本文借助冲压技术与模具设计的相关原理，并且以金属材料与热加工、变形力学等众多工程学科知识为根基，再结合冲压机械、模具加工方法等学科内容，开展连接板的冲压工艺及模具设计工作。完成了梯形支架的加工工艺性分析，并确定了冲压加工工艺方案，随后设计了冲裁模和弯曲模这两副模具，接着，根据相关要求检查了这两副模具的加工工艺性，以及它们的生产可行性，在设计阶段，同时运用Pro/Engineer软件进行实体造型设计，并使用Auto-CAD软件绘制工程图通过设计验证，采用该模具制造连接板，能够改善产品品质，提升制造效能，最终实现品质优越且成本节省的目标。
关键词
冲压工艺；模具设计；连接板；冲裁模；弯曲模
冲压工艺与梯形支架模具设计
本文通过运用冲压工艺与模具设计的理论知识，完成了箱式散热器的冲压工艺及模具设计工作，该研究工作建立在金属热处理、塑性力学、冲压设备、模具制造技术等多项知识基础之上，在技术分析及工艺方案确定的基础上，完成了落料模和弯曲模的设计，设计过程中利用Pro/Engineer软件设计实体，并借助Auto-CAD软件共同制定项目计划，设计结果证实，采用本文设计的模具能够有效提升箱式散热器的品质与生产效率。
关键词：冲压工艺，模具设计，方型散热器，落料模，弯曲模
目录
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引言
模具行业当前态势及未来市场潜力现代模具产业被誉为“长盛不衰行业”。全球模具市场普遍存在供不应求现象，需求总额持续稳定在700亿到850亿美元区间，与此同时，我国模具产业也正迎来新的发展契机近些年，国内模具行业的整体产出持续以每年15%的速度提升，统计显示2005年时，我国从国外引进的模具总金额超过70亿元，与此同时，出口的模具相关产品也达到了将近25亿元。按照这个趋势发展，到2007年，模具行业的整体产值有望达到70亿元，并且模具及配套标准件的外销额预计将在2006年时提升至大约2亿美元。汽车制造业中，单个车型需要用到成千上万套模具，其价值高达数亿元，一旦汽车改型，大约八成的模具都必须更新换代。2005年，我国汽车制造与销售量均超过五百万辆，预计到2007年，这两项指标都将超过七百万辆，其中轿车产量预计将达到三百万辆。同时，电子设备和通讯器材对模具的需求量也十分可观，在发达国家，这类需求通常占据模具市场总份额的五分之一左右。国内拥有超过一万七千家模具制造机构，相关从业者数量超过五十万人。一九九九年，我国模具产业的整体产出规模达到二百四十五亿元。在这些产出中，企业内部循环的部分占到了三分之二，对外销售的份额大约占三分之一。从模具类型来看，冲压类模具在总产出中占比接近半数，塑料类模具约占三分之一强，压铸类模具的占比约为百分之六，其余各类模具合计占比为百分之十一。
模具制造水平反映出一个国家工业化的程度，在中国，历经数十年的波折，该领域已形成一定基础，从过去完全依赖国外引进，到现在部分产品已实现国产，取得了显著进步，然而，一些高精尖的冲压模具仍需依赖进口来满足生产要求，各种先进加工技术和设计工具的应用，让模具的制造和构思更加便捷高效。信息产业持续进步，模具的设计与制造逐渐显现全球化的趋势，当前模具的计算机辅助设计与制造技术，即CAD/CAM，得到广泛研究和应用，显著提升了模具设计与制造的效能，有效缩短了生产流程，模具CAD/CAM技术的应用还能增强产品质量，大幅降低设计制造人员的重复性工作，让设计者能够集中精力进行创新和研发。特别是像pro/E和UG这类软件的运用，显著促进了模具行业的进步，数控技术的成熟让模具零件制造更加自动化，电火花加工和线切割工艺的普及也极大推动了该领域的发展，模具行业的标准化现象在国内外都十分突出，常见通用件的应用频率显著提升，这极大增强了零件间的兼容性，也促进了不同区域的协作交流。对整个模具的行业水平的提高也起到了重要的作用。
冲压属于塑性加工的重要方式，主要针对板材零件实施，因而有时也被称作板材成型。这种工艺不仅能处理金属板材，同样适用于非金属板材。在冲压过程中，板材受到模具影响，其内部会形成促使形变的力量。当内部力量累积到某个阶段，板状原料或者原料的特定区域就会发生同内部力量作用特点相匹配的形变，进而得到具有特定外形、大小和功能的产品。
冲压加工过程依赖模具和设备来执行，因此生产效率很高，同时操作方法简单，有助于实现机械化运作和自动化控制。
借助模具进行制作，能够得到借助其它制作手段难以实现或无法完成的、构造繁复的部件。
冲压零件的规格精确度依靠模具来确保，因此品质非常可靠，通常无需进一步实施切削处理即可直接应用。
压制成型通常无需对坯料进行加温，与切削加工相比，它不会消耗大量金属，因此不但能节省能源，还能减少原料的损耗。成型件的外观质量较为理想，其使用的原材料由钢铁厂大规模生产出的板材或带材构成，在成型期间材料表面不会遭到损伤。
因此，冲压制作能够确保成品质量上乘且生产费用不高，通过此方法制造出的物件通常还具备重量较轻且结构稳固的优势。
金属板料成形工艺在车辆制造、农用机械制造、动力设备制造、电气设备制造、测量仪器制造、检测仪表制造、各类生活日用品制造以及航空航天和国防工业等领域发挥着关键作用。当前许多工业发达国家都具备非常成熟的金属板料成形能力。在中国推进现代化事业的过程中，金属板料成形工艺也占据着核心位置。
现在，由于科技持续进步，钣金制造方法也在不断更新和提升，这种更新和提升主要体现在如下几个层面：
（1）工艺分析计算方法的现代化
（2）模具设计及制造技术的现代化
（3）冲压生产的机械化和自动化
（4）新的成型工艺以及技术的出现
（5）不断改进板料的性能，以提高其成型能力和使用效果。
1 零件的工艺性分析
连接件的外形见图1-1，其材质选用Q235，板厚为2毫米，适用于大规模制造，需要保证表面洁净，不允许存在明显的刮伤或凸起物。
图1-1 梯形支架零件图
1.1 材料分析
这种零件的材质是Q235，它的抗剪切能力很强，这种材料弹性好，塑性强，适合进行冲压加工。这个构件的形态比较简单，需要用圆角来连接，可以设计成R2.0的弧度，这样做方便模具制作，也能避免冲压时在棱角处出现断裂，同时还能减缓刀口在尖角部分的快速损耗。
1.2 结构分析
这个零件属于弯曲类型，造型较为繁复，规格数据很多，通过冲压方式制造起来更为便捷。
1.3 精度分析
零件的尺寸公差，自由尺寸无需精确控制，其他尺寸均为IT11级，没有额外特殊条件，所以采用常规冲压方法即可达到零件图纸标准。
2 制件冲压工艺方案的确定
2.1 冲压工序的组合
冲裁工序可以分为单工序冲裁、复合工序冲裁和连续冲裁。
冲裁方式根据下列因素确定：
依据年产量达到100万件这一指标，该产品的生产方式选择，适合使用复合模具或者连续模具。
依据零件规格与公差要求来分辨，组合式剪切加工出的零件公差等级较高，而顺序式剪切加工的零件公差等级相对较低。
依据对裁切零件规格形态的匹配性判定 此物体体量可观，顾及到串联模具进料存在阻碍，故而多采纳叠层裁切或串联裁切。串联裁切亦能制作构造繁复、幅面狭窄的非规整裁切零件。
依据模具制作及安装的便利程度和费用支出多少来判定, 对于构造繁复的落料工件而言,选用组合冲切方式比选用串联冲切方式更为恰当,这是由于模具制作及安装的难度不大,并且费用也相对节省。
依据操作便捷性和安全性来判定，复合冲裁时取出零件或清理边角料比较麻烦，工作安全程度不高，而连续冲裁则较为安全
经过全面考量，若要确保零件品质和生产效率达标，采用单一工序冲裁方案更为适宜，这种模具的使用周期相对更久，制造效能显著，执行过程简便，且保障了作业安全。
2.2 冲压顺序的安排
落料冲孔，弯曲共两道工序
3 复合模的冲压工艺及模具设计
3.1 零件展开尺寸的计算
要确定弯曲零件的初始尺寸，需要计算弯曲的展开长度，参见图3-1。
由文献得当r＞0.t时弯曲件毛胚展开的计算公式
产品展开尺寸的计算：
弯曲公式是L=L1 +L2 +t
根据具体运算 L1等于40加上72再加上6.28，其结果为118.28，在此处我们采用118这个数值。
式中 L—毛坯展开长度(mm)
L1、l2—工件直边长度(mm)
K—应变中性层位移数(查参考文献表4-6得)
r—弯曲件内弯曲半径(mm)
t—板厚(mm)
图3-1 计算零件展开尺寸示意图
3.2 确定冲裁工艺方案
这个组件涉及两项核心步骤，分别是切割下料和打孔成型，能够依据以下三种技术路径实施
方案①:先落料、再冲孔。采用单工序模生产。
方案②:落料—冲孔复合冲压。采用复合模生产。
方案③:冲孔—落料级进冲压。采用级进模生产。
方案一构造比较简单，不过要经过两个步骤、采用两个模具才能加工零件，制造速度慢，不太适合零件大批量制造的场合。方案二只要一个模具，冲压产品的形状位置精确度和大小尺寸容易控制，而且制造速度也快。虽然模具构造比方案一要复杂些，但零件的几何形态简单且对称，所以模具制作并不费事。方案三同样仅需一副模具，制造速度快，然而零件的压制准确度难以确保。综合前述三种方案的比较研究，针对该冲压产品的制造应选择方案二最为适宜。
3.3 排样和材料利用率的计算
3.3.1 排样
排样时相邻零件间或零件与条料边沿的空隙叫做搭边，它的作用是修正定位偏差，增强条料的强度，确保零件的精度，并使送料更加便捷。
搭边尺寸的设定，会受到多种因素的影响，包括材料的机械属性、板的厚度、构件的外形和大小、布局的样式、进料和定位装置的方式、以及清料的方法等。通常情况下，这个尺寸是通过实践积累的方法来确定的，针对所提供的材料厚度为两毫米，先要确定搭边尺寸，再查阅参考文献中的表格二九，从中获取相应的数值。
两工件间的距离：a=3.0mm
工件周边连接处宽度：为3.0毫米，鉴于物件呈梯形状，其详细布局示意图如下所示
图3-2 排样图
2． 送料步距和条料宽度的确定
送料间隔指的是物料在模具中每次推进的长度，这个长度被称为送料间隔。根据文献资料，当每次只冲压一个零件时，计算该送料间隔的公式在2到4的范围内
S=D+a1(3-1)
S=120+3=123mm
式中 D——平行于送料方向的冲裁宽度；
a1——冲裁之间的搭边值。
条料宽度确定依据：最小宽度需确保冲裁时零件边缘有足够连接部分，最大宽度需保证冲裁过程中能顺畅通过导向板，且与导向板保持必要间距。
当用孔定距时，可按下式计算
由文献中公式2-4条料的宽度：条料宽度
B=（D+2a1+C）0-(3-2)
等于一百一十八加两乘三加零点五乘零点五等于一百二十四点五减零点五毫米
根据参考文献表2.5.5确定C值为0.5毫米，同时参考文献表2.5.3显示数值为0.5。
式中 B——条料的宽度（mm）；
Dmax——冲裁件垂直于送料方向的最大尺寸（mm）；
a——侧搭边值；
Δ——条料宽度的单向（负向）公差；
剪切条料宽度偏差Δ=0.5, 因此B=1240-0.5。
3.4.2 材料利用率
一个步距内的材料利用率η为查
η=nA/Bs×100%（3-3）
η等于八千五百八十八点八五除以一百二十四点五乘以一百二十三，结果是百分之五十六点三
式中 A——一个步距内冲裁件面积（包括冲出的小孔在内）；
n——一个步距内冲裁件数目；
B——条料宽度（mm）；
s——步距；
3.4 确定模具总体方案结构
3.4.1 模具结构形式
按照零件的落料方式，选用组合式冲压模，组合模有正置与倒置两种，依照正置式与倒置式组合模的挑选标准，为使冲切下来的边角料能直接从压机台面的排料口排出，降低操作人员的体力消耗，优化模具构造，提升使用便捷性等，应当采用倒置式组合冲压模。
3.4.2 卸料装置
倒装式复合模，采用弹性卸料，刚性出件。
卸料板包括活动挡料销和导料销，安装高度有特定要求，卸料板轮廓尺寸为220×220×18毫米。
模具利用弹簧实现弹性卸料，根据规范选用M8×40的卸料钉，其尾部需留足构成空间，拧紧卸料螺钉后，卸料板要超出凹凸模端面一毫米，若存在偏差，可在螺钉与卸料板位置垫入垫片进行修正。
3.4.3 定位与导料装置.
使用一个固定的挡料销进行挡料，同时配合两个固定的导料销进行导料，为了减少模具的费用，可以选择人工送料的方法。这种定位和导料零件的设计比较简单，也容易制造，它们被安装在卸料板上。为了实现这个目的，在凹模上与挡料销和导料销相对应的地方制作了三个避让的孔洞，这样在操作时，凹模能够紧压住条料，确保条料能够准确无误地定位。
3.4.3 导向装置
根据冲裁零件的构造和加工特性，可以选用从后面进行导向的导柱和导套，由于冲裁零件的精度标准不高，能够使用等级为Ⅰ的模架精度，模板材料为Q235，下模板的尺寸为60，上模板的尺寸为50，导柱规格为两根直径35毫米长度190毫米的，导套规格为两根直径50毫米长度115毫米的
其零件参数如下表所示：
表4-2 零件参数
凹模周界 配用模架闭合高度H 孔距尺寸
最小 最大 S S1
220×220×40 178 228
零件名称及标准编号
上垫板 凹模 固定板 卸料板
长度为220，宽度为220，厚度为10的规格，长度为220，宽度为220，厚度为40的规格，长度为220，宽度为220，厚度为18的规格，长度为220，宽度为220，厚度为18的规格
圆柱销 卸料螺钉 螺钉 螺钉 圆柱销
直径十毫米长度八十毫米,直径八毫米长度四十毫米,直径十毫米长度八十毫米,直径十毫米长度五十毫米,直径八毫米长度四十毫米
依据相关资料，明确模具整体构造，具体方案如图3-3所示。
图3-3 模具总体方案结构示意图
3.5 工艺计算
3.5.1 计算冲压力，选择压力机
根据展开件图，压力机在模具冲压时，除了需要对抗冲裁力F，还需对抗卸料力，同时也要对抗顶件力。
平刃口冲裁力可按下式计算查文献表2-13，=380MPa。
落料力计算
F落=KLδτ(4-1)
力等于一点三乘以一百二十,加上五十,加上八十五乘以二,再加上四十一乘以二,乘以二点零,乘以三百八十,结果等于四十一万零二百零二点零牛顿
=410.02KN
式中 F——冲裁力（N）；
L——冲裁件周边长度（mm）；
τ——材料抗剪强度（MPa）；
δ——材料厚度；(mm)
K——系数，通常K=1.3；
冲孔力计算
F冲=KLδτ(4-1)
力等于一点三乘以六十八点五五，加上三点一四乘以八，再乘以二，然后加上一百五十七点四，乘以二点零，再乘以三百八十，结果等于二十七万二千八百九十五点五牛顿
=272.9KN
式中 F——冲裁力（N）；
L——冲裁件周边长度（mm）；
τ——材料抗剪强度（MPa）；
δ——材料厚度；(mm)
K——系数，通常K=1.3；
加工过程中经常借助以下公式进行测算,参照资料中的表3-11可知,前者数值为0.045,后者数值为0.05。
F卸=K卸F(4-4)
=0.045×410.02=18.45KN
F顶=K顶F(4-5)
=0.05×81.7=13.65KN
式中F——冲裁力；
F卸、F顶——分别为卸料系数和顶件系数
总冲裁力由卸料力,顶料力,落下力和冲压力组成,其值等于这四部分力之和,具体数值为715.02千牛
初步确定压力机的型号：
F公称≥F总
整体冲压力等于卸料力加上顶出力，再加上落下力，以及冲压力，其数值为715.02千牛。
因此选择压力机的型号为：JH21—100压力机
型号为JH21—100压力机的基本参数如：查文献
表4-1 J23-40压力机参数
公称压力/KN 1000 垫板尺寸/mm
滑块行程/mm 140 厚度110
往复运动频率/（回每分钟） 60, 模套圆孔规格/mm 直径60
深度75
最大封闭高度/mm 400 滑块底面积尺寸/mm
封闭高度调节量 110
滑块中心线至床身距离/mm 320 床身最大可倾角 20°
立柱距离/mm 420
工作台尺寸/mm 前后600
左右900
3.5.2 确定压力中心
选定坐标轴x和y，如图3-4所示。
图3-4 计算冲裁压力中心示意图
根据文献中的公式3-9，可以推导出用于确定压力中心位置的计算方法，其坐标值记为（X0，Y0）
（3-12）
(3-13)
F1是斜边切割所需的力量，计算方法为Lt乘以σb，得出F1等于84.6乘以1.3乘以2乘以380，最终结果是83.58千牛
F2表示直边切割所需的力，其计算公式为F2等于长度乘以应力乘以宽度乘以厚度，具体数值为120乘以1.3乘以2乘以380，最终计算结果为118.56千牛
F3代表小直边切割所需的力量，F3的计算方式为Lt乘以σb，计算结果得出F3等于41乘以1.3乘以2乘以380，最终F3的值为40.5千牛
F4代表小直边切割所需的力量，F4的数值计算公式为Ltσb，通过代入具体数值得到F4等于41乘以1.3乘以2乘以380，最终计算结果为40.5千牛
F5代表小直边切割所需的力量，F5的值等于长度乘以应力乘以宽度，F5计算得出为49.4千牛。
F6表示斜边切割所需的力，其计算公式为F6等于Lt乘以σb，具体数值为F6等于84.6乘以1.3乘以2乘以380，最终结果是83.58千牛
F7代表冲击腰部力，F7等于Lt乘以σb，计算得出F7等于68.55乘以1.3乘以2乘以380，最终结果是67.73千牛
F8表示冲圆孔力，计算公式为F8等于Lt乘以σb，具体数值为F8等于25.13乘以1.3乘以2乘以380，最终结果是F8等于24.8KN
F9表示冲圆孔的力量，F9的数值等于Ltσb的乘积，计算得出F9等于25.13乘以1.3乘以2乘以380，最终结果是24.8千牛
F10表示冲异孔力，其计算公式为F10等于Lt乘以σb，计算得出F10等于157.4乘以1.3乘以2乘以380，最终结果为155.5KN
Y1——F1到X轴的力臂 Y1=42.5
X1——F1到Y轴的力臂 X1=20.5
Y2——F2到X轴的力臂 Y2=0
X2——F2到Y轴的力臂 X2=59
Y3——F3到X轴的力臂 Y3=25
X3——F3到Y轴的力臂 X3=-38.5
Y4——F4到X轴的力臂 Y4=-25
X4——F4到Y轴的力臂 X4=-38.5
Y5——F5到X轴的力臂 Y5=0
X5——F5到Y轴的力臂 X5=59
Y6——F6到X轴的力臂 Y6=42.5
X6——F6到Y轴的力臂 X6=-20.5
Y7——F7到X轴的力臂 Y7=0
X7——F7到Y轴的力臂 X7=-42
Y8——F8到X轴的力臂 Y8=33
X8——F8到Y轴的力臂 X8=23
Y9——F9到X轴的力臂 Y9=-33
X9——F9到Y轴的力臂 X9=23
Y10——F10到X轴的力臂 Y10=0
X10——F10到Y轴的力臂 X10=23
根据合力距定理：
(3-11)
Yo代表从F作用点到X轴的力矩臂长度；这个力臂的值等于-1372.74除以682.9，计算结果为-2.0
(3-12)
Xo——F施加在Y轴上的力矩；XG等于8663.78除以6682.9，得1.30
3.5.3 凸凹模刃口尺寸及其制造公差
制作落料模时，首先需要明确凹模刀口的具体规格，并以凹模作为参照，把预留的间隙设置在凸模部位；而制作冲孔模时，则要先设定凸模刀口的精确尺寸，以凸模为基准，把间隙安排在凹模这边。
模具的使用期限，很大程度取决于间隙这个因素。冲裁作业时，凸模和冲孔物，凹模与被切下的料片，都会产生摩擦，而且间隙收窄，摩擦就会加剧。加工制造过程中，存在构造偏差和安装误差，导致凸模无法完全垂直于凹模表面，同时间隙也无法完全一致，恰当的间隙能够降低凸模、凹模边缘与工件之间的磨损，并减弱间隙不一致的负面作用，进而延长模具的运用年限。
冲裁间隙对冲裁力的影响：
冲裁力会因冲裁间隙的变大而出现一定程度的减弱，不过，如果单边间隙处在材料厚度五分之一到五分之二的区间内，冲裁力的下降并不显著，大概只减少了五分之十上下。所以，一般情况下，间隙对于冲裁力的影响并不显著。
冲裁间隙对斜料力、推件力、顶件力的影响：
空隙对斜向施力、推出力量、顶出力量作用效果很明显。空隙变大之后，从凸模上斜着脱离，从凸模孔中推出，或者顶出零件都会变得轻松。通常情况下，单边空隙增加到材料厚度的十五分之一到二十五分之一直左右时，斜向施力几乎消失。
冲裁间隙会改变冲裁件的大小精度，这种现象在冲孔和落料时表现各异，并且会受到材料轧制纹理方向的影响。根据前述研究可知，冲裁间隙对切割面状况、模具使用年限、切割所需动力、材料倾斜力、推出力、顶出力以及冲裁件最终尺寸的精确度，其作用方式都不相同。所以，没有一个固定数值能够完全符合断面质量最优，尺寸误差最小，模具使用时间最长，冲裁所需动力、倾斜辅助力、推出力、顶出力等都处于最低等所有条件的要求。实际冲压作业时，选择间隙值主要侧重于考虑冲裁件断面效果和模具能够承受的使用期限这两个核心要素。但是多项实验结论指出，确保优质冲裁断面质量的间隙尺寸，与提升模具耐用程度的间隙尺寸，二者并不相同。通常情况下，若对冲裁件断面品质标准较高，需采用较窄的间隙值，反之，当对冲裁件品质要求不是特别严格时，可以适当增加间隙尺寸，从而有助于延长模具的使用周期。
方案一：凸模和凹模分开加工
这种技术多用于圆形或者构造单纯的切割边缘，规划时，必须在图纸上分别标示出凸模和凹模切割边缘的规格以及加工允许的偏差范围，同时要确保冲切工具的加工允许偏差与冲切缝隙之间符合文献资料中3-1的要求
δd+δp≤Zmax-Zmin(5-1)
方案二 凸模和凹模配合加工
根据加工工艺，首先需要制作出凹模或凸模中的一个，依据其尺寸和精度要求，再以该件作为参照，按照最优间隙配合制作另一件模具。这种工艺不仅能够稳定冲裁间隙，还可以适当放宽基准件的误差范围，无需验证δd+δp是否小于Zmax-Zmin。此外，这种方法还能显著减少模具设计图纸的绘制步骤。现在，针对单个产品使用的模具，或者制作形状复杂的模具，工厂普遍运用联合加工的技术进行设计和制造，根据上述分析，选择配合加工方案。
1）冲裁间隙的确定
材料的冲裁双面间隙由查文献中表3-4得：，
2）冲孔凸模和落料凹模尺寸按下列查文献中公式3-8.3-9
计算：
冲孔时
(5-2)
落料时
(5-3)
孔心距 Lp=L±δp’(5-4)
公式里 Dp 和 dp，分别代表下料模和冲孔模的切割边缘大小（单位为毫米）；
Ap Bp——分别为落料和冲孔凹模的人口尺寸（mm）；
Dmax ——为落料件的最大极限尺寸（mm）；
dmin——为冲孔件的最小极限尺寸（mm）；
Δ——工件公差；
Δp——凸模制造公差，通常取δp=Δ/4；
δp’——刃口中心距对称偏差，通常取δp’=Δ/8；
Lp——凸模中心距尺寸（mm）；
