【正文】 中國最大的管理資源中心 (大量免費資源共享 ) 第 1 頁 共 27 頁 小型孔的沖孔落料連續(xù)模的設計 第 1 章 緒 論 模具是工業(yè)生產(chǎn)中用來制作具有一定形狀和尺寸的零件或制品的重要工藝裝備。根據(jù)其使用的場合不同，可分為冷沖模、塑料模、鍛造模、壓鑄模、橡膠模、陶瓷模、玻璃模、粉末冶金模等。利用模具加工零件的方法，是一種少切屑、無切屑和多工序重合的先進生產(chǎn)方法。廣泛用于汽車、電器、儀表、玩具和日常用品等產(chǎn)品的加工中，在國民經(jīng)濟各部門的發(fā)展中占有重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，利用模具制造的零件，在飛機、汽車、拖拉機、電機、電器、儀器儀表等機電產(chǎn)品中占 60%～ 70%；在電視機、錄音機、計算 機等電子產(chǎn)品中占 80%以上；在自行車、手表、洗衣機、電冰箱、電風扇等輕工產(chǎn)品中占 85%以上。因此，模具是現(xiàn)代工業(yè)的基礎工藝裝備。 在各種模具中，沖壓模具是比較常見的。沖壓生產(chǎn)靠模具和壓力機完成加工過程，與其他加工方法相比有如下特點： 1．沖壓件的尺寸精度由模具來保證，所以質量穩(wěn)定，互換性好。 2．由于利用模具加工，所以可獲得其他加工方法所不能或難以制造的薄壁、重量輕、表面質量高、形狀復雜的零件。 3．沖壓加工一般不需要加熱毛坯也不像切削加工那樣，大量切削金屬， 所以它不但節(jié)能，而且節(jié)約金屬。 4．對于普通壓 力機每分鐘可生產(chǎn)幾十件，而高速壓力機每分鐘可生產(chǎn) 幾百上千件。所以它是一種高效率的加工方法。 當然，沖壓也存在一些缺點，主要表現(xiàn)在沖壓加工時的噪聲、振動兩種公害。這些問題并不完全是沖壓工藝及模具本身帶來的，而主要是由于傳統(tǒng)的沖壓設備落后所造成的。隨著科學技術的進步，這兩種公害一定會得到解決。 隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，沖壓工藝和沖模技術在不斷地革新和發(fā)展。沖壓加工技術在 21世紀發(fā)展方向和動向，主要有以下幾個方面： 1．分析技術的現(xiàn)代化。沖壓技術和現(xiàn)代科學、計算機技術聯(lián)姻，對復 雜曲面零件（像覆蓋件）進行計算機 模擬和有限元分析，達到預測某一工藝方案對零件成形的可能性與成形過程中將會發(fā)生的問題，供設計人員進行修改和選擇。這種設計方法是將傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計升華為優(yōu)化設計，縮短了模具設計和制造周期，節(jié)省了昂貴的模具試模費用等。 2．模具計算機輔助設計、制造與分析（ CAD/CAM/CAE）的研究和應 用，將極大地提高模具制造效率，提高模具的質量，使模具設計與制造技術實現(xiàn) CAD/CAE/CAM 一體化。 中國最大的管理資源中心 (大量免費資源共享 ) 第 2 頁 共 27 頁 3．沖壓生產(chǎn)的自動化。為了滿足大量生產(chǎn)的需要，沖壓生產(chǎn)已經(jīng)開始 向自動化，無人化方向發(fā)展。現(xiàn)已經(jīng)實現(xiàn)了利用高速沖床和多工位精密 級進模實現(xiàn)單機自動，沖壓的速度可達每分鐘幾百上千次。大型零件的生產(chǎn)已實現(xiàn)了多機聯(lián)合生產(chǎn)線，從板料的送進到?jīng)_壓加工、最后檢驗可全由計算機控制，極大地減輕了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)率。目前已逐漸向無人化生產(chǎn)形成的柔性沖壓加工中心發(fā)展。 4．為適應市場經(jīng)濟需求，大批量與多品種小批量共存。發(fā)展適宜于小批量生產(chǎn)的各種簡易模具、經(jīng)濟模具和標準化且容易變換的模具系統(tǒng)。 5．推廣和發(fā)展沖壓新工藝和新技術，如精密沖裁、液壓拉深、電磁成形、超塑性成形等。 6．與材料科學結合，不斷改進板料性能，以提高其成形能力和使用效 果。沖 壓工藝中，概括起來可分為分離工序和成形工序。分離工序又分為落料、沖孔、剪切、和沖裁，目的是在沖壓過程中沖壓件和板料沿一定的輪廓線相互分離；成形工序可分為彎曲、拉深、翻孔、翻邊、脹形、縮口等，目的是使沖壓毛坯在不破壞的條件下發(fā)生塑性變形，并轉化成所要求制件形狀。 本論文中主要涉及沖裁模的設計與制造。沖裁工作生產(chǎn)效率高、成本低、材料利用率高、產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定、操作簡便、容易實現(xiàn)機械化和自動化，特別適用于大批量生產(chǎn)。 在飛機制造業(yè)中，沖裁工作約占整個飛機制造工作量的 4%～ 5%，但在汽車、家電、日用五金等行業(yè)中所占比重 很高。 沖裁工作包括落料、沖孔、切斷（切邊、剖邊）、切口、整修等工作。但一般所說的沖裁工藝只要是指落料和沖孔工序。 沖裁以后，板料分成兩部分，即落料部分和沖孔部分。若沖裁的目的是為了制取一定外形的沖落部分，則這種沖裁工序稱為落料；若是為了制取內孔，則稱為沖孔。 沖裁作為分離工序的一種。當凸模、凹模之間的間隙正常時，工件受力后必然從彈性變形開始，進入塑性變形，最后以斷裂分離告終。 1．彈性變形階段 由于凸模加壓于板料，使板料產(chǎn)生彈性壓縮、彎曲和拉伸等變形，板料底面相應部分材料略擠入凹模洞口內。此時，凸模下的板 料略有拱彎，凹模上的板料略有上翹。間隙越大，拱彎和上翹越嚴重。在這一階段，若板料內部的應力沒有超過彈性極限時，當凸模卸載后，板料立即恢復原狀。 2．塑性變形階段 當凸模繼續(xù)壓入，板料內的應力達到屈服極限時，板料開始產(chǎn)生塑性剪切變形。凸模切入板料并將下部板料擠入凹?？變?，形成光亮的剪切斷面。同時，因凸、凹模間存在間隙，故伴隨著彎曲和拉伸變形（間隙越大，變形亦越大）。隨著凸模的不斷壓入，材料的變形程度便不斷增加，同時硬化加劇，變形抗力也不斷上升，最后在凸模和凹模的刃口附近，達到極限應變與應力值時，材料就產(chǎn)生微小 裂紋，這就意味著破壞開始，塑性變形結束。 3．斷裂分離階段 中國最大的管理資源中心 (大量免費資源共享 ) 第 3 頁 共 27 頁 裂紋產(chǎn)生后，此時凸模仍然不斷地壓入材料，已形成的微裂紋沿最大剪應變方向向材料內延伸，向楔形那樣發(fā)展，若間隙合理，上下裂紋則相遇重合，板料就被拉斷分離。由于拉斷的結果，端面上形成一個粗糙的區(qū)域。當凸模再下行，凸模將沖落部分全部擠入凹模洞口沖裁過程到此結束。 這三個階段相互聯(lián)系，逐一進行，不過所作用的時間非常短，肉眼無法分辨，只能通過斷面特征來分析。沖裁件正常的斷面特征如下圖 a、 b: 斷面通常有圓角帶、光亮帶、斷裂帶和 毛刺四個特征區(qū)組成。四個特征區(qū)中，光亮剪切面的質量最佳。各個部分在整個斷面上所占的比例，隨材料的性能、厚度、模具沖裁間隙、刃口狀態(tài)及摩擦等條件的不同而變化。從所給材料的厚度來看，它屬于超薄材料，模具的沖裁間隙模具的影響很大，這將在后面章節(jié)中作詳細的討論。 第 2 章 工藝方案分析及確定 產(chǎn)品零件的材料成分與特性分析 L87110411是飛機上一個標準件上的重要零件（見圖 1），它是一個對稱帶腰圓形孔的十字形墊片，上面開了一個半徑 R6的大型腰圓孔、三個φ 、兩個φ 2 3的方孔。零 件材料為 20號鋼，材料厚度為 。 首先我們分析一下產(chǎn)品零件的材料成分與特性，零件材料： 20δ 名稱為碳素結構鋼，材料牌號： 20，相關機械性能在《金屬材料學》中可以查閱。該零件材料屬于優(yōu)質碳素結構鋼。這種鋼含碳量很低，其 Wc 100=， Wsi 100=， Wmn 100=， Wp 100=， Ws 100=， Wni100≤ ， Wcr 100=， Wcu 100=，其牌號用兩位數(shù)字表示，兩位 數(shù)字表示鋼中平均碳質量分數(shù)的萬倍 ,它按含錳量不同分為普通含錳量為 %%,及較高含錳量 %%兩組，含錳較高的一組 ,在其牌號數(shù)字后加 “Mn”a字，若是沸騰鋼 ,則在牌號末尾加 “F”字，合金結構鋼通常是在優(yōu)質碳素結構鋼的基礎上加入一些合金元素面形成的鋼種，合金元素加入量不大 ,合金結構鋼屬低、中合金鋼。 合金結構鋼的牌號表示方法由三部分組成 ,數(shù)字 +元素符合 +數(shù)字 .前面兩位數(shù)表示平均碳質量分數(shù)的萬倍 。合金元素以化學符合表示 。合金元素符合后面的數(shù)字表示合金元素質量數(shù)字的百倍 ,當中平均質量分數(shù)＜ ,牌號中一般只標出元素符合 ,而不標明數(shù)字 ,當其平均質量分數(shù)≥ %,≥ %≥ %時 ,則在元素符合后相應標出2,3,4,…… .。 中國最大的管理資源中心 (大量免費資源共享 ) 第 4 頁 共 27 頁 在我國合金結構鋼中 ,主加元素一般為錳、硅、鉻、硼等 ,它對提高淬透性和力學性能起主導作用，輔加元素主要有鎢、鉬、釩、鈦、鈮等。 圖 1 產(chǎn)品圖 合金結構鋼都是優(yōu)質鋼 ,高級優(yōu)質鋼 (牌號后加 A字 )或特能優(yōu)質鋼 (牌號后加 E字 ).按其用途及工藝特點可分為滲碳用鋼、調質用鋼。一般用 優(yōu)質碳素結構中 20鋼價格便宜 ,但淬透性低，故滲碳淬火后心部強度低 ,表層強度及耐磨性也不夠高 ,淬火時變形開裂傾向大。一般用于制造受載荷較低、形狀簡單、不太重要的、但要求耐磨的小型零件。 了解了產(chǎn)品零件的材料特性之后，我們知道 20鋼價格便宜 ,很適合冷沖壓加工成形，是普通冷沖壓零件的首選材料之一。 沖裁變形過程的分析 使板料分離的沖壓工藝為沖裁，沖裁工藝的種類很多 ,常用的有切斷、落料、沖孔、切邊、切口、剖切等 ,所以沖裁是分離工序的總稱 ,其中以落料、沖孔應用最多。從板料上沖下所需形狀的工件稱為落料，在工件上沖 出所需形狀的孔為沖孔。落料和沖孔的變形性質完全相同 ,但在進行模具工作部分設計時 ,要分開加以考慮。 沖裁是沖壓工藝的基本工序之一，在沖壓加工中應用極廣，它可以直接沖出成品零件 ,也可以作為彎曲、拉深和擠壓等其它工序的坯料 ,還可以在已成形的工件上進行再加工。 沖裁過程，凸模與凹模有與工件輪廓一樣的刃口，凸、凹模之間存在一定的間隙，當壓力機滑塊把凸模推下時 ,便將放在凸、凹模中間的板料沖裁成所需的工件。 中國最大的管理資源中心 (大量免費資源共享 ) 第 5 頁 共 27 頁 沖裁過程是在瞬間完成的，為了控制沖載的質量 ,研究沖裁的變形機理 ,就需要分析沖裁時板料分離的實際過程。它有三個變形階 段：彈性變形階段、塑性變形階段、剪裂階段。當凸模開始接觸板料并下壓時 ,凸模與凹模刃口周圍的板料產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象 ,使材料產(chǎn)生彈性壓縮、彎曲、拉伸等復雜的變形，凸模下的材料略有彎曲 ,凹模上的材料則向上翹，間隙愈大 ,彎曲和上翹愈嚴重，隨著凸模繼續(xù)壓入 ,直到材料內的應力達到彈性極限，當凸模繼續(xù)壓入 ,板料內的應力達到屈服點 ,板料與凸模和凹模的接觸處產(chǎn)生塑性剪切變形，凸模切入板料 ,板料擠入凹模洞口，在板料剪切面的邊緣由于彎曲、拉伸等作用形成塌角 ,同時由于塑性剪切變形 ,在切斷面上形成一小段光亮且與板面垂直的斷面，纖維組織 產(chǎn)生更大的彎曲和拉伸變形，隨著凸模的下壓 ,應力不斷加大 ,直到分離變形區(qū)的應力達到抗剪強度 ,塑性變形階段結束。當板料的應力達到抗剪強度后 ,凸模再向下壓 ,則在板料與凸模和凹模的刃口接觸處分別產(chǎn)生裂紋 ,隨著凸模下壓 ,裂紋逐漸擴大并向材料內延伸，當上、下裂紋重合時 ,板料便被分離，凸模再下壓 ,將已分離的材料克服摩擦阻力從板料中推出 ,完成沖裁過程。 由上述沖裁變形過程的分析可