汽车稳定杆卡子冲压模具设计【含9张图纸】
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毕业设计(论文)中期报告 汽车稳定杆卡子冲压模具设计院(系) 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013年03月22日 1. 设计(论文)进展状况本阶段的主要任务是完成外文文献的翻译,对塑件进行更深层次的分析和理解,包括塑件的几何特性与物理特性,以及冲压材料的性能等。 通过以上分析,基本上完成了冲压模具的二维的装配图,同时深刻体会到Pro/e,cad软件功能的强大;大概了解了冲压材料在选用过程中所依据的原则;大概了解了制作冲压模具工艺过程与流程图。 图1三维零件图 图2二维装配图 2. 存在问题及解决措施随着设计的不断进行,出现的问题也慢慢浮现,主要有: 对零件结构的理解还不是很到位。 然后,在设计装配过程中对弯曲部分的认识不是很清楚。 通过与同学的探讨及老师的指点,使我对自己的毕业设计有了更深一步的认 识。我深深明白了设计与实际要紧密结合,要多动脑,勤思考。平时要多练习软件。3. 后期工作安排后期的任务主要有:1011周:完成全部技术设计。1214周:撰写毕业设计论文。15周:答辩前准备。 后期的主要工作重点还是放在工程图的绘制,并且需要完善已经完成的装配图以及加强后期零件图的绘制。最后在同时进行设计论文的完成以及最后整个油路热温升校核,完成全部技术设计。 本科毕业设计(论文)题目:汽车稳定杆卡子冲压模具设计 系 别: 机电信息系 专 业:机械设计制造及其自动化 班 级: 学 生: 学 号: 指导教师: 2013年05月 汽车稳定杆卡子冲压模具设计摘 要本文介绍的模具实例结构简单实用,使用方便可靠,首先根据工件图算工件的展开尺寸,在根据展开尺寸算该零件的压力中心,材料利用率,画排样图。根据零件的几何形状要求和尺寸的分析,采用复合模冲压,这样有利于提高生产效率,模具设计和制造也相对于简单。当所有的参数计算完后,对磨具的装配方案,对主要零件的设计和装配要求技术要求都进行了分析。在设计过程中除了设计说明书外,还包括模具的装配图,非标准零件的零件图,工件的加工工艺卡片,工艺规程卡片,非标准零件的加工工艺过程卡片。关键词:复合模 ;冲压 ;设计 Design of automobile stable bar clip stamping die AbstractThis article introduced mold example structure simple and practical, convenient and reliable use, according to the dimension of workpiece is the workpiece, in the center of pressure parts according to the size, material utilization ratio, drawing layout. According to the analysis of the geometric shape and size requirements, the use of compound die stamping, which helps to improve the efficiency of production, mold design and manufacturing are also relative to the simple. When all of the parameter calculation is finished, assembly scheme to the tool, the main parts of the design and assembly requirements of the technical requirements are analyzed.In the design process, in addition to the design specifications, but also including the mold assembly drawing, non-standard parts drawings, the workpiece card processing technology, process cards, process cards non standard parts.Keywords: compound die punching; design;II 目 录1 绪 论12 冲裁工件件的工艺分析23 确定工艺方案及模具的结构形式34 模具总体结构设计44.1 模具类型的选择44.2定位方式的选择44.3卸料方式的选择44.4导向方式的选择45 模具设计工艺计算55.1计算毛坯尺寸55.2排样、计算条料宽度及步距的确定55.2.1搭边值的确定55.2.2条料宽度的确定75.2.3 送料步距的确定75.2.4 排样85.2.5材料利用率的计算86 冲裁力的计算116.1计算冲裁力的公式116.2 总冲裁力、卸料力、推料力、顶件力、弯曲力和总冲压力116.2.1 总冲裁力126.2.2 卸料力FQ的计算136.2.3推件力FQ1的计算136.2.4顶件力FQ2的计算136.2.5总的冲压力的计算137 模具压力中心与计算148 冲裁模间隙的确定159 冲裁凸模、凹模刃口尺寸的计算179.1凸、凹模刃口尺寸计算的基本原则179.2凸、凹模刃口尺寸的计算189.3计算凸、凹模刃口的尺寸的计算公式199.4冲裁刃口高度21III 9.5弯曲部分刃口尺寸的计算219.5.1最小相对弯曲半径rmin/t219.5.2弯曲部分工作尺寸的计算2210 主要零部件的设计2610.1 工作零件的结构设计2610.1.1凸凹模的设计2610.1.2外形凸模的设计2610.1.3内孔凸模设计2710.1.4弯曲凸模的设计2710.2卸料部分的设计2710.2.1卸料板的设计2710.2.2卸料弹簧的设计2810.3定位零件的设计2910.4模架及其它零件的设计3010.4.1上下模座3010.4.2模柄3010.4.3模具的闭合高度3111 模具总装图3212 压力机的选择33总 结34致谢35参考文献36附录137附录238附录339附录440附录541IV 1 绪论1 绪论 改革开放以来,随着国民经济的高速发展,工业产品的品种和数量的不断增加,更新换代的不断加快,在现代制造业中,企业的生产一方面朝着多品种、小批量和多样式的方向发展,加快换型,采用柔性化加工,以适应不同用户的需要;另一方面朝着大批量,高效率生产的方向发展,以提高劳动生产率和生产规模来创造更多效益,生产上采取专用设备生产的方式。模具,做为高效率的生产工具的一种,是工业生产中使用极为广泛与重要的工艺装备。采用模具生产制品和零件,具有生产效率高,可实现高速大批量的生产;节约原材料,实现无切屑加工;产品质量稳定,具有良好的互换性;操作简单,对操作人员没有很高的技术要求;利用模具批量生产的零件加工费用低;所加工出的零件与制件可以一次成形,不需进行再加工;能制造出其它加工工艺方法难以加工、形状比较复杂的零件制品;容易实现生产的自动化的特点。43 2 冲裁工件间的工艺分析2 冲裁工件间的工艺分析如图2.1所示零件图。生产批量:大批量;材料:Q235;厚度2mm 图2.1 零件图该材料,经退火及时效处理,具有较高的强度、硬度,适合做中等强度的零件。尺寸精度:零件图上的尺寸均未标注公差,属自由尺寸,可安IT14级确定工件的公差。经查公差表,各尺寸公差为: 100 0-0.52 350 +0。30 两个孔的位置公差为:工件结构形状:工件简单,对称有利于材料的合理利用,制件需要进行落料、冲孔两道基本工序,尺寸较小。结论:该制件可以进行冲裁制件为大批量生产,应重视模具材料和结构的选择,保证磨具的复杂程度和模具的寿命。 3 确定工艺方案及模具的结构形式3 确定工艺方案及模具的结构形式根据制件的工艺分析,其基本工序有落料、冲孔、两道基本工序,按其先后顺序组合,可得如下几种方案;(1) 落料冲孔;单工序模冲压(2) 冲孔落料;单工序模冲压。(3) 落料冲孔;复合模冲压方案(1)(2)属于单工序模冲裁工序冲裁模指在压力机一次行程内完成一个冲压工序的冲裁模。由于此制件生产批量大,尺寸又较小这两种方案生产效率较低,操作也不安全,劳动强度大,故不宜采用。方案(3)属于复合冲裁模,复合冲裁模是指在一次工作行程中,在模具同一部位同时完成数道冲压工序的模具。采用复合模冲裁,其模具结构没有单工序模复杂减少了模具的个数,也避免了不同模具间产生的误差,生产效率也很高,又降低的工人的劳动强度,所以此方案最为合适。根据分析采用方案(3)复合冲裁。 4 模具总体结构设计4 模具总体结构设计4.1 模具类型的选择 由冲压工艺分析可知,采用复合冲压,所以模具类型为复合模。4.2定位方式的选择 因为该模具采用的是条料,控制条料的送进方向采用导料销,有侧压装置。控制条料的送进步距采用导正销定距。4.3卸料方式的选择 因为工件料厚为2mm,相对较薄,卸料力不大,故可采用弹性料装置卸料。4.4导向方式的选择为了提高模具寿命和工件质量,方便安装调整,该复合模采用对角导柱的导向方式。 5 模具设计工艺计算5 模具设计工艺计算图5.2 尺寸展开图5.1计算毛坯尺寸根据图示得:工件的展开尺寸为627.37100(mm),如图42所示。 比例1:105.2排样、计算条料宽度及步距的确定5.2.1搭边值的确定排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的工艺余料,称为搭边。搭边的作用:补偿剪裁误差、送料步距误差以及补偿因条料与导料之间的间隙所造成的送料歪斜误差。使凸凹模刃口双边受力,保持条料有一定的刚度,以保证零件质量和送料方便。搭边的数值:毕业设计(论文) a. 搭边值应合理选择,搭边过大,浪费材料。搭边过小,冲裁时容易翘曲或被拉断,不仅会增大冲件毛刺,有时还有拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口,降低模具寿命。或影响送料工作。b. 搭边的合理数值就是在保证冲裁件质量、保证模具较长寿命、保证自动送料到位条件下允许的最小值。c. 搭边的合理数值主要取决于材料厚度、材料种类、冲裁件的大小以及冲裁件的轮廓形状等搭边值通常由经验确定,如表5-2所列搭边值为普通冲裁时经验数据之一。表5.2 搭边和数值9(低碳钢)材料厚度圆件及r2t的工件矩形工件边长L50mm矩形工件边长L50mm或r2t的工件工件间侧面工件间侧面工件间侧面0.250.250.50.50.80.81.21.21.61.62.02.02.52.53.03.03.53.54.04.05.05.0121.81.21.00.81.01.21.51.82.22.53.00.6t2.01.51.21.01.21.51.82.22.52.83.50.7t2.21.81.51.21.51.82.02.22.52.53.50.7t2.52.01.81.51.82.02.22.52.83.24.00.8t2.82.21.81.51.82.02.22.52.83.24.00.8t3.02.52.01.82.02.22.52.83.23.54.50.9t搭边值是废料,所以应尽量取小,但过小的搭边值容易挤进凹模,增加刃口磨损.表5.2给出了低碳钢的搭边值。对于其他材料的应将表中的数值乘以下列数进行适当修正:中碳钢(WC0.3%0.45%) 0.9高碳钢(WC0.5%0.65%) 0.8硬黄铜 11.1 硬铝 11.2软黄铜,纯铜 1.2铝 1.31.4非金属(皮革、纤维、纸等) 1.52该制件是矩形工件且边长L50,根据尺寸从表5.2中查出:两制件之间的搭边值a=2.2(mm),侧搭边值=2.5(mm)。由于该制件的材料是Q235属于低碳钢,所以两制件之间的搭边值为: 取a=2.2mm侧搭边值 取=2.5mm5.2.2条料宽度的确定计算条料宽度有三种情况需要考虑;a 有侧压装置时条料的宽度。b 无侧压装置时条料的宽度。c 有定距侧刃时条料的宽度。有定距侧刃时条料的宽度。有侧压装置的模具,能使条料始终沿着导料板送进。条料宽度公式:B=(D+2) 公式(5.1)其中条料宽度偏差上偏差为0,下偏差为,见表53条料宽度偏差。D冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸。侧搭边值。-板料剪裁时的下偏差(见表5.3)查表5.3条料宽度偏差为0.3根据公式4 1 B=(D+2+) =(100+22.5+0.1)0-0.1 =105.10-0.1表5.3 条料宽度公差(mm)条料宽度B/mm材料厚度t/mm0.50.5112200.050.080.1020300.080.100.1530500.100.150.2050900.120.200.25900.15.0240.305.2.3 送料步距的确定送料步距公式: A=D+a 公式(5.2)D- 平行于送料方向的冲裁件宽度。a冲裁件之间的搭边值(mm);查表5.2得a=2.2mm 根据公式5.2 A= D+a =627.33+2.2 =629.53(mm)5.2.4 排样根据材料经济利用程度,排样方法可以分为有废料、少废料和无废料排样三种,根据制件在条料上的布置形式,排样有可以分为直排、斜排、对排、混合排、多排等多重形式。采用少、无废料排样法,材料利用率高,不但有利于一次冲程获得多个制件,而且可以简化模具结构,降低冲裁力,但是,因条料本身的公差以及条料导向与定位所产生的误差的影响,所以模具冲裁件的公差等级较低。同时,因模具单面受力(单边切断时),不但会加剧模具的磨损,降低模具的寿命,而且也直接影响到冲裁件的断面质量。由于设计的零件是矩形零件,且孔与形状尺寸的要求都不高,所以采用少废料直排法。5.2.5材料利用率的计算1.一个步距内的材料利用率为: (5.3式)一个步距内零件的实际面积- 一个步距内所需毛坯面积A- 送料步距 B- 条料宽度冲裁零件的面积为=长宽=627.33100=62733(mm2)毛坯规格为:100010000(mm)。送料步距为:A=D+a=21.5 送料宽度:B=(D+2+)=(100+22.5+0.1)0-0.1 =105.10-0.1以上代入(5.3式)2.为了计算出更准确还应该考虑料头与料尾以致裁板时边料消耗情况,此时可用条料(或者整个板料)总利用率来表示,即(5.4式) 1)纵裁时的条料数为: n1 =1000/B=10000/629.53=16.12 可冲16条,每条料件数为: n2 =(1000-a)/h=(1000-2.2)/105.1 =9.23 可冲9件,板料可冲总件数n为: n=n1=169=151(件)2)纵裁时的条料数为: n1=1000/B =1000/629.33 =1 可冲1条,每条件数为: n2=(10000-a)/h =(10000-2.2)/105.1 = 95.4 可冲95件,板料可冲总件数为: n=95(件)板料的利用率为: (5.4中)n-条料(或整个板料)上实际冲裁的零件数 L- 条料(或板料的)长度 B- 条料(或板料的)宽度 - 一个零件的实际面积 横裁和纵裁的材料利用率一样,该零件采用裁法。6 冲裁力的计算6 冲裁力的计算6.1计算冲裁力的公式 计算冲裁力是为了选择合适的压力机的主要依据,也是模具强度、刚度设计校核时所必需的数据。设计模具和检验模具的强度,压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力,以适宜冲裁的要求。(1)公式计算法:普通平刃口凸、凹冲裁模,其冲裁力F 一般可以按下式计算:F=KtL 公式(5.5) 式中,F- 冲裁力(N) 材料抗剪强度,见附表(MPa); L冲裁轮廓周边总长(mm); t材料厚度(mm);系数K是考虑到冲裁模刃口的磨损,凸模与凹模间隙之波动(数值的变化或分布不均),润滑情况,材料力学性能与厚度公差的变化等因数而设置的安全系数Kp,一般取1.3。一般情况下,材料的抗拉强度 ,所以,也可通过抗拉强度来计算冲裁力:(2) 图标计算法:因为冲裁力的F的大小取决于冲裁内外周边的总长度、材料的厚度和长度和材料的抗拉强度,可以按照下列进行计算: 公式(5.6)式中,L冲裁件承受剪切的周边长度(mm) t 冲裁件的厚度(mm) 材料的抗拉强度(MPa) 系数,取决于材料的屈服比,一般为0.6-0.9.6.2 总冲裁力、卸料力、推料力、顶件力、弯曲力和总冲压力由于冲裁模具采用弹压卸料装置和自然落料方式。总的冲裁力包括F总冲压力。 毕业设计(论文) Fp总冲裁力。 FQ卸料力FQ1推料力。FQ2顶件力根据金属冲压材料的力学性能设计手册查出Q235的抗剪强度为=304373(MPa ) 取=343(MPa)6.2.1 总冲裁力Fp=F1+F2 公式(5.7)F1落料时的冲裁力。 F2冲孔时的冲裁力.落料时的周边长度为:L1=2(105.1+627.33)=1424.84(mm)根据公式55 落料冲裁力: F1 = KtL =1.321424.84343 =1270672.3(N)冲孔时的周边长度为:L2=2d=23.1435=219.8(mm) 冲孔冲裁力 F2= KtL =1.32219.8343 =196017.6(N)总冲裁力:Fp=F1+F2=196017.6+1270672.3=1466690(N)表6.5 卸料力、推件力和顶件力系数料厚t/mmKK钢0.10.10.50.50.252.56.56.50.0650.0750.0450.0550.040.050.030.040.020.030.10.0630.0550.0450.0250.140.080.060.050.03铝、铝合金纯铜,黄铜0.0250.080.020.060.030.070.030.09对于表中的数据,强度高的材料取小值,反之取大值。6.2.2 卸料力FQ的计算 FQ=K卸Fp 公式(5.8) K卸料力系数。查表65得0.04-0.05,取0.05 根据公式58FQ=K卸Fp 0.051466690 73334.5(N)6.2.3推件力FQ1的计算 FQ1=KtFp 公式(5.9) K推料力系数。 查表65得K0.055 根据公式59 FQ1 =KFp =0.0551466690 =80667(N)6.2.4顶件力FQ2的计算 FQ2=KFp 公式(6.1) K顶件力系数。 查表65得K顶0.06, 根据公式61 FQ2=KdFp =0.061466690 =64001(N)6.2.5总的冲压力的计算 根据模具结构总的冲压力: F=Fp+FQ+FQ1+FQ2 F=Fp+FQ+FQ1+FQ2 =1466690+73334.5+80667+64001 =1684692(N)=1684.69(KN)根据总的冲压力及冲压设备的参数,初选压力机为:双柱可倾压力机J23-257 模具压力中心与计算7 模具压力中心与计算 因冲裁件尺寸较小,冲裁力不大,且选用了双柱导柱式模架,估计压力中心是在模架的中心,不会超出模柄端面之外,因此不必详细的计算压力中心的位置。8 冲裁模间隙的确定8 冲裁模间隙的确定设计模具时一定要选择合理的间隙,以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求,所需冲裁力小、模具寿命高,但分别从质量,冲裁力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值,只是彼此接近。考虑到制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙,只要间隙在这个范围内,就可以冲出良好的制件,这个范围的最小值称为最小合理间隙(Zmin),最大值称为最大合理间隙(Zmax)。考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大,故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值Zmin。冲裁间隙的大小对冲裁件的断面质量有极其重要的影响,此外,冲裁间隙还影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。冲裁过程中,凸模与被冲的孔之间,凹模与落料件之间均有摩擦,间隙越小,模具作用的压应力越大,摩擦也越严重,而降低了模具的寿命。较大的间隙可使凸模侧面及材料间的摩擦减小,并延缓间隙由于受到制造和装配精度的限制,虽然提高了模具寿命而,但出现间隙不均匀。因此,冲裁间隙是冲裁工艺与模具设计中的一个非常重要的工艺参数。确定合理间隙值有以下几种方法:(1) 理论确定法理论确定法确定合理的间隙值是根据凸、凹模产生的裂纹相互重合的原则进行计算的:式中.t-板料厚度 -产生裂纹时凸模压入板料的深度(mm) /t-产生裂纹时凸模压入板料的相对深度(即光亮带的相对宽度,mm) -最大切应力方向与垂线间的夹角, (2)查表确定法: 在实际生产中,合理间隙的数值是实验方法所制定的表格来确定.如下表: 毕业设计(论文) 表8.1 冲裁模初始双面间隙Z(mm)材料厚度08、10、35、09Mn、Q23516Mn40、5065MnZminZmaxZminZmaxZminZmaxZminZmax小于0.5极小间隙0.50.60.70.80.91.01.21.51.752.02.12.52.753.0.3.54.04.55.56.06.58.00.0400.0480.0640.0720.0920.1000.1260.1320.2200.2460.2600.2600.4000.4600.5400.6100.7200.9401.0800.0600.0720.0920.1040.1260.1400.1800.2400.3200.3600.3800.5000.5600.6400.7400.8801.0001.2801.4400.0400.0480.0640.0720.0900.1000.1320.1700.2200.2600.2800.3800.4200.4800.5800.6800.6800.7800.8400.9401.2000.0600.0720.0920.1040.1260.1400.1800.2400.3200.3800.4000.5400.6000.6600.7800.9200.9601.1001.2001.3001.6800.0400.0480.0640.0720.0900.1000.1320.1700.2200.2600.2800.3800.4200.4800.5800.6800.7800.9801.1400.0600.0720.0920.1040.1260.1400.1800.2400.3200.3800.4000.5400.6000.6600.7800.9201.0401.3201.5000.0400.0480.0640.0640.0900.0900.0600.0720.0920.0920.1260.126 (3)经验确定法: 根据多年研究与使用决定间隙数值可按要求分类,其值可用下列公式计算: 软材料(如铜,铝等): t1mm Z=(6%-8%)t t=1-3 Z=(10%-16)t 硬材料(如钢等): t1mm Z=(8%-12%)t t=1-3 Z=(12%-16%)t 根据实用间隙表 8.1 查得材料Q235钢的最小双面间隙Zmin=0.246mm,最大双面间隙Zmax=0.360mm9 冲裁凸模、凹模刃口在、尺寸的计算9 冲裁凸模、凹模刃口尺寸的计算9.1凸、凹模刃口尺寸计算的基本原则 冲裁件的尺寸精度主要取决与模具刃口的尺寸的精度,模具的合理间隙也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。正确确定模具刃口尺寸及制造公差,是设计冲裁模主要任务之一。从生产实践中可以发现: a、由于凸、凹模之间存在间隙,使落下的料和冲出的孔都带有锥度,且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸,冲孔件的小端尺寸等于凸模的尺寸。 b、在尺量与使用中,落料件是以大端尺寸为基准,冲孔孔径是以小端尺寸为基准。 c、冲裁时,凸、凹模要与冲裁件或废料发生摩擦,凸模越磨愈小,凹模越磨愈大,结果使间隙越来越大。 由此在决定模具刃口尺寸及其制造公差时需要考虑以下原则: (1)、落料件尺寸由凹模尺寸决定,冲孔时的尺寸由凸模尺寸决定。故设计落料模时,以凹模尺寸为基准,间隙由减少凸模尺寸来取得。设计冲孔模时,以凸模尺寸为基准,间隙由增大凹模尺寸来取得。 (2)、考虑到冲裁中凸、凹模的磨损,设计落料凹模时,凹模基本尺寸应接近于落料件的最小极限尺寸;设计冲孔模时,凸模基本尺寸应接近于工件孔尺寸的最大极限尺寸。这样在凸凹麽磨损到一定程度的情况下,才能冲出合格的制件。凸凹模间隙则取最小合理间隙值。 (3)、确定冲模刃口制造公差时,应考虑制件的公差要求。如果对刃口精度要求过高(即制造公差过小),会使模具制造困能,增加成本,延长生产周期;如果对刃口要求过低(即制造公差过大)则生产出来的制件有可能不和格,会使模具的寿命降低。若工件没有标注公差,则对工件按国家“配合尺寸的公差数值”IT14级处理,冲模则可按IT11级制造;对冲压件的尺寸公差应按“入体”原则标注单项公差,落料件上偏差为零,下偏差为负;冲孔件上偏差为正,下偏差为零,一般冲裁模具精度较冲裁件精度高2-3级。毕业设计(论文)9.2凸、凹模刃口尺寸的计算冲裁模凹、凸模刃口尺寸有两种计算和标注的方法,即凸、凹模分别加工和凸、凹模配做加工两种方法。前者用于冲件厚度较大和尺寸精度要求不高的场合,后者用于形状复杂或薄板工件的模具。 对于该工件厚度只有2(mm)属于薄板零件,并且两个孔有位置公差要求,为了保证冲裁凸、凹模间有一定的间隙值,必须采用配合加工。此方法是先做好其中一件(凸模或凹模)作为基准件,然后以此基准件的实际尺寸来配合加工另一件,使它们之间保留一定的间隙值,因此,只在基准件上标注尺寸制造公差,另一件只标注公称尺寸并注明配做所留的间隙值。这p与d就不再受间隙限制。根据经验,普通模具的制造公差一般可取=/4(精密模具的制造公差可选46m)。这种方法不仅容易保证凸、凹模间隙枝很小。而且还可以放大基准件的制造公差,使制造容易。在计算复杂形状的凸凹模工作部分的尺寸时,可以发现凸模和凹模磨损后,在一个凸模或凹模上会同时存在三种不同磨损性质的尺寸,这时需要区别对待。a 第一类:凸模或凹模磨损会增大的尺寸;b 第二类:凸模或凹模磨损或会减小的尺寸;c 第三类:凸模或凹模磨损后基本不变的尺寸;9.3计算凸、凹模刃口的尺寸的计算公式工序性质制件尺寸凸模尺寸凹模尺寸落料按凹模实际尺寸配制,其双面间隙值为C冲孔按凹模实际尺寸配制,其双面间隙值为C注:表中,A、B、C工件基本尺寸 工件的公差(mm) 工件的偏差(mm),对称偏差时,=1/2 x 磨损系数。x值在0.51之间,与工件精度有关可查表91或按下面关系选取。工件精度IT10以上 x=1工件精度IT11IT13 x=0.75工件精度IT14 x=0.5表9.1 系数x料厚t(mm)非圆形圆形10.750.50.750.5工件公差/mm1122440.160.200.240.300.170.350.210.410.250.490.310.590.360.420.500.600.160.200.240.300.160.200.240.30(一)凸模与凹模配合加工的方法计算落料凸凹模的刃口尺寸。解:该冲裁件为落料件,以凹模为基准,只要计算落料凹模尺寸及制造公差,凸模则由凹模的实际尺寸按间隙要求配做。(1)落料凹模刃口尺寸计算(如下图:)比例1:10图9.1 计算刃口尺寸示意图图上的尺寸均无公差要求,安国家标准IT14级公差要求处理,查公差表得: 350 +0。30 100 0-0.52 如图8.1所示的固定夹的落料零件图,计算凸、凹模的刃口尺寸。考虑到零件形状比较复杂,采用配作法加工凸、凹模。凹模磨损后其尺寸变化有三种情况, 落料时应以凹模的实际尺寸按间隙要求来配作凸模,冲孔时应以凸模的实际尺寸按间隙要求来配制凹模。落料凹模的尺寸从图9.1上可知,A、B、C均属磨损后变大的尺寸,属于第一类尺寸,计算公式为:Ba=(Bmax-x) (A=/4)查表8.1得:2Cmin=0.132(mm),2Cmax=0.18(mm);查表 9.1 得:x1=x2=x3=x4=0.75落料凹模的基本尺寸计算如下:根据公式9.1 A凹=(Bmax-x)=(32-0.750.52)0-0.52/4 =31.610-0.13(mm) B凹=(Bmax-x)=(25-0.750.52)0-0.52/4 =24.610-0.13(mm) C凹=(Bmax-x)=(32+0.750.52)0-0.52/4 =31.620-0.13(mm) D凹=(Bmax-x)=(25-0.750.52)0-0.52/4 =24.610-0.13(mm)凸模安凹模尺寸配制,保证双面间隙(0.1320.180)(mm).冲孔凸模的尺寸从图91上可知,四个冲孔凸模的尺寸在磨损过程中将变小,属于第二类尺寸,计算公式为:Ba=(Bmax+x) (A=/4)查表81得:2Cmin=0.132mm,2Cmax=0.18mm;查表 9.1磨损系数X=3.950.5冲孔凸模的刃口尺寸计算如下:根据公式8.2 E凸=(Bmax+x) =(3.8+0.50.3)0-0.3/4 = 3.950-0.075(mm)四个冲孔凸模的尺寸是一样的,都为3.950-0.075(mm)凹模按凸模尺寸配制,保证双面间隙(0.1320.180)(mm)9.4冲裁刃口高度表9.2 刃口高度料厚0.50.5112244刃口高度h668810101214 查表9.1,刃口高度为h810(mm),取h=9(mm)9.5弯曲部分刃口尺寸的计算9.5.1最小相对弯曲半径rmin/t弯曲时弯曲半径越小,板料外表面的变形程度越大,若弯曲半径过小,则板料的外表面将超过材料的变形极限,而出现裂纹或拉裂。在保证弯曲变形区材料外表面不发生裂纹的条件下,弯曲件列表面所能行成的最小圆角半径称为最小弯曲半径。最小弯曲半径与弯曲件厚度的比值rmin/t称为最小相对弯曲半径,又称为最小弯曲系数,是衡量弯曲变形的一个重要指标。设中性层半径为,则最外层金属(半径为R)的伸长率外为: 外=(R-)/ 公式(9.1)设中性层位置在半径为=r+t/2处,且弯曲厚度保持不变,则有R=r+t,固有 外=1/(2r/t+1) 公式(9.2)如将外以材料断后伸长率带入,则有r/r转化为rmin/t,且有 rmin/t=(1-)/2 公式(9.3)根据公式就可以算出最小弯曲半径。最外层金属(半径为R)的伸长率外为:根据公式9.2 外=1/(2r/t+1) =1(251.2+1) =0.107最小弯曲半径为:根据公式9.3 rmin/t=(1-)/2 =(1-0.107)/20.107 =0.10129.5.2弯曲部分工作尺寸的计算 1、回弹值 由工艺分析可知,固定夹弯曲回弹影响最大的部分是最大半径处,r/t=3.8/1.2=3.165。此处属于小圆角V形弯曲,故只考虑回弹值。查表8.51得,回弹值为60,由于回弹值很小,故弯曲凸、凹模均可按制件的基本尺寸标注,在试模后稍加修磨即可。表9.3 铝材料校正弯曲回弹材料r/t材料厚度t(mm)0.80.822硬铝LY122203040254060805601001403、模具间隙 弯曲V形件时,不需要在设计和制造模具时确定间隙。对于U形件的弯曲,必须选择合模具间隙 弯曲V形件时,凸、凹模间隙是用调整冲床的闭合高度来控制的适的间隙,间隙过小,会使边部壁厚变薄,降低模具寿命。间隙过大则回弹大,降低制件精度凸、凹模单边间隙Z一般可按下式计算: Z=t+ct 公式(9.4)式中:Z弯曲凸、凹模单边间隙 t材料的厚度 材料厚度的正偏差(表9.2) C间隙数(表9.3)查表得: =0 C=0.05根据公式9.4 Z=t+ct =1.2+0+0.051.2 =1.2+0.60 =1.8 (mm)表9.4 薄钢板、黄铜板(带)、铝板厚度公差厚度材料薄钢板黄铜板(带)铝板08FH62,H68,HP12A11、2A12B级公差C级公差冷扎带冷轧板最小公差最大公差0.20.040.06-0.03-0.03-0.02-0.040.30.040.06-0.04-0.04-0.02-0.050.40.040.06-0.07-0.07-0.03-0.050.50.050.07-0.07-0.07-0.04-0.120.60.060.08-0.07-0.08-0.04-0.120.80.080.10-0.08-0.10-0.04-0.141.00.090.12-0.09-0.12-0.04-0.171.20.110.13-0.10-0.141.50.120.15-0.10-0.16-0.10-0.272.00.150.18-0.12-0.18-0.10-0.282.50.170.20-0.12-0.18-0.20-0.303.00.180.22-0.14-0.20-0.25-0.353.50.200.25-0.16-0.23-0.25-0.364.00.220.30-0.18-0.23-0.25-0.374.5-0.20-0.265.0-0.20-0.26-0.30-0.37表9.5 U形弯曲件凸凹模的间隙系数C值弯曲件边长L/mmB2LB2L材料厚度t/mm0.50.622.144.155.0 0.622.144.17.57.612100.050.050.040.100.100.08200.050.050.040.030.100.100.080.060.06350.070.050.040.030.150.100.080.060.06500.100.070.050.040.200.150.100.060.06700.100.070.050.050.200.150.100.100.081000.070.050.050.150.100.100.081500.100.070.050.200.150.150.102000.100.070.070.200.150.150.104、凸凹模横向尺寸的确定 弯曲模的凸凹模工作部分尺寸确定比较复杂,不同的工件形状其横向工作尺寸的确定方法不同。工件标注外形尺寸时,按磨损原则应以凹模为基准,先计算凹模,间隙取在凸模上。当工件为双向对称偏差时,凹模尺寸为:LA=(L-2/1)+A0 公式(9.5)当工件为单向偏差时,凹模实际尺寸为:LA=(L-3/4) +A0 公式 (9.6)凸模尺寸为:LT=(LA-Z)0-t 公式(9.7) 或者凸模尺寸按凹模实际尺寸配制,保证单向间隙Z/2。式中: L弯曲件的基本尺寸(mm) LT、LA凸模、凹模工作部分尺寸(mm) 弯曲件公差 T、A凸、凹制造公差,选用IT7IT9级精度,亦可按t=A=/4选取。 2/Z凸模与凹模的单向间隙工件的外形尺寸为:11.2+0.430由于工件为单向偏差,所以凹模的实际尺寸为:LA=(L-3/4) +A0凸、凹制造公差,t=A=/4=0.454=0.1125根据公式9.6凹模尺寸为: LA=(L-3/4) +A0 =(11.2-3/40.45)+0.11250 =10.86+0.11250(mm)根据公式9.7凸模尺寸为: LT=(LA-Z)0-t =(10.86-1.8)0-0.1125 =9.060-0.1125(mm)根据工件的尺寸要求,凸、凹模刃口处都应有相应的圆角,为保证弯曲件的尺寸精度,圆角应按实际尺寸配制。10 主要零部件设计10 主要零部件的设计设计主要零部件时,首先要考虑主要零部件用什么方法加工制造及总体装配方法。结合模具的特点,本模具适宜采用线切割加工凸模固定板、卸料板、凹模及外形凸模、内孔凸模。这种加工方法可以保证这些零件各个内孔的同轴度,使装配工作简化。下面就分别介绍各个零部件的设计方法。10.1 工作零件的结构设计10.1.1凸凹模的设计 凸凹模的内、外缘均为多自由曲面产品注塑模具分型线的自动确定邵 健11 ,吕震22 ,柯映林11( 1. 浙江大学现代制造工程研究所, 浙江 杭州 3100272. 浙江大学城市学院, 浙江 杭州 310015【关键词】:模具,分型线,特征识别,有限元【摘 要】: 为有效地确定多自由曲面产品模具分型线问题, 提出了一种将特征识别技术和有限元方法相结合的模具分型线确定方法。在该方法中, 首先, 提出了基于图的特征识别方法来对产品中的侧凹特征进行识别, 并在识别的基础上对产品模型进行简化; 然后, 提出了基于有限元的离散方法, 对简化的产品模型的所有组成面进行离散, 并根据网格面的可视性来判别组成面的可视性; 最后, 将产品中的所有组成面分成可视面组、不可视面组和退化面组, 并通过抽取可视面组或不可视面组的最大边环来确定模具的分型线。研究实践表明, 通过该方法可以有效地解决多自由曲面产品模具分型线的确定问题, 提高模具设计的效率。中图分类号: T P391 文献标识码: A1引言模具型腔的设计过程一般包括脱模方向的选择、分型线的确定和分型面的生成3个步骤。其中分型线的确定是非常重要的一个环节,不但影响到后续分型面的生成,还对整个模具的结构和成本有很大的影响.对于一些规则产品,模具分型线的确定是比较简单的,但对于一些包含自由曲面的产品,模具的分型线往往难以确定。在一般的模具型腔设计过程中,分型线往往由模具工程师通过一些经验的方式来判断确定。但通过这种方式来确定模具的分型线,设计效率不高,同时由于设计者的疏忽也有可能造成分型线确定失误的问题。因此探索分型线的自动生成技术是模具设计自动化的一个重要研究内容。2 相关研究对分型线的确定,有3类典型的方法:1)文献2 等提出的通过拉伸零件最大投影轮廓线的方法来确定产品的分型线;2)文献3 等提出的通过对塑件模型切片来生成分型线的方法;3)文献4等提出的通过对注塑件表面进行分组并抽取最大边环来自动生成分型线的方法。在这3 种方法中,都没有考虑产品中的侧凹特征对模具分型线的影响,对于多自由曲面产品,无法有效地确定模具的分型线。文献5等虽在文献 4 的基础上进行了改进,但对于多自由曲面产品, 也无法有效地确定模具的分型线。为此,本文提出了一种将特征识别技术和有限元方法相结合的模具分型线确定方法,不但考虑了侧凹特征对模具分型线确定的影响,提出了基于图的特征识别方法对产品中的侧凹特征进行识别,还提出了基于有限元方法对包含自由曲面的产品模型的表面进行离散,以解决自由曲面在模具分型线的确定过程中可能产生的歧义,加快模具分型线的自动确定过程。与前述的3类分型线确定方法相比,该方法的主要特点在于:1.在确定模具分型线前, 首先对产品中的侧凹特征应用提出的侧凹特征识别方法进行识别, 并根据特征识别的结果简化产品模型, 从而避免了侧凹特征对模具分型线的影响;2.型简化后, 应用有限元离散方法对产品模型的表面进行离散, 并根据网格面的可视性来综合判断产品模型表面的可视性, 消除自由曲面在判断面可视性时的不确定性。3 基本概念3.1表面的可见性产品的表面一般由平面和自由曲面组成, 一些简单的产品往往都由平面组成, 但一些外形和结构复杂的产品, 其表面则既包含平面, 也包含自由曲面。对于平面来说, 因为其法向惟一, 所以一定为可视、不可视或过渡面中的一种。但对于曲面来说, 由于其法向并不惟一, 既有可能全为可视或不可视, 也有可能部分可视、部分不可视。因此, 要判断曲面的可视性, 必须应用有限元方法。在有限元模型中, 产品模型的表面往往离散为一些小的单元模型。由于这些单元的表面都为平面, 可以方便地判断出这些单元的可视性。设 表示模具的脱模方向,表示面的法向,则可根据如下规则来判断面的可视性:如果, 则为可视面;如果, 则为不可视面;如果则为过渡面。3.2 单一表面和复杂表面所有表面的产品可以转化为二维网格对各组成部分进行有限元分析。网格包含以下三种类型:(a)可见网眼(b)无形的网(c)过渡网格。设表示模具的脱模方向,表示面Fi的法向,则可根据如下规则来判断网格的可视性:如果, 则为可视网格;如果, 则为不可视网格;如果, 则为过渡面。一些简单的产品往往都由平面组成, 但一些外形和结构复杂的产品, 其表面则既包含平面, 也包含自由曲面。对于平面来说, 因为其法向惟一, 所以一定为可视、不可视或过渡面中的一种。但对于曲面来说, 由于其法向并不惟一, 既有可能全为可视或不可视, 也有可能部分可视、部分不可视。因此, 要判断曲面的可视性, 必须应用有限元方法。在有限元模型中, 产品模型的表面往往离散为一些小的单元模型。由于这些单元的表面都为平面, 可以方便地判断出这些单元的可视性。一般情况下表示模具的脱模方向, 表示单元面的法向。如图2 所示, 图2a 为可视表面, 所有的单元面均为可视单元面; 图2b 为不可视表面, 所有的单元面均为不可视单元面; 图2c 为可视、不可视同存表面, 在其单元面中, 既存在可视单元面, 又存在不可视单元面和过渡单元面。其中“+”表示可视单元面, “-”表示不可视单元面,“0”表示过渡单元面。4 确定分型面的过程4.1 简化的产品模型因为侧凹特征的存在会直接影响到模具分型线的正确确定。因此, 在确定模具的分型线前, 首先要对产品中的侧凹特征进行识别, 并对产品模型进行简化。识别特征的方法较多7 , 本文提出了一种基于图的特征识别方法。在识别过程中, 首先将产品模型用面属性邻接图( FaceAt tribute Adjacency Graph, FAAG)8 的方式表示,然后通过在产品FAAG 中搜索侧凹特征子图的方式来识别侧凹特征。图1 所示为3 种典型类型的侧凹特征的子图。图1a 为一凹类型的侧凹特征及其子图U,该侧凹特征只有一个特征生成面( 侧凹特征附着的面) n1 , 在割集( 将侧凹特征的子图从产品FAAG 图中分离出来的一组边) A c 中, 所有的边都为凸边,在子图U中,所有的边都为凹边;图1b 为一凸类型的侧凹特征及其子图U, 该侧凹特征也只有一个特征生成面n1 , 在割集Ac 中, 所有的边都为凹边, 在子图U 中,所有的边都为凸边; 图1c 所示为一通孔类型的侧凹特征, 该侧凹特征有两个特征生成面n1 , n8 , 在割集Ac 中, 所有的边都为凸边, 在子图U 中, 所有的边都为凹边。在子图匹配的过程中, 如果对产品的FAAG 应用遍历方式进行搜索, 则搜索的时间将会非常长。因此, 在实际的搜索过程中, 总是先找到产品中所有的特征生成面然后再确定子图的割集, 并利用割集将产品的FAAG 图分解为两部分, 一部分为产品FAAG, 一部分为侧凹特征FAAG。侧凹特征识别后, 为了方便模具分型线的确定, 还需要对产品模型进行简化, 简化的过程即产品FAAG 重构的过程。4.2 产品模型转化简化模型后,产品将会被转换成采用离散曲面模型,采用有限元分析方法。无论怎样的平面,曲面或自由曲面产品模型可以表示为2维表面网格,转换过程如图4所示。该产品模型可以描述为;其中代表了产品的模型;代表模型的每个表面;M代表表面的号码,这样一来,每一个外表面即可表示为;其中m表示横向的网格数量,n表示纵向的网格数量。三角形或四边形网格是当前常用的转化过程。虽然网格的数量是由经验确定的,有一些原则是可以照办,例如网格的数量的多少表面与表面的曲率有关。网格的数量越大,其表面曲率越大。4.3 分离复杂表面 产品中可视、不可视同存的表面, 称为复合产品表面, 而对于单一的可视面或不可视面, 则称为单一产品表面。在确定模具的分型线前, 必须将复合产品表面分解为单一产品表面, 从而在将这些产品表面归入可视或不可视面组时, 就不会产生二义性。在对复合产品表面进行分解前, 首先要获取这些产品表面对应脱模方向的最大外轮廓线, 以最大轮廓线为界, 复合产品表面就可以分解为单一产品表面。在分解过程中, 首先要做1个垂直于产品脱模方向的平面为投影平面, 并将产品表面投影到投影平面上。投影后, 首先找到产品表面在投影平面上的投影轮廓线, 然后沿脱模方向拉伸投影轮廓线并与产品表面相交, 则所确定的交线即为该产品表面的最大外轮廓线。如图3 所示为复合产品表面的分解过程示意。图中的PD表示产品的脱模方向, 表示投影平面。S+ 和S- 为经过分解后的单一产品表面,S+ 表示可视表面, S- 表示不可视表面。4.4分型线的确定模具的分型线即为产品中可视面组和不可视面组的最大边环, 因此, 为了正确地确定模具的分型线, 首先要将产品中所有过渡面调整到可视面组或不可视面组中去。在调整过程中, 首先要判断过渡面最大轮廓线与可视面组或不可视面组最大边环的关系。(1) 如果过渡面的大轮廓线在可视面组的最大边环内, 则将过渡面调整到可视面组中去, 调整规则表述为,if then (2) 如果过渡面的最大轮廓线在不可视面组的最大边环内, 则将过渡面调整到不可视面组中去, 调整规则表述为: ,if then 其中, G1 表示产品中的可视面组, G2 表示产品中的不可视面组, G3 表示产品中的过渡面组, 表示过渡面组G3 中的第i个面I, 表示的最大轮廓, 表示可视面组的最大边环, 表示不可视面组的最大边环。设过渡面组G3中调整到中的面组为, 调整到G2 中的面组为, 则最后确定的模具的分型线为。5 实例研究本文提出的多自由曲面产品模具分型线的确定方法已在注塑模具型腔设计制造系统中实现, 系统的开发基于U G 平台, 开发工具为VC+ + 和UG/Open, U G/ Open 是基于UG 平台的一组2 次开发工具, 包括U G/ Open 应用程序界面( A pplicat io nPro gramming Inter face, API) , UG/ Open Grip 等。该开发工具可以使用户方便地对产品B- r ep 模型中的几何和拓扑信息进行操作, 实现用户的自定义功能。图4 所示为某汽车车灯产品的产品模型。在产品模型中, 不但存在侧凹特征, 同时模型表面也存在自由曲面, 因此在确定零件的模具分型线前, 首先要对产品模型中的侧凹特征进行识别并对产品模型进行简化。因为确定的脱模方向为Z 轴方向, 所以在产品模型中, 实际的侧凹特征为产品侧壁的通风孔。产品中另外的特征, 由于其特征方向都与脱模方向一致, 并不构成真正的侧凹特征。图4b 所示为经过简化后的产品模型。产品模型简化后, 即可应用有限元方法对简化产品模型的表面进行离散。本例中采用的网格为四边形网格, 网格单位为8, 离散后的产品模型如图4c 所示。对所有的网格面确定其可视性, 并由此来判断模型表面的可视性。由于在该产品模型中并不存在复合产品表面, 可以直接将所有的产品表面归入可视面组、不可视面组和过渡面组中。在将所有的过渡面通过调整规则调整到可视面组和不可视面组之后, 即可确定模具的分型线。图4d 所示为最终经系统自动确定的该测试产品的模具分型线。6 结束语本文提出了一种将特征识别技术和有限元方法相结合的模具分型线确定方法, 可以有效地确定多自由曲面产品的模型分型线的问题, 从而缩短模具设计的周期, 提高模具设计的效率。通过对数十个多自由曲面产品的测试表明, 系统自动确定的模具分型线与设计师依据经验判断确定的模具分型线的情况完全吻合。目前, 该方法已经应用于笔者所开发的注塑模具型腔设计制造系统中, 运行情况良好。参考文献1 Ravi B, Srinivasan M N, “Decision criteria for computer-aided parting Surface Generation”, Proceedings, Manufacturing International Conference, Atlanta, ASME, 125-129, 1990.2 Ravi B, Srinivasan M N, “Computer aided parting surface design”, Journal of Manufacturing System, 16, 1-12, 1997.3 Tan S T, Yuen M F, Sze W S, et al, “Parting lines and parting surfaces of injection moulded parts”, Proc. Instn. Mech. Engrs, Part B, Journal of Engineering Manufacture, 204(B4), 211-222, 1990.4 Ganter M A, Tuss L L, “Computer-assisted parting line development for cast pattern production”, Transactions of the American Foundrymens Society, 759-800, 1990.5 Weinstein M, Mannoocheri S, “Optium parting line design of molded and cast parts for manufacturability”, Journal of Manufacturing System, 16, 1-12, 1997.6 Wong T, Tan S T, Sze W S, “Parting line formation by slicing a 3D CAD model”, Engineering with Computers, 14, 330-343, 1998.7 Nee A Y C, Fu M W, Fuh J Y H, et al, “Automatic Determination of 3-D Parting Lines and Surfaces in Plastic Injection Mould Design”, Annals of the CIRP, 47(1): 95-98, 1998.8 Zhou Zhenyong, Gao Shuming, Gu Zhengchao, et al, “Automatic Determination of parting line in Injection Mold Design”, Journal of Computer Aided Design and Computer Graphics, 12(7): 512-516, 2000 (In Chinese).9 Fu M W, Nee A Y C, Fuh J Y H, “The application of surface visibility and moldability to parting line generation”, Computer-Aided Design, 34(6): 469-480, 2002.10 Ye X G, Fuh J Y H, Lee K S, “A hybrid method for recognition of undercut features from moulded parts”, Computer-Aided Design, 33(14): 1023-1034, 2001.图1 三种类型表面图2 单一表面及复杂表面 (a)凸 (b)凹 (c)穿透 图3 3种类型的削弱特征和重复选择图4 转化的过程图5 复杂表面的拆分图6 UG软件的界面图7 一个塑造部分的分型线确定
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