壓緊彈簧座沖壓模具設計及數(shù)值模擬

1、壓緊彈簧座沖壓模具設計及數(shù)值模擬XXXXX大學XXXX學院，XX XXXXX摘要：本文講述了壓緊彈簧座沖壓模具的設計過程，包括落料拉深復合模、二次拉深整形模、沖孔模及切邊模。在本次設計中，充分運用了PRO/E自頂向下設計技術對模具進行開發(fā)，即按照先確定工藝設計參數(shù)、用PRO/E繪三維零件模型及裝配圖、反向修改零件參數(shù)、生成二維工程圖的順序逐步進行。最后為防止零件在拉深過程中可能會出現(xiàn)的起皺、破裂等現(xiàn)象，本設計用沖壓模擬軟件DYNAFORM進行數(shù)值仿真模擬，從而提高了設計的正確性、縮短了產品開發(fā)周期和降低了成本。關鍵詞：凸緣筒形件；工藝設計；數(shù)值模擬Stamping Die Design and

2、 Numerical Simulation of Compacting Spring BracketYANG JunpingCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, ChinaAbstract: It introduces the structure and the technological process of the compress spring bracket in this paper, including the blanking- drawing compound

3、 die, the second drawing- plastic mold, piercing and the trimming die. In this paper, it is adequately using the PRO/E top-down design technology to develop mold, firstly it defines the technical parameters, uses the PRO/E to draw three-dimensional model parts and then modifies the parts parameters

4、adversely and produces out the two-dimensional engineering drawings. Finally, in order to avoid the problems of the crinkling and the rupture etc in this design, it uses the stamping simulation software DYNAFORM to do the numerical simulation, in this way to improve the accuracy of design, cut down

5、the time of the products design and the cost. Key Words: Flange Tube; Process Design; Numerical Simulation文獻綜述模具工業(yè)是國民經濟的基礎工業(yè)，是高技術行業(yè)。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。模具在日本被譽為“進入富裕社會的原動力”、在德國被稱為“金屬加工業(yè)中的帝王”。 我國模具工業(yè)發(fā)展十分迅速，19962002年間，模具產值年平均增速在14%左右6。沖壓模具是應用最廣泛的模具品種之一，因此我們

6、學習和研究沖壓技術具有非常重要的意義。1 沖壓的概念、特點及應用5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）。在沖壓零件的生產中，合理的沖壓成形工藝、先進的模具、高效的沖壓設備是必不可少的三要素。沖壓加工具有以下特點：沖壓生產率高和材料利用率高;生產的制件精度高、復雜程度高、一致性高;模具加工精度高、技術要求高、生產成本高。由于冷沖壓加工具有上述突出的優(yōu)點，因此在批量生產中得到了廣泛的應用，在現(xiàn)代工業(yè)生產

7、中占有十分重要的地位，是國防工業(yè)及民用工業(yè)生產中必不可少的加工方法。沖壓成形加工必須具備相應的模具，而模具是技術密集型產品，其制造屬單件小批量生產，具有難加工、精度高、技術要求高、生產成本高（約占產品成本的10%30%）的特點。所以，只有在沖壓零件生產批量大的情況下，沖壓成形加工的優(yōu)點才能充分體現(xiàn)，從而獲得好的經濟效益。2 沖壓工序的分類沖壓加工因制件的形狀、尺寸和精度的不同，所采用的工序也不同。根據(jù)材料的變形特點可將冷沖壓工序分為分離工序和成形工序。分離工序是指坯料在沖壓力作用下，變形部分的應力達到強度極限b以后，使坯料發(fā)生斷裂而產生分離。分離工序主要有落料和沖孔等。成形工序是指坯料在沖壓力

8、作用下，變形部分的應力達到屈服極限s，但未達到強度極限b，使坯料產生塑性變形，成為具有一定形狀、尺寸與精度制件的加工工序。成形工序主要有彎曲、拉深、翻邊、脹形等。3 沖模的分類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。沖壓模具的形式很多，一般可按以下幾個主要特征分類：3.1 根據(jù)工藝性質分類 （1）沖裁模 沿封閉或敞開的輪廓線使材料產生分離的模具。如落料模、沖孔模、切斷模、切口模、切邊模

9、、剖切模等。 （2）彎曲模 使板料毛坯或其他坯料沿著直線（彎曲線）產生彎曲變形，從而獲得一定角度和形狀的工件的模具。 （3）拉深模 是把板料毛坯制成開口空心件，或使空心件進一步改變形狀和尺寸的模具。 （4）成形模 是將毛坯或半成品工件按圖凸、凹模的形狀直接復制成形，而材料本身僅產生局部塑性變形的模具。如脹形模、縮口模、擴口模、起伏成形模、翻邊模、整形模等。3.2 根據(jù)工序組合程度分類 （1）單工序模 在壓力機的一次行程中，只完成一道沖壓工序的模具。 （2）復合模 只有一個工位，在壓力機的一次行程中，在同一工位上同時完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具。 （3）級進模（也稱連續(xù)模） 在毛坯的送進方向

10、上，具有兩個或更多的工位，在壓力機的一次行程中，在不同的工位上逐次完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具。4 我國沖壓技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，我國沖壓技術與先進工業(yè)發(fā)達國家相比還相當落后，主要原因是我國在沖壓基礎理論及成形工藝、模具標準化、模具設計、模具制造工藝及設備等方面與工業(yè)發(fā)達國家尚有相當大的差距，導致我國模具在壽命、效率、加工精度、生產周期等方面與先進工業(yè)發(fā)達國家的模具相比差距相當大6。隨著工業(yè)產品質量的不斷提高，沖壓產品生產正呈現(xiàn)多品種、少批量，復雜、大型、精密，更新?lián)Q代速度快的變化特點，沖壓模具正向高效、精密、長壽命、大型化方向發(fā)展。為適應市場變化，隨著計算機技術和制造技術的迅速發(fā)展，沖

11、壓模具設計與制造技術正由手工設計、依靠人工經驗和常規(guī)機械加工技術向以計算機輔助設計（CAD）、數(shù)控切削加工、數(shù)控電加工為核心的計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）技術轉變。4.1 沖壓成形理論及沖壓工藝加強冷沖壓變形基礎理論的研究，以提供更加準確、實用、方便的計算方法，正確地確定沖壓工藝參數(shù)和模具工作部分的幾何形狀與尺寸，解決冷沖壓變形中出現(xiàn)的各種實際問題，進一步提高沖壓件的質量。研究和推廣采用新工藝，如精沖工藝、軟模成形工藝、高能高速成形工藝、超塑性成形工藝以及其它高效率、經濟成形工藝等，進一步提高冷沖壓技術水平。值得特別指出的是，隨著計算機技術的飛躍發(fā)展和塑性變形理論的進一步完善，近年來

12、國內外已開始應用塑性成形過程的計算機模擬技術，即利用有限元等數(shù)值分析方法模擬金屬的塑性成形過程，通過分析數(shù)值技術結果，幫助設計人員實現(xiàn)優(yōu)化設計。4.2模具先進制造工藝及設備模具制造技術現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎。隨著科學技術的發(fā)展，計算機技術、信息技術、自動化技術等先進技術正不斷向傳統(tǒng)制造技術滲透、交叉、融合，對其實施改造，形成先進制造技術。模具先進制造技術的發(fā)展主要體現(xiàn)在如下方面： 1 高速銑削加工 普通銑削加工采用低的進給速度和大的切削參數(shù)，而高速銑削加工則采用高的進給速度和小的切削參數(shù)，高速銑削加工相對于普通銑削加工具有高效 、高精度 、高的表面質量 、可加工高硬材料等優(yōu)點 。2 電火花

13、銑削加工 電火花銑削加工（又稱為電火花創(chuàng)成加工）是電火花加工技術的重大發(fā)展，這是一種替代傳統(tǒng)用成型電極加工模具型腔的新技術。像數(shù)控銑削加工一樣，電火花銑削加工采用高速旋轉的桿狀電極對工件進行二維或三維輪廓加工，無需制造復雜、昂貴的成型電極。日本三菱公司最近推出的EDSCAN8E電火花創(chuàng)成加工機床，配置有電極損耗自動補償系統(tǒng)、CAD/CAM集成系統(tǒng)、在線自動測量系統(tǒng)和動態(tài)仿真系統(tǒng)，體現(xiàn)了當今電火花創(chuàng)成加工機床的水平。3 慢走絲線切割技術 目前，數(shù)控慢走絲線切割技術發(fā)展水平已相當高，功能相當完善，自動化程度已達到無人看管運行的程度。最大切割速度已達300mm/min，加工精度可達到1.5m，加工表

14、面粗糙度Ra0.10.2m。直徑0.030.1mm細絲線切割技術的開發(fā)，可實現(xiàn)凹凸模的一次切割完成，并可進行0.04mm的窄槽及半徑0.02mm內圓角的切割加工。錐度切割技術已能進行30以上錐度的精密加工。 4 磨削及拋光加工技術 磨削及拋光加工由于精度高、表面質量好、表面粗糙度值低等特點，在精密模具加工中廣泛應用。目前，精密模具制造廣泛使用數(shù)控成形磨床、數(shù)控光學曲線磨床、數(shù)控連續(xù)軌跡座標磨床及自動拋光機等先進設備和技術。 5 數(shù)控測量 產品結構的復雜，必然導致模具零件形狀的復雜。傳統(tǒng)的幾何檢測手段已無法適應模具的生產?，F(xiàn)代模具制造已廣泛使用三坐標數(shù)控測量機進行模具零件的幾何量的測量，模具加工

15、過程的檢測手段也取得了很大進展。三坐標數(shù)控測量機除了能高精度地測量復雜曲面的數(shù)據(jù)外，其良好的溫度補償裝置、可靠的抗振保護能力、嚴密的除塵措施以及簡便的操作步驟，使得現(xiàn)場自動化檢測成為可能。模具先進制造技術的應用改變了傳統(tǒng)制模技術模具質量依賴于人為因素，不易控制的狀況，使得模具質量依賴于物化因素，整體水平容易控制，模具再現(xiàn)能力強。4.3 模具新材料及熱、表處理隨著產品質量的提高，對模具質量和壽命要求越來越高。而提高模具質量和壽命最有效的辦法就是開發(fā)和應用模具新材料及熱、表處理新工藝,不斷提高使用性能,改善加工性能。1 模具新材料 沖壓模具使用的材料屬于冷作模具鋼，是應用量大、使用面廣、種類最多的

16、模具鋼。主要性能要求為強度、韌性、耐磨性。目前冷作模具鋼的發(fā)展趨勢是在高合金鋼D2（相當于我國Cr12MoV）性能基礎上，分為兩大分支：一種是降低含碳量和合金元素量，提高鋼中碳化物分布均勻度，突出提高模具的韌性。如美國釩合金鋼公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊鋼公司的DC53(Cr8Mo2SiV)等。另一種是以提高耐磨性為主要目的，以適應高速、自動化、大批量生產而開發(fā)的粉末高速鋼。 2 熱處理、表處理新工藝 為了提高模具工作表面的耐磨性、硬度和耐蝕性，必須采用熱、表處理新技術，尤其是表面處理新技術。除人們熟悉的鍍硬鉻、氮化等表面硬化處理方法外，近年來模具表面性能強化技術發(fā)展很快，實際應用

17、效果很好。其中，化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）以及鹽浴滲金屬（TD）的方法是幾種發(fā)展較快，應用最廣的表面涂覆硬化處理的新技術。它們對提高模具壽命和減少模具昂貴材料的消耗，有著十分重要的意義。4.4 模具CAD/CAM技術計算機技術、機械設計與制造技術的迅速發(fā)展和有機結合，形成了計算機輔助設計與計算機輔助制造（CAD/CAM）這一新型技術。CAD/CAM是改造傳統(tǒng)模具生產方式的關鍵技術，是一項高科技、高效益的系統(tǒng)工程，它以計算機軟件的形式為用戶提供一種有效的輔助工具，使工程技術人員能借助計算機對產品、模具結構、成形工藝、數(shù)控加工及成本等進行設計和優(yōu)化。模具CAD/CAM能顯著縮短

18、模具設計及制造周期、降低生產成本、提高產品質量已成為人們的共識。隨著功能強大的專業(yè)軟件和高效集成制造設備的出現(xiàn)，以三維造型為基礎、基于并行工程（CE）的模具CAD/CAM技術正成為發(fā)展方向，它能實現(xiàn)面向制造和裝配的設計，實現(xiàn)成形過程的模擬和數(shù)控加工過程的仿真，使設計、制造一體化。4.5快速經濟制模技術為了適應工業(yè)生產中多品種、小批量生產的需要，加快模具的制造速度，降低模具生產成本，開發(fā)和應用快速經濟制模技術越來越受到人們的重視。目前，快速經濟制模技術主要有低熔點合金制模技術、鋅基合金制模技術、環(huán)氧樹脂制模技術、噴涂成形制模技術、疊層鋼板制模技術等。應用快速經濟制模技術制造模具，能簡化模具制造工

19、藝、縮短制造周期（比普通鋼模制造周期縮短70%90%）、降低模具生產成本（比普通鋼模制造成本降低60%80%），在工業(yè)生產中取得了顯著的經濟效益。對提高新產品的開發(fā)速度，促進生產的發(fā)展有著非常重要的作用。4.6先進生產管理模式隨著需求的個性化和制造的全球化、信息化，企業(yè)內部和外部環(huán)境的變化，改變了模具業(yè)的傳統(tǒng)生產觀念和生產組織方式?，F(xiàn)代系統(tǒng)管理技術在模具企業(yè)正得到逐步應用，主要表現(xiàn)在：應用集成化思想，強調系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了資源共享；實現(xiàn)由金字塔式的多層次生產管理結構向扁平的網(wǎng)絡結構轉變，由傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式的轉變；實現(xiàn)以技術為中心向以人為中心的轉變，強調協(xié)同和團隊精神。先進生產管理

20、模式的應用使得企業(yè)生產實現(xiàn)了低成本、高質量和快速度，提高了企業(yè)市場競爭能力。1 引言模具工業(yè)是現(xiàn)代加工制造業(yè)的一個重要組成部分，對今后國民經濟和社會的發(fā)展將起到越來越重要的作用。國際生產技術協(xié)會預計在21世紀，機器零部件中60%的粗加工，80%的精加工要由模具來完成，采用模具生產零件具有效率高、質量好、節(jié)能降耗、生產成本低等一系列優(yōu)點。目前我國模具技術人員短缺，模具設計與制造技術人才已經成為“緊缺人才”。因此我們學習模具設計與制造具有十分重要的意義。畢業(yè)設計是我們大學學習的一個重要實踐環(huán)節(jié)，是對大學所學知識的綜合運用。通過畢業(yè)設計可以鍛煉我們綜合運用所學知識解決具體問題的能力，增強我們開拓創(chuàng)新

21、的意識和提高我們的專業(yè)技術水平。本次畢業(yè)設計選擇在中批量生產條件下，完成壓緊彈簧座的沖壓加工工藝設計及數(shù)值仿真模擬。2 零件分析2.1 零件的生產綱領彈簧座的生產綱領為5000件/年，生產類型為中批量生產，所以在制定工藝方案時應充分考慮大批量生產的特點，制定合適的沖壓工序，選擇合適的沖壓設備，設計合理的模具結構，以便提高生產效率，降低成本。2.2 零件的工藝性分析圖加工零件圖Fig.1 machining parts該零件如圖1所示為帶凸緣圓筒形件，要求內形尺寸，料厚t=2mm，沒有厚度不變的要求；零件的形狀簡單對稱，底部圓角半徑r=2=t，凸緣處圓角半徑R=3mm=1.5t，故除底部的孔外零

22、件滿足拉深工藝對形狀和圓角半徑的要求；尺寸、為IT14級精度，為IT15級精度，滿足拉深工藝對精度等級的要求；孔為IT12級精度，沖裁即可滿足要求；零件所用材料08鋼的拉深性能好，易于拉深成形；但圓角半徑偏小，須在末次拉深時取較小的模具間隙并加以整形。綜上所述，該零件的拉深工藝性較好，主體部分用拉深工序加工，底部孔可用沖裁工序加工1。3 沖壓工藝方案的分析與確定3.1毛坯直徑D的計算由于零件厚度t=21mm,故應以零件厚度的中線為準進行毛坯直徑的計算。本部分計算所用表格若未加以說明均選自冷沖壓工藝及模具設計5。確定修邊余量：根據(jù)凸緣相對直徑，查表4-16，得。故修正后的凸緣直徑應為。查手冊，得

23、制作板料直徑D為故有：相對凸緣直徑相對高度相對厚度總拉深系數(shù)3.2確定拉深工序的性質和數(shù)量由相對凸緣直徑可知該零件為窄凸緣件，故可以先按無凸緣筒形件拉深及尺寸計算，而最后一道拉深工序可將凸緣拉出并將凸緣校平。該零件的拉深工序有兩種類型。一種是傳統(tǒng)的拉深方法，靠減小筒形直徑，增加高度來拉成零件；一種是探索性的拉深方法，即由于相對厚度較大，零件的高度在第一次拉深時就基本形成，在以后的整個拉深過程中基本保持不變3。3.2.1按傳統(tǒng)的拉深方法確定拉深工序的性質和數(shù)量由表4-14，得凸緣圓筒形工件的第一次拉深系數(shù)為。，故該零件不能一次拉深成形。查表4-1，得無凸緣圓筒形工件的第一次拉深系數(shù)為。取，故，取

24、。根據(jù)經驗公式，故可取。根據(jù)公式，可得首次拉深凸模的圓角半徑，取。故第一次拉深高度式中首次拉深的直徑；首次拉深筒形底部平面部分的直徑；首次拉深底部圓角半徑；D毛坯直徑；首次拉深圓角半徑圓心以上的筒壁高度。 則首次拉深半成品的總高度，中線高度。由表4-17查得凸緣件以后各次的拉深系數(shù)，。用推算法確定拉深次數(shù)：，由此可知本工件需要兩次拉深。故，。經驗證二次拉深的凸凹模圓角半徑均滿足要求。該零件的拉深過程中可選用平端面凹模拉深，根據(jù)不起皺條件，首次拉深，。由于，根據(jù)規(guī)定，需采用壓邊圈。而二次拉深，可用可不用壓邊圈。拉深工序次數(shù)及相關尺寸如表1所示。表1 拉深次數(shù)與各次拉深工序件尺寸/mmTab.1

25、drawing number and each drawing workpiece size/mm拉深次數(shù)n凸緣直徑筒形直徑d（內形尺寸）高度h圓角半徑R（外形尺寸）圓角半徑r （內形尺寸）14134.7152513436323.2.2按探索性的拉深方法確定工序的性質和數(shù)量查表4-8，得第一次拉深凹模的圓角半徑，取，則由，取。第一次拉深出零件的中線高度為h=36mm。經計算，符合要求。因，需使用壓邊圈。由表4-17查得凸緣件以后各次的拉深系數(shù)，。用推算法確定拉深次數(shù)：，由此可知本工件需要兩次拉深。故，。經驗證，凸凹模圓角半徑滿足要求。因，可用可不用壓邊圈。拉深工序次數(shù)及相關尺寸如表2所示。表2

26、 拉深次數(shù)與各次拉深工序件尺寸/mmTab.2 drawing number and each drawing workpiece size/mm拉深次數(shù)n凸緣直徑筒形直徑d（內形尺寸）高度h （中線尺寸）圓角半徑R（外形尺寸）圓角半徑r （內形尺寸）142.77369251343632 3.3 確定沖壓工藝方案根據(jù)上述計算結果，本零件需要落料（制成85.77mm的坯料）、首次拉深、二次拉深、整形、沖孔、切邊等工序。為提高生產效率，可適當進行工序組合即使用復合模具。根據(jù)以上基本工序，可以定出以下四種沖壓工藝方案。方案一：全部采用單工序模，即落料、首次拉深、二次拉深、整形、沖孔、切邊。方案二：落

27、料與首次拉深復合，二次拉深兼整形，沖孔，切邊。方案三：落料與首次拉深復合，二次拉深、沖孔兼整形與切邊復合。方案四：落料、首次拉深與沖孔復合，二次拉深與切邊兼整形復合。方案五：采用帶料連續(xù)拉深或在多工位自動壓力機上沖壓。從產品質量、生產率、模具制造和壽命、操作和安全、設備條件及經濟效益等方面對上述諸方案進行綜合分析比較后，可得出如下結論：方案一由于全部采用單工序模，其生產效率低且工作量較大，不能滿足生產要求。方案三符合沖壓成形規(guī)律，在二次拉深工序時沖孔與整形與切邊復合，都存在凸凹模壁厚太薄的問題，模具制造比較復雜且容易損壞，故不宜采用。方案四中落料、首次拉深與沖孔復合，不僅存在刃口不在同一水平面

28、的問題，而且第一次拉深中沖出的孔在第二次拉深時可能會變形，將會影響精度要求和口部質量，修磨后要保持相對位置也有困難。方案五采用帶料連續(xù)拉深或在多工位自動壓力機沖壓，將所有工序組合進行，可獲得較高的生產率，不存在一、三、四方案的缺點。但該方案模具尺寸大、結構復雜、制造困難、周期長、成本高、調整修理麻煩，只適用于產品研發(fā)。方案二不存在其它各方案的缺點，滿足生產要求，且各工序模具結構簡單、制造修理方便，制造費用低。根據(jù)以上分析比較，決定采用方案二為本零件的沖壓工藝方案。工序圖如下：圖2 工序一 落料與首次拉深 Fig.2 workstage1 blanking-drawing圖3 工序二 二次拉深兼

29、整形Fig.3 workstage2 second drawing- plastic圖4 工序三 沖孔Fig.4 workstage3 piercing圖5 工序四 切邊Fig.5 workstage4 trimming4 計算各工序沖壓力、選擇沖壓設備沖壓零件的加工質量不僅與加工工藝有關，而且沖壓力及沖壓設備對其影響也很大，因此我們必須正確地計算沖壓力并選擇合理的沖壓設備。本部分所有計算公式均選自冷沖壓工藝及模具設計，先按傳統(tǒng)的拉深方法計算各工序的沖壓力并選擇沖壓設備。4.1工序一落料與首次拉深復合落料力：；卸料力：；拉深力：；壓料力：。因，故這一工序的最大沖壓力為。壓力機公稱壓力。故選用J

30、11-50開式壓力機，公稱壓力500KN，滑塊行程1090mm6。4.2工序二二次拉深兼整形拉深力：；壓料力可取拉深力的10%，即；整形力：。本工序的拉深系數(shù)較大（m2=0.837），坯料的相對厚度也大，可以不用壓料。這里用壓邊圈實際上是作為定位和頂件之用。由于整形力比拉深力大得多，且整形力在臨近下止點位置時發(fā)生，符合壓力機的工作壓力性能，故可按整形力的大小選擇壓力機。查表選用JH23-25開式壓力機6。4.3工序三沖孔19mm沖孔力：；卸料力：；推件力：。（n同時卡在凹?？變鹊臎_件數(shù)，本設計n=8/2=4）沖壓總力：。壓力機的公稱壓力：。查表，選擇J23-25開式壓力機6。4.4工序四切邊模

31、具采用廢料切刀（2個）卸料和剛性推件方式，故只需計算切邊力和廢料切刀的切斷力。切邊力：；切斷力：。總沖壓力：。查表，選用J123-16F開式壓力機6。由于探索性的拉深工序除首次拉深不同外，其它均與傳統(tǒng)的拉深工序相同，故我們只需計算出工序一落料與首次拉深的沖壓力，并選擇沖壓設備。工序一 落料與首次拉深復合*（加*以區(qū)別第一種拉深方法）落料力：；卸料力：；拉深力：；壓料力。因，故這一工序的最大沖壓力為。壓力機公稱壓力。故選用J11-50開式壓力機，公稱壓力500KN，滑塊行程1090mm6。5 設計沖模及其主要零部件沖模質量是影響零件質量的重要因素，因此我們必須合理設計沖模。先按傳統(tǒng)的拉深方法設計

32、沖模及其主要零部件。本部分未加特別說明，所有查表數(shù)據(jù)均來自冷沖壓工藝及模具設計。5.1 工序一落料與首次拉深復合5.1.1模具工作部分尺寸的計算制造沖模的關鍵是控制凸、凹模刃口尺寸及其間隙合理。（1）確定凸凹模與凹模的刃口尺寸沖裁圓形坯料選用凸模與凹模分別加工的方法來設計沖模刃口尺寸及公差。查表2-2、表2-7、表2-8，得、。校核間隙：，符合條件。由于毛坯的尺寸沒有必要給以嚴格限制，故可取0，將已知和查表數(shù)據(jù)代入式（2-13）及式（2-14）中得：式中、落料凸凹模、凹模刃口尺寸；最小合理間隙；毛坯公差；、凸凹模、凹模公差（mm）；磨損量。（2）確定凸凹模與凸模的刃口尺寸對于多次拉深時的中間過

33、渡工序，模具的尺寸只要取等于過渡尺寸即可。本部分所選公式及查表數(shù)據(jù)均來自沖壓模具設計與制造1。A 間隙 由表5-28查得單邊間隙值為。B 凸凹模、凸模圓角半徑 凸凹模、凸模圓角半徑應與拉深件圓角半徑一致，故第一次拉深凸模圓角半徑為5mm，凸凹模圓角半徑為7mm。C 凸凹模、凸模工作尺寸及公差 由于工件要求內形尺寸，故工作尺寸及公差分別按式（5-46）、式（5-47）計算。查表5-29，取，則，。D 凸模通氣孔 根據(jù)凸模直徑大小，取通氣孔直徑為5mm。5.1.2模具的總體設計（1）模架選擇模具的總裝配圖如附圖（01）所示：落料拉深復合模。該模具采用了后側滑動導柱模架可保證均勻的沖裁間隙，提高模具

34、的刃磨壽命，送料方便等特點6。條料由兩個導料銷進行導向，由擋料銷定距。開始工作時，首先由落料凹模和凸凹模完成落料，接著由拉深凸模和凸凹模進行拉深。拉深結束后，回程時由頂塊將工件從凸凹模內推出。壓料圈兼作頂件塊，在拉深過程中起壓料作用，回程時又能將工件從凸模上頂起，使其脫離凸模。（2）模具閉合高度模具閉合高度是指模具在最低工作位置時，上模板上平面與下模板下平面之間的距離。模具閉合高度一般通過下式確定：=上模座厚度+沖頭墊板厚度+沖頭長度+凹模厚度+凸模固定板厚度+下模座厚度-沖頭進入凹模深度，即：查開式壓力機規(guī)格知，J11-50開式壓力機最大閉合高度為270mm，最小封閉高度為195mm（封閉高

35、度調節(jié)量75mm），故設計的模具閉合高度=234.29mm滿足要求，閉合高度設計合理。（3）壓力中心的計算沖裁力合力的作用點稱為沖模的壓力中心。沖模設計時，沖模壓力中心應于沖床滑塊中心一致，否則將降低模具壽命甚至損壞模具。由于該零件為軸對稱形狀，其幾何中心便是壓力機的壓力中心，故不必進行壓力中心的計算。（4）模具主要零件設計模具零件的尺寸必須和模具的工作尺寸相一致，并盡量使外形尺寸最小7。按照這個設計原則設計出的模具零件見附圖(01)。5.2工序二二次拉深兼整形本部分所選公式及查表數(shù)據(jù)均來自沖壓模具設計與制造1。模具工作部分尺寸的計算:A 間隙 由表5-28查得單邊間隙值為，取Z=t=2mm。

36、B 凸、凹模圓角半徑 凸、凹模圓角半徑應與拉深件圓角半徑一致，故第二次拉深凸模圓角半徑為2mm，凹模圓角半徑為3mm。C 凸凹模、凸模工作尺寸及公差 由于工件要求內形尺寸，故工作尺寸及公差分別按式（5-46）、式（5-47）計算。查表5-29，取，則，。D 凸模通氣孔 根據(jù)凸模直徑大小，取通氣孔直徑為5mm。沖模壓力中心即為工件的幾何中心。二次拉深與首次拉深除卸料零件外其它部分的結構均相同，其結構原理圖如下圖6所示：圖6 二次拉深模具結構Fig.6 schematic diagram of mold structure of drawing5.3工序三沖孔19mm5.3.1模具工作部分尺寸計算

37、沖孔按凸凹模分別加工并以凸模為基準，間隙取在凹模上。查表2-2、表2-7、表2-8，得、。校核間隙：，符合條件。將已知和查表數(shù)據(jù)代入式（2-11）及式（2-12）中得：；。式中、沖孔凸模、凹模刃口尺寸；最小合理間隙；零件公差；、凸、凹模公差（mm）；磨損量。5.3.2模具的總體設計（1）模架選擇模具的總裝配圖如附圖（02）所示：沖孔模。該模具采用了中間滑動導柱模架可保證均勻的沖裁間隙，提高模具的刃磨壽命，并使模具的調試簡單化，具有導向精度高、上模座在導柱上運動平穩(wěn)的特點。（2）模具閉合高度模具閉合高度是指模具在最低工作位置時，上模板上平面與下模板下平面之間的距離。沖孔模具閉合高度一般通過下式確

38、定：=上模座厚度+沖頭墊板厚度+沖頭長度+凹模厚度+下模座厚度-沖頭進入凹模深度，即： 查開式壓力機規(guī)格知，J23-25開式壓力機最大閉合高度為260mm，封閉高度調節(jié)量為55mm，滿足的要求，故設計的模具閉合高度合理。（3）壓力中心的計算由于該零件為軸對稱形狀，其幾何中心便是壓力機的壓力中心，故不必進行壓力中心的計算。（4） 模具主要零件設計根據(jù)模具總裝結構、沖孔工作要求及前述模具工作部分的計算，設計出的模具零件如沖孔模裝配圖所示。5.4 工序四切邊模具工作部分尺寸的計算:查表2-2、表2-7、表2-8，得、。校核間隙：，符合條件。將已知和查表數(shù)據(jù)代入式（2-13）及式（2-14）中得：式中

39、、落料凸模、凹模刃口尺寸；最小合理間隙；零件公差；、凸凹模、凹模公差（mm）；磨損量。沖模壓力中心即為工件的幾何中心。至此，按傳統(tǒng)拉深工序的沖模已設計完畢。按探索性拉深工序設計的沖模除首次拉深模不同外，其它的模具均相同?，F(xiàn)介紹一下其首次拉深沖模工作部分的尺寸。本部分所選公式及查表數(shù)據(jù)均來自沖壓模具設計與制造。探索性拉深首次拉深沖模工作尺寸如下：A 間隙 由表5-28查得單邊間隙值為。B 凸凹模、凸模圓角半徑 凸凹模、凸模圓角半徑應與拉深件圓角半徑一致，故第一次拉深凸模圓角半徑為9mm，凸凹模圓角半徑為12mm。C 凸凹模、凸模工作尺寸及公差 由于工件要求內形尺寸，故工作尺寸及公差分別按式（5-

40、46）、式（5-47）計算。查表5-29，取，則，。D 凸模通氣孔 根據(jù)凸模直徑大小，取通氣孔直徑為5mm。6 排樣及材料利用率根據(jù)該沖壓件的形狀特征，采用單排排樣。本部分所選公式及查表數(shù)據(jù)均來自沖壓模具設計與制造1。由表3-8查得最小搭邊值：工件間，側邊。送料進距：。由表3-19查得條料寬度偏差。條料寬度：。板料規(guī)格的選用：選用 08鋼為了操作方便，減少裁板次數(shù)，采用縱裁，即，余6.4mm。每條裁板上的沖壓件數(shù)：板料的利用率：經計算可知，此板料橫裁時材料的利用率也為70.6%，但操作不方便且影響沖件質量，故采用縱裁較合適。排樣如下圖7所示：圖7 排樣圖Fig.7 layout of part

41、s7 基于DYNAFORM的仿真模擬由于落料、切邊所用模具，一般工件變形不大，不會影響工藝要求，所以沒有必要作數(shù)值模擬仿真；而拉深件在沖壓過程中，變形大且復雜，特別是汽車覆蓋件之類形狀復雜的零件，因此我們只需對拉深過程進行數(shù)值仿真模擬。目前在機械行業(yè)上用的最多的是DYNAFORM軟件。它被廣泛應用在世界各大汽車、航空、鋼鐵公司，以及眾多的大學及科研單位，在我國長安汽車、南京汽車、上海寶鋼、中國一汽、上海大眾汽車公司、洛陽一拖等知名企業(yè)也得到了成功的運用15。7.1板料成形缺陷22（1）起皺起皺是板料在局部壓應力作用下產生屈曲并出現(xiàn)后屈曲變形的宏觀表現(xiàn)。板料成形過程中的起皺缺陷大部分是由壓應力引

42、起的， 當壓應力達到在板厚方向失穩(wěn)極限時，板料不能穩(wěn)定變形而產生失穩(wěn)，稱為壓縮失穩(wěn)。根據(jù)外力的不同可分為： 壓應力起皺，不均勻拉應力起皺和剪應力起皺。法蘭起皺是壓應力起皺的典型代表。圓筒件拉深時法蘭是變形區(qū)， 其應力狀態(tài)是徑向拉應力和切向壓應力，當切向壓應力達到一定程度時，法蘭就會產生受壓失穩(wěn)。板料在不均勻拉應力作用下也會起皺， 這是由于不均勻拉應力引起的不均勻變形誘發(fā)的。因為拉應力分布不均勻， 便產生了垂直于拉應力方向的壓應力，在中心處的壓應力最大，此壓應力達到一定值時板料中央就會失穩(wěn)破裂。當板料受到壓力不同軸平衡時則會在板料內產生力偶和剪應力，這種剪應力會引起起皺。（2）破裂 破裂是拉深失

43、穩(wěn)在薄板成形中的主要表現(xiàn)。在板料成形中，隨著變形的發(fā)展材料的承載面積不斷縮短，其應變強化效應也不斷增加。當應變強化效應的增加能夠補償承載面積縮減，變形穩(wěn)定的進行下去；當兩者相等時，變形處于臨界狀態(tài)；當應變強化效應的增加不能補償承載面積縮減時，并超過了臨界狀態(tài)時，板料的變形將首先發(fā)生在承載能力弱的位置，最終導致板料出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。按破裂發(fā)生的部位可以分為五類：凸模端部破裂，此類破裂常出現(xiàn)在脹形成形、拉深脹形復合和拉深成形等過程中，破裂的部位一般是雙向拉應力狀態(tài)；側壁破裂；凹模圓角部位的破裂，主要包括彎曲破裂和拉深破裂兩種。法蘭部位的破裂，該處多發(fā)生在伸長翻邊的成形工序中，包括外緣破裂和內緣破裂兩種

44、，其他破裂，主要是拉延筋作用引起的破裂和由起皺引起的破裂。具體的防止措施有：修改模具參數(shù)；降低成形高度，增加工序；選擇合理的毛坯形狀和尺寸；改善毛坯的表面及外緣質量；增加輔助工藝措施等等。（3）回彈板料成形過程中普遍存在回彈， 尤其在彎曲和淺拉深過程中表現(xiàn)更為明顯， 所以很有必要對同彈現(xiàn)象進行深入研究，以便有效控制。同彈現(xiàn)象主要表現(xiàn)為整體卸載同彈、切變同彈和局部卸載回彈，當回彈量超過允許容差時，就成為成形缺陷。如何有效預防這些成形缺陷的發(fā)生，這是模具設計人員必須解決的問題。利用DYNAFORM軟件強大的分析功能，我們可以很方便的了解模具的效果，并制定出合理的解決方案。7.2DYNAFORM軟件

45、介紹DYNAFORM是由美國ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形模擬的專用軟件包。DYNAFORM具有友好的用戶界面、良好的操作性能，包括大量的智能化自動工具，可方便地求解各類板成形問題。DYNAFORM專門用于工藝及模具設計涉及的復雜板成形問題，如彎曲、拉深、成形等典型板料沖壓工藝，液壓成形、滾彎成形等特殊成形工藝；并可以預測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕、回彈，評估板料的成形性能，從而為板成形工藝及模具設計提供幫助。 DYNAFORM一直受到模具工業(yè)界的好評和歡迎，但用戶也對DYNAFORM提出了新的要求。為了滿足用戶方便設置各種成形工藝的需求，又增加了快速設置模塊（QS

46、）和自動設置模塊（AutoSetup）， 這些功能模塊采用與實際沖壓流程一致的方式進行工藝導航，從而快速地進行各種工藝設置。DYNAFORM具有完備的前后處理功能，采用集成的操作環(huán)境，無須數(shù)據(jù)轉換，實現(xiàn)無文本編輯，并提供了與CAD軟件的接口、實用的幾何模型建立功能。DYNA- FORM的求解器采用業(yè)界著名、功能強大的動態(tài)非線性顯式分析軟件LS-DYNA；并采用工藝化的分析過程，包括影響沖壓工藝的60余個因素，固化了豐富的實際工程經驗，提供以DFE為代表的多種工藝分析模塊。DYNAFORM可在PC、工作站、大型機等多種計算機上的Windows、Unix操作系統(tǒng)下使用，且具有較適用的二次開發(fā)功能。

47、7.3 多道次拉深模擬的關鍵技術多道次拉深成形數(shù)值模擬將第一次變形后的半成品作為第二次成形的坯料繼續(xù)進行變形，其關鍵在于要將坯料在第一次變形后發(fā)生的幾何形狀變化、厚度變化及殘余應力傳遞到下一步的計算中去，即要使第二次及以后計算中坯料的各種信息必須繼承前一步成形后的坯料的信息。坯料信息傳遞文件記錄了變形結束后坯料的信息：坯料單元的節(jié)點坐標、每個單元的實際厚度(以每個點的信息表示)及單元應力。多道次拉深成形數(shù)值模擬對板料處理的具體方法為：以上一步變形后的坯料作為本步模擬的初始坯料，定義它的材料類型和單元類型后，刪除其網(wǎng)格信息和節(jié)點信息，然后寫出用于計算的*.dyn輸入文件。用Windows系統(tǒng)提供

48、的文本編輯器手工把上一步變形后的網(wǎng)格信息文件包含進*dyn文件。經過這樣處理后，就可以保證板料變化情況在多道次拉深成形各工序間的準確傳遞，使得多道次拉深成形數(shù)值模擬能夠順利進行下去。7.4DYNAFORM拉深模擬及結果分析模擬階段，首先將Pro/E建立的模型文件(prt格式)轉換為Dynaform可以識別的文件(igs格式)。如果轉換后模型有出入，可通過Dynaform編輯工具進行修改，難以修改的，需要Pro/E重新建模并再次導入Dynaform中，以保證模擬的準確性。采用Dynaform軟件進行板料成形分析的一般過程如下：有限元網(wǎng)格化分分定義成形工具 定義毛坯 設置成形參數(shù) 求解器計算 后置

49、處理，分析計算結果 讀入模型文件7.4.1 模擬參數(shù)的確定 拉延類型：Single action； 接觸類型：Forming_One_Way_Surface_To_Surface； 毛坯：材料Type36(成形模擬中一個3-參數(shù)的理想模型，平面應力狀態(tài)，各向異性材料)，屈服應力為指數(shù)硬化方式，屬性：BELYTSCHKO-TSAY SHELL，厚度方向積分點NIP：5； 凸模：剛體，靜摩擦系數(shù)：0.125，動摩擦系數(shù)：0.1，移動速率：5000mm/sec；NIP：3； 凹模：剛體，靜摩擦系數(shù)：0.125，動摩擦系數(shù)：0.1；NIP：3；壓邊圈：剛體，靜摩擦系數(shù)：0.125，動摩擦系數(shù)：0.1：

50、 NIP:：3。7.4.2 模擬結果用表1的參數(shù)建模，再進行數(shù)值模擬，可以得到成形極限圖、厚薄圖、第一主應變圖、最小主應變圖、等值線圖、矢量圖、圓形網(wǎng)格圖等。圖8、圖9分別顯示了兩次拉深工序的成形極限圖(FLD)和成形厚度分布圖(THICKNESS)（最后一幀）。成形極限圖中，紅色代表：破裂區(qū)；黃色：危險區(qū)；粉紅色：起皺區(qū)；綠色：安全區(qū)。成形極限圖最為關鍵，能直觀發(fā)現(xiàn)零件拉深中是否破裂，起皺。從圖8和圖9的成形極限圖中看出，沒有紅色區(qū)域存在，是安全的。其次厚度分布圖，主要是看零件是否符合產品標準（公差要求），圖中紅色代表：最薄厚度值；藍色：最厚厚度值。由于減薄率限制在30%以內是可行的，增厚率

51、不超過15%，但如果發(fā)生在法蘭處，不影響零件的使用。從圖8厚度分布圖中看出，最大厚度為2.927mm，在法蘭處，但后面還有拉深及整形工序（切除），不影響使用，最薄處為1.641mm，減薄率為18%，符合要求。從圖9厚度分布圖中看出，最大厚度為2.165mm，最薄處1.834mm，均符合要求。圖8a 工序1成形極限圖Fig.8a workstage1 FLD圖8b 工序1厚度分布圖Fig.8b workstage1 Thickness圖9a 工序2成形極限圖Fig.9a workstage2 FLD圖9b 工序2厚度分布圖Fig.9b workstage2 Thickness用表2的參數(shù)建模進行數(shù)值模擬，可以得到成形極限圖、厚薄圖、第一主應變圖、最小主應變圖、等值線圖、矢量圖、圓形網(wǎng)格圖等