《模具CAD/CAM/CAE》课程授课教案（讲义）第4章 冲压模具CAD

章节第4章冲压模具CAD巩固掌握冲压加工及其模具的种类，理解冲压模具CAD的技术流教学程，掌握冲压模具CAD设计方法目的重点重点：冲压模具CAD的功能难点：冲压模具CAD图样的绘制难点教学内容：1.冲压模具基础知识2.冲裁模CAD系统的特点教学内3.冲裁零件的输入和计算机处理容4.冲裁零件的工艺性判别5.冲裁零件的排样教学方7.冲裁工艺参数计算和冲模结构设计法8.冲模图样绘制教学手教学方法：结合已取得的科研成果重点讲授冲压模具CAD的基本原理和段最新成果，使学生开拓眼界。学时分教学手段：课堂讲授和师生上机互动相结合。配学时分配：课堂讲授+上机（6学时）1.冲模CAD系统有哪几部分组成？2.冲压模CAD图样的技术要求有哪些？章思考题[1】任秉银．模具CAD/CAE/CAM哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，主要2006.参考[2]李名尧．模具CAD/CAM。北京：机械工业出版社．2004.资料[3]童秉枢．现代CAD技术．北京：清华大学出版社，2000.备注

章节 第 4 章 冲压模具 CAD 教学 目的 巩固掌握冲压加工及其模具的种类，理解冲压模具 CAD 的技术流 程，掌握冲压模具 CAD 设计方法 重点 难点 重点：冲压模具 CAD 的功能 难点：冲压模具 CAD 图样的绘制 教学内 容 教学方 法 教学手 段 学时分 配 教学内容： 1. 冲压模具基础知识 2. 冲裁模 CAD 系统的特点 3. 冲裁零件的输入和计算机处理 4. 冲裁零件的工艺性判别 5. 冲裁零件的排样 7. 冲裁工艺参数计算和冲模结构设计 8. 冲模图样绘制 教学方法：结合已取得的科研成果重点讲授冲压模具 CAD 的基本原理和 最新成果，使学生开拓眼界。 教学手段：课堂讲授和师生上机互动相结合。 学时分配：课堂讲授+上机（6 学时） 章思考题 1. 冲模 CAD 系统有哪几部分组成？ 2. 冲压模 CAD 图样的技术要求有哪些？ 主要 参考 资料 [1] 任秉银. 模具 CAD/CAE/CAM. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2006. [2] 李名尧. 模具 CAD/CAM. 北京：机械工业出版社. 2004. [3] 童秉枢. 现代 CAD 技术 . 北京：清华大学出版社，2000. 备注 1

第4章冲压模具CAD各种模具中以塑料注射模具及金属冷冲压模具居多，这两类模具大约占到模具总量的90%，所以模具CAD系统的研发和推广大都围绕塑料注射模具和金属冷冲压模具展开。4.1冲压模具基础知识对应于各种冷冲压加工工艺，存在着各种类型的冷冲压模具，如冲孔模、落料模、切边模、剖切模、弯曲模、拉深模、等等。按照模具的导向方法分类，冷冲压模具又可以分成为无导向模、导柱模、导板模和导筒模等。按照模具的卸料方法分类，有刚性卸料模和弹性卸料模。对模具CAD有重要影响的分类特征是冲压零件的空间特征，依此可分成二维类冲压模具、三维类冲压模具以及介于其中的二维半冲压模具。二维类冲压模具包括了弯曲模具和大部分冲裁模具：三维类冲压模具包括各种除轴对称外的空间成形及冲裁模具；二维半冲压模具包括各种轴对称空间成形模具，如大部分拉深模、挤压模、翻边模等。根据冷冲压零件图样设计冷冲压模具时，首先要分析该零件的冲压工艺性。只有适合用冷冲压工艺生产的零件才需要进行冷冲压模具设计，否则需改用其他工艺生产，或者修改零件设计，使其适合用冷冲压方法加工。如果一个零件适合用冲压方法加工，那么就需要确定一种合理的冲压加工方案。设计冷冲压模具过程中还需要进行各种工艺计算。为了选择冲压设备和设计模具往往需要计算冲压力。计算压力中心就是要求出冲压力合力的作用点，该合力作用点应该尽量安排在压力机滑块中心处。为了提高材料利用率，节省宝贵的金属板料资源，应该对冲压件作出合理的排样。为了提高模具抗磨损性以及提高冲压件的制造精度，需要合理计算模具工作部分的尺寸和制造公差。模具间隙是一个重要的工艺参数，合理的模具间隙对于模具寿命和冲压件的质量都是至关重要的。在绘制模具图样之前，还需要先确定好模具的结构型式：如送料方向是采用直向送料还是横向送料，是否采用导柱导尚，采用何种型式的模架，是否采用弹性卸料装置，采用简单模、复合模还是连续模，等等。确定好模具的结构型式之后就可以绘制冷冲压模具装配图样，当然在绘图过程中，对模具的某些结构还可能作变动，变动时还需要进行必要的计算工作。完成了装配图样，再分拆绘制各个零件图样。整套图样绘制完成之后，为了保证能够加工出合用的模具，对全套图样还必须进行认真地校核。2

第 4 章 冲压模具 CAD 各种模具中以塑料注射模具及金属冷冲压模具居多，这两类模具大约占到模 具总量的 90%，所以模具 CAD 系统的研发和推广大都围绕塑料注射模具和金属冷 冲压模具展开。 4.1 冲压模具基础知识 对应于各种冷冲压加工工艺，存在着各种类型的冷冲压模具，如冲孔模、落 料模、切边模、剖切模、弯曲模、拉深模、等等。 按照模具的导向方法分类，冷冲压模具又可以分成为无导向模、导柱模、导 板模和导筒模等。 按照模具的卸料方法分类，有刚性卸料模和弹性卸料模。 对模具 CAD 有重要影响的分类特征是冲压零件的空间特征，依此可分成二维 类冲压模具、三维类冲压模具以及介于其中的二维半冲压模具。二维类冲压模具 包括了弯曲模具和大部分冲裁模具；三维类冲压模具包括各种除轴对称外的空间 成形及冲裁模具；二维半冲压模具包括各种轴对称空间成形模具，如大部分拉深 模、挤压模、翻边模等。 根据冷冲压零件图样设计冷冲压模具时，首先要分析该零件的冲压工艺性。 只有适合用冷冲压工艺生产的零件才需要进行冷冲压模具设计，否则需改用其他 工艺生产，或者修改零件设计，使其适合用冷冲压方法加工。 如果一个零件适合用冲压方法加工，那么就需要确定一种合理的冲压加工方案。 设计冷冲压模具过程中还需要进行各种工艺计算。 为了选择冲压设备和设计模具往往需要计算冲压力。 计算压力中心就是要求出冲压力合力的作用点，该合力作用点应该尽量安排 在压力机滑块中心处。 为了提高材料利用率，节省宝贵的金属板料资源，应该对冲压件作出合理的 排样。 为了提高模具抗磨损性以及提高冲压件的制造精度，需要合理计算模具工作 部分的尺寸和制造公差。 模具间隙是一个重要的工艺参数，合理的模具间隙对于模具寿命和冲压件的 质量都是至关重要的。 在绘制模具图样之前，还需要先确定好模具的结构型式：如送料方向是采用 直向送料还是横向送料，是否采用导柱导向，采用何种型式的模架，是否采用弹 性卸料装置，采用简单模、复合模还是连续模，等等。 确定好模具的结构型式之后就可以绘制冷冲压模具装配图样，当然在绘图过 程中，对模具的某些结构还可能作变动，变动时还需要进行必要的计算工作。完 成了装配图样，再分拆绘制各个零件图样。整套图样绘制完成之后，为了保证能 够加工出合用的模具，对全套图样还必须进行认真地校核。 2

4.2冲裁模设计及计算模具刃口尺寸计算中要解决的问题是确定基准模具和冲裁件尺寸类型根据冲压加工工艺知识，冲裁件中落料件的尺寸取决于凹模，而冲孔件的尺寸取决于凸模。我们把落料时的凹模和冲孔时的凸模都称之为基准模，把与基准模相配的模具（即落料凸模和冲孔凹模）称之为配合模。绘制图形时只需要绘制出基准模刃口图形，然后调用AutoCAD图形软件的实用命令，建立偏距等于模具最小单边间隙（Zain/2）的等距曲线，即得到了配合模的刃口图形。基准模和配合模的刃口图形都可以直接应用于模具的计算机辅助制造。关于冲裁件零件尺寸类型，冲裁模系统中把冲裁件的尺寸分成为三大类。第一类是轴类尺寸，定为A类尺寸，这类尺寸的特点是：冲裁件尺寸将随冲裁模具的磨损而增大。第二类尺寸是孔类尺寸，定为B类尺寸，这类尺寸的特点是：冲裁件尺寸将随冲裁模具的磨损而减小。第三类尺寸是长度类尺寸，定为C类尺寸，这种长度类尺寸的特点是：冲裁件尺寸大小基本上不受冲裁模具的磨损而发生变化。对于冲裁件不同类型的尺寸，基准模具刃口尺寸的计算公式也不相同。轴类（A类）尺寸随模具的磨损而增大，因此在模具制造时希望能够将冲裁件尺寸控制在接近尺寸的下限，基准模具刃口尺寸计算公式为D; = (D+Tr +(1-X)(T.-T))式中D,——基准模刃口尺寸；D——冲裁件基本尺寸;T.一冲裁件上偏差；TI——冲裁件下偏差；X冲模磨损系数。制造上偏差为8，下偏差为0。8的计算公式为8=（1/3～1/4)（T.一T）。孔类（B类）尺寸随模具磨损而减小，因此希望在模具制造时希望能够将冲裁件尺寸控制在接近尺寸上限，基准模具刃口尺寸计算公式为D;= (D+T. +(1-X)(Ti-T))式中符号含义同前。制造上偏差为0，下偏差为一。长度类（C类）尺寸的大小基本上不随模具磨损发生变化，因此将模具的制造尺寸控制在上下限尺寸的中间，基准模刃口尺寸计算公式为D,= (D+0.5 (Ti+T))式中符号含义同前，制造上下偏差为士0.58模具间隙是根据冲裁件材料和板料厚度确定的，《冲压设计资料》中列出了汽车行业和电子行业中所使用的模具间隙值，可以根据需要选定某一种标准来确定模具间隙。4.3冲裁零件的排样3

4.2 冲裁模设计及计算 模具刃口尺寸计算中要解决的问题是确定基准模具和冲裁件尺寸类型。 根据冲压加工工艺知识，冲裁件中落料件的尺寸取决于凹模，而冲孔件的尺 寸取决于凸模。我们把落料时的凹模和冲孔时的凸模都称之为基准模，把与基准 模相配的模具（即落料凸模和冲孔凹模）称之为配合模。绘制图形时只需要绘制 出基准模刃口图形，然后调用 AutoCAD 图形软件的实用命令，建立偏距等于模具 最小单边间隙（Zmin/2）的等距曲线，即得到了配合模的刃口图形。基准模和配 合模的刃口图形都可以直接应用于模具的计算机辅助制造。 关于冲裁件零件尺寸类型，冲裁模系统中把冲裁件的尺寸分成为三大类。第 一类是轴类尺寸，定为 A 类尺寸，这类尺寸的特点是：冲裁件尺寸将随冲裁模具 的磨损而增大。第二类尺寸是孔类尺寸，定为 B 类尺寸，这类尺寸的特点是：冲 裁件尺寸将随冲裁模具的磨损而减小。第三类尺寸是长度类尺寸，定为 C 类尺寸， 这种长度类尺寸的特点是：冲裁件尺寸大小基本上不受冲裁模具的磨损而发生变 化。 对于冲裁件不同类型的尺寸，基准模具刃口尺寸的计算公式也不相同。 轴类（A 类）尺寸随模具的磨损而增大，因此在模具制造时希望能够将冲裁 件尺寸控制在接近尺寸的下限，基准模具刃口尺寸计算公式为 Ｄj ＝〔D+Tl +(1－X)(Tu –Tl)〕 式中 Dj ——基准模刃口尺寸； D ──冲裁件基本尺寸； Tu ──冲裁件上偏差； Tl ──冲裁件下偏差； X ──冲模磨损系数。 制造上偏差为 δ，下偏差为 0。δ 的计算公式为 δ＝(1/3～1/4)(Tu－Tl)。 孔类（B 类）尺寸随模具磨损而减小，因此希望在模具制造时希望能够将冲 裁件尺寸控制在接近尺寸上限，基准模具刃口尺寸计算公式为 Ｄj ＝〔D+Tu +(1－X)(Tl –Tu)〕 式中符号含义同前。制造上偏差为 0，下偏差为－δ。 长度类（C 类）尺寸的大小基本上不随模具磨损发生变化，因此将模具的制 造尺寸控制在上下限尺寸的中间，基准模刃口尺寸计算公式为 Ｄj ＝〔D+0.5 (Tl+ Tu)〕 式中符号含义同前，制造上下偏差为±0.5δ。 模具间隙是根据冲裁件材料和板料厚度确定的，《冲压设计资料》中列出了 汽车行业和电子行业中所使用的模具间隙值，可以根据需要选定某一种标准来确 定模具间隙。 4.3 冲裁零件的排样 3

排样是指冲裁件在条料、带料或板料上布置的方法。排样包括确定搭边数据和排样方案。搭边能够保证冲裁件准确的冲切及条料的刚性。搭边可以进一步被分成为相邻冲裁件之间的搭边，以及冲裁件与条料边缘之间的延边，搭边和延边的数值是根据冲裁件的形状、大小、材料、送料方式、板料厚度确定，延边值的大小还与是否采用侧刀有关。在冲压设计资料中可以找到有关的搭边数据和计算公式，冲裁件的合理布置（即材料的经济利用）与零件的形状密切相连。按零件的不同几何形状，常见的排样方式有单排排样、多排排样（包括双排排样）、调头排样、混合排样（指几种不同的零件混在一起的排样方式）等。为了简化分析排样问题，只考虑同一种冲裁件在“无限长”条料上的排样，所以材料利用率n=nXA/(SXW)X100%式中S进给步距：W——料宽：n一一个步距内的冲裁件毛坏数：A一一单个冲裁件的面积。在选用排样算法时，应充分考虑以下工程约束条件：(1）具有较高的材料利用率；(2）考虑材料的各向异性，要求弯曲线与条料纤维方向交角在一定的角度范围内;(3)对于窄长型冲压件，应使其方位角在一定范围内以保证条料的平整度；(4)考虑料宽约束（给定最大/最小料宽）以满足用户特定的材料宽度要求：(5)模具结构设计的合理性；(6)步距与料宽计算应该准确（在误差范围内）。因此，优化排样以提高材料利用率作为优化的目标函数，但不能只考虑利用率因素，应同时结合各约束条件，选择确定最佳方案。在确定材料利用率最高的排样方案时，还要考虑到某些限制因素。如多排排样方案往往比单排排样方案的材料利用率高，但是采纳多排排样方案需要使用更大规格和更昂贵的模具及冲压设备。调头排样方案对具有明显大小头形状的零件很有效果，但是会给冲压工人增添操作方面的麻烦。对于大小头形状特征不是很明显的冲裁件，就要仔细酌是否要采用调头排样。以送料方向为横轴方向，取冲裁件外轮廓曲线在纵轴方向上最高和最低的两个极限位置Yax和Yin，若沿边值为ai，则条料宽度W=Yax一Ymin十2ai。不同排样方案中的送料方向不同，其冲裁件轮廓曲线在纵轴方向上的极限位置值也不相同，因此得到的条料宽度是不一样的。4

排样是指冲裁件在条料、带料或板料上布置的方法。排样包括确定搭边数据 和排样方案。 搭边能够保证冲裁件准确的冲切及条料的刚性。搭边可以进一步被分成为相 邻冲裁件之间的搭边，以及冲裁件与条料边缘之间的延边，搭边和延边的数值是 根据冲裁件的形状、大小、材料、送料方式、板料厚度确定，延边值的大小还与 是否采用侧刀有关。在冲压设计资料中可以找到有关的搭边数据和计算公式。 冲裁件的合理布置（即材料的经济利用）与零件的形状密切相连。按零件的不同 几何形状，常见的排样方式有单排排样、多排排样（包括双排排样）、调头排样、 混合排样（指几种不同的零件混在一起的排样方式）等。 为了简化分析排样问题，只考虑同一种冲裁件在“无限长”条料上的排样， 所以材料利用率 η＝n×A／(S×W)×100% 式中 S——进给步距； W——料宽； n——一个步距内的冲裁件毛坯数； A——单个冲裁件的面积。 在选用排样算法时，应充分考虑以下工程约束条件： (1) 具有较高的材料利用率； (2) 考虑材料的各向异性，要求弯曲线与条料纤维方向交角在一定的角度范围 内； (3) 对于窄长型冲压件，应使其方位角在一定范围内以保证条料的平整度； (4) 考虑料宽约束(给定最大／最小料宽)以满足用户特定的材料宽度要求； (5) 模具结构设计的合理性； (6) 步距与料宽计算应该准确（在误差范围内）。 因此，优化排样以提高材料利用率作为优化的目标函数，但不能只考虑利用 率因素，应同时结合各约束条件，选择确定最佳方案。 在确定材料利用率最高的排样方案时，还要考虑到某些限制因素。如多排排 样方案往往比单排排样方案的材料利用率高，但是采纳多排排样方案需要使用更 大规格和更昂贵的模具及冲压设备。调头排样方案对具有明显大小头形状的零件 很有效果，但是会给冲压工人增添操作方面的麻烦。对于大小头形状特征不是很 明显的冲裁件，就要仔细斟酌是否要采用调头排样。 以送料方向为横轴方向，取冲裁件外轮廓曲线在纵轴方向上最高和最低的两 个极限位置 Ymax和 Ymin，若沿边值为 a1，则条料宽度 W＝Ymax－Ymin＋2a1 。不同排样 方案中的送料方向不同，其冲裁件轮廓曲线在纵轴方向上的极限位置值也不相 同，因此得到的条料宽度是不一样的。 4

为了求得冲裁件在送料方向上的送进步距，可以设想利用AutoCAD的等距曲线功能，将冲裁零件的轮廓向外扩放半个搭边距离。逐渐移动向外扩放了半个搭边距离的冲裁零件轮廓图形，使之与原来位置的图形相切，那么两个图形之间的距离就是送进步距。采用这种方法需要逐步移动一个比较复杂的图形，每一次移动图形后都需要判别移动后图形与原图形的关系：相交、相离或相切。当两图形相交时需要加大移动距离，反之则需要减小移动距离，只有在达到相切点时才可以确定出送进步距。另外一种求步距的方法称为平行线分割一步平移法。平行线分割一步平移法的原理为，在冲裁件轮廓扩放半个搭边距离后的曲线中划出一系列平行线，平行线方向与送料方向一致，然后计算每一根平行线的长度，其中最长一根平行线的长度就是送进步距。与移动图形方法相比，一步法大大压缩了计算量，因此在冲裁件排样中得到了实际应用。设材料利用率为n，单排排样方向为α。随着排样方向α取值的改变，条料宽度和排样步距都发生了变化，材料利用率n也随之而变。用数学式n=f（α）可以表示这种关系，其中分析参数α的取值范围为[0，元）。得到最高的材料利用率nx的过程称为优化。过程优化是一个专门的研究领域，现在已经研究出各种各样的优化方法，如黄金分割法就是其中的一种。黄金分割法的原理是将α的可能取值范围定为搜索区间，每搜索一次就将搜索区间减小为原来区间长度的0.618，因此黄金分割法又被称为0.618法。通过逐步减小搜索区间的方法，直至搜索区间缩小到一个预定的许可范围，从而得到最优值。多排排样时，用二个参数（α）和（β）来确定排样方案。材料利用率m和这二个参数的关系是n=f (α, β)这种类型的优化问题被称为二维优化。二维优化耗费的计算时间远远超过了一维优化计算。多排自动排样的计算工作量是非常大的，往往需要耗费大量的计算时间。对于调头排样和混合排样，如果采取自动方式则需要采用相当复杂的算法，耗费更多的计算时间，得到的结果并不一定理想。在实际生产中调头排样和混合排样方式都是针对冲裁零件图形特征非常明显的冲裁件，如具有明显大小头特征的零件适合调头排样，而混合排样则往往是在一个零件的空档中插入另一个零件。可以对这两类排样方式采用人机交互和自动排样相结合的方式，即先用人机交互方式调整好调头排样或混合排样的位置，构成一个表示调头排样或混合排样的复合图形，然后再对此复合图形进行上述的冲裁件单排或多排的自动排样。对于图4-7所示零件，排样模块计算出搭边值为1.2，延边值为1.5；图4-8是该零件顺排排样的结果，图4-9是调头排样的结果。4.4其他专用冲模CAD技术5

为了求得冲裁件在送料方向上的送进步距，可以设想利用 AutoCAD 的等距曲 线功能，将冲裁零件的轮廓向外扩放半个搭边距离。逐渐移动向外扩放了半个搭 边距离的冲裁零件轮廓图形，使之与原来位置的图形相切，那么两个图形之间的 距离就是送进步距。采用这种方法需要逐步移动一个比较复杂的图形，每一次移 动图形后都需要判别移动后图形与原图形的关系：相交、相离或相切。当两图形 相交时需要加大移动距离，反之则需要减小移动距离，只有在达到相切点时才可 以确定出送进步距。另外一种求步距的方法称为平行线分割一步平移法。平行线 分割一步平移法的原理为，在冲裁件轮廓扩放半个搭边距离后的曲线中划出一系 列平行线，平行线方向与送料方向一致，然后计算每一根平行线的长度，其中最 长一根平行线的长度就是送进步距。与移动图形方法相比，一步法大大压缩了计 算量，因此在冲裁件排样中得到了实际应用。 设材料利用率为 η，单排排样方向为 α。随着排样方向 α 取值的改变，条料 宽度和排样步距都发生了变化，材料利用率 η 也随之而变。用数学式 η＝f (α) 可以表示这种关系，其中分析参数 α 的取值范围为[0，π）。得到最高的材料利 用率 ηmax的过程称为优化。过程优化是一个专门的研究领域，现在已经研究出各 种各样的优化方法，如黄金分割法就是其中的一种。黄金分割法的原理是将 α 的可能取值范围定为搜索区间，每搜索一次就将搜索区间减小为原来区间长度的 0.618，因此黄金分割法又被称为 0.618 法。通过逐步减小搜索区间的方法，直 至搜索区间缩小到一个预定的许可范围，从而得到最优值。 多排排样时，用二个参数（α）和（β）来确定排样方案。材料利用率 η 和这二 个参数的关系是 η＝f (α, β) 这种类型的优化问题被称为二维优化。二维优化耗费的计算时间远远超过了 一维优化计算。 多排自动排样的计算工作量是非常大的，往往需要耗费大量的计算时间。对 于调头排样和混合排样，如果采取自动方式则需要采用相当复杂的算法，耗费更 多的计算时间，得到的结果并不一定理想。在实际生产中调头排样和混合排样方 式都是针对冲裁零件图形特征非常明显的冲裁件，如具有明显大小头特征的零件 适合调头排样，而混合排样则往往是在一个零件的空档中插入另一个零件。可以 对这两类排样方式采用人机交互和自动排样相结合的方式，即先用人机交互方式 调整好调头排样或混合排样的位置，构成一个表示调头排样或混合排样的复合图 形，然后再对此复合图形进行上述的冲裁件单排或多排的自动排样。 对于图 4-7 所示零件，排样模块计算出搭边值为 1.2，延边值为 1.5；图 4-8 是该零件顺排排样的结果，图 4-9 是调头排样的结果。 4.4 其他专用冲模 CAD 技术 5

冲压模具CAD将走向更加专业化的道路。一些通用的软件由于其功能繁多，专业性较差，已不能满足专业模具厂在CAD/CAM方面的需要。专业模具厂越来越倾向于使用专用性很强的模具CAD软件，汽车覆盖件冲压成形模具和集成电路引线框架精密级进冷冲压模具是这方面两个非常典型的实例。一、汽车覆盖件模具CAD技术早在60年代初期，国外一些汽车制造公司就开始了模具CAD的研究。这一研究始于汽车车身的设计，在此基础上复杂曲面的设计方法得到了发展，各大汽车公司都先后建立了自已的CAD/CAM系统，并将其应用于模具设计与制造。计算机软、硬件技术的迅猛发展，为模具CAD/CAM的开发应用向更高层次的拓展创造了条件。在几何造型方面，基于线框模型的CAD系统率先由飞机和汽车制造商开发并应用。例如：美国Lockhead飞机公司、McDonnellDouglas飞机公司、GeneralMotor汽车公司的CAD系统、CADD系统、AD2OOO系统等，均推动了模具CAD技术的发展。70年代以来，曲面造型与实体造型技术发展迅速，新一代的CAD软件均是实体造型与曲面造型兼备的系统，能适用于复杂模具的设计和制造，在模具界得到了广泛的应用。象美国Ford汽车公司的CAD/CAM系统中所包括的模具CAD/CAM部分，取代了人工设计与制造，设计方面采用人机交互进行三维图形处理、工艺分析与设计计算等工作，完成二维绘图，生成生产零件图、材料表以及工序、定额、成本等文件。系统还包括一些专业软件，如工艺补充面的设计、弹塑性变形的分析、回弹控制与曲面零件外形的展开等等，部分已用于生产，部分还在研究、完善当中。日本TOYOTA汽车公司从1980O年开始研制汽车覆盖件模具CAD/CAM系统，此系统包括处理覆盖件模面的Die-Face软件和加工凸、凹模的TINCA软件等。由三坐标测量机将实物模型测量后所获得的数据送入计算机，经处理后再把这些数据用于汽车覆盖件设计、模具设计和制造。该系统的三维图形功能较强，能在屏幕上反复修改曲面形状，使工件在冲压成形时不至于产生各种工艺缺陷，从而保证工件质量；DIECOMP公司研制成功的模具CAD系统，使整个生产准备周期由18周缩短为6周。与此同时，欧洲的一些国家在冲模CAD/CAM研究和应用方面也取得了很大进展，例如法国雷诺汽车公司应用Euc1id软件系统作为CAD/CAM的主导软件，目前已有95%的设计工作量用该软件完成，而且雷诺汽车公司在Euclid主导软件的基础上还开发出了许多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的Megavision和用于板金成形分析的OPTRIS等。一般汽车覆盖件成形都要依次经过拉延、切边、整形、翻边和冲孔等儿道工序。第一道工序，即拉延工序中最重要的是工艺补充面的设计。工艺补充面设计6

冲压模具 CAD 将走向更加专业化的道路。一些通用的软件由于其功能繁多， 专业性较差，已不能满足专业模具厂在 CAD／CAM 方面的需要。专业模具厂越来 越倾向于使用专用性很强的模具 CAD 软件，汽车覆盖件冲压成形模具和集成电路 引线框架精密级进冷冲压模具是这方面两个非常典型的实例。 一、汽车覆盖件模具 CAD 技术 早在 60 年代初期，国外一些汽车制造公司就开始了模具 CAD 的研究。这一 研究始于汽车车身的设计，在此基础上复杂曲面的设计方法得到了发展，各大汽 车公司都先后建立了自己的 CAD/CAM 系统，并将其应用于模具设计与制造。计算 机软、硬件技术的迅猛发展，为模具 CAD/CAM 的开发应用向更高层次的拓展创造 了条件。 在几何造型方面，基于线框模型的 CAD 系统率先由飞机和汽车制造商开发并 应用。例如：美国 Lockhead 飞机公司、McDonnell Douglas 飞机公司、General Motor 汽车公司的 CAD 系统、CADD 系统、AD2000 系统等，均推动了模具 CAD 技 术的发展。 70 年代以来，曲面造型与实体造型技术发展迅速，新一代的 CAD 软件均是 实体造型与曲面造型兼备的系统，能适用于复杂模具的设计和制造，在模具界得 到了广泛的应用。象美国 Ford 汽车公司的 CAD/CAM 系统中所包括的模具 CAD/CAM 部分，取代了人工设计与制造，设计方面采用人机交互进行三维图形处理、工艺 分析与设计计算等工作，完成二维绘图，生成生产零件图、材料表以及工序、定 额、成本等文件。系统还包括一些专业软件，如工艺补充面的设计、弹塑性变形 的分析、回弹控制与曲面零件外形的展开等等，部分已用于生产，部分还在研究、 完善当中。日本 TOYOTA 汽车公司从 1980 年开始研制汽车覆盖件模具 CAD/CAM 系统，此系统包括处理覆盖件模面的 Die-Face 软件和加工凸、凹模的 TINCA 软 件等。由三坐标测量机将实物模型测量后所获得的数据送入计算机，经处理后再 把这些数据用于汽车覆盖件设计、模具设计和制造。该系统的三维图形功能较强， 能在屏幕上反复修改曲面形状，使工件在冲压成形时不至于产生各种工艺缺陷， 从而保证工件质量；DIECOMP 公司研制成功的模具 CAD 系统，使整个生产准备周 期由 18 周缩短为 6 周。 与此同时，欧洲的一些国家在冲模 CAD/CAM 研究和应用方面也取得了很大进 展，例如法国雷诺汽车公司应用 Euclid 软件系统作为 CAD/CAM 的主导软件，目 前已有 95%的设计工作量用该软件完成，而且雷诺汽车公司在 Euclid 主导软件 的基础上还开发出了许多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的 Megavision 和用于板金成形分析的 OPTRIS 等。 一般汽车覆盖件成形都要依次经过拉延、切边、整形、翻边和冲孔等几道工 序。第一道工序，即拉延工序中最重要的是工艺补充面的设计。工艺补充面设计 6

得好坏直接影响到所设计的模具能否拉出合格的零件，能否减少调试模具的时间，缩短整个模具的生产周期。另外，大型汽车覆盖件模具结构一般都比较复杂，一副大型覆盖件模具有上百个零件，模具的外形尺寸也比较大。车身覆盖件在汽车整车中占据着重要的位置，而覆盖件模具是生产覆盖件的主要工艺装备，对车身质量的好环起着决定性的作用。目前国外汽车覆盖件模具CAD/CAM技术的发展已进入实质性的应用阶段，不仅全面提高了模具设计的质量，而且大大缩短了模具的生产周期。近些年来，我国在汽车覆盖件模具CAD技术的应用方面也取得了显著的进步，但目前依然存在着一些问题：诸如设计效率低，标准化程度低，现有CAD软件专用性差等。未来的汽车覆盖件模具CAD将走向更加专业化的道路，较好的方法是软件公司与专业模具厂密切合作，开发专用性很强的模具CAD软件，如美国PTC软件公司与日本TOYOTA汽车公司在PRO/E软件基础上开发的模具型面设计模块PRO/DIEFACE等。4.5冲压模具三维CAD实例一、复眼固定座的结构工艺性分析图4.1复眼固定座三维模型固定座为弯曲冲孔件，中间为规则对称的非圆形孔，用于固定复眼，其尺寸精度对固定座的质量起决定性影响。两侧为U形侧壁。单侧L形侧壁有2个孔和2个凸台，用于固定座与其他构件的连接、定位等。二、冲压成型工艺方案选择非圆形孔孔中心到弯曲侧壁的精度等级为IT9,工艺安排分2个工序，工序安7

得好坏直接影响到所设计的模具能否拉出合格的零件，能否减少调试模具的时 间，缩短整个模具的生产周期。 另外，大型汽车覆盖件模具结构一般都比较复杂，一副大型覆盖件模具有上 百个零件，模具的外形尺寸也比较大。 车身覆盖件在汽车整车中占据着重要的位置，而覆盖件模具是生产覆盖件的 主要工艺装备，对车身质量的好坏起着决定性的作用。目前国外汽车覆盖件模具 CAD/CAM 技术的发展已进入实质性的应用阶段，不仅全面提高了模具设计的质 量，而且大大缩短了模具的生产周期。近些年来，我国在汽车覆盖件模具 CAD 技术的应用方面也取得了显著的进步，但目前依然存在着一些问题：诸如设计效 率低，标准化程度低，现有 CAD 软件专用性差等。 未来的汽车覆盖件模具 CAD 将走向更加专业化的道路，较好的方法是软件公 司与专业模具厂密切合作，开发专用性很强的模具 CAD 软件，如美国 PTC 软件公 司与日本 TOYOTA 汽车公司在 PRO/E 软件基础上开发的模具型面设计模块 PRO/DIEFACE 等。 4.5 冲压模具三维 CAD 实例 一、复眼固定座的结构工艺性分析 图 4.1 复眼固定座三维模型 固定座为弯曲冲孔件，中间为规则对称的非圆形孔，用于固定复眼，其尺寸 精度对固定座的质量起决定性影响。两侧为 U 形侧壁。单侧 L 形侧壁有 2 个孔和 2 个凸台，用于固定座与其他构件的连接、定位等。 二、 冲压成型工艺方案选择 非圆形孔孔中心到弯曲侧壁的精度等级为 IT9,工艺安排分 2 个工序，工序安 7

排如下：冲压工序1：落料-冲孔复合冲压，完成后的制件如图2.2为工序2预先冲的定供孔图4.2弯曲-冲孔前的毛坏形状示意图工序1中设计了为工序2预先冲的定位孔，可以有效定位元件。冲压工序2：弯曲-冲孔复合冲压8

排如下： z 冲压工序 1：落料-冲孔复合冲压，完成后的制件如图 2.2 图 4.2 弯曲-冲孔前的毛坯形状示意图 工序 1 中设计了为工序 2 预先冲的定位孔，可以有效定位元件。 z 冲压工序 2：弯曲-冲孔复合冲压 8

图4.3弯曲-冲孔复合冲压后的制件成品示意图工序2在冲模上模的一次行程中可以完成冲孔和弯曲两个工序，从而避免了单工序中二次定位所带来的位置偏差，有效提高零件的尺寸精度，且可以大大缩短制造周期。本次毕业设计就是为复眼固定座设计工序2所需的一副弯曲冲孔复合模。模具结构形式的选择三、确定了弯曲冲孔工艺方案以后，通过分析比较，选择合理的模具结构形式，使它尽可能满足以下要求：（1）能冲出合乎技术要求的工件：（2）有合乎要求的生产率；（3）模具制造和修模方便；（4）模具有足够的寿命；（5）模具易于安装调整，且操作方便、安全。9

图 4.3 弯曲-冲孔复合冲压后的制件成品示意图 工序 2 在冲模上模的一次行程中可以完成冲孔和弯曲两个工序，从而避免了 单工序中二次定位所带来的位置偏差，有效提高零件的尺寸精度，且可以大大缩 短制造周期。本次毕业设计就是为复眼固定座设计工序 2 所需的一副弯曲冲孔复 合模。 三、 模具结构形式的选择 确定了弯曲冲孔工艺方案以后，通过分析比较，选择合理的模具结构形式， 使它尽可能满足以下要求： （1） 能冲出合乎技术要求的工件； （2） 有合乎要求的生产率； （3） 模具制造和修模方便； （4） 模具有足够的寿命； （5） 模具易于安装调整，且操作方便、安全。 9

A向图4.4模具装配图1.弯曲凹模2.反顶板3.凸模4、11.定位销5.弯曲凸模（冲孔凹模）6.凸凹模固定座7.垫板8.推杆9托杆10定位杆如图2.4所示，工件的工序安排是先弯曲后冲孔，是弯曲完毕后才进行冲孔。模具工作前，反顶板2稍高于弯曲凹模1刃面约一个料厚，定位杆10与定位销与弯曲凹模1刃面相平，工件毛坏由定位销4、11定位。弯曲时由压力机通过托杆8和反顶板2进行压边，弯曲完毕后接着冲孔。完成后，工件靠它顶出。上模上行时，由推杆8和推板，把冲孔废料推出。四、复眼固定座弯曲冲孔前的毛坏尺寸计算1r>2的弯曲当工件的角度为90°时为简化计算，常用如下公式圆角半径进行计算。10

图 4.4 模具装配图 1.弯曲凹模 2.反顶板 3.凸模 4、11.定位销 5.弯曲凸模（冲孔凹模） 6.凸凹模固定座 7.垫板 8.推杆 9 托杆 10 定位杆 如图 2.4 所示，工件的工序安排是先弯曲后冲孔，是弯曲完毕后才进行冲孔。 模具工作前，反顶板 2 稍高于弯曲凹模 1 刃面约一个料厚，定位杆 10 与定位销 与弯曲凹模 1 刃面相平，工件毛坯由定位销 4、 11 定位。 弯曲时由压力机通过托杆 8 和反顶板 2 进行压边，弯曲完毕后接着冲孔。完 成后，工件靠它顶出。上模上行时，由推杆 8 和推板，把冲孔废料推出。 四、 复眼固定座弯曲冲孔前的毛坯尺寸计算 圆角半径 1 2 r t > 的弯曲当工件的角度为90 时为简化计算，常用如下公式 进行计算。 o 10