基于Pro/E的沖壓復(fù)合模具設(shè)計(jì)

柳文清

（梧州學(xué)院，梧州 543002）

0 引言

模具工業(yè)廣泛使用CAD/CAM軟件進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)與加工，以達(dá)到提高模具的設(shè)計(jì)與制造速度。Pro/E軟件是一款優(yōu)秀的CAD/CAM軟件[1]。熟練的技術(shù)人員利用它可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，極大地提高工作效率。現(xiàn)以變壓器硅鋼片為設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹基于Pro/E的沖壓模具設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 零件圖及加工要求

該零件為變壓器硅鋼片如圖1所示。材料：硅鋼片；厚度：0.5mm； 生產(chǎn)批量：大批量生產(chǎn)。要求設(shè)計(jì)沖壓模具生產(chǎn)該零件。

圖1 零件圖

2 沖壓件工藝分析與沖裁方案的確定

該沖裁件的材料是硅鋼片，該沖裁件結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，零件圖上所有未注公差的尺寸，屬自由公差尺寸。特點(diǎn)是小孔多，孔邊距小。凸模容易被損壞[2]。

該工件包括沖孔、落料、二個(gè)基本工序。如果采用復(fù)合模具生產(chǎn)，只需一副模具即可成型，模具結(jié)構(gòu)緊湊，沖出的制件的精度及生產(chǎn)效率都比較高，適合大批量生產(chǎn)。制件質(zhì)量由于壓料沖裁同時(shí)得到校平，制件平正不彎曲。沖裁件內(nèi)孔和外緣的相對(duì)位置精度容易保證。綜合以上情況，決定采用落料沖孔復(fù)合模具生產(chǎn)該零件。

3 復(fù)合模具設(shè)計(jì)

3.1 總沖壓力的計(jì)算

總沖壓力包括落料力、沖孔力、卸料力、頂件力的總和[3]。落料件周邊長(zhǎng)度L1＝24.7×2＋50＋7×3＋10×4＋15×2＝190.4mm。沖孔件周邊長(zhǎng)度L2＝4×3.14×3.2＝40.2 mm。

沖裁力：F＝1.3Ltτ

式中：F1為沖裁力（N）；L為沖裁件周長(zhǎng)（mm）；t為材料厚度（mm）；τ為材料抗剪強(qiáng)度（MPa）。材料的抗剪強(qiáng)度（MPa）查沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)得 τ＝ 510MPa。

1）落料力 F1＝ 1.3Ltτ＝ 1.3×190.4×0.5×510＝63117.6N

2）沖孔力：F2=1.3Ltτ＝ 1.3×40.2×0.5× 510＝13326.3N

3）卸料力：F3＝F卸＝F卸F＝0.05×63117.6＝3155.9N

4）頂件力：F4＝F頂＝K頂F＝0.08×63117.6＝5049.4N

總沖壓力：

故選取公稱壓力為100KN的開(kāi)式雙柱可傾式壓力機(jī)設(shè)備。

3.2 沖裁間隙的確定

當(dāng)間隙較大時(shí)，材料所受拉伸作用增大，沖裁完畢后，因材料的彈性恢復(fù)，沖裁件尺寸向?qū)嶓w方向收縮，使落料件尺寸小于凹模尺寸，而沖孔件的尺寸則大于凸模尺寸。當(dāng)間隙較小時(shí)，凸模壓入板料接近擠壓狀態(tài)，材料受凸、凹模擠壓，壓縮變形大，沖裁完畢后，材料的彈性恢復(fù)使落料件尺寸增大，而沖孔件的孔徑則變小[4]。所以間隙要取得合理。

本模具所沖裁的材料為硅鋼片，材料厚度為0.5mm，按沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)取最小間隙Zmin=0.06mm，最大間隙Zmax=0.08mm。

3.3 模具刃口尺寸的計(jì)算

沖裁件的尺寸精度主要決定于模具刃口的尺寸精度，合理的間隙的數(shù)值也必須依靠模具刃口尺寸及公差來(lái)保證。

3.3.1 落料

由于本零件形狀復(fù)雜及料薄，因此采用凸模與凹模配合加工。

沖裁模初始雙面間隙Zmin＝0.06mm，Zmax＝0.08mm。未注公差的毛坯尺寸按照IT14級(jí)精度計(jì)算[5]。

其中，δp——凸模偏差；δd——凹模偏差

落料應(yīng)以凹模為基準(zhǔn)然后配做凸模。凹模磨損后分為以下三種情況進(jìn)行分析：

1）凹模磨損后，尺寸變大為A類。2）凹模磨損后，尺寸變小為B類。

3）凹模磨損后，尺寸不變?yōu)镃類。磨損系數(shù)都是x＝0.5。

A類尺寸有：

尺寸Ad1= (500-0.62) mm

該零件落料時(shí)凸模刃口各部分尺寸按上述凹模的相應(yīng)部分尺寸配制，保證雙面間隙值Zmin～Zmax＝0.06～0.08 mm。

3.3.2 沖孔

以凸模為基準(zhǔn)，配做凹模。

該零件沖孔時(shí)凹模刃口各部分尺寸按上述凸模的相應(yīng)部分尺寸配制，保證雙面間隙值Zmin～Zmax＝0.06～0.08 mm。

4 復(fù)合模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 沖孔凸模設(shè)計(jì)

如何提高凸模的強(qiáng)度與剛度是該模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因?yàn)樾枰貏e保護(hù)小凸模,所以沖孔凸模采用臺(tái)階固定在固定板中的形式。凸模與固定板用H7/g6配合。由于凸模特別細(xì)長(zhǎng)，必須進(jìn)行凸模承壓能力和抗縱向彎曲能力的校驗(yàn)。

4.1.1 承壓能力的校核

凸模材料允許的壓應(yīng)力[σc]＝1000 （Mpa）

據(jù)產(chǎn)品要求設(shè)計(jì)的凸模最小直徑為3.25mm。大于1.33 mm 故凸模的承壓能力滿足要求。

4.1.2 抗縱向彎曲能力的校核

為了凸模在沖裁時(shí)不致發(fā)生縱向彎曲失穩(wěn)，凸模的自由長(zhǎng)度必須受到限制。設(shè)計(jì)凸模為有導(dǎo)向的圓形凸模。

設(shè)計(jì)凸模的細(xì)長(zhǎng)部分為12mm。因?yàn)?2＜25.6，符合沖孔凸模的抗縱向彎曲能力。

根據(jù)以上的計(jì)算，沖孔凸模設(shè)計(jì)成圖2所示的結(jié)構(gòu)：

圖2 設(shè)計(jì)圖

在Pro/E中[6]，首先繪制出凸模特征的二維截面，然后對(duì)截面進(jìn)行基本特征的操作：旋轉(zhuǎn)。以完成凸模的基本特征創(chuàng)建。再由現(xiàn)有的三維零件選取一個(gè)邊，輸入圓角的半徑值，產(chǎn)生倒圓角。以完成凸模的工程特征創(chuàng)建如圖3所示。

圖3 Pro/E中對(duì)凹模工程特征的創(chuàng)建

4.2 落料凹模設(shè)計(jì)

在Pro/E中，首先繪制出落料凹模特征的二維截面，然后對(duì)截面進(jìn)行基本特征的操作：進(jìn)行4次拉伸。以完成落料凹模的基本特征創(chuàng)建。再由現(xiàn)有的三維零件選取一個(gè)平面作為鉆孔平面，按孔工具的圖標(biāo)，由圖標(biāo)板選擇圓孔的中心軸定位方式，指定圓孔的直徑與深度，完成工程特征圓孔的創(chuàng)建。再對(duì)圓孔進(jìn)行鏡像。最后完成落料凹模的零件創(chuàng)建如圖4所示。

圖4 Pro/E中凹模零件的創(chuàng)建

4.3 凸凹模的設(shè)計(jì)

在Pro/E中，首先繪制出凸凹模特征的二維截面，然后對(duì)截面進(jìn)行基本特征的操作：拉伸。以完成凸凹模的基本特征創(chuàng)建。再由現(xiàn)有的三維零件選取一個(gè)平面作為鉆孔平面，按孔工具的圖標(biāo)，由圖標(biāo)板選擇圓孔的中心軸定位方式，指定圓孔的直徑與深度，完成工程特征圓孔的創(chuàng)建。創(chuàng)建兩種不同直徑的圓孔，再對(duì)兩種不同直徑的圓孔進(jìn)行鏡像。最后完成凸凹模的零件創(chuàng)建如圖5所示。

圖5 Pro/E中凸凹模零件的創(chuàng)建

4.4 用Pro/E進(jìn)行零件裝配

用Pro/E進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，在完成了各個(gè)零件的設(shè)計(jì)后，可創(chuàng)建一個(gè)新的組件，在組件的模塊中進(jìn)行零件的裝配。在進(jìn)行零件的裝配時(shí)，圖標(biāo)板會(huì)顯示使用的裝配約束條件，本模具用到的約束條件包括：貼合，對(duì)齊，插入，兩個(gè)零件的坐標(biāo)系重疊。

圖6是用Pro/E設(shè)計(jì)的總裝配圖。

圖6 Pro/E中的總裝配圖

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn)，在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用Pro/E強(qiáng)大的零件設(shè)計(jì)與零件裝配功能，設(shè)計(jì)了一套復(fù)合模具。大幅度提高了復(fù)合模具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度，極大地提高工作效率。實(shí)現(xiàn)了快速設(shè)計(jì)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念。降低模具設(shè)計(jì)成本，提高模具設(shè)計(jì)精度。為企業(yè)的產(chǎn)品更新?lián)Q代提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

[1] 毛衛(wèi)平, 肖愛(ài)民, 袁鐵軍.Pro/E沖壓模具設(shè)計(jì)與制造[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

[2] 丁松聚.冷沖模設(shè)計(jì)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1999.

[3] 成虹.沖壓工藝與沖模設(shè)計(jì)[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2010.

[4] 李雙義.冷沖模具設(shè)計(jì)[M].北京.清華大學(xué)出版社.2002.

[5] 張正修.沖壓技術(shù)實(shí)用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)[Z].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[6] 馬希青, 李石妍, 李河宗, 等.基于Pro/E的400t冷剪機(jī)的飛輪優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì), 2010(6): 74-77.