《一種鋼制扣件的沖壓模具設計》15000字（論文）

摘要近年來扣件在很多領域上都有重要的地位，尤其是在建筑領域上。它一般作為兩個構件的零件，為腳手支撐的穩(wěn)定提供了很好的基礎。正是因為如此，扣件的需求量也在不斷增加。但隨之而來就是對扣件的質量和性能要求也變高了，特別是在施工時優(yōu)先考慮它的安全性?？奂|量與它所使用的材料和加工工藝有關，在材料上，人們往往可以通過材料的機械性能的篩選得到剛性和韌性好的材料。相對而言是提高扣件質量的一種簡單的方式，在加工上，一套良好的設計方案才可以生產出一個合格的零件。

傳統(tǒng)的扣件鑄造會出現(xiàn)剛性差和韌性低等問題，還有就是生產過程中會產生材料利用率低和污染環(huán)境的問題。對此本文設計了一個扣件新的加工方案。在模具技術成熟的背景下，對扣件進行沖壓工藝設計。在對扣件外形和結構分析后，確定了扣件的成形工藝，就是使用彎曲沖壓模具生產。研究模具的設計方法，保證模具的設計合理性。

對扣件的加工方案為采用相對簡單的單工序模，工件采用的成形工序是切斷工序和彎曲工序。并對此展開一系列的計算，和二維圖紙的繪制，分析出本次設計的優(yōu)缺點。關鍵詞：扣件成形工藝沖壓彎曲模具1緒論1.1課題研究的目的和意義腳手架鋼扣件擁有良好性能，在建筑中的廣泛應用。它的抗變形能力和抗滑性能都很強，所以能夠有效減少施工中出先的安全事故，具有很好的安全優(yōu)勢。所以它的日益完善以及性能的增強有很重大的意義。再者扣件本身不易生銹和破損，減少了成本和提高了工作效率。

本文在對扣件進行沖壓彎曲模具設計時，可以進一步完善加工工藝，縮短生產所需要的時間，提高彎曲件的性能。對扣件投入生產起著指導性意義，還有就是可以發(fā)現(xiàn)在沖壓過程所產生的缺陷。1.2國內外沖壓模具技術的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國內發(fā)展現(xiàn)狀隨著國民經濟的高速發(fā)展，模具在市場上中有著很重要的地位。模具產業(yè)的增長速度保持在15%左右穩(wěn)步發(fā)展提升，模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了很大變化，不但國有專業(yè)模具廠快速發(fā)展，集體、合資、私營等企業(yè)也得到了快速發(fā)展[1]。在汽車、電子產品、儀表設備、家電等產品中，一大半以上的零部件都要需要模具成形（型）。用模具成形的制件擁有高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低消耗的特點[7]，是其它加工生產的產品所不能相比的。模具可以實現(xiàn)利益的最大化，用模具生產的產品帶來的效益，常常比模具自身價值高個幾十倍、上百倍。如今全球模具年產值大概是6000千萬美元，日本、美國等工業(yè)發(fā)達國家的模具產業(yè)產值已超過了機床產業(yè)。我國的沖模不但在設計和制造的方案和途徑上基本接觸到國際水平，而且結構功能也往國際水平靠近。但在產品的質量、精度、制造周期和成本上仍比不上于發(fā)達國家水平[2]。

另一方面，大量制造電器類產品的商家引入CAD/CAM系統(tǒng)并且達到了集成化發(fā)展程度。在數(shù)控加工上的使用率越來越高，獲得了一定的經濟價值，促進了我國在模具CAD/CAE/CAM技術上的發(fā)展。目前的國內許多沖壓模具企業(yè)淘汰了傳統(tǒng)的繪圖板和落后的手工繪圖途徑。人氣最高的軟件是由美國Autodesk公司出品的AutoCAD軟件，另外，一些商家在這個平臺上還研究了二次開發(fā)。然而我國的CAD/CAM/CAE等計算機輔助技術的軟件開發(fā)還在落后的程度，仍需要積蓄知識和經驗。據統(tǒng)計我國對此技術的普及率并不高，應用仍不夠廣泛。僅有約10%的模具在設計中使用了CAD技術。而在使用CAE進行模具方案的設計和分析方面起步更晚，在這一方面的技術不足是由于缺乏先進的制造設備和工藝設備，只有5%左右的模具制造設備被應用于這項工作。

國內的制造技術水平高的僅出現(xiàn)在少數(shù)重點公司，行業(yè)內整體技術水平還在落后階段上。具體表現(xiàn)于質量低的沖壓件，不節(jié)能，經濟價值低，工件精度差，污染較嚴重等方面。另外我國的生產管理還很落后，手工制作工藝比例高，工人技術質量低，這在一個企業(yè)中是非常大的弊端。在精度方面，我國整體沖壓件的尺寸精度和表面粗糙度水平低，即使有在這方面的技術改良，但在許多企業(yè)形成一個標準的體系非常困難。大量的企業(yè)常常被動執(zhí)行標準，體現(xiàn)在低于標準國標(GB)和國際標準（ISO）上。因此一些企業(yè)制造的產品的不良率達到30%左右，從此可以看出我國的生產技術有待提高和完善。

再者就是我國沖模的動力來源壓力機，越來越多的高速精密壓力機投入市場生產，沖孔的實力速率可達2000次/分鐘，彎曲處理可達500～800次/分鐘。還有就是級進模的重量從幾公斤增加了幾百公斤。綜上所述我國的發(fā)展空間很大，需要不斷積累經驗和知識才能使模具行業(yè)各方面都可以達到世界領先水平[6]。1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀國外的模具行業(yè)因為起步較早，所以具有很先進的生產管理知識和經驗，尤其在歐美和日韓等國家。他們的擁有優(yōu)秀的基礎很值得國內的各種模具企業(yè)學習和參考。國外的模具企業(yè)常常把高技術手段實踐在模具的設計和制造上，可以從在高速切削、五軸高速加工技術的普及，快速成形和制模技術的普遍應用看出。國外高素質人才濟濟，工作于模具行業(yè)的人員可以做到擁有多種工作能力，還可以從事多個工位，精益生產。這些企業(yè)將生產的產品在市場的精準定位，另一方面很多企業(yè)都在使用優(yōu)秀的信息管理系統(tǒng)完成了集成化管理，它們在工藝設計和標準化方面的成就都很高[4]。

據統(tǒng)計，在國外發(fā)達國家的機械制造業(yè)在整個國家制造業(yè)上的占有率為60%以上，所以國外的機械制造有些開發(fā)和現(xiàn)代設計理念。它們的計算機輔助設計、可靠性設計等優(yōu)秀的方案和技術，從內在里改變了落后的設計的思想和方式。國外可以做到從設計到售后實現(xiàn)一體化服務，而且目前還在研發(fā)新科技。發(fā)達國家體現(xiàn)在沖壓技術先進，良品好，效率高，節(jié)能等優(yōu)點上，值得一提的是材料的供應已發(fā)展為商業(yè)化標準。綜上所述國外的模具行業(yè)大部分可以做到機械化、自動化和智能化生產[5]。1.3沖壓模具內容1.3.1沖壓的基本概念沖壓是將模具在冷沖壓的環(huán)境中，把材料在壓力機提供壓力的條件下使之分離或者變形，最后得到所需求形狀的工件。常用的材料有板料、帶料和棒料，本次設計用到的材料為棒料。這種在沖壓的方法加工出來的工件叫做沖壓件[9]。沖壓在原料方面的選取條件因料厚薄程度而定，比如薄板沖裁時需要用到耐磨性和硬度高的材料，厚板沖裁時需要用到具耐磨性、抗壓屈服點高的材料。另外為阻止模具損壞，還需要求材料的斷裂抗力、較高的抗彎強度和韌性等性能良好。1.3.2沖壓加工工序沖壓工序可分為兩大工序，分離工序和成形工序。分離工序就是在沖壓成形時，材料內在的應力大于強度極限，工件和胚料沿著所需的工件輪廓線分開，然后得到所需零件，這時還要求斷面質量要滿足所需的要求。分離工序包括落料、沖孔、切斷、切邊、切舌、剖切、整修、精沖等基本工序[11]。成形工序指的是在沖壓成形時，材料內在的應力大于屈服極限，但這時候胚料還沒被毀壞，材料發(fā)生塑性變形，然后得到所需零件，這時還要滿足所需的精度要求。成形工序包括彎曲、拉深、翻邊、等工序。兩大工序的基本工序的工序特征。分離工序中，落料：板材在沖壓時，沖下的材料為零件。沖孔：板材在沖壓時，沖下的材料是廢料。切斷：模具切斷板料時，切斷線是不封閉的曲線。修邊：使用模具把沖壓件的邊緣上多余材料切掉。成形工序中，彎曲：使用模具把材料彎成所需的形狀。拉深：使用模具把材料壓成任何外形的空心零件。翻邊：將工件半成品的邊邊成形成豎直邊。整形：把沖壓件不平的面壓平，使已經彎曲或者拉深的沖壓件壓成準確的外形。1.3.3沖壓的注意事項落料和沖孔時應該考慮落料件的外形和沖孔件的孔形對稱，盡量使用規(guī)則類型的形狀?？讖降某叽?，還有沖裁件的結構尺寸盡量定大一些為了保證模具的強度。工件上的直線無論是與直線還是與曲線的交接，在交接處都采取圓弧連接，可以規(guī)避交接處的應力集中而破損。這樣做還可以保護模具，減少磨損[14]。

擁有彎曲結構的工件的形狀應該盡可能保證對稱性，另外彎曲半徑不可以小于材料的許用最小彎曲半徑。這樣可以保護材料的外層，不使它發(fā)生斷裂。彎曲一些有孔的工件時，孔和彎曲部分的最小距離應參考下列的不等式。當t＜2mm時，l＞t。反之，l＞2t。上述的t為材料厚度，l為孔到彎曲部分的長度。這樣可以避免孔發(fā)生變形。在無法滿足條件時，可以優(yōu)先加工彎曲部分，最后再加工孔的部分。

拉深時，拉深件的外形應該簡易且對稱，它的深度不必過大。這樣做最大作用就是減少拉深次數(shù)。拉深件的圓角半徑可以設計大一些，方成形和減少拉深的次數(shù)。1.4AutoCAD、Solidworks的使用AutoCAD即計算機輔助設計，擁有強大的繪圖和編輯功能，常用來繪制二維圖形，也可以繪制三維模型。機械制圖與CAD的結合使用，可以節(jié)省很多時間和提高精度。本次設計的二維圖全程使用CAD繪制[18]，可以清晰表達出模具的尺寸以及便于理解模具結構。在此過程會用到不同類型的線條繪制裝配圖和零件圖，有輪廓線，虛線等線條，零件圖。

SolidWorks的使用更能直觀的看出零件的模型。由于立體圖形，可以進行剖切來觀察零件內部結構。另外使用SolidWorks繪制的三維模型可以導出工程圖，可以方便的得到零件某些部位的尺寸[19]。在此過程用到的命令主要是掃描曲線命令，非?？焖俚牡玫娇奂娜S模型。1.5沖壓工藝設計的內容及步驟1.5.1工藝的設計

（1）通過沖壓件的產品圖，分析出沖壓件的外形特點，尺寸大小，精度多少，坯料尺寸和物理力學性能。分析可以選擇的壓力機的規(guī)格和模具的生產條件，判斷能否批量生產。另外還要分析工件的沖壓工藝性。以上的分析目的是為了減少材料的消耗、工序數(shù)目、占用設備數(shù)和提高模具的使用壽命、產品質量。也使得整體操作簡單化[14]。

（2）對工藝方案的確定，還有參數(shù)的計算[8]。在沖壓工藝分析后，找到工藝和模具設計的特征和難點，然后根據實際情況得到每個沖壓工藝方案的可能。其中的內容包括工藝性質、工序數(shù)目、工序順序和組合方式等等[16]。當一個工件存在好幾種可用的沖壓工藝方案時，還需要再仔細分析?？梢钥紤]產品的質量、生產效率、設備占用情況、模具制造的難易和壽命高低，還有就是從生產成本、操作方便和安全可靠程度進行綜合考慮。還需知道工藝方案所依據的數(shù)據即工藝參數(shù)，一般的工藝參數(shù)有成型系數(shù)、零件的展開尺寸和沖裁力、成形力和卸料力等。在計算時，可以獲取較精準的數(shù)據，包括工件排樣的利用率、沖裁壓力中心、工件的面積等。有些數(shù)據無法算出準確值，但可以使用近似值，比如一般彎曲或拉深的成形力、復雜零件坯料展開長度等等。它們的值可以參考經驗公式和圖表進行簡單計算。

（3）選擇沖壓設備時，優(yōu)先考慮沖壓工序性質和沖壓設備的力值，綜合考慮沖壓加工需要的變形力、變形功、模具閉合高度和輪廓尺寸大小[13]。選擇的壓力機應是工廠現(xiàn)有設備。工廠常用的壓力機主要有曲柄壓力機、液壓機和伺服壓力機。曲柄壓力機的沖壓速度較快且成本較低，液壓機雖然可以提高很大的壓力但沖壓速度較慢，一般用在大型零件上。伺服壓力機雖然可以控制壓力的變化，但是壓力有限且成本昂貴[12]。所以對于沖壓設備的選擇，一般選擇曲柄壓力機。1.5.2模具設計程序（1）模具種類和結構形式的確定常?？紤]工藝方案、沖壓件的形狀特征、精度要求、生產數(shù)量和安全性能等[17]。

（2）選擇工位定位方式時，常常依據定位基準、上料方式和操作安全等因素。工位的定位基準與設計基準必須重合，不重合則需考慮尺寸鏈計算，重新分配公差，把設計尺寸換算成工藝尺寸。當零件采用多工序在不同的模具沖壓時，每個工序都應采用統(tǒng)一基準。為了增加定位的可靠性，可以選取精度高、沖壓不良變形和移動小的表面作為定位表面[8]。定位的表面會隨著零件的形狀改變，比如，板件要用相距較遠的兩個孔定位，或一個孔和外形定位。彎曲件可以用孔或者形體來定位。拉深件可以根據外形、底面或者切邊后的凸緣定位。

（3）選擇卸料方式時，考慮到要把沖壓件或廢料卸掉以保證下一次沖壓的順利進行，所以應該選取合適卸料方式和設計出合理的卸料裝置。操作方式選擇壓料、卸料裝置的形式可以作為依據。操作方式可以是板料的送進方式包括自動或手動操作，另外可以分析是上出料還是下出料的出料方式也可作為依據。而卸料裝置可以考慮沖壓件的平整度要求和料厚程度。比如，對于硬厚且加工精度要求不高的沖壓件，可選用剛性卸料；對于料厚在小于1.5mm且沖裁精度要求較高的工件，可選用彈性卸料；對于彎曲和拉深工藝成形的工件，要考慮不損壞成形部位又能滿足卸料要求，選取相應的卸料方式或者卸料裝置[10]。我認為卸料裝置的設計，可以直接影響工件的質量甚至生產效率和安全程度。

(4)模具設計計算時，需要計算模具的壓力中心以防止模具會受到偏心載荷的作用導致減少模具的精度和使用壽命。此外還要計算出模具的重要零件的外形尺寸，比如，凹模、凸模固定板、墊板等的尺寸。然后是選擇合適的標準模架和計算卸料彈簧或者橡膠的自由高度。確定好凸、凹模間隙和計算凸、凹模工作部分的尺寸。最后是關于壓力機型號的選擇，必須滿足Hmax≥5mm+Hm，Hmin≤Hm-10mm的要求，在此式中Hmax、Hmin分別為壓力機的最大和最小裝模高度，Hm為模具閉合高度，它們的單位都為mm[15]。一臺壓力機上無論模具的安裝數(shù)量多少都應保持一樣的閉合高度。而且壓力機的公稱壓力Fg一定要大于沖壓計算的總壓力F總。在壓力機的滑塊行程選擇，必須滿足工件的成形要求，而對于拉深工藝而言，它的行程就考慮大于拉深件的高度2～2.5倍，目的是方便放料和取件。在選取壓力機的工作臺面時，其尺寸必須大于模具尺寸，一般每邊都應大于50～70mm，這樣的設計既方便安裝模具，還可以保證沖壓件或廢料的順利取出[11]。

(5)模具設計最后還應通過以上計算繪制出模具總裝配圖和零件圖。一些非標準件還可以根據以上計算出最終結果后而設計。2鋼制扣件沖壓工藝分析本次沖壓的工件為扣件，常用于連接固定兩個構件，保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定，因此需要較好的性能，此扣件的的材質為Q235，零件的直徑為5mm。此產品為彎曲件，需滿足其表面質量良好、變形程度的充分、彎曲過程無裂痕等要求[20]。從圖2.1可看出該沖壓件，整體呈現(xiàn)彎曲狀，空間結構復雜，需要用到彎曲模具進行加工。圖2.1扣件圖2.1材料分析經查表，Q235的抗剪強度τ=310~380MPa，抗拉強度σb=260~350MPa，伸長率為δ=21%~30%，其力學性能良好[28]。材料的化學成分可見表2.1。表2.1Q235化學成分元素CSiMnPS質量分數(shù)（%）0.32~0.370.25~0.450.50~0.80<0.04<0.042.2沖壓工藝方案確定根據鋼制扣件的空間結構復雜特點，在模具的選擇上，采用單工序模具。選擇的沖壓工藝方案為切斷和彎曲，分四道工序設計。第一道工序為切斷工序，第二道、第三道和第四道工序為彎曲工序。其成形過程如圖2.2所示。圖2.2成形過程圖3切斷工藝分析3.1毛坯尺寸的計算已知棒料的厚度t=5mm，材料為Q235。彎曲部分的尺寸在滿足r>條件下，定下尺寸[21]r1=5.91，r2=7.5，r3=32.5。如圖3.1所示為毛坯的尺寸圖。圖3.1毛坯尺寸圖3.2切斷力的計算切斷坯料所需要的的力：查材料力學性能：=300MPa[28]F===241.5KN（3-2）式中，F(xiàn)為切斷力（KN），L為有效接觸周長（mm）,t為厚度（mm），為材料的抗剪強度。3.3卸料力的計算根據公式計算卸料力：F卸=K卸F=0.03241.5=7.245KN（3-3）式中，K卸為卸料力系數(shù)，F(xiàn)為沖裁力。3.4壓力機的選用本次的沖裁件的尺寸相對較小，而且切斷工序的行程較短，所以可選用開式曲柄壓力機。其操作空間較大，方便操作、安裝和維修，且成本較低。切斷力始終處于壓力機滑塊的許用負荷曲線之內[23]。選擇壓力機時，需滿足Fg>F切，上式計算結果為F切=241.5KN，所以選擇壓力機型號為J23-25，表3.1為它的技術規(guī)格。表3.1J23-25型號主要技術規(guī)格型號J23-25公稱壓力（104牛）25滑快行程（毫米）65滑塊行程次數(shù)（次/分）55最大封閉高度（毫米）270封閉高度調節(jié)量（毫米）55滑塊中心線至床身距離（毫米）200立柱距離（毫米）270工作臺尺寸（毫米）前后370左右560工作臺孔尺寸（毫米）前后200左右290直徑260墊板尺寸（毫米）厚度50直徑模柄孔尺寸（毫米）直徑40深度60滑塊底面尺寸（毫米）前后左右床身最大可傾角30°3.5變形功計算根據公式：W===483J（3-4）式中，W為沖裁變形功（J）；F為沖裁力（N）；t為料厚（mm）；x為系數(shù)，由材料的種類及厚度決定，見表3-2。校核所選取的壓力機的電動機功率。根據公式：N=KW（3-5）式中N為電動機功率（KW）；K為不平衡系數(shù)，K=1.2~1.4；η1為壓力機效率，η1=0.6~0.8；η表3-2系數(shù)x的數(shù)值材料材料厚度1以下材料厚度1~2材料厚度2~4材料厚度4以上軟鋼中等硬度鋼硬鋼0.70~0.650.60~0.550.45~0.400.65~0.600.55~0.500.40~0.350.60~0.500.50~0.420.35~0.300.45~0.350.40~0.300.30~0.153.6切斷模結構設計3.6.1凸、凹模間隙凸、凹模間隙會直接影響沖壓件的斷面質量、尺寸精度和模具壽命，如果二者間隙過小就會損壞模具，從而降低模具壽命，如果間隙過大，則坯料表面粗糙和形成較多的廢料[24]。凸、凹模間隙一般與材料性能、厚度和沖壓件外形有關。綜合考慮之下，C=kt==0.35,式中，C為間隙值，k為間隙系數(shù)，t為材質厚度。k的值可查表3-3，可得k=0.07表3-3沖裁間隙（單面間隙C=kt）材料小間隙中等間隙大間隙低碳鋼中碳鋼高碳鋼0.03~0.070.035~0.080.08~0.120.07~0.10.08~0.110.12~0.150.1~0.1250.11~0.150.15~0.184切斷模零件4.1模架考慮到送料以及取件方便，選用后側導柱模架GB/T2851.4-90，其材料為HT20-40，I級精度。其零件圖如圖4.1所示。圖4.1后側導柱模架凹模周界選取L=315mm、B=200mm、閉合高度H=240~285mm，查表后，相關零件尺寸如表4.1所示。表4.1GB/T2851.4-90零件件號、名稱及標準編號規(guī)格上模座GB/T2855.5315×200×50下模座GB/T2855.6315×200×65導柱GB/T2861.135×230導套GB/T2861.635×125×484.2上模座根據凹模周界L=315，B=200，查國標GB/T2855.5，得：H=50，S=305，R=55，L1=355，材質為HT200的后側導柱上模座，其零件圖，如圖4.2所示。圖4.2上模座零件圖4.3下模座根據凹模周界L=315，B=200，查國標GB/T2855.6得：H=65，S=305，R=55，L1=355，材質為HT200的后側導柱下模座，其零件圖，如圖4.3所示。圖4.3下模座零件圖4.4導柱根據表4.1模架相關的零件規(guī)格，選取A型導柱，查國標GB2861.1，D=，L=230。其零件圖比例為1:2，如圖4.4所示。圖4.4導柱零件圖4.5導套根據表4.1模架相關的零件規(guī)格，選取A型導套，查國標GB2861.6。得d=，D=。其零件圖比例為1:2，如圖4.5所示。圖4.5導套零件圖4.6凸模凸模的結構設計為臺階式凸模，固定的方式為采用螺釘固定，便于拆換凸模。其外形尺寸，無法選取國標。其零件圖，如圖4.6所示。圖4.6凸模零件圖4.7凹模本次工藝的凹模，其溝槽有著定位的作用。溝槽的最大極限尺寸為：5+0.02=5.02mm，最小極限尺寸為5+0.01=5.01mm，所以其外形尺寸為D=，凹模的零件圖，如圖4.7所示。圖4.7凹模零件圖4.8沉頭螺釘查國標GB68-76得：D=22，d=12，n=3，t=2.5，，h=5.8，L=85，L0=40。其零件圖如圖4.8所示。圖4.8沉頭螺釘零件圖4.9墊板選用矩形墊板，查國標GB2858.3-81，L=379，B=200，材質為45號鋼，其零件圖如圖4.9所示，比例為1:4。圖4.9墊板零件圖4.10卸料板采用四根卸料螺釘連接，所以在卸料板上留有四個螺釘孔，材質為45號鋼。其零件圖如圖4.10所示，比例為1:4。圖4.10卸料板零件圖4.11擋料塊位于凹模左邊，用于控制工件毛坯的送進距離。所以在其表面設有溝槽，用于導向。擋料塊尺寸如圖4.11所示。圖4.11擋料塊零件圖4.12裝配圖工作過程為：人工將工件從右邊向左送進模具，經過承料塊17，凹模16進行導料，擋料塊4控制毛坯送進距離，當毛坯到位時，上模下行，承料塊和橡膠19承載，然后切斷，最后上模上行，承料塊和橡膠恢復原狀，取下工件。整個切斷模具的結構相對簡單，且操作方便。圖4.12裝配圖5預彎彎曲工藝分析經過切斷工序后得到的一定長度的毛坯，可進行下一道彎曲工藝的完成得到的零件如圖5.1所示。圖5.1預彎曲零件5.1最小彎曲半徑由于彎曲半徑越小，棒料外表面的變形程度越大。反之，則棒料外表面會因大于材料的最大許用變形而發(fā)生裂痕。影響最小彎曲變形的因素有材料的力學性能、彎曲線方向、材料的表面質量、彎曲角度等[27]，所以最小彎曲半徑會很大程度上影響彎曲工藝。最小彎曲半徑可根據以下公式計算。=(5-1)r==(5-2)式中，r為最小半徑（mm）；t為材料厚度（mm）；為收縮率；為伸長率，一般為30%。5.2應變中性層應變中性層的半徑可根據以下公式計算。=5.91+0.335=7.56（5-3）式中，為應變中性層半徑（mm）；r1為彎曲半徑（mm）；t為材料厚度（mm）；x為中性層的位移系數(shù)，查表5.1可得。表5.1中性層的位移系數(shù)x值r/tx1.20.331.50.366.50.485.3彎曲件毛坯長度彎曲件的尺寸如圖5.2所示，該沖壓件滿足r1>0.5t的要求，這類彎曲件的展開長度可以根據應變中性層在彎曲時不變[29]的原則進行計算。L=2a+b+2==273.95mm(5-4)式中，L為毛坯展開長度（mm）；a和b為直邊長度（mm）；為中性層半徑（mm）。圖5.2彎曲毛坯5.3彎曲力計算（1）自由彎曲力的計算：預彎彎曲力計算公式為：F1==N(5-5)式中，F(xiàn)1為自由彎曲力（N）；S1為彎曲件截面面積（mm2）；t為材料厚度（mm）；r1為彎曲件內彎曲半徑（mm）；σb為材料抗拉強度（MPa）；K（2）校正彎曲力的計算：校正彎曲力的計算公式為：F=PA=N（5-6）式中，F(xiàn)為校正彎曲力（N）；A為矯正的投影面積（mm2）；P為單位面積上的矯正力（MPa）查表5.2可得，P=80。表5.2單位矯正力P值材料板料厚度t/mm1~33~6鋁20~3030~40黃銅30~4060~8010~20號鋼40~6080~1005.4頂件力和壓料力的計算對于設有頂件裝置或壓料裝置的彎曲模，頂件力或壓料力可近似取自由彎曲力的60%~80%，即1411.824N。5.5壓力機的選用選擇壓力機時應滿足，因為校正力是發(fā)生在下死點附近處，與自由彎曲力不存在重疊關系[30]，數(shù)值也比壓料力大很多。所以可以根據校正力選擇壓力機。綜合考慮，選取J23-16型號壓力機，其技術規(guī)格如表5.3所示。表5.3J23-16型號主要技術規(guī)格型號J23-16公稱壓力（104牛）16滑快行程（毫米）55滑塊行程次數(shù)（次/分）120最大封閉高度（毫米）220封閉高度調節(jié)量（毫米）45滑塊中心線至床身距離（毫米）160立柱距離（毫米）220工作臺尺寸（毫米）前后300左右450工作臺孔尺寸（毫米）前后160左右240直徑210墊板尺寸（毫米）厚度40直徑模柄孔尺寸（毫米）直徑40深度60滑塊底面尺寸（毫米）前后左右床身最大可傾角35°6彎曲模零件設計6.1凸模、凹模的間隙考慮到彎曲U型件時，凸模、凹模之間的間隙會影響彎曲件的質量，需要確定合理的間隙值。因為間隙值太小會使得材料厚度變小，影響模具壽命。太大的間隙值，則增加彈復角[31]。間隙值的大小可依據下式計算：mm（6-1）式中，c為間隙值（mm）；t為材料厚度（mm）；K為依據工件高度H和彎曲線長度b決定的系數(shù)，其大小如表6.1所示。表6.1系數(shù)K的數(shù)值彎曲件高度H/mm板料厚度t/mm＜0.5 4.1~5b≤2h200.050.03350.070.031000.070.056.2彎曲模工作部分尺寸計算（1）凸模圓角半徑在滿足內彎曲半徑大于最小彎曲半徑的條件下，彎曲半徑一般取r凸=r，本次彎曲件的內彎曲半徑為5.91mm，大于rmin=5.87，滿足r凸>rmin所以r凸=5.91。凸模寬度尺寸計算LP==（6-2）式中，L為彎曲件公稱尺寸（mm）；LP為凸模工作部分尺寸（mm）；δ凹模圓角半徑凹模圓角半徑滿足r凹>3mm，防止彎曲過程中材料表面被破壞[28]，且兩邊圓角半徑相等，即r凹=6mm。凹模寬度尺寸計算Ld=（6-3）式中，Ld為凹模工作部分尺寸（mm）；Lp為凸模工作部分尺寸（mm）δd（5）凸模承壓能力校核：σ=FA≤σ式中σ（6）凸模失穩(wěn)彎曲應力校核：Lmax≤π2EJ4nF式中E為凸模彈性模量，可取E=2.2×105MPa,J為凸模最小截面慣性矩，n為安全系數(shù)，取2。經計算，凸模滿足該條件。6.3凸模該凸模的外形設計，來源于預彎曲件的形狀，其固定方式為：與凸模固定板配合，上面留有臺階。凸模的尺寸大小如圖6.1所示，比例為1：4。圖6.1凸模零件圖6.4凹模凹模外形依據彎曲件形狀設計，其固定方式為：通過銷釘與模座連接，所以在設計時需要在凹模合適的地方設計銷釘孔的尺寸。具體尺寸如圖6.4所示，比例為1:4。圖6.4凹模零件圖6.5上模座考慮到需要螺釘和銷釘連接其他零件，所以在模座上需要設計銷釘和螺釘孔。根據凹模周界L=315，B=200，查國標GB/T2855.5，得：H=50，S=305，R=55，L1=355，材質為HT200的后側導柱上模座，其零件圖，如圖6.5所示。圖6.5上模座零件圖6.6下模座因為考慮到需要頂桿、螺釘和銷釘，所以在下模座上需要預留銷釘孔、螺釘孔和頂桿孔。根據凹模周界L=315，B=200，查國標GB/T2855.6,得：H=65，S=305，R=55，L1=355，材質為HT200的后側導柱下模座，其零件圖，如圖6.6所示。圖6.6下模座零件圖6.7模柄模柄的選用為壓入式模柄，查國標GB2862.1-81得：D=，d=。具體尺寸，如圖6.7所示。圖6.7模柄零件圖6.8銷釘查國標GB119-76得：L=120.32，d=8。材料為35號鋼，熱處理硬度HRC28~38不經表面處理，具體尺寸如圖6.8所示。圖6.8銷釘零件圖6.9墊板墊板需要與螺釘和銷釘配合在上模座下表面，所以墊板上留有銷釘和螺釘孔，具體尺寸可見圖6.9。圖6.9墊板零件圖6.10頂件塊頂件快位于凹模、擋料塊之間，下端通過頂桿連接，可提供推力給頂件快將制件頂出。此裝置需要與凹模內徑相配合，所以可以根據凹模尺寸確定頂件快尺寸。具體尺寸如圖6.10所示。圖6.10頂件塊零件圖6.11裝配圖整套模具采用單工序模結構，裝配圖如圖6.11所示。沖壓過程如下：人工將已經切好的坯料通過凹模3上的溝槽送入模具內，擋料塊4控制送進距離，壓力機開始工作，模具上模6下行，將坯料彎至開口形狀，然后，上模上行，頂桿17推動推件塊14將制件頂出，人工取出制件，完成整個彎曲過程。圖6.11裝配圖7U形彎曲工藝分析7.1彎曲力計算（1）自由彎曲力的計算：U形件彎曲力計算公式為：F2==N(7-1)式中，F(xiàn)2為自由彎曲力（N）；S2為彎曲件截面面積（mm2）；t為材料厚度（mm）；r2為彎曲件內彎曲半徑（mm）；σb為材料抗拉強度（MPa）；K（2）校正彎曲力的計算：校正彎曲力的計算公式為：F=PA2=N（7-2）式中，F(xiàn)為校正彎曲力（N）；A2為矯正的投影面積（mm2）；P為單位面積上的矯正力（MPa）查表5.2可得，P=80。7.2頂件力和壓料力的計算對于設有頂件裝置或壓料裝置的彎曲模，頂件力或壓料力可近似取自由彎曲力的60%~80%，即1466.464N。7.3壓力機的選用選擇壓力機時應滿足，因為校正力是發(fā)生在下死點附近處，與自由彎曲力不存在重疊關系，數(shù)值也比壓料力大很多。所以可以根據校正力選擇壓力機。綜合考慮，選取J23-3.15型號壓力機。7.4凸模、凹模的間隙考慮到彎曲U型件時，凸模、凹模之間的間隙會影響彎曲件的質量，需要確定合理的間隙值。因為間隙值太小會使得材料厚度變小，影響模具壽命。太大的間隙值，則增加彈復角。間隙值的大小可依據下式計算：mm（7-3）式中，c為間隙值（mm）；t為材料厚度（mm）；K為依據工件高度H和彎曲線長度b決定的系數(shù)，其大小如表6.1所示。7.5彎曲模工作部分尺寸計算（1）凸模圓角半徑在滿足內彎曲半徑大于最小彎曲半徑的條件下，彎曲半徑一般取r凸=r，本次彎曲件的內彎曲半徑為7.5mm，大于rmin=5.87，滿足r凸>rmin，所以r凸=7.5。（2）凸模寬度尺寸計算LP1==（7-4）LP2==（7-5）式中，L為彎曲件公稱尺寸（mm）；LP為凸模工作部分尺寸（mm）；δ（3）凹模圓角半徑凹模圓角半徑滿足r凹>3mm，防止彎曲過程中材料表面被破壞，且兩邊圓角半徑相等，即r凹=6mm。（4）凹模寬度尺寸計算LD1=（7-6）LD2=（7-7）式中，Ld為凹模工作部分尺寸（mm）；Lp為凸模工作部分尺寸（mm）δd（5）凸模承壓能力校核：σ=FA≤σ式中σ（6）凸模失穩(wěn)彎曲應力校核：Lmax≤π2EJ4nF式中E為凸模彈性模量，可取E=2.2×105MPa,J為凸模最小截面慣性矩，n為安全系數(shù)，取2。經計算，凸模滿足該條件。7.6凸模根據工件外形設計出凸模，整體呈T形狀，凸模上部分與凸模固定板配合緊固。具體尺寸可見圖7.1。圖7.1凸模零件圖7.7凹模因為工件高度尺寸較大，所以凹模整體尺寸較大，凹槽和溝槽也是根據工件外形而確定的，整個凹模需要4顆螺釘和2顆銷釘固定。具體尺寸可見圖7.7。圖7.7凹模零件圖7.8上模座考慮到需要螺釘和銷釘連接其他零件，所以在模座上需要設計銷釘和螺釘孔。根據凹模周界L=315，B=200，查國標GB/T2855.5，得：H=50，S=305，R=55，L1=355，材質為HT200的后側導柱上模座，其零件圖，如圖7.8所示，比例為1:4。圖7.8上模座零件圖7.9下模座根據凹模周界L=315，B=200，查國標GB/T2855.6得：H=65，S=305，R=55，L1=355，材質為HT200的后側導柱下模座，其零件圖，如圖7.9所示，比例為1:4。圖7.9下模座零件圖7.10凸模固定板因為需要與凸模上部配合，因此應設計合適大小的槽，固定板與上模座通過2顆銷釘和4顆沉頭螺釘緊固。具體尺寸如圖7.10所示。圖7.10凸模固定板零件圖7.11擋料塊根據預彎模具沖壓后的零件外形而確定其內部擋料部分的形狀，具體尺寸如圖7.11所示。圖7.11擋料塊零件圖7.12墊板選用矩形墊板，查國標GB2858.3-81，L=280，B=200，材質為45號鋼，其零件圖如圖7.12所示，比例為1:2。圖7.12墊板零件圖7.13頂件塊根據零件外形，需在頂件快上部留下溝槽，方便將制件頂出，位于凹模下方與下模座之間。具體尺寸如圖7.13所示。圖7.13頂件塊零件圖7.14裝配圖將上道工序的坯料，從右邊通過擋料塊15送入模具，然后壓力機開始工作，上模下行，凸模14將預彎曲件壓成U形彎曲件，在這過程壓力始終集中在壓力中心上，然后壓力機回程，上模上行，頂件塊16將制件頂出，完成沖壓過程。圖7.14裝配圖8壓彎彎曲工藝分析8.1手動彎曲端口壓彎前需進行人工彎曲上道工序的端口，彎曲過程如圖8.1所示，最終形狀如圖8.2所示。圖8.1人工彎曲圖圖8.2壓彎坯料圖8.2彎曲力計算（1）自由彎曲力的計算：壓彎彎曲力計算公式為：F3==N(8-1)式中，F(xiàn)3為自由彎曲力（N）；S3為彎曲件截面面積（mm2）；t為材料厚度（mm）；r3為彎曲件內彎曲半徑（mm）；σb為材料抗拉強度（MPa）；K（2）校正彎曲力的計算：校正彎曲力的計算公式為：F=PA3=N（8-2）式中，F(xiàn)為校正彎曲力（N）；A3為矯正的投影面積（mm2）；P為單位面積上的矯正力（MPa）查表5.2可得，P=80。8.3頂件力和壓料力的計算對于設有頂件裝置或壓料裝置的彎曲模，頂件力或壓料力可近似取自由彎曲力的60%~80%，即869.016N。8.4壓力機的選用選擇壓力機時應滿足，為了節(jié)約成本，和減少維修費用，可以使用第一道彎曲工序的壓力機。綜合考慮，選取J23-16型號壓力機，其技術規(guī)格如表5.3所示。8.5凸模、凹模的間隙間隙值的大小可依據下式計算：mm（8-3）式中，c為間隙值（mm）；t為材料厚度（mm）；K為依據工件高度H和彎曲線長度b決定的系數(shù)，其大小如表6.1所示。8.6彎曲模工作部分尺寸計算（1）凸模圓角半徑在滿足內彎曲半徑大于最小彎曲半徑的條件下，彎曲半徑一般取r凸=r，本次彎曲件的內彎曲半徑為32.5mm，大于rmin=5.87，滿足r凸>rmin所以r凸=32.5。（2）凸模寬度尺寸計算LP==（8-4）式中，L為彎曲件公稱尺寸（mm）；LP為凸模工作部分尺寸（mm）；δ（3）凹模圓角半徑凹模圓角半徑滿足r凹>3mm，防止彎曲過程中材料表面被破壞，且兩邊圓角半徑相等，即r凹=6mm。（4）凹模寬度尺寸計算Ld=（8-5）式中，Ld為凹模工作部分尺寸（mm）；Lp為凸模工作部分尺寸（mm）δd（5）凸模承壓能力校核：σ=FA≤σ式中σ（6）凸模失穩(wěn)彎曲應力校核：Lmax≤π2EJ4nF式中E為凸模彈性模量，可取E=2.2×105MPa,J為凸模最小截面慣性矩，n為安全系數(shù)，取2。經計算，凸模滿足該條件。8.7凸模根據制件最終的外形確定凸模處，呈半圓凹槽狀，為了方便沖壓，凸模處應設計圓角r=5.58。具體尺寸如圖8.3所示。圖8.3凸模零件圖8.8凹模凹模上部需要比制件寬，所以D=58>d=57，D為凹模寬度，d為制件寬度。凹模與下模座采用螺釘連接，凹模上的螺釘孔合理安排尺寸及距離，具體尺寸如圖8.4所示。圖8.4凹模零件圖8.9上模座考慮到需要螺釘和銷釘連接其他零件，所以在模座上需要設計銷釘和螺釘孔，且孔的尺寸和距離合理安排。根據凹模周界L=315，B=200，查國標GB/T2855.5，得：H=50，S=305，R=55，L1=355，材質為HT200的后側導柱上模座，其零件圖，如圖8.5所示，比例為1:4。圖8.5上模座零件圖8.10下模座根據凹模周界L=315，B=200，查國標GB/T2855.6得：H=65，S=305，R=55，L1=355，材質為HT200的后側導柱下模座，其零件圖，如圖8.6所示，比例為1:4。圖8.6下模座零件圖8.11上墊板選用矩形墊板，孔的尺寸和大小根據凸模尺寸合理安排。查國標GB2858.3-81，L=280，B=200，材質為45號鋼，其零件圖如圖8.7所示，比例為1:2。圖8.7上墊板零件圖8.12下墊板考慮到實際情況，下墊板尺寸無法根據國標設計，所以根據凹模尺寸合理確定墊板的長寬，厚度及倒角仍可參照國標選取。具體尺寸如圖8.8所示。圖8.8下墊板零件圖8.13擋料塊擋料塊處的槽，可起到擋料和導料作用，因此需要合理控制槽寬大小，擋料塊中部還需留有凹模通過的口，合理使用間隙。具體尺寸如圖8.9所示。圖8.9擋料塊零件圖8.14裝配圖上道工序完成后，經過人工彎曲端口部分后，得到的坯料從左邊經擋料塊6送進入模具內，到達合適位置后，壓力機工作，上模下行制件開始完成最后的彎曲，凸模7壓彎到所需尺寸后，上模上行，同時彈簧14將頂板4復位，進而將彎曲件頂出，完成最后的彎曲工藝。圖8.10裝配圖9總結本文對鋼制扣件進行沖壓工藝分析，設計了幾副單工序模具，即切斷、三道彎曲模具，模具結構簡單，易于操作，造價成本較低，適合小型零件的生產。介紹了沖壓模具的工作原理、結構和零件的參數(shù)，最后得出以下結論：首先，本次設計在確定毛坯尺寸時，需要用到Solidworks進行建模生成合適的制件，最后才得到長度L=274.84mm，d=5mm的毛坯。雖然和后幾道工序所需要的毛坯長度有點出入，但是大體上還是可以用切斷模生產的物料。需要注意的是，切斷模具切下來的棒料，需要保證斷面質量，所以凸模和凹模之間的間隙值要設計合理，C=0.35mm。另外也保護了模具，增加模具的使用壽命。本次的切斷模具，凸模并不在模具中部位置，因為考慮到，凸?？坑以O計更方便切斷線材，且操作更容易。凹模處的溝槽尺寸應設計大一些，這樣線材進入模具，由于減少了摩擦力，更易進入。根據經驗公式計算出沖裁力、卸料力以及變形功，選出合理的壓力機。根據凹模周界和模具閉合高度選出合適的模架，一些零件的尺寸可直接使用國標。畫出相對應的二維圖，完成沖壓模具設計。彎曲過程中，不容易設計送料的零件。預彎曲件的外形較長，彎曲部分的角度需合理安排，方便下一道彎曲工序的進行U形彎曲，角度設計不合理，凸模難以設計尺寸，且會發(fā)生沖突。彎曲工藝的計算中，需確定好最小彎曲半徑，rmin=5.87mm，后面的彎曲工序中彎曲件內彎曲半徑都應大于5.87，以提高制件質量。根據最經驗公式可計算出應變中性層的半徑。壓力機的選用可根據計算完自由彎曲力后，再計算校正彎曲力確定，壓力機的公稱壓力只需大于校正彎曲力即可。凸模的外形可根據彎曲件外形而確定，同時還需計算出凸模、凹模的圓角半徑和工作尺寸。彎曲工藝使用到的卸料裝置有彈性卸料和剛性卸料裝置，根據凸模、凹模工作而定。為降低成本可用同一套模架生產扣件，且兩個制件結構對稱，可以確定壓力中心在對角線的交點處。模具上的零件上的螺釘孔和銷釘孔合理安排孔徑和距離。根據各道工序的特點以及模具結構合理設計出各零部件的外形和尺寸，并遵循設計手冊上的規(guī)范，完成總裝圖。參考文獻邱建新,李發(fā)根等.模具工業(yè)發(fā)展趨勢綜述[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2013,(12)周永泰.模具產品目前水平及今后發(fā)展趨勢[J].模具技術,1998,(2)鐘佩思等.模具先進制造技術發(fā)展趨勢綜述[J].模具制造,2005,(3)中國模協(xié)技術委員會專家組.第八屆國際模展技術綜述[J].電加工與模具，2000,(4)吳麗萍,施法中,許鶴峰.有關模具先進制造