不锈钢水杯冲压模具的数字化设计

学　术　论　坛

２００７　　ＮＯ．３４

科技创新导报

不锈钢水杯冲压模具的数字化设计

高怀善１　　张俊平１　　王星２

（１．天津市第二维修齿轮厂　　天津　　３００１１３；　　２．中兴汽车制造有限公司　　河北保定　　０７１０００）

摘　要：在工艺分析的基础上，本文对不锈钢水杯的冲压成型模具进行了数字化设计，具体包括采用Ｉ－ＤＥＡＳ软件进行模具强度与位移分析及数控编程、采用ＵＧ软件进行模具设计等内容。设计过程充分发挥了ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术的优势，极大地缩短了模具设计周期、降低了设计成本。

关键词：不锈钢水杯　　落料模　　拉深模　　强度分析　　位移分析　　数控编程中图分类号：ＴＧ

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８文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－０５３４（２００７）１２（ａ）－０１８１－０２

１　引言

传统模具设计方法存在周期长、成本高、可靠性差等诸多缺陷，这已成为限制我国模具行业发展的主要问题，因此，应用现代模具设计技术对传统设计方法进行改造势在必行。随着计算机技术的飞速发展，ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术在模具行业逐渐得到了推广和应用，借助各种ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ软件进行模具数字化设计既可减轻设计强度，又可缩短模具设计、制造周期，对提高设计效率、降低设计成本具有极其重要的作用，因此，采用ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术及相关软件进行模具数字化设计已成为当今模具行业发展的必然趋势。本文以不锈钢水杯为研究对象，在工艺分析的基础上，借助ＵＧ、Ｉ－ＤＥＡＳ等软件对其冲裁和拉深模具进行了数字化设计，充分体现了ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术在模具设计中的优势。

４　模具结构及主要零部件的设计

在该产品生产过程中需要用到落料模具、两套拉深模具、切边模具和卷边模具等。本文仅以落料模和拉深模设计为例介绍其设计过程。４．１　落料模的设计

４．１．１　落料模结构选择及相关参数确定落料模形式选择：由于落料件形状简单、尺寸精度要求不高且材料壁厚适中，落料模具采用带导向装置、具有对角导柱模架的下出件模具；采用斜壁倾角为１５′的斜壁式凹模、直通式凸模和固定卸料板；通过冲裁力计算得该模具所受冲裁力为Ｆ＝３７２．９ｋＮ，工作条件属于轻载状况，此状况下推荐使用的模具材料有Ｔ１０Ａ、９ＳｉＣｒ、ＣｒＷＭｎ、Ｃｒ１２、ＳｉＭｎＭｏ等，这里选择采用Ｔ１０Ａ钢［２，３］。

４．１．２　模具工作部分的有限元分析

模具使用过程中在冲压力的作用下可能会发生因强度不够而失效或因模具变形影响工件尺寸精度的情况，因此，在模具设计过程中对主要零部件进行相关分析非常必要。本研究所应用的有限元分析软件为Ｉ－ＤＥＡＳ，这里仅以落料凹模为例介绍应用Ｉ－ＤＤＥＡＳ软件对其进行强度、位移分析的过程。

１）有限元模型的建立

２　产品测绘

图１为利用ＵＧ软件绘制的不锈钢水杯三维模型图，材料为１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，其主要几何参数为：壁厚ｔ＝０．９ｍｍ、中面直径ｄ＝８７．５ｍｍ、杯高ｈ＝８４．８ｍｍ、顶部卷边半径ｒ１＝１．７５ｍｍ，底部圆角半径ｒ２＝５ｍｍ；设计精度为ＩＴ１２级。

　　　图１　　不锈钢水杯三维模型图

２　工艺分析及冲压方案确定

由于该产品所用的材料为塑性较好、易于成型的１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，产品的形状为简单的圆筒形且深度不大、精度要求不高，所以可通过普通冲裁进行加工。利用ＵＧ软件将水杯展开可得到所需的落料毛坯，其尺寸为Ｄ＝φ２０３ｍｍ（注：包含修边余量）。拉深时，工件总的拉深系数为ｍ总＝ｄ／Ｄ≈０．４３、毛坯的相对厚度ｔ／Ｄ＝０．９／２０３≈０．００４４，由资料［１］表６－８查得首次拉深系数ｍ１＝０．５２～０．５６、以后各次拉深系数ｍｎ＝０．７８～０．８１。取ｍ１＝０．５４、ｍｎ＝０．８０，因ｍ总＜ｍ１，故该产品不能一次拉深成型而需多次拉深。由计算法确定拉深次数［１］，得ｎ＝１＋

≈２，故该

图２　　冲裁凹模应力云图

产品需要两次拉深成形。根据分析比较，确定该产品的冲压成型工序为：落料→首次拉深→二次拉深→切边→卷边→抛光。

图３　　冲裁凹模位移云图

边界条件设置：所采用的有限元模型应与该零部件的实际应用状况相一致，因此，边界条件的设置为：模具材料Ｔ１０Ａ、弹性模量Ｅ＝２１０ＧＰａ、泊松比μ＝０．２６、切变模量Ｇ＝８１ＭＰａ，在凹模刃口处施加Ｆ＝３７２．９ｋＮ的冲裁力。有限元网格划分：采用实体单元进行网格划分，单元格长度为８ｍｍ，共划分了１１８０６个单元格。

２）模拟结果分析

借助Ｉ－ＤＥＡＳ软件的Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ模块对落料凹模进行应力和位移分析，结果分别如图２、３所示。

图２为冲裁过程中凹模的应力云图，由该图可见，凹模所受的最大应力为σｍａｘ＝８．１４Ｅ＋００４ｍＮ／ｍｍ２，即８１．４ＭＰａ，远小于Ｔ１０Ａ的屈服极限σｂ＝７３６ＭＰａ，因此，凹模材料能够满足冲裁过程中的强度要求。

图３为冲裁过程中凹模的位移云图，由该图可见，凹模刃口的最大位移为０．００６２４ｍｍ，而该产品的最终精度要求为ＩＴ１２级、制造公差为０．４６ｍｍ，远大于凹模刃口的最大位移，因此，由凹模受力变形所造成的尺寸偏差不会对工件尺寸精度造成太大影响。

４．１．３　数控程序的编制及加工模拟

借助Ｉ－ＤＥＡＳ软件的Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ模块可对模具进行ＮＣ程序的编制并直观的模拟加工过程。以落料凹模为例，利用Ｉ－Ｄｅａｓ软件生成的ＮＣ程序（部分）如下所示，其加工模拟如图４所示。

加工凹模内工作面的程序如下：ＰＡＲＴＮＯ／＇Ｓｅｔｕｐ－１＇ＵＮＩＴＳ／ＭＭＭＯＤＥ／ＭＩＬＬ

ＰＰＲＩＮＴ／＇ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ　ＣＡＴＥＧＯＲＹ＆　ＴＹＰＥ：　Ｍｉｌｌｉｎｇ　Ｐｒｏｆｉｌｅ＇

ＰＰＲＩＮＴ／＇ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ　ＮＵＭＢＥＲ　＆ＮＡＭＥ：　　　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ－１＇

ＬＯＡＤＴＬ／０，　ＩＮ，　１，　ＬＥＮＧＴＨ，　０．００００００，　ＯＳＥＴＮＯ，　０

ＣＵＴＴＥＲ／１９．０５００００，　９．５２５０００，　０．００００００，　９．５２５０００，　０．００００００，　０．００００００，　８８．９０００００

ＰＰＲＩＮＴ／＇ＴＯＯＬ　ＩＤＥＮＴＩＦＩＥＲ：ｄｅｆａｕｌｔ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｏｏｌ＇

ＰＰＲＩＮＴ／＇ＰＯＳＴ　ＴＯＯＬ　ＩＤ：０＇

ＰＰＲＩＮＴ／＇ＴＯＯＬ　ＳＴＡＴＩＯＮＮＵＭＢＥＲ：　　　　　　　－１＇

ＭＵＬＴＡＸ／ＯＦＦ

ＯＲＩＧＩＮ／　０．００００００，　０．００００００，　０．００００００ＬＩＮＴＯＬ／０．０５００００

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