本科毕业论文---弯曲模具设计及其凸模数控加工仿真设计.doc

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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。
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。
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。
1.1 研究设计任务
学生应充分研究设计任务书，了解产品用途，并进行冲压件的工艺性及尺寸公差等级分析对于一些冲压件结构不合理或工艺性不好的，必须征询指导教师的意见后进行改进。在初明确设计要求的基础上，可按以下步骤进行冲压总体方案的论证。
第一步，酝酿冲压工序安排的初步方案，并画出各步的冲压工序草图；
第二步，通过工序安排计算及《冷冲压模具结构图册》等技术资料，验证各步的冲压成型方案是否可行，构画该道工序的模具结构草图。
第三步，构画其它模具的结构草图，进一步推敲上述冲压工序安排方案是否合理可行。
第四步，冲压工序安排方案经指导教师过目后，即可正式绘制各步的冲压工序图，并着手按照“设计任务书”上的要求进行课程设计。
1.2 资料及工具准备
课程设计开始前必须预先准备好《冷冲模国家标准》、《模具设计与制造简明手册》、《冷冲压模具结构图册》等技术资料，及图板、图纸、绘图仪器等工具。也可将课程设计全部或部分工作安排在计算机上用Auto CAD等软件来完成，相应地需事前调试设备及软件、准备好打印用纸及墨盒等材料。
1.3 设计步骤
冲压模课程设计按以下几个步骤进行。
(1)拟定冲压工序安排方案、画出冲压工序图、画出待设计模具的排样图(阶段考核比例为15%)
(2)计算冲裁力、确定模具压力中心、计算凹模周界、确定待设计模具的有关结构要素、选用模具典型组合等，初选压力机吨位(25%)；
(3)确定压力机吨位(5%)；
(4)设计及绘制模具装配图(25%)；
(5)设计及绘制模具零件图(25%)；
(6)按规定格式编制设计说明书(5%)；
(7)课程设计面批后或答辩(建议对总成绩在10%的范围内适度调整)。
1.4 明确考核要求
根据以上6个阶段应该形成的阶段设计成果实施各阶段的质量及考核，从而形成各阶段的考核成绩。其中课程设计面批或答辩不仅有助与当面指出学生的各类设计错例，也是课程设计考核的重要手段。最终的考核成绩在6个阶段考核成绩的基础上，由指导教师结合考勤记录及面批或答辩记录对总成绩在10%左右的范围内适度调整。
2 我国模具工业基本状况简介
我国模具工业近年来发展很快，据不完全统计，2003年我国模具生产厂点约有２万多家，从业人员约50多万人，2004年模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2004年模具产值530亿元。进口模具18.13亿 美元，出口模具4.91亿美元，分别比2003年增长18%、32.4%和45.9%。进出口之比2004年为3.69:1，进出口相抵后的进净口达13.2亿美元，为净进口量较大的国家。
2004年模具行业还显现另外两个特点，一是各地政府对模具工业的发展进一步关注。许多地方政府进一步认识到模具工业对发展制造业的重要意义，因此加强了模具工业园区的建设。已有的园区进一步扩大，如宁波余姚、宁海和苏州昆山等模具园区都有所扩大；新的模具工业园区正在加紧建设，如重庆、大连、深圳市等已建立模具园区；另外沈阳、西安、成都、上海、宁波北仑、浙江黄岩等地都在积极筹备建立模具园区，以利带动地区模具及相关产业链乃至制造业的发展，有些高科园内模具企业已占有相当的份量，像天津高新区就有40多家模具企业。
二是外资及社会投资模具产业增长显著。许多地方加强了吸引外资及合资投入模具工业的工作，特别是在高新技术园区和工业园区，外资、合资模具企业进一步增加，如苏州昆山模具园区，60%以上是外资企业。大连模具园区到日本、韩国招商。而有些地区高科技园内模具企业已占有相当的份量，像天津高新区有40多家模具企业。由于汽车产业发展的拉动，社会投资模具产业有所加强，如五粮液集团投资5亿元建立汽车模具生产厂，比亚迪公司投资2亿元建立了北京汽车模具公司，等等。
落后和差距主要表现在下列几方面
（1）总量供不应求、产品结构不够合理。
其中中低档模具供过于求，中高档模具自配率严重不足，大量进口。国内模具总量中属大型、精密、复杂、长寿命模具的比例不足30%，国外在50%以上。
（2）企业组织结构都不够合理。
我国模具生产厂点中多数是自产自配的工模具车间（分厂），自产自配比例高达60%左右，国外70%以上是商品模具；专业模具厂也大多数是"大而全 "、"小而全"的组织形式，国外模具企业是"大而专"、"大而精"。2004年中国模协在德国访问时，从德国工、模具行业组织--德国机械制造商联合会（VDMA）工模具协会了解到，德国有模具企业约5000家。2003年德国模具产值达48亿欧元。其中（VDMA）会员模具企业有90家，这90家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的90%，可见其规模效益。
（3） 工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低，技术结构、模具产品水平比国际水平低许多。而模具生产周期却要比国际水平长许多。
产品水平低主要表现在对后续使用模具制造制件的工艺（如冲压工艺）理解上，在模具设计上；在加工中精度、型腔表面粗糙度、寿命及模具的复杂程度上等。现代模具行业是技术密集型、资金密集型的产业，由于模具行业是微利行业，因而总体来看模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少，至使科技进步的步伐跟不上模具市场的需要。虽然国内许多企业已引进了不少国外先进设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多。由于体制和资金等方面原因，引进设备不配套、设备与附配件不配套现象十分普遍，设备利用率低，开发能力较差，科研开发及技术攻关方面投入太少。不重视产品开发，在市场经济中常处于被动地位。
（4）技术人才严重不足，经济效益欠佳。随着时代的进步和技术的发展，能掌握和运用新技术的人才如模具结构设计、模具工艺设计异常短缺，高级钳工及企业管理人才也非常紧缺。我国模具企业技术人员比例低，水平也较低，我国每个职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右，国外模具工业发达国家大多15～20万美元，有的达到 25～30万美元。我国模具企业大都微利，缺乏后劲。
（5）与国际水平相比，模具企业的管理落后更甚于技术落后。技术落后易被发现，管理落后易被忽视。国内大多数模具企业还沿用过去作坊式管理模式，真正实现现代化企业管理的还不多。信息化、数字化管理在模具企业应用现在刚刚开始。
（6）专业化、标准化、商品化的程度低，协作差。

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由于长期以来受"大而全""小而全"影响，模具专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。目前国内每年生产的模具，商品模具只占40%左右，其余为自产自用。模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务。与国际水平相比要落后许多。模具标准化水平低， 模具标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，特别是对模具制造周期有很大影响。
20年来我国模具制造水平有了很大的提高，模具的CAD/ CAM已很普遍，CAM/CAPP也在积极推广。如今我国生产的模具精度已达到微米级，与20年前相比，模具寿命提高了几十倍，模具生产周期缩短了约3/4，模具的标准件使用覆盖率从几乎是零，达到45%左右。
20年来我国模具人才的培养也上了一个很大的台阶。20年前我国大专院校都没有设立模具专业的，而如今，已有六、七十所大专院校设立了模具专业。中国模协在全国建有38个模具人才培训基地，CIMATRON也是中国模协的人才培训基地之一，自然肩负着软件的推广、软件的二次开发及人才培训工作。
上述情况正是我们模具行业和模具相关行业要一同努力，使之发展的领域，在这里，我们要感谢CIMATRON软件对中国模具行业的贡献，希望CIMATRON中国公司进一步在模具软件的开发、普及和培训人才方面，与中国模具企业一同发展。
当前，我国工业生产的特点是产品品种多、更新快和市场竞争激烈。在这种情况下，用户对模具制造的要求是“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”。模具技术的发展应该与这些要求相适应。
模具CAD/CAM/CAE技术，是模具技术发展的一个重要里程碑。实践证明，模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。现在，全面普及CAD/CAM/CAE技术的条件已基本成熟。随着微机软件的发展和进步，技术培训工作也日趋简化。在普及推广模具CAD/CAM技术的过程中，应抓住机遇，重点扶持国产模具软件的开发和应用；加大技术培训和技术服务的力度；进一步扩大CAE技术的应用范围。有条件的企业应积极做好模具CAD/CAM技术的深化应用工作，即开展企业信息化工程，可从CAPPPDMCIMSVR，逐步深化和提高。用于模具设计制造的计算机软件，将向智能化、集成化方向发展。
快速原型制造(RPM)及相关技术将得到更好的发展
快速原型制造(RPM)技术是美国首先推出的。它是伴随着计算机技术、激光成形技术和新材料技术的发展而产生的，是一种全新的制造技术，是基于新颖的离散/堆积(即材料累加)成形思想，根据零件CAD模型，快速自动完成复杂的三维实体(模型)制造。RPM技术是集精密机械制造、计算机、NC技术、激光成形技术和材料科学最新发展的高科技技术，被公认为是继NC技术之后的一次技术革命。
RPM技术可直接或间接用于模具制造。首先是通过立体光固化(SLA)、叠层实体制(LOM)、激光选区烧结(SLS)、三维打印(3D-P)、熔融沉积成形(FDM)等不同方法得到制件原型。然后通过一些传统的快速制模方法，获得长寿命的金属模具或非金属的低寿命模具。主要有精密铸造、粉末冶金、电铸和熔射(热喷涂)等方法。这种方法制模，具有技术先进、成本较低、设计制造周期短、精度适中等特点，从模具的概念设计到制造完成，仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4左右。因此，快速制模技术与快速原型制造技术的结合，将是传统快速制模技术进一步深入发展的方向。用RPM技术制造出原型后，或用实物，使用旋转铸造(用热硬化橡胶做模具)可快速、低成本地制造小批量零件，发展前景很好。
RPM技术还可以解决石墨电极压力振动(研磨)成形法中母模(电极研具)制造困难问题，使该法获得新生。青岛海尔模具有限公司还构建了基于RE(逆向工程技术)/RPM的模具并行开发系统，具有开发质量高、开发成本低及开发周期短等优点。
(7)高速铣削加工将得到更广泛的应用
国外近年来发展的高速铣削加工，主轴转速可达40000-100000r/min，快速进给速度可达到30-40r/min，加速度可达1g，换刀时间可提高到1-2s。这样就大幅度提高了加工效率，并可获得Ra≤μm的加工表面粗糙度。另外，还可加工硬度达60HRC的模块，形成了对电火花成形加工的挑战。高速切削加工与传统切削加工相比还具有温升低(加工工件只升高3℃)、热变形小等优点。目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向发展。高速铣削必须与相应的软件、加工工艺、刀具及其夹紧头相配合。高速铣削加工技术的发展，促进了模具加工技术的发展，特别是对汽车、家电行业中大型型腔模具制造注入了新的活力。
模具高速扫描及数字化系统将在逆向工程中发挥更大作用
高速扫描机和模具扫描系统，已在我国200多家模具厂点得到应用，取得良好效果。该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能，大大缩短了模具的在研制制造周期。有些快速扫描系统，可快速安装在已有的数控铣床及加工中心上，用雷尼绍的SP2-1扫描测头实现快速数据采集，采集的数据通过软件可自动生成各种不同数控系统的加工程序及不同格式的CAD数据，用于模具制造业的“逆向工程”。高速扫描机扫描速度最高可达3m/min，大大缩短了模具制造周期。
由于模具扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用，相信在“十五”期间将发挥更大的作用。逆向工程和并行工程将在今后的模具生产中发挥越来越重要的作用。
(8)电火花铣削加工技术将得到发展
电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术，这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术，它是有高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工(像数控铣一样)，因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电火花成形加工领域的重大发展。国外已有使用这种技术的机床在模具加工中应用。预计这一技术将得到发展。
超精加工和复合加工将得到发展
航空航天等部门已应用纳米技术，必须要有超高精度的模具制造超高精度的零件。随着模具向精密化和大型化方向发展，加工精度超过1μm的超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工将得到发展。兼备两种以上工艺特点的复合加工技术在今后的模具制造中将有广阔的前景。
我国模具标准化程度正在不断提高，估计目前我国模具标准件使用覆盖率已达到30%左右。国外发达国家一般为80%左右。为了适应模具工业发展，模具标准化工作必将加强，模具标准化程度将进一步提高，模具标准件生产也必将得到发展。
(9)为了适应对模具寿命的要求，优质材料及先进表面处理技术将进一步受到重视
在整个模具价格构成中，材料所占比重不大，一般在10%-30%之间，因此选用优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。对于模具钢来说，要采用电渣重熔工艺，努力提高钢的纯净度、等向性、致密度和均匀性及研制更高性能或具特殊性能的模具钢。如采用粉末冶金工艺制作的粉末高速钢等。粉末高速钢解决了原来高速钢冶炼过程中产的一次碳化物粗大和偏析，从而影响材质的问题。其碳化物微细，组织均匀，没有材料方向性，因此它具有韧性高、磨削工艺性好、耐磨性高、长年使用尺寸稳定等特点，是一种很有发展前途的钢材。特别对形状复杂的冲件及高速冲压的模具，其优越性更加突出。这种钢材还适用于注射成型添加玻璃纤维或金属粉末的增强塑料的模具，如型腔、形芯、浇口等主要部件。另外，模具钢品种规格多样化、产品精料化、制品化，尽量缩短供货时间亦是重要方向。其他优质模具材料如硬质合金、陶瓷材料、复合材料等的扩大应用，也十分重要。
模具热处理和表面处理是否能充分发挥模具钢材料性能的关键环节。模具热处理的发展方向是采用真空热处理。模具表面处理除完善普及常有箐面处理方法，即扩渗如：渗碳、渗氮、渗硼、渗铬、渗钒外，应发展设备昂贵、工艺先进的气相沉积(TiN、TiC等)、等离子喷涂等技术。
由于铝合金材料重量轻、切削性能好、导热导电率高、焊接性能优良，用它作模具材料可缩短制模周期和降低模具成本，且用于塑料模可有10万次以上寿命，因此用铝合金进行高速切削来制作快速经济模具已在世界上得到较为广泛的使用，我国也已开始使用。预计今后将会得到较快发展。
模具表面的精加工是模具加工中未能很好解决的难题之一。模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，我国目前仍以手工研磨抛光为主，不仅效率低(约占整个模具周期的1/3)，且工人劳动强度大，质量不稳定，制约了我国模具加工向更高层次发展。因此，研究抛光的自动化、智能化是重要的发展趋势。日本已研制了数控研磨机，可实现三维曲面模具的自动化研磨抛光。另外，由于模具型腔形状复杂，任何一种研磨抛光方法都有一定局限性。应注意发展特种研磨与抛光方法，如挤压研磨、电化学抛光、超声抛光以及复合抛光工艺与装备，以提高模具表面质量。
(10)模具自动加工系统的研制和发展
随着各种新技术的迅速发展，国外已出现了模具自动加工系统。这也是我国长远发展的目标。模具自动加工系统应有如下特征：多台机床合理组合；配有随行定位夹具或定位盘；有完整的机具、刀具数控库；有完整的数控柔性同步系统；有质量监测控制系统。
3 相关计算
弯曲凹模深度是弯曲模结构的重要参数。V形件弯曲凹模深度通常用其斜壁长度L0(图1)表示。对于L0的确定，一般冲压书刊文献均未提出任何计算公式，只介绍了一种查表方法，即根据V形件两侧直边长度L和板料厚度t查表1确定。

表1 弯曲V形件的凹模深度L0(mm)
Tab.1 Diedepth L0 for V-shape bending
弯曲件边长L(mm)
材料厚度(mm)
＜
2～4
＞4
10～25
10～15
15

＞25～50
15～20
25
30
＞50～75
20～25
30
35
＞75～100
25～30
35
40
＞100～150
30～35
40
50
这种查表方法的依据，是“L0不宜过小，若L0过小，则V形件两侧的自由部分较长，弯曲的回弹会增大，使得工件两侧不平直”。所以“边长L愈大，凹模深度L0也愈大”。

本文认为表1的数据及其依据值得商榷，因为：

(1) 从理论上看，弯曲回弹的计算公式是：弯曲半径回弹：

弯曲角度回弹：

式中，r，α，t—工件上的弯曲半径、弯曲角度和板料厚度
r凸，α凸—凸模的圆角半径、弯曲角度
E，σs—材料的弹性模量和屈服应力

由式(2)可见，影响回弹的尺寸因素是工件弯曲区段的弯曲半径r、弯曲角度α和材料厚度t，跟未参与变形的工件直边长度L和自由部分长度(L-L0)并没有直接关系。

(2) 从生产实例看，在用折弯机折弯板料时，尽管工件直边长度L很大，其所用的弯曲凹模深度L0并不大，远远小于表1所列数据范围，但加工后的工件两侧却依然平直。
由此可见，V形弯曲件边长L不应作为确定凹模深度L0的依据。对于L0的确定，本文在分析弯曲变形过程的基础上，提出一种计算方法，简介如下。
弯曲变形过程分析
众所周知，V形件弯曲变形过程可分3个阶段(见图2)，即正向自由弯曲(图2a)，正、反向弯曲(图2b)和较正弯曲(图2c)。

由图2可见，这种加工方式并不尽如人意，主要有两点：
1) 变形部位。V形件实际需要弯曲的区段并不长，但弯曲过程材料的变形区却扩及很大的范围，使不需要弯曲的两侧，也产生了弯曲变形。为了消除这种不需要的多余弯曲，就只好增大凹模深度L0来进行反弯校直定形，而增大深度L0又进一步扩大了变形区范围。
2) 变形方式。工件只要求正向弯曲，但在弯曲过程中却出现了反向弯曲，使弯曲变形及其回弹的规律更加复杂化，更加难于掌握和控制，以致影响弯曲件的尺寸精度。这种反向弯曲，对工件材质性能、模具寿命及力能消耗也有不利影响。
怎样避免出现反向弯曲，避免变形区出现超出实际需要弯曲的范围等不利现象，做到“按需变形”，即按V形件实际需要的弯曲部位和弯曲方式变形呢，下面通过两种特殊情况来说明。
2.1 无圆角弧形凹模(见图3)
结构特点：没有圆角半径(r凹=0)，没有凹模斜壁(L0=0)，只有一个与V形件弯曲部分形状完全一致的弧形凹槽。
变形特点：
(1) 整个弯曲过程中，工件都是由凹模口部的AA点支承。两支承点之间为“变形区”，两支承点以外为“非变形区”。两支承点间距离2W为固定值。

(2) 设变形区恒保持圆弧状，随着凸模的下压，圆弧半径ρ逐渐减小，弯曲中心角θ逐渐增大，圆弧长度s逐渐增大。
s=(ρ+t/2)θ (3)
由此可见，弯曲变形是通过将凹模口外(非变形区)的材料源源不断地拉入凹模(变形区)来实现的。所以凹模口外的变形区可分为两部分：一是将被拉入凹模参与变形的“待变形区”；一是直至弯曲过程结束，仍留在凹模口外，依然保持平直状态的“不变形区”。
由图3可见，开始弯曲时，毛坯上的01区段为变形区，12区段为待变形区，其长度为l12

而23区段为不变形区。
采用这种弧形凹模就不会出现反向弯曲，其变形区是逐渐增大的，最后才达到工件实际需要的弧长(r+t/2)φ。所以变形区不会超出实际需要的弯曲范围，真正实现“按需变形”。
但这种凹模结构是不能用于实际生产的，因为没有圆角半径，凹模口呈尖角，材料流入困难，会产生严重摩擦，刮伤工件，损坏模具，弯曲变形为剧增，会促使工件弯裂，对弯曲成形极限极为不利。
有圆角半径r凹，但没有斜壁(L0=0)的凹模(见图4)

变形特点
(1) 开始弯曲时，工件的支承点在A-A，随着凸模的下压，支承点逐渐内移，两支承点间距离由开始的2ω逐渐缩短，变形区弧长s=(ρ+t/2)θ也随之变化。
(2) 讨论变形区弧长s是如何变化的，是增长还是减短。
由式(3)可知，弧长s随ρ和θ而变，但ρ是逐渐减小，θ是逐渐增大的。由图4知：
ω=(ρ+r凹+t)sinθ (5)
即：

代入式(3)得：

将s对θ求导，得：

在弯曲最终时刻，ρ=r，θ=φ，代入式(5)知：
ω=(r+r凹+t)sinφ (9)
将式(9)代入式(8)知：

因为一般情况下有

同时又有sinφ＜1，所以在θ＜90°范围内，式(10)右边第一项较小，求得的(ds/dθ)基本上是负值。
也就是说，变形区范围s是随着弯曲变形而逐渐向中间缩小的。这与无圆角弧形凹模的弯曲方式有根本的区别。
(3) 变形过程中，变形区逐渐向中间缩小，非变形区就逐渐向中间扩大，但扩大的部分已不是未经变形的平直状态，而是已经发生过弯曲变形，其曲率半径由中间的r向外逐渐增大，类似渐开线的性质。
通过分析得到下述结论：
(1) 利用这种没有斜壁的凹模不可能压出两侧要求平直的V形件，因为最终时刻，两侧的非变形区包括不变形区和已变形区两部分。
(2) 为了消除已变形区的不符需要的多余弯曲，就必须在两侧设置斜壁，以便对工件校直定形。而这种校直过程实际就是一种反向弯曲。
凹模深度L0的计算方法
由上述可知，带有圆角半径r凹的凹模必须有斜壁，但斜壁L0过大也会造成一系列负面影响：一是会增大凹模高度，浪费模具材料；二是要求压力机的行程也相应增大；三是增加了后期校正弯曲的承压面积，弱化了校正弯曲的作用。
因此，确定凹模深度L0的原则应该是：在保证完成已变形区的样直前提下，尽可能取L0的最小值。最小值的计算公式推导如下：
图5为有圆角半径r凹和凹模斜壁L0的V形体弯曲凹模。其结构特点是斜壁长度L0正好等于已变形区的长度，即最初和最终时刻变形区弧长的差值。

最初变形区长度为ω，最终变形区弧长为(r+t/2)φ 于是：
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由式(13)可以看出，凹模深度L0与工件的弯曲角度φ和弯曲半径r有密切关系，而与工件的边长L并没有直接关系。因此，根据边长L来确定深度L0是不正确的。
由式(13)还可看出，式中r，t和φ是工件尺寸，只有L0和r凹是在设计模具时确定的凹模尺寸，可见当工件尺寸一定时，斜壁长度L0是随着凹模圆角半径r凹变化的，它们之间有紧密的联系。但前述经验方法都是分别查取L0和L凹，没有考虑二者之间的内在联系。
计算实例
V形件弯曲凹模圆角半径的经验值是
t≤2mm，r凹=(2～6)t
t=2mm～4mm，r凹=(3～3)t
t≥4mm，r凹=2t
现设t=2mm，r凹=3t=6mm，设工件弯曲半径r=3mm
按式(13)计算出L0和φ的对应关系如表2所示。
表2 L0和φ的对应关系
Tab.2 Relationship between L0 and φ
φ
80°
67.5°
60°
45°
30°
22.5°
15°
7.5°
5°
φ
4л/9
3л/8
л/3
л/4
л/6
л/8
л/12
л/24
л/36
L0
6.351
8.829
10.67
15.83
25.420
34.665
52.82
106.62
160.21
由表2中数据可以看出，工件的弯曲角φ愈大，则凹模深度L0愈小。折板机一般折弯角φ＞30°，按式(13)求得其所对应的凹模深度并不大。此结论与生产中常采用深度很小的凹模进行折弯加工的实际情况是吻合的。
4 结论
(1)V形件弯曲凹模由于有圆角半径r凹，变形区就逐渐变小，因而在弯曲终止时的非变形区中就包含了已变形区，就需要设置凹模斜面L0来消除多余弯曲，使工件校直定形。
(2)根据工件直边长度过L来确定凹模深度L0，这种惯用方法，无论从理论还是从实际来看都是不恰当的。L0应该按本文的式(13)来计算，求得的L0值就是V形件弯曲凹模的最小深度值。
(3)本文推导的式(13)是建立在弯曲变形区恒保持圆弧状的假设基础上的，对于工程应用，其准确性完全够用。当然，从研究角度来看，还可以采用更合理的变形模式，使推导出的计算公式进一步精化。
4 主要简图
4.1 零件图

4.2 U型件成形简图

4.3 二次成形图

1-模柄 2-销钉 3-凸模 4-摇板 5-弹簧轴 6-螺钉
7-弹簧挂钉 8-下模板 9-拉簧 10-支架 11-芯棒
5 发展
现代模具行业是技术、资金密集型的行业。它作为重要的生产装备行业在为各行各业服务的同时，也直接为高新技术产业服务。由于模具生产要采用一系列高新技术，如CAD/CAE/CAM/CAPP等技术、计算机网络技术、激光技术、逆向工程和并行工程、快速成型技术及敏捷制造技术、高速加工及超精加工技术等等，因此，模具工业已成为高新技术产业的一个重要组成部分，有人说，现代模具是高技术背景下的工艺密集型工业。模具技术水平的高低，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，因此已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。
模具工业是无以伦比的"效益放大器"。用模具加工产品大大提高了生产效率，而且还具有节约原材料、降低能耗和成本、保持产品高一致性等特点。因此模具被称为"效益放大器"，在国外，模具被称为"金钥匙"、"进入富裕社会的原动力"等等。从另一个角度上看，模具是人性化、时代化、个性化、创造性的产品。更重要的是模具发展了，使用模具的产业其产品的国际竞争力也提高了。据国外统计资料，模具可带动其相关产业的比例大约是1:100，即模具发展1亿元，可带动相关产业100亿元。
模具不是批量生产的产品。它具有单件生产和对特定用户的依赖特性。就模具行业来说，引进国外先进技术，不能采用通常的引进产品许可证和技术转让等方式，而主要是引进已经商品化了的CAD/ CAM /CAE软件和精密加工设备等。模具的CAD/CAE/CAM涉及面广、集多种学科与工程技术于一体，是综合型、技术密集型产品。如塑料模具的CAE技术要利用高分子材料学、流变学、传热学、计算力学、计算机图形学等知识，涉及的领域还包括声波及电磁场、温度场等各类物理场，通过工程分析、来建立塑料成型的数学和物理模型，构造有效的数值计算方法，实现成型过程的动态仿真分析。现代化的模具要实现数字化设计、数字化制造、数字化管理、数字化生产流程。这些模具的数字化代表了现代模具的一个方面，没有模具的数字化，就没有现代模具。模具的CAD/CAE/CAM技术日新月异，重要的工作是后续对人员的培训和对于引进的软件进行二次开发。像我们熟知的CIMATRON公司不但在塑料模具的CAD/ CAM软件上在中国保持其市场占有率并且在扩大，而且在冲压模具、多成份橡胶制鞋模具等领域开拓，也将大显身手；开发FUTABA、LKM、MISUMI标准模架数据库的工作也已提上日程。这是为模具行业服务的具体体现。
6 冲裁模结构设计示范
6.1 排样论证的基本思路
排样论证的目的是为了画出正确的模具排样图。一个较佳的排样方案必须兼顾冲压件的公差等级、冲压件的生产批量、模具结构和材料利用率等方面的因素。
6.2 典型组合选择示范
计算凹模周界及确定模具的主要结构是为了选用合适的模具结构典型组合。根据本模具采用纵向送料方式、弹压卸料板、倒装复合模、中间导柱导套模架及凹模周界为H×D=16×Ф80，可从《冷冲模国家标准》查到复合模圆形厚凹模典型组合(GB2873.3-81)。各模具零件的标准外形尺寸H×D如下：
(1)上垫板(GB2858.6-81) 4×Ф80 1块；
(2)固定板(GB2858.5-81) 12×Ф80 1块；
(3)凹模(GB2858.4-81) (22×Ф80)调整至18×Ф80 1块；
(4)卸料板(GB2858.5-81) 10×Ф80 1块；
(5)固定板(GB2858.5-81) 14×Ф80 1块；
(6)下垫板(GB2858.6-81) 4×Ф80 1块；
本典型组合推荐使用3只M8的紧固螺钉、2只Ф8的圆柱销、3只杆部直径为Ф8的台肩式卸料螺钉、凸凹模的推荐长度为42mm、配用模架闭合高度在140～165mm之间。
有了模具结构的典型图，模具设计就大为简化。只要根据排样图中凸模或凸凹模的位置，分别把各个凸模或凸凹模画入典型组合可，并相应地在凹模板或凸凹模上开制相应的凹模洞口及在其它零件上画出漏料孔、打料系统等，就可得到一张完整又正确的装配图。
6.3 非标准模具的对照设计
有些矩形凹模板根据计算结果会很难选到一个合适的标准凹模板。例如某狭长冲压件，其凹模周界的计算值：H×L×B=20×60×125， 与之最为接近的标准凹模板尺寸为：H×L×B=20×125×125，仍相差悬殊。解决的办法是根据H×L×B=20×125×125的标准凹模板找到模具的典型组合，同样根据该典型组合构画装配图，只是把模具内的所有模板的L尺寸全部换成非标准尺寸60mm，而尺寸H及B保持不变，进行必要的有限非标准设计。
6.4 绘制模具装配图示范
(1) 有了模具结构典型组合图，就可以着手绘制模具装配图。我们一般应根据模具结构典型组合图绘制模具结构草图，这样无论在布置图面、还是考虑结构细节等问题上都将带来许多便利之处。
图面布置规范
为了绘制一张美观、正确的模具装配图，必须掌握模具装配图面的布置规范。图3所示是模具装配图的图面布置示意图，可参考使用。
图纸的左上角1处是档案编号。如果这份图纸将来要归档，就在该处编上档案号(且档案号是倒写的)，以便存档。不能随意在此处填写其它内容。

图3 图面布置示意