止動件沖壓工藝與模具設(shè)計1

項(xiàng)目五止動件沖壓工藝與模具設(shè)計教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：1.了解沖裁變形過程2.掌握沖裁模間隙及刃口尺寸計算3.掌握沖裁件排樣方法4.掌握沖裁力、壓力中心計算方法5．沖裁工藝設(shè)計6．掌握模具設(shè)計的步驟；能力目標(biāo)：1．會掌握沖裁工藝分析、計算；2．會設(shè)計沖裁模的結(jié)構(gòu)；3.會查表選用沖裁模標(biāo)準(zhǔn)件；4.會設(shè)計工作零件。情感目標(biāo)：1．通過創(chuàng)設(shè)情景、問題，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲；2．通過自主設(shè)計模具，增強(qiáng)學(xué)生的興趣和成就感，體驗(yàn)成功的喜悅；通過項(xiàng)目教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生互助合作的團(tuán)隊(duì)精神。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：1.掌握模具的工藝分析方法和計算；2.掌握模具設(shè)計的步驟；難點(diǎn)：如何選擇合理的設(shè)計參數(shù)。教學(xué)方法學(xué)法：1．問題引導(dǎo)法；2．直觀分析法；3．學(xué)練相結(jié)合的方法。教時、教具教時：10~23課時對于該零件,可以采用什么工藝及模具來生產(chǎn)？教具：電腦、軟件（AutoCADWord軟件）。對于該零件,可以采用什么工藝及模具來生產(chǎn)？教學(xué)過程一、項(xiàng)目的提出可以采用復(fù)合沖裁模?？梢圆捎脧?fù)合沖裁模。圖1止動件二、項(xiàng)目分析為了能夠設(shè)計生產(chǎn)圖1所示的零件的模具，需要掌握知識如下：零件的工藝性分析；零件的工藝計算；模具總體方案設(shè)計；模具各零部件的選擇和設(shè)計。三、實(shí)施準(zhǔn)備1．利用多媒體講解沖裁的工藝計算；2．講解模具的設(shè)計步驟；3．布置設(shè)計任務(wù)。四、項(xiàng)目實(shí)施1.零件的工藝性分析。2.確定工藝方案。3.排樣設(shè)計及計算。4．沖壓力、壓力中心計算。5.工作零件刃口尺寸計算。6．模具總體設(shè)計（模具各零部件的設(shè)計及選用）。7.

畫模具裝配圖、工作零件零件圖。8.整理設(shè)計文檔。五、項(xiàng)目討論1、1、如何確定最終的工藝方案？2、如何確定沖壓力，與模具結(jié)構(gòu)有關(guān)嗎？3、連續(xù)模和復(fù)合模的排樣圖又什么不同？項(xiàng)目5必備理論知識沖裁變形過程圖2.2.2所示沖裁變形過程。如果模具間隙正常，沖裁變形過程大致可分為如下三個階段。1．彈性變形階段(圖2.2.2Ⅰ)在凸模壓力下，材料產(chǎn)生彈性壓縮、拉伸和彎曲變形，凹模上的板料則向上翹曲，間隙越大，彎曲和上翹越嚴(yán)重。同時，凸模稍許擠入板料上部，板料的下部則略擠入凹模洞口，但材料內(nèi)的應(yīng)力末超過材料的彈性極限。2．塑性變形階段(圖2.2.2Ⅱ)

因板料發(fā)生彎曲，凸模沿寬度為b的環(huán)形帶繼續(xù)加壓，當(dāng)材料內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時便開始進(jìn)入塑性變形階段。凸模擠入板料上部，同時板料下部擠入凹模洞口，形成光亮的塑性剪切面。隨凸模擠入板料深度的增大，塑性變形程度增大，變形區(qū)材料硬化加劇，沖裁變形抗力不斷增大，直到刃口附近側(cè)面的材料由于拉應(yīng)力的作用出現(xiàn)微裂紋時，塑性變形階段便告終，此時沖裁變形抗力達(dá)到最大值。由于凸、凹模間存在有間隙，故在這個階段中板料還伴隨著彎曲和拉伸變形。間隙越大，彎曲和拉伸變形也越大。3．?dāng)嗔逊蛛x階段(圖2.2.2Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)

材料內(nèi)裂紋首先在凹模刃口附近的側(cè)面產(chǎn)生，緊接著才在凸模刃口附近的側(cè)面產(chǎn)生。已形成的上下微裂紋隨凸模繼續(xù)壓入沿最大切應(yīng)力方向不斷向材料內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)上下裂紋重合時，板料便被剪斷分離。隨后，凸模將分離的材料推人凹模洞口。

從圖2.2.3所示沖裁力-凸模行程曲線可明顯看出沖裁變形過程的三個階段。圖中OA段是沖裁的彈性變形階段；AB段是塑性變形階段，B點(diǎn)為沖裁力的最大值，在此點(diǎn)材料開始剪裂，BC段為微裂紋擴(kuò)展直至材料分離的斷裂階段，CD段主要是用于克服摩擦力將沖件推出凹?？卓跁r所需的力。圖2.2.2沖裁變形過程圖2.2.3沖裁力曲線二．沖裁件質(zhì)量沖裁件質(zhì)量是指斷面狀況、尺寸精度和形狀誤差。斷面狀況盡可能垂直、光潔、毛刺小。尺寸精度應(yīng)該保證在圖紙規(guī)定的公差范圍之內(nèi)。零件外形應(yīng)該滿足圖紙要求；表面盡可能平直，即拱彎小。1．沖裁件斷面質(zhì)量

由于沖裁變形的特點(diǎn)，沖裁件的斷面明顯地分成四個特征區(qū)，即圓角帶a、光亮帶b、斷裂帶c與毛刺區(qū)d，如圖2.2.4所示。

圓角帶a：該區(qū)域的形成是當(dāng)凸模刃口壓入材料時，刃口附近的材料產(chǎn)生彎曲和伸長變形，材料被拉入間隙的結(jié)果；

光亮帶b：該區(qū)域發(fā)生在塑形變形階段，當(dāng)刃口切入材料后，材料與凸、凹模切刃的側(cè)表面擠壓而形成的光亮垂直的斷面。通常占全斷面的1/2-1/3；

斷裂帶c：該區(qū)域是在斷裂階段形成。是由刃口附近的微裂紋在拉應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展而形成的撕裂面，其斷面粗糙，具有金屬本色，且略帶有斜度。

毛刺區(qū)d：毛刺的形成是由于在塑性變形階段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度時，刃口正面材料被壓縮，刃尖部分是高靜水壓應(yīng)力狀態(tài)，使裂紋的起點(diǎn)不會在刃尖處發(fā)生，而是在模具側(cè)面距刃尖不遠(yuǎn)的地方發(fā)生，在拉應(yīng)力的作用下，裂紋加長，材料斷裂而產(chǎn)生毛刺，裂紋的產(chǎn)生點(diǎn)和刃口尖的距離成為毛刺的高度。在普通沖裁中毛刺是不可避免的，普通沖裁允許的毛刺高度見表2.2.1。a）沖孔件b）落料件圖2.2.4沖裁區(qū)應(yīng)力、變形和沖裁件正常的斷面狀況三,沖裁間隙1.沖裁間隙Z沖裁間隙是指沖裁模中凹模刃口橫向尺寸DA與凸模刃口橫向尺寸dT的差值，如圖2.3.1所示。Z表示雙面間隙，單面間隙用Z/2表示，如無特殊說明，沖裁間隙就是指雙面間隙。Z值可為正，也可為負(fù)，但在普通沖裁中，均為正值。圖2.3.1沖裁模間隙2．沖裁間隙的確定方法在沖壓實(shí)際生產(chǎn)中，主要根據(jù)沖裁件斷面質(zhì)量、尺寸精度和模具壽命這三個因素綜合考慮，給間隙規(guī)定一個范圍值。只要間隙在這個范圍內(nèi)，就能得到質(zhì)量合格的沖裁件和較長的模具壽命。這個間隙范圍就稱為合理間隙，這個范圍的最小值稱為最小合理間隙（Zmin），最大值稱為最大合理間隙（Zmax）?？紤]到在生產(chǎn)過程中的磨損使間隙變大，故設(shè)計與制造新模具時應(yīng)采用最小合理間隙Zmin。確定合理間隙值有理論法和經(jīng)驗(yàn)確定法兩種。（1）理論法主要是根據(jù)凸、凹模刃口產(chǎn)生的裂紋相互重合的原則進(jìn)行計算。圖2.3.2所示為沖裁過程中開始產(chǎn)生裂紋的瞬時狀態(tài)，根據(jù)圖中幾何關(guān)系可求得合理間隙Z為圖2.3.2沖裁產(chǎn)生裂紋的瞬時狀況上式可看出，合理間隙Z與材料厚度t、凸模相對擠入材料深度、裂紋角有關(guān)，而h0/t及β又與材料塑性有關(guān)，見表2.3.1。因此，影響間隙值的主要因素是材料性質(zhì)和厚度。材料厚度越大，塑性越低的硬脆材料，則所需間隙Z值就越大；材料厚度越薄，塑性越好的材料，則所需間隙Z值就越小。由于理論計算法在生產(chǎn)中使用不方便，故目前廣泛采用的是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(2)．經(jīng)驗(yàn)確定法根據(jù)研究與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，間隙值可按要求分類查表確定。對于尺寸精度、斷面質(zhì)量要求高的沖裁件應(yīng)選用較小間隙值（表2.3.2），這時沖裁力與模具壽命作為次要因素考慮。對于尺寸精度和斷面質(zhì)量要求不高的沖裁件，在滿足沖裁件要求的前提下，應(yīng)以降低沖裁力、提高模具壽命為主，選用較大的雙面間隙值（表2.3.3）?？稍斠奊B/T16743-1997。四．凸凹模尺寸計算凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影響沖裁件的尺寸精度。模具的合理間隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差來保證。因此，正確確定凸、凹模刃口尺寸和公差，是沖裁模設(shè)計中的一項(xiàng)重要工作。1.凸凹模尺寸計算原則由于凸、凹模之間存在著間隙，所以沖裁件斷面都帶有錐度。但在沖裁件尺寸的測量和使用中，則是以光亮帶的尺寸為基準(zhǔn)。落料件的光亮帶處于大端尺寸，其光亮帶是因凹模刃口擠切材料產(chǎn)生的，且落料件的大端（光面）尺寸等于凹模尺寸。沖孔件的光亮帶處于小端尺寸，其光亮帶是凸模刃口擠切材料產(chǎn)生的，且沖孔件的小端（光面）尺寸等于凸模尺寸。沖裁過程中，凸、凹模要與沖裁零件或廢料發(fā)生摩擦，凸模輪廓越磨越小，凹模輪廓越磨越大，結(jié)果使間隙越用越大。因此，確定凸、凹模刃口尺寸應(yīng)區(qū)分落料和沖孔工序，并遵循如下原則：

（１）．設(shè)計落料模先確定凹模刃口尺寸。以凹模為基準(zhǔn)，間隙取在凸模上，即沖裁間隙通過減小凸模刃口尺寸來取得。設(shè)計沖孔模先確定凸模刃口尺寸。以凸模為基準(zhǔn)，間隙取在凹模上，沖裁間隙通過增大凹模刃口尺寸來取得。

（２）．根據(jù)沖模在使用過程中的磨損規(guī)律，設(shè)計落料模時，凹模基本尺寸應(yīng)取接近或等于工件的最小極限尺寸；設(shè)計沖孔模時，凸模基本尺寸則取接近或等于工件孔的最大極限尺寸。這樣，凸、凹在磨損到一定程度時，仍能沖出合格的零件。

模具磨損預(yù)留量與工件制造精度有關(guān)。用x、Δ表示，其中Δ為工件的公差值，x為磨損系數(shù)，

其值在0.５～１之間，根據(jù)工件制造精度進(jìn)行選取：

工件精度IT10以上X=1

工件精度IT11～I(xiàn)T13X=0.75

工件精度IT14X=0.5

（３）．不管落料還是沖孔，沖裁間隙一般選用最小合理間隙值（Zmin）。

（４）．選擇模具刃口制造公差時，要考慮工件精度與模具精度的關(guān)系，即要保證工件的精度要求，又要保證有合理的間隙值。一般沖模精度較工件精度高2～4級。對于形狀簡單的圓形、方形刃口，其制造偏差值可按ＩＴ６～ＩＴ７級來選??；對于形狀復(fù)雜的刃口制造偏差可按工件相應(yīng)部位公差值的1/4來選??；對于刃口尺寸磨損后無變化的制造偏差值可取工件相應(yīng)部位公差值的1/8并冠以（±）。

（５）．工件尺寸公差與沖模刃口尺寸的制造偏差原則上都應(yīng)按“入體”原則標(biāo)注為單向公差，所謂“入體”原則是指標(biāo)注工件尺寸公差時應(yīng)向材料實(shí)體方向單向標(biāo)注。但對于磨損后無變化的尺寸，一般標(biāo)注雙向偏差。2．凸凹模刃口計算方法由于沖模加工方法不同，刃口尺寸的計算方法也不同，基本上可分為兩類。（1）．按凸模與凹模圖樣分別加工法圖2.4.1沖模刃口與工件尺寸及公差分布圖2.4.1沖模刃口與工件尺寸及公差分布凸、凹模分別加工法的優(yōu)點(diǎn)是，凸、凹模具有互換性，制造周期短，便于成批制造。其缺點(diǎn)是，為了保證初始間隙在合理范圍內(nèi)，需要采用較小的凸、凹模具制造公差才能滿足δT+δA≤Zmax-Zmin的要求，所以模具制造成本相對較高。

沖模刃口與工件尺寸及公差分布情況如圖2.4.1所示。其計算公式如下：落料沖孔孔心距足以下條件（2）．凸模與凹模配作法對于沖制薄材料（因Zmax與Zmin的差值很?。┑臎_模，或沖制復(fù)雜形狀工件的沖模，或單件生產(chǎn)的沖模，常常采用凸模與凹模配作的加工方法。

配作法就是先按設(shè)計尺寸制出一個基準(zhǔn)件（凸?；虬寄＃缓蟾鶕?jù)基準(zhǔn)件的實(shí)際尺寸再按最小合理間隙配制另一件。這種加工方法的特點(diǎn)是模具的間隙由配制保證，工藝比較簡單，不必校核δT+δA≤Zmax-Zmin的條件，并且還可放大基準(zhǔn)件的制造公差，使制造容易。設(shè)計時，基準(zhǔn)件的刃口尺寸及制造公差應(yīng)詳細(xì)標(biāo)注，而配作件上只標(biāo)注公稱尺寸，不注公差，但在圖紙上注明：“凸（凹）模刃口按凹（凸）模實(shí)際刃口尺寸配制，保證最小雙面合理間隙值Zmin”。

采用配作法，計算凸?；虬寄Ｈ锌诔叽纾紫仁歉鶕?jù)凸?；虬寄Ｄp后輪廓變化情況，正確判斷出模具刃口各個尺寸在磨損過程中是變大，變小還是不變這三種情況，然后分別按不同的公式計算。

1）凸?；虬寄Ｄp后會增大的尺寸——第一類尺寸A

落料凹?；驔_孔凸模磨損后將會增大的尺寸，相當(dāng)于簡單形狀的落料凹模尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的確定方法與公式（2.4.1）相同第一類尺寸：2）凸模或凹模磨損后會減小的尺寸——第二類尺寸B沖孔凸?；蚵淞习寄Ｄp后將會減小的尺寸，相當(dāng)于簡單形狀的沖孔凸模尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的確定方法與公式（2.4.3）相同。第二類尺寸：3）凸?；虬寄Ｄp后會基本不變的尺寸——第三類尺寸C

凸?；虬寄Ｔ谀p后基本不變的尺寸，不必考慮磨損的影響，相當(dāng)于簡單形狀的孔心距尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的確定方法與公式（2.4.5）計算。第三類尺寸：五，沖壓力的計算1．沖裁力沖裁力是沖裁過程中凸模對板料施加的壓力，它是隨凸模進(jìn)人材料的深度(凸模行程)而變化的。通常說的沖裁力是指沖裁力的最大值，它是選用壓力機(jī)和設(shè)計模具的重要依據(jù)之一。

用普通平刃口模具沖裁時，其沖裁力F一般按下式計算：

式中F——沖裁力；

L——沖裁周邊長度；

t——材料厚度；

τ——材料抗剪強(qiáng)度；

K——安全修正系數(shù)。一般取K＝1.3。

為計算簡便，也可按下式估算沖裁力：

(2.6.2)式中σb——材料的抗拉強(qiáng)度。2．頂件力、推件力、卸料力計算在沖裁結(jié)束時，由于材料的彈性回復(fù)（包括徑向彈性回復(fù)和彈性翹曲的回復(fù)）及摩擦的存在，將使沖落部分的材料梗塞在凹模內(nèi)，而沖裁剩下的材料則緊箍在凸模上。為使沖裁工作繼續(xù)進(jìn)行，必須將箍在凸模上的料卸下，將卡在凹模內(nèi)的料推出。卸料力：從凸模上卸下箍著的料所需要的力稱卸料力。推件力：將梗塞在凹模內(nèi)的料順沖裁方向推出所需要的力稱推件力。頂件力：逆沖裁方向?qū)⒘蠌陌寄?nèi)頂出所需要的力稱頂件力。卸料力F=KxF(2.6.3)圖2.6.1推件力FT=nKTF(2.6.4圖2.6.1頂件力FD=KDF

(2.6.5)式中F——沖裁力；

——卸料力、推件力、頂件力系數(shù)，見表2.6.1；

n——同時卡在凹模內(nèi)的沖裁件(或廢料)數(shù)。

h——凹模洞口的直刃壁高度；t——板料厚度注：卸料力系數(shù)Kx，在沖多孔、大搭邊和輪廓復(fù)雜制件時取上限值。3.壓力機(jī)公稱壓力的計算壓力機(jī)的公稱壓力必須大于或等于各種沖壓工藝力的總和Fz。Fz的計算應(yīng)根據(jù)不同的模具結(jié)構(gòu)分別對待，即

采用彈性卸料裝置和下出料方式的沖裁模時

(2.6.6)

采用彈性卸料裝置和上出料方式的沖裁模時

(2.6.7)

采用剛性卸料裝置和下出料方式的沖裁模時

(2.6.8)六．壓力中心的計算模具的壓力中心就是沖壓力合力的作用點(diǎn)。為了保證壓力機(jī)和模具的正常工作，應(yīng)使模具的壓力中心與壓力機(jī)滑塊的中心線相重合。否則，沖壓時滑塊就會承受偏心載荷，導(dǎo)致滑塊導(dǎo)軌和模具導(dǎo)向部分不正常的磨損，還會使合理間隙得不到保證，從而影響制件質(zhì)量和降低模具壽命甚至損壞模具。在實(shí)際生產(chǎn)中，可能會出現(xiàn)由于沖件的形狀特殊或排樣特殊，從模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造考慮不宜使壓力中心與模柄中心線相重合的情況，這時應(yīng)注意使壓力中心的偏離不致超出所選用壓力機(jī)允許的范圍。七．沖裁排樣設(shè)計沖裁件在條料、帶料或板料上的布置方法叫排樣。合理的排樣是提高材料利用率、降低成本，保證沖件質(zhì)量及模具壽命的有效措施。1．材料利用率沖裁件的實(shí)際面積與所用板料面積的百分比叫材料利用率，它是衡量合理利用材料的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

一個步距內(nèi)的材料利用率(圖2.5.1)可用下式表示η=A/BSx100%式中：A----一個步距內(nèi)沖裁件的實(shí)際面積B----條料寬度S-----步距2.5.1廢料的種類圖若考慮到料頭、料尾和邊余料的材料消耗，則一張板料(或帶料、條料)上總的材料的利用率η總為η總=(nA1/LB)x100%式中n----一張板料（或帶料、條料）上沖裁件的總數(shù)目A1---一個沖裁件的實(shí)際面積L----板料長度B----板料寬度值越大，材料的利用率就越高，在沖裁件的成本中材料費(fèi)用一般占60％以上，可見材料利用率是一項(xiàng)很重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。2．排樣方法根據(jù)材料的合理利用情況，條料排樣方法可分為三種，如圖2.5.3所示。圖2.5.3排樣方法分類（1）．有廢料排樣如圖2.5.3a（2）．少廢料排樣如圖2.5.3b所示。沿沖件部分外形切斷或沖裁，只在沖件與沖件之間或沖件與條料側(cè)邊之間留有搭邊。因受剪裁條料質(zhì)量和定位誤差的影響，其沖件質(zhì)量稍差，同時邊緣毛刺被凸模帶入間隙也影響模具壽命，但材料利用率稍高，沖模結(jié)構(gòu)簡單。

(3)．無廢料排樣如圖2.5.3c所示。沖件與沖件之間或沖件與條料側(cè)邊之間均無搭邊，沿直線或曲線切斷條料而獲得沖件。沖件的質(zhì)量和模具壽命更差一些，但材料利用率最高。另外，如圖2.5.3c所示，當(dāng)送進(jìn)步距為兩倍零件寬度時，一次切斷便能獲得兩個沖件，有利于提高勞動生產(chǎn)率。

采用少、無廢料的排樣可以簡化沖裁模結(jié)構(gòu)，減小沖裁力