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沖壓模具設計中側壁起皺的分析
F.-k. Chen and Y.-C. Liao
臺灣 臺北市國立臺灣大學機械工程部門
在沖壓過程中,起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時,當發(fā)生起皺時,比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過有限元模擬方法被檢查到。模擬結果顯示沖模間隙越大,起皺的就越明顯,而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時,發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實際部分。在側壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因為介于沖頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的。為減少起皺,一個最適宜的沖模設計方法就是利用有限元分析法。在無起皺產品中介于模擬結果和實測結果的好協(xié)議使有限元分析法生效,而且證實了利用有限元分析法去設計沖模的優(yōu)勢。
關鍵詞:側壁起皺;沖模;階梯的矩形杯子;帶有錐度的主形杯子
1. 介紹
起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因,在產品中起皺往往不能被接受。在金屬板料成形過程中,有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生:邊緣起皺,側壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個復雜形狀零件的操作時,側壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側壁區(qū)域的金屬板料相對于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質量,側壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯,在未被加固的側壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺,而且在實際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺,但是過度的拉力會通過裂痕導致失敗。因此,沖壓力必須處于一個狹小的范圍,一方面,要高于抑制起皺的力,另一方面,要低于產生破裂的力。沖壓力的狹小范圍很難計算。對于沖壓一個復雜形狀的零件,當起皺發(fā)生在中心區(qū)域時,有意義的沖壓力范圍甚至不存在。
為了檢查起皺的形成結構,Yoshida et al.發(fā)明了一種測試,在這種測試里,一塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計劃一個近似的理論模型,在這種模型里面,起皺的開始取決于在壓力不均勻區(qū)域中有壓縮的側部力的彈性灣曲。Yu et al.從實驗性和分析性上研究起皺問題,通過理論分析,他發(fā)現(xiàn)帶有兩個圓周波的起皺可能發(fā)生,然而,實驗結果顯示是四到六個。當通過一個有錐度的模具畫出金屬板料時,Narayanasamy和sowerby用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板料的起皺。他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類。
那些努力都被聚中于和簡單形狀零件關聯(lián)的起皺問題上,例如:一個圓形的杯子。在90年代早期,金屬板料成形中三維動態(tài)軟件和有限元方法的成功運用使得分析包括在沖壓一個復雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當前的研究中,三維有限元分析法被用來分析在沖壓一個帶有階梯的矩形部分的過程中,產生起皺的金屬流動制造參數(shù)上。
一個帶有階梯的方形杯子,在杯子的每一邊都有一個傾斜的側壁,在帶有錐度的杯子也相應的存在傾斜的側壁。在沖壓過程中,側壁上的金屬板料相對沒被支撐,因此,這個部位更容易起皺。在當前的研究中,起皺過程中的各種不同的制造參數(shù)的影響都在被研究。在沖壓一個帶有階梯的方形杯子時,就像圖1B顯示的一樣,可以觀測到另一種形式的起皺。為了評估分析的效力,在當前的研究中,一個確切階梯幾何形狀的物體被檢測。通過使用有限元分析法和用適宜的模具設計來減少起皺,起皺的原因被確定。在觀測一個實際產品成形時,通過有限元分析法得到的模具設計方法得到證實。
圖1帶有錐度方形杯子的拉伸(a)和帶有階梯的矩形杯子的拉伸(b)
2有限元模型
包括沖頭、模具和毛壞固定器等工具幾何學是用CAD或PRO/E軟件來設計的。同樣用CAD軟件,三節(jié)點和四節(jié)點的外形元素被采用用來為以上工具生產網眼系統(tǒng)。對于有限元模擬來說,工具被認為是剛硬的,而且對應的網眼被用來定義工具幾何學而不是壓力分析。同樣CAD軟件使用四節(jié)點外形元素來為板形壞料構造網眼。圖2顯示工具的完整布置的網眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對稱條件,方形杯子的四分之一被分析。在模擬中,板形壞料放在壓力機上,沖模向下移動,逆著壓力機夾緊板形壞料。然后沖模上升使得板形壞料按著模腔成形。
圖2 有限元網眼
為了表演一個精確的有限元分析法,金屬板料的真實應力應變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當前的研究中,拉深成形的金屬板料也被用來模擬。為在飛機上切割下的樣本測試被進行,它們依次從0度的旋轉方向到45度的旋轉方向,再到90度的旋轉方向進行著。平均的流動力σ,計算方程為σ=(σ0+2σ45+σ90)/4,因為每一個方法真實應變通常用來模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓,就如圖3顯示的那樣。
當前研究中所有的模擬利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。為了完成模似所需輸入數(shù)據(jù)的設置,沖頭的速度一般設置在10m/s,庫侖摩擦系數(shù)設置在0.1。
圖3 金屬板料的應力應變關系
3 錐度方形杯中的起皺
正像圖1a顯示的那樣,草圖暗示著一些有關錐度方形杯子的尺寸,方形沖頭每一面的長度(2WP)、模腔的尺寸(2Wd)和高度(H)被認為是影響起皺的至關重要尺寸。在當前研究中,模腔尺寸和沖頭尺寸的差距的一半稱作沖模間隙(記作G),G= Wd- WP。相關的在側壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙,起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對于沖壓一個錐度方形杯子,沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。
3.1沖模間隙的影響
為了檢查沖模間隙對起皺的影響,在沖壓一個錐度方形杯子時,分別用20mm,30mm,50mm大小的沖模間隙進行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中,模腔的尺寸都是固定在200mm,而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸,厚度也都是0.7mm,金屬的應力應變曲線如圖3所示。
圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子
模擬結果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象,沖模間隙為50mm沖壓出來的杯子模擬形狀如圖4。從圖4中可以看出,起皺分布在側壁,側壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中,起皺是由于在側壁有大面積區(qū)域不被支撐,同樣,由于沖模間隙不一樣,沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大,在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來越不牢固。在壓縮下,側壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來的產品,兩個主要的應變比率β被介紹,β=εmin/εmax,這里的εmin和εmax分別是主要的和次要的應變。Hosford和Caddell已經展示了β的實際值比β的評論值大,假設當起皺發(fā)生時,β的實際值越大,起皺的可能性就越大。
在三個沖模間隙不同的沖壓中,同一側壁高度,沿著橫截面M-N的β值在圖4中標記出,在圖5中畫出。圖5中說明嚴重的起皺一般發(fā)生在拐角處,而對三個沖模間隙不同的沖壓,在側壁中心很少發(fā)生起皺。還說明了沖模間隙越大,β的實際值就越大。因此,增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側壁處發(fā)生起皺的可能性。
3.2沖壓力的影響
眾所周知,在沖壓過程中,增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響,沖模間隙為50mm與起皺是有關聯(lián)的,用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了。沖壓從100KN增加到600KN,這兩個力分別產生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分,剩下的模擬條件與給定的是一樣的。處于中間的300KN也被用來模擬。
模擬結果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側壁的起皺。在圖4中已標出沿著橫截面M-N的β值與沖壓力為100KN和600KN的β值作比較。模擬結果指出兩種情況下,沿著橫截面M-N的β值是一樣的。為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形狀,正如圖4和圖6標出的那樣,側壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出,兩個外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時,沖壓力不影響起皺的發(fā)生,這是因為起皺的原因主要是由于在有橫向壓力存在的側壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。
圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值
4階梯矩形杯子
在沖壓一個階梯矩形杯子時,起皺發(fā)生在側壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖,在這張草圖中,側壁C沿臺階D-E而行。在近期的研究中,在一個實際的產品中檢查到了這種幾何形狀。這種產品使用的原材料的厚度是0.7mm,從拉力測試中獲得的應力應變關系如圖3所示。
這種沖壓部分產品的程序包括通過清理焊縫的深拉。在這種深拉過程中,沒有焊縫被用在沖模表面來幫助幫助金屬的流動。但是,由于沖頭拐角處的半徑過小和其復雜的幾何形狀,如圖7顯示的那樣,在沖頭邊緣上部經常發(fā)生拉裂,在真實產品的側壁處經常發(fā)生起皺。從圖7中可以看出,皺紋發(fā)分布在側壁上,但是在階梯邊緣拐角處最為嚴重,就像圖1(b)中A-D,B-E顯示的那樣。在沖頭的上部邊緣,金屬往往被拉裂,就像圖7所示。
為了進一步的了解沖壓過程中板料的變形,誕生了一種有限元的方法。這種有限元模擬方法被在最初的設計中。部分的模擬形狀如圖8所示。從圖8中可以看出,零件上部邊緣的網眼被拉深,皺紋分布在側壁上,類似真實零件中的那樣。
圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側壁高度的橫截面線條
圖7 產品零件中的拉裂和起皺
圖8 產品拉裂和起皺的模擬形狀
如圖1(b)就像A-B邊緣半徑和沖孔拐角處A的半徑一樣,沖孔的半徑也很小,這被認為是拉裂的最主要原因。但是,根據(jù)有限元分析的結果,拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實產品中通過增加半徑得到證實。
個別的嘗試也被用來消除起皺。第一,沖壓力加到原來的2倍。但是,就像在拉深帶有錐度的杯子中得到的結果一樣,沖壓力對消除起皺現(xiàn)象沒有起有很大的效果。通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結論。于是我們推測,這種起皺不能通過增加沖壓力來得到抑制。
由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域,往往會因為大量的金屬流動而起皺,一種通過在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡單方法被用來吸收多余的材料。為了多余的金屬能有效的被吸收,掛鉤應該平衡的加在起皺位置?;谶@種理念,兩個掛鉤被加在鄰近在壁上吸收多余的材料,如圖9如示。模擬結果顯示,階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收,但是,一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料,但是這在模具設計中是不允許的。
利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測,而這在真實的產品沖壓過程中是不可能的。對沖壓過程中金屬流動的精密監(jiān)測顯示板料最開始通過沖頭的力按模腔的形狀成形,直到板料接觸到如圖1(b)階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如
圖9 加到側壁的起皺
圖10顯示的那樣。這就為模具設計的改進提供了有價值的信息。
圖10 當板料接觸臺階邊緣的起皺形成
圖11 切除了的臺階拐角
對于起皺的發(fā)生,最初的一個猜想是沖頭拐角處范圍A和階梯拐角處范圍D之間的金屬板料處于不平坦的拉深,就如圖1(b)所示。階梯拐角處被切主要是為了改善拉深條件,這樣就允許通過增加階梯邊緣有更多的拉伸被應用到如圖11所示,從而使得模具設計的改進得到發(fā)展。但是,杯子側壁處仍然有起皺,這就意味著起皺是因為整個沖頭邊緣和整個階梯邊緣的不平坦引起的,不僅僅是沖頭拐角處和階梯拐角處之間的不平坦。為了證實這種說法,兩種改進過了的模具設計被用來實驗:為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作,一種是切去整個階梯,而另一種是增加更多的拉深操作。前一個方法的模擬形狀所圖12所示。自從更低的階梯被切去后,拉深工序與圖12中的矩形杯子拉深工序性很相似。從圖12中可以看出起皺現(xiàn)象已被消除。
在這兩種操作的拉深工序中,板料最初是被拉到很深的階梯處,如圖13(a)所示,然后,較低的階梯在第二步拉深操作中成形,同是,如圖13(b)所示的想象形狀也得到了。從圖13(b)可以清晰的看出,通過兩步拉深工序可以造出沒有起皺的階梯矩形杯子,同時也說明在兩步拉深工序中,如果相應的順序被應用,則更低一些的階梯處的成形是伴隨更深階梯處成形和最深階梯邊緣處成形的最早成形,如圖1(b)中的A-B,因為金屬不容易通過較低的階梯進入模具型腔。
圖12改善模具設計的模擬形狀
圖13 兩個操作步驟中的a第一步操作 b第二步操作
有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設計理想產品的沖壓模具設計是很難完成的。但是,由于額外的模具費用和操作費用,兩個操作的制造費用是很高的。為了保持較低的制造費用,零件的設計師對形狀做出了合適的改變,而且通過有限元模擬分析法結果去切除較低的臺階來改善模具設計,如圖12所示。隨著設計方法的改進,產品真實的沖壓模具被制造出來,而且零件還沒有起皺,如圖14所示。通過有限元模擬分析法得到的零件也沒有起皺。
為了進一步驗證有限元模擬分析法的結果,有限元模擬分析法得到的沿橫截面G-H的厚度分布如圖14所示,這與產品的尺寸做了比較,比較的結果顯示在圖15。從圖15可以看出有限元模擬分析法得到的預想的厚度分布和產品得到的厚度分布是相符合的。這種吻合證實了有限元模擬分析法的效率。
圖14 無缺陷產品零件
圖15 G-H處模擬和測量厚度
5概要和結束語
通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺,而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。
第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側壁上,這種起皺的原因是因為沖模間隙過大(沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距)。當金屬被拉至模腔中,在沖頭和型腔中有一有害的拉深時,大的沖模間隙導致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐,因此大面積區(qū)域不被支撐導致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過增加沖壓力的方法來得到抑制。
另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過程中。起皺往往發(fā)生在臺階以上的側壁,甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知,這種起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設計過程中,通過有限元模擬分析法單獨的嘗試被用來消除起皺,切除了臺階的模具被建立。通過無缺陷的零件證實了這種模具設計方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結果和真實產品中看到的結果相吻合說明了有限元模擬分析法的準確性,還證實了用有限元分析法代替真實的模具制造方法的效力。
感謝
作者希望感謝中國人民共和國民族科學委員會授于NSC-86-2212-E002-028編號才使得這個項目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產品零件。
參考文獻
1. K. Yoshida, H. Hayashi, K. Miyauchi, Y. Yamato, K. Abe, M. Usuda, R. Ishida and Y. Oike,在金屬板料,皺紋機械工具的效果取決于不均勻的拉深
2. T.X.Yu,W.Johnson 和 W.J.Stronge, “圓形碟子在半球形模具中的沖壓成形”,機械學雜志,26,pp.131-148,1984
3. W.J.stronge,M.P.F.Sutcliffe和T.X.Yu,在沖壓期間,圓形碟子的塑性起皺。實驗的技巧,pp.345-353,1986.
4. R.Narayanasamy和R.Sowerby,“當用一種圓錐形的沖模成形時的金屬板料起皺”,材料處理技術雜志,41,pp.275-290,1994.
5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell,金屬成形:機械和冶金,1993年第二季。
揚州大學機械工程學院
畢業(yè)設計(論文)前期工作材料
學生姓名: 學號:
專 業(yè): 機械設計制造及其自動化
設計(論文)題目: 護板級進模設計
指導老師:
材 料 目 錄
序號
名 稱
數(shù)量
備注
1
畢業(yè)設計(論文)選題、審題表
1
2
畢業(yè)設計(論文)任務書
1
3
畢業(yè)設計(論文)實習調研報告
1
4
畢業(yè)設計(論文)開題報告(含文獻綜述)
1
5
畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯(含原文)
1
6
畢業(yè)設計(論文)中期檢查表
1
2014年 2 月 17 日
揚州大學機械工程學院
本科生畢業(yè)設計(論文)選題、審題表
學 院
選題教師
姓名
專 業(yè)
專業(yè)技術職務
申報課題名稱
護板級進模設計
課題性質
A
B
C
D
E
課題來源
A
B
C
D
√
√
課題簡介
根據(jù)給定冷沖壓件零件,設計一套級進模。使學生初步學會借助設計資料設計沖壓模具,掌握沖壓模具的設計步驟,模具設計資料的使用。
設計(論文)
要 求
(包括應具備的條件)
該課題主要完成沖壓件冷沖壓加工工藝設計、模具結構設計、主要零件三維造型及虛擬裝配。學生的要求:具有模具設計的基礎知識及三維CAD軟件應用。
課題預計
工作量大小
大
適中
小
課題預計
難易程度
難
一般
易
√
√
所在專業(yè)審定意見:
負責人(簽名): 年 月 日
院主管領導意見:
簽名: 年 月 日
說明:1、該表作為本科學生畢業(yè)設計(論文)課題申報時專用,由選題教師填寫,經所在專業(yè)有關人員討論,負責人簽名后生效;
2、有關內容的填寫見背面的填表說明,并在表中相應欄打“”
課題一旦被學生選定,此表須放在“畢業(yè)設計(論文)資料袋”中存檔。
填 表 說 明
1、該表的填寫只針對1名學生做畢業(yè)設計(論文)時選擇使用,如同一課題由2名及2名以上同學選擇,應在申報課題的名稱上加以區(qū)別(加副標題),并且在“設計(論文)要求”一欄上加以體現(xiàn)。
2“課題性質”一欄:
A、工程設計;
B、實驗研究;
C、軟件工程(如CAI課題等);
D、理論探討;
E、其它。
3、“課題來源”一欄:
A、自然科學基金與部、省、市級以上科研課題;
B、企、事業(yè)單位委托課題;
C、校、院(系)級基金課題;
D、自擬課題。
4、“課題簡介”一欄:
主要指研究設計該課題的背景介紹及目的、意義。
5、“設計(論文)要求(包括應具備的條件)”一欄:
主要指本課題技術方面的要求,而“條件”指從事課題必須具備的基本條件(如儀器設備、場地、文獻資料等)。
揚州大學機械工程學院
畢業(yè)設計(論文)任務書
專 業(yè): 機械設計制造及其自動化
學 生 姓 名: 學號:
畢業(yè)(論文)題目: 護板級進模設計
起 迄 日 期: 2014.2.17~2014.5.16
設計(論文)地點:
指 導 老 師:
專業(yè)負責人:
發(fā)任務書日期: 2014年 2 月 17 日
任務書填寫要求
1、畢業(yè)設計(論文)任務書由指導老師根據(jù)各課題的具體情況填寫,經學生所在專業(yè)的負責人審查、學院分管領導簽字后生效。此任務書應在畢業(yè)設計(論文)開始前一周內填好并發(fā)給學生;
2、任務書內容必須用黑墨水筆工整書寫或按統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式(可在本學院網頁上下載)打印,不得隨便涂改或潦草書寫,禁止打印在其它紙上后剪貼;
3、任務書內填寫的內容,必須和學生畢業(yè)設計(論文)完成的情況相一致,若有變更,應當經過所在專業(yè)的教科部及學院主管領導審批后方可重新填寫;
4、任務書內有關“教科部”、“專業(yè)”等名稱的填寫,應寫中文全稱,不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”要寫全號,不能只寫最后2位或1位數(shù)字;
5、任務書內“主要參考文獻”的填寫,應按照國標GB 7714-87《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫,不能有隨意性;
6、有關年月日等日期的填寫,應當按照國標GB/T 7408-94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求,一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2005年3月21日”或“2005-03-21”。
畢業(yè)設計(論文)任務書
1.本畢業(yè)設計(論文)課題應達到的目的:
通過該課題的畢業(yè)設計可以使學生掌握沖壓模具設計的基本原理和方法,綜合運用本專業(yè)所學的專業(yè)基礎理論和專業(yè)知識分析和解決沖壓工藝和模具設計中的問題,著重培養(yǎng)學生的工程設計能力(主要包括設計、計算,繪圖及三維CAD軟件應用能力)以及獨立解決和分析問題的能力。
2.本畢業(yè)設計(論文)課題任務的內容和要求(包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等):
1)查閱文獻資料15篇以上、翻譯不少于五千印刷符的英文資料;
2)沖壓件零件的工藝分析及沖壓工藝設計;
3)沖壓件階進模設計;
4)階進模主要零件設計;
5)完成模具零件三維造型;
6)加工工藝及模具設計說明書。
畢業(yè)設計(論文)任務書
3.對本畢業(yè)設計(論文)課題成果的要求(包括畢業(yè)設計論文、圖表、實物樣品等):
1)零件沖壓工藝規(guī)程; 一套
2)階進模裝配圖 一套
3)階進模主要零件的零件圖,零件三維圖; 一套
4)沖壓工藝規(guī)程及模具結構設計說明書; 一份
5)翻譯不少于5000印刷符的英文資料。 一份
4.主要參考文獻:
1)《機械制造工藝裝備設計手冊》 李慶壽 寧夏人民出版社
2)《UG范例教程》 黃貴東 清華大學出版社
3)《PRO/ENGINEER 2001機械設計實例教程》 衛(wèi)朝富 中國鐵道出版社
4)《模具設計與制造簡明手冊》 馮炳堯 上海科學技術出版社
5)《機械制造工藝標準手冊》 張紀真 機械工業(yè)出版社
6)《中國模具設計大典》 中國機械工程協(xié)會 江西科學技術出版社
7)《沖壓模具結構與設計圖解》 (日)太田哲 國防工業(yè)出版社
8)《沖模結構圖冊》
9)《沖壓工藝學》 李碩本 機械工業(yè)出版社
10)汽車覆蓋件沖壓成形技術 崔令江 機械工業(yè)出版社
畢業(yè)設計(論文)任務書
5、本畢業(yè)設計(論文)課題工作進度計劃
起止日期
工 作 內 容
2.17~3.2
3.3~3.23
3.24~4.13
4.14~4.27
4.28~5. 7
5.8~5.16
1)資料收集、翻譯 2周
2)編制冷沖壓零件的沖壓工藝規(guī)程 3周
包括沖壓件的工藝性分析,確定工序性質、工序數(shù)目、工序順序及工序間半成品的尺寸,確定沖模結構形式,選定沖壓設備,進行必要的工藝計算并對沖壓設備進行校核等。
3)階進??傮w設計 3周
繪制沖模(總體)草圖,初步確定沖模外形尺寸。
4)完成裝配總圖(必須手工繪圖) 2周
5)主要零部件設計 1.5周
設計各零部件具體結構,繪零件圖;并完成零件三維造型及模擬裝配。
6)整理設計說明書。 1.5周
所在專業(yè)審核意見:
負責人:
年 月 日
學院意見:
院長:
年 月 日
揚州大學機械工程學院
畢業(yè)設計(論文)開題報告
學 生 姓 名: 學號:
專 業(yè): 機械設計制造及其自動化
設計(論文)題目: 護板級進模設計
指 導 老 師:
2014年 月 日
開題報告填寫要求
1、開題報告(含“文獻綜述”)作為畢業(yè)設計(論文)答辯委員會對學生答辯資格審核的依據(jù)材料之一。此報告應在指導老師的指導下,由學生在畢業(yè)設計(論文)工作前期內完成,經指導教師簽署意見及所在專業(yè)的教科部審核后生效;
2、開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式(可從本學院網頁上下載)打印,禁止打印在其它紙上后剪貼,完成后應及時交給指導教師簽署意見;
3、“文獻綜述”應按論文的格式成文,并直接書寫(或打印)在本開題報告第一欄目內,學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇(不包括辭典、手冊);
4、有關年月日等日期的填寫,應當按照國標GB/T 7408-94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求,一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2005年3月21日”或“2005-03-21”。
畢業(yè)設計(論文)開題報告
1.結合畢業(yè)設計(論文)課題情況,根據(jù)所查閱的文獻資料,每人撰寫2000字左右的文獻綜述:
文 獻 綜 述
護板級進模設計
摘要:本綜述主要從模具的行業(yè)背景、地位、發(fā)展狀況和規(guī)模來介紹模具制造在工業(yè)生產中的地位,以及中外模具行業(yè)的差距,并扼要介紹了我國多工位級進模的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,以此來談談對課題的研究和對方案的確定。
關鍵詞:模具行業(yè);多工位級進模;發(fā)展趨勢
1.1 引言
模具是工業(yè)生產中重要的工藝設備,是國民經濟各部門發(fā)展的重要基礎之一,而作為冷沖模中一種的級進模,更是在當今模具生產中起到了極其重要的作用。級進模由多個工位組成,各工位按順序關聯(lián)完成不同的加工,在沖床的一次行程中完成一系列的不同的沖壓加工。一次行程完成以后,由沖床送料機按照一個固定的步距將材料向前移動,這樣在一副模具上就可以完成多個工序,一般有沖孔,落料,折彎,切邊,拉伸等等。多工位級進模具有高效、高精度、長壽命的特點,它已成為實現(xiàn)大生產,降低生產成本的最佳選擇,是當代先進模具的代表。
1.2 模具行業(yè)
模具是工業(yè)生產的基礎工藝裝備,被稱為“工業(yè)之母”?,F(xiàn)代模具工業(yè)有“不衰亡工業(yè)”之稱。現(xiàn)代模具工業(yè)有“不衰亡工業(yè)”之稱。世界模具市場總體上供不應求, 市場需求量維持在每年600 億至650 億美元, 同時, 我國的模具產業(yè)也迎來了新一輪的發(fā)展機遇。近10年來,我國模具行業(yè)一直以每年15%的增長速度快速發(fā)展。十五期間,我國模具行業(yè)年增長速度達到20%。2005年模具銷售額達610億元,同比增長25%,排在世界第三位;模具出口大幅增長,表明模具水平和競爭力提高。據(jù)海關統(tǒng)計,2005年模具出口7.4億美元,同比增長50%以上;模具產品結構更趨高檔,復雜、精密、長壽命的模具份額提高到30%。
作為國民經濟的基礎行業(yè),模具涉及機械、汽車、輕工、電子、化工、冶金、建材等各個行業(yè),應用范圍十分廣泛。目前, 電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電、通訊和軍工等產品中, 60%- 80%的零部件, 都要依靠模具成型。用模具成型的制件所表現(xiàn)出來的高精度、高復雜性、高一致性、高生產率和低消耗, 是其他加工制造方法所無法比擬。模具在很大程度上決定著產品的質量、效益和開發(fā)能力。目前我國模具行業(yè)的生產企業(yè)和職工總數(shù)在世界上的排名已躍居第一, 生產銷量排名世界第三,模具生產總量雖然已位居世界第三,但設計制造水平在總體上要比德、美等國家落后許多,也比韓國、新加坡等國落后而且國內模具市場過早陷入了價格戰(zhàn)的誤區(qū),還缺乏自主創(chuàng)新的能力,尤其缺乏誠信可靠的市場體系。
鑒于模具作為包括機床工具、汽車制造、食品包裝等在內的機械行業(yè)中機械基礎件產業(yè), 以及電工電器、電子及信息行業(yè)的支持產業(yè),在發(fā)展先進生產力當中, 處于非常關鍵并服務全行業(yè)的地位, 其發(fā)展對產業(yè)配套能力的提升和促進產業(yè)聚集優(yōu)勢的形成將起到重要作用。
1.3 多工位級進模的研究現(xiàn)狀
多工位級進模,又稱為連續(xù)模、跳步模,它是在一副模具內,按所加工的工件分為若干等距離的工位,在每個工位上設置一個或幾個基本沖壓工序,來完成沖壓工件的加工。具有精密、高效、長壽命的特點,是技術密集型模具的重要代表,是沖模發(fā)展方向之一。它適用于沖壓小尺寸、薄料、形狀復雜和大批量生產的沖壓零件。這種模具除進行沖孔落料工作外,還可根據(jù)零件結構的特點和成型性質,完成壓筋、沖窩、彎曲、拉深等成形工序,甚至還可以在模具中完成裝配工序。沖壓時,將帶料或條料由模具入口端送進后,在嚴格控制步距精度的條件下,按照成形工藝安排的順序,通過各工位的連續(xù)沖壓,在最后工位經過沖裁或切斷后,便可沖制出符合產品要求的沖壓件。為保證多工位級進模的正常工作,模具必須具有高精度的導向和準確的定距系統(tǒng),配備有自動送料、自動出件、安全檢測等裝置。所以多工位級進模與普通沖模相比要復雜,具有如下特點:
(1)在一副模具中,可以完成包括沖裁,彎曲,拉深和成形等多道沖壓工序;減少了使用多副模具的周轉和重復定位過程,顯著提高了勞動生產效率和設備利用率。
(2)由于在級進模中工序可以分散,不必集中在一個工位上,故不存在復合模的“最小壁厚”問題,可根據(jù)模具強度和模具的裝配需要留出空工位,從而保證模具的強度和裝配空間。
(3)多工位級進模通常具有高精度的內外導向(除模架導向精度要求高外,還必須對細小凸模實施內導向保護)和準確的定距系統(tǒng),以保證產品零件的加工精度和模具壽命。
(4)多工位級進模常采用高速沖床生產沖壓件,模具采用了自動送料、自動出件、安全檢測等自動化裝置,操作安全,具有較高的生產效率。目前,世界上最先進的多工位級進模工位多達50多個,沖壓速度達1000次每分以上。
(5)級進模結構復雜,模具制造精度要求很高,給模具的制造、調試及維修帶來一定的難度。同時要求模具零件具有互換性,在模具零件磨損或損壞后要求更換迅速,方便,可靠。
(6)多工位級進模主要用于沖制厚度較薄(一般不超過2mm)、產量大,形狀復雜、精度要求較高的中小型零件。用這種模具沖制的零件,精度可達IT10級。
(7)采用級進模也受到一些限制,比如工位數(shù)較多,不太適合太大的工件,要考慮模具與沖床工作臺的匹配性,其二是對其材料要求較高,要求必須是規(guī)則的條料或卷料,對于邊角余料不可利用,且由于要保證要保證連續(xù)沖壓與可靠的送進步距,導致工藝廢料較多,材料利用率低,同時模具造價昂貴,僅適用于大批量生產。
(8)由于級進模連續(xù)地進行各種沖壓,必然會引起條料載體和工件的變形,由于沖壓分多工位進行,必然引起一定的送進的積累誤差,一般來說,與復合模相比級進模生產的工件精度略低。
1.4 多工位級進模的發(fā)展趨勢
在國內多工位級進模的不斷發(fā)展的行情下,市場對多工位級進模的功能要求也越來越復雜。實現(xiàn)了由以往的單排級進模技術向雙排大跨越。以電機鐵芯多工位級進模為例,已經從原來的普通疊片發(fā)展成雙排交換疊片,多排交換疊片。因此,在結構的精密度上有一定的制造難度。精密加工的要求不斷提升,推動了多工位級進模向更高層次的進步與發(fā)展。
總體來說,多工位級進模技術含量在模具行業(yè)已高難度新型產品。但從國外的技術指標分析,它可以分為三個層次,分別為最高級,高級,和中級三層。
在最高級的多工位級進模系統(tǒng)中,多工位的自動穿絲技術基礎上,進一步實現(xiàn)了產品的自動交交換功能,在自動完成全程工作中,通過減少了人員的干擾,達到了預定的指標。而代表著高層次發(fā)展方向的多工位級進模發(fā)展中,為了達到預定的工藝指標。因此,企業(yè)在高端產品的發(fā)展中。自動化、信息化已成為未來多工位級進模的發(fā)展方向。
隨著與國際接軌的腳步不斷加快,市場競爭的日益加劇,人們已經越來越認識到產品質量、成本和新產品的開發(fā)能力的重要性。近年來許多模具企業(yè)因此加大了用于技術進步的投資力度,一些國內模具企業(yè)已普及了二維CAD,并陸續(xù)開始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS等國際通用軟件,個別廠家還引進了Moldf隨著與國際接軌的腳步不斷加快,市場競爭的日益加劇,人們已經越來越認識到產品質量、成本和新產品的開發(fā)能力的重要性。近年來許多模具企業(yè)因此加大了用于技術進步的投資力度,一些國內模具企業(yè)已普及了二維CAD,并陸續(xù)開始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS等國際通用軟件,個別廠家還引進了Moldflow等CAE軟件,并成功應用于多工位級進模的設計中。
目前,以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術已取得很大進步,東風汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產部分轎車覆蓋件模具。此外,許多研究機構和大專院校開展模具技術的研究和開發(fā),在模具CAD/CAE/CAM技術方面取得了顯著進步。例如,吉林大學汽車覆蓋件成型技術所獨立研制的汽車覆蓋件沖壓成型分析KMAS軟件,華中理工大學模具技術國家重點實驗室開發(fā)的注塑模、汽車覆蓋件模具和級進模CAD/CAE/CAM軟件,上海交通大學模具CAD國家工程研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖模CAD軟件等。
而多工位級進模技術的發(fā)展應該為適應模具產品“交貨期短”、“精度高”、“質量好”、“價格低”的要求服務。專家認為,未來多工位級進模具制造技術有以下幾大發(fā)展趨勢:
(1)全面推廣CAD/CAM/CAE技術
模具CAD/CAM/CAE技術是模具設計制造的發(fā)展方向。隨著微機軟件的發(fā)展和進步,普及CAD/CAM/CAE技術的條件已基本成熟,各企業(yè)將加大CAD/CAM技術培訓和技術服務的力度;進一步擴大CAE技術的應用范圍。計算機和網絡的發(fā)展正使CAD/CAM/CAE技術跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨院所地在整個行業(yè)中推廣成為可能,實現(xiàn)技術資源的重新整合,使虛擬制造成為可能。
(2)高速銑削加工
國外近年來發(fā)展的高速銑削加工,大幅度提高了加工效率,并可獲得極高的表面光潔度。另外,還可加工高硬度模塊,還具有溫升低、熱變形小等優(yōu)點。高速銑削加工技術的發(fā)展,對汽車、家電行業(yè)中大型型腔模具制造注入了新的活力。目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展。
(3)模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)
高速掃描機和模具掃描系統(tǒng)提供了從模型或實物掃描到加工出期望的模型所需的諸多功能,大大縮短了模具的在研制制造周期。有些快速掃描系統(tǒng),可快速安裝在已有的數(shù)控銑床及加工中心上,實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集、自動生成各種不同數(shù)控系統(tǒng)的加工程序、不同格式的CAD數(shù)據(jù),用于模具制造業(yè)的“逆向工程”。模具掃描系統(tǒng)已在汽車、摩托車、家電等行業(yè)得到成功應用,相信在“十五”期間將發(fā)揮更大的作用。
(4)電火花銑削加工
電火花銑削加工技術也稱為電火花創(chuàng)成加工技術,這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工型腔的新技術,它是有高速旋轉的簡單的管狀電極作三維或二維輪廓加工(像數(shù)控銑一樣),因此不再需要制造復雜的成型電極,這顯然是電火花成形加工領域的重大發(fā)展。國外已有使用這種技術的機床在模具加工中應用。預計這一技術將得到發(fā)展。
(5)提高模具標準化程度
我國模具標準化程度正在不斷提高,估計目前我國模具標準件使用覆蓋率已達到30%左右。國外發(fā)達國家一般為80%左右。
(6)優(yōu)質材料及先進表面處理技術
選用優(yōu)質鋼材和應用相應的表面處理技術來提高模具的壽命就顯得十分必要。模具熱處理和表面處理是否能充分發(fā)揮模具鋼材料性能的關鍵環(huán)節(jié)。模具熱處理的發(fā)展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善應發(fā)展工藝先進的氣相沉積(TiN、TiC等)、等離子噴涂等技術。
(7)模具研磨拋光將自動化、智能化
模具表面的質量對模具使用壽命、制件外觀質量等方面均有較大的影響,研究自動化、智能化的研磨與拋光方法替代現(xiàn)有手工操作,以提高模具表面質量是重要的發(fā)展趨勢。
(8)模具自動加工系統(tǒng)的發(fā)展
這是我國長遠發(fā)展的目標。模具自動加工系統(tǒng)應有多臺機床合理組合;配有隨行定位夾具或定位盤;有完整的機具、刀具數(shù)控庫;有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng);有質量監(jiān)測控制系統(tǒng)。
1.5主要參考文獻:
1)《機械制造工藝裝備設計手冊》 李慶壽 寧夏人民出版社
2)《UG范例教程》 黃貴東 清華大學出版社
3)《PRO/ENGINEER 2001機械設計實例教程》 衛(wèi)朝富 中國鐵道出版社
4)《模具設計與制造簡明手冊》 馮炳堯 上??茖W技術出版社
5)《機械制造工藝標準手冊》 張紀真 機械工業(yè)出版社
6)《中國模具設計大典》 中國機械工程協(xié)會 江西科學技術出版社
7)《沖壓模具結構與設計圖解》 (日)太田哲 國防工業(yè)出版社
8)《沖模結構圖冊》
9)《沖壓工藝學》 李碩本 機械工業(yè)出版社
10)汽車覆蓋件沖壓成形技術 崔令江 機械工業(yè)出版社
11)《沖壓工藝及模具》 劉華剛 化學工業(yè)出版社
12)《多工位級進模設計標準教程》 歐陽波儀 化學工業(yè)出版社
13)《沖壓成形工藝與模具設計》 李啟涵 科學出版社
14)《冷沖壓工藝及模具設計》 康俊遠 北京理工大學出版社
15)《沖壓工藝及模具設計》 吳詩淳 西北工業(yè)大學出版社
畢業(yè)設計(論文)開題報告
2.本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段(途徑):
2.1選題的背景:
本次課程設計的題目是的級進模設計,根據(jù)以前所學過的機械專業(yè)知識,結合生產中的實際問題和對多工位級進模的認識設計出符合零件要求的模具。學習和研究沖壓模具設計的一般方法,綜合運用所學的理論知識、方法和技能,進行研究分析與設計,使專業(yè)知識能得到進一步鞏固和深化,同時,也培養(yǎng)了獨立分析的能力和創(chuàng)新進的精神,為本人日后的實際工作奠定知識基礎。
主要內容:分析、確定、計算沖壓件工藝方案,確定模具的結構形式,模具總體的設計,計算凹凸模刃口尺寸,確定拉伸次數(shù),模具主要零部件的設計與選用等等。
2.2研究方案:
利用三維繪圖軟件Pro/Engineer軟件對模具進行設計,設計出模具各個零件的形狀和大小,然后把這些零件裝配到一起,組成一個完整的模具,再對各個零件進行干涉檢查,防止加工模具時出現(xiàn)問題,造成經濟損失。
模具整個裝配體設計過程如下:
(1)對零件進行工藝性分析;
(2)利用Pro/Engineer軟件分別對各個部分的零件進行設計;
(3)繼續(xù)對各個部分的零部件進行詳細的設計;
(4)利Pro/Engineer的裝配功能對各部分零件進行虛擬裝配,并對整個模具進行干涉檢查,以驗證設計的正確性。采用這樣的設計方法可以減少了設計、計算、制圖所需要的時間,縮短了設計周期,從多種方案中進行分析、比較,選出最優(yōu)的方案,實現(xiàn)設計方案的優(yōu)化,縮短了模具設計到生產的周期,提高了產品質量。
2.3擬可能遇到的問題和解決辦法:
首先應根據(jù)實際沖壓件圖樣分析,分析該沖壓件工藝過程設計的可能方案,情況綜合分析后確定具體方案,最后選擇方式,采用CAD/CAE/CAM軟件進行整個設計的三維模擬分析是尤為必要。零件坯料的各部分尺寸計算和各工藝參數(shù)比較復雜,必要時使用solidworks軟件來進行輔助計算。
2.4預期結果:
(1)掌握模具設計的流程,熟知模具設計的基本原理和設計方法,熟練應用二維軟件進行模具設計繪圖;
(2)完成模具設計;
(3)完成所需零件圖繪制和工序所用的模具圖繪制。
畢業(yè)設計(論文)開題報告
指導教師意見:
1.對“文獻綜述”的評語:
2.對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計(論文)結果的預測:
指導老師:
年 月 日
所在專業(yè)審查意見:
負責人:
年 月 日
揚州大學機械工程學院
畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯
教 科 部:
專 業(yè): 機械設計制造及其自動化
姓 名:
學 號:
外 文 出 處:
(用外文寫)
附 件:
指導老師評語
簽 名:
年 月 日
注:請將該封面與附件裝訂成冊。
揚州大學機械工程學院畢業(yè)設計(論文)中期檢查表
學生姓名
學號
指導教師
選題情況
課題名稱
難易程度
偏難
適中
偏易
工 作 量
較大
合理
較小
符合規(guī)范化
的要求
任務書
有
無
開題報告
有
無
外文翻譯質量
優(yōu)
良
中
差
學習態(tài)度
出勤情況
好
一般
差
工作進度
快
按計劃進行
慢
中期工作匯報及解答問題情況
優(yōu)
良
中
差
中期成績評定:
所在專業(yè)意見:
負責人
年 月 日