焊片模具设计

辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 1 前言 模具是用来成型物品的工具，这种工具由各种零件构成，不同的模具由不同的零件构成。它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。按所成型的材料的不同，模具可分为金属模具和非金属模具。金属模具又分为： 铸造 模具（有色金属 压铸 ，钢铁铸造）、和 锻造 模具等；非金属模具也分为： 塑料模具 和无机非金属模具。而按照模具本身材料的不同，模具可分为：砂型模具，金属模具，真空模具，石蜡模具等等。其中，随着高分子塑料的快速发展，塑料模具与人们的生活密切相关。塑料模具一般可分为： 注塑成型 模具， 挤塑成型 模具，气辅成型模具等等 。 冲压模具，是在冷 冲压加工 中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冷冲压 模具 （俗称冷冲模）。冲压，是在室温下，利用安装在 压力机 上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。冲压模具是 冲压生产 必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。 冲压件 的质量、生产效率以及生产成本等，与 模具设计 和制造有直接关系。 模具设计与制造 技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，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。 本毕业设计是设 计焊片的冲压模具，涉及毛坯的翻孔、冲孔、切口、弯曲、落料的级进模。模具工作过程是采用单侧刃粗定位 , 当冲床滑块下行带动上模座使模具闭合 , 条料被侧刃凸模和冲孔凸模冲出局部外形以及导正销孔、零件内形孔 , 导正销起精定位作用 ；翻孔凸模的结构适合小尺寸翻孔，由锥行凸模对毛坯板料进行刺孔翻孔一次成型；冲孔凸模冲出零件的两个耳孔 ； 切口模用于切出工件两个耳片的外形，以便 此后的弯曲工序正常的工作 ； 弯曲凸模 置于整体凹模中，弯曲凹模置于整体凸模固定板上 ；最后工序为落料，由 落料 凸模最终分离出成品零件。弹力支座级进模采用弹 压 卸料板保证每工步卸料及细长凸模的保护。 文虹苏 ：弹力支座模具设计 2 1 概述 1.1 模具历史及发展现状 随着我国模具工业的迅猛发展，模具零件的标准化、专业化和商品化工作，已具有较高的水平，取得了长足的进步。中国模具标准化工作是从 “ 全国模具标准化技术委员会 ”1983 年成立以后开始的。目前中国已有约 2 万家模具生产单位，模具生产有了很大发展，组织专家对模具标准进行制定、修订和审查，共发布了 90 多项标准，其中冲模标准22 项、塑料模标准 20 余项。这些标准的发布、实施，推动了模具行业的技术进步和发展，产生了很大的社会效益和经济效益。模 标准件的研究、开发和生产正在全面深入展开，无论是产品类型、品种、规格，还是产品的技术性能和质量水平都有明显的提高。 近年来，随着我国国民经济的快速发展，模具市场的总趋势是平稳向上的。汽车、摩托车行业是模具的最大市场。因此，模具标准件的应用必将日益广泛。在今后的市场经济中模具标准件必将成为一种十分活跃而又高速发展的产品。从长远发展的角度看，我国模具工业必将伴随着知识经济时代的来临而发生深刻的变革，模具结构的典型化、零部件的标准化、标准化的专业化生产和商品化供应，也是今后发展的必然趋势。因而深信模具标准件行业的 发展前景是非常乐观而美好的。 但是，必须清醒地看到，目前我国模具的标准化程度和应用水平还比较低，乐观地估计不足 30%，与国外工业发达国家 (70-80%)相比，尚有较大的差距。每年尚需从国外进口相当数量的模具标准件，其费用约占年模具进口额的 3-8%。国产模具标准件在技术标准、科技开发、产品质量等方面，还存在不少问题。诸如，产品标准混乱，功能元件少且技术含量低，适用性差；技改力度小、设备陈旧、工艺落后、专业化水平低、产品质量不稳定；专业人才缺乏，管理跟不上、生产效率低、交货周期长；生产销售网点分布不均，经营品种 规格少，供应不足；某些单位为了争夺市场，不讲质量，以次充好，伪劣商品充斥市场。还有不计成本、盲目降价、扰乱市场的现象，是需要认真研究，丞待解决的。可见从长远发展的角度看，模具标准化及模具标准件方面之艰巨任务和美好前景。正如中国模具工业协会标准件委员会提出的模具标准化工作的指导思想：标准化是基础，专业化是方向，商品化是关键。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 3 1.2 零件分析 如图所示的制件为大批量生产，材料为黄铜带 H68，材料厚度为 0.5mm。 图 1-1 工件图 Fig.1-1 Work plans 1.3 零件工艺性分析 （ 1） 材料分析 材料名称 :H68 普通黄铜 有极为良好的塑性 (是黄铜中最佳者 )和较高的强度 ,可切削加工性能好，易焊接，对一般腐蚀非常安定 ,但易产生腐蚀开裂。为普通黄铜中应用最为广泛的一个品种。 抗拉强度 b(MPa)： 392MPa 伸长率 10 ( )： 13 硬度 ： 105 175HV 屈服强度： 245MPa 弹性模量： 113x1000MPa 结构分析 ： 零件结构简单对称，无尖角，对冲裁加工较为有利。零 件两端有异形孔，孔的最小尺文虹苏 ：弹力支座模具设计 4 寸为 1mm，满足冲裁最小孔径 mind mm5.00.1 t 的要求。另外，经计算异形孔距零件外形之间的最小孔边距为 2.5mm，满足冲裁件最小孔边距 minl mm75.05.1 t 的要求。所以，该零件的结构满足冲裁的要求。 零件结构简单，左右对称，对弯曲成形较为有利。可查得此材料所允许的最小弯半径mm25.05.0m in tr ，而零件弯曲半径 mm25.0mm1 r ，故不会弯裂。另外零件上的孔位于弯曲变形区之外，所以弯曲时孔不会变形，可以先冲孔后弯曲。 在进行直角弯曲时，若弯曲的直边高度过短，弯曲过程中不能产生足够的弯矩，将无法保证弯曲件的直边平直。所以必须使弯曲件的直边高度 H2t，最好 H3t1.5mm,制件的直边高度达到了 7.5mm，异型孔距离也满足要求。 （ 2） 精度分析： 零件上有 4 个尺寸标注了公差要求，由公差表查得其公差要求都属 IT13，所以普通冲压可以达到零件的精度要求。对于未注公差尺寸按 IT14 精度等级查补。 2 冲裁工艺方案的确定 2.1 冲压工艺方案的确定 冲压工艺性是指冲裁件在形状结构上对冲压的适应性在满足冲裁件使用的前提下，应对结构工艺性不好的冲裁件提出修改意见。 （ 1） 冲裁件的形状 应力要求简单、对称，有利于材料的合理利用。 （ 2） 冲裁件内 形 及外形的转角 处要尽量避免尖角，用圆弧过渡，以便于模具加工，减少热处理开裂，减少冲裁时尖角处的崩刃和过快磨损。 （ 3）为避免制件变形和保证模具强度，孔间距和孔边距不能过小。 （ 4）尽量避免冲裁件上过窄凸出悬臂和凹槽，否则会降低模具寿命和冲裁件质量。 （ 5） 在弯曲或拉深件 上冲孔是，孔边与直壁之间应保持一定距离，以免凸模受水平推力而折断。 （ 6）冲孔时，孔的尺寸不应太小，否则凸模易折断。 由零件图和冲压工艺性分析可知，该零件的基本工序为落料、拉深 -冲孔 -翻孔、冲孔、辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 5 切边、弯曲六道工序。可采用以下两种方案： 方案一：落料、拉深、切边、冲孔、翻孔、弯曲六道工序分别采用单工序模生产。 方案二：落料冲孔复合模，拉深 -冲孔 -翻孔采用复合模生产，然后切边、弯曲分别采用单工序模生产。 方案三： 翻孔 -冲孔 -切口 -弯曲 -落料 级进模生产。 方案比较： 方案一：需要多个模具进行加工，生产率较低， 加工成本高。不适合多工序工件生产。且工件小，加工繁琐。 方案二：方案二采用复合模具，冲压件的形位精度和尺寸精度易保证，且生产效率高。尽管模具结构较方案一复杂，但由于零件的几何形状较简单，模具制造并不困难。但由于经计算先落料 -冲孔后拉深 -冲孔 -翻孔会使壁薄，不保证冲压件质量，不予才去。 方案三：只采用一套模具，生产效率也很高，但与方案二比生产的零件精度稍差（该工件要求精度不高）。 综合比较上述的三种方案，方案三为本零件的最佳加工方案。 2.2 模具整体结构的确定 工艺分析之后，要确定零件的冲压工艺方案，就要选 择冲裁模具的类型及总体结构形式。因此，首先要了解冲裁模具的结构组成与功能。 （ 1） 冲裁模的分类 按工序性质分：落料模、冲孔模、切断模、切边模等。 按工序组合程度分：单工序模、级进模、复合模等。 按导向方式分：开式模、导板模、导柱模等。 按专业化程度分：通用模、专用模、自动模、组合模、简易模等。 （ 2） 冲裁模的组成 任何一副冲裁模都是由上模和下模两部分组成。上模一般通过模柄固定在压力机的滑块上，并随滑块作上、下往复运动；下模同坐下模座固定在压力机的工作台或垫板上。 由冲压件工艺性分析可知，采用级进冲压，所以模 具类型为级进模。 a.确定模架类型及导向方式 采用对角导柱模架，这种模架的导柱在模具对角位置，冲压时可防止由于偏心力矩而文虹苏 ：弹力支座模具设计 6 引起的模具歪斜。导柱导向可以提高模具寿命和工作质量，方便安装调整。 b.定位方式的选择 该冲件采用的坯料是条料，控制条料的送进方向采用导料板，无侧压装置；控制条料的送进步距 采用侧刃粗定距 ；用导正销精定位保证内外形相对位置精度。 c.卸料、出件方式的选择 因为该工件料厚 0.5mm，尺寸较小，所以卸料力也较小，拟选择弹性卸料、上出件方式。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 7 3 各工序尺寸和力的 设计 与计算 3.1 排样设计与计算 在批量生产中，材料费用约占冲压零件成本的 60%以上，因此材料的经济利用具有重要意义。合理的排样可以提高材料的利用率，降低零件成本。衡量排样经济利用具有重要意义。合理的排样可以提高材料的利用率，降低零件成本。衡量排样经济性的指标是材料利用率。一个 步 距内的材料利用率可用下式计算： 0= 1 0 0 % 1 0 0 %FFF A B (3.1-1) 式中： 材料利用率； F 一个步距 内冲裁件的实际面积 , 2mm ； F0 一个步距内所用材料面积，包括冲裁件面积与废料面积 , 2mm ； A 步距（相邻两个制件对应点之间的距离） ,mm ； B 条料宽度， mm ； 排样原则： 提高材料利用率 排样方法应使工人操作方便、安全，减轻工人的劳动强度 。 使模具结构简单，寿命高。 保证制件质量。对于弯曲件的落料，在排样时还应考虑板料的纤维方向。 根据材料利用程度，排样方法分为有废料、少废料、无废料 3 种。 根据制件在条料上的布置形式，分为直排、斜排、对排、混合排、多排等形式。 (1) 有废料排样法 有废料排样留有搭边，所以制件质量和模具寿命较高，但材料利用率降低。有废料排样法常用语制件形状复杂，尺寸精度要求较高的零件。 (2) 少废料排样法 少废料排样的材料利用率有所提高。少废料排样法常用于某些 尺寸要求不太高的零件。 文虹苏 ：弹力支座模具设计 8 (3) 无废料排样法 无废料排样就是无工艺搭边的排样，制件有切断供需获得。这种排样方法，材料利用率最高，用于尺寸要求不高的零件，它对制件形状结构要求严格。 采用少、无废料排样时，材料利用率高，模具结构简单，降低了冲裁力。但是，因条料本身的公差以及条料导向与定位所产生的误差的影响，冲裁件公差等级较低。同时，因模具单边受力，会加剧模具的磨损 ，降低模具寿命。 分析工件的结构性质，选择有废料直排形式。 零件 展开图 如图所示 图 3-1 零 件展开图 Fig.3-1 parts the spreading 查 冲压工艺与模具设计 表 2-7，搭边值取 a = 1 . 2 1 . 8 = 2 . 1 6 m m 1a = 1 . 5 1 . 2 = 1 . 8 m m a 0 . 7 5 a = 0 . 7 5 2 . 1 6 = 1 . 6 2 m m 由经验算法求弯曲件的展开尺寸 12= l + l + r + x t180ZL （ ） （ 3.1-2） 式中：ZL 坯料展开总长度， （ mm） ； 中性层曲率半径， (mm)； 弯曲中心角， ( )； X 中性层位移系数，见冲压工艺与模具设计表 3-8； 算得 ：1 = 1 2 4 0 . 5 1 6 . 5l m m 2 0 . 2 5 1 1 . 7 5 3l m m 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 9 906 . 5 3 ( 1 0 . 3 8 0 . 5 )180ZL m a x 2 2 2 . 7 4zl l m m 即为工件展开尺寸 条料宽度 2 2 . 7 4 2 . 1 6 1 . 6 2 1 . 8 2 8 . 3 2B m m 步距 5 1 . 8 6 . 8A m m 计算求得冲裁件面积 28 0 .5 2F m m 材料利用率：一个步距的材料利用率 1 0 0 % 4 2 %FAB 排样图如图所示： 图 3-2 排样图 Fig.3-2 layout plan 3.2 计算冲压力 冲压力是选择冲压设备的重要依据，也是设计模具所必须的数据。在冲压过程中，冲压力是冲裁力、卸料力、推件力和顶件力的总称 。 该模具采用级进模，拟选择弹性 卸料，上出件结构 。 冲压力： 冲裁力 的计算 冲裁力是冲裁过程中凸模对板料施加的压力，它是随凸模切入材料的深度而变化的。 冲裁力 求得冲裁件周长 L 为 6 . 8 1 . 8 2 ( 2 2 1 ) 8 0 2 1 . 5 4 1 2 4 . 5 2L m m 文虹苏 ：弹力支座模具设计 10 1 2 4 . 5 2 0 . 5 3 0 0 1 8 6 7 8bF L t N 冲 (3.2-1) 式中： L 冲裁周边总长， mm； t 材料厚度， mm； b 材料抗拉强度， MPa。 图 3-3 冲裁力周长计算 Fig.3-3 Cutting force perimeter calculation 卸料力 板料经冲裁后，从凸模上刮下材料所需的力，称为卸料力。 0 . 0 6 1 8 6 7 8 1 1 2 0 . 6 8F K F N 卸 卸 冲 （ 3.2-2） 式中： K卸 卸料力系数 查冲压工艺与模具设计 表 2-18 取 =0.06K卸， 0.09K 推， 0.09K 顶 推件力 板料从凹模内向下推出制件或废料所需的力，称为推件力。 3 0 . 0 9 1 8 6 7 8 3 3 6 2 . 0 4F n K F N 推 推 冲 （ 3.2-3） 式中： K推 推件力系数 n 积聚在凹模内的制件或废料数量（ /n h t ）； h 为直壁刃口部分的高， mm； t 为材料的厚度， mm。 顶件力 板料从凹模内向上顶出制件所需的力，称为顶件力。 = = 0 . 0 9 1 8 6 7 8 = 1 6 8 1 . 0 2F K F N顶 顶 冲 （ 3.2-4） 式中： K顶 顶件力系数 弯曲力， U 型件弯曲力的经验公式 20 . 7= = 2 6 5 . 4bK B tFNrt 自 （ 3.2-5） 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 11 式中： F自 自由弯曲在冲压行程结束时的弯曲力， N； B 弯曲件的宽度， mm； r 弯曲件的内弯曲半径， mm； t 弯曲件的材料厚度， mm； b 材料的抗拉强度， MPa； K 安全系数，一般取 K=1.3； 翻孔力， = 1 . 1 ( D - d ) tsF 翻 （ 3.2-6） 式中：s 材料屈服强度， MPa； t 材料厚度， mm。 1 . 1 0 . 5 1 0 0 3 . 3 5 7 0 . 2FN 翻 冲压工艺总力： + + + + +F F F F F F F翻 顶冲 卸 推 弯 = 1 8 6 7 8 + 1 1 2 0 . 6 8 + 3 3 6 2 . 0 4 + 1 6 8 1 . 0 2 + 1 5 9 . 2 5 + 5 7 0 . 2 = 2 5 5 7 1 . 2 N 为保证冲裁力足够，一般冲裁、弯曲时压力机的吨位应比计算得冲压力大 30%左右，拉深时压力机的吨位应比计算出的拉深力大 60%100%。 故 1 . 3 3 3 2 4 2 . 5 6FN 根据计算结果，拟 选用标称压力为 160KN 的压力机 。 3.3 计算模具压力中心 计算压力中心时，先运用 CAXA 画出凸模刃口图，如图所示。在图中将 xOy 坐标系建立在图示的对称中心线上，将冲裁轮廓线按几何图形分解成 17，共 7 组图形，图中尺寸直接标注得到用解析法切得该模具的压力中心 O 点的坐标（ 17.53， 0.82）。（模具压力中心相关计算详见表） 文虹苏 ：弹力支座模具设计 12 图 3-4 压力中心计算 Fig.3-4 Pressure center calculation 表 3-1 压力中心数据表 Tab.3-1 Pressure center data tables 基本图形长度 L/mm 各基本要素压力中心 x y 1=19.25L 0 0 2 7L 13.6 0 3 82.16L 27.2 0 4 14.28L 34 0 5 7.85L 40.8 0 6 6.8L 39.9 13 7 1.8L 43.3 13.9 0 7 1 3 . 6 8 2 . 1 6 2 7 . 2 1 4 . 2 8 3 4 7 . 8 5 4 0 . 8 6 . 8 3 9 . 9 1 . 8 4 3 . 3 1 7 . 5 31 3 . 6 2 7 . 2 3 4 4 0 . 8 3 9 . 9 4 3 . 3x 0 1 9 . 2 5 0 7 0 8 2 . 1 6 0 1 4 . 2 8 0 7 . 8 5 0 6 . 8 1 3 1 . 8 1 3 . 9 0 . 8 21 9 . 2 5 7 8 2 . 1 6 1 4 . 2 8 7 . 8 5 6 . 8 1 . 8y 3.4 计算凸凹模 工作 部分尺寸 并确定其制造公差 采用分开加工法计算凸凹模刃口尺寸及公差。适宜采用线切割机床加工凸模、凹模、辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 凸模固定板及卸料板。 查表 2-19，冲压模具出事双面间隙推荐值min 0.025Z ，max 0.035Z 。工作零件刃口尺寸计算 如下 冲孔 尺寸 3mm，尺寸转换为 0.2503 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 3 0 . 5 0 . 2 5 ) 3 . 1 2 5ppd d x 0 . 0 2 0 . 0 2m i n 0 0 0( ) ( 3 . 1 2 5 0 . 0 2 5 ) 3 . 1 5ddpd d Z 尺寸 1mm，尺寸转换为 0.2501 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 1 0 . 5 0 . 2 5 ) 1 . 1 2 5ppd d x 0 . 0 2 0 . 0 2m i n 0 0 0( ) ( 1 . 1 2 5 0 . 0 2 5 ) 1 . 1 5ddpd d Z 切口 尺寸 3.5mm，尺寸转换为 00.33.5 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 3 . 5 0 . 5 0 . 3 ) 3 . 3 5ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 3 . 3 5 0 . 0 2 5 ) 3 . 3 2 5ppdD D Z 尺寸 22.74mm，尺寸转换为 00.5222.74 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 2 2 . 7 4 0 . 5 0 . 5 2 ) 2 2 . 4 8ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 2 2 . 4 8 0 . 0 2 5 ) 2 2 . 4 5 5ppdD D Z 尺寸 23.74mm，尺寸转换为 0.52023.74 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 2 3 . 7 4 0 . 5 0 . 5 2 ) 2 4ppd d x 0 . 0 2 0 . 0 2m i n 0 0 0( ) ( 2 4 0 . 0 2 5 ) 2 4 . 0 2 5ddpd d Z 尺寸 9mm，尺寸转换为 0.3609 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 9 0 . 5 0 . 3 6 ) 8 . 8 2ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 8 . 8 2 0 . 0 2 5 ) 8 . 7 9 5ppdD D Z 落料 文虹苏 ：弹力支座模具设计 14 尺寸 5mm，尺寸转换为 00.305 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 5 0 . 5 0 . 3 ) 4 . 8 5ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 4 . 8 5 0 . 0 2 5 ) 4 . 8 2 5ppdD D Z 尺寸 3.5mm，尺寸转换为 00.303.5 0 . 0 2 0 . 0 2m a x 0 0 0( ) ( 3 . 5 0 . 5 0 . 3 ) 3 . 3 5ddD D x 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 3 . 3 5 0 . 0 2 5 ) 3 . 3 2 5ppdD D Z 尺寸 6mm，尺寸转换为 00.306 0 0 0m i n 0 . 0 2 0 . 0 2( ) ( 5 . 8 5 0 . 0 2 5 ) 5 . 8 2 5ppdD D Z 校核m a x m i npd ZZ ，即 0 .0 2 0 .0 2 0 .0 3 5 0 .0 2 5 ，不满足间隙公差条件，只有缩小pd，提高制造精度，才能保证间隙在合理范围内，此时可取 m a x m i nm a x m i n0 . 4 ( ) 0 . 4 0 . 0 1 0 . 0 0 40 . 6 ( ) 0 . 6 0 . 0 1 0 . 0 0 6pdZ Z m mZ Z m m 弯曲 参考教材 145 页，由于弯曲件的相对半径 / 1 / 0 . 5 2 5 8rt ，且不小于min /rt（查表 3-5），则凸模的圆角半径取弯曲件的圆角半径 1r mm 。 在生产中，凹模圆角半径 dr 通常根据材料厚度选取，工件材料厚度 0.5 2mm mm ，(3 6)drt ，取 42dr t mm 查教材表 3-15，得0 3h mm 凸凹模间隙：弯曲 U 形件时，应当合理确定凸、凹模间隙值。间隙过小会使弯曲件直边料厚减薄或出现划痕，同时还会降低凹模寿命，增大弯曲力；间隙过大，则回弹增大，从而降低了弯曲件的精度。在生产中， U 形件的弯曲模的凸、凹模单边间 隙一般按公式（有色金属）确定：m i n 0 . 5 0 . 0 5 0 . 5 0 . 5 2 5Z t c t m m 。 U 形件弯曲凸凹模横向尺寸及公差：弯曲件为双向对称偏差 凸模尺寸： 0 0 00 . 0 1 8 0 . 0 1 8( 0 . 5 ) ( 8 0 . 5 0 . 9 ) 8 . 4 5ppL L m m 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 15 凹模尺寸： 0 . 0 3 0 . 0 30 0 0( 2 ) ( 8 . 4 5 2 0 . 5 2 5 ) 9 . 5ddpL L Z m m 翻孔 根据 12 ( ) 0 . 4 3 0 . 7 2H D d r t 求120l i m 0 . 4 3 0 . 7 2 2 . 2 9dH D r t m m 2 2 2 2 23 . 5 2 . 5 3 . 52 2 2 2 ( ) ( ) 0 . 7 9 3 . 7 2 ( ) ( ) 3xV m m ,求得 3.x mm 设加工 00.33.5 的凸、凹模尺寸分别采用 IT6 与 IT7 级 则凸模尺寸为 00.0083.2 mm ，凹模尺寸为 0.01203.5 mm 整理出冲孔、切口、落料各凸凹模刃口尺寸如下表 表 3-2 工作零件刃口尺寸数据 Tab.3-2 Working parts of the blade size data 冲孔 3mm 凸模：00.0043.125 凹模： 0.00603.15 1mm 凸模：00.0041.125 凹模： 0.00601.15 切口 3.5mm 凸模：00.0043.325 凹模： 0.00603.35 22.74mm 凸模：00.00422.455 凹模： 0.006022.48 23.74mm 凸模 ：00.00424 凹模： 0.006024.025 9mm 凸模：00.0048.795 凹模： 0.00608.82 落料 5mm 凸模：00.0044.825 凹模： 0.00604.85 3.5mm 凸模：00.0043.325 凹模： 0.00603.35 6mm 凸模：00.0045.825 弯曲 凸模尺寸： 0 0 .0 1 88 .4 5pL m m 凹模尺寸： 0 .0 309 .5dL m m 翻孔 凸模尺寸为 0 0.0083.2 mm 凹模尺寸为 0.01203.5 mm 文虹苏 ：弹力支座模具设计 16 图 3-5 冲孔凸模 翻孔凸模 弯曲凹模 Fig.3-5 piercing punch burring punch Bending concave die 图 3-6 分别是落料凸模、切口凸模 Fig.3-6 Blanking the punch Incision of the punch 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 17 图 3-7 分别是弯曲凸模、切口凹模 Fig.3-7 Bending punch Incision concave die 3.5 卸料弹簧的设计 选用弹簧个数为 4 个，则每个弹簧的预压力为 / 1 1 2 0 . 6 8 / 4 2 8 0 . 1 7yF F n m m 卸 粗选弹簧规格，按 2 2 2 8 0 . 1 7 5 6 0 . 3 4yFN 查标准 GB2089-80，粗选弹簧规格为20 3 . 5 1 8 5 0d D h m m m m m m 5 5 7 , 1 6 . 2jjF N h m m 计算所选弹簧预压量 yh / 2 8 0 . 1 7 1 6 . 2 / 5 5 7 9y y j jh F h F m m 校核所选弹簧是否合格，卸料板工作行程 0 . 5 1 1 . 5xh m m 取凹模刃口磨量 4mh mm，则弹簧工作时的总压缩量为 9 1 . 5 4 1 4 . 5y x mh h h h m m 因为jhh，因此所选弹簧合格 所选弹簧的主要参数为 文虹苏 ：弹力支座模具设计 18 表 3-3 弹簧主要参数 Tab.3-3 Spring main parameters 3.5d mm 2 18D mm 5.93t mm 557jFN 0 50h mm 7.5n 16.2jh mm 537L mm 弹簧的标记为： 3.5 18 50 GB2089-1980。 弹簧的安装高度为：0 5 0 9 4 1ayh h h m m 。 3.6 工作零件的结构设计 凹模 0 . 3 4 7 . 6 1 4 . 2 8 ( 1 5 ) , 2 0 m m(1 . 5 2 ) 2 2 . 5 3 0 , 2 6 m ml + 2 c = 4 7 . 6 + 2 2 6 = 9 9 . 6 m mB = b + 2 c = 2 8 . 3 2 + 2 2 6 8 0 . 3 2 m mb m m m mcH 厚 H=K 取凹 模 壁 厚 取凹 模 长 度 L凹 模 宽 度 取标准后凹模尺寸，长 宽 高 =140 80 20mm 导料板 查表 2-15，获取导料板厚度 H 4.5mm （插值法） 卸料板 该模具选用 T 型卸料板，凸台高度 4 . 5 0 . 5 0 . 3 0 . 5 4 . 1 5h H t k m m 卸料板厚度 =12h mm卸 垫板厚度 4mm，垫板 140mm 80mm 4mm 凸模固定板： 140mm 80mm 118mm 各凸模 长度： 结合工件外形并考虑加工，采用线切割机床加工，凸模总长 L 可参考公式12L h h t h （弹压卸料装置） （ 3.6-1） 式中： L 凸模长度， mm； 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 19 1h 凸模固定板厚度， mm； 2h 卸料板厚度， mm； t 材料厚度， mm； h 附加长度， mm，包括凸模的修磨量、凸模进入凹模的深度 0.51mm、凸模固定板与卸料板之间的安全距离等。 并考虑橡胶安装高度进行计算： 冲孔凸模 1 8 1 2 0 . 5 4 1 2 7 3 . 5L m m 孔 切口凸模 = 73.5L mm切 翻孔凸模 = 78.6L mm翻 落料凸模 = 73.5L mm落 弯曲凸模 = 1 8 + 1 2 + 0 . 5 + 4 1 + 8 . 7 = 8 0 . 2L m m弯 3 1 .5dr t m m ， 1pr r mm 3.7 定位零件的设计 导料板的设计 导料板的内侧与条料接触，外侧与凹模平齐，导料板与条料之间的间隙取 0.5mm（查表 2-10），这样就可确定导料板的宽度；导料板的厚度按表 2-15 选择。导料板材料为 45钢， 热处理硬度为 4045HRC，用螺钉和销钉固定在凹模上。 文虹苏 ：弹力支座模具设计 20 图 3-8 导料板 Fig.3-8 stock guide 导正销的设计 ： 用工件上直径 3.5mm 的翻孔作为导正孔，导正销结构如图所示，导正应在卸料板压紧板料之前完成，考虑料厚 0.5mm 和装配后卸料板下平面超出凹模断面 7mm，所以导正销高出凹模端面直线部分长度为 7.5mm。 图 3-9 导正销 Fig.3-9 pilot pin 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 21 3.8 卸料零件的设计 （ 1）卸料板的设计 卸料板的周界尺寸与凹模的周界尺寸相同，选用 T 形卸料板，凸台高度 4 . 5 0 . 5 0 . 3 0 . 5 4 . 1 5h H t k m m （ 3.8-1） 式中 H 导尺厚度（ mm）； t 材料厚度（ mm）； K 系数，薄料取 0.3，厚料（ t1mm）取 0.1。 厚度查实用模具设计与制造手册 89 页表 2-95 卸料板厚度得 12mm。卸料板采用45 钢制造，淬火硬度为 4045HRC，采用线切割机床加工。 图 3-10 卸料板 Fig.3-10 stripper plate （ 2）卸料螺钉的选用 卸料板上设置 4 个卸料螺钉，公称直径为 8mm，螺纹部分为 66M mm 。卸料螺钉尾部留有足够的行程空间。卸料螺钉拧紧后，应使卸料板超出凸模端面 0.5mm，有误差是可以在螺钉与卸料板制件安装垫片来调整。 卸料螺钉选用的计算过程： 1min 12ad ，使用垫板时 a =垫板厚度，求得 1 8d mm 查阅实用模具设计与制造手册 89 页表 2-117 卸料螺钉孔的尺寸，选用型号 M6，1 8d mm ， 2 8.5d mm ， 12D mm ， 1 6h mm 。 文虹苏 ：弹力支座模具设计 22 图 3-11 卸料螺钉 Fig.3-11 stripper bolt 3.9 模架及其他零部件设计 以凹模周界尺寸为依据，选择模架规格。（查模具设计与制造简明手册 231 页 ） 得到上模座厚度 30mm，下模座厚度 35mm，闭合高度 140170mm。 该模具闭合高度： 2H H H L H H h 闭 垫上 模 下 模 （ 3.9-1） =30+4+83.5+20+5-11.15=161.35mm，取 H闭=162mm 式中： L 凹模长度， mm； H 凹模厚度， mm； 2h 凸模冲裁后进入凹模的深度。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 23 4 选择压力机型号 选择开式可倾双柱压力机 JC23-16，能满足使用要求，其参数如下表所示 表 5-1 压力机参数 Tab.5-1 Press parameters 公称力（ KN） 160 公称力行程（ mm） 2 滑块行程（ mm） 70 行程次数（ min） 125 最大装模高度（ mm） 170 装模高度调节量（ mm） 40 滑块中心至机身距离（ mm） 170 工作台尺寸 ，前后 左右（ mm） 320 480 工作台孔尺寸， 直径 前后 左右（ mm） 2 1 0 1 6 0 2 4 0 工作台板厚度（ mm） 60 滑块底面尺寸，前后 左右（ mm） 180 200 模柄孔尺寸，直径 深度（ mm） 40 60 机身最大可倾角度（） 35 立柱间的间距（ mm） 220 电动机 型号 Y100L-6 功率 1.5KW 外形尺寸，长 宽 高（ mm） 1150 900 1910 文虹苏 ：弹力支座模具设计 24 5 模具经济性分析 模具的经济性涉及到成本的高低供应是否充分，加工过程是否复杂、成品率的高低以及同一产品中使用金属或钢材型号的多少等。在我国当前情况下，考虑以铁代钢和以铸代锻还是符合经济性要求的，故选择一般碳钢和铸铁能满足要求的，就不要选用合金钢。对一些只要求表面性能高的零件，可选用廉价钢种，然后进行表面强化处理来达到。另外，在考虑材料经济性时，切记不宜单纯以单价来比较材料的好坏，而应以综合效益来评价材料的经济性高低。 冷冲压的优点很多，冷冲压也称板料冲压，是塑 性加工的一种基本方法。冷冲压有许多优点，技术上 a.在材料消耗不大的情况的前提下，制造出的零件重量轻、刚度好、精度高。由于在冲压过程中材料的表面不受破坏，使得制件的表面质量较好，外观光滑美观。并且经过塑性变形后，金属内部的组织得到改善，机械强度有所提高。 b.在压力机的简单冲击作用下，一次工序即可完成由其他加工方法所不能或难以制造完成的较复杂形状零件的加工。 c.制件的精度较高，且能保证零件尺寸的均一性和互换性。不需进一步的机械加工即可满足一般的装配和使用要求。 同样，在经济上更有其它加工方式不能比拟的优势 ： a.原材料是冶金厂大量生产的廉价的轧制板材或带材。 b.采用适当的冲压工艺后，可大量节约金属材料，可以实现少切屑和无切屑的加工方法。材料利用率一般可达 75%-85%，因而制件成本相应的比较低。 c.节约能源。冲压时可不需加热，也不像切削加工那样将金属切成碎屑而需要消耗很大的能量。 d.生产率高。每一分钟一台冲压设备可以生产零件从几件到几十件。目前的高速冲床生产率则没分钟高达数百件甚至一千件以上。 此套模具材料多采用碳钢和铸铁，碳钢和碳钢为工业广泛应用材料，性能优秀且成本不高，因此此套模具有很好的经济性。 适用于大批量生产，效率高，可满足工艺性。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 25 6 结论 本文设计了一套包含翻孔、冲孔、切口、弯曲、落料工序的级进模，经过查阅资料，首先要对零件进行工艺分析，经过工艺分析和对比，采用翻孔、冲孔、切口、弯曲、落料工序，通过冲裁力等计算，确定压力机的型号。再分析对冲压件加工的模具适用类型选择所需设计的模具。得出将设计的模具类型后将模具的各工作零部件设计过程表达出来。 工作过程 ： 图 4-1 装配图 Fig.4-1 assembly drawing 1-模柄； 2、 15、 22-圆柱销； 3-上模座； 4-切口凸模； 5-冲孔凸 模； 6-导正销； 7-翻孔凸模 8-凸模固定板； 9-弹簧； 10-导套； 11-卸料板； 12-导柱； 13、 20、 27-内六角头螺钉 14-凹模板 16-下模座； 17-橡胶； 18-双头螺柱； 19-顶杆； 20-弯曲凸模； 23-导料板； 24-切口凹模； 25 卸料螺钉； 26-垫板 如图所示为本设计装配图，条料采用矩形侧刃粗定位，条料自右向左送入模具。该模文虹苏 ：弹力支座模具设计 26 具工作过程为：在压力机的作用下上模下行，条料经过级进模内 5 个工序分别完成翻孔、冲孔、切口、弯曲、落料。在第 2 道工序冲孔同时采用导正销导正。每道工序完成时进行下一道工序前，开 模同时，弹顶装置顶杆将凹模中条料顶出。最后一道落料工序直接将工件从条料切断。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 27 致 谢 首先感谢母校，是她给我一个难得的学习机会，让我在即将毕业之际学到了很多知识，经过这几个月的紧张的毕业设计，使我在理论和动手能力上都有了进一步的提高。 我的毕业设计主要在马修泉老师指导下 ,让我对所学的知识进行系统性的复习 ,并根据设计要求查阅有关资料。在设计过程中受到马老师无微不至的关心与耐心指导，使我的毕业设计得以顺利的进展。在马老师帮助下我解决了很多以前解决不了的问题 ,在此我 向您表示衷心的感谢！同时也要感谢各位老师和同学，是你们让我的学习和生活充满乐趣，感谢你们！谢谢 ! 作为一名即将完成学业，离开学校生活的我，我要感谢母校，是她给我创造了一个学习的机会，创造了美好的学习生活环境，让我在这里学到了很多知识；感谢各位老师，是他们传授给我的知识；感谢各位同学和朋友，是他们让我的学习和生活充满乐趣，感谢你们！ 经过这次设计，提高了我很多的能力，比如实验水平、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等。在这期间凝结了很多人的心血，在此表示衷心的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设 计。 在设计期间 马 老师帮助我收集文献资料 ，理清 设计思路，指导实验方法，提出有效的改进方案。导师渊博的知识、严谨的 教 风、诲人不倦的态度和学术上精益求精的精神使我受益终生。 由于本人的基础知识和设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教，让我避免在未来的学习、工作中犯同样的错误，本人将万分感谢。 文虹苏 ：弹力支座模具设计 28 参考文献 1 张华 . 冲压工艺与模具设计 M.北京 ： 清华大学 出版社 ,2009.8 2 王树勋 . 模具实用技术设计综合手册 M.广州 ： 华南理工大学出版社 ,1997.9 3 许发樾 . 实用模具设计与制造 M.北京 ： 机械工业 出版社 ， 2001.2 4 中国模具设计大典 M.江西科学技术出版社 ,2003 5 杨占尧 .机械图学 M.沈阳：东北大学出版社 ， 2003.9 6 韩正铜 . 机械精度设计与检测 M.江苏 ： 中国矿业大学 出版社 ,2009.1 7 黄义俊 . 模具专业英语 M.北京： 清华大学出版社， 2007.1 8 邱永成 . 多工位级进模设计 M . 北京 :国防工业出版社 ,1987. 9 田嘉生 . 冲模设计基础 M . 北京 :航空工业出版社 ,1994. 10 许树勤，王文平 .模具设计与制造 M.第 1版 .北京 :北京大学出版社 ,2005. 11 王孝培 . 冲压手册 K . 北京 :机械工业出版社 ,1998. 12ASTME.Die Design Handbook.McGRAW-HILL Book Co,1955 13 John A.Waller.Press Tools and Presswork,1978. 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 29 附录 A 冲压中多工件的最佳排样 摘要 ： 在冲压生产中，生产成本受材料利用率影响最大 ，材料支出占整个生产成本的75%。本文将介绍一种新的计算方法用于实现双工件在冲压排样设计中的最佳规划方法，以便提高材料利用率。这种计算方法可以预示在带料中结构废料的位置及形状，以及工艺废料的位置和最佳宽度。例如将两个相同的工件中的其中一个旋转 180, 或是将两个不同的工件嵌套在一起。这种计算方法适合与冲模设计 CAE 系统结合使用。 关键字： 冲压，模具设计，最佳化，材料利用率，明可夫斯基和，设计工具 绪论 在冲压生产中，能够快速生产不同复杂程度的薄片金属零件，特别是在大产量的情况下，能够高强度生产。生产过程效 率高，其中材料成本占据整个冲压生产成本的 75% 1。但材料不能被完全利用到零件上，因为零件不规则的外形必须被包含在带料内。冲压生产的排样设计直接决定废料的大小。很明显，使用最理想的排样设计对于提高公司的竞争力是至关重要的。 前期工作 曾经 , 带料排样设计问题需要通过手工来解决。例如 , 通过纸板模拟冲裁来获取一个好的排样方法。通过计算机介绍的设计过程所得出的步骤。也许首先要做出适合工件的矩形，然后将矩形顺序排放在带料上 2。这种方法适合不相互重叠的矩形 3、拉深多边形4, 5、已知相互关联的外形 6。这种原理的方法具有一定局限性，尽管如此，在这种具有局限性下的设计中所产生较多的工艺废料不能被避免，这些额外损失的材料导致了设计方案无法达到最佳化。 增量旋转法是一种流行的排样设计方法 6-10, 16。具体实现方法为，将零件旋转一定的角度，例如 2 ， 7，在设计中决定零件倾斜程度和带料宽度以及合适的材料利用率。在不断重复这些步骤以后工件旋转量达到 180 (由于对称 )，然后从中选出最佳排样方法。这种方法的缺点是，在一般情况下，最佳材料定位将降低旋转增量同时不能被找到。尽管差别很小，但在大批量生产中 每个零件所浪费的材料会累计进而导致较多材料损失。 梅塔 -启发式优化方法适用于排样设计，包括模拟退火 11, 12和初步设计 13。当解决较复杂设计问题时 (也就是在 2D 平面上将较多不同零件嵌套在一起 )，它不能保证最佳排样方法，但是可以根据获得的计算结果进而总结为一个较好的解决方法。 文虹苏 ：弹力支座模具设计 30 开发出一种在设计过程 15中确定单一零件在带料上的布局以及带料的宽度的确定14的精确的最佳的计算方法。这些计算方法基于建筑几何学中一个外形从另外一个上 发展 出来。相似的理论在这个学科中基于一个名叫 无适合多边形 ， 障碍空间 和 明可夫斯基和 创建。从根本上来讲， 它仅是一种解决位置关系的方法，这样的外形有缺陷，但不会重叠。通过这种方法的应用 (本文中，特殊的译文是指明可夫斯基和 )， 能够创建一种全球化的最佳的具有高效率的排样布局的计算方法。 对于排样设计中零件间布局的特殊问题则根据问题报告采用增加旋转计算方法 7, 16和模拟退火 11， 但是迄今为止并没有能够被实际应用的精确的计算方法。在下文中，将简要介绍明可夫斯基和，以及它在带料排样设计中的应用，和它在成对零件间嵌套问题的延伸的描述。 明可夫斯基和 零件的外形被近似嵌套在每个多边形的 n 个顶点上，在 CCW 方向上有限连续。随着顶点数量的增加零件边上的弯曲刃口能够近似的得到任意想要达到的精确度。例如两个多边形， A 和 B， 明可夫斯基和详细说明了 A 和 B 上每一个顶点的总和。 (1) 表面上看 , 令人联想到这种方法中的零件 A 成长于 零件 B，或是变化后的零件 B (也就是零件 B 旋转 180) ，零件 A 周围和接着零件 B 周围参考点所连接而成的轨迹。例如，图 1 所示零件 A。如果基于其中一个参考顶点 (0， 0)，将旋转 180 后的零件 A (也就是 A)围绕着零件 A， A 上的参考点以粗线描述出图 2 中所示轮廓。 这个轮廓即是麦克马斯特和 。麦克马斯特和计算所用的方法能够被创建在计算出的几何图形中如17， 18。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 31 （图 1） 示例零件 A 被嵌套 （图 2） 示例零件（虚线）在麦克马斯特和 (粗线 )中。 这个方法的意义在于如果 A 的参考顶点是在 的周界上， A 和 A 将会相接触但不会产生重叠。两个零件将会尽可能的紧密贴合在一起，因而在设计时将一对零件其中的一个旋转 180 。 定义了一对零件间所 有可行的位置关系。 这个性质的一个推论是如果单一零件的麦克马斯特和是合适的。那么该零件将被否定，也就是 。 (麦克马斯特和推出的一个完整的说明 15。 )这些报告是根据带料上单一零件间的最佳嵌套计算方法得出。 嵌套的成对零件太过复杂的情况时，不仅要作出零件的最佳定位和选定带料宽度还要设 计成对零件间最佳的位置关系。为了解决这一问题，故提出一种重复运算方法： 假设：零件 A 和 B(B=A， A 即将 A 旋转 180) 文虹苏 ：弹力支座模具设计 32 5. 在不干涉 A 的情况下选择 B 的位置关系麦克马斯特和 定义了可行的位置关系 (图 2)。 6. 在这个位置关系中 加入 A 和 B. 创建出新的组合零件外形 C。 7. 在带料上使用麦克马斯特 和套入组合零件 C 以及 14或 15给出的运算法则。 8. 重复步骤 1-3 直到排列出所有 A 和 B 可能的位置关系。在每个位置关系中找出最好的位置关系，如果这样，数字上最佳的位置关系即是最高的材料利用率。 两相同零件间最佳设计方法 上述方法的第一步是选择一个可行的 B 和 A 的位置关系。 上的一个平移矢量 t 定义了这个位置，如（图 3）所示。当这个平移矢量 t 穿过 的轮廓时为最佳的方法。 （图 3） 上关系零件的平移节点，显示出平移矢量 t。 最初，节点上不连续的数被放置在 中的每个边界上。每个平移节点描述了两个零件临时 加入 位置关系，然后组合零件带料宽度中的最佳位置上使用单件生产设计程序 (例如在 14或 15中 )。在此例中 , 由 12 条边组成，每条边包含 10 个节点，总共多达 120 个平移 节点。每个节点的位置是通过每条边 直线的插补创建，在麦辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 33 克马斯特和上 即顶点 I 的坐标是 ( , )。定义一个位置参数 中 s = 0 和 中 s = 1，每个平移节点的坐标创建方式如下 : (2) (3) 如果点 m 放置在每条边上， ， 位置参数的值 ,按如下公式创建： (4) 利用图 3 所示 120 个节点计算出的结果如图 4 所示。在此图中，当每条边移动时 显示了如何利用截线改变每条边后平移矢量的线被打断。当一些边的截线上述单一的变化，其他截线的则显示了 2 到 3 个局部截线。 从中找最合适的位置，这就是需要许多节点的原因。 （图 4）零件 A 和 A 的最佳材料利用率 根据 创建出的级数，当局部最大利用率被显示出时即可调用一个理论上最佳的方法。在引出工作利用率之前不可用 (无附加计算结果 )，可以使用区间分半法 19。节点最初组成的间距能够显示出局部最大的点。三个相同间距的点放置在上述间距间 (也就是在 1/4, 1/2 和 3/4 的位置 )，然后计算出每个点上的利用率。比较每个点上的利用率之值，能够根据反复降低所得间隔的一半得出结果。上述步骤直到得到想要的精度为止。 应用这种方 法推导出最佳平移矢量点 (747.894， 250.884)，如（图 5）所示排样图材料利用率达 92.02%。 文虹苏 ：弹力支座模具设计 34 有趣的是，较好的设计看起来成对零件能够更加的贴近，以便提高材料利用率。 （图 5）单一零件 A 的最佳排样方法 不同零件同一带料上的最佳排样方法 生产中常遇到相同材料和相同产量的各类零件，例如，需要装配在一起的左右两部分零件。将类似的零件组合在一起生产可以获得更高的效率，还能提高材料的利用率。这种运算法则的排样设计同样适合相同零件的排样设计。例如（图 6）所示的零件 B。决定平面位置关系的相应的麦克马斯特和 ，如（图 7）所示。在此例中 , 包含 15 条边，材料利用率的值如（图 8）所示。重复一次，通过 的边精确显示出多种局部最大利用率。（图 9）所示即为最佳排样平移矢量点坐标 (901.214, 130.314)。材料利用率为85.32%。此例中带料宽度为 1229.74、步距为 1390.00。 （图 6）被嵌套的示例零件 B 的麦克马斯特和 (粗线 ) 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 35 （图 7）示例零件 (细线和虚线 ) （图 8）示例零件 A 和 B 不同排样方法的材料利用率 （图 9）示例零件 A 和 B 的最佳排样方法 文虹苏 ：弹力支座模具设计 36 结论 在冲压工作中，材料成本占产品成本很大比重，所以即使每个零件上微小的节约，也能累计成可观的价值。本文介绍了一种新的创建零件间嵌套的最佳排样计算方法。这种计算方法利用了 麦克马斯特和计算出成对零件间所有可行的位置关系，和选取零件最佳位置以及带料的宽度。 做排样设计时应注意：所有的排列方式都应该被考虑。例如，本文中示例零件的排样方法应该考虑：零件 A 单独排样成对生产，零件 B 单独排样成对生产 以及 A 和 B 成对一起生产。设计者应该考虑原料成本，模具加工成本和操作成本以及冲出零件需要的工具尽量降低生产成本。 这种计算方法的应用还可以拓展，其中一个显而易见的拓展应用即是零件间旋转后的最佳位置关系，即改变零件 B 在带料上相对于零件 A 的位置。另一个拓展是可以更深入的学习函数的运用。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 37 附录 B Stamping Die Strip Optimization for Paired Parts Abstract In stamping, operating cost are dominated by raw material costs, which can typically reach 75% of total costs in a stamping facility. In this paper, a new algorithm is described that determines stamping strip layouts for pairs of parts such that the layout optimizes material utilization efficiency. This algorithm predicts the jointly-optimal blank orientation on the strip, relative positions of the paired blanks and the optimum width for the strip. Examples are given for pairing the same parts together with one rotated 180, and for pairs of different parts nested together. This algorithm is ideally suited for incorporation into die design CAE systems. Keywords: Stamping, Die Design, Optimization, Material Utilization, Minkowski Sum, Design Tools Introduction In stamping, sheet metal parts of various levels of complexity are produced rapidly, often in very high volumes, using hard tooling. The production process operates efficiently, and material costs can typically represent 75% of total operating costs in a stamping facility 1. Not all of this material is used in the parts, however, due to the need to trim scrap material from around irregularly-shaped parts. The amount of scrap produced is directly related to the efficiency of the stamping strip layout. Clearly, using optimal strip layouts is crucial to a stamping firms competitiveness. Previous Work Originally, strip layout problems were solved manually, for example, by cutting blanks from cardboard and manipulating them to obtain a good layout. The introduction of computers into the design process led to algorithmic approaches. Perhaps the first was to fit blanks into rectangles, then fit the rectangles along the strip2. Variations of this approach have involved fitting blanks into non-overlapping composites of rectangles 3, convex polygons 4,5 and known interlocking shapes6. A fundamental limitation exists with this approach, however, in that the enclosing shape adds material to the blank that cannot be removed later during the layout process. This added material may prevent optimal layouts from being found. 文虹苏 ：弹力支座模具设计 38 A popular approach to performing strip layout is the incremental rotation algorithm 6-10, 16. In it, the blank, or blanks, are rotated by a fixed amount, such as 27, the pitch and width of the layout determined and the material utilization calculated. After repeating these steps through a total rotation of 180 (due to symmetry), the orientation giving the best utilization is selected. The disadvantage of this method is that, in general, the optimal blank orientation will fall between the rotation increments, and will not be found. Although small, this inefficiency per part can accumulate into significant material losses in volume production. Meta-heuristic optimization methods have also been applied to the strip layout problem, both simulated annealing 11, 12 and genetic programming 13. While capable of solving layout problems of great complexity (i.e. many different parts nested together, general 2-D nesting of sheets), they are not guaranteed to reach optimal solutions, and may take significant computational effort to converge to a good solution. Exact optimization algorithms have been developed for fitting a single part on a strip where the strip width is predetermined 14 and where it is determined during the layout process 15. These algorithms are based on a geometric construction in which one shape is grown by another shape. Similar versions of this construction are found under the names no-fit polygon, obstacle space and Minkowski sum. Fundamentally, they simplify the process of determining relative positions of shapes such that the shapes touch but do not overlap. Through the use of this construction (in this paper, the particular version used is the Minkowski sum), efficient algorithms can be created that find the globally optimal strip layout. For the particular problem of strip layout for pair s of parts, results have been reported using the incremental rotation algorithm 7, 16 and simulated annealing 11, but so far no exact algorithm has been available. In what follows, the Minkowski sum and its application to strip layout is briefly introduced, and its extension to nesting pairs of parts is described. The Minkowski Sum The shape of blanks to be nested is approximated as a polygon with n vertices, numbered consecutively in the CCW direction. As the number of vertices increases, curved edges on the blank can be approximated to any desired accuracy. Given two polygons, A and B, the Minkowski sum is defined as the summation of each point in A with each point in B, 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 39 (1) Intuitively, one can think of this process as growing shape A by shape B, or by sliding shape B (i.e., B rotated 180) around A and following the trace of some reference point on B. For example, Fig.1 shows an example blank A. If a reference vertex is chosen at (0, 0), and a copy of the blank rotated 180 (i.e., A) is slid around A, the reference vertex on A will trace out the path shown as the heavy line in Fig.2. This path is the Minkowski sum . Methods for calculating the Minkowski sum can be found in computational geometry texts such as 17, 18. Sample Part A to be Nested. Minkowski Sum (heavy line) of sample Part (light line). The significance of this is that if the reference vertex on A is on the perimeter of , A and A will touch but not overlap. The two blanks are as close as they can be. Thus, for a 文虹苏 ：弹力支座模具设计 40 layout of a pair of blanks with one rotated 180 relative to the other, defines all feasible relative positions between the pair of blanks. A corollary of this property is that if the Minkowski sum of a single part is calculated. With its negative, i.e., . (A complete explanation of these properties of the Minkowski sum is given in 15.) These observations were the basis for the algorithm for optimally nesting a single part on a strip. The situation when nesting pairs of parts is more complex, since not only do the optimal orientations of the blanks and the strip width need to be determined, but the optimal relative position of the two blanks needs to be determined as well. To solve this problem, an iterative algorithm is suggested: Given: Blanks A and B (where B=A when a blank is paired with itself at 180) 1. Select the relative position of B with respect to A. The Minkowski sum defines the set of feasible relative positions (Fig.2). 2. Join A and B at this relative position. Call the combined blank C. 3. Nest the combined blank C on a strip using the Minkowski sum with the algorithm given in 14 or 15. 4. Repeat steps 1-3 to span a full range of potential relative positions of A and B. At each potential position, evaluate if a local optima may be present. If so, numerically optimize the relative positions to maximize material uti lization. Layout Optimization of One Part Paired with Itself The first step in the above procedure is to select a feasible position of blank B relative to A. This position is defined by translation vector t from the origin to a point on , as shown in Fig.3. During the optimization process, this translation vector traverses the perimeter of . 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 41 Relative Part Translation Nodes on , showing Translation Vector t. Initially, a discrete number of nodes are placed on each edge of . The two parts are temporarily joined at a relative position described by each of the translation nodes, then the combined blank is evaluated for optimal orientation and strip width using a single-part layout procedure (e.g., as in 14 or 15). In this example, consists of 12 edges, each containing 10 nodes, for a total of 120 translation nodes. The position of each node is found via linear interpolation along each edge , where is vertex I on the Minkowski sum with a coordinate of ( , ). Defining a position parameter s such that s = 0 at and s = 1 at , coordinates of each translation node can be found as: (2) (3) If m nodes are placed on each edge, ,the position parameter values for the node, , are found as: (4) Calculating the utilization at each of the 120 nodes on Fig.3 gives the results shown in Fig.4. In this figure, the curve is broken as the translation vector passes the end of each edge of to show how utilization can change during the traversal of each edge. While some edge 文虹苏 ：弹力支座模具设计 42 traversals show monotonic changes in utilization, others show two or even three local maxima. Discovering these local optima is the reason why a number of translation nodes are needed. Optimal Material Utilization for Various Translations Between Polygons A and A. As a progression is made around , when local maxima are indicated, a numerical optimization technique is invoked. Since derivatives of the utilization function are not available(without additional computational effort),an interval-halving Approach was taken 19. The initial interval consists of the n