橫梁連接支架沖壓模設(shè)計(jì)【沖孔落料復(fù)合?！俊緩澢！俊?套】
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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)北市國立臺(tái)灣大學(xué)機(jī)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(shí)。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(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(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。在無起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實(shí)測結(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。
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(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增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會(huì)通過裂痕導(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(jì)劃一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(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)通過一個(gè)有錐度的模具畫出金屬板料時(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單形狀零件關(guān)聯(lián)的起皺問題上，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(gè)帶有階梯的矩形部分的過程中，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。在沖壓過程中，側(cè)壁上的金屬板料相對沒被支撐，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(gè)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(jì)來減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品成形時(shí)，通過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(diǎn)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(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模擬。為在飛機(jī)上切割下的樣本測試被進(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(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(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(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(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(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(gè)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(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(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(dòng)。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(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，拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中通過增加半徑得到證實(shí)。
個(gè)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(huì)因?yàn)榇罅康慕饘倭鲃?dòng)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(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(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)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實(shí)的產(chǎn)品沖壓過程中是不可能的。對沖壓過程中金屬流動(dòng)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(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)這種說法，兩種改進(jìn)過了的模具設(shè)計(jì)被用來實(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，通過兩步拉深工序可以造出沒有起皺的階梯矩形杯子，同時(shí)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?yàn)榻饘俨蝗菀淄ㄟ^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
有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設(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(tái)階來改善模具設(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，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(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?yàn)闆_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(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(tái)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(tái)階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設(shè)計(jì)過程中，通過有限元模擬分析法單獨(dú)的嘗試被用來消除起皺，切除了臺(tái)階的模具被建立。通過無缺陷的零件證實(shí)了這種模具設(shè)計(jì)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(shí)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(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
作者希望感謝中國人民共和國民族科學(xué)委員會(huì)授于NSC-86-2212-E002-028編號才使得這個(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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江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目橫梁連接支架沖壓模具設(shè)計(jì)
姓 名 學(xué) 號
系 部 機(jī)電工程系
專 業(yè) 模具設(shè)計(jì)與制造
指導(dǎo)教師 職 稱 副教授
2014年 12月 10日
摘 要
本設(shè)計(jì)為一橫梁連接支架的冷沖壓模具設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)零件的尺寸、材料、批量生產(chǎn)等要求，首先分析零件的工藝性，確定沖裁工藝方案及模具結(jié)構(gòu)方案，然后通過工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，確定排樣和裁板，計(jì)算沖壓力和壓力中心，初選壓力機(jī)，計(jì)算凸、凹模刃口尺寸和公差，最后設(shè)計(jì)選用零、部件，對壓力機(jī)進(jìn)行校核，繪制模具總裝草圖，以及對模具主要零件的加工工藝規(guī)程進(jìn)行編制。其中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要對凸模、凹模、凸凹模、定位零件、卸料與出件裝置、模架、沖壓設(shè)備、緊固件等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對于部分零部件選用的是標(biāo)準(zhǔn)件，就沒深入設(shè)計(jì)，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，對部分零部件進(jìn)行了加工工藝分析，最終才完成這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：模具 沖裁件 凸模 凹模 凸凹模
Abstract
The design for a plate of cold stamping die design, according to the size of the design components, materials, mass production, etc., the first part of the process of analysis to determine the blanking process planning and die structure of the program, and then through the process design calculations, determine the nesting and cutting board, calculate the pressure and pressure washed centers, primary presses, computing convex and concave Die Cutting Edge dimensions and tolerances, the final design selection of parts and components, to press for checking, drawing die assembly drawings, as well as Mold processing technology of the main parts to the preparation procedures. In which the structural design, primarily to the punch and die, punch and die, positioning parts, unloading and out of pieces of equipment, mold, pressing equipment, fasteners, etc. has been designed, for the selection of some components are standard parts , there is no in-depth design, and structural design, while some parts for the processing process analysis and ultimately to complete this graduation project.
KEY WORD: mold stamping parts punch die punch and die
目錄
第一章緒言 1
第一節(jié)材料的工藝分析 1
第二節(jié) 材料選擇 2
第三節(jié) 工件結(jié)構(gòu)形狀 2
第四節(jié) 尺寸精度 2
第二章 沖裁工藝方案的確定 4
第三章 模具結(jié)構(gòu)形式的確定 5
第四章 模具總體設(shè)計(jì) 6
第一節(jié) 模具類型的選擇 6
第二節(jié) 操作與定位方式 6
第三節(jié) 卸料、出件方式 6
第四節(jié) 確定送料方式 7
第五節(jié) 確定導(dǎo)向方式 7
第五章 模具工藝參數(shù)確定 8
第一節(jié) 排樣設(shè)計(jì)與計(jì)算 8
第二節(jié) 搭邊值的確定 8
第三節(jié) 進(jìn)距與條料寬度計(jì)算 9
第四節(jié) 材料利用率的計(jì)算 11
第六章 計(jì)算沖壓力與壓力機(jī)的初選 13
第一節(jié) 沖裁力Fp的計(jì)算 13
第二節(jié) 卸料力Fq1的計(jì)算 13
第三節(jié) 頂件力Fq2的計(jì)算 14
第四節(jié) 總的沖壓力F的計(jì)算 14
第五節(jié) 壓力機(jī)的初選 14
第七章 模具壓力中心的確定 16
第八章 沖裁模間隙的確定 17
第一節(jié) 沖裁間隙Z 17
第二節(jié) 沖裁間隙分析 17
第九章 凹、凸模刃口尺寸的計(jì)算 19
第一節(jié) 刃口尺寸計(jì)算的基本原則 19
第二節(jié) 刃口尺寸的計(jì)算 19
第十章 主要零部件的設(shè)計(jì) 23
第一節(jié) 工作零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 23
第二節(jié) 橡膠的選用 29
第三節(jié) 模架及其零件的設(shè)計(jì) 30
第十一章 校核模具閉合高度及壓力機(jī)有關(guān)參數(shù) 32
第一節(jié) 閉合高度的計(jì)算 32
第二節(jié) 沖壓設(shè)備的選定 32
第十二章 模具總裝圖與凸、凹模零件圖 33
結(jié)論 36
致謝 37
參考文獻(xiàn) 38
第一章 緒言
第一節(jié) 材料的工藝分析
沖壓是利用安裝在沖壓設(shè)備（主要是壓力機(jī)）上的模具對材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需零件（俗稱沖壓或沖壓件）的一種壓力加工方法。沖壓通常是在常溫下對材料進(jìn)行變形加工，且主要采用板料來加工成所需零件，所以也叫冷沖壓或板料沖壓。沖壓是材料壓力加工或塑性加工的主要方法之一，隸屬于材料成型工程。
工件名稱：橫梁連接支架 工件簡圖：如圖1.1所示 生產(chǎn)批量：大批量 材料：Q235 厚度：1mm 工件精度：IT14
圖1.1工件簡圖
第二節(jié) 材料選擇
根據(jù)表1.1，Q235為碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的塑性、焊接性以及壓力加工性，主要用于工程結(jié)構(gòu)和受力較小的機(jī)械零件。綜合評比均適合沖裁加工。
第三節(jié) 工件結(jié)構(gòu)形狀
工件結(jié)構(gòu)形狀相對簡單，屬軸對稱結(jié)構(gòu)，除有一個(gè)孔,其余皆為直線，孔與邊緣之間的距離也滿足要求，可以沖裁。
2.2展開尺寸的計(jì)算
彎曲件毛坯的展開尺寸是根據(jù)變形中性層長度不變的原理來求出的，對于變形程度很小或?qū)Τ叽缫桓叩膹澢碚f，可以近似的認(rèn)為變形中性層與毛坯的斷面中心相重合，這時(shí)，中性層的位置為
ρ=r+t/2
式中 r——彎曲件內(nèi)層的彎曲半徑
t——板料的厚度，
而當(dāng)需要精確的求出彎曲毛坯的展開長度時(shí)，就必須精確的求出變形中性層的位置。確定位置之后就可以進(jìn)行毛坯展開長度的計(jì)算了，這需要一個(gè)中性層的位移系數(shù)，此系數(shù)對于彎曲形狀及彎曲程度不同，數(shù)值也不同，需要根據(jù)實(shí)際的模具調(diào)節(jié)展開尺寸。
本產(chǎn)品，尺寸沒標(biāo)公差，屬于自由公差，可以直接按毛坯的斷面中性層尺寸計(jì)算，
經(jīng)過計(jì)算 L1=99.4，寬度D=50
此尺寸目前是待定，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)需調(diào)節(jié)。
如圖，展開圖紙如下圖所示：
第四節(jié) 尺寸精度
零件圖上所注公差經(jīng)查標(biāo)準(zhǔn)公差表1.2為IT14級，尺寸精度較低，普通沖裁完全可以滿足要求。
根據(jù)以上分析：該零件沖裁工藝性較好，適宜沖裁加工。查公差表得各尺寸公差：
零件外形：99.4mm、50mm、20mm
零件內(nèi)形：4mm
表1.1黑色金屬的力學(xué)性能
材料名稱
材料牌號
材料狀態(tài)
極限強(qiáng)度
伸長率
屈服強(qiáng)度
彈性模量E/MPa
抗剪
抗拉
碳素結(jié)構(gòu)鋼
Q235
已退火的
216-304
275-383
32
177
08
255-353
324-441
32
196
186000
10F
216-333
275-412
30
186
10
255-333
294-432
29
206
194000
15F
245-363
314-451
28
15
265-373
333-471
26
225
198000
20F
275-383
333-471
26
225
196000
2O
275-392
353-500
25
245
206000
25
314-432
329-539
24
275
198000
30
353-471
441-588
22
294
197000
35
392-511
490-637
20
314
197000
40
412-530
511-657
18
333
209000
45
432-549
539-686
16
353
200000
50
432-569
539-716
14
373
216000
表1.2部分標(biāo)準(zhǔn)公差值（GB/T1800.3—1998）
公差等級
IT6
IT7
IT8
IT9
IT10
IT11
IT12
IT13
IT14
IT15
基本尺寸
/μm /mm
＞3～6
8
12
18
30
48
75
0.12
0.18
0.30
0.48
＞6～10
9
15
22
36
58
90
0.15
0.22
0.36
0.58
＞10～18
11
18
27
43
70
110
0.18
0.27
0.43
0.70
＞18～30
13
21
33
52
84
130
0.21
0.33
0.52
0.84
＞30～50
16
25
39
62
100
160
0.25
0.39
0.62
1.00
＞50～80
19
30
46
74
120
190
0.30
0.46
0.74
1.20
＞80～120
22
35
54
87
140
220
0.35
0.54
0.87
1.40
從表1.1中查出Q235
抗拉強(qiáng)度：σ=275～383Mpa
抗剪強(qiáng)度：τ=216～304Mpa
伸長率： δ=32%
分析其力學(xué)性能較好，故選擇Q235材料。
第二章 沖裁工藝方案的確定
該制件的沖裁工序包括落料和沖孔，其沖裁加工有以下三種方案：
方案一：先沖孔，后落料，然后彎曲。單工序模生產(chǎn)。
方案二：沖孔—落料復(fù)合沖壓然后彎曲。復(fù)合模生產(chǎn)。
方案三：沖孔—落料—彎曲級進(jìn)沖壓。級進(jìn)模生產(chǎn)。
方案一模具結(jié)構(gòu)簡單，投資少，且每次沖裁所需的沖裁力較小，可以解決沖壓設(shè)備噸位不夠的問題。其缺點(diǎn)在于零件的精度難于保證，并且零件比較小，在第二次沖孔時(shí)，準(zhǔn)確定位不宜，容易使人受傷，生產(chǎn)率低。
方案二也只需2副模具，制件精度和生產(chǎn)效率都較高，且工件最小壁厚大于凸凹模許用最小壁厚，模具強(qiáng)度也能滿足要求。沖裁件的內(nèi)孔與邊緣的相對位置精度較高，板料的定位精度比方案三低，模具輪廓尺寸較小，制造比方案三簡單。
方案三只需一副模具，生產(chǎn)效率高，操作方便，精度也能滿足要求，但模具輪廓尺寸較大，制造復(fù)雜，成本較高。
通過對上述三種方案的分析比較,采用方案二復(fù)合模是比較合理的。
第四章 模具總體設(shè)計(jì)
第一節(jié) 模具類型的選擇
經(jīng)分析，工件尺寸精度要求不高，形狀較簡單，但工件產(chǎn)量較大，根據(jù)材料厚度，為保證沖模有較高的生產(chǎn)率，通過比較，決定實(shí)行工序集中的工藝方案，彈性卸料裝置的倒裝復(fù)合模具結(jié)構(gòu)方式。
第二節(jié) 操作與定位方式
一、操作方式
零件的生產(chǎn)批量較大，但合理安排生產(chǎn)可用手工送料方式，提高經(jīng)濟(jì)效益。
二、定位方式
因?yàn)閷?dǎo)料銷和擋料銷結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。且該模具采用的是條料，根據(jù)模具具體結(jié)構(gòu)兼顧經(jīng)濟(jì)效益，控制條料的送進(jìn)方向采用導(dǎo)料銷，控制送料步距采用固定擋料銷。
第三節(jié) 卸料、出件方式
一、卸料方式
剛性卸料與彈性卸料的比較：
剛性卸料是采用固定卸料板結(jié)構(gòu)。常用于較硬、較厚且精度要求不高的工件沖裁后卸料。當(dāng)卸料板只起卸料作用時(shí)與凸模的間隙隨材料厚度的增加而增大，單邊間隙?。?.2～0.5）t。當(dāng)固定卸料板還要起到對凸模的導(dǎo)向作用時(shí)卸料板與凸模的配合間隙應(yīng)該小于沖裁間隙。此時(shí)要求凸模卸料時(shí)不能完全脫離卸料板。主要用于卸料力較大、材料厚度大于2mm且模具結(jié)構(gòu)為倒裝的場合。
彈壓卸料板具有卸料和壓料的雙重作用，主要用于料厚小于或等于2mm的板料由于有壓料作用，沖件比較平整。卸料板與凸模之間的單邊間隙選擇（0.1～0.2）t,若彈壓卸料板還要起對凸模導(dǎo)向作用時(shí)，二者的配合間隙應(yīng)小于沖裁間隙。常用作落料模、沖孔模。
工件平直度較高，料厚為1mm，卸料力不大，由于彈壓卸料模具比剛性卸料模具方便，操作者可以看見條料在模具中的送進(jìn)動(dòng)態(tài)，且彈性卸料板對工件施加的是柔性力，不會(huì)損傷工件表面，故可采用彈性卸料。
二、出件方式
因采用倒裝復(fù)合模生產(chǎn)，故采用彈性上出件。
第四節(jié) 確定送料方式
因選用的沖壓設(shè)備為開式壓力機(jī)，采用橫向送料方式，即由右向左送料。
第五節(jié) 確定導(dǎo)向方式
采用后側(cè)導(dǎo)柱模架。由于前面和左右不受限制，送料和操作比較方便。因?yàn)閷?dǎo)柱安裝在后側(cè)，工作時(shí)，偏心距會(huì)造成導(dǎo)套導(dǎo)柱單邊磨損，嚴(yán)重影響模具使用壽命，且不能使用浮動(dòng)模柄。
第五章 模具工藝參數(shù)確定
第一節(jié) 排樣設(shè)計(jì)與計(jì)算
沖裁件在板料、帶料或條料上的布置方法稱為排樣。排樣的意義在于減小材料消耗、提高生產(chǎn)率和延長模具壽命，排樣是否合理將影響到材料的合理利用、沖件質(zhì)量、生產(chǎn)率、模具結(jié)構(gòu)與壽命。
根據(jù)材料經(jīng)濟(jì)利用程度，排樣方法可以分為有搭邊、少搭邊和無搭邊排樣三種，根據(jù)制件在條料上的布置形式，排樣有可以分為直排、斜排、對排、混合排、多排等多重形式。
因此有下列三種方案：
方案一：有搭邊排樣 沿沖件外形沖裁，在沖件周邊都留有搭邊。沖件尺寸完全由沖模來保證，因此沖件精度高，模具壽命高，但材料利用率低。
方案二：少搭邊排樣 因受剪切條料和定位誤差的影響，沖件質(zhì)量差，模具壽命較方案一低，但材料利用率稍高，沖模結(jié)構(gòu)簡單。
方案三：無搭邊排樣 沖件的質(zhì)量和模具壽命更低一些，但材料利用率最高。
通過上述三種方案的分析比較，綜合考慮模具壽命和沖件質(zhì)量，該沖件的排樣方式選擇方案一為佳?？紤]模具結(jié)構(gòu)和制造成本有廢料排樣的具體形式選擇直排最佳（如圖5.1所示）。
第二節(jié) 搭邊值的確定
排樣時(shí)零件之間以及零件與條料側(cè)邊之間留下的工藝余料，稱為搭邊。
搭邊的作用是補(bǔ)償定位誤差，保持條料有一定的剛度，保證零件質(zhì)量和送料方便。搭邊過大，浪費(fèi)材料。搭邊過小，沖裁時(shí)容易翹曲或被拉斷，不僅會(huì)增大沖件毛刺，有時(shí)還會(huì)拉入凸、凹模間隙中損壞模具刃口，降低模具壽命。或影響送料工作。搭邊值是廢料，所以應(yīng)盡量取小，但過小的搭邊值容易擠進(jìn)凹模，增加刃口磨損。根據(jù)制件厚度與制件的排樣方法查表5.1得：
兩制件之間搭邊值a1=2mm
側(cè)搭邊值a=2.5mm
表5.1搭邊值和側(cè)邊值
材料厚度t
手動(dòng)送料
自動(dòng)送料
圓形
非圓形
往復(fù)送料
a
a1
a
a1
a
a1
a
a1
1以下
1.5
1.5
2
1.5
3
2
1～2
2
1.5
2.5
2
3.5
2.5
3
2
2～3
2.5
2
3
2.5
4
3.5
3～4
3
2.5
3.5
3
5
4
4
3
4～5
4
3
5
4
6
5
5
4
5～6
5
4
6
5
7
6
2.0
5
第三節(jié) 進(jìn)距與條料寬度計(jì)算
一、送料進(jìn)距A
條料在模具上每次送進(jìn)的距離稱為送料進(jìn)距，每個(gè)進(jìn)距可沖出一個(gè)或多個(gè)零件。
A=D+a1 (5.1)
式中D——平行于送料方向的沖裁件寬度
a1——沖裁件之間搭邊值
模具相對于模架是采用從前往后的縱向送料方式,還是采用從右往左的橫向送料方式，這主要取決于凹模的周界尺寸。就本模具而言,采用縱向送料方式。
圖5.1排樣圖
二、條料寬度B計(jì)算
排樣方式和搭邊值確定以后，條料的寬度也就可以設(shè)計(jì)出。計(jì)算條料寬度有三種情況需要考慮：
1.有側(cè)壓裝置時(shí)條料的寬度。
2.無側(cè)壓裝置時(shí)條料的寬度。
3.有定距側(cè)刃時(shí)條料的寬度。
有側(cè)壓裝置的模具，能使條料始終沿著導(dǎo)料板送進(jìn)。
圖5.2有側(cè)壓裝置時(shí)條料的寬度確定
本設(shè)計(jì)采用的是有側(cè)壓裝置的模具。
所謂條料寬度，是指工件最大極限尺寸加上側(cè)搭邊值。因條料是由板料剪裁下料而得，為保證送料順利，規(guī)定其上偏差為零，下偏差為負(fù)值。其計(jì)算公式如下：
B=[D+2a] （5.2）
式中B——條料寬度基本尺寸；
D——條料寬度方向零件輪廓的最大尺寸；
a——側(cè)搭邊值，查表5.1；
△——條料下料剪切公差；
表5.2剪切公差△及條料與導(dǎo)料板之間隙C（mm）
條料厚度(mm)
條料寬度(mm)
≤1
＞1～2
＞2～3
＞3～5
△
C
△
C
△
C
△
C
≤50
0.4
0.1
0.5
0.2
0.7
0.4
0.9
0.6
＞50～100
0.5
0.1
0.6
0.2
0.8
0.4
1.0
0.6
＞100～150
0.
0.2
0.7
0.3
0.9
0.5
1.1
0.7
＞150～220
0.7
0.2
0.8
0.3
1.0
0.5
1.2
0.7
根據(jù)零件圖查表5.2確定剪料公差及條料與導(dǎo)板之間的間隙△=0.6。
根據(jù)公式(5.2)： B=[D+2a+c]
=(99.4+2×2.5)
=104.4
第四節(jié) 材料利用率的計(jì)算
一、計(jì)算沖壓件面積、周長
因?yàn)樵摴ぜD由多段圓弧組成，計(jì)算周長需要準(zhǔn)確的找到各段圓弧的長度，計(jì)算面積也需要準(zhǔn)確的找到切點(diǎn)，諸多因素采用人工計(jì)算時(shí)計(jì)算量較大，因此采用三維輔助軟件可快速準(zhǔn)確的計(jì)算出面積、周長（如圖5.3）。
圖5.3沖壓件的周長和面積
取F=2089.61mm2
L=345.45mm
二、計(jì)算材料利用率
沖裁件的實(shí)際面積與所用板料面積的百分比叫材料的利用率。
材料利用率通常以一個(gè)進(jìn)距內(nèi)制件的實(shí)際面積與所用毛坯面積的百分率η表示：
η=(nF/AB)×100% （5.3）
式中η——材料利用率（%）；
n——沖裁件的數(shù)目；
F——沖裁件的實(shí)際面積(mm2)；包括工件面積與廢料面積；
B——板料寬度(mm)；
A——送料進(jìn)距；
根據(jù)公式(5.3)： η=(2×2089.61/74×104.4)×100%
≈54.09%
由此可之，η值越大，材料的利用率就越高，廢料越少。因此，要提高材料利用率，就要合理排樣，減少工藝廢料。
第六章 計(jì)算沖壓力與壓力機(jī)的初選
計(jì)算沖裁力是為了選擇合適的壓力機(jī)，設(shè)計(jì)模具和檢驗(yàn)?zāi)＞叩膹?qiáng)度，壓力機(jī)的噸位必須大于所計(jì)算的沖裁力，以適宜沖裁的要求，普通平刃沖裁模，其沖裁力一般可以按下式計(jì)算：
Fp=Kp Ltτ =Lt （6.1）
式中τ——材料抗剪強(qiáng)度（MPa）；
L——沖裁周邊總長（mm）；
t——材料厚度（mm）；
系數(shù)Kp是考慮到?jīng)_裁模刃口的磨損，凸模與凹模間隙之波動(dòng)，取Kp =1.3。
第一節(jié) 沖裁力Fp的計(jì)算
據(jù)圖5.3可得一個(gè)零件內(nèi)外周邊之和L=345.45mm。
查碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能表知：Q235的抗剪強(qiáng)度τ=216Mpa～304Mpa，取260Mpa，制件厚度t=1mm，則
根據(jù)公式(6.1)： Fp= Kp Ltτ
=1.3×2×345.45×260
=233524.4(N)
≈233.5（KN）
第二節(jié) 卸料力Fq1的計(jì)算
Fq1=KxFp （6.2）
式中Kx——卸料力系數(shù)，查表6.1取Kx＝0.05。
根據(jù)公式（6.2）： Fq1= KxFp
=0.05×233.5（KN）
≈11.675(KN)
表6.1卸料力、推件力和頂件力系數(shù)
料厚t/mm
Kx
kt
Kd
鋼
≤0.1
＞0.1～0.5
＞0.5～2.5
＞2.5～6.5
＞6.5
0.065～0.075
0.045～0.055
0.04～0.05
0.03～0.04
0.02～0.03
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
第三節(jié) 頂件力Fq2的計(jì)算
Fq2= KdFp （6.3）
式中Kd——頂件力系數(shù)。
查表6.1得Kd＝0.06.
根據(jù)公式（6.3）： Fq2= KdFp
=0.06×233.5（KN）
≈14.01（KN）
第四節(jié) 總的沖壓力F的計(jì)算
根據(jù)模具結(jié)構(gòu)總的沖壓力F=FP+Fq1+Fq2
=233.5+11.675+14.01
=259.185(KN)
選用的壓力機(jī)公稱壓力P≥（1.1～1.3）F，取系數(shù)為1.3，則：
P≥1.3F=1.3x259.185 (KN)=336.94(KN)。
4.3 彎曲力的計(jì)算
本產(chǎn)品屬于V形彎曲，由于彎曲雖然是一副模具，定位做成可調(diào)接的，所以在計(jì)算彎曲力時(shí)，需要計(jì)算1次，V形彎曲的計(jì)算公式如下
，彎曲力計(jì)算
F=0.6KBttδ/(R+t) (4-1)
F=0.6×1.3×20×2×600/（0.5+2）=7488N
=7.488KN
式中 F——彎曲力（N）；
B——產(chǎn)品的彎曲的寬度（mm）；
δ——材料抗拉強(qiáng)度（MPa）；（550-700 MPa）
t——材料厚度；(mm)
K——系數(shù)，通常K=1.3；
第五節(jié) 壓力機(jī)的初選
沖裁時(shí)，壓力機(jī)的公稱壓力必須大于或等于沖裁各工藝力的總和。
沖壓設(shè)備屬鍛壓機(jī)械。常見的冷沖壓設(shè)備有機(jī)械壓力機(jī)。
表6.2部分常用開式壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
技術(shù)參數(shù)
單位
型號
J23-4
J23-6.3
J23-10
J23-16
J23-25
J23-63
J23-100
滑塊公稱壓力
KN
40
63
100
160
250
630
1000
滑塊行程次數(shù)
次/mm
200
160
135
115
100
70
70
最大閉合高度
mm
160
170
180
220
250
360
360
閉合高度調(diào)節(jié)量
mm
35
40
50
60
70
90
90
立柱間距
mm
100
150
180
220
260
250
250
滑塊地面尺寸
左右
mm
100
140
170
200
300
300
前后
mm
90
120
150
180
340
340
模柄孔尺寸
直徑
mm
30
50
深度
mm
50
70
墊塊厚度
mm
35
40
50
60
70
80
90
最大傾斜角
°
45
35
30
工作臺(tái)尺寸
左右
mm
280
315
360
450
560
630
710
前后
mm
180
200
240
300
360
420
480
根據(jù)沖壓力的計(jì)算和壓力中心的計(jì)算，選擇開式壓力機(jī)的型號為J23-63。
第七章 模具壓力中心的確定
模具壓力中心是指諸沖壓合力的作用點(diǎn)位置，為了確保壓力機(jī)和模具正常工作，應(yīng)使沖模的壓力中心與壓力機(jī)滑塊的中心相重合。否則，會(huì)使沖模和壓力機(jī)滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導(dǎo)軌間產(chǎn)生過大磨損，模具導(dǎo)向零件加速磨損，降低了模具和壓力機(jī)的使用壽命。
模具的壓力中心，可按以下原則來確定：
1.對稱零件的單個(gè)沖裁件，沖模的壓力中心為沖裁件的幾何中心。
2.工件形狀相同且分布對稱時(shí)，沖模的壓力中心與零件的對稱中心相重合。
3.各分力對某坐標(biāo)軸的力矩之代數(shù)和等于諸力的合力對該軸的 力矩。求出合力作用點(diǎn)的坐標(biāo)位置0，0（x=0,y=0），即為所求模具的壓力中心。
其中、、………分別為各沖裁周邊長度。
圖7.1壓力中心
按比例畫出零件形狀，選定坐標(biāo)系XOY。計(jì)算出零件壓力中心為（9.39，-12.35）
第八章 沖裁模間隙的確定
第一節(jié) 沖裁間隙Z
指沖裁模中凹模刃口橫向尺寸DA與凸模刃口橫向尺寸DT的差值（如圖8.1），是設(shè)計(jì)模具的重要工藝參數(shù)。
圖8.1沖裁間隙
第二節(jié) 沖裁間隙分析
一、間隙對沖裁件尺寸精度的影響
沖裁件的尺寸精度是指沖裁件的實(shí)際尺寸與基本尺寸的差值，差值越小，則精度越高，這個(gè)差值包括兩方面的偏差，一是沖裁件相對于凸?；虬寄５钠?，二是模具本身的制造偏差。
二、間隙值的確定
凸、凹模間隙對沖裁件質(zhì)量、沖裁工藝力、模具壽命都有很大的影響。設(shè)計(jì)模具時(shí)一定要選擇合理的間隙，以保證沖裁件的斷面質(zhì)量、尺寸精度滿足產(chǎn)品的要求，所需沖裁力小、模具壽命高，但分別從質(zhì)量，沖裁力、模具壽命等方面的要求確定的合理間隙并不是同一個(gè)數(shù)值，只是彼此接近?？紤]到模具制造中的偏差及使用中的磨損、生產(chǎn)中通常只選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鳛楹侠黹g隙，只要間隙在這個(gè)范圍內(nèi)，就可以沖出良好的制件，這個(gè)范圍的最小值稱為最小合理間隙Zmin，最大值稱為最大合理間隙Zmax?？紤]到模具在使用過程中的磨損使間隙增大，故設(shè)計(jì)與制造新模具時(shí)要采用最小合理間隙值Zmin。
確定合理間隙的方法有經(jīng)驗(yàn)法、理論確定法和查表法。
對于尺寸精度，斷面垂直度要求高的制件應(yīng)選用較小的間隙值，對于垂直度與尺寸精度要求不高的制件，應(yīng)以降沖裁力、提高模具壽命為主，可采用較大的間隙值。由于理論法在生產(chǎn)中使用不方便，所以常采用查表法來確定間隙值。
根據(jù)間隙表8.1查得材料Q235的最小雙面間隙Zmin=0.246mm，最大雙面間隙Zmax=0.360mm
表8.1部分較大間隙的沖裁模具初始雙面間隙
材料厚度
08、10、35、09Mn2、Q235
40、50
16Mn
65Mn
Z最小
Z最大
Z最小
Z最大
Z最小
Z最大
Z最小
Z最大
小于0.5
較小間隙
0.5
0.04
0.060
0.040
0.060
0.040
0.060
0.040
0.060
0.8
0.072
0.104
0.072
0.104
0.072
0.104
0.064
0.092
1.0
0.100
0.140
0.100
0.140
0.100
0.140
0.90
0.126
1.2
0.126
0.180
0.132
0.180
0.132
0.180
1.5
0.132
0.240
0.170
0.240
0.170
0.240
2.0
0.246
0.360
0.260
0.380
0.260
0.380
2.5
0.360
0.500
0.380
0.540
0.380
0.540
3.0
0.460
0.640
0.480
0.660
0.480
0.660
4.0
0.640
0.880
注：08鋼沖裁皮革、石棉和紙板時(shí)，取間隙的25%。
第九章 凹、凸模刃口尺寸的計(jì)算
第一節(jié) 刃口尺寸計(jì)算的基本原則
沖裁件的尺寸精度主要取決于模具刃口的尺寸的精度，模具的合理間隙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制造公差，是設(shè)計(jì)沖裁模關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
由此在決定模具刃口尺寸及其制造公差時(shí)需要考慮以下原則：
1.落料件尺寸由凹模尺寸決定，沖孔尺寸由凸模尺寸決定。故設(shè)計(jì)落料模時(shí)，以凹模為基準(zhǔn)，間隙取在凸模上；設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，以凸模尺寸為基準(zhǔn)，間隙取在凹模上。
2.考慮到?jīng)_裁中凸、凹模的磨損，設(shè)計(jì)落料凹模時(shí)，凹?；境叽鐟?yīng)取尺寸公差范圍的較小尺寸；設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，凹?；境叽鐟?yīng)取工件孔尺寸公差范圍的較大尺寸。
3.確定沖模刃口制造公差時(shí)。如果對刃口精度要求過高，增加成本，如果對刃口精度要求過低，會(huì)使模具的壽命降低。若工件沒有標(biāo)注公差，則對于非圓形工件按國家“非配合尺寸的公差數(shù)值”IT14級處理，沖?？砂碔T11級制造；對于圓形工件按IT6～I(xiàn)T7級制造。沖壓件的尺寸公差應(yīng)按“入體”原則標(biāo)注單項(xiàng)公差，落料件上偏差為零，下偏差為負(fù)；沖孔件上偏差為正，下偏差為零。
第二節(jié) 刃口尺寸的計(jì)算
根據(jù)模具的加工方法不同，凸、凹模刃口尺寸的計(jì)算方法分為兩種情況。凸模與凹模分開加工和凸模與凹模配合加工。對于該制件應(yīng)該選用凸模與凹模分開加工方法。
凸模與凹模分開加工是指凸模和凹模分別按圖紙加工至尺寸。要分別標(biāo)注凸模與凹模刃口尺寸與制造公差。為了保證初始間隙值小于最大合理間隙Zmax必須滿足下列條件：
或者、
一、沖孔凸、凹模計(jì)算
設(shè)沖孔尺寸為根據(jù)以上原則，沖孔時(shí)以凸模設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，首先確定凸模刃口尺寸，使凸模基本尺寸接近或等于工件孔的最大極限尺寸，再增大凹模尺寸以保證最小合理間隙Zmin。凸模制造偏差取負(fù)偏差，凹模取正偏差。其計(jì)算公式為：
凸模 dp=(d＋x△)0- δp
凹模 dd=(＋Zmin)0+ δd＝(d＋X△＋Zmin) 0+ δd
在同一工步中沖出制件兩個(gè)以上孔時(shí)，凹模型孔中心距Ld按下式確定：
Ld=(Lmin＋0.5△)±0.125△
式中dd——沖孔凹?；境叽?mm)；
dp——沖孔凸?；境叽?mm)；
d——沖孔件孔的最小極限尺寸(mm)；
Ld——同一工步中凹?？拙嗷境叽?mm)；
Lmin——制件孔距最小極限尺寸(mm)；
△——沖孔件孔徑公差(mm)；
Zmin——凸、凹模最小初始雙面間隙(mm)；
X——磨損系數(shù)，是為了使沖裁件的實(shí)際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的中間尺寸，與工件制造精度有關(guān)，可查表9.1取值：當(dāng)工件精度IT10以上，取x=1；當(dāng)工件精度IT11～I(xiàn)T13，取x=0.75；當(dāng)工件精度IT14，則取x=0.5。
表9.1磨損系數(shù)X
料厚t(mm)
非圓形
圓形
1
0.75
0.5
0.75
0.5
工件公差△/mm
1
1～2
2～4
＞4
＜0.16
＜0.20
＜0.24
＜0.30
0.17～0.35
0.21～0.41
0.25～0.49
0.31～0.59
≥0.36
≥0.42
≥0.50
≥0.60
＜0.16
＜0.20
＜0.24
＜0.30
≥0.16
≥0.20
≥0.24
≥0.30
根據(jù)圖1.1和表9.1查得磨損系數(shù)X取0.5，即X=0.5
設(shè)凸、凹模分別按IT6和IT7級加工制造，所以
凸模： dp =(d+X△) 0- δp
=(4+0.5×0.30)
=4. 15
凹模： dd=( dp +Zmin)
=(4.15+0.246)
=4.396
校核: ｜δp｜＋｜δd｜=0.011+0.018=0.029mm
表8.1得Zmax =0.1；Zmin =0.14)。
｜δp｜＋｜δd｜≤Zmax－Zmin
二、落料凸、凹模計(jì)算
凹模： Dd=(D－X△)
凸模： Dp=( Dd－Zmin)＝(D－X△－Zmin)
式中Dd——落料凹?；境叽?mm)；
Dp——落料凸?；境叽?mm)；
D——落料件最大極限尺寸(mm)；
r——落料件外徑公差(mm)；
Zmin——凸、凹模最小初始雙面間隙(mm)；
X——磨損系數(shù)，是為了使沖裁件的實(shí)際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的中間尺寸，與工件制造精度有關(guān)。表9.1取X=0.5。
由公差表（1.2）查得：99.4mm、50mm、20mm 設(shè)凸、凹模分別按IT6和IT7級加工。
所以凹模 99.4:Dd1=(D1-X)
=(99.4-0.5×0.87)0+0.018
=98.9650+0.018mm
50:Dd2=(D2-X)
=(50-0.5×0.62)0+0.021
=49.69+0.021mm
20:Dd4=(D4-X)
=(20-0.5×0.36)
=19.82mm
凸模 99.4:Dp1=(Dd1-Zmin)
=(98.965-0.246)
=98.719mm
50:Dp2=(Dd2- Zmin)
=(49.69-0.246)
=49.444mm
20:Dp4=(Dd4- Zmin)
=(19.82-0.246)
=19.574mm
校核因?yàn)? ｜｜＋｜｜=0.018+0.011=0.029mm
｜｜＋｜｜=0.013+0.021=0.034mm
｜｜＋｜｜=0.016+0.025=0.041mm
｜｜＋｜｜=0.019+0.030=0.049mm
Zmax－Zmin =0.24-0.132=0.108mm(Zmax、Zmin是凸、凹模最大初始雙面間隙，查表8-1得Zmax =0.24、Zmin =0.132)滿足｜｜＋｜｜≤Zmax－Zmin。
6.3.3 彎曲凸模，凹模設(shè)計(jì)計(jì)算
毛坯經(jīng)凹模圓角進(jìn)入凹模時(shí)，受彎曲和摩擦作用，若凹模圓角半徑過小，因徑向拉力增大，易使拉伸件表面劃傷或產(chǎn)生斷裂；若過大，則壓邊面積小，由于懸空增大，易起內(nèi)皺。因此，合理的選擇凹模圓角半徑很重要。具體數(shù)值查表可得。
彎曲模間隙是單面間隙，即凹模和凸模直徑之差的一半。
本次設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)比較簡單，在選擇間隙時(shí)可以直接查表，所以查表可知間隙為(1-1.1t)，t為材料厚度。由于產(chǎn)品圓角較大，所以間隙不能大，否則產(chǎn)品有錐度，精度差，不符合要求，間隙太小，模具壽命短，所以取間隙為t。
凸、凹模工作部分尺寸的確定，主要考慮模具的磨損和產(chǎn)品的回彈。
1）、制件標(biāo)注外形尺寸
凹模尺寸為
L d=（Lmax –0.75Δ）
凸模尺寸為
L p=（Ld–0.75Δ–Z）
（2）、制件標(biāo)注內(nèi)尺寸
凸模尺寸為
L p=（Lmin +0.4Δ）
凹模尺寸為
L d=（Lp+0.4Δ+Z）
其中 L—產(chǎn)品件的外形或內(nèi)尺寸
Δ—產(chǎn)品件的尺寸偏差
L d—產(chǎn)品凹模的基本尺寸
L p—產(chǎn)品凸模的基本尺寸
Z—凸凹模雙面間隙
具體計(jì)算如下，制件標(biāo)注內(nèi)尺寸，按此公式計(jì)算
彎曲凸模尺寸為
L p1=（Lmin +0.4Δ）
=0.5
凹模尺寸為
L d1=（Lp1+0.4Δ+Z）
=1.5
凸、凹模工作表面粗造度要求：凹模工作表面和型腔表面粗造度應(yīng)達(dá)到0.8；圓角處的表面粗造度一般要求0.4；凸模工作部分表面粗造度一般要求0.8-1.6。
第十章 主要零部件的設(shè)計(jì)
第一節(jié) 工作零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
一、凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外形尺寸計(jì)算
1.凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
凹模：在沖壓過程中與凸模配合直接對沖壓制件進(jìn)行分離或成形的工作零件。
凹模洞口的類型如圖10.1所示，其中a、b、c型為直筒式刃口凹模，其特點(diǎn)是制造方便，刃口強(qiáng)度高，本設(shè)計(jì)選用c型筒口。
圖10.1凹模類型
2.外形尺寸計(jì)算
凹模結(jié)構(gòu)分為整體式和鑲拼式兩大類，本設(shè)計(jì)凹模采用整體式凹模。
凹模厚度： H=Kb(≥15mm) (10.1)
凹模壁厚： C=(1.5～2)H(≥30mm) (10.2)
凹模外形尺寸： B=b+2C (10.3)
式中b——沖裁件的最大外形尺寸；（mm）；
K——系數(shù)，考慮板料厚度的影響（見表10.1）；
H——凹模厚度；
C——凹模壁厚；
B——凹模外形最大尺寸。
表10.1系數(shù)K的數(shù)值
b/mm
厚度t/mm
0.5
1
2
3
＞3
＜50
0.3
0.35
0.42
0.5
0.6
＞50-100
0.2
0.22
0.28
0.35
0.42
＞100-200
0.15
0.18
0.2
0.24
0.3
＞200
0.1
0.12
0.15
0.18
0.22
根據(jù)圖1.1查表10.1，取K=0.25，又b=75mm，則由公式10.1和公式10.2得：
凹模厚度： H=Kb=0.25×107=26.75mm；
凹模壁厚： C=(1.5～2)H=(1.5～2)×26.75=40.125～53.5mm
根據(jù)表10.2取凹模厚度：H=30mm；取凹模壁厚C=45mm。
根據(jù)公式（10.2）： B=b+2C
=107+2×45
=197mm
L=b+2C
=30+2×45
=120mm
查表10.2，選取凹模外形尺寸L×B=200mm×125mm。
表10.2矩形和圓形凹模的外形尺寸(JB/T-6743.1-1994)
矩形凹模的長度和寬度
L×B
矩形和圓形凹模厚度
H
63×50、63×63
10、12、14、16、18、20
80×63、80×80、100×63、100×80、100×100、125×80
12、14、16、18、20、22
125×100、125×125、140×80、140×80
14、16、18、20、22、25
140×125、140×140、160×100、160×125、160×140、200×100、200×125
16、18、20、22、25、28
160×160、200×140、200×160、250×125、250×140
16、20、22、25、28、32
凹模輪廓尺寸為200mm×125mm×40mm。
二、沖孔凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外形尺寸計(jì)算
1.凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
因?yàn)榱慵愋?，采用線切割方法進(jìn)行加工，所以采用整體直通式凸模（如圖10.3），與凸模固定板采用H7/m6配合，按凸模的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式與尺寸規(guī)格選取。
2.凸模外形尺寸計(jì)算
凸模長度尺寸應(yīng)根據(jù)模具的具體結(jié)構(gòu)確定，因?yàn)樵撃＞卟捎玫氖堑寡b式復(fù)合模，采用的是彈壓卸料上出件方式，其總長按相關(guān)公式計(jì)算：
L = H1 + H2 + H + t
式中H1——凸模固定板厚度；得H1=0.8×H凹=0.8×40=32mm。
H2——卸料板厚度查表10.4；
t——材料的厚度；
H——沖裁件厚度和凸模進(jìn)入凸凹模一般4～10mm。則：
L =32+20+6.5+1.5=60mm
凸模強(qiáng)度校核：該凸模不屬于細(xì)長桿，強(qiáng)度足夠。
圖10.3沖孔凸模尺寸
3.凸模材料的選用
模具刃口要求有較高的耐磨性，并能承受沖裁時(shí)的沖擊力，因此應(yīng)有高的硬度與適當(dāng)?shù)捻g性。形狀復(fù)雜且壽命要求較高的凸模選用Cr12、Cr12MoV等制造。
該凸模材料應(yīng)選Cr12MoV，熱處理58～62HRC。
三、凸凹模的設(shè)計(jì)和外形尺寸計(jì)算
1.凸凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
凸凹模是復(fù)合沖裁中的主要零件。他的內(nèi)外邊緣均為刃口，內(nèi)外邊緣之間的壁厚取決于沖裁件的尺寸。從強(qiáng)度方面考慮，其壁厚應(yīng)受最小限制。當(dāng)模具為正裝結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)孔不積存廢料，脹力小，最小壁厚可以小些；當(dāng)模具為倒裝結(jié)構(gòu)時(shí)，若內(nèi)孔為直筒形刃口形式，且采用下出料方式，則內(nèi)孔積存廢料，脹力大，故最小壁厚應(yīng)大些。凸凹模的最小壁厚值，倒裝復(fù)合模的凸凹模最小壁厚見表10.3。
表10.3倒裝復(fù)合模凸凹模的最小壁厚
材料厚度mm
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.5
最小壁厚a
2.7
3.2
3.6
4.0
4.4
4.9
5.2
5.8
由于選用的是倒裝式復(fù)合模，所以查表得：最小壁厚a=3.8。
2.凸凹模的外形尺寸計(jì)算
其長度可按下式計(jì)算：
L = h1+h2+h （10.4）
式中h1——凸凹模固定板厚度；得h1=0.6×H凹=0.6×40=24mm。
h2——卸料板厚度；查表10.4取15mm。
h——附加長度（包括凸模進(jìn)入凹模深度，彈性元件安裝高度）；
根據(jù)公式（10.4）： L = h1+h2+h
=24+15+10
=49mm
表10.4卸料板厚度
沖件厚度tmm
卸料板寬度
＜50
50～80
80～125
125～200
＞200
≤0.8
6
6
8
10
12
＞0.8～1.5
6
8
10
12
14
＞1.5～3
8
10
12
14
16
四、工作零件材料的選用
由于沖模為冷沖模，所以材料要有良好的耐磨性、高強(qiáng)度、足夠的韌性、良好的抗疲勞性、良好的抗粘結(jié)能力、可段性、可切削性、可磨削性、熱處理工藝性等。由上要求在該模具中沖孔凸模、凸凹模和凹模板的材料選用Cr12MoV鋼。Cr12MoV剛具有較好的淬透性，很高的耐磨性，有較高的沖擊韌度。淬火、回火工藝見表10.5。
表10.5 Cr12MoV鋼的淬火、回火工藝
鋼號
低淬低回工藝
中淬中回工藝
高淬高回工藝
淬火溫度
/℃
淬火硬度
HRC
回火溫度
/℃
淬火溫度
/℃
淬火硬度
HRC
回火溫度
/℃
淬火溫度
/℃
淬火硬度
HRC
回火溫度
/℃
Cr12MOV
950～1000
62～64
200
1030
63～64
400
1080～1100
40～60
500～520
五、卸料部分的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)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，常用的卸料方式有：剛性卸料、彈壓卸料板。本設(shè)計(jì)采用彈壓卸料裝置，采用彈壓卸料裝置有一定的裝配要求：在模具開啟狀態(tài)，卸料板應(yīng)高出模具工作零件刃口0.3mm～0.5mm,以便順利卸料。
本模具的卸料板僅有卸料作用，卸料板的邊界尺寸與凹模的邊界尺寸相同，取250mm×140mm，卸料板的厚度按表10-4選擇，卸料板厚度為20mm。卸料板采用45鋼制造，熱處理淬火硬度43～48HRC。
卸料板上設(shè)置4個(gè)卸料螺釘，公稱直徑為10mm,螺紋部分為M8.5×10mm,卸料螺釘尾部應(yīng)留有足夠的行程空間，以保證卸料的正常運(yùn)動(dòng)。
六、定位零件的設(shè)計(jì)
沖模的定位裝置零件是用來保證材料的進(jìn)料正確及在沖模中保持位置的正確性。定位零件的種類很多，主要有導(dǎo)料板、導(dǎo)料銷、擋料銷、側(cè)刃、導(dǎo)正銷和定位板等。
由沖壓工藝分析可知，該模具的定位零件是采用的是固定擋料銷送進(jìn)定距和固定導(dǎo)料銷送進(jìn)定位如簡圖10.3所示。
1.擋料銷的設(shè)計(jì)
常見的擋料銷有三種形式。固定擋料銷、活動(dòng)擋料銷和始用擋料銷。
在此選用A型擋料銷，作為該模具中的擋料銷和導(dǎo)料銷。其結(jié)構(gòu)形式和尺寸規(guī)格如圖10.4和表10.5。
選取該模具的擋料銷和導(dǎo)料銷的直徑d＝8的A型固定擋料銷。
活動(dòng)擋料銷 固定擋料銷
圖10.4擋料銷
表10.5定擋料銷尺寸規(guī)格表(mm)
d(h11)
d1(m6)
h
L
基本尺寸
極限偏差
基本尺寸
極限偏差
6
0
-0.075
3
+0.008
+0.002
3
8
8
0
-0.090
4
+0.012
+0.004
2
10
10
3
13
16
0
-0.110
8
+0.015
+0.006
3
13
20
10
4
16
25
0
-0.130
12
+0.018
+0.007
20
本模具的設(shè)計(jì)選用固定擋料銷（JB/T7649.10-1994）,材料45，熱處理硬度43～48HRC。
圖10.5擋料銷固定方式
擋料銷按圖a）方式固定，其尺寸可按下式計(jì)算：
S1=A-Dp/2+D/2+0.1 （10.5）
=A-（Dp -D）/2+0.1
式中A——步距(mm)；
Dp——落料凸模直徑(mm)；
D——擋料銷頭部直徑(mm)；
根據(jù)公式(10.5)： S1=32-(12-8)/2+0.1
=30.1mm
2.導(dǎo)料銷的設(shè)計(jì)
條料的送料方向是條料靠著一側(cè)的導(dǎo)料板，沿著設(shè)計(jì)的送料方向?qū)蛩瓦M(jìn)。本設(shè)計(jì)采用導(dǎo)料銷導(dǎo)向，本設(shè)計(jì)選用固定式。設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)料銷應(yīng)選兩個(gè)且位于條料的同側(cè)，從右向左送料時(shí)，導(dǎo)料銷應(yīng)裝在后側(cè)；從前向后送料時(shí)，導(dǎo)料銷應(yīng)裝在左側(cè)。
綜上，定位零件采用一個(gè)固定擋料銷和單邊兩個(gè)導(dǎo)料銷定位，固定擋料銷和導(dǎo)料銷固定在卸料板上。導(dǎo)料銷材料采用45鋼制造，熱處理硬度43～48HRC。
七、推件裝置的設(shè)計(jì)
推件和頂件的目的，是將制件從凹模中推出來（凹模在上模）或頂出（凹模在下模）。推件裝置可分為彈性推件裝置和剛性推件裝置兩種,彈性推件裝置一般裝在下模，具有壓料作用，沖件質(zhì)量好,但推件力較小。常用于正裝式復(fù)合?；驔_裁薄板料的落料模中。剛性推件裝置一般裝在上模，利用壓力機(jī)的推件力，因此，推件力大，推件可靠，但不具有壓料作用。常用于倒裝式復(fù)合模中。綜上，本設(shè)計(jì)選用剛性推件裝置，的基本零件有推件塊、推桿、推板，連接推桿和打桿，這些零件從標(biāo)準(zhǔn)中選取。
第二節(jié) 橡膠的選用
彈性裝置主要有彈簧和橡膠兩種，因?yàn)樵撃＞邽閺?fù)合模具，所以采用橡膠作為卸料板的彈性元件。根據(jù)模具安裝空間，安裝四個(gè)圓筒形合成橡膠，設(shè)卸料螺釘直徑為8mm，橡膠上螺釘孔直徑為10mm，則：
一、橡膠高度的計(jì)算
橡膠的自由高度，由下式得：
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