
模具在現(xiàn)代生產中，是生產各種工業(yè)產品的重要工藝裝備，他它以其特定的形狀通過一定的方式使原材料成形。例如，沖壓件和鍛件是通過沖壓和鍛造方式使金屬材料在模具內發(fā)生塑性變形而獲得的；金屬壓鑄件、粉末冶金零件以及塑件、陶瓷、橡膠、玻璃等非金屬制件，絕大多數(shù)也是通過模具成形的。由于模具成形具有優(yōu)質、高產、省料、低成本等特點，現(xiàn)已在國民經(jīng)濟各部門，特別是汽車、拖拉機、航空航天、儀器儀表、機械制造、家用電器、石油化工、輕工日用品等工業(yè)部門得到極其廣泛的應用。
現(xiàn)在，模具技術已成為衡量一個國家產品制造水平的重要標志之一，研究和發(fā)展模具技術，對于促進國民經(jīng)濟的發(fā)展有著特別重要的意義。模具工業(yè)能促進工業(yè)產品生產的發(fā)展和質量的提高，并能獲得極大的經(jīng)濟效益，因此引起各個國家的高度重視和贊賞。在日本，模具被譽為“進入富裕社會的原動力”，在德國則冠以“金屬加工業(yè)中的帝王”，在羅馬尼亞視為“模具就是黃金”。因此可以斷言，隨著工業(yè)生產的迅速發(fā)展，模具工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位將日益提高，模具技術也會不斷發(fā)展，并在國民經(jīng)濟發(fā)展過程中發(fā)揮越來越重要的作用。
模具是高科技含量的產品，是專門為工業(yè)生產服務，并用于特定產品生產而被特殊制作的工藝裝備，隨著工業(yè)產品向多樣化發(fā)展，模具生產從形狀、尺寸、數(shù)量、材料、結構、精度、使用條件及壽命等方面，向著多樣化發(fā)展的傾向也日趨明顯。模具基本上是按訂貨合同單件生產，因此，模具產品的多樣性及單件生產的技術特點十分突出。所以，工廠的設計、工藝、工藝裝備和管理等，都要適應這個技術特點。大部分精密復雜模具都需要高精度機床加工，檢測設備要求精密度更高。模具加工技術集中了機械、電子乃至化學和光學等工業(yè)技術的精華。同時，模具對熟練技工的依賴程度遠比其他加工業(yè)要大。因此，技術的先進性及對熟練技巧的依靠性也是模具產品的技術特點。隨著技術的快速發(fā)展，特別是信息技術等高新技術在模具設計制造上的應用日漸廣泛和高新技術對模具提出的要求越來越高，模具的高新技術特點將日益明顯，而對熟練技巧的依靠性將逐步淡化。
計 算 內 容
說 明
作為工業(yè)生產基礎工藝裝備，模具在國民經(jīng)濟中占有重要的地位，模具技術也已成為衡量一個國家產品制造水平的重要標志之一。80年代以來，我國模具工業(yè)發(fā)展十分迅速。國民經(jīng)濟的高速發(fā)展對模具工業(yè)提出了越來越高的要求，也為其發(fā)展提供了巨大的動力。這些年來，中國模具工業(yè)一直以15%左右的增長速度快速發(fā)展。目前，中國17000多個模具生產廠點，從業(yè)人數(shù)約50多萬。1999年中國模具工業(yè)總產值已達245億元人民幣。工業(yè)總產值中企業(yè)自產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%。改革開放以來，中國模具工業(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，其他所有制形式的模具廠家，包括集體企業(yè)、合資企業(yè)、獨資企業(yè)和私營企業(yè)，都得到了快速發(fā)展，集體
和私營的模具企業(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)和私營企業(yè)多達數(shù)千家，成為國內知名的“模具之鄉(xiāng)”和最具發(fā)展活力的地區(qū)之一。在廣東，一些大集團公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，為了提高其產品的市場競爭能力，紛紛加入了對模具制造的投入，例如科龍、美的、康佳和威力等集團都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)多集中于沿海工業(yè)發(fā)達地區(qū)，現(xiàn)已有幾千家。例如，江蘇無錫的微研有限公司為一日本獨資企業(yè)，員工有200余人，擁有精密數(shù)控模具加工設備60余臺，1998年其模具產值超過2億元。
中國模具工業(yè)的技術水平近年來也取得了長足的進步。目前，國內已能生產精度達2微米的精密多工位級進模，工位數(shù)最多已達160個，壽命1～2億次。在大型塑料模具方面，現(xiàn)在已能生產48英寸電視的塑殼模具、6.5Kｇ大容量洗衣機的塑料模具，以及汽車保險杠、整體儀表板等模具。在精密塑料模具方面，國內已能生產照相機塑料模具、多型腔小模數(shù)齒輪模具及塑封模具等。在大型精密復雜壓鑄模方面，國內已能生產自動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模具、鋁合金和塑料門窗異型材擠出模等，也都達到了較高的水平，并可替代進口模具。
雖然中國模具工業(yè)在過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)達國家相比仍有較大的差距。例如，精密加工設備在模具加工設備中的
計 算 內 容
說 明
比重還比較低，CAD/CAE/CAM技術的普及率不高，許多先進的模具技術應用還不夠廣泛等等。特別在大型、精密、復雜和長壽命模具技術上存在明顯差距，這些類型模具的生產能力也不能滿足國內需求，因而需要大量從國外進口。
但是，由于我國的模具行業(yè)起步較晚，與國外相比，仍存在不小的差距，主要體現(xiàn)在：
產需矛盾：隨著工業(yè)發(fā)展水平的不斷提高，工業(yè)產品更新速度的加快，對模具的需求越來越大。無論是數(shù)量還是質量都無法滿足國內市場的需要，只達到70％左右。造成矛盾突出的原因是模具企業(yè)的專業(yè)化、標準化程度低，生產周期長。另外，設計和制造工藝水平還不能完全適應發(fā)展的需要。
企業(yè)結構不合理：我國很多模具生產能力集中在各主機廠的模具分廠或車間內，模具的商品化程度低，而國外70％以上都是專業(yè)模具廠，且走的是“小而精”的道路，因此生產效率和經(jīng)濟效益俱佳。
產品水平 ：衡量模具的產品水平，主要有模具加工的制造精度和表面粗糙度，加工模具的復雜程度，以及模具的制造周期和使用壽命。而這幾項指標與國外相比的差距都十分明顯。
此外，模具工業(yè)的整體裝備水平也存在相對落后，利用率低的現(xiàn)象。高素質的模具技術人才缺乏，產品的綜合開發(fā)能力還急需加強。
針對不足和模具市場巨大的潛力，根據(jù)我國模具工業(yè)的現(xiàn)狀，并聯(lián)系國際先進水平，中國模具工業(yè)協(xié)會協(xié)助政府制定了我國模具行業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃，確定模具工業(yè)重點發(fā)展領域有三方面：一是對整個模具行業(yè)發(fā)展有重要影響的主要模具標準件；二是技術含量高，反映模具制造水平和發(fā)展方向的模具；三是目前大量進口的中高檔模具。重點發(fā)展的模具產品主要有：模架，包括冷沖模架、塑料模架和壓鑄模架等；模具導向件，包括導柱、導套、導板及無油潤滑
說明
計 算 內 容
說 明
導向件等；推桿、推管，包括塑料模用及壓鑄模用的異型推桿等；熱流道元件，包括內熱式、外熱式、閥式和管式等；彈性元件，包括矩形彈簧、聚氨酯彈性體和氮氣缸等；小型標準件，包括標準凸凹模、澆口套、定位圈和拉鉤等；汽車覆蓋件模具，特別是轎車所需的覆蓋件模；精密沖壓模，包括多工位級進模、厚板精沖模和硬質合金多功能復合模等；大型塑料模，包括汽車飾件模和家電塑殼模等；精密塑料模，包括塑封模和多層多腔、多材質、多色精密塑料模；大型薄壁精密復雜壓鑄模，包括用于鋁、鎂、鋅、銅及其合金壓鑄的模具；大型、精密鍛模；子午線輪胎橡膠模；長壽命玻璃、陶瓷模；快速經(jīng)濟模具；多工位冷鐓模及擠壓模；塑料型材及塑料管路模具。希望在模具企業(yè)的整體實力有進一步提升，重點、骨干企業(yè)可以達到50%。2003年是“十五”關鍵的一年，如果做不到60%任務的完成，那么計劃就會失敗，而模具失敗了，對整個工業(yè)都會有影響。
近年來，外企進入中國, 加劇了競爭，也出現(xiàn)一些價格方面的惡性競爭。為了避免因為暫時的利益而損失長遠和整體的發(fā)展，未來一年中，行業(yè)協(xié)會也將加強模具企業(yè)間的組織和協(xié)調，制定合理的價格水平。同時，研究國際模具價格水平，以對行業(yè)進行指導和信息溝通。
在中國，人們已經(jīng)越來越認識到模具在制造中的重要基礎地位，認識到模具技術水平的高低，已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標志，并在很大程度上決定著產品質量、效益和新產品的開發(fā)能力。
???
許多模具企業(yè)十分重視技術發(fā)展，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。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)。目前，從事模具技術研究的機構和院校已達30余家，從事模具技術教育的培訓的院校已超過50余家。其中，獲得國家重點資助建設的有華中理工大學模具技術國家重點實驗室，上海交通大學CAD國家工程研究中心、北京機電研究所精沖技術國家工程研究中心和鄭州工業(yè)大學橡塑模具國家工程
計 算 內 容
說 明
研究中心等。經(jīng)過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術、模具的電加工和數(shù)控加工技術、快速成型與快速制模技術、新型模具材料等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。
???
(1)沖模技術
??? 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部分轎車覆蓋件模具。在設計制造方法和技術手段方面不斷改善，在轎車模具國產化方面邁出了可喜的步伐。
??? 多工位級進模和多功能模具是我國重點發(fā)展的精密模具品種。目前，國內已
可制造具有自動沖切、疊壓、鉚合、計數(shù)、分組、轉子鐵芯扭斜和安全保護等功能的鐵芯精密自動疊片多功能模具。生產的電機定轉子雙回轉疊片硬質合金級進模的步距精度可達20μm，壽命達到1億次以上。其他的多工位級進模，如用于集成電路引線框架的20～30工位的級進模，用于電子槍零件的硬質合金級進模和空調器散熱片的級進模，也已達到較高的水平。
???
(2)塑料模具技術
??? 近年來，塑料模具發(fā)展很快，在國內模具工業(yè)產值中塑料模具所占比例不斷擴大。電視機、空調、洗衣機等家用電器所需的塑料模具基本上可立足于國內生產。重量達10～20噸的汽車保險杠和整體儀表板等塑料模具和多達600腔的塑封模具已可自行生產。在精度方面，塑料尺寸精度可達IT6-7級，型面的粗糙度達到Ra0.05-0.025μm，塑料模使用壽命達100萬次以上。
??? 在塑料模具的設計制造中，CAD/CAM技術得到較快的普及，CAE軟件已經(jīng)在部分廠家應用。熱流道技術得到廣泛應用，氣輔注射技術和高效多色注射技術也開始成功應用。
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說 明
(3)CAD/CAE/CAM技術
??? 目前，國內模具企業(yè)中已有相當多的廠家普及了計算機繪圖，并陸續(xù)引進了高檔CAD/CAE/CAM，UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等著名軟件在中國模具工業(yè)應用已相當廣泛。一些廠家還引進了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE軟件，并成功應用于塑料模、沖壓模和壓鑄模的設計中。
近年來，我國自主開發(fā)CAD/CAE/CAM系統(tǒng)有很大發(fā)展。例如，華中理工大學模具技術國家重點實驗室開發(fā)的注塑模、汽車覆蓋件模具和級進模CAD/CAE/CAM軟件，上海交通大學模具CAD國家工程研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖模CAD軟件，北京機電研究所開發(fā)的鍛模CAD/CAE/CAM軟件，北航華正軟件工程研究所開發(fā)CAXA軟件，吉林汽車覆蓋件成型技術所獨立研制的商品化覆蓋件沖壓成型分析KMAS軟件等在國內模具行業(yè)擁有不少的用戶。
???
(4)快速成形/快速制模技術
??? 快速成形/快速制模技術在我國得到重視和發(fā)展，許多研究機構致力于這方面的研究開發(fā)，并不斷取得新成果。清華大學、華中理工大學、西安交通大學和隆源自動成形系統(tǒng)公司等單位都自主研究開發(fā)了快速成形技術與設備，生產出分層物體(LOM)、立體光固化(SLA)、熔融沉積(FDM)和選擇性燒結(SLS)等類型的快速成形設備。這些設備已在國內應用于新產品開發(fā)、精密鑄造和快速制模等方面。 快速制模技術也在國內多家單位開展研究，目前研究較多的有電弧噴涂成形模具技術和等離子噴涂制模技術。中、低熔點合金模和樹脂沖壓模制造技術已獲得成功應用，硅橡膠模也應用于新產品的開發(fā)中。
???
(5)其他相關技術
??? 近年來，國內一些鋼鐵企業(yè)相繼引進和裝備了一些先進的工藝設備，使模具鋼的品種規(guī)格和質量都有較大的改善。在模具制造中已較廣泛地采用新的鋼材，如冷作模具鋼D2、D3、A1、A2、LD、65Nb等；熱作模具鋼H10、H13、H21、4Cr5MoVSi、45Cr2NiMoVSi等；塑料模具鋼P20、3Cr2Mo、PMS、SMI、SMII等。
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說 明
這些模具材料的應用在提高質量和使用壽命方面取得了較好的效果。 國內一些單位對多種模具拋光方法開展研究，并開發(fā)出專用拋光工具和機械?；y蝕刻技術和工藝水平提高較快，在模具飾紋的制作中廣泛應用。
??? 高速銑削加工是近年來發(fā)展很快的模具加工技術。國內已有一些公司引進了高速銑床，并開始應用。國內機床廠陸續(xù)開發(fā)出一些準高速的銑床，并正開發(fā)高速加工機床。但是，高速銑削的應用面在國內尚不廣泛。
雖然我國的模具工業(yè)和技術在過去的十多年得到了快速發(fā)展，但與國外工業(yè)發(fā)達國家相比仍存在較大差距，尚不能完全滿足國民經(jīng)濟高速發(fā)展的需求。
未來的十年，中國模具工業(yè)和技術的主要發(fā)展方向包括：
??? ①提高大型、精密、復雜、長壽命模具的設計制造水平；
??? ②在模具設計制造中廣泛應用CAD/CAE/CAM技術；
??? ③大力發(fā)展快速制造成形和快速制造模具技術；
??? ④在塑料模具中推廣應用熱流道技術、氣輔注射成型和高壓注射成型技術；⑤提高模具標準化水平和模具標準件的使用率；
??? ⑥發(fā)展優(yōu)質模具材料和先進的表面處理技術；
??? ⑦逐步推廣高速銑削在模具加工的應用；
??? ⑧進一步研究開發(fā)模具的拋光技術和設備；
??? ⑨研究和應用模具的高速測量技術與逆向工程；
??? ⑩開發(fā)新的成形工藝和模具。
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說 明
第1章 工藝分析
一 沖裁件的工藝性分析
沖裁件的工藝性是指從沖壓工藝方面來衡量其設計是否合理。一般的講，在滿足使用的要求的條件下，能以最簡單最經(jīng)濟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。工藝性的好壞是相對的，它直接受到工廠的沖壓技術的水平和設備條件等因素的影響。
二 綜合技術經(jīng)濟效益觀念
改革開放以前，我國企業(yè)，特別是在軍工生產中，只要產品，不講經(jīng)濟效益是很普通的。那時，模具技術工作者在確定工藝方案，設計模具時，主要考慮的是滿足產品質量和數(shù)量的要求，很少考慮經(jīng)濟效益。今天，在現(xiàn)代工業(yè)生產與市場經(jīng)濟的條件下，常常需要他們參與對生產的預測與決策。因此，必須具有現(xiàn)代技術經(jīng)濟效益觀念。在工藝設計過程中，還應考慮節(jié)省能源、減少材料消耗、降低生產成本，實施安全生產，保證獲得利潤等等。在保證產品質量的條件下，充分發(fā)揮企業(yè)技術與設備的優(yōu)勢，爭取獲得最佳技術經(jīng)濟效益。
三 零件材料性能分析及工件工藝性分析(1.3)
（一）該產品的基本工序為落料、沖孔。
（二）它對零件尺寸公差特殊要求，采用IT12級，利用普通加工方式可達到圖樣要求。
（三）零件材料性能分析
鎖殼零件圖如下：
冷沖壓模具包括沖裁、彎曲、拉深、成形等各種單工序模和由這些基本工序組成的復合模、級進模等各種模具。設計這些模具時，首先要了解被加工材料的力學性能。材料的力學性能是進行模具設計時各種計算的主要依據(jù)。故在分析零件沖壓成形工藝，設計沖壓模具前，必須要了解和掌握材料的一些力學性能，以便設計?，F(xiàn)將摩擦片零件材料為10號鋼的力學性能主要參數(shù)及其概念敘述如下：
1）應力：材料單位面積上所受的內力，單位是N/mm，用Pa表示。10Pa=1MPa；
1MPa = 1N/mm；10Pa = 1GPa。
2）屈服點σs。材料開始產生塑性變形時的應力值，單位是N/mm。彎曲、拉深、成形等工序中，材料都是在達到屈服強度時進行塑性變形而完成該工序的成形的。經(jīng)查表取σs = 206 MPa。
3）抗拉強度σb。材料受到拉深作用，開始產生斷裂時的應力值，單位是MPa。σb = 294～432MPa。
4）抗剪強度τb。材料受到剪切作用，開始產生斷裂時的應力值，單位是MPa。取τb = 255～333MPa。
5）彈性模量E。材料在彈性范圍內，表示受力與變形的指標，彈性模量大，表示材料受力后變形較小，或者說，產生一定的變形需要較大的力。E = 194 x
10MPa。
6）屈服比σs/σb。是材料的屈服強度與抗拉強度之比，其值越小，表示材料允許的塑性變形區(qū)越大，在拉深工序中，材料的屈服比較小時，所需的壓邊力和所需克服的摩擦力相應的減小，有利于提高成形極限。
7）伸長率δ。在材料性能實驗時，試件由拉伸試驗機拉斷后，對接起來測量長度，其伸長量與原長度之比稱為伸長率，其數(shù)值用“％”表示，其數(shù)值越大表示材料的塑性越好。經(jīng)查表可得，材料為10號鋼的伸長率δ=29％。
綜上所述，對鎖殼零件材料10號鋼的力學性能分析，主要是為了便于模具設計中各參數(shù)的計算，故在后序的模具設計中各參數(shù)的計算均以上面所取的數(shù)值進行計算。
（四）零件工藝性的分析
該零件為鎖殼，結構簡單，對稱，是典型的拉深件。在拉深過程中要注意控制拉深程度，加工時，根據(jù)零件的結構，形狀等一些技術要求，應考慮以下幾點：
1）拉深件圓角半徑：拉深件的圓角半徑要適合，應盡量大些，以便于成形和減少拉深次數(shù)，避免在拉深過程中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象即拉裂。拉深件底與壁的圓角半徑應滿足r1≥t。而在此設計中圓角半徑R3＞t，故滿足設計要求。
2）考慮拉深件厚度不均勻的現(xiàn)象：在拉深過程中，一般為不變薄拉深，從理論分析上說是不符合的，在拉深過程中壁厚應有少量的變化，如果在拉深件精度要求不高時，一般可以忽略不計，而在此設計當中我們應該考慮壁厚不均勻現(xiàn)象問題，加工出符合圖樣要求的零件。
3）拉深見的孔位布置：根據(jù)示圖所示，該零件的孔位布置合理，處于中心部位。在沖孔時，要注意孔與拉深件的同心度的問題，孔到拉深底部邊緣的距離d≤d1-2r1-t。
根據(jù)零件圖，初步分析可以知道鎖殼零件的沖壓成形需要多道工序才能完成，首先進行一次正拉深，形成外形尺寸形狀。其次進行反拉深。底部還要沖小孔。
綜上所述，鎖殼由平板毛坯沖壓成形應包括的基本工序有：(1) 落料+拉深 (2)修邊 (3) 沖孔 (4)翻邊. 由于是多道工序，多套模具成形，還要特別注意各工序間的定位。
（五）重視模具材料和結構的選擇，保證有一定的模具壽命。
工藝毛坯的極限偏差：
尺寸 凸模偏差 凹模偏差
58 -0.020 +0.030
88 -0.025 +0.025
參考《沖壓工藝與模具設計》。北京：機械工業(yè)出版社，2000.5
P45,46
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說 明
(六) 確定工藝方案及模具結構形式
根據(jù)制件工藝分析，其基本工序有:落料沖孔。完成鎖殼的設計,根據(jù)所需基本工序可,得到如下幾種方案:
方案一
1） 落料
2） 拉深
3） 修邊
4） 沖孔φ2
5） 沖φ11.8的翻邊孔1個
6） 翻邊
7） 沖φ6的孔2個
8） 沖不規(guī)則形狀的孔1個
方案二
1） 落料+拉深
2） 沖φ11的孔φ2個及不規(guī)則形狀的孔1個
3） 翻邊
4） 修邊
5） 沖側孔
方案三
1） 落料+拉深+非翻邊孔+沖φ2孔
2） 翻邊
3） 修邊
4） 沖φ11孔
5） 沖側孔
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說 明
綜合以上三種方案，方案一最合理。采用三種模具即可解決一些問題，第一種是方案,工藝好,精度高;第二種方案，是先沖孔后翻邊,會造成尺寸偏差,精度減低.第三種方案會造成尺寸偏差,精度減低，工序不易操作.故選擇的是方案一。
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說 明
第2章 工作原理
首先由壓力機帶動模柄，模柄再帶動上模座下行，上模座帶著凸凹模下行，凸凹模與落料凹模完成落料的動作，凸凹模繼續(xù)下行，拉深凹將條料拉入凸凹模，完成拉深動作過程，再由頂桿帶動壓邊圈拉制件頂出。
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說明
第3章 工藝計算及排樣方案
1、尺寸的確定
已知b1=88 b=58 t=1.2 r底=6 r1=3.8 r2=7.3 h0=28
r1/b=3.8/58=0.066
h0/b=28/58=0.483
由圖4—72查得該件屬 區(qū)的低矩形件，又根據(jù)t/bx100=1.2/58x100=2.172 ，可按表4—33所得的第一種方法計算。
1） 選取修邊余量h，確定矩形件的計算高度。
當h0/r1=28/3.8=7.368
Δh=0.5h0/r1=0.5x7.368=3.684(mm)
h=h0+Δh=28+3.684=31.684(mm)
2） 假想毛坯尺寸直徑。
D=1.13
=112.418mm
3） 毛坯長度
r=D+(b1-b)=112.418+(88-58)=142.418(mm)
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說 明
4） 毛坯寬度
K=D-(b-2r1)+【b-2x（h-0.43xr底）】（b1-b）/（b1-2r）
=112.418x(58-2x3.8)+【58+2x（31.684-0.43X6）】（88-58）/（88-2x3.8）
=113.832mm
5） 毛坯直徑
R=0.5K=0.5x113.832=56.916(mm)
圓整毛坯直徑為11.25mm。毛坯長度為142.5mm,毛坯寬度為114mm。毛坯半徑為57mm。
6） 毛坯尺寸如下圖示：
由h0/b=28/58=0.483<0.7~0.8
這屬于低盒件拉深。
M=r/R=3.8/57=0.067
毛坯相對厚度t/bx100=1.2/58x100=2.1
查表相4-27得
m1=0.050
m>m1
所以屬于一次拉深成形。
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說 明
2、確定排樣方式和計算材料利用率。
（2.1）排樣類型與排樣方法
（一）排樣的目的與作用
沖裁件在板料、條料或帶料上的布置方法稱為排樣法，簡稱排樣。排樣的結果要畫出排樣圖。排樣是否合理，直接影響到材料利用率，零件質量，生產率，模具結構與壽命及生產操作方式與安全。因此，在沖壓工藝和模具設計中，排樣是一項極為重要的，技術性很強的工作。
（二）排樣的基本類型
按材料的經(jīng)濟利用程度或廢料的多少，排樣可分為有廢料排樣與少，無廢料排樣兩大類。按零件在條料上的布置形式，排樣又可分為直排、對排、對頭斜排、多排、混合排等形式。
1．有廢料排樣 落料時沖裁輪廓是封閉的，在工件與工件之間以及工件與條料側邊之間，都留出了作為剪切支撐面的工藝余料，簡稱搭邊。搭邊就是廢料，從降低材料消耗考慮，希望搭邊小些。但搭邊值太小，支撐面剛度不足，將使工件質量變壞、模具壽命降低。
有廢料排樣有如下幾種形式：
（1）直排 排樣時，優(yōu)先選用直排，因為直排的模具最簡單。但對于三角形、角尺形等工件，采用直排會造成較大的材料浪費，可考慮選取斜排或對排。
（2）斜排 斜排將使制模工作量增大，可達15%。因此，如果節(jié)省材料不超過5%，采用斜排的意義不是很大的。
（3）對排 選取對排省料幅度較大，比直排省料可達30%~50%。但需注意如下問題：如果采取送一次料沖一件的方案，即用單凸模，模具結構與直排時基本相同，模具費也相差不大，但只適用與條料，不能卷料，因為在沖完一次后，需要調頭沖另一行。沖另一行時，條料的剛度很差，給送料造成困難，有時根本無法送料，操作者普通不愿意采用這種方案。因此，只有在生產量不大，且調頭沖時能保證足夠的剛度時才可考慮采用此方案。如果采取一次沖兩件的方案，即用雙凸模，則模具結構復雜了，模具長度增大了，因而模具費用也增加了?？梢酝ㄟ^盈虧平衡點，對各方案進行比較，并作出選擇。
（4）多排 采用多排是為了省料，但省料有限。對于圓形件，采用單排、雙排、三排的材料利用率分別78%、84%、86%。采用四排以上時，每增加一排，材料利用率提高不到2%。然而，增加排數(shù)，將使模具復雜化，由于受到凹模強度的限制，相鄰兩件上不允許同時沖出的，必須設置空工位，結果使模具沿送料方向增長長度，造成模具費用增加。所以，只有在大量生產圓形小件，并且材料較貴重（主要是各種銅板）時，才能考慮采用多排。
（5）混合排 如果將一種零件落料后的廢料作為另一種工件的原材料，當然也可以提高材料的利用率。但這種排樣對于小型件既不方便又不安全。
2．少廢料與無廢料排樣 就是使一個工件落料形狀的一邊或數(shù)個邊成為另一工件的邊緣，取消了工件之間的搭邊，成為少廢料排樣。如果條料的邊緣能作為工件的邊緣，則可以完全取消搭邊而成為無廢料排樣。少廢料和無廢料排樣，沖裁輪廓都是非封閉的。能進行少廢料和無廢料排樣的工件是不多見的，常常需要對工件的形狀作些修改才能實現(xiàn)。顯然，這種排樣材料的利用率是很高的。但這種排樣也存在缺點，突出的一個問題是一個工件上的毛刺和塌角可
能處在不同的板的平面上，而毛刺和塌角在相反的方向上工件，在使用上常常是不允許的，選用時要特別注意。另一個缺點是工件尺寸不容易準確，因為一個工件的輪廓形狀可能分幾次才沖出，由于定位誤差較大，沖出的工件尺寸和形狀就不如沖封閉輪廓的落料精確。但由于它具有省料的突出優(yōu)點，在工件尺寸精度要求不高時，特別是大量生產時，還是應該優(yōu)先考慮的。
(2.2) 排樣設計
上圖的毛坯形狀和尺寸較大，為便于手工送料，選用單排沖壓，有兩種排樣方式如圖示。
經(jīng)過分析計算：（a）的排樣方式，材料利用率最高。
3、搭邊值的確定
由于工藝所采用的送料方式為手工送料，且為非圖形，查表2-17得
a=2.5mm a1=2mm
4、沖壓設備的選擇，
由于本套模具為落料拉伸模，計算參數(shù)如下：
1） 落料力
F落=1.3Lτz
將t=1.2mm及08鋼材料的搞剪強度τ=260Mpa代入上式，得
參考《沖壓工藝與模具設計》。北京：機械工業(yè)出版社，2000.5
P55
計 算 內 容
說 明
F推=1x122849.99x0.035
=4299.750N
F總=F落+F推=127149.74N
根據(jù)壓力，可選用160的開式雙柱可傾壓力機。
根據(jù)資料得其主要參數(shù)及大小如下：
最大沖壓力 160KN
滑塊行程 70mm
滑塊行程次數(shù) 120次/min
最大封閉高度 220mm
封閉高度調節(jié)量 45mm
工作臺尺寸 300mmx450mm
模柄尺寸 直徑40x60
5、落料拉深先后的確定
F0=127149.7 4
拉深力
F拉=(2b1+2b-1.72r)tδbk4
查表4-23得k4=0.7
δb=420Mpa代入公式得
F拉=(2x88+2x58-1.72x6)x1.2x420x0.7
=104376.704
所以F總>F拉
所以本復合模為先沖裁后拉深
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說 明
第4章 工作零件設計
1凹模的設計
1） 模的材料選Cr12，凹模是在強壓連續(xù)使用和有很大沖壓力的條件下工作臺的，且伴有溫度的升高，工作條件惡劣，要求凹模材料有好的耐磨性，耐沖擊性，淬透性和切耐性。
2） 凹模的硬度要求較高，一般應進行淬為熱處理，使其硬度達到期HRC58-62。
3） 凹模設計的結構如下圖所示：
4）刃口尺寸的確定
由表尺寸2-23表得
Zmax=0.180
Zmin=0.126
Zmax-Zmin=0.180-0.126=0.054
根據(jù)表2-32表得
A凹=（A-xΔ）+0δ凹
計 算 內 容
說 明
根據(jù)表2-30得
x=0.75 Δ=0.4
則： A凹1=（58-0.75x0.4） 0+0.030=57.70+0.030
A凹2=（88-0.75x0.4）+00.035=87.70+0.035
5）、強度的校核
凹模強度校核主要是栓查高度h，因為凹模下面的模座或墊板一的洞口較凹模洞口大，合凹模工作時彎曲，若凹高度不夠便會產生彎曲變形，以致?lián)p壞。
查表2-45得
δ彎=1.5F/h2【δ彎】
h最小=
凹模厚度 H=K6
查表2-24得K=0 .2
H=142.5x0.2=28.5mm
考慮到工件及凸凹模的影響取取H=0.32mm
【δ彎】=490Mpa
δ彎=1.5X122849.99/322=179.956Mpa<【δ彎】
經(jīng)校核，凹模強度足夠。
2、凸模的設計
1） 凸模的材料為Cr12mov
2） 凸模硬度要求低于凹模硬度，但其硬度還是較高的，要經(jīng)過回火的熱處理方法，使其硬度達到HRC56-60。
該凸模為拉深模具，且凸模的長度，寬度應根據(jù)拉深件具體結構確定。
計 算 內 容
說 明
3） 圓角半徑 rp
rd=8t
rp=（0.6~1）rd
4） 所以該凸模圓角半徑rp為
rp=0.6x8t
=0.6x8x1.2
=6mm
5） 凸模刃口的尺寸
B凸=（B-XΔ-Z）0-δP
查表2-30得
x=0.75 Δ=0.4 Z=（1.0~1.1）t
B凸1=（58-0.75x0.4-1.2x2）0-0.020
B凸2=（88-0.75x0.4-1.2x2）0-0.025
=85.30-0.025
6） 拉深凸模出氣口的尺寸
查表4-35得：
通孔直徑d
d=6.5mm
7） 凸模強度校核
δp=F/A≤【δp】
沖裁時，凸模承受的壓力，必須小于凸模材料強度允許的壓應力【δp】
δp=F/A122849.99/55.3x85.3=260Mpa
δp≤【δp】=980~1569
所以凸模強度足夠。
計 算 內 容
說 明
3凸凹模具的設計
1） 材料選用Cr12。
2） 熱處理硬度達到HRC58-62，尾部回火HRC40-45。
3） 凸凹模的尺寸如圖所示：
凸凹模的最小壁厚一般由經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定，倒裝復合凸凹模最小壁厚：對于黑色金屬和硬材料約為工件的料厚的1.5倍，但不小于0.7mm；對于有色金屬用軟材料約等于工件壁厚，但不小于0.5mm正裝復合模凸凹模的最小可參考表2-27
t=1.2
最小壁厚 3.2
最小直徑 18
計 算 內 容
說 明
4、卸料板的設計
1） 材料為45號鋼。
2） 裝置形式如下圖所示。
5、打桿的長度
考慮到墊板的高度是10mm，推板的高度是12mm，模柄的尺寸是40 x100。螺母的寬度為8mm。且需2個螺母，還需留一定的余量。所以打桿的長度
L=10+12+100+2x8+10
=148mm
計 算 內 容
說 明
6、壓邊裝置的設計
在拉深過程中，壓邊圈的作用是用來防止工件邊壁或凸緣起皺的。隨著拉深增加還需要減少的壓邊力應減少。
t/D=1.2/112.418=1.1% m1=0.050
查表4-11 t/D<1.5% m1≤0.60
應采用壓邊圈裝置。
壓邊力Fy=AP
查表4-27得
P=2.5-3MPa
根據(jù)設計時壓邊圈的面積為：
A=πR2+30x114=πx572+3420=13627(mm2)
Fy=22.5x13627=34067.5N
一般情況下采用彈簧墊或橡皮墊，本設計選擇橡皮墊。采用平面壓邊圈，一般拉深模中采用平面壓邊圈。
7、頂桿的長度
頂桿的長度取決于工件的高度，在保證制件頂出的情況下，頂桿的長度為：
L=32+45+10=87mm
取L=90mm
8、橡皮墊的設計
1）、選用的原則
為保證橡皮不致于過早失去彈性損壞，其允許最大壓縮量應不超過其自由高度的45%
一般取h總=（0.35-0.45）h自由
故工作行程
h工作= h總- h預=（0.25-0.30）h自由
2)橡皮高度
h自由=h工作/0.25-0.30
計 算 內 容
說 明
3)橡皮的結構形式如下圖：
D=
=132mm
根據(jù)工件的厚度1.2mm，拉深時凸模進入凸凹模深度為35mm，考慮模具維修時刃磨留量2mm，則總的工作行程。
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說 明
H工作=1.2+35+2=38.2mm
H自由=38.2/0.25-0.30=127.3~152.8mm
取自由高度為150
h預期=(10%~15%)h自由
=15~22.5mm
取h預=22mm
模具中橡皮高度為128mm
9、模具的選擇
根據(jù)制件的毛坯尺寸可選凹模周界為250mm，B為125mm，H為160~220mm，的后側導柱模深
根據(jù)模架可知
上模座 250X125X40 GB2855.5-81
下模座 250X125X45 GB2855.6-81
導柱 28X150 GB2861.1-81
導套 28X100X38 GB2861.6-81
計 算 內 容
說 明
第5章 參 考 資 料
1肖景容 姜奎華編的《沖壓工藝學》北京：機械加工出版社會性 1999。
2王孝培主編《沖壓手冊》第二版 北京 機械工業(yè)出版社。
3王芳主編《冷沖壓模具設計手冊》 北京 機械工業(yè)出版社。
4 黃毅宏、李明輝主編模具制造工藝.北京：機械工業(yè)出版社，1999.6
5 李紹林，馬長福主編.實用模具技術手冊.上海：上海科學技術文獻出版社，2000.6
6 華北航天工業(yè)學院，鐘 斌主編《沖壓工藝與模具設計》。北京：機械工業(yè)出版社，2000.5
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說 明
第6章 總結
畢業(yè)設計是每位大學生畢業(yè)之前必經(jīng)之路， 經(jīng)過了此次畢業(yè)設計，我初步了解了設計模具的各道工序，清楚了模具的各個結構，了解了各個設計過程中的重要環(huán)節(jié)，具備了一定的設計能力，學到了真正的實踐知識，但這還不夠，在以后的工作中，還要繼續(xù)努力的為中國的模具設計與制造水平上升而努力。
這次畢業(yè)設計可以說是大學三年所學之結晶，在此，我真誠的感謝老師們三年來對我的教誨。
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