第五章 冲压成型 CAD
5-1 冲裁模 CAD/CAM系统
5-1-1 冲裁件工艺性判断与毛坯优化排样
(1)冲裁件工艺性判断
冲裁件工艺性 是指冲裁件对冲裁工艺的适应性，包括冲裁
件的结构、尺寸及其偏差、外轮廓与孔 (槽 )和孔 (槽 )与孔 (槽 )之
间的距离等因素的适应性。
工艺性判断的主要内容 是检查被冲零件的结构尺寸是否在
允许的极限值范围内。
工艺性判断流程举例 （ P83G4-4）
工艺性判断的关键流程：
?选择判断对象元素；
?判断被选对象元素的性质； （ P83G4-5）
?量化被判断对象的结构尺寸，并与极限值进行比较。
(2) 毛坯优化排样
利用 CAD进行优化排样的优点：
?借助图形变换可以方便地生成和修改各种排样方案；
?可以快速计算出各种排样方案下的毛坯材料利用率；
?可将优化方案存储下来以备后用。
常用排样方式举例 （ P84G4-6）
材料利用率计算
?卷 (带 )料
进给步距
料的宽度卷带
的面积一个步距上所排列零件
式中
S
)( H
A
)15( %1 0 0
),(),(
),( ??
?
?
????
???
SH
A
?板料
板料宽度
板料长度
单个零件的面积
个数由板料冲裁得到的零件
式中
)25( %1 0 0
),(
),(
1
1
B
L
A
N
LB
AN
???
??
???
最大值的问题。、
是求解目标函数优化排样的问题实际上所以，
其取值范围为
，为排样参数和中的、式
2)-(51)-(5
)}()(,0{
)7485( 2)-(51)-(5
???????
??
?????
?
G
GP
实际排样优化方法举例 (P86G4-8)
目的：利用简单的图形变换代替对复杂目标函数的求解。
具体实现：
多边形化 等距放大 图形平移 /旋转 与已储存
的方案比较 输出排样结果
5-1-3 冲裁工艺方案设计
(1) 冲裁工艺方案设计的主要内容
?选择模具类型
?确定冲裁工步和顺序
(2) 模具类型的选择原则
?制件的尺寸精度
?制件的形状与尺寸
?生产批量
?模具加工条件
模具类型选择流程举例 (P91G4-12)
(3) 连续模的工步设计
连续模：在压力机的一次行程内，由若干工位完成多道工序的
模具。
工步设计的主要内容：
?确定总的工步数
?安排各工步动作顺序
?设计每个工步的定位装置
工步设计时需综合考虑的问题：
材料利用率、尺寸精度、模具结构与强度、冲切废料的处理
等。
工步设计的一般原则
?为保证模具强度，将间距小于允许值的轮廓安排在不同工步冲出；
?有相对位置精度要求的轮廓，应尽量安排在同一工步上冲出；
?对于形状复杂的零件，有时通过冲切废料来间接得到工件的轮廓
形状；
?为保证凹模、卸料板的强度和凸模的安全装置，必要时可增设空
工步；
?落料安排在最后工步；
?为减小模具尺寸，使压力中心与模具中心尽量接近，将较大的轮
廓安排在前面的工步上；
?设计合理的定位装置，以保证送料精度。
建立位置精度关系模型和干涉关系模型
建立两个模型的目的：
为将有位置精度要求的轮廓放在同一工步，而将间距
小于一定值的轮廓设置在不同工步上提供依据。
图形组成的一个关系中满足位置精度要求的由集合
位置精度个图形元素之间的实际个与第第
式中
若
若
置精度关系矩阵由该集合的元素构成位
合存在一个图形元素的集所以
构成个图形元素冲裁件的轮廓由假设
A
),(
),(0
),(1
)45(
)35( },,,,,{A
)1(
1
1
1
21
11211
1
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位置精度关系 (模型 )矩阵
干涉关系 (模型 )矩阵
组成的一个关系中产生干涉的图形元素由集合
式中
若
若
产生干涉放大后的轮廓之间是否
阵来判断等距放大，引入干涉关系矩将工件的实际轮廓等距
A
KK
KK
b
bbb
bbb
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工步设计流程举例 (P93G4-13)
为什么要冲切废料？
?避免过长的悬臂和窄槽，保证凸模强度；
?某些尺寸小、形状复杂的零件，只有通过冲废料的方式
获得。
冲裁废料的方式 (P93G4-14)
工步的自动排序
在工步自动排序阶段，应用程序根据位置精度关系矩
阵 M1将有位置精度要求的轮廓分配在同一工步上，根据干
涉关系矩阵 M2将相互干涉的轮廓分配在不同的工步上。
最后，设计人员再根据经验和现场实际对自动排序的
结果进行适当调整。
例：某冲裁件的条料排样图 (P94G4-15)
5-1-4 冲裁模结构设计
结构设计的主要内容：
?装配 (图 )设计
?凹模和凸模的工作零件设计 (P98G4-19~4-22)
5-2 级进模 CAD/CAM系统
级进模 (连续模 )是一种在压力机的一次行程中，由若
干工位完成多道工序的模具。
5-2-1 级进模的设计内容及特点
(1) 设计内容
? 工艺性分析
? 毛坯展开
? 条料排样
? 模具结构设计
(2) 设计特点
?经验性
?不确定性
?调试难度较大
5-2-2 级进模工艺设计
工艺设计的主要内容：
?毛坯展开 (P105G4-25)
利用计算机辅助展开的毛坯样仍需通过试冲进行调整。
?毛坯排样 (P106G4-26)
目前仍是自动排样与交互排样并存。
?条料宽度计算 (P106G4-27)
条料宽度取决于毛坯样的排列形式、搭边值、侧刃 (通
常用于工步定位 )及载体宽度等因素。计算结果需在实际冲
裁中调整。
?添加工位 (P107G4-28)
?废料设计 (P107G4-29)
目前主要通过人机交互的方式完成。
?侧刃设计 (P94G4-15)
设计时可将侧刃作为废料的一部分，或利用参数化方法
设计。
?冲孔设计
?弯曲设计 (P107G4-30)
弯曲时，各弯曲边之间的干涉、弯曲后工件的回弹等因
素必须加以考虑。目前仍以交互设计为主。
?工序操作 (P108G4-31)
目的：方便用户修改和调整工步。
?图形显示管理
严格说来不属于工艺设计内容，应由计算机图形系统提供。
5-2-3 级进模结构设计和零件设计
级进模结构设计主要需解决好模架设计 (选用 )与工作零
件设计的关系。模架通常直接从模架库中带参获取，而工
作零件 (主要是凸模、凹模和各种镶嵌零件 )的设计一般是利
用交互方式完成。
级进模装配好后的动态模拟与干涉检查
5-3 覆盖件模具 CAD/CAM
覆盖件模具的特点
?结构尺寸大
?型面形状复杂
?尺寸精度高、表面粗糙度小
?要求有较长的使用寿命
5-3-1 覆盖件 CAD/CAM系统框架 (P116G4-39)
5-3-2 覆盖件冲压工艺 CAPP
(1) 总体结构 (P117G4-40)
(2) 工艺数据库管理系统 (P118G4-41)
(3) 基于成组技术 (GT)的检索式工艺设计
成组技术 (Group Technology),按照几何形状的相似性或制
造过程的相似性为依据将零件划分成若干族或组，以便利用其
相似性特点进行零件设计、工艺设计和生产组织。
GT实施的基础是零件编码、零件分组和标准工艺规程。
检索式工艺设计的原理 (P119G4-42)
5-3-3 基于特征的冲压工序详细设计
(1) 冲压工艺的主要特征分类 (P121G4-45)
主特征：覆盖件的主要结构特征，一般由拉延工序形成。
辅助特征：对主特征的补充和完善。
采用最优化技术确定冲压方向的实质是求解多目标函数
?初始接触面积大；
?初始接触点的分布均匀；
?初始接触点多且分散；
?首次拉延深度小。
(2) 拉延工序设计
工序设计的关键：选择合适的冲压方向、工艺延伸面和拉延筋。
用参数化方法设计工艺延伸面和拉延筋的实例 (P122G4-46,47)
(3) 修边冲孔工序设计
关键在于确定修边位置 (举例,P123G4-48)
5-3-4 覆盖件模具结构设计
(1) 覆盖件模具特征的分层描述
冲压工艺特征
基本结构特征
功能组合特征
基元特征
模
具
结
构
抽
象
层
冲压工艺
抽象层 ?冲压工艺特征由模具结构基本
特征实现；
?模具的各功能组合特征支撑着
模具整体的基本结构特征；
?基元特征是构成模具功能组合
特征的最小单元。
?覆盖件模具基本结构分类 (P124G4-49)
?覆盖件模具功能组合特征分类 (P124G4-50)
?基元特征
?模具 (零件 )基本几何形体
?标准件
?典型局部结构
(2) 基于特征分层的覆盖件模具设计
?模具基本结构特征设计
可以通过冲压工艺特征映射获得模具基本结构类型。
?模具功能组合特征设计
在确定了模具基本结构特征的基础上，按模具各部
分的功能进行详细设计。
?模具基元特征设计
对于基本几何形体，采用几何造型或特征造型方法
进行设计；对于标准件和局部典型结构，可采用参数化
设计方法进行设计。
5-4 金属板料成形的有限元模拟简介
5-4-1 动力显示算法的基本理论 (略 )
动力显式算法的特点：
?可避免净力隐式算法中的迭代收敛问题；
?不需要形成总体刚度矩阵。
(2) 板料成形有限元模拟的计算步骤
?建立有限元模型 (前处理 )
?成形过程模拟 (分析求解 )
?回弹分析
?模拟 (分析 )结果显示
(3) 板料成形有限元模拟举例
5-1 冲裁模 CAD/CAM系统
5-1-1 冲裁件工艺性判断与毛坯优化排样
(1)冲裁件工艺性判断
冲裁件工艺性 是指冲裁件对冲裁工艺的适应性，包括冲裁
件的结构、尺寸及其偏差、外轮廓与孔 (槽 )和孔 (槽 )与孔 (槽 )之
间的距离等因素的适应性。
工艺性判断的主要内容 是检查被冲零件的结构尺寸是否在
允许的极限值范围内。
工艺性判断流程举例 （ P83G4-4）
工艺性判断的关键流程：
?选择判断对象元素；
?判断被选对象元素的性质； （ P83G4-5）
?量化被判断对象的结构尺寸，并与极限值进行比较。
(2) 毛坯优化排样
利用 CAD进行优化排样的优点：
?借助图形变换可以方便地生成和修改各种排样方案；
?可以快速计算出各种排样方案下的毛坯材料利用率；
?可将优化方案存储下来以备后用。
常用排样方式举例 （ P84G4-6）
材料利用率计算
?卷 (带 )料
进给步距
料的宽度卷带
的面积一个步距上所排列零件
式中
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A
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个数由板料冲裁得到的零件
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最大值的问题。、
是求解目标函数优化排样的问题实际上所以，
其取值范围为
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实际排样优化方法举例 (P86G4-8)
目的：利用简单的图形变换代替对复杂目标函数的求解。
具体实现：
多边形化 等距放大 图形平移 /旋转 与已储存
的方案比较 输出排样结果
5-1-3 冲裁工艺方案设计
(1) 冲裁工艺方案设计的主要内容
?选择模具类型
?确定冲裁工步和顺序
(2) 模具类型的选择原则
?制件的尺寸精度
?制件的形状与尺寸
?生产批量
?模具加工条件
模具类型选择流程举例 (P91G4-12)
(3) 连续模的工步设计
连续模：在压力机的一次行程内，由若干工位完成多道工序的
模具。
工步设计的主要内容：
?确定总的工步数
?安排各工步动作顺序
?设计每个工步的定位装置
工步设计时需综合考虑的问题：
材料利用率、尺寸精度、模具结构与强度、冲切废料的处理
等。
工步设计的一般原则
?为保证模具强度，将间距小于允许值的轮廓安排在不同工步冲出；
?有相对位置精度要求的轮廓，应尽量安排在同一工步上冲出；
?对于形状复杂的零件，有时通过冲切废料来间接得到工件的轮廓
形状；
?为保证凹模、卸料板的强度和凸模的安全装置，必要时可增设空
工步；
?落料安排在最后工步；
?为减小模具尺寸，使压力中心与模具中心尽量接近，将较大的轮
廓安排在前面的工步上；
?设计合理的定位装置，以保证送料精度。
建立位置精度关系模型和干涉关系模型
建立两个模型的目的：
为将有位置精度要求的轮廓放在同一工步，而将间距
小于一定值的轮廓设置在不同工步上提供依据。
图形组成的一个关系中满足位置精度要求的由集合
位置精度个图形元素之间的实际个与第第
式中
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置精度关系矩阵由该集合的元素构成位
合存在一个图形元素的集所以
构成个图形元素冲裁件的轮廓由假设
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干涉关系 (模型 )矩阵
组成的一个关系中产生干涉的图形元素由集合
式中
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产生干涉放大后的轮廓之间是否
阵来判断等距放大，引入干涉关系矩将工件的实际轮廓等距
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工步设计流程举例 (P93G4-13)
为什么要冲切废料？
?避免过长的悬臂和窄槽，保证凸模强度；
?某些尺寸小、形状复杂的零件，只有通过冲废料的方式
获得。
冲裁废料的方式 (P93G4-14)
工步的自动排序
在工步自动排序阶段，应用程序根据位置精度关系矩
阵 M1将有位置精度要求的轮廓分配在同一工步上，根据干
涉关系矩阵 M2将相互干涉的轮廓分配在不同的工步上。
最后，设计人员再根据经验和现场实际对自动排序的
结果进行适当调整。
例：某冲裁件的条料排样图 (P94G4-15)
5-1-4 冲裁模结构设计
结构设计的主要内容：
?装配 (图 )设计
?凹模和凸模的工作零件设计 (P98G4-19~4-22)
5-2 级进模 CAD/CAM系统
级进模 (连续模 )是一种在压力机的一次行程中，由若
干工位完成多道工序的模具。
5-2-1 级进模的设计内容及特点
(1) 设计内容
? 工艺性分析
? 毛坯展开
? 条料排样
? 模具结构设计
(2) 设计特点
?经验性
?不确定性
?调试难度较大
5-2-2 级进模工艺设计
工艺设计的主要内容：
?毛坯展开 (P105G4-25)
利用计算机辅助展开的毛坯样仍需通过试冲进行调整。
?毛坯排样 (P106G4-26)
目前仍是自动排样与交互排样并存。
?条料宽度计算 (P106G4-27)
条料宽度取决于毛坯样的排列形式、搭边值、侧刃 (通
常用于工步定位 )及载体宽度等因素。计算结果需在实际冲
裁中调整。
?添加工位 (P107G4-28)
?废料设计 (P107G4-29)
目前主要通过人机交互的方式完成。
?侧刃设计 (P94G4-15)
设计时可将侧刃作为废料的一部分，或利用参数化方法
设计。
?冲孔设计
?弯曲设计 (P107G4-30)
弯曲时，各弯曲边之间的干涉、弯曲后工件的回弹等因
素必须加以考虑。目前仍以交互设计为主。
?工序操作 (P108G4-31)
目的：方便用户修改和调整工步。
?图形显示管理
严格说来不属于工艺设计内容，应由计算机图形系统提供。
5-2-3 级进模结构设计和零件设计
级进模结构设计主要需解决好模架设计 (选用 )与工作零
件设计的关系。模架通常直接从模架库中带参获取，而工
作零件 (主要是凸模、凹模和各种镶嵌零件 )的设计一般是利
用交互方式完成。
级进模装配好后的动态模拟与干涉检查
5-3 覆盖件模具 CAD/CAM
覆盖件模具的特点
?结构尺寸大
?型面形状复杂
?尺寸精度高、表面粗糙度小
?要求有较长的使用寿命
5-3-1 覆盖件 CAD/CAM系统框架 (P116G4-39)
5-3-2 覆盖件冲压工艺 CAPP
(1) 总体结构 (P117G4-40)
(2) 工艺数据库管理系统 (P118G4-41)
(3) 基于成组技术 (GT)的检索式工艺设计
成组技术 (Group Technology),按照几何形状的相似性或制
造过程的相似性为依据将零件划分成若干族或组，以便利用其
相似性特点进行零件设计、工艺设计和生产组织。
GT实施的基础是零件编码、零件分组和标准工艺规程。
检索式工艺设计的原理 (P119G4-42)
5-3-3 基于特征的冲压工序详细设计
(1) 冲压工艺的主要特征分类 (P121G4-45)
主特征：覆盖件的主要结构特征，一般由拉延工序形成。
辅助特征：对主特征的补充和完善。
采用最优化技术确定冲压方向的实质是求解多目标函数
?初始接触面积大；
?初始接触点的分布均匀；
?初始接触点多且分散；
?首次拉延深度小。
(2) 拉延工序设计
工序设计的关键：选择合适的冲压方向、工艺延伸面和拉延筋。
用参数化方法设计工艺延伸面和拉延筋的实例 (P122G4-46,47)
(3) 修边冲孔工序设计
关键在于确定修边位置 (举例,P123G4-48)
5-3-4 覆盖件模具结构设计
(1) 覆盖件模具特征的分层描述
冲压工艺特征
基本结构特征
功能组合特征
基元特征
模
具
结
构
抽
象
层
冲压工艺
抽象层 ?冲压工艺特征由模具结构基本
特征实现；
?模具的各功能组合特征支撑着
模具整体的基本结构特征；
?基元特征是构成模具功能组合
特征的最小单元。
?覆盖件模具基本结构分类 (P124G4-49)
?覆盖件模具功能组合特征分类 (P124G4-50)
?基元特征
?模具 (零件 )基本几何形体
?标准件
?典型局部结构
(2) 基于特征分层的覆盖件模具设计
?模具基本结构特征设计
可以通过冲压工艺特征映射获得模具基本结构类型。
?模具功能组合特征设计
在确定了模具基本结构特征的基础上，按模具各部
分的功能进行详细设计。
?模具基元特征设计
对于基本几何形体，采用几何造型或特征造型方法
进行设计；对于标准件和局部典型结构，可采用参数化
设计方法进行设计。
5-4 金属板料成形的有限元模拟简介
5-4-1 动力显示算法的基本理论 (略 )
动力显式算法的特点：
?可避免净力隐式算法中的迭代收敛问题；
?不需要形成总体刚度矩阵。
(2) 板料成形有限元模拟的计算步骤
?建立有限元模型 (前处理 )
?成形过程模拟 (分析求解 )
?回弹分析
?模拟 (分析 )结果显示
(3) 板料成形有限元模拟举例
