焊片模具設計

遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 1 前言 模具是用來成型物品的工具，這種工具由各種零件構成，不同的模具由不同的零件構成。它主要通過所成型材料物理狀態(tài)的改變來實現(xiàn)物品外形的加工。按所成型的材料的不同，模具可分為金屬模具和非金屬模具。金屬模具又分為： 鑄造 模具（有色金屬 壓鑄 ，鋼鐵鑄造）、和 鍛造 模具等；非金屬模具也分為： 塑料模具 和無機非金屬模具。而按照模具本身材料的不同，模具可分為：砂型模具，金屬模具，真空模具，石蠟模具等等。其中，隨著高分子塑料的快速發(fā)展，塑料模具與人們的生活密切相關。塑料模具一般可分為： 注塑成型 模具， 擠塑成型 模具，氣輔成型模具等等 。 沖壓模具，是在冷 沖壓加工 中，將材料（金屬或非金屬）加工成零件（或半成品）的一種特殊工藝裝備，稱為冷沖壓 模具 （俗稱冷沖模）。沖壓，是在室溫下，利用安裝在 壓力機 上的模具對材料施加壓力，使其產生分離或塑性變形，從而獲得所需零件的一種壓力加工方法。沖壓模具是 沖壓生產 必不可少的工藝裝備，是技術密集型產品。 沖壓件 的質量、生產效率以及生產成本等，與 模具設計 和制造有直接關系。 模具設計與制造 技術水平的高低，是衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志之一，在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發(fā)能力。 本畢業(yè)設計是設 計焊片的沖壓模具，涉及毛坯的翻孔、沖孔、切口、彎曲、落料的級進模。模具工作過程是采用單側刃粗定位 , 當沖床滑塊下行帶動上模座使模具閉合 , 條料被側刃凸模和沖孔凸模沖出局部外形以及導正銷孔、零件內形孔 , 導正銷起精定位作用 ；翻孔凸模的結構適合小尺寸翻孔，由錐行凸模對毛坯板料進行刺孔翻孔一次成型；沖孔凸模沖出零件的兩個耳孔 ； 切口模用于切出工件兩個耳片的外形，以便 此后的彎曲工序正常的工作 ； 彎曲凸模 置于整體凹模中，彎曲凹模置于整體凸模固定板上 ；最后工序為落料，由 落料 凸模最終分離出成品零件。彈力支座級進模采用彈 壓 卸料板保證每工步卸料及細長凸模的保護。 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 2 1 概述 1.1 模具歷史及發(fā)展現(xiàn)狀 隨著我國模具工業(yè)的迅猛發(fā)展，模具零件的標準化、專業(yè)化和商品化工作，已具有較高的水平，取得了長足的進步。中國模具標準化工作是從 “ 全國模具標準化技術委員會 ”1983 年成立以后開始的。目前中國已有約 2 萬家模具生產單位，模具生產有了很大發(fā)展，組織專家對模具標準進行制定、修訂和審查，共發(fā)布了 90 多項標準，其中沖模標準22 項、塑料模標準 20 余項。這些標準的發(fā)布、實施，推動了模具行業(yè)的技術進步和發(fā)展，產生了很大的社會效益和經濟效益。模 標準件的研究、開發(fā)和生產正在全面深入展開，無論是產品類型、品種、規(guī)格，還是產品的技術性能和質量水平都有明顯的提高。 近年來，隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，模具市場的總趨勢是平穩(wěn)向上的。汽車、摩托車行業(yè)是模具的最大市場。因此，模具標準件的應用必將日益廣泛。在今后的市場經濟中模具標準件必將成為一種十分活躍而又高速發(fā)展的產品。從長遠發(fā)展的角度看，我國模具工業(yè)必將伴隨著知識經濟時代的來臨而發(fā)生深刻的變革，模具結構的典型化、零部件的標準化、標準化的專業(yè)化生產和商品化供應，也是今后發(fā)展的必然趨勢。因而深信模具標準件行業(yè)的 發(fā)展前景是非常樂觀而美好的。 但是，必須清醒地看到，目前我國模具的標準化程度和應用水平還比較低，樂觀地估計不足 30%，與國外工業(yè)發(fā)達國家 (70-80%)相比，尚有較大的差距。每年尚需從國外進口相當數(shù)量的模具標準件，其費用約占年模具進口額的 3-8%。國產模具標準件在技術標準、科技開發(fā)、產品質量等方面，還存在不少問題。諸如，產品標準混亂，功能元件少且技術含量低，適用性差；技改力度小、設備陳舊、工藝落后、專業(yè)化水平低、產品質量不穩(wěn)定；專業(yè)人才缺乏，管理跟不上、生產效率低、交貨周期長；生產銷售網點分布不均，經營品種 規(guī)格少，供應不足；某些單位為了爭奪市場，不講質量，以次充好，偽劣商品充斥市場。還有不計成本、盲目降價、擾亂市場的現(xiàn)象，是需要認真研究，丞待解決的?？梢姀拈L遠發(fā)展的角度看，模具標準化及模具標準件方面之艱巨任務和美好前景。正如中國模具工業(yè)協(xié)會標準件委員會提出的模具標準化工作的指導思想：標準化是基礎，專業(yè)化是方向，商品化是關鍵。 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 3 1.2 零件分析 如圖所示的制件為大批量生產，材料為黃銅帶 H68，材料厚度為 0.5mm。 圖 1-1 工件圖 Fig.1-1 Work plans 1.3 零件工藝性分析 （ 1） 材料分析 材料名稱 :H68 普通黃銅 有極為良好的塑性 (是黃銅中最佳者 )和較高的強度 ,可切削加工性能好，易焊接，對一般腐蝕非常安定 ,但易產生腐蝕開裂。為普通黃銅中應用最為廣泛的一個品種。 抗拉強度 b(MPa)： 392MPa 伸長率 10 ( )： 13 硬度 ： 105 175HV 屈服強度： 245MPa 彈性模量： 113x1000MPa 結構分析 ： 零件結構簡單對稱，無尖角，對沖裁加工較為有利。零 件兩端有異形孔，孔的最小尺文虹蘇 ：彈力支座模具設計 4 寸為 1mm，滿足沖裁最小孔徑 mind mm5.00.1 t 的要求。另外，經計算異形孔距零件外形之間的最小孔邊距為 2.5mm，滿足沖裁件最小孔邊距 minl mm75.05.1 t 的要求。所以，該零件的結構滿足沖裁的要求。 零件結構簡單，左右對稱，對彎曲成形較為有利?？刹榈么瞬牧纤试S的最小彎半徑mm25.05.0m in tr ，而零件彎曲半徑 mm25.0mm1 r ，故不會彎裂。另外零件上的孔位于彎曲變形區(qū)之外，所以彎曲時孔不會變形，可以先沖孔后彎曲。 在進行直角彎曲時，若彎曲的直邊高度過短，彎曲過程中不能產生足夠的彎矩，將無法保證彎曲件的直邊平直。所以必須使彎曲件的直邊高度 H2t，最好 H3t1.5mm,制件的直邊高度達到了 7.5mm，異型孔距離也滿足要求。 （ 2） 精度分析： 零件上有 4 個尺寸標注了公差要求，由公差表查得其公差要求都屬 IT13，所以普通沖壓可以達到零件的精度要求。對于未注公差尺寸按 IT14 精度等級查補。 2 沖裁工藝方案的確定 2.1 沖壓工藝方案的確定 沖壓工藝性是指沖裁件在形狀結構上對沖壓的適應性在滿足沖裁件使用的前提下，應對結構工藝性不好的沖裁件提出修改意見。 （ 1） 沖裁件的形狀 應力要求簡單、對稱，有利于材料的合理利用。 （ 2） 沖裁件內 形 及外形的轉角 處要盡量避免尖角，用圓弧過渡，以便于模具加工，減少熱處理開裂，減少沖裁時尖角處的崩刃和過快磨損。 （ 3）為避免制件變形和保證模具強度，孔間距和孔邊距不能過小。 （ 4）盡量避免沖裁件上過窄凸出懸臂和凹槽，否則會降低模具壽命和沖裁件質量。 （ 5） 在彎曲或拉深件 上沖孔是，孔邊與直壁之間應保持一定距離，以免凸模受水平推力而折斷。 （ 6）沖孔時，孔的尺寸不應太小，否則凸模易折斷。 由零件圖和沖壓工藝性分析可知，該零件的基本工序為落料、拉深 -沖孔 -翻孔、沖孔、遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 5 切邊、彎曲六道工序?？刹捎靡韵聝煞N方案： 方案一：落料、拉深、切邊、沖孔、翻孔、彎曲六道工序分別采用單工序模生產。 方案二：落料沖孔復合模，拉深 -沖孔 -翻孔采用復合模生產，然后切邊、彎曲分別采用單工序模生產。 方案三： 翻孔 -沖孔 -切口 -彎曲 -落料 級進模生產。 方案比較： 方案一：需要多個模具進行加工，生產率較低， 加工成本高。不適合多工序工件生產。且工件小，加工繁瑣。 方案二：方案二采用復合模具，沖壓件的形位精度和尺寸精度易保證，且生產效率高。盡管模具結構較方案一復雜，但由于零件的幾何形狀較簡單，模具制造并不困難。但由于經計算先落料 -沖孔后拉深 -沖孔 -翻孔會使壁薄，不保證沖壓件質量，不予才去。 方案三：只采用一套模具，生產效率也很高，但與方案二比生產的零件精度稍差（該工件要求精度不高）。 綜合比較上述的三種方案，方案三為本零件的最佳加工方案。 2.2 模具整體結構的確定 工藝分析之后，要確定零件的沖壓工藝方案，就要選 擇沖裁模具的類型及總體結構形式。因此，首先要了解沖裁模具的結構組成與功能。 （ 1） 沖裁模的分類 按工序性質分：落料模、沖孔模、切斷模、切邊模等。 按工序組合程度分：單工序模、級進模、復合模等。 按導向方式分：開式模、導板模、導柱模等。 按專業(yè)化程度分：通用模、專用模、自動模、組合模、簡易模等。 （ 2） 沖裁模的組成 任何一副沖裁模都是由上模和下模兩部分組成。上模一般通過模柄固定在壓力機的滑塊上，并隨滑塊作上、下往復運動；下模同坐下模座固定在壓力機的工作臺或墊板上。 由沖壓件工藝性分析可知，采用級進沖壓，所以模 具類型為級進模。 a.確定模架類型及導向方式 采用對角導柱模架，這種模架的導柱在模具對角位置，沖壓時可防止由于偏心力矩而文虹蘇 ：彈力支座模具設計 6 引起的模具歪斜。導柱導向可以提高模具壽命和工作質量，方便安裝調整。 b.定位方式的選擇 該沖件采用的坯料是條料，控制條料的送進方向采用導料板，無側壓裝置；控制條料的送進步距 采用側刃粗定距 ；用導正銷精定位保證內外形相對位置精度。 c.卸料、出件方式的選擇 因為該工件料厚 0.5mm，尺寸較小，所以卸料力也較小，擬選擇彈性卸料、上出件方式。 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 7 3 各工序尺寸和力的 設計 與計算 3.1 排樣設計與計算 在批量生產中，材料費用約占沖壓零件成本的 60%以上，因此材料的經濟利用具有重要意義。合理的排樣可以提高材料的利用率，降低零件成本。衡量排樣經濟利用具有重要意義。合理的排樣可以提高材料的利用率，降低零件成本。衡量排樣經濟性的指標是材料利用率。一個 步 距內的材料利用率可用下式計算： 0= 1 0 0 % 1 0 0 %FFF A B (3.1-1) 式中： 材料利用率； F 一個步距 內沖裁件的實際面積 , 2mm ； F0 一個步距內所用材料面積，包括沖裁件面積與廢料面積 , 2mm ； A 步距（相鄰兩個制件對應點之間的距離） ,mm ； B 條料寬度， mm ； 排樣原則： 提高材料利用率 排樣方法應使工人操作方便、安全，減輕工人的勞動強度 。 使模具結構簡單，壽命高。 保證制件質量。對于彎曲件的落料，在排樣時還應考慮板料的纖維方向。 根據(jù)材料利用程度，排樣方法分為有廢料、少廢料、無廢料 3 種。 根據(jù)制件在條料上的布置形式，分為直排、斜排、對排、混合排、多排等形式。 (1) 有廢料排樣法 有廢料排樣留有搭邊，所以制件質量和模具壽命較高，但材料利用率降低。有廢料排樣法常用語制件形狀復雜，尺寸精度要求較高的零件。 (2) 少廢料排樣法 少廢料排樣的材料利用率有所提高。少廢料排樣法常用于某些 尺寸要求不太高的零件。 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 8 (3) 無廢料排樣法 無廢料排樣就是無工藝搭邊的排樣，制件有切斷供需獲得。這種排樣方法，材料利用率最高，用于尺寸要求不高的零件，它對制件形狀結構要求嚴格。 采用少、無廢料排樣時，材料利用率高，模具結構簡單，降低了沖裁力。但是，因條料本身的公差以及條料導向與定位所產生的誤差的影響，沖裁件公差等級較低。同時，因模具單邊受力，會加劇模具的磨損 ，降低模具壽命。 分析工件的結構性質，選擇有廢料直排形式。 零件 展開圖 如圖所示 圖 3-1 零 件展開圖 Fig.3-1 parts the spreading 查 沖壓工藝與模具設計 表 2-7，搭邊值取 a = 1 . 2 1 . 8 = 2 . 1 6 m m 1a = 1 . 5 1 . 2 = 1 . 8 m m a 0 . 7 5 a = 0 . 7 5 2 . 1 6 = 1 . 6 2 m m 由經驗算法求彎曲件的展開尺寸 12= l + l + r + x t180ZL （ ） （ 3.1-2） 式中：ZL 坯料展開總長度， （ mm） ； 中性層曲率半徑， (mm)； 彎曲中心角， ( )； X 中性層位移系數(shù)，見沖壓工藝與模具設計表 3-8； 算得 ：1 = 1 2 4 0 . 5 1 6 . 5l m m 2 0 . 2 5 1 1 . 7 5 3l m m 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 9 906 . 5 3 ( 1 0 . 3 8 0 . 5 )180ZL m a x 2 2 2 . 7 4zl l m m 即為工件展開尺寸 條料寬度 2 2 . 7 4 2 . 1 6 1 . 6 2 1 . 8 2 8 . 3 2B m m 步距 5 1 . 8 6 . 8A m m 計算求得沖裁件面積 28 0 .5 2F m m 材料利用率：一個步距的材料利用率 1 0 0 % 4 2 %FAB 排樣圖如圖所示： 圖 3-2 排樣圖 Fig.3-2 layout plan 3.2 計算沖壓力 沖壓力是選擇沖壓設備的重要依據(jù)，也是設計模具所必須的數(shù)據(jù)。在沖壓過程中，沖壓力是沖裁力、卸料力、推件力和頂件力的總稱 。 該模具采用級進模，擬選擇彈性 卸料，上出件結構 。 沖壓力： 沖裁力 的計算 沖裁力是沖裁過程中凸模對板料施加的壓力，它是隨凸模切入材料的深度而變化的。 沖裁力 求得沖裁件周長 L 為 6 . 8 1 . 8 2 ( 2 2 1 ) 8 0 2 1 . 5 4 1 2 4 . 5 2L m m 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 10 1 2 4 . 5 2 0 . 5 3 0 0 1 8 6 7 8bF L t N 沖 (3.2-1) 式中： L 沖裁周邊總長， mm； t 材料厚度， mm； b 材料抗拉強度， MPa。 圖 3-3 沖裁力周長計算 Fig.3-3 Cutting force perimeter calculation 卸料力 板料經沖裁后，從凸模上刮下材料所需的力，稱為卸料力。 0 . 0 6 1 8 6 7 8 1 1 2 0 . 6 8F K F N 卸 卸 沖 （ 3.2-2） 式中： K卸 卸料力系數(shù) 查沖壓工藝與模具設計 表 2-18 取 =0.06K卸， 0.09K 推， 0.09K 頂 推件力 板料從凹模內向下推出制件或廢料所需的力，稱為推件力。 3 0 . 0 9 1 8 6 7 8 3 3 6 2 . 0 4F n K F N 推 推 沖 （ 3.2-3） 式中： K推 推件力系數(shù) n 積聚在凹模內的制件或廢料數(shù)量（ /n h t ）； h 為直壁刃口部分的高， mm； t 為材料的厚度， mm。 頂件力 板料從凹模內向上頂出制件所需的力，稱為頂件力。 = = 0 . 0 9 1 8 6 7 8 = 1 6 8 1 . 0 2F K F N頂 頂 沖 （ 3.2-4） 式中： K頂 頂件力系數(shù) 彎曲力， U 型件彎曲力的經驗公式 20 . 7= = 2 6 5 . 4bK B tFNrt 自 （ 3.2-5） 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 11 式中： F自 自由彎曲在沖壓行程結束時的彎曲力， N； B 彎曲件的寬度， mm； r 彎曲件的內彎曲半徑， mm； t 彎曲件的材料厚度， mm； b 材料的抗拉強度， MPa； K 安全系數(shù)，一般取 K=1.3； 翻孔力， = 1 . 1 ( D - d ) tsF 翻 （ 3.2-6） 式中：s 材料屈服強度， MPa； t 材料厚度， mm。 1 . 1 0 . 5 1 0 0 3 . 3 5 7 0 . 2FN 翻 沖壓工藝總力： + + + + +F F F F F F F翻 頂沖 卸 推 彎 = 1 8 6 7 8 + 1 1 2 0 . 6 8 + 3 3 6 2 . 0 4 + 1 6 8 1 . 0 2 + 1 5 9 . 2 5 + 5 7 0 . 2 = 2 5 5 7 1 . 2 N 為保證沖裁力足夠，一般沖裁、彎曲時壓力機的噸位應比計算得沖壓力大 30%左右，拉深時壓力機的噸位應比計算出的拉深力大 60%100%。 故 1 . 3 3 3 2 4 2 . 5 6FN 根據(jù)計算結果，擬 選用標稱壓力為 160KN 的壓力機 。 3.3 計算模具壓力中心 計算壓力中心時，先運用 CAXA 畫出凸模刃口圖，如圖所示。在圖中將 xOy 坐標系建立在圖示的對稱中心線上，將沖裁輪廓線按幾何圖形分解成 17，共 7 組圖形，圖中尺寸直接標注得到用解析法切得該模具的壓力中心 O 點的坐標（ 17.53， 0.82）。（模具壓力中心相關計算詳見表） 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 12 圖 3-4 壓力中心計算 Fig.3-4 Pressure center calculation 表 3-1 壓力中心數(shù)據(jù)表 Tab.3-1 Pressure center data tables 基本圖形長度 L/mm 各基本要素壓力中心 x y 1=19.25L 0 0 2 7L 13.6 0 3 82.16L 27.2 0 4 14.28L 34 0 5 7.85L 40.8 0 6 6.8L 39.9 13 7 1.8L 43.3 13.9 0 7 1 3 . 6 8 2 . 1 6 2 7 . 2 1 4 . 2 8 3 4 7 . 8 5 4 0 . 8 6 . 8 3 9 . 9 1 . 8 4 3 . 3 1 7 . 5 31 3 . 6 2 7 . 2 3 4 4 0 . 8 3 9 . 9 4 3 . 3x 0 1 9 . 2 5 0 7 0 8 2 . 1 6 0 1 4 . 2 8 0 7 . 8 5 0 6 . 8 1 3 1 . 8 1 3 . 9 0 . 8 21 9 . 2 5 7 8 2 . 1 6 1 4 . 2 8 7 . 8 5 6 . 8 1 . 8y 3.4 計算凸凹模 工作 部分尺寸 并確定其制造公差 采用分開加工法計算凸凹模刃口尺寸及公差。適宜采用線切割機床加工凸模、凹模、遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 13 凸模固定板及卸料板。 查表 2-19，沖壓模具出事雙面間隙推薦值min 0.025Z ，max 0.035Z 。工作零件刃口尺寸計算 如下 沖孔 尺寸 3mm，尺寸轉換為 0.2503 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 3 0 . 5 0 . 2 5 ) 3 . 1 2 5ppd d x 0 . 0 2 0 . 0 2m i n 0 0 0( ) ( 3 . 1 2 5 0 . 0 2 5 ) 3 . 1 5ddpd d Z 尺寸 1mm，尺寸轉換為 0.2501 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 1 0 . 5 0 . 2 5 ) 1 . 1 2 5ppd d x 0 . 0 2 0 . 0 2m i n 0 0 0( ) ( 1 . 1 2 5 0 . 0 2 5 ) 1 . 1 5ddpd d Z 切口 尺寸 3.5mm，尺寸轉換為 00.33.5 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 3 . 5 0 . 5 0 . 3 ) 3 . 3 5ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 3 . 3 5 0 . 0 2 5 ) 3 . 3 2 5ppdD D Z 尺寸 22.74mm，尺寸轉換為 00.5222.74 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 2 2 . 7 4 0 . 5 0 . 5 2 ) 2 2 . 4 8ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 2 2 . 4 8 0 . 0 2 5 ) 2 2 . 4 5 5ppdD D Z 尺寸 23.74mm，尺寸轉換為 0.52023.74 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 2 3 . 7 4 0 . 5 0 . 5 2 ) 2 4ppd d x 0 . 0 2 0 . 0 2m i n 0 0 0( ) ( 2 4 0 . 0 2 5 ) 2 4 . 0 2 5ddpd d Z 尺寸 9mm，尺寸轉換為 0.3609 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 9 0 . 5 0 . 3 6 ) 8 . 8 2ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 8 . 8 2 0 . 0 2 5 ) 8 . 7 9 5ppdD D Z 落料 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 14 尺寸 5mm，尺寸轉換為 00.305 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 5 0 . 5 0 . 3 ) 4 . 8 5ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 4 . 8 5 0 . 0 2 5 ) 4 . 8 2 5ppdD D Z 尺寸 3.5mm，尺寸轉換為 00.303.5 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 3 . 5 0 . 5 0 . 3 ) 3 . 3 5ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 3 . 3 5 0 . 0 2 5 ) 3 . 3 2 5ppdD D Z 尺寸 6mm，尺寸轉換為 00.306 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 5 . 8 5 0 . 0 2 5 ) 5 . 8 2 5ppdD D Z 校核m a x m i npd ZZ ，即 0 .0 2 0 .0 2 0 .0 3 5 0 .0 2 5 ，不滿足間隙公差條件，只有縮小pd，提高制造精度，才能保證間隙在合理范圍內，此時可取 m a x m i nm a x m i n0 . 4 ( ) 0 . 4 0 . 0 1 0 . 0 0 40 . 6 ( ) 0 . 6 0 . 0 1 0 . 0 0 6pdZ Z m mZ Z m m 彎曲 參考教材 145 頁，由于彎曲件的相對半徑 / 1 / 0 . 5 2 5 8rt ，且不小于min /rt（查表 3-5），則凸模的圓角半徑取彎曲件的圓角半徑 1r mm 。 在生產中，凹模圓角半徑 dr 通常根據(jù)材料厚度選取，工件材料厚度 0.5 2mm mm ，(3 6)drt ，取 42dr t mm 查教材表 3-15，得0 3h mm 凸凹模間隙：彎曲 U 形件時，應當合理確定凸、凹模間隙值。間隙過小會使彎曲件直邊料厚減薄或出現(xiàn)劃痕，同時還會降低凹模壽命，增大彎曲力；間隙過大，則回彈增大，從而降低了彎曲件的精度。在生產中， U 形件的彎曲模的凸、凹模單邊間 隙一般按公式（有色金屬）確定：m i n 0 . 5 0 . 0 5 0 . 5 0 . 5 2 5Z t c t m m 。 U 形件彎曲凸凹模橫向尺寸及公差：彎曲件為雙向對稱偏差 凸模尺寸： 0 0 00 . 0 1 8 0 . 0 1 8( 0 . 5 ) ( 8 0 . 5 0 . 9 ) 8 . 4 5ppL L m m 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 15 凹模尺寸： 0 . 0 3 0 . 0 30 0 0( 2 ) ( 8 . 4 5 2 0 . 5 2 5 ) 9 . 5ddpL L Z m m 翻孔 根據(jù) 12 ( ) 0 . 4 3 0 . 7 2H D d r t 求120l i m 0 . 4 3 0 . 7 2 2 . 2 9dH D r t m m 2 2 2 2 23 . 5 2 . 5 3 . 52 2 2 2 ( ) ( ) 0 . 7 9 3 . 7 2 ( ) ( ) 3xV m m ,求得 3.x mm 設加工 00.33.5 的凸、凹模尺寸分別采用 IT6 與 IT7 級 則凸模尺寸為 00.0083.2 mm ，凹模尺寸為 0.01203.5 mm 整理出沖孔、切口、落料各凸凹模刃口尺寸如下表 表 3-2 工作零件刃口尺寸數(shù)據(jù) Tab.3-2 Working parts of the blade size data 沖孔 3mm 凸模：00.0043.125 凹模： 0.00603.15 1mm 凸模：00.0041.125 凹模： 0.00601.15 切口 3.5mm 凸模：00.0043.325 凹模： 0.00603.35 22.74mm 凸模：00.00422.455 凹模： 0.006022.48 23.74mm 凸模 ：00.00424 凹模： 0.006024.025 9mm 凸模：00.0048.795 凹模： 0.00608.82 落料 5mm 凸模：00.0044.825 凹模： 0.00604.85 3.5mm 凸模：00.0043.325 凹模： 0.00603.35 6mm 凸模：00.0045.825 彎曲 凸模尺寸： 0 0 .0 1 88 .4 5pL m m 凹模尺寸： 0 .0 309 .5dL m m 翻孔 凸模尺寸為 0 0.0083.2 mm 凹模尺寸為 0.01203.5 mm 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 16 圖 3-5 沖孔凸模 翻孔凸模 彎曲凹模 Fig.3-5 piercing punch burring punch Bending concave die 圖 3-6 分別是落料凸模、切口凸模 Fig.3-6 Blanking the punch Incision of the punch 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 17 圖 3-7 分別是彎曲凸模、切口凹模 Fig.3-7 Bending punch Incision concave die 3.5 卸料彈簧的設計 選用彈簧個數(shù)為 4 個，則每個彈簧的預壓力為 / 1 1 2 0 . 6 8 / 4 2 8 0 . 1 7yF F n m m 卸 粗選彈簧規(guī)格，按 2 2 2 8 0 . 1 7 5 6 0 . 3 4yFN 查標準 GB2089-80，粗選彈簧規(guī)格為20 3 . 5 1 8 5 0d D h m m m m m m 5 5 7 , 1 6 . 2jjF N h m m 計算所選彈簧預壓量 yh / 2 8 0 . 1 7 1 6 . 2 / 5 5 7 9y y j jh F h F m m 校核所選彈簧是否合格，卸料板工作行程 0 . 5 1 1 . 5xh m m 取凹模刃口磨量 4mh mm，則彈簧工作時的總壓縮量為 9 1 . 5 4 1 4 . 5y x mh h h h m m 因為jhh，因此所選彈簧合格 所選彈簧的主要參數(shù)為 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 18 表 3-3 彈簧主要參數(shù) Tab.3-3 Spring main parameters 3.5d mm 2 18D mm 5.93t mm 557jFN 0 50h mm 7.5n 16.2jh mm 537L mm 彈簧的標記為： 3.5 18 50 GB2089-1980。 彈簧的安裝高度為：0 5 0 9 4 1ayh h h m m 。 3.6 工作零件的結構設計 凹模 0 . 3 4 7 . 6 1 4 . 2 8 ( 1 5 ) , 2 0 m m(1 . 5 2 ) 2 2 . 5 3 0 , 2 6 m ml + 2 c = 4 7 . 6 + 2 2 6 = 9 9 . 6 m mB = b + 2 c = 2 8 . 3 2 + 2 2 6 8 0 . 3 2 m mb m m m mcH 厚 H=K 取凹 模 壁 厚 取凹 模 長 度 L凹 模 寬 度 取標準后凹模尺寸，長 寬 高 =140 80 20mm 導料板 查表 2-15，獲取導料板厚度 H 4.5mm （插值法） 卸料板 該模具選用 T 型卸料板，凸臺高度 4 . 5 0 . 5 0 . 3 0 . 5 4 . 1 5h H t k m m 卸料板厚度 =12h mm卸 墊板厚度 4mm，墊板 140mm 80mm 4mm 凸模固定板： 140mm 80mm 118mm 各凸模 長度： 結合工件外形并考慮加工，采用線切割機床加工，凸?？傞L L 可參考公式12L h h t h （彈壓卸料裝置） （ 3.6-1） 式中： L 凸模長度， mm； 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 19 1h 凸模固定板厚度， mm； 2h 卸料板厚度， mm； t 材料厚度， mm； h 附加長度， mm，包括凸模的修磨量、凸模進入凹模的深度 0.51mm、凸模固定板與卸料板之間的安全距離等。 并考慮橡膠安裝高度進行計算： 沖孔凸模 1 8 1 2 0 . 5 4 1 2 7 3 . 5L m m 孔 切口凸模 = 73.5L mm切 翻孔凸模 = 78.6L mm翻 落料凸模 = 73.5L mm落 彎曲凸模 = 1 8 + 1 2 + 0 . 5 + 4 1 + 8 . 7 = 8 0 . 2L m m彎 3 1 .5dr t m m ， 1pr r mm 3.7 定位零件的設計 導料板的設計 導料板的內側與條料接觸，外側與凹模平齊，導料板與條料之間的間隙取 0.5mm（查表 2-10），這樣就可確定導料板的寬度；導料板的厚度按表 2-15 選擇。導料板材料為 45鋼， 熱處理硬度為 4045HRC，用螺釘和銷釘固定在凹模上。 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 20 圖 3-8 導料板 Fig.3-8 stock guide 導正銷的設計 ： 用工件上直徑 3.5mm 的翻孔作為導正孔，導正銷結構如圖所示，導正應在卸料板壓緊板料之前完成，考慮料厚 0.5mm 和裝配后卸料板下平面超出凹模斷面 7mm，所以導正銷高出凹模端面直線部分長度為 7.5mm。 圖 3-9 導正銷 Fig.3-9 pilot pin 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 21 3.8 卸料零件的設計 （ 1）卸料板的設計 卸料板的周界尺寸與凹模的周界尺寸相同，選用 T 形卸料板，凸臺高度 4 . 5 0 . 5 0 . 3 0 . 5 4 . 1 5h H t k m m （ 3.8-1） 式中 H 導尺厚度（ mm）； t 材料厚度（ mm）； K 系數(shù)，薄料取 0.3，厚料（ t1mm）取 0.1。 厚度查實用模具設計與制造手冊 89 頁表 2-95 卸料板厚度得 12mm。卸料板采用45 鋼制造，淬火硬度為 4045HRC，采用線切割機床加工。 圖 3-10 卸料板 Fig.3-10 stripper plate （ 2）卸料螺釘?shù)倪x用 卸料板上設置 4 個卸料螺釘，公稱直徑為 8mm，螺紋部分為 66M mm 。卸料螺釘尾部留有足夠的行程空間。卸料螺釘擰緊后，應使卸料板超出凸模端面 0.5mm，有誤差是可以在螺釘與卸料板制件安裝墊片來調整。 卸料螺釘選用的計算過程： 1min 12ad ，使用墊板時 a =墊板厚度，求得 1 8d mm 查閱實用模具設計與制造手冊 89 頁表 2-117 卸料螺釘孔的尺寸，選用型號 M6，1 8d mm ， 2 8.5d mm ， 12D mm ， 1 6h mm 。 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 22 圖 3-11 卸料螺釘 Fig.3-11 stripper bolt 3.9 模架及其他零部件設計 以凹模周界尺寸為依據(jù)，選擇模架規(guī)格。（查模具設計與制造簡明手冊 231 頁 ） 得到上模座厚度 30mm，下模座厚度 35mm，閉合高度 140170mm。 該模具閉合高度： 2H H H L H H h 閉 墊上 模 下 模 （ 3.9-1） =30+4+83.5+20+5-11.15=161.35mm，取 H閉=162mm 式中： L 凹模長度， mm； H 凹模厚度， mm； 2h 凸模沖裁后進入凹模的深度。 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 23 4 選擇壓力機型號 選擇開式可傾雙柱壓力機 JC23-16，能滿足使用要求，其參數(shù)如下表所示 表 5-1 壓力機參數(shù) Tab.5-1 Press parameters 公稱力（ KN） 160 公稱力行程（ mm） 2 滑塊行程（ mm） 70 行程次數(shù)（ min） 125 最大裝模高度（ mm） 170 裝模高度調節(jié)量（ mm） 40 滑塊中心至機身距離（ mm） 170 工作臺尺寸 ，前后 左右（ mm） 320 480 工作臺孔尺寸， 直徑 前后 左右（ mm） 2 1 0 1 6 0 2 4 0 工作臺板厚度（ mm） 60 滑塊底面尺寸，前后 左右（ mm） 180 200 模柄孔尺寸，直徑 深度（ mm） 40 60 機身最大可傾角度（） 35 立柱間的間距（ mm） 220 電動機 型號 Y100L-6 功率 1.5KW 外形尺寸，長 寬 高（ mm） 1150 900 1910 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 24 5 模具經濟性分析 模具的經濟性涉及到成本的高低供應是否充分，加工過程是否復雜、成品率的高低以及同一產品中使用金屬或鋼材型號的多少等。在我國當前情況下，考慮以鐵代鋼和以鑄代鍛還是符合經濟性要求的，故選擇一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求的，就不要選用合金鋼。對一些只要求表面性能高的零件，可選用廉價鋼種，然后進行表面強化處理來達到。另外，在考慮材料經濟性時，切記不宜單純以單價來比較材料的好壞，而應以綜合效益來評價材料的經濟性高低。 冷沖壓的優(yōu)點很多，冷沖壓也稱板料沖壓，是塑 性加工的一種基本方法。冷沖壓有許多優(yōu)點，技術上 a.在材料消耗不大的情況的前提下，制造出的零件重量輕、剛度好、精度高。由于在沖壓過程中材料的表面不受破壞，使得制件的表面質量較好，外觀光滑美觀。并且經過塑性變形后，金屬內部的組織得到改善，機械強度有所提高。 b.在壓力機的簡單沖擊作用下，一次工序即可完成由其他加工方法所不能或難以制造完成的較復雜形狀零件的加工。 c.制件的精度較高，且能保證零件尺寸的均一性和互換性。不需進一步的機械加工即可滿足一般的裝配和使用要求。 同樣，在經濟上更有其它加工方式不能比擬的優(yōu)勢 ： a.原材料是冶金廠大量生產的廉價的軋制板材或帶材。 b.采用適當?shù)臎_壓工藝后，可大量節(jié)約金屬材料，可以實現(xiàn)少切屑和無切屑的加工方法。材料利用率一般可達 75%-85%，因而制件成本相應的比較低。 c.節(jié)約能源。沖壓時可不需加熱，也不像切削加工那樣將金屬切成碎屑而需要消耗很大的能量。 d.生產率高。每一分鐘一臺沖壓設備可以生產零件從幾件到幾十件。目前的高速沖床生產率則沒分鐘高達數(shù)百件甚至一千件以上。 此套模具材料多采用碳鋼和鑄鐵，碳鋼和碳鋼為工業(yè)廣泛應用材料，性能優(yōu)秀且成本不高，因此此套模具有很好的經濟性。 適用于大批量生產，效率高，可滿足工藝性。 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 25 6 結論 本文設計了一套包含翻孔、沖孔、切口、彎曲、落料工序的級進模，經過查閱資料，首先要對零件進行工藝分析，經過工藝分析和對比，采用翻孔、沖孔、切口、彎曲、落料工序，通過沖裁力等計算，確定壓力機的型號。再分析對沖壓件加工的模具適用類型選擇所需設計的模具。得出將設計的模具類型后將模具的各工作零部件設計過程表達出來。 工作過程 ： 圖 4-1 裝配圖 Fig.4-1 assembly drawing 1-模柄； 2、 15、 22-圓柱銷； 3-上模座； 4-切口凸模； 5-沖孔凸 模； 6-導正銷； 7-翻孔凸模 8-凸模固定板； 9-彈簧； 10-導套； 11-卸料板； 12-導柱； 13、 20、 27-內六角頭螺釘 14-凹模板 16-下模座； 17-橡膠； 18-雙頭螺柱； 19-頂桿； 20-彎曲凸模； 23-導料板； 24-切口凹模； 25 卸料螺釘； 26-墊板 如圖所示為本設計裝配圖，條料采用矩形側刃粗定位，條料自右向左送入模具。該模文虹蘇 ：彈力支座模具設計 26 具工作過程為：在壓力機的作用下上模下行，條料經過級進模內 5 個工序分別完成翻孔、沖孔、切口、彎曲、落料。在第 2 道工序沖孔同時采用導正銷導正。每道工序完成時進行下一道工序前，開 模同時，彈頂裝置頂桿將凹模中條料頂出。最后一道落料工序直接將工件從條料切斷。 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 27 致 謝 首先感謝母校，是她給我一個難得的學習機會，讓我在即將畢業(yè)之際學到了很多知識，經過這幾個月的緊張的畢業(yè)設計，使我在理論和動手能力上都有了進一步的提高。 我的畢業(yè)設計主要在馬修泉老師指導下 ,讓我對所學的知識進行系統(tǒng)性的復習 ,并根據(jù)設計要求查閱有關資料。在設計過程中受到馬老師無微不至的關心與耐心指導，使我的畢業(yè)設計得以順利的進展。在馬老師幫助下我解決了很多以前解決不了的問題 ,在此我 向您表示衷心的感謝！同時也要感謝各位老師和同學，是你們讓我的學習和生活充滿樂趣，感謝你們！謝謝 ! 作為一名即將完成學業(yè)，離開學校生活的我，我要感謝母校，是她給我創(chuàng)造了一個學習的機會，創(chuàng)造了美好的學習生活環(huán)境，讓我在這里學到了很多知識；感謝各位老師，是他們傳授給我的知識；感謝各位同學和朋友，是他們讓我的學習和生活充滿樂趣，感謝你們！ 經過這次設計，提高了我很多的能力，比如實驗水平、分析問題的能力、合作精神、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L等。在這期間凝結了很多人的心血，在此表示衷心的感謝。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設 計。 在設計期間 馬 老師幫助我收集文獻資料 ，理清 設計思路，指導實驗方法，提出有效的改進方案。導師淵博的知識、嚴謹?shù)?教 風、誨人不倦的態(tài)度和學術上精益求精的精神使我受益終生。 由于本人的基礎知識和設計能力有限，在設計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教，讓我避免在未來的學習、工作中犯同樣的錯誤，本人將萬分感謝。 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 28 參考文獻 1 張華 . 沖壓工藝與模具設計 M.北京 ： 清華大學 出版社 ,2009.8 2 王樹勛 . 模具實用技術設計綜合手冊 M.廣州 ： 華南理工大學出版社 ,1997.9 3 許發(fā)樾 . 實用模具設計與制造 M.北京 ： 機械工業(yè) 出版社 ， 2001.2 4 中國模具設計大典 M.江西科學技術出版社 ,2003 5 楊占堯 .機械圖學 M.沈陽：東北大學出版社 ， 2003.9 6 韓正銅 . 機械精度設計與檢測 M.江蘇 ： 中國礦業(yè)大學 出版社 ,2009.1 7 黃義俊 . 模具專業(yè)英語 M.北京： 清華大學出版社， 2007.1 8 邱永成 . 多工位級進模設計 M . 北京 :國防工業(yè)出版社 ,1987. 9 田嘉生 . 沖模設計基礎 M . 北京 :航空工業(yè)出版社 ,1994. 10 許樹勤，王文平 .模具設計與制造 M.第 1版 .北京 :北京大學出版社 ,2005. 11 王孝培 . 沖壓手冊 K . 北京 :機械工業(yè)出版社 ,1998. 12ASTME.Die Design Handbook.McGRAW-HILL Book Co,1955 13 John A.Waller.Press Tools and Presswork,1978. 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 29 附錄 A 沖壓中多工件的最佳排樣 摘要 ： 在沖壓生產中，生產成本受材料利用率影響最大 ，材料支出占整個生產成本的75%。本文將介紹一種新的計算方法用于實現(xiàn)雙工件在沖壓排樣設計中的最佳規(guī)劃方法，以便提高材料利用率。這種計算方法可以預示在帶料中結構廢料的位置及形狀，以及工藝廢料的位置和最佳寬度。例如將兩個相同的工件中的其中一個旋轉 180, 或是將兩個不同的工件嵌套在一起。這種計算方法適合與沖模設計 CAE 系統(tǒng)結合使用。 關鍵字： 沖壓，模具設計，最佳化，材料利用率，明可夫斯基和，設計工具 緒論 在沖壓生產中，能夠快速生產不同復雜程度的薄片金屬零件，特別是在大產量的情況下，能夠高強度生產。生產過程效 率高，其中材料成本占據(jù)整個沖壓生產成本的 75% 1。但材料不能被完全利用到零件上，因為零件不規(guī)則的外形必須被包含在帶料內。沖壓生產的排樣設計直接決定廢料的大小。很明顯，使用最理想的排樣設計對于提高公司的競爭力是至關重要的。 前期工作 曾經 , 帶料排樣設計問題需要通過手工來解決。例如 , 通過紙板模擬沖裁來獲取一個好的排樣方法。通過計算機介紹的設計過程所得出的步驟。也許首先要做出適合工件的矩形，然后將矩形順序排放在帶料上 2。這種方法適合不相互重疊的矩形 3、拉深多邊形4, 5、已知相互關聯(lián)的外形 6。這種原理的方法具有一定局限性，盡管如此，在這種具有局限性下的設計中所產生較多的工藝廢料不能被避免，這些額外損失的材料導致了設計方案無法達到最佳化。 增量旋轉法是一種流行的排樣設計方法 6-10, 16。具體實現(xiàn)方法為，將零件旋轉一定的角度，例如 2 ， 7，在設計中決定零件傾斜程度和帶料寬度以及合適的材料利用率。在不斷重復這些步驟以后工件旋轉量達到 180 (由于對稱 )，然后從中選出最佳排樣方法。這種方法的缺點是，在一般情況下，最佳材料定位將降低旋轉增量同時不能被找到。盡管差別很小，但在大批量生產中 每個零件所浪費的材料會累計進而導致較多材料損失。 梅塔 -啟發(fā)式優(yōu)化方法適用于排樣設計，包括模擬退火 11, 12和初步設計 13。當解決較復雜設計問題時 (也就是在 2D 平面上將較多不同零件嵌套在一起 )，它不能保證最佳排樣方法，但是可以根據(jù)獲得的計算結果進而總結為一個較好的解決方法。 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 30 開發(fā)出一種在設計過程 15中確定單一零件在帶料上的布局以及帶料的寬度的確定14的精確的最佳的計算方法。這些計算方法基于建筑幾何學中一個外形從另外一個上 發(fā)展 出來。相似的理論在這個學科中基于一個名叫 無適合多邊形 ， 障礙空間 和 明可夫斯基和 創(chuàng)建。從根本上來講， 它僅是一種解決位置關系的方法，這樣的外形有缺陷，但不會重疊。通過這種方法的應用 (本文中，特殊的譯文是指明可夫斯基和 )， 能夠創(chuàng)建一種全球化的最佳的具有高效率的排樣布局的計算方法。 對于排樣設計中零件間布局的特殊問題則根據(jù)問題報告采用增加旋轉計算方法 7, 16和模擬退火 11， 但是迄今為止并沒有能夠被實際應用的精確的計算方法。在下文中，將簡要介紹明可夫斯基和，以及它在帶料排樣設計中的應用，和它在成對零件間嵌套問題的延伸的描述。 明可夫斯基和 零件的外形被近似嵌套在每個多邊形的 n 個頂點上，在 CCW 方向上有限連續(xù)。隨著頂點數(shù)量的增加零件邊上的彎曲刃口能夠近似的得到任意想要達到的精確度。例如兩個多邊形， A 和 B， 明可夫斯基和詳細說明了 A 和 B 上每一個頂點的總和。 (1) 表面上看 , 令人聯(lián)想到這種方法中的零件 A 成長于 零件 B，或是變化后的零件 B (也就是零件 B 旋轉 180) ，零件 A 周圍和接著零件 B 周圍參考點所連接而成的軌跡。例如，圖 1 所示零件 A。如果基于其中一個參考頂點 (0， 0)，將旋轉 180 后的零件 A (也就是 A)圍繞著零件 A， A 上的參考點以粗線描述出圖 2 中所示輪廓。 這個輪廓即是麥克馬斯特和 。麥克馬斯特和計算所用的方法能夠被創(chuàng)建在計算出的幾何圖形中如17， 18。 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 31 （圖 1） 示例零件 A 被嵌套 （圖 2） 示例零件（虛線）在麥克馬斯特和 (粗線 )中。 這個方法的意義在于如果 A 的參考頂點是在 的周界上， A 和 A 將會相接觸但不會產生重疊。兩個零件將會盡可能的緊密貼合在一起，因而在設計時將一對零件其中的一個旋轉 180 。 定義了一對零件間所 有可行的位置關系。 這個性質的一個推論是如果單一零件的麥克馬斯特和是合適的。那么該零件將被否定，也就是 。 (麥克馬斯特和推出的一個完整的說明 15。 )這些報告是根據(jù)帶料上單一零件間的最佳嵌套計算方法得出。 嵌套的成對零件太過復雜的情況時，不僅要作出零件的最佳定位和選定帶料寬度還要設 計成對零件間最佳的位置關系。為了解決這一問題，故提出一種重復運算方法： 假設：零件 A 和 B(B=A， A 即將 A 旋轉 180) 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 32 5. 在不干涉 A 的情況下選擇 B 的位置關系麥克馬斯特和 定義了可行的位置關系 (圖 2)。 6. 在這個位置關系中 加入 A 和 B. 創(chuàng)建出新的組合零件外形 C。 7. 在帶料上使用麥克馬斯特 和套入組合零件 C 以及 14或 15給出的運算法則。 8. 重復步驟 1-3 直到排列出所有 A 和 B 可能的位置關系。在每個位置關系中找出最好的位置關系，如果這樣，數(shù)字上最佳的位置關系即是最高的材料利用率。 兩相同零件間最佳設計方法 上述方法的第一步是選擇一個可行的 B 和 A 的位置關系。 上的一個平移矢量 t 定義了這個位置，如（圖 3）所示。當這個平移矢量 t 穿過 的輪廓時為最佳的方法。 （圖 3） 上關系零件的平移節(jié)點，顯示出平移矢量 t。 最初，節(jié)點上不連續(xù)的數(shù)被放置在 中的每個邊界上。每個平移節(jié)點描述了兩個零件臨時 加入 位置關系，然后組合零件帶料寬度中的最佳位置上使用單件生產設計程序 (例如在 14或 15中 )。在此例中 , 由 12 條邊組成，每條邊包含 10 個節(jié)點，總共多達 120 個平移 節(jié)點。每個節(jié)點的位置是通過每條邊 直線的插補創(chuàng)建，在麥遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 33 克馬斯特和上 即頂點 I 的坐標是 ( , )。定義一個位置參數(shù) 中 s = 0 和 中 s = 1，每個平移節(jié)點的坐標創(chuàng)建方式如下 : (2) (3) 如果點 m 放置在每條邊上， ， 位置參數(shù)的值 ,按如下公式創(chuàng)建： (4) 利用圖 3 所示 120 個節(jié)點計算出的結果如圖 4 所示。在此圖中，當每條邊移動時 顯示了如何利用截線改變每條邊后平移矢量的線被打斷。當一些邊的截線上述單一的變化，其他截線的則顯示了 2 到 3 個局部截線。 從中找最合適的位置，這就是需要許多節(jié)點的原因。 （圖 4）零件 A 和 A 的最佳材料利用率 根據(jù) 創(chuàng)建出的級數(shù)，當局部最大利用率被顯示出時即可調用一個理論上最佳的方法。在引出工作利用率之前不可用 (無附加計算結果 )，可以使用區(qū)間分半法 19。節(jié)點最初組成的間距能夠顯示出局部最大的點。三個相同間距的點放置在上述間距間 (也就是在 1/4, 1/2 和 3/4 的位置 )，然后計算出每個點上的利用率。比較每個點上的利用率之值，能夠根據(jù)反復降低所得間隔的一半得出結果。上述步驟直到得到想要的精度為止。 應用這種方 法推導出最佳平移矢量點 (747.894， 250.884)，如（圖 5）所示排樣圖材料利用率達 92.02%。 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 34 有趣的是，較好的設計看起來成對零件能夠更加的貼近，以便提高材料利用率。 （圖 5）單一零件 A 的最佳排樣方法 不同零件同一帶料上的最佳排樣方法 生產中常遇到相同材料和相同產量的各類零件，例如，需要裝配在一起的左右兩部分零件。將類似的零件組合在一起生產可以獲得更高的效率，還能提高材料的利用率。這種運算法則的排樣設計同樣適合相同零件的排樣設計。例如（圖 6）所示的零件 B。決定平面位置關系的相應的麥克馬斯特和 ，如（圖 7）所示。在此例中 , 包含 15 條邊，材料利用率的值如（圖 8）所示。重復一次，通過 的邊精確顯示出多種局部最大利用率。（圖 9）所示即為最佳排樣平移矢量點坐標 (901.214, 130.314)。材料利用率為85.32%。此例中帶料寬度為 1229.74、步距為 1390.00。 （圖 6）被嵌套的示例零件 B 的麥克馬斯特和 (粗線 ) 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 35 （圖 7）示例零件 (細線和虛線 ) （圖 8）示例零件 A 和 B 不同排樣方法的材料利用率 （圖 9）示例零件 A 和 B 的最佳排樣方法 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 36 結論 在沖壓工作中，材料成本占產品成本很大比重，所以即使每個零件上微小的節(jié)約，也能累計成可觀的價值。本文介紹了一種新的創(chuàng)建零件間嵌套的最佳排樣計算方法。這種計算方法利用了 麥克馬斯特和計算出成對零件間所有可行的位置關系，和選取零件最佳位置以及帶料的寬度。 做排樣設計時應注意：所有的排列方式都應該被考慮。例如，本文中示例零件的排樣方法應該考慮：零件 A 單獨排樣成對生產，零件 B 單獨排樣成對生產 以及 A 和 B 成對一起生產。設計者應該考慮原料成本，模具加工成本和操作成本以及沖出零件需要的工具盡量降低生產成本。 這種計算方法的應用還可以拓展，其中一個顯而易見的拓展應用即是零件間旋轉后的最佳位置關系，即改變零件 B 在帶料上相對于零件 A 的位置。另一個拓展是可以更深入的學習函數(shù)的運用。 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 37 附錄 B Stamping Die Strip Optimization for Paired Parts Abstract In stamping, operating cost are dominated by raw material costs, which can typically reach 75% of total costs in a stamping facility. In this paper, a new algorithm is described that determines stamping strip layouts for pairs of parts such that the layout optimizes material utilization efficiency. This algorithm predicts the jointly-optimal blank orientation on the strip, relative positions of the paired blanks and the optimum width for the strip. Examples are given for pairing the same parts together with one rotated 180, and for pairs of different parts nested together. This algorithm is ideally suited for incorporation into die design CAE systems. Keywords: Stamping, Die Design, Optimization, Material Utilization, Minkowski Sum, Design Tools Introduction In stamping, sheet metal parts of various levels of complexity are produced rapidly, often in very high volumes, using hard tooling. The production process operates efficiently, and material costs can typically represent 75% of total operating costs in a stamping facility 1. Not all of this material is used in the parts, however, due to the need to trim scrap material from around irregularly-shaped parts. The amount of scrap produced is directly related to the efficiency of the stamping strip layout. Clearly, using optimal strip layouts is crucial to a stamping firms competitiveness. Previous Work Originally, strip layout problems were solved manually, for example, by cutting blanks from cardboard and manipulating them to obtain a good layout. The introduction of computers into the design process led to algorithmic approaches. Perhaps the first was to fit blanks into rectangles, then fit the rectangles along the strip2. Variations of this approach have involved fitting blanks into non-overlapping composites of rectangles 3, convex polygons 4,5 and known interlocking shapes6. A fundamental limitation exists with this approach, however, in that the enclosing shape adds material to the blank that cannot be removed later during the layout process. This added material may prevent optimal layouts from being found. 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 38 A popular approach to performing strip layout is the incremental rotation algorithm 6-10, 16. In it, the blank, or blanks, are rotated by a fixed amount, such as 27, the pitch and width of the layout determined and the material utilization calculated. After repeating these steps through a total rotation of 180 (due to symmetry), the orientation giving the best utilization is selected. The disadvantage of this method is that, in general, the optimal blank orientation will fall between the rotation increments, and will not be found. Although small, this inefficiency per part can accumulate into significant material losses in volume production. Meta-heuristic optimization methods have also been applied to the strip layout problem, both simulated annealing 11, 12 and genetic programming 13. While capable of solving layout problems of great complexity (i.e. many different parts nested together, general 2-D nesting of sheets), they are not guaranteed to reach optimal solutions, and may take significant computational effort to converge to a good solution. Exact optimization algorithms have been developed for fitting a single part on a strip where the strip width is predetermined 14 and where it is determined during the layout process 15. These algorithms are based on a geometric construction in which one shape is grown by another shape. Similar versions of this construction are found under the names no-fit polygon, obstacle space and Minkowski sum. Fundamentally, they simplify the process of determining relative positions of shapes such that the shapes touch but do not overlap. Through the use of this construction (in this paper, the particular version used is the Minkowski sum), efficient algorithms can be created that find the globally optimal strip layout. For the particular problem of strip layout for pair s of parts, results have been reported using the incremental rotation algorithm 7, 16 and simulated annealing 11, but so far no exact algorithm has been available. In what follows, the Minkowski sum and its application to strip layout is briefly introduced, and its extension to nesting pairs of parts is described. The Minkowski Sum The shape of blanks to be nested is approximated as a polygon with n vertices, numbered consecutively in the CCW direction. As the number of vertices increases, curved edges on the blank can be approximated to any desired accuracy. Given two polygons, A and B, the Minkowski sum is defined as the summation of each point in A with each point in B, 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 39 (1) Intuitively, one can think of this process as growing shape A by shape B, or by sliding shape B (i.e., B rotated 180) around A and following the trace of some reference point on B. For example, Fig.1 shows an example blank A. If a reference vertex is chosen at (0, 0), and a copy of the blank rotated 180 (i.e., A) is slid around A, the reference vertex on A will trace out the path shown as the heavy line in Fig.2. This path is the Minkowski sum . Methods for calculating the Minkowski sum can be found in computational geometry texts such as 17, 18. Sample Part A to be Nested. Minkowski Sum (heavy line) of sample Part (light line). The significance of this is that if the reference vertex on A is on the perimeter of , A and A will touch but not overlap. The two blanks are as close as they can be. Thus, for a 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 40 layout of a pair of blanks with one rotated 180 relative to the other, defines all feasible relative positions between the pair of blanks. A corollary of this property is that if the Minkowski sum of a single part is calculated. With its negative, i.e., . (A complete explanation of these properties of the Minkowski sum is given in 15.) These observations were the basis for the algorithm for optimally nesting a single part on a strip. The situation when nesting pairs of parts is more complex, since not only do the optimal orientations of the blanks and the strip width need to be determined, but the optimal relative position of the two blanks needs to be determined as well. To solve this problem, an iterative algorithm is suggested: Given: Blanks A and B (where B=A when a blank is paired with itself at 180) 1. Select the relative position of B with respect to A. The Minkowski sum defines the set of feasible relative positions (Fig.2). 2. Join A and B at this relative position. Call the combined blank C. 3. Nest the combined blank C on a strip using the Minkowski sum with the algorithm given in 14 or 15. 4. Repeat steps 1-3 to span a full range of potential relative positions of A and B. At each potential position, evaluate if a local optima may be present. If so, numerically optimize the relative positions to maximize material uti lization. Layout Optimization of One Part Paired with Itself The first step in the above procedure is to select a feasible position of blank B relative to A. This position is defined by translation vector t from the origin to a point on , as shown in Fig.3. During the optimization process, this translation vector traverses the perimeter of . 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 41 Relative Part Translation Nodes on , showing Translation Vector t. Initially, a discrete number of nodes are placed on each edge of . The two parts are temporarily joined at a relative position described by each of the translation nodes, then the combined blank is evaluated for optimal orientation and strip width using a single-part layout procedure (e.g., as in 14 or 15). In this example, consists of 12 edges, each containing 10 nodes, for a total of 120 translation nodes. The position of each node is found via linear interpolation along each edge , where is vertex I on the Minkowski sum with a coordinate of ( , ). Defining a position parameter s such that s = 0 at and s = 1 at , coordinates of each translation node can be found as: (2) (3) If m nodes are placed on each edge, ,the position parameter values for the node, , are found as: (4) Calculating the utilization at each of the 120 nodes on Fig.3 gives the results shown in Fig.4. In this figure, the curve is broken as the translation vector passes the end of each edge of to show how utilization can change during the traversal of each edge. While some edge 文虹蘇 ：彈力支座模具設計 42 traversals show monotonic changes in utilization, others show two or even three local maxima. Discovering these local optima is the reason why a number of translation nodes are needed. Optimal Material Utilization for Various Translations Between Polygons A and A. As a progression is made around , when local maxima are indicated, a numerical optimization technique is invoked. Since derivatives of the utilization function are not available(without additional computational effort),an interval-halving Approach was taken 19. The initial interval consists of the n