第一章 沖壓模具設(shè)計概論

第一章沖壓模具設(shè)計概論§1.1沖壓模具在工業(yè)生產(chǎn)中的地位§1.2沖壓模具的歷史發(fā)展與現(xiàn)狀

§1.4沖壓工藝及模具的分類

§1.3沖壓加工的特點與應(yīng)用§1.5沖壓設(shè)備及其選用§1.6沖壓用料

§1.1模具在工業(yè)生產(chǎn)中的地位

模具是大批生產(chǎn)同形產(chǎn)品的工具，是工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備。模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)工業(yè)。

模具可保證沖壓產(chǎn)品的尺寸精度，質(zhì)量穩(wěn)定，具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、重量輕、成本低、節(jié)約能源和原材料等一系列優(yōu)點，是任何其它加工方法所不能比擬的。

據(jù)不完全統(tǒng)計，飛機、汽車、拖拉機、電機、電器、儀器、儀表等產(chǎn)品，有60%左右的零件是用模具加工出來的；而自行車、手表、洗衣機、電冰箱及電風(fēng)扇等輕工產(chǎn)品,有90%左右的零件是用模具加工出來的；至于日用五金、餐具等物品的大批量生產(chǎn)基本上完全靠模具來進行。

顯而易見，模具作為一種專用的工藝裝備，在生產(chǎn)中的決定性作用和重要地位逐漸為人們所共識。

模具的出現(xiàn)可以追溯到幾千年前的陶器和青銅器鑄造，但其大規(guī)模使用卻是隨著現(xiàn)代工業(yè)的崛起而發(fā)展起來的。

19世紀(jì)，隨著軍火工業(yè)、鐘表工業(yè)、無線電工業(yè)的發(fā)展，冷沖壓模具開始得到廣泛使用。二次大戰(zhàn)后，隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，它又成了大量生產(chǎn)家用電器、汽車、電子儀器、照相機、鐘表等零件的最佳方式。（美國冷沖壓技術(shù)、瑞士的精沖、德國的冷擠壓）

20世紀(jì)50年代，模具設(shè)計多憑經(jīng)驗，參考已有圖紙和感性認(rèn)識，根據(jù)用戶的要求，制作能滿足產(chǎn)品要求的模具，但對所設(shè)計模具零件的機能缺乏了解。

60年代，通過對模具主要零件的機能和受力狀況進行數(shù)學(xué)分析，對金屬塑性加工工藝及原理的深入探討，使得沖壓技術(shù)得到迅猛發(fā)展。§1.2模具的歷史發(fā)展與現(xiàn)狀進入70年代，不斷涌現(xiàn)出各種高效率、高精度、高壽命的多功能自動模具。其代表是五十多個工位的級進模。在此期間，日本以模具加工精度進入了微米級而站到了世界最先列。從70年代中期至今，計算機逐漸地進入模具生產(chǎn)的設(shè)計、制造、管理等各個領(lǐng)域，輔助進行零件圖形輸入、毛坯展開、條料排樣、確定模座尺寸和標(biāo)準(zhǔn)、繪制裝配圖和零件圖，輸出NC程序（為數(shù)控加工中心和線切割編程），使得模具設(shè)計、加工精度與復(fù)雜性不斷提高，模具的制造周期不斷縮短。我國模具工業(yè)是19世紀(jì)末，20世紀(jì)初隨著軍火和鐘表業(yè)引進的壓力機發(fā)展起來的。到20世紀(jì)50年代初，模具多采用作坊生產(chǎn)方式，憑工人經(jīng)驗，用簡陋的加工手段進行制造。在以后的幾十年中，隨著國民經(jīng)濟的大規(guī)模發(fā)展，模具業(yè)進步很快。當(dāng)時大量引進蘇聯(lián)的圖紙、設(shè)備和先進經(jīng)驗，其水平不低于當(dāng)時工業(yè)發(fā)達的國家。此后到70年代末，由于錯過了世界經(jīng)濟發(fā)展的大浪潮，我國的模具業(yè)沒有跟上世界發(fā)展的步伐。

80年代末，伴隨家電、輕工、汽車生產(chǎn)線模具的大量進口和模具國產(chǎn)化的呼聲日益高漲，先后引進了一批現(xiàn)代化的模具加工機床。在此基礎(chǔ)上，參照已有的進口模具，成功地復(fù)制了一批替代品，如汽車覆蓋件模具。模具的國產(chǎn)化雖然使我國模具制造水平逐漸趕上了國際先進水平，但計算機應(yīng)用方面仍然存在很大差距。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，一些工業(yè)先進國家的模具制造行業(yè)已廣泛采用數(shù)控機床加工模具，以提高模具制造精度和生產(chǎn)效率。在此基礎(chǔ)上，最近十幾年又開始應(yīng)用模具計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)，進一步提高模具的設(shè)計與制造水平。模具CAD/CAM是在人的參與下，以計算機為中心的一整套系統(tǒng)。其中，模具CAD完成對沖壓工藝、模具結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計，包括資料檢索、工藝計算、方案優(yōu)選、確定零件的尺寸和形狀，圖形繪制。模具CAM完成對零件的加工制造，同時在加工制造過程中實時監(jiān)督、控制、測試和管理。CAM的輸入信息直接來自于CAD的輸出信息，兩者是有機結(jié)合的整體。

我國模具CAD/CAM技術(shù)從80年代起步,長期處于低水平重復(fù)開發(fā)，軟件多為進口的圖形軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、NC軟件等，開發(fā)的軟件缺乏通用性，商品化價值不高，缺乏對引進的許多CAD/CAM系統(tǒng)的二次開發(fā)，經(jīng)濟效益不顯著。針對上述情況，國家相關(guān)部門制定了相關(guān)政策和措施。在國家產(chǎn)業(yè)政策和與之配套的一系列國家經(jīng)濟政策的支持和引導(dǎo)下，模具行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有了較大改善，模具商業(yè)化提高了近10%，中高檔模具占模具總量的比例有了明顯提高，模具進出口比例逐步趨向合理。我國模具工業(yè)起步較晚，基礎(chǔ)差，但是就總量來看，大型、精密、復(fù)雜、長壽命模具產(chǎn)需矛盾仍然十分突出

§1.3沖壓加工的特點與應(yīng)用

一、沖壓加工的特點（1）沖壓產(chǎn)品壁薄、重量輕、剛性好，可以成形形狀復(fù)雜的零件，小到鐘表的秒針、大到汽車縱梁等。（2）沖壓產(chǎn)品精度高，尺寸穩(wěn)定，具有良好的互換性。（3）沖壓加工是少、無切屑加工的一種，零件沖壓直接成形，大部分無需任何再加工，材料利用率高，達85%上。（4）生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)過程易實現(xiàn)機械化和自動化，適合于大批大量生產(chǎn)。（5）操作簡單，對工人技術(shù)等級要求不高，便于組織生產(chǎn)和管理。（6）沖壓加工的缺點是噪聲和振動大；勞動強度大，易發(fā)生事故，安全生產(chǎn)與管理要求高，需采用必要的安全措施來保證。

§1.3沖壓加工的特點與應(yīng)用二、沖壓加工的應(yīng)用

沖壓加工的應(yīng)用十分廣泛，沖壓加工不僅可以加工金屬材，而且也可以加工非金屬材料，在現(xiàn)代制造業(yè)如汽車、農(nóng)業(yè)機械、電工電器、儀器儀表、化工容器、玩具以及日用品的生產(chǎn)方面，都占有十分重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，全世界鋼材品種中帶材占50%，板材占17%，棒材占15%，型材占9%，線材占7%，管材占2%。由此看出，大部分材料用于冷沖壓加工。在汽車、農(nóng)機產(chǎn)品中，沖壓件約占75%~80%；在電子產(chǎn)品中沖壓件約占80%~85%，在輕工產(chǎn)品中，沖壓件約占90%以上。另外，在現(xiàn)代國防工業(yè)生產(chǎn)中，如飛機、導(dǎo)彈、各種槍彈與炮彈的生產(chǎn)，沖壓加工也占很大比例。一、沖壓工序

1.分離工序分離工序是指板料在沖壓力作用下，變形部分的應(yīng)力超過強度極限，使沖壓件與板料沿一定的輪廓線相互分離，主要包括落料、沖孔、切斷、切邊、沖槽和剖切等。

2．成形工序成形工序是指坯料在沖壓力作用下，變形部分的應(yīng)力超過屈服極限，小于強度極限，使其產(chǎn)生塑性變形而得到一定形狀和尺寸的沖壓件，主要包括彎曲、拉深、翻邊、脹形、縮口、擠壓、卷圓、擴口和校形等工序，如表1-2所示?！?.4沖壓工藝及模具的分類

二、模具的分類1、根據(jù)工序性質(zhì)分類（1）沖裁模沿封閉或敞開的輪廓線使材料產(chǎn)生分離的模具。如落料模、沖孔模、切斷模、切口模、切邊模和剖切模等。（2）彎曲模使板料或其他形態(tài)坯料沿著直線（曲線）產(chǎn)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照凸、凹模的形狀直接復(fù)制成形，而材料本身僅產(chǎn)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、翻邊模和整形模等?！?.4沖壓工藝及模具的分類

2、根據(jù)工序組合方式分類

（1）單工序模在壓力機的一次沖程中，只完成一道沖壓工序的模具。（2）復(fù)合模在壓力機的一次沖程中，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）級進模又稱連續(xù)模，在板料的送進方向上，具有兩個或更多的工位，在壓力機的一次沖程中，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。

對于一般沖裁件可達IT10~IT11級，精沖件可達IT6~IT9級。一般彎曲、拉深件精度可達IT13~IT14級。普通沖裁其粗糙度能夠達到Ra12.5~3.2μm，精沖工藝其產(chǎn)品粗糙度可達到Ra2.5~3.2μm.§1.4沖壓工藝及模具的分類

單工序模具復(fù)合模具連續(xù)模具3、按加工方式可分為分離和成形兩大類。模具分類表類型模具名稱分離切斷模沖裁模落料模沖孔模切邊模成形彎曲模拉深模翻邊模整形?！?.4沖壓工藝及模具的分類

（1）分離：按一定輪廓線將工件與板料分開。（2）成形：不破壞板料，通過塑性變形獲得所要求的形狀和尺寸精度。注：點擊模具名稱，查看模具簡圖及其工作特性切斷模模具簡圖模具工作特征：切斷板料，切斷線不是封閉的BACKNEXT模具簡圖落料模

模具工作特征：沿封閉線沖切板料，

沖下的部分為工件。

NEXTBACK模具簡圖沖孔模具

模具工作特征：沿封閉線沖切板料，沖下的部分為廢料。NEXTBACK切邊模具

模具簡圖模具工作特征：將工件邊緣多余的材料沖切下來。

NEXTBACK彎曲模具模具工作特征：使板料彎成一定角度或一定形狀。

NEXTBACK拉深模具

模具工作特征：將平板料壓成任意形狀的空心件。NEXTBACK翻邊模具

模具工作特征：將板料上的孔或外緣翻成直壁。

NEXTBACK整形模具

模具工作特征：將工件不平的表面壓平；將原先彎曲或拉深件壓成最終正確形狀。NEXTBACK一、常用沖壓設(shè)備

冷沖壓生產(chǎn)所用設(shè)備主要有剪床和壓力機兩大類。1.剪床沖壓所用原材料多為板料。在沖壓加工前，需將其裁成具有一定形狀尺寸要求的板坯，因此應(yīng)配備相應(yīng)的剪床，也稱剪板機。一般地，剪切板厚度小于10mm的剪床多為機械傳動，剪切板厚度大于10mm的剪床通常采用液壓傳動。2.壓力機沖壓用壓力機種類很多，根據(jù)驅(qū)動方式不同，主要可分為機械壓力機（以Jxx表示其型號）和液壓壓力機（以Yxx表示其型號）兩大類。

§1.5沖壓設(shè)備及其選用剪板機摩擦壓力機曲柄壓力機NEXTBACK

摩擦壓力機傳動系統(tǒng)1-電機2-傳送帶3、5-摩擦盤4-軸6-飛輪7、10-連桿8-螺母9-螺桿11-擋塊12-滑塊13-手柄NEXTBACK曲軸壓力機傳動系統(tǒng)1-電機2-皮帶輪3、4-齒輪5-離合器6-連桿7-滑塊NEXTBACK二、沖壓設(shè)備規(guī)格的選擇（1）公稱壓力（噸位）

滑塊下滑到距下極點某一特定的距離Sp或曲柄旋轉(zhuǎn)到距下極點某一特定角度α?xí)r，所產(chǎn)生的沖擊力稱為壓力機的公稱壓力。（2）壓力機許用應(yīng)力曲線

實際沖壓力曲線與與壓力機許用壓力曲線不同步。沖裁、彎曲時壓力機的噸位應(yīng)比計算的沖壓力大30%左右。拉深時壓力機噸位應(yīng)比計算出的拉深力大60%～100%。

§1.5沖壓設(shè)備及其選用

壓力機的許用壓力曲線1─壓力機許用壓力曲線2─沖裁工藝沖裁力實際變化曲線3─拉深工藝?yán)盍嶋H變化曲線（3）壓力機的閉合高度指滑塊在下止點時，滑塊底面到工作臺上平面（即墊板下平面）之間的距離。（4）壓力機的裝模高度

指壓力機的閉合高度減去墊板厚度的差值。（5）模具的閉合高度

指沖模在最低工作位置時，上模座上平面至下模座下平面之間的距離。理論為：Hmin-H1≤H≤Hmax－H1實際為：Hmin-H１＋10≤H≤Hmax-H１－5§1.6沖壓用料一、板料的沖壓成形性能和評價方法

板料的沖壓成形性能是指其對各種沖壓成形方法的適應(yīng)能力。板料便于沖壓加工，單個沖壓工序的極限變形程度和總極限變形程度大，容易得到高質(zhì)量的沖壓件，就是成形性能好。板料的沖壓成形性能是一個綜合性概念，包括抗破裂性、貼模性、定形性(凍結(jié)性)。

抗破裂性涉及板料在各種沖壓成形工藝中的最大變形程度(成形極限)，如極限拉深系數(shù)、極限脹形系數(shù)、極限翻邊系數(shù)等。

貼模性是指板料在沖壓成形過程中獲得模具形狀和尺寸并不產(chǎn)生板面缺陷的能力。若在沖壓成形過程中，板料出現(xiàn)內(nèi)皺、翹曲、塌陷、鼓起等缺陷，則其貼模性能不良。定形性是指制件脫離模具后保持其在模具內(nèi)既得形狀和尺寸的能力。§1.6沖壓用料板料沖壓成形性能的評定方法很多，概括起來可分為直接試驗和間接試驗兩類。

二、對沖壓用板料的基本要求

沖壓用板料不僅要滿足使用要求，還應(yīng)能適應(yīng)沖壓工藝要求。(1)沖壓成形性能方面對于分離工序，要求板料具有一定的塑性。對于成形工序，為了有利于加工成形和保證制件質(zhì)量，板料應(yīng)具有良好的抗破裂性、貼模性和定形性。(2)表面質(zhì)量方面為了保證制件質(zhì)量和模具使用壽命，板料的表面應(yīng)光潔平整、無損傷缺陷。厚度公差因為一定的模具間隙適用于一定厚度的板料，板料厚度公差太大，不僅直接影響制件的質(zhì)量，還可能導(dǎo)致廢品的出現(xiàn)。在校正彎曲、整形等工序中，板料厚度的正偏差過大，有可能引起模具或設(shè)備過載而損壞。所以，板料的厚度公差應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?！?.6沖壓用料三、板料的種類

常用的金屬材料分黑色金屬和有色金屬2種。黑色金屬包括普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、碳素工具鋼、不銹鋼、硅鋼、電工純鐵等。有色金屬包括純銅、黃銅、青銅、白銅、鋁合金等。鋼板是沖壓生產(chǎn)中使用量最多的原材料，一般厚板(t＞4mm)為熱軋板，薄板(t≤4mm)為冷軋板。冷軋板尺寸精度高、表面光亮，內(nèi)部組織更致密，表1是冷軋鋼板與熱軋鋼板在質(zhì)量與性能方面的大致對比。項

目熱軋鋼板冷軋鋼板表面粗糙度Ra/μm20~250.25~2.5厚度公差/mm±(0.18~0.25)±(0.08~0.13)均勻延伸率/%27~3537~42塑性應(yīng)變比r值0.8~0.951.1~1.8材料名稱牌號狀態(tài)/MPa/MPaMPa/%E電工純鐵DT1~DT3已退火17722526電工硅鋼D11等已退火441普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q215Q235Q255未退火265~333304~373333~412333~412432~461481~51121623525526~312