【正文】 的重要標(biāo)志之一，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。本課題旨在鍛煉畢業(yè)生的思維，熟練掌握和運用大學(xué)四年所學(xué)知識，能夠進行獨立的設(shè)計作業(yè)。 針對題目使學(xué)生得到機械原理、機械零件設(shè)計、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)及模具設(shè)計與制造的綜合 訓(xùn)練。針對題目使學(xué)生獲得沖壓工藝規(guī)程、模具設(shè)計與制造加工基礎(chǔ)知識，工 藝 參數(shù) 及加 工設(shè) 備 的選 取， 計算 機輔 助繪 圖 及資 料、 手冊 的查 閱 。 培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析問題和解決實際問題的能力、探求真理的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力并受到工程設(shè)計與科學(xué)理論結(jié)合的初步訓(xùn)練等方面的能力。 課題的意義 模具是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工藝裝備，工業(yè)產(chǎn)品大批量生產(chǎn)和新產(chǎn)品開發(fā)都離不開模具，用模具生產(chǎn)制件所達(dá)到的 (四高二低 )高精度，高復(fù)雜程度，高一致性，高生產(chǎn)率和低耗能、低耗材，使模具工業(yè)在制造業(yè)中的地位越來越重要。模具品種繁多，共有 10 大類，包括沖壓、塑料、橡膠、鑄造、鍛壓等，用于制造業(yè)中幾乎所有產(chǎn)品的生產(chǎn)，可見模具的服務(wù)范圍已包括國民經(jīng)濟的許多方面，現(xiàn)在模具技 術(shù)已成為衡量一個國家產(chǎn)品制造水平的重要標(biāo)志之一，沒有高水平的模具就沒有高水平的產(chǎn)品已成為共識。因而，設(shè)計制造出高質(zhì)量的模具已勢在必行。 沖壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，我國沖壓及模具制造業(yè)已駛?cè)氚l(fā)展的快車道。尤其是近幾年，隨著國民經(jīng)濟總量和工業(yè)產(chǎn)品技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對模具的需求量越來越大，推動了中國模具工業(yè)的發(fā)展。雖然我國模具總量已達(dá)到相當(dāng)規(guī)模，模具水平也有很大的提高，但與需求相比，還供不應(yīng)求，其主要缺口集中于精密、大型、復(fù)雜、長壽命模具領(lǐng)域，主要原因是中國在模具精度、壽命、制造周期及生產(chǎn)能力等方面 ，與國際平均水平和北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 發(fā)達(dá)國家相比較仍有較大差距。 80 年代以來，中國模具工業(yè)發(fā)展十分迅速。國民經(jīng)濟的高速發(fā)展對模具工業(yè)提出了越來越高的要求，也為其發(fā)展提供了巨大的動力。這些年來，中國模具工業(yè)一直以 15%左右的增長速度快速發(fā)展。 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(dá) 245 億元人民幣 (表 1)。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%。 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。例如，浙江寧波和黃巖地區(qū)，從事模具制造的集體企業(yè)和私營企業(yè)多達(dá)數(shù)千家，成為國內(nèi)知名的 “模具之鄉(xiāng) ”和最具發(fā)展活力的地區(qū)之一。在廣東，一些大集團公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，為了提高其產(chǎn)品的市場競爭能力，紛紛加入了對模具制造的投入，例如科龍、美的、康佳和威力等集團都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)多集中于沿海工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，現(xiàn)已有幾千家。例如，江蘇無錫的微研有限公司為一日本獨資企業(yè)，員工有 200 余人，擁有精密數(shù)控模具加工設(shè)備 60 余臺， 1998 年其模具產(chǎn)值超過 2 億元。 模具被稱為工業(yè)產(chǎn)品之母，所有工業(yè)產(chǎn)品莫不依賴模具才得以規(guī)模生產(chǎn)、快速擴張，被歐美等發(fā)達(dá)國家譽為 “磁力工業(yè) ”。由于模具對社會生產(chǎn)和國民經(jīng)濟的巨大推動作用和自身的高附加值，世界模具市場發(fā)展較快，當(dāng)前全球模具工業(yè)的產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到600 億 650 億美元，是機床工業(yè)產(chǎn)值的兩倍。 模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個國家 產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，因為模具在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。隨著我國加入WTO，我國模具工業(yè)的發(fā)展將面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。我國的模具工業(yè)的發(fā)展，日益受到人們的重視和關(guān)注。 “模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備 ”也已經(jīng)取得了共識。在電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電和通信等產(chǎn)品中， 60%80%的零部件都要依靠模具成形（型）。用模具生產(chǎn)制件所具備的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比擬的。模具又是 “效益放大器 ”，用模具生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的價值，往往是 模具自身價值的幾十倍、上百倍。因此，在我國工業(yè)化快速推進的同時，在國民經(jīng)濟中占有重要地位的模具工業(yè)也得到了迅速發(fā)展。統(tǒng)計顯示， 1996 至 2021 年，我國模具制造業(yè)的產(chǎn)值年均增長 14%到 15%。 2021 年我國模具總產(chǎn)值就已突破 300 多億元人民幣，排名躍居世界第四位。 雖然近幾年來，我國模具工業(yè)的技術(shù)水平已取得了很大的進步，但總體上與工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相比仍有較大的差距。例如，精密加工設(shè)備還很少，許多先進的技術(shù)如CAD/CAE/CAM 技術(shù)的普及率還不高，特別是大型、精密、復(fù)雜和長壽命模具遠(yuǎn)遠(yuǎn)北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 不能滿足國民經(jīng)濟各行業(yè)的 發(fā)展需要。因此，模具是國家重點鼓勵與支持發(fā)展的技術(shù)和產(chǎn)品，現(xiàn)代模具是多學(xué)科知識集聚的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一部分，是國民經(jīng)濟的裝備產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)、資金與勞動相對密集。 課題研究的理論依據(jù) 沖壓大致可分為分離工序與成形工序兩個類。分離工序又可分為落料、沖孔切割等。成形工序則可分為彎曲、拉深、脹形、擴口、等。根據(jù)產(chǎn)品零件的形狀、尺寸精度和其他技術(shù)要求，可分別采用各種工序?qū)Π辶厦鬟M行加工。 剪切區(qū)力態(tài)分析 當(dāng)凸模下降至與板料接觸時，板料就受到凸、凹模斷面的作用力。由于凸、凹模端面的作用力。由于凸、凹模之 間存在間隙，使凸、凹模施加于板料的力產(chǎn)生一個力矩 M，其值等于凸、凹模作用的合力與稍大于間隙的力臂 a 的乘積。力矩使材料產(chǎn)生彎曲，故模具與板料僅在刃口附近的狹小區(qū)域內(nèi)保持接觸，接觸面寬度約為板料厚度的 ～ 倍。因此，凸、凹模作用于板料的垂直壓力呈不均勻分布，隨著向模具刃口靠近而極具增大。沖才時，由于板料彎曲的影響，其剪切區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)是復(fù)雜的，且與變形過程有關(guān)。 沖裁過程 沖裁即是分離工序， 沖裁即是分離工序，工件受力時必須從彈、塑性變形開始，以斷裂告終 [2]。當(dāng)凸模下降接觸板料，板料即受到凸、凹 模壓力而產(chǎn)生彈性變形，由于力矩的存在，使板料產(chǎn)生彎曲，即從模具表面上翹起。隨著凸模下壓，模具刃口壓入材料，內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)滿足塑性條件時，產(chǎn)生塑性變形，不同的凸模行程，其變形程度不同，且凹模刃口附近變形大于凸模刃口附近的變形。由此可知，塑性變形從刃口開始，隨著切刃的深入，變形區(qū)向板料的深度方向發(fā)展、擴大，直到板料的整個厚度方向上塑性變形，板料的一部分相對另一部分移動。力矩將板料壓向整個厚度方向上產(chǎn)生塑性變形，板料的一部分相對于另一部分移動。力矩將板料壓向切刃的側(cè)表面，故切刃相對于板料移動時，這些力將表面平壓，在切 口表面上形成光亮帶。當(dāng)切刃附近材料各層中達(dá)到極限應(yīng)變與應(yīng)力值時，便產(chǎn)生微裂，裂紋產(chǎn)生后，沿著大剪應(yīng)變速度方向發(fā)展，直至上、下裂紋會合，板料就完全分離。 剪切斷面分析 由于沖裁件的變形特點，使沖出的工件斷面明顯地分成三個特征區(qū)，即圓角帶、光亮帶、斷裂帶。要想提高沖裁件切斷面的光潔度與尺寸精度，可通過增加光亮帶的北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 高度或采用整個工序來實現(xiàn)。增加光亮帶高度的關(guān)鍵是延長塑性變形階段，推遲裂紋的產(chǎn)生。這可以通過增加金屬塑性和減少刃口附近的變形與應(yīng)力集中來實現(xiàn)。 模具間隙 模具間隙是指凸、凹模刃口之間 縫隙的距離，用符號 c 表示，俗稱單面間隙。而雙面間隙用 Z 來表示。間隙對沖裁件質(zhì)量、沖裁力、模具壽命的影響很大，是沖裁工藝與模具設(shè)計中的極其重要的問題。凸、凹模間隙對沖裁件的質(zhì)量、沖裁力、模具壽命都有很大影響。為此設(shè)計模具時一定要選擇合理的間隙，便沖裁件的斷面質(zhì)量較好、所需沖裁力小，模具壽命高。但分別從質(zhì)量、精度、沖裁力等方面的要求各自確定的合理間隙值不相同。生產(chǎn)過程中通常選擇一個適當(dāng)?shù)姆秶蜑楹侠淼拈g隙。 板料的彎曲 彎曲是將平直的毛坯或半成品，用模具或其他工具彎曲成具有一定角度或一定形狀制件的沖 壓方法。它可分為工具作直線運動的壓彎和工具作旋轉(zhuǎn)運動的卷彎及滾壓三類。這里采用第一種方法。材料在 U形或 V形模中彎曲時受力情況 ,作用力與反作用力之間形成的彎矩，使材料逐漸彎曲成型，但變形區(qū)只是在凸模接觸之間的圓角部分，在彎矩的作用下，外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)變，內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)變，彎曲成形。在彎曲過程中，板料的彎曲半徑 r 與支點距離 s 隨凸模下行逐漸減小，而在彎曲終了時，板料與凸、凹模完全貼合。當(dāng)凸模上行后，總希望 V形件的彎曲半徑 r 和彎曲角 a 與模具形狀保持一致，但是，由于彎曲變形過程的復(fù)雜性往往會伴隨產(chǎn)生以下現(xiàn)象。 彎曲件的彈性回跳 彈性回跳是彎曲成形時常見的現(xiàn)象，彎曲件彈性回跳的結(jié)果，其彎曲半徑 r 和彎曲角與模具發(fā)生差異，與彎曲件要求的形狀和角度不一致。這種差異，將影響板料的彎曲質(zhì)量。生產(chǎn)實踐證明，彎曲件的彈性回跳值，與板料性質(zhì)、相對彎曲半徑 r/t（ t為板厚）和模具結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。當(dāng)材料相同時，彈性回跳值主要取決于 r/t 的大小。板料在彎曲過程中隨著 r/t 的不斷減小，由彈性變形狀態(tài)發(fā)展到塑性變形狀態(tài)，最后使板料產(chǎn)生永久變形。變形物體在外力去除后，彈性變形部分會立即消失，產(chǎn)生彈性回復(fù)，而板料彎曲時的彈性變形有兩種情況：其 一是當(dāng) r/t 較大時，板料內(nèi)外緣表層纖維進入塑性變形狀態(tài)，而板料中心仍處在彈性變形狀態(tài)，這是當(dāng)凸模上升去除外載后，板料將產(chǎn)生彈性回跳；其二是金屬塑性變形時總是伴有彈性變形的，所以板料彎曲時，即使內(nèi)外層纖維全部進入塑性狀態(tài)，在凸模上升去除外力后，彈性變形消失，也會出現(xiàn)彈性回跳?？梢?，板料彎曲后的彈性回跳現(xiàn)象總是存在的，只能采取措施盡量減少回跳量，提高彎曲件的質(zhì)量。 減小彈性回跳的措施有很多，主要有： (1)改進北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 彎曲件局部結(jié)構(gòu)和選用合適材料 ,(2)補償法 ,(3)校正法 ,(4)拉彎法。 中性層位置的內(nèi)移 板料彎曲時，外層纖維受拉，內(nèi)層纖維受壓，在拉伸與壓縮之間存在著一個既不伸長、也不 壓縮的纖維層，稱為應(yīng)變中性層。而毛坯截面上的應(yīng)力，在外層的拉應(yīng)力過度到內(nèi)層壓應(yīng)力時，發(fā)生突然變化或應(yīng)力不連續(xù)的纖維層，稱為應(yīng)力中性層。應(yīng)變中性層用于彎曲件毛坯長度計算，應(yīng)力中性層用以計算彎曲應(yīng)力和應(yīng)力分析。 由應(yīng)變中性層內(nèi)移可知，應(yīng)變中性層處的纖維在彎曲前期的變形時切向壓縮，而彎曲后期必然是伸長變形，才能補償彎曲前期的纖維縮短，使其切向應(yīng)變?yōu)榱?。而彎曲后期的纖維的伸長變形，一般來說，僅發(fā)生在應(yīng)力中性層的外層纖維上。由此可見，應(yīng)力中性層在塑性彎曲時也是從板料中間向內(nèi)層移動的，且內(nèi)移量比應(yīng)變中性層還大。 彎曲區(qū)板料厚度的變薄 板料彎曲時，以中性層為界，外層纖維受拉使厚度減薄，內(nèi)層纖維受壓使板料增厚。在 r/t≦ 4 的塑性彎曲時，中性層位置向內(nèi)移動。內(nèi)移結(jié)果：外層拉伸變薄區(qū)范圍逐步擴大，內(nèi)層壓縮增厚區(qū)范圍不斷減小，外層的減薄量會大于內(nèi)層增厚量，從而使彎曲板料厚度變薄。 彎曲時的厚度變薄會影響零件的質(zhì)量。因此，在擬定彎曲工藝和模具設(shè)計時，必須采取有效措施，才能彎制出合乎要求的零件。 板料長度的增加 一般彎 曲件，其寬度方向尺寸 b 比厚度方向尺寸大得多，所以彎曲前后的板料厚度 b 可近似地認(rèn)為是不變的。但是，由于板料彎曲時中性層位置的向內(nèi)移動，出現(xiàn)了板厚的減薄，根據(jù)體積不變條件，減薄的結(jié)果使板料長度 l 必然增加。相對彎曲半徑 r/t 愈小，減薄量愈大，板料長度的增加也愈大。因此，對于 r/t 值較小的彎曲件，在計算彎曲件的毛坯長度時，必須考慮彎曲后的板料增長，并通過幾次試驗，才能得出合理的毛坯展開尺寸。 板料橫截面的畸變、翹曲和拉裂 相對寬度較小（ b/t≦ 3）的板料彎曲時，外層受拉，引起板料寬度和厚度的收縮；內(nèi) 層受壓，使板寬和厚度增加，所以彎曲結(jié)果，板料橫截面變?yōu)樘菪?，同時內(nèi)外層發(fā)北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 生微小的翹曲。相對寬度較大（ b/t﹥ 3）的板料彎曲，寬度方向的伸長和壓縮受到限制，材料不易流動，因此，橫截面形狀變化不大，仍為矩形，僅在端部可能出