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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(xué)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(xué)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(xué)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?；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(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(xué)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 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(xué)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(shù)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。 常州工學(xué)院成人（繼續(xù)）教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 系： 專業(yè)： 班級： 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 職稱 課題名稱 鉸鏈落料沖孔復(fù)合模具設(shè)計 課 題 工 作 內(nèi) 容 主要是對鉸鏈落料沖孔復(fù)合模具的加工工藝規(guī)程以及工藝裝備進行設(shè)計 指 標 ︵ 目 標 ︶ 要 求 對零件進行工藝分析,擬訂零件的工藝路線,計算各工序的工序內(nèi)容, 設(shè)計指定工序的零件圖，總裝圖，繪制出圖紙（不少于兩張A0），完成設(shè)計說明書 進 程 安 排 3月1日到3月9日對所加工的零件進行工藝分析 3月10日到3月18日擬定工藝路線及確定工序內(nèi)容 3月19日到4月20日完成說明書以及圖紙 4月21日給老師檢查并且修改好所有的設(shè)計 4月25日把所有的設(shè)計交給老師 4月29日答辯 主 要 參 與 文 獻 1.成虹《沖壓工藝與模具設(shè)計》 北京 高等教育出版社 2002 2 王芳《冷沖壓模具設(shè)計指導(dǎo)》 北京 機械工業(yè)出版社 1999 3 王之櫟《機械設(shè)計綜合課程設(shè)計》北京 機械工業(yè)出版社 2003 4 李培根《機械工程基礎(chǔ)》北京 機械工業(yè)出版社 2002 5 胡荊生《公差配合與技術(shù)測量基礎(chǔ)(第二版) 》北京 中國勞動社會保障出版社 2000 6 陳于萍《高曉康編著，互換性與測量技術(shù)》北京 高等教育出版社 2002 7 吳宗澤《機械零件設(shè)計手冊》北京 機械工業(yè)出版社 2003 8 許發(fā)樾《實用模具設(shè)計與制造手冊》北京 機械工業(yè)出版社 1992 地 點 無錫技師學(xué)院 起止 日期 自2007年3月1日 至2007年4月25日 系主任： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 年 月 日 摘 要 此次我的畢業(yè)設(shè)計題目是鉸鏈冷沖壓模具設(shè)計，經(jīng)過對這個題目的分析與研究，最終確定了以復(fù)合模沖孔落料（落料與沖Φ8.4孔）→沖Φ10.4孔→預(yù)彎→卷圓→彎曲的工序組合來完成這副模具的設(shè)計。此課題主要詳細介紹了在鉸鏈冷沖壓模具設(shè)計過程中，對各個工序的設(shè)計構(gòu)想及具體實施方案，并且主要講述模具設(shè)計工藝方案及工藝過程。 由于工作量大，所以此套模具由多人完成，而我設(shè)計的課題是鉸鏈落料沖孔復(fù)合模具設(shè)計，在對沖壓件工藝分析后我進行了方案比較與確定，然后以我自己的課題估算了模具各主要零件（凹模、凸模固定板、墊板，凸模）的外形尺寸，并確定標準模架以及卸料橡膠或彈簧的自由高度等。我設(shè)計的這副落料沖孔模的特點及原則是：首先得保證產(chǎn)品質(zhì)量節(jié)約原材料，降低勞動強度，降低成本，提高勞動生產(chǎn)率，最后達到產(chǎn)品的要求。 關(guān)鍵詞 冷沖模 復(fù)合模 設(shè)計 目 錄 第一章 概述………………………………………………………………………1 1.1課題的來源與選題依據(jù)…………………………………………………………1 1.1.1課題的意義……………………………………………………………………1 第二章 沖壓工藝過程設(shè)計…………………………………………………1 2.1沖壓件的工藝分析………………………………………………………………2 2.1.1根據(jù)零件的使用條件和技術(shù)要求進行工藝分析……………………………2 2.1.2根據(jù)零件的形狀、尺寸精度和材料進行工藝分析…………………………2 2.1.3材料分析………………………………………………………………………3 2.2沖壓件工藝方案的確定………………………………………………………4 2.2.1沖壓工序類型和工序數(shù)量的確定……………………………………………4 2.2.2工序組合及方案比較…………………………………………………………4 2.2.3各工序模具結(jié)構(gòu)形式的確定…………………………………………………4 2.2.4計算并確定每個工序的形狀和尺寸并繪制各工序圖………………………4 2.2.5 計算各工序的沖壓力，初選壓力機………………………………………9 第三章 沖壓模具設(shè)計………………………………………………………12 3.1 模具結(jié)構(gòu)形式的確定…………………………………………………………12 3.2 計算模具壓力中心，確定模具受力中心的位置………………………………12 3.3 計算或估算模具各主要零件…………………………………………………12 3.4 確定凸、凹模的間隙，計算凸凹模工作部分尺寸…………………………14 3.5 校核壓力機……………………………………………………………………14 結(jié)論………………………………………………………………………………16 致謝………………………………………………………………………………17 參考文獻………………………………………………………………………18 附錄………………………………………………………………………………19 鉸鏈落料沖孔復(fù)合模具設(shè)計 第一章 概述 1.1 課題的來源與選題依據(jù) 1.課題來源：企業(yè)開發(fā)研制產(chǎn)品需要。 選題依據(jù)：根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)及教學(xué)大綱要求，結(jié)合相關(guān)企業(yè)實際生產(chǎn)需要及設(shè)計模式，促使學(xué)生將所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識及專業(yè)知識具體應(yīng)用到實踐中，培養(yǎng)其理論聯(lián)系實際的能力。 1.1.1 課題的意義及目的 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，沖壓及模具技術(shù)也在不斷革新與發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1）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方法，對復(fù)雜成型件的成型過程進行應(yīng)力，應(yīng)變分析的計算機模擬，只預(yù)測某一工藝方案對零件成型的可能性和會發(fā)生的問題，將結(jié)果顯示在圖形的終端上，供設(shè)計人員進行修改和選擇。 2）模具設(shè)計制造現(xiàn)代化 為了加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代，縮短模具設(shè)計周期，工業(yè)發(fā)達國家正在大力開展模具計算機輔助設(shè)計和制造的研究，并已在生產(chǎn)中運用。 3）冷沖壓生產(chǎn)機械化與自動化 為了大量生產(chǎn)的需要，沖壓設(shè)備由低速壓力機發(fā)展到高速自動壓力機。 4）發(fā)展新的成型工藝 為了滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代和小批量生產(chǎn)的需要，發(fā)展了一些新的成型工藝，簡易模具，數(shù)控沖壓設(shè)備和沖壓柔性制造技術(shù)等。 5）不斷改進板料的沖壓性能 目前世界各先進工業(yè)國不斷研制出沖壓性能良好的板料，只提高沖壓成型能力和使用效果。 設(shè)計目的： 1）掌握冷沖壓模具的設(shè)計方法，要求我們將理論與實際密切聯(lián)系起來力求所學(xué)知識更完備。 2）培養(yǎng)綜合運用所學(xué)知識，獨立解決實際問題的能力，并提高模具的設(shè)計與制造水平。 3）熟悉查閱有關(guān)資料的手冊的方法，了解成型模具的工藝要求及結(jié)構(gòu)特點。 4）為了使我們?yōu)橐院蟮墓ぷ鞔蛳铝己玫幕A(chǔ)。 第二章 沖壓工藝過程設(shè)計 2.1 沖壓件的工藝分析 2.1.1 根據(jù)零件的使用條件和技術(shù)要求進行工藝分析 該零件(鉸鏈)主要用于電信設(shè)備上零部件的安裝固定以及用于其它地方，可以說用途甚為廣泛。有兩個該零件通過銷一樣的東西將其結(jié)合就形成了鉸鏈，但問題的關(guān)鍵是要注意卷圓部分以及八字孔，而其它部分要求并不是十分嚴格，只要能達到產(chǎn)品使用目的就可以。 2.1.2 根據(jù)零件的形狀、尺寸精度和材料進行工藝分析 1 沖裁件的形狀和尺寸 a.該沖裁件形狀簡單、對稱、可采用少廢料直排，提高材料利用率，并且該沖裁件的外形4處交角處采用了圓角過渡，而八字形孔要保證其尖角不允許圓角過渡，但卷圓端部的兩個90°尖角不符合沖裁工藝要求，故需要設(shè)工藝圓角，其圓角值可查《沖壓工藝與模具設(shè)計》 表2.6.1 Rmin=0.35t=0.35×2.5=0.875mm，取Rmin=1mm。 b.因該沖裁件本身就沒有懸臂與狹槽，故不需考慮其最小寬度b。 c.因受模具強度和零件質(zhì)量的限制，沖裁件中孔與孔之間以及孔與零件邊緣之間的壁厚值不能太小，若是太小零件質(zhì)量不易保證。查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》圖2.6.2 知必須滿足c≥t ，即c≥2.5，而該沖裁件上Cmin=9-5.2=3.8>c 故滿足要求。 d.沖裁件的孔徑由于受沖孔凸模強度和剛度的限制而不宜太小，否則凸模易折斷和壓彎。該沖裁件的材料為SS400 ，τ =400～510Mpa，查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》表2.6.2知自由凸模最小沖孔孔徑d≥1.3t=1.3×2.5=3.25mm，而該零件的最小孔徑d=Φ8.4＞3.25mm 故滿足要求。 e.該零件上尺寸90、70，20、40等都是自由公差按IT14取，尺寸趨近IT14級，而尺寸Φ8.5±0.3、Φ10.4±0.2、Φ8.4±0.2均在IT14級以下，普通沖裁加工可獲得的零件尺寸公差等級可以查《冷沖壓模具設(shè)計指導(dǎo)》表8-19，當t=2.5mm時，內(nèi)孔、孔中心距和孔邊距高于IT14，故該沖裁件可以用普通沖裁完成。 2 彎曲工藝性分析 a.彎曲件的最大彎曲圓角半徑可以不加限制，只要措施得當控制其回彈量即可，查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》表3.3.1 最小相對彎曲半徑Rmin/t的實驗數(shù)值： 當彎曲線與板料軋紋方向垂直時Rmin=0.6×2.5=1.5mm； 當彎曲線與板料軋紋方向水平時Rmin=1.2×2.5=3mm；而R=5≥Rmin 故滿足要求。 b.由后面尺寸展開計算知直邊L2=18.42mm， 即H=L2=18.42mm＞2t=2×2.5=5mm，故彎曲件的直邊高度也滿足要求。 c.孔邊至彎曲半徑中心的距離L 查《沖壓工藝與模具設(shè)計》P120 圖3.3.14知 L≥2t 而L=26.44-9-8.5-4.2=4.74≤2t=2×2.5=5mm。故不能滿足要求，應(yīng)先彎曲后沖孔。但尺寸相差不大，且考慮該八字形孔是固定螺栓讓孔，形狀和尺寸要求并不是很高，允許有少量的變形，如果重新做模具其成本大大增加，所以綜合考慮仍然采用沖孔落料復(fù)合模。 2.1.3 材料分析 SS400材料分析 寶鋼鋼鐵股份有限公司廠標 國家標準 Q/BQB 321-2003 GB912-89/GB 3274-88（GB710-91/GB711-88） SS400 Q235、Q245 化學(xué)成分 牌號 公稱厚度 化學(xué)成分 SS400 ≤22.0 C Si Mn P S ≤0.21 ≤0.30 ≤1.40 ≤0.035 ≤0.035 力學(xué)性能 牌號 下屈服強度/MPa （） 抗拉強度/Mpa （） 斷后伸長率 180°彎曲試驗 V型沖擊試驗 Lo=50mm Lo=20mm b=25mm B=40mm b≥35彎心直徑 公稱厚度/mm 公稱厚度/mm 溫度試驗 沖擊功率 ≤16 ＞16 ≤5 ＞ 5～16 ＞16 ≥245 ≥235 400～510 ≥21 ≥17 ≥21 3a — — — — 注： a.拉伸試驗取橫向試樣；屈服現(xiàn)象不明顯，采用Rpa2；對拉伸試驗取Lo=50mm，b=25mm的試樣，即為GB/T228中P14試樣。 b.彎曲試驗取橫向試樣。沖裁試驗時試驗寬度為35mm。 c.沖擊試驗取縱向試樣，沖擊試驗僅適用于厚度不小于12.0mm的產(chǎn)品。 d.WEL-TENS90RE的拉伸試樣取Lo=50mm，b=25mm。 根據(jù)材料分析SS400韌性較好，塑性較好，彈性模量較大（E=206GPa）適宜冷沖壓成形加工。 2.2 確定工藝方案 2.2.1 沖壓工序類型和工序數(shù)量的確定 該零件為電信設(shè)備上零部件的安裝固定，故該零件為中批量生產(chǎn)，工藝性較好，可以從零件圖上直觀確定該沖裁件所需的基本工序有：落料、沖孔、預(yù)彎、卷圓、彎曲。 2.2.2 工序組合及方案比較 方案一：落料→沖Φ8.4孔→沖Φ10.4孔→預(yù)彎→卷圓→彎曲。 方案二：復(fù)合模沖孔落料（落料與沖Φ8.4孔）→沖Φ10.4孔→預(yù)彎→卷圓→彎曲。 方案三：落料與沖8字形孔的級進?！A(yù)彎→卷圓→彎曲。 方案比較： 方案一：此方案需要6副模具，工作量較大，較煩瑣，成本較高，生產(chǎn)率低。 方案二：雖然此方案要5副模具才能完成，但相對方案一6套模具來說已經(jīng)減輕工作量，并且每副模具都較簡單，而且加工質(zhì)量比較好，成本也較低。 方案三：雖然此方案只需要4副模具，但第一副模具是涉及級進模，此副模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且制造成本較高，同時沖孔時沖孔的質(zhì)量比較差，沒有方案二的沖孔質(zhì)量好；八字孔一次成型，孔與孔連接處應(yīng)力較集中，影響模具強度。 綜合考慮：采用方案二 2.2.3 各工序模具結(jié)構(gòu)形式的確定 工序Ⅰ 沖孔落料復(fù)合模，采用倒裝式。 工序Ⅱ 沖孔模，采用順裝，鑲套式凹模，下漏料。 工序Ⅲ 彎曲預(yù)彎R圓角，順裝，帶頂板校正彎曲。 工序Ⅳ 彎曲模卷圓R圓角，立式卷圓模。 工序Ⅴ 彎曲模成形彎曲，順裝，帶頂板校正彎曲。 2.2.4 計算并確定每個工序的形狀和尺寸，繪制各工序圖、排樣圖，并且計算材料利用率 1.復(fù)合模（沖外形及2-?8.4±0.2孔） 1) 計算彎曲件毛坯展開尺寸 該零件圓角半徑為R=5mm 查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》知道 R=5＞0.5t=0.5×0.25=1.25mm 故選單向彎曲件的毛坯展開長度計算公式為： 因 查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》表3.3.3知道 x=0.38 因r / t =4.25/2.5 =1.7 查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》表3.3.5知道 k=0.61 則卷圓部分 圖2-1-1 毛坯彎曲圖 圖2-1-2 彎曲角度 可得L1=26.44mm L2=18.42mm 所以毛坯展開尺寸為L=L1+L2+L3+L4=26.44+18.42+4.67+30.24=79.77mm 因零件彎曲成形時材料伸長趨勢影響故取L=79.8mm。 圖2-2 毛坯展開圖 2) 確定排樣方案 搭邊和條料寬度的確定 查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》表2.5.2因工件材料t=2.5mm且為矩形工件 L＞50mm,知a1=2.5,a2=2.8考慮補償定位誤差，保持條料有一定的剛度可取 a1=3mm ,a=3mm 條料寬度的確定。 δ、c查表2.5.3知 δ=0.8 c=0.4 此處為無側(cè)壓裝置則＝＝ 取。 按制件在材料上的排列來看排樣方案取為直排,詳見排樣圖 圖2-3 排樣圖 3）計算材料利用率 2.沖孔模（工序圖） 3.預(yù)彎（工序圖） 由前面尺寸展開計算知L1=26.44mm，L2=19.42mm，L3=4.67mm 設(shè)L5(225°圓弧長)，查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》表3.3.5知道 k=0.61 4．卷圓（工序圖） 5.零件圖 2.2.5 計算各工序的沖壓力，初選壓力機 1）復(fù)合模沖孔落料 沖裁力計算 該零件材料為SS400 取 落料 查書《沖壓模具設(shè)計指導(dǎo)》表2-20知 =0.04 = F落料=89775+3591=93366 沖Φ8.4孔 查書《沖壓模具設(shè)計指導(dǎo)》表2-20知 =0.04 = 初選壓力機 J23-16 2）沖Φ10.4孔 查書《沖壓模具設(shè)計指導(dǎo)》表2-20知 =0.04 = 初選壓力機 J23-10 3）預(yù)彎 按校正彎曲時的彎曲力計算 查書《沖壓模具設(shè)計指導(dǎo)》表3.3.6知 q=40～60 MPa取q=60MPa A≤6.25×63=393.75（彎曲件被校正部分的投影面積） =q×A=60×393.75=23625N 初選壓力機 J23-10 4）卷圓 按自由彎曲時的V形彎曲件彎曲力計算 查書《沖壓模具設(shè)計指導(dǎo)》（3.3.14）知k=1.3 ===20475N 式中b為彎曲件的寬度（mm）；t為彎曲件的厚度（mm）；r為內(nèi)圓彎曲半徑（mm）；為彎曲件的抗拉強度（MPa）；K為安全系數(shù)，一般取1.3。 初選壓力機 J23-10 5）彎曲 按校正彎曲時的彎曲力計算 查書《沖壓模具設(shè)計指導(dǎo)》表3.3.6知 q=40～60 MPa取q=60MPa A≤4.36×63=274.68N（彎曲件被校正部分的投影面積） =q×A=60×274.68=16480.8N 初選壓力機 J23-10 沖壓工藝過程卡見附錄 第三章 沖壓模具設(shè)計 3.1 模具結(jié)構(gòu)形式的確定 我所設(shè)計的是鉸鏈落料沖孔（Φ8.4）復(fù)合模具，經(jīng)分析：我采用倒裝復(fù)合模，它的定位方式可以采用一個固定擋料釘做步擋釘定距，兩個活動擋料釘做側(cè)擋釘導(dǎo)料，卸料方式可以采用彈壓卸料，剛性打料推件，詳情見模具工裝設(shè)計圖。 3.2 計算模具壓力中心，確定模具受力中心的位置 落料工序圖中考慮到倒圓角，由于計算較復(fù)雜且要求并不是太嚴格，所以我們將其近似看成是直線，以直線計算較方便，圖見工序圖 圖3-1 零件圖 各點坐標： A（0，22.5） B（13.015，0） C（32.78，38.25） D（60.29，31.5） E（79.8，15.75） 零件關(guān)于X軸對稱 所以模具的壓力中心為 （33.8 , 0） 該零件左右對稱中心坐標為（39.9，0）與（33.8 , 0）相差不大，在模柄范圍內(nèi)，為使模具結(jié)構(gòu)對稱，降低模具材料成本，選模具的壓力中心為（39.9，0）。 3.3 計算或估算模具各主要零件（凹模、凸模固定板、墊板，凸模）的外形尺寸，并確定標準模架以及卸料橡膠或彈簧的自由高度等。 1．設(shè)計凹模的外形尺寸 查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》表2.8.2知系數(shù)k=0.35 凹模外形尺寸 綜合考慮并查冷沖模國家標準 取 即凹模尺寸 （—） 凹模材料可以選用W6Mo5Cr4V2。 2．設(shè)計主要零部件外形尺寸 1）墊板 墊板的作用是承受凸模或凹模的壓力，防止過大的沖壓力在上、下模座上壓出凹坑，影響模具正常工作，墊板厚度根據(jù)壓力機大小選擇，一般取。而此副模具上墊板需考慮打板活動量，故取 而下墊板可按冷沖模國家標準查取 ，而墊板的外形尺寸與凹模輪廓尺寸基本一致 則，材料為45鋼，熱處理后硬度為。 則 上墊板尺寸 下墊板尺寸 （—） 2）固定板 固定板主要用于小型凸模或凸凹模等工作零件的固定，固定板的外形與凹模輪廓尺寸一致，厚度取即 取，材料可選Q235或45鋼。則上、下固定板尺寸 （—） 3）卸料板 卸料板外形尺寸考慮安裝條料縱向送料的擋料釘，寬度尺寸需放大，并且根據(jù)排樣圖上擋料釘位置尺寸取其寬度 ，長度仍與凹模一致，即 ， 厚度按冷沖模國家標準取 ，則卸料板的尺寸 4）卸料橡皮的自由高度 根據(jù)工件材料厚度，沖裁時凸模進入凹模深度取2mm考慮模具維修時刃磨量再考慮開啟時卸料板高出凸模，則總的工作行程 ，取，模具在組裝時橡皮的預(yù)壓量為 取 5）模架的選擇 查中華人民共和國國家標準GB2851～2875-81冷沖模.1984-01-01實施.國家標準總局 批準 選冷沖模滑動導(dǎo)向模架中間導(dǎo)柱模架 250×200×220～265 GB2851.5-81 3.4 確定凸、凹模的間隙，計算凸凹模工作部分尺寸 1）查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》表2.2.3 知 沖裁件精度在IT14時 也可以查書《沖壓工藝與模具設(shè)計》表2.3.1 設(shè)凸、凹模分別按IT6，IT7級加工制造，則 落料 展開尺寸試模修正 沖孔 孔距尺寸 = 落料凸凹模的基本尺寸與凹模相同，分別是62.7mm，89.6mm，79.8mm,8.4mm，不必標注公差，但要注明以0.36～0.5mm的雙面間隙與落料凹模配做。 3.5 校核壓力機 初選壓力機型號為J23-16，該壓力機最大閉合高度為220mm，而模具的總閉合高度為250mm，由這一條就可以說明：初選型號為 J23-16的壓力機不能滿足要求，故改選型號為 JH21-60的壓力機。 該壓力機的主要技術(shù)規(guī)格 公稱壓力/KN 600 公稱壓力行程/mm 4 滑塊行程/mm 140 行程次數(shù)/次 70 最大閉合高度/mm 300 閉合高度調(diào)節(jié)量/mm 70 滑塊中心線到機身距離/mm 270 工作臺尺寸/mm 870×520 (左右×前后) 工作臺孔尺寸/mm 150 模柄孔尺寸/mm 50×60 (直徑×深度) 電機功率/kw 5.5 1.是否滿足＞＞ 1.模具總閉合高度 由壓力機 JH21-60 知道 由＞＞知 ＞＞ ＞＞ 所以滿足要求 2.公稱壓力是否大于沖壓計算的總壓力，即≥ ≥ 所以滿足要求 3.滑塊行程是否滿足沖壓件的成形要求 所選壓力機滑塊行程為140mm 而沖裁此零件的行程只需約6mm遠遠小于140mm 所以滿足要求 4.工作臺尺寸是否大于模具尺寸 所選壓力機工作臺尺寸/mm 870×520 (左右×前后) 而模具為 480×280 所以工作臺尺寸每邊肯定大于70mm，并且工作臺墊板孔能保證廢料漏下。 因此滿足要求 根據(jù)上面計算綜合考慮課題設(shè)計（復(fù)合模落料、沖孔）等條件以及其他因素 壓力機選 JH21系列開式固定臺壓力機 選壓力機型號為 JH21-60 結(jié) 論 時光匆匆而逝，我的多年學(xué)習(xí)生活也即將結(jié)束，為了更好的適應(yīng)以后的工作，培養(yǎng)我們能運用所學(xué)的專業(yè)知識獨立解決實際生產(chǎn)問題的能力，以及鞏固和擴大課堂教學(xué)內(nèi)容提高工藝計算機械制圖的各科設(shè)計資料的能力，為今后工作崗位從事專業(yè)工作擬定出更為經(jīng)濟合理的制造工藝及設(shè)計模具打下良好的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上我們進行了兩個月的畢業(yè)設(shè)計。 通過此次冷沖模設(shè)計是我知道：冷沖模是建立在金屬塑性變形的基礎(chǔ)上，在常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一定形狀、尺寸和性能的零件的一種壓力加工方法。并且，通過這次冷沖模設(shè)計，使我重新溫習(xí)了以前所學(xué)過的有關(guān)機械方面的知識，并且通過查閱資料了解了一些新的知識，使我對模具設(shè)計有了初步的了解。 致 謝 時間過的真快，轉(zhuǎn)眼幾個星期過去了，我的畢業(yè)設(shè)計也將結(jié)束，仍清楚記得拿到畢業(yè)設(shè)計課題時，不知如何下手的尷尬場景。 在此，我首先要感謝這么多年來能讓我認真學(xué)習(xí)的母校——無錫技師學(xué)院，要感謝我的指導(dǎo)老師柴俊在畢業(yè)設(shè)計選題以及研究方法上給予的悉心指導(dǎo)，老師的學(xué)識令我受益匪淺。同時也要感謝蔡昀老師對我畢業(yè)設(shè)計的幫助。最后再次感謝柴俊、蔡昀老師。 參考文獻 [1] 成虹《沖壓工藝與模具設(shè)計》 北京 高等教育出版社 2002 [2] 王芳《冷沖壓模具設(shè)計指導(dǎo)》 北京 機械工業(yè)出版社 1999 [3] 王之櫟《機械設(shè)計綜合課程設(shè)計》北京 機械工業(yè)出版社 2003 [4] 李培根《機械工程基礎(chǔ)》北京 機械工業(yè)出版社 2002 [5] 胡荊生《公差配合與技術(shù)測量基礎(chǔ)(第二版) 》北京 中國勞動社會保障出版社 2000 [6] 陳于萍《高曉康編著，互換性與測量技術(shù)》北京 高等教育出版社 2002 [7] 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