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钩钉块 厚板 小孔 模具设计 有限元冲压模具

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2011届毕业设计 厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟 系 、 部： 机械工程系 学生姓名： 周 哲 指导教师： 李理 职 称： 博士 专 业： 材料成型及控制工程 班 级： 0703班 学 号： 212070342 2011 年 6 月2011届毕业设计（论文）课题任务书系：机械工程系 专业：材料成型及控制工程 指导教师李 理学生姓名周 哲 课题名称厚板冲小孔模具设计及有限元模拟内容及任务根据所给定的冲压零件产品（如左图所示），设计出冲压模具。主要内容如下：1、绘制产品零件图。2、绘制模具装配图。3、绘制整套模具零件图，标准件除外。4、编写设计说明书。5、自选一个重要模具零件编制加工工艺路线，进行相关计算，并编制加工工艺卡和工序卡。 拟达到的要求或技术指标按照“湖南工学院毕业设计（论文）工作管理规定”，本课题设计要求及技术指标如下：（一）模具1、保证规定的生产率和高质量产品的同时，力求成本低、寿命长。2、模具结构设计合理，工艺性好，具有一定的创新性。3、操作安全、方便，易于维修，便于管理。4、在保证模具强度前提下，注意外形美观，各部分比例协调。（二）设计图纸1、模具绘图布局合理，视图完整、清晰，各项内容符合标准要求。2、设计图纸应符合学校的要求，不少于3张零号图纸的结构设计图、装配图和零件图，其中应包含一张以上用计算机绘制的具有中等难度的1号图纸，同时至少有折合1号图幅以上的图纸用手工绘制。（三）设计说明书1、资料数据充分，并标明数据出处。2、计算过程详细、完全。3、公式的字母含义应标明，有时还应标注公式的出处。4、内容条理清楚，按步骤书写。5、说明书按照学校的有关规定，编写不少于12000字的设计说明书，同时上交电子文档。（四）其他要求1、查阅到10篇以上与题目相关的文献2、翻译一篇本专业外文文献（10000个以上印刷符号），并附译文。进度安排起止日期工作内容备注2011年3月21日 3月28日3月29日4月 10日4月11日4月 30日5月 4 日5月 8日5月 9 日5月 12日5月15日5月 30日6月 1 日6月 10日完成毕业设计的选题和开题报告；进行毕业实习及调研；进行工艺及结构设计；绘制装配图和零件图；对整个设计进行合理性检查； 撰写设计说明书及毕业答辩的准备；毕业设计答辩。主要参考资料 1陈旭娟. 浅析冲压模具制造技术现状及发展趋势J. 内蒙古科技与经济 . 2005,(17) 2 中国标准出版社. 中国机械工业标准汇编冲压模具卷M.北京:中国标准出版社,1998,12.3 王立人,张辉.冲压模设计指导M. 北京:北京理工大学出版社, 2009,8.4张成爱. 我国模具技术与市场浅析. 湖南冶金.1996，（3）5 牟林、魏峥.冷冲压工艺及模具设计(第2版)M.北京:清华大学出版社,2009,7.6 肖景容,姜奎华.冲压工艺学M.北京:机械工业出版社,2006,3. 7 梁炳文.实用板金冲压工艺图集M.北京:机械工业出版社，2003,8.8 冲模设计手册编写组.冲模设计手册M.北京:机械工业版社,2007,3.9J.J.Sheu, M.E.jiang . The blank design and spring back control of a stamping die by using the bi-arc surface model. Journal of Materials Processing Technology187-188，(2007)150-154.教研室意见年 月 日系主管领导意见年 月 日湖南工学院毕业设计(论文)开题报告 题目厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟学生姓名周 哲班级学号212070342 专业材料成型及控制工程一、课题的目的和意义：随着国民经济的高速发展,市场对模具的需求量不断增长。人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性,而模具制造是整个链条中最基础的要素之一,模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志,并在很大程度上决定企业的生存空间。为迎接未来的无限挑战，在毕业之际选择一个冲压模具方面的设计论文，目的是想丰盈自己的翅膀，为将来在工作岗位上有更好的发展而抢得先机.在短暂而又重要的十几周里,通过老师指导和自学有关书籍，查阅期刊，完成毕业设计。从而能够对模具有了一个更深刻地认识对其工艺分析分类结构名称以及作用等方面有个崭新的诠释。初步达到了独立完成简单模具设计的目的及对模具的自我理解。二、文献综述（相关课题国内外研究的现状）从1839年英国成立的schuler公司算起现代冲压模具制造技术已有168年的历史，但我国的冲压技术却一直是发展缓慢。1984中国才成立模具工业协会，1986年中国模具工业产值仅有29亿元。当时生产模具的企业也只有几千家而已。1993年3月国务院颁布了关于当前产业的改革政策要点的决定，把模具摆在了机械工业技术改造序列的第一位，确立了发展模具工业是国家的一个产业政策。2005年中国模具工业产值达到610亿元,增长率保持在25%的高水平。除了国有专业模具厂外,广东的中外合资和外商独资模具企业现有几千家,乡镇企业也快速崛起;江苏昆山建成了模具工业群;浙江宁波和黄岩被誉为“模具之乡”。在激烈的竞争中模具的生产技术及规模也不断提高。改革开放使得我国的经济进入高速发展的时期，模具的市场的需求量也进一步的增加。模具行业也一直以15%左右的增速再发展。因此带来的模具工业企业的所有制成分的巨大变化，一些国有专业模具厂也如雨后春笋般的建立起来，同时也带来了以集体、独资、私营和合资等形式的快速发展。2006年吉林大学汽车覆盖件成型技术所独立研制的汽车覆盖件冲压成型分析KMAS软件、华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的汽车覆盖件模具和级进模CAD/CAE/CAM软件、上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开发的冷冲模和精冲模CAD软件等在国内模具行业拥有不少的用户。国内的模具企业也在充分抓住汽车工业所带来的发展契机,加大设备、产品、生产规模的升级步伐,积极开拓国内外市场。然而,与国际先进水平相比,中国的模具行业的差距不仅表现在精度差距大、交货周期长等方面,模具寿命也只有国际先进水平的50%左右,大型、精密、技术含量高的轿车覆盖件冲压模具和精密冲裁模具,每年都需要花费大量资金进口，具体如下：1冲压模具CAD/CAE/CAM技术的开发手段比较落后、技术的普及率不高,应用不够广泛，仅有约10%的模具在设计中采用了CAD技术,距抛开绘图板还有漫长的一段路要走;在应用CAE进行模具方案设计和分析计算方面,也才刚刚起步,在应用CAM技术制造模具方面,由于缺乏先进适用的制造装备和工艺设备,只有5%左右的模具制造设备被应用于这项工作。2精密加工设备在模具加工设备中所占比重较低，工艺设备落后,直接影响国产模具质量的提高。由于现代工业的发展使产品更新换代加快,对模具的需求量加大。但是,我国模具工业现有生产能力只能满足需求量的60%左右,大部分模具厂的模具加工设备陈旧,在役期长、精度差、效率低,还不能适应国民经济发展的需要。3生产冲压模具的专用技术尚未成熟,大多仍还处于试验摸索阶段如模具的表面涂层、表面热处理技术、导向副润滑技术、型腔传感及润滑技术、去应力技术、抗疲劳及防腐技术等未完全形成生产能力,走向商品化。一些关键、重要的技术缺少知识产权的保护。4模具标准件标准化程度及使用覆盖率较低在汽车制造业中被大量使用的模具是冲压模。5年来,汽车模具标准件的使用覆盖率尽管有了较大增长,已从20世纪末的25%30%提高到目前的45%左右。但这种增长距国际先进水平(一般在70%以上,中小模具在80%以上)差距还很大。这是汽车模具交货期长,也是我国成为模具进口大国的重要原因之一。为了促进我国冲压模具技术的发展,从计算机技术、先进加工技术及装备、其它新技术与冲压模等方面分析了我国冲压模具的技术现状。结果表明:经过几十年的发展,我国的冲压模具总量位居世界第三位,加工技术装备基本已与世界先进水平同步。以汽车覆盖件为代表的大型、复杂、精密冲压模,用CAD/CAM/CAE软件进行三维设计和模拟,靠高速、精密的加工设备生产,用新型研磨或抛光代替传统的手工研磨抛光,提高模具质量。这些都代表了冲压模具发展的趋势。总之，我国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。尤其近年来我国汽车工业的超高速发展,给模具行业带来了无限商机。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,模具制造企业正广泛应用现代先进制造技术来提升竞争实力,来满足各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求。展望未来,赶超世界模具制造技术的先进水平尚需我们做出不懈的努力!三、采用的设计方案（基本理论）与技术路线1、设计方案（基本理论）这次设计该零件加工主要涉及到了冲孔工序内容，所以我们必须设计一个冲孔模。由于该零件属于大批量生产，工艺性较好并且需要一次冲出一个小孔。这里主要采用多孔冲裁压角复合模，并配有自动送出件杠杆机构以提高生产效率。最后为了避免自动送出件机构运动过程中与模具发生干涉，可在三维软件Pro/E和deform软件中设计自动送出件机构，然后模拟其运动过程，观察二者是否相互干涉，如果有干涉现象发生应该及时更改，精确完成设计任务。因给定的设计参数中对零件尺寸公差没有什么特殊的要求，故此可按TI12级选择，该工件外形规则很适应冲裁加工。由于该模具为多凸模冲孔模，所以将凸模设计为阶梯形布局，即将凸模做成不同高度，使各凸模冲裁力的最大值不同时出现，从而减少总冲裁力。当几个凸模直径相差悬殊，而相距又很近时，为了提高模具寿命，避免小直径凸模由于承受材料流动挤压力的作用而产生折断或倾斜，一般把小凸模做短些。阶梯形布局的凸模高度差取决于材料厚度。此外，压角力较大，压角与冲孔工序也应阶梯式冲出。该零件属于大批量生产，工艺性较好。为了提高生产效率可以设计安装一个自动送出件机构。在自动送出件机构设计当中，要求所设计的平面连杆机构不仅能实现预定的运动，而且还要使传递的动力尽可能发挥有效的作用。一般情况下，压力角越小，对机构工作越有利。机构运动中，在某一特定点，整个机构处于静止状态这种位置成为机构的死点，一般应避免但也可以利用它实现一定的工作要求。同时，使机构与压力机滑块的联接容易，机构调整较方便。应用平面连杆机构以及推板装置，能够实现较大的送料行程，该机构的运动特性与压力机滑块的运动特性相关，送进的初始与结束阶段速度较慢，符合冲压生产的需要。适于大批量生产。此设计应该先确定自动机构的工作过程。其工作过程如下：当压床滑块上行时，制件被凸模带起。出件机构在上底板和连杆的带动下向冲模中心移动，同时送件机构在上底板和连杆的带动下绕轴向上转动，预先放置在其上面的工件就向冲模中心滑动，直到碰到限位角钢时为止。当压床滑块接近上死点时，制件被由退料板、推销、推板、推杆组成的退料机构推下后沿出件机构滑出。出件机构侧面由导轮导正，并在导轮上滑动。退件机构也自冲模中心位置退出，当压床滑块到下死点时，完成对工序件的冲孔和压角工作。此过程是送出件的关键。2、可能存在的问题第一，因为此模具带有自动送出件机构，则自动送出件机构与模具各自设计的尺寸误差，可能造成干涉现象。第二，由于工件较厚（t=4.5），在冲孔过程中凸模可能在下压过程或者冲孔完毕卸料时失效发生断裂。四、设计任务书1、课题名称厚板冲小孔模具设计及有限元模拟工件成形后的形状如图:材料为普通碳素钢Q235，料厚4.5mm,尺寸精度要求为IT12级，形状精度要求高。2、 设计内容与步骤1) 根据题目要求，分析冲压件的形状特点、尽寸大小、精度要求及所用材料是否符合冲压工艺要求，然后确定适合于工厂具体生产条件的最经济合理的工艺方案。2) 根据所确定的工艺方案和冲压件的形状特点、精度要求、生产批量、模具制造条件、操作方便及安全的要求，以及利用现有通用机械化、自动化装置的可能，选定冲模类型及结构型式，绘制模具结构草图。3) 在最经济的原则下，决定毛坯的形状、尺寸和下料方式。4) 计算冲压力、模具压力中心、模具各主要零件(凹模、凸模固定板、垫板、凸模)的外形尺寸，凸、凹模工作部分尺寸和间隙，以及卸料橡胶或弹簧的自由高度等。5) 选择压力机并把所选用的压力机的类型、型号、规格确定下来。6) 根据上述分析、计算及方案论证后，绘制模具总装配图及零件图。7) 通过Deform-3D软件对工件加工过程中一些参数进行模拟，分析材料变形过程中的变形行为与工艺参数。8) 撰写设计说明书；9) 所有设计文档、资料的整理、收尾、答辩。3、绘图任务（1） 模具总装配图（2） 模具零件图（3） 模具总成三维图（可选）（4） 模具主要零件三维图（可选）五、设计过程进度计划（1）第五周：完成以上设计内容中的“1”（2）第六周：完成以上设计内容的“2”（3）第七八周：完成以上设计内容的“3”（4）第九十周：完成以上设计内容的“4-5”（5）第十一、十二周：完成以上设计内容中的“6-7”（6）第十三、十四周：完成以上设计内容中的“8”（6）第十五周：完成以上设计内容中的“9”指导教师批阅意见 指导教师(签名)： 年 月 日湖南工学院毕业设计(论文)工作中期检查表题目厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟学生姓名周 哲班级学号212070342专业材料成型及控制工程指导教师填写学生开题情况学生调研及查阅文献情况毕业设计（论文）原计划有无调整学生是否按计划执行工作进度学生是否能独立完成工作任务学生的英文翻译情况学生每周接受指导的次数及时间毕业设计（论文）过程检查记录情况学生的工作态度在相应选项划“”认真一般较差尚存在的问题及采取的措施：指导教师签字： 年 月 日系部意见： 负责人签字：年 月 日湖南工学院2011届毕业设计（论文）指导教师审阅表 系：机械工程系 专业：材料成型及控制工程 学生姓名周 哲学 号212070342班 级0703专 业材料成型及控制工程指导教师姓名李锂课题名称厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟是否同意参加答辩：是 否指导教师评定成绩分值：指导教师签字： 年 月 日湖南工学院毕业设计（论文）评阅教师评阅表题目组合按键注塑模设计学生姓名张 臻班级学号212070444专业材料成型及控制工程评阅教师姓名李 理职称博 士工作单位评分内容具 体 要 求总分评分开题情况调研论证能独立查阅文献资料及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。10外文翻译摘要及外文资料翻译准确，文字流畅，符合规定内容及字数要求。10设计质量论证、分析、设计、计算、结构、建模、实验正确合理。35创新工作中有创新意识，有重大改进或独特见解，有一定实用价值。10撰写质量结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，书写格式规范，符合规定字数要求。15综合能力能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题。20总评分评阅教师评阅意见评阅成绩总评分20%评阅教师签名日期湖南工学院毕业设计（论文）答辩资格审查表题 目厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟学生姓名周 哲学 号212070342专 业材料成绩及控制工程指导教师李 理内容综述：1、 设计步骤与方法2、 （1）研究意义：查找相关资料了解厚板材料冲小孔研究；（2）实验准备：实验所用材料及尺寸，实验所用装置；（3）对模具设计进行工艺分析（4）实验模具设计：凹、凸模间隙，凹、凸模工作部分尺寸及公差，凹凸模圆角半径，凹、 凸模厚度及凹模外径；（5）绘制二维模具图；（6）用Pro/E设置三维图，导入DEFORM-3D中进行数值模拟并进行分析；（7）撰写设计说明书；（8）所有设计文档、资料的整理、收尾、答辩。二、主要研究内容基本工序只有冲孔一道，即冲小孔，但是材料厚度较厚，这种冲孔已不是一个简单的剪切过程，而是通过凸模将材料挤压到凹模孔内再剪切的过程。在挤压开始时，冲孔废料部分被挤向孔的周边，开模后，被挤向周边的材料回弹将凸模咬死；另外，由于孔的形状，大小及周边孔的影响，使得孔边沿部分材料变形不一致，或者孔冲穿后，压力机机身回弹产生的横向力迫使上下模错动而导致凸模折断。因此，要保证厚料冲小孔过程的连续进行，就必须提高凸模工作时的强度和刚性，同时还要保证整个模具的刚性和稳定性。模具设计完毕后用DEFORM-3D对其进行数值模拟，更好的了解工件加工过程中各种参数的变化。 综合各方面因素，本人认为，整个毕业设计工作已基本完成，也较好地吻合毕业设计要求。因此，我郑重地向各位老师提出答辩申请，恳请各位老师对我的答辩申请予以批准，并批评指正我毕业设计中的不足，谢谢。 申请人签名： 日期：2011年 月 日资 格 审 查 项 目是否01工作量是否达到所规定要求02文档资料是否齐全（任务书、开题报告、外文资料翻译、定稿论文及其相关附件资料等）03是否完成任务书规定的任务04完成的成果是否达到验收要求05是否剽窃他人成果或者直接照抄他人设计（论文）指导教师签名： 毕业设计（论文）答辩资格审查小组意见：符合答辩资格，同意答辩 不符合答辩资格，不同意答辩审查小组成员签名： 年 月 日湖南工学院2011届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表 系：机械工程系 专业：材料成型及控制工程学生姓名周哲学号212070342班级0703班答辩日期课题名称厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟指导教师成 绩 评 定分值评 定小计教师1教师2教师3教师4教师5课题介绍思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。30答辩表现思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。必答题40自由提问30合 计100答 辩 评 分分值：答辩小组长签名：答辩成绩a： 40指导教师评分分值：指导教师评定成绩b： 40评阅教师评分分值：评阅教师评定成绩c： 20最终评定成绩： 分数： 等级：答辩委员会主任签名： 年 月 日说明：最终评定成绩a+b+c，三个成绩的百分比由各系自己确定，但应控制在给定标准的10左右。 2011 届毕业设计说明书 题 目厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟系 、 部： 机械工程系 学生姓名： 周 哲 指导教师： 李理 职称 讲 师 专 业： 材料成型机控制工程 班 级： 0703班 完成时间： 2011年6月 摘 要本文详细地阐述了厚板料冲小孔模具的设计及有限元模拟过程。首先简明叙述了现代国内外模具发展概况，通过有限元模拟分析模具可能出现的问题，然后重点设计了冲裁模具中相关部件，如凹凸模、模架设计以及压力机选择，并对冲压材料性能进行了分析。最后根据冲裁件的产品数量要求，以及结构要求，设计出来整套模具。整个设计过程都是用CAD、Pro/Engineering软件进行参数化设计，使整个模具设计过程简单明了。利用DEFORM软件进行有限元模拟分析，为模具设计和成型工艺的指定提供参照依据。 在设计过程中首先使用CAD软件设计成型零件以及非标零件，然后在Pro/Engineering软件中实现三维实体设计，最后导入DEFORM中，分析工件上选取点的应力、应变以及应变速率等相关因素，从而完成模具的整体设计以及有限元模拟，对直接指导生产有一定的意义。 关键词 ：厚板料；冲小孔；参数化设计；有限元模拟ABSTRACTThe design of a die used for punching small holes on thick sheets and its finite element simulation were investigated in this paper. Elaborated the modern die & mould development situation concisely. First， by using finite analysis Microsoft to simulate the deformation processing for avoiding serious problems that may occur， then focusing on the calculation of the relevant parts in mould design， such as designing the die、bump， and formwork and choosing for punching machine ， and analysis of material performance. Finally， according to the requirement of the structure and amounts of the product， we design the set of mold， and then carry out some related simulation analysis. We use CAD and Pro/Engineering software parameterization design in the process of whole designing， making the whole mold design process simple and clear to mend. Also， we use DEFORM software to provide reference basis of mould design and forming technology for the finite element analysis. First， using CAD software design molding parts and non-standard parts in the design process， then， designing the 3D entity in Pro/Engineering software， finally， put the 3D entity into DEFORM to analyze the stress、strain and strain rate of selecting points. Thus， complete the overall design and finite element simulation and analysis， there must be have certain significance to direct production.Key words thick sheet; blunt holes; parametric design; finite element simulation目 录1 前 言11.1模具行业发展的现状11.2我国模具发展的现状11.3参数化技术及有限元模拟慨述22 工件成型工艺性分析52.1钩钉块二维图52.2结构特征分析及成型工艺性分析52.2.1结构特性分析52.2.2成型工艺性分析62.2.3 冲裁件材料的基本性能63 厚板冲小孔有限元模拟及其相关分析83.1有限元模拟及厚板冲小孔概述83.1.1有限元模拟83.1.2厚板冲裁模拟概述83.1.3金属弹塑性大变形的有限元模拟93.1.4材料断裂准则及断裂模拟103.1.5有限元网格重划分113.2 导入deform前相关准备113.3 冲裁加工模拟的建模123.3.1前处理133.3.2模拟过程线框图153.3.3后处理器153.4 模拟结果及讨论173.5 结论184 模具结构设计194.1计算冲压力194.1.1 冲裁力194.1.2 卸料力及推料力194.1.3 总冲压力204.2冲裁间隙204.3凸凹模工作部分尺寸与公差204.4 冲孔凸模的结构设计224.4.1 冲孔凸模的长度尺寸224.4.2 冲孔凸模工作部分结构如下图224.4.3 冲孔凸模的强度校核234.5 凹模的结构设计234.5.1 凹模板的材料，外形和尺寸234.5.2 凹模板的厚度234.5.3 凹模板上孔壁的最小尺寸234.5.4 凹模工作部分结构图245 冲压成形工艺与设备255.1冲压工艺方案及模具形式的确定255.1.1 工序的确定255.1.2 模具形式的确定255.2 冲压设备的确定255.2.1 规格选用原则255.3 设备及相关模架确定265.3.1 压力机确定及其参数265.3.2 模架相关确定275.4模具整体设计形式326 填写冲压工艺卡和编写技术文件35参考文献37致 谢381 前 言1.1模具行业发展的现状模具行业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域。模具技术水平的高低，决定着产品的质量、效益和新产品开发能力，它已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。1.模具行业的现状现代模具工业有“不衰亡工业”之称。世界模具市场总体上供不应求， 市场需求量维持在每年600 亿至650 亿美元， 同时， 我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。近几年， 我国模具产业总产值保持13%的年增长率( 据不完全统计， 2004 年国内模具进口总值达到600多亿， 同时， 有近200 个亿的出口) ， 到2005 年模具产值已达650 亿元， 模具及模具标准件出口2005 已达到2 亿美元左右。单就汽车产业而言， 一个型号的汽车所需模具达几千副， 价值上亿元， 而当汽车更换车型时约有80%的模具需要更换。2003 年我国汽车产销量均突破400万辆， 2004 年产销量各突破500 万辆， 轿车产量将达到260 万辆。另外， 电子和通讯产品对模具的需求也非常大， 在发达国家往往占到模具市场总量的20%之多。目前， 电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电、通讯和军工等产品中， 60%- 80%的零部件， 都要依靠模具成型。用模具成型的制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗， 是其他加工制造方法所无法比拟。模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和开发能力。日前， 据第十一届中国国际模具技术和设备展览会主办方之一的中国模具工业协会透露，我国模具行业的生产企业和职工总数在世界上的排名已跃居第一， 生产销量排名世界第三。有关资料显示， 在我国， 模具直到1987 年才正式成为一个行业，与世界发达工业国家的模具业相比， 我国模具业的起步要晚几十年，但近20 年的努力发展取得了长足的进步。1.2我国模具发展的现状改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。近年来，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”；广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心；中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。 随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一国产品制造水平的重要标志和发展程度的标志之一。 目前，我国的模具技术有了很大发展，模具的精密度、复杂程度和寿命都有很大提高。如，主要的汽车模具企业已能生产大型、精密的轿车覆盖件模具；体现高水平制造技术的多工位级进模的覆盖面增加；塑料模热流道技术日渐成熟，气体辅助注射技术开始采用；压铸工艺得到发展。此外，CAD/CAM/CAE技术得到广泛应用，高速加工、复合加工等先进的加工技术也得到进一步推广；快速原型进展很快；模具的标准化程度也有一定提高。但是，由于我国的模具行业起步较晚，与国外相比差距任然不小。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具已供过于求，市场竞争激烈；一些技术含量不太高的中档塑料模具也有一些趋向于供过于求，然而精密加工设备还很少，一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍大量进口。许多先进的技术如技术的普及率还不高，我国塑料模具行业与其发展需要和国外先进水平相比，还存在很多方面的问题。现在国外发达国家模具标准化程度为7080，而我国只有30左右。如能广泛应用模具标准件，将会缩短模具设计制造周期2540，并可减少由于使用者自制模具件而造成的工时浪费。现在应用模具CADCAM技术设计模具已较为普遍，随着通用机械CAD/CAM技术的发展，塑料注射模CAD/CAM已经不断的深化。从上世纪60年代基于线框模型的CAD系统开始， 到70年代以曲面造型为核心的CAD/CAM系统，80年代实体造型技术的成功应用，90年代基于特徵的参数化实体/曲面造型技术的完善，为塑料注射模采用CAD/CAE/CAM技术提供了可靠的保证。目前在国内外巿场已涌现出一批成功应用于塑料注射模的CAD/CAE/CAM系统。而且通过推广使用模具标准件，实现了部分资源共享，这样就大大减少模具设计的工作量和工作时间，对于发展CADCAM技术、提高模具的精密度有重要意义。因此，模具成为国家重点鼓励与支持发展的技术和产品。现代模具是多学科知识集聚的高新技术产业的一部分，是国民经济的装备产业，其技术、资金与劳动相对密集。1.3参数化技术及有限元模拟慨述参数化技术是当前CAD技术重要的研究领域之一，通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动。在设计过程中，系统自动地捕获用户的设计意图，并把各个设计对象以及对象之间的关系记录下来，当用户修改图纸中的设计参数时，系统能够自动地更新图纸，使图纸中反映用户设计意图的设计对象之间的关系依旧可以维持。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在慨念设计、初始设计、产品建模及修改系列设计、多方案比较、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，并体现出很高的应用价值，能否实现参数化目前已成为评价CAD系统优劣的重要技术指标。PRO/ENGINEER 集合了零件设计、产品组合、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸造件设计、自动量测、机构仿真、应力分析等功能于一体。是塑料模具实现参数化的一个必备的软件。EM（Epert Moldbase Etension）是CAD系统中的一个外挂模块，专门用来建立各种标准模架及模具标准件和滑块、斜销等附件，能够建立冷却水管，能够自动产生模具工程图和明细表，还可以模拟模具开模过程进行动态仿真和干涉检查，并可将仿真结果输出成视频文件，是个功能非常强大且使用非常方便的模具设计工具。DEFORM-3D系统简介：DEFORM-3D是美国Battelle Columbus实验室开发的一套有限元分析软件。DEFORM-3D在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析，适用于热、冷、温成形，并提供极有价值的工艺分析数据。如:材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。DEFORM-3D还具有以下特点:不需要人工干预，全自动网格再剖分;前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠;单步模具应力分析方便快捷，适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析;材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型;实体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解，也可以耦合在成形模拟中进行分析。这些特点使DEFORM2，3D这一有限元分析软件在工业生产中显得实用而可靠。 DEFORM-3D的内部结构DEFORM23D的结构由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成。 前处理器前处理器包括三个子模块数据输入模块，便于数据的交互式输入，如: 初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件。网格的自动划分与自动再划分模块。数据传递模块，当网格重划分后，能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递，从而保证计算的连续性。 模拟处理器真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的，DEFORM 运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组， 然后通过直接迭代法和Newton2Raphson法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，用户可在后处理器中获取所需要的结果。 后处理器后处理器用于显示计算结果，结果可以是图形形式，也可以是数字、文字混编的形式。可获取的结果可为每一步的有限元网格; 等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图;速度场; 温度场; 行程载荷曲线等。此外用户还可以列点进行定点跟踪，对个别点的轨迹、应力、应变、温度等进行跟踪观察，并可根据需要抽取数据。392 工件成型工艺性分析2.1钩钉块二维图图1 钩锭块二维图2.2结构特征分析及成型工艺性分析2.2.1结构特性分析该塑件为钩锭块，其二维图尺寸如图2.1所示，工件的壁厚为4.5mm，为大批量生产，材料为Q235A.F，成型工艺性一般，尺寸较小，厚度较厚，批量较小，属普通冲压件。2.2.2成型工艺性分析冲压件的工艺性是指冲压件对冲压工艺的适应性。冲裁件的工艺性是否合理，对冲裁件的质量、模具寿命和生产率有很大影响，在一般情况下，对冲压件工艺性影响最大的几何形状尺寸和精度要求。良好的冲压工艺性应能满足材料较省、工序较少、模具加工较容易、寿命较高、操作方便及产品质量稳定等要求。该冲裁件工艺性分析如下：（1）此冲裁件的形状不规则，尺寸较小，厚度较厚，批量较小，属普通冲压件；（2）此冲裁件的外形转角处都有适当的圆角，这样可以延长模具寿命，此冲裁件标出了冲裁边的交角；（3） 此冲裁件孔到零件边缘的距离都符合要求，能够使模具强度和制件质量达到要求 ；（4）此冲裁件孔R=1.25冲头须有一定的凸模强度和稳定性；（5）此冲裁件精度采用IT12级；（6）此冲裁件的平面度和直线度的公差等于被测表面最大轮廓尺寸的0.5%；（7）此普通冲裁件的孔壁的表面粗糙度值为12.5，毛刺高度要求不大于0.25，不许有严重开裂；（8）由于冲切对象上一道的落料工序为了延长模具寿命，采用大间隙，会使得工件边缘的塌角较大。这样一来，在冲孔时，容易使得冲头在接触工件塌角表面后打滑，显著降低冲头的稳定性。综上所述，该锭钩块冲小孔工序的工艺性较差，在模具结构上应该尽量保证模具的结构刚性、模具工作部件的夹装牢固，同时应该允许一定的冲头的报废率。2.2.3 冲裁件材料的基本性能Q235是普通碳素结构钢，屈服极限235MP左右，并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板。大量应用于建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅 炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。C、D级钢还可作某些专业用钢使用。（1）下面是在对应条件下Q235-A.F钢的化学成分，力学性能以及许用应力表1钢的化学化学成分(%)CSiMnPS0.140.220.070.300.600.0450.050表2 钢板的力学性能板厚（mm)b(Mpa)s(Mpa)s(%)233755002352033.5213.542241637550023525表3 钢板在下列温度下的许用应力（Mpa)板厚（mm)20()100()150()200()250()34113113113105944.516113113113105943 厚板冲小孔有限元模拟及其相关分析3.1有限元模拟及厚板冲小孔概述3.1.1有限元模拟随着冲压技术的快速发展及其应用范围的不断扩大，许多结构零件、受力构件等采用厚钢板冲制而成.这不仅能保证零件有足够的强度和刚度提高劳动生产率，并降低生产成本。但是厚钢板冲裁时，特别是t4，d/t冲孔，由于冲头受力条件恶劣，在设计、制造、使用过程中的各种原因都可能导致冲头弯曲、崩刃、折断、磨损严重使模具寿命过低以致于无法实施生产，模具寿命是衡量模具技术和经济水平的重要指标，大幅度提高模具寿命是我国模具工业发展中的一个重要内容。综合借鉴国内外大量技术资料的基础上，针对工厂中常用的厚板材条件下(4t19300.020.02530800.020.030801200.0250.0351201800.0300.0401802600.0300.0452603600.03500503605000.0400.0605000.0500.070查表6得 校核间隙因为说明所取凸，凹模公差满足这个条件查表1得X=0.75则冲孔计算公式如下： （10） （11）式中 冲孔凸模刃口设计尺寸 冲孔凹模刃口设计尺寸 工件孔允许最小尺寸4.4 冲孔凸模的结构设计选用圆柱头直杆圆凸模，材料为高速工具钢W18Cr4V4.4.1 冲孔凸模的长度尺寸冲孔凸模的长度尺寸可按模具的具体结构确定，同时要考虑凸模的修边模量及固定板与推板之间的安全距离等因素。采用弹压方式的凸模长按下式计算： （12）式中 凸模固定板厚度 卸料板厚度 h5预压状态下卸料橡皮厚度,h5=(0.85-0.9)HH为自由状态下橡皮的厚度，详见课本第九节卸料装置弹性元件的设计与选用。公式中的0.2mm是凸模端面缩进卸料板的距离。由模架资料得 4.4.2 冲孔凸模工作部分结构如下图图13 冲孔凸模工作部分结构形式4.4.3 冲孔凸模的强度校核从一般的实际经验可知，一般凸模的强度是足够的，没有必要进行强度校核。只有当凸模特别细长，或凸模的截面尺寸相对于板厚很小时，才进行了强度校核。凸模强度校核包括抗压能力和抗纵向弯曲能力两个方面的内容。故此凸模没必要进行强度校核。4.5 凹模的结构设计4.5.1 凹模板的材料，外形和尺寸根据毛坯工件的材料，外形结构，材料选为高速工具钢W18Cr4V，外形采用矩形凹模板，凹模板取矩形是比较合理的，模具商店出售的凹模板毛坯也都是矩形的。4.5.2 凹模板的厚度凹模板的厚度主要不是从强度需要考虑的，而是从连接螺钉旋入深度与凹模刚度的需要考虑，凹模的厚度一般不小于10mm，特别小型的模具可取8mm。随着凹模板外形尺寸的增大，凹模板的厚度也相应的增大，整体凹模板的厚度可由下列经验公式估算： （13）式中 冲裁力（N）； 凹模材料修正系数，合金工具钢取，碳素工具钢取 凹模刃口周边长度修正系数，见表（3）。表7 凹模厚度按刃口长度修正系数K2参数系数值刃口长度500修正系数11.121.251.371.501.60 得 4.5.3 凹模板上孔壁的最小尺寸此凹模板用螺钉与上模座连接，并用销钉与之定位，从保证凹模强度考虑，对这些孔到凹模板边缘与刃口边缘以及这些孔之间的距离都加以限制。（1)螺孔中心到凹模板外缘尺寸因为凹模板是矩形的，故螺孔中心到凹模板外缘不等距时，则允许最小值（14）（2）销钉中心到凹模板外缘尺寸圆柱销孔中心到凹模板外缘的距离应保证打入圆柱销时孔壁最薄弱处不产生变形。否则，轻者造成圆柱销松动，使定位不精确，严重可能胀裂销孔。销孔中心到凹模板外缘允许的最小距离可按表4控制。表8 销孔中心到凹模外缘最小距离参数数值（mm）345681012162067891112151620注：为销孔直径。4.5.4 凹模工作部分结构图图14 冲孔凹模工作部分尺寸5 冲压成形工艺与设备5.1冲压工艺方案及模具形式的确定根据此冲压零件的形状、尺寸、精度及表面质量要求的分析结果5.1.1 工序的确定其基本工序只有冲孔一道，即冲小孔，但是材料厚度较厚，这种冲孔已不是一个简单的剪切过程，而是通过凸模将材料挤压到凹模孔内再剪切的过程。在挤压开始时，冲孔废料部分被挤向孔的周边，开模后，被挤向周边的材料回弹将凸模咬死；另外，由于孔的形状，大小及周边孔的影响，使得孔边沿部分材料变形不一致，或者孔冲穿后，压力机机身回弹产生的横向力迫使上下模错动而导致凸模折断。因此，要保证厚料冲小孔过程的连续进行，就必须提高凸模工作时的强度和刚性，同时还要保证整个模具的刚性和稳定性。5.1.2 模具形式的确定 制件厚度较厚，采用刚性开式双柱可倾压力机卸料装置，它还可对冲孔冲头起保护作用，为方便操作和取件，采用2个定位销及两个螺钉定位。5.2 冲压设备的确定5.2.1 规格选用原则确定压力机的规格时应遵循如下原则：（1）压力机的公称压力必须大于冲压工序所需压力，当冲压工作行程较长时，还应注意在全部工作行程上，压力机许可压力曲线应高于冲压变形力曲线。（2）压力机滑块行程应满足工件在高度上能获得所需尺寸，并在冲压工序完成后能顺利地从模具上取出来。对于拉深件，则行程应大于工件高度两倍以上。（3） 压力机的行程次数应符合生产率和材料变形速度的要求。（4） 压力机的闭合高度、工作台面尺寸、滑块尺寸、模柄孔尺寸等都应能满足模具的正确安装要求。对于曲柄压力机，如图2-1所示，模具的闭合高度与压力机的闭合高度之间要符合以下关系Hma-5mmH模+H1Hmin+10mm（15）式中H模 模具的闭合高度（mm）；Hmax 压力机的最大闭合高度（mm）；Hmin 压力机的最小闭合高度（mm）； H1 压力机的垫板厚度（mm）。5.3 设备及相关模架确定5.3.1 压力机确定及其参数由上述规格初选压力机型号规格为开式双柱可倾压力机。表9：双柱可倾压力机J23-8参数J23-8参数数值标准行程次数（不少于）60固定行程130调节行程13012标准行程次数60固定台可倾最大闭合高度380活动台位置最大闭合高度240-480闭合高度调节量100工作台尺寸左右800工作台尺寸前后540工作台孔尺寸左右380工作台孔尺寸前后210工作台孔尺寸直径260模柄孔尺寸工作台厚度1005.3.2 模架相关确定表10 所选模架资料各参数模具零件尺寸（mm）导套80506固定板80506凹模固定板805021卸料板80505定位板80505上垫板80506螺钉M1046圆柱销1270卸料螺钉1255圆柱销1290下模座19615230定位板80505冲头固定座804520圆柱销1260（1）定位板的材料选择材料及表面粗糙度定位板一般选用45号钢、不需要进行热处理。上、下表面应磨平，并与凸模、凸凹模形孔要垂直。其上、下表面应加工成Ra0.4m ，其余部分加工成Ra3.2m 。其结构如图所示图15 定位板结构图（2）凹模垫板的结构设计1）垫板的外形尺寸垫板的外形尺寸按凸模固定板外形尺寸来决定，基本相同。一般分矩形垫板和圆形垫板两种，在国标中均有规定，可根据所选模具规格与固定板相同。垫板的厚度应为310mm。取垫板的厚度为6mm。2）垫板的材料及热处理制作垫板的材料用T8钢，淬火硬度为4852HRC 。3）垫板平面的质量要求 淬火后的垫板，上、下平面应磨平，不准有凹坑及变形现象。其上下表面粗糙度Ra0.4m ，其余为Ra3.2m 。其结构图如下图所示图16 凹模垫板（4）螺钉和销钉的选用冲模中，螺钉和销钉都是标准件。螺钉主要起拉紧、连接冲模零件，而使之成为一个单独的整体的作用，而销钉则起定位作用，设计冲模时，对螺钉及销钉的选用，应遵循如下的原则： 1）螺钉最好选用内六角螺钉，其优点是紧固牢固，外形美观。 2）销钉采用圆柱形。一套模具内，销钉一般应不少于两组。 3）螺钉一般用45号钢制成，其头部淬火硬度应为3540HRC ；销钉选用T7、T8钢加工而成，淬火硬度要求4852HRC 。 4）销钉的表面粗糙度应在Ra小于1.60m 。 5）在设计上，同一块板上销钉孔与螺钉孔距离不应太小，以防降低强度。 6）内六角螺钉的过孔尺寸 7）销钉与销孔配合精度应加工成H7/m6精度。 8）螺钉拧入基体内深度和圆柱销配合深度应满足如下：拧入深度 对于钢 H1d1 （mm） 对于铸铁 H11.5d1 （mm）式中 d1螺钉直径（mm）； H1螺钉拧入最小深度（mm）。最小窝座深度 H2d1+1 （mm）式中 d1螺钉直径（mm）； H2最小窝座深度（mm）。圆柱销最小配合深度不能低于圆柱销直径的两倍，即 H32d2 （mm）式中 H2圆柱销与基体配合深度（mm）。 D2圆柱销直径（mm）； 9）根据国标选用内六角圆柱头螺钉（GB/T 70.1-2000）上模板螺钉规格d=M10、公称长度L=46mm、性能等级为8.8级、表面氧化的A级内六角圆柱头螺钉的标记：螺钉 GB/T 70.1 M1046下模板螺钉规格d=M10、公称长度L=75mm、性能等级为8.8级、表面氧化的A级内六角圆柱头螺钉的标记：螺钉 GB/T 70.1 M104610）根据国标选用淬硬钢圆柱销（GB/T 119.2-2000）公称直径d=10、公差为m6、公称长度L=46mm、材料为钢、普通淬火（A型）、表面氧化处理的圆柱销的标记：销 GB/T 626（5）采用推件卸料型式 1）卸料板材料的选用卸料板选用45号钢制造。卸料板不需要淬硬处理。 2）卸料板形状确定 选用圆形的卸料板，可在国标规定范围内选取。 由实用模具技术手册书中表11-25 卸料板厚度，当冲裁件厚度t=2mm ，卸料板厚取6mm 。3）卸料板表面粗糙度 卸料板的上、下装合面，要求表面粗糙度为Ra0.4m ，其余为Ra3.2m 。4）卸料板的形孔设计卸料板的成形孔形状，基本上与凹模孔相同。因此，在加工时，一般与凹模配合加工。但在设计时，卸料孔应按下述原则：卸料孔不作导向时，弹性卸料板与凸凹模应按H7/h6配制，并应保证，在卸料力的作用下，应不使工件和废料被拉进间隙内为准。结构形式如下所示：图17 卸料板1）模座沉孔深度的计算卸料螺钉沉孔的深度（模座沉孔）是控制卸料板行程终点位置的尺寸。卸料时，要使卸料板高出凸模（凸凹模）刃口平面0.5mm左右。卸料螺钉沉孔的深度h1可按下式计算：h1=h+h+hm+35（mm）（16）式中 h螺钉头部高度（mm）； h卸料板工作行程，一般取h =t+1，t为零件厚度； hm凸模预计总刃磨量，hm=410mm，板料厚度大时取大值； h1=7mm+3mm+9mm+4mm=23mm凸模经刃磨后，在重新安装弹压卸料板时，在螺钉头部应加垫圈，其厚度为刃磨量。2推件装置的结构型式 推件装置是将冲压后的工件，从工作部位顶出模外，以便于下一次冲裁。推件装置的结构型式由所冲条料的薄厚程度等来确定。根据被冲裁件的厚度为4.5mm，选用刚性推件装置。它是利用顶杆直接在压力机滑块作用下推出推件器。推板及推件器一般选用45号钢、热处理4045HRC；推杆材料和打杆材料均选用45号钢，前者热处理4045HRC，而后者在两头部15mm范围内为4045HRC 。在设计时，推件器应略低于凹模下平面0.51mm 。推件器与凹模应加工成Hg/C10间隙配合形式。即使推件器能在凹模口内自由地上、下滑动。（6）根据国标选用导向和安装坚固零件，如导柱、导套、模柄、上、下模座等结构型式。1）上模座机构形式 19615230mm GB/T 2855.11技术条件：按JB/T 8070-1995的规定上模座三维图结构形式如下图18 上模座三维图2下模座的结构型式 根据国标选用下模座（GB/T 2855.12-1990）下模座 19615230mm GB/T 2855.12，技术条件：按JB/T 8070-1995的规定3导柱的结构型式根据国标选用A型导柱（GB/T 2861.1-1990)，直径d=25mm、公差带h5、长度L=160mm的A型导柱：导柱A25h5160 GB/T 2861.1技术条件：按JB/T 8070-1995 的规定4）导套的结构型式根据国标选用A型导套（GB/T 2861.6-1990)，直径d=25mm、公差带H6、长度L=60mm、