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沖壓模具設(shè)計中側(cè)壁起皺的分析
F.-k. Chen and Y.-C. Liao
臺灣 臺北市國立臺灣大學機械工程部門
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(cè)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(jié)果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實際部分。在側(cè)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(shè)計方法就是利用有限元分析法。在無起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實測結(jié)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(shè)計沖模的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：側(cè)壁起皺；沖模；階梯的矩形杯子；帶有錐度的主形杯子
1． 介紹
起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因，在產(chǎn)品中起皺往往不能被接受。在金屬板料成形過程中，有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生：邊緣起皺，側(cè)壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個復(fù)雜形狀零件的操作時，側(cè)壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側(cè)壁區(qū)域的金屬板料相對于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質(zhì)量，側(cè)壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯，在未被加固的側(cè)壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺，而且在實際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會通過裂痕導(dǎo)致失敗。因此，沖壓力必須處于一個狹小的范圍，一方面，要高于抑制起皺的力，另一方面，要低于產(chǎn)生破裂的力。沖壓力的狹小范圍很難計算。對于沖壓一個復(fù)雜形狀的零件，當起皺發(fā)生在中心區(qū)域時，有意義的沖壓力范圍甚至不存在。
為了檢查起皺的形成結(jié)構(gòu)，Yoshida et al.發(fā)明了一種測試，在這種測試里，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(cè)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(jié)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(guān)聯(lián)的起皺問題上，例如：一個圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動態(tài)軟件和有限元方法的成功運用使得分析包括在沖壓一個復(fù)雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當前的研究中，三維有限元分析法被用來分析在沖壓一個帶有階梯的矩形部分的過程中，產(chǎn)生起皺的金屬流動制造參數(shù)上。
一個帶有階梯的方形杯子，在杯子的每一邊都有一個傾斜的側(cè)壁，在帶有錐度的杯子也相應(yīng)的存在傾斜的側(cè)壁。在沖壓過程中，側(cè)壁上的金屬板料相對沒被支撐，因此，這個部位更容易起皺。在當前的研究中，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(shè)計來減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測一個實際產(chǎn)品成形時，通過有限元分析法得到的模具設(shè)計方法得到證實。
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(shè)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(chǎn)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(yīng)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(gòu)造網(wǎng)眼。圖2顯示工具的完整布置的網(wǎng)眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對稱條件，方形杯子的四分之一被分析。在模擬中，板形壞料放在壓力機上，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(yīng)力應(yīng)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(zhuǎn)方向到45度的旋轉(zhuǎn)方向，再到90度的旋轉(zhuǎn)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(yīng)變通常用來模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓，就如圖3顯示的那樣。
當前研究中所有的模擬利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。為了完成模似所需輸入數(shù)據(jù)的設(shè)置，沖頭的速度一般設(shè)置在10m/s，庫侖摩擦系數(shù)設(shè)置在0.1。
圖3 金屬板料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
3 錐度方形杯中的起皺
正像圖1a顯示的那樣，草圖暗示著一些有關(guān)錐度方形杯子的尺寸，方形沖頭每一面的長度（2WP）、模腔的尺寸（2Wd）和高度(H)被認為是影響起皺的至關(guān)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(guān)的在側(cè)壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對于沖壓一個錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。
3.1沖模間隙的影響
為了檢查沖模間隙對起皺的影響，在沖壓一個錐度方形杯子時，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。
圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子
模擬結(jié)果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象，沖模間隙為50mm沖壓出來的杯子模擬形狀如圖4。從圖4中可以看出，起皺分布在側(cè)壁，側(cè)壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側(cè)壁有大面積區(qū)域不被支撐，同樣，由于沖模間隙不一樣，沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大，在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來越不牢固。在壓縮下，側(cè)壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來的產(chǎn)品，兩個主要的應(yīng)變比率β被介紹，β=εmin/εmax，這里的εmin和εmax分別是主要的和次要的應(yīng)變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實際值比β的評論值大，假設(shè)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(cè)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(cè)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(cè)壁處發(fā)生起皺的可能性。
3.2沖壓力的影響
眾所周知，在沖壓過程中，增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響，沖模間隙為50mm與起皺是有關(guān)聯(lián)的，用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個力分別產(chǎn)生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分，剩下的模擬條件與給定的是一樣的。處于中間的300KN也被用來模擬。
模擬結(jié)果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側(cè)壁的起皺。在圖4中已標出沿著橫截面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標出的那樣，側(cè)壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出，兩個外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因為起皺的原因主要是由于在有橫向壓力存在的側(cè)壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。
圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值
4階梯矩形杯子
在沖壓一個階梯矩形杯子時，起皺發(fā)生在側(cè)壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側(cè)壁C沿臺階D-E而行。在近期的研究中，在一個實際的產(chǎn)品中檢查到了這種幾何形狀。這種產(chǎn)品使用的原材料的厚度是0.7mm，從拉力測試中獲得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。
這種沖壓部分產(chǎn)品的程序包括通過清理焊縫的深拉。在這種深拉過程中，沒有焊縫被用在沖模表面來幫助幫助金屬的流動。但是，由于沖頭拐角處的半徑過小和其復(fù)雜的幾何形狀，如圖7顯示的那樣，在沖頭邊緣上部經(jīng)常發(fā)生拉裂，在真實產(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(shè)計中。部分的模擬形狀如圖8所示。從圖8中可以看出，零件上部邊緣的網(wǎng)眼被拉深，皺紋分布在側(cè)壁上，類似真實零件中的那樣。
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，這被認為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實產(chǎn)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(jié)果一樣，沖壓力對消除起皺現(xiàn)象沒有起有很大的效果。通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結(jié)論。于是我們推測，這種起皺不能通過增加沖壓力來得到抑制。
由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域，往往會因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(yīng)該平衡的加在起皺位置。基于這種理念，兩個掛鉤被加在鄰近在壁上吸收多余的材料，如圖9如示。模擬結(jié)果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設(shè)計中是不允許的。
利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實的產(chǎn)品沖壓過程中是不可能的。對沖壓過程中金屬流動的精密監(jiān)測顯示板料最開始通過沖頭的力按模腔的形狀成形，直到板料接觸到如圖1（b）階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如
圖9 加到側(cè)壁的起皺
圖10顯示的那樣。這就為模具設(shè)計的改進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(yīng)用到如圖11所示，從而使得模具設(shè)計的改進得到發(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(shè)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(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(shè)計的模擬形狀
圖13 兩個操作步驟中的a第一步操作 b第二步操作
有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設(shè)計理想產(chǎn)品的沖壓模具設(shè)計是很難完成的。但是，由于額外的模具費用和操作費用，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(shè)計師對形狀做出了合適的改變，而且通過有限元模擬分析法結(jié)果去切除較低的臺階來改善模具設(shè)計，如圖12所示。隨著設(shè)計方法的改進，產(chǎn)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(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。這種吻合證實了有限元模擬分析法的效率。
圖14 無缺陷產(chǎn)品零件
圖15 G-H處模擬和測量厚度
5概要和結(jié)束語
通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺，而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。
第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側(cè)壁上，這種起皺的原因是因為沖模間隙過大（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(dǎo)致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐，因此大面積區(qū)域不被支撐導(dǎo)致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過增加沖壓力的方法來得到抑制。
另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過程中。起皺往往發(fā)生在臺階以上的側(cè)壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設(shè)計過程中，通過有限元模擬分析法單獨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(shè)計方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結(jié)果和真實產(chǎn)品中看到的結(jié)果相吻合說明了有限元模擬分析法的準確性，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(chǎn)品零件。
參考文獻
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5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機械和冶金，1993年第二季。
河南機電高等?？茖W校
學生畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表
學生姓名
學 號
指導(dǎo)教師
選題情況
課題名稱
難易程度
偏難
適中
偏易
工作量
較大
合理
較小
符合規(guī)范化的要求
任務(wù)書
有
無
開題報告
有
無
外文翻譯質(zhì)量
優(yōu)
良
中
差
學習態(tài)度、出勤情況
好
一般
差
工作進度
快
按計劃進行
慢
中期工作匯報及解答問題情況
優(yōu)
良
中
差
中期成績評定：
所在專業(yè)意見：
負責人：
年 月 日
河南機電高等?？茖W校
畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
系 部： 材料工程系
專 業(yè)： 模具設(shè)計與制造
學生姓名: 學 號:
設(shè)計題目： 彎板的沖壓工藝與模具設(shè)計
起 迄 日 期: 2009年 3月 20 日 ~ 5 月20 日
指 導(dǎo) 教 師:
2009年3月20日
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題來源及應(yīng)達到的目的：
本設(shè)計題目為彎板彎曲模設(shè)計，通過設(shè)計，應(yīng)對沖壓工藝生產(chǎn)較為熟悉，能熟練使用相關(guān)設(shè)計手冊，獨立完成一套模具的設(shè)計及模具工作零件加工工藝的編制。并且能夠運用模具設(shè)計軟件完成模具裝配圖及零件圖的繪制。
2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
（1）了解目前國內(nèi)外沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀；
（2）分析鋼板的成形工藝并確定其工藝方案；
（3）模具主要設(shè)計計算；
（4）繪制模具總裝圖，并繪制零件圖；
（5）模具的裝配及調(diào)試；
（6）得出設(shè)計結(jié)論。
零件名稱：彎曲板
生產(chǎn)批量：大批量
材料：H62
料厚：4mm
板寬：20mm
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日
系部意見：
系領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
河南機電高等?？茖W校
畢業(yè)設(shè)計說明書
畢業(yè)設(shè)計題目： 彎曲板沖壓工藝與模具設(shè)計
系 部
專 業(yè) 模具設(shè)計與制造
班 級
學生姓名
學 號
指導(dǎo)教師
2009年05 月20日
河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設(shè)計說明書
1 緒 論
近幾年來，我國模具技術(shù)有了很大發(fā)展，模具設(shè)計與制造水平有了較大提高，大型、精密、復(fù)雜高效和長壽命模具的需求量大幅度增加，模具質(zhì)量、模具壽命明顯提高，模具交貨期較前縮短，模具CAD/CAM技術(shù)也得到了相當廣泛的應(yīng)用。
1.1 國內(nèi)模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.1.1國內(nèi)模具的現(xiàn)狀
沖壓技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電機、家電和通信等行業(yè)零部件的成形。由于沖壓工藝具有生產(chǎn)率高，能成形復(fù)雜零件，適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點，在某些領(lǐng)域已經(jīng)取代機械加工，并正逐步擴大其應(yīng)用范圍。據(jù)國際生產(chǎn)技術(shù)協(xié)會預(yù)測到本世紀中，機械零部件中60%的粗加工，80%的精加工要由模具來完成。因此沖壓技術(shù)對發(fā)展生產(chǎn)、增加效益、更新產(chǎn)品等方面具有重要作用。
經(jīng)調(diào)查，全國模具行業(yè)從業(yè)人員的崗位分布情況大致如下：從事模具設(shè)計，模具工藝過程實施，產(chǎn)品質(zhì)量檢驗和監(jiān)督工作的人員占總數(shù)的42%；其次是具體生產(chǎn)設(shè)備的操作，模具的制造、調(diào)試和維修，從事這類工作的是智能型操作人員，占總數(shù)的26%；三是從事生產(chǎn)組織，技術(shù)指導(dǎo)和技術(shù)管理工作的人員，占總數(shù)的14%；四是從事模具營銷工作和售后技術(shù)服務(wù)的人員，占總數(shù)的9%；五是個體、行政管理人員，占總數(shù)的9%。
從20世紀80年代初開始，工業(yè)發(fā)達國家的模具工業(yè)，已從機床工業(yè)中分離出來，并發(fā)展成為一個獨立的工業(yè)部門，而且其產(chǎn)值已超過機床工業(yè)的產(chǎn)值。改革開放以來，中國的模具工業(yè)發(fā)展十分迅速；近年來，一直以每年15%左右的增長速度快速發(fā)展。目前，中國約有17000多個模具制造廠點，從業(yè)人數(shù)60多萬；2001年中國模具工業(yè)總產(chǎn)值達320億元人民幣，中國模具工業(yè)的技術(shù)水平取得了長足的進步。國民經(jīng)濟的高速發(fā)展對模具工業(yè)提出了越來越多且越來越高的要求巨大的市場需求推動著中國模具工業(yè)更快地發(fā)展。2001年中國大陸制造業(yè)對模具的市場需求量約為430億元人民幣；今后幾年仍將以每年10%以上的速度增長。對于大型、精密、復(fù)雜高效和長壽命模具需求的增長將遠超過每年10%的增幅。
雖然說我國模具業(yè)發(fā)展迅速，但遠遠不能適應(yīng)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。我國尚存在以下幾方面的不足:
第一，體制不順，基礎(chǔ)薄弱?！叭Y”企業(yè)雖然已經(jīng)對中國模具工業(yè)的發(fā)展起了積極的推動作用，私營企業(yè)近年來發(fā)展較快，國企改革也在進行之中，但總體來看，體制和機制尚不適應(yīng)市場經(jīng)濟，再加上國內(nèi)模具工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，因此，行業(yè)發(fā)展還不盡如人意，特別是總體水平和高新技術(shù)方面。
??? 第二，開發(fā)能力較差，經(jīng)濟效益欠佳.我國模具企業(yè)技術(shù)人員比例低，水平較低，且不重視產(chǎn)品開發(fā)，在市場中經(jīng)常處于被動地位。我國每個模具職工平均年創(chuàng)造產(chǎn)值約合1萬美元，國外模具工業(yè)發(fā)達國家大多是15～20萬美元，有的高達25～30萬美元，與之相對的是我國相當一部分模具企業(yè)還沿用過去作坊式管理，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化企業(yè)管理的企業(yè)較少。
?? 第三，工藝裝備水平低，且配套性不好，利用率低．雖然國內(nèi)許多企業(yè)采用了先進的加工設(shè)備，但總的來看裝備水平仍比國外企業(yè)落后許多，特別是設(shè)備數(shù)控化率和CAD/CAM應(yīng)用覆蓋率要比國外企業(yè)低得多。由于體制和資金等原因，引進設(shè)備不配套，設(shè)備與附配件不配套現(xiàn)象十分普遍，設(shè)備利用率低的問題長期得不到較好解決。裝備水平低，帶來中國模具企業(yè)鉗工比例過高等問題。
? 第四，專業(yè)化、標準化、商品化的程度低、協(xié)作差。由于長期以來受“大而全”“小而全”影響，許多模具企業(yè)觀念落后，模具企業(yè)專業(yè)化生產(chǎn)水平低，專業(yè)化分工不細，商品化程度也低。目前國內(nèi)每年生產(chǎn)的模具，商品模具只占45%左右，其馀為自產(chǎn)自用。模具企業(yè)之間協(xié)作不好，難以完成較大規(guī)模的模具成套任務(wù)，與國際水平相比要落后許多。模具標準化水平低，標準件使用覆蓋率低也對模具質(zhì)量、成本有較大影響，對模具制造周期影響尤甚。
第五，模具材料及模具相關(guān)技術(shù)落后．模具材料性能、質(zhì)量和品種往往會影響模具質(zhì)量、壽命及成本，國產(chǎn)模具鋼與國外進口鋼相比，無論是質(zhì)量還是品種規(guī)格，都有較大差距。塑料、板材、設(shè)備等性能差，也直接影響模具水平的提高。
1.1.2 國內(nèi)模具的發(fā)展趨勢
巨大的市場需求將推動中國模具的工業(yè)調(diào)整發(fā)展。雖然我國的模具工業(yè)和技術(shù)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(shù)的主要發(fā)展方向包括以下幾方面:????
1） 模具日趨大型化；???
? 2） 在模具設(shè)計制造中廣泛應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)；??
? 3） 模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)；???
? 4） 在塑料模具中推廣應(yīng)用熱流道技術(shù)、氣輔注射成型和高壓注射成型技術(shù)；?
?? 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(zhì)模具材料和先進的表面處理技術(shù)；???
7） 模具的精度將越來越高；?
? 8） 模具研磨拋光將自動化、智能化；??
?? 9） 研究和應(yīng)用模具的高速測量技術(shù)與逆向工程；??
?10）開發(fā)新的成形工藝和模具。
1.2 國外模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
模具是工業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵的工藝裝備，在電子、建材、汽車、電機、電器、儀器儀表、家電和通訊器材等產(chǎn)品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。用模具生產(chǎn)制作表現(xiàn)出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清潔環(huán)保的特性，是其他加工制造方法所無法替代的。模具生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。近幾年，全球模具市場呈現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，世界模具市場年交易總額為600～650億美元左右。美國、日本、法國、瑞士等國家年出口模具量約占本國模具年總產(chǎn)值的三分之一。?
國外模具總量中,大型、精密、復(fù)雜、長壽命模具的比例占到50%以上；國外模具企業(yè)的組織形式是"大而專"、"大而精"。2004年中國模協(xié)在德國訪問時，從德國工、模具行業(yè)組織--德國機械制造商聯(lián)合會（VDMA）工模具協(xié)會了解到，德國有模具企業(yè)約5000家。2003年德國模具產(chǎn)值達48億歐元。其中（VDMA）會員模具企業(yè)有90家，這90家骨干模具企業(yè)的產(chǎn)值就占德國模具產(chǎn)值的90%，可見其規(guī)模效益。
隨著時代的進步和技術(shù)的發(fā)展，國外的一些掌握和能運用新技術(shù)的人才如模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具工藝設(shè)計、高級鉗工及企業(yè)管理人才，他們的技術(shù)水平比較高．故人均產(chǎn)值也較高．我國每個職工平均每年創(chuàng)造模具產(chǎn)值約合1萬美元左右，而國外模具工業(yè)發(fā)達國家大多15～20萬美元，有的達到 25～30萬美元。國外先進國家模具標準件使用覆蓋率達70%以上，而我國才達到45％
沖壓技術(shù)的發(fā)展主要反映在以下5個方面：
（1）模具的計算機輔助能力設(shè)計和輔助制造技術(shù)
采用該技術(shù)，模具設(shè)計和制造效率一般可提高2-3倍，模具生產(chǎn)周期可縮短1/2-1/3。目前，已達到CAD/CAM一體化，模具圖紙只是作為檢驗?zāi)＞咧谩?
（2）工藝分析中的板料成形模擬仿真技術(shù) （沖壓CAE）
（3）快速模具制造技術(shù)的發(fā)展
將快速成形（RPM）技術(shù)與各種常規(guī)的鑄造、粉末燒結(jié)工藝相結(jié)合而發(fā)展起來的快速模具制造技術(shù)以及低熔點合金模具，樹脂模具都可用于冷沖壓成形。??
（4）采用沖壓新工藝
精密沖裁、液壓成形、沖壓焊接復(fù)合工藝等特種沖壓工藝的采用，使沖壓工藝的應(yīng)用范圍進一步擴大，沖壓制件的質(zhì)量和效率大大提高，從而使生產(chǎn)成本進一步降低。
（5）冷沖壓生產(chǎn)的機械化和自動化
為了滿足大批量生產(chǎn)的需要，沖壓設(shè)備已由單工位的低速壓力機發(fā)展到多工位的高速壓力機；在高速壓力機上采用多工位的級進模進行沖壓加工，使冷沖壓生產(chǎn)達到高度自動化；汽車覆蓋件可采用自動送料、自動取件、自動傳送的流水線生產(chǎn)。
1.3 沖壓加工特點
沖壓加工與其它加工方法相比,無論在技術(shù)方面,還是在經(jīng)濟方面,都具有許多獨特的優(yōu)點.如:沖壓在少,無切屑加工方法之一,是一種省能,低耗,高效的加工方法,因而制品的成本較低。
沖壓件的尺寸公差由模具保證,具有一模一樣的特征,所以產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,沖壓可以壁薄,重量輕,形狀復(fù)雜,表面質(zhì)量好,剛性好的工件。冷沖壓生產(chǎn)靠壓力機和模具完成加工過程,其生產(chǎn)效率高,操作方便,易于機械化與自動化,用普通壓力機進行沖壓加工,每分鐘可達幾十件,用高速壓力機生產(chǎn),每分鐘可達數(shù)百件或千件以上。
1.4 沖壓加工和沖模在生產(chǎn)中的地位
由于冷沖壓加工具有上述突出的優(yōu)點，因此在批量生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用,在汽車，拖拉機，電機，電器儀表和日用品的生產(chǎn)中，已占據(jù)十分重要的地位，特別是在電子工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中，已成為不可缺少的，主要加工方法之一，沖模在實現(xiàn)冷沖壓加工是必不可少的工藝設(shè)備，沒有先進的模具技術(shù)，先進的沖壓工藝就無法實現(xiàn)，眾所周知，產(chǎn)品要具有況爭能力，除了應(yīng)具有的先進模具技術(shù)，穩(wěn)定的使用性能，結(jié)構(gòu)新穎，更新?lián)Q代快等特點外，還必須具有價格競爭優(yōu)勢，這就需要采用先進，高效的生產(chǎn)手段，不斷降低成本，要達到上述目的，途徑是多方面的，模具就是其中的重要因素之一，它的重要性早已為國內(nèi)外所重視,并為工業(yè)發(fā)達國家的發(fā)展過程所證實，在美國，日本等工業(yè)發(fā)達國家,模具工業(yè)年產(chǎn)值，早已超過了機床工業(yè)，在模具工業(yè)中沖模占的比例很大，由此可以看出冷沖壓與沖模在國內(nèi)外生產(chǎn)中的重要地位.
隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展進步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，沖壓及模具技術(shù)也在為斷革新與發(fā)展，主要表現(xiàn)以下方面：工藝分析計算方法現(xiàn)代化，近幾年來,國外開始采用有限變形的彈塑性有限元法，對復(fù)雜成形件的成形過程進行應(yīng)力應(yīng)變分析和計算機模擬，以預(yù)測某一工藝方案對零件成形的可能性和會發(fā)生的問題，將結(jié)果顯示在圖形終端上，供設(shè)計人員進行修改和選擇，這樣，不但可以節(jié)省模具試用制費用，縮短新產(chǎn)品的試制周期，而且可以逐步建立一套能結(jié)合生產(chǎn)實際的先進設(shè)計方法，既促進了沖壓工藝的發(fā)展，也將使塑性成形理論逐步達到對生產(chǎn)實際的指導(dǎo)作用。
修改和選擇，這樣，不但可以節(jié)省模具試用制費用，縮短新產(chǎn)品的試制周期，而且可以逐步建立一套能結(jié)合生產(chǎn)實際的先進設(shè)計方法，既促進了沖壓工藝的發(fā)展，也將使塑性成形理論逐步達到對生產(chǎn)實際的指導(dǎo)作用.
在校學生設(shè)計是對手工設(shè)計的一種練習，也是為自己以后獨立設(shè)計的一種演練，在這個基礎(chǔ)階段，必須把一些基本的方法、步驟、公式、表格查法的掌握，才能為以后的設(shè)計服務(wù)。
本次設(shè)計的任務(wù)是使同學們了解沖壓成型的基本原理；熟悉沖壓用材料、模具用材料以及沖壓用設(shè)備等；掌握各種沖壓工藝的成型方法，并具有初步解決生產(chǎn)中常出現(xiàn)的工藝問題的能力；掌握各種沖壓模具的設(shè)計方法，并具有設(shè)計中等復(fù)雜程度沖壓模具能力。
1.5 U形彎曲模具設(shè)計的進度
1.了解目前國內(nèi)外沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀，所用時間20天；
2.確定加工方案，所用時間5天；
3.模具的設(shè)計，所用時間30天；
4．模具的調(diào)試．所用時間5天
2 彎曲件工藝分析
2.1 工件圖及要求
零件名稱：彎曲板
生產(chǎn)批量：大批量
材料：H62
料厚：4mm
板寬：20mm
工件圖
此工件是小于90度U形彎曲件，零件圖（見上圖）中的尺寸公差為未注公差，在處理這類零件公差時均按IT14級要求。彎曲圓角半徑R為2.5mm，大于最小彎曲半徑（＝0.6ｔ＝0.6×4＝2.4ｍｍ），故此件形狀、尺寸、精度均滿足彎曲工藝的要求，可用彎曲工序加工。
2.2工藝方案的確定
（1）該工件是基于預(yù)彎U形件上對左右兩側(cè)進行，由所用材料H62的特性和壁厚可選零件圖中彎曲圓角為R=2.5mm，具有良好工藝性的彎曲件，不僅能簡化彎曲工藝過程和模具設(shè)計，而且能夠提高彎曲件的精度和節(jié)省材料。
（2）零件圖中的尺寸公差為未注公差，在處理這類零件公差等級是均按IT14要求，彎曲圓角半徑R=2.5mm，大于最小彎曲半徑（Rmin=0.6t=0.6*4mm=2.4mm）,所以該工件形狀、尺寸、精度均滿足彎曲工藝的要求，可用壓彎工藝加工。由于在進行直角彎曲時，如果彎邊過小，彎邊在模具上支持的長度過小，不容易形成足夠的彎矩，將產(chǎn)生不規(guī)則變形，很難得到形狀準確的零件。為避免這種情況，應(yīng)使彎邊高度H>2.5t,當H<2.5t時，則應(yīng)在彎曲部位開槽，使之便于彎曲?；蚣哟蟠颂幍膹澾吀叨菻，在彎曲后在裁去加高的部分，該工件是基于U形件的基礎(chǔ)上進行L形壓彎成型的。有圖中可知彎曲成形 后工件的H=9.5mm>2.5*2=5mm，故不易產(chǎn)生缺陷。
（3）板材彎曲零件的彎曲線與板料纖維方向的關(guān)系：冷沖壓使用的板料多是經(jīng)過軋制成形，金屬在軋制過程中形成了纖維方向（其纖維方向與軋制方向相同）軋制板材在各方向的性能是有差別的，材料沿纖維線方向塑性較好，所以彎曲板料或卷料時彎曲線最好與纖維方向垂直，這樣彎曲件不易開裂。
如果在同一零件上具有不同方向的彎曲，在考慮彎曲件排樣經(jīng)濟性的同時，應(yīng)當盡可能使彎曲線與纖維方向的夾角a不小于30°。
如果彎曲半徑過小，彎曲時板料外層拉伸變形量過大，是拉伸應(yīng)力達到或超過抗拉強度，則板料彎曲存在一個最小圓角半徑允許值。R>rmin。當圓角半徑必須小于最小圓角半徑時，可設(shè)法提高材料的塑性，例如將材料退火或在加熱狀態(tài)下彎曲。厚板可采用先開槽或壓槽的方法，使彎曲部位的板料變薄，能防止彎曲部位開裂。
理論上講，彎曲圓角半徑最大值是沒有限制的，但也不宜過大，因為過大時，受到回彈的影響，彎曲角度與圓角半徑的精度都不易達到要求。
（4）板材請按去零件的沖裁件毛刺面與彎曲方向：
彎曲件的毛坯往往是經(jīng)沖裁落料而形成的，其沖裁的斷面一部分是光亮面，另一部分是毛刺面。彎曲件應(yīng)使其毛刺面作為彎曲件的內(nèi)側(cè)，當必須將毛刺面置于外側(cè)時，應(yīng)盡量加大彎曲半徑，以避免開裂。
以上分析可得該零件所需的沖壓工序為彎曲，采用彎鉤形單工序彎曲模。
2.3 彎曲工藝計算
2.3.1 彎曲件毛坯展開長度的計算
當彎曲圓角半徑較?。ǎ颍?.5ｔ）時，由于彎曲變形時不僅彎曲圓角部分變薄嚴重，而且與圓角部分相鄰的直邊部分也產(chǎn)生了一定的變薄，所以應(yīng)該按變形前后體積不變條件確定長度。通常采用表3.5所示經(jīng)驗公式計算。
當彎曲圓角半徑較?。ǎ?.5ｔ）時，由于變薄不嚴重，可按中性層展開原則，坯料總長度等于彎曲件直線部分長度和彎曲圓角部分應(yīng)變中性層長度之和，即
Ｌ彎＝
Ｌ總＝直＋彎
＝＋＋
式中Ｌ彎--------------------彎曲件彎曲圓角部分長度；
Ｌ總---------坯料展開總長度
-------------------彎曲中心角
因為Ｒ＝2.5＞0.5×4，屬于圓角半徑較大的彎曲件。所以彎曲件的展開長度按直邊與圓角邊分段進行計算。視直邊區(qū)在彎曲前后長度不變，圓角區(qū)展開長度按彎曲前后中性層長度不變條件進行計算。
1) 由于Ｒ/ｔ＝2.5/4＝0.63，查表3.4，得中性層位移系數(shù)X＝0.42
變形區(qū)中性層曲率半徑按式（3.7）計算
＝ｒ＋ｘｔ＝（2.5＋0.42×4）ｍｍ＝3.64
2) 毛坯尺寸（中性層長度）
Ｌ總＝直＋彎
?。虖潱剑剑恚?
該零件毛坯展開長度為
Ｌ總＝［（13－2－2.5）×2＋（60-2×4-2×2.5）＋5.71×2+2.86×2］ｍｍ
＝83.2ｍｍ
2.3.2 彎曲模工作部分尺寸計算
1) 凸模圓角半徑。
當彎曲件的相對彎曲半徑ｒ/ｔ較小時，取凸模圓角的半徑ｒ凸等于或小于彎曲件內(nèi)側(cè)的圓角的半徑r，但不能小于表3.1所示列的最小的彎曲半徑。若彎曲件的ｒ/ｔ小于最小相對彎曲半徑/ｔ，則彎曲時應(yīng)取＞， 然后增加一道整形的工序，使得整形凸模的凸模圓角半徑＝ｒ。由于此工件ｒ/ｔ＝2.5/4＝0.63較小且Ｒ為2.5ｍｍ，大于最小彎曲半徑（＝0.6ｔ＝2.4ｍｍ），故凸模圓角半徑為ｒ凸＝Ｒ＝2.5ｍｍ。
2) 凹模圓角半徑。
凹模圓角的半徑的大小對彎曲力以及對彎曲件的質(zhì)量均由影響。過小會使彎矩的彎曲力臂減小，毛坯沿凹模圓角滑入時的阻力很大，彎曲力增加，并易使工件表面擦傷甚至出現(xiàn)壓痕。凹模兩邊的圓角半徑應(yīng)一致，否則在彎曲時毛坯會發(fā)生偏移.
實際生產(chǎn)中，通常根據(jù)材料的厚度來選擇。
當ｔ＜2ｍｍ時，＝（3～6）ｔ；
當ｔ＝2～4ｍｍ,＝（2～3）ｔ；
當ｔ＞4ｍｍ，＝2ｔ
因為材料的厚度為4ｍｍ，所以＝（2～3）ｔ，所以凹模圓角的半徑?。?ｍｍ。
3) 凹模工作部分深度的設(shè)計計算。
凹模深度要適當，若過小，則彎曲件兩端自有部分太長，工件回彈大，不平直；若深度過大，則凹模增高，多耗模具材料，并需要較大的壓力機工作行程。
對于Ｕ形彎曲模：若平直邊高度不大或要求兩邊平直，則凹模深度應(yīng)大于工件的深度；若彎曲件直邊較長，且平直度要求不高，則凹模深度可以小于工件的高度。
凹模工作部分的深度將決定板料的進模深度，同時也影響到彎曲件直邊的平直度，對工件的尺寸精度造成一定的影響。此彎曲件：直邊高度為13ｍｍ，板厚4ｍｍ，查表3.12得凹模的底部最小厚度＝6ｍｍ，因此，凹模工作部分深度為直邊的高度加斜邊的高度加活動凹模的高度加頂料板的厚度，即＝13＋4+12＋12＝45ｍｍ。
4) 凸凹模間隙。
對于U形彎曲件，必須合理確定凸凹模之間的間隙。間隙過大，則回彈大，工件的形狀和尺寸不容易保證。間隙過小，會增加彎曲力，使工件厚度減薄，增加摩擦，擦傷工件并降低模具壽命。U形件凸凹模的單面間隙一般可按下式計算
彎曲有色金屬
彎曲黑色金屬
式中————凸凹模單面間隙（mm）
———板料的最小厚度和最大厚度（mm）
t—————板料厚度的基本尺寸（mm）
C—————間隙系數(shù)，其值按表3.14選取
但當工件精度要求不高或校正彎曲時，生產(chǎn)中常采用調(diào)整凸凹模間隙的方法來解決工件回彈問題。設(shè)計彎曲模結(jié)構(gòu)時，常常把凹模做成可調(diào)式或鑲拼式。當設(shè)計為可調(diào)式時，可以將模具的凸凹模間隙值初選為材料厚度t。
5） 凸凹模橫向尺寸及公差
工件標注外形尺寸時，以凹模為基準進行計算，間隙取在凸模上。查表2.5得
凹模橫向尺寸
凸模橫向尺寸
式中
2.3.3 彎曲件回彈值的計算
由于回彈值直接影響了彎曲件的形狀和尺寸，因此，在模具設(shè)計和制造時，必須要先考慮材料的回彈。通常是先根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值和簡單的計算和初步確定模具工作部分尺寸，然后在試模修正模具的相應(yīng)部分的形狀和尺寸。
影響回彈的因素：
材料的力學性能：由金屬變形特點可知，卸載時，彈性恢復(fù)的應(yīng)變量與材料的屈服極限成正比，與彈性模量E成反比，即σs /E越大，回彈越大。也就是說材料的屈服極限σs越大，彈性模量E越小，彎曲變形的回彈也越大。因為材料的屈服極限σs越高，材料在一定的變形程度下，其變形區(qū)斷面內(nèi)的應(yīng)力也越大，因而可以引起更大的彈性變形，所以回彈值也越大；而彈性模量E越大，則材料抵抗彈性變形的能力越強，所以回彈值越小。
相對彎曲半徑r/t：相對彎曲半徑r/t越小，則回彈值越小。因為相對彎曲半徑r/t越小，彎曲變形程度越大，變形區(qū)總的切向變形程度增大，塑性變形再總變形中占得比例增大，而相應(yīng)彈性變形的比例則減少，從而回彈值減少。反之，相對彎曲半徑r/t越大，則回彈值越大，這也是r/t很大的工件不易彎曲成形的原因。
彎曲中心角α：彎曲中心角α越大，回彈角也越大，因為隨著α增大，變形區(qū)段長度增加，會談累積值也增大，回彈角也就越大但對曲率半徑的回彈沒有影響。
彎曲方式：自有彎曲時，回彈值大；校正彎曲時，回彈值小。再無底彎曲模內(nèi)作自由彎曲時，會談最大；再有底彎曲模內(nèi)作自由彎曲時，會談最小。這是因為校正彎曲時，校正力比自有彎曲時的彎曲力大得多，使得變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)與自由彎曲時有所不同。極大地校正彎曲力迫使變形區(qū)外側(cè)的拉應(yīng)力有所減小，而在外側(cè)中性層附近還出現(xiàn)與內(nèi)側(cè)相同的壓縮應(yīng)力。隨著校正力的增加，壓應(yīng)力區(qū)逐步向外側(cè)擴展，致使變形區(qū)的大部分甚至全部斷面均出現(xiàn)壓縮應(yīng)力，卸載后內(nèi)、外兩側(cè)的回彈趨勢相互抵消，產(chǎn)生了減小回彈的效果。
彎曲件形狀：一般，彎曲件形狀越復(fù)雜一次彎曲成形的數(shù)量越多，則彎曲時各部分相互牽制作用越大；彎曲中拉伸變形的成分越大，則回彈量越小，因此，一次彎曲成形時，U型件的回彈量比V型件的回彈量小。
磨具間隙：在彎曲U型件時，凸、凹模間隙對回彈角有較大的影響，間隙越大，會談較也越大。當采用負間隙時，由于磨具對材料的擠壓作用，可使回彈角減小至最小值，甚至出現(xiàn)零或負值。
控制回彈的措施：
從選用材料上采取措施。在滿足彎曲件使用要求的前提下，盡可能選用彈性模量E大、屈服極限σs小、力學性能比較穩(wěn)定的材料，以減少彎曲時的回彈。
改進彎曲件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在彎曲件設(shè)計上改進某些結(jié)構(gòu)，增強彎曲件的剛度以減少回彈，比如：在彎曲變形區(qū)壓制加強筋，增加彎曲件的剛度。
從工藝上采取措施：
采用熱處理工藝。對一些硬材料或已經(jīng)冷作硬化的材料，彎曲前先進行退火處理，降低其硬度以減少彎曲時的回彈，待彎曲后再淬硬。對回彈較大的材料，在條件允許的情況下，甚至可采用加熱彎曲。
采用拉彎工藝。相對彎曲半徑很大的彎曲件，由于變形程度很小，變形區(qū)大部分或全部處于彈性變形狀態(tài)，彎曲回彈量很大，甚至根本無法成形，這時可以采用拉彎工藝。
從模具結(jié)構(gòu)上采取措施。
補償法。一般來說，它是消除彎曲件回彈最簡單的方法，在實際生產(chǎn)中廣泛使用。
對于比較硬的材料，可根據(jù)回彈值對模具工作部分的形狀和尺寸進行修正。
對于軟材料（如：Q215、Q235、10、20和H62等），其回彈角小于5°時，可在模具上作出補償角并取較小的凸凹模間隙。
單角彎曲時，根據(jù)回彈量的大小，將凸模圓角半徑和頂角預(yù)先做小些，然后調(diào)試修模，補償回彈。
雙角彎曲時，可在凸模兩側(cè)分別作出回彈角或?qū)⒛＞叩撞孔龀蓤A弧形，利用底部向下的回彈作用，來補償彎曲件側(cè)壁的回彈。
校正法。對于材料厚度在0.8以上，塑性比較好，且r/t又不大時，可以改變凸模結(jié)構(gòu)，使校正力集中在彎曲變形區(qū)，改變變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，迫使材料內(nèi)、外側(cè)同為切向壓應(yīng)力，從而使內(nèi)、外側(cè)回彈趨勢相互抵消，以達到減少回彈的目的。
縱向加壓法。
采用軟凹模法。由于軟凹模能將壓力均勻的傳到材料上，使彎曲件與金屬凸模完全貼合，其回彈量比金屬凹模小的多。因此，可利用橡膠或聚氨酯凹模代替剛性金屬凹模進行彎曲。
金屬板材在塑性彎曲時總是伴隨著彈性變形，因此，當工件彎曲后就會發(fā)生彈復(fù)。影響彈復(fù)量的因素很多，主要與材料的機械性能，板材的厚度，彎曲半徑的大小以及彎曲時校正力的大小有關(guān)，要在理論上計算彈復(fù)值是有困難的，通常在模具設(shè)計時按經(jīng)驗總結(jié)的數(shù)據(jù)來選擇，經(jīng)試沖后再對模具工作部分加以修正。確定彈復(fù)值的多少將直接影響彎曲件的質(zhì)量，通過經(jīng)驗值以及查找資料得到回彈角。
１）相對彎曲半徑較大時自由彎曲的回彈值?！? 當相對彎曲半徑ｒ/ｔ10時，回彈值比較大，卸載后彎曲件的彎曲角半徑和角度都發(fā)生了較大變化，此時，可以不考慮材料厚度的變化及應(yīng)力，應(yīng)變中性層的移動，以簡化計算。在這種情況下，凸模圓角半徑ｒ凸和凸模圓角部分中心角可按下式進行計算
式中 ?。蛲埂鼓A角半徑（ｍｍ）
———————凸模圓角部分中心角
?。颉獜澢A角半徑（ｍｍ）
——————彎曲件圓角部分中心角
——————彎曲件材料的屈服極限（Ｍｐａ）
Ｅ——————彎曲件材料的彈性模量（Ｍｐａ）
ｔ——————彎曲件材料厚度（ｍｍ）
２）相對彎曲半徑較小時自由彎曲的回彈值 當彎曲件的相對彎曲半徑r/t＜5時，由于變形程度大，卸載后彎曲半徑的變化很小，可以不予考慮，而僅考慮彎曲中心角的變化。
當彎曲件彎曲中心角不為90度時，其回彈角按下式計算
式中 ——————彎曲件的彎曲中心角為時的回彈角
—————彎曲中心角為90度時的回彈角
——————彎曲件的彎曲中心角
第一次彎曲時彎曲中心角為90度，因此查相關(guān)手冊，取回彈角為3度，第二次彎曲時彎曲角為45度時，由以上公式得
即彎曲角為45度時的回彈角為1.5度。
2.3.4 彎曲力的計算
Ｕ形件校正彎曲時，在進行校正彎曲前是自由彎曲，彎曲力為：
===16.58kN
頂件力F頂可近似取自由彎曲力的0.3—0.8倍，即
F頂＝（0.3－0.8）＝＝ｋＮ
取F頂=13kN。
校正彎曲時，校正彎曲力最大值在壓力機工作到下止點的位置，且校正力遠遠大于自由彎曲力（或接觸彎曲力），而在彎曲工作過程中，二者又不是同時存在的，因此查表３.７得ｐ＝70ＭｐＡ，所以校正力Ｆ校為：
Ｆ校＝Ａｐ＝（20*60）*70＝84ＫＮ
所以第一次彎曲時：
?。疲剑菩＃?6.58＋84＝100.58ＫＮ
第二次彎曲時：
=＝＝16.58ＫＮ
對于校正彎曲，由于校正彎曲力比頂件力大的多，故頂件力可以忽略，但這里為了保險起見，在計算壓力機公稱壓力時，還是將頂件力考慮進去。
Ｆ壓機
綜合考慮以上得，初選壓力機型號為JB23—16.
2.4 模具總體設(shè)計
模具總體設(shè)計包括：模具類型的確定好模具結(jié)構(gòu)形式的確定.
2.4.1 模具類型的確定
沖模的類型與沖壓工藝方案是相互對應(yīng)的，兩者都是根據(jù)生產(chǎn)批量，零件形狀和尺寸，零件質(zhì)量要求，材料性質(zhì)和厚度，沖壓設(shè)備和制模條件，操作因素等確定。復(fù)合?？梢詻_尺寸較大的零件，但對材料厚度，孔心距，孔邊距又一定的限制；級進模沖小型零件，尤其是形狀復(fù)雜的異形件，但級進模輪廓尺寸受壓力機臺面尺寸的限制；單工序模不受零件尺寸和板厚的限制。復(fù)合模沖壓比單工序模具沖壓的沖件質(zhì)量好；而級進模的沖壓件質(zhì)量一般介于單工序模與復(fù)合模之間。
由于采用沖壓工藝方案為彎曲，所以采用單工序彎曲模。
2.4.2 模具結(jié)構(gòu)形式的確定
模具類型確定后，還要確定模具的具體結(jié)構(gòu)形式，主要包括：送料與定位方式的確定，卸料與出件方式的確定，工作零件的結(jié)構(gòu)及其固定方式的確定，模具精度及導(dǎo)向方式的確定等。對于復(fù)雜的彎曲模及其他需要改變沖壓力方向和工作零件運動方向的模具，還要確定傳力和運動的機構(gòu)。
由于該模具采用單工序彎曲模，上模主要有上模座，凸模，模柄，墊板，斜楔和凸模固定板等零件組成；下模主要有下模座，頂料板，活動凹模，蓋板，支撐板，彈簧，彈簧管，頂桿和定位板等零件組成。彎曲工件有下面的彈簧頂出。
2.5 模具主要零部件的設(shè)計
2.5.1 彎曲凸模、凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于制件結(jié)構(gòu)簡單精度要求不高，所以采用凸模和凹模分開加工的方法制作凸凹模。這時需要分別計算和標注凸模和凹模的尺寸和公差。
由于該工件是沿著工件彎曲角的中心線方向彎曲的， 所以工件是簡單的U型彎曲，只需確定彎曲的角度即可，有零件圖可知，零件的彎曲角為90°和45°，因為彎曲時有回彈存在，且回彈角為3°，所以可將凸模彎曲角做成為87°和42°，凹模彎曲角做成90°和45°。凸模材料選用Cr12MoV，熱處理硬度為60～64HRC，凹模材料選用 Cr1212MoV， 熱處理硬度為60～62HRC，凸凹模形式如下圖所示
凸模結(jié)構(gòu)
凹模結(jié)構(gòu)
2.5.2 模柄的設(shè)計
模柄的作用是固定上模座于壓力機滑塊上時使模具的壓力中心與壓力機的壓力中心保證一致,所以,模柄的長度不得大于壓力機滑塊內(nèi)模柄孔的深度,模柄直徑應(yīng)與模柄孔直徑一致.根據(jù)模具的總體特點,選用整體式模柄,其結(jié)構(gòu)形式如下圖所示
整體式模柄
2.5.3 螺釘和銷釘?shù)脑O(shè)計
螺釘和銷釘都是標準件,設(shè)計模具時按標準選用即可,螺釘用于固定模具零件，一般選用內(nèi)六角螺釘;銷釘起定位作用,常用圓柱銷釘.螺釘，銷釘規(guī)格應(yīng)根據(jù)沖壓大小，凹模厚度等確定，選用銷釘?shù)男吞枮棣?×90，螺釘?shù)男吞枮镸16×60，螺釘，銷釘?shù)牟牧隙伎刹捎?5鋼。
2.5.4 下模座的設(shè)計
下模座的材料選用HT200，規(guī)格為200×450，熱處理硬度為43～48HRC。
2.5.5 彈簧的設(shè)計
根據(jù)模具結(jié)構(gòu)彈簧，彈簧所需的預(yù)壓力為
?。疲埃?3ｋＮ
根據(jù)預(yù)壓力和模具結(jié)構(gòu)尺寸，初選序號為73～77的彈簧，其最大工作負荷Ｆ０＝21ｋＮ＞13ｋＮ。雖然彈簧的最大工作負荷符合要求，但其彈簧太長，會使模具的高度增加，所以選用最大工作負荷為21ｋＮ范圍內(nèi)的彈簧。
試選78～83號中的79號彈簧，校核檢驗彈簧最大許可壓縮量Ｌｍａｘ＞彈簧實際總壓縮量Ｌ總。79號彈簧的具體參數(shù)是：彈簧外徑Ｄ＝55ｍｍ，材料直徑ｄ＝9ｍｍ，自由高度Ｈ０＝120ｍｍ，節(jié)距ｔ＝14.5ｍｍ，Ｆ０＝21ｋＮ，極限載荷時彈簧高度為88.4ｍｍ?！ ?
彈簧最大可壓縮量?。蹋恚幔剑?20-88.4）＝31.6mm
彈簧預(yù)壓縮量 L`=
校核：卸料板工作行程 t+h1+h2=（4+1+0.5）=5.5mm
凸模刃磨量和調(diào)節(jié)量 h3=6mm
彈簧實際總壓縮量 L總=L‘＋t+h1+h2+h3=19.6+5.5+6=27.1mm
由于31.6mm＞27.1,即Ｌｍａｘ＞L總，所以所選彈簧是合適的。
79號彈簧的規(guī)格為：
外徑：Ｄ＝55mm
鋼絲直徑：d=9.0mm
自由高度：H0=120mm
裝配高度：H2＝H0-L’=120-19.6=100.4mm
彈簧的窩座深度：ｈ=H0-Lmax+h卸料板+t+1-h修模
=120-31.6+16+4+1-77-6
=24.4mm
彈簧的外漏高度：H3=H2-h-h卸料板窩深＝100.4-24.4-7=69mm
2.5.6 模架的設(shè)計 模架各零件標記如下：
上模座：300*250*50
下模座：300*250*65
模 柄：φ40mm×60mm
墊板厚度：300*250*`15
頂件板厚度:60*20*12
凸模固定板的厚度:300*250*25
2.6 沖壓設(shè)備的選定
初選壓力機的公稱壓力為160ＫＮ，即JB23——16型壓力機。
2.6.1 壓力機的選用
壓力機的選用是根據(jù)沖壓工藝性質(zhì)，沖壓件批量大小，模具尺寸精度。變形力大小，設(shè)備情況。
最大閉合高度： 220mm。
最大裝模高度： 180mm。
連桿調(diào)節(jié)長度： 45mm。
壓力機工作臺尺寸（前后×左右）：300mm×450mm。
模柄孔尺寸（直徑×深度）：φ40mm×60mm，
最大傾斜角度： 35°
沖壓設(shè)備與沖壓工藝的關(guān)系
沖壓設(shè)備類型
壓彎
沖裁
生產(chǎn)量
曲柄壓力機
小行程
不適用
適用
高
中行程
適用
較高
大行程
較高
雙動拉伸壓力機
不適用
不適用
較高
摩擦壓力機
適用
可用
低
液壓機
無
不適用
低
液壓機在小批量和大型拉深彎曲和成形件的生產(chǎn)中多選用液壓機，但液壓機一般不適用于沖裁工作并且彎曲成形式生產(chǎn)率低。
本設(shè)計中沖壓設(shè)備選用曲柄壓力機，而該壓力機有分為開式壓力機和閉式壓力機。
在中小型的沖裁件，彎曲件成淺拉伸機的壓力生產(chǎn)中，主要選用開式壓力機。
在大中型和精度要求要求高的沖壓件的生產(chǎn)中，主要選用閉式壓力機。
經(jīng)過上邊對比可得沖壓設(shè)備選用開式曲柄壓力機，即初選壓力機型號為JB-23-16
2.6.2 沖壓設(shè)備的選擇
沖壓設(shè)備的選擇主要是根據(jù)沖壓工藝性質(zhì)、生產(chǎn)批量、沖壓件的幾何形狀尺寸和精度要求等因素來確定的。沖壓生產(chǎn)常用的設(shè)備很多。選用設(shè)備時，應(yīng)主要考慮下述因素：
① 沖壓設(shè)備的型號和工作形式是否適用于完成的工序；是否符合安全生產(chǎn)和環(huán)保的要求
② 沖壓設(shè)備的壓力和功率是否滿嘴應(yīng)完成工序的需要
③ 沖壓設(shè)備的裝模高度、工作臺面尺寸、行程等是否適合應(yīng)完成工序所用的模具
④ 沖壓設(shè)備的行程次數(shù)是否滿足生產(chǎn)率的要求等。
2.6.3 壓力機校核：
由于彎曲模不是標準的的模架，因而，需要自行設(shè)計。取上模座的高度為35ｍｍ，模柄高度H=（H上+H下）=（60+40）mm=100mm，凸模H=（H上+H下）=（40+20）=６０mm，凹模Ｈ＝35ｍｍ，墊板的高度為15ｍｍ，下模座H=50mm，中間的安全距離為25ｍｍ。彎曲模閉合高度是指沖床運行到下止點時，模具工作狀態(tài)的高度，模具的閉合高度是指模具工作行程終了時，上模座上平面至下模座下平面之間的距離。故模具閉合高度Hd為：
Ｈ＝Ｈ上模座＋Ｈ凸模固定板＋Ｈ凹模＋Ｈ墊板＋Ｈ下模座＋Ｈ安全距離
?。剑?5＋25＋35＋15＋50＋25）ｍｍ
?。?85ｍｍ
壓力機能滿足模具使用要求。
2.7繪制模具總裝圖
彎曲板的模具圖如圖所
總 結(jié)
本課程設(shè)計是我們進行完了三年的模具設(shè)計與制造專業(yè)課程后進行的，它是對我們?nèi)陙硭鶎W課程的又一次深入、系統(tǒng)的綜合性的復(fù)習，也是一次理論聯(lián)系實踐的訓練。它在我們的學習中占有重要的地位。
通過這次畢業(yè)設(shè)計使我從新系統(tǒng)的復(fù)習了所學專業(yè)知識同時也鞏固了先前學到了的知識，同時感觸最深刻的是：所學知識只有在應(yīng)用中才能在更深刻理解和長時間記憶。對一些原來一知半解的理論也有了進一步的的認識。特別是原來所學的一些專業(yè)基礎(chǔ)課：如機械制圖、模具材料、公差配合與技術(shù)測量、冷沖模具設(shè)計與制造等有了更深刻的理解，使我進一步的了解了怎樣將這些知識運用到實際的設(shè)計中。同時還使我更清楚了模具設(shè)計過程中要考慮的問題，如怎樣使制造的模具既能滿足使用要求又不浪費材料，保證工件的經(jīng)濟性，加工工藝的合理性。
在設(shè)計的過程中通過沖壓手冊、模具制造簡明手冊、模具標準應(yīng)用手冊等隊要設(shè)計的問題進行查詢，我了解了通過更多的途徑去了解我要做的設(shè)計，使設(shè)計更具合理性。也使我學會了設(shè)計過程中對資料的查詢和運用。通過這次設(shè)計，我更加深入地學習了冷沖壓技術(shù)工作設(shè)計的內(nèi)容。冷沖壓技術(shù)工作設(shè)計的內(nèi)容包括冷沖壓工藝設(shè)計、模具設(shè)計及沖模制造三方面內(nèi)容，盡管三者的工作內(nèi)容不同，但三者之間存在著相互滲透、相互補充、相互依存的關(guān)系。
冷沖壓工藝設(shè)計是針對給定的產(chǎn)品圖樣，根據(jù)其生產(chǎn)批量的大小、沖壓設(shè)備的類型規(guī)格、模具制造能力及工人技術(shù)水平等具體生產(chǎn)條件，從對產(chǎn)品零件圖的沖壓工藝性分析入手經(jīng)過必要的工藝計算，制定出合理的工藝方案，最后編寫沖壓工藝卡的一個綜合分析、計算、設(shè)計過程。沖壓工藝方案的確定包括工序性質(zhì)、數(shù)量的確定，工序順序的安排，工序組合方式及工序定位方式的確定等內(nèi)容。
沖壓模具設(shè)計則是依據(jù)制定的沖壓工藝規(guī)程，在認真考慮毛坯的定位、出件、廢料排出諸問題以及模具的制造維修方便、操作安全可靠等因素后，設(shè)計計算并構(gòu)思出與沖壓設(shè)備相適應(yīng)的模具總體結(jié)構(gòu)，然后繪制出模具總裝圖和所有非標準零件圖的整個設(shè)計繪圖過程。
歷經(jīng)近三個月的畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，在這次畢業(yè)設(shè)計中通過參考、查閱各種有關(guān)模具方面的資料，請教各位老師有關(guān)模具方面的問題，并且和同學的探討，模具設(shè)計在實際中可能遇到的具體問題，使我在這短暫的時間里，對模具的認識有了一個質(zhì)的飛躍。
從陌生到開始接觸，從了解到熟悉，這是每個人學習事物所必經(jīng)的一般過程，我對模具的認識過程亦是如此。經(jīng)過近三個月的努力，我相信這次畢業(yè)設(shè)計一定能為三年的大學生涯劃上一個圓滿的句號，為將來的事業(yè)奠定堅實的基礎(chǔ)。
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