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河南理工萬方科技學院本科畢業(yè)設計
模具設計對應用微發(fā)泡技術生產(chǎn)的
聚合物孔結(jié)構的影響
摘要：在這個課題中設計了兩套模具并應用在了微發(fā)泡技術去生產(chǎn)帶有多孔結(jié)構注塑品。為了獲得理想的孔結(jié)構，研究了許多工藝參數(shù)來指示工藝參數(shù)對孔結(jié)構的影響。每個模具都分別進行了這種工藝參數(shù)的研究，以便于模具的設計對孔結(jié)構的影響在相同的工藝參數(shù)設置下不必再做研究。發(fā)現(xiàn)了在微發(fā)泡技術中，模具的設計也對孔結(jié)構有影響。一套合適的模具設計能改善生產(chǎn)出的孔結(jié)構，如孔數(shù)、孔徑、以及相互關系。
關鍵詞：模具設計 晶格形態(tài) 微發(fā)泡 注塑模具藥劑注入 多孔聚合物 聚氨脂
微發(fā)泡技術作為一種高效的微單元的注射模具生產(chǎn)過程，被廣泛應用于汽車和家具工廠中。在大多數(shù)的情況下，微發(fā)泡技術用來節(jié)省原材料，但他也用來生產(chǎn)帶有近似多孔結(jié)構的注入制品。CO2作為流動介質(zhì)被注射到注塑模具機器的制品界面內(nèi)。在注射模具機器的注塑成型時期，有特別緊急的情況下，這種流動介質(zhì)通過氣體供應鏈或注射器注射入聚合物。塑料成型后，聚合物的混合體逐漸融化且氣體通過噴嘴注射入模具中，同時由于模具的迅速下壓可以生產(chǎn)出泡沫結(jié)構。如今用微發(fā)泡技術生產(chǎn)出的主要產(chǎn)品已經(jīng)接近晶格泡沫了。
一些課題易經(jīng)研究了微發(fā)泡技術中關鍵工藝參數(shù)和生產(chǎn)的晶格泡沫結(jié)構。已發(fā)現(xiàn)通過變換工藝參數(shù)微發(fā)泡過程中的孔結(jié)構可以被調(diào)整。然而，目前還沒有文獻說明模具設計通過微發(fā)泡技術對孔形態(tài)的影響。
在這個課題中，設計了兩個模具并用在了微發(fā)泡過程中為醫(yī)藥用去生產(chǎn)具有多孔結(jié)構的注入品。工藝參數(shù)的研究被分別獨立地進行在那兩套模具上。通過比較兩套模具在同樣的工藝參數(shù)設置下生產(chǎn)出的注入品的孔結(jié)構來研究模具設計對多孔結(jié)構的影響。
圖1微發(fā)泡技術草圖
聚合過程：
藥劑等級熱塑性的聚氨脂TPU被選坐注入品的原材料。具備用來冷卻模具的溫度控制單元的注塑模具機器被用作樣品的產(chǎn)品。這種注塑模具機器被Trexelinc.woburn;MA,USA裝備有一個微發(fā)泡系統(tǒng)。這個微發(fā)泡簡化的顯示在圖1中。在注射模具機器的注塑成型時期，有特別緊急的情況下，這種流動介質(zhì)通過氣體供應鏈或注射器注射入聚合物。塑料成型后，聚合物的混合體逐漸融化且氣體通過噴嘴注射入模具中，同時由于模具的迅速下壓可以生產(chǎn)出泡沫結(jié)構。
CO2被作為流動介質(zhì)（CO2為保護氣體）
為了生產(chǎn)這個注入品，設計并應用了兩個特殊的模具，從A模具和B模具生產(chǎn)的構件的電子圖2所示。A模具有六個戒指形狀的注入品且僅用來做了泡沫過程和參數(shù)研究的可行性的初步試驗。為了更高的生物要求和預期產(chǎn)品，B模具在從A模具的注塑品的實驗結(jié)果的基礎上被設計具備六個實心磁盤狀的注塑品。
圖2不同的模具設計
兩模具有相似的刃口，導柱和澆注口。B模具有個較短的聚合物揮發(fā)流動的模腔和2.8的L/D(長比厚）。同時，模具A的L/D位4.7。這意味著從B模具生產(chǎn)出的構件相應的更厚但更短。B模具的優(yōu)勢是主導晶體核子和生長的揮發(fā)流動的能量損失減少，因為它有更短的流動路程（小的L/D）。作為結(jié)果可能得到更好的孔形態(tài)，如更大的孔徑，更高的多孔性等。另一方面，B模具有個更大的性能，它意味著參數(shù)變化的更多的可能性。在一般的注塑模過程，B模不好的一面是相應的更厚的制件將導致B腔內(nèi)的不完全充滿，一個長的冷卻時期和制件的大量回縮。如果發(fā)泡工藝被應用，這些問題可被部分或全部解決是因為發(fā)泡聚合體的膨脹。
實驗方案：
設置可變參數(shù)的選擇是基于核子原理和文獻收索的知識?？勺儏?shù)的范圍和固定參數(shù)的值如表1中所示。這些實驗是通過變化變量中的一個，而保持其它的不變而完成的。整個過程參數(shù)的研究是在兩套模具上分別獨立進行的。從兩套模具中生產(chǎn)的注塑制品用來進行比較在精確相同的過程參數(shù)下被生產(chǎn)的，以便于顯示不同模具的影響。
表1：在這個課題中，微發(fā)泡工藝的可變參數(shù)的范圍和變量參數(shù)的值。微晶格工藝壓力MPP是一個保持聚合體揮發(fā)氣體的正壓力。這個壓力是真正的塑性壓力。
可變參數(shù)
檢測范圍
變量參數(shù)
值
CO2濃度
1-6wt%
冷卻時間
120s
重量減輕度
35-65%
保持壓力
450bar
注射速度
30-300mm/s
起始保壓
0.5mm
塑化力/MPP
166-220bar
保壓時間
0.5s
塑化溫度
180-2108C*
夾持噸位
200KN
模具溫度
25-858C*
塑化周期
40min
注射壓力
0-3000bar
宏觀與微觀結(jié)構的特征
瀏覽電子顯微鏡被用于注塑制品橫截面的孔形態(tài)的觀察。將樣品用美工刀切開，然后在具有5到15KN的高度真空下，通過使用一個斷續(xù)的涂層器，在其上覆蓋一層薄的黃金層。多孔形態(tài)的特征如孔的尺寸和孔量通過從一個樣品中數(shù)平均數(shù)目和電子顯微形狀能被計算出來。在數(shù)碼顯微的軟件的幫助下，具有一定尺寸的切面被選出來，所有的孔被人工測量?？椎钠骄睆奖挥嬜鱀ce。由于在顯微中所顯示的孔是3D項目的2D工程，他們的最大直徑在圖中不能描繪。下面方程用于決定最大的球形直徑，記為修正過的中孔徑，從測量孔徑中得來。
Dcorr=Dce/0.616
顯微CT被用于注制品的多孔干涉性的等價測量。從每個注件的3個8mm&11mm圓柱試件中7微米來用一個59KV的電壓和一個167微安的解決方案。用天空瀏覽提供的軟件包來指導圖形再現(xiàn)和分析試件繞他們的長軸旋轉(zhuǎn)180*且每旋轉(zhuǎn)0.4*則3個同化圖形被記錄。借助于標準天空瀏覽再現(xiàn)軟件，應用3D圓錐體光束算法，那些試件的原始圖形被再現(xiàn)成系列的日冕定位X線斷層。對于再現(xiàn)品，光束強度被設置到20%，原人工制品減少量到12。
應用標準的天空瀏覽軟件，這再現(xiàn)軸向的微比圖形分析被運行。首先，進行臨界分析是為支架X線斷層灰色區(qū)域大多能被他們的多孔性相應參數(shù)精確地代表而去決定臨界值。這個研究中，臨界值被設置為65至225之間。過濾功能將多余的噪音除去。所有小于500分貝且與空間實體沒有聯(lián)系的物質(zhì)被這樣優(yōu)先除去以便于更深的分析。為了消除潛在的邊緣影響，選擇了支架中心處一個直徑為5毫米、高2.5毫米的圓柱體的權益值。然后支架多孔性如下被計算：
多孔性=100%—權益量中區(qū)分材料量的百分值
所有圖形經(jīng)受3D分析，接著應用在可以從外面通過一個一定的最小尺寸的開口處進入的支架中。允許測量部分孔體積的壓縮包功能的相聯(lián)系的量值。兩個3D測量間進行壓縮包過程通過等于過大于臨界值的尺寸入口去壓縮在一個支架的權益值的外界線。（研究中用30—280um）相關性被如下計算：
相關性=V—V壓/V—Vm
其中V指VOT的總體積，V壓指壓縮包之后的VOT的體積，而Vm指支架材料的體積。
結(jié)果與討論
該SEM圖形（圖3）顯示了當其他過程參數(shù)不變（減重35%，塑性壓力180磅，模具溫度25C，氣體容積2%）而注射速度以30mm/s的量變化時兩模具的泡沫注入件的孔結(jié)構。
圖3
發(fā)現(xiàn)模具B生產(chǎn)的泡沫注入件的左圖所示的尺寸比從模A生產(chǎn)的大得多。相關的孔尺寸即兩相關孔間的可視區(qū)也有相同的變化的趨勢。從圖中我們可以定量地看出在同樣過程參數(shù)下模具B生產(chǎn)的注入品以模具A的有更大的孔尺寸和相關的孔尺寸，而且可能又高的多樣性。
圖表4
從圖4我們發(fā)現(xiàn)在每一個不同的注射速度模具B的制品比模具A有更高的多孔性。模具B制品的多孔性排布在73%至79%之間，然而模具A的在60%至67%之間。同時，模具B的制品的多孔性的標準偏差比模具A的偏差小得多。
圖表5
圖表5顯示不同的注射速度下兩模具的孔的平均尺寸。對于兩模具來說，隨著注射速度的提升，孔的尺寸減少。在別的課題中也發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果。隨著注射速度的增加，模具B的制品的孔徑從340+/—17mm減少到246+/—20mm；同樣注射速度下，模具A顯示由制品孔徑從234+/—90到152+/—34mm。從模具B中得到的孔的尺寸在所有速度下，與模具A相比較也都較高。很明顯模具B的標準偏差也比A的小得多。
圖表6
圖表6顯示泡沫住射品的相關的孔尺寸。該相關的孔尺寸對在生物學中的組織生長非常重要。模具B的泡沫制品的相關的孔尺寸有一個916+/—um到67+/—7um的范圍，而模具A的這個范圍是35+/—10um到19+/—8um。這個變化也與兩模具的泡沫制品的平均孔尺寸的發(fā)現(xiàn)相對應。
我們從圖表3—6中可以推斷出模具B的改善了的模具設計不能影響孔結(jié)構的變化趨勢。比如注射速度的提高可以減小孔尺寸，但它和泡沫制品的相關性的孔尺寸一樣能增加多孔性和平均孔尺寸。與此同時，孔結(jié)構的標準偏差也有很大減小。換句話說，模具B的泡沫制品的孔結(jié)構與模具A相比有更高的多孔性，更大的孔尺寸和更加均勻。
圖表7
圖表7顯示了在包括注射速度等不同可兇的過程參數(shù)變量下兩模具生產(chǎn)的量大的多孔性的比較。在每一種過程參數(shù)變量中，兩模具在相同的設置值下經(jīng)常獲得最大化的多孔性，比如模具B和模具A在300mm/s的注射速度下分別為79%和67%。發(fā)現(xiàn)了模具B指示在每一種參數(shù)變量，更高的最大化的多孔性。模具B生產(chǎn)的減少35%的重量的多孔性顯示了6%的最小升量；同時，通過射速的變化發(fā)生了14%的最大值多孔性提升
量。
圖表8
圖表8中說明了兩模具不同種類的工藝參數(shù)的變化下，最大化孔尺寸間的不同。兩模具制品說明了沒種的變化同樣的工藝參數(shù)設置下也有最大孔尺寸。模具B通常比模具A具有更大的孔尺寸。在塑性成形的溫度變化下，模具B的最大值的孔尺寸的最小升高量為14%，而然發(fā)現(xiàn)在注射速度變化下，孔尺寸的最大提升量為45%的值。
圖表7和圖表8已經(jīng)說明了不僅從注射速度的變化而且從所有工藝參數(shù)的變化下都能觀察到模具設計 的變化。可以致使如最大化的孔尺寸和多孔性等孔形態(tài)的改善。在聚合體流到模具腔期間，模具B短的L/D將導致主導單元核子的能量流失的減少。有模具B產(chǎn)生的相關的更厚的制品也相應需要更長的冷卻時間，這對模具的晶格生長非常重要?？紤]到這些方面相互作用的可能性，在這個課題中應用晶格核子原理的公式去描述最終空形態(tài)的變化非常困難；但是通過實驗模具設計對諸如多孔性和平均孔尺寸的空形態(tài)的影響都被成功地觀察到了。
結(jié)論
這個課題專門研究了模具設計對孔形態(tài)的潛在影響。在模具B的泡沫樣品中，我們看到了改善了的像更高的多孔性，更大的平均孔尺寸和更小的偏差等孔形態(tài)。這指示出除了工藝參數(shù)的影響外，模具設計即制造設計也對發(fā)泡工藝的發(fā)泡行為有很明顯的影響，這給我們了一個若工藝參數(shù)被限制，通過一個更合適的模具設計來改善空形態(tài)的可能。
多孔性和孔尺寸對多孔藥劑設備是關鍵的屬性，因為晶格需要空間去生長。另外，孔需要被相互聯(lián)系去允許晶格遷移到多孔結(jié)構。此課題說明了當生產(chǎn)多孔藥劑聚合體設備，合適的模具對成功的設置來說只一個關鍵的因素。
致謝
作者對Bayerische Forschungsstiftung 用授權號碼AZ639/05的資金支持表示感謝！
12
河南理工大學萬方科技學院
本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表
指導教師： 職稱：
所在院（系）： 教研室（研究室）：
題 目
汽車軸蓋工藝分析及沖壓模設計
學生姓名
專業(yè)班級
學號
一、選題質(zhì)量：
1、本題目既符合機械設計及制造專業(yè)培養(yǎng)目標，又能充分鍛煉和培養(yǎng)生產(chǎn)實際中分析問
問題的能力與動手操作能力，還能充分培養(yǎng)學生的能力和有助于各方面專業(yè)素質(zhì)的提高。
2、本題目難易適中，適合學生獨立完成題目，符合本科畢業(yè)設計要求。
3、本題目工作量適中，能在規(guī)定時間內(nèi)完成。
4、本題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟等方面聯(lián)系比較緊密，沖壓模廣泛應用于生產(chǎn)各種零件方面，
尤其是汽車軸蓋等這種構造簡單需要批量上產(chǎn)的零件，汽車軸蓋沖壓模即節(jié)省時間又
保證了精度，操作也比較簡單。
二、開題報告完成情況：
通過查閱有關冷沖壓模具的相關資料與文獻，基本了解沖壓模具的設計要求，經(jīng)
過整理提出了該畢業(yè)設計的題目，經(jīng)過指導老師的指導，做出了完整的開題報告，
并且通過了指導老師的審批。
三、階段性成果：
1、收集了大量關于沖壓模具的有關資料，即將外文資料翻譯，撰寫了開題報告。
2、 收集了汽車軸蓋的模型及與模具有關的視頻，確定了要做的汽車軸蓋，并完成了
系統(tǒng)方案的設計及方案論證。
3、確定了零件工藝方案，及有關主要工藝參數(shù)的計算。
4、根據(jù)主要參數(shù)繪制出部分主要零件的圖紙，并一步一步趨于完善。
四、存在主要問題：
個人對模具設計的了解深度有限，存在的主要問題是整個結(jié)構設計過程中，經(jīng)常
遇到一些不起眼的問題，需同學和老師的指導。對很多的設計內(nèi)容還不了解，進度較
慢。而且對Auto CAD軟件的應用不熟練，使整體進度降低。在整個結(jié)構設計中還不完
善，需進一步的修改和完善。
五、指導教師對學生在畢業(yè)實習中，勞動、學習紀律及畢業(yè)設計（論文）進展等方面的評語
指導教師： （簽名）
年 月 日
2
INTRODUCTION
MuCell technology, as an effective microcellular injection molding
process, is widely used in automobile and furniture industries.
In most cases, MuCell technology is used to save raw materials, but it
is also used to produce implants with closed porous structure [1]. It uses
CO2 as blowing agent, which is injected in the plasticization section of
the injection molding machine (Figure 1). The blowing agent is injected
into the polymer melt through the gas supply line and injector, in its
super critical state, by the plasticization phase of the injection molding
machine. After the plasticization the mixture of polymer melt and gas is
injected through the nozzle into the mold, where the foam structure can
be generated due to the quick pressure drop in the mold. The main
products which are produced today with MuCell technology have closed
cellular foam [2–4].
Some studies have investigated the relations between the key process
parameters in MuCell technology and produced cellular foam structure
[1,5,6]. It was found that the pore morphology in MuCell process could
be adjusted through varying the process parameters. However, there is
currently no literature regarding the effects of mold design on the pore
morphology by MuCell technology.
In this study two molds were designed and used in MuCell process to
generate implants with a porous structure for medical use. The research
of process parameters was independently performed on these two molds.
By comparing the pore structure of implants made from two molds at
the same process parameter setting, the influences of the mold design on
the porous structure were investigated.
Gas injector
Shut-off nozzle
Mixing and shearing
element
Gas supply line
Gas pump
Figure 1. Draft of the MuCell technology (figure according to [12]).
520 H. B. WU ET AL.
Downloaded from
河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設計（論文）開題報告
指導教師 職稱
所在院（系） 教研室（系、研究所）
題目名稱
汽車軸蓋工藝分析及沖壓模設計
學生姓名
學號
一、 選題的目的和意義
汽車工業(yè)近年來技術方面大力發(fā)展，與模具技術的結(jié)合也越來越緊密。汽車軸蓋就需要沖壓模具來完成，而沖壓技術需要應用到很多加工制造過程中。沖壓是利用安裝在沖壓設備（多為壓力機）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行冷變形加工，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。
沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料（金屬或非金屬）批量加工成所需沖件的專用工具。沖模在沖壓中至關重要，沒有符合要求的沖模，批量沖壓生產(chǎn)就難以進行；沒有先進的沖模，先進的沖壓工藝就無法實現(xiàn)。沖壓工藝與模具、沖壓設備和沖壓材料構成沖壓加工的三要素，只有它們相互結(jié)合才能得出沖壓件。
與機械加工及塑性加工的其它方法相比，沖壓加工無論在技術方面還是經(jīng)濟方面都具有許多獨特的優(yōu)點。主要表現(xiàn)如下。
(1) 沖壓加工的生產(chǎn)效率高，且操作方便，易于實現(xiàn)機械化與自動化。這是因為沖壓是依靠沖模和沖壓設備來完成加工，普通壓力機的行程次數(shù)為每分鐘可達幾十次，高速壓力要每分鐘可達數(shù)百次甚至千次以上，而且每次沖壓行程就可能得到一個沖件。
（2）沖壓時由于模具保證了沖壓件的尺寸與形狀精度，且一般不破壞沖壓件的表面質(zhì)量,而模具的壽命一般較長,所以沖壓的質(zhì)量穩(wěn)定,互換性好,具有“一模一樣”的特征。
（3）沖壓可加工出尺寸范圍較大、形狀較復雜的零件，如小到鐘表的秒表，大到汽車縱梁、覆蓋件等，加上沖壓時材料的冷變形硬化效應，沖壓的強度和剛度均較高。
（4）沖壓一般沒有切屑碎料生成，材料的消耗較少，且不需其它加熱設備，因而是一種省料，節(jié)能的加工方法，沖壓件的成本較低。
但是，沖壓加工所使用的模具一般具有專用性，有時一個復雜零件需要數(shù)套模具才能加工成形，且模具 制造的精度高，技術要求高，是技術密集形產(chǎn)品。所以，只有在沖壓件生產(chǎn)批量較大的情況下，沖壓加工的優(yōu)點才能充分體現(xiàn)，從而獲得較好的經(jīng)濟效益。
二、 國內(nèi)外研究綜述
國內(nèi)方面：模具生產(chǎn)技術水平的高低，已成為衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標志，因為模具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。中國經(jīng)濟的高速發(fā)展對模具工業(yè)提出了越來越高的要求，也為其發(fā)展提供了巨大的動力。近10年來，中國模具工業(yè)一直以每年15%左右的增長速度快速發(fā)展。但與發(fā)達國家相比，中國模具工業(yè)無論在技術上，還是在管理上，都存在較大差距。特別在大型、精密、復雜、長壽命模具技術上，差距尤為明顯。中國每年需要大量進口此類模具，在模具產(chǎn)品結(jié)構上，中低檔模具相對過剩，市場競爭加劇價格偏低，降低了許多模具企業(yè)的效益。而中高檔模具能力不足，模具的開發(fā)能力較弱，技術人才嚴重不足，科研開發(fā)和技術攻關投入少等一系列問題，嚴重制約了中國模具行業(yè)的發(fā)展。
國外方面：我國模具生產(chǎn)廠中多數(shù)是自產(chǎn)自配的工模具車間（分廠），自產(chǎn)自配比例高達60%左右，而國外模具超過70%屬商品模具。專業(yè)模具廠大多是“大而全”、“小而全”的組織形式，而國外大多是“小而專”、“小而精”。國內(nèi)大型、精密、復雜、長壽命的模具占總量比例不足30%，而國外在50%以上。2004年，模具進出口之比為3.7﹕1，進出口相抵后的凈進口額達13.2億美元，為世界模具凈進口量最大的國家。
目前沖壓技術的發(fā)展方向 ：
（1）精密沖裁：普通沖裁件斷面粗糙、精度低，而精密沖裁可以使零件有光潔的斷面和高的精度。目前已有的相當一部分過去用切割加工的零件改為精密沖裁，精密沖裁工件的厚度可達到2mm。因此，精密沖裁以無切屑加工代替了大量切削加工，從而大大降低了生產(chǎn)成本。
（2）應用先進工藝：氣體、液體、橡膠、超塑性成型等先進工藝，對某些復雜零件的成型有明顯的效果，要深入研究其變形機理，確定合理工藝參數(shù)，提高成型效能和實用性。
（3）沖壓生產(chǎn)機械化、自動化：研制自動送、退料裝置，多工位自動壓力機，自動生產(chǎn)線，帶自動保護的監(jiān)視和檢測裝置等，這是提高勞動生產(chǎn)率、減輕勞動強度和保證操作安全的有效措施。
（4）模具標準化：不僅要有各種規(guī)格和精度的模架標準，還要發(fā)展典型模具結(jié)構和零部件的標準化工作，降低模具設計復雜程度，降低模具制造技術，縮短生產(chǎn)準備 周期。
（5）發(fā)展模具的計算機輔助設計與輔助制造：計算機輔助設計，就是用電子計算機作為信息處理手段，進行最佳判斷、計算，實現(xiàn)綜合設計。計算機輔助制造，就是生產(chǎn)人員借助計算機對模具制造實行監(jiān)督、控制和管理。將模具設計與制造聯(lián)成一個統(tǒng)一的計算機控制系統(tǒng)，是向自動化發(fā)展的有效途徑，對提高模具設計與制造質(zhì)量、簡化模具設計和生產(chǎn)管理將起巨大的作用。
三、畢業(yè)設計（論文）所用的方法
首先深入學習機械設計、機械CAD、沖壓技術等相關在課題研究中需要掌握的理論知識，理論的掌握是實踐的基礎。采用相似設計和類比設計，對設計的方案進行對比，選擇，論證；對設計的設備做出運動計算、動力計算選定沖壓設備；繪制模具草圖，進行零部件設計及必要的工藝計算；進行沖模的總體設計； 模具主要零件結(jié)構設計；繪制模具總圖及繪制各非標準零件圖 ；編寫設計計算說明書。
四、 畢業(yè)設計（論文）進度安排（按周說明）
1．第1-4周 確定畢業(yè)設計題目
2. 第5-7周 查閱研究相關資料
3. 第8周 完成開題報告交指導教師檢查
4. 第9-14周 開始編寫畢業(yè)論文并完成初稿交指導老師審查
5. 第15周 確定畢業(yè)論文終稿。
四、主要參考文獻與資料獲得情況
［１］鄭家賢. 沖壓工藝與模具設計實用技術［Ｍ］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.
［2］鐘毓斌.沖壓工藝與模具設計［Ｍ］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.
［3］彭建聲.簡明模具工實用技術手冊［Ｍ］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.
[4]華中科技大學.模具設計基礎及模具CAD [M].北京：機械工業(yè)出版社，2005，1-2
［5］沖模設計手冊編寫組.沖模設計手冊［Ｍ］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.
［6］劉心治.冷沖壓工藝及模具設計［Ｍ］.重慶：重慶大學出版社，1995.
［7］盧險峰.沖壓工藝模具學［Ｍ］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.
［8］中國機械工程學會鍛壓學會.鍛壓手冊［Ｍ］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.
[9]王秀鳳等.冷沖壓模具設計與制造[M]. 北京北京航空航天大學出版社，2005，1-2
五、指導教師審批意見
指導教師： （簽名）
年 月 日
河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
摘 要
沖壓模具在實際工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛。在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)中，工人生產(chǎn)的勞動強度大、勞動量大，嚴重影響生產(chǎn)效率的提高。隨著當今科技的發(fā)展， 工業(yè)生產(chǎn)中模具的使用已經(jīng)越來越引起人們的重視，而被大量應用到工業(yè)生產(chǎn)中來。沖壓模具的自動送料技術也投入到實際的生產(chǎn)中，沖壓模具可以大大的提高勞動生產(chǎn)效率，減輕工人負擔，具有重要的技術進步意義和經(jīng)濟價值。
本文針對端蓋的沖裁工藝性和拉深工藝性，分析比較了成形過程的三種不同沖壓工藝（單工序、復合工序和連續(xù)工序），確定用一幅復合模完成落料、拉深和沖孔的工序過程。介紹了端蓋冷沖壓成形過程，經(jīng)過對端蓋的批量生產(chǎn)、零件質(zhì)量、零件結(jié)構以及使用要求的分析、研究，按照不降低使用性能為前提，將其確定為沖壓件，用沖壓方法完成零件的加工，且簡要分析了坯料形狀、尺寸，排樣、裁板方案，拉深次數(shù)，沖壓工序性質(zhì)、數(shù)目和順序的確定。進行了工藝力、壓力中心、模具工作部分尺寸及公差的計算，并設計出模具。還具體分析了模具的主要零部件（如凸凹模、卸料裝置、拉深凸模、墊板、凸模固定板等）的設計與制造，沖壓設備的選用，凸凹模間隙調(diào)整和編制一個重要零件的加工工藝過程。列出了模具所需零件的詳細清單，并給出了合理的裝配圖。
關鍵詞：端蓋；模具設計；復合模；拉深沖孔；落料；模具結(jié)構
ABSTRACT
Punching die has been widely used in industrial production.In the traditional industrial production,the worker work very hard,and there are too much work,so the efficiency is low.With the development of the science and technology nowadays,the use of punching die in the industrial production gain more attention, and be used in the industrial production more and more.Self-acting feed technology of punching die is also used in production, punching die could increase the efficience of production and could alleviate the work burden，so it has significant meaning in technologic progress and economic value.
Based on the Cover of the stamping process and the deep drawing process, Comparative analysis of the process of forming three different stamping process (single processes, complex processes and continuous processes) confirm completion of a composite model blanking, drawing processes and punching process. On the cover of the cold stamping process, right after the Cover of the mass production, quality components, and the use of structural components of the analysis, research, in line with lower performance prerequisite to the identification of stampings, Stamping method used to complete the processing components, and a brief analysis of the blank shape, size, layout, the Conference Board, the number of Drawing, stamping processes in nature, number and sequence determination. For the process, the center of pressure, the die size and the tolerance of the calculation, design mold. Also analyzes the mold of the main components (such as punch and die and dump devices, drawing punch, slates, Punch plate, etc.) design and manufacturing, stamping equipment selection, punch-gap adjustment and establishment of a vital parts machining process. Die requirements set out a detailed list of parts, and gives a reasonable assembly.
Keywords: Cover; Mold design; Composite molding; Drawing Punch;Cut;Die structure
目錄
摘 要 ……………………………………………………………………1
1 端蓋的工藝性分析………………………………………………… 7
2 工藝方案的擬定………………………………………………… 11
2.1 計算毛坯尺寸……………………………………………… 11
2.2 確定是否需要壓邊圈…………………………………… 12
2.3 確定工藝方案……………………………………………… 12
3主要工藝參數(shù)的計算……………………………………………15
3.1確定排樣、裁板方案………………………………………15
3.2 計算拉深次數(shù)……………………………………………… 17
3.3 計算工藝力、初選設備………………………………..…18
3.3.1 計算工藝力…………………………………….......18
3.3.2 拉深功的計算………………………………………...21
3.3.3 初選壓力機…………………………………….......22
3.3.4 計算壓力中心…………………………………......23
3.3.5 計算凸、凹模刃口尺寸及公差…………………23
4 模具的結(jié)構設計……………………………………………… 30
4.1模具結(jié)構形式的選擇……………………………………....30
4.1.1 模架的選用…………………………………….......30
4.1.2模具的閉合高度………………………………………..31
4.2整體模具分析及草圖………………………………………34
4.3模具工作部分尺寸計算…………………………………...33
4.3.1 落料凹模.……………………………………….....33
4.3.2 拉深凸?！?..34
4.3.3 凸凹模……………………………………………....36
4.3.4 彈壓御料板…………………………………………...38
4.3.5 上墊板……………………………………………….......40
4.3.6 壓邊圈………………………………………………….41
4.3.7 推件塊…………………………………………………. 42
4.3.8 沖孔凹?！? 44
4.3.9推板及推桿……………………………………………. 46
5 模具的整體安裝………………………………………………… 47
5.1 模具的總裝配……………………………………………...48
5.2 模具零件…………………………………………………...... 49
6選定沖壓設備………………………………………………………52
7 模具的裝配………………………………………………… 53
7.1 復合模的裝配……………………………….………… 53
7.2 凸、凹模間隙的調(diào)整…………………………………53
8 重要零件的加工工藝過程編制……………………… 55
結(jié) 論……………………………………………………………………60
參考文獻……………………………………………………………… 61
致 謝…………………………………………………………………62
7
1 端蓋的工藝性分析
本次設計為冷沖壓模具設計，冷沖壓是利用安裝在壓力機上的沖模對金屬板料施加壓力，是材料的內(nèi)部產(chǎn)生相應的內(nèi)力。當內(nèi)力的作用達到一定的數(shù)值時，板料毛坯的某個部分便產(chǎn)生與內(nèi)力的作用性質(zhì)相應的變形，使板料分離或產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需尺寸及形狀的零件。
沖壓件工藝性是指沖壓零件在沖壓加工過程中加工的難易程度。沖壓加工工藝過程包括備料、沖壓加工工序、必要的輔助工序、質(zhì)量檢驗、組合與包裝的全過程，而分析工藝性的重點要在沖壓加工工序這一過程里。沖壓加工工序很多，各種工序中的工藝性又不盡相同，即使同一個零件，由于生產(chǎn)條件、工藝裝備情況及生產(chǎn)的傳統(tǒng)習慣等不同，其工藝性的內(nèi)涵也不完全一樣。這里我們重點分析零件的結(jié)構及材料的工藝性。
該零件是端蓋，如圖1.1，該零件可看成帶凸緣的筒形件，料厚t=2mm，拉深后厚度按不變處理；零件底部圓角半徑為1.5mm凸緣處的圓角半徑也為1.5mm；尺寸公差都為自由公差，滿足拉深工藝對精度等級的要求。
圖1.1 工件圖
工藝性對精度的要求是一般情況下，拉深件的尺寸精度應在IT13級以上，不宜高于IT11級；對于拉深件，應在拉深后有適當?shù)恼喂ば颍蕴岣咂渚?，由于材料各向異性的影響，拉深件的口部或凸緣外緣一般是不整齊的，出現(xiàn)“突耳”現(xiàn)象，需要增加切邊工序。
影響拉深件工藝性的因素主要有拉深件的結(jié)構與尺寸、精度和材料。拉深工藝性對結(jié)構與尺寸的要求是拉深件因盡量簡單、對稱，本次設計的零件符合這一要求；同時最好能一次拉深成形，拉深件的壁厚公差或變薄量一般不應超出拉深工藝壁厚變化規(guī)律；當零件一次拉深的變形程度過大時，為避免拉裂，需采用多次拉深，這時在保證必要的表面質(zhì)量前提下，應允許內(nèi)、外表面存在拉深過程中可能產(chǎn)生的痕跡；在保證裝配要求下，應允許拉深件側(cè)壁有一定的斜度。拉伸次數(shù)需要計算得出，而別的要求需要設計工程中把握。
工藝性要求材料具有良好的塑性，屈強比值越小，一次拉深允許的極限變形程度越大，拉深的性能越好；由于板料軋制變形特點而具有方向性，板厚方向性系數(shù)r和板平面方向性系數(shù)反映了材料的各向異性性能，當r較大或較小時，材料寬度的變形比厚度方向的變形容易，板平面方向性能差異較小，拉深過程中材料不易變薄或拉裂，因而有利于拉深成形。
該零件結(jié)構較簡單、形狀對稱，完全由圓弧和直線組成，沒有長的懸臂和狹槽。零件尺寸除中心孔和兩中心孔的距離尺寸以及凸起上小孔接近IT11級外，其余尺寸均為自由尺寸且無其他特殊要求，利用普通沖裁方法可以達到零件圖樣要求。零件材料選為20號鋼，查的退火抗拉強度為400Mpa，屈服強度為206Mpa.屈強比近0.5，故此材料具有良好的結(jié)構強度和塑性，其沖裁加工性較好。該零件的沖裁性較好，可以沖裁加工，適于大批大量。
2 工藝方案的擬定
2.1 計算毛坯尺寸
由于板料是軋壓或退火時所產(chǎn)生的聚合組織而使材料引起殘存的方向性，反映到拉深過程中，就使桶形拉深件的口部形成明顯的突耳。此外，受板料本身的金屬結(jié)構組織不均勻、模具間隙不均勻、潤滑的不均勻等等的影響，而且突起處小孔太多也都會引起沖件口高低不齊的現(xiàn)象，因此就必需在拉深厚的零件口部和外緣進行修邊處理。這樣在計算毛坯尺寸的時候就必需加上修邊余量然后再進行毛坯的展開尺寸計算。
根據(jù)零件的尺寸取修邊余量的值為3.6mm。且零件上的最小間距為凸起上小孔間的間距為5mm大于二倍的零件厚度，即。也比較符合。
在拉深時，雖然拉深件的各部分厚度要求發(fā)生一些變化，但如果采用適當?shù)墓に嚧胧?，則其厚度的變化量還是并不太大。所以在設計工藝過程時，可以不考慮毛坯厚度的變化。同時由于金屬在塑性變形過程中保持體積不變，因而，在計算拉深件的的毛坯展開尺寸時，可以認為在變形前后的毛坯和拉深件的表面積及落料的表面積之和相等。
對于該零件，可看成帶凸緣拉深件。根據(jù)零件圖所示的數(shù)據(jù)可的如下計算：
其相對凸緣最大直徑
......................................................................2.1
其中：.........成型零件最大的長度
d............成型零件凸起的直徑
因
由拉伸前后表面積不變，故拉伸所需毛坯的直徑：
===124mm
…………………2.2
又有3.6mm，故毛坯凸緣寬度為：
mm……………2.3
毛坯凸緣長度為：
mm………………2.4
2.2 確定是否需要壓邊圈
坯料相對厚度
……………2.5
所以需要壓邊圈。
2.3 確定工藝方案
根據(jù)以上分析和計算，可以進一步明確該零件的沖壓加工需要包括以下基本工序:落料、拉深、沖孔等。根據(jù)這些基本工序，可以擬出如下幾種工藝方案：
方案一
先進行落料，再拉深，修邊，最后沖孔，以上工序過程都采用單工序模加工。用此方案，模具的結(jié)構都比較簡單，制造很容易，成本低廉，但由于結(jié)構簡單定位誤差很大，而且單工序模一般無導向裝置，安裝和調(diào)整不方便，費時間，生產(chǎn)效率低。
方案二
落料與拉深、修邊在復合模中加工成半成品，再在單工序模上進行沖孔。采用了落料與拉深、修邊的復合模，提高了生產(chǎn)率。對落料以及拉深的精度也有很大的提高。由于最后一道沖孔工序是在單工序模中完成，使得最后一步?jīng)_孔工序的精度降低，影響了整個零件的精度，而且中間過程序要取件，生產(chǎn)效率不高。
方案三
采用帶料級進多工位自動壓力機沖壓，可以獲得較高的生產(chǎn)效率，而且操作安全，但這一方案需要專用的壓力機或自動的送料裝置。模具的結(jié)構比較復雜，制造周期長，生產(chǎn)成本高。
方案四
落料、拉深、沖孔和修邊全都在同一個復合模中一次加工成型。此方案把三個工序集中在一副復合模中完成，使得生產(chǎn)率有了很大的提升。沒有中間的取放件過程，一次沖壓成型，而且精度也比較高，能保證加工要求，在沖裁時材料處于受壓狀態(tài)，零件表面平整。模具的結(jié)構也非常的緊湊，外廓尺寸比較小，但模具的結(jié)構和裝配復雜。
根據(jù)設計需要和生產(chǎn)批量以及經(jīng)濟性，綜合考慮以上方案，方案四最適合。即落料、拉深、沖孔和修邊在同一復合模中完成，這樣既能保證大批量生產(chǎn)的高效率又能保證加工精度，而且成本不高，經(jīng)濟合理。故選擇用復合模具來作為本次設計的對象。
3 主要工藝參數(shù)的計算
3.1 確定排樣、裁板方案
加工此零件為大批大量生產(chǎn)，沖壓件的材料費用約占總成本的60%～80%之多。因此，材料利用率每提高1%，則可以使沖件的成本降低0.4%～0.5%。在沖壓工作中，節(jié)約金屬和減少廢料具有非常重要的意義，特別是在大批量的生產(chǎn)中，較好的確定沖件的形狀尺寸和合理的排樣的降低成本的有效措施之一。
由于材料的經(jīng)濟利用直接決定于沖壓件的制造方法和排樣方式，所以在沖壓生產(chǎn)中，可以按工件在板料上排樣的合理程度即沖制某一工件的有用面積與所用板料的總面積的百分比來作為衡量排樣合理性的指標。
容易觀察到，該零件的排樣應該采用斜排最合理。最節(jié)省材料，可達到最佳經(jīng)濟性。故有毛坯形狀如下：
圖3.1 毛坯圖
同時要具有搭邊。屬于工藝廢料的搭邊對沖壓工藝也有很大的作用。通常，搭邊的作用是為了補充送料是的定位誤差，防止由于條料的寬度誤差、送料時的步距誤差以及送料歪斜誤差等原因而沖出殘缺的廢品，從而確保沖件的切口表面質(zhì)量，沖制出合格的工件。同時，搭邊還使條料保持有一定的剛度，保證條料的順利行進，提高了生產(chǎn)率。搭邊值得大小要合理選取。由于20號鋼為低碳鋼，則可根據(jù)此零件的尺寸通過在課本《模具設計與制造》（第二版）中查表2-7取:
沿邊搭邊值為
工件間搭邊值為
從圖3.1上可知：進距 S=128+1.5=129.5mm…………………3.1
條料寬度b=110.3+114mm…………………3.2
板料規(guī)格擬用2mm×1400mm×4000mm熱軋鋼板。查《沖壓模具設計》GB708-88，為了操作方便采用橫裁。
裁板條數(shù)
條…………………………3.3
每條個數(shù)
11個………………3.4
每板總個數(shù)
材料利用率
……………………………3.5
3.2 計算拉深次數(shù)
在考慮拉深的變形程度時，必需保證使毛坯在變形過程中的應力既不超過材料的變形極限，同時還能充分利用材料的塑性。也就是說，對于每道拉深工序，應在毛坯側(cè)壁強度允許的條件下，采用最大的變形程度，即極限變形程度。
極限拉深系數(shù)值可以用理論計算的方法確定。即使得在傳力區(qū)的最大拉應力與在危險斷面上的抗拉強度相等，便可求出最小拉深系數(shù)的理論值，此值即為極限拉深系數(shù)。但在實際生產(chǎn)過程中，極限拉深系數(shù)值一般是在一定的拉深條件下用實驗的方法得出的，我們可以通過查表來取值。
零件的總拉深系數(shù)為，其相對凸緣直徑，屬于帶大凸緣拉深的拉深件。根據(jù)，，由教材<<沖壓工藝與模具設計>>上表4-16、4-18查得一次允許的拉深系數(shù)，第一次拉深的最大相對高度。
因材料為20號鋼,具有良好的強度和塑性,其加工工藝性較好,可減小帶凸緣筒形件的首次拉深系數(shù)及增大最大相對高度。
使得，所以零件只需要一次拉深。
3.3 計算工藝力、初選設備
3.3.1 計算工藝力
A沖裁力
平刃凸模落料力的計算公式為
…………………………………………3.6
式中 — 沖裁力（N）
L— 沖件的周邊長度（mm）
t— 板料厚度（mm）
—材料的抗沖剪強度（M Pa）
K— 系數(shù)（它與沖裁間隙、沖件形狀、沖裁速度、板料厚度、潤滑情況等多種因素有關。而其影響范圍的最小值和最大值在（1.0～1.3）P的范圍內(nèi)，一般k取為1.25～1.3）取為1.3。
在實際應用中，抗沖剪強度的值一般取材料抗拉強度的0.7~0.85。為便于估算，通常取抗沖剪強度等于該材料抗拉強度的80%。即
……………………………………………3.7
因此，該沖件的沖裁力的計算為：
..........................3.8
而零件外輪廓的周邊長度為約387mm； 零件凸緣上孔的周邊長度約為18.85；零件凸起上的孔的周邊長度約為15.7。
故有=1.3 =321984N
N
N
中： ..................零件外輪廓的沖裁力；
................零件凸緣上孔的沖裁力；
.................零件凸起上的孔的沖裁力。
=8+2+=457849.6N
B卸料力
一般情況下，沖裁件從板料切下以后受彈性變形及收縮影響。會使落料件梗塞在凹模內(nèi)，而沖裁后剩下的板料則箍緊在凸模上。從凸模上將沖件或廢料卸下來所需的力稱卸料力。影響這個力的因素較多，主要有材料力學性能、模具間隙、材料厚度、零件形狀尺寸以及潤滑情況等。所以要精確地計算這些力是困難的，一般用下列經(jīng)驗公式計算：
卸料力 ……………………………3.10
式中 F—— 沖裁力(N)
——卸料力系數(shù)，其值可查上教材的表2-5，
這里可取為0.04。
因此
C 推件力
將卡在凹模中的材料順著沖裁方向?qū)辶贤瞥鏊枰牧ΨQ為推件力。根據(jù)經(jīng)驗公式，則推件力為：
…………………………………3.11
—推件力系數(shù)，其值同樣可查表2-5，取為0.055。
D拉深力
由于影響拉深力的因素比較復雜，按實際受力和變形情況來準確計算拉深力是筆尖困難的。所以，實際生產(chǎn)中通常是以危險斷面的拉應力不超過其材料抗拉強度為依據(jù)，采用經(jīng)驗公式進行計算。因為此拉伸桶形件有壓邊圈，故對于帶凸緣圓筒形零件的拉深力經(jīng)驗公式為：
………………………3.12
式中 —圓筒形零件的凸模直徑（mm）
—修正系數(shù)，根據(jù)拉伸系數(shù)查教材表4-9
—材料的抗拉強度（M Pa）
—材料厚度
由于拉伸系數(shù)m== 故=0.93
因此
E壓邊力
壓邊力的大小對拉深件的質(zhì)量是有一定影響的，如果過大，就要增加拉深力，因而會使制件拉裂，而壓邊圈的壓力過小就會使工件的邊壁或凸緣起皺，所以壓邊圈的壓力必須適當。合適的壓邊力范圍一般應以沖件既不起皺、又使得沖件的側(cè)壁和口部不致產(chǎn)生顯著的變薄為原則。壓邊力的大小和很多因素有關，所以在實際生產(chǎn)中，可以根據(jù)近似的經(jīng)驗公式進行計算。
(N)……………………………………3.13
式中 A=—初始有效壓邊面積(mm);
—單位壓邊力(M Pa),這里經(jīng)查表4-8取為F=2.5
所以有
3.3.2 拉深功的計算
由《沖模技術》中公式，拉深所需的功可按下式計算
…………………………………………3.14
式中 —最大拉深力（N）
h —拉深深度（mm）
W—拉深功（J）
c—修正系數(shù)，一般取為C=0.6~0.8。
所以
J…………………3.15
3.3.3 初選壓力機
A 壓力機類型的選擇
因為此沖裁件為中小型所以開式壓力機能夠滿足要求；而且為大批量生產(chǎn)，不適宜液壓機，選擇自動壓力機。
B 壓力機設備規(guī)格的選擇
1）公稱壓力
壓力機噸位的大小的選擇，首先要以沖壓工藝所需的變形力為前提。要求設備的名義壓力要大于所需的變形力，而且還要有一定的力量儲備，以防萬一。從提高設備的工作剛度、沖壓零件的精度及延長設備的壽命的觀點出發(fā)，要求設備容量有較大的剩余。
總沖壓力為：
=457849.6+18313.984+25181.72+20569.5+163531.2
= ………………3.16
應選的壓力機公稱壓力取為1.5，則公稱壓力為：
…………………………3.17
2）滑塊行程和行程次數(shù)
由于設計的工件為拉伸件故行程需較大，可取為拉伸件的2.5倍。
則滑塊行程為S=2.5.....................3.18
由教材《模具技術》表1-35可查得：
鋼的最大拉深速度為v=；
但速度不宜過大，則行程次數(shù)小于120次/分
3）壓力機沖壓所應提供功
可近似用下公式計算：
………………3.19
因此初選開式雙柱固定臺壓力機J 2 1-160A。
3.3.4 計算壓力中心
本零件為對稱幾何體,其壓力中心就在它的圓心處，不必計算它的壓力中心。
3.3.5 計算凸、凹模刃口尺寸及公差
沖裁件的尺寸精度取決于凸、凹模刃口部分的尺寸。沖裁間隙的合理也要靠凸、凹模刃口部分的尺寸來實現(xiàn)和保證。所以正確確定刃口部分的尺寸是相當重要的。在決定模具刃口尺寸及制造公差時，需考慮以下原則：①落料件的尺寸取決于凹模的磨損，沖裁件的尺寸取決于凸模尺寸；②考慮到?jīng)_裁時凸、凹模的磨損，在設計凸、凹模刃口尺寸時，對基準件刃口尺寸在磨損后變大的，其刃口公稱尺寸應取工件尺寸范圍內(nèi)較小的數(shù)值。對基準件刃口尺寸在磨損后減少的，其刃口公稱尺寸應取工件尺寸范圍內(nèi)較大的數(shù)值。這樣，在凸模磨損到一定程度的情況下，任能沖出合格的零件。③在確定模具刃口制造公差時，要既能保證工件的精度要求，又要保證合理的間隙數(shù)值。
采用凸凹模分別加工，凸凹模分別加工是指在凸模與凹模分別按各自圖樣上標注的尺寸及公差進行加工，沖裁間隙由凸凹模刃口尺寸及公差保證，這樣就需要分別計算出凸模和凹模的刃口尺寸及公差，并標注在凸凹模設計圖樣上，這樣加工方法具有互換性，便于成批制造，主要用于簡單，規(guī)范形狀（圖形，方法或矩形）的沖件。
A落料
因為落料件表面尺寸與凹模刃口尺寸相等或基本一致，而廢料與凸模具刃口尺寸相等或基本一致，所以應該先確定凹模刃口尺寸，即以凹模刃口尺寸為基準，又因為落料件尺寸會隨凹模刃口的磨損而增大，為了保證凹模磨損到一定程度仍能沖出合格零件，故凹?；境叽鐟撊÷淞霞叽绻罘秶鷥?nèi)的較小尺寸，落料凸模的基本尺寸則是凹模基本尺寸上減去最小合理間隙。而新模具要選取有最小合理間隙，以保證 模具有較長的壽命。模具制造公差取為IT8，則工件公差查的為IT12。
……………………………3.20
…………………………3.21
式中 —落料凹模最大直徑（mm）
—落料凸模最大直徑（mm）
D —工件允許最大尺寸（mm）
— 沖裁工件要求的公差，取1
X —磨損系數(shù)，此處可取X=0.5。
—最小合理間隙
對于未標注公差可按IT14級計算，根據(jù)教材上表1-3查得，沖裁模刃口雙面間隙：
、—凹、凸模制造偏差，這里可以按IT8來選取:
落料刃口最大尺寸計算
凹凸模制造公差按IT8級精度選取，得落料尺寸，查表得
校核間隙：不符合｜｜+｜｜條件，但相差不大，可作如下調(diào)整：
…………………………3.22
=
…………………………3.23
則
=
=159.5…………………………3.24
=
=159.88…………………………3.25
B沖孔
設計沖孔時應以凸模為基準尺寸，間隙取在凹模具上。對于沖孔孔和沖的孔，經(jīng)查《模具技術》表2-15，都有，按IT14級精度選取，查附表4得：。校核間隙：｜｜+｜｜=，滿足條件，故可以采用凸模與凹模配合加工方法，因數(shù)由表2-21查得，，則加工凸緣上孔的為：
…………………………3.26
…………………………3.27
而凸起上的孔由于加工的實際影響，需要用IT8的精度來保證其IT14的精度，則△可取為0.7。故，加工凸起上的孔刃口尺寸為:
…………………………3.28
…………………………3.29
C拉深
拉深模直徑尺寸的確定的原則，與沖裁模刃口尺寸的確定基本相同，只是具體內(nèi)容不同，這里不在復述。
1）拉深凸模和凹模的單邊間隙與模具尺寸
拉深凸模和凹模的單邊間隙,可用經(jīng)驗公式：
C=Kt+=2.22mm…………………………3.30
其中，K為間隙系數(shù)，查表5-15，得：K在0.10~0.12。取0.11。
t、分別為板料的厚度及板料的最大厚度。
按IT8級精度選取，由附錄表4查得，對于拉深尺寸，。
因拉深件注內(nèi)形尺寸，按凸模進行配作：
…………………………3.31
式中 d—拉深件內(nèi)形尺寸：
d—凸模尺寸：
—拉深件公差，這里按IT14級精度選取，查表附錄4，可以得=1：
即有 =68.5
拉深凹模則注凸模的基本尺寸,并要求按單面拉深間隙配作：
…………………………3.32
2） 拉伸模具圓角半徑的選擇
通常，較薄的材料需要較大的圓角，而使用壓邊圈時，凹模圓角半徑可適當增大。拉伸凸模圓角半徑對拉伸過程也有較大的影響。因為影響因素較多所以應用教材中的經(jīng)驗公式，得：
…………………………3.33
其中， ————凹模圓角半徑；
————凹模工作部分直徑；
————拉深件直徑；
t————板料厚度；
D————胚料厚度。
也可以表示為：mm
…………………………3.34
凸模圓角半徑可與凹模圓角半徑取相同的值。即=8.2mm
4 模具的結(jié)構設計
4.1模具結(jié)構形式的選擇
4.1.1 模架的選用
采用落料、拉深、沖孔復合模，首先要考慮落料凸模（兼拉深凹模）的壁厚是否過薄。本次設計中凸凹模的最小壁厚為，滿足鋼材最小壁厚的要求能夠保證足夠的強度，故采用復合模。
模具采用順裝式。模座下的緩沖器兼作壓邊與頂件，另外還設有彈性卸料裝置的彈性頂件裝置。這種結(jié)構的優(yōu)點是操作方便，出件暢通無阻，生產(chǎn)效率高，缺點是彈性卸料板使模具的結(jié)構變復雜,要簡化可以采用剛性卸料板，其缺點是拉深件留在剛性卸料板中不易取出，帶來操作上的不便，結(jié)合本次設計綜合考慮，采用彈性卸料板。
從生產(chǎn)量和方便操作以及具體規(guī)格方面考慮，選擇后則導柱模架，由凹模外形尺寸，（GB/T2851.5—1990）在按其標準選擇具體結(jié)構尺寸如下
上模板 HT250
下模板 ZG450
導 柱 20鋼
導 套 20鋼
凸緣模柄 Q235
模具閉合高度 MAX 245mm MIN 200mm
4.1.2模具的閉合高度
所謂的模具的閉合高度H是指模具在最低工作位置時，上下模座之間的距離，它應與壓力機的裝模高度相適應。
模具的實際閉合高度，一般為：
……………4.1
該副模具使用上墊板厚度為10mm，凹模固定板厚度為12mm。沖頭（凸凹模）的長度設計為110mm，凹模（落料凹模）設計為70mm，則閉合高度為：
4.2整體模具分析及草圖
4.2.1 模具整體設計分析
要設計一個復合模首先要分析用順裝還是逆裝，上出料還是下出料。經(jīng)過以上工藝分析，綜合考慮用順裝，因為凸凹模具裝在上方便于落料。而用逆裝需用凹模落料，將難以使料平整；且將增大壓力機的負荷，增大模具結(jié)構。所以用順裝。
而決定順裝，再考慮上出料、下出料，發(fā)現(xiàn)上出料比較好。因為下出料需要將凸模具加大孔或多孔，而且所用開式壓力機三面開放，便于機械手或人工操作。故綜合考慮決定設計成上出料。
4.2.2 模具整體草圖
4.1整體模具草圖
4.3模具零件及尺寸計算
4.3.1 落料凹模
落料凹模采用矩形板結(jié)構和直接通過螺釘、銷釘與下模座固定的固定方式。因生產(chǎn)的批量大，考慮凹模的磨損和保證零件的質(zhì)量，凹模刃口采用直刃壁結(jié)構，刃壁高度，漏料部分沿刃口輪廓適當擴大（為便于加工，落料凹模漏料孔可設計成近似于刃口輪廓的形狀，如凹模圖）。凹模輪廓尺寸計算如下：
凹模厚度
凹模壁厚
沿送料方向的凹模長度為
根據(jù)算得的凹模輪廓尺寸，選取與計算值相近的凹模板，其尺寸為。
凹模的材料選用，工作部分熱處理淬硬。
圖4.2 落料凹模
4.3.2 拉深凸模
拉深凸模刃口部分為圓形，為便于凸模和固定板的加工，可設計成階梯形結(jié)構，并將安裝部分設計成便于加工的長圓形，通過螺釘緊固在固定板上，用銷釘定位。凸模的尺寸根據(jù)刃口尺寸、卸料裝置和安裝固定要求確定。凸模的材料選用T8A，工作部分熱處理淬硬。
對于拉深凸模的工作深度，必須從幾何形狀上做的正確。為了使零件容易在拉深后被脫下，在凸模的工作深度可以作成一定錐度
拉深凸模上設計有八個小螺紋孔，因為要在其上安裝八個小凸模，用雙頭螺柱連接。用來沖凸起上的八個孔。
為了防止拉深件被凹模內(nèi)壓縮空氣頂癟及拉深件與凸模之間發(fā)生真空現(xiàn)象而緊箍在凸模上，故在凸模上設計通氣孔，以使拉深后容易從凸模上取下。根據(jù)凸模尺寸取出氣孔直徑，數(shù)量為兩個。
圖4.3 拉深凸模
4.3.3 凸凹模
該復合模中的凸凹模是主要工作零件，其外形作為落料凸模內(nèi)形又作為拉深凹模，并且內(nèi)、外形刃口部分都為非圓形，為便于凸凹模與凸模固定板的配合，凸凹模的安裝部分設計成便于加工的長圓形，通過螺釘緊固在凸模固定板上，并用銷釘定位。如圖4.3
凸凹模的自由長度為：L=凸模固定板厚度+橡膠安裝高度+卸料板厚度+材料厚度+凸凹模工作高度=22+26+20+2+（42-2）=110mm ……………………4.2
圖4.4 凸凹模
4.3.4 彈壓御料板
彈性卸料板的尺寸可以根據(jù)彈性元件的數(shù)目以及外徑來計算。如圖4.4。
由于受到橡膠允許承受的載荷較大,安裝,調(diào)整,靈活,方便,因而是沖裁模中常用的彈性元件,沖裁模中用于卸料的橡膠有合成橡膠和聚氨脂橡膠,其中聚氨脂的性能比合成橡膠優(yōu)異,是常用的卸料彈性元件。
為了保證卸料正常工作,應該使橡膠的預緊的預壓力：
……………………………………4.3
橡膠的壓力與壓縮量之間不是線形關系,橡膠的壓縮時產(chǎn)生的壓力按下式計算:
……………………………………4.4
式中 A——橡膠的橫截面積
P——橡膠與單位壓邊力,其值與橡膠的壓縮量,形狀及尺寸有關
計算橡膠的自由高度,由下式
～4) ………………………4.5
計算橡膠的裝配高度,由下式
…………………………………………4.6
～ ……………………………… 4.7
按公式計算得:
圖4.5 彈性卸料板
4.3.5 上墊板
墊板的作用是直接承受和擴散凸模傳遞的壓力，以降低模座所受 的單位壓力，防止模座被壓出陷痕而損壞。在設計中我們把墊板的外形尺寸與凸凹模的外形尺寸相匹配，其厚度我們設計為10mm。在上墊板上設計了一個推桿孔，以便安裝推桿，還有四個螺釘孔以及兩個銷孔，這些都是為了與凸凹模和拉深凸模上的各種固定零件的安裝相匹配的。在圖中標注尺寸精度、形位公差及粗糙度。上墊板的零件圖如圖4.5所示。
圖4.6上墊板
4.3.6 壓邊圈
在這個設計中,壓邊圈借助頂桿所施的頂件力,既起到壓邊的效果,又起來把拉深件頂出拉深凸模,設計高度為15mm,如圖4.6
圖4.7壓邊圈
4.3.7 推件塊
為了加工凸起上的八個孔，需要設計了落料模其尺寸已在上面算的，其與八個小凸模配合可加工成八個孔。但要固定在此推件塊上，同時此推件塊不僅起推件的作用又起到了壓料的作用，一舉兩得。但其并非標準件需要單獨加工，并要鑄造工藝，材料用灰鑄鐵。
圖4.8推件塊
4.3.8 沖孔凹模
此凹模用來沖凸起上的八個孔，且需要有切刃口要用到Cr W Mn。但直接與上面的推件塊連成一體只能用鑄鋼，太浪費好材料。而“好鋼用在刀刃上”，將凹模具設計的小點，然后用螺釘將其與推件塊緊固起來，便能節(jié)省很多材料。
其尺寸也設計成如圖
圖4.9沖孔凹模
4.3.9推板及推桿
因為結(jié)構的特殊，是推板及推桿也為非標準件，經(jīng)計算其高度和厚度，可做出其圖。推桿上做出突肩，做導向用。
其圖為：
圖4.10 推板
圖4.11 推桿
5 模具的整體安裝
5.1 模具的總裝配
由以上的設計計算，并經(jīng)繪圖設計，該端蓋落料、拉深、沖孔復合模裝配圖如圖5.1所示。
圖5.1總體裝配圖
5.2 模具零件
該復合模的主要零部件在模具的結(jié)構設計中已經(jīng)進行了仔細的設計，其余的非標準的零件可以根據(jù)需要按國標選取使用。所有零件的明細表見表5.1。
表5.1 落料、拉深、沖孔復合模零件表
件號
名 稱
數(shù)量
材 料
規(guī) 格（㎜）
標 準
熱 處 理
1
圓柱銷
2
12x60
GB/T119.1-2000
2
上墊板
1
45
250x200x10
43～48HRC
3
推 板
1
40
厚度10mm
40～45HRC
4
凸緣模柄
1
Q235
70x100
JB/T7646.3-1994
5
打 桿
1
40
15x135
43～48HRC
6
推 桿
3
40
6x85
43～48HRC
7
卸料螺釘
4
M12x105
GB2867.6-81
8
壓邊圈
1
45
厚度15mm
48～52HRC
9
螺 釘
4
M10x20
GB/T70.1-2000
10
導套
1
20
28x100x42
滲碳58～62HRC
11
導柱
1
20
28x195
滲碳58～62HRC
12
落料凹模
1
Cr W Mn
高70mm
58～62HRC
13
凹模固定板
1
45
250 x200x12
43～48HRC
14
圓柱銷
2
12x100
GB/T119.1-2000
15
落料凹模具
1
45
10x69
48～52HRC
16
頂 桿
2
6x100
JB/T7650.3-1994
43～48HRC
17
沖孔凸模
2
Cr12
13x30
58～62HRC
18
螺 釘
5
M12x70
GB/T70.1-2000
19
凸凹模固定板
1
45
250x200x22
43～48HRC
20
擋料銷
3
45
16x13
JB/T7649.10-1994
43～48HRC
21
螺釘
4
GB/T70.1-2000
M12x60
22
C級I型六角螺母
4
GB/T 41-2000
M6
23
推板
4
45
40-45HRC
24
開槽圓柱頭螺釘
1
GB/T 65-2000
M6x14
25
小沖孔凸模
8
Cr W Mn
Cr W Mn
26
B型雙頭螺柱
8
45
M1.5x6
6選定沖壓設備
沖壓設備選擇是沖壓工藝過程設計的一項重要內(nèi)容，它直接關系到設備的安全和使用的合理，同時也關系到?jīng)_壓工藝過程的順利完成及產(chǎn)品質(zhì)量、零件精度、生產(chǎn)效率、模具壽命、板料的性能與規(guī)格、成本的高低等一系列重要問題。
在前面的設計中，我們已經(jīng)對沖壓設備的噸位以及閉合高度等參數(shù)進行了確定。這里根據(jù)前面所算出來的各項數(shù)據(jù)。查表選擇壓力機，確定選用開式雙柱固定臺壓力機J 2 1-160A,其主要具體參數(shù)如下:
公稱壓力 1250KN
滑塊行程 140mm
封閉高度調(diào)節(jié)量 mm
工作臺尺寸 600460mm
柄孔尺寸 60×75mm
立柱間距離 420mm
工作臺板厚 110mm
7 模具的裝配
7.1 復合模的裝配
復合模一般以凸凹模作為裝配基件。其裝配順序為：①裝配模架，導套與上模座采用配合，導柱與下模座采用基軸制配合；②裝配凸凹模組件（凸凹模及其固定板）和凸模組件（凸模及其固定板）；③將凸凹模組件用螺釘和銷釘安裝固定在指定模座（正裝式復合模為上模座，倒裝式復合模為下模座）的相應位置上；④以凸凹模為基準，將凸模組件及凹模初步固定在另一模座上，調(diào)整凸模組