矩形罩二次拉深模设计
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冲压模具设计中侧壁起皱的分析F.-k. Chen and Y.-C. Liao台湾 台北市国立台湾大学机械工程部门在冲压过程中,起皱一般发生在有锥度的方形杯子和带有阶梯的矩形杯子成形时。这两种起皱类型的共同特征是起皱都发生在相对没有支撑的侧壁。在冲压一个有锥度的方形杯子时,当发生起皱时,比如冲模间隙和冲压毛坏的压力大小等参数的影响通过有限元模拟方法被检查到。模拟结果显示冲模间隙越大,起皱的就越明显,而且起皱不能通过增加冲压力来被抑制。在研究带有阶梯的矩形杯子冲压过程的起皱时,发现了一个有相似几何类型的实际部分。在侧壁被发现的起皱是因为介于冲头和阶梯边缘的金属板料不平衡伸展造成的。为减少起皱,一个最适宜的冲模设计方法就是利用有限元分析法。在无起皱产品中介于模拟结果和实测结果的好协议使有限元分析法生效,而且证实了利用有限元分析法去设计冲模的优势。关键词:侧壁起皱;冲模;阶梯的矩形杯子;带有锥度的主形杯子1 介绍起皱是在金属板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和视察的原因,在产品中起皱往往不能被接受。在金属板料成形过程中,有三种形式的起皱频繁的发生:边缘起皱,侧壁起皱和由于残余的弹性压力引起的未变形区域的弹性弯曲。在冲压一个复杂形状零件的操作时,侧壁起皱意味着冲模腔中的起皱。由于侧壁区域的金属板料相对于其它区域的金属板料不被工具所保征质量,侧壁起皱的消除比边缘起皱的抑制更难。很明显,在未被加固的侧壁区域中的金属材料的额外拉伸可能防止起皱,而且在实际操作中也可以通过增加冲压力来防止起皱,但是过度的拉力会通过裂痕导致失败。因此,冲压力必须处于一个狭小的范围,一方面,要高于抑制起皱的力,另一方面,要低于产生破裂的力。冲压力的狭小范围很难计算。对于冲压一个复杂形状的零件,当起皱发生在中心区域时,有意义的冲压力范围甚至不存在。 为了检查起皱的形成结构,Yoshida et al.发明了一种测试,在这种测试里,一块薄板料不是均匀的沿着它的斜度被拉伸。他们也计划一个近似的理论模型,在这种模型里面,起皱的开始取决于在压力不均匀区域中有压缩的侧部力的弹性湾曲。Yu et al.从实验性和分析性上研究起皱问题,通过理论分析,他发现带有两个圆周波的起皱可能发生,然而,实验结果显示是四到六个。当通过一个有锥度的模具画出金属板料时,Narayanasamy和sowerby用平底的冲头和半球状的冲头检查金属板料的起皱。他们也试图去把可以抑制起皱的道具分类。 那些努力都被聚中于和简单形状零件关联的起皱问题上,例如:一个圆形的杯子。在90年代早期,金属板料成形中三维动态软件和有限元方法的成功运用使得分析包括在冲压一个复杂形状零件的起皱问题成为可能。在当前的研究中,三维有限元分析法被用来分析在冲压一个带有阶梯的矩形部分的过程中,产生起皱的金属流动制造参数上。 一个带有阶梯的方形杯子,在杯子的每一边都有一个倾斜的侧壁,在带有锥度的杯子也相应的存在倾斜的侧壁。在冲压过程中,侧壁上的金属板料相对没被支撑,因此,这个部位更容易起皱。在当前的研究中,起皱过程中的各种不同的制造参数的影响都在被研究。在冲压一个带有阶梯的方形杯子时,就像图1B显示的一样,可以观测到另一种形式的起皱。为了评估分析的效力,在当前的研究中,一个确切阶梯几何形状的物体被检测。通过使用有限元分析法和用适宜的模具设计来减少起皱,起皱的原因被确定。在观测一个实际产品成形时,通过有限元分析法得到的模具设计方法得到证实。图1带有锥度方形杯子的拉伸(a)和带有阶梯的矩形杯子的拉伸(b)2有限元模型包括冲头、模具和毛坏固定器等工具几何学是用CAD或PRO/E软件来设计的。同样用CAD软件,三节点和四节点的外形元素被采用用来为以上工具生产网眼系统。对于有限元模拟来说,工具被认为是刚硬的,而且对应的网眼被用来定义工具几何学而不是压力分析。同样CAD软件使用四节点外形元素来为板形坏料构造网眼。图2显示工具的完整布置的网眼系统和用来冲压带有阶梯方形杯子的板形坏料。由于对称条件,方形杯子的四分之一被分析。在模拟中,板形坏料放在压力机上,冲模向下移动,逆着压力机夹紧板形坏料。然后冲模上升使得板形坏料按着模腔成形。图2 有限元网眼 为了表演一个精确的有限元分析法,金属板料的真实应力应变曲线被要求是输入数据的一部分。在当前的研究中,拉深成形的金属板料也被用来模拟。为在飞机上切割下的样本测试被进行,它们依次从0度的旋转方向到45度的旋转方向,再到90度的旋转方向进行着。平均的流动力,计算方程为=(0+245+90)/4,因为每一个方法真实应变通常用来模拟带锥度方形杯子和带阶梯矩形的冲压,就如图3显示的那样。 当前研究中所有的模拟利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。为了完成模似所需输入数据的设置,冲头的速度一般设置在10m/s,库仑摩擦系数设置在0.1。图3 金属板料的应力应变关系3 锥度方形杯中的起皱 正像图1a显示的那样,草图暗示着一些有关锥度方形杯子的尺寸,方形冲头每一面的长度(2WP)、模腔的尺寸(2Wd)和高度(H)被认为是影响起皱的至关重要尺寸。在当前研究中,模腔尺寸和冲头尺寸的差距的一半称作冲模间隙(记作G),G= Wd- WP。相关的在侧壁没被支撑的金属板料的宽度取决于冲模间隙,起皱假想通过增加冲压力来被抑制。相对于冲压一个锥度方形杯子,冲模间隙和冲压力两方面的影响在接下来的部分被研究。3.1冲模间隙的影响为了检查冲模间隙对起皱的影响,在冲压一个锥度方形杯子时,分别用20mm,30mm,50mm大小的冲模间隙进行模拟冲压。在每次模拟冲压中,模腔的尺寸都是固定在200mm,而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模拟中使用的金属板料都是380X380的方形尺寸,厚度也都是0.7mm,金属的应力应变曲线如图3所示。图4 G=50mm的带有锥度的方形杯子 模拟结果显示三次模拟中都发生起皱现象,冲模间隙为50mm冲压出来的杯子模拟形状如图4。从图4中可以看出,起皱分布在侧壁,侧壁拐角尤其明显。这就说明在冲压过程中,起皱是由于在侧壁有大面积区域不被支撑,同样,由于冲模间隙不一样,冲头各边的长度和模腔尺寸也不一样。由于横向压力的存大,在冲头和模腔中拉深成形的金属板料越来越不牢固。在压缩下,侧壁金属板料不受限制的拉伸是起皱的主要原因。为了比较三种不同间隙冲压出来的产品,两个主要的应变比率被介绍,=min/max,这里的min和max分别是主要的和次要的应变。Hosford和Caddell已经展示了的实际值比的评论值大,假设当起皱发生时,的实际值越大,起皱的可能性就越大。 在三个冲模间隙不同的冲压中,同一侧壁高度,沿着横截面M-N的值在图4中标记出,在图5中画出。图5中说明严重的起皱一般发生在拐角处,而对三个冲模间隙不同的冲压,在侧壁中心很少发生起皱。还说明了冲模间隙越大,的实际值就越大。因此,增加冲模间隙将增加在锥度方形杯子侧壁处发生起皱的可能性。3.2冲压力的影响众所周知,在冲压过程中,增加冲压力可以帮助排除起皱。为了研究增加冲压力的影响,冲模间隙为50mm与起皱是有关联的,用冲模间隙为50mm的模具冲压带有锥度方形杯子被用不同的冲压力来模拟了。冲压从100KN增加到600KN,这两个力分别产生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分,剩下的模拟条件与给定的是一样的。处于中间的300KN也被用来模拟。模拟结果显示冲压力的增加并没有帮助消除发生在侧壁的起皱。在图4中已标出沿着横截面M-N的值与冲压力为100KN和600KN的值作比较。模拟结果指出两种情况下,沿着横截面M-N的值是一样的。为了检查两种不同冲压力的起皱形状,正如图4和图6标出的那样,侧壁上从底部向上有五处不同位置的横截面。从图6可以看出,两个外壳的波浪形横截面是相似的。这就说明在冲压带有锥度的方形杯子时,冲压力不影响起皱的发生,这是因为起皱的原因主要是由于在有横向压力存在的侧壁处有大面积区域不被支撑。冲压力对冲头和模腔之间材料不稳定的模式并没有影响。图5 沿着横截面M-N不同冲模间隙的值4阶梯矩形杯子在冲压一个阶梯矩形杯子时,起皱发生在侧壁即使冲模间隙并不是那么重要。轮廓1显示冲压阶梯矩形杯子的冲头草图,在这张草图中,侧壁C沿台阶D-E而行。在近期的研究中,在一个实际的产品中检查到了这种几何形状。这种产品使用的原材料的厚度是0.7mm,从拉力测试中获得的应力应变关系如图3所示。这种冲压部分产品的程序包括通过清理焊缝的深拉。在这种深拉过程中,没有焊缝被用在冲模表面来帮助帮助金属的流动。但是,由于冲头拐角处的半径过小和其复杂的几何形状,如图7显示的那样,在冲头边缘上部经常发生拉裂,在真实产品的侧壁处经常发生起皱。从图7中可以看出,皱纹发分布在侧壁上,但是在阶梯边缘拐角处最为严重,就像图1(b)中A-D,B-E显示的那样。在冲头的上部边缘,金属往往被拉裂,就像图7所示。为了进一步的了解冲压过程中板料的变形,诞生了一种有限元的方法。这种有限元模拟方法被在最初的设计中。部分的模拟形状如图8所示。从图8中可以看出,零件上部边缘的网眼被拉深,皱纹分布在侧壁上,类似真实零件中的那样。图6 从图a的100KN到图b的600KN不同侧壁高度的横截面线条图7 产品零件中的拉裂和起皱图8 产品拉裂和起皱的模拟形状如图1(b)就像A-B边缘半径和冲孔拐角处A的半径一样,冲孔的半径也很小,这被认为是拉裂的最主要原因。但是,根据有限元分析的结果,拉裂可以通过增加以半径来避免。这种理念在现实产品中通过增加半径得到证实。个别的尝试也被用来消除起皱。第一,冲压力加到原来的2倍。但是,就像在拉深带有锥度的杯子中得到的结果一样,冲压力对消除起皱现象没有起有很大的效果。通过增加摩擦和毛坯尺寸也得到同样的结论。于是我们推测,这种起皱不能通过增加冲压力来得到抑制。由于在金属屈服于过大压力的区域,往往会因为大量的金属流动而起皱,一种通过在起皱区域增加挂钩用于消除起皱的简单方法被用来吸收多余的材料。为了多余的金属能有效的被吸收,挂钩应该平衡的加在起皱位置。基于这种理念,两个挂钩被加在邻近在壁上吸收多余的材料,如图9如示。模拟结果显示,阶梯拐角处的起皱正如想象的那样被吸收,但是,一些起皱仍然没被吸收。这说明在侧壁处需要更多的挂钩来吸收所有过量的材料,但是这在模具设计中是不允许的。利用有限元分析法分析冲压工序的一个优势是冲压过程中板料的变形形状可以被监测,而这在真实的产品冲压过程中是不可能的。对冲压过程中金属流动的精密监测显示板料最开始通过冲头的力按模腔的形状成形,直到板料接触到如图1(b)阶梯D-E边缘才形成起皱。起皱的形状如图9 加到侧壁的起皱图10显示的那样。这就为模具设计的改进提供了有价值的信息。图10 当板料接触台阶边缘的起皱形成图11 切除了的台阶拐角对于起皱的发生,最初的一个猜想是冲头拐角处范围A和阶梯拐角处范围D之间的金属板料处于不平坦的拉深,就如图1(b)所示。阶梯拐角处被切主要是为了改善拉深条件,这样就允许通过增加阶梯边缘有更多的拉伸被应用到如图11所示,从而使得模具设计的改进得到发展。但是,杯子侧壁处仍然有起皱,这就意味着起皱是因为整个冲头边缘和整个阶梯边缘的不平坦引起的,不仅仅是冲头拐角处和阶梯拐角处之间的不平坦。为了证实这种说法,两种改进过了的模具设计被用来实验:为了描述想象中的形状用两种拉深操作,一种是切去整个阶梯,而另一种是增加更多的拉深操作。前一个方法的模拟形状所图12所示。自从更低的阶梯被切去后,拉深工序与图12中的矩形杯子拉深工序性很相似。从图12中可以看出起皱现象已被消除。在这两种操作的拉深工序中,板料最初是被拉到很深的阶梯处,如图13(a)所示,然后,较低的阶梯在第二步拉深操作中成形,同是,如图13(b)所示的想象形状也得到了。从图13(b)可以清晰的看出,通过两步拉深工序可以造出没有起皱的阶梯矩形杯子,同时也说明在两步拉深工序中,如果相应的顺序被应用,则更低一些的阶梯处的成形是伴随更深阶梯处成形和最深阶梯边缘处成形的最早成形,如图1(b)中的A-B,因为金属不容易通过较低的阶梯进入模具型腔。图12改善模具设计的模拟形状图13 两个操作步骤中的a第一步操作 b第二步操作有限元分析法说明用简单的拉深操作来设计理想产品的冲压模具设计是很难完成的。但是,由于额外的模具费用和操作费用,两个操作的制造费用是很高的。为了保持较低的制造费用,零件的设计师对形状做出了合适的改变,而且通过有限元模拟分析法结果去切除较低的台阶来改善模具设计,如图12所示。随着设计方法的改进,产品真实的冲压模具被制造出来,而且零件还没有起皱,如图14所示。通过有限元模拟分析法得到的零件也没有起皱。为了进一步验证有限元模拟分析法的结果,有限元模拟分析法得到的沿横截面G-H的厚度分布如图14所示,这与产品的尺寸做了比较,比较的结果显示在图15。从图15可以看出有限元模拟分析法得到的预想的厚度分布和产品得到的厚度分布是相符合的。这种吻合证实了有限元模拟分析法的效率。图14 无缺陷产品零件图15 G-H处模拟和测量厚度5概要和结束语通过有限元模拟分析法研究了两种在冲压过程中的起皱,而且还检查了其起皱的原因和消除起皱的方法。第一种形式的起皱发生在冲压带有锥度的方形杯子的侧壁上,这种起皱的原因是因为冲模间隙过大(冲模间隙就是模腔的尺寸和冲头的尺寸的差距)。当金属被拉至模腔中,在冲头和型腔中有一有害的拉深时,大的冲模间隙导致金属板料的大面积区域不被支撑,因此大面积区域不被支撑导致起皱。有限元模拟分析法显示这种起皱不能通过增加冲压力的方法来得到抑制。另一种形式的起皱发生在有阶梯矩形的几何形状物体冲压过程中。起皱往往发生在台阶以上的侧壁,甚至冲模的间隙不是足够的大。通过有限元模拟法得知,这种起皱主要是由于在冲头和台阶边缘存在不平坦的拉伸。在模具设计过程中,通过有限元模拟分析法单独的尝试被用来消除起皱,切除了台阶的模具被建立。通过无缺陷的零件证实了这种模具设计方法对消除起皱的作用。有限元模拟分析法得到的结果和真实产品中看到的结果相吻合说明了有限元模拟分析法的准确性,还证实了用有限元分析法代替真实的模具制造方法的效力。感谢作者希望感谢中国人民共和国民族科学委员会授于NSC-86-2212-E002-028编号才使得这个项目得到发展。他们也希望感谢KYM提供了产品零件。参考文献1. K. Yoshida, H. Hayashi, K. Miyauchi, Y. Yamato, K. Abe, M. Usuda, R. Ishida and Y. Oike,在金属板料,皱纹机械工具的效果取决于不均匀的拉深2. T.X.Yu,W.Johnson 和 W.J.Stronge, “圆形碟子在半球形模具中的冲压成形”,机械学杂志,26,pp.131-148,19843. W.J.stronge,M.P.F.Sutcliffe和T.X.Yu,在冲压期间,圆形碟子的塑性起皱。实验的技巧,pp.345-353,1986.4. R.Narayanasamy和R.Sowerby,“当用一种圆锥形的冲模成形时的金属板料起皱”,材料处理技术杂志,41,pp.275-290,1994.5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell,金属成形:机械和冶金,1993年第二季。 河南机电高等专科学校毕业设计(论文)开题报告学生姓名: 学 号: 专 业: 模具设计与制造 设计(论文)题目: 矩形罩二次拉深模 指导教师: 2006年4月8日毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告1结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,撰写1500字左右(本科生200字左右)的文献综述(包括目前该课题在国内外的研究状况、发展趋势以及对本人研究课题的启发):文 献 综 述在进行毕业设计之前,必须做好一切准备工作,而收集有关设计课题研究方面的资料、文献是最为重要的。在设计工作开始时,只有对课题研究的内容有了,充分地了解,才会有设计目的和方向;所以收集、查阅有关文献资料是必要的。在设计之前首先应该对国内外的模具发展现状和发展趋势有所了解,以便在设计过程中能够正确、合理地设计出一套模具。下面就先分析一下国内外的模具发展现状与发展趋势以及我国的模具发展现状。1.随着工业产品质量的不断提高,冲压产品的生产正呈现出多品种、少批量,复杂、大型、精密,更新换代速度快等变化特点,冲压模具也正向高效、精密、长寿命、大型化方向发展。为适应市场的变化,随着计算机技术和制造技术的迅速发展,冲压模具设计与制造技术正在由手工设计、依靠工人的经验和常规的机械加工技术向计算机辅助设计(CAD)、数控加工中心进行切削加工、数控线切割、数控电火花等为核心的计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术方面转变。模具的发展现状及发展趋势如下详述:1).CAD/CAM技术的应用:CAD/CAM是一项高科技、高效益的系统工种,是模具设计与制造行业的有效辅助工具;通过它能够对产品、模具结构、成型工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。现在已经广泛地应用与模具的设计与制造加工的过程中,并还在不断地发展和创新。2).模具标准件:模具的标准化对缩短模具制造周期、提高质量、降低成本起到很大的作用。我国的模具标准化程度达到30%以下,而国外先进国家达到70%80%左右。这样,不仅有利于国内的模具制造的发展,也有利于模具的国际化发展。3).模具的制造精度:国外的制造水平能够是制造公差达到0.0030.005 mm,表面的粗糙度达到Ra 0.0002 mm以下(花10以上);我国的制造水平可以是制造公差达到0.010.02 mm,模具表面的粗糙度达到Ra0.00160.0008 mm(花78)。由此可见,如今模具技术的发展水平还是很高的,但也可以看出我国在这方面的技术与国外先进国家还有很大的差距。4).模具的使用寿命:国外的冲压模具的使用寿命,(合金钢制模)5001000万次,(硬质合金制模)2亿次;我国的冲压模具的使用寿命分别为:100400万次,60001亿次。模具的使用寿命的加长就意味着模具的制造成本降低,从而提高了生产效益。5).模具的加工制造设备:国外已经广泛地使用了数控加工中心,线切割,电火花,化学腐蚀等先进的设备,大大地提高了模具的制造周期。2.我国的模具业的发展现状:进入21世纪,随着科学技术的发展,我国的工业化程度也有了很大地提高,特别是在模具行业有了很大地发展。如:在模具设计与制造上,不但自己可以制造一些大型,精密,复杂,高效,长寿命的模具,并且能够出口到国外,打开国外的市场。但是,目前我国的冲压技术与工业发达国家相比还相当落后,主要原因是我国在冲压基础理论及成型工艺,模具标准化,模具设计,模具制造工艺及设备等方面与工业发达国家尚有相当大的差距,导致我国的模具在寿命,效率,加工精度,生产周期等方面与工业发达国家的模具相比差距相当大。因此这就需要我们努力去研究,推动我国模具业的发展。3.在查阅、收集有关资料的时候,不仅使我对模具业的发展现状及发展趋势、模具的设计与制造技术等有了更多,更全面地了解;而且收集到了许多有关本课题的研究,与本课题相关、相似的东西,查找各种有关模具设计与制造方面的经验公式,和经验数据;通过查阅资料和文献能够将课堂上所学习到的理论知识,与实际生产当中的实例相结合去更好地成设计任务;并且使我在课程设计上有了更多的设计思路,也有了更多的考虑空间,同时也使我在设计的过程中能够从多方面地去考虑问题模具设计的合理性及对设计好的模具在工作过程中可能会出现的问题及解决办法。 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告本课题的研究思路(包括要研究或解决的问题和拟采用的研究方法、手段(途径)及进度安排等):(1)查阅相关资料,撰写开题报告-1.5周;(2)进行各种工艺计算-3周;(3)根据计算结果,绘制装配图,并绘制非标准件零件图-2周(4)撰写毕业说明书,编制加工工艺卡。-1周 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告参考文献1冲压模具手册 王孝培主编 机械工业出版社2冲压模具设计与制造 刘建超主编 高等教育出版社3模具设计与制造简明手册 冯炳尧主编 上海科技出版社4钢铁材料手册 李春胜主编 江西科技出版社5 冲压模具图册 杨占尧主编 高等教育出版社6中国模具设计大典第三卷 李志刚主编 机械工业出版社7公差技术与配合测量 薛彦成主编 机械工业出版社8冷冲压模具设计与制造 王秀凤主编 北京航空航天大学出版社9机械工程材料 王运炎主编 机械工业出版社10模具制造技术 翟德梅主编 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告指导教师意见:1对“文献综述”的评语: 本综述具有一定的广度,说明作者在撰写的过程中查阅了大量的相关文献,对目前先进的工艺进行了调查研究,并针对课题进行初步分析,提出了可行的设计方案。2对本课题的研究思路、深度、广度及工作量的意见和对设计(论文)结果的预测: 查阅资料充分,研究思路新颖,能达到预期的设计目的。 指导教师: 年 月 日所在专业审查意见: 负责人: 年 月 日毕业设计(论文)成绩毕业设计成绩指导老师认定成绩小组答辩成绩答辩成绩指导老师签字答辩委员会签字答辩委员会主任签字查图清单图1 零件毛坯图5图2 后侧导柱模架图9图3上模座图11 图4下模座图.11图5 简图12矩形罩二次拉深模设计前言利用模具生产零件的方法已成为工业上进行成批或大批生产的主要技术手段,它对于保证制品质量,缩短试制周期,进而争先占领市场,以及产品更新换代和新产品开发都有决定性的意义。在现代工业的主要部门,如机械、电子、轻工、交通和国防工业中得到了极其广泛的应用。如70%以上的汽车、拖拉机、电机、电器、仪表零件,80%以上的塑料制品,70%以上的日用五金及耐用消费零件,都采用模具成型的方法来生产10。利用模具将平板毛坯变成开口空心零件的加工方法称为拉深(或拉延)。拉深是主要的冲压工序之一,应用广泛。用这种工艺方法可以制成筒形、阶梯形、球形、锥形、抛物线形、盒形和其它不规则的薄壁零件,如果与其它冲压工艺相配合,还可以制造形状更为复杂的零件。因此在汽车、拖拉机、电器、仪表电子、轻工等行业中有相当重要的地位。该模具适应于高矩形和高筒形件的拉深,在毛坯排样无中间搭边,冲裁后废料中间自动断开,方便送料,不用设置卸料板送料。该成型方法已经熟练应用于工业生产中。但是在以前模具设计的毛坯计算中都是采用有关手册上所给的公式进行计算,计算量不仅很大,而且当遇到形状复杂的零件(该零件就是属于这种情况)会比较麻烦,且容易出错。所以在本设计中拟采用模具CAD技术对零件的毛坯进行计算,以解决以前模具设计中毛坯计算较为复杂的问题,从而缩短模具设计的周期。从模具设计和制造技术角度来看,模具的发展趋势可归纳为以下几个方面:(1)加深理论研究。 加强冲压理论的研究,以提供更加准确、实用、方便的计算方法,正确地制定冲压工艺参数和模具工作部分的几何形状与尺寸,解决冲压变形中出现的各种实际问题,进一步提高工件的质量。(2)高效率、自动化。为适应市场的发化发展,冲压模具正向高效率、自动化、长寿命、大型化方向发展。(3)大型、超小型及高精度。随着工业产品质量的不断提高,冲压产品生产正呈现多品种、少批量、复杂、大型、精密,更新换代速度快等变化特点。(4)革新模具制造工艺。 模具制造技术现代化是模具工业发展的基础。随着科学技术的发展,计算机技术、信息技术、自动化技术等先进技术正不断向传统制造技术渗透、交叉、融合,对其实施改造,以形成先进的模具制造技术。(5)标准化。 开展模具标准化工作,使模板导柱等通用零件标准化、商品化,以适应大规模地成批的生产塑料成型模具。第1章 零件工艺性分析1.1零件材料的化学成份及力学性能 从零件图(图1)上可以得出:零件的外形为类似矩形拉深件,成型工艺为二次拉深。零件材料为1008钢,查有关手册可以得知:此为美国牌号,它属于优质碳素结构。其中10代表优质炭素结构钢8,后面两位数字代表了含碳量。由该材料的含碳量可以得知:其力学性能与08钢很相似。由于含碳量0.25,因而属于极软低碳钢。强度、硬度很低,塑性、韧性极好,冷加工性好,淬透性、淬硬性极差,由于硫、磷元素的作用,它比08钢容易切削加工。退火后,导磁性能好,宜冲压、冷拉深,符合零件成型工艺要求4。表1 08钢化学成份及机械性能1牌号化学成份()机械性能(MPa)CSiMnbsE080.17-0.240.17-0.370.25-0.353532453002061.2 零件成型工艺分析1.2.1 拉深件工艺性分析(1)拉深件形状应尽量简单,对称。从零件图上可以看出:该零件的外形为类似矩形,而且用圆弧过渡连接,结构对称。即工件在圆周方向上的变形是均匀的,模具容易加工,其工艺性较好,避免了急剧的轮廓变化。(2)拉深件各部分尺寸比例要适当。 从零件图上可以看出:该零件的设计避免了宽凸缘和深度较大的尺寸(即d凸3d,h2d)。这样在成型中可以减少拉深次数甚至一次拉成。(3)拉深件的圆角半径要适当 拉深件的圆角半径,应尽量大些,以便利于成型和减少拉深次数。拉深件底与壁、矩形件的四壁圆角半径应满足r1t、r23t.从零件图可以得出:该零件底与壁、矩形件的四壁圆角半径应满足上述值得要求。这样就可以不用再另外增加整形工序。(4)拉深件厚度不均匀现象的考虑 由于各处变形不均匀,上下壁厚的变化达1.2t至0.75t。但是只有工件有特殊的要求,才会考虑这些问题,否则可以认为零件壁厚是均匀的。由毕业设计原始资料可以不用考虑壁厚不均匀的现象。(5)拉深件的尺寸精度不宜要求过高 拉深件的制造精度包括直径方向的精度和高度方向的精度,在一般情况下,拉深件的精度不宜超过表2中所列的数值。表2 拉深件的尺寸精度1材料厚度拉深件基本尺寸50501001003001.20.300.350.50第2章 零件成形工艺方案的确定该工件为矩形罩的二次拉深,所加工的毛坯为一次拉深的半成品工件,故工件加工工艺方案可确定如下:方案一:采用正装模具生产。方案二:采用倒装模具生产。方案一采用正装模具生产,从此工件的结构来看,很适合设计成正装模具生产,工件的精度及生产效率都较高。方案二采用倒装模具生产,工件的定位和出件都不方便,不利于此工件的生产批量要求。通过对上述两种工艺方案的分析比较,则采取第一种方案为佳。第3章 模具主要设计计算3.1零件毛坯尺寸的计算由于该拉深件的外形为类似矩形,为得到毛坯的几何形状和尺寸。其需要将工件分成多个部分进行计算。而筒壁上部分的计算需要采用久里金法则(任意一个旋转体的表面积等于该旋转体重心x与该旋转体弧长l的乘积。)进行计算。其他部分则可以采用文献1推荐的公式求出。当将各个部分的表面积分别求出来以后,进行相加便可以的到毛坯的表面积。但是此过程十分的繁琐、麻烦,从而延长了模具的设计周期。为了缩短模具的设计周期,可以采用模具CAD软件(如Proe软件)对拉深件进行展开可以很方便得到:该工件的毛坯的形状及相关尺寸(见装配图),如图1、2所示。 图1零件毛坯图 将上面的立体图转化为零件图,可以得出毛坯零件图,如图1所示。*以上尺寸均为生产经验而得,需要在试模时进一步调整。3.2 成形设备的选择及其校核3.2.1. 拉深力的计算首先由零件的H/B、r/B值查相关设计手册1图4-72可以得知:该拉深件可以一次拉深成型。为简便计算出拉深力可以采用相关设计手册1表4-84所推荐的计算公式:F拉= k1ltb.其中k1可以由相关设计手册查表4-851并采取插值法得到:k1 =0.70。将b=353MPa,t=1.2mm, l=183代入上述公式可以得到:F拉=0.701831.2353=54263.16N3.2.2 成型设备的选择压力机的选择是工艺设计中一项重要内容,它直接关系到设备的合理使用、安全、产品质量、模具寿命、生产效率和成本等一系列问题。应根据所完成的工艺性质、批量大小、工件的几何尺寸和精度等级等选定压力机的类型和吨位。此设计中,工件的拉深不采用压边装置,故无须考虑压边力。即F总= F拉,将上述的值代入可以得到:F总=54263.16N。由此并根据生产工艺的要求采用J23-6.3压力机。但此压力机的最大装模高度小于模具的闭和高度,故为了满足要求选用J23-25的压力机。其相关参数见表43。表4 成型设备的参数公称压力/KN滑块行程mm滑块行程次数(不小于)(次/min)最大闭合高度/mm最大装模高度/mm连杆调节长度/mm110工作台尺寸(左右前后)/mm310200垫板尺寸(厚度孔径)mm模柄孔尺寸(直径深度)/mm3050倾斜角(不小于)()选择压力机公称压力时,必须注意当拉深工作行程较大时,尤其后序拉深时,应使工艺曲线位于压力机滑块的许用压力之下而不能简单地按压力机的公称压力大于工艺力的原则去确定压力机的规格。否则可能会发生压力机超载而损坏。根据生产经验可以得知:该压力机完全符合该零件生产工艺的要求。3.3压力中心的确定及其相关计算为保证压力机和模具正常工作,必须使冲模的压力中心与压力机的滑块中心相重合。否则在冲压时会使冲模与压力机的滑块歪斜,引起凸、凹模间隙不均匀和导向零件加速磨损,造成刃口和其他零件的损坏,甚至会引起压力机导轨的磨损。影响压力机的精度,对于形状简单而对称的工件如矩形、圆形、正多边形,其冲裁的压力中心与工件的几何中心重合。结合零件图,该冲裁件的压力中心即为工件的几何中心。该工件的冲裁力不大,为便于模具的加工和装配,模具中心选在工件的几何中心。此满足J23-的模柄孔投影面积范围内,满足要求。 3.4工作零件工作尺寸的确定3.4.1拉深凸凹模工作尺寸的计算确定凸模和凹模工作部分尺寸时,应考虑模具的磨损和拉深件的弹复,其零件尺寸的公差只在最后一道工序考虑。根据毕业设计原始资料可以得到:此仅为第一次拉深工序,即该拉深凸、凹模尺寸的计算不用考虑尺寸公差。综上所述,可以得到以下结论:拉深凸、凹模工作的尺寸与拉深件的外形尺寸一样。拉深凸、凹模的工作尺寸可以参见矩形罩零件图。(1)模具的制造公差的确定。结合零件图,对于非圆形凸、凹模制造公差可以根据零件的公差来确定。若拉深件的公差为IT14级以上者,凸、凹模的制造公差则采取IT10级以上;当采用配作时,只在凸模或凹模上标注公差,另一方则按间隙配作,如拉深件是标注外形尺寸时,则在凹模上标注公差,反之则标注在凸模。综上所述,并查相关设计手册7可以得到模具的制造公差值并列表如下:表6 拉深凸凹模制造公差基本尺寸 (mm)公差等级mIT10级34018-30843-64830-501006-105850-8012010-187080-120140 即模具的制造公差具体值分别详见拉深凸、凹模零件图(2)为防止真空吸附,顺利顶出工件,可在拉深凸模开出气孔。其值可以查表4-771得:d=6.5mm。(3)拉深凸、凹模的圆角半径的确定 拉深凹模圆角半径可以根据零件的材料与厚度查有关手册确定r凹=8mm,而拉深凸模的圆角半径可以按下述的规定来确定。即除最后一次拉深工序外,其它各次拉深工序中,凸模圆角半径r凸可取与凹模圆角半径相等或略小的数值:r凸=(0.61)r凹=8mm。1(4)拉深凸、凹模间隙的确定 对于矩形件的拉深凸、凹模间隙的确定可以参照U型件的弯曲模具间的间隙,但是对于圆角部分,因为材料的料厚变厚,所以这部分的间隙应比直边部分大0.1t。而在多次拉深工序中,除最后一次拉深外,间隙的取向是没有规定的。1查相关设计手册1可以得到:U型弯曲件凸、凹模的间隙值约为:(11.1)t。综上所述,可以得到该拉深件凸、凹模间隙值:(1.21.32)mm。表5 工作零件刃口尺寸计算尺寸及分类尺寸转换计算公式计算结果备注拉深R6060+0.22A凹=(A-X)59.8+0.055R59.8 X=0.75;R2.8 X=0.50 见表3R3 3+0.142.8+0.075R8 8+0.367.73+0.0366* 模具的制造公差取工件公差的1/4*凸模尺寸按凹模尺寸配制,其双面间隙为ZminZmax。查相关设计手册可以得到:Zmin=0.126,Zmax=0.120。 第4章 模具总体设计4.1 模具类型的选择由零件成型工艺方案可知,采用倒装的二次拉深模具生产。4.2 模具定位方式的选择因为该模具采用的是首次拉深件的产品,所以应充分考虑毛坯在模具上的准确定位。但是该模具由于成形力较小,所以不须考虑毛坯的定位。4.3 卸料、出件方式选择为防止工件不能顺利顶出,所以在上模采取刚性顶件装置(即利用压力机上的打料衡梁的作用力卸下工件)。把工件从凹模中顶出来。 4.4 模具导向方式的选择为提高模具寿命和工件质量,方便安装调整,该模具采用后侧导柱的导向方式。如图5所示 图2后侧导柱模架第5章 模具主要零部件设计5.1 工作零件的结构设计5.1.1拉深凹模的设计凹模采用整体式结构,安排凹模在模架上的位置时,要依据计算压力中心的数据,将压力中心与模柄中心重合。其轮廓尺寸可按生产经验,查相关手册1得知:壁厚值C=64mm ,高度值H=60mm。具体尺寸可参见零件图。由于上述值的确定是按生产经验而来。故可以不用进行强度校核。5.1.2拉深凸模的设计结合工件外形并考虑加工,将凸凹模设计成阶梯式,采用立式铣床加工, 4个M12的螺钉固定直接将凸模与下模座连接在一起。其总长可由上模的具体结构决定:其中指推件板的厚度,指固定板的厚度。将=30mm,=20mm,=40mm代入以上公式可以得到:L=90mm。对该设计进行强度及长度校核,查有关设计手册可以得到相关校核公式:Amin Lmax1200查有关设计手册1可以得:=9811569Mpa,取=1000Mpa。查有关设计手册1可以得:J=其中a=128,b=116因而J=9802426mm4由第2.3.1可以得到F=178776N代入可以得到:Amin178.776mm2,Lmax8885mm。 用Proe软件可以很容易得到:A凸min=3350mm2。经过以上计算可以得到以下结论:该凸、凹模的设计符合使用要求。5.2 卸料装置及推件装置 由前面卸料、出件方式的确定,可以得知:本套模具不用设置卸料装置,但是为了确保制件顺利从模具卸下来,需要在模具的上模、下模需要设置推件、顶件装置。其中推件块及顶件块的结构尺寸及技术要求可分别参见零件图。5.3模架及其组成零件 该模具采用后侧导柱模架,这种模架的导柱放在模具的后面侧位置,横向和纵向送料都比较方便,但如果有偏心载荷,压力机导向又不精确,就会造成由于偏心力矩而引起上模歪斜,导向装置和凸、凹模都容易磨损,从而影响模具的寿命。故此模架常用于较小的模具。以落料凹模周界尺寸为依据,选择模架规格1见表7。凹模周界|L:2351上模座 数量1 规格:2355335凹模周界|B:532下模座 数量1 规格:2355345闭合高度(参考)|最小:2713导柱 数量2 规格:32180闭合高度(参考)|最大:2104导套 数量2 规格:322045表7模具模架规格其中上模座、下模座的具体结构尺寸及技术要求(图3、图4)可以分别参见QM1102-93、QM1101-93。导柱、导套的具体结构尺寸及技术要求可以分别参见QM 1201-93、QM1226-93。图6 后侧导柱上模座 图7 后侧导柱下模座 5.4连接与固定零件的确定对于本套模具的连接与固定零件,拟采取4个M12的圆柱头内六角螺钉及2个8的圆柱销。其结构尺寸及技术要求可以分别GB70-76、GB119-76。其中螺钉及圆柱销的长度可由模具的具体结构来决定,其布置最小间距可以参见表82。而其的具体布置位置可以详见模具装配图。表8 螺孔(或沉孔)、销钉之间至刃壁的最小距离螺钉孔M12S113S216S33销钉孔8S47* S1 、S2 、S3 、S4所代表的含义可参见图8图5 简图第6章 模具装配6.1模具总装图通过以上设计,可得到这套模具的总装图。模具的上模部分主要有上模座、垫板、推件块、凹模等组成。下部分由下模座、固定板、拉深凸模、推件伴等组成。卸件方式则采用刚性的方式,可以保证工件顺利顶出。6.2模具工作原理 当把一次拉深的制件送到指定位置时,上模在压力机的作用下进行冲压。当冲压及拉深工艺完成时,上模上行回程,制件可能卡在凹模里也有可能包在凸模上,卡在凹模里的制件由推件块推下,当模具上的打料杆碰到压力机上的打料横梁时,打料横梁给模具打料杆一个作用力,在此作用力的作用下,将制件推出来。假如制件卡在拉深凸模上,则有设在下模上的卸件板推出制件。当上述的工艺完成以后,在进行二次送料,模具再开始下一个工作行程。6.3模具的闭合高度及相关校核压力机的闭合高度是指滑块在下止点时,滑块底面到工作台上平面的距离(即垫板下平面)的距离。它可以通过调节连杆的长度在一定范围内变化,由表4可以得知:所选压力机的最大闭合高度为300,其调节量为80。模具的闭合高度是指模具在最低工作位置时,上模座上平面至下模座下平面的距离。模具的闭合高度与压力机的闭合高度的关系在实际应用上为:HHmax -5mm6 =295mm 式中:Hmax代表压力机的最大闭合高度; 通过以上设计可以求得模具的闭合高度:H =H上+H下+H垫板+H凸模+H推件块=35+45+20+91+20=211mm将求得模具的闭合高度代入上式进行校核可以得出以下结论:模具的安装符合压力机的要求。 第7章 工件主要成型工艺问题及解决措施7.1 拉深件主要成型工艺质量问题及解决措施7.1.1拉伸件起皱分析及解决措施拉深过程中主要成型工艺质量问题为凸缘变形区的起皱和筒壁传力区的拉裂。前者是因为切向压应力引起板料失去稳定产生弯曲;传力区的拉裂是由于拉应力超过抗拉强度引起板料断裂。同时变形区板料有所增厚,而传力区板料有所变薄。起皱主要取决于两个方面:一方面是切向压应力3的大小,其值越大,越容易起皱;另一方面是凸缘变形区材料本身的抵抗失稳的能力,凸缘宽度越大,厚度越薄,材料的E值越小,则材料的抵抗失稳的能力越小,容易起皱。7.2.2拉伸件拉裂分析及解决措施筒壁的拉裂主要取决于两个方面:一方面是筒壁传力区中的拉应力;另一方面是筒壁传力区的抗拉强度。当筒壁拉应力超过该区材料允许的抗拉强度时,拉深件就会在底部圆角与筒壁相切处“危险断面”产生破裂。为防止拉深过程中,工件的边壁或凸缘起皱,应使毛坯(或半成品)被拉入凹模圆角以前保持稳定状态。其取决于毛坯的相对厚度。以上述值查相关手册来决定是否采取压边圈来防止工件起皱的工艺质量问题。由排样图可以计算毛坯的相对厚度,查表4-801可以得出以下结论:该工件不用采用压边圈来防止工件的起皱。为防止工件在拉深过程中出现筒壁拉裂的工艺质量问题,一方面要通过改善材料的力学性能,提高筒壁的抗拉强度;另一方面是通过制定正确的拉深工艺和设计模具,合理确定拉深变形程度、凹模圆角半径、合理改善润滑条件,以降低筒壁传力区的拉应力。这里要特别注意的是:模具润滑的部位。因为在拉深成形中,需要摩擦力小的部位(如凹模侧壁和圆角与板料之间的摩擦力),除模具表面粗糙度应该小外,还必须润滑,以减小摩擦系数,减小拉应力,提高极限变形程度。而摩擦力对拉深成形有益的部位,(如凸模侧壁和圆角与板料之间的摩擦力)可以不用润滑。并且此处的表面粗糙度也不宜过小。设计小结在指导老师及同学的帮助下,经过自己的努力顺利完成了毕业设计论文。在此期间,我阅读了大量的参考文献。不仅初步了解了国内、外模具工业发展的现状及发展趋势(如模具CAD/CAM在模具工业中的的广泛应用、模具新材料的研发、采取数控测量装置、热处理、表面处理新工艺的采用等),而且进一步了解了模具先进的加工工艺方法(尤其是电加工技术的应用)。通过毕业设计,它使得我对冲裁理论知识进一步加深了认识,同时也加深了相关理论知识的认识。并且熟练掌握了专业工具书的使用方法。在整个过程中,增强了自己的动手能力及分析及独立思考解决问题的能力。当然,由于本人水平有限及缺乏生产实际经验,该设计难免存在不足之处。希望各位老师对此提出批评意见,在此表示万分的感谢。通过设计实践,逐步树立正确的设计思想,增强了创新意识和竞争意识,熟悉掌握了冲压设计的一般规律。在设计过程中,进行了设计计算、绘图及运用技术标准、规范、设计手册等有关设计资料,进行全面的机械设计基本技能的训练。致谢 国学大师王国维在人间辞话阐述了一个人要成为大学问家,必经历三种境界:“昨夜西风凋碧树,独上高楼,望断天涯路;衣带渐宽终不悔,惟伊消得人憔悴;众里寻他千百度,慕然回首,那人却在灯火阑珊处。”其实这三种境界,简而言之为树立目标、为之奋斗、达到目标。换句话说做毕业设计也是树立目标、为之努力、达到目标。在我开始计划毕业设计如何做的时候,如明白毕业设计题目的要求、在毕业设计中应注意的一些工艺问题、拉深模设计的步骤等等。在此感谢曾经指导我的老师,师傅和同事的帮助! “三人行,必有我师”。在做毕业设计的过程中,由于本人水平有限,遇到过不少棘手的问题,曾得到多位师傅和同事的大力帮助。在此对提供过帮助的师傅和同事表示深深的谢意。 在毕业设计过程中,我参考了其它很多的文献如王孝培所编的冲压手册,其不仅巩固了我所学的知识,并且扩大了自己的视野。最重要的是这些文献帮助我顺利完成了毕业设计论文。在此对这些文献的作者表示深深的谢意。参考文献1冲压模具手册 王孝培主编 机械工业出版社2冲压模具设计与制造 刘建超主编 高等教育出版社3模具设计与制造简明手册 冯炳尧主编 上海科技出版社4钢铁材料手册 李春胜主编 江西科技出版社5 冲压模具图册 杨占尧主编 高等教育出版社6中国模具设计大典第三卷 李志刚主编 机械工业出版社7公差技术与配合测量 薛彦成主编 机械工业出版社8冷冲压模具设计与制造 王秀凤主编 北京航空航天大学出版社9机械工程材料 王运炎主编 机械工业出版社10模具制造技术 翟德梅主编 19
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