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基于CADCAM的复合冲压模具设计

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基于CADCAM的复合冲压模具设计

摘要该论文主要研究了复合冲压模具设计。通过对三个零件的工艺分析,制定出了模具设计方案,通过比较最终择优选出了复合冲压模具。其中包括两套冲孔落料复合模和一套拉深复合模以及一套单工序拉深模。通过对零件的分析,制定了合适的冲压模设计工艺。该论文对每一副模具,经过工艺分析、结构设计,论证了其可能性,最终保证了制品的质量。本论文具体分析了每副模具的总体结构以及工作过程,对模具中的各个工作零件的设计原则、尺寸确定以及公差等做了具体的叙述。通过应用三维软件和CAD软件进行复合冲压模具的数字化设计,了解机械行业的先进设计制造技术,掌握先进的设计制造理念。此外,该论文还涉及了模具行业当今的发展状况、发展水平、存在问题以及今后的发展前景等。由于模具的应用领域越来越广,其需求也越来越大,因此通过模具设计,可以更加熟悉模具的生产工艺。关键词复合冲压模;工艺分析;三维软件ABSTRACTTHEPAPERMAINLYSTUDIEDTHECOMPOUNDSTAMPINGDIEDESIGNTHROUGHTHEANALYSISOFTHREEPARTSTODEVELOPAMOLDDESIGN,THENSELECTTHEFINALSELECTIONOFTHEBESTCOMPOUNDSTAMPINGDIESBYCOMPARING,INCLUDINGTWOSETSOFPUNCHINGBLANKINGCOMPOSITEMODULUSANDASETOFDRAWINGCOMPOSITEMODULUSANDASINGLEPROCESSDRAWINGDIEDEVELOPASUITABLESTAMPINGDIEDESIGNPROCESSBYTHEANALYSISOFTHEPARTSTHEPAPERSANALYSESEACHMOLD,INCLUDESTRUCTUREDESIGN,DEMONSTRATESTHEPOSSIBILITYOFTHEULTIMATEGUARANTEEOFTHEQUALITYOFTHEPRODUCTSINTHISTHESIS,ADETAILEDANALYSISOFTHEOVERALLSTRUCTUREANDWORKPROCESSPERMOLDFORDETERMININGTHEDIMENSIONSANDTOLERANCES,ANDSODOASPECIFICDESCRIPTIONOFTHEDESIGNPRINCIPLESOFTHEVARIOUSPARTSINTHEMOLDCOMPOUNDSTAMPINGDIESTHROUGHTHEAPPLICATIONOF3DSOFTWAREANDCADSOFTWARE,DIGITALDESIGN,ADVANCEDDESIGNANDMANUFACTURINGTECHNOLOGYOFTHEMACHINERYINDUSTRY,TOMASTERTHEADVANCEDDESIGNANDMANUFACTURINGPHILOSOPHYINADDITION,THEPAPERALSOINVOLVESTHEDEVELOPMENTOFMOLDINDUSTRYINTODAYSLEVELOFDEVELOPMENT,THEREAREPROBLEMSANDFUTUREDEVELOPMENTPROSPECTSINCREASINGLYWIDEAREASOFAPPLICATIONOFTHEMOLD,ITSDEMANDISALSOINCREASING,SOTHEMOLDDESIGN,MOLDPRODUCTIONPROCESSCANBECOMEMOREFAMILIARWITHKEYWORDSCOMPOUNDSTAMPINGDIE;PROCESSANALYSIS;3DSOFTWARE目录摘要IABSTRACTII1绪论111模具行业的现状和发展1111模具行业的现状1112中国模具技术的进步1113中国模具工业的发展方向312课题的来源与意义5121课题的来源5122课题的意义52冲孔落料复合模621冲裁件的工艺分析6211材料6212生产批量6213精度等级6214结构形状622制订生产方案623零件的工艺计算7231工作零件刃口尺寸的计算7232排样9233冲裁力11234卸料力、推件力12235压力机公称压力的确定13236压力中心的计算1324冲裁模设计与制造13241工作零件13242定位零件16243卸料与推料零件18244模架及零件203落料、拉深、冲孔复合模2231零件工艺分析2232零件工艺方案的确定2333分析零件的冲压工艺性并确定工艺方案2334工艺计算24341冲裁力、卸料力、推件力、拉深力的计算及选出压力机24342排样、冲裁模间隙及凹模、凸模刃口尺寸公差计算26343首次无凸缘拉深的有关计算2935有关模具零件结构的计算30351冲孔凸模30352落料凹模30353拉深凸模(冲孔凹模)30354拉深凹模(落料凸模)31355卸料装置31356定位零件32357固定板、垫板32358模架、导柱、导套324拉深模3341工艺分析3342工艺计算33421拉深直径33422拉深力的计算33423圆角半径34424拉深模具的间隙34425拉深高度34426拉深凹模和凸模的尺寸3443有关模具零件结构的计算34431拉深凸模34432拉深凹模35433模架及其他355复合冲压模具3751冲裁件的工艺分析37511材料37512生产批量37513精度等级37514结构形状3752制订生产方案3753零件的工艺计算37531工作零件刃口尺寸的计算37532排样39533冲裁力39534卸料力、推件力40535压力机公称压力的确定4054冲裁模设计与制造40541工作零件41543卸料与推料零件42544模架及零件436结论45致谢46参考资料471绪论11模具行业的现状和发展111模具行业的现状在当今社会,模具生产技术水平的高低已经成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志,因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。随着我国加入WTO,我国模具工业的发展将面临着新的机遇和挑战,也日益受到人们的重视和关注,日前对“模具是工业生产的基础工艺装备”这一观念也已经取得了共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中,60%~80%的零部件都要依靠模具成型。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗,是其它加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”,用模具生产的最终产品的价值,往往是模具自身价值的几十倍,甚至上百倍。近几年来,我国模具工业一直以每年15%左右的增长速度迅速发展。目前我国模具工业的发展步伐日益加快,但在整个模具设计制造水平和标准化程度上,与德国、美国、日本的发达国家相比还存在相当大的差距。在经济全球化的新形势下,随着资本、技术和劳动力后市场的重新整合,我国装备制造业在加入WTO以后,将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中,无论哪一行业的工程装备,都越来越多地采用由模具工业提供的产品。为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求,模具工业应广泛应用现代先进制造技术来加速模具工业的技术进步,满足各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求,以实现我国模具工业的跨越式发展。112中国模具技术的进步我国模具工业的技术水平近年来也取得了长足的进步。大型、精密、复杂、高效和长寿命模具上了一个新台阶。大型复杂冲模以汽车覆盖件模具为代表,已能生产部分新型轿车的覆盖件模具。体现高水平制造技术的多工位级进模的覆盖面,已从电机、电器铁芯片模具,扩展到接插件、电子枪零件、空调器散热片等家电零件模具。在大型塑料模具方面,已能生产48英寸电视的塑壳模具、65KG大容量洗衣机全套塑料模具,以及汽车保险杠、整体仪表板等模具。在精密塑料模具方面,已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具等。在大型精密复杂压铸模方面,国内已能生产自动扶梯整体踏板压铸模及汽车后桥齿轮箱压铸模。其他类型的模具,例如子午线轮胎活络模具、铝合金和塑料门窗异型材挤出模等,也都达到了较高的水平,并可替代进口模具。具体表现在以下模具领域中(1)冲模以大型覆盖件冲模为代表,我国已能生产部分轿车覆盖件模具。轿车覆盖件模具设计和制造难度大,质量和精度要求高,代表覆盖件模具的水平。在设计制造方法、手段已基本达到了国际水平,模具结构功能方面也接近国际水平,在轿车模具国产化进程中前进了一大步。但在制造质量、精度、制造周期和成本方面,与国外相比还存在一定的差距。标志模具技术先进水平的多工位级进模和多功能模具,是我国重点发展的精密模具品种,在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上,与国外多工位级进模和多功能模具相比,仍存在一定差距。(2)塑料模近年来,我国塑料模有很大进步。在大型塑料模方面,已能生产34英寸大屏幕彩电塑壳模具,6KG大容量洗衣机全套塑料模具及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具。在精密塑料模具方面,已能生产多型腔小模数齿轮模具和600腔塑封模具,还能生产厚度仅为008MM的一模两腔的航空杯模具和难度较高的塑封门窗挤出模等。内热式或外热式热流道装置得以采用,少数单位采用了具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具,完全消除了制件的浇口痕迹。气体辅助注射技术已成功得到应用。在精度方面,塑料模型腔精度可达002005MM(国外可达0005001MM),分型面接触间隙为002MM,模板的弹性变形为005MM,型面的表面粗糙度值为0502RAUM,塑料模寿命已达100万次(国外可达300万次),模具制造周期仍比国外长24倍。这些标志着模具总体水平的参数指标与国外相比尚有较大差距。(3)压铸模汽车和摩托车工业的快速发展,推动了压铸模技术的发展。汽车发动机缸罩、盖板、变速器壳体和摩托车发动机缸体、齿轮箱壳体、制动器、轮毂等铝合金铸件模具以及自动扶梯级压铸模等,我国均已能生产。技术水平有所提高,使汽车、摩托车上配套的铝合金压铸模大部分实现了国产化。在模具设计时,注意解决热平衡问题,合理确定浇注系统和冷却系统,并根据制造要求,采用了液压抽芯和二次增压结构。总体水平有了较大提高。压铸模制造精度可达002005MM国外001003MM,型腔表面粗糙度值为0402RAUM(国外为002001RAUM),模具制造周期为中小型模具为34个月,中等复杂模具为48个月,大型模具为812个月,约为国外的2倍。模具寿命铝合金铸件模具一般为48万次,个别可超过10万次,国外可达815万次以上。(4)模具CAD/CAE/CAM技术模具CAD/CAE/CAM技术是改造传统模具生产方式的关键技术,能显著缩短模具设计与制造周期,降低生产成本,提高产品质量。它使技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成型工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。以生产家用电器的企业为代表,陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统,实现了CAD/CAM的集成,并采用CAE技术对成型过程进行计算机模拟等,数控加工的使用率也越来越高,取得了一定的经济效益,促进和推动了我国模具CAD/CAE/CAM技术的发展。今年来,我国自开发的有上海交大的冲裁模CAD/CAM系统;北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件;吉林金网格模具工程研究中心的冲压CAD/CAE/CAM系统等,为进一步普及模具CAD/CAM技术创造了良好条件。目前我国计算机辅助技术的软件开发,尚处于较低水平,需要知识和经验的积累。(5)模具标准件模具标准件对缩短模具制造周期,提高质量、降低成本,能起很大作用。因此,模具标准件越来越广泛地得到采用。模具标准件主要有冷冲模架、塑料模架、推杆和弹簧等。新型弹性元件和氮气弹簧亦已在推广应用中。(6)模具材料和热处理模具材料的质量、性能、品种和供货是否及时,对模具的质量和使用寿命以及经济效益有着直接的重大影响。近年来,国内一些模具钢生产企业已相继建成和引进了一些先进工艺设备,使国内模具钢品种规格不合理状况有所改善,模具钢质量有较大程度的提高。但国产模具钢钢种不全,不成系列,多品种、精料化、制品化等方面尚待解决。另外,还需要研究适应玻璃、陶瓷、耐火砖和地转等成型模具用材料系列。模具热处理是关系能否充分保证模具钢性能的关键环节。国内大部分企业在模具淬火时仍采用盐熔炉或电炉加热,由于模具热处理工艺执行不严,处理质量不高,而且不稳定,直接影响模具使用寿命和质量。近年来,真空热处理炉开始广泛应用于模具制造。(7)快速原型制造RPM技术得到更好的发展。该技术是由美国首先推出的。它是伴随着计算机技术、激光成形技术和新材料技术的发展而产生的,是一种全新的制造技术,是基于新颖的离散/堆积即材料累加成形思想,根据零件CAD模型、快速自动完成复杂的三维实体原型制造,被公认为是继NC技术之后的又一次技术革命。(8)高速铣削加工将得到更广泛的应用,国外近年来发展的高速铣削加工,主轴转速可达到40000~100000R/MIN,快速进给速度可达到30~40M/MIN,可获得RA≤10UM的加工表面粗糙度。形状精度可达10UM。可以加工硬度达60HRC的模块。(9)模具高速扫描及数字化系统将发挥更大的作用,英国雷尼绍公司的模具扫描系统,已在我国多家模具厂点得到应用,效果好。该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能,大大缩短的研制制造周期。(10)模具研磨抛光将向自动化、智能化方向发展,模具表面的精加工是模具加工中未能很好解决的难题之一。模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响,我国目前仍以手工研磨抛光为主,不仅效率低,且工人劳动强度大,质量不稳定。因此,研究抛光的自动化、智能化显得尤为重要。113中国模具工业的发展方向现代模具与传统模具不同,它不仅形状与结构十分复杂,而且技术要求更高,用传统的模具制造方法显然难于制造,必须借助于现代化科学技术的发展,采用先进制造技术,才能达到技术要求。当前整个工业生产的发展特点是产品品种多、更新快、市场竞争激烈。为适应市场对模具制造的短交货期,高精度、低成本的迫切要求,模具将有如下发展趋势(1)愈来愈高的模具精度10年前,精密模具一般为5ΜM,现在已达23UM,不久1ΜM精度的模具即将上市。随着零件微型化及精度要求的提高,有些模具的加工精度要求在1ΜM以内,这就要求发展超精加工。(2)日趋大型化的模具这一方面是由于用模具成形的零件日渐大型化,另一方面也是由于高生产率要求的一模多腔(现在有的已达一模几百腔)所致。(3)扩大应用热流道技术由于采用热流道技术的模具可提高制件的生产效率和质量,并能大幅度节约制件的原材料。因此,热流道技术的应用在国外发展较快,许多塑料模具厂所生产的模具50以上采用的热流道技术,甚至80以上,效果十分明显。热流道在国内也已用于生产,有些企业使用率达到20~30。(4)进一步发展多功能复合模具一副多功能模具除了冲压成形零件外,还担负着叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务,这种多功能复合生产出来的不再是单个零件,而是成批组件,可大大缩短产品的生产及装配周期,对模具材料的性能要求也越来越高。(5)日益增多高档次模具一是用于汽车、飞机、精密机械的纳米级ΜM精密加工;二是用于磁盘、磁鼓制造的亚微米级001ΜM精密加工;三是用于超精密电子器件的毫微米级(0001ΜM)精密加工。(6)进一步增多气辅模具及高压注射成型模具随着塑料成形工艺的不断改进和发展,为了提高注塑质量,气辅模具及高压注射成型模具也随之发展。(7)增大塑料模具比例随着塑料原材料的性能不断提高,各行业的零件将以塑代钢、以塑代木的进程进一步加快,使用塑料模具的比例日趋增大。(8)增多挤压模及粉末锻模由于汽车、车辆和电机等产品向轻量化发展,如以铝代钢,非全密度成形,高分子材料、复全材料、工程陶瓷、超硬材料成形和加工。新型材料的采用,不仅改变产品结构和性能而且使生产工艺发生了根本变革,相应地出现了液态(半固态)挤压模具及粉末锻模。对这些模具的制造精度要求是高的。(9)日渐广泛应用模具标准件模具标准化及模具标准件的应用将极大地影响模具制造周期,且还能提高模具的质量和降低模具制造成本。(10)大力发展快速制造模具目前是多品种小批量生产时代,一方面是产品使用周期缩短,另一方面品种更新快,这就要求模具生产周期越短越好。因此快速成型模具将越来越引起人们的重视和关注。本次设计我研究的项目是复合冲压模具设计。为此,我在进行设计之前,查阅了相关资料了解了一些关于冲压件的知识。冲压件在形状和尺寸精度方面的互换性较好,一般情况下,可以直接满足装配和使用要求。此外,在冲压加工过程中由于材料经过塑性变形,金属内部组织得到改善,机械强度有所提高。所以,冲压件具有质量轻,刚度好,精度高和外表光滑,美观等特点。冲压加工是一种高生产率的加工方法,如汽车车身等大型零件每分钟可生产几件,而零件的高速加工则每分钟可生产千件以上,由于冲压加工的毛坯是板材或卷材,一般又在冷状态下加工,因此较容易实现机械化和自动化,比较适宜配置机器人而实现无人化生产。多工位冲压加工在生产中实现多工位冲压具有如下优点减少了冲压设备和占地面积,减少了半成品的运输和存放环节以及操作人员。有利于提高生产效率、产品质量及降低冲压件成本。事实上,使用多工位冲压是实现冲压自动化的主要途径之一。该技术当今在世界各先进国家被广泛采用,目前在国内引进的成套设备中,也能看到多工位冲压机和配套模具。多工位冲压工艺一般在多工位压力机上实现。所谓多工位压力机通常是一台闭式双点式压力机。关键在于它是一台有夹持机构机械手的压力机,该夹持机构可保证在每次冲压动作完成后将冲压件从模具中向上拉出,再向前移动一个工位。由于该夹持机构能完成“向上向前”这一复合动作,所以可完成压印加工。目前在国外多工位冲压工艺的应用相当普遍,除了他们有精良的多工位压力机外,更重要的是因为国外的模具生产社会化程度很高,模具零件制造实现了标准化、通用化、系列化,非常适合于多工位冲压模这种拼装式、结构复杂的模具生产。由于模具零件都是标准件,所以易于模具的维修保养。当然,冲压加工与其他加工方法一样,也有其自身的局限性,例如,冲模的结构比较复杂,模具价格又偏高。因此,对小批量、多品种生产时采用昂贵的冲模,经济上不合算。目前为了解决这方面的问题,正努力发展某些简易冲模,如聚氨酯橡胶冲模、低合金冲模以及采用通用组合冲模、钢皮模等,同时也在进行冲压加工中心等新型设备与工艺的研究。在模具工业这个领域中起主导地位的还是人,只有更多的人掌握了这方面的技术我国的模具工业才会发展得更好、更快。12课题的来源与意义121课题的来源课题来源于工程生产实际。冲模结构是冲模的灵魂,它是决定冲模的生产效率、使用寿命、制造成本和制造周期的关键因素。本课题的重要内容是复合冲压模具的工作原理分析和结构设计。当前,应用CAD/CAM技术进行产品的数字化设计制造是产品研发的一个热点问题,本课题通过应用三维软件和CAD软件进行复合冲压模具的数字化设计可以使学生了解机械行业的先进设计制造技术,掌握先进的设计制造理念。122课题的意义运用三维CAD的数字化设计,对产品进行造型设计,在设计阶段完成传统设计方法要在产品制造出来后才能解决的问题,进而缩短设计周期。用三维软件对产品进行三维造型后,通过运动仿真,在设计阶段就能检查零部件外观的特征以及装配的干涉性,在实物制造出来前就能对产品有一个详细的了解,很容易发现弱点,改进设计,缩短设计周期。由于不用将成品生产出来后再进行检测,可以节约原料,降低成本,掌握市场先机。2冲孔落料复合模21冲裁件的工艺分析冲裁件的形状应力求简单、对称,有利于材料的合理利用;内形及外形的转角处要尽量避免尖角,应以圆弧过渡,以便于模具加工;孔边距和孔间距不能过小。如图21所示,厚度为1MM,材料为Q235A,生产纲领为大批量,精度为IT11。下面将对其冲裁工艺性进行分析。图21冲孔落料加工零件图211材料该零件材料为Q235A,普通碳素结构钢,有一定的强度,塑性较好,适于冲压生产。212生产批量该零件的生产批量为大批量,因此在制订生产方案时,应充分考虑采用连续模或者复合模以提高生产效率。213精度等级该零件的精度等级为IT11级,因此,模具的制造精度等级为IT7级。214结构形状(1)形状该零件形状简单对称,无尖角、悬臂和凹槽,冲裁时受力均匀。(2)孔边距16550TC边()/275151526548TC边()/2851515符合最小孔边距要求。(3)孔间距1755TC间(20)7515157548TC间2(20)51515符合最小孔间距要求。通过上述分析,该零件可以采用冲压工序进行生产。22制订生产方案冲压生产方案制订是在对冲压的工艺分析之后的重要环节。制订生产方案就是制订各次冲压加工的工序性质、工序数量、工序顺序、工序的组合方式等。冲压生产方案的制订要考虑多方面的因素,有时还要进行必要的工艺计算,因此实际生产中通常要提出可能的方案,进行分析比较后制订最佳方案。下面对该零件的各种冲压方案进行比较分析。方案一单工序模单工序模(又称简单模),是指压力机在一次行程中只完成一道工序的冲裁模。采用单工序模冲制该零件时,要先用一副模具进行落料,后用一副模具进行冲孔,这样至少需要两副模具进行生产,生产效率低,不符合大批量生产的要求。方案二连续模连续模(又称级进模、跳步模),是指压力机在一次行程中,依次在几个不同的位置,同时完成多道工序的冲裁。即按一定顺序安排了多个冲压工序(在连续模中成为工位)进行连续冲压。采用连续模冲制该零件,要先冲零件内部的五个孔,然后落料。由于该零件精度要求为IT11级,为满足精度要求,有必要增加两个导正销,这样又使得模具结构变得复杂。方案三正装复合模复合模是指压力机的一次行程中,在模具同一工位同时完成数道冲压工序的冲裁模。正装复合模是指将落料凹模装在下模上的复合模。采用正装复合模冲制该零件时,每冲裁一次,冲孔废料被推出一次,凸凹模内不积存废料,胀力小,不易破碎;正装复合模工作时,条料是在压紧状态下冲裁的,冲出的冲裁件平直度高。但是冲孔废料落在下模工作面上,尤其孔较多,清除废料困难;由于采用固定挡料销和导料销定位,在卸料版上需钻出让位孔;由于弹压器和弹压卸料装置的作用,分离后的冲裁件容易被嵌入条料中影响操作,从而影响了生产效率。方案四倒装复合模倒装复合模是指将落料凹模装在上模座上的复合模。该零件最小壁厚75MM,大于倒装复合模所要求的最小壁厚49MM,故可以采用倒装复合模。采用倒装复合模冲制该零件时,凸凹模内有积存废料,胀力较大,但是凸凹模壁厚较大,所以不会导致凸凹模破裂;由于采用弹顶挡料销装置,所以凹模上不必钻出相应的让位孔;零件厚度1MM,该结构适用于冲裁较硬的或厚度大于03MM的条料;生产效率高,冲裁件的内孔和外缘的相对位置精度高,条料的定位精度要求比连续模低,冲模的轮廓尺寸小。这样既可以提高生产效率,又可以借模具精度来保证零件精度。根据上述分析,采用倒装复合模进行生产。23零件的工艺计算冲裁件的工艺计算包括工作零件刃口尺寸计算,排样及材料利用率的计算,冲裁力、卸料力、压力中心的计算和设备选型。231工作零件刃口尺寸的计算由于凸凹模直接存在间隙,故冲裁件的断面都带有锥度,因而在冲裁件尺寸的测量和使用中,都以光面的尺寸为基准。落料件的光面因凹模刃口挤切材料而产生,故落料件的光面尺寸与凹模的刃口尺寸相等或基本一致;而冲孔件的光面是凸模刃口挤切材料而产生的,故冲孔件的光面尺寸与凸模的刃口尺寸相等或基本一致。计算方法(1)凸模与凹模分别加工法凸模与凹模分别按图样加工至要求的尺寸,并分别标注凸模和凹模的刃口尺寸与制造公差,适于圆形和简单形状的制件。(2)凸模与凹模配作法就是先按零件尺寸制出一个基准模(凸模或凹模),然后根据基准刃口的实际尺寸再按最小合理间隙制作另一模。使用配作法,模具的间隙由配作保证,工艺比较简单,不必校核冲裁间隙条件,并且还可以放大基准件的制造公差,使制造容易。但是该方法加工成本高,加工周期长,主要适用于形状复杂的制件。综上分析,选择凸模与凹模分别加工的方法。具体尺寸计算如下由零件图可知,该零件属于无特殊

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