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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(guó)立臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械工程部門
在沖壓過(guò)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(duì)沒(méi)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(guò)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(guò)增加沖壓力來(lái)被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過(guò)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(wú)起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)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(shì)。
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(guò)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(duì)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(guò)增加沖壓力來(lái)防止起皺，但是過(guò)度的拉力會(huì)通過(guò)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(duì)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(cè)試，在這種測(cè)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(wèn)題，通過(guò)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(guò)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(jiǎn)單形狀零件關(guān)聯(lián)的起皺問(wèn)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(wèn)題成為可能。在當(dāng)前的研究中，三維有限元分析法被用來(lái)分析在沖壓一個(gè)帶有階梯的矩形部分的過(guò)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(guò)程中，側(cè)壁上的金屬板料相對(duì)沒(méi)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(guò)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(cè)到另一種形式的起皺。為了評(píng)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(cè)。通過(guò)使用有限元分析法和用適宜的模具設(shè)計(jì)來(lái)減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測(cè)一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品成形時(shí)，通過(guò)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(lái)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(lái)為以上工具生產(chǎn)網(wǎng)眼系統(tǒng)。對(duì)于有限元模擬來(lái)說(shuō)，工具被認(rèn)為是剛硬的，而且對(duì)應(yīng)的網(wǎng)眼被用來(lái)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(lái)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(lái)沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對(duì)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(lái)模擬。為在飛機(jī)上切割下的樣本測(cè)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(lái)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(kù)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(zhǎng)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(méi)被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過(guò)增加沖壓力來(lái)被抑制。相對(duì)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(lái)的部分被研究。
3.1沖模間隙的影響
為了檢查沖模間隙對(duì)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(lái)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(shuō)明在沖壓過(guò)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(zhǎng)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(lái)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(lái)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(píng)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(shuō)明嚴(yán)重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對(duì)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(shuō)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(guò)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(lái)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(lái)模擬。
模擬結(jié)果顯示沖壓力的增加并沒(méi)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(shuō)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(duì)沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒(méi)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(cè)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(guò)清理焊縫的深拉。在這種深拉過(guò)程中，沒(méi)有焊縫被用在沖模表面來(lái)幫助幫助金屬的流動(dòng)。但是，由于沖頭拐角處的半徑過(guò)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(guò)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(guò)增加以半徑來(lái)避免。這種理念在現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中通過(guò)增加半徑得到證實(shí)。
個(gè)別的嘗試也被用來(lái)消除起皺。第一，沖壓力加到原來(lái)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(duì)消除起皺現(xiàn)象沒(méi)有起有很大的效果。通過(guò)增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結(jié)論。于是我們推測(cè)，這種起皺不能通過(guò)增加沖壓力來(lái)得到抑制。
由于在金屬屈服于過(guò)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(guò)在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡(jiǎn)單方法被用來(lái)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(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(méi)被吸收。這說(shuō)明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來(lái)吸收所有過(guò)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(shì)是沖壓過(guò)程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測(cè)，而這在真實(shí)的產(chǎn)品沖壓過(guò)程中是不可能的。對(duì)沖壓過(guò)程中金屬流動(dòng)的精密監(jiān)測(cè)顯示板料最開始通過(guò)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(duì)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(guò)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(shuō)法，兩種改進(jìn)過(guò)了的模具設(shè)計(jì)被用來(lái)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(guò)兩步拉深工序可以造出沒(méi)有起皺的階梯矩形杯子，同時(shí)也說(shuō)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^(guò)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(shuō)明用簡(jiǎn)單的拉深操作來(lái)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(duì)形狀做出了合適的改變，而且通過(guò)有限元模擬分析法結(jié)果去切除較低的臺(tái)階來(lái)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(lái)，而且零件還沒(méi)有起皺，如圖14所示。通過(guò)有限元模擬分析法得到的零件也沒(méi)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(wú)缺陷產(chǎn)品零件
圖15 G-H處模擬和測(cè)量厚度
5概要和結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過(guò)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(guò)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(guò)增加沖壓力的方法來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程中，通過(guò)有限元模擬分析法單獨(dú)的嘗試被用來(lái)消除起皺，切除了臺(tái)階的模具被建立。通過(guò)無(wú)缺陷的零件證實(shí)了這種模具設(shè)計(jì)方法對(duì)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(shuō)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(guó)人民共和國(guó)民族科學(xué)委員會(huì)授于NSC-86-2212-E002-028編號(hào)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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河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校
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彎曲件沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)
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學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào):
設(shè)計(jì)(論文)題目： 彎曲件沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)
起 迄 日 期: 2007 年 05月 日~ 月 日
指 導(dǎo) 教 師:
2007 年 05 月 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書
1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題來(lái)源及應(yīng)達(dá)到的目的：
×××××××××（小4號(hào)宋體，1.5倍行距，下同）×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。
2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（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）：
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
系部意見：
系領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書
學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：
專 業(yè)： 模具設(shè)計(jì)與制造
設(shè)計(jì)(論文)題目: 彎曲件的沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師：
2007年 5月15日
河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
摘 要
本設(shè)計(jì)題目為彎曲件模具設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了典型彎曲模的設(shè)計(jì)要求、內(nèi)容及方向，有一定的設(shè)計(jì)意義。通過(guò)對(duì)該零件模具的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加強(qiáng)了設(shè)計(jì)者彎曲模設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，為設(shè)計(jì)更復(fù)雜的彎曲模具做好了鋪墊和吸取了更深刻的經(jīng)驗(yàn)。
本設(shè)計(jì)運(yùn)用彎曲成型工藝及模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，首先分析了板材的性能要求，為選取模具的類型做好了準(zhǔn)備；然后計(jì)算了彎曲件的彎曲力，便于選取壓力機(jī)噸位及確定壓力機(jī)型號(hào)；最后分析了彎曲件的特征，確定模具的設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及頂出裝置的選取。
本設(shè)計(jì)采用了八字?jǐn)[塊復(fù)合模成型件。復(fù)合模具有生產(chǎn)效率高，制件精度高等特點(diǎn)，特別適合大批量高精度生產(chǎn)。成型原理可劃分為兩個(gè)階段：首先，凸模與凹模共同作用成型U形件；凹模繼續(xù)下行，迫使擺塊左右擺動(dòng)動(dòng)作，U型件被再次彎曲成型，最后成型件，這種機(jī)構(gòu)動(dòng)作靈活可靠，設(shè)計(jì)方便，非常適合在本副模具中使用。
關(guān)鍵詞：彎曲模 凸模 凹模 擺塊
ABSTRACT
The requirement，content and direction of the design of the bending dies parts are embodied on this bending dies design. The designer’s foundation knowledge of the bending dies design is reinforced and is able to design more complex injection mould through the design.
Through the foundation knowledge, firstly, the composion and the perfourmance of the flat sheet is analyzed to choose the type of the mould. Secondly, the volume of the bend is estimated to choose the press molding machine and to detemine the type press machine and tonnage of press. Lastly the character of the part is analyzed to determine the mould design parameter and design point and choose the ejection assembly.
Swing block compound die is used in this design to form the part.the compound die can produce pierced blanks to close flatness and dimensional tolerances. Compound die’sproduce efficiency and part precision is hight. Especially fit for volume produce and hight precision produce.Moulding of the part is like this :Fist,behing punch and die’s together operation, the part is form to the fast bending ;die is going down, swing block is flogged to work, and the second bending is begin. At last, the part is form to part. So, it is adapted to be used on this mould extraordinarily.
Keywords: bending dies , punch , dieg, swing bloc
彎曲件的沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)
緒 論
目前，我國(guó)沖壓技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還相當(dāng)?shù)穆浜?，主要原因是我?guó)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(jì)、模具制造工藝及設(shè)備等方面與工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家尚有相當(dāng)大的差距，導(dǎo)致我國(guó)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(guó)家的模具相比距離相當(dāng)大。
一、 國(guó)內(nèi)模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
(1)國(guó)內(nèi)模具的現(xiàn)狀
我國(guó)模具近年來(lái)發(fā)展很快，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2003年我國(guó)模具生產(chǎn)廠家約有2萬(wàn)多家，從業(yè)人員約50多萬(wàn)人，2004年模具行業(yè)的發(fā)展保持良好勢(shì)頭，模具企業(yè)總體上訂單充足，任務(wù)飽滿，2004年模具產(chǎn)值530億元。進(jìn)口模具18.13億?美元，出口模具4.91億美元，分別比2003年增長(zhǎng)18%、32.4%和45.9%。進(jìn)出口之比2004年為3.69:1，進(jìn)出口相抵后的進(jìn)凈口達(dá)13.2億美元，為凈進(jìn)口量較大的國(guó)家。
在2萬(wàn)多家生產(chǎn)廠點(diǎn)中，有一半以上是自產(chǎn)自用的。在模具企業(yè)中，產(chǎn)值過(guò)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(lái)，?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(zhǎng)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(yíng)企業(yè)發(fā)展迅速；國(guó)企股份制改造步伐加快等。
雖然說(shuō)我國(guó)模具業(yè)發(fā)展迅速，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。我國(guó)尚存在以下幾方面的不足:
第一，體制不順，基礎(chǔ)薄弱?！叭Y”企業(yè)雖然已經(jīng)對(duì)中國(guó)模具工業(yè)的發(fā)展起了積極的推動(dòng)作用，私營(yíng)企業(yè)近年來(lái)發(fā)展較快，國(guó)企改革也在進(jìn)行之中，但總體來(lái)看，體制和機(jī)制尚不適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，再加上國(guó)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(jì)效益欠佳.我國(guó)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(chǎng)中經(jīng)常處于被動(dòng)地位。我國(guó)每個(gè)模具職工平均年創(chuàng)造產(chǎn)值約合1萬(wàn)美元，國(guó)外模具工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家大多是15～20萬(wàn)美元，有的高達(dá)25～30萬(wàn)美元，與之相對(duì)的是我國(guó)相當(dāng)一部分模具企業(yè)還沿用過(guò)去作坊式管理，真正實(shí)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(guó)內(nèi)許多企業(yè)采用了先進(jìn)的加工設(shè)備，但總的來(lái)看裝備水平仍比國(guó)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(guó)外企業(yè)低得多。由于體制和資金等原因，引進(jìn)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(wèn)題長(zhǎng)期得不到較好解決。裝備水平低，帶來(lái)中國(guó)模具企業(yè)鉗工比例過(guò)高等問(wèn)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(zhǎng)期以來(lái)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(guó)內(nèi)每年生產(chǎn)的模具，商品模具只占45%左右，其馀為自產(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(guó)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(duì)模具質(zhì)量、成本有較大影響，對(duì)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(huì)影響模具質(zhì)量、壽命及成本，國(guó)產(chǎn)模具鋼與國(guó)外進(jìn)口鋼相比，無(wú)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。
（2）國(guó)內(nèi)模具的發(fā)展趨勢(shì)
巨大的市場(chǎng)需求將推動(dòng)中國(guó)模具的工業(yè)調(diào)整發(fā)展。雖然我國(guó)的模具工業(yè)和技術(shù)在過(guò)去的十多年得到了快速發(fā)展，但與國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大差距，尚不能完全滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需求。未來(lái)的十年，中國(guó)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(jì)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(jìn)的表面處理技術(shù)；
6模具的精度將越來(lái)越高；
7模具研磨拋光將自動(dòng)化、智能化；
8研究和應(yīng)用模具的高速測(cè)量技術(shù)與逆向工程；
9開發(fā)新的成形工藝和模具。
二、國(guó)外模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
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(jī)、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(wú)法替代的。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)國(guó)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(chǎng)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，世界模具市場(chǎng)年交易總額為600～650億美元左右。美國(guó)、日本、法國(guó)、瑞士等國(guó)家年出口模具量約占本國(guó)模具年總產(chǎn)值的三分之一。?
國(guó)外模具總量中,大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命模具的比例占到50%以上；國(guó)外模具企業(yè)的組織形式是"大而專"、"大而精"。2004年中國(guó)模協(xié)在德國(guó)訪問(wèn)時(shí)，從德國(guó)工、模具行業(yè)組織--德國(guó)機(jī)械制造商聯(lián)合會(huì)（VDMA）工模具協(xié)會(huì)了解到，德國(guó)有模具企業(yè)約5000家。2003年德國(guó)模具產(chǎn)值達(dá)48億歐元。其中（VDMA）會(huì)員模具企業(yè)有90家，這90家骨干模具企業(yè)的產(chǎn)值就占德國(guó)模具產(chǎn)值的90%，可見其規(guī)模效益。
隨著時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外的一些掌握和能運(yùn)用新技術(shù)的人才如模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具工藝設(shè)計(jì)、高級(jí)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(guó)每個(gè)職工平均每年創(chuàng)造模具產(chǎn)值約合1萬(wàn)美元左右，而國(guó)外模具工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家大多15～20萬(wàn)美元，有的達(dá)到 25～30萬(wàn)美元。
國(guó)外先進(jìn)國(guó)家模具標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率達(dá)70%以上，而我國(guó)才達(dá)到45％．
第1章 彎曲件工藝性分析及方案的確定
1.1 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(jiǎn)單，除了裝配尺寸，公差等級(jí)IT14級(jí)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。
1.2 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?gòu)澇尚图?，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
1.3 彎曲件工藝方案分析
方案一、模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造成本低，但工件尺寸精度低，尤其是四個(gè)直角的精度難以得到保證。另外，在彎曲過(guò)程中，由于凸模肩部妨礙了坯料的轉(zhuǎn)動(dòng)，加大了坯料通過(guò)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(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較高，由于采用兩副模具進(jìn)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(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較低，另外，凹模的強(qiáng)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(guò)對(duì)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。
第2章 主要設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1 彎曲件毛坯坯料尺寸的計(jì)算
L=
式中: L—彎曲件毛坯長(zhǎng)度（mm）；
—彎曲件各直線段長(zhǎng)度之和（mm）；
—彎曲件各部分（圓弧部分）應(yīng)變中性層展開長(zhǎng)度之和（mm）；
圖4
2.2 彎曲應(yīng)力的計(jì)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(shí)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(qiáng)度(MPa)；
K — 安全系數(shù),一般取K=1.3；
=
＝16222.3 N
2.3 壓料力的計(jì)算
根據(jù)《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》公式(3.5.4),如果彎曲模設(shè)有頂出裝置或壓料裝置時(shí),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
=0.6×16222.3
=9733.3 N
2.4 壓力機(jī)公稱壓力的確定
根據(jù)《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》公式(3.5.5)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(jī)公稱壓力應(yīng)取值偏大為宜。
在此取: 1.3(+)
=1.3×(16222.3+9733.3)
=33742.28 N
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,查《模具實(shí)用技術(shù)手冊(cè)》表2-3初選壓力機(jī)為：J11—5。
2.5 彎曲模工作部分尺寸的設(shè)計(jì)
由方案三可知,所設(shè)計(jì)的復(fù)合模整個(gè)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(jì)為U 型彎曲種類,所以其設(shè)計(jì)可按U 型件設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。
2.5.1 凸模圓角半徑的設(shè)計(jì)
因?yàn)?0.5, 值較小,所以取=r=0.5 mm
2.5.2 凹模圓角半徑
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知: 當(dāng)t = 1 mm 時(shí), =(2 ～ 3) t
從保證制件精度要求考慮,特別是所設(shè)計(jì)的彎曲復(fù)合模值不宜取大值。在此?。海? t
＝2 ×1
＝2 mm
2.5.3 凹模深度
圖5
凹模深度過(guò)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(guò)大,則浪費(fèi)模具鋼材,且需沖床有較大的工作行程。
由前面計(jì)算可知彎曲件邊長(zhǎng)L=++
=27+11+13
=51 mm
據(jù)邊長(zhǎng)L=51 mm 查《中國(guó)模具設(shè)計(jì)大典3》表19.3-18得:
= 20 mm
2.5.4 凹凸模間隙計(jì)算
查《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》的U 型件彎曲的凸凹模單邊間隙可按下式計(jì)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(guó)模具設(shè)計(jì)大典3》表19.3-19得X=0.1；
所以: C = 1+0.006+0.1×1
=1.006mm
2.5.5 U 形彎曲凸凹模橫向尺寸的設(shè)計(jì)
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(jì)時(shí)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(jì)與制造》教程公式(3.944)與(3.9.5)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(jí)得；
—彎曲橫向尺寸公差，對(duì)稱偏差時(shí)=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(jí)；
所以:=(28.80-0.02
=28.78
查《公差與配合手冊(cè)》表1-6標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)值IT7級(jí)得:
= mm
查《公差與配合手冊(cè)》表1-6標(biāo)準(zhǔn)公差值IT 8級(jí)得:
=mm
2.5.6 彈簧的設(shè)計(jì)
1)根據(jù)模具安裝位置,選定4個(gè)彈簧,每個(gè)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(guó)機(jī)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(jì)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(shí)際工作總壓縮量:=+
式中:—彈簧工作行程(mm)；
=+
式中:—凸模進(jìn)入凹模深度11mm；
—擺塊進(jìn)行二次彎曲工作時(shí),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。
第3章 模具類型的選擇
3.1 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)如下土所示:
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:上模回程,壓力機(jī)限位裝置迫使打桿推動(dòng)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(gè)),擺塊(一對(duì)),銷軸(2個(gè)),導(dǎo)板,銷釘(2個(gè)),內(nèi)六方螺釘(4個(gè)),下模座,限位塊(2個(gè)),螺釘(2個(gè)),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:113.42 mm×70 mm ,板料由前方送進(jìn),送料方向定位由限位釘限位,左右方向由限位塊定位。板料定位后,上模下行,凸模壓入凹模同時(shí)把板料拉入模腔內(nèi),進(jìn)行首次U型彎曲動(dòng)作；當(dāng)凸模壓入凹模深度22mm時(shí),首次U型彎曲完成,進(jìn)入二次彎曲動(dòng)作,這時(shí),在上模下行力的驅(qū)使下,擺塊被迫向左右擺動(dòng),同時(shí)板料發(fā)生二次彎曲動(dòng)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(dòng)壓力機(jī)的限位裝置時(shí),達(dá)桿推動(dòng)壓板迫使工件從凹模中頂出,卸下工件。在上模回程同時(shí),下模的彈簧彈性勢(shì)能釋放,驅(qū)使凸?；爻?從而完成整個(gè)工件的彎曲動(dòng)作。
3.2 定位方式的選擇
因?yàn)槟＞卟捎玫氖乔耙还ば驔_裁好的板料,板料由模具前方送進(jìn),送進(jìn)方向在凸模的頂部設(shè)有兩個(gè)限位釘定位,左右方向采用一對(duì)定位塊定位。
3.3 出件方式的設(shè)計(jì)
工件彎曲成型后由于彎曲回彈力的作用下,工件回卡在凹模內(nèi),為此,在這里采用了上出見的方式,利用壓力機(jī)的限位裝置迫使打桿推動(dòng)壓板頂出工件。
第4章 主要零件的設(shè)計(jì)
4.1 凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1.1 凸模的結(jié)構(gòu)草圖如下所示
圖8
在凸模頂部鉆兩個(gè)的孔固定兩個(gè)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(lái)與上墊板連接,另外在兩側(cè)各鉆兩個(gè)銷孔用以安裝擺塊,其中銷軸與銷孔采用H7/m6 配合。
4.1.2 凸模主要尺寸的計(jì)算
長(zhǎng)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(zhǎng)度方向上側(cè)壁厚度,綜合考慮到模具強(qiáng)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(jì)算可知:B==27.28mm；
=B—2P
式中: p—擺塊的厚度,由后面擺塊設(shè)計(jì)中可知,p=8mm。
所以: =54.56—2×8
=38.56mm
d=+p/2
=38.56+8/2
=42.56mm
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(shí),凸模進(jìn)入凹模的深度22mm。
=+P/2
=11+4
=15mm
h=+++
式中: —首次彎曲,凸模進(jìn)入凹模的深度(mm)；
—擺塊高度,由后面擺塊設(shè)計(jì)中可知=58mm；
—導(dǎo)板的高度4 mm,由后面的設(shè)計(jì)可知；
—下模座的高度26 mm,由后面的設(shè)計(jì)可知；
所以: h =11 + 29 + 4 + 13 = 57 mm
凸模其余尺寸的設(shè)計(jì)和具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可參見后面的凸模零件圖所示。
4.2 凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2.1 凹模的結(jié)構(gòu)草圖
考慮到凹模在彎曲時(shí)所受的彎曲力和左右張力都比較大,因此,對(duì)凹模的強(qiáng)度和剛度都要有較高的要求。為了保證凹模的強(qiáng)度和剛度,在此把凹模和模柄做成一個(gè)整體,其結(jié)構(gòu)草圖如下所示:
圖9
4.2.2 凹模主要尺寸的設(shè)計(jì)
長(zhǎng)度方向的計(jì)算: = = 28.80 mm
L = + 2
式中: —— 凹模側(cè)壁厚度,因?yàn)楣ぜ诘诙螐澢尚褪窃诎寄Ｅc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(jì)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 7
= 42.8 mm
在此取L = 45 mm 。
高度方向: = +
式中: —首次彎曲凸模進(jìn)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(jì)和凹模結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)可參見后面的凹模結(jié)構(gòu)零件圖所示。
4.3 擺塊的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.3.1 擺塊的結(jié)構(gòu)草圖如下所示
圖10
4.3.2 擺塊的主要尺寸的設(shè)計(jì)
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(jì)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(jì)與及具體結(jié)構(gòu)可參見后面擺塊零件圖所示。
4.4定位零件的設(shè)計(jì)
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。
4.4.1 限位釘?shù)脑O(shè)計(jì)
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(guò)大的力作用,所以限位釘尺寸設(shè)計(jì)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(jì)見后面限位釘零件圖所示。
4.4.2 定位塊的設(shè)計(jì)
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(jì)算:
H = + t +
式中: H —— 定位塊主要工作尺寸(mm);
—— 凹模高度, = 28.5 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 = 28.5 + 1 + 5
=34.5 mm
定位塊的其余尺寸設(shè)計(jì)及具體結(jié)構(gòu)可參見后面定位塊零件圖所示。
4.5 彈頂部件的設(shè)計(jì)
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(diǎn)。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(jì)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。
4.6 導(dǎo)板的設(shè)計(jì)
導(dǎo)板主要起導(dǎo)向定位作用，選用材料T8A，淬火硬度58 ～ 60 HRC。制造尺寸：71 mm×57 mm×4 mm 。其具體結(jié)構(gòu)以及尺寸設(shè)計(jì)見后面墊板零件圖所示。
第5章 壓力機(jī)的參數(shù)與較核
由前面壓力機(jī)公稱壓力計(jì)算初選的壓力機(jī)型號(hào)：J23-6.3，查《模具實(shí)用技術(shù)手冊(cè)》表2-3得壓力機(jī)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(zhǎng)度：35 mm ；
工作臺(tái)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(jī)J23-6.3型號(hào)可用。
第6章 模具零件的加工工藝
6.1凸模的加工工藝過(guò)程
工序號(hào)
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(jì)要求。
6.2 凹模的加工工藝過(guò)程
工序號(hào)
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
樹控銑，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。
第7章 模具的裝配
模具的裝配全過(guò)程如下表格所示：
序號(hào)
工序
工藝說(shuō)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(jī)工作臺(tái)上，并調(diào)出合理的間隙。
6
試沖與調(diào)整
開機(jī)試沖并根據(jù)試沖的結(jié)果作出相應(yīng)的調(diào)整。
第8章 模具試沖時(shí)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(shí)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(guò)小
2.凸模進(jìn)入凹模的深度太淺
3.凸、凹模間隙過(guò)大
4.試模材料不對(duì)
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(duì)
2.凹模兩側(cè)進(jìn)口圓角大小不等，材料滑動(dòng)不一致
3.沒(méi)有壓料裝置或者壓料裝置的壓力不足和壓板位置過(guò)低
4.凸模沒(méi)有對(duì)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(guò)長(zhǎng)或者不足
1.凸凹模之間間隙過(guò)小，材料被拉長(zhǎng)
2.壓料裝置壓力過(guò)大，將材料拉長(zhǎng)
3.設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算錯(cuò)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(guò)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
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?jī)?nèi)容并對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容提出了許多建議。
感謝母校——河南機(jī)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(shí)踐環(huán)境，使我學(xué)到了許多新的知識(shí)，掌握了一定的操作技能。
感謝和我在一起進(jìn)行課題研究的同窗王貴周同學(xué)，和他在一起討論、研究使我受益非淺。
最后，我非常慶幸在三年的的學(xué)習(xí)、生活中認(rèn)識(shí)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！
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