復(fù)雜沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)

第六章復(fù)雜沖壓件的工藝及模具設(shè)計(jì)6.1小變形量成形件的沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)6.2復(fù)雜拉深件的沖壓工藝及拉深模設(shè)計(jì)6.3復(fù)雜成形件的工藝及成形模設(shè)計(jì)6.1小變形量成形件的沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)自行車腳踏內(nèi)板的沖壓工藝設(shè)計(jì)一、工藝性分析圖6-1所示為自行車腳踏內(nèi)板，材料為Q215，料厚t=1.5mm，大批大量生產(chǎn)。設(shè)計(jì)其沖壓工藝及模具。圖6-1自行車腳踏內(nèi)板該零件尺寸較小，生產(chǎn)批量大，采用條料連續(xù)沖壓的生產(chǎn)方式為必然選擇，根據(jù)零件形狀特點(diǎn)，排樣方式采用斜排也很自然，可以計(jì)算，按圖6-2所示斜排，材料利用率最高。但由于中部凸臺(tái)的存在，要分析其成形工藝。圖6-2排樣示意圖二、沖壓工藝方案及模具結(jié)構(gòu)根據(jù)以上分析，采用條料或帶料在級(jí)進(jìn)模上生產(chǎn)該零件，級(jí)進(jìn)模的工步安排有以下兩種方式。方案一：淺拉深→整形、沖孔→落料方案二：沖底孔→內(nèi)孔翻邊（不完全翻邊）→整形、沖孔（φ19）→沖孔（φ5.5）→落料兩個(gè)方案比較，方案二的工藝穩(wěn)定，材料利用率高，與大批大量生產(chǎn)相適應(yīng)，故采用第二方案。排樣圖如圖6-2所示，共有5個(gè)工位：圖6-2排樣圖第1工位：沖φ15工藝孔；第2工位：內(nèi)緣翻邊；第3工位：沖φ19底孔、凸臺(tái)整形；第4工位：落料模具使用條料，手工送進(jìn)，由于第2工位翻邊形成的凸包可用作以后工位的定位，模具無專用定位零件，僅須在第1、2兩個(gè)工位設(shè)置始用擋料銷。于第2、4工位設(shè)置導(dǎo)正銷（裝于凸模上）精確定位，即可保證零件的位置精度。模具結(jié)構(gòu)如圖6-4所示。1―模座

2、8―墊板

3―凹模板

4―卸料板5、11―沖孔凸模6―落料凸模7―凸模固定板9―模柄

10―防轉(zhuǎn)銷釘12―翻邊凸模13―彈簧14―沖孔整形凸模15―導(dǎo)料板16沖孔凹模

17―翻邊凹模18―沖孔整形凹模

19―承料板20―始用擋料銷圖6-4模具總圖三、工藝計(jì)算

1.翻邊計(jì)算（1）預(yù)制孔直徑根據(jù)圖6-4中幾何關(guān)系（略去圓角），設(shè)φ19孔的沖裁余量為2mm，按料厚中間層尺寸（雙點(diǎn)劃線）計(jì)算各部分長(zhǎng)度為：

BD=2mmDC=（26.25-23.25）/2=1.5mm故：另有：AB=[23.25-（19-2）]/2=3.1mm前面分析有：EC=AB＋BC=5.6mm。因此，計(jì)算翻孔預(yù)制孔直徑為：

d0=26.25－2×5.6=15.05≈15mm。圖6-4翻孔預(yù)制孔計(jì)算（2）校核變形程度。查表5-7，極限翻邊系數(shù)為Kmin=0.52，實(shí)際翻邊系數(shù)為：

K=15/（19-2）=0.88＞Kmin因此不會(huì)開裂。2.沖壓力及壓力中心計(jì)算1）翻邊力。按式（5-24）計(jì)算翻邊力為：Fb=1.1π×1.5×（17-15）×220≈2281N。2）沖裁力。根據(jù)式（2-11），分別計(jì)算第1、3、4工位的沖裁力為：F1c=24034N，F(xiàn)3c=48042N，F(xiàn)4c=82994N。再根據(jù)式（2-13）、（2-14）及表2-11，對(duì)應(yīng)的卸料力為：F1x=1202N，F(xiàn)3x=2401N，F(xiàn)4x=4150N；推件力：F1T=5284N，F(xiàn)3T=8954N，F(xiàn)4T=18260N。

3）整形力。按式（5-36）計(jì)算，取p=150MPa，得整形力為：Fz=39579N。因而可得各工位沖壓力為：第1工位沖孔：沖壓力為：F1c＋F1x＋F1T=30520（N）；第2工位翻邊：沖壓力為：2281（N）；第3工位整形＋沖孔：由于整形時(shí)，沖裁已經(jīng)結(jié)束，故沖壓力為：Max（F3c＋F3x＋F3T，F(xiàn)z＋F3x＋F3T）=Max（59397，50934）=59397（N）；第4工位沖孔：沖壓力為：F4c＋F4x＋F4T=105404（N）；總沖壓力等于各工步?jīng)_壓力之和，計(jì)算得總沖壓力為：197.6（KN），壓力機(jī)公稱壓力可選25噸。四、主要模具零件結(jié)構(gòu)

1.翻邊凸模與翻邊凹模翻邊凸模和翻邊凹模的結(jié)構(gòu)尺寸如圖6-6所示:圖6-6翻邊凸模與凹模2.整形、沖孔凸模

φ19的沖孔凸模與整形凸模為一體結(jié)構(gòu)，先沖孔，后整形，尺寸按零件要求設(shè)計(jì)。由于整形時(shí)材料受力比較均勻，且變形量小，所沖φ19孔不會(huì)發(fā)生變形。凸模的工作尺寸見圖6-7。圖6-7整形、沖孔凸模工作尺寸項(xiàng)目總結(jié)1.充分利用零件的結(jié)構(gòu)尺寸確定其成形工藝。2.模具結(jié)構(gòu)考慮制造、維修方便。6.2復(fù)雜拉深件的沖壓工藝及拉深模設(shè)計(jì)項(xiàng)目要求及工藝分析拉深件的工藝性某沖壓件數(shù)模如圖6-8所示，產(chǎn)品為左、右件成對(duì)使用，并完全對(duì)稱。材料為B280P，料厚1.2mm，總體尺寸為140mm（X）×118mm（Y）×42mm（Z），零件上兩孔的直徑分別為Φ7mm和Φ10mm，其他具體尺寸見數(shù)模。批量生產(chǎn)，要求表面光滑無損傷、暗傷，現(xiàn)要求制定其沖壓工藝及模具。工藝方案設(shè)計(jì)由前面的工藝分析，可將左右兩件合并成形。在法蘭面平面內(nèi)，將左件鏡像，左右兩件結(jié)合處留17mm的切邊余量工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)及工序安排擬定10）落料或剪裁。20）拉深成形。30）切邊、沖孔。如圖6-11所示。

圖6-10補(bǔ)充工藝面后的拉深件輪廓圖6-11切邊沖孔工序簡(jiǎn)圖拉深方向與壓料面確定確定沖壓方向和壓料面的原則有：1）不能存在負(fù)角，即不能存在凸模接觸不到拉深形狀的局部區(qū)域（死角）。2）保證凸模與坯料的初始接觸面積盡量大，避免點(diǎn)接觸，接觸部位應(yīng)盡量處于沖模中心，以避免成形時(shí)坯料的竄動(dòng)。3）應(yīng)盡量保證各部位拉深深度均勻，以保證沿周進(jìn)料阻力盡量均勻。4）壓料面盡量平緩，盡可能用平面。5）如果有反拉深平面，應(yīng)盡量使沖壓方向與其垂直。根據(jù)以上原則，首先確定基準(zhǔn)點(diǎn)，取在零件的幾何中心，沖壓方向取在圖6-12所示的Z方向，壓料面則取零件法蘭面平面，如圖6-13所示。沖壓方向與法蘭面垂直。圖6-12沖壓方向圖6-13壓料面拉延筋設(shè)計(jì)與坯料尺寸計(jì)算拉延筋的形狀和尺寸十分微妙，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法基本靠經(jīng)驗(yàn)。目前在工藝分析階段多根據(jù)預(yù)設(shè)的拉延筋中心線，利用CAE軟件分析得到虛擬筋的阻力，以便于對(duì)虛擬筋的調(diào)整，但在工程上則直接采用實(shí)體拉延筋分析調(diào)試。圖6-14設(shè)置拉延筋后的拉深件造型圖6-15拉深件坯料CAE分析及虛擬試模借助CAE軟件分析的過程，總體上就是以假定的具體工藝參數(shù)輸入，由計(jì)算機(jī)模擬沖壓過程并輸出結(jié)果，再根據(jù)結(jié)果（一般都會(huì)有缺陷）調(diào)整參數(shù)、修改模型，繼續(xù)模擬，直至結(jié)果滿意，從而得到工藝確定和模具設(shè)計(jì)的量化數(shù)據(jù)，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。圖6-16CAE輔助虛擬試模模型的準(zhǔn)備、導(dǎo)入與網(wǎng)格劃分分模后拉深模型以分模線為界被分為兩部分，分模線以內(nèi)為“凸模”，以外為“壓邊圈”（實(shí)際上本例凸模應(yīng)向內(nèi)偏置1～2mm），這樣為后面的工藝設(shè)定提供方便。然后將模型導(dǎo)入CAE軟件。在對(duì)成形過程進(jìn)行模擬之前，需對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖6-17模型的網(wǎng)格剖分工藝及虛擬模具設(shè)定工藝設(shè)定包括材料性能參數(shù)、壓料面、壓料力（本例選20噸）、壓力機(jī)（單動(dòng)或雙動(dòng)，本例選單動(dòng)）等，模具設(shè)定包括凸模和凹模工作面設(shè)定（一般二者相差1.1倍的料厚偏置量），完成這些參數(shù)設(shè)定以后，軟件可自動(dòng)組裝虛擬模具，如圖計(jì)算求解、結(jié)果分析與參數(shù)修改在完成所有參數(shù)設(shè)定后，即可提交計(jì)算，計(jì)算完成后經(jīng)過后處理并輸出模擬成形結(jié)果。圖6-19所示為本例首次模擬的拉深件情況（FLD云圖），可見在零件底部?jī)汕蛎鎱^(qū)，由于脹形成分多，材料受雙向拉應(yīng)力，減薄最嚴(yán)重，已經(jīng)開裂，圓柱面后側(cè)根部也發(fā)生了開裂，同時(shí)，工件前部發(fā)生大面積起皺及起皺趨向，而工件兩側(cè)成形狀況良好，起始階段也未發(fā)生板料失穩(wěn)。

圖6-19第一次CAE模擬的拉深情況據(jù)上分析，可考慮在前側(cè)增加拉延筋，去除兩側(cè)的拉延筋，并將拉延筋深度改為1mm，同時(shí)，壓邊力仍取20噸。因此，將拉深數(shù)模改為圖6-20所示，再次模擬結(jié)果如圖6-21所示（數(shù)字為料厚變化量），可見相比第一次大有改善，開裂和起皺已經(jīng)消除，只是延周大部分區(qū)域板料增厚，但均在安全范圍內(nèi)，實(shí)模調(diào)試時(shí)可適當(dāng)增大壓邊力。圖6-20修改后的拉深數(shù)模圖6-21再次模擬拉深的結(jié)果拉深模設(shè)計(jì)1.分模設(shè)計(jì)按圖6-10所示的分模線將模型分為內(nèi)外兩部分，內(nèi)部為凸模，分模線向外偏置1mm，其外為壓邊圈。壓邊圈與凸模分別如圖6-22和圖6-23所示。圖6-22壓邊圈圖6-23凸模2.模具結(jié)構(gòu)

下模由下模座、凸模、壓邊圈及其他附件組成。壓邊圈以4套卸料組件與下模座連接，坯料由安裝于壓邊圈上的6個(gè)銷釘定位，如圖6-24所示。圖6-24壓邊圈組件壓料動(dòng)力由8根頂桿傳遞，壓邊圈運(yùn)動(dòng)時(shí)由固定于下模座的2個(gè)直角導(dǎo)向塊導(dǎo)向，在壓邊圈上沿型面四周均勻布置6處平衡塊，位置需避開頂托桿孔位。同時(shí)在下模座底板上與平衡塊對(duì)應(yīng)位置安裝6處墩死塊。凸模與下模座以2個(gè)相互垂直的鍵定位（見圖6-25）。圖6-25下模座及凸模上模由模柄、上模座、凹模及其他附件組成，仰視圖見圖6-26。凹模與上模座由4個(gè)鍵定位，彈性銷為保證順利出件而設(shè)。圖6-26上模仰視圖3.零件材料及標(biāo)準(zhǔn)件由于坯料為高強(qiáng)度鋼，模具沖壓力較大，在零件材料選擇上，壓邊圈和工作零件一樣，選用Cr12MoV，淬硬至58～62HRC，而上、下模座則選用45鋼，并淬硬至40～45HRC。項(xiàng)目總結(jié)從此項(xiàng)目過程可見，與規(guī)則形狀相比，復(fù)雜件的拉深成形雖然原理一樣，但工藝設(shè)計(jì)過程復(fù)雜得多，模具設(shè)計(jì)與制造也有獨(dú)特之處，現(xiàn)簡(jiǎn)要總結(jié)如下。1.定性的工藝分析是根本。2.CAE軟件應(yīng)用是關(guān)鍵之一。3.模具設(shè)計(jì)與制造。6.3復(fù)雜成形件的工藝及成形模設(shè)計(jì)復(fù)雜成形件的工藝及成形模設(shè)計(jì)項(xiàng)目要求某沖壓件材料為10，料厚1.2mm，形狀及大致輪廓尺寸如圖6-27所示，其中，A、B兩平面平行，間距8.6mm，與C面夾角7.2°要求表面光整。左右件對(duì)稱（圖為左件），大批量生產(chǎn)，試確定沖壓工藝方案，設(shè)計(jì)成形模。A、BCFEDΦ26.5Φ10工藝分析此沖壓件的形狀、結(jié)構(gòu)總體上很不規(guī)則，各區(qū)域變形性質(zhì)多有不同，且均為局部變形，屬于較復(fù)雜的成形件，包含彎曲、脹形、平面翻邊、曲面翻邊等多種變形。工序安排10）落料沖孔（Φ10mm工藝孔）。20）成形（左、右件一模成形）。30）翻邊、沖孔（Φ26.5mm孔、A部翻邊）。40）沖孔（2-Φ10mm孔）。圖6-28成形工序件工藝方案確定坯料尺寸設(shè)定

利用CAE軟件的鈑金件展開料計(jì)算功能，可預(yù)求得坯料輪廓如圖6-29所示。成形模試模時(shí)，可用線切割加工獲得坯料，用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)成形件，再修改坯料尺寸，直至制件合格，然后按調(diào)試所得坯料尺寸制作落料模。圖6-29預(yù)求坯料輪廓由于產(chǎn)品形狀特殊，為保證成形過程穩(wěn)定可靠，將凹模分割為二，即：固定的彎曲及曲面翻邊凹模和活動(dòng)的平面翻邊凹模，如圖6-30所示，活動(dòng)凹模兼起托料和頂件作用。為簡(jiǎn)化過程，這里按一次成形模擬。CAE成形分析及參數(shù)優(yōu)化圖6-30分割凹模將模型導(dǎo)入CAE軟件，劃分網(wǎng)格、設(shè)定材料等相關(guān)參數(shù)后，組裝圖6-31所示的虛擬成形模，提交求解后，得FLD云圖如圖6-32所示，凸包處材料減薄率過大，有開裂的危險(xiǎn)，由于該凸包作用僅僅為了提高坯料剛度，減少回彈，可通過修改凸包圓角尺寸，由R4mm擴(kuò)大為R6mm，再次模擬成形，結(jié)果即滿足質(zhì)量要求。圖6-31虛擬成形模圖6-32模擬結(jié)果分析模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活動(dòng)凹模組件由活動(dòng)凹模和活動(dòng)凹模墊板組成，可在固定凹模及其墊板的型腔內(nèi)上、下活動(dòng)，限位面為固定凹模底面和下模座，凹模與墊板的裝配關(guān)系。成形模設(shè)計(jì)與制造圖6-33凹模組件圖6-34凹模組件的裝配關(guān)系坯料由活動(dòng)凹模和固定凹模上的2個(gè)定位銷定位，上模下行前，活動(dòng)凹模被頂起并托料，沖壓時(shí)活動(dòng)凹模被壓而下行，直至下死點(diǎn)時(shí)，固定凹模墊板與下模座接觸，如圖6-35所示。凸模則為整體結(jié)構(gòu)，如圖6-36所示。圖6-35凹模組件工作狀態(tài)圖6-36凸模

模具總體結(jié)構(gòu)如圖6-37所示。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，成形件一般不會(huì)附在凸模上，故上模未設(shè)卸料裝置。下模的活動(dòng)凹模組件由底部的頂桿提供動(dòng)力，為便于模具的安裝調(diào)試，模具兩端分別設(shè)有限位塊，控制閉合高度。圖6-37模具總體結(jié)構(gòu)主要零件的選材及加工由于產(chǎn)品表面質(zhì)量要求較高，要求模具成型工作面光滑、耐磨，并具一定韌性，并考慮加工工藝性，凸模、固定凹模和活動(dòng)凹模均選用預(yù)硬模具鋼2738（德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)），在預(yù)硬狀態(tài)（28～32HRC）下加工，調(diào)試后，進(jìn)行局部氮化處理，硬度可達(dá)55HRC以上。該鋼種為中碳鋼，由于添加了Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素，切削、拋光性能好。工作面的精加工均在加工中心上進(jìn)行（CAM），固定凹模上與活動(dòng)凸模的滑配面可用線切割加工。銷釘孔可在模具調(diào)試合格后與相關(guān)件組合加工。凹模墊板、活動(dòng)凹模墊板則選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理即可項(xiàng)目總結(jié)此零件在工藝分析方面，對(duì)產(chǎn)品各區(qū)域的變形性質(zhì)、變形程度以及相互影響的基本判斷是要點(diǎn)，例如：零件中部的大圓角彎曲，單純看工藝性較差，回彈會(huì)很嚴(yán)重，但由于變形區(qū)有壓筋脹形和兩側(cè)翻邊的存在，消除了彎曲變形程度不足對(duì)回彈的影響；所有的翻邊變形，在圓角處的翻邊高度都比較小。因此，零件看似形狀復(fù)雜，但經(jīng)綜合分析，成形工藝性較