冲压模具设计中对机械运动的控制和运用
摘要：在冲压过程中，机械运动贯穿始终。各种冲压工艺的实现都有其基本运动机理，这种运动是与模具密切相关的，各种模具的结构设计和力学设计最终都是为了满足其能够实现特定运动的要求。设计的模具能否严格完成实现冲压工艺所需的运动，直接影响到冲压件的品质，所以在模具设计中应对机械运动进行控制。同时为了达到产品形状尺寸的要求，不能够拘泥或局限于各种工艺基本运动模式中，而应不断发展和创新，在模具设计中对机械运动灵活运用。
关键词：冲压模具设计，机械运动，控制，灵活运用
1.引言
本论文是以冲压工艺学基本理论为依据，通过对各种冲压工艺基本运动的分析，提出了对冲压模具设计的要求。首先阐述冲压过程中，机械运动的基本概念，然后逐项分析了冲裁、弯曲、拉深工艺的基本运动机理，指出模具设计中应着重控制到的内容，并介绍了在模具设计中对机械运动灵活运用的方法和一些实例。最后总结了根据具体情况进行产品工艺运动分析的方法，并强调在模具设计中，对机械运动的控制和灵活运用对提高设计水平和保证冲压件品质的重要意义。
2.冲压过程中机械运动的概述
冷冲压就是将各种不同规格的板料或坯料，利用模具和冲压设备（压力机，又名冲床）对其施加压力，使之产生变形或分离，获得一定形状、尺寸和性能的零件。一般生产都是采用立式冲床，因而决定了冲压过程的主运动是上下运动，另外，还有模具与板料和模具中各结构件之间的各种相互运动。
机械运动可分为滑动、转动和滚动等三种基本运动形式，在冲压过程中都存在，但是各种运动形式的特点不同，对冲压的影响也各不相同。
既然冲压过程存在如此多样的运动，在冲压模具设计中就应该对各种运动进行严格控制，以达到模具设计的要求；同时，在设计中还应当根据具体情况，灵活运用各种机械运动，以达到产品的要求。
冲压过程的主运动是上下运动，但是在模具中设计斜楔结构、转销结构、滚轴结构和旋切结构等，可以相应把主运动转化为水平运动、模具中的转动和模具中的滚动。在模具设计中这些特殊结构是比较复杂和困难，成本也较高，但是为了达到产品的形状、尺寸要求，却不失为一种有效的解决方法。
3.冲裁模具中机械运动的控制和运用
冲裁工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压牢，凸模下降至与板料接触并继续下降进入凹模，凸、凹模及板料产生相对运动导致板料分离，然后凸、凹模分开，卸料板把工件或废料从凸模上推落，完成冲裁运动。卸料板的运动是非常关键的，为了保证冲裁的质量，必须控制卸料板的运动，一定要让它先于凸模与板料接触，并且压料力要足够，否则冲裁件切断面质量差，尺寸精度低，平面度不良，甚至模具寿命减少。
按通常的方法设计落料冲孔模具，往往冲压后工件与废料边难以分开。在不影响工件质量的前提下，可以采用在凸凹模卸料板上增加一些凸出的限位块，以使落料冲孔运动完成后，凹模卸料板先把工件从凹模中推出，然后凸凹模卸料板再把废料也从凸凹模上推落，这样一来，工件与废料也就自然分开了。
对于一些有局部凸起的较大的冲压件，可以在落料冲孔模的凹模卸料板上增加压型凸模，同时施加足够的弹簧力，以保证卸料板上压型凸模与板料接触时先使材料变形达到压型目的，再继续落料冲孔运动，往往可以减少一个工步的模具，降低成本。
有些冲孔模具的冲孔数量很多，需要很大冲压力，对冲压生产不利，甚至无足够吨位的冲床，有一个简单的方法，是采用不同长度的2～4批冲头，在冲压时让冲孔运动分时进行，可以有效地减小冲裁力。
对那些在弯曲面上有位置精度要求高的孔（例如对侧弯曲上两孔的同心度等）的冲压件，如果先冲孔再弯曲是很难达到孔位要求的，必须设计斜楔结构，在弯曲后再冲孔，利用水平方向的冲孔运动可以达到目的。对那些翻边、拉深高度要求较严需要做修边工序的，也可以采用类似的结构设计。
4.弯曲模具中机械运动的控制和运用
弯曲工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压死，凸模下降至与板料接触，并继续下降进入凹模，凸、凹模及板料产生相对运动，导致板料变形折弯，然后凸、凹模分开，弯曲凹模上的顶杆（或滑块）把弯曲边推出，完成弯曲运动。卸料板及顶杆的运动是非常关键的，为了保证弯曲的质量或生产效率，必须首先控制卸料板的运动，让它先于凸模与板料接触，并且压料力一定要足够，否则弯曲件尺寸精度差，平面度不良；其次，应确保顶杆力足够，以使它顺利地把弯曲件推出，否则弯曲件变形，生产效率低。对于精度要求较高的弯曲件，应特别注意一点，最好在弯曲运动中，要有一个运动死点，即所有相关结构件能够碰死。
有些工件弯曲形状较奇特，或弯曲后不能按正常方式从凹模上脱落，这时，往往需要用到斜楔结构或转销结构，例如，采用斜楔结构，可以完成小于90度或回钩式弯曲，采用转销结构可以实现圆筒件一次成型。
值得一提的是，对于有些外壳件，如电脑软驱外壳，因其弯曲边较长，弯头与板料间的滑动，在弯曲时，很容易擦出毛屑，材料镀锌层脱落，频繁抛光弯曲冲头效果也不理想。通常的做法是把弯曲冲头镀钛，提高其光洁度和耐磨性；或者在弯曲冲头R角处嵌入滚轴，把弯头与板料的弯曲滑动转化为滚动，由于滚动比滑动的摩擦力小得多，所以不容易擦伤工件。
5.拉深模具中机械运动的控制和运用
拉深工艺的基本运动是，卸料板先与板料接触并压牢，凸模下降至与板料接触，并继续下降，进入凹模，凸、凹模及板料产生相对运动，导致板料体积成形，然后凸、凹模分开，凹模滑块把工件推出，完成拉深运动。
卸料板和滑块的运动非常关键，为了保证拉深件的质量，必须控制卸料板的运动，让它先于凸模与板料接触，并且压料力要足够，否则拉深件容易起皱，甚至裂开；其次应确保凹模滑块压力足够，以保证拉深件底面的平面度。
拉深复合模设计合理，可以很好地控制结构件的运动过程，达到多工序组合的目的。例如典型的落料拉深切边冲孔复合模具的设计。
另外，有些装饰品和日用品的拉深件需要有卷边（或滚边）工序，模具设计中也用到了滚轴结构，所以在卷边过程中滚动的摩擦力非常小，不容易擦伤工件表面。
对那些需要在马达中旋转的拉深结构件,切边的高度、跳动度等要求相当高，需要在模具中设计特别的旋切结构，利用旋转（切）运动修边，不仅能保证切边的尺寸精度高，甚至切边的毛刺及冲切纹路亦相当美观。值得一提的是，此旋切结构在实际设计改良后，已经非常易于模具加工制作，并且已运用于连续拉深模具当中。
6.连续模具中机械运动的控制和运用
连续模具中常常同时包括了冲裁、弯曲和拉深等冲压工艺，因而其冲压过程中的机械运动也包括了这三种工艺的基本运动模式，对连续模具中运动的控制，应分成各基本工艺分别进行控制。
通常连续模具要求不断加快冲压速度，提高生产效率，有些形状较复杂、较特别的冲压件，其冲压运动较费时，在连续模具设计中可以分解成效率较高的冲压运动。例如，工程膨胀螺钉圆筒件在连续模具设计中即可将其圆筒成型运动分解为两侧90度圆弧弯曲～中间60度圆弧弯曲～整体抱圆～圆度校正四个工序，不仅提高效率，亦能保证冲压件圆度。
需要特别指出的是，连续模具因为在实际生产中还牵涉到送料机、吹风装置等，在设计中应充分考虑到这些因素，让冲床、模具、送料机和吹风装置的运动在时间上配合好，连续模具才能真正顺利生产。
7.结束语
尽管各种工艺的基本运动原理是不同的，但是也有共同点，就是卸料板（或滑块）的运动是重要的控制因素。实际上，在模具设计当中，产品的冲压工艺不可能都象各种工艺的基本运动那样简单，应当要根据具体情况对产品工艺作好运动分析，再据此作进一步的设计。
在对产品工艺运动作分析时，应主要考虑其必要性、时间性、可行性，还应具有创造性。必要性是指运用基本运动原理判断需要那些运动来实现产品工艺；时间性是指所需各项运动的先后顺序；可行性是指能否通过结构设计和力学设计来实现所需运动；创造性是指在前述运动无法被实现或运动无法完全实现产品工艺的情况下，要善于大胆采用新方法去努力实现产品工艺，也就是前面所说的对机械运动的灵活运用。
冲压过程存在多种多样的机械运动，而各种机械运动对冲压工艺实现与冲压件品质的影响也各不相同，因而在冲压模具设计中对机械运动的控制和灵活运用对提高设计水平和保证冲压件品质具有重要意义。
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第一章绪论
第一章绪论
1.1选题依据
模具在产品制造过程中占据重要地位。模具设计水平的高低，在很大程度上
决定了生产率的高低。有效的模具设计可以降低资源调整次数和调整时间，为生
产计划与调度提供更大的优化空间，以达到提高生产效率的目的[1]。模具设计是工
装系统的重要组成部分，它影响着产品生产的效率和质量。对模具设计进行深入
的研究有着重要意义。
模具行业是工业的基础行业，工业的各个领域都广泛地使用模具[2l。在电子、
汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60%一8%0的零部件都要依
靠模具成形。用模具生产零件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高
生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，
用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具生
产技术水平的高低，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，
并且己成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志[3]。模具作为工业生产的基
础工艺装备，在国民经济中占有重要的地位。近10年来，模具CAD技术发展很快，
应用范围日益扩大。模具CAD技术给模具的设计和制造提供了一个高效、经济而
且快速的方法，大幅度地提高了模具的质量，缩短了模具的设计和制造周期，降
低了模具成本[’]。
目前国内外己经有许多模具CAD系统，这些系统虽然具有较强的分析计算能力
与图形处理能力，可以提供交互式设计5]l。但是在这些系统中，模具设计过程主要采
用人机交互方式进行，大多数的设计是依靠操作者的设计经验，计算机只是进行一
些规则匹配以及计算工作，而对于前人成功设计的模具不能有效的利用，造成模具
设计周期很长，成本较高，开发效率很低。
基于实例推理技术(Case一basdeReasoning，CBR)的模具设计可以使设计者利
用以往的设计经验，通过组合、修改以往的设计方案来构造新的设计方案;同时在
现实生产中，己积累有许多模具零件的类型以及装配关系完全相同的模具族，可
以成为新设计的基础6]I。cRB技术抛弃了以往对抽象的知识规则的构建和演算操作，
直接借助己有实例来解决问题，通过对旧实例的证实和修正来达到对新模具的设
计[7]。在基于实例推理系统中，以前的经验是以实例的形式按照某种组织结构保存
于实例库中8]t，当要解决一个新问题时，通过相关属性采用适当的算法检索实例库，
找出与新问题最相似的一个或几个实例，再修改实例来达到对新问题的解决[9l。
在模具设计中应用CRB方法，利用计算机模具人脑在设计中的思维活动，完
成了以往由设计师完成的任务，不仅充分利用了模具专家的设计经验，适合工程
中的实际情况，也符合人类的思维习惯。同时，用这种方法得到的模具基于以前
已经设计成功的实例，因此减少了新模具不能正常工作的可能性，并且缩短了开
发周期。
1.2模具CAD发展现状和趋势
1.2.1模具CA。系统国内外发展概况
模具CAD系统是随着以D技术以及现代设计理论与方法的发展而不断发展的，
从最初的以二维图形技术为基础的系统发展到了目前以三维图形技术及特征构型
为主要特点的阶段110，川。
国外于20世纪60年代末开始模具以D研究，70年代初已投入生产中使用。
如美国Diecomp公司于1973年研制成功计算机辅助设计级进模的PDDc系统[’21。
该系统中已经包括产品图形与材料特性的输入:在输入的基础上，再进行模具结
构类型选择，凹模排样、凸模和其他嵌件设计;最后绘制模具总装图和零件图以
及NC编程。
1978年，日本机械工程实验室研制成冲裁级进模CAD系统，该系统由产品图
输入、模具类型选择、毛坯排样、条料排样、凹模布置、工艺计算、绘图等10个
模块组成。
进入20世纪80年代随着计算机技术的发展，使用模具CAD技术的厂家大大
增加。在弯曲成型级进模和汽车覆盖件模具CAD系统中，应用了塑性成形模拟技
术。代表是日本日立公司于1982年研制成弯曲级进模以D/以M系统，采用人工与
计算机设计相结合的批处理方式。
20世纪90年代出现了许多商品化CAD/CAM系统如Pro/E，SolidWorks等。
由于我国计算机技术发展较晚，20世纪80年代才开始模具CAD研究。华中科技大
学、机电研究院、上海交通大学等单位相继展开冲裁模系统的研究。20世纪90年
代中期，华中科技大学的基于特征的设计的级进模CAD系统是这个时期的代表产
口
口口。
1.2.2模具CAO的发展趋势
近年来，全球制造业正向亚太地区转移，我国正成为世界制造业的重要基地
[3]l。制造业模式的变化，必将产生对新技术的需求，也必将推动CAD技术的发展;
网络技术应用的普及将在更大程度上改变我们的生活，改变制造业的模式。随着
我国加入WTO，要求我们的产品要有创新性，并且具有更高的质量、更低的成本，
并在更快的时间内提供给用户[4l1。作为产品制造的重要工艺装备，国民经济的基
础工业之一的模具工业将直面竞争的第一线。模具工业除需要“高技艺”的从业
人员外，还需要更多的“高技术”来保证。
(1)协同创新设计将成为模具设计的主要方向
制造业垂直整合的模式使得世界范围内产品销售、产品设计、产品生产和模
具制造分工更明确。为了缩短产品上市周期，使模具设计充分理解产品设计的意
图，在产品的设计阶段，模具设计也同时开始，产品设计工程师和模具设计工程
师需尽早进入协同设计状态。另外，模具制造商需要的模具标准件一般都由模具
标准件厂提供，最好在模具设计阶段就参照各类标准，充分利用模具标准件厂提
供的数据进行设计。由于在制造流程中各个环节所采用的CAD系统不一定相同，
这就要求以D系统要具备协同的能力，能够随时交换上下游的数据，能够处理彼
此的数据，数据产生及处理标准化。
目前，模具制造商己经较广泛地采用数控加工技术。为了保证加工质量、提
高加工效率、改进制造流程，相当一部分的模具制造商开始使用多坐标数控加工、
高速铣削加工以及基于快速原型的模具制造等方法。因为制造设备的丰富，制造
信息的增加，今后的制造信息将不仅仅是数控编程加工的代码，更重要的是，从
设计开始就考虑制造过程，即提供模具制造的工艺流程，其中不仅包含工艺表格、
加工参数，还包括模具加工的夹具设计、加工的装夹过程及各工序的代码。各工
序过程均进行仿真，并利用网络实现共享。
(2)模具CAD技术的ASP模式将成为发展方向
今天的模具行业己经成为高技术密集的行业。任何一个企业，要掌握全部先
进的技术，成本都将非常高昂，要培养并且留住掌握这些技术的人才也会非常困
难。于是，模具CAD的APS模式就应运而生了，即由拥有各种专门技术的应用服
务单位为模具企业提供技术服务。这样整个社会就形成了一个大的模具制造企业，
按照价值链和制造流程分工，将制造资源最优发挥。应用服务包括如、快速原型
制造、数控加工外包、模具设计、模具成型过程分析等。
近20年来，由于不断采用新技术，制造模具已经远不是人们印象中的“手工
作坊”了。
2.3模具CAO系统的特点和优越性
(1)模具设计的特点
与传统的单个零件的设计不同，模具是多个零件的装配体，模具设计是一个
极为复杂的过程，包括产品建模、工艺性分析、制定模具方案、选择模架、模具
总装图设计、工作部件设计、辅助装置设计和零件详细设计等部分，要求最终能
够生成总装图、部装图及模具零件图.模具造型的特殊性有以下几点:
a.大多数模具是进行复杂零件加工的，模具造型较复杂。
b，一般模具加工零件的工序比较少，大部分是一次成型，所以模具的外形必
须要有加工零件的所有细节描述。
C.模具设计的反复机率高，所以模具CAD几何模型应能反复更新并能及时修
复。
(2)模具cAD的造型特点[4]
模具CAD造型技术是精确造型技术，可分为实体造型和曲面造型:
a.实体造型技术对于结构简单的模具来说己经能够满足设计要求，但对于结构
复杂、细节描述精度要求高的零件来说就显得不够，如在拔模面、面圆角过渡、
型腔设计上受到了一定的限制。
b.曲面造型技术是由不同的曲面构造特征，产生光顺的曲面模型。主要包括多
曲面的等变圆角过渡处理技术、曲面自动修剪技术、曲面编辑、曲面分析技术和
光顺处理等核心技术，它能辅助实体造型技术完成模具设计中所有细节描述的设
计。曲面造型技术适合于外形复杂和细节描述精度要求高的产品的模具设计。
(3)模具CAD的优越性[’“}
模具CAD的优越性赋予了它无限的生命力，使其得以迅速发展和广泛应用。
无论是在提高生产率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，以D
技术的优越性是传统的模具设计方法所不能比拟的。
a.ACD可提高模具设计质量。在计算机系统内存储了各有关专业的综合性的
技术知识，为模具的设计和工艺的制定提供了科学的依据。计算机与设计人员交
互作用，有利于发挥人一机各自的特长，使模具设计和制造工艺更加合理化。
b.CAD可以节省时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短
了设计时间。质量提高，可靠性增强，装修时间明显减少，模具的交货时间大大
缩短。
c.CAD可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运行和自动绘图大大节省了劳
动力。优化设计带来了原材料的节省。
d.CAD技术将技术人员从繁冗的计算绘图中解放出来，从事其他创造性的劳
动。
1.3论文的研究内容
系统地提出基于实例推理的模具设计的理论与方法，对CRB技术在模具设计
上的应用进行了深入的研究。在理论研究的基础上，开发了基于实例推理的模具
设计系统，有力地证实了应用CRB技术可以提高模具设计效率。本文研究内容主
要包括:
第一章绪论:概述了论文的研究意义，介绍了课题的来源与选题背景，简要
的描述了CRB技术在模具设计中的应用，研究了模具CAD的国内外概况和发展趋
势。
第二章模具CAD系统总体设计:主要包括对模具CAD的流程分析，系统需求
分析，以及体系结构的定制和功能模块的划分。
第三章基于实例推理的关键技术:描述了基于实例推理技术，详细介绍了实
例的表示，实例的检索策略以及实例的存储等一些关键技术。
第四章基于实例的模具设计:介绍了模具实例的表示内容以及方法，并对模
具实例的存储于检索提出了方案。
第五章原型系统开发:介绍了UG开发平台和开发工具，对系统业务流程进
行了描述。
第六章结论与展望。对本文的研究内容进行总结和展望
