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一种圆形工件弯曲模具设计
毕业设计（论文）
题目：
圆形工件的弯曲模具设计
学生姓名：
李小兵学号：
120304021127
学部（系）：
机械与电气工程
专业年级：
12材料成型及控制工程
指导教师：
朱月亭职称或学位：
硕士
2016年5月20日
关键词.......................................................................................................4
5.1.6上凹模..............................................................................23
圆形工件的弯曲模具设计
摘要
圆形工件是工业生产中一种不可或缺的零件，然而作为一种非典型弯曲件，目前对他的研究较少，本论文针对此情况，对圆形工件弯曲进行了细致的分析研究，主要内容为对圆形工件的多种弯曲工艺进行分析，设计一种弯曲工艺的模具，并运用三维软件PRO/E画出模具各零件并进行装配，运用目前比较先进的数值模拟软件DEFORM，对已设计的模具进行冲压模拟，分析其应力分布及可行性并对原始模具做改进，经过多次分析最终确定模具成型部位尺寸，完成整个模具设计过程。
关键词：
冲压；弯曲模具；PRO/E建模；DEFORM分析
Circularworkpiecebendingdiedesign
Abstract
Circularworkpieceisanintegralpartofakindofindustrialproduction,however,asakindoftypicalbendingpartsofhisstudyisless,thisthesisaimedatthissituation,thecircularworkpiecebendinghascarriedonthedetailedanalysisandresearch,themaincontentforthevariousbendingprocessofcircularworkpieceisanalyzed,designakindofmouldofbendingprocess,andusing3DsoftwarePRO/Edrawmoldthepartsandassembly,usethemoreadvancednumericalsimulationsoftwareDEFORM,forthedesignofdiestampingsimulation,analyzesthestressdistributionandfeasibilityanddoimprovementtotheoriginalmold,afteralotofanalysisoffinalmoldingpartssize,completethewholemolddesignprocess.
Keywords:
stamping;Bendingdie;PRO/Emodeling;DEFORManalysis
第一章前言
1.1冲压的概念特点及分类
冲压模具的概念：
冲压模具是利用安装在冲压设备上的零件对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。
由于冲压一般是在常温下对材料进行变形加工，且主要是采用板料来成形所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。
冲压是材料压力加工或塑性成型的主要方法之一[1]。
冲压成形有以下特点：
①生产效率高、操作简单、容易实现机械化及自动化等过程。
②加工的工件表面质量好，尺寸精度高、由于材料的形变强化特性，可以获得强度高、而重量轻的零件。
③适合批量生产，材料利用率高，可节约大量人力物力财力。
④可得到其它加工方法难以实现的或无法成型的复杂形状零件。
这些特点非常符合汽车制造业对于零件强度好质量轻批量生产的要求，因此冲压在汽车行业具有十分重要的地位[2]。
冲压模具的分类：
模具是一种技术密集，资金密集型的产品，在我国国民经济中的地位非常重要。
可以说模具生产技术的水平高低，已经成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。
冲压模具按不同的加工出来的工件可以分为：
冲裁模，拉伸模，弯曲模，翻边模，胀形模等。
而其中的弯曲模又可以分为：
U形弯曲模，V形弯曲模，Z形弯曲模，圆形弯曲模等。
1.2冲压模具的现状与发展趋势
1.2.1冲压模具的现状
根据考古发现我国在两千多面前，就有用模具制造青铜器的记录，研究显示我国古代模具制造是世界领先的。
但现代模具制造，由于我国科学技术长期一直落后于欧美等发达国家，所以模具制造技术虽然产量很大，但是技术一直相对比较落后，只能做一些简单以及尺寸精度要求不高的模具。
冲压模具制造是一项综合性的工程，冲压模具结构复杂零件众多，又由于冲压模具效率高的特点，模具的自动化也很重要，这就对一个国家的机械制造及其自动化提出了很高的要求，而这一方面我们与日本德国等差距还较大，我国与发达国家模具制造的差距还体现在模具材料方面，同一种模具日本制造的寿命可达到3到4年甚至5到10年，而我国可能就只有1到2年甚至更低，这其实主要是模具材料造成的，所以我国冲压模具想达到世界先进水平，首先就要在模具材料方面取得突破[3]。
国外，德国日本模具发展起步较早，模具制造技术处于世界领先地位，这一方面是由于他们的机械制造还有材料技术非常先进，另一方面也得益于先进的模具生产管理技术，例如模具作为一个独立的行业，德国日本美国等都设定了许多行业标准，一个模具虽然零件很多，但不同的模具大多数零件都是一样的，因此有必要对那些标准零件设置一些行业标准。
另外CAD/CAE在模具设计中的运用德国日本也比我国更加深入，虽然目前我国的大多数制造业也都运用计算机辅助设计生产水品有所提高，但总体上水平参差不齐与发达国家有所差距还有待提高。
1.2.2冲压模具的发展趋势
虽然当前我国的模具制造技术相对比较落后，但是我国正努力朝着先进制造业大国的目标追赶着，模具作为制造业的基础必然会大力发展。
冲压模具的发展趋势，首先在CAD/CAE软件方面，目前国内的大对数制造业都放弃了传统手工作图，采用CAD软件作图，在产品设计的时候也采用计算机三维建模，在完成总体设计之后运用数值模拟技术进行模拟，分析模具的可行性等等，华中科技大学，吉林大学，湖南大学等高校，陆陆续续开发出各自CAD/CAE软件，并且在高等教育中都比较重视计算机技术的学习，等等这些改变在我国的模具制造业中取得显著成绩[4]。
其次机加工技术也正在一步一步提高，一方面大力从国外进口先进的五轴机床等先进的加工机械，淘汰那些落后机床，另一方面我国自己的机床生产技术也在逐步提高，这使得加工的精度越来越高，质量越来越好，而加工精度是影响模具精度寿命的重要因素。
除此之外模具材料往往是模具好坏的关键性因素，长期以来我国都从日本德国大量进口模具材料，近年来我国逐步重视新材料的开发，在市场的驱动下，各大材料生产企业也加紧材料的研发，试图抢占国内市场，在国家的支持下各大高校也纷纷加大材料方面的投入，目前在许多方面已经取得了可喜成绩。
最后模具的后处理也是重要的部分，往往采用先进的热处理，可以大大提高材料的寿命，例如将加工好的模具零件采用等离子喷涂处理后其寿命可提高百分之20左右，当前的发展趋势是鼓励各种新的先进的材料处理技术运用到模具后处理上来。
最后模具的检测设备也十分重要，由于先进的超高精度检测仪器价格昂贵，一般的中小型企业资金实力比较薄弱，在检测仪器方面不重视，这就导致了模具的尺寸精度不高，进而影响模具的使用寿命[5]。
总得来说我国离先进模具制造大国还有一段距离，但在国家大力鼓励创新建立创新型国家的战略下，目前模具行业各方面都正在蓬勃发展，相信在不久的将来我国的模具制造业会到达世界先进国家的行列。
1.3本课题的意义及主要内容
1.3.1选题的意义
冲压模具是制造业中非常重要的一部分，从事这一方面研究学习的人员也非常的多，然而各大高校和职业院校及一些其他模具学校等，在教学及教材的选用上对于U,V形这两种比较典型的弯曲模讲述较多，而对于圆形弯曲模讲解较少或没有讲解。
随着工业技术水平的经进一步发展，对于圆形件的运用越来越广且要求越来越高。
因此对圆形工件弯曲模具进行专门且详细的研究就显得非常必要了。
本论文在比较不同的圆形弯曲模工艺基础上，选取一种最简单模具最稳定的弯曲工艺进行了细致分析，希望能对圆形弯曲成型提供比较科学的参考[6]。
进入21世纪在计算机普及的下模具制造业正在迅速发展，近年来圆形工件的弯曲模具正逐步受到重视。
其中，小半径弯管是研究的一个热点，这是因为小半径弯管件有着非常广泛的应用，尤其是在航空航天、汽车等高技术领域，小半径弯管件已成为了一个关键的零件。
通过对非典型U形冲压件（如圆形工件）冲压成形工艺过程的模拟，寻找出合理而有效的运用CAD、CAE技术进行选择、并有针对性的改进成形工艺参数以应对成形过程中可能出现的缺陷等方法，这种方法对于其他冲压件的成形过程也具有一定的理论指导价值[15]。
通过计算机的高效的运算能力来分析模具设计过程中存在的问题与缺陷，并有针对性的对这些缺陷加以改进确保了模具设计的合理性与科学性，不仅节省人力，物力还会缩短设计到生产的周期，确保模具行业向着周期短、成本低、产品质优的方向发展[7]。
1.3.2本课题的主要内容
本课题的主要研究内容：
通过查阅文献和相关资料，初步了解冲压模具的工作原理和相关知识。
熟悉模具设计的流程，能独立设计一套简单模具。
学习分析各种圆形件弯曲工艺的优劣，选取一种简单实用的工艺做细致的研究，对非典型弯曲件圆形件的各个冲压零件尺寸进行合理计算，选取压力机，冲压工艺原理等。
运用PRO/E软件建立圆形工件弯曲模具各个零件的三维模型，并进行组装，并利用有限元模拟软件DEFORM进行数值模拟，对模拟结果进行分析，为圆形工件弯曲模具的实际应用提供相应的理论依据[16]。
通过本课题的研究，巩固学生所学的知识，培养学生的独立工作能力与创新能力，以及学生的专业基本能力和工程师素质，为将来从事工程技术工作奠定基础[8]。
第二章圆形工件的工艺分析
2.1工件分析
材料：
45钢
单位：
mm
图2-1工件尺寸图
图2-2工件
该零件如图2-3所示结构比较简单，从图2-2可以看出工件为长10mm，内径10mm，外径12m的不封闭圆管，通常由厚度1mm板料弯曲成型，但其属于非典型冲压件，一般不容易一次冲压成型，常规的做法是先把板料弯成U型再弯成圆型，或先弯成波浪型再弯成圆型，但这样操作两次比较麻烦，现将两步结合一起完成。
2.2加工分析
1.材料选用：
在冲压模具设计时，选取冲压工件的材料是及其重要的，一般情况下，冲压模具的工艺及其模具材料的选用都是根据工件材料来选取的，冲压材料众多，但是不同的冲压类型，选取的材料往往不同。
冲压材料选取的好坏，不仅仅直接影响冲压工艺设计，还与工件的精度模具的寿命有关，对于控制成本十分重要。
因此在选取冲压件材料时不仅仅要考虑它的冲压性能，还要考虑满足冲压工艺以及后续的工作流程。
下表2-1给出了一些常见的冲压材料选择。
表2-1常见冲压材料选择
注：
表中t为板料厚度。
根据表2-1，从工件在实际中的性能要求，以及冲压工艺的要求，和工件生产经济性考虑，该工件的材料选用45钢。
2.冲压工艺方案：
圆形工件弯曲模设计一般分为大直径弯曲模具与小直径弯曲模具，大小不同其弯曲工艺也不同，一般情况下d≥20mm的工件为大直径工件，通常的做法是现将板料弯成一定的波浪形然后在弯曲成圆形，弯曲工艺过程如图2-5所示。
图2-3所示工件为小直径工件，一般的做法是先弯曲成U形，再由U形弯曲成圆形，工艺过程如图2-4所示。
但是这样弯曲两次用两套模具生产效率太低，一般的工厂都采用将两步弯曲工艺合成在一起的模具。
图2-3小圆弯曲
图2-4大圆弯曲
图2-3所示工件为小批量生产，由于弯曲件一般会有回弹且不可避免，故工件的精度要求一般，将尺寸切好的45钢板料置于模具指定位置，打开开关，模具运行先将板料冲成U型，然后模具继续运行，将板料冲成圆型。
模具上行，抽出芯棒取下工件，冲压过程完成[9]。
第三章弯曲工艺方案的确定
3.1弯曲工艺分析比较
3.1.1摆动式圆形弯曲模
圆形工件弯曲模具种类众多，有两种模具多次弯曲直至成圆形，也有一套模具多次弯曲成圆形，还有的是将板料卷成圆形。
在此我们只列举几套比较常见的模具进行比较。
图3-1摆动弯曲模
该套模具的工作原理是：
将板料放置在摆动式凹模上，液压机下行带动上凸模下行，先将板料冲压成U形，凸模继续下行，凹模开始摆动，将U形弯曲成圆形。
这种弯曲模具加工速度比较快，比较适合大直径的工件。
加之凹模摆动设计比较复杂，摆动时工件的精度也难以保证。
3.1.2楔形圆形弯曲模
除了上面的摆动式弯曲模具，还有一种楔形弯曲模具，其结构设计如图所示：
图3-2楔形弯曲模
该模具的工作原理是：
将毛坯放置在模具上，液压机下行带动凸模下行，首先与工件接触将工件冲成U形，然后U形件两边的活块向中间移动，直至将U形夹至圆形。
该模具结构复杂，零件众多，要保证工作环境干净，否则冲压过程及其容易出现故障，但是该模具成型质量好，效率也比较高[10]。
3.2弯曲工艺选定
前面介绍了两种弯曲工艺，结构都比较复杂，对于模具设计初学者来说不易掌握，也很难设计好，对于工件精度要求不高，模具经费较低的情况下，这里介绍另外一种弯曲模具。
该模具结构简单，模具工作较稳定不容易出故障。
本论文研究的就是该模具，其结构如图所示：
图3-3弯曲模
该模具的工作原理是：
先将板料放置在下凹模上，第一次冲压芯棒下行将工件冲成U形，此时芯棒不动，上凹模下行将U形工件冲成圆形，模具上行取下芯棒工件即可掉落，至此冲压过程全部完成。
第四章弯曲模具工艺计算
4.1弯曲件毛坯尺寸的计算
4.1.1弯曲应变中性层位置的确定
分析该工件特征，可认为弯曲件中性层在弯曲过程中长度不变。
由于板料在冲压弯曲过程中，中性层位置会产生内移，但在实际生产中，通常采用经验公式来计算应变中性层的曲率半径[11]。
ρ＝r=Kt（4-1）
式中，K为应变中性层位移系数，其值可参考表4-1选择。
表4-1弯曲中性层位移系数K
r/t
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
1
1.2
k
0.22
0.23
0.24
0.25
0.26
0.28
0.3
0.32
0.33
r/t
1.3
1.5
2
2.5
3
4
5
6
≥8
k
0.34
0.36
0.38
0.39
0.4
0.42
0.44
0.46
0.5
4.1.2弯曲件毛坯长度计算
由于工件弯曲时材料变薄不严重且畸变较小，故认为其应变中性层长度等于毛坯长度来计算，公式为：
L=πψ（r+kt）/180（4-2）
R弯曲件弯曲半径；
k层位移系数；
Ψ弯曲件的弯曲带中心角
弯曲件展开长度：
L=π×360（5+0.5×1）／180=33.92mm
4.2弯曲力计算与压力机选用
4.2.1自由弯曲力计算
自由弯曲力的计算公式如下：
F1=0.7×k×b×t2×σb／（r+t）（4-3）
F自由弯曲力N;
b弯曲件的宽度mm；
t弯曲件的材料厚度mm；
σb材料的抗拉强度MPa；
k安全因数，一般取k=1.3。
自由弯曲力：
F1=0.7×1.3×10×1×350／（5+1）＝530N
4.2.2校正弯曲力计算
校正弯曲力计算公式如下：
F2=qA（4-4）
F2校正弯曲力N；
q单位校正力MPa；
A工件被校正部分垂直于
运动方向上的投影面积mm2；
F2=20×10×（10+2）＝2400N
4.2.3压力机选用
表4-2压力机参数
1.单臂液压机具有结构刚性好，导向性能好，速度快等特点。
2.方便的手动调整机构可调整压头或上工作台在行程中任意位置压制，也可在设计行程内任意调整快进和工进行程的长短；
3.整体焊接的坚固开式结构可使机身保持足够刚性的同时拥有最方便的操作空间[12]
又因为压力机公称压力F≥F1＋F2，所以压力机选择Y41X-6.3型。
4.3弯曲模工作部分尺寸计算
4.3.1弯曲时凸模与凹模之间的间隙
U形件弯曲模的凹凸模之间需要保持合适的间隙，该间隙值对工件的质量和弯曲力有很大影响。
间隙过小，弯曲力增大，并且料厚减薄还可能出现划痕，从而降低模具使用寿命；间隙太大，则工件精度降低，弯曲回弹增加[13]。
通常间隙值可有如下公式得到：
C=t+Δ+kt（4-5）
C弯曲时凹模凸模之间的间隙；
t材料的公称厚度；
k间隙系数，查表;
Δ板料厚度的正偏差
当工件精度要求较高时凸凹模的间隙值应取小一些，c=t=1mm。
4.3.2弯曲时凸模与凹模的宽度尺寸
用内形尺寸标注，因此以凸模为基准件，凸模尺寸可由如下公式得到：
L凸=（L+Δ／2）=33.93+1×0.74／2＝34.3mm
L凹按凸模尺寸配制，保证双面间隙为2c，凹模尺寸可由如下公式计算：
L凹=（L凸+2c）=34.3+2=36.3mm
L凸L凹弯曲凸凹模的宽度尺寸mm；
Δ弯曲件的尺寸公差mm；
L弯曲件的外形或内形公称尺寸mm；
C凸模与凹模的单面间隙mm
第五章弯曲模主要零件的设计
5.1模具主要零件二维三维图纸
5.1.1下模座
下模座的轮廓尺寸主要根据压力机工作台大小，不能大于工作台，也不能太小以至于不便于操作，还要根据冲压零件的大小综合考虑，工件尺寸大时冲压力大，下模座相应尺寸较大以保证模具强度与平稳性。
本论文设计的模具要加工的工件较小，冲压力也较小，根据已选取的压力机工作台大小等因素，综合分析设计如图5-1所示下模座轮廓尺寸为270mm×130mm×40mm，上面有六个M10用来固定下模座垫板凹模固定板用的螺钉孔。
横向孔距70mm，纵向孔距90mm。
单位：
mm
图5-1下模座
5.1.2下垫板
下垫板的作用主要是保证模具工作高度，提高模具抗冲击强度，与下模座一起固定凹模固定板。
其外形尺寸一般以下模座尺寸为基准设计，其厚度一般根据冲压力大小设计，冲压力大时应设计的较厚，但也不宜太大以免增加模具高度，使液压机滑块行程不够。
由于该模具冲压力较小，液压机行程也比较大，从节省材料的角度考虑现设计，如图5-2所示垫板外形尺寸为200mm×130mm×20mm，M10×6孔的位置应与下模座对齐，
单位：
mm
图5-2下垫板
5.1.3凹模固定板
凸模固定板主要是作为凹模的固定安装板，是用来固定凹模的，它有几个作用，一是固定凹模通过一定的装配关系使凹模垂直于模具的平面，确保在冲压工作时凹模能够垂直的用于冲压。
另外凹模固定板可以保证凹模的相对位置，不会发生相对的移动，使芯棒下行时能配合上凹模将工件冲成U形而不至于损坏板料，还可以抵抗工作时的冲击，使模具在长时间工作后模具尺寸不变形仍能正常运行。
其外形轮廓尺寸一般参照垫板设计。
中间部位有一个33.93mm×10mm的凹槽是用来放置凹模的，由于它比凹模高度深，因此放置完成后还有1mm的凹槽是用来放置胚料，如图5-3所示凹模固定板外形尺寸为：
单位：
mm
图5-3凹模固定板
5.1.4凹模
凹模是主要成型部件，其设计结构尺寸如图5-4所示，理论上讲凹模上的R=12的半圆形凹槽圆心应在凹模上表面上，但是根据后期DEFORM模拟的结果，这样冲不出U形件二是V形件，显然V形件上凹模下行是不可能冲成圆形的，因此必须对凹模进行该进，改进后的结果是将凹模的R=12mm的半圆凹槽圆心位于凹模上表面2.5mm的下面，再进行数值模拟，结果可以冲出完好U形件。
具体过程在第六章再详细阐述。
单位：
mm
图5-4凹模
5.1.5芯棒
芯棒也是主要的成型部件，冲压时固定在压料板的芯棒下行，和凹模配合将工件冲成U形，为后来的冲压做准备，冲压过程全部完成后取下芯棒工件即可掉落。
因此其外形尺寸如图5-5所示设计为直径为10mm，长度为200mm的实心金属棒。
图5-5芯棒
5.1.6上凹模
上凹模的主要作用是当芯棒将工件冲成U形后，上凹模在压力机继续下行带动上凹模继续下行，将工件冲成圆形。
由于上模下行并不能保证U形件上部板料向内闭合，因此上凹模的工作部分必须设计一弧度，当工作时使工件能按我们需要的方向闭合。
上凹模的外形尺寸如图5-6所示：
单位：
mm
图5-6上凹模
5.1.7压料板
压料版是重要结构部件，一方面固定芯棒，另一方面还是对上凹模有导向作用对冲压弹簧有固定作用。
在冲压时液压柱下行压缩弹簧压料版下行芯棒下行使工件先冲成U形，液压柱继续下行，弹簧继续压缩，上凹模下行，使工件弯曲成圆形。
其结构设计如图5-6所示。
单位：
mm
图5-7压料板
5.1.8上凹模固定板
上凹模固定板与上垫板配合主要是用来固定凹模的与弹簧的，与压料板一起保证四个弹簧的相对位置，和垫板一起保证上凹模垂直于冲压平面。
其外形尺寸如图5-7所示。
单位：
mm
图5-8上凹模固定板
5.1.9上垫板
上垫板的的主要是抵挡弹簧与凹模，它有几个作用，一是固定凹模保证其能垂直于模具的平面，保证在工作时能够垂直的用于冲压、冲孔、冲裁、落料，还可以抵抗工作时的冲击。
其外形与尺寸如图5-8所示。
单位：
mm
图5-9上垫板
5.1.10上模座
上模座主要作用是连接液压机与冲压模具，也对导柱弹簧柱有导向作用，液压柱下行将力传递给下模座，下模座再将力传递给其他工作零件。
其结构设计如图5-9所示。
单位：
mm
图5-10上模座
5.2模具三维总装配图
运用PRO/E软件先将模具各零件设计出来，再运用PRO/E的装配功能将其装配起来，再运用视图工具将模具刨开得到如图5-10所示：
图5-11装配图
1-下模座2-下垫板3-凹模固定板4-下凹模5-压料版6-芯棒7-导套
8-导柱9-上凹模10-弹簧11-弹簧导柱12-上凹模固定板13-上垫板
14-上模座15-液压柱
将毛坯放置在凹模4上，液压机下行推动上模下行，首先芯棒6接触板料，弹簧10开始压缩板料开始弯曲直至成U形，上模继续下行，垫板13继续下行推动上凹模继续下行，弹簧10继续压缩，上凹模9开始接触U形板料，板料继续弯曲直至成圆形，液压机上行带动上模上行，模具打开取下芯棒工件即可掉落，至此冲压过程全部结束。
图5-12模具装配效果图
5.3模具关键冲压零件的工
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