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南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 1 绪论 述 冲压成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法，用以生产各种板料零件 ,具有很多独特的优势，其成形件具有自重轻、刚度大、强度高、互换性好、成本低、生产过程便于实现机械自动化及生产效率高等优点，是一种其它加工方法所不能相比和不可替代的先进制造技术，在制造业中具有很强的竞争力，被广泛应用于汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活的生产之中。 在吸收了力学、数学、金属材料学、机械科学以及控制、计算机技术等方面的知识后，已经形成了冲压学科的成形基本理论。以冲压产品为龙头，以模具为中心 ，结合现代先进技术的应用，在产品的巨大市场需求刺激和推动下，冲压成形技术在国民经济发展、实现现代化和提高人民生活水平方面发挥着越来越重要的作用。 压技术的进步 进几十年来，冲压技术有了飞速的发展，它不仅表现在许多新工艺与新技术在生产的广泛应用上，如：旋压成形、软模具成形、高能率成形等，更重要的是人们对冲压技术的认识与掌握的程度有了质的飞跃 1。 现代冲压生产是一种大规模继续作业的制造方式，由于高新技术的参与和介入，冲压生产方式由初期的手工操作逐步进化为集成制造（图 1生产过程逐步实现机械化 、自动化、并且正在向智能化、集成化的方向发展。实现自动化冲压作业，体现安全、高效、节材等优点，已经是冲压生产的发展方向。 图 1压作业方式的进化 冲压自动化生产的实现使冲压制造的概念有了本质的飞跃。结合现代技术信息系统和现代化管理信息系统的成果，由这三方面组合又形成现代冲压新的生产模式 计算机集成制造系统 。把产品概念形成、设计、开发、生产、销售、售后服务全过程通过计算机等技术融为一体，将会给冲压制造业带来更好的经济效益，使现代冲压技术水平提高到一个新南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 的高度。 具的发展与现状 模具技术水平的高低，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，因此已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。 现代模具行业是技术、资金密集型的行业。它作为重要的生产装备行业在为各行各业服务的同时，也直接为高新技术产业服务。由于模具生产要采用一系列高新技术，如 技术、计算机网络 技术、激光技术、逆向工程和并行工程、快速成型技术及敏捷制造技术、高速加工及超精加工技术等等，因此，模具工业已成为高新技术产业的一个重要组成部分，有人说，现代模具是高技术背景下的工艺密集型工业。模具技术水平的高低，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，因此已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。 模具工业是无以伦比的 效益放大器 。用模具加工产品大大提高了生产效率，而且还具有节约原材料、降低能耗和成本、保持产品高一致性等特点。因此模具被称为 效益放大器 ，在国外，模具 被称为 金钥匙 、 进入富裕社会的原动力 等等。从另一个角度上看，模具是人性化、时代化、个性化、创造性的产品。更重要的是模具发展了，使用模具的产业其产品的国际竞争力也提高了。据国外统计资料，模具可带动其相关产业的比例大约是 1:100，即模具发展 1亿元，可带动相关产业 100亿元。 模具不是批量生产的产品。它具有单件生产和对特定用户的依赖特性。就模具行业来说，引进国外先进技术，不能采用通常的引进产品许可证和技术转让等方式，而主要是引进已经商品化了的 件和精密加工设备等 。模具的及面广、集多种学科与工程技术于一体，是综合型、技术密集型产品。如塑料模具的 术要利用高分子材料学、流变学、传热学、计算力学、计算机图形学等知识，涉及的领域还包括声波及电磁场、温度场等各类物理场，通过工程分析、来建立塑料成型的数学和物理模型，构造有效的数值计算方法，实现成型过程的动态仿真分析。现代化的模具要实现数字化设计、数字化制造、数字化管理、数字化生产流程。这些模具的数字化代表了现代模具的一个方面，没有模具的南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 数字化，就没有现代模具。模具的 术日新 月异，重要的工作是后续对人员的培训和对于引进的软件进行二次开发。像我们熟知的 司不但在塑料模具的 件上在中国保持其市场占有率并且在扩大，而且在冲压模具、多成份橡胶制鞋模具等领域开拓，也将大显身手；开发 是为模具行业服务的具体体现。 1、我国模具工业基本状况简介 我国模具工业近年来发展很快，据不完全统计， 2003年我国模具生产厂点约有万多家，从业人员约 50 多万人， 2004 年 模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满， 2004 年模具产值 530 亿元。进口模具 美元，出口模具 别比 2003年增长 18%、 进出口之比2004年为 ，进出口相抵后的进净口达 美元，为净进口量较大的国家。 在万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。在模具企业中，产值过亿元的模具企业只有 20 多家，中型企业几十家，其余都是小型企业，多数只有几十名职工，百十万产值，自有资金有限，靠自我发展很困难。 近年来 ， 模具行业结构调整和体制改革步伐加快，主要表现为：大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于一般模具产品；塑料模和压铸模比例增大；专业模具厂数量增加，能力提高较快； 三资 及私营企业发展迅速；国企股份制改造步伐加快等。 2004年模具行业还显现另外两个特点，一是各地政府对模具工业的发展进一步关注。许多地方政府进一步认识到模具工业对发展制造业的重要意义，因此加强了模具工业园区的建设。已有的园区进一步扩大，如宁波余姚、宁海和苏州昆山等模具园区都有所扩大；新的模具工业园区正在加 紧建设，如重庆、大连、深圳市等已建立模具园区；另外沈阳、西安、成都、上海、宁波北仑、浙江黄岩等地都在积极筹备建立模具园区，以利带动地区模具及相关产业链乃至制造业的发展，有些高科园内模具企业已占有相当的份量，像天津高新区就有 40多家模具企业。 二是外资及社会投资模具产业增长显著。许多地方加强了吸引外资及合资投入南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 模具工业的工作，特别是在高新技术园区和工业园区，外资、合资模具企业进一步增加，如苏州昆山模具园区， 60%以上是外资企业。大连模具园区到日本、韩国招商。而有些地区高科技园内模具企业已占有 相当的份量，像天津高新区有 40 多家模具企业。由于汽车产业发展的拉动，社会投资模具产业有所加强，如五粮液集团投资 5亿元建立汽车模具生产厂，比亚迪公司投资 2亿元建立了北京汽车模具公司，等等。 从地区分布来说，以珠江三角洲和长江三角洲为中心的东南沿海地区（模具产值已占全国总量的 70%左右）发展快于中西部地区，南方的发展快于北方。目前发展最快、模具生产较为集中的省份是广东和浙江。我国模具总量虽然已位居日、美、德之后，但设计制造水平在总体上要比德、美、日、法、意等发达国家落后许多，也要比英国、加拿大 、西班牙、葡萄牙、韩国、新加坡等有差距。 2、落后和差距主要表现在下列几方面 （ 1）总量供不应求、产品结构不够合理。 其中中低档模具供过于求，中高档模具自配率严重不足，大量进口。国内模具总量中属大型、精密、复杂、长寿命模具的比例不足 30%，国外在 50%以上。 （ 2）企业组织结构都不够合理。 我国模具生产厂点中多数是自产自配的工模具车间（分厂），自产自配比例高达 60%左右，国外 70%以上是商品模具；专业模具厂也大多数是 大而全 、 小而全 的组织形式，国外模具企业是 大而专 、 大而精 。 2004 年中国模协在德国访问时，从德国工、模具行业组织 模具协会了解到，德国有模具企业约 5000家。 2003年德国模具产值达 48亿欧元。其中（ 员模具企业有 90 家，这 90 家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的 90%，可见其规模效益。 （ 3） 工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低，技术结构、模具产品水平比国际水平低许多。而模具生产周期却要比国际水平长许多。 产品水平低主要表现在 对后续使用模具制造制件的工艺（如冲压工艺）理解上，南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 在模具设计上；在加工中精度、型腔表面粗糙度、寿命及模具的复杂程度上等。现代模具行业是技术密集型、资金密集型的产业，由于模具行业是微利行业，因而总体来看模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少，至使科技进步的步伐跟不上模具市场的需要。虽然国内许多企业已引进了不少国外先进设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控率和 于体制和资金等方面原因，引进设备不配套、设备与附配件不配套现象十分普遍，设备利用率低 ，开发能力较差，科研开发及技术攻关方面投入太少。不重视产品开发，在市场经济中常处于被动地位。 （ 4）技术人才严重不足，经济效益欠佳。随着时代的进步和技术的发展，能掌握和运用新技术的人才如模具结构设计、模具工艺设计异常短缺，高级钳工及企业管理人才也非常紧缺。我国模具企业技术人员比例低，水平也较低，我国每个职工平均每年创造模具产值约合 1 万美元左右，国外模具工业发达国家大多 15 20万美元，有的达到 25 30万美元。我国模具企业大都微利，缺乏后劲。 （ 5）与国际水平相比， 模具企业的管理落后更甚于技术落后。技术落后易被发现，管理落后易被忽视。国内大多数模具企业还沿用过去作坊式管理模式，真正实现现代化企业管理的还不多。信息化、数字化管理在模具企业应用现在刚刚开始。 （ 6）专业化、标准化、商品化的程度低，协作差。 由于长期以来受 大而全 小而全 影响，模具专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。目前国内每年生产的模具，商品模具只占 40%左右，其余为自产自用。模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务。与国际水平相比要落后 许多。模具标准化水平低， 模具标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，特别是对模具制造周期有很大影响。 20 年来我国模具制造水平有了很大的提高，模具的 很普遍，今我国生产的模具精度已达到微米级，与 20 年前相比，模具寿命提高了几十倍，模具生产周期缩短了约 3/4，模具的标准件使用覆盖率从几乎是零，达到 45%左右。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 20 年来我国模具人才的培养也上了一个很大的台阶。 20 年前我国大专院校都没有设立模具专业的，而如今，已有六、七 十所大专院校设立了模具专业。中国模协在全国建有 38 个模具人才培训基地， 是中国模协的人才培训基地之一，自然肩负着软件的推广、软件的二次开发及人才培训工作。 上述情况正是我们模具行业和模具相关行业要一同努力，使之发展的领域，在这里，我们要感谢 件对中国模具行业的贡献，希望 国公司进一步在模具软件的开发、普及和培训人才方面，与中国模具企业一同发展。 具 术 冲压技术的进步首先通过模具技术的进步来体现出来。对冲模 技术性能的研究已经成为发展冲压成形技术的中心和关键。 20 世纪 60 年代初期，国外飞机、汽车制造公司开始研究计算机在模具设计与制造中的应用。通过以计算机为主要技术手段，以数学模型为中心，采用人机互相结合、各尽所长的方式，把模具的设计、分析、计算、制造、检验、生产过程连成一个有机整体，使模具技术进入到综合应用计算机进行设计、制造的新阶段。模具的高精度、高寿命、高效率成为模具技术进步的特征。 模具 改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为企业提 供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化 4。模具 术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。 模具 近 20 年中经历了从简单到复杂，从试点到普及的过程。进入本世纪以来，模具 用范围更广。 在级进模 展应用方面，本世纪初，美国 为 件平台上开发出 基于三维几何模型的级进模软件包括工程初始化、工艺预定义、毛坯展开、毛坯排样、废料设计、条料排样、压力计算和模具结构设计等模块。具有特征识别与重构、全三维结构关联等显著特色，已在 2003 年作为商品化产品投入市场。与此同时，新南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 加波、马来西亚、印度及我国台湾、香港有关机构和公司也在开发和试用新一代级进模 我国从上世纪 90 年代开始，华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学和北京机电研究院等相继开展了级进模 华中科技大学模具技术国家 重点实验室在 件平台上开发出基于特征的级进模 括板金零件特征造型、基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具和线切割自动编程 5个模块。上海交通大学为瑞士法因托（ 精冲公司开发成功精密冲裁级进模 安交通大学开发出多工位弯曲级进模 年来，国内一些软件公司也竞相加入了级进模统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统 士康公司开发的用于单冲模与复合模的 4。 展望国内外模具 世纪的科学技术正处于日新月异的变革之中，通过与计算机技术的紧密结合，人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快，学科领域交叉之广前所未见。今后 10 年新一代模具 统必然是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物，其特点将反映在专业化、网络化、集成化、智能化四个方面。主要表现在 4： （ 1）模具 专业化程度不断提高； （ 2）基于 网络的 （ 3）模具 智能化引人注目； （ 4）与先进制造技术的结合日益紧密。 题的主要特点及意义 该课题主要针对电器开关网芯零件，在对网芯零件冲孔、落料和拉伸等成形工艺分析的基础上，提出了该零件采用落料拉伸复合模和单工序冲孔的冲压方案；根据零件的形状、尺寸精度要求，设计过程中综合考虑采用有废料排样，保证工件的尺寸和形状位置精度要求的同时，提高了材料的利用率和劳动生产率。 本课题涉及的知识面广，综合性较强，在巩固大学所学知识的同时 ，对于提高南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 设计者的创新能力、协调能力，开阔设计思路等方面为作者提供了一个良好的平台。 落料、拉伸复合模 2 冲压工艺方案的制定 该零件为某电器开关网芯，是一家电器生产企业产品中的一个主要零件，如图2该零件生产属于中、大批量生产，零件结构紧凑，冲裁壁厚很小（料厚为 适宜用复合冲裁，复合冲裁是在压机的一次行程中，在模具的同一位置同时完成两个或两个以上的工序。 复合冲裁与采用连续冲裁相比，模具制造，安装调整较易，成本较低。复合模结构紧凑，冲出的制件精度较高，生产率也高，适合大批量生产，特别是孔与制件的同心度容易保证。 艺分析 制件如图 2示 材料为 厚 件精度为，形状简单，尺寸不大，大批量生产，属普通冲压件。 图 2件图 材料： 通黄铜 料厚： 2件图 南昌航空大学科技学院学士学位论文 9 工艺性分析 根据制件的材料、厚度、形状及尺寸，在冲压工艺设计和模具设计时，应特别注意以下几点： 1） 该制件为落料拉深件，在设计时 ，毛坯尺寸要计算准确 2） 冲裁间隙、拉深凸凹模间隙应符合制件的要求 3） 各工序凸凹模动作行程的确定应保证各工序工作稳妥、连贯。 工艺方案的分析和确定 1）工艺方案的分析 根据制件的工艺性分析，其基本工序有落料、拉深两种。 拉深件的毛坯尺寸及拉深次数，应通过计算确定 a: 毛坯直径 D 的计算 因为拉深相对高度 h/d=16/ 应乘以修正系数 K 查手册 ,K= 凹模 =9mm b 凹模外形尺寸计算 南昌航空大学科技学院学士学位论文 18 凹模具壁厚 W=9 =凹模外形尺寸 即 : D=L+2W =45+2*据冷冲压典型组合尺寸有关标准 凹模外径 46 冲压设备的选用 选择压力机 根据上述冲压力的计算，初步选用型号为 该型号压力机主要技术规格如下 8： 公称压力 160滑块行程 55最大闭合高度 220最大装模高度 180连杆调节量 45选择模架 上模座： 240*294*40 （ 下模座： 254*240*45 （ 导 柱： 28*160 （ 81） 28*160 （ 81） 南昌航空大学科技学院学士学位论文 19 导 套： 42*85*28 （ 81） 42*85*28 （ 81） 模 柄： 具闭合高度 55模故，所选压力机装模高度与模具闭合高度满足下式 05 m a x 模 还可以看 出 55模取在： 3/m 节模 ，这样可以避免连杆调节过长，螺纹接触面积过小而被压坏。 图中零件说明见表 5图 5昌航空大学科技学院学士学位论文 20 技术要求： 7/ 9/6 确定压力中心 由于该制件的毛坯及各工序件都为长方形轴对称图形，而且只有 一个工位， 因此压力中心必定与制件的几何中心重合 冲孔模 零件简图：如图所示；生产批量：大批量；材料： 材料厚度： 7 冲压件的工艺分析 该零件形状简单、对称，是由圆筒组成的。由表查出，冲裁件内外所能达到的精度为 以上精度与工件简图中所标注的尺寸公差相比较 ,可认为该工件的精度要求能够在冲裁加工中得到保证 生产批量等情况 ,也均符合冲裁的工艺要求 ,故决定采用冲孔模进行加工 ,且一次冲压成形 . 8 冲孔工序的计算 冲孔力 南昌航空大学科技学院学士学位论文 21 F= b= (20) N=55料力 卸F 卸=以上数据代入得 定模具压力中心 由于此零件是圆型，所以它的压力中心就在它的几何中心位置。 9 计算凸、凹模刃口尺寸 查表得间隙值 表查得凸、凹模制造公差： 落料部分： d= p= d+ p=( d+ p 孔部分： 由表查得 x=所以落料部分 )d0=(p=(p=(025.0孔部分： d1+x )0p=(30+02.0mm p0=(昌航空大学科技学院学士学位论文 22 10 模具总体设计及主要零部件设计 冲孔模的结构形式 带导柱冲孔模（图 10 这种冲孔模，一般用于较小的锻件的冷冲孔，凸模与凹模间隙小于 10孔凸凹模间的间隙 冲孔时，刃口设置在凸模上、凹模只起支承锻件的作用、凸模按锻件图制造，依靠放大凹模孔的尺寸获 得间隙，其间隙 = 保证 卸料装置 采用弹性卸料 选用聚氨酯 25*0 其优点如下： （ 1） 具有较高的强度、单位压力和剪切力。 （ 2）硬度低的 60（ 3）耐磨、耐油、耐老化以及抗撕裂性能好。 （ 4）可以进行表面无损成型。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 23 （ 5）聚氨酯橡胶模结构简单，制造容易。 （ 6）切削性能好 冲压设备的选择 选用 开式压力机 公称压力： 63块行程： 35大闭合高度 150封闭高度调节量 35选择模架 上模座： 240*294*40 （ 下模座： 254*240*45 （ 导 柱： 28*150 （ 28*150 （ 导 套： 42*90*28 （ 42*90*28 （ 模 柄： 板厚度取： 5模固定板厚度取 :20模的厚度已定为： 34料板厚度取： 12中零件说明见表 10南昌航空大学科技学院学士学位论文 24 图 10术要求： H7/ 7/ 南昌航空大学科技学院学士学位论文 25 11 模具生产中的故障分析及其解决办法 在模具的生产中，有时会出现一些故障，给生产造成影响，下面介绍该模具在生产中可能出现的故障及其解决办法。 品毛刺增大 当模具生产一段时间后，会出现生产零件毛刺增大的现象，这时应当检查凸、凹模刃口，如果发现刃口磨损或产生 崩刃，应进行刃磨，刃磨后给凸模或凹模垫上相应厚度的垫片。当凹模经过多次刃磨后，应当检查刃口直壁是否已被磨去，如果无刃口直壁，则要更换凹模镶块。 如果凸、凹模刃口无磨损，而零件上的毛刺不均匀，是因为冲裁间隙产生了偏移，这时要进行间隙调整。 料上浮 在冲压生产中，废料上浮是个影响较大的问题，它不但影响生产，甚至会损坏模具。一般来说，圆形或方形等规则形状的废料容易产生上浮，而形状较复杂的异形废料则较少产生上浮 13。在该模具生产中对于此种现象产生原因及解决办法可参考如下： （ 1）冲裁间隙大， 如果试模阶段就经常出现废料上浮，则说明冲裁间隙太大，应当重新制作凹模并减小冲裁间隙。如果只是偶尔产生废料上浮，可以在凹模腔内用电火花放电来增加粗糙度。 （ 2）凸模表面太光滑，废料在大气压的作用下附着在凸模上，可以在凸模上增加气孔。 （ 3）冲压速度较高，应考虑降低速度，如因生产需要无法降速，可以凸模上增加顶杆，顶下废料。另外，还有一些人为因素，如刃磨后没有充分退磁、冲压生产时使用过多的冲压油等，这些都应尽量避免。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 26 12 总结 设计是源头，设计虽然只占模具成本的 10%左右，却决定了整个模具成本的70% 80%。所以，作者在设计时详尽地考虑了模具结构，考虑提高生产率，如何方便维修。但是，又不能完全依
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