沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)

1、沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)摘要 本次針對(duì)汽車消音器沖壓模具的設(shè)計(jì)，是對(duì)該項(xiàng)零件進(jìn)行沖壓工藝分析和有關(guān)工藝計(jì)算，確定合理的沖壓工藝方案，設(shè)計(jì)沖壓工序的三套模具，正確選用標(biāo)準(zhǔn)模架。使用ug三維繪圖軟件繪制模具圖，對(duì)沖壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝分析。明確了設(shè)計(jì)思路，確定了沖壓成型工藝過程并對(duì)各個(gè)具體部分進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和校核。這樣設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)可以確保模具工作時(shí)運(yùn)用可靠，保證與其他零部件的配合，根據(jù)三維圖繪制模具二維裝配圖和零件圖。關(guān)鍵詞 工藝計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)模架 三維圖繪制 二維裝配圖沖裁 沖裁是利用模具使板料產(chǎn)生分離的沖壓工序，包括落料與沖孔。它可以制成零件也可以為彎曲，拉伸，成形等工序準(zhǔn)備毛坯。從板料上沖下所需形狀的零件

2、叫落料。在工件上沖出所需形狀的孔叫做沖孔。 如下圖所示的墊圈，就是由落料和沖孔兩道工序完成。通過生產(chǎn)實(shí)踐，我們對(duì)沖裁過程及模具結(jié)構(gòu)有了一定的了解，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，才能真正理解沖裁過程的本質(zhì)，更好的制定工藝和設(shè)計(jì)模具。下面就沖裁變形過程，沖裁件質(zhì)量，沖裁橫刀口尺寸設(shè)計(jì)及沖裁模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行分析討論。第1節(jié) 沖裁變形機(jī)理由圖1-2所示的沖裁變形過程可以看出，凸模與凹模組成上下刃口材料放在凹模上，凸模逐步下降使材料產(chǎn)生變形，直至全部分離完成沖裁。隨著凸模作用在材料上的外力在數(shù)量上的變化，材料內(nèi)部的變形不斷發(fā)展。 沖裁過程的變形分為三個(gè)階段（圖1-2）1. 彈性變形階段凸模與材料的力與

3、沖床沖頭接觸，材料發(fā)生彈性壓縮與彎曲并擠入凹模洞口。這時(shí)材料的內(nèi)力沒有超過屈服極限，若凸模卸壓，材料即恢復(fù)原狀，故稱彈性變形階段。2. 塑性變形階段凸模繼續(xù)加壓，材料內(nèi)應(yīng)力達(dá)到屈服極限，部分金屬被擠入凹模洞口，產(chǎn)生塑形剪切變形，是閃亮的蛆切表面。因凹，凸模間存在缺陷，故在塑性剪切變形的同時(shí)還伴有材料的彎曲與拉伸。3. 斷裂分離階段外力繼續(xù)增加材料內(nèi)應(yīng)力不斷增大，在凸凹模刀口處由于應(yīng)力集中，內(nèi)應(yīng)力首先超過抗剪切變形強(qiáng)度，出現(xiàn)微裂紋。凸模繼續(xù)下壓，凸凹刃處的微裂紋不斷向材料內(nèi)部擴(kuò)展，材料即被拉斷分離。如果凹凸模間隙合理時(shí)，上下裂紋互相重合。應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)一步分析沖裁時(shí)變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，有助于對(duì)

4、沖裁過程的了解。在凹模和凸模刃口的連線上取單元體，其應(yīng)力應(yīng)變圖如圖1-3所示。從圖中可以看出從中可以看出似乎金屬斷裂線ab，切削刃在線）在45度的主軸方向1是拉伸力與拉伸變形，拉應(yīng)力使金屬纖維伸長；與其垂直的主軸方向2是壓力與壓縮變形，使纖維受擠壓；在切線方向的應(yīng)力與應(yīng)變很小，忽略不計(jì)，與主應(yīng)力方向成45度角方向?yàn)樽畲蠹魬?yīng)力方向。而凹凸模之間存在間隙，使金屬伸長并撕斷，致使破裂面粗糙，并帶有毛刺。上述沖裁過程還可以通過沖裁力的變化曲線圖得到確認(rèn)。從圖中可以看出，沖裁厚度為3毫米的材料時(shí)沖裁力與凸模行程的關(guān)系曲線。從圖中可以看出：在沖裁過程中沖裁力的大小是不斷變化的，ab段相當(dāng)于沖裁的彈性變形階

5、段，bc段為塑性變形階段。當(dāng)材料內(nèi)應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度時(shí)材料開始產(chǎn)生裂紋，cd段為裂紋擴(kuò)展直至材料分離的階段，de段為將材料推出凹模口。剪切斷面分析參見圖2-10上述沖裁過程得到的沖裁件截面并不是光滑垂直的，斷面存在三個(gè)區(qū)域，即圓角帶，光亮帶與斷裂帶。圓角帶是在沖裁過程中塑性變形開始時(shí)，由于金屬纖維的彎曲與拉伸而形成的，軟料比硬料的圓角大。光亮帶是在變形過程的第二階段金屬產(chǎn)生塑剪變形時(shí)形成的，有光滑垂直的表平面，光亮帶占全斷面的3/12/1,軟材料的光亮帶窄，隨材料機(jī)械性能，間隙，模具結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同的變化。斷裂帶相當(dāng)于沖裁過程的第三階段，主要是由于拉應(yīng)力的作用，裂紋不會(huì)產(chǎn)生纖維斷裂擴(kuò)展，故表面極粗

6、糙不光滑，且有料度。在沖孔的斷面上同樣具有上述特征，只是三個(gè)位置的分布與落料相反。沖裁件除斷面處有纖維度外，還有點(diǎn)彎曲不平整，端面有毛刺，所以沖裁只是合與一般要求的沖裁件。第2節(jié) 模具間隙沖裁時(shí)不僅要求沖出符合圖紙形狀要求的零件，還應(yīng)有一定質(zhì)量要求，沖裁件質(zhì)量是指切斷面質(zhì)量，尺寸精度及形狀誤差。切斷面應(yīng)平直，光潔，無裂紋和撕裂，夾層等缺陷，表面應(yīng)盡可能平坦，即穹弓小，尺寸精度保證不超出圖紙規(guī)定的公差范圍。 影響沖裁質(zhì)量的因素很多，從生產(chǎn)實(shí)際知道，凸凹模具間隙大小及力的均勻性，模具刃口狀態(tài)，模具結(jié)構(gòu)與制造精度，材料品質(zhì)等，對(duì)沖裁件都有影響。但我們必須從其中找出對(duì)沖裁質(zhì)量起著決定性作用的因素，間隙

7、就是一個(gè)。1. 對(duì)沖裁斷面質(zhì)量的影響比較平直光潔，且無毛刺。在這種情況下的零件斷面質(zhì)量認(rèn)為是良好的。當(dāng)間隙過小時(shí)，則上下裂紋互不重合。當(dāng)間隙過大時(shí)，裂紋也不重合。若間隙分布不均，局部毛刺，磨損不均，加??；所以間隙不僅要選用合理，而且再制造和調(diào)整沖模時(shí)保證間隙均勻。2. 間隙對(duì)尺寸精度的影響沖裁件的尺寸精度指沖件的實(shí)際尺寸與公稱尺寸的差值，差值越小則精度越高。這個(gè)差值包括兩方面的偏差，一是沖裁件與凸模或凹模尺寸的偏差，一是模具本身的制造偏差。沖裁件與凸，凹模尺寸的偏差主要是由于：制件（廢料）從凹模內(nèi)推出，由于材料的彈性恢復(fù)造成的。偏差值可能是正，也可能是負(fù)。影響這個(gè)偏差值的因素有：1. 凹凸模間

8、隙 間隙大，拉伸作用明顯，彈性恢復(fù)使落料件小于凹模尺寸，沖孔件間隙小2. 材料性質(zhì) 材料性質(zhì)對(duì)尺寸精度有影響，因?yàn)椴牧闲再|(zhì)直接決定了材料的沖裁質(zhì)量。軟鋼的彈性變形量較小，沖裁后的彈性恢復(fù)量也就小，故工件精度較高。硬鋼彈性恢復(fù)較大，工件精度就較低。3. 工件形狀與尺寸 材料厚度與工件形狀對(duì)哨度也有影響，薄材料沖裁的彈性恢復(fù)大。工件形狀越復(fù)雜，模具創(chuàng)造及調(diào)整時(shí)就越難保證間隙均勻，故尺寸偏差也越大。4. 刃口狀態(tài)對(duì)斷面質(zhì)量的影響5.間隙對(duì)沖裁力的影響間隙越小，沖裁變形區(qū)的靜水壓力越高，材料的變形抗力就越大，沖裁力也就越大；反之，當(dāng)間隙增大時(shí)抗力降低，沖裁力也就減小，但減小的數(shù)值不大。第3節(jié) 凹凸模間

9、隙的確定由此可見，凹凸模間隙對(duì)沖裁件質(zhì)量，沖裁力，模具壽命都有很大的影響，因此設(shè)計(jì)模具時(shí)一定要選擇個(gè)合理的間隙，以保證沖裁件的斷面質(zhì)量好，所需沖裁小，模具壽命高。但是分別從質(zhì)量，精度，沖裁力多方面的要求分別確定的合適間隙并不是同一個(gè)數(shù)值，而是彼此接近，同時(shí)考慮到模具制造中的偏差及使用中的磨損，故生產(chǎn)中常選擇一個(gè)適合的范圍為合理間隙，只要間隙落在這個(gè)范圍內(nèi)就可以沖出良好制品，這個(gè)范圍的最小值稱最小合理間隙，最大之稱為最大合理間隙。在最小合理間隙時(shí)可以得到與板面垂直的斷面，而不產(chǎn)生顯著的毛刺。在最大間隙仍能得到滿意端面質(zhì)量?？紤]到模具在使用過程中的磨損使間隙增大，故設(shè)計(jì)與制造新模具時(shí)要采用最小合理

10、間隙。 確定合理間隙的方法有理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)確定法兩種。1. 理論確定法 理論確定法的主要依據(jù)是要保證裂紋重合，以便獲得良好的斷面。圖1沖裁過程中開始產(chǎn)生裂紋的瞬時(shí)狀態(tài)q從圖中的三角形abc可求的間隙z式子中a-凸模壓入深度; b-最大剪應(yīng)力方向與垂線間夾角；從上式可以看出，間隙z與材料厚度t，相對(duì)切入深度h。/t 以及裂紋方向有關(guān)，而又與材料性質(zhì)有關(guān)，材料越硬h。/t 越小。因此從上式可以看出影響間隙值的主要因素是材料性質(zhì)和厚度。材料越硬越厚，所需合理間隙值越大。表1-3為常用沖壓材料的h。/ t 與的近似值。 由于各種材料的h。/ t 與值目前還沒有準(zhǔn)確的測定數(shù)值，而且，生產(chǎn)中使用這種方法也

11、不方便，故廣泛采用經(jīng)驗(yàn)公式與圖表法。2. 經(jīng)驗(yàn)確定法經(jīng)驗(yàn)確定法也是根據(jù)材料性質(zhì)與厚度，按下式確定 式中：k-與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù) t-材料厚度軟材料如08,10，黃銅，紫銅z=（0.08-0.1）t中硬材料：a3，a4,20,25 z=（0.1-0.12）t硬材料如a5,50z=（0.1-0.14）t其中薄料取下限。3 圖表法 此外也可以直接查表確定間隙值（如教材2-3,2-4,2-5表）表2-5是原機(jī)械工業(yè)部的沖裁間隙指導(dǎo)性技術(shù)文件（jb/z271-86）推薦的間隙值。 過去我國一直采用蘇聯(lián)資料介紹的間隙值，從使用的經(jīng)驗(yàn)來看，其間細(xì)值一般較小。原因之一是這種間隙沒有根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)分類選用，其二

12、是只以沖裁件精度作為主要依據(jù)，而沒有考慮斷面及模具壽命等其他重要因素，所以在生產(chǎn)中存在不少問題。例如：磨損+沖裁力 所以，在實(shí)際應(yīng)用中，除了特別要求斷面垂直的制件以外，盡量采用大間隙。 另外，實(shí)踐中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還應(yīng)：（1） 沖空的z值可比落料取大些;（2） 沖孔時(shí)z值取大些，以防凸模折斷；（3） 硬質(zhì)合金模z值應(yīng)比鋼模大30%；（4） j凹模孔口為錐形的比直型的z值小些；（5） 高速?zèng)_壓時(shí)模具易發(fā)熱，f值應(yīng)取大些；（6） 凹凸模壁薄時(shí)，為防止?jié)q裂，應(yīng)放大沖孔的z。第4節(jié) 沖裁刃口尺寸的計(jì)算 模具的刃口尺寸和公差，直接影響沖裁件的尺寸精度，合理間隙也要靠它來保證。因此，正確的計(jì)算模具的刃口尺寸和公

13、差是模具設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)十分重要的工作。 在計(jì)算刃口尺寸和工差時(shí)應(yīng)遵循以下原則：1. 考慮到落料件的尺寸取決于凹模尺寸，而沖孔件的尺寸取決于凸模尺寸，故設(shè)計(jì)落料模時(shí)，應(yīng)以凹模為基準(zhǔn)，間隙留在凸模上;設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，應(yīng)以凸模為基準(zhǔn)，間隙留在凹模上。（斷面是有錐度的，落料件大端尺寸=a凹模尺寸，沖孔件小端尺寸=凸模尺寸）2. 考慮到磨損會(huì)使凹模尺寸增大，凸模尺寸減小，為保證模具的壽命，落料凹模的基本尺寸應(yīng)取靠近或等于工件的最小極限尺寸；沖孔凸模的基本尺寸應(yīng)取靠近或等于工件的最大極限尺寸，并采用最小合理間隙值。3. 選擇刃口的制造公差時(shí)，應(yīng)保證工件的精度和合型間隙的要求，同時(shí)要便于模具制造工差過大，則沖出

14、的件可能不合格，或不能保證合理間隙；如果過小，則模具制造難并使模具成本增加。模具精度與沖裁件精度的關(guān)系見表 特別說明：若工件尺寸沒有標(biāo)注公差，則按未注公差it14級(jí)來處理，而模具則按it11級(jí)制造（對(duì)非圖形件），或按it6-7級(jí)制造（對(duì)圓形件）按模具加工方法的不同，刃口計(jì)算方法分為兩種1. 凸模與凹模分開加工 分開加工，是指凸模與凹模分別按各自的圖紙單獨(dú)加工，模具間隙靠加工出的尺寸保證。因此，要分別計(jì)算和標(biāo)注出凹模，凸模的尺寸和公差。此法適用于圓形或形狀簡單的工件。 （1）落料模 設(shè)落料件尺寸度d，根據(jù)上述原則，先確定凹模尺寸在減小凸模尺寸以保證合理間隙。刃口部分尺寸關(guān)聯(lián)圖如圖所示。 落料模的

15、刃口尺寸計(jì)算公式如下 （2）沖孔模 設(shè)沖孔尺寸為d。根據(jù)上述計(jì)算原則先確定凸模尺寸，在增大凹模尺寸以保證最小合理間隙刃口部分各尺寸關(guān)聯(lián)圖如圖2-13（b）所示。沖孔徑的刃口尺寸計(jì)算公式如下： 符號(hào)意義：x-公差帶偏移系數(shù)，目的是為避免多數(shù)沖裁件都偏向極限尺寸其值與工件精度有關(guān)。公差帶偏移系數(shù)x可查2-7,或按下列關(guān)系取工件精度it10以上：x=1工件精度it11-13：x=1.75工件精度it14：x=0.5為了保證合理間隙，模具制造公差必須滿足下列條件：凹凸模分開加工的優(yōu)點(diǎn)是：凹凸模有互換性，便于模具成批加工。凹凸模分開加工的缺點(diǎn)是：為了保證合理間隙，需要較高的模具制造公差等級(jí)，模具制造比較

16、困難。2. 凸模與凹模配合加工 對(duì)于形狀復(fù)雜或薄材料工件，為了便于模具制造，應(yīng)采用配合加工。此方法是先加工基準(zhǔn)件（落料時(shí)為凹模，沖孔時(shí)為凸模），然后根據(jù)基準(zhǔn)件的實(shí)際尺寸，來配做另一件（落料時(shí)為凸模，沖孔時(shí)為凹模），在另一件上修出最小合理間隙值。故采用配合加工時(shí)，只需要在基準(zhǔn)件上標(biāo)注尺寸和公差，另一只只標(biāo)注基本尺寸，并注明“凸模尺寸按凹模實(shí)際尺寸配制，保證單面間隙”（落料時(shí)）；或“凹模尺寸按凸模實(shí)際尺寸配制，保證單面間隙”（沖孔時(shí)）。 配合加工時(shí)，基準(zhǔn)件的制造公差6f不再受間隙值的限制，甚至可以適當(dāng)放大制造公差，故模具比較容易制造。目前一般工廠都采用這種加工方法?；鶞?zhǔn)件的制造公差一般可以選擇取a

17、/4. 對(duì)于一些形狀復(fù)雜的沖裁件，由于各部分尺寸性質(zhì)不同，其磨損規(guī)律也不同，故必須具體分析，分別計(jì)算。 如圖2-20a為落料件凹模尺寸，2-20b為沖孔件和凸模尺寸，在這兩個(gè)圖中：a類尺寸為磨損后變大的尺寸，這類尺寸應(yīng)按落料凹模尺寸公式（2.2）計(jì)算，b類尺寸是磨損后小的尺寸應(yīng)按沖孔凸模尺寸公式（2-4）計(jì)算；c類尺寸為磨損后不變的尺寸，對(duì)這類尺寸，把工件的中間尺寸作為模具的基本尺寸，然后標(biāo)對(duì)稱偏差即可，集體計(jì)算公式見下表：第5節(jié) 沖裁工藝力 沖裁工藝力包括分離材料所需的沖裁力以及卸料力，推件力和頂件力。沖裁后，沖下的工件（或廢料）由于彈性恢復(fù)而擴(kuò)張，會(huì)梗塞在凹模洞口內(nèi)。同樣，廢料（或工件）上

18、沖出的孔會(huì)因?yàn)閺椥允湛s而箍緊在凸模上。 計(jì)算沖壓工藝力的目的是什么呢？就是為合理選擇壓力機(jī)的噸位。（當(dāng)然選擇壓力機(jī)不僅要考慮噸位，還有工作臺(tái)，壓機(jī)結(jié)構(gòu)，閉合高度等）選擇壓力機(jī)時(shí)，壓力機(jī)的公稱壓力（n）必須大于或等于沖裁時(shí)的總壓力。1. 沖裁力的計(jì)算 生產(chǎn)中常用平刀口模具沖裁，其沖裁力可按下式計(jì)算： k-安全系數(shù)，一般取p=1.3，考慮到模具刃口磨損變鈍，凸模與凹模間隙不均勻，材料性能和厚度偏差波動(dòng)等因素。 沖裁高強(qiáng)度材料和或厚料大尺寸工件時(shí)，需要的沖裁力較大。如果超過車間現(xiàn)有壓力機(jī)的噸位，就必須設(shè)法降低沖裁力。1. 加熱沖裁 材料在加熱狀態(tài)下剪切強(qiáng)度大大下降，因而可以降低沖裁力。但材料加熱后會(huì)產(chǎn)生氧化皮，還會(huì)產(chǎn)生變形，故此法只適用于厚板或工件表面質(zhì)量及精度要求不高的工件。2. 階梯布置凸模沖裁 在多凸模的沖裁中，將凸模做成不同角度，呈階梯布置，可使各個(gè)凸模沖裁力的最大值同時(shí)出現(xiàn)，從而降低了總的沖裁力。凸模間的高度差按材料厚度確定：t3mm h=0.5t 采用階梯布置凸模時(shí)，應(yīng)盡可能對(duì)稱布置，同時(shí)應(yīng)把小凸模做的短一些，大凸模做的長一些，這樣可以避免小凸模由于材料流動(dòng)的側(cè)壓力產(chǎn)生傾斜或折