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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(jié)構(gòu)，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(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(cè)壁，在帶有錐度的杯子也相應的存在傾斜的側(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(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(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(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(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 金屬板料的應力應變關(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)被認為是影響起皺的至關(guān)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(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(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(shè)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(cè)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(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力應變關(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(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(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(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(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
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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(shù)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。
河南機電高等?？茖W校
畢業(yè)設(shè)計論文
設(shè)計題目：彎鉤形零件
彎鉤模設(shè)計
設(shè) 計 者：張 磊
指 導 教 師：楊 占 堯
材 料 工 程 系 模 具 專 業(yè) 0 3 5 班
2006.05.10
畢業(yè)設(shè)計任務書
設(shè)計題目：彎鉤形零件彎曲模的設(shè)計
設(shè)計時間：10周
設(shè)計任務：1.完成工件彎曲工藝分析及模具設(shè)計工藝過程
2．繪制模具裝配圖及各零件圖
3．編寫設(shè)計說明書
目錄
1 工件的工藝性分析…………………………………………………1
2 工藝方案的確定……………………………………………………1
3 模具結(jié)構(gòu)形式的確定………………………………………………1
4 工藝設(shè)計……………………………………………………………1
⑴ 毛坯尺寸的計算……………………………………………1
⑵ 彎曲力的計算………………………………………………2
⑶ 彎曲凸、凹模的間隙………………………………………2
⑷ 彎曲模工作部分尺寸計算…………………………………2
15 模具的總體設(shè)計……………………………………………………3
6 模具主要零件的設(shè)計………………………………………………4
⑴ 凸模部分………………………………………………4
⑵ 凹模部分………………………………………………4
7 模具其他主要零件設(shè)計及選用……………………………………5
⑴ 頂件裝置的設(shè)計………………………………………………5
① 彈簧的選用………………………………………………5
② 頂桿的設(shè)計………………………………………………6
③ 頂件板的設(shè)計……………………………………………6
⑵ 斜楔、滑塊設(shè)計………………………………………………7
① 滑塊之間的行程關(guān)系……………………………………7
② 斜楔、滑塊的尺寸設(shè)計…………………………………7
⑶ 應有可靠的當塊………………………………………………7
⑷ 斜楔與滑塊的結(jié)構(gòu)、尺寸……………………………………7
8選定設(shè)備………………………………………………………………8
9校核壓力安裝尺寸……………………………………………………9
10畫裝配圖和零件圖……………………………………………………9
11編寫技術(shù)文件…………………………………………………………9
12模具的制造和裝配……………………………………………………9
13 彎曲模試沖時出現(xiàn)的缺陷…………………………………………10
總結(jié) ……………………………………………………………………12
致謝 ……………………………………………………………………13
參考文獻 ………………………………………………………………14
工件工藝卡 ……………………………………………………………15
凸模加工工藝過程卡 …………………………………………………16
活動凹模加工工藝卡 …………………………………………………17
彎鉤形零件彎曲模結(jié)構(gòu)與設(shè)計
1 工件的工藝性分析：
該工件零件圖如上所示，由零件圖可知。該制件形狀簡單，尺寸不大，厚度適中，一般批量，屬普通彎曲件，但零件上端口處有兩個45°的內(nèi)彎，且長度確定，在設(shè)計模具時應注意并控制回彈。由于制件時內(nèi)彎，要考慮合適的取件方案。因有一定的批量，應注意模具材料和結(jié)構(gòu)的選擇。
2 工藝方案的確定：
根據(jù)制件的工藝性分析，其有兩道工序，有彎曲和內(nèi)彎，因為此工件是上端內(nèi)彎，因此合理的工藝方案是彎曲——折彎。先將平板毛坯彎曲成“
U”形，再對上端進行彎鉤內(nèi)彎。零件成形后，由于工件內(nèi)彎，可縱向取出，此方案是較為合理。
3 模具結(jié)構(gòu)形式的確定：
因工件材料較薄，彎曲中為保證工件平整，采用彈性頂尖裝置。由于零件是內(nèi)彎，需采用活動凹模，斜楔，靠斜楔與滑塊作用使工件內(nèi)彎，活動凹模上設(shè)有彈性回復裝置。
4 工藝設(shè)計：
（1）：毛坯尺寸的計算
計算毛坯尺寸，相對彎曲半徑為
K/t=4/2=2<5
式中：K——彎曲半徑(mm)
t——料后（mm）
可見，制件屬于圓角半徑較大的彎曲件，應先求彎曲變形區(qū)中性層曲率半徑
ρ（mm）
ρ=ν+Kt
由文獻《冷沖壓工藝及模具設(shè)計》中表3－2查得K＝0.39L，
r——彎曲半徑
K——中性層系數(shù)
ρ＝（4＋0.39x2）mm =4.78 mm
由表3－5查得，最小彎曲半徑rmin＝0.5t＝1mm L考慮到工件的質(zhì)量問題及彎曲工藝要求，取彎鉤處彎曲半徑為r＝t＝2 mm 。
毛坯長度L＝48＋16＋6.5＝70.5mm
考慮工件的誤差，取L＝72mm，b＝22±1.1mm 。
（2）彎曲力的計算
為有效控制回彈，采用校正彎曲，F(xiàn)核＝PA
P——材料單位彎曲校正力
A——校正部分投影面積
查得材料15的單位校正力為50mpa.
F=50[(48+6.5)*22]
=50*54.5*22
=59950N
≈60KN
（3）彎曲凸、凹模的間隙
C=t+Δ+k*t
C——彎曲凸、凹模單邊間隙
t——料厚
Δ——材料厚度正偏差
k ——系數(shù)
由表查得k ＝0.05
c =t+Δ+kt
=2+0.05x2
=2.1mm
2c=4.2mm
（4）彎曲模工作部分尺寸計算
（由于制件精度不高，凸、凹模制造公差均采用IT9級）
由于工件外形尺寸要求相對精度高，計算尺寸時，要先計算凹模的尺寸，然后根據(jù)凹模尺寸萊計算凸模尺寸。
由手冊查得沖壓件未注尺寸的極限偏差
L1=48±2.2
L2=16±1.1
L3=6.5±0.8
凹模尺寸 bd=(L-1/2Δ)
=46.9
圓角半徑Vd=3t=6mm
(查表)t≤2mm時，Vd＝（3-6）t
深度由表3-17得，L=16mm
則凸模尺寸，（bd-2c）
=(46.9-4.2)
=42.7
Vp=V=4mm
考慮到本工件精度要求不同，取凹模尺寸為48 ，凸模43.8 ，Vp=4mm, Vd=6mm。
5 模具的總體設(shè)計
根據(jù)所需壓彎力的大小，初步考慮使用160KN的壓力機，模具結(jié)構(gòu)草圖如下，只要有上模板、凸模、凹模、活動凹模、下模板、墊板等組成。
初步設(shè)計模具閉合高度196mm
支撐板外輪廓尺寸為210X210mm
下模板外輪廓尺寸為270X100mm
（上面為便于視圖清晰，留有一定尺寸，實際為閉合狀態(tài)）
6 模具主要零件的設(shè)計
⑴凸模部分
由于該工件的端面是額“ ”形 的，該工件是先彎成 “ ”，后再“ ”形頂端內(nèi)彎，因此，可把凸模設(shè)計成整體式，結(jié)構(gòu)如下：
由于該工件 毛坯式矩形，工件是內(nèi)彎，所以，當工件成形后，可縱向取出工件，（取工件時需注意安全）。
⑵凹模部分
凹模是活動凹模，設(shè)計成滑塊式，左右兩件相對稱，斜面與工件斜面相配合，結(jié)構(gòu)簡單，便于機械加工。
模具開啟時
模具閉合時
凹模設(shè)計成活動滑塊，靠斜楔作用力使工件內(nèi)彎，斜楔見裝配圖。
7 模具其他主要零件的設(shè)計及選用
(1）頂件裝置的設(shè)計
考慮到工件的工藝結(jié)構(gòu)及制件精度，采用彈性頂件裝置是設(shè)計時，根據(jù)所需的頂件力選擇合適的彈簧。
② 彈簧的選用：由頂件力選擇彈簧
由于頂件力校大，選用強力彈簧。
外徑D＝30.5mm，內(nèi)徑d＝17.5mm，自由高度h＝63mm。
② 頂桿的設(shè)計
由于彈簧內(nèi)徑D=17.5mm,取頂桿直徑D=16mm，長度L＝121mm。
結(jié)構(gòu)如圖所示：
上端部長度為 2mm，起定位作用。
③ 頂件板設(shè)計：
頂件板與凸模一起壓緊工件，尺寸應比工件大，其結(jié)構(gòu)如圖所示：
彈性裝置結(jié)構(gòu)如圖所示：
⑵ 斜楔、滑塊的設(shè)計
在工件內(nèi)彎過程中，需有較大的側(cè)向力，則應采用斜楔結(jié)構(gòu)，通過斜楔機構(gòu)將滑塊的垂直運動轉(zhuǎn)化為凸凹模的運動方式傾斜運動，提供側(cè)向力進行內(nèi)彎曲。
① 斜楔、滑塊之間的行程關(guān)系
確定斜楔的角度主要考慮到機械效率，行程和受力狀態(tài)。這里取斜楔角為40度。
為使滑塊平穩(wěn)可靠工作
S/S1=0.8391
S——滑塊行程
S1——斜楔行程
S=4.6mm
S1=5.478mm
與滑塊接觸長度，b≥斜面斜度/5
b≥1.3mm
則滑塊斜面L ≥1.3+5.478/cos40°=8.45mm,為使滑塊有可靠長度，取L=10mm。
② 斜楔、滑塊尺寸設(shè)計：
滑塊長度取（2～1）H2,因此是凹模增大，保證其斜面長度， 由工件工藝
可知，滑塊高度H2=16mm，L2=60～50mm，取55mm。
為保證滑塊運動的平穩(wěn)，滑塊寬度滿足B2≤2.5L2.
B2=40mm
L2≥B2/2.5＝40/2.5＝16mm。
L2＝55滿足上式。
⑶ 應有可靠的當塊
擋塊與支撐板設(shè)計成一體，如裝配圖所示：
斜楔與滑塊采用橡皮復位。
⑷ 斜楔與滑塊結(jié)構(gòu)、尺寸
如圖所示。
滑動模塊結(jié)構(gòu)圖：
斜楔滑塊工作圖如裝配圖所示。
8 選定設(shè)備：
由所得的彎曲力出算設(shè)備
該零件所需的彎曲力為F=60KN。
模具閉合高度H=196mm
模具外廓尺寸為270X100mm
現(xiàn)有160KN壓力機，其型號為J23-16F，其主要參數(shù)如下：
公稱壓力：160KN
滑塊行程：80mm
最大裝模高度：205mm
最大封閉高度調(diào)節(jié)量：45mm
臺面尺寸：300mmX450mm
模柄尺寸（孔）：Φ40mm
根據(jù)模具閉合高度，彎曲力，外輪廓尺寸等數(shù)據(jù)選擇此設(shè)備是合適的。
9 校核壓力機安裝尺寸：
模座外形尺寸為270X100mm，閉合高度為196mm，而J23-16F型壓力機工作臺尺寸為450X300mm，最大閉合高度為205mm，調(diào)節(jié)量為45mm，故在工作臺上可以安裝；模柄孔尺寸也與本副模具所選模柄尺寸相符。
10 裝配圖和零件圖：見附圖。
11 編寫技術(shù)文件：見工藝卡。
12 模具的制造和裝配：
模具的制造：
彎曲凸、凹模、斜楔均采用T8A，淬硬58-62HRC，在淬火前應先試模，在加工凸、凹模時，先加工凹模，凸模按加工出的凹模來配制加工，要保證雙面間隙。凸、凹模圓角半徑加工應一致，工作部分表面進行拋光。斜楔，滑塊滑動面采用銑刨，淬硬后磨平。
模具的裝配：
在裝配前，檢查模具零件的加工質(zhì)量。
主要組件裝配：
裝配：模柄3是從上模板的下面向上壓入的，在安裝凸模固定板的墊板之前，先把模柄裝好。
模柄與上橫板之間的配合要求是H7/m6，先在壓力機上將模柄壓入，再加工定位銷孔和螺紋孔，然后把模柄端面突出部分銼平或磨平。安裝好模柄后，用角尺檢查模柄與上模座上平面的垂直度。
凸模、斜楔裝配：凸模、斜楔與固定板的配合要求為H7/m6，裝配時，先在壓力機上將凸模、斜楔壓入固定板內(nèi)，檢查凸模、斜楔的垂直度，然后將固定板的上平面與凸模、斜楔一齊磨平。
總裝配：
模具的主要組件裝配完畢后開始進行總裝配。因為此模具為無導柱模具，凸、凹模間隙在模具安裝到機床上時進行調(diào)整，上、下模裝配次序沒有特別要求，則對上、下模分別安裝。
上模安裝：上述已安裝好了模柄、凸模、斜楔，安裝墊板后，找正位置，裝入銷釘，擰緊螺釘即可安裝上模完成。
下模：
（1）把活動凹模裝入固定板中，磨平底面，側(cè)面，安裝滑塊回復裝置，如圖中所示。
（2）在凹模上安裝定位板，然后在支撐板上安裝好蓋板。
（3）把固定板安裝在下模座上，找正位置后，先在下模座上投窩，加工螺紋孔，然后加工銷釘孔，裝入銷釘（注：要限位銷的安裝），擰緊螺釘，然后安裝好頂件裝置。
（4）把分別安裝好的上、下模進行檢查，然后把已裝入固定板的凸模，插入凹模中，檢查是否完全閉合，如有，檢查安裝并進行調(diào)整。
（5）凸凹模的間隙調(diào)整：當裝配完成后，采用塞尺法來測凸、凹模之間的間隙是否均勻，如不均勻進行調(diào)整，也可在裝配完成后進行試彎，檢查零件是否合格及表面質(zhì)量。
（6）在生產(chǎn)條件下進行試彎，彎曲成形的工件按零件產(chǎn)品圖或試樣進行檢查驗收。在驗收過程中，如發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品有各種缺陷，則要仔細分析。找出原因，并對模具進行適當?shù)恼{(diào)整和修理，然后再進行試彎，直到模具正常工作并得到合格的彎曲件為止。然后打標記交付生產(chǎn)使用。
13 彎曲模試沖時出現(xiàn)的缺陷，原因及調(diào)整
⑴ 沖件的彎曲角度不夠
原因： ① 凸凹模的彎曲回彈角制造小。
② 凸模進入凹模深度太淺。
③ 凸模之間間隙過大。
④ 校正彎曲的實際單位校正力過小。
調(diào)整方法：
① 修正凸凹模，使彎曲角度達到要求。
② 加深凹模深度，增大沖件的有效彎曲變形區(qū)域。
③ 按實際情況采取措施，減小凸凹模的配合間隙。
④ 增大校正力或修整凸凹模形狀，使校正力幾種在變形部位。
⑵ 工件的彎曲位置不合要求
原因：① 定位板位置不正。
②曲件兩側(cè)受力不平衡產(chǎn)生便移。
③壓料力不足
方法：①重裝定位板，保證其位置正確
⑶ 分析方法：
①據(jù)實際情況修正凸、凹模，增大間隙值。
②取措施減小壓料力。
③在試模后確定。
⑷ 表面擦傷：
原因：①凹模圓角半徑過小，表面粗糙度不合要求。
②潤滑不良使坯料粘附于凹模。
③凸、凹模之間間隙不均勻。
方法：①增大凹模圓角半徑，降低表面粗糙度值。
②合理潤滑。
③修正凸、凹模，使間隙均勻。
⑸ 彎曲部位產(chǎn)生裂紋：
原因：①材料的塑性差。
②彎曲線與板料的纖維方向平行。
方法：①將坯料退火后彎曲。
②使彎曲線與板料的纖維方向成一定的彎曲角度。
總 結(jié)
隨著產(chǎn)品向精密化和復雜化的發(fā)展，產(chǎn)品零件也日益復雜，級進模的工位數(shù)隨之增加，精度要求提高，壽命要求更高，這對級進模的設(shè)計就提出了新的要求。由于級進模沖壓生產(chǎn)效率高，操作簡單安全，模具壽命長，產(chǎn)品質(zhì)量高，生產(chǎn)成本較低等特點，現(xiàn)國民經(jīng)濟發(fā)展的同時，各種家用電器、儀表電器、汽車等也越來越多的走進了千家萬戶，而家用電器的生產(chǎn)也隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展越來越多地采用多工位級進模生產(chǎn)。
彎鉤形零件彎鉤模設(shè)計，是理論知識與實踐有機的結(jié)合，更加系統(tǒng)地對理論知識做了更深切貼實的闡述。也使我認識到，要向做為一名合格的模具設(shè)計人員，必須要有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，并不斷學習新知識新技術(shù)，樹立終身學習的觀念，把理論知識應用到實踐中去，并堅持科學、嚴謹、求實的精神，大膽創(chuàng)新，突破新技術(shù)，為國民經(jīng)濟的騰飛做出應有的貢獻。
致 謝
涼風習習，綠樹成蔭，在這大地萬物都吸足了養(yǎng)分拼命抽枝成長的季節(jié)，我們也將帶著多年學習所吸取的養(yǎng)分投入到社會實踐中去，去體現(xiàn)自身的人生價值，實現(xiàn)人生的理想。當然，這一切都離不開老師對我們的精心培養(yǎng)和澆灌，而這次的畢業(yè)設(shè)計，更系統(tǒng)地把所學專業(yè)知識運用到實踐中去，使我們所學專業(yè)知識更加牢固，更加系統(tǒng)化，能順利地完成畢業(yè)設(shè)計，這和指導老師的精心指導和諄諄教誨是分不開的，在這里我衷心地感謝原老師、楊老師、翟老師、程老師、余老師對我的指導和幫助，是你們不辭勞苦地為我們講解了學習中遇到的各種問題，使我掌握了模具設(shè)計在這個現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中充當生力軍的技能知識，使你們?yōu)槲覍崿F(xiàn)了自身的人生理想插上了堅實的翅膀。我會帶著你們殷切的期望和百倍的熱情投入到以后的工作和生活中去，去實現(xiàn)自身的人生價值，為社會的發(fā)展做出最大的貢獻。
此致
敬禮
參考文獻：
１ 《冷沖模設(shè)計與制造》 高鴻庭主編 機械工業(yè)出版社
２ 《冷沖壓模具設(shè)計指導》 王芳主編 機械工業(yè)出版社
３ 《冷沖模設(shè)計指導》 史鐵梁主編 機械工業(yè)出版社
４ 《沖壓工藝與模具設(shè)計》 王芳主編 機械工業(yè)出版社
５ 《冷沖模設(shè)計與制造》 姜奎華主編 機械工業(yè)出版社
６ 《沖壓工藝學》 姜奎華、肖景容主編 機械工業(yè)出版社
７ 《模具設(shè)計與制造簡明手冊》 馮丙堯主編 上海科學技術(shù)出版社
８ 《沖模設(shè)計應用實例》 模具實用技術(shù)手冊 機械工業(yè)出版社
９ 《沖壓模具圖冊》 楊占堯主編 機械工業(yè)出版社
１０ 《模具制造技術(shù)》 羅大金主編 機械工業(yè)出版社
工件工藝卡
產(chǎn)品名稱：彎鉤形零件
材料牌號：15
規(guī)格71*22*2mm
毛坯尺寸：板料71*22mm
工序：“U”形彎曲——內(nèi)彎
設(shè)備：J23——16F
工藝裝配：彎曲模
檢驗：按產(chǎn)品圖紙檢驗
14
目錄
1． 工件的工藝性分析………………………………………………………………1
2． 工藝方案的確定…………………………………………………………………1
3． 模具結(jié)構(gòu)形式的確定……………………………………………………………1
4． 工藝設(shè)計…………………………………………………………………………1
⑴ 毛坯尺寸的計算……………………………………………………………1
⑵ 彎曲力的計算………………………………………………………………2
⑶ 彎曲凸、凹模的間隙………………………………………………………2
⑷ 彎曲模工作部分尺寸計算…………………………………………………2
5． 模具的總體設(shè)計…………………………………………………………………3
6． 模具主要零件的設(shè)計……………………………………………………………3
⑴ 凸模部分………………………………………………………………3
⑵ 凹模部分………………………………………………………………3
7． 模具其他主要零件設(shè)計及選用…………………………………………………4
⑴ 頂件裝置的設(shè)計……………………………………………………………5
① 彈簧的選用……………………………………………………………5
② 頂桿的設(shè)計……………………………………………………………5
③ 頂件板的設(shè)計…………………………………………………………5⑵ 斜楔、滑塊的設(shè)計…………………………………………………………7
① 滑塊之間的行程關(guān)系…………………………………………………7② 斜楔、滑塊的尺寸設(shè)計………………………………………………7
⑶ 應有可靠的當塊……………………………………………………………7
⑷ 斜楔與滑塊的結(jié)構(gòu)、尺寸…………………………………………………7
8． 選定設(shè)備…………………………………………………………………………8
9． 校核壓力安裝尺寸………………………………………………………………9
10. 畫裝配圖和零件圖………………………………………………………………9
11. 編寫技術(shù)文件……………………………………………………………………9
12. 模具的制造和裝配………………………………………………………………9
13 彎曲模試沖時出現(xiàn)的缺陷………………………………………………………10
總結(jié)……………………………………………………………………………………11
致謝……………………………………………………………………………………12
參考文獻………………………………………………………………………………13
工件工藝卡……………………………………………………………………………14
凸模加工工藝過程卡…………………………………………………………………15
活動凹模加工工藝卡…………………………………………………………………16