彎板沖壓成型工藝與模具的設(shè)計(jì)

河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)11 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)快速化等程度不高的原因。1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況改革開(kāi)放 20 多年來(lái)，我國(guó)的模具工業(yè)獲得了飛速的發(fā)展，設(shè)計(jì)、制造加工能力和水平、都有一了很大的提高。據(jù)中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1995 年中國(guó)模具總產(chǎn)值為145 億元，而 2003 年已達(dá) 450 億元左了，年均增長(zhǎng) 14%。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì) 2004 年中國(guó)（不包括臺(tái)灣、香港、澳門(mén)地區(qū)）共有模具專業(yè)生產(chǎn)廠、產(chǎn)品廠配套的模具車問(wèn)（分廠）近20000 家，約 60 萬(wàn)從業(yè)人員，年模具總產(chǎn)值達(dá) 1 億元人民幣以上的有十多家。但是，我國(guó)模具工業(yè)現(xiàn)有能力只能滿足需求最的 60%左右，還不能適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，1997 年進(jìn)口模具價(jià)值 6-3 億美元，這還不包括隨設(shè)備一起進(jìn)口的模具；1997 年出口模具僅為 7800 萬(wàn)美元。目前我國(guó)模具工業(yè)的技術(shù)水平和制造能力，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的薄弱環(huán)節(jié)和制約經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的瓶頸。國(guó)內(nèi)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了模具在制造業(yè)中的重要基礎(chǔ)地位，許多模具企業(yè)十分重視技術(shù)發(fā)展，增大了用于模具技術(shù)進(jìn)步的投資。1.2 我國(guó)未來(lái)模具的研發(fā)探討模具設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、三維化、集成化 1、標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)模具專業(yè)化生產(chǎn)的基本前提，是系統(tǒng)提高整個(gè)模具行業(yè)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益的重要手段，是機(jī)械制造業(yè)向深層次發(fā)展必由之路。國(guó)際上工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和公司都極為重視模具的標(biāo)準(zhǔn)化，我國(guó)的模具標(biāo)準(zhǔn)化程度不足 30%，而且標(biāo)準(zhǔn)品種少、質(zhì)量低、交貨期長(zhǎng)，嚴(yán)重阻礙模具的合理流向和效能發(fā)揮。CAD/CAM 系統(tǒng)可建立標(biāo)準(zhǔn)零件數(shù)據(jù)庫(kù)，非標(biāo)準(zhǔn)零件數(shù)據(jù)庫(kù)和模具參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)中的零件在 CAD 設(shè)計(jì)中可以隨時(shí)調(diào)用，并采用 GT（成組技術(shù)）生產(chǎn)。非標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)中存放的零件，雖然與設(shè)計(jì)所需結(jié)構(gòu)不盡相同，但利用系統(tǒng)自身的建模技術(shù)部可以方便地進(jìn)行修改，從而加快設(shè)計(jì)過(guò)程，典型模具結(jié)構(gòu)庫(kù)是在參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，按用戶要求對(duì)相似模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行修 改，即可生成所需結(jié)構(gòu)。河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)22、集成化模具 CAD/CAM 技術(shù)與 GT、CE(Concurrent Engineering)、CAE、CAPP(Computer Aided Process Program-ming)等技術(shù)密切相連，組成一個(gè)有機(jī)的整體，其關(guān)鍵在于建立一個(gè)統(tǒng)一的全局模具產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，模具設(shè)計(jì)中，提供全部的信息，使信息共享，交換處理和反饋，它綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，系統(tǒng)集成技術(shù)，并行技術(shù)和管理技術(shù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)化思想直至發(fā)展為 CIMS(Computer Integrated Manufacture System，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)) 。模具軟件功能的集成化要求軟件的功能模塊比較齊全，同時(shí)各功能模塊采用同一數(shù)據(jù)模型，以實(shí)現(xiàn)信息的綜合管理與共享，從而支持模具設(shè)計(jì)、制造、裝配、檢驗(yàn)、測(cè)試及生產(chǎn)管理的全過(guò)程，達(dá)到實(shí)現(xiàn)最佳效益的日的。如英國(guó) Delcam 公司的系列化軟件就包括了曲面/實(shí)體幾何造型、復(fù)雜形體工程制圖、工業(yè)設(shè)計(jì)高級(jí)渲染、塑料模設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)、復(fù)雜形體 CAM、藝術(shù)造型及雕刻自動(dòng)編程系統(tǒng)、逆向工程系統(tǒng)及復(fù)雜形體在線測(cè)量系統(tǒng)等。集成化程度較高的軟件還包括：Pro/E、UG 和 CAT1A 等。3、模具設(shè)計(jì)、分析及制造的三維化。傳統(tǒng)的二維模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和集成化技術(shù)要求。模具設(shè)計(jì)、分析、制造的三維化、無(wú)紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺(jué)來(lái)設(shè)計(jì)模具，所采用的三維數(shù)字化模型能方便地用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的 CAE 分析、模具可制造性評(píng)價(jià)和數(shù)控加工、成形過(guò)程模擬及信息的管理與共享。如 Pro/E、U G 和 CAT1A 等軟件具備參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)等特點(diǎn)，從而使模具并行工程成為可能面向制造、基于知識(shí)的智能化功能是衡量模具軟件先進(jìn)性和實(shí)用性的重要標(biāo)志之一。如 Cimatron 公司的注射模專家軟件能根據(jù)脫模力向自動(dòng)產(chǎn)生分型線和分型面，生成與制品相對(duì)應(yīng)的型芯和型腔，實(shí)現(xiàn)模架零件的全相關(guān)，自動(dòng)產(chǎn)生材料明細(xì)表和供 NC 加工的鉆孔表格，并能進(jìn)行智能化加工參數(shù)設(shè)定、加工結(jié)果校驗(yàn)等。4、網(wǎng)絡(luò)化與協(xié)同設(shè)計(jì)隨著模具工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，要做到資源信息共享、交換等，網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)的發(fā)展是必然的，將以微機(jī)為中心的智能工作站達(dá)成了分布式系統(tǒng)構(gòu)成 CAD/CAM/CAE/CAPP微機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)靈活，功能愈加強(qiáng)大，并伴隨著 Internet/Intranet 網(wǎng)的進(jìn)一步拓展，系統(tǒng)提供了異地設(shè)計(jì)人員在同一時(shí)間對(duì)同一個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和修改，實(shí)現(xiàn)異地操作與數(shù)據(jù)交換，使一個(gè)項(xiàng)目在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上協(xié)作完成，以適應(yīng)不同地區(qū)的現(xiàn)有資源和生產(chǎn)設(shè)備資源的要求和利用。這種基于 Internet 下的協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了企業(yè)間的“集成化” ，它將成為模具制造業(yè)全球化的發(fā)展 趨勢(shì)。河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3隨著模具在企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、合作、生產(chǎn)和管理等力一面的全球化、國(guó)際化，以及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，模具軟件應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)是使 CAD/CAE/CAM 技術(shù)跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨院所在整個(gè)行業(yè)中推廣，實(shí)現(xiàn)技術(shù)資源的重新整合，使虛擬設(shè)計(jì)、敏捷制造技術(shù)成為可能。美國(guó)在其21 世紀(jì)制造企業(yè)戰(zhàn)略中指出，到 2006 年要實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)敏捷生產(chǎn)/虛擬工程方案，使汽車開(kāi)發(fā)周期從 40 個(gè)月縮短到 4 個(gè)月。5、智能化CAD/CAM 系統(tǒng)智能化主要表現(xiàn)在專家系統(tǒng)思想的引入，通過(guò)虛擬專家來(lái)處理模具設(shè)計(jì)制造中的問(wèn)題，專家系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)模塊知識(shí)庫(kù)模塊和控制模塊，專家系統(tǒng)可以解決知識(shí)表示，特征統(tǒng)計(jì)，推理力法，概念設(shè)計(jì)等問(wèn)題，具有啟發(fā)性、靈活性等特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)具備人上智能(AI)理想的智能模具 CAD/CAM 系統(tǒng)響應(yīng)，自動(dòng)產(chǎn)生設(shè)計(jì)方案，對(duì)方案進(jìn)行最優(yōu)評(píng)價(jià)和選擇，并對(duì)模具設(shè)計(jì)制造提供全方位的過(guò)程響應(yīng)和處理。1.3 彎曲模模具設(shè)計(jì)與制造方面1.3.1 彎曲沖孔連續(xù)模模具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路彎曲和沖孔是沖壓基本工序，它是利用凸模模在壓力機(jī)作用下，將平板坯料彎曲成型或沖裁出凸模的形狀的加工方法。但是，加工出來(lái)的制件的精度都很底。一般情況下，彎曲件的尺寸精度應(yīng)在 IT11 級(jí)以下，不宜高于 IT9 級(jí)。1.3.2 彎曲沖孔連續(xù)模模具設(shè)計(jì)的進(jìn)度1.了解目前國(guó)內(nèi)外沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀，所用時(shí)間 20 天；2. 確定加工方案，所用時(shí)間 5 天；3. 模具的設(shè)計(jì)，所用時(shí)間 30 天；4模具的調(diào)試所用時(shí)間 5 天；河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)42 彎板的工藝分析工件名稱：彎板生產(chǎn)批量：大批量材料：08 鋼厚度：2mm工件簡(jiǎn)圖：如圖所示2.1 彎曲沖孔的工藝分析為此工件典型的 U 形件，零件圖中的尺寸公差為未注公差，在處理此類公差等級(jí)時(shí)常采用 IT14 級(jí)要求。彎曲圓角半徑 R 為 2mm，大于最小彎曲半徑(rmin=0.6t=0.62mm=1.2mm)，故此彎曲件的形狀、尺寸、精度均滿足彎曲工藝的要求，可用彎曲工序加工。此彎曲件上有 2 個(gè)孔，需采用沖孔的方式加工，孔的直徑為 4.5mm，形狀簡(jiǎn)單，且對(duì)稱。沖裁件所能達(dá)到精度為 IT11IT14 級(jí)。故該零件的精度要求能夠在沖裁加工中得到滿足。 2.2 工藝方案的確定 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5該零件所需要的加工工序?yàn)闆_孔、彎曲、切斷?？蓴M定出以下幾種方案：方案一：用簡(jiǎn)單的模具分開(kāi)加工，即沖孔彎曲。方案二：采用斜鍥式側(cè)面沖孔復(fù)合模。方案三: 采用沖孔-切斷-彎曲級(jí)進(jìn)模。方案一生產(chǎn)效率低，工件累計(jì)誤差大，操作不方便，由于該工件是大批量生產(chǎn)，方案二和方案三具有很大的優(yōu)越性，而且也與此次設(shè)計(jì)的精神相一致。該零件 4.5 的孔與邊緣之間的最小距離是 7.75mm，大于此零件要求的最小的壁厚?？梢圆捎貌捎眯卞浭絺?cè)面沖孔復(fù)合模或采用沖孔-切斷-彎曲級(jí)進(jìn)模。復(fù)合模模具的形位精度和尺寸精度容易保證，且生產(chǎn)效率較高，但模具較復(fù)雜，模具制造較困難。級(jí)進(jìn)模不僅生產(chǎn)效率高，而且同時(shí)也能保證制件的精度，通過(guò)對(duì)上述三種方案的分析比較，該零件的制作生產(chǎn)采用方案三的級(jí)進(jìn)模比較合適。河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)63 排樣設(shè)計(jì)多工位級(jí)進(jìn)模的排樣，除了遵守普通沖壓模具的排樣原則外，還應(yīng)遵守級(jí)進(jìn)模的排樣原則。1.第一工位一般安排沖孔和沖工藝導(dǎo)正孔。2.沖壓件上孔的數(shù)量較多，且孔的位置太近時(shí)，可分布在不同公位沖出。3.為提高凹模鑲塊、卸料板和固定板的強(qiáng)度，保證各零件安裝位置不發(fā)生干涉，可在排樣中設(shè)置空工位，空工位的數(shù)量根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)要求而定。4.當(dāng)局部有壓筋時(shí)，一般安排在沖壓前，防止由于壓筋造成孔的變形。5.成型方向的選擇要有利于模具的設(shè)計(jì)和制造，有利于送料的順暢。若成型方向與沖壓方向不同，可采用斜滑塊，杠桿和擺塊等機(jī)構(gòu)來(lái)轉(zhuǎn)換成型方向。 排樣圖條料寬度 B=30mm 步距 S=112.85mm河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)74 工藝尺寸的計(jì)算4.1.彎曲工藝尺寸的計(jì)算4.1.1 彎曲件展開(kāi)長(zhǎng)度的計(jì)算 當(dāng)彎曲圓角半徑較小 （r0.5t)時(shí)，可以根據(jù)中性層長(zhǎng)度不變的原理計(jì)算。因?yàn)?R=20.52，屬于圓角半徑較大的彎曲件。所以彎曲件展開(kāi)長(zhǎng)度按直邊區(qū)與圓邊區(qū)分段進(jìn)行計(jì)算。將直邊區(qū)視為彎曲前后長(zhǎng)度沒(méi)有發(fā)生變化，將圓角區(qū)展開(kāi)長(zhǎng)度按彎曲前后中性層長(zhǎng)度沒(méi)有發(fā)生變化進(jìn)行計(jì)算。1.由于 R/t=2/2=1，查表得出，中性層位移系數(shù) x=0.41變形區(qū)中性層曲率半徑 按公式計(jì)算=r+xt=2+0.412=2.82mm2.中性層的長(zhǎng)度L 總 = L 直+ L 弧L 弧= = 2.82=4.427mm180 904.3式中 L 總坯料展開(kāi)總長(zhǎng)度；L 弧彎曲件彎曲圓角部分的長(zhǎng)度；彎曲中心角； 該毛坯展開(kāi)長(zhǎng)度為L(zhǎng) 總=（35-2-2）2+（50-22-22）+4.4272=（312+42+8.854）mm=112.85mm4.1.2 彎曲模工作部分尺寸的計(jì)算河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)81.凸模圓角半徑 由于此工件 R/t=2/2=1mm 較小，且 R 為 2mm，大于最小彎曲半徑（rmin=0.4t=0.42=0.8mm） ，故凸模圓角半徑 r 凸=R=2mm。2.凹模圓角半徑 凹模圓角半徑一般按材料厚度 t 來(lái)選取，因?yàn)椴牧虾穸葹?mm，所以 r 凹=（23）t，故凹模圓角半徑取 r 凹=4mm。 3.凹模工作部分深度的設(shè)計(jì)計(jì)算 凹模工作部分的深度將決定板料的進(jìn)模深度，同時(shí)也影響到彎曲件直邊的平直度，對(duì)工件的尺寸精度造成一定的影響。此彎曲件：直邊長(zhǎng)度為 35mm，板料厚度 2mm，查表得出凹模的底部最小厚度 h0=4mm，因此凹模工作部分最小深度為 h 凹=24mm。 4.凸凹模間隙 當(dāng)工件精度要求不高或校正彎曲時(shí)，生產(chǎn)中常采用調(diào)整凸凹模間隙的方法來(lái)解決工件回彈的問(wèn)題。設(shè)計(jì)彎曲模時(shí)將凹模設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的。由于凹模設(shè)計(jì)成可調(diào)式的，故將凸凹模的間隙 調(diào)整成材料的厚度 t，即 =2mm。2Z2Z5.彎曲件回彈值的計(jì)算 小變形程度（r/t10）時(shí)，回彈大，先計(jì)算凹模圓角半徑，再計(jì)算凸模角度；大變形程度（r/t5）時(shí)，卸載后圓角變化小，僅考慮彎曲中心角的變化。彎曲時(shí)，彎曲中心角為 90，因此，查相關(guān)手冊(cè)，取回彈角 2。6.彎曲力的計(jì)算 U 型件校正彎曲時(shí)，在進(jìn)行校正彎曲前是自由彎曲，彎曲力FU自由彎曲力為FU自由彎曲力= = =8.87KNtrKBb27.02350.17式中 FU自由彎曲力沖壓行程結(jié)束時(shí)自由彎曲的彎曲力（N） ；K安全系數(shù)，一般取 K=1.3;b彎曲件的寬度（mm）t彎曲件材料厚度（mm）b彎曲件的抗拉強(qiáng)度（MP）r彎曲件的內(nèi)彎曲半徑（mm）頂件力 F 頂可近似取自由彎曲力的 30%80%，即F 頂=（0.30.8）FU 自由彎曲力=（0.30.8）8.87KN=(2.667.09)KN取 F 頂=5KN校正彎曲時(shí)，校正彎曲力最大值在壓力機(jī)工作到下止的位置，且校正彎曲力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由彎曲力，而在彎曲過(guò)程中，二者不是同時(shí)存在，因此查表得 P=60MP,所以校正力 F較為F 較=AP=60（3050）=90KN式中 F 較校正彎曲力 （ N）河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)9A校正部分投影面積 （mm ）2P單位校正彎曲力 （MP）對(duì)于校正彎曲，由于校正彎曲力比頂件力大的多，故頂件力常常被忽略，但為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，在計(jì)算壓力機(jī)工稱壓力時(shí)，應(yīng)將頂件力考慮進(jìn)來(lái)。4.2 計(jì)算沖裁工藝尺寸計(jì)算4.2.1 計(jì)算凸凹模工作部分尺寸由于制件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度等級(jí)要求不高，所以采用凸模和凹模分開(kāi)加工的方法來(lái)制作凸凹模。其凸凹模計(jì)算尺寸如下：查閱相關(guān)手冊(cè)得出凸、凹模制造公差： 凸=0.020mm 凹=0.020mm查閱相關(guān)手冊(cè)得間隙值 Zmin=0.246mm Zmax=0.360mm校核： Zmax-Zmin=0.114mm 而 凸+ 凹=0.040mm滿足： Zmax-Zmin 凸+ 凹的條件查相關(guān)手冊(cè):IT14 級(jí)時(shí)摩擦系數(shù) x=0.5因?yàn)榇藳_裁為沖孔工序，所以以凸模為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，首先確定涂膜尺寸，使凸模的基本尺寸接近或等于工件孔的最大