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沖壓模具設(shè)計中側(cè)壁起皺的分析
F.-k. Chen and Y.-C. Liao
臺灣 臺北市國立臺灣大學(xué)機械工程部門
在沖壓過程中，起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側(cè)壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當(dāng)發(fā)生起皺時，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過有限元模擬方法被檢查到。模擬結(jié)果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實際部分。在側(cè)壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因為介于沖頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的。為減少起皺，一個最適宜的沖模設(shè)計方法就是利用有限元分析法。在無起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實測結(jié)果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實了利用有限元分析法去設(shè)計沖模的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：側(cè)壁起皺；沖模；階梯的矩形杯子；帶有錐度的主形杯子
1． 介紹
起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因，在產(chǎn)品中起皺往往不能被接受。在金屬板料成形過程中，有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生：邊緣起皺，側(cè)壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個復(fù)雜形狀零件的操作時，側(cè)壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側(cè)壁區(qū)域的金屬板料相對于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質(zhì)量，側(cè)壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯，在未被加固的側(cè)壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺，而且在實際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會通過裂痕導(dǎo)致失敗。因此，沖壓力必須處于一個狹小的范圍，一方面，要高于抑制起皺的力，另一方面，要低于產(chǎn)生破裂的力。沖壓力的狹小范圍很難計算。對于沖壓一個復(fù)雜形狀的零件，當(dāng)起皺發(fā)生在中心區(qū)域時，有意義的沖壓力范圍甚至不存在。
為了檢查起皺的形成結(jié)構(gòu)，Yoshida et al.發(fā)明了一種測試，在這種測試?yán)铮粔K薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計劃一個近似的理論模型，在這種模型里面，起皺的開始取決于在壓力不均勻區(qū)域中有壓縮的側(cè)部力的彈性灣曲。Yu et al.從實驗性和分析性上研究起皺問題，通過理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個圓周波的起皺可能發(fā)生，然而，實驗結(jié)果顯示是四到六個。當(dāng)通過一個有錐度的模具畫出金屬板料時，Narayanasamy和sowerby用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板料的起皺。他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類。
那些努力都被聚中于和簡單形狀零件關(guān)聯(lián)的起皺問題上，例如：一個圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動態(tài)軟件和有限元方法的成功運用使得分析包括在沖壓一個復(fù)雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當(dāng)前的研究中，三維有限元分析法被用來分析在沖壓一個帶有階梯的矩形部分的過程中，產(chǎn)生起皺的金屬流動制造參數(shù)上。
一個帶有階梯的方形杯子，在杯子的每一邊都有一個傾斜的側(cè)壁，在帶有錐度的杯子也相應(yīng)的存在傾斜的側(cè)壁。在沖壓過程中，側(cè)壁上的金屬板料相對沒被支撐，因此，這個部位更容易起皺。在當(dāng)前的研究中，起皺過程中的各種不同的制造參數(shù)的影響都在被研究。在沖壓一個帶有階梯的方形杯子時，就像圖1B顯示的一樣，可以觀測到另一種形式的起皺。為了評估分析的效力，在當(dāng)前的研究中，一個確切階梯幾何形狀的物體被檢測。通過使用有限元分析法和用適宜的模具設(shè)計來減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測一個實際產(chǎn)品成形時，通過有限元分析法得到的模具設(shè)計方法得到證實。
圖1帶有錐度方形杯子的拉伸（a）和帶有階梯的矩形杯子的拉伸（b）
2有限元模型
包括沖頭、模具和毛壞固定器等工具幾何學(xué)是用CAD或PRO/E軟件來設(shè)計的。同樣用CAD軟件，三節(jié)點和四節(jié)點的外形元素被采用用來為以上工具生產(chǎn)網(wǎng)眼系統(tǒng)。對于有限元模擬來說，工具被認(rèn)為是剛硬的，而且對應(yīng)的網(wǎng)眼被用來定義工具幾何學(xué)而不是壓力分析。同樣CAD軟件使用四節(jié)點外形元素來為板形壞料構(gòu)造網(wǎng)眼。圖2顯示工具的完整布置的網(wǎng)眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對稱條件，方形杯子的四分之一被分析。在模擬中，板形壞料放在壓力機上，沖模向下移動，逆著壓力機夾緊板形壞料。然后沖模上升使得板形壞料按著模腔成形。
圖2 有限元網(wǎng)眼
為了表演一個精確的有限元分析法，金屬板料的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當(dāng)前的研究中，拉深成形的金屬板料也被用來模擬。為在飛機上切割下的樣本測試被進行，它們依次從0度的旋轉(zhuǎn)方向到45度的旋轉(zhuǎn)方向，再到90度的旋轉(zhuǎn)方向進行著。平均的流動力σ，計算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因為每一個方法真實應(yīng)變通常用來模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓，就如圖3顯示的那樣。
當(dāng)前研究中所有的模擬利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。為了完成模似所需輸入數(shù)據(jù)的設(shè)置，沖頭的速度一般設(shè)置在10m/s，庫侖摩擦系數(shù)設(shè)置在0.1。
圖3 金屬板料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
3 錐度方形杯中的起皺
正像圖1a顯示的那樣，草圖暗示著一些有關(guān)錐度方形杯子的尺寸，方形沖頭每一面的長度（2WP）、模腔的尺寸（2Wd）和高度(H)被認(rèn)為是影響起皺的至關(guān)重要尺寸。在當(dāng)前研究中，模腔尺寸和沖頭尺寸的差距的一半稱作沖模間隙（記作G），G= Wd- WP。相關(guān)的在側(cè)壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對于沖壓一個錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。
3.1沖模間隙的影響
為了檢查沖模間隙對起皺的影響，在沖壓一個錐度方形杯子時，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。
圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子
模擬結(jié)果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象，沖模間隙為50mm沖壓出來的杯子模擬形狀如圖4。從圖4中可以看出，起皺分布在側(cè)壁，側(cè)壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側(cè)壁有大面積區(qū)域不被支撐，同樣，由于沖模間隙不一樣，沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大，在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來越不牢固。在壓縮下，側(cè)壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來的產(chǎn)品，兩個主要的應(yīng)變比率β被介紹，β=εmin/εmax，這里的εmin和εmax分別是主要的和次要的應(yīng)變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實際值比β的評論值大，假設(shè)當(dāng)起皺發(fā)生時，β的實際值越大，起皺的可能性就越大。
在三個沖模間隙不同的沖壓中，同一側(cè)壁高度，沿著橫截面M-N的β值在圖4中標(biāo)記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴(yán)重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對三個沖模間隙不同的沖壓，在側(cè)壁中心很少發(fā)生起皺。還說明了沖模間隙越大，β的實際值就越大。因此，增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側(cè)壁處發(fā)生起皺的可能性。
3.2沖壓力的影響
眾所周知，在沖壓過程中，增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響，沖模間隙為50mm與起皺是有關(guān)聯(lián)的，用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個力分別產(chǎn)生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分，剩下的模擬條件與給定的是一樣的。處于中間的300KN也被用來模擬。
模擬結(jié)果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側(cè)壁的起皺。在圖4中已標(biāo)出沿著橫截面M-N的β值與沖壓力為100KN和600KN的β值作比較。模擬結(jié)果指出兩種情況下，沿著橫截面M-N的β值是一樣的。為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形狀，正如圖4和圖6標(biāo)出的那樣，側(cè)壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出，兩個外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因為起皺的原因主要是由于在有橫向壓力存在的側(cè)壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。
圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值
4階梯矩形杯子
在沖壓一個階梯矩形杯子時，起皺發(fā)生在側(cè)壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側(cè)壁C沿臺階D-E而行。在近期的研究中，在一個實際的產(chǎn)品中檢查到了這種幾何形狀。這種產(chǎn)品使用的原材料的厚度是0.7mm，從拉力測試中獲得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。
這種沖壓部分產(chǎn)品的程序包括通過清理焊縫的深拉。在這種深拉過程中，沒有焊縫被用在沖模表面來幫助幫助金屬的流動。但是，由于沖頭拐角處的半徑過小和其復(fù)雜的幾何形狀，如圖7顯示的那樣，在沖頭邊緣上部經(jīng)常發(fā)生拉裂，在真實產(chǎn)品的側(cè)壁處經(jīng)常發(fā)生起皺。從圖7中可以看出，皺紋發(fā)分布在側(cè)壁上，但是在階梯邊緣拐角處最為嚴(yán)重，就像圖1（b）中A-D，B-E顯示的那樣。在沖頭的上部邊緣，金屬往往被拉裂，就像圖7所示。
為了進一步的了解沖壓過程中板料的變形，誕生了一種有限元的方法。這種有限元模擬方法被在最初的設(shè)計中。部分的模擬形狀如圖8所示。從圖8中可以看出，零件上部邊緣的網(wǎng)眼被拉深，皺紋分布在側(cè)壁上，類似真實零件中的那樣。
圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側(cè)壁高度的橫截面線條
圖7 產(chǎn)品零件中的拉裂和起皺
圖8 產(chǎn)品拉裂和起皺的模擬形狀
如圖1（b）就像A-B邊緣半徑和沖孔拐角處A的半徑一樣，沖孔的半徑也很小，這被認(rèn)為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實產(chǎn)品中通過增加半徑得到證實。
個別的嘗試也被用來消除起皺。第一，沖壓力加到原來的2倍。但是，就像在拉深帶有錐度的杯子中得到的結(jié)果一樣，沖壓力對消除起皺現(xiàn)象沒有起有很大的效果。通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結(jié)論。于是我們推測，這種起皺不能通過增加沖壓力來得到抑制。
由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域，往往會因為大量的金屬流動而起皺，一種通過在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡單方法被用來吸收多余的材料。為了多余的金屬能有效的被吸收，掛鉤應(yīng)該平衡的加在起皺位置。基于這種理念，兩個掛鉤被加在鄰近在壁上吸收多余的材料，如圖9如示。模擬結(jié)果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設(shè)計中是不允許的。
利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實的產(chǎn)品沖壓過程中是不可能的。對沖壓過程中金屬流動的精密監(jiān)測顯示板料最開始通過沖頭的力按模腔的形狀成形，直到板料接觸到如圖1（b）階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如
圖9 加到側(cè)壁的起皺
圖10顯示的那樣。這就為模具設(shè)計的改進提供了有價值的信息。
圖10 當(dāng)板料接觸臺階邊緣的起皺形成
圖11 切除了的臺階拐角
對于起皺的發(fā)生，最初的一個猜想是沖頭拐角處范圍A和階梯拐角處范圍D之間的金屬板料處于不平坦的拉深，就如圖1（b）所示。階梯拐角處被切主要是為了改善拉深條件，這樣就允許通過增加階梯邊緣有更多的拉伸被應(yīng)用到如圖11所示，從而使得模具設(shè)計的改進得到發(fā)展。但是，杯子側(cè)壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因為整個沖頭邊緣和整個階梯邊緣的不平坦引起的，不僅僅是沖頭拐角處和階梯拐角處之間的不平坦。為了證實這種說法，兩種改進過了的模具設(shè)計被用來實驗：為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作，一種是切去整個階梯，而另一種是增加更多的拉深操作。前一個方法的模擬形狀所圖12所示。自從更低的階梯被切去后，拉深工序與圖12中的矩形杯子拉深工序性很相似。從圖12中可以看出起皺現(xiàn)象已被消除。
在這兩種操作的拉深工序中，板料最初是被拉到很深的階梯處，如圖13（a）所示，然后，較低的階梯在第二步拉深操作中成形，同是，如圖13（b）所示的想象形狀也得到了。從圖13（b）可以清晰的看出，通過兩步拉深工序可以造出沒有起皺的階梯矩形杯子，同時也說明在兩步拉深工序中，如果相應(yīng)的順序被應(yīng)用，則更低一些的階梯處的成形是伴隨更深階梯處成形和最深階梯邊緣處成形的最早成形，如圖1(b)中的A-B，因為金屬不容易通過較低的階梯進入模具型腔。
圖12改善模具設(shè)計的模擬形狀
圖13 兩個操作步驟中的a第一步操作 b第二步操作
有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設(shè)計理想產(chǎn)品的沖壓模具設(shè)計是很難完成的。但是，由于額外的模具費用和操作費用，兩個操作的制造費用是很高的。為了保持較低的制造費用，零件的設(shè)計師對形狀做出了合適的改變，而且通過有限元模擬分析法結(jié)果去切除較低的臺階來改善模具設(shè)計，如圖12所示。隨著設(shè)計方法的改進，產(chǎn)品真實的沖壓模具被制造出來，而且零件還沒有起皺，如圖14所示。通過有限元模擬分析法得到的零件也沒有起皺。
為了進一步驗證有限元模擬分析法的結(jié)果，有限元模擬分析法得到的沿橫截面G-H的厚度分布如圖14所示，這與產(chǎn)品的尺寸做了比較，比較的結(jié)果顯示在圖15。從圖15可以看出有限元模擬分析法得到的預(yù)想的厚度分布和產(chǎn)品得到的厚度分布是相符合的。這種吻合證實了有限元模擬分析法的效率。
圖14 無缺陷產(chǎn)品零件
圖15 G-H處模擬和測量厚度
5概要和結(jié)束語
通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺，而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。
第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側(cè)壁上，這種起皺的原因是因為沖模間隙過大（沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距）。當(dāng)金屬被拉至模腔中，在沖頭和型腔中有一有害的拉深時，大的沖模間隙導(dǎo)致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐，因此大面積區(qū)域不被支撐導(dǎo)致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過增加沖壓力的方法來得到抑制。
另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過程中。起皺往往發(fā)生在臺階以上的側(cè)壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設(shè)計過程中，通過有限元模擬分析法單獨的嘗試被用來消除起皺，切除了臺階的模具被建立。通過無缺陷的零件證實了這種模具設(shè)計方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結(jié)果和真實產(chǎn)品中看到的結(jié)果相吻合說明了有限元模擬分析法的準(zhǔn)確性，還證實了用有限元分析法代替真實的模具制造方法的效力。
感謝
作者希望感謝中國人民共和國民族科學(xué)委員會授于NSC-86-2212-E002-028編號才使得這個項目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產(chǎn)品零件。
參考文獻
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5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機械和冶金，1993年第二季。
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門窗緊固件模具設(shè)計
序 言
畢業(yè)設(shè)計是檢驗大學(xué)畢業(yè)生應(yīng)用所學(xué)知識的能力的重要手段，可以說是我們在大學(xué)期間的“最后一次考試”。作為一名行將畢業(yè)的模具專業(yè)的學(xué)生，我們通過這次全面的設(shè)計，將所學(xué)的理論知識運用于實踐，獨立完成模具設(shè)計及用Pro/E對典型模具進行三維造型。在此過程中，加深了對模具結(jié)構(gòu)及相關(guān)的設(shè)計、制造、利用Pro/E等方面知識的理解。同時，畢業(yè)設(shè)計又具有聯(lián)系理論和實際的紐帶功能，在設(shè)計的過程中，我們初步嘗試著將所學(xué)的知識聯(lián)系起來。譬如，在設(shè)計中充分考慮到諸如零件制造難易程度和裝配的可行性，前后幾副模具的關(guān)聯(lián)性等問題，而不是將他們相互孤立，努力做到知識的融會貫通。畢業(yè)設(shè)計強化了我們做為一個模具從業(yè)者的基本功，為今后走上工作崗位打下了堅實的基礎(chǔ)。
在本次畢業(yè)設(shè)計中，我選擇了金屬沖壓件的模具設(shè)計和用Pro/E軟件設(shè)計典型模具零部件并裝配成整體模型的全過程。
第一次做一個完整過程的制件模具設(shè)計，由于所學(xué)有限，且無實際生產(chǎn)經(jīng)驗，所以設(shè)計中錯誤和不足在所難免，望各位老師、同學(xué)給予批評指正。
冷沖壓是在常溫下利用沖模在壓力機上對材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或變形，從而獲得一定形狀，尺寸和性能的零件加工方法，是一種先進的金屬加工方法。由于冷沖壓加工的零件形狀，尺寸，精度要求，批量大小，原材料性能等的不同，其方法多種多樣。但概括起來可分為分離工序和變形工序兩大類。分離工序是將沖壓件或毛坯沿一定的輪廓相互分離；變形工序是在材料不產(chǎn)生破壞的情形下是毛坯產(chǎn)生塑性變形，成為所需形狀及尺寸的制件。
冷沖壓可以分為五個基本工序：
（1）沖裁 使板料實現(xiàn)分離的沖壓工序。
（2）彎曲 將金屬材料沿彎曲線完成一定的角度和形狀的沖壓工序。
（3）拉深 將平面板料變成各種開口空心件，或者將空心件的尺寸進一步改變的沖壓工序.
（4）成形 用各種不同性質(zhì)的局部變形來改變毛坯形狀的沖壓工序。
（5）立體壓制 將金屬材料體積重新分布的沖壓工序。
冷沖壓與其他加工方法相比，有以下特點：
a.用冷沖壓加工方法可以得到形狀復(fù)雜，用其他加工方法難以加工的工件，如薄殼零件等。
b.冷沖壓件的尺寸精度石油模具保證的，因為，尺寸穩(wěn)定，互換性好。
c.材料利用率高，工件重量輕，剛性好，強度高，沖壓過程耗能少，因此工件的成本比較低。
d.操作簡單，勞動強度低，易于實現(xiàn)機械化和自動化，生產(chǎn)率高。
e.沖壓加工中所用的模具結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長，成本高。因此，單件，小批量生產(chǎn)采用沖壓工藝受到一定限制，沖壓工亦多用于成批，大量生產(chǎn)的情況。近年來發(fā)展的簡易沖模，組合沖模，鋅基合金沖模等為單件，小批量生產(chǎn)采用沖壓工藝創(chuàng)造了條件。
由于冷沖壓有許多突出的優(yōu)點，在機械制造，電子電器等各行各業(yè)中，冷沖壓都得到了廣泛的應(yīng)用。大到汽車的覆蓋件，小到鐘表及儀器儀表元件，大多是由冷沖壓方法制成的。目前采用冷沖壓工藝得到的沖壓制品，在現(xiàn)代汽車，拖拉機，電機電器，儀表儀器及各種電子產(chǎn)品和人們?nèi)粘Ｉ钪校颊加惺种匾牡匚?。?jù)粗略統(tǒng)計，在汽車制造業(yè)中有60%-70%的零件是采用沖壓工藝制成的，冷沖壓生產(chǎn)所占的勞動量為整個汽車行業(yè)勞動量的25%-30%。在機電機儀表生產(chǎn)中有60%-70%的零件是采用冷沖壓工藝來完成的。在電子產(chǎn)品中，沖壓件的數(shù)量約占零件總數(shù)的85%以上。在飛機，導(dǎo)彈，各種槍支與炮彈的生產(chǎn)中沖壓件所占的比例也相當(dāng)大。因此研究和發(fā)展冷沖壓技術(shù)，對發(fā)展我國國民經(jīng)濟和加速工業(yè)建設(shè)，盡快實現(xiàn)四個現(xiàn)代化具有重要意義。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，冷沖壓技術(shù)也在不斷革新和發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)工藝分析計算方法的現(xiàn)代化。例如，生產(chǎn)汽車覆蓋件的沖壓工藝，傳統(tǒng)方法系根據(jù)已有的設(shè)計資料和設(shè)計者的經(jīng)驗，進行對比分析，確定工藝方案和有關(guān)參數(shù)，然后設(shè)計試驗?zāi)＞?，進行試沖，經(jīng)過反復(fù)試驗和修改，才能轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)。近幾年來，國外（如美國福特汽車公司中心研究室）已開始采用有限變形的彈塑性有限元法，對覆蓋件成形過程進行應(yīng)力應(yīng)變分析和計算機模擬，以預(yù)測某一工藝方案對零件的成型可能性和將會發(fā)生的問題，將結(jié)果顯示在圖形終端上，供設(shè)計人員進行修改和選擇。這樣，不僅可以節(jié)省昂貴的模具試驗費用，縮短新產(chǎn)品的試制周期，而且可以逐步建立一套能緊密結(jié)合實際的先進設(shè)計方法，既促進了冷沖壓工藝的發(fā)展，也將是塑性成型理論逐步達到對生產(chǎn)實際的指導(dǎo)作用。
(2)模具設(shè)計制造技術(shù)現(xiàn)代化。為了加快機電產(chǎn)品的更新?lián)Q代，縮短工裝設(shè)計，制造周期，許多工業(yè)先進國家正在大力發(fā)展模具計算機輔助設(shè)計和制造（CAD/CAM）的研發(fā)，并在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。模具CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用較早的領(lǐng)域就是冷沖模。根據(jù)國外經(jīng)驗，采用這一技術(shù)，一般可提高模具設(shè)計制造效率2-3倍，模具生產(chǎn)周期可縮短，發(fā)展這一技術(shù)的最終目標(biāo)，要達到模具CAD/CAM一體化，而模具圖紙將只用于檢驗?zāi)＞咧谩２捎媚＞逤AD/CAM還可以提高模具質(zhì)量，大大減少設(shè)計和制造人員的重復(fù)勞動，是設(shè)計者有可能把精力用于創(chuàng)新開發(fā)上。
(3)冷沖壓生產(chǎn)的機械化和自動化。為了滿足大量生產(chǎn)的需要，沖壓設(shè)備已有彈弓為低速壓力機發(fā)展到多工位高速自動壓力機。一般中小形冷沖件即可在多工位壓力機上生產(chǎn)，也可在高速壓力機上采用多工位級進模加工，使冷沖壓生產(chǎn)達到高度自動化。大型沖壓件（如汽車覆蓋件）可在多工位壓力機上利用自動送料，取件裝置，進行機械化流水線生產(chǎn)，從而減輕勞動強度和提高生產(chǎn)率。
(4)為了滿足生產(chǎn)更新?lián)Q代和生產(chǎn)批量小的發(fā)展趨勢，發(fā)展了一批新的成型法工藝（如高能成型和旋壓等），簡易模具（如軟模和低熔點合金模等），通用組合模具，數(shù)控沖壓設(shè)備和沖壓柔性制造系統(tǒng)（FMS）等。這樣，就是冷沖壓生產(chǎn)既適合大量生產(chǎn)，也同樣適合于小批量生產(chǎn)。
綜上所述，冷沖模是沖壓加工中所用得最重要的工藝裝備。沒有先進的冷沖模具技術(shù)，先進的冷沖壓工藝就無法實現(xiàn)。
在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，模具是生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品的重要工藝裝備,用模具進行各種材料的成型，可實現(xiàn)高速度的大批量生產(chǎn)，并能在大量生產(chǎn)條件下穩(wěn)定的保證制件的質(zhì)量，節(jié)約原材料。因此在現(xiàn)代工藝生產(chǎn)中，模具的應(yīng)用日益廣泛，是當(dāng)代工業(yè)省的重要手段和工藝發(fā)展方向。許多現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，在很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平。模具技術(shù)已成為衡量一個國家產(chǎn)品制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。模具成型具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、省料和低成本等特點，現(xiàn)已在國民經(jīng)濟各個部門，特別是汽車、航空航天、儀器儀表、機械制造、家電、輕工日用品等工業(yè)部門得到了極其廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，用模具制造出來的產(chǎn)品零件，在機電類占60～70％，在儀表、照相機等電子工業(yè)中占80％以上，在自行車、洗衣機、電冰箱等輕工業(yè)產(chǎn)品中占85％以上。模具工業(yè)極大地促進了工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的發(fā)展和質(zhì)量的提高，獲的了巨大的經(jīng)濟效益。
模具在生產(chǎn)加工過程中，主要有以下特點:
(1) 模具是典型的單件生產(chǎn)的產(chǎn)品，故在生產(chǎn)工藝，管理方式，所制定的模具制造工藝過程都應(yīng)具有獨特的規(guī)律于其適應(yīng)。
(2) 模具生產(chǎn)一般都是按照與用戶簽訂的提供模具的合同來安排生產(chǎn)計劃的。
(3) 模具在制造過程中，同一工序的加工往往內(nèi)容較多，故生產(chǎn)效率一般較低。
(4) 模具在加工中，某些工作部分的尺寸及位置，往往是經(jīng)過試驗后來確定的。
(5) 裝配后的模具，均需經(jīng)過試磨合調(diào)整，方能交付使用。
(6) 模具生產(chǎn)周期一般較長，故成本較高。
(7) 模具的加工與制造，對工人的技術(shù)等級要求較高。
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品對模具的要求愈來愈高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計與制造方法不能適應(yīng)工業(yè)產(chǎn)品及時更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求。因此對模具的設(shè)計與制造提出了以下幾個要求：
(1）合理選擇模具材料,研究發(fā)展模具新材料。
????根據(jù)模具的工作條件、生產(chǎn)批量以及材料本身的強韌性能來選擇模具用材，應(yīng)盡可能選用品質(zhì)好的鋼材。據(jù)有關(guān)資料介紹，模具的制造費較高，而材料費用一般僅是模具價格的6%～20%。
????對模具材料要進行質(zhì)量檢測，模塊要符合供貨協(xié)議要求，模塊的化學(xué)成份要符合國際上的有關(guān)規(guī)定。只有在確信模塊合格的情況下，才能鍛造。大型模塊(100kg以上)采用電渣重熔鋼H13時要確保內(nèi)部質(zhì)量，避免可能出現(xiàn)的成份偏析、雜質(zhì)超標(biāo)等內(nèi)部缺陷。要采用超聲波探傷等無損檢測技術(shù)檢查，確保每件鍛件內(nèi)部質(zhì)量良好，避免可能出現(xiàn)的冶金缺陷，將廢品及早剔除。
(2)合理制定模具鋼的鍛造規(guī)范
????根據(jù)碳化物偏析對模具壽命的影響，必須限制碳化物的不均勻度，對精密模具和負荷大的細長凸模，必須選用韌性好強度高的模具鋼，碳化物不均勻度應(yīng)控制為不大于3級。Cr12鋼碳化物不均勻度3級要比5級耐用度提高1倍以上。如果碳化物偏析嚴(yán)重，可能引起過熱、過燒、開裂、崩刃、塌陷、拉斷等早期失效現(xiàn)象。帶狀、網(wǎng)狀、大顆粒和大塊堆集的碳化物使制成的模具性能呈各向異性，橫向的強度低，塑性也差。根據(jù)顯微硬度測量結(jié)果，碳化物正常分布處為740～760HV，碳化物集中處為920～940HV，碳化物稀少處為610～670HV，在碳化物稀少處易回火過度，使硬度和強度降低，碳化物富集區(qū)往往因回火不足，脆性大，而導(dǎo)致模具鐓粗或斷裂。
????通過鍛造能有效改善工具鋼的碳化物偏析，一般鍛造后可降低碳化物偏析2級，最多為3級。最好采用軸向、徑向反復(fù)鐓拔(十字鐓拔法)，它是將原材料鐓粗后沿斷面中兩個相互垂直的方向反復(fù)鐓拔，最后再沿軸向或橫向鍛成，重復(fù)一次這一過程就叫做雙十字鐓拔，重復(fù)多次即為多次十字鐓拔。?而對于直徑小于或等于50mm的高合金鋼，其碳化物不均勻性一般在4級以內(nèi)，可滿足一般模具使用要求。
(3）合理選擇熱處理工藝
????模具熱處理包括鍛造后的退火，粗加工以后高溫回火或低溫回火，精加工后的淬火與回火，電火花、線切割以后的去應(yīng)力低溫回火。只有冷熱加工很好相互配合，才能保證良好的模具壽命。
????模具型腔大而壁薄時需要采用正常淬火溫度的上限，以使殘留奧氏體量增加，使模具不致脹大?？焖偌訜岱ㄓ捎诩訜釙r間短，氧化脫碳傾向減少，晶粒細小，對碳素工具鋼大型模具淬火變形小。對高速鋼采用低淬、高回工藝比較好，淬火溫度低，回火溫度偏高，可大大提高韌性，盡管硬度有所降低，但對提高因折斷或疲勞破壞的模具壽命極為有效。通常Cr12MoV鋼淬火加熱溫度為1000℃，油冷，然后220℃回火。如能在這種熱處理以前先行熱處理一次，即加熱至1100℃保溫，油冷，700℃高溫回火，則模具壽命能大幅度提高。我們在70年代初期對3Cr2W8V鋼施行高淬、高回工藝熱處理鋼絲鉗熱鍛模具也取得良好效果，壽命提高2倍多。采用低溫氮碳共滲工藝，表面硬度可達1200HV，也能大大提高模具壽命。低溫電解滲硫可降低金屬變形時的摩擦力，提高抗咬粘性能。使用6W6Mo5Cr4V鋼制作冷擠壓凸模，經(jīng)低溫氮碳共滲后，使用壽命平均提高1倍以上，再經(jīng)低溫電解滲硫處理可以進一步提高壽命50%。模具淬火后存在很大的殘留應(yīng)力，它往往引起模具變形甚至開裂。為了減少殘留應(yīng)力，模具淬火后應(yīng)趁熱進行回火，回火應(yīng)充分，回火不充分易產(chǎn)生磨前裂紋。對碳素工具鋼，200℃回火1h，殘留應(yīng)力能消除約50%，回火2h殘留應(yīng)力能消除約75%～80%，而如果500～600℃回火1h，則殘留應(yīng)力能消除達90%。
回火后一般為空冷，在回火冷卻過程中，材料內(nèi)部可能會出現(xiàn)新的拉應(yīng)力，應(yīng)緩冷到100～120℃以后再出爐，或在高溫回火后再加一次低溫回火。
????表面覆層硬化技術(shù)中的PVD、CVD近年來獲得較大的進展，在PVD中常用的真空蒸鍍、真空濺射鍍和離子鍍，其中離子鍍層具有附著力強、澆鍍性好，沉積速度快，無公害等優(yōu)點。離子鍍工藝可在模具表面鍍上TiC、TiN，其使用壽命可延長幾倍到幾十倍。離子鍍是真空蒸膜與氣體放電相結(jié)合的一種沉積技術(shù)?？招年帢O放電法(HCD法)是先用真空泵抽真空，再向真空泵通入反應(yīng)氣體，并使真空度保持在10-5～10-2Pa范圍內(nèi)，利用低壓大電流HCD電子槍使蒸發(fā)的金屬或化合物離子化，從而在工作表面堆積成一層防護膜。為提高鍍敷效率，一般在工件上施加負電壓。
??(4）合理確定模具機械加工制造工藝和加工精度。
????采用先進設(shè)備和技術(shù)確保每副模具具有高精度和互換性以保證沖模所要求的高精度和重復(fù)精度。制造工藝首先要解決加工后的加工變形與殘留應(yīng)力不能太大。粗加工時最好不要使表面粗糙度Ra＞3.2μm，特別應(yīng)注意在模具工作部分轉(zhuǎn)角處要光滑過渡，減少熱處理產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
????模腔表面加工時留下的刀痕、磨痕都是應(yīng)力集中的部位，也是早期裂紋和疲勞裂紋源，因此在沖模加工時一定要刃磨好刀具。平面刀具兩端一定要刃磨好圓角R，圓弧刀具刃磨時要用R規(guī)測量，絕不允許出現(xiàn)尖點。
模具電加工表面有硬化層，厚10μm左右，硬化層脆而有殘留應(yīng)力，直接使用往往引起早期開裂，這種硬化層在對其進行180℃左右的低溫回火時可消除其殘留應(yīng)力。
????模腔的粗糙度直接影響模具壽命，粗糙度高會使制件不易脫模，特別是中間帶凸起部位，制件越深，抱得越緊，最后只能卸下模具用機加工或氣割的方法破壞制件。由于粗糙度值高會使金屬流動阻力增加，嚴(yán)重時模具生產(chǎn)若干件以后會將模壁磨損成溝槽，既影響制件成形，也易使沖模早期失效。工作表面粗糙度值低的模具不但摩擦阻力小，而且抗咬合和抗疲勞能力強，表面粗糙度一般要求Ra=0.4～0.8μm。
????模具的制造裝配精度對模具壽命的影響也很大，裝配精度高，底面平直，平行度好，凸模與凹模垂直度高，間隙均勻，亦可獲得相當(dāng)高的壽命
(5)充分利用CAD/CAM/CAE ,發(fā)展高精度模具。
要實現(xiàn)模具的高精度，在模具設(shè)計與加工中一定要采用高精度加工設(shè)備和高技術(shù)加工工藝。因此，在今后的模具加工中，除了進一步發(fā)展數(shù)控機床和加工機床外，還要發(fā)展模具計算機輔助設(shè)計（CAD）,計算機輔助制造（CAM）,計算機集成制造（CIM）等高新技術(shù)。這些技術(shù)是提高模具設(shè)計與制造精度，提高效率，科學(xué)管理得最有效措施之一。
第一，設(shè)計模具時應(yīng)充分利用CAD系統(tǒng)功能對產(chǎn)品進行二維和三維設(shè)計，保證產(chǎn)品原始信息的統(tǒng)一性和精確性，避免人為因素造成的錯誤，提高模具的設(shè)計質(zhì)量。產(chǎn)品三維立體的造型過程以在鍛造前全面反映出產(chǎn)品的外部形狀，及時發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計中可能存在的問題，同時根據(jù)產(chǎn)品信息，用計算機設(shè)計出加工模具型腔的電極，為后續(xù)模具加工做好準(zhǔn)備。
????第二，采用CAM技術(shù)可以將設(shè)計的電極精確地按指定方式生產(chǎn)。采用數(shù)控銑床(或加工中心)加工電極，可保證電極的加工精度，減小試模時間，減少模具的廢品率和返修率，減少鉗工勞動量。對于一些外形復(fù)雜，精度要求高的制件，靠模具鉗工采用常規(guī)模具制造方法保證某些外形尺寸而采用CAD/CAM技術(shù)可以對這些復(fù)雜的鍛件進行精確的尺寸描述，確定合理的分模面，保證合模精度，從模具制造這一環(huán)節(jié)確保產(chǎn)品精度。
????第三，CAD/CAM/CAE技術(shù)可以進行有限元分析，對關(guān)鍵部位的尺寸設(shè)計是否合理可以提供修改依據(jù)，從而在為客戶提供高質(zhì)量制件的同時，也為客戶的設(shè)計提供了依據(jù)，加強了與客戶的合作。
第四，CAD/CAM/CAE在大量節(jié)省時間，提高生產(chǎn)率的同時，也較大幅度的降低了成本。
(6）發(fā)展高效模具。
對于大批量生產(chǎn)用模具，應(yīng)向高效率發(fā)展。如為了適應(yīng)當(dāng)前高速壓力機的使用，應(yīng)發(fā)展多工位級進模以提高生產(chǎn)效率。
(7）發(fā)展簡易模具。對于小批量生產(chǎn)用模具，為了降低成本，縮短模具制造周期，應(yīng)盡量發(fā)展薄板沖模，聚氨酯模具，鋅基合金，低熔點合金，環(huán)氧樹脂等簡易模具。
(8）發(fā)展多功能模具。為了提高效率和保證制品的質(zhì)量，要發(fā)展多工位級進模及具有組合功能的雙色，多色塑料注射模等。
(9）發(fā)展高壽命模具。高效率的模具必然需要高壽命，否則將必然造成頻繁的模具拆裝和整修或需要更多的備模。為了達到高壽命的要求，除模具本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化外，還要對材料的選用和熱處理，表面強化技術(shù)予以開發(fā)和創(chuàng)新。
第一章 制件工藝性分析及工藝方案的確定
1.1 工藝性分析
制件如圖1-1所示，材料為20號鋼，料厚1.5㎜，制件尺寸精度為IT14級，年產(chǎn)量比較大。
圖1-1
該制件形狀簡單，尺寸較小，厚度適中，屬于普通沖壓件，但有幾點需要注意：
(1) 制件上存在兩個方向的彎曲工序，須注意處理好各工序的先后問 題。
(2) 制件較小，從安全考慮，要采取適當(dāng)?shù)娜〖绞健?
(3) 有一定批量，應(yīng)重視模具材料和結(jié)構(gòu)的選擇，保證一定的模具壽 命。
(4) 制件不是完全對稱，對于其中的彎曲工序應(yīng)充分考慮這一點。
(5) 各工序凸，凹模動作形成的確定應(yīng)保證各工序動作穩(wěn)定，連貫。
1.2 工藝方案的確定
根據(jù)制件工藝性分析，其基本工序包括有沖孔，落料和彎曲三種?？紤]以上因素，完成該制件存在以下幾種可能的工藝方案：
(1) 沖孔——落料——彎曲， 單工序沖壓。（單件）。
(2) 落料沖孔——彎曲a,c,d三處——彎曲b,e兩處（單件）。
(3) 落料沖孔——彎曲——切斷。（兩件有廢料）。
(4) 落料沖孔——彎曲b,c,d,e四處——彎曲a處。（兩件無廢料）。
(5) 落料沖孔——彎曲b,c,d,e四處——彎曲a處和切斷。（兩件有 廢料）。
方案（1）屬于單工序沖壓。由于此制件生產(chǎn)批量較大，尺寸又較小，這種方案生產(chǎn)率低，操作也不安全，故不宜采用。
方案（2）采用單件生產(chǎn)，因為彎曲力的不對稱，容易使制件在彎曲過程中出現(xiàn)滑移，不能保證精度。
方案（3），（4）采用兩件一起沖壓的方法，解決了彎曲力不對稱的問題，但是方案（3）中由于兩件之間的廢料位于彎曲的底端，存在彎曲角，而使得最后的切斷并不能切得徹底，方案（4）中因為制件厚度為1.5㎜，需要的切斷力較大，容易使得制件滑移。即這兩個方案中又出現(xiàn)了新的問題，因此使用價值不大，也不宜采用。
方案(5)既解決了方案(1)(2)的問題，又不存在方案（4）（5）的問題，故此方案最為合適。
1.3 確定沖模類型及結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)上面確定的沖壓工藝方案，確定各工序的模具類型和結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過各項比較，決定采用以下三幅模具結(jié)構(gòu)：
(1) 落料沖孔復(fù)合模。比較正裝復(fù)合模和倒裝復(fù)合模的優(yōu)缺點，由于倒裝復(fù)合模能使廢料從壓力機臺面落下，而沖壓件從上模推下比較容易引出去，因此操作方便安全，適合本設(shè)計的制件。再加上倒裝復(fù)合模易于安裝送料裝置，生產(chǎn)效率較高，所以決定采用倒裝式復(fù)合模。
(2) 彎曲模。這套模具用于彎曲b,c,d,e四處，應(yīng)著重處理好幾道彎曲工序的先后問題。
(3) 切斷彎曲復(fù)合模。因制件較小，應(yīng)避免另外增加卸料裝置，故仍然采用倒裝式復(fù)合模。重點在于切斷工序和彎曲工序的先后問題要處理好。
第二章 工藝計算及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1落料沖孔復(fù)合模
2.1.1 制件工藝計算及設(shè)計
1. 毛坯尺寸計算。毛坯展開圖如圖2-1。
圖2-1
由彎曲a,c,d,e得：
=（+）
=[+(r+xt)]
=13.5+12+6.5+20+6.5+[3*4+(0.35+0.35+0.38+0.39)*1.5]
=63.36㎜
由彎曲a,b處得
=（+）
=[+(r+xt)]
=13.5+12+7+[3*2+(0.35+0.35)*1.5]
=33.05㎜
由彎曲a處得
=（+）
=[+(r+xt)]
=13.5+12+(3+0.35*1.5)
=23.53㎜
根據(jù)工藝方案，確定如下圖2-2的毛坯尺寸：
圖2-2
2. 設(shè)計排樣圖。見圖2-3。
根據(jù)文獻[1]表3-10確定搭邊值為
工件間距a=1.8㎜ ，側(cè)面矩=1.8㎜
故由文獻[1]式3-24，沖裁步距可通過計算公式
A = D + a
圖2-3
式中 D——平行于送料方向的沖裁件寬度。
a——沖裁件之間的搭邊值。
故 A=42+1.8=43.8㎜
根據(jù)式3-25計算條料寬度的公式為
式中 B——條料寬度。
D——沖裁件與送料方向垂直的最大尺寸；
—— 沖裁件與條料側(cè)邊之間的搭邊；
△——板料裁剪時的下偏差 （由表3-11查得為1.0㎜）
故 B= （131.72+2×1.8+1.0） mm
3．材料利用率。
根據(jù)文獻[1]式3-27，材料利用率通過計算公式：
=×100%
式中 ——得到制件的總面積（）
——一個步距的條料面積（L×B）(㎜×㎜)
得 =
=62.3%
4. 計算沖裁力。
完成本制件沖壓工序所需的沖壓力有沖孔力，落料力及卸料力，推料力。
（1）沖孔力
由文獻[1]得 沖孔力的計算公式
=Lt
式中 L——沖裁件周邊尺寸（㎜）；
t——沖裁件厚度（㎜）；
——材料的抗拉強度()
有文獻[4]表4-12得 =400
=400×1.5×（2×8+×4）
=54816N.
(2) 落料力
由文獻[1]得 落料力的計算公式
=Lt
式中 L——沖裁件周邊尺寸（㎜）；
t——沖裁件厚度（㎜）；
——材料的抗拉強度()
有文獻[4]表4-12得 =400
=
=262368N
（3）卸料力,推料力和頂件力
由文獻[1] 卸料力,推料力和頂件力的計算公式
=
=n=
=（+）
式中 ——卸料力系數(shù)；
——推料力系數(shù)；
——頂料力系數(shù)；
h ——凹模直壁洞口的高度；
t ——板料厚度；
n ——梗塞在凹模內(nèi)的沖件數(shù)。
，，可分別由文獻[1]表3-8查取為
=0.04, =0.05， =0.06。
又有 h取為3.0㎜，所以n=3.0/1.5=2。
故 =0.04×262368=10494.7N;
=2×0.05×54816=5481.6N;
=0.06×（262368+54816）=19031.04N;
所以，F(xiàn)=++++
=262368+54816+10494.7+19031.04+5481.6
=352191.34N
5.初選壓力機。
查文獻[4]表8-1開式雙柱可傾式壓力機（部分）參數(shù)，初選壓力機型號規(guī)格為J23-63
公稱壓力：630KN
滑塊行程：120㎜
最大閉合高度：360㎜
連桿調(diào)節(jié)量：90㎜
工作臺尺寸（前后㎜×左右㎜）：480×710
模柄孔尺寸（直徑㎜×深度㎜）：50×70
最大傾斜角度：
6. 計算壓力中心。
本制件由于采用兩件對排，左右對稱，所以其壓力中心就是其幾何對稱中心。
7. 計算凸，凹模工作部分尺寸。
本制件形狀簡單，可按分別加工法計算工作部分尺寸。如圖2-4。
由文獻[4]表3-3查得：
=0.132㎜， =0.240㎜
-=0.240-0.132=0.108㎜。
由文獻[4]表3-6查得各尺寸制造偏差：
落料：
圖2-4
沖孔：
均能滿足 的要求。
由式3-5，3-6知凸，凹模尺寸的計算公式：
落料：
沖孔：
式中 ——分別為落料凹，凸模的基本尺寸；
——分別為沖孔凹，凸模的基本尺寸；
——落料件的最大極限尺寸；
——沖空件的最小極限尺寸；
——沖裁件公差；
X ——磨損系數(shù)，其值應(yīng)在0.5～1之間，與沖裁件精度有關(guān)。
由文獻[1]表3-5查得：
， 。
所以：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
2.1.2 模具結(jié)構(gòu)計算
1. 凹模板設(shè)計。
因為制件形狀簡單，并且尺寸也不大，選用整體式凹模較為合理.由文獻[4]表3-5，選用T10A0為凹模材料。
(1)確定凹模厚度H值：由文獻[3]圖14-15按沖裁力選凹模厚度為
H=28mm.
(2)由表14-5，從沖件料寬（>120～150mm）及料厚（>0.8～1.5mm）
取壁厚b=50mm.
凹模長 L=131.72+2×50=231.72mm
凹模寬 B=42+2×50=142mm
L×B×H=231.72×142×28
對照表14-6，將上述尺寸改為 250×160×28mm
(3)凹模刃壁高度。
由文獻[3]，垂直于凹模平面的刃壁，其高度選為h=3mm.
2. 確定卸料橡膠尺寸。
根據(jù)文獻[2]橡膠的自由高度為
其中
故
橡膠的裝配高度為
3.確定卸料板尺寸。
根據(jù)文獻[3]表14-10可以確定卸料板厚度為h=18mm.
卸料板孔每側(cè)與凸模應(yīng)保持一定間隙，
c=0.1～0.2t, t為沖壓材料厚度。
本設(shè)計中 t=1.5mm,所以取 c=0.25mm.
故卸料板尺寸為 L×B×H=250×160×18mm.
4.沖孔凸模固定板。
根據(jù)文獻[2]圖2-19來確定沖孔凸模固定板厚度。
又沖孔沖裁力推出理論上沖孔凹模的厚度應(yīng)為15mm.而在本設(shè)計中凸凹模中的沖孔凸模的厚度為20mm>15mm。所以有：
5.凸凹模設(shè)計。
在復(fù)合模中，必定有一個凸凹模。凸凹模的內(nèi)外緣均為刃口，內(nèi)外緣之間的壁厚取決于沖裁件的尺寸。從強度考慮，壁厚受最小限制。凸凹模的最小壁厚受沖模結(jié)構(gòu)影響，對于正裝復(fù)合模，由于凸凹模裝于上模，內(nèi)孔不會積存廢料，脹力小，最小壁厚可以小些；對于倒裝復(fù)合模，因為孔內(nèi)會積存廢料，所以最小壁厚要大些。
本模具為倒裝復(fù)合模，孔內(nèi)會積存廢料，所以要取大些。根據(jù)文獻[1]表4-4可以確定本模具的最小壁厚為3.8mm,最小直徑為21mm,從以上計算來看，本模具均符合要求。
但是由于制件為不規(guī)則體，所以凸凹模也為異型體，再加上最小側(cè)寬度只有12mm,可選用固定件有限，不容易固定。所以，本模具中將下模墊板設(shè)置為中心有似凸凹模形狀的凸起，減小凸凹模的高度，以利于固定。
確定凸凹模高度為20mm,所以墊板的凸起高度即為
=25+18-20=23mm.
6.上下墊板設(shè)計。
根據(jù)文獻[4]表5-48來確定上下墊板尺寸。
上述中已經(jīng)確定凹模尺寸為 L×B×H=250×160×28mm
所以確定上下墊板高度均為 10mm.
即上下墊板尺寸均為：L×B×H=250×160×10mm。
7.推件板設(shè)計。
模具閉合后，凸模進入凹模約為1.0mm,所以推件板厚度確定為
圓整為25mm.
8. 沖孔凸模設(shè)計。
(1)凸模形式。
由于沖孔凸模工作部分尺寸較小，所以選用臺階式凸模結(jié)構(gòu)。
(2)凸模長度。
凸模長度一般是根據(jù)結(jié)構(gòu)上的需要來確定的，本設(shè)計中凸模底部與凹模工作面齊平，頂端與固定板上面齊平，所以：
，即L=28+12=40mm
(3)凸模材料。
模具刃口要有較高的耐磨性，并能承受沖裁時的沖擊力，因此應(yīng)該有較高的硬度與適當(dāng)?shù)捻g性。所以沖孔凸模材料選為T10A0.其熱處理硬度取為58～62HRC.
(4)其他要求。
凸模工作部分的表面粗糙度
9.選用模架。
(1) 標(biāo)準(zhǔn)模架中應(yīng)用最廣的就是用導(dǎo)柱，導(dǎo)套作為導(dǎo)向裝置的模架。根據(jù)導(dǎo)柱導(dǎo)套配置的不同有四種基本形式：后側(cè)導(dǎo)柱模架，中間導(dǎo)柱模架，對角導(dǎo)柱模架和四角導(dǎo)柱模架。本模具選用對角導(dǎo)柱模架。
對角導(dǎo)柱模架中，導(dǎo)柱的排布也是對稱的（對稱于中心），而且縱橫都能送料。從安全角度考慮，在操作者右手一邊的那個導(dǎo)柱應(yīng)設(shè)在后邊，對角導(dǎo)柱模架的兩個導(dǎo)柱之間距離較遠，在導(dǎo)柱導(dǎo)套件同樣間隙的情況下，這種模架的導(dǎo)向精度較高。
由上面計算可以得出模具閉合高度為：
H=50+10+12+28+70.5-1+60=229.5mm.
所以由文獻[4]表5-7（滑動導(dǎo)向?qū)菍?dǎo)柱模架規(guī)格）選?。?
模架 250×160×200～245 GB/T 2851.1—1990
上模座 250×160×50 GB/T 2855.1—1990
下模座 250×160×60 GB/T 2855.2—1990
(2)導(dǎo)柱與導(dǎo)套。
導(dǎo)柱與導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)與尺寸都可以直接由國家標(biāo)準(zhǔn)中選用。在選用時應(yīng)注意，導(dǎo)柱的長度應(yīng)保證沖模在最低工作位置時，導(dǎo)柱上端面于上模座頂面的距離不小于10～15mm(考慮到模具修模后其閉合高度將減小)，而下模座底面與導(dǎo)柱地面的距離應(yīng)為0.5～1mm.
導(dǎo)柱與導(dǎo)套之間的配合根據(jù)沖裁模的間隙大小選用。當(dāng)沖裁板度在0.8mm以下的間隙模具時，選用H6/h5配合的I級精度模架；當(dāng)沖裁板厚度為0.8～4mm時，選用H7/h6配合的II級精度模架。
(3)模柄。
模柄有剛性與浮動兩大類。常見的剛性模柄有四種形式：
a.與模座整體式模柄，常用于小型模具；
b.壓入式模柄，應(yīng)用較廣；
c.旋入式模柄，模具刃口要修模時裝拆方便；
d.帶凸緣模柄，用于較大模具。
本設(shè)計中，選用帶凸緣模柄：.
10.導(dǎo)料銷和擋料銷設(shè)計。
（1）導(dǎo)料銷
條料的送料方向一般都是靠著導(dǎo)料板或?qū)Я箱N一側(cè)送進，以免送偏。用導(dǎo)料銷控制送料方向時，導(dǎo)料銷的結(jié)構(gòu)與擋料銷相同。
本設(shè)計中，由文獻[4]表5-38選用
擋料銷 6×20 JB/T 7646.9—1994
（2）擋料銷
條料的送料步距一般都是靠著擋料銷或是級進模中的側(cè)刃和導(dǎo)正銷來控制。擋料銷分為三類：
1）固定擋料銷 分圓形與鉤型兩種。一般裝在凹模上，圓形擋銷結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但銷孔離凹模刃口較近，會削弱凹模強度。鉤型擋料銷則可以離凹模刃口遠一些。
2）活動擋料銷 常用于倒裝復(fù)合模中，裝于卸料板上可以伸縮。而回帶式擋料銷送料，定位要兩個動作，先送后拉，常用于剛性卸料板的沖裁模中。
3）始用擋料銷 在連續(xù)模中，當(dāng)條料首次沖壓時使用，用時往里壓，擋住條料而定位，第一次沖裁后就不再使用。
本設(shè)計中，根據(jù)文獻[4]選出：
擋料銷 A4×3×2 JB/T 7649.10—1994
11.校核壓力機。
上述選定壓力機的裝模高度范圍是270～450mm.而設(shè)計模具閉合高度為230mm左右。為了使模具正常工作，模具閉合高度必須與沖床的閉合高度相適應(yīng)，應(yīng)該介于沖床最大和最小閉合高度之間，一般有以下關(guān)系：
當(dāng)然本模具中需要加墊板，以滿足要求。所以選用h=70mm的墊板。
2.2 彎曲模
2.2.1 毛坯件分析
這副模具生成制件圖如圖2-5。分析坯料，可以看出存在兩個方向的彎曲，并且要處理好彎曲的先后問題。
2.2.2 工藝性計算。
1. 彎曲力。
（1） 自由彎曲力。
根據(jù)文獻[2]式3-2和式3-3自由彎曲力的計算公式為
V形彎曲件： ；
U形彎曲件：
式中 ——自由彎曲力（N）;
圖2-5
B——彎曲件寬度(mm);
t——彎曲件材料厚度(mm);
R——彎曲內(nèi)半徑(mm);
——材料抗拉強度（MPa）;
K——安全系數(shù)，一般取K=1.3；
所以有：
（2） 校正彎曲力
根據(jù)文獻[2]式3-4 ，校正彎曲的彎曲力計算公式：
式中 ——校正力（N）；
q ——單位校正力（MPa）；
A ——工件被彎曲部分的投影面積（）。由文獻[2]表3-3查得 20鋼的單位校正力q取為30 MPa。
為了減小校正力和提高校正力的作用，將凸模設(shè)計成如圖2-6所示形狀，在凸模上加工出淺槽，形成局部凸臺。
圖2-6
凸臺高?。?.08～1）t，凸臺寬?。?.5～2）t,板料厚度為1.5mm,故可以算出中模凸臺面積為，側(cè)凸模凸臺總面積為。
所以：
。
(3)頂件力
根據(jù)文獻[3]式頂件力的計算公式：
式中 ——頂件力(N);
所以 =0.5×（4914+12168）=5125N
故 ++=28507N
2.凸凹模間隙。
根據(jù)文獻[2]式3-8彎曲黑色金屬時，間隙值計算公式：
；
式中 ——凸、凹模間的單面間隙；
t——材料的公稱厚度；
n——因數(shù)，其與彎曲件高度H和彎曲線長度B有關(guān)，由文獻[3]表3-6查得n=0.05mm.
所以：=1.5×（1+0.05）=1.58mm.
3.模具工作部分設(shè)計
根據(jù)文獻[3]式3-10凸模尺寸計算公式：
；
式中 、——凸、凹模工作部分尺寸；
B ——彎曲件公稱尺寸；
△ ——彎曲件尺寸公差；
、——凸、凹模的制造公差；
Z ——凸、凹模間隙。
所以 （1）
（2）
4.模具圓角半徑設(shè)計。
（1） 一般情況下，凸模圓角半徑等于或小于工件內(nèi)側(cè)的圓角半徑。所以本設(shè)計中彎曲凸模圓角半徑均取為r=1.5mm.
（2） 工件在壓彎過程中，凸模將工件壓入凹模而成型，凹模口部的圓角半徑對于彎曲力和零件質(zhì)量都有明顯影響。凹模圓角半徑的大小與材料進入凹模的深度，彎邊高度和材料厚度有關(guān)。在一般情況下，可用文獻[3]式3-11確定：
所以本設(shè)計中，將兩凹模圓角半徑均設(shè)為3.0mm.
5. 計算壓力中心。
本制件由于采用兩件對排，左右對稱，所以其壓力中心就是其幾何對稱中心。
2.2.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.凹模設(shè)計。
(1) 凹模厚度設(shè)計。
本設(shè)計中由于兩側(cè)彎曲和中部彎曲不同步，且彎曲凸模不同，所以為了即利于加工有為了保持一定精度，將兩側(cè)凹模與中部彎曲凹模分開制造加工。
根據(jù)凹模厚度計算公式：
所以有
由于本設(shè)計中的模具結(jié)構(gòu)，將兩種凹模厚度分別設(shè)置成
(2) 凹模周界尺寸L×B設(shè)計。如下圖2-7所示
根據(jù)文獻[4]凹模壁厚計算公式：W=1.5H.
式中 W——凹模壁厚；
H—— 凹模厚度。
所以 W=1.5×20=30mm.
則有 L=51.92+30×2=111.92mm；
B=42+30×2=102 mm.
考慮到本模具中的情況，根據(jù)文獻[4]表5-43確定凹模板周界尺寸為：
L×B×h=140×125×20mm.
(3)凹模工作部分尺寸。
根據(jù)文獻[1]圖5-59(彎曲模結(jié)構(gòu)尺寸)，同下圖2-8
由上述文獻表5-5查得m值取為4mm.
圖2-7
2. 中彎凸模設(shè)計。
根據(jù)文獻[1]彎曲凸模長度計算公式為
；
式中 ——彎曲凸模長度（mm）；
——彎曲凸模工作長度（mm），即
；
Y ——附加長度，包括凸模修模量，凸模固定版與下模的安全距離A等,本設(shè)計中取為11mm,修模量取為5mm.
——凸模在固定板中的長度，本設(shè)計中為6mm.
所以 =8+17+5+6=36mm
3.橡膠組設(shè)計
根據(jù)文獻[4]表3-9橡膠計算公式：
圖2-8
式中 ——橡膠自由高度（mm）；
——側(cè)凸模的工作行程（mm）,本設(shè)計中為8.0mm;
——預(yù)留的修模量。根據(jù)模具設(shè)計壽命，一般取4～6mm,本設(shè)計中取為5mm;
——橡膠的預(yù)壓縮量（mm）；
——沖模裝配好以后橡膠的高度（mm）；
F ——所需的彈壓力（N）；
A ——橡膠橫截面積（）；
q —— 橡膠在預(yù)壓縮狀態(tài)下的單位壓力：約為0.26～0.50MPa,本設(shè)計中取為0.45 MPa。
所以有
模具閉合過程中，中間兩U形彎曲彎曲力由橡膠組的預(yù)壓縮力提供，而所需彎曲力為，所以每個橡膠承受壓力為
；
所以 ;
橡膠直徑為
，
所以橡膠直徑取為D=60mm.
根據(jù)文獻[3]式1-3橡膠的高度H與直徑D之比必須在一定范圍內(nèi)，即
；
上述中在此范圍內(nèi)，故符合要求。
4.壓塊的設(shè)計。
本設(shè)計中，壓塊的作用是在全部彎曲完成后壓住中凸模，使已完成的中部彎曲得到校正。由以上結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有壓塊高度為
式中 ——壓塊高度（mm）；
——沖模裝配好以后橡膠組的高度（mm）；
——側(cè)凸模的工作行程（mm）,本設(shè)計中為8.0mm;
所以 。
5.側(cè)凸模長度。
根據(jù)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計，側(cè)凸模長度為：
式中 ——中彎凸模長度（mm）；
——中彎凸模在固定板中的長度，本設(shè)計中為6mm；
——中彎凸模固定板的厚度，取位12mm；
——壓塊高度（mm）；
——側(cè)彎凸模在固定板中的長度，本設(shè)計中為6mm；
——側(cè)凸模的工作行程（mm）,本設(shè)計中為8.0mm。
所以 。
6.模座設(shè)計。
(1)根據(jù)文獻[4]表5-49通用鋼板模座尺寸選擇上下模座。
上模座 140×125×25 JB/T 7642.3—1994·Q235
下模座 160×125×30 JB/T 7642.3—1994·Q235
(2)模柄設(shè)計
模柄有剛性與浮動兩大類。常見的剛性模柄有四種形式：
(1)與模座整體式模柄，常用于小型模具；
(2)壓入式模柄，應(yīng)用較廣；
(3)旋入式模柄，模具刃口要修模時裝拆方便；
(4)帶凸緣模柄，用于較大模具。
本設(shè)計中，選用
旋入式模柄：.
7.頂件板設(shè)計。
(1)中間彎曲頂件板設(shè)計。
由以上結(jié)構(gòu)設(shè)計可以確定：
式中 ——中間彎曲頂件板厚度（mm）；
——中間凹模厚度（mm）；
——中部彎曲凹模工作長度（mm）；
所以 。
(2）兩側(cè)彎曲頂件板設(shè)計。
由以上結(jié)構(gòu)設(shè)計可以確定：
式中 ——兩側(cè)彎曲頂件板厚度（mm）；
——兩側(cè)凹模厚度（mm）；
——兩側(cè)彎曲凹模工作長度（mm）；
——兩側(cè)凹模的底部厚度（mm）；
所以 。
8.選擇壓力機。
由以上計算可知：28507N，根據(jù)文獻[4]表4-33 （開式壓力機的主要參數(shù)）選取 壓力機為開式雙柱可傾式壓力機：
公稱壓力：40KN；
滑塊行程：40㎜；
行程次數(shù)：200（次/min）;
最大閉合高度：160㎜；
連桿調(diào)節(jié)量：35㎜ ；
工作臺尺寸（前后㎜×左右㎜）：180×280；
工作臺孔尺寸（前后㎜×左右㎜）：60×130；
模柄孔尺寸（直徑㎜×深度㎜）：30×50
最大傾斜角度：。
對于本模具，實際閉合高度為： ，所以滿足要求。
9.模具工作過程
模具的工作過程：在彎曲前，由于橡皮的作用時兩彎曲凸模底端面齊平。壓彎時，中間凸模與中間頂板將毛坯壓緊，由于橡膠壓力壓在中固板上的力大于作用在中間頂板上談定裝置的彈力，迫使頂板向下運動，完成中部彎曲。當(dāng)中部頂板接觸下模座后，中間凸模停止下行，而上模的繼續(xù)運動，迫使橡膠壓縮，兩側(cè)凸模下行，完成兩側(cè)彎曲。當(dāng)中間凸模固定板上的壓塊與上模座相碰時，整個工件得到矯正。
2.3 切斷彎曲復(fù)合模
2.3.1 坯料分析
前一幅模具生成的坯料件如下圖2-9所示。
2.3.2 工藝性分析
1. 沖壓力
(1) 切斷力。
根據(jù)文獻[1]得 沖孔力的計算公式
=Lt
式中 L——沖裁件周邊尺寸（㎜）；
t——沖裁件厚度（㎜）；
——材料的抗拉強度()
由文獻[4]表4-12得 =400
=400×1.5×42×2
=50400N.
(2)彎曲力
根據(jù)文獻[2]式3-2自由彎曲力的計算公式為
V形彎曲件： ；
圖2-9
式中 ——自由彎曲力（N）;
B ——彎曲件寬度(mm);
T ——彎曲件材料厚度(mm);
R ——彎曲內(nèi)半徑(mm);
——材料抗拉強度（MPa）;
K ——安全系數(shù)，一般取K=1.3；
所以有： 。
(3)推料力
由文獻[1]推料力的計算公式
=n=
式中 ——切斷沖壓力（N）;
——推料力系數(shù)；
h ——凹模直壁洞口的高度（mm）；
t ——板料厚度（mm）；
n ——梗塞在凹模內(nèi)的沖件數(shù)。
可由文獻[1]表3-8查取為 =0.05，又有 h取為3.0㎜，所以n=3.0/1.5=2。
故 =2×0.05×50400=5040N.
2. 模具間隙。
本模具中的彎曲部分的間隙可根據(jù)文獻[2]式3-8彎曲黑色金屬時，間隙值計算公式：
；
式中 ——凸、凹模間的單面間隙；
t——材料的公稱厚度；
n——因數(shù)，其與彎曲件高度H和彎曲線長度B有關(guān)，由文獻[3]表3-6查得n=0.05mm.
所以 =1.5×（1+0.05）=1.58mm.
3.模具工作部分設(shè)計
(1)切斷部分。
本制件形狀簡單，可按分別加工法計算工作部分尺寸。
由文獻[4]表3-3查得：
=0.132㎜， =0.240㎜
-=0.240-0.132=0.108㎜。
由文獻[4]表3-6查得各尺寸制造偏差：
能滿足 的要求。
根據(jù)文獻[1]式3-6知凸，凹模尺寸的計算公式：
式中 ——分別為沖孔凹，凸模的基本尺寸（mm）；
——沖空件的最小極限尺寸（mm）；
——沖裁件公差；
X ——磨損系數(shù)，其值應(yīng)在0.5～1之間，與沖裁件精度有關(guān)。
由文獻[1]表3-5查得： .
所以
(2)彎曲部分。
根據(jù)文獻[3]式3-10凸模尺寸計算公式：
；
。
式中 、——凸、凹模工作部分尺寸（mm）；
B ——彎曲件公稱尺寸（mm）；
△ ——彎曲件尺寸公差；
、——凸、凹模的制造公差；
Z ——凸、凹模間隙（mm）。
所以 mm
mm
4.模具彎曲部分圓角半徑設(shè)計。
(1) 一般情況下，凸模圓角半徑等于或小于工件內(nèi)側(cè)的圓角半徑。所以本設(shè)計中彎曲凸模圓角半徑均取為r=1.5mm.
(2) 工件在壓彎過程中，凸模將工件壓入凹模而成型，凹模口部的圓角半徑對于彎曲力和零件質(zhì)量都有明顯影響。凹模圓角半徑的大小與材料進入凹模的深度，彎邊高度和材料厚度有關(guān)。在一般情況下，可用文獻[3]式3-11確定：
所以本設(shè)計中，將凹模圓角半徑均設(shè)為3.0mm.
5. 計算壓力中心。
本制件由于采用兩件對排，左右對稱，所以其壓力中心就是其幾何對稱中心。
2.3.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.凹模設(shè)計。
(1)凹模厚度設(shè)計。
根據(jù)本設(shè)計中的模具結(jié)構(gòu)，彎曲邊的長度為13.5mm,所以將凹模厚度設(shè)計為15mm.
(2) 凹模周界尺寸L×B設(shè)計。如下圖2-10所示
根據(jù)文獻[4]凹模壁厚計算公式：W=1.5H.
式中 W——凹模壁厚；
H—— 凹模厚度。
所以 W=1.5×15=22.5mm.
則有 L=51.92+22.5×2=96.92mm；
B=42+22.5×2=7mm.
考慮到本模具中的情況，根據(jù)文獻[4]表5-43確定凹模板周界尺寸為：
L×B×h=100×100×15mm.
2. 橡膠組設(shè)計
根據(jù)文獻[4]表3-9橡膠計算公式：
式中 ——橡膠自由高度（mm）；
——凸模的工作行程（mm）;
圖2-10
——預(yù)留的修模量。根據(jù)模具設(shè)計壽命，一般取4～6mm,本設(shè)計中取為5mm;
——橡膠的預(yù)壓縮量（mm）；
——沖模裝配好以后橡膠的高度（mm）；
F —— 所需的彈壓力（N）；
A ——橡膠橫截面積（）；