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文獻(xiàn)綜述
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冷沖模的現(xiàn)狀和發(fā)展
0引言
沖壓工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，而沖壓模具是實現(xiàn)沖壓工藝必不可少的工藝裝備。沖模設(shè)計水平將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本與操作者的安全。
級進(jìn)沖模是冷沖壓模具中的一種先進(jìn)、高效的沖壓模具。對某些形狀較為復(fù)雜的，具有沖裁、彎曲、拉深、成形等多種工序的沖壓零件可在一副級進(jìn)沖模上沖制完成。級進(jìn)沖模是實現(xiàn)自動化、半自動化生產(chǎn)，確保沖壓加工質(zhì)量穩(wěn)定的一種模具結(jié)構(gòu)形式。
級進(jìn)沖模較一般沖壓模具而言，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模具的制造難度及精度要求相對較高，制作周期較長，因而對模具設(shè)計及工藝編排專業(yè)技術(shù)人員的要求更高[2]。
1冷沖模具工業(yè)在歷史上的背景
冷沖壓加工工藝，在我國已有悠久的歷史。據(jù)文獻(xiàn)記載：我國勞動人民遠(yuǎn)在青銅時期就發(fā)現(xiàn)了金屬具有錘擊變形的性能；到了戰(zhàn)國時代（公元前403-221年）已經(jīng)能煉劍淬火?？梢钥隙?，我們的祖先，在2300年前已掌握了錘擊金屬制造兵器和各種日用品技術(shù)。在漫長的封建社會時期，我國勞動在金、銀、銅裝飾品和日用品的制作中，顯示出精巧的工藝技術(shù)和高超的藝術(shù)水平[1]。
2冷沖模具工業(yè)的現(xiàn)狀
沖模是模具的重要組成部份。點模具總量的40%～45%，沖壓加工具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、成本低等顯著特點，因而在汽車、機(jī)械、電子、輕工、家電、通信、軍事和航空航天等領(lǐng)域的產(chǎn)品生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用，其中60%～80%的零件采用沖模加工生產(chǎn)，作用不可替代。隨著近代工業(yè)的發(fā)展，冷沖壓技術(shù)得到迅速發(fā)展。
在冷沖壓工藝方面，因為研究和推廣應(yīng)用旨在提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本和擴(kuò)大沖壓工藝應(yīng)用范圍的各種沖壓新工藝成為沖壓技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。目前國內(nèi)外涌現(xiàn)并迅速用于生產(chǎn)的沖壓先進(jìn)工藝。高效、精密、多功能、長壽命多工位級進(jìn)模和汽車覆蓋件沖模的設(shè)計制造水平代表了現(xiàn)代沖模的技術(shù)水平。我國能夠設(shè)計制造出機(jī)電一體化的達(dá)到國際先進(jìn)水平的高效、精密、長壽命多工位級進(jìn)模，工作零件精度達(dá)到2～5，步距精度達(dá)到2～3，總壽命達(dá)到1億模次以上[3]。
我國的模具工業(yè)的發(fā)展，日益受到人們的重視和關(guān)注，在電子、汽車、電機(jī)、電器、儀器、儀表、家電和通信等產(chǎn)品中，60%-80%的零部件都要依靠模具成形（型）。用模具生產(chǎn)制件所具備的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和代消耗，是其它加工制造方法所不能比擬的。近幾年，我國模具工業(yè)一直以每年15%左右的增長速度發(fā)展，2003年，我國模具總產(chǎn)值超過400億元人民幣[4]。模具工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，在很大程度上取決于模具加工設(shè)備、軟件及切削刀具的制造水平。如今，人們對手機(jī)、電腦、汽車、手表、數(shù)碼電子等商品的要求一點也不低于發(fā)達(dá)國家。但另一方面，我國生產(chǎn)這些商品所需模具的工作母機(jī)即模具加工設(shè)備的制造水準(zhǔn)，從總體上來說還是比較低的。這就出現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象，這些年我國模具生產(chǎn)所需的先進(jìn)加工設(shè)備、制造軟件及切削刀具進(jìn)口越來越多。去年，我國機(jī)床進(jìn)口約60億美元，其中用于模具生產(chǎn)的就占十分之一；去年我國模具生產(chǎn)所需超硬質(zhì)合金和陶瓷等超硬刀具銷售額約12億元，其中90%依賴進(jìn)口[5]。
計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)在模具技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，使模具設(shè)計制造水平發(fā)生了深刻的革命性的變化。目前最為突出的是模具CAD/CAE/CAM。在這方面，國際上有許多應(yīng)用成熟的計算機(jī)軟件，我國不但能消化、應(yīng)用國外的有關(guān)軟件，少數(shù)單位還能自行開發(fā)或正在開發(fā)模具CAD/CAE/CAM軟件。在一些行業(yè)，如汽車行業(yè)的主要模具企業(yè)，實現(xiàn)了模具CAD/CAE/CAM一體化。盡管其總體水平與國際上的還有差距，但它代表了我國模具技術(shù)的發(fā)展成果與發(fā)展方向。
3本設(shè)計的目的與意義
固定塊的形狀、尺寸和表面質(zhì)量是由模具保證的，所以在大量生產(chǎn)中可以獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量，可以滿足一般的裝配和使用要求。沖壓加工可通過使材料產(chǎn)生塑性變形制造復(fù)雜形狀的工作，這是其他工藝方法難以實現(xiàn)的。沖壓加工工具由很高的生產(chǎn)率。一般在一臺沖壓設(shè)備上每分鐘可以生產(chǎn)小尺寸工件幾件到幾十件，高速沖床可達(dá)幾百件，這是其它任何方法都無法實現(xiàn)的。[6]此外，沖壓加工所用胚料是板材或卷料，通常又是在常溫下加工，故易于實現(xiàn)機(jī)械化與自動化，可大幅度的提高生產(chǎn)率。沖壓工藝具有生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低、材料利用率高、能成型復(fù)雜零件、適合大批量生產(chǎn)的優(yōu)點，在某些領(lǐng)域已取代機(jī)械加工，并逐漸擴(kuò)大其工藝范圍。因此，研究沖壓工藝技術(shù)對發(fā)展生產(chǎn)、增強(qiáng)效益、更新產(chǎn)品等方面具有重要作用。
固定塊生產(chǎn)批量很大，若采用單工序沖壓，工裝投入多，成本大，生產(chǎn)效率低。而且難以滿足零件較高的尺寸精度要求。為此。采用沖孔、落料、彎曲級進(jìn)模。通過本設(shè)計，學(xué)習(xí)沖壓模具設(shè)計的特點和全過程，訓(xùn)練工程設(shè)計能力，并對大學(xué)四年所學(xué)知識來一個很好的綜合，查漏補(bǔ)缺。更重要的親身經(jīng)歷整個設(shè)計過程，認(rèn)真分析設(shè)計的每一部分，更或觸類旁通，在精神上、思想上有一個明悟，為將來的工作、生活打下良好的基礎(chǔ)。
4本課題在國內(nèi)外發(fā)展概況及存在的問題
多工位級進(jìn)模和多功能模具是我國重點發(fā)展的精密模具品種。目前，國內(nèi)已可制造具有自動沖切、疊壓、鉚合、計數(shù)、分組、轉(zhuǎn)子鐵芯扭斜和安全保護(hù)等功能的安全保護(hù)功能的鐵芯精密自動疊片多功能模具。生產(chǎn)的電機(jī)定轉(zhuǎn)子雙回轉(zhuǎn)疊片硬質(zhì)合金級進(jìn)模的步距精度可達(dá)20μm，壽命達(dá)到1億次以上。[7]其他的多工位級進(jìn)模，如用于集成電路引線框架的20～30工位的級進(jìn)模，用于電子槍零件的硬質(zhì)合金級進(jìn)模和空調(diào)器散熱片的級進(jìn)模，也已達(dá)到較高水平。
我國精密多工位級進(jìn)模還為數(shù)不多，模具平均壽命不足100萬次，模具最高壽命達(dá)到1億次以上，精度達(dá)到3～5um，有50個以上的級進(jìn)工位，與國際上最高模具壽命6億次，平均模具壽命5000萬次相比，處于80年代中期國際先進(jìn)水平。[8]目前，國內(nèi)已能生產(chǎn)精度達(dá)2微米的精密國工位級進(jìn)模，工位最多已達(dá)160個，壽命達(dá)到1～2億次。[9]有代表的是集機(jī)電一體化的鐵芯精密自動疊片多功能模具，已達(dá)到國際水平。如南京長江機(jī)器制造廠的電機(jī)鐵芯自動疊鉚硬質(zhì)合金多工位級進(jìn)模具有自動沖切、疊壓、鉚合、計數(shù)、分組、轉(zhuǎn)子鐵芯扭斜，安全保護(hù)功能，凹模采用拼塊式，零配件可互換。常州寶馬集團(tuán)公司的步進(jìn)電機(jī)定轉(zhuǎn)子帶雙回疊片硬質(zhì)合金級進(jìn)模。具有轉(zhuǎn)子沖片落料、旋轉(zhuǎn)72o再疊片，定子沖片落料、回轉(zhuǎn)90o再疊片等功能。這兩項模具精度達(dá)到2oμ m，步距精度2-3μ m，雙回轉(zhuǎn)精度11，壽命達(dá)到1億次以上，制造周期5-6個月，而價格僅為同類進(jìn)口模具的1/2-1/3，已達(dá)到國際先進(jìn)水平，完全可以替代進(jìn)口。而其他如48、54、68條腿集成電路柜架多工位級進(jìn)模、電子槍硬質(zhì)合金多工位級進(jìn)模、別克轎車安全帶座式工位級進(jìn)模、空調(diào)器散熱片多工位級進(jìn)模，均達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。[10]總體上和國外級進(jìn)模相比，在制造精度、使用壽命、模具結(jié)構(gòu)和功能上，仍存在一定差距。
體現(xiàn)高水平制造技術(shù)的多工位級進(jìn)模具覆蓋面大增,已從電機(jī)、電器鐵芯模具擴(kuò)大到接插件、電子元器件、汽車零件、空調(diào)器散熱片等家用電器零件模具上。模具質(zhì)量、模具壽命明顯提高，模具交貨期較前縮短。模具CAD/CAM技術(shù)相當(dāng)廣泛地得到應(yīng)用，并開發(fā)出了自主版權(quán)的模具CAD/CAMA軟件。電加工、數(shù)控加工在模具制造技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，尤其是這一領(lǐng)域的高新技術(shù)快速原型制造技術(shù)（RPM）進(jìn)展很快，國內(nèi)有多家企業(yè)已自行開發(fā)出達(dá)到國際水平的相關(guān)設(shè)備。[11]在“八五”、“九五”期間。我國已有一大批模具企業(yè)推廣普及了計算機(jī)繪圖技術(shù)，數(shù)控加工的使用率越來越高，特別是以生產(chǎn)家用電器的企業(yè)為代表，陸續(xù)引進(jìn)了相當(dāng)數(shù)量的CAD/CAM系統(tǒng)。我國自主開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)也有很大發(fā)展。我國整個模具工業(yè)的發(fā)展趨勢來看，雖然經(jīng)過改革開放20年來的努力，在飛速縮小與先進(jìn)國家的差距，但這個差距還是明顯的，不論是設(shè)計水平還是制造工藝水平方面，都還需要急起直追，例如我國目前模具產(chǎn)品的自給率僅為70% ，產(chǎn)品的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，先進(jìn)制造技術(shù)NC、CNC加工設(shè)備層次低、數(shù)量少，開發(fā)利用率低，CAD/CAM技術(shù)采用不普遍，其他如大型化、精密化模具、多功能復(fù)合模具、熱流道塑料模具、氣體輔助注射模具、高壓注射成型模具以及快速經(jīng)濟(jì)模具產(chǎn)品以待開發(fā)。[12]另外，模具設(shè)計與制造先進(jìn)工藝的引進(jìn)和普及也勢在必行，如模具優(yōu)質(zhì)材料的應(yīng)用及先進(jìn)的表面處理和智能化、自動化拋光技術(shù)、快速原型制造技術(shù)(RPM)、模具高速掃描及數(shù)字化系統(tǒng)、模具加工柔性同步系統(tǒng)等。
近些年來，級進(jìn)組合沖裁模在車身制造中開始得到越來越廣泛的應(yīng)用，用級進(jìn)模直接把卷材加工成型零件和拉伸件，加工的零件也越來越大，省去了用多工位壓力機(jī)和成套模具生產(chǎn)所必需串接的板材剪切、涂油、板坯運輸?shù)群罄m(xù)工序。[13]級進(jìn)組合沖模已在美國汽車工業(yè)中普遍應(yīng)用，其優(yōu)點是生產(chǎn)率高，模具成本低，不需要板料剪切，與多工位壓力機(jī)上使用的階梯模相比，節(jié)約30%，但是，級進(jìn)組合沖模技術(shù)的應(yīng)用受拉伸深度、導(dǎo)向和傳輸?shù)膸Р谋砻嬗不南拗浦饕糜诶焐疃缺容^淺的簡單零件，因此不能完全代替多工位壓力機(jī)，絕大多數(shù)零件應(yīng)優(yōu)先考慮在多工位壓力機(jī)上加工。
5應(yīng)解決的主要問題及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求
1）成型設(shè)備選擇：根據(jù)沖壓工藝的性質(zhì)、生產(chǎn)和批量大小，制件的幾何形狀、尺寸及精度要求，以及安全操作等因素來確定；
2）排樣設(shè)計：通過幾種排樣方案的設(shè)計，確定最佳的排樣方案;
3)卸料裝置設(shè)計：工作穩(wěn)定，并能確保凸模與板料順利分離；
4）定位裝置設(shè)計、托料裝置設(shè)計：確保板料順利送進(jìn)，準(zhǔn)確定位；
5）凸、凹模設(shè)計：凸、凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，強(qiáng)度足夠，刃口尺寸精確，確保能生產(chǎn)出合格制件。
6總結(jié)
目前我國模具工業(yè)的發(fā)展步伐日益加快，但在整個模具設(shè)計制造水平和標(biāo)準(zhǔn)化程度上，與德國、美國、日本的發(fā)達(dá)國家相比還存在相當(dāng)大的差距。存在的問題和差距主要表現(xiàn)在下列5個方面：（1）總量供不應(yīng)求。（2）企業(yè)組織結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)和進(jìn)出口結(jié)構(gòu)都不合理。（3）模具產(chǎn)品水平低很多，生產(chǎn)周期長。（4）開發(fā)能力較差，經(jīng)濟(jì)效益較差。（5）與國際水平相比，模具企業(yè)的管理落后[14]。
由此可得，我國模具制造，應(yīng)該向以下所述的幾點進(jìn)行實行。這樣對我國的模具行業(yè)有巨大的歷史意義，這影響著我國能不能走到世界的前列和引領(lǐng)模具技術(shù)潮流。1.CAD/CAE/CAM計算機(jī)輔助設(shè)計、模擬、制造一體化2.先進(jìn)設(shè)備在現(xiàn)代模具制造中的作用3.模具材料及表面處理技術(shù)。模具技術(shù)未來發(fā)展趨勢主要是朝信息化、高速化生產(chǎn)與高精度化發(fā)展。(1)使計算機(jī)輔助設(shè)計/加工/工程技術(shù)得到廣泛使用。(2)讓大型模具企業(yè)擁有高速數(shù)控加工/加工中心/數(shù)控機(jī)床等先進(jìn)的加工工藝與裝備,可以開展RP/RT或模具逆向工程工作,使硬件裝備站在與世界基本同步的水平線上。(3)在沖模的表面精整加工技術(shù)方面,要開展積極探索、積累經(jīng)驗。借助高速、精密的加工設(shè)備加工生產(chǎn),獲得良好的尺寸精度和表面粗糙度,用新型的研磨或拋光方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工研磨拋光,提高模具質(zhì)量。
在模具制造的方法中，冷沖壓與其他加工方法相比，具有獨到的特點：操作工藝方便，便于組織生產(chǎn)，是一種高效低耗的加工方法，適合大批量生產(chǎn)。而且沖壓出的零件制品一般不需要進(jìn)一步機(jī)械加工，互換性好，在耗費不大的情況下能獲得強(qiáng)度高、剛度大而重量輕的零件。所以在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其在大批量生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。相當(dāng)多的工業(yè)部門都越來越多地次采用冷沖壓加工產(chǎn)品零部件，如機(jī)械制造、車輛生產(chǎn)、航空航天、電子、電器、輕工、儀表及日用品等行業(yè)。在這些工業(yè)部門中，沖壓件所占的比重都相當(dāng)大，不少過去用鑄造、鍛造、切削加工方法制造的零件，現(xiàn)在已被質(zhì)量輕、剛度好的沖壓件所代替[15]。通過沖壓加工，大大提高了生產(chǎn)率，降低了成本?？梢哉f，如果在生產(chǎn)中不廣泛采用沖壓工藝，許多工業(yè)部門的產(chǎn)品要提高生產(chǎn)率、提高質(zhì)量、降低成本，進(jìn)行產(chǎn)品的更新?lián)Q代是難以實現(xiàn)的。
我國沖壓模具產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝水平,總體上比國際先進(jìn)水平低許多,而模具生產(chǎn)周期卻要比國際先進(jìn)水平長許多。產(chǎn)品質(zhì)量水平低主要表現(xiàn)在精度、表面粗糙度、壽命及模具的復(fù)雜程度上;生產(chǎn)工藝水平低則主要表現(xiàn)在加工工藝、加工裝備等方面。在模具壽命上，合理選擇模具材料是非常重要的[16]。壓力容器作為沖壓模具的產(chǎn)品之一，其分析標(biāo)準(zhǔn)一定要與國際相符合。為此，國內(nèi)較有實力的壓力容器制造廠為了使生產(chǎn)的壓力容器產(chǎn)品能順利進(jìn)入國際市場,陸續(xù)取得ASME認(rèn)證證書[17]。
模具制造產(chǎn)業(yè)是制造產(chǎn)業(yè)之一，而制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)志著一個國家的綜合國力及技術(shù)水平。因此大力發(fā)展模具制造產(chǎn)業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中所必須計劃到的。本次設(shè)計固定塊連續(xù)模雖然不能為整個行業(yè)做出什么貢獻(xiàn)，但我希望能夠通過本次的設(shè)計制作有所體會和認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)一些問題，提供一些有用的資料。
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