冲大小垫圈复合模毕业设计

1、1 摘要： 模具是制造业的重要工艺基础，在我国模具制造属于专用设备制造业。本设计是 空气滤清器壳反拉深、冲孔复合模设计，冲模的结构性能直接反映了冲压技术水平的 高低。选用材料时应考虑模具的工作特性，受力情况，冲压件材料性能，冲压件的精 度，生产批量以及模具材料的加工工艺性能和工厂现有条件等因素。冲床的选用主要 是确定冲床的类型和吨位。板料冷冲压加工是机械加工的一个重要组成部分。它应用 十分广泛。但由于传统的加工存在着冲压工艺方案选择不合理、冲压间隙选择过大， 压力机不相匹配等问题。本文就以空气滤清器壳反拉深、冲孔复合模设计主要介绍了 冲压模具设计的全过程： 1. 经工艺分析工艺计算，间隙值的选

2、择，确定了该设计工艺流程及冲模结构形 式。 2. 同时对所设计的模具分别进行了分析说明， 3. 对压力机做出了合理的选择， 4. 整个过程采用 autocad 软件绘制模具的二维装配图和个别零件图。 关键字：冲压模；空气滤清器壳；冲裁间隙；冲压工艺。 abstract: board material cold to press , it processes to be machined one important component. it is very extensive that it employs . but because the choice with unreasonable

3、choice and pressing the interval that traditional processing is pressing the craft scheme is too big, question of matching of the press. etc. this text presses the automobile rim falls the materal drawing compound mold with the main introduction of mold design to the clutch housing: 1. calculate by

4、analysis , craft by craft, interval choice of value, confirm this design technological process and structural form of trimming die. 2. analyzed separately to moulds designed that explain at the same time , 3. having made the rational choice to the press, 4. the whole course adopts autocad software t

5、o draw the two-dimentional installation diagrams and specific part pictures of the mould . key word: press the mould ；automobile rim； the interval of blanking；press the craft。 2 目录目录 1 前言前言.4 11 冲压技术概述.4 12 冲压技术的发展趋势.5 2 冲压工艺分析冲压工艺分析.6 21 零件材料的分析.6 22 零件工艺性能分析.6 23 确定工艺方案与模具形式.6 24 冲压工序数确定.7 25 模具类型

6、的确定.8 26 工艺方案分析.8 3 3 模具结构型式的确定模具结构型式的确定.10 4 4 部分工艺参数计算部分工艺参数计算.10 41 毛坯尺寸计算：.10 42 反拉深次数计算.13 5 5 各部分工艺力计算各部分工艺力计算.13 51 反拉深力.13 52 顶件力.14 53 冲栽力.14 6 6 凸、凹模结构及工作部分主要尺寸计算凸、凹模结构及工作部分主要尺寸计算.16 61 反拉深凸、凹模刃口尺寸及公差的计算.16 62 冲孔凸、凹模刃口尺寸及公差的计算.17 63 冲孔凸模的设计.19 631 凸模的结构设计三原则.19 632 凸模的尺寸计算.20 633 凸模的结构形式.2

7、1 64 拉深凹模的设计.23 64. 1 拉深模的凹模圆角半径.20 642 拉深间隙.20 65 凸凹模的设计.25 651 凸模的结构设计.20 652 拉深凸模结构.20 7 7 压力设备选择压力设备选择.27 8 模具设计模具设计.28 9 模具其他零件设计及计算模具其他零件设计及计算.28 3 91 冲模的导向装置.28 91. 1 无导向冲栽条件 .29 91. 2 导板导向 .29 91. 3 模架的导向 .29 92 模架的类型及应用.29 93 定位装置.30 94 卸料装置.30 94. 1 固定卸料装置的形式 .29 94. 2 固定卸料板的固定方式 .29 95 推件

8、装置的设计.30 95. 1 推件板的结构形式 .29 95. 2 推件板的尺寸与公差 .29 95. 3 推件板的极点位置 .29 95. 4 打杆与打板的设计 .29 96 模柄的类型与选择.29 97 凸模固定板.29 98 垫板.29 99 紧固件.29 910 定位销.29 10 模具的装配模具的装配.38 101 复合模的装配.29 102 凸、凹模间隙的调整.29 11 凸凹模制造的工艺过程凸凹模制造的工艺过程.37 10 模具的总装配图模具的总装配图.38 1111 设计总结设计总结.40 1212 致谢致谢.41 13 参考文献参考文献.42 4 1 前言前言 11 冲压技术

9、概述 冲压是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离， 从而获得所需形状和尺寸的工件(冲压件)的成形加工方法。冲压和锻造同属塑性加工(或称压力加 工)，合称锻压。冲压的坯料主要是热轧和冷轧的钢板和钢带。 全世界的钢材中，有 6070%是板材，其中大部分是经过冲压制成成品。汽车的车身、底盘、 油箱、散热器片，锅炉的汽包、容器的壳体、电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。仪器 仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。 冲压件与铸件、锻件相比，具有薄、匀、轻、强的特点。冲压可制出其他方法难于制造的带 有加强筋、肋、起伏或翻边的工件，以提高

10、其刚性。由于采用精密模具，工件精度可达微米级， 且重复精度高、规格一致，可以冲压出孔窝、凸台等。 冷冲压件一般不再经切削加工，或仅需要少量的切削加工。热冲压件精度和表面状态低于冷 冲压件，但仍优于铸件、锻件，切削加工量少。 冲压是高效的生产方法，采用复合模，尤其是多工位级进模，可在一台压力机上完成多道冲 压工序，实现由带料开卷、矫平、冲裁到成形、精整的全自动生产。生产效率高，劳动条件好， 生产成本低，一般每分钟可生产数百件。 冲压主要是按工艺分类，可分为分离工序和成形工序两大类。分离工序也称冲裁，其目的是 使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离，同时保证分离断面的质量要求。成形工序的目的是使板料 在

11、不破坯的条件下发生塑性变形，制成所需形状和尺寸的工件。在实际生产中，常常是多种工序 综合应用于一个工件。冲裁、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压、矫正是几种主要的冲压工艺。 冲压用板料的表面和内在性能对冲压成品的质量影响很大，要求冲压材料厚度精确、均匀； 表面光洁，无斑、无疤、无擦伤、无表面裂纹等；屈服强度均匀，无明显方向性；均匀延伸率高； 屈强比低；加工硬化性低。 在实际生产中，常用与冲压过程近似的工艺性试验，如拉深性能试验、胀形性能试验等检验 5 材料的冲压性能，以保证成品质量和高的合格率。 模具的精度和结构直接影响冲压件的成形和精度。模具制造成本和寿命则是影响冲压件成本 和质量的重要因素。模具

12、设计和制造需要较多的时间，这就延长了新冲压件的生产准备时间。 模座、模架、导向件的标准化和发展简易模具(供小批量生产)、复合模、多工位级进模(供大 量生产)，以及研制快速换模装置，可减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于减少 冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于大批量生产的先进冲压技术合理地应用于小批 量多品种生产。 冲压设备除了厚板用水压机成形外，一般都采用机械压力机。以现代高速多工位机械压力机 为中心，配置开卷、矫平、成品收集、输送等机械以及模具库和快速换模装置，并利用计算机程 序控制，可组成高生产率的自动冲压生产线。 在每分钟生产数十、数百件冲压件的情况下，在短暂时间内

13、完成送料、冲压、出件、排废料 等工序，常常发生人身、设备和质量事故。因此，冲压中的安全生产是一个非常重要的问题。 12 冲压技术的发展趋势 进入 90 年代以来，高新技术全面促进了传统成形技术的改造及先进成形技术的形成和发展。 21 世纪的冲压技术将以更快的速度持续发展，发展的方向将更加突出“精、省、净”的需求。 冲压成形技术将更加科学化、数字化、可控化。科学化主要体现在对成形过程、产品质量、 成本、效益的预测和可控程度。成形过程的数值模拟技术将在实用化方面取得很大发展，并与数 字化制造系统很好地集成。人工智能技术、智能化控制将从简单形状零件成形发展到覆盖件等复 杂形状零件成形，从而真正进入实

14、用阶段。 注重产品制造全过程，最大程度地实现多目标全局综合优化。优化将从传统的单一成形环节 向产品制造全过程及全生命期的系统整体发展。 对产品可制造性和成形工艺的快速分析与评估能力将有大的发展。以便从产品初步设计甚至 构思时起，就能针对零件的可成形性及所需性能的保证度，作出快速分析评估。 冲压技术将具有更大的灵活性或柔性，以适应未来小指量多品种混流生产模式及市场多样化、 个性化需求的发展趋势，加强企业对市场变化的快速响应能力。 重视复合化成形技术的发展。以复合工艺为基础的先进成形技术不仅正在从制造毛坯向直接 制造零件方向发展，也正在从制造单个零件向直接制造结构整体的方向发展。 深入研究冲压变形

15、的基本规律、各种冲压工艺的变形理论、失稳理论与极限变形程度等；应 用有限元、边界元等技术，对冲压过程进行数字模拟分析，以预测某一工艺过程中坯料对冲压的 适应性及可能出现的质量问题，从而优化冲压工艺方案，使塑性变形理论逐步起到对生产过程的 直接指导作用。 制造冲压件用的传统金属材料，正逐步被高强钢板、涂敷镀层钢板、塑料夹层钢板和其他复 合材料或高分子材料替代。随着材料科学的发展，加强研究各种新材料的冲压成形性能，不断发 展和改善冲压成形技术。 在模具设计与制造中，开发并应用计算机辅助设计和制造系统（cad/cam） ，发展高精度、 6 高寿命模具和简易模具（软模、低熔点金模具等）制造技术以及通用

16、组合模具、成组模具、快速 换模装置等，以适应冲压产品的更新换代和各种生产批量的要求。 推广应用数控冲压设备、冲压柔性加工系统（fms） 、多工位高速自动冲压机以及智能机器 人送料取件，进行机械化与自动化的流水线冲压生产。 精冲与半精冲、液压成形、旋压成形、爆炸成形、电水成形、电磁成形、超塑成形等技术得 到不断发展和应用，某些传统的冲压加工方法将被它们所取代，产品的冲压加工趋于更合理、更 经济。 2 冲压工艺分析冲压工艺分析 2 21 1 零件材料的分析 冷冲压模具包括冲裁、弯曲、拉深、成形等各种单工序模和由这些基本工序组成的复合模、 级进模等各种模具。设计这些模具时，首先要了解被加工材料的力学

17、性能。材料的力学性能是进 行模具设计时各种计算的主要依据。故在分析零件冲压成形工艺，设计冲压模具前，必须要了解 和掌握材料的一些力学性能，以便设计。现将空气滤清器壳零件材料为 10 号钢的力学性能主要 参数及其概念叙述如下： （1）应力：材料单位面积上所受的内力，单位是 n/mm ，用 pa 表示。10 pa=1mpa；1mpa = 2 6 1n/mm ；10 pa = 1gpa。 2 9 （2）屈服点 s：材料开始产生塑性变形时的应力值，单位是 n/mm 。弯曲、拉深、成形等工 2 序中，材料都是在达到屈服强度时进行塑性变形而完成该工序的成形的。经查表取 s = 210 mpa。 （3）抗拉

18、强度 b。材料受到拉深作用，开始产生断裂时的应力值，单位是 mpa。b = 340mpa。 （4）抗剪强度 b。材料受到剪切作用，开始产生断裂时的应力值，单位是 mpa。取 b = 255333mpa。 （5）弹性模量 e。材料在弹性范围内，表示受力与变形的指标，弹性模量大，表示材料受力后变 形较小，或者说，产生一定的变形需要较大的力。e = 194 x 10 mpa。 3 （6）屈服比 s/b。是材料的屈服强度与抗拉强度之比，其值越小，表示材料允许的塑性变形 区越大，在拉深工序中，材料的屈服比较小时，所需的压边力和所需克服的摩擦力相应的减小， 有利于提高成形极限。 （7）伸长率 。在材料性能

19、实验时，试件由拉伸试验机拉断后，对接起来测量长度，其伸长量 7 与原长度之比称为伸长率，其数值用“”表示，其数值越大表示材料的塑性越好。经查表可得， 材料为 10 号钢的伸长率 =31。 综上所述，对空气滤清器壳零件材料 10 号钢的力学性能分析，主要是为了便于模具设计中 各参数的计算，故在后序的模具设计中各参数的计算均以上面所取的数值进行计算。 2.22.2 零件工艺性的分析 冲压件工艺性是指冲压零件在冲压加工过程中加工的难易程度。虽然冲压加工工艺过程包括 备料冲压加工工序必要的辅助工序质量检验组合、包装的全过程，但分析工艺性的重点 要在冲压加工工序这一过程里。而冲压加工工序很多，各种工序中

20、的工艺性又不尽相同。即使同 一个零件，由于生产单位的生产条件、工艺装备情况及生产的传统习惯等不同，其工艺性的涵义 也不完全一样。这里我们重点分析零件的结构工艺性。 该零件为空气滤清器壳，结构简单，对称，是典型的冲压件。在冲压过程中要注意控制冲载 程度，加工时，根据零件的结构，形状等一些技术要求，应考虑以下几点： （1）凸、凹模间隙的决定：对于断面垂直度、尺寸精度要求不高的零件，在保证零件要求的前 提下，应以降低冲载力，提高模具寿命为主，采用大间隙；对于断面垂直度、尺寸精度要求较高 的零件，应选用较小的间隙值。间隙 z=2t(1-h/t)tan。 （2）考虑模具刃口钝利情况：当模具刃口磨损成圆角

21、变钝时，刃口与材料接触面积增加，应力 集中效应减轻，挤压作用大，延缓了裂纹的产生，制件圆角大，光亮带宽，但裂纹发生点要由刃 口侧面向上移动，毛刺高度加大，即使间隙合理，也仍会产生毛刺。 根据零件图，初步分析可以知道空气滤清器壳零件的冲压成形需要多道工序才能完成，进行 反拉深，形成外形尺寸形状，其次冲孔。 综上所述，空气滤清器壳由原始毛坯冲压成形应包括的基本工序有：反拉深，冲孔复合模等。 2.3 确定工艺方案和模具形式 在冲压分析的基础上，找出工艺与模具设计的特点与难点，根据实际情况提出各种可能的冲 压工艺方案，内容包括工序性质，工序数目，工序顺序及组合方式等，有时同一种冲压零件也可 能存在多个

22、可行的方案，通常每种方案各有优缺点，应从产品质量生产效率，设备占用情况，模 具制造的难易程度和模具的使用寿命的高低，生产成本，操作方便与安全程度等方面进行综合分 析、比较，确定出适合于现有生产条件的最佳方案，故在一定的条件下，以最简单的方法，最快 的速度，最少的劳动量，最少的费用，可靠的加工出符合图样各项要求的零件，在保证加工质量 的前提下，选择经济合理的工艺方案。 确定工艺方案及模具形式： 1、根据对冲压零件的形状、尺寸、精度及表面质量要求的分析结果，确定冲压所需的基本 的工序，反拉深，冲孔复合。 8 2、根据初步工艺计算，确定工艺数目，如冲压次数等。 3、根据个别工序的变形特点、质量要求等

23、确定工序顺序。 一般可按照下列原则进行： 1） 、对冲带孔的或有缺口的冲裁件，如选用简单模，一般先落料，再冲孔或切口，使用级进 模，则先冲空孔或切口后落料 2） 、对于到孔的拉深件，一般先拉深，后冲孔，但孔的位置在零件底部且孔径尺寸要求不高 时，也可先冲孔后拉深。 3） 、对于形状复杂的拉深件，为便于材料变形和流动，应先形成内部形状，再拉深外部形状。 4） 、整形或校平工序，应在冲压件基本成型以后进行。 4、根据生产批量和条件（冲压加工条件和模具制造条件）确定工序组合。生产批量大时， 冲压工序应尽可能组合在一起，用复合模具；小批量生产用单工序简单模。 由于离合器冲压成形需要的多道工序完成，因此

24、选择合理的成形工艺方案十分重要，考虑到 生产批量大，应在生产合格零件的基础上尽量提高生产效率，降低生产成本。 要提高生产成本，应该尽量选择合理的工艺方案，选择复合能复合的工序，但复合程度太高， 模具的结构复杂，安装调试困难，模具成本高，同时可能降低模具的强度，缩短模具寿命。 根据零件形状确定冲压工序类型和选择工序顺序，为了提高生产率，保证模具结构简单，冲 压件尺寸稳定、精度高，冲压该零件的基本工序为反拉深，冲孔复合模。 图 1.1 所示为空气滤清器壳零件，材料为 10 号钢，厚度为 t=2mm，大批量生产。而冷冲压 是一种先进的金属加工方法，这是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具与冲压设备对

25、板料金 属进行加工，以获得所需要的零件形状和尺寸。冷冲压和切削加工相比较，具有生产率高，加工 成本低，材料利用率高，产品尺寸精度稳定，操作简单，容易实现机械化和自动化等一系列优点， 特别适合大批量生产，因此，此零件的生产选用冲压加工较为经济合理。 图 1.1 空气滤清器壳 9 24 冲压工序数确定 由零件图（1.1） ，冲压开始，毛坯材料应先进行落料工序，通过计算初步确定毛坯的外形尺 寸，落料件为圆形，压力中心在圆心上，为典型的落料；落料之后包括了正拉深、反拉深、冲孔、 等工序；进行拉深时，须用经验公式计算拉深系数 m，判断是否可以一次拉深成形，通过验算可 知此零件可以一次拉深成形；然后在冲中

26、心孔，综上可知，冲压此零件主要有以下几个基本工序： （1） 落料； （2） 正拉深； （3） 反拉深； （4） 冲中间孔； 25 模具类型的确定 冲压生产的模具制造费用比较高，占冲压件总成本的 10%30%，甚至更高，所以采用冲压 加工的生产方式，必须视生产批量决定采用何种模具形式，由表 2-82：生产批量与模具形式之 间的关系，参考知，此工件为大批量生产，如果采用单工序模，虽然单工序模具有结构简单，操 作安全方便，模具使用寿命高，成本低等优点，但最主要是工序数较大，生产批量大，形状较为 复杂，采用单工序模很难达到精度要求，且生产率低，位置误差较大，故不采用单工序模；所以 模具形式采用级进模与

27、复合模较为合理，显然此工件满足冲压工艺的要求，成形时包括了落料、 反拉深、冲孔、压筋等工序，整形与车边采用专用模具与车床进行，且工件体积较大，拉深与压 筋都比较容易实现，但由此工件的形状分析知不适合采用级进模。通过表 2-92单工序模、级进 模与复合模的比较，综合考虑各种生产成本和经济性，确定此工件的冲压成形模具采用复合模具。 26 工艺方案分析 采用落料拉深冲孔复合模，而本人要做的是毛坯已经是落料正拉深之后的零件了，所以工艺 方案为反拉深冲孔复合模。 3 3 模具结构型式的确定模具结构型式的确定 通过以上工艺分析与工艺方案的确定，选定模具种类：落料模，拉深模，冲孔模等，而落料 与正拉深复合，

28、反拉深与冲孔复合，整形为一套模具，总共为二套模具，本设计只设计其中的反 拉深与冲孔复合模具，综合上面的分析，画出模具的结构草图： 10 ?50 h7 r6 ?35 h7 h6 ?35 h7 r6 ?16 h7 m6 ?16 h7 m6 ?81 h7 h6 ?16 h7 h6 ?99 h7 h6 ?8 h7 h6?8 h7 h6 4 4 部分工艺参数计算部分工艺参数计算 4 工序三：热处理（调质）. 工序四：粗车外圆 138mm、81mm 工序五：半精车 138mm、81mm 工序六：圆角 工序七：钻 12mm 孔 工序八：钻 16mm 孔深 20 工序九：钻 5mm 孔 工序十一：精车 138

29、mm、81mm、16mm 工序十二：钳工 工序十三：检验 11 1212 设计总结设计总结 时光飞逝，转眼间三个月就已经过去，这几个月是我在湖南大学衡阳分校求学以来最刻骨铭 心的日子，毕业设计的锻炼与不断学习总结，使我大学的整个学习又更上一层楼，同时，这也将 为我的大学生活划上一个圆满的句号。 本次毕业设计是对我们每个学生在校四年来所学知识与生产实践技术所进行的一次综合性的 全面考察；培养了我们运用所学专业知识解决实际问题的能力；它还为我们了解一般模具设计的 基本思想打下良好的基础；在设计方案的拟定、工艺分析、设计资料的收集、手册利用、国标选 用、设计方法的运用、零部件及总体装配图的绘制等方面

30、，有一次较全面的锻炼。对我们进入社 会具备一定独立工作能力起了良好的作用,能较好的适应工作。 经过两个月多的时间，我对冷冲压模具有了更深刻的认识和了解，在这期间我不仅接触和学 习到了很多以前课堂上无法学到的知识，更总结出以前无法总结出来的学习方法，那就是整合一 切可以利用的资源，不断地给自己提出问题，积极思考去寻求解决问题的最佳方案。而且对 autocad 和 word 的应用水平有了进一步提高，也清楚了各种标准件的画法，对冲压工艺、冲压模 具、冲压设备及机械设计等方面的认识有了进一步的深化。 整个毕业设计过程中我们基本上做到了独立地思考，查阅相关资料，准确计算，充分地运用 在大学四年内所学的

31、专业理论知识，使之融入到设计实践中，并通过不断地翻阅资料和查找数据， 使自己又一次详细的回顾了四年学习的专业知识，发现自己在学习上的不足之处并加以提高，使 自己的专业知识更加全面，系统化。 这些宝贵经验对我以后的发展都有很高的实用价值，对我 今后走向工作岗位都会产生巨大的影响和作用，在此我想对给予我莫大帮助和教诲我的指导老师 张文玉老师、刘先兰老师表示衷心的感谢！ 在本次设计中，我同时也存在着一些错误和不足之处，但作为一名技术人员就必须要有发现 和改正自己错误的能力，并努力使自己设计的产品质量不断提高和完善，这也反映了自我知识和 能力的提高和完善。 13.致 谢 经过半年的忙碌和工作，本次毕业

32、设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设 计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以 及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的指导老师曾立平老师。曾老师平日里工作繁多，但在我做 毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查， 后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦 12 琐，但是曾老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩曾老师的专业水平外，他的 治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工 作。 然后还要感谢大学四年来所有的老师，为

33、我们打下机械专业知识的基础；同时还 要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。 最后感谢我的母校四年来对我的大力栽培。 模具的模具的 cad/cae/camcad/cae/cam 技术技术 引言 模具 cad/cae/cam 是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。模具 cad/cae/cam 技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。 与任何新生

34、事物一样，模具 cad/cae/cam 在近二十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 cad/cae/cam 技术发展速度更快、应用范 围更广，为了使广大模具工作者能进一步加深对该技术的认识，更好发挥模具 cad/cae/cam 的作用，本文针对模具中应用最广泛、最具有代表性的铸造模、锻模和 级进模 cad/cae/cam 的发展状况和趋势作概括性的介绍和分析。 13 铸造模 cad/cae/cam 的发展概况 铸造成形过程模拟的工作始于求解铸件的温度场分布。1962 年丹麦的 fursund 用有限差分法首次对二维形状的铸件进行了凝固过程的传热计算，1965 年

35、美国通用 汽车公司 henzel 等对汽轮机铸件成功进行了温度场模拟，从此铸件在模具型腔内的 传热过程数值分析技术在全世界范围内迅速开展。从上世纪 70 年代到 80 年代，美国、 英国、法国、日本、丹麦等相继在铸件凝固模拟研究和应用上取得了显著成果，并陆 续推出一批商品化模拟软件。进入 90 年代后，我国的高等院校，如清华大学和华中 科技大学在该领域也取得了瞩目的成就。 单纯的传热过程模拟并不能准确计算出铸件的温度变化和预测铸造中可能产生的 缺陷，充模过程对铸件初始温度场分布的影响以及凝固过程中液态金属的流动对铸件 缺陷形成的影响都是不可忽视的。铸件充模过程的模拟技术始于上世纪 80 年代，

36、它 以计算流体力学的理论和方法为基础，经历十余载，从二维简单形状开始，逐步深化 和扩展，现已成功实现了三维复杂形状铸件的充模过程模拟，并能将流动和传热过程 相耦合。目前国外已有一批商品化的三维铸造过程模拟软件，如日本的 solidia、英 国的 solstar、法国的 simulor、瑞典的 novacast、德国的 magma 和美国的 afsolid、procast 等。国内也有清华大学的铸造之星、华中科技大学的华铸 cae 等。 这些铸造模 cae 软件已覆盖铸钢、铸铁、铸铝和铸铜等各类铸件，大到数百吨，小至 几千克，无论是在消除缩孔和缩松，还是在优化浇冒口设计，改进浮渣夹渣等方面都 发

37、挥了显著的作用。 伴随着 cae 技术在铸造领域的成功应用，铸造工艺及模具结构 cad 的研究和应用 也在不断深入，国外已陆续推出了一些应用软件，如美国铸造协会的 afs- software，可用于铸钢和铸铁件的浇冒口设计，英国 foseco 公司的 feedercalk 软件， 可以计算铸钢件的浇冒口尺寸和选择保温冒口套的类型。我国华中科技大学和清华大 学在铸造工艺及模具结构 cad 方面也做了许多工作，如清华大学开发的 thfscad 软件， 主要由图形扫描及矢量化和铸造工艺 cad 两部分组成。前一部分对扫描输入的图形进 行消蓝去污和矢量化，后一部分用来建立参数化图形、计算铸件的加工余量

38、、绘制工 艺卡等。thfscad 是在二维图形学的基础上开发的，采用了 autocad 软件为开发平台。 随着 cad 技术的快速进步，三维 cad 系统在铸造生产领域会逐步取代二维 cad 系统而 成为主流设计系统。 锻模 cad/cae/cam 的发展概况 自上世纪 70 年代以来，国内外许多学术机构和公司对锻模 cad/cae/cam 技术进 行了广泛的研究，在锻造工艺过程设计、锻模结构设计和金属流动模拟等方面均取得 了显著的成绩。 轴对称锻件约占锻件总数的 30%左右，加上轴对称锻件几何形状简单，易于描述 14 和定义，所以开发锻模 cad/ cam 系统时国内外大多数机构和人都是从轴

39、对称锻模入 手。轴对称锻模 cad/ cam 系统的主要组成部分包括锻件设计、模锻工艺设计、锻模 结构设计和 nc 编程。锻件设计指的是设计冷锻件图和热锻件图，包括选择分模面、 补充机加工余量、添加圆角和拔模斜度等。模锻工艺设计决定是否采用预成形工序、 怎样采用预成形工序以及如何选择锻压设备的吨位。 另一类广泛应用的锻件是长轴类锻件，其成形工序设计和模具结构设计远比轴对 称锻模复杂，因此开发长轴类锻模的 cad/cam 系统的难度更大、通用性也低，目前在 许多通用商品化 cad/cam 软件上二次开发的长轴类锻模的 cad/cam 系统仅限于特定产 品和特定场合的应用。 锻模 cad/ cam

40、 系统的发展方向是成组技术和模具标准化技术的进一步贯彻执行 以及 cae 技术和人工智能技术的深入应用。 在 cae 技术方面，有限元法一直是分析和研究金属锻造成形的主要数值分析方法， 多年来已取得不少阶段性的成果。1973 年 lee 和 kobayashi 以矩阵分析法导出了刚 塑性有限元的 lagrange 算法，成功分析了锻造成形过程。1974 年 zienkiewicz 提出 了刚粘塑性有限元的罚函数法，分析了轧制、挤压和拉拔等成形工艺。1982 年 mori 和 osakada 提出了刚塑性有限元中的材料可压缩法并用于轧制和挤压中。上世纪 80 年代初，oh 和 altan 用大型

41、刚塑性有限元分析软件 alpid 对各类塑性变形问题进行 了深入研究。90 年代以后，国外一些商品化的专业有限元分析软件，如法国的 forge2、美国的 deform、abaqus、msc/autoforge 等，都已成功地应用于锻造领域。 这些软件不仅可以预测锻件成形的全过程，而且可以定量地给出与变形有关的各种物 理量，如位移、速度、应力、应变和载荷等，为获得最优的模具设计、最合理的工艺 方案和最少的试模时间提供了技术保证。 级进模 cad/cae/cam 的发展概况 国外级进模 cad/cae/cam 的研究始于上世纪 60 年代末，70 年代便有初步应用， 但仅限于二维图形的简单冲裁级进

42、模，其主要功能如条料排样、凹模布置、工艺计算 和 nc 编程等。弯曲级进模 cad/cam 系统出现在 80 年代，如日本日立公司和富士通公 司的弯曲级进模系统等。为了能够适应复杂模具的设计，富士通系统采用了自动设计 和交互设计相结合的方法，在该系统中除毛坯展开、弯曲回弹计算和工步排序为自动 处理外，其余均需要设计人员的参与。 应用三维几何造型技术的级进模系统始于 80 年代末，如美国 auto-trol 公司的 die-design 系统，该系统采用三维几何模型来描述钣金零件，并将三维图形技术应 用于模具结构设计，显示出三维图形软件在模具设计中的重要作用。 进入 90 年代，国际著名商品化三

43、维 cad/cam 系统，如美国的 pro/e、ug-ii、 cadd5、solidworks、mdt 等均陆续在模具界得到应用。美国 ptc 公司基于 pro/e 系 15 统开发了钣金零件造型模块 pro/sheet metal。ug solution 公司在 ug-ii 的基础上 开发了同类型的模块 ug/sheet metal。以上两个系统都缺乏面向级进成形工艺及模 具结构设计的专用模块，但这方面的工作进展很快，有的已经初见成效。 如美国 computer design 公司开发的级进模软件 striker systems 是销售量较大 的商业化 cad/cam 系统，包括钣金零件造型

44、（ss-design）、毛坯展开（ss-unfold）、 毛坯排样（ss-strip design），模具设计（ss-die design）和数控加工（ss- wire、ss-profile）等模块。该系统支持钣金零件的特徵造型，虽已具有某些自动化 设计的功能，但其设计过程仍以交互操作为主，目前只适用于弯曲冲裁级进模的设计。 本世纪之初，美国 ugs 公司与我国华中科技大学合作在 ug-ii（现为 nx）软件平 台上开发出基于三维几何模型的级进模 cad/cam 软件 nx-pdw。该软件包括工程初始 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

45、特徵识别与重构、全三维结构关联等显著特色，已在 2003 年作为 商品化产品投入巿场。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 cad/cam 系统的研究和开发。如 华中科技大学模具技术国家重点实验室在 autocad 软件平台上开发出基于特徵的级进 模 cad/cam 系统 hmjc，包括钣金零件特徵造型、基于特徵的冲压工艺设计、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五个模块。上海交通大学为瑞 士法因托（finetool）精冲公司开发成功精密冲裁级进模 cad/cam 系统。西安交通大 学开发出多工位弯曲级进

46、模 cad 系统等。近年来，国内一些软件公司也竞相加入了级 进模 cad/cam 系统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统 cmcad、富 士康公司开发的用于单冲模与复合模的 cad 系统 fox-cad 等。 模具 cad/cae/cam 是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。模具 cad/cae/cam 技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。模具是制造业的重要

47、工艺基础，在我国，模具制造属于 专用设备制造业。中国虽然很早就开始制造模具和使用模具，但长期未形成产业。直 到 20 世纪 80 年代后期，中国模具工业才驶入发展的快车道。近年，不仅国有模具企 业有了很大发展，三资企业、乡镇（个体）模具企业的发展也相当迅速。虽然中国模 具工业发展迅速，但与需求相比，显然供不应求，其主要缺口集中于精密、大型、复 杂、长寿命模具领域。由于在模具精度、寿命、制造周期及生产能力等方面，中国与 国际平均水平和发达国家仍有较大差距，因此，每年需要大量进口模具。 本设计是空气滤清器壳反拉深、冲孔复合模设计，落料、拉深、成型都是冲裁的 16 基本工序。 所谓落料是在平板毛坯上

48、沿封闭轮廓进行冲裁，被分离下来的一块称为落料件， 余下的就是废料。落料常用于制备工序件。 拉深是指在压力机上使用模具将平板毛坯制成带底的圆筒形件或矩形间的成形方 法。 胀形是指利用模具强迫板料厚度减薄而表面积增大，以获得零件几何形状的冲压 加工方法。 冷冲模是实现冷冲模生产的专用工具和主要工艺装备。冲压件的形状和尺寸精度 靠模具直接保证，冲压生产率高，操作简单，成本低廉等优越性要靠优良结构性能的 冲模来实现。冲模的结构性能直接反映了冲压技术水平的高低。 本设计采用复合模，其优缺点如下所式： 优点 1 冲裁时材料处于受压状态，零件表面平整。 2 冲裁时材料不需进给移动，零件精度不受送料误差影响，

49、其内、外形同轴度较 高，一般可以达到0.020.04，零件尺寸精度高，可达 it8 级，在这 3 种型式的 模具中，其零件精度最高。 3 模具结构紧凑，外廓尺寸小。 4 用复合模冲压时对条料形状及尺寸的限制不严格，可用短料和边角余料来冲压 零件，材料利用率比连续模高。 5 适宜冲压薄料、软料和脆性材料。 缺点 1 模具零件多，结构复杂，装配制造困难，成本高。但形状复杂的零件其模具制 造难度比连续模低。 2 由于受到凸凹模最小壁厚的限制，对于一些内孔与外缘之间及孔间距离较小的 零件，不宜采用复合模。 3 生产率比连续模低，工作没有连续模安全，零件出件没有连续模方便。适宜于 生产批量大、尺寸大的零

50、件。有时候为了保证零件的精度，批量小时也用它。 冲模零件材料的选用 冲模材料，尤其是凸、凹模的材料与模具寿命关系很大，合理选用材料是模具设 计的一项十分重要的工作。 冲压时模具工作部分要受多次大压小拉的交变冲击载荷作用，冲模将产生压缩、 弯曲、疲劳变形和摩擦损伤，其正常的失效形式为磨损或疲劳断裂。由于结构和热处 理原因，也会产生镦粗，局部压榻、崩刃和折断等早期破坏。因而模具材料应具有很 高的抗压强度，高的疲劳强度和高的耐磨性以及足够的韧性。多数模具形状复杂、精 17 度要求也高。因此，还需要热处理材料变形小。 选用材料时应考虑模具的工作特性，受力情况，冲压件材料性能，冲压件的精度， 生产批量以

51、及模具材料的加工工艺性能和工厂现有条件等因素。既要保证模具的寿命 又要使成本不至于过高。一般讲，对于冲压件形状简单、尺寸不大、受力小的模具， 选用高碳工具钢制造；冲压件形状复杂、尺寸大、冲压力大的模具，选用合金钢和高 速钢制造；而冲压件的精度或寿命要求高的高速冲压或精密的冲压模具，常选用硬质 合金、钢质硬质合金等材料制造。冲模工作部分和其他的零件具体的材料和热处理要 求，可参看有关冲模资料选用。 冲床的选用 冲床是机械压力机的俗称，是用来对坯料进行冲压加工的主要设备。冲床的选用 是冲压工艺设计过程中的一项重要内容。冲床的选用必须根据冲压工序的性质、冲压 力（包括压料力、卸料力等） 、变形功、模

52、具结构型式、模具的闭合高度和轮廓尺寸 以及生产批量、生产成本、产品质量等诸多因素，结合单位现有设备条件进行。 冲床的选用主要是确定冲床的类型和吨位。 冷冲模主要由以下几部分构成 1工作部分：其功能是完成材料的分离。零件质量及尺寸精度主要靠该部分来 保证。 2定位及挡料部分：其功能是确定条料在冲模中的正确位置。 3卸料及推件装置：其功能是把箍在凸凹模外围的条料卸下来，把梗塞在凹模 内的零件推出来，保证冲压继续正常进行。 4导向装置：其功能是保证上、下模正常运行，使之不产生位置偏移。 5连接固定部分：其功能是连接和紧固各零部件，使之成为一完整的整体。 本设计是护罩壳落料、拉深、冲孔复合模，所谓复合模是指压力机一次行程 中，在模具的一个工位上，同时完成几道不同工序的模具。它属于多工序模。 工作部分除凹、凸模外还有凸凹模。落料凹模在上模部分的称为倒装复合模， 落料凹模在下模的称为正装复合模。 参考文献 1钟毓斌主编 冲压工艺与模具设计 机械工业出版社 北京 2005.2 2王孝培主编实用冲压技术手册 机械工业出版社 北京 2001.3