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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(dāng)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(dāng)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?yán)?，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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(rèn)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(dāng)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(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(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(dāng)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(biāo)記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴(yán)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(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(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(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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)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. 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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(xué)校 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計中期檢查表 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 選題情況 課題名稱 彎曲件沖壓成形工藝及模具設(shè)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(wù)書 有 無 開題報告 有 無 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 中 差 學(xué)習(xí)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(fù)責(zé)人： 2009 年 4 月10 日 河南機電高等?？茖W(xué)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(xué)生姓名: 學(xué) 號: 設(shè)計(論文)題目： 彎曲件沖壓成形工藝及模具設(shè)計 起 迄 日 期: 2009 年 03月 11 日~ 05 月20 日 指 導(dǎo) 教 師: 2009 年 03 月 12 日 畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題來源及應(yīng)達(dá)到的目的： 在完成該課題之后，應(yīng)對冷沖壓工藝生產(chǎn)較為熟悉，能熟練掌握相關(guān)設(shè)計手冊的使用，能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，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)外塑料模具的發(fā)展現(xiàn)狀； 2制件的結(jié)構(gòu)工藝分析； 3支架拐件冷沖模設(shè)計，并編寫設(shè)計說明書一份； 4繪制模具總裝圖一張，并畫出非標(biāo)準(zhǔn)零件的零件圖； 5編制主要零件加工工藝過程卡。 設(shè)計題目：彎曲模設(shè)計 材料：08鋼 料厚：1mm 產(chǎn)量：批量生產(chǎn) 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 2009年 3月12日 系部意見： 系領(lǐng)導(dǎo)： 2009年3月13日 機 械 加 工 工 序 卡 工序名稱 粗銑 工序號 02 零件名稱 凹模 零件號 01 零件重量 同時加工零件數(shù) 1 材 料 毛 坯 牌 號 硬 度 型 號 重 量 T8A 設(shè) 備 夾 具 名 稱 輔 助 工 具 名 稱 型 號 銑床 虎鉗 游標(biāo)卡尺 安 裝 工 步 安裝及工步說明 刀 具 量 具 走 刀 長 度 走 刀 次 數(shù) 切 削 深 度 進給量 主 軸 轉(zhuǎn) 速 切 削 速 度 基 本 工 時 一次 1 銑上平面 φ10面銑刀 游標(biāo)卡尺 0.5 2 0.5 200㎜/ min 800r/min 一次 1 銑下平面 φ10面銑刀 游標(biāo)卡尺 0.5 2 0.5 200㎜/ min 800r/min 一次 2 銑 孔 φ5立銑刀 游標(biāo)卡尺 0.5 1 1 60㎜/ min1 400r/mi 一次 2 銑 槽 φ10立銑刀 游標(biāo)卡尺 0.5 1 1 60㎜/ min1 400r/mi 設(shè) 計 者 馬閃閃 指 導(dǎo) 教 師 于智宏 共 1 頁 第 1 頁 機 械 加 工 工 序 卡 工序名稱 粗車 工序號 02 零件名稱 凸模 零件號 03 零件重量 同時加工零件數(shù) 1 材 料 毛 坯 牌 號 硬 度 型 號 重 量 T8A 設(shè) 備 夾 具 名 稱 輔 助 工 具 名 稱 型 號 車床 三爪卡盤 游標(biāo)卡尺，螺旋測微器 安 裝 工 步 安裝及工步說明 刀 具 量 具 走 刀 長 度 走 刀 次 數(shù) 切 削 深 度 進給量 主 軸 轉(zhuǎn) 速 切 削 速 度 基 本 工 時 一次 1 車端面 45°車刀 游標(biāo)卡尺，螺旋測微器 0.5 2 2 200㎜/ min 800r/min 一次 2 車外圓 45°車刀 游標(biāo)卡尺，螺旋測微器 0.5 4 0.5 60㎜/ min1 400r/min 設(shè) 計 者 馬閃閃 指 導(dǎo) 教 師 于智宏 共 1 頁 第 1 頁 機 械 加 工 工 藝 過 程 卡 零件號 零 件 名 稱 00-02 凸模 工序號 工 序 名 稱 設(shè) 備 夾 具 刀 具 量 具 工 時 名 稱 型 號 名 稱 規(guī) 格 名 稱 規(guī) 格 名 稱 規(guī) 格 01 下料 鋸床 直尺 02 鍛造 鍛壓機 空氣錘 游標(biāo)卡尺 03 熱處理 電熱爐 火鉗 04 刨平面 刨床 虎鉗 刨刀 游標(biāo)卡尺 05 磨削 磨床 磁力夾具、虎鉗 砂輪 游標(biāo)卡尺 06 數(shù)控銑 銑床 銑刀 游標(biāo)卡尺 07 熱處理 電熱爐 火鉗 08 精磨 磨床 磁力夾具、虎鉗 砂輪 游標(biāo)卡尺 09 鉗工 研磨工具 游標(biāo)卡尺 編制 馬閃閃 校對 審核 批準(zhǔn) 機 械 加 工 工 藝 過 程 卡 零件號 零 件 名 稱 00-07 凹模 工序號 工 序 名 稱 設(shè) 備 夾 具 刀 具 量 具 工 時 名 稱 型 號 名 稱 規(guī) 格 名 稱 規(guī) 格 名 稱 規(guī) 格 01 下料 鋸床 直尺 02 鍛造 鍛壓機 空氣錘 游標(biāo)卡尺 03 熱處理 電熱爐 火鉗 04 刨平面 刨床 虎鉗 刨刀 游標(biāo)卡尺 05 磨削 磨床 磁力夾具、虎鉗 砂輪 游標(biāo)卡尺 06 數(shù)控銑 銑床 銑刀 游標(biāo)卡尺 07 熱處理 電熱爐 火鉗 08 精磨 磨床 磁力夾具、虎鉗 砂輪 游標(biāo)卡尺 鉗工 研磨工具 游標(biāo)卡尺 編制 馬閃閃 校對 審核 批準(zhǔn) 河南機電高等專科學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計說明書 畢業(yè)設(shè)計題目：彎曲件的沖壓成形工藝及模具設(shè)計 系 部 材料工程系 專 業(yè) 模具設(shè)計與制造 班 級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2009年 05月 08日 河南機電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計說明書 1緒 論 目前，我國沖壓技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還相當(dāng)?shù)穆浜?，主要原因是我國在沖壓基礎(chǔ)理論及成形工藝、模具標(biāo)準(zhǔn)化、模具設(shè)計、模具制造工藝及設(shè)備等方面與工業(yè)發(fā)達(dá)的國家尚有相當(dāng)大的差距，導(dǎo)致我國模具在壽命、效率、加工精度、生產(chǎn)周期等方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的模具相比距離相當(dāng)大。 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 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(dāng)廣泛的應(yīng)用。 在眾多家生產(chǎn)廠點中，有一半以上是自產(chǎn)自用的。在模具企業(yè)中，產(chǎn)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(jié)構(gòu)調(diào)整和體制改革步伐加快，主要表現(xiàn)為：大型、精密、復(fù)雜、長壽命中高檔模具及模具標(biāo)準(zhǔn)件發(fā)展速度快于一般模具產(chǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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。“三資”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(dá)國家大多是15～20萬美元，有的高達(dá)25～30萬美元，與之相對的是我國相當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(xì)，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，其余為自產(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(biāo)準(zhǔn)化水平低，標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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提高模具標(biāo)準(zhǔn)化水平和模具標(biāo)準(zhǔn)件的使用率； 5發(fā)展優(yōu)質(zhì)模具材料和先進的表面處理技術(shù)； 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(yīng)用模具的高速測量技術(shù)與逆向工程； 9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(biāo)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。? 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(dá)國家大多15～20萬美元，有的達(dá)到 25～30萬美元。 國外先進國家模具標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率達(dá)70%以上，而我國才達(dá)到45％。 2 彎曲件工藝性分析及方案的確定 2.1 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(jié)構(gòu)簡單，除了裝配尺寸，公差等級IT14級有嚴(yán)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。 2.2 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(chǎn)。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(chǎn)。 具體如下圖所示： 圖a 為首次彎曲模具結(jié)構(gòu)圖；圖b為第二次彎曲模具結(jié)構(gòu)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(fù)合模生產(chǎn)。具體如下圖所示： 圖3 2.3 彎曲件工藝方案分析 方案一、模具結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)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(zhuǎn)動，加大了坯料通過凹模圓角的摩擦力，使彎曲件側(cè)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(jié)構(gòu)相對簡單，生產(chǎn)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(zhì)量，但由于采用兩副模具進行生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較低，另外，凹模的強度不易保證。 方案三、模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)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(chǎn)效率也高。 綜上所述，經(jīng)過對三種方案的比較分析可見，該工件的彎曲成型生產(chǎn)采用方案三比較合理。 3 主要設(shè)計計算 3.1沖裁件主要設(shè)計計算 3.1.1排樣方式的確定及其計算 設(shè)計模具時，首先要設(shè)計條料的排樣圖，該零件具有T形的特點，可采用直對排的排樣方法。參考《沖壓工藝與模具設(shè)計》表2-8確定其排樣方式。其排樣圖如圖所示： 排 樣 圖 查最小搭邊值表可知：最小工藝搭邊值a(沿邊)=1.5mm a1(工件間)=1.2mm。 計算條料的寬度： B=62+2×1.5=65（mm） 步距：S=62+1.2=63.2(mm) 材料利用率的計算： 根據(jù)一般市場的供應(yīng)情況，原材料選用350mm×70mm×1mm的08鋼板。 計算沖壓件毛坯的面積：A=62×11+23×10=912(mm) 2 一個步距的材料利用率：η==≈65﹪ 3.1.2計算凸、凹模刃口尺寸 查《沖壓工藝與模具設(shè)計》書中表2.4得間隙值Zmin=0.100mm，Zmax=0.140mm。 由于外形形狀簡單，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。 其凸、凹模刃口尺寸計算如下： 查《沖壓工藝與模具設(shè)計》書中表2.5得凸、凹模制作公差 δT =0.020mm δA =0.030mm 校核：Zmax-Zmin =0.140-0.246=0.100mm 而δT+δA =0.050mm 滿足 Zmax-Zmin≥δT+δA的條件 查《沖壓工藝與模具設(shè)計》書中表2.6得：IT14級時磨損系數(shù)X=1, 按式（2.5） dT==mm dA==mm 3.1.3沖壓力的計算 落料力 F落 = Ltτb=（912×1×382）N=348.384KN 落料時的卸料力 F卸=K卸F落 查《沖壓工藝與模具設(shè)計》書中表2.7取K卸=0.03 故 F卸=K卸F落=0.03×348.384=10.45KN 總沖壓力為： F總=F落+ F卸=（348.384+10.45）KN=358.834KN 為了保證沖壓力足夠，一般沖裁時壓力機噸位應(yīng)比計算的沖壓力大30﹪左右，即 F總′=1.3×F總=1.3×358.384=466KN 3.1.4壓力中心的計算 用解析法求模具的壓力中心的坐標(biāo)，建立如下圖所示的坐標(biāo)系XOY. 由圖可知工件左右對稱，將工件 沖裁周邊的對稱部分分成L1、L2、 L3、L4、L5基本線段，求出各段 長度的重心位置： L1=11mm L2=19.5mm L3=10mm L4=11.5mm L5=31mm 各段長度的重心坐標(biāo)L1為（31,5.5）L2為（21.25，11）L3為（14，16） L4為（11.5，21） L5為（15.5，0） 將以上數(shù)據(jù)分別代入壓力中心坐標(biāo)公式 X=(L1 X1 +L2 X2+…+ Ln Xn )/ L1+ L2+…+ Ln Y=(L1 Y1 +L2 Y2+…+ Ln Yn )/ L1+ L2+…+ Ln 將以上個數(shù)據(jù)帶入此公式得： X=0 Y=(11×5.5+19.5×11+10×16+11.5×21) ×2/ (11+19.5+10+11.5+31) ×2 =676.5/83=8.15mm 3.2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(yīng)變中性層展開長度之和（mm）； 圖4 3.3彎曲應(yīng)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(jié)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(nèi)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； = ＝4055.575 N 3.4 壓料力的計算 根據(jù)《沖壓模具設(shè)計與制造》公式(3.14),如果彎曲模設(shè)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 =0.6×4055.575 =2433.345 N 3.5 壓力機公稱壓力的確定 根據(jù)《沖壓模具設(shè)計與制造》公式(3.15)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(yīng)取值偏大為宜。 在此取: 1.3(+) =1.3×(4055.575 +2433.345) =8435.596N 根據(jù)計算結(jié)果,查《模具實用技術(shù)手冊》表2-3初選壓力機為：J11—5。 3.6 彎曲模工作部分尺寸的設(shè)計 由方案三可知,所設(shè)計的復(fù)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(chǔ)上的成型彎曲。歸根到底,其設(shè)計為U 型彎曲種類,所以其設(shè)計可按U 型件設(shè)計方法設(shè)計。 3.6.1 凸模圓角半徑的設(shè)計 因為=0.5, 值較小,所以取=r=0.5 mm 3.6.2 凹模圓角半徑 根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗可知: 當(dāng)t = 1 mm 時, =(2 ～ 3) t 從保證制件精度要求考慮,特別是所設(shè)計的彎曲復(fù)合模值不宜取大值。在此?。海? t ＝2 ×1 ＝2 mm 3.6.3 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(zhì)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(shè)計大典3》表19.3-18得: = 20 mm 3.6.4 凹凸模間隙計算 查《沖壓模具設(shè)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(shè)計大典3》表19.3-19得X=0.1； 所以: C = 1+0.006+0.1×1 =1.006mm 3.6.5 U 形彎曲凸凹模橫向尺寸的設(shè)計 圖6 由工件圖上可知:工件是內(nèi)形標(biāo)注的彎曲件,設(shè)計時應(yīng)該以凸模為基準(zhǔn)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(shè)計與制造》教程公式(3.21)與(3.22)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(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)值IT7級得: = mm 查《公差與配合手冊》表1-6標(biāo)準(zhǔn)公差值IT 8級得: =mm 3.6.6 彈簧的設(shè)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(fù)位的彈頂力(N),在此=22354.3 N ； —彈簧的預(yù)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(biāo)準(zhǔn)匯編彈簧卷》GB/T2089-94表有關(guān)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(yù)壓縮量 = 式中:—彈簧預(yù)壓縮量(mm)； —彈簧最大允許負(fù)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。 4 模具類型的選擇 4.1 具體結(jié)構(gòu)選擇 由彎曲工藝分析可知,采用復(fù)合模,所以模具類型為復(fù)合模。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示: 圖7 八字?jǐn)[塊復(fù)合模結(jié)構(gòu) 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(dǎo)板,銷釘(2個),內(nèi)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(zhǔn)備尺寸為:65 mm×21 mm ,坯料由前方送進,送料方向定位由限位釘限位,左右方向由限位塊定位。坯料定位后,上模下行,凸模壓入凹模同時把坯料拉入模腔內(nèi),進行首次U型彎曲動作；當(dāng)凸模壓入凹模深度11mm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(qū)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(nèi),隨著上?；爻?。當(dāng)上模的打桿觸動壓力機的限位裝置時,打桿推動壓板迫使工件從凹模中頂出,卸下工件。在上?；爻掏瑫r,下模的彈簧彈性勢能釋放,驅(qū)使凸模回程,從而完成整個工件的彎曲動作。 4.2 定位方式的選擇 因為模具采用的是前一工序沖裁好的坯料,坯料由模具前方送進,送進方向在凸模的頂部設(shè)有兩個限位釘定位,左右方向采用一對定位塊定位。 4.3 出件方式的選擇 工件彎曲成型后由于彎曲回彈力的作用下,工件回卡在凹模腔內(nèi),為此,在這里采用了上出件的方式,利用壓力機的限位裝置迫使打桿推動壓板頂出工件。 5 主要零件的設(shè)計 5.1 凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.1.1 凸模的結(jié)構(gòu)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(cè)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。 5.1.2 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(cè)壁厚度,綜合考慮到模具強度,剛度和生產(chǎn)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==28.78mm； =B—2P 式中: p—擺塊的厚度,由后面擺塊設(shè)計中可知,p=8mm。 所以: =28.78—2×8 =12.78mm d=+p/2 =12.78+8/2 =16.78mm 從定位準(zhǔn)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11mm。 =+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(shè)計中可知=58mm； —導(dǎo)板的高度4 mm,由后面的設(shè)計可知； —下模座的高度26 mm,由后面的設(shè)計可知； 所以: h =11 + 58 + 4 + 26 = 99 mm 凸模其余尺寸的設(shè)計和具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計可參見后面的凸模零件圖所示。 5.2 凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.2.1 凹模的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)草圖如下所示: 圖9 5.2.2 凹模主要尺寸的設(shè)計 長度方向的計算: = = 28.80 mm L = + 2 式中: —— 凹模側(cè)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(yīng)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(chǎn)成本,在此取 = 30 mm 。 所以: L = 28.80 + 2 x 30 = 88.8 mm 在此取L = 90 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(shè)計和凹模結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計可參見后面的凹模結(jié)構(gòu)零件圖所示。 5.3 擺塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.3.1 擺塊的結(jié)構(gòu)草圖如下所示 圖10 5.3.2 擺塊的主要尺寸的設(shè)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(chǎn)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(cè)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(shè)計與及具體結(jié)構(gòu)可參見后面擺塊零件圖所示。 5.4定位零件的設(shè)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。 5.4.1 限位釘?shù)脑O(shè)計 限位釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)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(shè)計如下即可滿足使用要求: = 5 mm D = 8 mm h = 5 mm 其余尺寸設(shè)計見后面限位釘零件圖所示。 5.4.2 定位塊的設(shè)計 定位塊的結(jié)構(gòu)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, = 24 mm ; t —— 坯料厚度, t = 1 mm ; ——為定位可靠,設(shè)定的自由高度,在此選定= 5 mm。 所以: H = 24 + 1 + 5 =30 mm 定位塊的其余尺寸設(shè)計及具體結(jié)構(gòu)可參見后面定位塊零件圖所示。 5.5 彈頂部件的設(shè)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(jié)構(gòu)所限，上下墊板均是圓形結(jié)構(gòu)，主要設(shè)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(jié)構(gòu)見后面墊板零件圖所示。 5.6 導(dǎo)板的設(shè)計 導(dǎo)板主要起導(dǎo)向定位作用，選用材料T8A，淬火硬度40 ～ 58 HRC。制造尺寸：71 mm×58 mm×4 mm 。其具體結(jié)構(gòu)以及尺寸設(shè)計見后面導(dǎo)板零件圖所示。 6 壓力機的參數(shù)與校核 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(shù)手冊》表2-3得壓力機主要技術(shù)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(diào)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(shù)參數(shù)可知，所選壓力機J23-6.3型號可用。 7 模具零件的加工工藝 7.1凸模的加工工藝過程 工序號 工序名稱 工序內(nèi)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(dá)設(shè)計要求。 7.2 凹模的加工工藝過程 工序號 工序名稱 工序內(nèi)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 數(shù)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。 8 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(yù)配 1.裝配前仔細(xì)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(yīng)重新修磨或者更換。 2 凸模裝配 以凸模為基準(zhǔn)，安裝好限位釘，擺塊。 3 裝配下模 1.把導(dǎo)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(jīng)安裝好的凸模部件壓入導(dǎo)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(diào)出合理的間隙。 6 試沖與調(diào)整 開機試沖并根據(jù)試沖的結(jié)果作出相應(yīng)的調(diào)整。 9模具試沖時常見的故障及原因和調(diào)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(diào)整方法： 常見故障 產(chǎn)生原因 調(diào)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(diào)整沖模閉合高度 3.調(diào)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(cè)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(diào)整定位板位移 2.修磨凹模圓角 3.加大壓料力 4.調(diào)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(shè)計時計算錯誤或不正確 1.調(diào)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(diào)整凸、凹模間隙 3.拋光凸、凹模表面 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(xué)課程的又一次深入、系統(tǒng)的綜合性的復(fù)習(xí)，也是一次理論聯(lián)系實踐的訓(xùn)練。它在我們的學(xué)習(xí)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(xí)了所學(xué)專業(yè)知識同時也鞏固了先前學(xué)到了的知識，同時感觸最深刻的是：所學(xué)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(rèn)識。特別是原來所學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)習(xí)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(rèn)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(xué)習(xí)事物所必經(jīng)的一般過程，我對模具的認(rèn)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(xué)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)。 致 謝 首先感謝本人的指導(dǎo)老師于智宏老師，她仔細(xì)審閱了本文的全部內(nèi)容并對我的畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容提出了許多建議。 感謝母校——河南機電高等?？茖W(xué)校的辛勤培育之恩！感謝材料工程系給我提供的良好學(xué)習(xí)及實踐環(huán)境，使我學(xué)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學(xué)王懷彪、楊瓊潔同學(xué)，和他們在一起討論、研究使我受益非淺。 最后，我非常慶幸在三年的學(xué)習(xí)、生活中認(rèn)識了很多可敬的老師和可親的同學(xué)，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(shè)計與制造[M].北京：高等出版社，2004.6 [2] 李崇豪主編.實用模具設(shè)計與制造手冊[M].北京：機械出版社，2000.10 [3] 中國機械工程學(xué)會，中國模具設(shè)計大典編委員會[M].中國模具設(shè)計大典3.南昌：江西科學(xué)出版社，2003.1 [4] 任嘉卉主編.公差與配合手冊[M]. 北京：機械出版社，2000.4 [5] 馮炳光主編.模具設(shè)計與制造簡明手冊[J].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1998.5 [6] 全國彈簧標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會編[M].中國機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編彈簧卷.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999 37