冲压模具设计毕业设计论文说明书.doc
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1、第一章 前言1.1 课题特点及其研究意义冲压是一种先进的金属加工方法,是完成金属塑性成形的一种重要手段,它是最基本、最传统、最重要的金属加工方法之一。它建立在金属变形基础上,利用模具和冲压设备对板料进行加工,冲压加工时,模具通过冲压设备发生作用,于板料内部产生使板料发生塑性变形的内力,当内力的作用达到一定程度时,板料或板料的某个部分便会产生与内力作用性质相对应的变形,从而获得一定形状、尺寸和性能的产品零件。与其它机械加工方法相比,这种加工方法具有产品性能好、生产率高、材料利用率高、成本低、产品尺寸精度稳定、操作简单、容易实现机械化和自动化等优点。在国民经济各个领域中有广泛的应用1。汽车制造中有
2、60%-70%的金属零部件需经塑性加工成形,如车身上的各种覆盖件、车内支撑件、结构加强件,还有大量的汽车零部件,如发动机的排气弯管及消声器、空心凸轮轴、油底壳、发动机支架、框架结构件、横纵梁等等。冲压工件的制造工艺水平及质量,在较大程度上对汽车制造质量和成本有直接的影响2。冲压加工是通过模具来实现的,从模具角度来看,模具生产技术水平的高低,已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志,因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经取得了共识。据统计,在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中,60%80%的零部件都要依靠模具成
3、形。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比拟的。同时,冲压加工也创造了巨大的价值增值,模具是“效益放大器”,用模具生产的最终产品的价值,往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。目前全世界模具年产值约为600亿美元,日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业,从1997年开始,我国模具工业产值也超过了机床工业产值。其中冲压模具在所有模具(锻造模、压铸模、注塑模等)中,无论从数量、重量或者是从价值上都位居榜首。由此可见,板料冲压加工及其模具制造技术对国民经济的发展已经并将继续作出重大的贡献。随着我国经济的发展,对这种生产技术的发展及专业技
4、术人才的需求将与日俱增。因此,加强对板料冲压加工及其模具制造技术的研究,具有重要的意义。1.2 选题背景1.2.1 近年来冲压成形工艺与理论的研究成果近年来,冲压成形工艺有很多新的进展,特别是精密冲裁、精密成形、精密剪切、复合材料成形、超塑性成形、软模成形以及电磁成形等新工艺日新月异,冲压件的精度日趋精确,生产率也有极大提高,正在把冲压加工提高到高品质的、新的发展水平。由于引入了CAE,冲压成形已从原来的对应力应变进行有限元等分析而逐步发展到采用计算机进行工艺过程的模拟与分析,以实现冲压过程的优化设计。在冲压毛坯设计方面也开展了计算机辅助设计,可以对排样或拉深毛坯进行优化设计。此外,对冲压成形
5、性能和成形极限的研究,冲压件成形难度的判定以及成形预报等技术的发展,均标志着冲压成形以从原来的经验、实验分析阶段开始走上由冲压理论指导的科学阶段,使冲压成形走向计算机辅助工程化和智能化的发展道路。1.2.2 当前冲压模具技术发展特点充分运用IT技术发展模具设计、制造。用户对压力速度、精度、换模效率方面不断提高的要求,促进了模具的发展。车身外形和发动机是汽车的两个关键部件,汽车车身模具特别是大中型覆盖件模具,其技术密集体现当代模具技术水平,是车身制造技术的重要组成部分。车身模具设计和制造约占汽车开发周期三分之二的时间,成为汽车换型的主要制约因素。目前,世界上汽车的改新换代一般约需48个月,而美国
6、仅需30个月,这主要得益于在模具业中应用了CAD/CAE/CAM技术和三维实体汽车覆盖件模具结构设计软件。另外,网络技术的广泛应用提供了可靠的信息载体,实现了异地设计和异地制造。同时,虚拟制造等IT技术应用,也将推动模具工业的发展。缩短金属成形模具的试模时间。当前,主要发展液压高速试验压力机和拉伸机械压力机,特别是在机械压力机上的模具试验时间可减少80%,具有巨大的节省潜力。这种试模机械压力机的发展趋势是采用多连杆拉伸压力机,它配备数控液压拉伸垫,具有参数设置和状态记忆功能。1.2.3 国内模具与国外模具的差距2 在欧美,CAD/CAE/CAM已成为模具企业普遍采用的技术。在CAD方面,目前3
7、D设计也达到了70%89%。澳大利亚3D设计已达到60%,而我国只是刚刚起步。CAE技术在欧美应用逐渐成熟。在冲模设计中应用CAE软件,模拟金属变形过程,分析应力应变的分布,预测破裂、起皱和回弹等缺陷,我国只有少部分企业开始CAE技术的应用。DL图(冲压工艺过程图)设计的过程中,在冲压工艺分析、冲压方向的确定和工序划分方面我国与国外水平接近。但在工艺补充面的设计和产品数模的工艺处理方面还存在着较大的差距,如过拉延部分的设计,回弹值的处理等方面国外具有丰富的经验,特别是在高精度轿车零件的工艺设计方面与国外相比仍存在着很大的差距。高速切削是以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特征的加工技术。
8、在国外已是比较成熟的技术,型面加工精度0.05mm,不需要研合间隙。修边模刃口间隙由机加工保证;钳装不需要研配间隙,加工后可直接装配合模。而国内的模具钳工工作量仍较大。国内的加工机床性能基本与国外设备相当,但在NC技术参数方面,走刀路径、方式及技术的设计方面仍存在着差距。另外在模具制造周期、质量方面和标准化程度方面也存在着较大的差距。1.3 本课题拟采用的设计思想和技术路线 采用CADCAECAM一体化技术,使设计、制造过程形成一个有机的整体,通过信息的集成,在经济上、技术上给企业带来综合效益。技术路线如下: 用UG软件建立零件工艺补充数模 CAD 以IGES格式输出工艺补充数模数据 在Dyn
9、aForm软件中导入IGES格式数据 CAE 建立有限元模型,定义材料、冲压参数 修改参数 冲压成形过程有限元模拟及成形预见性分析 成形结果无缺陷 根据分析结果确定或改进零件工艺补充数模 CAD导出DXF格式二维图作为模具工程图设计依据 冲压工艺过程设计,模具结构设计 根据工艺补充数模编制模具零件数控加工程序 CAM 模具制造、调试 第二章 冲压工艺过程设计冲压工艺过程的优劣,决定了冲压件制造技术的合理性、冲压件的质量和产品成本。因此必须对冲压件进行详尽的工艺分析,分析冲压件的结构、性能及加工难易程度,确定科学的、合理的工序方案。并在保证产品的设计要求、满足使用条件的情况下尽量减少工序,采用适
10、宜的材料,尽量节约用料,选择先进且合理的加工技术,力求生产工艺过程简单易行,以降低生产成本,提高经济效益。模具CAE技术就是在设计制造模具之前,在计算机上模拟出冲压件在模具中成形的真实过程,向用户告知模具结构设计、工艺条件状况是否合理,并最终为用户提供出最佳的模具设计工艺方案,可靠性达到80%以上。从而缩短模具设计与制造周期2/5(对于复杂模具而言),并提高模具质量和产品合格率,进而可大幅度降低制造成本,增强产品的市场竞争力。2.1 零件特点及工艺性分析冲压模具设计的重点在于工艺分析,因为不同冲压条件、不同工序的加工结果都有所不同,而对于某些尺寸精度、表面质量要求较高或成型难度大的制件,做好工
11、艺分析尤其重要。冲压件的工艺性指冲压件对冲压工艺的适应性。在一般情况下,影响冲压件工艺性的因素有几何形状、尺寸、精度、表面粗糙度及毛刺。冲压件工艺性对冲压件质量、材料利用率、生产率、模具制造难易、模具寿命、操作方式及设备选用等都用很大的影响。良好的冲压件工艺性可显著降低冲压件的制造成本3。2.1.1 零件特点大地板左右外侧梁如图2-1所示,材料为ST13(DQ)(上海宝钢牌号,与国标牌号08Al Z钢材性能相当, DQ表示冲压级钢材),料厚t=1.4mm。要求在JQ36-400压力机上加工,大批量生产。该零件是某车型加强大地板强度的梁类零件,分左右两件,图2-1(a)为左件,图2-1(b)为右
12、件,左件与右件对称。要求该件的凸缘与底部的曲面、侧面形状以及成形高度、孔径和孔位必须达到产品设计要求。成形后要求表面平整光滑,无翘曲、褶皱、裂纹等缺陷。 (a)左件 (b)右件图2-1 零件数学模型2.1.2 冲压工艺性分析零件料厚t=1.4mm,材料为低碳钢,含碳量0.08,伸长率34(标距l0=80mm),可见材料塑性好,冲压加工性能良好。屈服强度240MPa,抗拉强度为270370MPa,弹性模量E=2.07E5MPa,塑性硬化指数n=0.237,厚向异性指数r=2.295,硬化指数在钢材中是比较高的,材料成形极限较大。此件为半封闭“U”形零件,整个零件没有急剧突变的形状,取有代表性的某
13、截面分析,凸缘与侧壁之间、侧壁与顶部间有R5的圆角,顶部有R4的凹槽,半径皆大于2t,凸缘与顶部落差不大,成形工艺性好,如图2-2所示。图2-2 零件中段横截面图零件边线简单,都是由规则的圆弧和直线组成,两直边在铅垂方向上投影平行,水平方向落差不大,零件上没有尖角,凸缘边缘圆角半径为R5,避免了应力集中的出现;零件上有3个内孔,相邻孔间距分别为145mm和195mm,可以同时垂直冲出,冲裁工艺性好。如图2-3所示。图2-3 零件边线及内孔形状(俯视图)零件左右件完全对称。若左右件单独成形,就要有各自的工艺补充,这势必造成材料利用率低,且需要制造两套模具,单件成本高。考虑到左右件完全对称的特点,
14、把两件合为一件冲压成形,如图2-4所示,这样周边材料受力均匀,便于成形;且压力中心易于确定,模具结构左右对称,为模具设计制造提供了极大的方便。考虑到拉延后需要剖切工序将左右件分离,则左右件间需要留部分工艺废料,左右件两边x方向上距离40mm。图2-4 零件左右件拼接示意图2.2 确定冲压件的最佳工艺方案经过对零件的工艺性分析后,结合产品图进行必要的计算,并在分析冲压工艺类型、冲压次数、冲压顺序和工序组合方式的基础上,提出各种可能的冲压工艺方案,然后通过对产品质量、生产率、设备条件、模具制造和寿命、操作、安全以及经济性等方面的综合分析、比较,确定出一种适合于本部门生产的最佳工艺方案。 冲压加工的
15、基本工序包括成形工序和分离工序两大类。成形工序材料的变形力学范围是在塑性变形范围,包括拉深、缩口、翻边、胀形、扩口、弯曲等;分离工序材料的变形力学范围表现为产生断裂变形的工序,包括切断、切口、剖切、冲孔、修边,落料、整修等。经过对零件的分析,此件为半封闭的“U”形件,看似可以弯曲成形,但零件凸缘部分并不严格平坦,成形时并不是按照一定的曲率或角度进行,且底部还有凹槽,因此拉延成形方法才能冲压出合格的产品。对于分离工序,获取毛坯形状需要用到落料或切断工序,冲内孔需要用到冲孔工序,为了获得零件外部形状,还应有修边工序,因为是两件合并成形,还需剖切工序分离左右件。基于以上分析,不同工序的组合可能有以下
16、A、B两种工艺方案。方案A:落料、冲孔拉延修边、剖切方案B:切断拉延冲孔、修边、剖切方案A特点:坯料由落料冲孔模获得,获得坯料外形的同时,可以冲出内孔,此方案的优点是内孔可以用于后面拉延工序和修边、剖切工序的定位。但是冲孔后再拉延的加工顺序不能保证孔的形状和位置精度,且拉延件上有内孔可能会导致拉延的失败。方案B特点:坯料可以由剪板机切断板料获得,不需要设计落料模,降低了成本。而冲孔是分离零件与内部废料,在工件的内部进行,修边和剖切是分离零件与外部废料,在工件外轮廓进行,所以冲孔修边剖切可以同时进行,此方案是可行的,而且同时冲孔修边剖切可以提高加工轮廓的位置精度。由于只需要设计制造一套模具,降低
17、了成本,收到很好的经济效益。经过全面分析、综合考虑,以零件质量、生产效益及经济性几个方面衡量,认为两种方案中方案B最佳,故本设计采用方案B。需要设计的模具有拉延模和冲孔修边模。2.3 初步建立零件工艺补充数模 一个汽车钣金件零件,往往需要经过拉延、修边、冲孔、翻边、整形等多道工序才能完成,其中拉延成形是制造覆盖件的关键变形方式。工艺制定的合理与否,直接决定材料消耗的多少;拉延前是否需要设置毛坯形状的修边和预先折弯的工序,直接影响拉深后是否需要整形,影响修边、翻边、冲孔工序的排列顺序和次数多少,以及完成这些工序的冲模复杂程度和使用寿命,甚至涉及到工人操作的难易程度等。因此,覆盖件拉延工序的成败,
18、往往决定整个覆盖件设计和制造的成败。2工艺补充是零件能够成型的必不可少手段,它不仅决定了零件能否成型,更大程度上影响着零件质量的好坏。汽车钣金件要求拉延成型时材料变形充分,达到合适的硬化程度,但又不能拉裂导致零件的报废或因起皱而导致零件不光滑、不平整,这就要靠工艺补充来进行控制。拉延工艺补充数模特点:a拉延工序只能考虑一次,即在一次拉延中保证覆盖件的全部空间形状(包括分布在制件表面的棱线、筋条和鼓包)成形。否则,覆盖件几何形状的一致性、表面光滑、精致的质量就很难得到保证。b为了能够在一次拉深中完成覆盖件全部空间形状的成形,必须将覆盖件的几何形状尺寸变换成适合进行拉延的拉延件几何形状尺寸。C选择
19、覆盖件拉延设备时,要求压力机不仅提供一定的拉延力,而且要求在其拉延过程中提供足够大的、稳定的压边力。d覆盖件应选择塑性好、表面质量和尺寸精度高的材料。2.3.1 确定冲压方向冲压方向的确定是汽车钣金件工艺设计的关键一步,是确定拉深件在模具中的空间位置,它不但决定能否拉出合格的拉延件,而且影响到工艺补充部分的多少和压料面的形状。不同的冲压方向会带来不同形状的工艺补充,直接涉及到产品拉深工序的最终成形条件,以及后续成形条件。合理的冲压方向应既满足冲压形状的要求又要适应工艺补充、压料面形状的规范。确定拉延冲压方向,应满足如下几方面的要求: (1)保证拉延凸模能够顺利进入拉延凹模,不应出现凸模接触不到
20、的死区,所有需拉延的部位要在一次冲压中完成。 (2)拉延开始时,凸模和坯料的接触面积要大,避免点接触,接触部位应处于冲模中心,以保证成型时材料不致窜动。 (3)压料应尽量保证毛料平放,压料面各部位进料阻力应均匀。拉延深度均匀,拉入角相等,才能有效地保证进料阻力均匀。2 本设计用JQ36-400压力机,属于单动压力机,因此拉延类型为单动拉延,单动拉延时,上模是凹模,因此零件在拉延模中应如图2-5(a)所示放置,分析零件数模可知,冲压方向平行于-Z方向最佳,如图2-5(b)所示,此时凸模两侧的拉入角基本一致,这使得两侧进料阻力保持均衡。拉延开始时凸模与坯料表面接触为面接触,接触面积大,且分布均匀,
21、不会出现因应力集中造成局部破裂现象。零件顶部凹槽的反拉延也能满足如上要求。(a)(b)图2-5冲压方向确定冲压方向的同时,必须考虑冲压的压力中心,压力中心即是冲压力的作用点。拉延模的模具中心最好与拉延件压力中心一致,以避免偏心载荷使模具歪斜,间隙不均,从而加速模具的导向部分及模具凸、凹模工作部分的磨损,影响模具寿命。根据图2-5(a),零件左右件拼接在一起后,形成以Z-Y平面为对称面的对称形状,因此压力中心位于Z-Y平面内。根据图2-5(b),零件左右虽不对称,但零件两边的边线在X-Y平面上的投影距离X-Z平面相等,可以确定压力中心位于Z-X平面,这样可以给模具接结构设计及其模具加工带来极大方
22、便。由此可以确定压力中心位于Z轴上,冲压时,压力中心通过Z轴,冲压方向为-Z方向。2.3.2 构造零件的拉延初形根据零件数模,将内孔的部分填充,把左右件对接,在两端建立过度曲面,组合成一个盒形件,即可获得拉延初形,如图2-6所示。这个过程对曲面的补充属于工艺补充的一部分。构件零件拉延初形时,需要考虑拉延初形凸模、凹模圆角半径的问题,如果零件零件圆角半径过小,拉延时转角部分因为产生应力集中而容易出现破裂现象,因此,构件拉延初形时,需要增加凸模、凹模转角部分的半径,这使得必须增加一道后续的整形工序才能生产出合格的产品,也就增加了零件生产成本。为了能够在拉延工序中一次冲压出零件的基本形状,凸模、凹模
23、圆角半径应与零件数学模型上对应的圆角半径一致。如本章2.1.2小节所分析,本零件没有尖角部位存在,各表面圆角半径较大,因此零件拉延初形各部分圆角半径可以与零件数学模型一致。2.3.3 毛坯尺寸确定本零件形状比较简单,大致呈方形,因此采用矩形的毛坯拉延,拉延下料可以通过剪板机方便地获得。拉延初形数学模型在x方向最大展开长度为:916.28mm拉延初形数学模型在y方向最大展开长度为:113.35mm以此为依据,取毛坯尺寸为:925mm135mm。由于右边侧壁比左边高,最大差值为5.63mm,因此,毛坯中心与压力中心有一定的偏心距,取偏心距2.5mm ,则毛坯Y方向上的长度为70mm,-Y方向上的长
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