接觸片級進模沖壓設計【說明書+CAD】

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沖壓模具設計中側壁起皺的分析 F.-k. Chen and Y.-C. Liao 臺灣 臺北市國立臺灣大學機械工程部門 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壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當發(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)品中介于模擬結果和實測結果的好協(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計沖模的優(yōu)勢。 關鍵詞：側壁起皺；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。在沖壓一個復雜形狀零件的操作時，側壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側壁區(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量，側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。對于沖壓一個復雜形狀的零件，當起皺發(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構，Yoshida et al.發(fā)明了一種測試，在這種測試里，一塊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，實驗結果顯示是四到六個。當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雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當前的研究中，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壁，在帶有錐度的杯子也相應的存在傾斜的側壁。在沖壓過程中，側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是用CAD或PRO/E軟件來設計的。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，工具被認為是剛硬的，而且對應的網(wǎng)眼被用來定義工具幾何學而不是壓力分析。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，金屬板料的真實應力應變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當前的研究中，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度的旋轉方向到45度的旋轉方向，再到90度的旋轉方向進行著。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)的設置，沖頭的速度一般設置在10m/s，庫侖摩擦系數(shù)設置在0.1。 圖3 金屬板料的應力應變關系 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)被認為是影響起皺的至關重要尺寸。在當前研究中，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。相關的在側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，金屬的應力應變曲線如圖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，起皺分布在側壁，側壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側壁有大面積區(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變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實際值比β的評論值大，假設當起皺發(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，同一側壁高度，沿著橫截面M-N的β值在圖4中標記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴重的起皺一般發(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。 模擬結果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側壁的起皺。在圖4中已標出沿著橫截面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標出的那樣，側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力應變關系如圖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)分布在側壁上，但是在階梯邊緣拐角處最為嚴重，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，這被認為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結果，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，掛鉤應該平衡的加在起皺位置?；谶@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 加到側壁的起皺 圖10顯示的那樣。這就為模具設計的改進提供了有價值的信息。 圖10 當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用到如圖11所示，從而使得模具設計的改進得到發(fā)展。但是，杯子側壁處仍然有起皺，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，如果相應的順序被應用，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計理想產(chǎn)品的沖壓模具設計是很難完成的。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果去切除較低的臺階來改善模具設計，如圖12所示。隨著設計方法的改進，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計方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結果和真實產(chǎn)品中看到的結果相吻合說明了有限元模擬分析法的準確性，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 1. K. Yoshida， H. Hayashi， K. Miyauchi， Y. Yamato， K. Abe， M. Usuda， R. Ishida and Y. Oike，在金屬板料，皺紋機械工具的效果取決于不均勻的拉深 2. T.X.Yu，W.Johnson 和 W.J.Stronge， “圓形碟子在半球形模具中的沖壓成形”，機械學雜志，26，pp.131-148，1984 3. W.J.stronge，M.P.F.Sutcliffe和T.X.Yu，在沖壓期間，圓形碟子的塑性起皺。實驗的技巧，pp.345-353，1986. 4. R.Narayanasamy和R.Sowerby，“當用一種圓錐形的沖模成形時的金屬板料起皺”，材料處理技術雜志，41，pp.275-290，1994. 5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機械和冶金，1993年第二季。 上海電機學院畢業(yè)設計（論文）選題審批表 申報人 所屬學院 設計（論文）選題名稱 接觸片級進模設計及其制造工藝 課題來源 自選課題 課題簡介： 該模具主要用于大批量生產(chǎn)某企業(yè)電器產(chǎn)品中“接觸片”沖件，沖件材料為帶QSn6.5-0.1 Y 0.2X600 GB2060，厚度0.2mm。沖件形狀較復雜，沖件的沖壓內容包括落料、沖孔、成型等，一般需要安排多個工位才能沖壓成形。該沖件年產(chǎn)量80萬件。在對該級進模設計時，要認真分析沖件的特點，合理確立沖壓加工的先后順序。模具的結構設計，需要確保本方案的實施，并按圖控制材料的輾紋方向。 選題理由及準備情況： 根據(jù)教學的要求，體現(xiàn)本專業(yè)的培養(yǎng)目標。通過對本課題級進模排樣方案的確定，模具結構的選擇和制造工藝的編制，使學生運用學到的理論知識，緊密地結合生產(chǎn)實際，熟悉、掌握模具設計和制造工藝編制的步驟和方法，接受一次比較系統(tǒng)的、針對性強的工程設計訓練，從而達到提高學生模具設計的能力。 本課題已有“接觸片”沖件圖，準備工作已落實。 設計（論文）要求及所具備的條件： 要求學生熟悉使用UGNX軟件，最終完成裝配圖、零件圖、設計計算說明書、主要零件加工工藝過程卡片及模具裝配工藝過程說明書。要求完成裝配圖1張、主要零件圖5張以上、不少于1萬字的設計計算說明書1份，工藝卡片一套及裝配說明書一份。 總完成量是兩張A0 30頁報告書 以及一些答辯的提示 其他要求和任務書一樣 設計要求配備計算機、相關的UGNX軟件，多工位級進模設計資料等。 指導小組意見： 組長簽字： 年 月 日 上海電機學院 畢業(yè)設計任務書 課 題 接觸片級進模設計及其制造工藝 年 月 日 至 年 月 日共 周 專 業(yè) 年 級 姓 名 學 號 學 院（系）院長（簽字） 指 導 教 師 （簽字） 年 月 日 注：本任務書由上海電機學院教務處印制。 課 題 來 源 自選課題 課 題 的 目 的 、 意 義 通過對本設計課題的實踐，培養(yǎng)學生結合生產(chǎn)實際，運用所學基礎課程及專業(yè)課程的知識，充分發(fā)揮個人積極性，從而提高學生的模具設計能力。 通過對本設計課題的實踐，是學生四年學習生涯的總練習。是檢驗、是考核，更是鍛煉。使學生在親身體會之后，明確了今后努力的方向。 通過對本設計課題的實踐，拉近了學校與企業(yè)的距離。 要 求 按照指導老師制定的時間表，定期進行設計總結及信息反饋，保證按時保質保量完成任務。 設計要求完成裝配圖1張、主要零件圖5張以上、不少于1萬字的設計計算說明書1份，工藝卡片一套及裝配說明書一份。 課 題 主 要 內 容 及 進 度 分析課題的沖壓工藝及沖壓方案，基于UG進行模具結構設計和制造工藝設計，最終完成裝配圖、零件圖、設計計算說明書、主要零件加工工藝過程卡片和模具裝配工藝過程說明書以及外文資料的譯文。 1.﹙10.15—10.31﹚研究沖件圖，收集、研讀資料，擬定沖壓工藝方案，完成排樣圖。 2.﹙11.01—11.30﹚擬定模具結構方案，完成模具裝配草圖。 3.﹙12.01—01.31﹚進行必要的工藝計算。 4.﹙02.01—02.28﹚完成模具總裝配圖，零件圖，工藝卡片制作。 5.﹙03.01—03.31﹚撰寫設計計算、裝配說明書，翻譯外文資料。 6.﹙04.01—04.30﹚答辯準備。 以上各項由指導教師填寫（請用鋼筆） - 4 - 接觸片級進模沖壓設計 第1章 緒 論 1.1模具工業(yè)在國民經(jīng)濟中的作用 模具是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備，它以特殊的形狀通過一定的方式使原材料成型。例如，沖壓件和鍛件是通過沖壓和鍛造方式使金屬材料在模具內發(fā)生塑性形變而獲得的；金屬壓鑄件、粉末冶金件以及塑料、陶瓷、橡膠、玻璃等非金屬制品，絕大多數(shù)也是用模具成型的。由于模具具有優(yōu)質、高產(chǎn)、省料和低成本等特點，現(xiàn)已經(jīng)在國民經(jīng)濟各個部門，特別是汽車、拖拉機、機械制造、家電等行業(yè)得到及其廣泛的利用。據(jù)統(tǒng)計，利用模具制造的零件，在飛機、汽車、拖拉機、電機、電器等產(chǎn)品中占60%~80%；在電視機、計算機等行業(yè)占到了80%以上；在自行車、手表、洗衣機、電冰箱、電風扇等輕工產(chǎn)品中占到了85%以上。據(jù)國際生產(chǎn)技術協(xié)會統(tǒng)計，到2000年止，機械零件粗加工的75%和精加工的50%都是由模具來完成的。 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對工業(yè)產(chǎn)品數(shù)量、品種、質量及款式都有越來越高的要求。為了滿足人類的需要，世界上各工業(yè)發(fā)達的國家都十分重視模具技術的發(fā)展，大力發(fā)展模具工業(yè)，積極采用先進技術和設備，提高模具制造水平，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。美國是世界上超級的經(jīng)濟大國，也是世界模具工業(yè)的領先國家。據(jù)1989年統(tǒng)計，美國模具行業(yè)有12554個企業(yè)，從業(yè)人員17。28萬人，模具總產(chǎn)值達64.47億美元。日本模具工業(yè)是從1957年開始發(fā)展起來的，當年模具中產(chǎn)值僅有106億日元，到了1991年總產(chǎn)值已超過了17900億日元，在34年中增長了169倍，這也是日本經(jīng)濟能飛速發(fā)展，并在國際市場上占有一定優(yōu)勢的重要原因之一?，F(xiàn)在，日本的模具工業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了高度的專業(yè)化、標準化和商品化。 現(xiàn)在，大家都意識到，研究和發(fā)展模具技術，對于促進國民經(jīng)濟的發(fā)展具有特別重要的意義。模具技術已經(jīng)成為衡量一個國家產(chǎn)品制造水平的重要標志之一。模具工業(yè)能促進工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的發(fā)展和質量的提高，并能獲得極大的經(jīng)濟效益，因而引起了各國家的高度重視和贊賞。模具也被譽為“進入富裕社會的原動力”、“金屬加工業(yè)中的帝王”等。因此可以斷言，隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，模具工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位將日益提高，模具技術也會不段的發(fā)展，并在國民經(jīng)濟發(fā)展過程中發(fā)揮越來越重要的作用。 1.2全球模具發(fā)展概況 全球主要模具生產(chǎn)國包括亞洲地區(qū)的日本、韓國與中國，以及美洲地區(qū)的美國、歐洲地區(qū)的德國。 1.2.1各國產(chǎn)業(yè)形貌 在全球主要模具產(chǎn)銷國家當中，中國模具企業(yè)及從業(yè)人數(shù)最多，近七成屬于國有企業(yè)，外資企業(yè)亦占多數(shù)，大型模具廠員工約600～700人，更有規(guī)模達上千人的公司，臺商投資的富士康集團(Foxconn)員工人數(shù)將近6,000人最具代表性，中型模具廠則150～300人之間，小型模具廠也至少有50人左右，其他國家的模具業(yè)則多以中小型企業(yè)型態(tài)經(jīng)營。 在產(chǎn)品類別上，2002年日本與中國偏重生產(chǎn)沖壓模及塑料模，兩者產(chǎn)值合計比重高達八成，南韓則以其他模具產(chǎn)值比重最大，占總產(chǎn)值四成七。 在應用市場方面，日本、韓國、美國與德國以汽車模具為最大宗產(chǎn)品，而我國則以電子通訊產(chǎn)品用模具為主。 依照2002年各國出入差狀況來看，日本、南韓及德國的模具屬與出口大國，中國與美國的模具則因國內需求市場大，本國廠商無法完整供應，須借進口模具以滿足下游市場的產(chǎn)品制造。由2002年各國主要進出口國別分析，與地域分布有極大的關聯(lián)性，進出口地區(qū)多屬鄰近國家，而日本較特別的是出口地區(qū)以美國為主，但隨著中國近年各下由游產(chǎn)業(yè)快速的發(fā)展，已有漸漸轉向拓展中國市場的趨勢。 在各國工資方面，根據(jù)美國國貿(mào)局2002年所作模具產(chǎn)業(yè)白皮書的調查結果，以德國時薪最高，技術人員時薪水平為$12.13～$19.28，設計人員則為$16.91～$25.26，日本與美國則介于中中間，中國工資最低，技術人員年薪僅$732～$5,853，設計人員僅為$2,927～$5,853，若以最高年薪為基準與德國比較，則僅能僱用德國技術人員約38天左右，由此可看出先進國家與中國低廉的工資成本差距如此之大。各國模具產(chǎn)業(yè)概況詳如表1—1所示。 表1—1 全球主要模具生產(chǎn)國家產(chǎn)業(yè)概況 國別 日本 中國 韓國 美國 德國 企業(yè)家數(shù) 12,000家 18,000家 4,000家 7,000家 5,000家 從業(yè)人數(shù) 11萬3千人 50萬人 3萬5千人 12萬9千人 3萬4千人 企業(yè)類型 小型企業(yè) 大中型企業(yè) 小型企業(yè) 中小型 中小型 產(chǎn)品類別 沖壓模與塑料模占八成 沖壓模與塑料模占八成 其他模具占四成七 沖壓模、塑料模為主 沖壓模、塑料模為主 出入超狀況 強出超國 強入超國 強出超國 準入超國 準出超國 主要進口國 韓國 日本 日本 加拿大 瑞士 主要出口國 美國 香港 日本 加拿大 捷克 平均工資 (美元) 時薪$8～22 年薪$585～10,243 -- 時薪$18.4 時薪$12～5 產(chǎn)值 (百萬美元) 2001年 13,131.5 3,817.8 1,722.6 13,204.0 3,248.8 2002年 11,985.8 4,349.0 2,400.0 -- -- 資料來源：海關進出口月報、美國國貿(mào)局模具產(chǎn)業(yè)白皮書/金屬中心IT IS計劃整理 1.2.2各國優(yōu)劣勢分析 技術先進國家如日本、美國、德國等，對于高精度與復合性模具開發(fā)，不論在設計能力或制造技術上，均有領先的地位，同時也擁有訓練精良的技術研發(fā)人才。其中，日本模具廠商在技術上較重視拋光與研磨加工制程，德國模具廠商則由提高機械加工與放電加工的精度與效率著手，以降低手工加工的時間。 在市場規(guī)模上，不論產(chǎn)值或國內需求以日本衰退最為明顯。在運營成本上，常面臨高工資、高福利的問題，因此下游產(chǎn)業(yè)或模具廠商逐漸將生產(chǎn)據(jù)點移往鄰近的新興工業(yè)國或技術后進國家，以降低勞工成本，增強價格競爭力，但是這樣的趨勢往往會造成技術無形中外流的疑慮，使得本身更須投入大筆研發(fā)費用，以加速提升加工技術與高速機械性能，拉大彼此間的差異。 以韓國及中國來看，我國在技術上落后于日、美、德，但仍優(yōu)于南韓，同時在生產(chǎn)速度上也遙遙領先。韓國與中國最近幾年的市場生產(chǎn)與需求規(guī)模呈現(xiàn)成長走勢，尤其中國模具業(yè)正在快速發(fā)展中，各國知名大廠進駐生產(chǎn)設備，無形中提升模具開發(fā)實力與設計能力。成本方面，中國特別是大陸與韓國因擁有相對低的人力成本優(yōu)勢，故對于模具售價上，往往采取低價行銷打入市場，也因此在全球景氣欠佳的局勢中，成功拓取市場買家的青睞，最明顯的例子就是出口值的漲勢。綜合上述全球主要模具生產(chǎn)國家的相對優(yōu)劣勢分析，整合如表1—2所示。 表1—2 全球主要模具生產(chǎn)國家優(yōu)劣勢分析 ? 相對優(yōu)勢 相對劣勢 日 ? 本 1.擁有技術精良的技術人才。 2.產(chǎn)品具有高品質保證。 3.生產(chǎn)前置期短(快速)。 4.擁有高精密度、高復合度模具的制造能力。 1.相對高的勞工成本。 2.產(chǎn)業(yè)空洞化問題嚴重。 3.在CAD/CAM及3D電腦軟件自主能力及運用上，與技術先進國相比仍嫌不足。 韓 國 1.因1998年經(jīng)濟危機，韓元大幅貶值人事費用降低，模具價格下跌，有利于出口成長。 2.小型模具廠的背后多有大企業(yè)財力及物力的支持。 1.模具設計能力與開發(fā)技術仍待加強。 中 國 1.具有高度成長的國內市場并擁有國際級下游客戶群聚效應。 2.擁有低工資的技術與設計人員。 3.成立模具專區(qū)，吸引國外廠商形成產(chǎn)業(yè)聚落。 1.缺乏靈活與創(chuàng)意的模具設計能力。 2.尚無生產(chǎn)高精度與復雜度高的技術能力。 3.須以高成本進口模具，以彌補國內產(chǎn)品低品質的供應缺口。 美 國 l.高品質產(chǎn)品。 2.擁有研發(fā)實力與創(chuàng)新性的生產(chǎn)技術。 3.產(chǎn)品設計能力強。 4.擁有廣大應用市場及多樣化的下游客戶基礎。 1.勞工成本高。 2.市場價格高。 3.相關員工福利、訓練、保險費用負擔重。 德 國 1.擁有優(yōu)良傳統(tǒng)模具的生產(chǎn)工藝技術。 2.堅實的師徒制習藝計劃。 3.在生產(chǎn)高精密度和復合度的模具上，擁有相當好的技術基礎。 1.勞工成本高。 2.下游客戶移至生產(chǎn)成本較低的國外據(jù)點,包括東歐和中國。 3.模具制造廠也隨著下游客戶外移。 資料來源：美國國貿(mào)局模具產(chǎn)業(yè)白皮書/金屬中心IT IS計劃整理 整體而言，由于各國模具業(yè)者，多以中小企業(yè)型態(tài)經(jīng)營，因此，在營運資金籌措上常遭遇困難，若無政府政策支持與稅務的優(yōu)惠措施，模具業(yè)者將形成單打獨斗與孤軍奮戰(zhàn)的狀況，更不論與國際市場的競爭。除了中國與韓國外，各國均面臨勞工成本高的壓力，因此唯有提高產(chǎn)品附加價值才能擺脫低成本的競爭壓力。 1.3中國模具發(fā)展狀況 目前，中國17000多個模具生產(chǎn)廠點，從業(yè)人數(shù)約50多萬。1999年中國模具工業(yè)總產(chǎn)值已達245億元人民幣。工業(yè)總產(chǎn)值中企業(yè)自產(chǎn)自用的約占三分之二，作為商品銷售的約占三分之一。在模具工業(yè)的總產(chǎn)值中，沖壓模具約占50%，塑料模具約占33%，壓鑄模具約占6%，其它各類模具約占11%。 鑒于模具作為包括機床工具、汽車制造、食品包裝等在內的機械行業(yè)中機械基礎件產(chǎn)業(yè)，以及電工電器、電子及信息行業(yè)的支持產(chǎn)業(yè)，在發(fā)展先進生產(chǎn)力當中，處于非常關鍵并服務全行業(yè)的地位，其發(fā)展對產(chǎn)業(yè)配套能力的提升和促進產(chǎn)業(yè)聚集優(yōu)勢的形成將起到重要作用。改革開放以來，中國模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化。除了國有專業(yè)模具廠外，其他所有制形式的模具廠家，包括集體企業(yè)、合資企業(yè)、獨資企業(yè)和私營企業(yè)，都得到了快速發(fā)展，集體和私營的模具企業(yè)在廣東和浙江等省發(fā)展得最為迅速。目前，國內已能生產(chǎn)精度達2微米的精密多工位級進模，工位數(shù)最多已達160個，壽命1～2億次。在大型塑料模具方面，現(xiàn)在已能生產(chǎn)48英寸電視的塑殼模具、6.5Kｇ大容量洗衣機的塑料模具，以及汽車保險杠、整體儀表板等模具。在精密塑料模具方面，國內已能生產(chǎn)照相機塑料模具、多型腔小模數(shù)齒輪模具及塑封模具等。在大型精密復雜壓鑄模方面，國內已能生產(chǎn)自動扶梯整體踏板壓鑄模及汽車后橋齒輪箱壓鑄模。在汽車模具方面，現(xiàn)已能制造新轎車的部分覆蓋件模具。其他類型的模具，例如子午線輪胎活絡模具、鋁合金和塑料門窗異型材擠出模等，也都達到了較高的水平，并可替代進口模具。 在中國，人們已經(jīng)越來越認識到模具在制造中的重要基礎地位，認識到模具技術水平的高低，已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標志，并在很大程度上決定著產(chǎn)品質量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。 許多模具企業(yè)十分重視技術發(fā)展，加大了用于技術進步的投資力度，將技術進步視為企業(yè)發(fā)展的重要動力。此外，許多研究機構和大專院校開展模具技術的研究和開發(fā)。目前，從事模具技術研究的機構和院校已達30余家，從事模具技術教育的培訓的院校已超過50余家。其中，獲得國家重點資助建設的有華中理工大學模具技術國家重點實驗室，上海交通大學CAD國家工程研究中心、北京機電研究所精沖技術國家工程研究中心和鄭州工業(yè)大學橡塑模具國家工程研究中心等。經(jīng)過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術、模具的電加工和數(shù)控加工技術、快速成型與快速制模技術、新型模具材料等方面取得了顯著進步；在提高模具質量和縮短模具設計制造周期等方面做出了貢獻。 雖然中國模具工業(yè)在過去十多年中取得了令人矚目的發(fā)展，但許多方面與工業(yè)發(fā)達國家相比仍有較大的差距。根據(jù)“十一五”模具行業(yè)發(fā)展的任務與目標，我國模具行業(yè)要努力解決發(fā)展中存在的諸如總量供不應求、產(chǎn)品結構不夠合理、工藝裝備水平低、配套性不好、利用率低、技術人才嚴重不足、專業(yè)化程度低、高檔產(chǎn)品市場缺席。特別在大型、精密、復雜和長壽命模具技術上存在明顯差距，這些類型模具的生產(chǎn)能力也不能滿足國內需求，因而需要大量從國外進口等問題，使我國模具行業(yè)向大型、精密、復雜、高效、長壽命和多功能方向發(fā)展，在良好的市場環(huán)境中穩(wěn)步前進。 43 第2章 零件工藝性分析及工藝方案的確定 2.1沖壓工藝分析： 沖裁件的工藝性是指沖裁件對沖壓工藝的適應性，即沖裁件的結構形狀、尺寸大小、精度等級等是否符合沖裁加工的工藝要求。良好的結構工藝性應保證材料消耗少，工序數(shù)目少，模具結構簡單而壽命高，產(chǎn)品質量穩(wěn)定，操作簡單，等等。通常對沖裁件的工藝性影響最大的是幾何形狀尺寸和精度要求。 2.1.1沖裁件的形狀和尺寸要求 ①沖裁件的形狀應盡可能簡單、對稱，最好采用圓形、矩形等規(guī)則的幾何形狀或由這些形狀所組成， 使排樣時廢料最少。 ②沖裁件的凸出懸臂和凹槽的寬度不宜太小，以免凸模折斷，其合理間隙如表： 表2—1沖裁件的凸出懸臂和凹槽的最小寬度B ③沖裁件的外形或內形的轉角處，要避免夾角出現(xiàn)，應以圓弧過渡，以便于模具加工，減少熱處理或沖壓時在尖角處開裂的現(xiàn)象；同時可以防止尖角部位的刃口磨損過快而使模具壽命降低。其圓角半徑的最小值見表1—2： 表2—2 沖裁件圓角半徑r的最小值 ④沖孔時，由于受到?jīng)_孔凸模強度的限制，孔的尺寸不宜過小。沖孔的孔徑尺寸與孔的形狀、材料的機械性能、材料厚度等有關，見表1—3： 表2—3 沖孔的最小尺寸 ⑤沖裁件的孔與孔之間、孔與邊緣之間的距離不應過小，否則模具的強度和沖裁件的質所量不能保證，其許可值如圖2—1所示 。 圖2—1 孔邊距 ⑥在彎曲件或拉延件上沖孔時，為了避免沖孔時凸模受水平推力而折斷，孔邊與零件直邊間應保持一定距離。一般取C≧R+0.5t. 2.1.2 沖裁件的精度與斷面粗糙度 ①沖裁件的經(jīng)濟精度一般不高一IT11級，最高精度可達IT8～9級。沖孔比落料的精度要高一級。 ②沖裁件的斷面粗糙度一般為Rａ=12.5～50nm，最高可達Rａ=6.3 nm。 2.1.3沖裁的經(jīng)濟性 所謂經(jīng)濟性，就是以最小的耗費取得最大的經(jīng)濟效果，即生產(chǎn)中的“最小最大”原則。 1.沖裁件的結構形狀和尺寸 沖裁件的結構形狀和尺寸，應該有良好的工藝性，以便于沖裁，便于模具的制造，降低成本。 ①在設計沖裁件時，在不改變使用性能的前提下，可以直線代曲線，以圓形代矩形，使凸、凹模制造與維修方便，減少鉗工工作量，降低成本。 ②盡量采用通用尺寸和標準直徑，充分利用現(xiàn)成的工藝裝備。 ③尺寸標注要靈活，以擴大沖裁工藝的靈活性。 2.合理利用材料 ①在滿足零件強度和使用要求的情況下，減少材料厚度。 ②沖裁件的結構形狀符合少、無廢料排樣時，能提高材料的利用率，從而減少材料消耗，降低成本。 ③采用套料排樣沖裁，充分利用結構廢料，既省料又省工序，經(jīng)濟效果顯著，如圖所示。 圖2—2 套料連續(xù)沖裁的排樣 ④合理選用沖裁件材料。在保證使用和工藝性能的同時，盡量采用“廉價代貴重，薄料代厚料，黑色代有色”和統(tǒng)一及減少品種規(guī)格等一系列降低成本的措施。 綜上所述，如圖2—3為零件圖，此零件為接觸片，滿足沖裁工藝性各方面的要求，也可以保證足夠的剛度和強度。由資料2—表4—1查出其精度等級為IT12級。 圖2—3 零件圖 此零件經(jīng)過幾何形狀的分析可以看出，它是由兩個半圓和中間的矩形部分組成。圓形部位的成型是拉深。中間矩形部位的成型很象是彎曲，但實際上它是側壁的材料在凸模的壓力作用下沿凹模的圓角流進去的，屬于拉深。底部的三個孔是由沖孔工序完成。兩翼的U形部分既可以由反拉深完成，也可以由翻邊完成，但此零件的尺寸較小，如果采用反拉深凸模的制造精度和強度要求都比較高，凸、凹模的安裝空間狹小，難以實現(xiàn)，所以選擇翻邊完成。 2.2沖壓工藝方案設計： 制定沖裁工藝方案就是要確定沖裁件的工藝路線。工藝路線不但影響產(chǎn)品的質量和效率，而且影響生產(chǎn)成本、勞動強度、設備投資等。因此制定工藝路線時，需要提出幾個方案，進行分析對比，尋求最經(jīng)濟合理的方案。 2.2.1工藝方案的分析： 零件的形狀表明，在拉深前該零件展開毛坯面積計算，將其分為直線和彎曲部分進行展開計算。由參考文獻3上表2—7用插值法取的該零件的中性層系數(shù)為x0=0.345;則由參考文獻1公式（3—12）可以得出該零件的展開長度為： （2—1） =（16.5＋0.675×2＋1.275×2）＋（0.5＋0.345×0.3）×3.14＋（0.45÷2＋0.345×0.3）×3.14×2 =23.35㎜ 同理，零件的展開寬度為： L寬 =3.3＋（0.45÷2＋0.345×0.3）×1800/1800×3.14×2＋（0.5＋0.345×0.3）×3.14 =10.16㎜ 工件的形狀是翻邊以后的形狀,在翻邊以前應該按翻邊工序計算展開.其展開圖為: 圖中示的？為零件在翻邊時落料凸模的直徑d凸 =[10.16-3.3-1.4-3.79]㎜＋4.6㎜＋1㎜ =7.28㎜ 該零件的主要工序拉深工序按下列順序進行計算： 2.2.1.1計算毛坯直徑 單工序拉深模的毛坯是單個的，級進模的坯料則是條料。計算毛坯直徑是根據(jù)拉深成型以后，工件的表面積與毛坯面積相等的原理，進行毛坯直徑的計算。按參考文獻3表4—7中序號4的公式計算。既： (2—2) 將圖1——5與表中圖相對應，d凸=7.27㎜；d=4.3㎜；H=1.7㎜；r=0.5㎜,代入上式，則： Di= =8.94mm 上述計算的Di是“計算毛坯直徑”，還要加上修邊余量而得出實際毛坯直徑D。修邊余量由參考文獻2表7—1查出，其值=1.0mm 故實際毛坯直徑D=Di+=8.94+1.0=9.94mm 2.4.1.2計算能否一次拉成 由寬凸緣件第一次拉深最大相對高度h1/d確定能否一次拉深成形。判斷的原則是：寬凸緣件的拉深系數(shù)大于該零件的第一次拉深系數(shù)極限值，或者零件的相對高度小于其第一次拉深的最大相對高度值，則該零件可以一次拉成。如圖2—3所示，拉深高度h1=2mm,拉深筒直徑d1=4.3mm,則h1/d1==0.465 ①．計算d凸/d，其中對應值㎜，d1=4.3㎜,則： ②．計算毛坯相對厚度。 根據(jù)以上參數(shù)，按資料2表4—8中查出ｈ1/ｄ的最大值為0。70～0.58。前面算出的本工件的最大相對高度值為0.465，故的出結論，該工件可以一次拉深完成。 2.2.2搭邊值的確定 排樣中相鄰兩工件間的余料或條料與工件邊緣間的余料為搭邊。其作用是補償定位誤差，防止由于條料的寬度誤差、送料步距誤差、送料歪斜誤差等原因而沖裁出殘缺的廢品。搭邊值要合理，過大材料的利用率低。值過小，就不能發(fā)揮搭邊的作用，在沖裁的過程中會被拉斷，造成送料困難，使工件產(chǎn)生毛刺，有時還會被拉入凸模和凹模間隙，損壞模具刃口，降低模具的壽命。搭邊值過小，會使作用在凸模側表面上的法向應力沿著落料毛坯周長的均勻分布不均勻，引起模具刃口的磨損。為了避免這一現(xiàn)象，搭邊的最小寬度大約取為毛坯的厚度，使之大于塑變區(qū)的寬度。 本工件的材料塑性較好，工件本身的外形比較復雜，圓角半徑比較小，所以起搭邊值要取的大一點。 2.2.4料寬的計算 條料寬度的確定原則是：最小條料寬度要保證沖裁時工件周邊有足夠的搭邊值，最大條料的寬度要能在沖裁時順利地在導料板之間進送，并與導料板之間有一定的間隙。因此，在確定條料寬度時必需考慮到模具的結構中是否采用側壓裝置和側刃，根據(jù)不同的結構分別進行計算。 圖2—7 有側刃時的條料寬度 當模具有側刃的時候，條料寬度按下式進行計算： (2—3) 式中 B——條料的標稱寬度; D——工件垂直于送料方向的最大尺寸(㎜); ａ1——側搭邊(㎜); △——條料寬度公差(㎜),見表2—5; ｎ——側刃數(shù); C——側刃沖切的料邊寬度(㎜),見表2—6; 表2—5剪切條料寬度公差 (㎜) 表2—6 ｂ1和C的值 （㎜） 則根據(jù)上述要求，本零件條料的寬度為: 經(jīng)圓整尺寸后，條料寬度取為30㎜ 2.2.5步距的計算 步距是指條料在模具上每次送進的距離，步距的計算與排樣的方式有關，每個步距可以沖出一個零件，也可以沖出幾個零件。 每次只沖出一個零件的進距A的計算公式為 A=B+ａ (2—4) 式中 B——平行于送料方向工件的寬度； ａ——沖件間的搭邊值； 由零件的排樣圖可以看出，每一個進距只沖一個零件，即該零件的進距采用上式： A=B+ａ =9.94 +1.8㎜ =11.74㎜ 經(jīng)圓整尺寸后A取值為12㎜。 第3章 主要工藝計算 3.1沖壓力的計算 3.1.1計算原則 由于凸、凹模之間存在間隙，所以沖裁件斷面都是帶有錐度的，且落料件的大端尺才等于凹摸尺寸，沖孔件的小端尺寸等丁凸模尺寸。在測量與使用中，落料件是以大端尺寸為基準，沖孔件孔徑是以小端尺寸為基準。沖裁過程中，凸、凹模要與沖裁零件或廢料發(fā)生摩擦，凸模越磨越小，凹模越磨越大，結果使間隙越用越大。因此，在確定凸、凹模刃口尺寸時，必須遵循下述原則： ①.落料模先確定凹模刃口尺寸，其標稱尺寸應取接近或等于制件的最小極限尺寸，以保證凹模磨損到一定尺寸范圍內，也能沖出合格制件．凸模刃口的標稱尺寸比凹模小一個最小合理間隙。 。 ②．沖孔模先確定凸橫刃口尺寸，其標稱尺寸應取接近或等于制件的員大極限尺令保證凸模磨損到一定尺寸范圍內，也能沖出合格的孔。凹橫刃口的標稱尺寸應比凸模大最小合理間隙。 ③．選擇模具刃口制造公差時，要考慮工件精度與模具精度的關系，既要保證工件的精度要求，又要保證有合理的間隙值。一般沖模精度較工件精度高2—3級。若零件沒有標注公差，則對于非圓形件按國家標準非配合尺寸的ITl4級精度來處理，圓形件一般可按IT10級精度來處理，工件尺寸公差應技“入體”原則標注為單向公差，所謂“人體”原則是指標注工件尺寸公差時應向材料實體方向單向標注，即：落料件正公差為零，只標注負公差；沖孔件負公差為零，只標注正公差。 3.1.2計算方法 模具工作部分尺寸及公差的計算方法與加工方法有關，基本上可分為兩類。 3.1.2.1凸模與凹模分開加： 凸、凹摸分開加工，是指凸模和凹模分別按圖樣加工至尺寸，此種方法適用于圓形或形狀簡單的工件，為了保證凸、凹模間初始間隙小于最大合理間隙Zｍａｘ不僅凸、凹模分別標注公差(凸模，凹模)，而且要求有較高的制造精度，以滿足如下條件： 或取 也就是說，新制造的模具應該是如圖3—1所示。否則，制造的模具間隙已超過了允許的變動范圍，影響模具的使用壽命。 圖3—1 凸、凹模分別加工時的間隙變動范圍 3.1.2.2凸模和凹模配合加工： 對于沖制形狀復雜或薄板制件的模具，其凸、凹模往往采用配合加工的方法。此方法是先加工好凸模(或凹模)作為基準件，然后根據(jù)此基準件的實際尺寸．配做凹模(或凸模)，使它們保持一定的間隙。因此，只需在基準件上標注尺寸及公差，另一件只標注標稱尺寸，并注明“××尺寸按凸模(或凹模)配作，保證雙面間隙××”。這樣，可放大基準件的制造公差。其公差不再受凸、凹模間隙大小的限制．制造容易并容易保證凸、凹模間的間隙。 本工件的此道工序為沖孔，沖孔應以凸模為基準件，然后配做凹模。先做凸模，凸模磨損后，刃口的尺寸的變化有增大、減小、不變三種情況，如圖1—9所示。應按三種不同的情況分別進行計算： a)沖孔件 ｂ）凸模尺寸 圖 3—2 沖孔件和凸模尺寸 1）.磨損后凸模尺寸變小（A類），設工件尺寸為，則 (3—4) 2).磨損后凸模尺寸變大（B類），設工件尺寸為，則 (3—5) 3）。磨損后凸模尺寸不變（C類），按制件標注尺寸不同分為 制件尺寸為時 (3—6) 制件尺寸為時 (3—7) 制件尺寸為時 (3—8) 式中 A凸、B凸、C凸——————凸模刃口尺寸(㎜); —————凸模尺寸制造偏差(㎜),; —————工件制造偏差,對稱偏差時, =; △ —————制件公差(㎜). 本工件屬于磨損后凸模尺寸變小(A類),則其尺寸按(3—4)式計算: = =㎜ 3.1.3沖裁力的計算 采用平刃口凸模和凹模沖裁時，其沖裁力的計算見下式： （3—9） 式中 ——— 沖裁力（N） L————沖裁件周長（㎜） ｔ———材料厚度（㎜） ———材料抗剪強度（MPa） 考慮到凸、凹模刃口的磨損，模具間間隙的波動，材料力學性能的變化以及材料厚度偏差等因素，實際所需的沖裁力還需增加30﹪，故選擇沖床時的沖裁力（N）應為： （3—10） 式中 ———材料的抗拉強度 則沖工件底部三個孔工件的沖裁力F2為： F2=3 =3×（3××0.3×700）N =3×1978.2N =5934.6N 沖兩個切口用的工藝孔㎜時的沖壓力F3為： F3=2×Lt =2×(2××0.3×700)N =2637.6N 沖兩工藝孔間切口用的沖壓力F4為： =23×0.3×700N =4830N 側刃切邊力的計算： F7 =Lt =24×0.3×700N =5040N 3.1.4卸料力、推件力和頂出力的計算 由于沖裁中材料的彈性變形及摩擦的存在，沖裁后帶孔的部分會緊箍在凸模上，而落下的部分會緊卡在凹模的洞口中。從凸模上卸下緊箍著的材料所需的力稱為卸料力；把落料件從凹模洞口順著沖裁方向推出去的力成為推件力；反向頂出來的力為頂出力。 F卸、F推、F頂是由壓力機和模具卸料、頂件裝置獲得的，影響這些力的因素主要有材料的力學性能、材料厚度、模具間隙、凸、凹模表面精度、零件形狀和尺寸以及潤滑情況等。要準確計算這些力比較困難，實際生產(chǎn)中采用下列經(jīng)驗公式進行計算： （3—11） 由2—表2—15可以查出=0.04～0.07；=0.065；=0.08，則工件在各工位的總的卸料力為： =（F2＋F3＋） =0.065×（5934.6＋2637.6＋11757.27）N =0.05×20329.47N =1016.47N 總的頂料力為： =（F1＋F6＋F8） =0.08×（5807＋5807＋2739.87）N =0.08×14354N =1148N 總壓力F為： F=F1＋F2＋F3＋F4＋F5＋F6＋F7＋＋ =5807＋5934.6＋2637.6＋4830＋11757.27＋5807＋5040＋1016.47＋1148N =43978N 3.2翻邊模工作部分的設計計算 進入翻邊工序，工件先與帶料脫離。由壓桿壓在凹模上，此時工件的外緣為平面，這時進行的翻邊為外緣翻邊。在兩端，凸緣的材料在翻邊模的作用下橫向產(chǎn)生壓縮的變形，周長被壓短而形成工件最后的形狀。對于這種翻邊工序，需要計算翻邊部位的變形量，如果變形量超過允許的數(shù)值，工件將產(chǎn)生褶皺，甚至把模具撐裂。 3.2.1落料工序部分模具尺寸計算 前面已經(jīng)敘述過對于薄板制件的模具其凸、凹模采取配合加工的方法。落 件以凹模為基準件，然后配做凸模。刃口尺寸的變化有增大、減小、不變三種情況因此凹模刃口尺寸應按不同情況分別計算。 1)凹模磨損后尺寸變大。計算這類尺寸，按落料凹模公式進行計算： (3—12) 2)凹模磨損后尺寸變小。計算這類尺寸，按沖孔凸模公式進行計算： (3—13) 3)凹模磨損后尺寸不變。計算這類尺寸應按下述三科情況進行計算： 制件尺寸為時 （3—14） 制件的尺寸為時： （3—15） 制件尺寸為時 （3—16） Ad、、Bd、Cd——————凹模刃口尺寸(mm)； A、B、C——————工件標稱尺寸(mm)， △——————工件公差(mm)； △/——————工件偏差，對稱偏差時，/＝／2； ——————凹模制造偏差(mm)，＝／4； 本工件在凹模磨損后尺寸變大，應按（1—12）式進行計算： = =㎜ 凸模尺寸的計算公式： （3—17） 式中Zmin為凸、凹模最小合理間隙（雙邊），由1—表2—6可以取出Zmin=0.03 則： = =㎜ 3.2.2翻邊凸、凹模的設計 此工件的尺寸比較小，其凸模的尺寸應在拉深凸模的尺寸的基礎上進行計算加工。則其配合圖形如下： 圖3—3 翻邊凸模計算示意圖 由于此翻邊凸模的形狀比較特殊為一環(huán)狀零件，則其內徑按拉深凸模尺寸加上工件厚度再取適當?shù)拈g隙值進行計算，公差按“入體原則”進行標注。則凸模工作部分刃口內徑尺寸為： ㎜ =㎜ =㎜ 翻邊凸模工作部分刃口外徑的尺寸是在翻邊凸模內徑的尺寸上再加上工件U形空間允許的尺寸厚度；公差按照“入體原則”進行標注。由工件圖可以看出工件U形空間允許的尺寸厚度值為18.4－17.5=0.9㎜，則翻邊凸模外徑的尺寸為： ㎜ =㎜ =㎜ 凸模工作部分的高度H取為2㎜. 翻邊凹模的刃口尺寸是在翻邊凸模外刃口尺寸的基礎上加上工件材料厚度而得到。公差按照“入體原則進行標注”，則翻邊凹模的刃口尺寸為： ㎜ =㎜ =㎜ 則由圖1—10可以看出：凹、凸模的工作部分厚度L是由落料凸模的刃口尺寸和翻邊凹模的刃口尺寸決定的。L==7.28-6.44=0.84㎜，兩面的公差按相關凸、凹模作用面公差標注。 翻邊的變形程度用（1——18）式計算： （3—18） 按照上述，工件的對應值ｂ=1.485；R=1.4；則翻邊變形量Ec為： Eｃ=1.484÷（1.4＋1.485）=0.51 與參考文獻2表5—10中數(shù)值對照，變形量在允許范圍之內。 翻邊力F8的大小采用下式計算： F= （3—19） 式中 L——————翻邊周邊長度（㎜） K——————因數(shù)，一般取0.2～0.3。 F8= =1.25（2.8＋13×2）㎜×0.3㎜×700MPａ×0.3 =2739.87N 第4章 沖模材料與壽命 為了延長沖模壽命，提高經(jīng)濟效益，合理選用模具材料成為模具設計的關鍵因素。因在選用制造模具中的主要羅件材料時，必須滿足下列基本要求： (1)根據(jù)模具的工作特點相失效形式，確定模具的失效抗力指標，尤其是對韌性的要求； (2)考慮其冷加工工藝性能和熱加工工藝性能是否良好； (3)分析模具的使用價值．盡可能采用質量好的鋼種，但也要考慮到其經(jīng)濟性，模材料費用占整個模具制造費用的6％一10％； (4)為了降低生產(chǎn)成本，注意采用微變形模具鋼．以降低機械加工費用； (5)對于特種要求的模具．應開發(fā)應用具有專門性能的模具鋼。 選擇材料要根據(jù)模具零件的使用條件來決定。做到在滿足主要條件的前提下．選擇價格低的材料，使成本最低。如多工位級進模應是高效、精密．長壽命的三高模具，凸模、凹模的材料應具有高強度、高硬度、高耐磨性和足夠的韌性，故必須選用優(yōu)質合金鋼和硬質臺金材料。在拉深不銹鋼制件則，所選用的材料應有較高的抗粘附性。對于固定板、卸料板類零件，不但要有足夠的強度，而且要求模具在工作過程中變形小。另外還可以采用冷處理和深冷處理、真空處理和表面強化的方法提高模 4.1沖模材料 4.1.1沖模材料的種類 制造中小型沖模的材料有：鑄鐵、碳鋼、合金鋼、硬質合金、鋼結硬質合金以及鋅合金、低熔點合金、塑料、環(huán)氧村脂、聚氨酯橡膠、層壓樺木板等。 凸、凹模所使用的模具鋼有：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻工具鋼、高碳中鉻工具鋼、高速鋼、基體鋼、硬質合金和鋼結硬質合金等?，F(xiàn)將常用模具鋼的特點和應用范圍簡介如下： (1)碳素工具鋼：在模具中應用較多的碳素工具鋼是T10A，其優(yōu)點是加工性好，價格便宜，但淬透性和紅硬性差、熱處理變形大。它適用于制造工作負荷不大、形狀簡單的凸、凹模和要求耐磨的其他模具零件。 (2)低合金工具鋼：用于模具的低合金工具鋼有CrWMn、9CrSi、GCrl5、9Mn2V 等。這類鋼具有高的淬透性，熱處理變形小，有較高的硬度和耐磨性，常用作形狀復雜的中小型沖裁模和彎曲模的成形零件。其中9Mn2v是適合我國資源的鋼種，可以用它宋代替其他低合金工具鋼用作模具。 (3)高碳高鉻工具鋼：常用的高碳高鉻工具鋼有Cfl2、Crl2Mo和Crl2MoV，它們具有較好的淬硬性、淬透性、耐磨性、抗回火穩(wěn)定性及熱處理變形小等優(yōu)點。但碳化物偏析嚴重，必須在三方六面進行反復鐓拔(軸向鐓，徑向撥)改鍛后，使用效果才更加顯著(坯料直徑在25mm以下的可以不經(jīng)改鍛)，常用于制造工作負荷大或要求耐磨性高、形狀復雜的精密模具的凸、凹模和冷擠壓凹模。 (4)高碳中鉻工具鋼：用于模具的高碳中鉻工具鋼有Cr4WV和Cr4W2MoV，其中Cr4W2MoV是一種空冷微變形模具鋼，其特點是共晶碳化物顆粒細小，分布均勻，具有較高的淬硬性、淬透性、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性，可以作為上述幾種高碳高鉻工具鋼的代用品，常用作硅鋼片沖裁模的凸、凹模和冷擠壓凹模。 (5)高速工具鋼：高速工具鋼內含有一定的C，Cr，W，V，Co等元素，熱處理后可以顯著提高硬度、耐磨性和韌性等性能，是制造高精密．高耐磨的高級模具材料，但價格較貴，因此適用于小件的沖?；蛴糜诖笮蜎_模的嵌鑲部分。由于高速鋼在高溫狀態(tài)下能保持高的硬度和耐磨性，所以又是制造溫擠、熱擠、塑料等模具的極好材料。 我國高速鋼的主要型號有：W18Cr4V、W12Cr4V4Mo、W12Mo3Cr4V3N(V3N)、W9Mo3Cr4V3、W6Mo5Cr4V3、W6Mo5Cr4V5SiNbAl(B201)、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V等。 (6)高強度基體鋼：高強度基體鋼是指抗拉強度、屈服強度、屈強比都高．且具有一定的塑性和韌性的鋼種。目前可分為基體鋼和馬氏體時效鋼兩類，用于模具的主要是基體鋼。 基體鋼是以高速鋼成份為基休，具有高速鋼淬火成份的鋼種。這類鋼具有很高的抗壓強度和耐磨性，在高溫條件下使用時，其紅硬性很好；由于含碳量比高速鋼低，故淬火剩余碳化物少、韌性可以大為改善，因其耐磨性比高速鋼和高鉻合金鋼差，多用于熱處理中容易開裂的模具。 我國近年來試用的新鋼種有：65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、7Cr7Mo3V2Si(LD一1)、 6Cr4Mo3Ni2WV(CG—2)及5Cr4Mo3SiMnVAl(012AL)等。 (7)鋼結硬質合金和硬質合金：鋼結硬質合金和硬質合金中含有35％～97%的WC或TiC，因而硬度特別高，耐磨性也特別好，但是沖擊韌性很差。隨著碳化物WC或TiC含量的增加，其硬度和耐磨性增加，沖擊韌性下降。因此用作沖模材料時，一般使用含Co量多的，韌性大的型號。例如YG20、Y625等型號可用于冷擠壓模；YGl5、YG20用于沖裁模，YGll或YG8用于拉伸模。 不論用于何種模具，由于硬質合金和鋼結硬質合金價格貴，且韌性又差，因此宜用鑲嵌件形式在模具中出現(xiàn)，以提高模具的使用壽命及節(jié)約材料，降低模具成本。 近年來，國內外發(fā)展了超細粒度(晶粒)的硬質合金．其硬質相和Co接合力好、硬度高及強度好，是制造三高模具的理想材料。 硬質合金作模具材料，在硬度和耐磨性方面是比較理想的，但韌性較差、加工困難。鋼結硬質合金卻起到取長補短的作用。鋼結硬質合金是以鐵粉加上少量的合金元素粉末(如鉻、鉑、鎢等)做粘結劑．以碳化鈦或碳化鎢為硬質相，用一般粉末冶金法燒結而成．它的基體是鋼，因此可以切削、焊接、熱處理，還可以鍛造。同時，又因它含有大量的碳化物，故保留了硬質合金的高硬度(經(jīng)淬火、回火后HRC68—73)和良好的耐磨性。 我國鋼結硬質合金的型號有GT35、TLW50、GW50和DT等。 常用于模具的硬質合金牌號有Y68、YG8C、YG11、YG11C、YG15、YG20C、YG25等。 (8)調質預硬鋼：這類鋼就是合金結構鋼，本是熱作模具鋼種．如42CrMo等。由于這類鋼有一定的淬透性，經(jīng)過調質處理后即可用于模具，因此近年來國內外將許多沖模都用這類鋼制造。既便于切削加工，又簡化了熱處理工藝，降低了模具成本、提高了模具制造精度。 用這類鋼可以制造的模具主要零件有：小批量生產(chǎn)的成形模，拉深模的凸模和凹模．各種模具的卸料板、凸模座、凹模座、凸模襯套、凹模襯套、凸模和凹模固定板及墊板等。 我國常用的預硬鋼鋼號有：35Cr，35CrMo、40Cr，42CrMo等。 (9)火焰淬火鋼：為了適應大型模具的發(fā)展，我國開發(fā)的用火焰淬硬的新型模具鋼7CrSiMnMoV(CH一1)，6CrNiMnSiMoV(GD)，用于制造大型模具的刃口及拉伸模的型面。當模具全部加工完成后，在刃口或需要硬度和耐磨性的部位，用氧一乙炔火掐加溫至淬火溫度，在空氣中冷卻，即可達到淬火的目的。由于該鋼種淬火溫度區(qū)寬、所以操作方便，變形小。整個凸模式凹模均可采用分段淬硬。 (10)熱處理微變形鋼Cr2Mn2SiWMoV：減小熱處理變形，對形狀復雜、精密的模具更為需要。我國研制的Cr2Mn2SiWMoV鋼，其熱處理變化率低于±0．004％，比正常的變形率±0．1％～±0．2％低得多。實踐證明：在100mm的矩形凹模上，長和寬的尺寸變化為±0．01mm。若研磨得當，其尺寸變化率幾乎可控制為零。 4.1.2沖模常用零件的材料及熱處理要求 沖模零件常用的材料及熱處理要求見表4—1可供選用時參考。 表4—1 沖模常用材料及熱處理 零件名稱 材料牌號 熱處理 硬 度 HRC 凸模 凹模 沖裁模 產(chǎn)量小 T8A、T10A、9Mn2V、GrWMn 淬火 58～62 62～64 產(chǎn)量大 CrWMn、Cr12MoV、GCr15、YG15、5Cr6WV、Cr4W2MoV 彎曲 成 形 凸 模 凹 模 T8A、T10A、9Mn2V、CrWMn、Crl2MoV、GCrl5、Cr4W2MoV、Cr2Mn2SiWMoV、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V、65Nb、 GT35、GT50、TLW50、GD、CH－、LD-1、CG—2、012A1、YG15、YG20 淬火 58～62 62～64 加熱彎曲凸、凹模 5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMoVLSi 拉 深 翻 邊 凸 模 凹 模 加熱拉深凸、凹模 CrWMn、Crl2MoV、Cr6WV、9Mn2V、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V、GD、GT35、 TLW50、GW50、DT、5CrNiMo、5CrMnMo、Cr5MoVlSi YG8、YGl5 淬火 58～62 62～64 冷 擠 壓 凸 模 凹 模 W18Cr4V、Cr12Mo、Crl2MoV、GCrl5、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V、65Nb、GT35、TLW50、GW50、DT、YGl5、YG20、YG25 淬火 58～62 62～64 續(xù)表 零件名稱 材 料 牌 號 熱處理 硬度HRC 凸模固定板 凹模固定板 卸料固定板 墊 板 Q235、Q275、T10A、CrwMn、9Mn2V Crl2、40Cr、42CrMo 淬 火 Q235:HB300～400 HRC58～60 8Cr2MnWoVs(固定板用) 調 質 HRC40～48 YG20(冷鐓墊板用) 側刃、廢料切刀、斜楔滑塊、導正銷、頂銷、推板、頂板、固定卸料板、導料板 定位板、擋料銷 T8A、T10A、CrWMn、9Mn2V、 Cr6WV、Crl2、Crl2MoV、W6Mo5Cr4V2 淬火 HRC58～60 彈 簧 65Mn、60Si2MnA、50CrVA 淬火 HRC43～48 上、下模座 HT20—40、Q235、Q275、45、ZG45 導住、導套 20號鋼 滲碳淬火 HRC58～62 GCr15、T10A 淬火 HRC62～66 4.2沖模壽命 沖模在正常工作中，沖出廢品制件以前所沖制件的數(shù)量稱為沖模壽命。沖模在兩次刃磨之間所沖制件數(shù)量稱刃磨壽命；沖模因摩擦導致磨損至不能再修復為止，其所沖制件總數(shù)稱為沖?？倝勖?；模因某種原因而損壞,使不能再修復，則損壞前所沖制件總數(shù)稱為損壞壽命。模具因自然磨損或損壞,使模具不能繼續(xù)沖出合格工件，稱此模具失效。 具有互換性的沖模，總壽命難于計算。因為易損件可以更換，而非易損件材料好、精度高，正常情況下不易損壞。因此對于互換性模具而言主要是研究刃磨壽命。 4.2.1沖模失效的方式與原因 4.2.1.1沖模失效的方式: (1)磨損：沖模在使用過程中因摩擦自然磨損而失效者，是一種正常的失效方式。刃模具的自然磨損規(guī)律與刃具磨損相似，分為初期磨損、正常磨損和急劇磨損三個階段(圖4—1)。使用對應控制在正常磨損階段以內，當出現(xiàn)急劇磨損時，應立即刃磨。 在沖裁硬、碎材料(如云母、硅鋼、高碳鋼等)時，會因硬?；蛱蓟锏膭兟涠鹉チＤp，使磨損加快，此時要求凸、凹模硬度高，耐磨性好。當沖壓高 韌性金屬(如不銹鋼等)時，會出現(xiàn)粘附磨損．使磨損加快，此時要求凸、凹模 耐磨性高、抗粘性強，同時保持良好的潤滑。對于彎曲、拉深，持別是冷擠,因 變形金屬與模具上工作表面的相對流動，會使摩擦磨損和粘附磨損加劇，因此，要求模具有較高的耐磨性、抗粘性和小的表面粗糙度值，同時保持良好的潤滑。 圖4—1 模具壽命影響圖 沖模的磨損除了上述與被沖材料有關外，還與沖件幾何形狀、沖裁間隙、搭邊等多種因素有關。一般凸模比凹模磨損大，因為凸模在一次行程中與被沖裁材料有上下兩次相對摩擦，所以凸模的磨損率一般是凹模的2—3倍．因此沖裁時要控制凸模切入材料的深度。對于有尖角的制件，當尖角在n／5以下時，夾角愈小凸模磨損愈嚴重，當夾角小于n／20時，凸模的磨損量可為沖裁直線部位(夾角為n)磨損量的40余倍。從圖4—2可以看出，沖裁間隙、工藝搭邊對磨損影響也很大。 （ａ）搭邊為3㎜時ｔ=2㎜ （ｂ）搭邊為1.2㎜時材料08鋼 圖4—2 沖裁間隙對模具磨損的影響 沖模磨損的界限條件(界限壽命條件)是制件誤差許可的變動范圍，因此設計凸模時考慮的最大許可磨損量(設計儲備量)，在數(shù)值上應等于制件的公差值，這就是模具磨損的界限條件之一．