一種新方法在沖裁模設計中的應用

德州職業技術學院 陳俊波

一、引言

沖裁模具工作過程中，壓力機滑塊帶動沖裁模的上模上下運動，對板料進行沖裁，其沖裁力的大小遵循公式：F=Ltτ，式中L為沖裁件承受沖裁力的周邊長度之和（mm）；t為沖裁件厚度(mm)；τ為材料的抗剪強度(MPa)。沖裁力F是各條邊受到的沖裁力的合力，此合力的作用點稱為壓力中心，壓力中心的位置取決于沖裁件的形狀。如果在模具設計時，模具的模柄中心與模具的壓力中心不重合，或者偏離較大距離，那么在沖裁加工過程中會產生一個附加力矩，使模具產生偏斜，間隙不均勻，并使壓力機和模具的導向機構產生不均勻磨損，刃口迅速變鈍，會導致沖裁模具和壓力機過早報廢。因此，原則上要求模柄中心線與模具的沖裁壓力中心重合，至少要使壓力中心不超過模柄投影面積范圍。如何確定模具的壓力中心呢？如果沖裁件內外周邊形狀對稱，則其幾何中心就是沖裁模具的壓力中心，如果沖裁件周邊形狀不對稱，則工件內外周邊沖裁力的合力，由工件周邊各線段重心位置決定。

二、傳統解析法簡介

傳統的解析法首先是在工件上建立一個坐標系，然后將工件的輪廓線劃分為已知重心的各個線段或圓弧，線段的重心位置位于該線段的中點，圓弧的重心位置利用公式：S=R*b/l，式中S為這段圓弧重心到圓心的距離，b為弦長，l為這段圓弧的弧長，如圖1所示。

設各線段或圓弧的重心在坐標系中的坐標分別為(x1,y1)，(x2,y2)，……(xn,yn)，各線段或圓弧的長度分別為l1，l2，……ln，運用力矩平衡原理，沖裁合力中心相對y軸距離為：

沖裁合力中心相對x軸距離為：

這種解析法在處理圓弧較多的沖裁件時，需要先根據圓弧角度和半徑算出弦長和弧長，確定其重心位置，然后再套用公式，往往計算量很大，以圖2所示的一個沖裁件圖樣為例，解答過程如下：

（1）分別求解每段線段及圓弧的長度

求解過程略，各段長度代碼如圖3所示，長度值分別為：

l1=50.51；l2=l3=l5=l7=l10=15.71；l4=31.42；l6=l9=79.49；l8=17.50。各線段和圓弧的重心坐標：l1（0,8.85）；l2(0,10)；l3(-10,0)；l4(0,0)；l5(0,-10)；l6(-10.43,-41.18)；l7(0,-80)；l8(0,-84,09)；l9(10.43,-41.18)；l10(10,0)。

（2）在圖3所示位置建立坐標系

（3）求解壓力中心

由圖3可以看出，y軸左右兩側的線段和直線都對稱，所以壓力中心的x0值落于y軸上，即x0=0；壓力中心的y0值代入上述公式：

經計算得y0=-26.20，所以壓力中心在圖3中的坐標位置為（0,-26.20）。

通過以上求解，我們不難發現運用幾何關系計算每一條線段或圓弧的長度和其重心坐標是相當繁瑣的，完成這樣一個不很復雜的沖壓件的模具壓力中心大約需要花費20分鐘時間，所以我們可以考慮把這些繁瑣的工作由計算機來完成，于是便有了運用三維繪圖軟件創建薄壁模型來確定壓力中心的思路。

三、用繪圖軟件Pro/E快速確定壓力中心

仍以上面的沖壓件圖樣為例，運用Pro/E確定壓力中心位置的過程如下：打開Pro/ENGINEER野火4.0版，依次點擊“文件”“新建”，在類型欄選中“零件”，在名稱欄輸入“center”作為求解壓力中心立體模型的名稱，取消選中“使用缺省模板”，在彈出的“新文件選項”中選“mmns_part_solid”，點擊“確定”，進入新建的模型繪制界面。繪制模型的過程如下：

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

Step1：選擇下拉菜單插入(I)——拉伸(E)，點擊右鍵選中定義內部草繪，點擊FRONT為草繪面，參照面選RIGHT，方向選右，繪制圖2所示的草繪圖(注意：使φ10圓的圓心處于坐標原點位置)，點擊，完成拉伸特征截面的繪制，拉伸選項如圖4所示。

我們發現此圖是一個薄壁零件模型，顯然它不是我們要加工的沖壓件的三維圖形，但是此模型的重量完全集中于邊緣的薄壁上，而與邊緣圍成的區域沒有直接關系，這恰恰等同于沖裁加工時沖裁力完全集中于沖裁件邊緣上，而不是在板料邊緣圍成的表面上，這種等同的效果，可以讓我們用這個模型的中心來代替模具的壓力中心。

Step2：點擊編輯(E)——設置(T)，彈出菜單管理器，點擊選中質量屬性，彈出設置質量屬性對話框，點擊生成報告…，則此時會彈出信息窗口，如圖6所示，從“根據CENTER坐標邊框確定重心”欄，我們很容易就發現此模型的重心坐標x0=0，y0=-2.62e+01，即y0=-2.62X10=-26.2，即壓力中心的在圖3中坐標系中的坐標值為(0,-26.2)。

作圖的數據解釋：拉伸選項中尺寸5為隨意指定的一個非零的尺寸值作為拉伸的深度值，加厚草繪值0.12是指將所繪制的草繪圖加厚形成實體，因為純粹的幾何線條是沒有質量屬性的，只有具備了一定厚度值，形成實體，再具備一定的密度，才具有質量，然后可以利用質量屬性確定重心位置。這一步實際上是將線段及圓弧由數學抽象轉變為有質量的實體。

四、新方法在生產中的現實意義

沖壓件的壓力中心計算過程相當繁瑣，尤其是圓弧較多的非對稱制件，需要確定每一段圓弧和線段的長度以及壓力中心位置，再將各段進行整合，才能最終計算出壓力中心的位置。在實際的模具設計工作中，利用本方法借助于計算機強大的邏輯和計算能力，設計人員用3-5分鐘解決傳統解析幾何方法花費20分鐘或更多時間才能完成的工作任務，不但提高了工作效率，而且能夠使設計人員從繁重的基礎計算中擺脫出來，把更多精力和時間用于結構合理性和創新性設計上。

[1]魏春雷.沖壓工藝與模具設計[M].北京:北京理工大學出版社,2008.6.

[2]李慧敏.冷沖壓模具設計[M].北京:化學工業出版社,2010.2.