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大連交通大學2017屆本科畢業(yè)設計（論文）調(diào)研報告
實習(調(diào)研)報告
一.級進模的來源及意義
由于采用模具進行生產(chǎn)能提高生產(chǎn)率、節(jié)約原材料、降低生產(chǎn)成本，在一定的尺寸精度范圍內(nèi)能夠保證產(chǎn)品零件的互換性，因此在我國各行業(yè)得到廣泛的應用。模具是機械、電子、輕工、國防等行業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備。由此可見，模具設計與制造技術(shù)在國民經(jīng)濟中的地位十分重要。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對模具的使用壽命、尺寸精度和表面質(zhì)量等不斷提出新的更高的要求。
模具是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝裝備，是國民經(jīng)濟各部門發(fā)展的重要基礎，是衡量一個國家生產(chǎn)力發(fā)展水平的重要標志之一，模具已成為當代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向。
隨著改革開放和國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，推動了模具技術(shù)和模具工業(yè)的新發(fā)展，在儀器儀表、家用電器、交通、通訊等各行業(yè)中，有70%以上的產(chǎn)品是使用模具加工成型，模具設計水平的高低、模具制造能力強弱以及模具質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響各種產(chǎn)品的質(zhì)量、經(jīng)濟效益的增長及整體工業(yè)水平的提高，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的品種發(fā)展和生產(chǎn)效益的提高，在很大程度上取決于模具的發(fā)展和技術(shù)經(jīng)濟水平。模具工業(yè)已成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個重要組成部分，現(xiàn)代模具是高技術(shù)背景下的工藝密集型工業(yè)。模具技術(shù)水平的高低，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，因此已成為衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標志。
現(xiàn)代的模具工業(yè)已經(jīng)從傳統(tǒng)的模具工業(yè)發(fā)展到了現(xiàn)代模具工業(yè)的新階段，這個階段的標志就是從一個傳統(tǒng)的、基本上是勞動密集型的一個產(chǎn)業(yè)，發(fā)展到技術(shù)密集型和資金密集型的產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在要生產(chǎn)模具，再用手工的方法不行了，必須要用先進的軟件來設計，必須要有更高精度的數(shù)控設備來加工。我覺得這是現(xiàn)代模具工業(yè)的一個特點。這個特點決定了它的投入大，它對人才的要求就更高。
同時，模具產(chǎn)業(yè)帶動作用很強?，F(xiàn)在很多地方開始重視模具行業(yè)的發(fā)展了，他們認識到當?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)優(yōu)勢如果要發(fā)展，不發(fā)展相應的模具產(chǎn)業(yè)就沒有后勁。模具是效益放大器，模具是供給制品產(chǎn)業(yè)的，可以使相關工業(yè)的效益比自身增加約一百倍，因此它的帶動作用就大。模具的發(fā)展，不光是帶動了自己行業(yè)的發(fā)展，而且向全國各地方提供模具，實際上是支持了全國相關行業(yè)的發(fā)展。
目前，信息(IT)產(chǎn)品的需求量與日俱增，并向“輕，薄，短，小”發(fā)展，IT制件的精密級進沖模的開發(fā)，有很大的難度。IT制件具有材料厚度超薄(材料厚度為0.02mm-0.6mm)，形狀微小，性狀和位置精度高，成形工藝復雜，生產(chǎn)批量大等特點。材料薄，因此沖裁間隙很小，接近無間隙沖裁，沖模刃口的設計和加工難度很大，沖裁間隙的均勻性和工藝穩(wěn)定性很難保證，模具壽命也難保證；由于材料超薄，在級進模的高速沖壓成形過程中，條料送進的平穩(wěn)度、送進步距的精度、模具的精確導向都難以保證；在條料送進過程中，由于材料太薄，還容易引起疊片、真空吸附、跳屑等問題；由于彎曲部位的形狀精度要求很高，如電腦類產(chǎn)品上的連接器的接觸零件，在高速沖壓的卸載過程中容易產(chǎn)生彎曲回彈，彎曲部位形狀精度難以保證。這些都對精密高速冷壓模的成形工藝的制定，模具的設計和加工，高速沖壓條件提出了極高的要求，給超薄，超微，高精度IT制件的高速冷壓模具的開發(fā)帶來了很大的困難。
模具是制造業(yè)的重要基礎工藝裝備，是國民經(jīng)濟各部門發(fā)展的重要基礎之一。級進模是一種精密、復雜的沖壓模具，它具有高效率、高精度和高壽命等優(yōu)越性，適應于沖壓行業(yè)的自動化生產(chǎn)。級進模設計涉及沖壓成形理論、沖壓工藝、排樣設計、產(chǎn)品展開尺寸計算、模具結(jié)構(gòu)設計、產(chǎn)品的成形仿真以及模具材料選擇等許多關鍵技術(shù)。因此，對級進模設計進行研究是十分有意義的。
二.國內(nèi)外級進模發(fā)展狀況
我國考古發(fā)現(xiàn)，早在2000多年前，我國已有沖壓模具被用于制造銅器，證明了中國古代沖壓成型和沖壓模具方面的成就就在世界領先。1953年，長春第一汽車制造廠在中國首次建立了沖模車間，該廠于1958年開始制造汽車覆蓋件模具。我國于20世紀60 年代開始生產(chǎn)精沖模具。我國沖壓模具無論在數(shù)量上，還是在質(zhì)量、技術(shù)和能力等方面都已有了很大發(fā)展，但與國家發(fā)展的經(jīng)濟需求和世界先進水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、復雜、長壽命的高檔模具每年仍大量進口，特別是中高檔轎車的覆蓋件模具，目前仍主要依靠進口。一些低檔次的簡單沖模，已趨供過于求，市場競爭激烈。
現(xiàn)代模具行業(yè)是技術(shù)、資金密集型的行業(yè)。它作為重要的生產(chǎn)裝備行業(yè)在為各行各業(yè)服務的同時，也直接為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務。由于模具生產(chǎn)要采用一系列高新技術(shù)，如 CAD/CAE/CAM/CAPP 等技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、激光技術(shù)、逆向工程和并行工程、快速成型技術(shù)及敏捷制造技術(shù)、高速加工及超精加工技術(shù)等等。因此，模具工業(yè)已成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個重要組成部分，現(xiàn)代模具是高技術(shù)背景下的工藝密集型工業(yè)。模具技術(shù)水平的高低，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，因此已成為衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標志。
國外級進模CAD/CAE/CAM的研究始于上世紀60年代末，70年代便有初步應用，但僅限于二維圖形的簡單沖裁級進模，其主要功能如條料排樣、凹模布置、工藝計算和NC 編程等。彎曲級進模CAD/CAM系統(tǒng)出現(xiàn)在80年代，如日本日立公司和富士通公司的彎曲級進模系統(tǒng)等。為了能夠適應復雜模具的設計，富士通系統(tǒng)采用了自動設計和交互設計相結(jié)合的方法。
我國是進入80年代后才開始研制級進模的，盡管經(jīng)歷了近二十年的努力，從無到有，有了較大的發(fā)展。與國外工業(yè)發(fā)達國家比較，我國的多任務位級進模技術(shù)仍然存在較大的差距，主要表現(xiàn)在:①沖壓工序比較單一，多數(shù)以沖裁級進模為主，少部分為沖裁拉深級進模，模具結(jié)構(gòu)比較簡單、功能性不強。②模具模板幅面尺寸比較小，屬中小型級進模。③模具精度不高，沖裁間隙誤差在0.0l5mm以上，制件產(chǎn)品易產(chǎn)生毛刺。④模具使用壽命相對較短，一般一次刃磨在50萬次以內(nèi)，模具材料主要以普通模具鋼為主或采用硬質(zhì)合金。
另外，我國模具行業(yè)專業(yè)化程度還比較低，模具自產(chǎn)自配比例過高。國外模具自產(chǎn)自配比例一般為30%，我國沖壓模具自產(chǎn)自配比例為60%。這對專業(yè)化產(chǎn)生了很多不利影響?，F(xiàn)在，技術(shù)要求高、投入大的模具，其專業(yè)化程度較高，例如覆蓋件模具、多任務位級進模和精沖模等。而一般沖模專業(yè)化程度就較低。
20年來我國模具制造水平有了很大的提高，模具的CAD/CAM已經(jīng)很普遍，CAM/CAPP也在積極推廣。如今我國生產(chǎn)的模具精度已達到微米級，與20年前相比，模具壽命提高了幾十倍，模具生產(chǎn)周期縮短了約3/4，模具的標準件使用覆蓋率從幾乎是零達到45%左右。我國的沖壓模具將呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢：(1).模具日趨大型化。這是由于模具成型的零件日漸大型化和高生產(chǎn)效率要求而發(fā)展的一模多腔所造成的。(2).模具的精度越來越高。10年前，精密模具的精度一般為5微米，現(xiàn)在已達到2~3微米，不久1微米精度的模具將上市。這要求超精加工。(3).多功能復合模具將進一步發(fā)展。新型多功能復合模具除了沖壓成型零件外，還擔負疊壓、攻絲、鉚接和鎖緊等組裝任務，對鋼材的性能要求也越來越高。
我國模具總量雖然已位居日、美、德之后，但設計制造水平在總體上要比德、美、日、法、意等發(fā)達國家落后許多，也要比英國、加拿大、西班牙、葡萄牙、韓國、新加坡等有差距。
近年來，人們也意識到模具技術(shù)是與被加工材料、模具加工設備和模具材料密切相關的，因此，不能完全照搬國外的模具結(jié)構(gòu)和標準，必須有適用于本國國情的模具設計思想和理論。國內(nèi)級進模技術(shù)面臨如何在消化吸收國外先進模具技術(shù)的基礎上，結(jié)合本國的國情來設計制造自己的模具產(chǎn)品這一重大課題。隨著我國工業(yè)化進程的加速，高精度多任務位級進模的需求將會越來越大，在模具設計、制造方面，國內(nèi)迫切需要有自己的理論指導和實踐經(jīng)驗來實現(xiàn)高品質(zhì)模具國產(chǎn)化。
目前，世界上高速沖床的行程速度可達4000次/min，在日本，IC引腳框架的實用沖壓速度為300次/min~500次/min,接插件端子的實用沖壓速度為800次/min~1000次/min，金屬薄片的實用沖壓速度為1500次/min~2500次/min，而我國目前生產(chǎn)的接插件模具用于實際生產(chǎn)的最高速度在500次/min左右。我們廠所引進的沖床有30%為高速精密沖床，目前均投入大量生產(chǎn)。實用沖壓速度可達800次/min~1000次/min。
高速加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為高速沖壓模具的制造提供了技術(shù)支持，自20世紀30年代德國Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以來，經(jīng)過50年代的機理與可行性研究，70年代的工藝技術(shù)研究，80年代全面系統(tǒng)的高速切削技術(shù)研究，到90年代初，高速切削技術(shù)開始進入實用化，到90年代后期，商品化高速切削機床大量涌現(xiàn)，21世紀初，高速切削技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國家得到普遍應用，正成為切削加工的主流技術(shù)。高速加工技術(shù)的出現(xiàn)，為模具制造技術(shù)開辟了一條嶄新的道路。盡可能用高速加工來代替電加工，是加快模具開發(fā)速度、提高模具制造質(zhì)量的必然趨勢。高速加工的加工精度高、表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率很高，在模具工業(yè)中的應用效果非常好，傳統(tǒng)的電加工工藝無法與之匹敵，完全符合現(xiàn)代制造技術(shù)“高效率、高精度和高度自動化”的發(fā)展方向，有廣闊的應用前景。
信息技術(shù)(IT)制件,如集成電路引線框架、混合集成電路端子、液晶顯示屏端子、電腦端子、通信類(如手機)端子、數(shù)碼相機支承件等等，都是信息產(chǎn)品上的重要載體,在信息產(chǎn)品中起著連接、支承、互聯(lián)導電與轉(zhuǎn)換等作用,這些IT制件的設計與制造對于信息產(chǎn)品使用性能的發(fā)揮和集成化程度的提高至關重要。
精密高速級進模被廣泛應用于精密IT制件的生產(chǎn)制造中?，F(xiàn)在,IT制件的需求量與日俱增,并向“輕、薄、短、小”的方向發(fā)展,這給設計、制造精密級進模以及高速沖壓成形帶來了很大的困難。解決這些關鍵技術(shù)問題,實現(xiàn)IT制件的產(chǎn)業(yè)化,是目前精密級進模行業(yè)和企業(yè)的迫切需要。
關鍵技術(shù)問題研究分析
1.超薄、微型、精密IT制件的級進沖模開發(fā)技術(shù)
IT制件具有材料厚度超薄(材料厚度為0.02mm～0.6mm)、形狀微小、形狀和位置精度高、成形工藝復雜等特點。由于沖裁間隙很小,接近無間隙沖裁,因此沖模刃口的設計和加工難度很大,沖裁間隙的均勻性和工藝穩(wěn)定性很難保證，模具壽命也難以保證;由于材料超薄,在級進模的高速沖壓成形過程中,條料送進的平穩(wěn)度、送進步距的精度、模具的精確導向都難以保證;在條料送進過程中,由于材料太薄,還容易引起疊片、真空吸附、跳屑等問題;由于彎曲部位的形狀精度要求很高,如手機充電接口處的彈片連接器,在高速沖壓的卸載過程中容易產(chǎn)生彎曲回彈,彎曲部位形狀精度難以保證。這些都對精密高速級進沖模的成形工藝的制定、凸凹模的設計和加工、高速沖壓條件提出了極高的要求,給超薄、微型、精密IT制件的高速級進模的開發(fā)帶來了很大的困難。
2.窄間距制件的精密級進沖模技術(shù)
窄間距制件的生產(chǎn)是精密沖壓領域中特別困難的技術(shù),所能達到的技術(shù)指標目前還遠低于其他的IT制件。由于間距小,制件自身的剛度低,其形狀容易在后續(xù)的工步中受到影響,并且在水平方向上的偏移很難修正,工步安排不合理將導致整個模具設計的失敗,如果制件具有彎曲特征,彎曲角度的不穩(wěn)定還會造成制件報廢。間距小不僅導致了工步數(shù)目和排樣難度增加,而且會使凸凹模間隙穩(wěn)定性和凸模強度難以保證,使凸模刃口的設計、制造更加困難。多引腳集成電路(IC) 引線架就是最典型的窄間距制件,其材料厚度很薄,各引線腳之間的距離很窄,且各引線腳腳數(shù)越多,引腳之間的間距就越窄,其精密級進模的設計、制造以及沖壓成形的技術(shù)難度越大,引線腳數(shù)目是判斷IC引線架制造水平的標志。目前,中國臺灣生產(chǎn)的引線腳數(shù)目在128腳以上,日本及歐美達生產(chǎn)的引線腳數(shù)目250腳以上,在我國內(nèi)地,某些廠家已經(jīng)達到一次沖64引線腳以上的水平,128線以上的多引腳集成電路引線架(或線間距0.12mm)生產(chǎn)用的級進沖模,目前國內(nèi)仍然不能生產(chǎn),進口價格也非常昂貴。
3.精密IT制件級進模的高速沖壓技術(shù)
提高精密級進模的沖壓速度可以大大提高IT制件的生產(chǎn)率。目前,世界上高速沖床的行程可達4000次/min。在日本,IC引腳框架的實用沖壓速度為300次/min～50次/min,接插件端子為800次/min～1300次/min,金屬薄片沖裁為1500次/min～250次/min。我國目前生產(chǎn)的接插件模具用于實際生產(chǎn)最高沖壓速度在500次/min左右。IT制件的產(chǎn)量都是以億為單位來計算,其巨大的產(chǎn)量和高效的生產(chǎn)率需要沖壓速度來保證。但是在提高沖壓速度的同時,首先必須面對和解決的關鍵技術(shù)問題:
(1)高速沖床的穩(wěn)定性和精度問題 目前,國內(nèi)擁有的精密高速沖床多為曲軸式,這類機床生產(chǎn)時振動較大,正常生產(chǎn)時只能用到最高沖壓速度的60%左右, 而且由于機床平行度等精度不夠,使得沖壓精度也難以提高。
(2)送料問題 由于材料厚度超薄、沖壓速度很高,在送料過程中會出現(xiàn)疊片、跳屑、條料彎曲等問題。這都給精密級高速級進模的沖壓速度的提高帶來了很大的阻礙。
(3)模具發(fā)熱問題 當精密級進模的沖壓速度提高時,模具溫度也會顯著提高,進而造成模具材料變軟和模具變形等問題,模具發(fā)熱嚴重制約了沖壓速度和生產(chǎn)效率的提高。
4.模具壽命的提高技術(shù)
精密級進模的連續(xù)沖壓過程中,模具與材料接觸次數(shù)往往在幾千萬甚至幾億次以上,沖壓速度達到每分鐘幾百次甚至幾千次,在長時間的連續(xù)沖擊力的作用下,沖裁凸模易受沖擊載荷以及壓力機引起的振動而啃傷刃口;容易產(chǎn)生金屬疲勞,進而使模具失效;沖壓速度的提高也將引起模具的發(fā)熱,使模具材料變軟和變形;高速沖模目前所使用的模具沖切部位大多為含鈷的硬質(zhì)合金,在沖壓過程中使用潤滑油容易引起刃口材料失鈷,使模具刃口磨損加劇;全面提高模具的耐摩、 耐熱、抗疲勞、抗沖擊、抗腐蝕等性能,才能達到提高模具壽命的目的。
5.模具設計與制造的柔性化技術(shù)
級進模是計算機、通信、汽車、家電等行業(yè)的重要生產(chǎn)工裝。然而級進模專業(yè)設計人才的匱乏和級進模設計方法的總體滯后,嚴重制約了模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和提高,因此級進模CAD系統(tǒng)的開發(fā)工作十分重要。世界各主要工業(yè)發(fā)達國家也正在大力發(fā)展精密高速級進沖模柔性化和智能化的設計與制造技術(shù)。目前我國設計人員大部分還是憑借設計經(jīng)驗進行排樣設計和確定模具結(jié)構(gòu);即使部分采用了計算機輔助技術(shù)的設計部門,真正能利用大型CAE軟件進行沖壓仿真來指導設計的還為數(shù)很少。
關鍵技術(shù)解決方案
解決IT制件的精密級進模的關鍵技術(shù),必須從系統(tǒng)工程的角度出發(fā),綜合地考慮各種影響因素,針對模具設計、模具材料選用、模具制造、工藝處理、高速沖壓等過程,全方位的提高模具質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量、沖壓速度、模具壽命等。
(1)優(yōu)化模具設計 運用數(shù)值模擬技術(shù)分析精密級進模的高速沖壓過程中的彎曲回彈、熱效應、速度效應、金屬的塑性變形等,分析整個模具在生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性并找出最危險的部位,采用確保成品具有最大剛度的排樣方式、最優(yōu)化的沖壓工序、模具刃口、模具結(jié)構(gòu),實現(xiàn)最優(yōu)化的模具設計。
(2)采用新型模具材料 目前,國外高速沖壓的模具材料已經(jīng)采用陶瓷材料和納米級的硬質(zhì)合金,但是我國還沒有使用這些材料的相關經(jīng)驗,這需要通過大量試驗獲得各類不同的材料和模具性能數(shù)據(jù)。
(3)應用超精密加工手段 綜合日本和歐美先進加工手段和工藝的特點和優(yōu)勢,通過線切割與磨削工藝的交叉運用,減少模具加工過程的變形,以保證模具加工精度。
(4)特殊處理工藝的應用 對模具刃口進行超深冷處理工藝,通過長時間的高低溫循環(huán)過程實現(xiàn)馬氏體向奧式體的接近完全轉(zhuǎn)化,并使這種轉(zhuǎn)化達到穩(wěn)定狀態(tài);在表面處理技術(shù)方面,可以運用新的噴涂技術(shù),來提高模具表面性能。
(5)解決高速沖壓過程中的難題,提高沖壓速度 雙向送拉條料、控制氣壓和氣密性等方式是解決高速沖壓過程中超薄材料送料難、跳屑、真空吸附等問題的有效措施;另外,數(shù)控送料系統(tǒng)和高精檢測系統(tǒng)也是保證條料順利送進的重要保證?？梢圆捎镁哂薪档湍＞邷囟裙δ艿臐櫥瑒⒉捎么道浼夹g(shù)等措施以降低模具溫度。
(6)合理運用沖壓潤滑劑和潤滑方式 結(jié)合高速沖壓和材料金相分析試驗, 研究沖壓潤滑劑與沖模材料的化學匹配關系,合理、科學的采用潤滑劑和潤滑方式,可以大幅降低因摩擦和潤滑劑腐蝕等原因?qū)δ＞邏勖斐傻挠绊憽?
(7)采用高精度、高性能的加工設備和沖壓設備 高精度、高性能的加工設備和沖壓設備是提高模具質(zhì)量和沖壓速度的基本保證。目前我國的這些設備幾乎全部依賴進口,盡快提高我國精密裝備的制造水平,這是我國裝備制造業(yè)面臨的艱巨任務。
三.級進模研究目標、研究內(nèi)容、研究方法、研究手段
針對級進模關鍵技術(shù)問題，立足于我國模具技術(shù)現(xiàn)狀，在級進模設計技術(shù)領域開展研究工作，結(jié)合研制一套多工位精密復雜零件的級進模的具體實例，說明級進模的設計流程，并對研究成果進行驗證。具體包括：
(1)從沖壓成形理論入手，探討了金屬在塑性狀態(tài)下的力學行為和特征，包括塑性變形的力學基礎、板料沖壓成形的力學特點及求解方法和沖壓成形極限，從中找出板料沖壓變形的基本規(guī)律。
(2)對典型級進模中包含的沖裁、彎曲、翻邊、局部成形和整形等工序變形特征進行了分析：推導了各沖壓工序的應力應變求解關系式，這些工作將為級進模設計和計算提供理論依據(jù)。
(3)以系統(tǒng)的觀念看待級進模的設計過程，給出設計流程圖：探討了排樣設計的一般原則：并總結(jié)出級進模常用工序的展開尺寸計算公式、典型工序的成形方法及主要零部件的設計方法。
(4)通過對典型級進模的詳細設計、計算以及對產(chǎn)品重要部位的成形仿真，建立一種多工位精密復雜級進模設計方法體系，驗證其研究成果。設計部分包括模具排樣圖設計、結(jié)構(gòu)設計以及各模具零件的設計：計算部分包括帶料精度計算，產(chǎn)品展開尺寸計算和模具壓力中心計算等；考慮到產(chǎn)品在仿真軟件中建模的復雜性，以及應盡量縮短模具的開發(fā)周期，且產(chǎn)品中重要、復雜(有尺寸、形狀精度要求)部位的成形仿真結(jié)果即可代表整個產(chǎn)品的成形仿真結(jié)果，故僅對產(chǎn)品的重要、復雜部位進行成形仿真。
沖壓工藝與模具設計是進行沖壓生產(chǎn)的重要技術(shù)準備工作。沖壓工藝與模具設計結(jié)合工廠的設備、人員等實際情況，從零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、勞動強度、環(huán)境及生產(chǎn)的安全性各個方面綜合考慮，選擇和設計出技術(shù)先進、經(jīng)濟上合理、使用安全的方案和模具結(jié)構(gòu)以使沖壓件的生產(chǎn)在保證達到設計圖樣上所提出的各項技術(shù)要求外，盡可能降低沖壓的工藝成本和保證安全生產(chǎn)。一般來說，設計的主要內(nèi)容及步驟包括：
(1)工藝設計
①零件及其沖壓工藝分析 根據(jù)沖壓件產(chǎn)品圖，分析沖壓件的形狀特點、精度要求、原材料尺寸規(guī)格和力學性能，并結(jié)合可供選用的沖壓設備規(guī)格以及模具的產(chǎn)批量等因素，分析零件的沖壓工藝性。良好的沖壓工藝性應保證材料消耗少、工序數(shù)目少、占用設備數(shù)量少、模具結(jié)構(gòu)簡單而壽命高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、操作簡單。
②確定工藝方案，主要工藝參數(shù)計算 在沖壓工藝性分析的基礎上，找出工藝與模具設計的特點與難點，根據(jù)實際情況提出各種可能的沖壓工藝方案，內(nèi)容包括工序性質(zhì)、工序數(shù)目、工序順序及組合方式等。有時同一種沖壓零件也可能存在多個可行的沖壓工藝方案，通常每種方案各有優(yōu)缺點，應從產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、設備占用情況、模具制造的難易程度和使用壽命高低、生產(chǎn)成本、操作方便與安全程度等方面進行綜合分析、比較，確定出適合于現(xiàn)有生產(chǎn)條件的最佳方案。
此外，了解零件的作用及使用要求對零件沖壓工藝與模具設計是有幫助的。
工藝參數(shù)指制定工藝方案所依據(jù)的數(shù)據(jù)，如各種成形系數(shù)，零件展開尺寸以及沖裁力、成形力等。計算有兩種情況，第一種是工藝參數(shù)可以計算得比較準確，如零件排樣的材料利用率、沖裁壓力中心、工件面積等；第二種是工藝參數(shù)只能作近似計算，如一般彎曲或拉深成形力、復雜零件坯料展開尺寸等，確定這類工藝參數(shù)一般是根據(jù)經(jīng)驗公式或圖表進行粗略計算，有些需要通過實驗調(diào)整；有時甚至沒有經(jīng)驗公式可以應用，或者因計算太繁雜以至于無法進行，如復雜模具零件的剛性或強度校核、復雜沖壓零件成形力計算等，這種情況下一般只能憑經(jīng)驗進行估計。
(2)選擇沖壓設備
根據(jù)要完成的沖壓工序性質(zhì)和各種沖壓設備的力能特點，考慮沖壓加工所需的變形力、變形功及模具閉合高度和輪廓尺寸的大小等主要因素，結(jié)合工廠現(xiàn)有設備情況來合理選定設備類型和噸位。常用沖壓設備有曲柄壓力機、液壓機等，其中曲柄壓力機應用最廣。沖裁類沖壓工序多在曲柄壓力機上進行，一般不用液壓機；而成形類沖壓工序可在曲柄壓力機或液壓機上進行。
(3)模具設計
模具設計包括模具結(jié)構(gòu)形式的選擇與設計、模具結(jié)構(gòu)參數(shù)計算、模具圖繪制等內(nèi)容。
模具圖由總裝圖和非標準件的零件圖組成?？傃b配圖主要反映整個模具各個零件之間的裝配關系，應該對應繪制說明模具構(gòu)造的投影圖，主要是主視圖和俯視圖及必要的剖面、剖視圖，并注明主要結(jié)構(gòu)尺寸，如閉合高度、輪廓尺寸等。習慣上俯視圖由下模部分投影而得，同時在圖紙的右上角繪出工件圖、排樣圖，右下方列出模具零件的明細表，寫明技術(shù)要求等。零件圖一般根據(jù)模具總裝圖測繪，也應該有足夠的投影和必要的剖面、剖視圖以將零件結(jié)構(gòu)表達清楚。此外，要標注零件加工所需的所有結(jié)構(gòu)尺寸、公差、表面粗糙度、熱處理及其他技術(shù)要求。
參考文獻
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8
摘 要
沖壓制品的成型方法很多。其主要用于沖孔、落料、彎曲、拉深等。而沖壓模，約占成型總數(shù)的60%以上?？梢岳秒姎饪刂疲蓪崿F(xiàn)半自動化或自動化作業(yè)。冷沖沖裁模主要用于金屬制品的成型，它是沖壓制品生產(chǎn)中十分重要的工藝裝置。沖壓模的基本組成是：上下模座、下模墊板、下模固定板、凹模鑲塊、抬料釘、導料板、導柱導套、卸料板彈釘、卸料板等。在本次設計中首先要對排樣圖進行分析，選擇出最優(yōu)方案。通過對最優(yōu)方案的排樣進行分析，計算出壓力中心所處的位置。然后對模具結(jié)構(gòu)進行設計，主要包括沖孔凸模、側(cè)刃凸模、凹模等。之后對所設計的模具工作零件的強度進行校核。選取標準的輔助零件，最后對整體結(jié)構(gòu)進行組裝、調(diào)試。
關鍵詞：工藝裝置 沖孔 落料 沖裁模
ABSTRACT
There are many ways to form a stamping product. It is mainly used for punching, blanking, bending, drawing and so on. And stamping die, accounting for more than 60% of the total number of molding. Can use electrical control, can achieve semi-automatic or automated operations. Cold punching die is mainly used for the molding of metal products, it is stamping products in the production process is very important device. The basic composition of the stamping die is: the upper and lower mold base, the lower mold plate, the lower mold fixed plate, die inserts, carrying nails, guide plate, guide column guide sleeve, unloading plate nail, discharge plate. In this design, the first row of samples to be analyzed, select the optimal program. The position of the pressure center is calculated by analyzing the layout of the optimal scheme. And then the mold structure design, including punching punch, side blade punch, die and so on. After the design of the mold work parts of the strength of the check. Select the standard auxiliary parts, and finally the overall structure of the assembly, debugging.
Key words: Technology device punching Blanking Punching die
目 錄
第一章 緒論 1
第二章 零件的工藝性分析 2
2.1工件的形狀分析 2
2.2工件的材料分析 3
2.3工件的尺寸精度和表面粗糙度要求 3
2.4沖裁工藝方案的確定 3
第三章 排樣設計及工藝參數(shù)的計算 5
3.1排樣 5
3.1.1合理排樣并繪制排樣圖 5
3.1.2材料有效利用率的計算 7
3.1.3提高材料有效利用率的方法 7
3.2工藝參數(shù)的計算 8
3.2.1沖裁力的計算 8
3.2.2卸料力的計算 8
3.3壓力中心的確定 9
3.4凸模與凹模刃口尺寸的計算 10
第四章 模具結(jié)構(gòu)設計與計算 12
4.1凸模的設計及固定方式 12
4.1.1凸模的設計 12
4.1.2凸模的結(jié)構(gòu)形式及其固定方法 12
4.1.3凸模長度的計算及強度校核 13
4.2凹模結(jié)構(gòu)的設計和校核 13
4.2.1凹模的結(jié)構(gòu)設計 13
4.2.2凹模的強度校核 14
4.3定位零件的設計 14
4.3.1擋料銷 15
4.3.2導尺 15
4.3.3卸料零件的設計 15
4.4標準模架和導向零件的選擇 16
4.4.1模架的選擇 16
4.4.2導向零件的選擇 16
4.5橡膠元件的選擇 17
4.6固定零件的選擇 17
4.6.1模柄 17
4.6.2固定板 17
4.6.3墊板 17
4.6.4螺釘 18
4.7模具的安裝要求 18
第五章 壓力機的選擇 19
總 結(jié) 20
致 謝 21
參考文獻 22
大連交通大學2017屆本科生畢業(yè)設計（論文）
第一章 緒論
1.級進模的來源及意義
在這個科技迅速發(fā)展的黃金時期，生產(chǎn)率如何，成為表征一個行業(yè)發(fā)展狀況好壞的一個標準。正因為采用模具進行生產(chǎn)能在很大程度上提高生產(chǎn)率、節(jié)省原材料、降低生產(chǎn)成本，在要求的一定尺寸精度范圍內(nèi)能夠保證零件的互換性，因此在我國各行各業(yè)得到了迅速、廣泛的應用。尤其是改革開放以來，模具的發(fā)展和使用得到了空前的變化。模具是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝裝備，是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎，模具已成為衡量一個國家生產(chǎn)制造發(fā)展水平的重要標志之一，模具已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段之一，而且占比很大。
目前，隨著信息時代的到來，各種各樣的信息產(chǎn)品走進我們的日常生活。而且電子產(chǎn)品向著“輕，薄，端，小”等方向發(fā)展，這就給IT制件的精密級進模的開發(fā)帶來很大的困難。IT制件大都是材料厚度為0.02mm~0.6mm的薄件，形狀微小，幾乎接近無間隙沖裁，對沖模刃口的設計和加工技術(shù)要求很高，沖裁間隙的均勻性和工藝穩(wěn)定性很難保證，模具壽命不能得到保障，這些條件都給級進模設計者提出了更高的要求。級進模是一種精密、復雜的沖壓模具，其優(yōu)點在于高效率、高精度和高壽命等，適用于沖壓行業(yè)的自動化生產(chǎn)。
2.級進模在國內(nèi)外的發(fā)展狀況
早在我國古代，我國就已具備沖壓模具的技術(shù)生產(chǎn)，在考古發(fā)現(xiàn)中可以找到證據(jù)，這說明在我國古代的模具技術(shù)領先世界。在新中國成立后，1953年，在長春第一汽車廠我國首次建立了沖模車間，開始制造汽車覆蓋件模具。進入60年代后，我國開始生產(chǎn)精沖模具。與世界先進模具技術(shù)國家相比，不論在技術(shù)上還是在質(zhì)量上甚至在數(shù)量上，都有較大的差距。一些大型的、精密型的、壽命長的模具還需要大量進口。
據(jù)統(tǒng)計，我國的模具數(shù)目總量已處在第四名，前三名分別是日本、美國、德國，雖然模具總數(shù)處在第四名，但在模具設計制造水平上要比日、德、美、法、意等發(fā)達國家落后許多。
3.現(xiàn)階段模具的關鍵技術(shù)解決方案
要想解決精密級進模的關鍵技術(shù)，必須從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，全面分析各種各樣的影響因素，引入創(chuàng)新思想，結(jié)合模具本身的特點，設計和制造新型模具。具體方法有優(yōu)化模具設計、采用新型的模具材料、應用超精密加工手段、采用特殊的處理工藝等。
第二章 零件的工藝性分析
工件名稱：變壓器鐵芯
生產(chǎn)批量：大批量
工件材料：硅鋼片，厚度0.35mm
圖1-1“山”和“一”字鐵
如上圖所示，此工件是標準的小容量變壓器的鐵芯片，材料是硅鋼片，厚度是0.35mm，生產(chǎn)批量是大批量的生產(chǎn)。在使用時將“山”字片和“一”字片組合為一層，在變壓器線圈上插裝時，相鄰的一層顛倒疊裝，直到所需的鐵芯厚度?！耙弧弊骤F和“山”字鐵使用數(shù)量相等。由于生產(chǎn)批量大，應重點考慮節(jié)省材料、提高材料的利用率。
2.1工件的形狀分析
1)工件形狀相對簡單，具有對稱結(jié)構(gòu)，這樣可以減少排樣廢料，由于工件是大批量生產(chǎn)，能很大程度的提高材料的利用率。
2)除在少、無廢料排樣或采用鑲拼模結(jié)構(gòu)時，允許工件有尖銳的清角外，沖裁件的外形或內(nèi)孔交角處應采用圓角過渡，避免清角。
3)盡量避免沖裁件上過長的懸臂與窄槽，此工件符合要求。
4)沖裁件孔與孔之間、孔與零件邊緣之間的壁厚，因受模具強度和零件質(zhì)量的限制，其值不能太小。一般要求c≥1.5t,此工件滿足要求。
5)沖裁件的孔徑因受沖孔凸模強度和剛度的限制，不宜太小，否則容易折斷和壓彎。
2.2工件的材料分析
硅鋼片，它是一種含碳極低的硅鐵軟磁合金，一般含硅量為0.5~4.5%。加入硅可提高鐵的電阻率和最大磁導率，降低矯頑力、鐵芯損耗(鐵損)和磁時效。硅鋼片的生產(chǎn)由于工藝復雜、工藝窗口窄，生產(chǎn)難度大，被譽為鋼鐵產(chǎn)品中的工藝品，特別是取向硅鋼片。硅鋼片主要用來制作各種變壓器、電動機和發(fā)電機的鐵芯。世界硅鋼片產(chǎn)量約占鋼材總產(chǎn)量的1%。
2.3工件的尺寸精度和表面粗糙度要求
1)沖裁件的尺寸精度要求，應在經(jīng)濟精度范圍以內(nèi)，對于普通沖裁件，其經(jīng)濟精度不高于IT11級，一般要求落料件公差等級最好低于IT10級，沖孔件最好低于IT9級。零件上所有未注工差的尺寸，屬自由尺寸可按照IT11級確定工件的工差。
外形尺寸：67-0.170mm，45.5-0.140mm，19-0.120mm，12-0.100mm；
內(nèi)部尺寸：33.50+0.11mm，?40+0.05mm，孔心距55±0.10mm；
2)沖裁件的斷面粗糙度與材料塑性、材料厚度、沖裁模間隙、刃口銳鈍以及沖模結(jié)構(gòu)等有關。當沖裁厚度為2mm以下的金屬板料時，其斷面粗糙度Ra一般可達12.5~3.2um。
2.4沖裁工藝方案的確定
在沖裁工藝分析和技術(shù)經(jīng)濟分析的基礎上根據(jù)沖裁件的特點確定沖裁工藝方案。沖裁工藝方案可分為單工序沖裁、復合沖裁和級進沖裁。該工件主要包括落料、沖孔兩個基本工序，因此可以產(chǎn)生三種工藝方案；
方案一：先落料，后沖孔，采用單工序沖裁模生產(chǎn)。
方案二：落料-沖孔復合沖裁，采用復合沖裁模生產(chǎn)。
方案三：沖孔-落料連續(xù)沖壓，采用級進沖裁模生產(chǎn)。
分析各工藝方案：
方案一：所需的模具結(jié)構(gòu)簡單，但是需要兩道工序兩副模架，這兩副模架分別是落料模和沖孔模，由于所需工序和模具設備比較多，生產(chǎn)效率較低，與工件所要求的大批量生產(chǎn)不符，因此不建議選擇此方案。
方案二：該方案只需一副模具，而且復合沖裁模結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)率高，制件精度高，特別是制件孔對外形的位置度容易保證。但另一方面，復合沖裁模結(jié)構(gòu)復雜，對模具零件精度要求較高，模具裝配精度也較高，材料的利用率不高，沖壓后的成品件留在模具上，嚴重影響了沖壓速度，而且操作人員的安全不能保證。
方案三：該方案只需一副級進沖裁模，生產(chǎn)率較復合沖裁模高，操作方便，材料的利用率高，工件精度也能滿足要求。由于用級進模沖壓時，沖壓件是依次在幾個不同位置上逐步成形的，因此要控制沖壓件的孔與外形的相對位置精度就必須嚴格控制送料步距。
通過以上分析，綜合考慮使用第三種方案最佳。
第三章 排樣設計及工藝參數(shù)的計算
3.1排樣
3.1.1合理排樣并繪制排樣圖
根據(jù)材料經(jīng)濟利用的程度大小，排樣方法可分為有廢料、少廢料和無廢料三種排樣方法，根據(jù)制件在條料上的布置形式，排樣又可分為直排、斜排、對排、混合排、多排等多種多樣的形式。
圖3-1排樣方法
(1)有廢料排樣法：如圖3-1所示，沿制件的全部外形輪廓沖裁，在制件之間及制件與條料側(cè)邊之間，都有工藝余料(稱搭邊)存在。因留有搭邊，所以制件的質(zhì)量和模具使用壽命較高，但這樣使材料的利用率降低不少。
(2)少廢料排樣法：如圖3-1所示，沿制件的部分外形輪廓切斷或沖裁，只在制件之間留有搭邊，這樣使得材料的利用率有所提高。
(3)無廢料排樣法：無廢料排樣法就是無工藝搭邊的排樣法，制件直接由切斷條料獲得。就像圖3-1所示，幾乎無廢料產(chǎn)生。
采用少、無廢料排樣法，材料利用率高，有利于一次沖程獲得多個制件，且可以簡化模具結(jié)構(gòu)、降低沖裁力。但是，因條料本身的公差以及條料導向與定位所產(chǎn)生的誤差將直接的影響沖壓件，這使得沖裁件的尺寸精度降低。與此同時，因模具單面受力(單邊切斷時)，不但會加劇模具的磨損，降低模具的使用壽命，而且也會直接影響到?jīng)_裁件的斷面質(zhì)量。為此，設計排樣時必須統(tǒng)籌兼顧、全面考慮。
經(jīng)分析工件形狀，其窗口寬度和兩側(cè)的寬度相等，均為12mm。利用這一特點，可以減少廢料，提高材料的利用率。排樣如圖3-2所示。
圖3-2級進模排樣
圖中A、B、N、M區(qū)均為廢料，送料的步距為一個工件長加上一個廢料寬度。按這樣的排樣方式，材料的利用率為89%，而一般的排樣方法僅鐵芯窗口廢料的損失就達到20.86%。
沖裁板料采用條料，條料寬度為81.5mm，誤差取0.02mm。分為兩個工位，第一工位沖出8個?4mm的孔和用側(cè)刃切出A、B兩區(qū)的廢料切口，第二工位沖裁C區(qū)的“山”字鐵。第二工位完成三個任務，第一是完成C區(qū)的“山”字鐵沖裁，并從凹?？字新涑觯坏诙峭瓿蒃區(qū)“一”字鐵的落料，并從凹模側(cè)面滑出；第三是完成H區(qū)“山”字鐵左半部的沖裁成形。這一工位沖出兩個“山”字鐵和兩個“一”字鐵，其中H區(qū)的“山”字鐵被留在凹模上，為此上模設置吹料管，在滑塊回程時將E、H、D的工件吹出凹模板。D區(qū)的落料由側(cè)刃凸模完成。
本模具采用側(cè)刃定距。由排樣圖可以看出，送料的實際步距是86mm，該步距是E區(qū)“一”字鐵長度67mm與N區(qū)廢料寬度19mm的和。故側(cè)刃沖裁也由兩部分組成：①B區(qū)的側(cè)刃切廢；②E區(qū)的沖裁。實際上E區(qū)并沒有沖裁凸模，C區(qū)的落料凸模起到了E區(qū)側(cè)刃沖裁的作用。
工件上的?4mm孔是用于穿的，要求孔的位置不能偏移，故在L和K兩孔處設置兩個導正銷。側(cè)刃作為粗定位，其步距應大于實際步距0.04~0.12mm，沖裁時由導正銷將條料拉回，實現(xiàn)精確定位。
條料第一次沖裁時，假如沒有初始擋料，條料將被J區(qū)的側(cè)刃擋塊擋住，由于條料的M、N區(qū)尚未沖裁，所以E區(qū)和D區(qū)的“一”字鐵沖裁后不能脫離，而使后續(xù)的沖裁無法進行。因此，必須利用始用擋料銷確定條料第一次沖裁的正確位置。第一次送進條料時，用手按下始用擋料銷，條料被擋在N區(qū)的前方。第一次沖裁的是A、B兩個廢料區(qū)和8個?4mm的孔。第二次送料時，始用擋料銷由于彈簧的作用已隱在模具中不起作用，條料由J區(qū)側(cè)刃擋塊定位。第二次沖裁時，E、C兩區(qū)形成產(chǎn)品工件，H和D區(qū)由于工件不完整而形成廢料。第三次送料時即進入正常定位方式，直至將條料沖完。
3.1.2材料有效利用率的計算
在沖壓零件的成本中，材料費用約占60%以上，因此材料的經(jīng)濟利用具有非常重要的意義。沖壓件在條料或板料上的布置方法稱為排樣。不合理的排樣會浪費很多的材料，衡量排樣經(jīng)濟性的指標是材料的有效利用率，計算公式如下：
η=SS0×100%=SAB×100%
式中，η—材料有效利用率；
S—工件的實際面積；
S0—所用材料面積，包括工件面積和廢料面積；
A—步距；
B—條料寬度。
若考慮料頭、料尾和邊余料的材料消耗，測一塊板料上總的材料有效利用率η總為：
η總=nSLB×100%
式中，n—一塊板料上沖裁件的總數(shù)目；
S—一個沖裁件的實際面積；
L—板料的長度；
B—板料的寬度。
對于本課題的變壓器鐵芯，具體的材料有效利用率的計算過程如下：
一個步距內(nèi)的材料有效利用率計算過程如下：
η=SAB×100%
η=1-(24×19×2+π×22×8)67+19×81.5×100%=85.55%
查閱硅鋼板規(guī)格尺寸表，厚度為0.35mm的硅鋼板有以下規(guī)格；600mm×1200mm；650mm×1400mm；700mm×1420mm；710mm×1420mm；750mm×1500mm；800mm×1500mm；850mm×1700mm；900mm×1800mm；950mm×1900mm；1000mm×2000mm等規(guī)格。綜合考慮適合選擇1000mm×2000mm的板材，每張板材可以剪裁1000/81.5=12.27條取整為12條(81.5mm×2000mm),每根條料有2000/(67+19)=23.26個步距，取整為23個步距，則η總為：
η總=nSLB×100%=5996.52×12×231000×2000×100%=82.75%
所以，每塊板料的材料有效利用率為82.75%。
3.1.3提高材料有效利用率的方法
從材料有效利用率的計算公式可以看出，若能減少廢料的面積，則材料的利用率高。廢料可分為工藝廢料與結(jié)構(gòu)廢料兩種。結(jié)構(gòu)廢料由工件的形狀特點決定，一般不會改變；搭邊和余料屬工藝廢料，是與排樣形式及沖壓方式有關的廢料，設計合理的排樣方案，減少工藝廢料，才能提高材料利用率。
3.2工藝參數(shù)的計算
3.2.1沖裁力的計算
計算沖裁力的目的是為了合理地選用沖壓設備、設計模具和檢驗模具的強度。壓力機的噸位必須大于所計算的沖裁力，以適應沖裁的需求。若采用平刃沖裁模，其沖裁力F按下式計算：
F=KtLτ
式中，τ—材料抗剪強度，MPa；
L—沖裁周邊總長，mm；
t—材料厚度，mm；
K—安全系數(shù)。
系數(shù)K是考慮到?jīng)_裁模刃口的磨損、凸模與凹模間隙的波動、潤滑情況、材料力學性能與厚度公差的變化等因素而設置的安全系數(shù)，一般取1.3。當查不到材料抗剪強度τ時，可用抗拉強度σb代替τ，此時K=1。按照上式計算。鐵芯材料是硅鋼片，可取τ=450MPa，材料厚度t=0.35mm，L值由全部沖裁線組成：
L=8×2π×2+24×2+19×2+67+67-19+33.5×6+67=617.48mm
則沖裁力F=1.3×0.35×617.48×450=126.43KN
3.2.2卸料力的計算
當上模完成一次沖裁后，沖入凹模內(nèi)的制件或廢料因彈性擴張而梗塞在凹模內(nèi)，模面上的材料因彈性收縮而緊箍在凸模上。為了使沖裁工作繼續(xù)進行，必須將箍在凸模上的材料刮下；將梗塞在凹模內(nèi)的制件或廢料向下推出或向上頂出。從凸模上刮下材料所需的力，稱為卸料力；從凹模內(nèi)向下推出制件或廢料所需的力，稱為推料力；從凹模內(nèi)向上頂出制件所需的力，稱為頂件力。
FQ=KF
式中，F(xiàn)Q—卸料力；
K—卸料力系數(shù)，其值為0.02~0.06(薄料取大值，厚料取小值)；
F—沖裁力。
FQ=0.05×126.43=6.32KN
3)壓力機公稱壓力的選取
沖裁時，壓力機的公稱壓力必須大于或等于沖裁時各工藝力的總和FZ。
FZ=F+FQ
則壓力機的壓力應大于132.75KN。
3.3壓力中心的確定
模具壓力中心是指沖壓時諸沖壓力合力的作用點位置。為了確保壓力機和模具正常工作，應使沖模的壓力中心與壓力機滑塊的中心相重合。對于帶有模柄的沖壓模，壓力中心應通過模柄的軸心線，否則會使沖模和壓力機滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導軌之間產(chǎn)生過大的磨損，模具導向零件加速磨損，降低模具和壓力機的使用壽命。
沖模的壓力中心，可按下述原則來確定：
(1)對稱形狀的單個沖裁件，沖模的壓力中心就是沖裁件的幾何中心。
(2)工件形狀相同且分布位置對稱時，沖模的壓力中心與零件的對稱中心相重合。
(3)形狀復雜的零件、多凸模的壓力中心可用解析計算法求出。
解析法的計算依據(jù)是：各分力對某坐標軸的力矩之代數(shù)和等于諸力的合力對該坐標軸的力矩。求出合力作用點的坐標位置O (x,y),即為所求模具的壓力中心。計算公式為：
x=F1x1+F2x2+?+FnxnF1+F2+?+Fn
y=F1y1+F2y2+?+FnynF1+F2+?+Fn
因沖裁力與沖裁周邊長度成正比，所以上式中的沖裁力F1、F2、F3、?、Fn,可以分別用各沖裁周邊長度L1、L2、L3、?、Ln代替，即：
x=L1x1+L2x2+?+LnxnL1+L2+?+Ln
y=L1x1+L2x2+?+LnxnL1+L2+?+Ln
坐標系的建立是任意的，但坐標系位置選擇適當可使計算簡單化。在選擇坐標系時，應盡量把坐標原點設在壓力中心或幾個對稱壓力中心的對稱中心處，這樣會使計算過程變得簡單，而且不易出錯。從排樣圖可以看出，沖裁線在y方向上是對稱的，因此y方向上的壓力中心坐標值為零。只需要計算x軸方向上壓力中心的坐標值即可。壓力中心計算過程如下：
x=LaXa+LbXb+LwXw+LpXp+LeXe+LdXdLa+Lb+Lw+Lp+Le+Ld
x=-67×86-67×129-16π×86-16π×43+0+67×4367+67+16π+16π+33.5×6+67+67+12×4
x=-29.16mm
即壓力中心的x軸坐標值為-29.16。
壓力中心受力圖如下圖3-3所示：
圖3-3壓力中心
3.4凸模與凹模刃口尺寸的計算
沖裁件的尺寸精度主要決定于模具刃口的尺寸精度，模具的合理間隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度來保證。正確確定模具刃口尺寸及其制造公差，是設計沖裁模的主要任務之一。從生產(chǎn)實踐中可以發(fā)現(xiàn)：
(1)由于凸模、凹模之間存在間隙，使落下的料或沖出的孔都帶有錐度，且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，沖孔件的小端尺寸等于凹模尺寸。
(2)在測量與使用中，落料件是以大端尺寸為基準，沖孔孔徑是以小端尺寸為基準。
(3)沖裁時，凸模、凹模要與沖裁件或廢料發(fā)生摩擦，凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，結(jié)果使間隙愈來愈大。
由此在決定模具刃口尺寸及其制造公差時需考慮下述原則：
(1)落料件尺寸由凹模尺寸決定，沖孔時孔的尺寸由凸模決定。故設計落料模時，以凹模為基準，間隙取在凸模上；設計沖孔模時，以凸模為基準，間隙取在凹模上。
(2)考慮到?jīng)_裁中凸模、凹模的磨損，設計落料模時，凹?；境叽鐟〕叽绻罘秶妮^小尺寸；設計沖孔模時，凸?；境叽鐒t應取工件孔尺寸公差范圍內(nèi)的較大尺寸。這樣，在凸模、凹模磨損到一定程度的情況下，仍能沖出合格制件。凸模、凹模間隙則取最小合理間隙值。
(3)確定沖模刃口制造公差時，應考慮制件的公差要求。如果對刃口精度要求過高(即制造公差過小)，會使模具制造困難，增加成本，延長生產(chǎn)周期；如果對刃口精度要求過低(即制造公差過大)，則生產(chǎn)出來的制件可能不合格，會使模具的壽命降低。制件精度與模具制造精度的關系見表2.2.1。若制件沒有標注公差，則對于非圓形件按國家標準“非配合尺寸的公差數(shù)值”IT14級處理，沖模則可按IT11級制造；對于圓形件，一般可按IT7~IT6級制造模具。沖壓件的尺寸公差應按“入體”原則標注，落料件上偏差為零，下偏差為負；沖孔件下偏差為零，上偏差為正。
查表得Zmin=0.028,Zmax=0.036；Zmax-Zmin=0.006；制造等級為：IT11級。
①落料凹模尺寸的計算
根據(jù)零件圖凹模磨損后變大的尺寸有Ad1(67-0.170)、Ad2(45.5-0.140)、Ad3(33.5-0.110)、Ad4(12-0.100)、Ad5(19-0.120)。其中Ad3(33.5-0.110)為半磨損尺寸，制造偏差δ=0.25△/2。
刃口尺寸計算公式： Aj=(Amax-x△)0+0.25△
由表2.3.1查得：對于以上要計算的尺寸，其磨損系數(shù)分別為xd1=0.75、xd2=1、xd3=1、xd4=1、xd5=1。
Ad1=(67-0.75×0.17)0+0.25×0.17=66.870+0.043mm
Ad2=(45.5-1×0.14)0+0.25×0.14=45.360+0.035mm
Ad3=(33.5-1×0.11)0+0.25×0.11÷2=33.390+0.014mm
Ad4=(12-1×0.10)0+0.25×0.10=11.900+0.025mm
Ad5=(19-1×0.12)0+0.25×0.12=18.880+0.03mm
②沖孔凸模尺寸的計算
dp=(dmin+x△)-δp0
dp=(4+0.75×0.05)-0.0190=4.04-0.0190 mm
③孔心距的尺寸計算
Ld=(Lmin+0.5△)±0.125△
Ld=54.9+0.5×0.2±0.125×0.2=55±0.025mm
凸模刃口尺寸按凹模相應部位的尺寸配制，保證雙面最小間隙處在0.028～0.036之間。
第四章 模具結(jié)構(gòu)設計與計算
4.1凸模的設計及固定方式
4.1.1凸模的設計
A、B區(qū)的側(cè)刃凸模是由斷面為19mm×24mm的矩形長方體制成的，根據(jù)各板的規(guī)格可以知道側(cè)刃凸模的高度，其高度適中且卸料力較小，因此采用螺釘?shù)跹b固定在墊板上，固定所采用的螺釘為模具中經(jīng)常使用的內(nèi)六角螺釘，其規(guī)格為M10。理論上尺寸19mm×24mm相交處為直角，但是考慮到凸模的使用壽命，因此將直角制成0.5mm的圓角。?4mm沖孔凸模根據(jù)其結(jié)構(gòu)采用臺階式固定。因凸模要穿過凸模固定板、橡膠彈性體及卸料板，長度較大，容易折彎或折斷，故上部直徑取較大值，定為?10mm，進入卸料板凸模直徑為4mm，用卸料板進行保護。
C區(qū)的“山”字落料凸模采用直壁形結(jié)構(gòu)，其固定方式采用3個M8螺釘?shù)跹b在墊板上?！吧健弊骤F左右兩側(cè)的直線刃口，是兩次沖裁相接而成的。這種兩次沖裁一個直邊的情況稱為平接，在級進模中本應該避免平接的出現(xiàn)，因為容易產(chǎn)生毛刺和相接痕跡。因此采用兩個措施，第一是增加定位精度，在凸模上安裝導正銷，第二是凸模上的尺寸67mm適當大一點，在取沖裁間隙時采用加大凹模的方法形成間隙。
D區(qū)的切斷凸模屬于單面切斷，H區(qū)在沖裁的時候已由卸料板壓緊，而此時D區(qū)處于懸臂的狀態(tài)，切斷凸模沖裁時有兩種不利的趨勢，其一是懸臂的工件有側(cè)傾的趨勢，其二是凸模單邊受力被擠而使沖裁間隙有擴大的趨勢。為阻止其轉(zhuǎn)動和側(cè)傾，在下模部位設計出支承臺階。卸料板對凸模起到后支持的作用，在一定程度上可以消除第二個不利因素。
4.1.2凸模的結(jié)構(gòu)形式及其固定方法
凸模結(jié)構(gòu)通常分為兩大類，一類是鑲拼式，另一類為整體式。整體式中，根據(jù)加工方法的不同，又可分為直通式和臺階式兩種。直通式凸模的工作部分和固定部分的形狀與尺寸做成一樣，這類凸模一般采用線切割方法進行加工。臺階式凸模一般采用機械加工，當形狀復雜時成形部分常采用成形磨削。對于圓形凸模，GB2863-81的冷沖模標準已制定出這類凸模的標準結(jié)構(gòu)形式與尺寸規(guī)格。設計時可按國家標準選取。凸模的固定方法有臺肩固定、鉚接、螺釘和銷釘固定、粘結(jié)劑澆注法固定等。
4.1.3凸模長度的計算及強度校核
本模具采用彈性卸料裝置進行卸料，凸模長度包括：凸模固定板、橡膠彈性體、卸料板等長度，所以L=66mm。
在一般情況下，凸模的強度是足夠的，不必進行強度計算。但對于細長的凸模，或凸模斷面尺寸較小而沖壓毛坯的厚度又比較大的情況下，必須進行承壓能力和抗縱向彎曲能力兩方面的校驗，以保證凸模設計的安全。通過比較在這里只對沖孔凸模進行校核。
對于圓形凸模有dmin≥4tτσ
式中σ—凸模最小斷面的壓應力，MPa；
t—沖裁材料厚度，mm；
τ—沖裁材料抗剪強度，MPa；
[σ]—凸模材料的許用壓應力，MPa。
其中，dmin=4mm；t=0.35mm；τ=450MPa；[σ]=250MPa。代入上式成立，因此該沖孔凸模能滿足要求。
4.2凹模結(jié)構(gòu)的設計和校核
4.2.1凹模的結(jié)構(gòu)設計
凹模采用鑲拼結(jié)構(gòu)，隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來由于線切割機床的普及，采用整體凹模結(jié)構(gòu)具有制造簡單、制作周期短的特點，并且由于凸模固定板、卸料板、凹?？梢杂猛怀绦蚨ㄎ弧⑶懈?，因而可以保證相對位置的精度，便于裝配。再者，本模具是純沖裁模，凹模是一個平面，磨損后便于刃磨。綜合以上因素，將凹模設計為整體凹模，所選材料為Cr12MoV，此材料淬透性好，利于刃磨。凹模結(jié)構(gòu)圖如下圖4-1所示。
圖4-1凹模結(jié)構(gòu)
4.2.2凹模的強度校核
凹模內(nèi)部的兩個矩形區(qū)，沖裁是處于懸臂狀態(tài)，因而凹模應有足夠的厚度，否則由于受彎截面過小，會使此處凹模折斷，因此該處應進行強度校核，由裁料力學可知，將其簡化為懸臂梁，其載荷F1是作用在頭部寬度為12mm的沖裁力；F2是作用在長邊沖裁力的和，其作用點在中心。
F1=L1tτ=12×10-3×0.35×10-3×450×106=1890N
F2=L2tτ=33.5×10-3×0.35×10-3×450×106×2=10552.5N
Mmax=M1+M2=F1L1+F2L2=240N?m
矩形截面的抗彎截面模量由材料力學可知：
W=bH26
由材料力學可知彎曲強度條件是：
MmaxW≤[σ]
代入數(shù)據(jù)后得H≥21.9mm。本模具所選凹模的厚度為30mm，因此滿足強度要求。
圖4-2危險截面
4.3定位零件的設計
為了保證條料的正確送進和毛坯在模具中的正確的位置，要想沖裁出外形完整的合格零件，模具設計時必須要考慮條料或毛坯的定位。正確位置是依靠定位零件來保證的。毛坯的形狀和模具的結(jié)構(gòu)不同，所選擇的定位零件多種多樣。設計時可根據(jù)毛坯形狀、模具的結(jié)構(gòu)、零件的精度要求、生產(chǎn)率的高低等因素進行選擇。定位包含控制送料步距的擋料和垂直方向上的導料等。
4.3.1擋料銷
擋料銷的作用是擋住條料搭邊或沖壓件輪廓以限制條料的送料距離。國家標準中常見的擋料銷有三種形式：固定擋料銷、活動擋料銷和始用擋料銷。固定擋料銷安裝在凹模上，用來控制條料的進距，特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。由于安裝在凹模上，安裝孔可能會造成凹模強度的消弱，常用的結(jié)構(gòu)有圓形和鉤形擋料銷?；顒訐趿箱N常用于倒裝復合模中。始用擋料銷用于級進模中開始時候的定位。
在該級進模上必須使用始用擋料銷。在條料第一次沖裁時，假如沒有初始擋料，條料將被J區(qū)的側(cè)刃擋塊擋住，由于條料的M、N區(qū)尚未沖裁，所以E區(qū)和D區(qū)的“一”字鐵沖裁后不能脫離，而使后續(xù)的沖裁無法進行。因此，必須利用始用擋料銷確定條料第一次沖裁的正確位置。第一次送進條料時，用手按下始用擋料銷，條料被擋在N區(qū)的前方。第一次沖裁的是A、B兩個廢料區(qū)和8個Φ4mm的孔。第二次送料時，始用擋料銷由于彈簧的作用已隱在模具中不起作用，條料由J區(qū)的側(cè)刃擋塊定位。第二次沖裁時，E、C兩區(qū)形成產(chǎn)品工件，H和D區(qū)由于工件不完整而形成廢料。第三次送料時即進入正常定位方式，直至將條料沖完。
4.3.2導尺
導尺的作用是對條料進行導向，安裝在凹模工作部位的兩側(cè)，并于模具中心線平行。在本模具中各工序均為沖裁，沖壓過程中材料沒有上、下運動，因此導尺工作側(cè)面制成直臂形，導尺與條料之間應留有微小間隙。精度差時會出現(xiàn)送料困難的情況；而過大將會影響E區(qū)和D區(qū)成品件的尺寸。導尺的厚度結(jié)合始用擋料銷的厚度取6mm。在J區(qū)設置了側(cè)刃擋塊，導尺不起作用，因此導尺在側(cè)刃擋塊處終止。導尺用45鋼制作，其硬度為50~55HRC。導尺用螺釘固定在凹模的上表面。
4.3.3卸料零件的設計
設計卸料零件的目的，是將沖裁后卡箍在凸模上或凸凹模上的制件或廢料卸掉，保證下次沖裁能夠正常進行。常用的卸料方式有剛性卸料、彈壓卸料等方式。在本模具中所使用的是彈壓卸料方式。
彈壓卸料板具有卸料和壓料的雙重作用，主要用于沖裁料厚在1.5mm以下的板料，由于有壓料的作用，沖裁件比較平整。彈壓卸料板與彈性元件(彈簧或橡膠)、卸料螺釘組成彈壓卸料裝置。為了達到好的卸料效果，在模具開啟狀態(tài)時，卸料板應高出模具工作零件刃口0.3~0.5mm，以利于卸料。
4.4標準模架和導向零件的選擇
4.4.1模架的選擇
常用的模架結(jié)構(gòu)有：滑動式導柱導套模架和滾動式導柱導套模架。根據(jù)導柱分布的不同又可分為對角導柱模架、中間導柱模架、后側(cè)導柱模架等。模架由上、下模座和導向零件組成，是整副模具的骨架，模具的全部零件都固定在它的上面，并承受沖壓過程的全部載荷。模具的上模座和下模座分別與沖壓設備的滑塊和工作臺固定。上、下模間的精確位置由導柱、導套的導向來實現(xiàn)。模架的選用規(guī)格，可根據(jù)凹模周界尺寸從標準手冊選取。
4.4.2導向零件的選擇
導向零件是用來保證上模和下模的正確運動的。對于生產(chǎn)批量較大、零件公差要求較高、壽命要求較長的模具，一般都采用導向裝置。在模具中應用最廣泛的是導柱和導套。導柱、導套與模座的裝配方式及要求按標準規(guī)定。但要注意，在選導向裝置及零件標準時，要根據(jù)所設計模具的實際閉合高度。上下模的導向在凸模與凹模開式作用前或壓料板接觸到制件前就應該充分的合上，以確保導向在沖壓工作開始時即以發(fā)揮正常作用，導柱的長度應保證沖模在最低位置時導柱的上端面與上模座頂面的距離不小于15mm，而下模座頂面與導柱底面的距離不小于5mm。結(jié)構(gòu)簡圖如圖4-3所示。
圖4-3導向裝置
4.5橡膠元件的選擇
橡膠是沖模中常用的彈性元件，其許用負荷比彈簧大，安裝調(diào)整也很方便。卸料、頂件常選用硬橡膠，拉壓邊多選用軟橡膠。根據(jù)標準可以選擇多種不同的橡膠，本模具所選擇的橡膠材料為聚氨酯橡膠，厚度為32mm，在模具中的橡膠要注意使用要求，第一是澆注型的聚氨酯橡膠的硬度為(邵氏)80，超過其硬度的會降低橡膠的使用壽命。第二是聚氨酯橡膠體的工作溫度應控制在70攝氏度以下。第三是選用普通橡膠時要注意防油，橡膠周圍應留有適當?shù)目臻g使橡膠受力后能自由變形。
4.6固定零件的選擇
模具的連接與固定零件主要有模柄、固定板、墊板、銷釘、螺釘?shù)取＿@些零件都可以從標準中查得。
4.6.1模柄
中、小型模具一般是通過模柄將上模固定在壓力機滑塊上。模柄是作為上模與壓力機滑塊連接的零件。對它的基本要求是：一要與壓力機滑塊上的模柄孔正確配合，安裝可靠；二要與上模正確而可靠連接。JB/T7646-2008《沖模模柄》標準規(guī)定的沖模模柄有壓入式模柄、旋入式模柄、凸緣模柄、槽型模柄、浮動模柄和推入式活動模柄。本模具所采用的是凸緣模柄。
4.6.2固定板
凸、凹模固定板主要用于小型凸模、凹?；蛲拱寄５裙ぷ髁慵墓潭?。固定板的外形與凹模輪廓尺寸基本上一致，厚度取凹模厚度的0.6~0.8倍。材料可選用Q235或45鋼。
4.6.3墊板
墊板的作用是承受凸?；虬寄５妮S向壓力，防止過大的沖壓力在上、下模板上壓出凹坑，影響模具的正常使用。墊板厚度根據(jù)壓力大小選擇，一般區(qū)5~12mm,外形尺寸與固定板相同，材料為45鋼，熱處理后硬度為43~48HRC。
4.6.4螺釘
螺釘是標準件，可按標準選取合適的螺釘，在模具中經(jīng)常使用內(nèi)六角螺釘，其優(yōu)點是精度高、安裝方便、所占用的空間小等。
4.7模具的安裝要求
模具的裝配就是根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)條件，以一定的裝配順序和方法，將符合技術(shù)要求的零件，經(jīng)協(xié)調(diào)加工，組裝成滿足使用要求的模具。在裝配過程中，即要保證配合零件的配合精度，又要保證零件之間的位置精度，對于具有相對運動的零件，還必須保證它們之間的運動精度。因此，模具裝配是最后實現(xiàn)沖模設計和沖壓工藝意圖的過程，是模具制造過程的關鍵工序。模具裝配的質(zhì)量直接影響制件的沖壓質(zhì)量、模具的使用和模具的壽命。沖壓模零件配合關系表如下：
表4-1模具裝配配合要求
相關配合零件
理論配合要求
相關配合零件
理論配合要求
凸模/凹模
相差一個間隙
上模座/導套
H7/r6或H7/s6
凸模/凸模固定板
H7/m6或H7/n6
下模座/導柱
H7/r6或H7/s6
上模座/模柄
H7/r6或H7/s6
導柱/導套
H6/h5或H7/h6
第五章 壓力機的選擇
根據(jù)要完成的沖壓工序性質(zhì)和各種沖壓設備的力能特點，考慮沖壓加工所需的變形力、變形功及模具閉合高度和輪廓尺寸的大小等主要因素，結(jié)合工廠現(xiàn)有設備情況來合理選定設備類型和噸位。常用沖壓設備有曲柄壓力機、液壓機等，其中曲柄壓力機應用最廣。沖裁類沖壓工序多在曲柄壓力機上進行，一般不用液壓機；而成形類沖壓工序可在曲柄壓力機或液壓機上進行。根據(jù)壓力機的設備規(guī)格，按照條件，適合本模具的壓力機為SP系列小型壓力機，型號為SP-15CS，其主要技術(shù)參數(shù)見下表：
表5-1壓力機規(guī)格參數(shù)
公稱壓力/KN
150
封閉高度/mm
200~220
行程長度/mm
50~10
主電動機功率/KW
2.2
滑塊調(diào)節(jié)量/mm
30
機床質(zhì)量/KG
1400
墊板厚度/mm
80
機床高度H/mm
1900
工作臺孔尺寸/mm
250×120
機床外形尺寸/mm
910×1200
注：SP系列小型高速壓力機為小型C型機架的開式壓力機，適用于工業(yè)用接插件、電位器、電容器等小型電子元件的制件生產(chǎn)。
總 結(jié)
本次畢業(yè)設計的課題題目是變壓器鐵心級進模，提起變壓器，在日常生活中可能隨處可見。鐵心是組成變壓器重要的零件，其材料為硅鋼片，常見的形狀為“山”字形和“一”字形，也有其他形狀的鐵心。而生產(chǎn)出的鐵心零件精度要達到IT11~IT10級，在本設計中所采用的排樣方法為少廢料排樣法，條料在導料板之間運動，沖裁完成后，用卸料板進行卸料。級進模具有材料利用率高、生產(chǎn)效率快、操作簡單等優(yōu)點，但對于加工和安裝提出了更高的要求，以保證模具的使用壽命，對多工位精密級進模更是如此。本次設計由于經(jīng)驗不足，有很多不足之處，望指出。
致 謝
畢業(yè)設計是一次綜合性的考察，是對我們四年所學專業(yè)知識的綜合考察，也是對我們進行科學研究基本功的訓練，通過本次畢業(yè)設計，培養(yǎng)了我們綜合運用知識、獨立分析問題和解決問題的能力，為我們?nèi)蘸蟮膶W習和工作開了個好頭。通過本次畢業(yè)設計我們學會了一些解決問題的方法，同時也學會了吃苦耐勞的精神。本此設計能夠順利完成，首先應該感謝我的導師，在他的指導下，才使得這次設計能夠按時完成。他為我們提供了很多參考文獻和書籍，使得我們的畢業(yè)設計有了解決的途徑。他用自己的課余時間為我們解答難題，我們真的很感激。
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