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1 緒論
1.1 概述
沖壓成形作為現(xiàn)代工業(yè)中一種十分重要的加工方法，用以生產(chǎn)各種板料零件,具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其成形件具有自重輕、剛度大、強(qiáng)度高、互換性好、成本低、生產(chǎn)過(guò)程便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種其它加工方法所不能相比和不可替代的先進(jìn)制造技術(shù)，在制造業(yè)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、能源、機(jī)械、信息、航空航天、國(guó)防工業(yè)和日常生活的生產(chǎn)之中。
在吸收了力學(xué)、數(shù)學(xué)、金屬材料學(xué)、機(jī)械科學(xué)以及控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的知識(shí)后，已經(jīng)形成了沖壓學(xué)科的成形基本理論。以沖壓產(chǎn)品為龍頭，以模具為中心，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，在產(chǎn)品的巨大市場(chǎng)需求刺激和推動(dòng)下，沖壓成形技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化和提高人民生活水平方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
1.2 沖壓技術(shù)的進(jìn)步
進(jìn)幾十年來(lái)，沖壓技術(shù)有了飛速的發(fā)展，它不僅表現(xiàn)在許多新工藝與新技術(shù)在生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用上，如：旋壓成形、軟模具成形、高能率成形等，更重要的是人們對(duì)沖壓技術(shù)的認(rèn)識(shí)與掌握的程度有了質(zhì)的飛躍[1]。
現(xiàn)代沖壓生產(chǎn)是一種大規(guī)模繼續(xù)作業(yè)的制造方式，由于高新技術(shù)的參與和介入，沖壓生產(chǎn)方式由初期的手工操作逐步進(jìn)化為集成制造（圖1-1）。生產(chǎn)過(guò)程逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化、并且正在向智能化、集成化的方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化沖壓作業(yè)，體現(xiàn)安全、高效、節(jié)材等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)是沖壓生產(chǎn)的發(fā)展方向。
圖1-1 沖壓作業(yè)方式的進(jìn)化
沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)使沖壓制造的概念有了本質(zhì)的飛躍。結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)信息系統(tǒng)和現(xiàn)代化管理信息系統(tǒng)的成果，由這三方面組合又形成現(xiàn)代沖壓新的生產(chǎn)模式—計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）。把產(chǎn)品概念形成、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、售后服務(wù)全過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)等技術(shù)融為一體，將會(huì)給沖壓制造業(yè)帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益，使現(xiàn)代沖壓技術(shù)水平提高到一個(gè)新的高度。
1.3 模具的發(fā)展與現(xiàn)狀
模具技術(shù)水平的高低，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力，因此已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志。
現(xiàn)代模具行業(yè)是技術(shù)、資金密集型的行業(yè)。它作為重要的生產(chǎn)裝備行業(yè)在為各行各業(yè)服務(wù)的同時(shí)，也直接為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務(wù)。由于模具生產(chǎn)要采用一系列高新技術(shù)，如CAD/CAE/CAM/CAPP等技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、激光技術(shù)、逆向工程和并行工程、快速成型技術(shù)及敏捷制造技術(shù)、高速加工及超精加工技術(shù)等等，因此，模具工業(yè)已成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要組成部分，有人說(shuō)，現(xiàn)代模具是高技術(shù)背景下的工藝密集型工業(yè)。模具技術(shù)水平的高低，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力，因此已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志。
模具工業(yè)是無(wú)以倫比的"效益放大器"。用模具加工產(chǎn)品大大提高了生產(chǎn)效率，而且還具有節(jié)約原材料、降低能耗和成本、保持產(chǎn)品高一致性等特點(diǎn)。因此模具被稱(chēng)為"效益放大器"，在國(guó)外，模具被稱(chēng)為"金鑰匙"、"進(jìn)入富裕社會(huì)的原動(dòng)力"等等。從另一個(gè)角度上看，模具是人性化、時(shí)代化、個(gè)性化、創(chuàng)造性的產(chǎn)品。更重要的是模具發(fā)展了，使用模具的產(chǎn)業(yè)其產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力也提高了。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料，模具可帶動(dòng)其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的比例大約是1:100，即模具發(fā)展1億元，可帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)100億元。
模具不是批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。它具有單件生產(chǎn)和對(duì)特定用戶(hù)的依賴(lài)特性。就模具行業(yè)來(lái)說(shuō)，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，不能采用通常的引進(jìn)產(chǎn)品許可證和技術(shù)轉(zhuǎn)讓等方式，而主要是引進(jìn)已經(jīng)商品化了的CAD/ CAM /CAE軟件和精密加工設(shè)備等。模具的CAD/CAE/CAM涉及面廣、集多種學(xué)科與工程技術(shù)于一體，是綜合型、技術(shù)密集型產(chǎn)品。如塑料模具的CAE技術(shù)要利用高分子材料學(xué)、流變學(xué)、傳熱學(xué)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等知識(shí)，涉及的領(lǐng)域還包括聲波及電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等各類(lèi)物理場(chǎng)，通過(guò)工程分析、來(lái)建立塑料成型的數(shù)學(xué)和物理模型，構(gòu)造有效的數(shù)值計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真分析?，F(xiàn)代化的模具要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造、數(shù)字化管理、數(shù)字化生產(chǎn)流程。這些模具的數(shù)字化代表了現(xiàn)代模具的一個(gè)方面，沒(méi)有模具的數(shù)字化，就沒(méi)有現(xiàn)代模具。模具的CAD/CAE/CAM技術(shù)日新月異，重要的工作是后續(xù)對(duì)人員的培訓(xùn)和對(duì)于引進(jìn)的軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。像我們熟知的CIMATRON公司不但在塑料模具的CAD/ CAM軟件上在中國(guó)保持其市場(chǎng)占有率并且在擴(kuò)大，而且在沖壓模具、多成份橡膠制鞋模具等領(lǐng)域開(kāi)拓，也將大顯身手；開(kāi)發(fā)FUTABA、LKM、MISUMI標(biāo)準(zhǔn)模架數(shù)據(jù)庫(kù)的工作也已提上日程。這是為模具行業(yè)服務(wù)的具體體現(xiàn)。
1、我國(guó)模具工業(yè)基本狀況簡(jiǎn)介
我國(guó)模具工業(yè)近年來(lái)發(fā)展很快，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2003年我國(guó)模具生產(chǎn)廠(chǎng)點(diǎn)約有２萬(wàn)多家，從業(yè)人員約50多萬(wàn)人，2004年模具行業(yè)的發(fā)展保持良好勢(shì)頭，模具企業(yè)總體上訂單充足，任務(wù)飽滿(mǎn)，2004年模具產(chǎn)值530億元。進(jìn)口模具18.13億 美元，出口模具4.91億美元，分別比2003年增長(zhǎng)18%、32.4%和45.9%。進(jìn)出口之比2004年為3.69:1，進(jìn)出口相抵后的進(jìn)凈口達(dá)13.2億美元，為凈進(jìn)口量較大的國(guó)家。
在２萬(wàn)多家生產(chǎn)廠(chǎng)點(diǎn)中，有一半以上是自產(chǎn)自用的。在模具企業(yè)中，產(chǎn)值過(guò)億元的模具企業(yè)只有20多家，中型企業(yè)幾十家，其余都是小型企業(yè)，多數(shù)只有幾十名職工，百十萬(wàn)產(chǎn)值，自有資金有限，靠自我發(fā)展很困難。 近年來(lái)， 模具行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和體制改革步伐加快，主要表現(xiàn)為：大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命中高檔模具及模具標(biāo)準(zhǔn)件發(fā)展速度快于一般模具產(chǎn)品；塑料模和壓鑄模比例增大；專(zhuān)業(yè)模具廠(chǎng)數(shù)量增加，能力提高較快；"三資"及私營(yíng)企業(yè)發(fā)展迅速；國(guó)企股份制改造步伐加快等。
2004年模具行業(yè)還顯現(xiàn)另外兩個(gè)特點(diǎn)，一是各地政府對(duì)模具工業(yè)的發(fā)展進(jìn)一步關(guān)注。許多地方政府進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到模具工業(yè)對(duì)發(fā)展制造業(yè)的重要意義，因此加強(qiáng)了模具工業(yè)園區(qū)的建設(shè)。已有的園區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，如寧波余姚、寧海和蘇州昆山等模具園區(qū)都有所擴(kuò)大；新的模具工業(yè)園區(qū)正在加緊建設(shè)，如重慶、大連、深圳市等已建立模具園區(qū)；另外沈陽(yáng)、西安、成都、上海、寧波北侖、浙江黃巖等地都在積極籌備建立模具園區(qū)，以利帶動(dòng)地區(qū)模具及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈乃至制造業(yè)的發(fā)展，有些高科園內(nèi)模具企業(yè)已占有相當(dāng)?shù)姆萘?，像天津高新區(qū)就有40多家模具企業(yè)。
二是外資及社會(huì)投資模具產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)顯著。許多地方加強(qiáng)了吸引外資及合資投入模具工業(yè)的工作，特別是在高新技術(shù)園區(qū)和工業(yè)園區(qū)，外資、合資模具企業(yè)進(jìn)一步增加，如蘇州昆山模具園區(qū)，60%以上是外資企業(yè)。大連模具園區(qū)到日本、韓國(guó)招商。而有些地區(qū)高科技園內(nèi)模具企業(yè)已占有相當(dāng)?shù)姆萘?，像天津高新區(qū)有40多家模具企業(yè)。由于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的拉動(dòng)，社會(huì)投資模具產(chǎn)業(yè)有所加強(qiáng)，如五糧液集團(tuán)投資5億元建立汽車(chē)模具生產(chǎn)廠(chǎng)，比亞迪公司投資2億元建立了北京汽車(chē)模具公司，等等。
從地區(qū)分布來(lái)說(shuō)，以珠江三角洲和長(zhǎng)江三角洲為中心的東南沿海地區(qū)（模具產(chǎn)值已占全國(guó)總量的70%左右）發(fā)展快于中西部地區(qū)，南方的發(fā)展快于北方。目前發(fā)展最快、模具生產(chǎn)較為集中的省份是廣東和浙江。我國(guó)模具總量雖然已位居日、美、德之后，但設(shè)計(jì)制造水平在總體上要比德、美、日、法、意等發(fā)達(dá)國(guó)家落后許多，也要比英國(guó)、加拿大、西班牙、葡萄牙、韓國(guó)、新加坡等有差距。
2、落后和差距主要表現(xiàn)在下列幾方面
（1）總量供不應(yīng)求、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不夠合理。
其中中低檔模具供過(guò)于求，中高檔模具自配率嚴(yán)重不足，大量進(jìn)口。國(guó)內(nèi)模具總量中屬大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命模具的比例不足30%，國(guó)外在50%以上。
（2）企業(yè)組織結(jié)構(gòu)都不夠合理。
我國(guó)模具生產(chǎn)廠(chǎng)點(diǎn)中多數(shù)是自產(chǎn)自配的工模具車(chē)間（分廠(chǎng)），自產(chǎn)自配比例高達(dá)60%左右，國(guó)外70%以上是商品模具；專(zhuān)業(yè)模具廠(chǎng)也大多數(shù)是"大而全 "、"小而全"的組織形式，國(guó)外模具企業(yè)是"大而專(zhuān)"、"大而精"。2004年中國(guó)模協(xié)在德國(guó)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，從德國(guó)工、模具行業(yè)組織--德國(guó)機(jī)械制造商聯(lián)合會(huì)（VDMA）工模具協(xié)會(huì)了解到，德國(guó)有模具企業(yè)約5000家。2003年德國(guó)模具產(chǎn)值達(dá)48億歐元。其中（VDMA）會(huì)員模具企業(yè)有90家，這90家骨干模具企業(yè)的產(chǎn)值就占德國(guó)模具產(chǎn)值的90%，可見(jiàn)其規(guī)模效益。
（3） 工藝裝備水平低，且配套性不好，利用率低，技術(shù)結(jié)構(gòu)、模具產(chǎn)品水平比國(guó)際水平低許多。而模具生產(chǎn)周期卻要比國(guó)際水平長(zhǎng)許多。
產(chǎn)品水平低主要表現(xiàn)在對(duì)后續(xù)使用模具制造制件的工藝（如沖壓工藝）理解上，在模具設(shè)計(jì)上；在加工中精度、型腔表面粗糙度、壽命及模具的復(fù)雜程度上等。現(xiàn)代模具行業(yè)是技術(shù)密集型、資金密集型的產(chǎn)業(yè)，由于模具行業(yè)是微利行業(yè)，因而總體來(lái)看模具行業(yè)在科研開(kāi)發(fā)和技術(shù)攻關(guān)方面投入太少，至使科技進(jìn)步的步伐跟不上模具市場(chǎng)的需要。雖然國(guó)內(nèi)許多企業(yè)已引進(jìn)了不少?lài)?guó)外先進(jìn)設(shè)備，但總的來(lái)看裝備水平仍比國(guó)外企業(yè)落后許多，特別是設(shè)備數(shù)控率和CAD/CAM應(yīng)用覆蓋率要比國(guó)外企業(yè)低得多。由于體制和資金等方面原因，引進(jìn)設(shè)備不配套、設(shè)備與附配件不配套現(xiàn)象十分普遍，設(shè)備利用率低，開(kāi)發(fā)能力較差，科研開(kāi)發(fā)及技術(shù)攻關(guān)方面投入太少。不重視產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中常處于被動(dòng)地位。
（4）技術(shù)人才嚴(yán)重不足，經(jīng)濟(jì)效益欠佳。隨著時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，能掌握和運(yùn)用新技術(shù)的人才如模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具工藝設(shè)計(jì)異常短缺，高級(jí)鉗工及企業(yè)管理人才也非常緊缺。我國(guó)模具企業(yè)技術(shù)人員比例低，水平也較低，我國(guó)每個(gè)職工平均每年創(chuàng)造模具產(chǎn)值約合1萬(wàn)美元左右，國(guó)外模具工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家大多15～20萬(wàn)美元，有的達(dá)到 25～30萬(wàn)美元。我國(guó)模具企業(yè)大都微利，缺乏后勁。
（5）與國(guó)際水平相比，模具企業(yè)的管理落后更甚于技術(shù)落后。技術(shù)落后易被發(fā)現(xiàn)，管理落后易被忽視。國(guó)內(nèi)大多數(shù)模具企業(yè)還沿用過(guò)去作坊式管理模式，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化企業(yè)管理的還不多。信息化、數(shù)字化管理在模具企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)在剛剛開(kāi)始。
（6）專(zhuān)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、商品化的程度低，協(xié)作差。
由于長(zhǎng)期以來(lái)受"大而全""小而全"影響，模具專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)水平低，專(zhuān)業(yè)化分工不細(xì)，商品化程度也低。目前國(guó)內(nèi)每年生產(chǎn)的模具，商品模具只占40%左右，其余為自產(chǎn)自用。模具企業(yè)之間協(xié)作不好，難以完成較大規(guī)模的模具成套任務(wù)。與國(guó)際水平相比要落后許多。模具標(biāo)準(zhǔn)化水平低， 模具標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率低也對(duì)模具質(zhì)量、成本有較大影響，特別是對(duì)模具制造周期有很大影響。
20年來(lái)我國(guó)模具制造水平有了很大的提高，模具的CAD/ CAM已很普遍，CAM/CAPP也在積極推廣。如今我國(guó)生產(chǎn)的模具精度已達(dá)到微米級(jí)，與20年前相比，模具壽命提高了幾十倍，模具生產(chǎn)周期縮短了約3/4，模具的標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率從幾乎是零，達(dá)到45%左右。
20年來(lái)我國(guó)模具人才的培養(yǎng)也上了一個(gè)很大的臺(tái)階。20年前我國(guó)大專(zhuān)院校都沒(méi)有設(shè)立模具專(zhuān)業(yè)的，而如今，已有六、七十所大專(zhuān)院校設(shè)立了模具專(zhuān)業(yè)。中國(guó)模協(xié)在全國(guó)建有38個(gè)模具人才培訓(xùn)基地，CIMATRON也是中國(guó)模協(xié)的人才培訓(xùn)基地之一，自然肩負(fù)著軟件的推廣、軟件的二次開(kāi)發(fā)及人才培訓(xùn)工作。
上述情況正是我們模具行業(yè)和模具相關(guān)行業(yè)要一同努力，使之發(fā)展的領(lǐng)域，在這里，我們要感謝CIMATRON軟件對(duì)中國(guó)模具行業(yè)的貢獻(xiàn)，希望CIMATRON中國(guó)公司進(jìn)一步在模具軟件的開(kāi)發(fā)、普及和培訓(xùn)人才方面，與中國(guó)模具企業(yè)一同發(fā)展。
1.4 模具CAD/CAE/CAM技術(shù)
沖壓技術(shù)的進(jìn)步首先通過(guò)模具技術(shù)的進(jìn)步來(lái)體現(xiàn)出來(lái)。對(duì)沖模技術(shù)性能的研究已經(jīng)成為發(fā)展沖壓成形技術(shù)的中心和關(guān)鍵。
20世紀(jì)60年代初期，國(guó)外飛機(jī)、汽車(chē)制造公司開(kāi)始研究計(jì)算機(jī)在模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用。通過(guò)以計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段，以數(shù)學(xué)模型為中心，采用人機(jī)互相結(jié)合、各盡所長(zhǎng)的方式，把模具的設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、制造、檢驗(yàn)、生產(chǎn)過(guò)程連成一個(gè)有機(jī)整體，使模具技術(shù)進(jìn)入到綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的新階段。模具的高精度、高壽命、高效率成為模具技術(shù)進(jìn)步的特征。
模具CAD/CAE/CAM是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)，是一項(xiàng)高科技、高效益的系統(tǒng)工程。它以計(jì)算機(jī)軟件的形式，為企業(yè)提供一種有效的輔助工具，使工程技術(shù)人員借助于計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品性能、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝、數(shù)控加工及生產(chǎn)管理進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化[4]。模具CAD/CAE/CAM技術(shù)能顯著縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期，降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量已成為模具界的共識(shí)。
模具CAD/CAE/CAM在近20年中經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從試點(diǎn)到普及的過(guò)程。進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，模具CAD/CAE/CAM技術(shù)發(fā)展速度更快，應(yīng)用范圍更廣。
在級(jí)進(jìn)模CAD/CAE/CAM發(fā)展應(yīng)用方面，本世紀(jì)初，美國(guó)UGS公司與我國(guó)華中科技大學(xué)合作在UG-II（現(xiàn)為NX）軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出基于三維幾何模型的級(jí)進(jìn)模CAD/CAM軟件NX-PDW。該軟件包括工程初始化、工藝預(yù)定義、毛坯展開(kāi)、毛坯排樣、廢料設(shè)計(jì)、條料排樣、壓力計(jì)算和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等模塊。具有特征識(shí)別與重構(gòu)、全三維結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)等顯著特色，已在2003年作為商品化產(chǎn)品投入市場(chǎng)。與此同時(shí)，新加波、馬來(lái)西亞、印度及我國(guó)臺(tái)灣、香港有關(guān)機(jī)構(gòu)和公司也在開(kāi)發(fā)和試用新一代級(jí)進(jìn)模CAD/CAM系統(tǒng)。
我國(guó)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)和北京機(jī)電研究院等相繼開(kāi)展了級(jí)進(jìn)模CAD/CAM系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。如華中科技大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在AutoCAD軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出基于特征的級(jí)進(jìn)模CAD/CAM系統(tǒng)HMJC，包括板金零件特征造型、基于特征的沖壓工藝設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件及典型結(jié)構(gòu)建庫(kù)工具和線(xiàn)切割自動(dòng)編程5個(gè)模塊。上海交通大學(xué)為瑞士法因托（Finetool）精沖公司開(kāi)發(fā)成功精密沖裁級(jí)進(jìn)模CAC/CAM系統(tǒng)。西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)出多工位彎曲級(jí)進(jìn)模CAD系統(tǒng)等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些軟件公司也競(jìng)相加入了級(jí)進(jìn)模CAD/CAM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)行列，如深圳雅明軟件制作室開(kāi)發(fā)的級(jí)進(jìn)模系統(tǒng)CmCAD、富士康公司開(kāi)發(fā)的用于單沖模與復(fù)合模的CAD系統(tǒng)Fox-CAD等[4]。
展望國(guó)內(nèi)外模具CAD/CAE/CAM技術(shù)的發(fā)展，本世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)正處于日新月異的變革之中，通過(guò)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合，人工智能技術(shù)、并行工程、面向裝配、參數(shù)化特征建模以及關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)等一系列與模具工業(yè)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展之快，學(xué)科領(lǐng)域交叉之廣前所未見(jiàn)。今后10年新一代模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)必然是當(dāng)今最好的設(shè)計(jì)理念、最新的成形理論和最高水平的制造方法相結(jié)合的產(chǎn)物，其特點(diǎn)將反映在專(zhuān)業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化四個(gè)方面。主要表現(xiàn)在[4]：
（1）模具CAD/CAM的專(zhuān)業(yè)化程度不斷提高；
（2）基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAE/CAM一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)初見(jiàn)端倪；
（3）模具CAD/CAE/CAM的智能化引人注目；
（4）與先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合日益緊密。
1.5 課題的主要特點(diǎn)及意義
該課題主要針對(duì)電器開(kāi)關(guān)網(wǎng)芯零件，在對(duì)網(wǎng)芯零件沖孔、落料和拉伸等成形工藝分析的基礎(chǔ)上，提出了該零件采用落料拉伸復(fù)合模和單工序沖孔的沖壓方案；根據(jù)零件的形狀、尺寸精度要求，設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮采用有廢料排樣，保證工件的尺寸和形狀位置精度要求的同時(shí)，提高了材料的利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率。
本課題涉及的知識(shí)面廣，綜合性較強(qiáng)，在鞏固大學(xué)所學(xué)知識(shí)的同時(shí)，對(duì)于提高設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新能力、協(xié)調(diào)能力，開(kāi)闊設(shè)計(jì)思路等方面為作者提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。
落料、拉伸復(fù)合模
2 沖壓工藝方案的制定
圖2-1 零件圖
材料：H62普通黃銅 料厚：1.2mm
該零件為某電器開(kāi)關(guān)網(wǎng)芯，是一家電器生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品中的一個(gè)主要零件，如圖2-1所示,該零件生產(chǎn)屬于中、大批量生產(chǎn)，零件結(jié)構(gòu)緊湊，沖裁壁厚很?。虾駷?.2mm），適宜用復(fù)合沖裁，復(fù)合沖裁是在壓機(jī)的一次行程中，在模具的同一位置同時(shí)完成兩個(gè)或兩個(gè)以上的工序。復(fù)合沖裁與采用連續(xù)沖裁相比，模具制造，安裝調(diào)整較易，成本較低。復(fù)合模結(jié)構(gòu)緊湊，沖出的制件精度較高，生產(chǎn)率也高，適合大批量生產(chǎn)，特別是孔與制件的同心度容易保證。
2.1 工藝分析
圖2-2 零件圖
制件如圖2-2所示
材料為H62，板厚1.2mm，制件精度為IT10級(jí).，形狀簡(jiǎn)單，尺寸不大，大批量生產(chǎn)，屬普通沖壓件。
工藝性分析
根據(jù)制件的材料、厚度、形狀及尺寸，在沖壓工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：
1） 該制件為落料拉深件，在設(shè)計(jì)時(shí)，毛坯尺寸要計(jì)算準(zhǔn)確
2） 沖裁間隙、拉深凸凹模間隙應(yīng)符合制件的要求
3） 各工序凸凹模動(dòng)作行程的確定應(yīng)保證各工序工作穩(wěn)妥、連貫。
工藝方案的分析和確定
1）工藝方案的分析
根據(jù)制件的工藝性分析，其基本工序有落料、拉深兩種。
拉深件的毛坯尺寸及拉深次數(shù)，應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定
a: 毛坯直徑D的計(jì)算
因?yàn)槔钕鄬?duì)高度h/d=16/31.2>0.5 h<20. 由表4-3可得
修邊余量：δ=1.2mm
毛坯直徑D按下式計(jì)算:
D=[d 12+4d2(h+δ)+6.28rd1+8r2]1/2
=[900+2146.56+847.8+11.52]1/2
=63mm
確定是否用壓邊圈：毛坯相對(duì)厚度T/D×102=1.9 查表的出可用可不用壓邊圈
b: 拉深次數(shù)n的計(jì)算
采用查表法，當(dāng)T/D=1.9%，H/D=16-4.5/31.2=0.37
由表4-8查得n=1。采用一次拉伸
C: 確定拉伸直徑
由表4-5查得拉伸極限系數(shù)為M1=0.72, 拉伸直徑：d=0.72×63=45.36mm
d底部的圓角半徑
R=4.5mm
E;拉伸高度
拉伸比k=D/d
H=0.25(DK-d)+0.43r/d(d+0.32r) 將數(shù)據(jù)代入的H=12.53mm
（2）工藝方案的確定
因制件有落料、拉深兩道工序，先落料，后拉深，故采用落料、拉深復(fù)合模。
2.2 排樣圖設(shè)計(jì)
圖2-3 排樣圖
沖裁件在板、條等材料上的布置方法稱(chēng)為排樣。排樣的合理與否，影響到材料的經(jīng)濟(jì)利用率，還會(huì)影響到模具結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)率、制件質(zhì)量、生產(chǎn)操作方便與安全等。因此，排樣是沖裁工藝與模具設(shè)計(jì)中一項(xiàng)很重要的工作。
沖壓件大批量生產(chǎn)成本中，毛坯材料費(fèi)用占60%以上，排樣的目的就在于合理利用原材料。
毛坯排樣圖如圖2-3所示：
3 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
模具總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，凡屬模具，無(wú)論其結(jié)構(gòu)形式如何，一般都是由固定和活動(dòng)兩部分組成。固定部分是用壓鐵、螺栓等緊固件固定在壓力機(jī)的工作臺(tái)面上，稱(chēng)下模；活動(dòng)部分一般固定在壓力機(jī)的滑塊上，稱(chēng)上模。上模隨著滑塊作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行沖壓工作。
一套模具根據(jù)其復(fù)雜程度不同，一般由數(shù)個(gè)、數(shù)十個(gè)甚至更多的零件組成。但無(wú)論其復(fù)雜程度如何，或是那一種結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)模具零件的作用又可以分成五個(gè)類(lèi)型的零件。
1.工作零件 是完成沖壓工作的零件，如凹模、凸模、凹凸模等。見(jiàn)圖3-1中的件4、9、16.
凸模
凹模
2.定位零件 這些零件的作用是保證送料時(shí)有良好的導(dǎo)向和控制送料的進(jìn)距，如擋料銷(xiāo)、定距側(cè)刀、導(dǎo)正銷(xiāo)、定位板、導(dǎo)料板、側(cè)壓板等。見(jiàn)圖3-1中的件6.
3.卸料、推件零件 這些零件的作用是保證在沖壓工序完畢后將制件和廢料排除，以保證下一次沖壓工序順利進(jìn)行。如推件器、卸料板、廢料切刀等，見(jiàn)圖3-1中的推件器11、卸料板8、頂桿3、推桿13.
推件器
卸料板
4.導(dǎo)向零件 這些零件的作用是保證上模與下模相對(duì)運(yùn)動(dòng)有精確的導(dǎo)向，使凸模、凹模間有均勻的間隙，提高沖壓件的質(zhì)量。如導(dǎo)柱、導(dǎo)套、導(dǎo)板等，件圖3-1中的導(dǎo)柱20、導(dǎo)套18.
5.安裝、固定零件 這些零件的作用是使上述四部分零件聯(lián)結(jié)稱(chēng)“整體”，保證各零件間的相對(duì)位置，并使模具能安裝在壓力機(jī)上。如上模板、下模板、模柄、固定板、墊板、螺釘、圓柱銷(xiāo)等，見(jiàn)圖3-1中的件23、1、14、2、5、7、17.
3.1定位裝置
定位部分零件的作用是是毛坯（條料或塊料）送料時(shí)有準(zhǔn)確的位置，保證沖出合格制件，不至沖缺而造成浪費(fèi)。本模具中采用固定擋料銷(xiāo)。固定擋料銷(xiāo)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常見(jiàn)的為圓頭形式。
圖3-1 模具結(jié)構(gòu)示意圖
1-下模板 2-內(nèi)六角螺釘 3-頂桿 4-凹模 5-內(nèi)六角螺釘 6-擋料銷(xiāo) 7-圓柱銷(xiāo) 8-卸料板 9-拉伸凹模 10-內(nèi)六角螺釘 11-推件器 12-內(nèi)六角螺釘 13-推桿 14-模柄 15-擋料銷(xiāo) 16-凸模 17-圓柱銷(xiāo) 18-導(dǎo)套 19-圓柱銷(xiāo) 20-導(dǎo)柱 21-圓柱銷(xiāo) 22-內(nèi)六角螺釘 23-上模板
3.2 出料裝置
（一） 推件裝置
推件有彈性和剛性?xún)煞N形式，但本零件厚度為1..2mm，若用彈性卸料，當(dāng)沖裁較厚時(shí)推件的力量不足，故用剛性推件裝置。推件是靠壓力機(jī)的橫梁作用，推桿的長(zhǎng)度根據(jù)壓力機(jī)相應(yīng)尺寸來(lái)確定，一般在推件位置時(shí)（即滑塊在上死點(diǎn)時(shí)），推桿要超出滑塊孔的高度5-10MM，推件的行程即為橫梁的行程。
（二）卸料裝置
卸料裝置也有剛性卸料和彈性卸料兩種形式。對(duì)于卸料力要求大、卸料板與凹模間又要求有較大的空間位置時(shí)，可采用剛性卸料，此形式卸料力大，但無(wú)壓料作用，毛坯材料厚度大于0.8mm以上時(shí)采用。
4 模具零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1凸、凹模的設(shè)計(jì)
計(jì)算落料凸凹模刃口尺寸
查手冊(cè)，由制件外形尺寸可得，制造公差為△=0.12mm;
精度IT10級(jí)，x=1。
凸模δp=0.020mm,凹模δd=0.030mm
凹模：
Dd=(D-x△)+δd
=(63-1*0.12)+0.030
=62.88+0.030
凸模:
Dp=(Dd-Zmin)- δp
=(D-x△-Zmin) - δp
=(63-1*0.12-0.246)-0.020
=62.63-0.020
計(jì)算拉深凸凹模工作部分的尺寸
查手冊(cè): 凸模δp=0.080mm,凹模δd=0.12mm
制件要求外形尺寸
凹模:
Dd=(D-0.75△) +δd
=(45-0.75*0.12)+0.12
=44.91+0.12mm
凸模:
查手冊(cè),拉深模單邊間隙Z=(1.3~1.5)t=2.5mm
Dp=(D-0.75△-2Z) - δp
= (45-0.75*0.12-2*2.5)-0.080
=44.91-0.080mm
落料力的計(jì)算
查手冊(cè)，H62 τ=420MPa
F沖=L tτ=（29+56）*1.2*3*420=128520KN
卸料力的計(jì)算
查手冊(cè)K1=0.04~~0.05，取K1=0.04。
F卸=K1F沖=0.04*128520=5140.8KN
拉深力的計(jì)算
查手冊(cè) 20鋼 σb=420MPa, K1=0.04
F拉=L tσb k1
=0.04*3.14*45.36*1.2*420
=2871KN
壓力機(jī)總壓力
F總=F落+F卸+F拉
=128520+5140.8+2871
=136532KN
凹模周界尺寸計(jì)算
因制件外形簡(jiǎn)單,制件尺寸也不大,而且只有一個(gè)工位,故應(yīng)采用整體式圓形凹模比較合理.
a 凹模具厚度尺寸
H=
=13.9mm
由于沖裁輪廓線(xiàn)全長(zhǎng)L=251.2>50mm,故應(yīng)乘以修正系數(shù)K
查手冊(cè),K=1.37
H凹模=1.37*13.9=19mm
b 凹模外形尺寸計(jì)算
凹模具壁厚 W=1.2H
=1.2*19
=22.8MM
則凹模外形尺寸D為制件最大尺寸和凹模雙邊壁厚之和
即: D=L+2W
=45+2*22.8
=90.6mm
根據(jù)冷沖壓典型組合尺寸有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
凹模外徑D取146mm
5 沖壓設(shè)備的選用
選擇壓力機(jī)
根據(jù)上述沖壓力的計(jì)算，初步選用型號(hào)為J23-16開(kāi)式雙柱可傾壓力機(jī)。該型號(hào)壓力機(jī)主要技術(shù)規(guī)格如下[8]：
公稱(chēng)壓力 160KN;
滑塊行程 55mm;
最大閉合高度 220mm;
最大裝模高度 180mm;
連桿調(diào)節(jié)量 45mm;
選擇模架
上模座：240*294*40 （GB2855.6-81）
下模座：254*240*45 （GB2855.6-81）
導(dǎo) 柱：28*160 （GB2861.2 -81）
28*160 （GB2861.2 -81）
導(dǎo) 套：42*85*28 （GB/T2861.6 -81）
42*85*28 （GB/T2861.6 -81）
模 柄：A60x100
由4.3節(jié)計(jì)算知：模具閉合高度
故，所選壓力機(jī)裝模高度與模具閉合高度滿(mǎn)足下式
還可以看出取在：，這樣可以避免連桿調(diào)節(jié)過(guò)長(zhǎng)，螺紋接觸面積過(guò)小而被壓壞。
圖中零件說(shuō)明見(jiàn)表5-l.
圖5-1
技術(shù)要求：
1.外形銳邊倒鈍角；
2.在適當(dāng)位置安裝吊棒；
3.導(dǎo)柱與導(dǎo)套的配合為H7/H6；
4.卸料板與落料凹模的單邊間隙為0.4mm；
5.擋料銷(xiāo)與凹模的配合為H9/d9.
6 確定壓力中心
由于該制件的毛坯及各工序件都為長(zhǎng)方形軸對(duì)稱(chēng)圖形，而且只有一個(gè)工位，
因此壓力中心必定與制件的幾何中心重合
沖孔模
零件簡(jiǎn)圖：如圖所示；生產(chǎn)批量：大批量；材料：H62；
材料厚度：1.2mm。
7 沖壓件的工藝分析
該零件形狀簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)，是由圓筒組成的。由表查出，沖裁件內(nèi)外所能達(dá)到的精度為IT11，將以上精度與工件簡(jiǎn)圖中所標(biāo)注的尺寸公差相比較,可認(rèn)為該工件的精度要求能夠在沖裁加工中得到保證.其他尺寸標(biāo)注,生產(chǎn)批量等情況,也均符合沖裁的工藝要求,故決定采用沖孔模進(jìn)行加工,且一次沖壓成形.
8 沖孔工序的計(jì)算
沖孔力
F= Ltb= (109.13Χ1.2Χ420) N=55KN
卸料力
F=KF
K由表2-2查的K=0.02，將以上數(shù)據(jù)代入得1.1KN
8.1確定模具壓力中心
由于此零件是圓型，所以它的壓力中心就在它的幾何中心位置。
9計(jì)算凸、凹模刃口尺寸
查表得間隙值Zmax=0.1mm Zmin=0.07mm
Zmax-Zmin=(0.1-0.07)mm=0.03mm
由表查得凸、凹模制造公差：
落料部分： d=0.030mm p=0.020mm
d+p=(0.030+0.020)mm
=0.050mm
d+pZmax-Zmin
沖孔部分： d1=0.030mm p1=0.020mm
d1+p1=(0.030+0.020)mm
=0.050mm
d1+p1Zmax-Zmin
由表查得 x=0.75
所以落料部分
Dd=(D-x)=(45-0.75Χ2.20)mm=44.35mm
Dp=(Dd-Zmin)=(44.35-0.07)mm=44.28mm
沖孔部分：
dp1=(d1+x)=(30+0.75Χ1.6)mm=31.2mm
dd1=(dp1+Zmin)=(35.2+0.10)=35.3mm
10模具總體設(shè)計(jì)及主要零部件設(shè)計(jì)
沖孔模的結(jié)構(gòu)形式 帶導(dǎo)柱沖孔模（圖10-1）
這種沖孔模，一般用于較小的鍛件的冷沖孔，凸模與凹模間隙小于1.5MM
圖10-1
沖孔凸凹模間的間隙 沖孔時(shí)，刃口設(shè)置在凸模上、凹模只起支承鍛件的作用、凸模按鍛件圖制造，依靠放大凹?？椎某叽绔@得間隙，其間隙=h1tanmm,且保證0.5mm<<3mm.當(dāng)<0.5mm時(shí)應(yīng)設(shè)置導(dǎo)柱導(dǎo)套。
卸料裝置 采用彈性卸料 選用聚氨酯 25*8.5*20
其優(yōu)點(diǎn)如下：
（1）具有較高的強(qiáng)度、單位壓力和剪切力。
（2）硬度低的60A聚氨酯橡膠具有比天然橡膠更好的流動(dòng)性
（3）耐磨、耐油、耐老化以及抗撕裂性能好。
（4）可以進(jìn)行表面無(wú)損成型。
（5）聚氨酯橡膠模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。
（6）切削性能好
沖壓設(shè)備的選擇
選用 開(kāi)式壓力機(jī)
公稱(chēng)壓力：63KN
滑塊行程：35mm
最大閉合高度 150mm;
封閉高度調(diào)節(jié)量 35mm;
選擇模架
上模座：240*294*40 （GB2855.6-81）
下模座：254*240*45 （GB2855.6-81）
導(dǎo) 柱：28*150 （GB2861.6-81）
28*150 （GB2861.6-81）
導(dǎo) 套：42*90*28 （GB/T2861.6-81）
42*90*28 （GB/T2861.6-81）
模 柄：A60x100
墊板厚度?。?mm
凸模固定板厚度取:20mm
凹模的厚度已定為：34mm
卸料板厚度?。?2mm
圖中零件說(shuō)明見(jiàn)表10-l.
圖10-1
技術(shù)要求：
1.外形銳邊倒鈍；
2.在適當(dāng)位置安裝吊棒；
3.導(dǎo)柱與導(dǎo)套的配合為；H7/m6；
4.卸料板與沖頭的單邊間隙為0.4mm;
5.凸模與凹模固定板的配合為H7/m6。
11 模具生產(chǎn)中的故障分析及其解決辦法
在模具的生產(chǎn)中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些故障，給生產(chǎn)造成影響，下面介紹該模具在生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的故障及其解決辦法。
11.1 產(chǎn)品毛刺增大
當(dāng)模具生產(chǎn)一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)零件毛刺增大的現(xiàn)象，這時(shí)應(yīng)當(dāng)檢查凸、凹模刃口，如果發(fā)現(xiàn)刃口磨損或產(chǎn)生崩刃，應(yīng)進(jìn)行刃磨，刃磨后給凸?；虬寄|上相應(yīng)厚度的墊片。當(dāng)凹模經(jīng)過(guò)多次刃磨后，應(yīng)當(dāng)檢查刃口直壁是否已被磨去，如果無(wú)刃口直壁，則要更換凹模鑲塊。
如果凸、凹模刃口無(wú)磨損，而零件上的毛刺不均勻，是因?yàn)闆_裁間隙產(chǎn)生了偏移，這時(shí)要進(jìn)行間隙調(diào)整。
11.2 廢料上浮
在沖壓生產(chǎn)中，廢料上浮是個(gè)影響較大的問(wèn)題，它不但影響生產(chǎn)，甚至?xí)p壞模具。一般來(lái)說(shuō)，圓形或方形等規(guī)則形狀的廢料容易產(chǎn)生上浮，而形狀較復(fù)雜的異形廢料則較少產(chǎn)生上浮[13]。在該模具生產(chǎn)中對(duì)于此種現(xiàn)象產(chǎn)生原因及解決辦法可參考如下：
（1）沖裁間隙大，如果試模階段就經(jīng)常出現(xiàn)廢料上浮，則說(shuō)明沖裁間隙太大，應(yīng)當(dāng)重新制作凹模并減小沖裁間隙。如果只是偶爾產(chǎn)生廢料上浮，可以在凹模腔內(nèi)用電火花放電來(lái)增加粗糙度。
（2）凸模表面太光滑，廢料在大氣壓的作用下附著在凸模上，可以在凸模上增加氣孔。
（3）沖壓速度較高，應(yīng)考慮降低速度，如因生產(chǎn)需要無(wú)法降速，可以凸模上增加頂桿，頂下廢料。另外，還有一些人為因素，如刃磨后沒(méi)有充分退磁、沖壓生產(chǎn)時(shí)使用過(guò)多的沖壓油等，這些都應(yīng)盡量避免。
12 總結(jié)
設(shè)計(jì)是源頭，設(shè)計(jì)雖然只占模具成本的10%左右，卻決定了整個(gè)模具成本的70%～80%。所以，作者在設(shè)計(jì)時(shí)詳盡地考慮了模具結(jié)構(gòu)，考慮提高生產(chǎn)率，如何方便維修。但是，又不能完全依賴(lài)于設(shè)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)中要具體問(wèn)題具體分析，根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行模具調(diào)整也是必需的。在生產(chǎn)中模具的維修、保養(yǎng)也是很重要的。在模具維修時(shí)，應(yīng)該多注意細(xì)節(jié)，找出根本原因，針對(duì)其維修。在拆裝模具時(shí)，要認(rèn)真仔細(xì)，以防損傷模具。定期的維護(hù)、保養(yǎng)也可以大大提高模具壽命。
從整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)看，該電器開(kāi)關(guān)網(wǎng)芯零件采用復(fù)合模，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，加工簡(jiǎn)單，操作方便，工作效高，零件成形質(zhì)量好，大大提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，滿(mǎn)足了生產(chǎn)需求，而且該設(shè)計(jì)思路可擴(kuò)展推廣到其它類(lèi)似零件的產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)中。當(dāng)然，由于作者知識(shí)水平有限，對(duì)實(shí)踐的缺乏，當(dāng)中不乏有不足之處，還有待在以后的工作實(shí)踐當(dāng)中不斷地完善和創(chuàng)新！
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