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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眼。圖2顯示工具的完整布置的網眼系統(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，在沖頭邊緣上部經常發(fā)生拉裂，在真實產品的側壁處經常發(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 1. K. Yoshida， H. Hayashi， K. Miyauchi， Y. Yamato， K. Abe， M. Usuda， R. Ishida and Y. Oike，在金屬板料，皺紋機械工具的效果取決于不均勻的拉深 2. T.X.Yu，W.Johnson 和 W.J.Stronge， “圓形碟子在半球形模具中的沖壓成形”，機械學雜志，26，pp.131-148，1984 3. W.J.stronge，M.P.F.Sutcliffe和T.X.Yu，在沖壓期間，圓形碟子的塑性起皺。實驗的技巧，pp.345-353，1986. 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。 河南機電高等?？茖W校 學生畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 學生姓名 學 號 指導教師 選題情況 課題名稱 彎曲件沖壓工藝及模具設計 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 任務書 有 無 開題報告 有 無 外文翻譯質量 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)設計（論文）任務書 系 部： 專 業(yè)： 模具設計與制造 學生姓名: 學 號: 設計(論文)題目： 彎曲件沖壓工藝及模具設計 起 迄 日 期: 2007 年 05月 日~ 月 日 指 導 教 師: 2007 年 05 月 日 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 1．本畢業(yè)設計（論文）課題來源及應達到的目的： ×××××××××（小4號宋體，1.5倍行距，下同）×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。 2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）： 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日 系部意見： 系領導： 年 月 日 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計說明書 摘 要 本設計題目為彎曲件模具設計，體現(xiàn)了典型彎曲模的設計要求、內容及方向，有一定的設計意義。通過對該零件模具的設計，進一步加強了設計者彎曲模設計的基礎知識，為設計更復雜的彎曲模具做好了鋪墊和吸取了更深刻的經驗。 本設計運用彎曲成型工藝及模具設計的基礎知識，首先分析了板材的性能要求，為選取模具的類型做好了準備；然后計算了彎曲件的彎曲力，便于選取壓力機噸位及確定壓力機型號；最后分析了彎曲件的特征，確定模具的設計參數(shù)、設計要點及頂出裝置的選取。 本設計采用了八字擺塊復合模成型件。復合模具有生產效率高，制件精度高等特點，特別適合大批量高精度生產。成型原理可劃分為兩個階段：首先，凸模與凹模共同作用成型U形件；凹模繼續(xù)下行，迫使擺塊左右擺動動作，U型件被再次彎曲成型，最后成型件，這種機構動作靈活可靠，設計方便，非常適合在本副模具中使用。 關鍵詞：彎曲模 凸模 凹模 擺塊 ABSTRACT The requirement，content and direction of the design of the bending dies parts are embodied on this bending dies design. The designer’s foundation knowledge of the bending dies design is reinforced and is able to design more complex injection mould through the design. Through the foundation knowledge, firstly, the composion and the perfourmance of the flat sheet is analyzed to choose the type of the mould. Secondly, the volume of the bend is estimated to choose the press molding machine and to detemine the type press machine and tonnage of press. Lastly the character of the part is analyzed to determine the mould design parameter and design point and choose the ejection assembly. Swing block compound die is used in this design to form the part.the compound die can produce pierced blanks to close flatness and dimensional tolerances. Compound die’sproduce efficiency and part precision is hight. Especially fit for volume produce and hight precision produce.Moulding of the part is like this :Fist,behing punch and die’s together operation, the part is form to the fast bending ;die is going down, swing block is flogged to work, and the second bending is begin. At last, the part is form to part. So, it is adapted to be used on this mould extraordinarily. Keywords: bending dies , punch , dieg, swing bloc 彎曲件的沖壓工藝及模具設計 緒 論 目前，我國沖壓技術與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當?shù)穆浜?，主要原因是我國在沖壓基礎理論及成形工藝、模具標準化、模具設計、模具制造工藝及設備等方面與工業(yè)發(fā)達的國家尚有相當大的差距，導致我國模具在壽命、效率、加工精度、生產周期等方面與工業(yè)發(fā)達國家的模具相比距離相當大。 一、 國內模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 (1)國內模具的現(xiàn)狀 我國模具近年來發(fā)展很快，據(jù)不完全統(tǒng)計，2003年我國模具生產廠家約有2萬多家，從業(yè)人員約50多萬人，2004年模具行業(yè)的發(fā)展保持良好勢頭，模具企業(yè)總體上訂單充足，任務飽滿，2004年模具產值530億元。進口模具18.13億?美元，出口模具4.91億美元，分別比2003年增長18%、32.4%和45.9%。進出口之比2004年為3.69:1，進出口相抵后的進凈口達13.2億美元，為凈進口量較大的國家。 在2萬多家生產廠點中，有一半以上是自產自用的。在模具企業(yè)中，產值過億元的模具企業(yè)只有20多家，中型企業(yè)幾十家，其余都是小型企業(yè)。?近年來，?模具行業(yè)結構調整和體制改革步伐加快，主要表現(xiàn)為：大型、精密、復雜、長壽命中高檔模具及模具標準件發(fā)展速度快于一般模具產品；專業(yè)模具廠數(shù)量增加，能力提高較快；"三資"及私營企業(yè)發(fā)展迅速；國企股份制改造步伐加快等。 雖然說我國模具業(yè)發(fā)展迅速，但遠遠不能適應國民經濟發(fā)展的需要。我國尚存在以下幾方面的不足: 第一，體制不順，基礎薄弱?！叭Y”企業(yè)雖然已經對中國模具工業(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市場經濟，再加上國內模具工業(yè)基礎薄弱，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方面。 ??? 第二，開發(fā)能力較差，經濟效益欠佳.我國模具企業(yè)技術人員比例低，水平較低，且不重視產品開發(fā)，在市場中經常處于被動地位。我國每個模具職工平均年創(chuàng)造產值約合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．雖然國內許多企業(yè)采用了先進的加工設備，但總的來看裝備水平仍比國外企業(yè)落后許多，特別是設備數(shù)控化率和CAD/CAM應用覆蓋率要比國外企業(yè)低得多。由于體制和資金等原因，引進設備不配套，設備與附配件不配套現(xiàn)象十分普遍，設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)化生產水平低，專業(yè)化分工不細，商品化程度也低。目前國內每年生產的模具，商品模具只占45%左右，其馀為自產自用。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，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技術落后．模具材料性能、質量和品種往往會影響模具質量、壽命及成本，國產模具鋼與國外進口鋼相比，無論是質量還是品種規(guī)格，都有較大差距。塑料、板材、設備等性能差，也直接影響模具水平的提高。 （2）國內模具的發(fā)展趨勢 巨大的市場需求將推動中國模具的工業(yè)調整發(fā)展。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)展方向包括以下幾方面:???? 1模具日趨大型化； 2在模具設計制造中廣泛應用CAD/CAE/CAM技術； 3模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)； 4提高模具標準化水平和模具標準件的使用率； 5發(fā)展優(yōu)質模具材料和先進的表面處理技術； 6模具的精度將越來越高； 7模具研磨拋光將自動化、智能化； 8研究和應用模具的高速測量技術與逆向工程； 9開發(fā)新的成形工藝和模具。 二、國外模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 模具是工業(yè)生產關鍵的工藝裝備，在電子、建材、汽車、電機、電器、儀器儀表、家電和通訊器材等產品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。用模具生產制作表現(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的質量、效益和新產品的開發(fā)能力。近幾年，全球模具市場呈現(xiàn)供不應求的局面，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值的三分之一。? 國外模具總量中,大型、精密、復雜、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)的產值就占德國模具產值的90%，可見其規(guī)模效益。 隨著時代的進步和技術的發(fā)展，國外的一些掌握和能運用新技術的人才如模具結構設計、模具工藝設計、高級鉗工及企業(yè)管理人才，他們的技術水平比較高．故人均產值也較高．我國每個職工平均每年創(chuàng)造模具產值約合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％． 第1章 彎曲件工藝性分析及方案的確定 1.1 彎曲件工藝性分析 此工件為典型彎曲件。材料為08鋼，具有良好的彎曲性能適合彎曲成型加工。工件結構簡單，除了裝配尺寸，公差等級IT14級有嚴格要求外其余尺寸均為自由公差，工件整體上看，尺寸精度較低，普通彎曲成型完全能滿足要求。 1.2 彎曲工藝方案的確定 該工件彎曲成型，可以一次彎曲成型，也可以二次彎曲成型如今有以下三種方案供選擇： 方案一：采用一次彎曲成型，單工序生產。如下圖所示： 圖1 方案二：采用兩次彎曲成型，先彎U型再彎成型件，采用兩套單工序模生產。 具體如下圖所示： 圖a 為首次彎曲模具結構圖；圖b為第二次彎曲模具結構圖。 a)首次彎曲 b)二次彎曲 圖2 方案三：采用在一套模具上成型，復合模生產。具體如下圖所示： 圖3 1.3 彎曲件工藝方案分析 方案一、模具結構簡單，生產制造成本低，但工件尺寸精度低，尤其是四個直角的精度難以得到保證。另外，在彎曲過程中，由于凸模肩部妨礙了坯料的轉動，加大了坯料通過凹模圓角的摩擦力，使彎曲件側壁容易擦傷和變薄，成型后彎曲件兩肩部與底面不平行。 方案二、模具結構相對簡單，生產成本較高，由于采用兩副模具進行彎曲成形，從而可以避免了方案一中的缺陷，提高了彎曲件的質量，但由于采用兩副模具進行生產，生產效率較低，另外，凹模的強度不易保證。 方案三、模具結構復雜，生產制造成本與方案二差不多，但是工件尺寸精度，位置精度容易保證，生產效率也高。 綜上所述，經過對三種方案的比較分析可見，該工件的彎曲成型生產采用方案三比較合理。 第2章 主要設計計算 2.1 彎曲件毛坯坯料尺寸的計算 L= 式中: L—彎曲件毛坯長度（mm）； —彎曲件各直線段長度之和（mm）； —彎曲件各部分（圓弧部分）應變中性層展開長度之和（mm）； 圖4 2.2 彎曲應力的計算 該模具工件屬于自由彎曲成型，所以U形件彎曲力： = 式中： — 自由彎曲在沖壓行程結束時的彎曲力(N)； B — 彎曲件的寬度,B=35mm； t — 彎曲材料的厚度(mm)； r — 彎曲件的內彎曲半徑(mm)； — 材料的抗拉強度(MPa)； K — 安全系數(shù),一般取K=1.3； = ＝16222.3 N 2.3 壓料力的計算 根據(jù)《沖壓模具設計與制造》公式(3.5.4),如果彎曲模設有頂出裝置或壓料裝置時,其頂出力可以近似取自由彎曲力的30%～80%即: =(0.3～0.8) 在此取: =0.6 =0.6×16222.3 =9733.3 N 2.4 壓力機公稱壓力的確定 根據(jù)《沖壓模具設計與制造》公式(3.5.5)即: (1.2 ～ 1.3)×(+) 考慮到彎曲工件板料較厚,而且板寬也較大,壓力機公稱壓力應取值偏大為宜。 在此取: 1.3(+) =1.3×(16222.3+9733.3) =33742.28 N 根據(jù)計算結果,查《模具實用技術手冊》表2-3初選壓力機為：J11—5。 2.5 彎曲模工作部分尺寸的設計 由方案三可知,所設計的復合模整個工作原理可分為兩部分: U型彎曲和在U 型彎曲基礎上的成型彎曲。歸根到底,其設計為U 型彎曲種類,所以其設計可按U 型件設計方法設計。 2.5.1 凸模圓角半徑的設計 因為=0.5, 值較小,所以取=r=0.5 mm 2.5.2 凹模圓角半徑 根據(jù)實際生產經驗可知: 當t = 1 mm 時, =(2 ～ 3) t 從保證制件精度要求考慮,特別是所設計的彎曲復合模值不宜取大值。在此?。海? t ＝2 ×1 ＝2 mm 2.5.3 凹模深度 圖5 凹模深度過小,則坯料兩端受壓部分太多,工件回彈大,而且不平直,影響工件質量。如果過大,則浪費模具鋼材,且需沖床有較大的工作行程。 由前面計算可知彎曲件邊長L=++ =27+11+13 =51 mm 據(jù)邊長L=51 mm 查《中國模具設計大典3》表19.3-18得: = 20 mm 2.5.4 凹凸模間隙計算 查《沖壓模具設計與制造》的U 型件彎曲的凸凹模單邊間隙可按下式計算: C = +xt=t++xt 式中: C—彎曲凹、凸模單邊間隙(mm)； t—工件材料厚度(基本尺寸)(mm)； —工件材料厚度的正偏差(mm)； X—間隙系數(shù),查《中國模具設計大典3》表19.3-19得X=0.1； 所以: C = 1+0.006+0.1×1 =1.006mm 2.5.5 U 形彎曲凸凹模橫向尺寸的設計 圖6 由工件圖上可知:工件是內形標注的彎曲件,設計時應該以凸模為基準先確定凹模尺寸。再利用凸凹間隙求出凹模的尺寸。 根據(jù)《沖壓模具設計與制造》教程公式(3.944)與(3.9.5)得: 凹模尺寸為: 式中:—凹模橫向尺寸(mm)； Z—凹凸模雙面間隙(mm)； —凹模的制造公差,取IT8級得； —彎曲橫向尺寸公差，對稱偏差時=2； =(29-0.75*0.025=28.80 凸模尺寸為: 式中:—凸模橫向尺寸(mm)； —彎曲件橫向的最小極限尺寸(mm)； —彎曲件的尺寸公差(mm)； —凸模的制造公差,采用IT7級； 所以:=(28.80-0.02 =28.78 查《公差與配合手冊》表1-6標準公差數(shù)值IT7級得: = mm 查《公差與配合手冊》表1-6標準公差值IT 8級得: =mm 2.5.6 彈簧的設計 1)根據(jù)模具安裝位置,選定4個彈簧,每個彈簧的彈頂力為: /N 式中:—彈簧復位的彈頂力(N),在此=22354.3 N ； —彈簧的預頂力(N)； N—彈簧數(shù)量； /N = 22354.3/4 = 5588.58N 2)查《中國機械工業(yè)標準匯編彈簧卷》GB/T2089-94表有關彈簧規(guī)格,初選規(guī)格為25mm×3.5mm×80mm,具體參數(shù)是D=25mm,d=3.5mm,t=7.0mm ,=80mm，=80. 3)計算彈簧預壓縮量 = 式中:—彈簧預壓縮量(mm)； —彈簧最大允許負荷(N)； 所以:=×80 =20.0mm 4) 彈簧較核 彈簧實際工作總壓縮量:=+ 式中:—彈簧工作行程(mm)； =+ 式中:—凸模進入凹模深度11mm； —擺塊進行二次彎曲工作時,凸模下滑行程25 mm 。 所以: =11+25=36mm =+ =20+36 =56mm 顯然, < = 56 mm ,所以所選的彈簧是合適的,可用。 第3章 模具類型的選擇 3.1 具體結構選擇 由彎曲工藝分析可知,采用復合模,所以模具類型為復合模。具體結構如下土所示: 圖7八字擺塊復合模結構 模具上模部分主要由: 凹模、打桿、壓板組成，卸料方式采用剛性打件裝置卸件。 工作原理:上?；爻?壓力機限位裝置迫使打桿推動壓板把彎曲件從凹模腔中推出。下模部分由凸模,限位釘(2個),擺塊(一對),銷軸(2個),導板,銷釘(2個),內六方螺釘(4個),下模座,限位塊(2個),螺釘(2個),上墊板,下墊板,彈簧等零件組成。 彎曲坯料由前一沖裁工序準備尺寸為:113.42 mm×70 mm ,板料由前方送進,送料方向定位由限位釘限位,左右方向由限位塊定位。板料定位后,上模下行,凸模壓入凹模同時把板料拉入模腔內,進行首次U型彎曲動作；當凸模壓入凹模深度22mm時,首次U型彎曲完成,進入二次彎曲動作,這時,在上模下行力的驅使下,擺塊被迫向左右擺動,同時板料發(fā)生二次彎曲動作,最后工件成型。由于彎曲回彈力的作用下,工件被卡在凹模腔內,隨著上?；爻?。當上模的打桿觸動壓力機的限位裝置時,達桿推動壓板迫使工件從凹模中頂出,卸下工件。在上模回程同時,下模的彈簧彈性勢能釋放,驅使凸?；爻?從而完成整個工件的彎曲動作。 3.2 定位方式的選擇 因為模具采用的是前一工序沖裁好的板料,板料由模具前方送進,送進方向在凸模的頂部設有兩個限位釘定位,左右方向采用一對定位塊定位。 3.3 出件方式的設計 工件彎曲成型后由于彎曲回彈力的作用下,工件回卡在凹模內,為此,在這里采用了上出見的方式,利用壓力機的限位裝置迫使打桿推動壓板頂出工件。 第4章 主要零件的設計 4.1 凸模的結構設計 4.1.1 凸模的結構草圖如下所示 圖8 在凸模頂部鉆兩個的孔固定兩個限位釘,凸模與限位釘?shù)呐浜习碒7/n6 配合。在底部鉆一螺孔用來與上墊板連接,另外在兩側各鉆兩個銷孔用以安裝擺塊,其中銷軸與銷孔采用H7/m6 配合。 4.1.2 凸模主要尺寸的計算 長度方向:===35mm 式中:—擺塊的寬度(mm)； —坯料寬度35mm； L=+2t 式中:t—凸模長度方向上側壁厚度,綜合考慮到模具強度,剛度和生產成本,選t=5mm。 L=35+2×5 =45mm 寬度方向: 由前面凸模橫向尺寸計算可知:B==27.28mm； =B—2P 式中: p—擺塊的厚度,由后面擺塊設計中可知,p=8mm。 所以: =54.56—2×8 =38.56mm d=+p/2 =38.56+8/2 =42.56mm 從定位準確和加工難易程度考慮,在此選R=2.5mm。 高度方向:==11mm 式中:—首次彎曲時,凸模進入凹模的深度22mm。 =+P/2 =11+4 =15mm h=+++ 式中: —首次彎曲,凸模進入凹模的深度(mm)； —擺塊高度,由后面擺塊設計中可知=58mm； —導板的高度4 mm,由后面的設計可知； —下模座的高度26 mm,由后面的設計可知； 所以: h =11 + 29 + 4 + 13 = 57 mm 凸模其余尺寸的設計和具體結構的設計可參見后面的凸模零件圖所示。 4.2 凹模的結構設計 4.2.1 凹模的結構草圖 考慮到凹模在彎曲時所受的彎曲力和左右張力都比較大,因此,對凹模的強度和剛度都要有較高的要求。為了保證凹模的強度和剛度,在此把凹模和模柄做成一個整體,其結構草圖如下所示: 圖9 4.2.2 凹模主要尺寸的設計 長度方向的計算: = = 28.80 mm L = + 2 式中: —— 凹模側壁厚度,因為工件在第二次彎曲成型是在凹模與擺塊的共同作用下成型的,所以凹模壁厚度應略大于工件的凸緣外伸部分尺寸,即: > + 由前面彎曲件坯料尺寸計算可知, =27 mm , = 1 mm 所以: >27 +1 =28 mm 綜合考慮模具剛度和生產成本,在此取 = 30 mm 。 所以: L = 28.80 + 2 x 7 = 42.8 mm 在此取L = 45 mm 。 高度方向: = + 式中: —首次彎曲凸模進入凹模的深度 = 11 mm ； —壓板高度（mm），= 13 mm 。 所以： =11 +13 =24 mm 凹模其余尺寸的設計和凹模結構的具體設計可參見后面的凹模結構零件圖所示。 4.3 擺塊的結構的設計 4.3.1 擺塊的結構草圖如下所示 圖10 4.3.2 擺塊的主要尺寸的設計 圓角半徑R：R = / 2 式中： —— 擺塊的厚度（mm），根據(jù)擺塊的工作受力情況和生產成本考慮在此選 = 8mm 所以：R = 8/ 2 =4 mm 擺塊寬度B：B = =35mm 式中：—— 彎曲坯料的板寬35mm。 擺塊的工作原理圖如下所示： 圖11 由上面擺塊工作原理得L的計算公式如下： L = + + 式中： —— 模側壁的厚度，=3.5 mm； —— 坯料厚度，= 1 mm； —— 擺塊厚度，= 8 mm。 L =3.5 +1 + 8 / 2 =8.5mm 擺塊的其余尺寸設計與及具體結構可參見后面擺塊零件圖所示。 4.4定位零件的設計 坯料的定位采用限位釘前方定位和定位塊左右定位，限位釘與凸模頂孔采用H7 / n6配合固定,定位塊采用銷釘定位,螺桿固定在下模座上。 4.4.1 限位釘?shù)脑O計 限位釘?shù)慕Y構草圖如下所示: 圖12 由于限位釘只起限位作用,基本上不受過大的力作用,所以限位釘尺寸設計如下即可滿足使用要求: = 5 mm D = 8 mm h = 5 mm 其余尺寸設計見后面限位釘零件圖所示。 4.4.2 定位塊的設計 定位塊的結構草圖如下所示: 圖13 定位塊主要工作尺寸H可按以下公式計算: H = + t + 式中: H —— 定位塊主要工作尺寸(mm); —— 凹模高度, = 28.5 mm ; t —— 坯料厚度, t = 1 mm ; ——為定位可靠,設定的自由高度,在此選定= 5 mm。 所以: H = 28.5 + 1 + 5 =34.5 mm 定位塊的其余尺寸設計及具體結構可參見后面定位塊零件圖所示。 4.5 彈頂部件的設計 由于工件彎曲受力較大，在此采用彈簧作彈性元件。彈簧具有彈壓力大，彈頂靈活等優(yōu)點。該模具采用4根彈簧，上下墊板和4螺桿組成彈頂部件 由模具結構所限，上下墊板均是圓形結構，主要設計如下： 上墊板： 直徑58 mm ,厚度6 mm ； 下墊板： 直徑58 mm ,厚度6 mm ； 上下墊板均采用45鋼制造，淬火硬度40 ～ 45 HRC 。其具體結構見后面墊板零件圖所示。 4.6 導板的設計 導板主要起導向定位作用，選用材料T8A，淬火硬度58 ～ 60 HRC。制造尺寸：71 mm×57 mm×4 mm 。其具體結構以及尺寸設計見后面墊板零件圖所示。 第5章 壓力機的參數(shù)與較核 由前面壓力機公稱壓力計算初選的壓力機型號：J23-6.3，查《模具實用技術手冊》表2-3得壓力機主要技術參數(shù)如下： 公稱壓力：63 KN ； 滑塊行程：20 mm ； 最大閉合高度：100mm ； 最大裝模高度：110 mm ； 連桿調節(jié)長度：35 mm ； 工作臺尺寸（前后x左右）：200 mm x 310 mm ； 墊板尺寸（厚度）：30mm ； 模柄孔尺寸：30 mm x 50 mm ； 最大傾斜角度： 由上述技術參數(shù)可知，所選壓力機J23-6.3型號可用。 第6章 模具零件的加工工藝 6.1凸模的加工工藝過程 工序號 工序名稱 工序內容 1 備料 鋸床下料40 mm x 65 mm 2 煅造 煅成47 mm x 29 mm x 60 mm 3 熱處理 退火，硬度 229 HBS 4 刨 刨六面，互為直角46 mm x 29 mm x 60 mm 5 平磨 磨六方45 mm x 23 mm x 56 mm 6 數(shù)控銑 銑出擺塊安裝槽 7 熱處理 淬火硬度58 60 HRC 8 磨 磨外形至圖紙要求尺寸，42.56 mm x 15 mm x 57 mm 磨安裝槽至圖紙要求尺寸，35 mm x 15.28 mm x 27.28 mm 9 鉗 倒角去毛刺。畫線、鉆孔、攻螺紋、精修等。研磨銷孔。精修全部達設計要求。 6.2 凹模的加工工藝過程 工序號 工序名稱 工序內容 1 下料 鋸床下料42 mm x 60 mm 2 鍛造 煅成45 mm x 41 mm x 46 mm 3 熱處理 退火，硬度≤229 HBS 4 刨 刨外形與凹模腔，留2 mm 余量。 5 磨 磨外形與凹模腔，留0.5 mm 余量。 6 銑 樹控銑，銑10孔與8孔，留0.5余量。 7 熱處理 淬火硬度58 60 HRC 8 磨 磨至圖紙要求 9 鉗 倒角、去毛刺、精修、研磨凹模腔，8孔。 第7章 模具的裝配 模具的裝配全過程如下表格所示： 序號 工序 工藝說明 1 凸凹模預配 1.裝配前仔細檢查凸模形狀、尺寸以及凹模的形狀與尺寸，是否符合圖紙要求尺寸精度，形狀精度。 2.將凸模與凹模相配，檢查加工是否均勻。不適合者，應重新修磨或者更換。 2 凸模裝配 以凸模為基準，安裝好限位釘，擺塊。 3 裝配下模 1.把導板與下模座安裝好。 2.把彈頂部件安裝到下模座上。 3.安裝凸模，由上端把已經安裝好的凸模部件壓入導板孔至上墊板接觸，用螺釘把凸模與上墊板連接擰緊。 4.安裝定位塊，把定位塊安裝到下模座上。 4 上模安裝 把壓桿插入凹模后與壓板連接好，擰緊。 5 安裝模具 分別把上模部分，下模部分安裝到壓力機工作臺上，并調出合理的間隙。 6 試沖與調整 開機試沖并根據(jù)試沖的結果作出相應的調整。 第8章 模具試沖時常見的故障及原因和調整方法 下表分別列出了模具在試沖時常見的故障，原因和調整方法： 常見故障 產生原因 調整方法 彎曲角度不夠 1.凸凹模的回彈角制造過小 2.凸模進入凹模的深度太淺 3.凸、凹模間隙過大 4.試模材料不對 5.彈頂器的彈力太小 1.加大回彈角 2.調整沖模閉合高度 3.調整間隙值 4.更換試沖材料 5.加大彈頂器的彈頂力 彎曲位置偏移 1.定位塊的位置不對 2.凹模兩側進口圓角大小不等，材料滑動不一致 3.沒有壓料裝置或者壓料裝置的壓力不足和壓板位置過低 4.凸模沒有對正凹模 1.調整定位板位移 2.修磨凹模圓角 3.加大壓料力 4.調整凸凹模位置 沖件的尺寸過長或者不足 1.凸凹模之間間隙過小，材料被拉長 2.壓料裝置壓力過大，將材料拉長 3.設計時計算錯誤或不正確 1.調整凸凹模間隙 2.減小壓料力 3.改變坯料尺寸 沖件外部有光亮的凹陷 1.凹模的圓角半徑過小，沖件表面被劃痕 2.凸、凹模之間的間隙不均勻 3.凸、凹模表面粗糙度太大 1.加大圓角半徑 2.調整凸、凹模間隙 3.拋光凸、凹模表面 致 謝 首先感謝本人的指導老師于智宏老師，她仔細審閱了本文的全部內容并對我的畢業(yè)設計內容提出了許多建議。 感謝母?！幽蠙C電高等專科學校的辛勤培育之恩！感謝材料工程系給我提供的良好學習及實踐環(huán)境，使我學到了許多新的知識，掌握了一定的操作技能。 感謝和我在一起進行課題研究的同窗王貴周同學，和他在一起討論、研究使我受益非淺。 最后，我非常慶幸在三年的的學習、生活中認識了很多可敬的老師和可親的同學，并感激師友的教誨和幫助！ 參考文獻 [1] 劉建超，張寶忠主編.沖壓模具設計與制造.北京：高等出版社，2004.6 [2] 李崇豪主編.實用模具設計與制造手冊.北京：機械出版社，2000.10 [3] 中國機械工程學會，中國模具設計大典編委員會.中國模具設計大典3.南昌：江西科學出版社，2003.1 [4] 任嘉卉主編.公差與配合手冊. 北京：機械出版社，2000.4 [5] 馮炳光主編.模具設計與制造簡明手冊.上海：上海科學技術出版社，1998.5 [6] 全國彈簧標準化技術委員會編.中國機械工業(yè)標準匯編彈簧卷.北京：中國標準出版社，1999.6 26