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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(mén)
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(kāi)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(huà)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(huà)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。基于這種理念，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(kāi)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。
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河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校
畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
設(shè)計(jì)題目：彎鉤形零件
彎鉤模設(shè)計(jì)
設(shè) 計(jì) 者：張 磊
指 導(dǎo) 教 師：楊 占 堯
材 料 工 程 系 模 具 專 業(yè) 0 3 5 班
2006.05.10
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
設(shè)計(jì)題目：彎鉤形零件彎曲模的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)時(shí)間：10周
設(shè)計(jì)任務(wù)：1.完成工件彎曲工藝分析及模具設(shè)計(jì)工藝過(guò)程
2．繪制模具裝配圖及各零件圖
3．編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
目錄
1 工件的工藝性分析…………………………………………………1
2 工藝方案的確定……………………………………………………1
3 模具結(jié)構(gòu)形式的確定………………………………………………1
4 工藝設(shè)計(jì)……………………………………………………………1
⑴ 毛坯尺寸的計(jì)算……………………………………………1
⑵ 彎曲力的計(jì)算………………………………………………2
⑶ 彎曲凸、凹模的間隙………………………………………2
⑷ 彎曲模工作部分尺寸計(jì)算…………………………………2
15 模具的總體設(shè)計(jì)……………………………………………………3
6 模具主要零件的設(shè)計(jì)………………………………………………4
⑴ 凸模部分………………………………………………4
⑵ 凹模部分………………………………………………4
7 模具其他主要零件設(shè)計(jì)及選用……………………………………5
⑴ 頂件裝置的設(shè)計(jì)………………………………………………5
① 彈簧的選用………………………………………………5
② 頂桿的設(shè)計(jì)………………………………………………6
③ 頂件板的設(shè)計(jì)……………………………………………6
⑵ 斜楔、滑塊設(shè)計(jì)………………………………………………7
① 滑塊之間的行程關(guān)系……………………………………7
② 斜楔、滑塊的尺寸設(shè)計(jì)…………………………………7
⑶ 應(yīng)有可靠的當(dāng)塊………………………………………………7
⑷ 斜楔與滑塊的結(jié)構(gòu)、尺寸……………………………………7
8選定設(shè)備………………………………………………………………8
9校核壓力安裝尺寸……………………………………………………9
10畫(huà)裝配圖和零件圖……………………………………………………9
11編寫(xiě)技術(shù)文件…………………………………………………………9
12模具的制造和裝配……………………………………………………9
13 彎曲模試沖時(shí)出現(xiàn)的缺陷…………………………………………10
總結(jié) ……………………………………………………………………12
致謝 ……………………………………………………………………13
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………14
工件工藝卡 ……………………………………………………………15
凸模加工工藝過(guò)程卡 …………………………………………………16
活動(dòng)凹模加工工藝卡 …………………………………………………17
彎鉤形零件彎曲模結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
1 工件的工藝性分析：
該工件零件圖如上所示，由零件圖可知。該制件形狀簡(jiǎn)單，尺寸不大，厚度適中，一般批量，屬普通彎曲件，但零件上端口處有兩個(gè)45°的內(nèi)彎，且長(zhǎng)度確定，在設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)注意并控制回彈。由于制件時(shí)內(nèi)彎，要考慮合適的取件方案。因有一定的批量，應(yīng)注意模具材料和結(jié)構(gòu)的選擇。
2 工藝方案的確定：
根據(jù)制件的工藝性分析，其有兩道工序，有彎曲和內(nèi)彎，因?yàn)榇斯ぜ巧隙藘?nèi)彎，因此合理的工藝方案是彎曲——折彎。先將平板毛坯彎曲成“
U”形，再對(duì)上端進(jìn)行彎鉤內(nèi)彎。零件成形后，由于工件內(nèi)彎，可縱向取出，此方案是較為合理。
3 模具結(jié)構(gòu)形式的確定：
因工件材料較薄，彎曲中為保證工件平整，采用彈性頂尖裝置。由于零件是內(nèi)彎，需采用活動(dòng)凹模，斜楔，靠斜楔與滑塊作用使工件內(nèi)彎，活動(dòng)凹模上設(shè)有彈性回復(fù)裝置。
4 工藝設(shè)計(jì)：
（1）：毛坯尺寸的計(jì)算
計(jì)算毛坯尺寸，相對(duì)彎曲半徑為
K/t=4/2=2<5
式中：K——彎曲半徑(mm)
t——料后（mm）
可見(jiàn)，制件屬于圓角半徑較大的彎曲件，應(yīng)先求彎曲變形區(qū)中性層曲率半徑
ρ（mm）
ρ=ν+Kt
由文獻(xiàn)《冷沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)》中表3－2查得K＝0.39L，
r——彎曲半徑
K——中性層系數(shù)
ρ＝（4＋0.39x2）mm =4.78 mm
由表3－5查得，最小彎曲半徑rmin＝0.5t＝1mm L考慮到工件的質(zhì)量問(wèn)題及彎曲工藝要求，取彎鉤處彎曲半徑為r＝t＝2 mm 。
毛坯長(zhǎng)度L＝48＋16＋6.5＝70.5mm
考慮工件的誤差，取L＝72mm，b＝22±1.1mm 。
（2）彎曲力的計(jì)算
為有效控制回彈，采用校正彎曲，F(xiàn)核＝PA
P——材料單位彎曲校正力
A——校正部分投影面積
查得材料15的單位校正力為50mpa.
F=50[(48+6.5)*22]
=50*54.5*22
=59950N
≈60KN
（3）彎曲凸、凹模的間隙
C=t+Δ+k*t
C——彎曲凸、凹模單邊間隙
t——料厚
Δ——材料厚度正偏差
k ——系數(shù)
由表查得k ＝0.05
c =t+Δ+kt
=2+0.05x2
=2.1mm
2c=4.2mm
（4）彎曲模工作部分尺寸計(jì)算
（由于制件精度不高，凸、凹模制造公差均采用IT9級(jí)）
由于工件外形尺寸要求相對(duì)精度高，計(jì)算尺寸時(shí)，要先計(jì)算凹模的尺寸，然后根據(jù)凹模尺寸萊計(jì)算凸模尺寸。
由手冊(cè)查得沖壓件未注尺寸的極限偏差
L1=48±2.2
L2=16±1.1
L3=6.5±0.8
凹模尺寸 bd=(L-1/2Δ)
=46.9
圓角半徑Vd=3t=6mm
(查表)t≤2mm時(shí)，Vd＝（3-6）t
深度由表3-17得，L=16mm
則凸模尺寸，（bd-2c）
=(46.9-4.2)
=42.7
Vp=V=4mm
考慮到本工件精度要求不同，取凹模尺寸為48 ，凸模43.8 ，Vp=4mm, Vd=6mm。
5 模具的總體設(shè)計(jì)
根據(jù)所需壓彎力的大小，初步考慮使用160KN的壓力機(jī)，模具結(jié)構(gòu)草圖如下，只要有上模板、凸模、凹模、活動(dòng)凹模、下模板、墊板等組成。
初步設(shè)計(jì)模具閉合高度196mm
支撐板外輪廓尺寸為210X210mm
下模板外輪廓尺寸為270X100mm
（上面為便于視圖清晰，留有一定尺寸，實(shí)際為閉合狀態(tài)）
6 模具主要零件的設(shè)計(jì)
⑴凸模部分
由于該工件的端面是額“ ”形 的，該工件是先彎成 “ ”，后再“ ”形頂端內(nèi)彎，因此，可把凸模設(shè)計(jì)成整體式，結(jié)構(gòu)如下：
由于該工件 毛坯式矩形，工件是內(nèi)彎，所以，當(dāng)工件成形后，可縱向取出工件，（取工件時(shí)需注意安全）。
⑵凹模部分
凹模是活動(dòng)凹模，設(shè)計(jì)成滑塊式，左右兩件相對(duì)稱，斜面與工件斜面相配合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于機(jī)械加工。
模具開(kāi)啟時(shí)
模具閉合時(shí)
凹模設(shè)計(jì)成活動(dòng)滑塊，靠斜楔作用力使工件內(nèi)彎，斜楔見(jiàn)裝配圖。
7 模具其他主要零件的設(shè)計(jì)及選用
(1）頂件裝置的設(shè)計(jì)
考慮到工件的工藝結(jié)構(gòu)及制件精度，采用彈性頂件裝置是設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)所需的頂件力選擇合適的彈簧。
② 彈簧的選用：由頂件力選擇彈簧
由于頂件力校大，選用強(qiáng)力彈簧。
外徑D＝30.5mm，內(nèi)徑d＝17.5mm，自由高度h＝63mm。
② 頂桿的設(shè)計(jì)
由于彈簧內(nèi)徑D=17.5mm,取頂桿直徑D=16mm，長(zhǎng)度L＝121mm。
結(jié)構(gòu)如圖所示：
上端部長(zhǎng)度為 2mm，起定位作用。
③ 頂件板設(shè)計(jì)：
頂件板與凸模一起壓緊工件，尺寸應(yīng)比工件大，其結(jié)構(gòu)如圖所示：
彈性裝置結(jié)構(gòu)如圖所示：
⑵ 斜楔、滑塊的設(shè)計(jì)
在工件內(nèi)彎過(guò)程中，需有較大的側(cè)向力，則應(yīng)采用斜楔結(jié)構(gòu)，通過(guò)斜楔機(jī)構(gòu)將滑塊的垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為凸凹模的運(yùn)動(dòng)方式傾斜運(yùn)動(dòng)，提供側(cè)向力進(jìn)行內(nèi)彎曲。
① 斜楔、滑塊之間的行程關(guān)系
確定斜楔的角度主要考慮到機(jī)械效率，行程和受力狀態(tài)。這里取斜楔角為40度。
為使滑塊平穩(wěn)可靠工作
S/S1=0.8391
S——滑塊行程
S1——斜楔行程
S=4.6mm
S1=5.478mm
與滑塊接觸長(zhǎng)度，b≥斜面斜度/5
b≥1.3mm
則滑塊斜面L ≥1.3+5.478/cos40°=8.45mm,為使滑塊有可靠長(zhǎng)度，取L=10mm。
② 斜楔、滑塊尺寸設(shè)計(jì)：
滑塊長(zhǎng)度取（2～1）H2,因此是凹模增大，保證其斜面長(zhǎng)度， 由工件工藝
可知，滑塊高度H2=16mm，L2=60～50mm，取55mm。
為保證滑塊運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)，滑塊寬度滿足B2≤2.5L2.
B2=40mm
L2≥B2/2.5＝40/2.5＝16mm。
L2＝55滿足上式。
⑶ 應(yīng)有可靠的當(dāng)塊
擋塊與支撐板設(shè)計(jì)成一體，如裝配圖所示：
斜楔與滑塊采用橡皮復(fù)位。
⑷ 斜楔與滑塊結(jié)構(gòu)、尺寸
如圖所示。
滑動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖：
斜楔滑塊工作圖如裝配圖所示。
8 選定設(shè)備：
由所得的彎曲力出算設(shè)備
該零件所需的彎曲力為F=60KN。
模具閉合高度H=196mm
模具外廓尺寸為270X100mm
現(xiàn)有160KN壓力機(jī)，其型號(hào)為J23-16F，其主要參數(shù)如下：
公稱壓力：160KN
滑塊行程：80mm
最大裝模高度：205mm
最大封閉高度調(diào)節(jié)量：45mm
臺(tái)面尺寸：300mmX450mm
模柄尺寸（孔）：Φ40mm
根據(jù)模具閉合高度，彎曲力，外輪廓尺寸等數(shù)據(jù)選擇此設(shè)備是合適的。
9 校核壓力機(jī)安裝尺寸：
模座外形尺寸為270X100mm，閉合高度為196mm，而J23-16F型壓力機(jī)工作臺(tái)尺寸為450X300mm，最大閉合高度為205mm，調(diào)節(jié)量為45mm，故在工作臺(tái)上可以安裝；模柄孔尺寸也與本副模具所選模柄尺寸相符。
10 裝配圖和零件圖：見(jiàn)附圖。
11 編寫(xiě)技術(shù)文件：見(jiàn)工藝卡。
12 模具的制造和裝配：
模具的制造：
彎曲凸、凹模、斜楔均采用T8A，淬硬58-62HRC，在淬火前應(yīng)先試模，在加工凸、凹模時(shí)，先加工凹模，凸模按加工出的凹模來(lái)配制加工，要保證雙面間隙。凸、凹模圓角半徑加工應(yīng)一致，工作部分表面進(jìn)行拋光。斜楔，滑塊滑動(dòng)面采用銑刨，淬硬后磨平。
模具的裝配：
在裝配前，檢查模具零件的加工質(zhì)量。
主要組件裝配：
裝配：模柄3是從上模板的下面向上壓入的，在安裝凸模固定板的墊板之前，先把模柄裝好。
模柄與上橫板之間的配合要求是H7/m6，先在壓力機(jī)上將模柄壓入，再加工定位銷孔和螺紋孔，然后把模柄端面突出部分銼平或磨平。安裝好模柄后，用角尺檢查模柄與上模座上平面的垂直度。
凸模、斜楔裝配：凸模、斜楔與固定板的配合要求為H7/m6，裝配時(shí)，先在壓力機(jī)上將凸模、斜楔壓入固定板內(nèi)，檢查凸模、斜楔的垂直度，然后將固定板的上平面與凸模、斜楔一齊磨平。
總裝配：
模具的主要組件裝配完畢后開(kāi)始進(jìn)行總裝配。因?yàn)榇四＞邽闊o(wú)導(dǎo)柱模具，凸、凹模間隙在模具安裝到機(jī)床上時(shí)進(jìn)行調(diào)整，上、下模裝配次序沒(méi)有特別要求，則對(duì)上、下模分別安裝。
上模安裝：上述已安裝好了模柄、凸模、斜楔，安裝墊板后，找正位置，裝入銷釘，擰緊螺釘即可安裝上模完成。
下模：
（1）把活動(dòng)凹模裝入固定板中，磨平底面，側(cè)面，安裝滑塊回復(fù)裝置，如圖中所示。
（2）在凹模上安裝定位板，然后在支撐板上安裝好蓋板。
（3）把固定板安裝在下模座上，找正位置后，先在下模座上投窩，加工螺紋孔，然后加工銷釘孔，裝入銷釘（注：要限位銷的安裝），擰緊螺釘，然后安裝好頂件裝置。
（4）把分別安裝好的上、下模進(jìn)行檢查，然后把已裝入固定板的凸模，插入凹模中，檢查是否完全閉合，如有，檢查安裝并進(jìn)行調(diào)整。
（5）凸凹模的間隙調(diào)整：當(dāng)裝配完成后，采用塞尺法來(lái)測(cè)凸、凹模之間的間隙是否均勻，如不均勻進(jìn)行調(diào)整，也可在裝配完成后進(jìn)行試彎，檢查零件是否合格及表面質(zhì)量。
（6）在生產(chǎn)條件下進(jìn)行試彎，彎曲成形的工件按零件產(chǎn)品圖或試樣進(jìn)行檢查驗(yàn)收。在驗(yàn)收過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品有各種缺陷，則要仔細(xì)分析。找出原因，并對(duì)模具進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和修理，然后再進(jìn)行試彎，直到模具正常工作并得到合格的彎曲件為止。然后打標(biāo)記交付生產(chǎn)使用。
13 彎曲模試沖時(shí)出現(xiàn)的缺陷，原因及調(diào)整
⑴ 沖件的彎曲角度不夠
原因： ① 凸凹模的彎曲回彈角制造小。
② 凸模進(jìn)入凹模深度太淺。
③ 凸模之間間隙過(guò)大。
④ 校正彎曲的實(shí)際單位校正力過(guò)小。
調(diào)整方法：
① 修正凸凹模，使彎曲角度達(dá)到要求。
② 加深凹模深度，增大沖件的有效彎曲變形區(qū)域。
③ 按實(shí)際情況采取措施，減小凸凹模的配合間隙。
④ 增大校正力或修整凸凹模形狀，使校正力幾種在變形部位。
⑵ 工件的彎曲位置不合要求
原因：① 定位板位置不正。
②曲件兩側(cè)受力不平衡產(chǎn)生便移。
③壓料力不足
方法：①重裝定位板，保證其位置正確
⑶ 分析方法：
①據(jù)實(shí)際情況修正凸、凹模，增大間隙值。
②取措施減小壓料力。
③在試模后確定。
⑷ 表面擦傷：
原因：①凹模圓角半徑過(guò)小，表面粗糙度不合要求。
②潤(rùn)滑不良使坯料粘附于凹模。
③凸、凹模之間間隙不均勻。
方法：①增大凹模圓角半徑，降低表面粗糙度值。
②合理潤(rùn)滑。
③修正凸、凹模，使間隙均勻。
⑸ 彎曲部位產(chǎn)生裂紋：
原因：①材料的塑性差。
②彎曲線與板料的纖維方向平行。
方法：①將坯料退火后彎曲。
②使彎曲線與板料的纖維方向成一定的彎曲角度。
總 結(jié)
隨著產(chǎn)品向精密化和復(fù)雜化的發(fā)展，產(chǎn)品零件也日益復(fù)雜，級(jí)進(jìn)模的工位數(shù)隨之增加，精度要求提高，壽命要求更高，這對(duì)級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)就提出了新的要求。由于級(jí)進(jìn)模沖壓生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)單安全，模具壽命長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量高，生產(chǎn)成本較低等特點(diǎn)，現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，各種家用電器、儀表電器、汽車等也越來(lái)越多的走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，而家用電器的生產(chǎn)也隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越多地采用多工位級(jí)進(jìn)模生產(chǎn)。
彎鉤形零件彎鉤模設(shè)計(jì)，是理論知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合，更加系統(tǒng)地對(duì)理論知識(shí)做了更深切貼實(shí)的闡述。也使我認(rèn)識(shí)到，要向做為一名合格的模具設(shè)計(jì)人員，必須要有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，并不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)新技術(shù)，樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的觀念，把理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中去，并堅(jiān)持科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的精神，大膽創(chuàng)新，突破新技術(shù)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的騰飛做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
致 謝
涼風(fēng)習(xí)習(xí)，綠樹(shù)成蔭，在這大地萬(wàn)物都吸足了養(yǎng)分拼命抽枝成長(zhǎng)的季節(jié)，我們也將帶著多年學(xué)習(xí)所吸取的養(yǎng)分投入到社會(huì)實(shí)踐中去，去體現(xiàn)自身的人生價(jià)值，實(shí)現(xiàn)人生的理想。當(dāng)然，這一切都離不開(kāi)老師對(duì)我們的精心培養(yǎng)和澆灌，而這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，更系統(tǒng)地把所學(xué)專業(yè)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去，使我們所學(xué)專業(yè)知識(shí)更加牢固，更加系統(tǒng)化，能順利地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，這和指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)和諄諄教誨是分不開(kāi)的，在這里我衷心地感謝原老師、楊老師、翟老師、程老師、余老師對(duì)我的指導(dǎo)和幫助，是你們不辭勞苦地為我們講解了學(xué)習(xí)中遇到的各種問(wèn)題，使我掌握了模具設(shè)計(jì)在這個(gè)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中充當(dāng)生力軍的技能知識(shí)，使你們?yōu)槲覍?shí)現(xiàn)了自身的人生理想插上了堅(jiān)實(shí)的翅膀。我會(huì)帶著你們殷切的期望和百倍的熱情投入到以后的工作和生活中去，去實(shí)現(xiàn)自身的人生價(jià)值，為社會(huì)的發(fā)展做出最大的貢獻(xiàn)。
此致
敬禮
參考文獻(xiàn)：
１ 《冷沖模設(shè)計(jì)與制造》 高鴻庭主編 機(jī)械工業(yè)出版社
２ 《冷沖壓模具設(shè)計(jì)指導(dǎo)》 王芳主編 機(jī)械工業(yè)出版社
３ 《冷沖模設(shè)計(jì)指導(dǎo)》 史鐵梁主編 機(jī)械工業(yè)出版社
４ 《沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)》 王芳主編 機(jī)械工業(yè)出版社
５ 《冷沖模設(shè)計(jì)與制造》 姜奎華主編 機(jī)械工業(yè)出版社
６ 《沖壓工藝學(xué)》 姜奎華、肖景容主編 機(jī)械工業(yè)出版社
７ 《模具設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)明手冊(cè)》 馮丙堯主編 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
８ 《沖模設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例》 模具實(shí)用技術(shù)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社
９ 《沖壓模具圖冊(cè)》 楊占堯主編 機(jī)械工業(yè)出版社
１０ 《模具制造技術(shù)》 羅大金主編 機(jī)械工業(yè)出版社
工件工藝卡
產(chǎn)品名稱：彎鉤形零件
材料牌號(hào)：15
規(guī)格71*22*2mm
毛坯尺寸：板料71*22mm
工序：“U”形彎曲——內(nèi)彎
設(shè)備：J23——16F
工藝裝配：彎曲模
檢驗(yàn)：按產(chǎn)品圖紙檢驗(yàn)
14
目錄
1． 工件的工藝性分析………………………………………………………………1
2． 工藝方案的確定…………………………………………………………………1
3． 模具結(jié)構(gòu)形式的確定……………………………………………………………1
4． 工藝設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………1
⑴ 毛坯尺寸的計(jì)算……………………………………………………………1
⑵ 彎曲力的計(jì)算………………………………………………………………2
⑶ 彎曲凸、凹模的間隙………………………………………………………2
⑷ 彎曲模工作部分尺寸計(jì)算…………………………………………………2
5． 模具的總體設(shè)計(jì)…………………………………………………………………3
6． 模具主要零件的設(shè)計(jì)……………………………………………………………3
⑴ 凸模部分………………………………………………………………3
⑵ 凹模部分………………………………………………………………3
7． 模具其他主要零件設(shè)計(jì)及選用…………………………………………………4
⑴ 頂件裝置的設(shè)計(jì)……………………………………………………………5
① 彈簧的選用……………………………………………………………5
② 頂桿的設(shè)計(jì)……………………………………………………………5
③ 頂件板的設(shè)計(jì)…………………………………………………………5⑵ 斜楔、滑塊的設(shè)計(jì)…………………………………………………………7
① 滑塊之間的行程關(guān)系…………………………………………………7② 斜楔、滑塊的尺寸設(shè)計(jì)………………………………………………7
⑶ 應(yīng)有可靠的當(dāng)塊……………………………………………………………7
⑷ 斜楔與滑塊的結(jié)構(gòu)、尺寸…………………………………………………7
8． 選定設(shè)備…………………………………………………………………………8
9． 校核壓力安裝尺寸………………………………………………………………9
10. 畫(huà)裝配圖和零件圖………………………………………………………………9
11. 編寫(xiě)技術(shù)文件……………………………………………………………………9
12. 模具的制造和裝配………………………………………………………………9
13 彎曲模試沖時(shí)出現(xiàn)的缺陷………………………………………………………10
總結(jié)……………………………………………………………………………………11
致謝……………………………………………………………………………………12
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………13
工件工藝卡……………………………………………………………………………14
凸模加工工藝過(guò)程卡…………………………………………………………………15
活動(dòng)凹模加工工藝卡…………………………………………………………………16