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1 緒 論
改革開放，隨著國民經濟的高速發(fā)展，市場對模具的需求量不斷增長。近年來，模具工業(yè)一直以15%左右的增長速度快速發(fā)展，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，集體、合資、獨資和私營也得到了快速發(fā)展。浙江寧波和黃巖地區(qū)的“模具之鄉(xiāng)”；廣東一些大集團公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，科龍、美的、康佳等集團紛紛建立了自己的模具制造中心；中外合資和外商獨資的模具企業(yè)現已有幾千家。在走過了漫長的發(fā)展道路之后，目前我國已形成了300多億元（未包括港、澳、臺的統(tǒng)計數字）各類沖壓模具的生產能力。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。例如，精密加工設備在模具加工設備中的比重比較低；CAD/CAE/CAM技術的普及率不高；許多先進的模具技術應用不夠廣泛等等，致使相當一部分大型、精密、復雜和長壽命模具依賴進口。
1.1 沖壓模具市場情況
我國沖壓模具無論在數量上，還是在質量、技術和能力等方面都已有了很大發(fā)展，但與國民經濟需求和世界先進水平相比，差距仍很大，一些大型、精密、復雜、長壽命的高檔模具每年仍大量進口，特別是中高檔轎車的覆蓋件模具，目前仍主要依靠進口。一些低檔次的簡單沖模，已趨供過于求，市場競爭激烈。
現摘錄中國模具工業(yè)協(xié)會發(fā)布的統(tǒng)計材料《2007年我國沖壓模具市場情況簡介》如下：據國家統(tǒng)計局數據顯示：2007年1-12月全國模具產量達8,944,677.44套，同比增長6.53%；2007年1-12月全國模具年銷售額達870億元人民幣以上，同比增長21%。可以說2007年的模具行業(yè)是產需兩旺。
另據中國海關數據顯示：2007年我國模具進出口總額為34.66億美元，比2006年增長12.24%。其中進口總額為20.53億美元，比2006年增長0.29%；出口總額為14.13億美元，比2006年增長35.73%。出口繼續(xù)保持強勁的上升趨勢，逆差進一步下降，總的情況良好。
據專家預測，2008年在國家宏觀調控下，國民經濟發(fā)展仍將保持高速增長，國內外模具市場繼續(xù)看好，預計2008年模具行業(yè)的發(fā)展仍會保持20%左右的增長率。
近年來，中國經濟的高速發(fā)展為模具工業(yè)發(fā)展提供了巨大動力。近10年來，中國模具工業(yè)增長速度保持在15%以上；生產廠2萬余家，從業(yè)人員50多萬人，年產值達450億元以上。另外，結構調整步伐加快，大型、精密、復雜、長壽命模具和模具標準件發(fā)展速度高于行業(yè)總體發(fā)展速度；塑料模和壓鑄模比例增大；面向市場的專業(yè)模具廠家數量及能力快速增加。
從區(qū)域市場分析，東南沿海地區(qū)發(fā)展快于中西部地區(qū)，南方的發(fā)展快于北方；珠江三角和長江三角地區(qū)生產集中，發(fā)展速度快，其模具產值約占全國產值的2/3以上。
從未來發(fā)展趨勢分析，產品結構調整將加快，針對低檔模具供過于求，大型、精密、復雜的模具供不應求的情況，高檔模具的比重將增加，行業(yè)將向大型、精密、復雜、高效、長壽命和多功能方向發(fā)展。我國模具行業(yè)的國際競爭力優(yōu)勢中，勞動力價格低優(yōu)勢將得到充分發(fā)揮。我們認為未來重點發(fā)展的產品包括：汽車覆蓋件模具、精密沖壓模具、大型塑料模具、精密塑料模具、大型薄壁精密復雜壓鑄模和鎂合金壓鑄模具、子午線橡膠輪胎模具、新型快速經濟模具、多功能復合模具、模具標準件等。就企業(yè)發(fā)展方面分析，采用數控技術、快速原型技術、高速切削和超精加工等高新技術，進一步提升模具工業(yè)的設計制造水平將是未來企業(yè)改造重點，也是未來企業(yè)發(fā)展的關鍵驅動因素。另外，國際市場將被企業(yè)看重，因為全球模具市場整體供不應求，市場需求量維持在600億至650億美元。
從應用趨勢方面分析，受用戶要求模具的生產周期縮短影響；快速經濟模具的開發(fā)將被重視，模具標準件的應用將日漸廣泛，且采用計算機控制和機械手操作的快速換模裝置、快速試模裝置技術也會得到發(fā)展和提高。 ?
另外，隨著車輛和電機等產品向輕量化方向發(fā)展，壓鑄模的數量、壽命和復雜程度要求將更高；隨著以塑料代鋼、以塑代木的發(fā)展和產品零件的精度和復雜程度的不斷提高，塑料模的比例、精度和復雜度也將隨著相應提高。
1.2 沖壓模具水平狀況
近年來，我國沖壓模具水平已有很大提高。大型沖壓模具已能生產單套重量達50多噸的模具。為中檔轎車配套的覆蓋件模具國內也能生產了。精度達到1~2μm，壽命2億次左右的多工位級進模國內已有多家企業(yè)能夠生產。表面粗糙度達到Ra≦1.5μm的精沖模，大尺寸（Φ≧300mm）精沖模及中厚板精沖模國內也已達到相當高的水平。
1.2.1 模具CAD/CAM技術狀況
我國模具CAD/CAM技術的發(fā)展已有20多年歷史。由原華中工學院和武漢733廠于1984年共同完成的精沖模CAD/CAM系統(tǒng)是我國第一個自行開發(fā)的模具CAD/CAM系統(tǒng)。由華中工學院和北京模具廠等于1986年共同完成的冷沖模CAD/CAM系統(tǒng)是我國自行開發(fā)的第一個沖裁模CAD/CAM系統(tǒng)。上海交通大學開發(fā)的冷沖模CAD/CAM系統(tǒng)也于同年完成。20世紀90年代以來，國內汽車行業(yè)的模具設計制造中開始采用CAD/CAM技術。國家科委863計劃將東風汽車公司作為CIMS應用示范工廠，由華中理工大學作為技術依托單位，開發(fā)的汽車車身與覆蓋件模具CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)于1996年初通過鑒定。
21世紀開始CAD/CAM技術逐漸普及，現在具有一定生產能力的沖壓模具企業(yè)基本都有了CAD/CAM技術。其中部分骨干重點企業(yè)還具備各CAE能力。
模具CAD/CAM技術能顯著縮短模具設計與制造周期，降低生產成本，提高產品質量，已成為人們的共識。在“八五”、“九五”期間，已有一大批模具企業(yè)推廣普及了計算機繪圖技術，數控加工的使用率也越來越高，并陸續(xù)引進了相當數量的CAD/CAM系統(tǒng)。如美國EDS的UG，美國ParametricTechnology公司的Pro/Engineer，美國CV公司的CADS5，英國DELCAM公司的DOCT5，日本HZS公司的CRADE及space-E，以色列公司的Cimatron，還引進了AutoCAD、CATIA等軟件及法國Marta-Daravision公司用于汽車及覆蓋件模具的Euclid-IS等專用軟件。國內汽車覆蓋件模具生產企業(yè)普遍采用了CAD/CAM技術。DL圖的設計和模具結構圖的設計均已實現二維CAD，多數企業(yè)已經向三維過渡，總圖生產逐步代替零件圖生產。且模具的參數化設計也開始走向少數模具廠家技術開發(fā)的領域。
在沖壓成型CAE軟件方面，除了引進的軟件外，華中科技大學、吉林大學、湖南大學等都已研發(fā)了較高水平的具有自主知識產權的軟件，并已在生產實踐中得到成功應用，產生了良好的效益。
快速原型(RP)與傳統(tǒng)的快速經濟模具相結合，快速制造大型汽車覆蓋件模具，解決了原來低熔點合金模具靠樣件澆鑄模具，模具精度低、制件精度低，樣件制作難等問題，實現了以三維CAD模型作為制模依據的快速模具制造，并且保證了制件的精度，為汽車行業(yè)新車型的開發(fā)、車身快速試制提供了覆蓋件制作的保證，它標志著RPM應用于汽車車身大型覆蓋件試制模具已取得了成功。圍繞著汽車車身試制、大型覆蓋件模具的快速制造，近年來也涌現出一些新的快速成型方法，例如目前已開始在生產中應用的無模多點成型及激光沖擊和電磁成型等技術。它們都表現出了降低成本、提高效率等優(yōu)點。
1.2.2 模具設計與制造能力狀況
在國家產業(yè)政策的正確引導下，經過幾十年努力，現在我國沖壓模具的設計與制造能力已達到較高水平，包括信息工程和虛擬技術等許多現代設計制造技術已在很多模具企業(yè)得到應用。
雖然如此，我國的沖壓模具設計制造能力與市場需要和國際先進水平相比仍有較大差距。這些主要表現在高檔轎車和大中型汽車覆蓋件模具及高精度沖模方面，無論在設計還是加工工藝和能力方面，都有較大差距。轎車覆蓋件模具，具有設計和制造難度大，質量和精度要求高的特點，可代表覆蓋件模具的水平。雖然在設計制造方法和手段方面已基本達到了國際水平，模具結構功能方面也接近國際水平，在轎車模具國產化進程中前進了一大步，但在制造質量、精度、制造周期等方面，與國外相比還存在一定的差距。以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術已取得很大進步，東風汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產部分轎車覆蓋件模具。
標志沖模技術先進水平的多工位級進模和多功能模具，是我國重點發(fā)展的精密模具品種。有代表性的是集機電一體化的鐵芯精密自動閥片多功能模具，已基本達到國際水平。但總體上和國外多工位級進模相比，在制造精度、使用壽命、模具結構和功能上，仍存在一定差距。
汽車覆蓋件模具制造技術正在不斷地提高和完善，高精度、高效益加工設備的使用越來越廣泛。高性能的五軸高速銑床和三軸的高速銑床的應用已越來越多。NC、DNC技術的應用越來越成熟，可以進行傾角加工和超精加工。這些都提高了模具型面加工精度，提高了模具的質量，縮短了模具的制造周期。
模具表面強化技術也得到廣泛應用。工藝成熟、無污染、成本適中的離子滲氮技術越來越被認可，碳化物被覆處理（TD處理）及許多鍍（涂）層技術在沖壓模具上的應用日益增多。真空處理技術、實型鑄造技術、刃口堆焊技術等日趨成熟。激光切割和激光焊接技術也得到了應用。
1.2.3 專業(yè)化程度及分布狀況
我國模具行業(yè)專業(yè)化程度還比較低，模具自產自配比例過高。國外模具自產自配比例一般為30%，我國沖壓模具自產自配比例為60%。這就對專業(yè)化產生了很多不利影響?，F在，技術要求高、投入大的模具，其專業(yè)化程度較高，例如覆蓋件模具、多工位級進模和精沖模等。而一般沖模專業(yè)化程度就較低。由于自配比例高，所以沖壓模具生產能力的分布基本上跟隨沖壓件生產能力的分布。但是專業(yè)化程度較高的汽車覆蓋件模具和多工位、多功能精密沖模的專業(yè)生產企業(yè)的分布有不少并不跟隨沖壓件能力分布而分布，而往往取決于主要投資者的決策。例如四川有較大的汽車覆蓋件模具的能力，江蘇有較強的精密沖模的能力，而模具的用戶大都不在本地。
1.3沖壓模具未來的發(fā)展重點與展望
1.3.1 沖壓模具產品發(fā)展重點
沖壓模具共有7小類，并有一些按其服務對象來稱呼的一些種類。目前急需發(fā)展的是汽車覆蓋件模具，多功能、多工位級進模和精沖模。這些模具現在產需矛盾大，發(fā)展前景好。
汽車覆蓋件模具中發(fā)展重點是技術要求高的中高檔轎車大中型覆蓋件模具，尤其是外覆蓋件模具。高強度板和不等厚板的沖壓模具及大型多工位級進模、連續(xù)模今后將會有較快的發(fā)展。多功能、多工位級進模中發(fā)展重點是高精度、高效率和大型、高壽命的級進模。精沖模中發(fā)展重點是厚板精沖模大型精沖模，并不斷提高其精度。
1.3.2 沖壓模具技術發(fā)展重點
模具技術未來發(fā)展趨勢主要是朝信息化、高速化生產與高精度化發(fā)展。因此從設計技術來說，發(fā)展重點在于大力推廣CAD/CAE/CAM技術的應用，并持續(xù)提高效率，特別是板材成型過程的計算機模擬分析技術。模具CAD、CAM技術應向宜人化、集成化、智能化和網絡化方向發(fā)展，并提高模具CAD、CAM系統(tǒng)專用化程度。
為了提高CAD、CAE、CAM技術的應用水平，建立完整的模具資料庫及開發(fā)專家系統(tǒng)和提高軟件的實用性十分重要。從加工技術來說，發(fā)展重點在于高速加工和高精度加工。高速加工目前主要是發(fā)展高速銑削、高速研拋和高速電加工及快速制模技術。高精度加工目前主要是發(fā)展模具零件精度1μm以下和表面粗糙度Ra≦0.1μm的各種精密加工。提高模具標準化程度，搞好模具標準件生產供應也是沖壓模具技術發(fā)展重點之一。 為了提高沖壓模具的壽命，模具表面的各種強化超硬處理等技術也是發(fā)展重點。對于模具數字化制造、系統(tǒng)集成、逆向工程、快速原型/模具制造及計算機輔助應用技術方面形成全方位解決方案，提供模具開發(fā)與工程服務，全面提高企業(yè)水平和模具質量，這更是沖壓模具技術發(fā)展的重點。畢業(yè)設計（論文）是本科教學計劃的一個重要環(huán)節(jié)，是落實本科教育培養(yǎng)目標的重要組成部分，其主要目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，理論聯系實際，獨立分析、解決問題，使學生在科研選題、調查研究、檢查和查閱中外文獻資料、綜合分析、實驗設計及研究、計算、數據處理、文字表達等方面的能力得到綜合訓練，進而鞏固和加深所學的專業(yè)知識，提升學生全面素質。近年來，制造業(yè)在科學發(fā)展觀的指引下邁入了新的發(fā)展階段，其中沖壓加工和模具技術更有顯著的進步。本人在綜合考慮了今后的工作和發(fā)展方向后，在這次畢業(yè)設計中選取了沖孔、拉伸、翻孔、切斷這一典型的級進模結構進行設計，以鞏固自己的專業(yè)知識。
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2沖壓件工藝分析
沖裁件的工藝性，是指沖裁件對沖裁工藝的適應性,即沖裁件的形狀結構、尺寸大小、尺寸偏差、形位公差與尺寸基準等是否符合沖裁工藝的要求。沖裁件的工藝性對沖裁工件的質量、材料利用率、生產率、模具制造難易、模具壽命、操作方式及沖壓設備的選用等都有很大的影響。一般情況下，對沖裁件工藝性影響最大是幾何形狀、尺寸、精度要求。良好的沖裁件工藝性能滿足材料省、工序少、產品質量穩(wěn)定、模具較易加工、操作方便且壽命較高等要求，從而顯著降低沖裁件的制造成本。
2.1 沖壓件材料分析
該零件的材料為08F，該鋼種是優(yōu)質碳素鋼，碳的質量百分數是0.05%～0.11％，屬于低炭鋼，屈服點=175MPa，抗拉強度=295MPa，延伸率不小于35％，斷面收縮率不小于60％，具有良好的沖壓、拉伸、彎曲、焊接性能，故廣泛用于制造冷沖壓零件。（參考文獻[7] 表8.4）
2.2 沖壓件結構工藝性及分析
沖裁件的結構形狀應盡可能簡單、對稱、避免復雜形狀的曲線，在許可的情況下，把沖裁件設計成少、無廢料排樣的形狀，以減少廢料，矩形孔兩端宜用圓弧連接，以利于模具加工。該工件結構簡單，也無復雜形狀的曲線。
沖裁件各直線或曲線的連接處，盡量避免銳角。除在少、無廢料排樣或采用鑲拼模結構時，都應有適當的圓角相連，以利于模具制造和提高模具壽命。工件圖如圖1.1所示：
圖1.1
零件最大寬度70 mm, 最大高度7. 5 mm, 最大長度160 mm。經分析,確定成形工序為拉深、沖孔、翻孔、落料。由于工序多, 為保證沖壓精度, 采用單側進行合理設計才能保證零件精度及質量。刃定距,導柱導套導向裝置。模具內設計氣孔,以便卸下工件, 采用壓邊限位裝置。翻孔時沿沖孔反方向進行,使毛刺位于翻孔內以減小開裂,同時凸模與凹模之間的間隙略小于材料厚度, 保證翻孔凸緣挺直。沖件上的孔與孔、孔與邊緣之間的距離不能過小，以避免工件變形、模壁過簿或因材料易被拉入凹模而影響模具壽命。一般孔與孔最小間距：3.1t，孔邊距?。簩A孔為（1~1.5）t。沖裁件的精度要求，應在經濟精度以內，對于該制件為普通沖裁件，其經濟精度不高于IT11級，沖孔件比落料件高一級。沖裁件的尺寸精度以不高于ITl2級為宜。如無特殊要求，外形尺寸精度應低于ITl0級，內形尺寸精度應低于IT9級。對精度要求高于ITl0級的沖裁件，應在模具結構設計方面采取措施，若提高定位精度，采用彈壓卸料頂件裝置，提高模具制造精度或采用精沖技術等。零件圖上要求公差為IT12級。沖裁件的斷面質量是不高的，材料厚度和硬度的影響尤甚。通常材料厚度t＜1mm的零件，斷面粗糙度可達Ra=3.2m；t＞1mm的零件，斷面粗糙度將高Ra=6.3m。（參考文獻[5] ）
2.3 模具結構形式和選材
2.3.1模具結構形式
該制件主要工序為：拉深、沖孔、翻孔、落料。采用多工序級進模，結構緊湊，沖
出的制件精度高，生產效率也高，適合大批量生產。采用自動送料，自動卸料，采用彈性卸料裝置，具有壓料作用，沖裁質量較好，模具精度應比沖裁件精度高2~3級，不應高太多，以免增加制造成本。
2.3.2模具材料選擇
冷沖壓模具的成本分析 在冷沖壓模具設計中，常常要提到模具成本問題，即經濟性。所謂經濟性，就是以最小的耗費取得最大的經濟效果。在沖壓生產中，既要保證產品質量，完成所需的產品數量，又要降低模具的制造費用．這樣才能使整個冷沖壓的成本得到降低。
在模具設計中主要考慮的問題是如何降低模具的制造成本。因為產品的成本不僅與材料費(包括原材料費、外購件費)、加工費(包括工人工資、能源消耗、設備折舊費、車間經費等)有關，而且與模具費有關。一副模具少則幾萬，多則上百萬。所以必須采取有效措施降低制造成本。
模具費在工件制造成本中占有一定比例。對于小批量生產，采用簡易模具。因其結構簡單、制造快速、價廉，所以能降低模具費，從而降低工件制造成本。在大批大量生產中．應盡量采用高效率、長壽命的級進沖模及發(fā)展硬質合金沖模。硬質合金沖模的刀磨壽命和總壽命比鋼模具大得多?？倝勖鼮殇撃＞叩?0~40倍，而模具制造費用僅為鋼模具的2~4倍。而對中批量生產，首先應盡量使沖模標準化，大力發(fā)展沖模標準件的品種，推廣沖模典型結構，最大限度地縮短沖模設計與制造周期。制造中、小型冷沖壓模具的材料有鑄鐵、碳素工具鋼、合金工具鋼、硬質合金、鋼結硬質合金以及鋅合金、低熔點合金、環(huán)氧樹脂、聚氨脂橡等。沖模主要零件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、硬質合金及鋼結硬質合金等。
凸模和凹模是在強壓、連續(xù)使用和有很大沖擊的條件下工作的，并伴隨有溫度的升高，工件條件極其惡劣。所以對凸模、凹模和材料要求有好的耐有溫度的升高，工件條件極其惡劣。所以對凸模、凹模和材料要求有好的耐磨性、耐沖擊性、淬透性和切削性，硬度很大，熱處理變形小，而且價格低廉。設計模具時，合理選取模具材料是關系到模具壽命和成本的一項重要工作。沖模的主要零件——凸模、凹模和凸凹模等材料的選取尤應慎重．通常應考慮如下幾點：
（1）根據沖壓件生產批量的大小來選取模具材料。當沖壓件的生產批量很大時，凸模、凹模和凸凹模應選取質量高、耐磨性好的模具鋼。例如C r12MoV、Cr4W2MoV、YGl5等。
（2）根據被沖壓材料的性能、工序性質和沖模主要零件工作條件和作用來選取模具材料。
（3）應考慮模具材料的冷、熱加工性能和工廠現有條件。
（4）應考慮我國模具鋼的生產和使用情況。
對于該制件主要工序為：拉深、沖孔、翻孔、落料，且要求大批量生產，所以模具材料應采用質量較高，能保證耐用度的材料。故凹、凸?？梢赃x擇高碳高鉻工具鋼Cr12MoV，熱處理硬度：60~62HRC。
3 沖壓工藝方案的確定
工藝方案的內容是確定沖裁件的工藝路線，主要包括確定工序數、工序的組合和工序的順序安排等，應在工藝分析的基礎上制定幾種可能的方案，再根據工件的批量、形狀、尺寸等多方面的因素，全面考慮、綜合分析，選取一個較為合理的方案。
沖裁工序按工序的組合程度可分為單工序沖裁、復合沖裁和級進沖裁。
級進模是在壓力機的一次行程中，一副模具的不同位置上完成多個不同的工序。根據對零件進行分析,綜合考慮材料利用率,工藝合理性及模具結構簡易等,
工序安排: ①沖切口; ②空位; ③拉深; ④反拉深; ⑤沖孔; ⑥翻孔; ⑦落料。
工位數的確定：
（1）應保證沖件的精度要求和零件幾何形狀的正確性。對要求零件精度比較高的
部位，應盡量集中在一個工位上一次沖壓完成。在一個工位完成確實有困難，需分解為兩個或多個工位時，最好放在相鄰的工位上。
（2）對于復雜的形孔和外形分斷切除時，只要不受精度要求和模具周邊尺寸的限
制，應力求做到各段形孔以簡單、規(guī)則、容易加工為基本原則。
（3）在普通低速壓力機上沖壓的級進模，為了使模具簡單、實用縮小模具體積、
減少步距的積累誤差，凡是能合并的工位，只要模具自身有足夠的強度，就不要輕易分解，增加工位。
空工位的設置原則：
（1）用導正銷做精確定具的條料，可適當增加空位，因步距積累誤差較小，對產品精度影響不大。反之，定距精度差的，不應輕易增設空工位。
（2）當模具步距較大（一般步距大于16mm）時，不宜多設置空工位。步距大于30mm以上時，更不能輕易設置多個空工位。
（3）一般來說，精度高、形狀復雜的零件，應少設置空工位。反之，可適當增加空工位。（參考文獻[1] ）
4 工 藝 計 算
4.1拉伸件展開尺寸計算
板料、帶料拉伸時，材料往拉伸力較大的區(qū)域流動。移動過程中，材料壁厚也會相應改變，故拉伸件的展開計算應遵循體積不變原則進行，
由于該工件近似橢圓臺，呈盒形，根據表面積相等原理，可近似計算毛坯面積為：
由對工件分析可取，，取修邊余量
則 。
因為該工件四周的變形區(qū)基本相等，變形量也相近，則毛坯尺寸為：
毛坯的長度
毛坯的寬度
毛坯的圓角半徑
由求得：
故： L=160mm
B=80mm
毛坯的展開形狀如圖3.2。
圖3.2 毛坯展開形狀圖
4.2材料的規(guī)格的選擇
沖壓生產中使用的材料相當廣泛。有金屬材料和非金屬材料，大部分都是各種規(guī)格的板料、帶料、條料和塊料。
板料是沖壓生產中應用最廣的材料，適合于成批生產。其尺寸規(guī)格按國家標準
定，采用標準規(guī)格板料可能會增加余料，使材料利用率降低。
帶料（卷料）用于大批量生產。帶料的寬度一般在300mm以下，根據材料的不
同，有不同的寬度尺寸，長度可達幾米到幾十米，有的薄材料可達數百米。
條料是根據沖壓件的需要，由板料剪切而成，用于中小型零件的沖壓。
塊料適用于單件小批量生產和價值昂貴的有色金屬的沖壓。
根據生產要求和工藝性，選擇切邊帶料。（參考文獻[4] ）
4.3排樣圖的設計與材料利用率的計算
4.3.1排樣圖的設計
（一）排樣分析
排樣指沖裁件在板料、條料或帶料上的布置方式。排樣是否合理，對材料利用率的大小有直接影響。還會影響到模具結構、生產率、制件質量、生產操作方便與安全等，因此，排樣是沖裁工藝與模具設計中一項很重要的工作。
沖壓件大批量生產成本中，毛坯材料費用占60%以上，排樣的目的就在于合理利用原材料。衡量排樣經濟性、合理性的指標是材料利用率。要提高材料利用率，就必須減少廢料面積，沖裁過程中所產生的廢料，可分為兩種情況：
（1）結構廢料 由于工件結構形狀的需要，如工件內孔的存在而產生的廢料稱為結
構廢料，它取決于工件的形狀，一般不能夠改變。
（2）工藝廢料 工件之間和工件與條料邊緣之間存在的搭邊，定位需要切去的料邊
與定位孔，不可避免的料頭和料尾廢料稱為工藝廢料，它決定于沖壓方式和排樣方式。
因此，提高材料利用率要從減少工藝廢料著手，同一個工件，可以有幾種不同的排樣方法。
根據材料的利用情況，排樣的方法可以有三種：
（1）有廢料排樣
沿工件的全部外形沖裁，工件與工件之間，工件與條料側邊之間都有工藝余料（搭邊）存在，沖裁后搭邊成為廢料，如圖3-3a所示。
（2）少廢料排樣
沿工件的部分外形輪廓切斷或沖裁，只在工件之間或是工件與條料側邊之間有搭邊存在，如圖3-3b所示。
（3）無廢料排樣
工件與工件之間。工件與條料側邊之間均無搭邊存在，條料沿直線或曲線切斷而得工件。如圖3-3c所示。
圖4-3排樣方法
a) 有廢料排樣 b) 少廢料排樣 c)無廢料排樣
有廢料的排樣法材料利用率較低，但制件的質量和沖模壽命較高，常用于工件形狀復雜、尺寸精度要求較高的排樣。
少、無廢料排樣法的材料利用率較高，在無廢料排樣時只有料頭、料尾損失，材料利用率可達85%～95%，少廢料排樣法也可達70%～90%。少、無廢料排樣法有利于一次沖裁多個工件，可以提高生產率。由于這種排樣法沖切周邊減少，所以還可以簡化模具結構，降低沖裁力。但是，少、無廢料排樣的應用范圍有一定的局限性，受到工件形狀結構的限制，且由于條料本身的寬度公差，條料導向與定位所產生的誤差，會直接影響工件尺寸而使工件的精度降低。在幾個工件的匯合點容易產生毛刺。由于采用單邊剪切，也會加快模具磨損而降低沖模壽命，并直接影響工件的斷面質量，所以少、無廢料排樣常用于精度要求不高的工件排樣。
有廢料、少廢料或無廢料排樣。按工件的外形特征、排樣的形式又可分為直排、斜排、對排、混合排、多排和裁搭邊等。
對于簡單形狀的工件，可以用就算方法選擇合理的排樣方式，而對于形狀復雜的工件要作出正確判斷則比較困難，通常用放樣的方法，即用厚紙片剪3～5個樣件，擺出各種可能的排樣方案，從中選擇一個比較合理的方案。
合理的排樣方法，應是將工藝廢料減到最少?？紤]到該工件的外形特征和材料的利用情況，可采用少廢料直排的排樣方式。（參考文獻[1] ）
（二）搭邊數值的選取
排樣時，沖件之間以及沖件與條料側邊之間留下的余料叫搭邊。它的作用是補償定位誤差，保證沖出合格的沖件，以保證條料有一定剛度，便于送料。
搭邊數值取決于以下因素：
(1)沖件的尺寸和形狀；
(2)材料的硬度和厚度；
(3)排樣的形式(直排、斜排、對排等)；
(4)條料的送料方法(是否有側壓板)；
(5)擋料裝置的形式(包括擋料銷、導料銷和定距側刃等的形式)。
當采用級進模沖壓時，排樣設計除了要考慮提高材料利用率以外，還必須注意以幾點：
(1)公差要求較嚴的零件．排樣時工步不宜太多，否則累積誤差大，零件公差要求不易保證；
(2)對孔壁較小的沖裁件，其孔可以分步沖出．以保證凹?？妆诘膹姸龋?
(3)零件孔距公差要求較嚴時，應盡量在同一工步沖出或在相鄰工步沖出；
(4)當凹模壁厚太小時，應增設空步．以提高凹模孔壁的強度；
(5)盡量避免復雜型孔，對復雜外形零件的沖裁，可分步沖出，以減小模具制造難度；
(6)當零件小而批量大時，應盡可能采用多工位級進模成形的排樣法；
(7)在零件較大的大量生產中，為了縮短模具的長度．可采用連續(xù)—復合成形的排樣法；
(8)對于要求較高或工步較多的沖件，為了減小定位誤差，排樣時可在條料兩側設置工藝，用導正銷定位；
(9)在級進模的連續(xù)成形排樣中，如有切口翹腳、起伏成形、翻邊等成形工時，一般應安排在落料前完成；
(10)當材料塑性較差時．在有彎曲工步的連續(xù)成形排樣中，必須使彎曲線與材料紋向成一定夾角。（參考文獻[1] ）
搭邊值根據工件寬和材料厚度，選工件間搭邊值a=3.0mm。
（參考文獻[5] ）
排樣圖4-4（mm）
圖4-4 排樣圖
4.3.2 材料利用率的計算
一個進距內的材料利用率為：
（4-3）
式中：A——沖裁件面積（包括沖出的小孔在內）（）；
n—— 一個進距內沖件數目；
B——條料寬度（mm）；
h——進距（mm）。
1x14756.2
η= ──── x100% =82.9%
178x100
（參考文獻[1] ）
4.4沖壓工藝力的計算
4.4.1沖裁力
沖裁力是凸模與凹模相對運動使工件與板料分離所需要的力，它與材料厚度、
工件周邊長度、材料的力學性能等參數有關。沖裁模設計時．為了合理地設計模具及
選用設備，必須計算沖裁力。壓力機噸位必須大于計算的沖裁力。以適應沖裁的要求。
沖裁力的大小主要與材料力學性能、厚度及沖裁件分離的輪廓長度有關。考慮到成本和沖裁件的質量要求，平刃口模具沖裁時，其理論沖裁力F(N)可按下式計算：
（4-4）
式中 L——沖裁件周邊長度(mm)；
t ——材料厚度(mm)；
——材料抗剪強度(MPa)；
K ——系數?？紤]到模具刃口的磨損，模具間隙的波動，材料力學性
能的變化及材料厚度偏差等因素，一般取K=1.3。
選擇設備噸位時，考慮刃口磨損和材料厚度及力學性能波動等因素實際沖裁力可
能增大，所以應取
F＝ （4-5）
式中 F——最大可能沖裁力(稱沖裁力)；N
——材料抗拉強度(MPa) 。 （參考文獻[1] ）
08F鋼的抗剪強度：260340N/，強度極限：300440 N/
（參考文獻[2] ）
圓孔的沖裁力的計算：
= =1.3211mm0.75mm340N/=22900.02（N）
切斷部分的沖裁力計算：
==1.3369.95mm0.75mm340N/=122638.4（N）
4.4.2拉伸部分的拉伸力計算
自由拉伸力為：
= （4-6）
式中 C——與彎曲形式有關的系數，對于V形件C取0.6；對于U形件C取0.7；
K——安全系數，一般取1.3；
B——料寬（mm）；
t ——料厚（mm）；
r ——彎曲半徑（mm）；
——材料強度極限(MPa)。
該工件屬于U形件，則：
==6177.6（N）
壓料力的計算：
壓料力Q值可近似取自由彎曲的30%80%，即：
（4-7）
式中 Q——壓料力，mm；
取 Q= 0.8=0.86177.6N=4942N
選擇壓力機時：
=11119.6N
（參考文獻[1] ）
4.4.3卸料力及推件力的計算
由于沖裁中材料的彈性變形及摩擦的存在，沖裁后帶孔部分的材料會緊箍在凸
模上，而沖落的材料會緊卡在凹模洞口中。從凸模上卸下的板料、帶料的力稱為卸料力；把落入凹模洞口中的沖壓件或廢料順著沖裁方向推出的力稱為推件力。
卸料力的大小與凸模和凹模之間的間隙、工件形狀、材料的種類及材料上所涂的潤滑劑的質量等因素有關。要準確計算很困難，實際生產中常用下列經驗公式計算
=F （4-8）
式中 F——沖裁力（N）；
——卸料力系數。
在整個沖裁過程中均有卸料力，則
=（++）
式中：、、——分別是大圓孔、小圓孔、切斷部分的沖裁力。
表4.1 卸料力、推件力及頂件力系數
查表4.2 取=0.045，則
=0.045（7355.76+10139.48+158810.6）
=7933.76（N）
采用彈性卸料裝置和下出料方式的總壓力為：
=++++
=7355.76+10139.48+158810.6+7933.76+0
=184239.6（N）
（參考文獻[1] ）
5 模具主要零件設計與選擇
5.1圓形凸模的設計
設計圖如5-1
圖5-1
22mm 的圓形凸模
基本尺寸D極限偏差：
凸模材料用Crl2MoV,刀口部分熱處理硬度為6062HRC．尾部回火至4050HRC。
凸模的固定方法采用臺階式凸模，將凸模壓入固定板內，采用H7/m6配合裝配后磨
平。
5.1.1凸模長度計算
凸模的長度應根據沖模的具體結構確定，應留有修磨余量，并且模具在閉合態(tài)
下。卸料板至凸模固定板間應留有避免壓手的安全距離。
一般按圖5-3所示的結構計算，
凸模長度應為：
L=H1+H2+H3+a （5-1）
式中 H1——凸模固定板厚度；
H2——卸料板厚度；
H3——導尺(導板)或坯料厚度；
a——附加長度．主要考慮
沖頭總修量及模具閉合狀態(tài)下卸料
板到沖頭固定板間的安全距離。
一般取1020mm。根據設計可知，
H1=20mm, H2=20mm,H3=0.75mm,
a=1mm, 凸模進入凹模取2mm,
所以凸?？傞L度為：L=45mm。
圖5-3
凸模一般不必進行強度校驗，但對于特別細長的凸模或凸模斷面尺寸小而板料厚度大時．則應進行強度校驗。
5.1.2承壓應力校驗
沖裁時，凸模承受的最小斷面壓應力，必須小于凸模材料強度允許的壓應[]。
即： （5-2）
對圓形凸模，由上式可得 （5-3）
即：
式中 ——凸模最小斷面壓應力（MPa）；
——凸?？v向總壓力（MPa）；
——凸模最小截面的面積（）；
——圓形凸模最小截面的直徑（mm）；
t ——沖裁材料厚度（mm）；
—— 沖裁材料抗剪強度（MPa）。
——凸模材料的許用壓應力，對于Crl2MoV，可取
=（1.01.6） MPa，凸模有特殊導向時，可取=（23） MPa。
==1.28mm
對于大小圓形沖孔凸模均能滿足要求。
5.1.3抗縱向彎曲應力的校核
無導向裝置的圓形凸模
（5-4）
有導向裝置的圓形凸模
（5-5）
式中 ——凸模允許的最大自由長度（mm）；
——沖裁力（N）；
d ——凸模最小截面直徑（mm）。
設計中卸料板兼其導向作用，所以
對于mm 的圓形凸模
=21mm=46.8mm
對于12mm的圓形凸模
=21mm=55.2mm
滿足要求
5.1.4圓形凸模固定端面的壓力
凸模固定端面的單位壓力按下式計算，即
q= （5-6）
式中 q——凸模固定端面的壓力，MPa；
A——凸模固定部分最大剖面積，；
F——落料或沖孔的沖裁力，N；
——模座材料的許用壓應力，MPa。
對于mm 的圓形凸模：
q==219 MPa>
對于12mm的圓形凸模：
q= =176 MPa>
凸模固定端面與模座直接接觸，當其單位壓力超過模座材料的許用壓應力時，模座表面就會損傷。為此應在凸模頂端與模座之間加一個淬硬的墊板。模座材料采用鑄鐵，許用壓應力。
（5.1參考文獻[2] ）
5.2 切斷凸模設計
此凸模為非標準件，為保證沖裁質量，避免毛刺的產生，故模具寬度要比沖裁工
件寬度寬一些，一般比沖裁材料寬。采用線切割或成形磨削加工，固定部分應和工作
部分尺寸一致。所以設計凸模結構如下圖5-4所示：
圖5-4
切斷凸模高度設計為與圓形凸模一樣高。凸模固定方式也才用臺階式（見圖5-2），
將凸模壓入固定板內，采用H7/m6配合裝配后磨平。
5.2.1凸模承壓力校核
沖裁時，凸模承受的最小斷面壓應力，必須小于凸模材料強度允許的壓應力[]。
即：
式中 ——凸模最小斷面壓應力（MPa）；
——凸模縱向總壓力（MPa）；
——凸模最小截面的面積（）。
= 149.5（MPa）〈
5.2.2 抗縱向彎曲應力的校核
無導向裝置的一般形狀凸模
（5-7）
有導向裝置的一般形狀凸模
（5-8）
式中 ——凸模允許的最大自由長度（mm）；
——沖裁力（N）；
I——凸模最小截面慣性矩（）。
從俯視圖可以看：凸模形狀類似為工字形，可按工字形截面求其近似慣性矩I，則
可以導出 （5-9）
式中 ——中性軸靜矩，=；（5-10）
——最大剪應力。
= =16177.2
故 =21mm==657.3mm
滿足要求
5.2.3 切斷凸模固定端面的壓力
切斷凸模固定端面的單位壓力按下式計算，即
q=
式中 q——凸模固定端面的壓力，MPa；
A——凸模固定部分最大剖面積，；
F——落料或沖孔的沖裁力，N；
——模座鑄鐵材料的許用壓應力，MPa。
q==149.5MPa>=
所以也需加墊板。 （5.2參考文獻[2] ）
5.3 拉伸凸模設計
在設計拉伸模具，模具結構是否合理直接影響成形質量及其穩(wěn)定性、拉伸力的大小、模具成本、模具壽命等問題。
根據拉伸件外形尺寸，可以基本確定拉伸凸模的工作部分尺寸，拉伸凸模高度應在拉伸凸模下行至下死點時與零件拉伸部分高度一致。
U形件拉伸模是拉伸模中最簡單的一種,其特點是結構簡單，通用性好，但拉伸時毛坯容易滑動偏移，影響工件精度。根據工件精度不同，可以采用帶有定位銷頂桿和U形頂板的結構，以防止坯料滑動，提高工件精度。
小批量生產多采用V形拉伸件，大批量生產時往往將其處理為U形拉伸，特別是采用級進模加工時，一定要考慮送料順利、直邊平直、減小回彈等問題。
對于U形拉伸，拉伸方向可以向下拉伸，也可以向上拉伸。設計時應注意以下問題：
（1）向下拉伸時，拉伸凸模必須安裝于凸模固定板上。開模后凸?？s進卸料板，帶料送進后遵循導正銷定位——卸料板壓料——凸模折彎的工作順序。
（2）向上拉伸時，應該以卸料鑲塊作為拉伸凸模。如果采用安裝于凸模固定板上的凸模進行折彎，則因為壓料不緊，帶料將偏移而成形效果不好。還應當采用彈性頂件裝置壓料，這樣即在彈性卸料裝置和頂件裝置的彈性夾緊后進行拉伸，且頂件后能保證送料順利。
綜合考慮后：選擇先向上拉伸。向上拉伸時，可把凸?？醋黛o止，凹模下行拉伸。
這樣后，實際凸模圓角半徑為凹模圓角半徑，凹模圓角半徑為凸模圓角半徑。后向下拉伸，向下拉伸時，可把凹?？醋黛o止，凸模下行拉伸，這樣后，實際凸模圓角半徑為凹模圓角半徑，凹模圓角半徑為凸模圓角半徑。
圖5-5
5.3.1 拉伸凸、凹模圓角半徑及工作部分深度的確定
凸模圓角半徑一般應等于彎曲件內圓角半徑的數值，但不能小于材料允許的最小彎曲半徑（08F號鋼與扎紋垂直的最小彎曲半徑0.4t ）, 彎曲部分半徑R為1，滿足要求。凹模圓角半徑不宜小于3，以免在彎曲時擦傷毛坯，凹模兩邊對稱處的圓角半徑應一致，否則拉伸時毛坯會發(fā)生偏移。
凹模圓角半徑與彎曲件邊長L公稱尺寸有關?？晌墨I[2]查表3.27 選用。可查得：凹模深度L為12mm，凹模圓角半徑=4mm。
5.3.2 凸、凹模間隙
對于U形拉伸，凸、凹模之間的間隙是靠調整壓力機的閉合高度來控制的。但必須考慮在合模時使毛坯完全靠壓，以保證彎曲件的質量。
5.3.3 落料口大小的確定
拉伸后，拉伸件采用下落料方式，就必須保證落料口要大于拉伸件最大邊長長度（拉伸件最大邊長長度為160mm）。彎曲凸模的尺寸可取為161x71mm。
5.4 凹模的設計
5.4.1 凹模孔口形式及主要參數
因工件精度不高，但形狀也較復雜，可以采用直筒式刃口凹模。直筒式刃口凹模有如下特點：制造方便，刃口強度高，刃磨后工作部分尺寸不變；孔內易積存沖件或廢料，脹力大，推件力大，刃磨層較厚。如圖5-6所示：
圖5-6
沖下的廢料從凹模下面漏出時，應在沖模的下模座上做一個漏料孔，一般漏料孔比凹模孔大0.52mm。
5.4.2整體式凹模外形尺寸的確定
凹模裝于下模座，由于下模座孔口較大而使凹模工作時承受彎曲力矩；若凹模高度H及模壁厚度C不足時，會使凹模產生較大的變形，甚至破壞。但由于凹模受力復雜，很難按理論方法精確計算來確定，對于非標準尺寸凹模一般不作強度校核。設計模具時，凹模外形尺寸一般是根據被沖裁料的厚度和沖裁件的最大外形尺寸，按經驗公式來確定其尺寸：
凹模高度：H=Kb (=15mm)； （5-11）
凹模壁度：C= (mm) （5-12）
式中 b——凹模刃口間的最大寬度,mm；
K——系數。
表5.1 系數K值
沖裁件最大刃口尺寸為切斷部分，尺寸為359.3mm。
查表5-1：K=0.39
凹模高度：H=0.39359.3=14mm,可取H=30mm
則：凹模壁厚：C= 20mm=(3040)mm
當凹模刃口周長超過50mm 且材料為合金工具鋼時，凹模厚度應乘以文獻[2]表2.43中的修正系數。查表系數為1.25。
即：凹模高度H=1.2520=40mm
凹模做采用螺釘和銷釘固定在下模座上，釘孔至刃口邊及釘孔之間的距離要有足
夠的強度，其最小值可參考表5.2
表5.2 螺孔、銷孔之間及至刃口邊的最小距離 (mm)
選淬火M12螺釘：凹模上螺孔到凹模邊緣的最小距離為16mm；凹模上螺孔到凹模刃口的最小距離為19mm;螺孔到銷孔的距離為最小距離5mm。選淬火Ф10銷釘：銷釘到凹模邊緣的最小距離為12mm。螺孔與銷釘之間的最小間距為5mm。以上尺寸要依據具體情況而定。再根據排樣圖，可以基本了解凹模的外形結構。以下是繪凹模俯視圖5-7：
圖5-7
5.4.3凹模強度校核
凹模強度校核主要是檢查其高度。凹模在沖裁力的作用下會產生彎曲，如果凹模強度高度不夠，就會產生較大的彎曲變形甚至斷裂。
矩形凹模裝在有方形洞的板上，計算公式為：
= （5-13）
式中： ——凹模最小厚度，mm；
P ——沖裁力，mm；
——許用彎曲應力。對于Cr12MoV， =（300500）MPa
= = 19.1mm<40mm
所以取凹模厚度40滿足要求 （5.3參考文獻[2] ）
5.5 彈簧的設計
彈簧作用是在沖壓工作中使導料板與帶料壓緊，保證帶料不偏移；在非工作狀態(tài)下，使導料板與帶料分離，并擁有一定的間隙，保證帶料的送進。
5.5.1設計彈簧的一般步驟
設計彈簧時，當給出彈簧的工作條件、工作載荷F和對應的變形量f，其計算步驟大體是：
（1）根據工作條件確定彈簧的載荷類型，選擇材料，并獲得許用切應力；
（2）根據要求，初選旋繞比C；
（3）計算材料直徑d，并計算出彈簧的中徑D；
（4）計算有效圈數n；
（5）最后進行彈簧性能校核。
5.5.2彈簧類型的選擇
圓柱螺旋彈簧的型式、代號及參數系列。見下表5-5，選擇LIII型
表5.5 冷卷拉伸彈簧（L）
5.5.3彈簧材料及許用應力
彈簧多數在變應力下工作，它的性能和使用壽命在很大程序上取決于材料的選擇。要求材料具有較高的疲勞極限、屈服點和足夠的沖出韌度。對熱成型的彈簧還要求材料有良好的淬透性、低的過熱敏感性和不易脫碳等性能。
（1）圓柱螺旋彈簧按所受載荷分類
圓柱螺旋彈簧按所受載荷的情況分為三類：
Ⅰ類──受循環(huán)載荷作用次數在1×106次以上的彈簧；
Ⅱ類──受循環(huán)載荷作用次數在1×103～1×106次范圍內及受沖出載荷的彈簧；
Ⅲ類──受靜載荷及受循環(huán)載荷作用次數在1×103次以下的彈簧；
三類彈簧的許用切應力和許用彎曲應力有的值，按表5-6選取
（2）對許用應力的修正
在選取材料和確定許用應力時，遇到下列情況應作適當的修正：
a）對重要的彈簧，其損壞對整個機械有重大影響時，許用應力應適當降低；
b）經強壓處理的彈簧，能提高其疲勞極限，對改善載荷下的松弛有明顯效果，可適當提高許用應力；
c）經噴丸處理的彈簧，也能提高疲勞強度或疲勞壽命，其許用應力可提高20%；
d）當工作溫度超過60℃時，應對切應變模量G進行修正，其修正公式為
（5-14）
式中 G——常溫下的切變模量；——工作溫度下的切變模量；——溫度修正系數。
表5.6 彈簧的許用應力（摘自GB/T1239.6－1992） （MPa）
鋼絲類型
或材料
碳素鋼絲琴鋼絲
不銹鋼絲
65Mn
55Si2Mn
55Si2MnB
60Si2Mn
60Si2MnA
50Cr