毕业设计（论文）-厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟（全套图纸）

摘 要本文详细地阐述了厚板料冲小孔模具的设计及有限元模拟过程。首先简明叙述了现代国内外模具发展概况，通过有限元模拟分析模具可能出现的问题，然后重点设计了冲裁模具中相关部件，如凹凸模、模架设计以及压力机选择，并对冲压材料性能进行了分析。最后根据冲裁件的产品数量要求，以及结构要求，设计出来整套模具。整个设计过程都是用CAD、Pro/Engineering软件进行参数化设计，使整个模具设计过程简单明了。利用DEFORM软件进行有限元模拟分析，为模具设计和成型工艺的指定提供参照依据。 在设计过程中首先使用CAD软件设计成型零件以及非标零件，然后在Pro/Engineering软件中实现三维实体设计，最后导入DEFORM中，分析工件上选取点的应力、应变以及应变速率等相关因素，从而完成模具的整体设计以及有限元模拟，对直接指导生产有一定的意义。 关键词 ：厚板料；冲小孔；参数化设计；有限元模拟全套图纸三维，加153893706ABSTRACTThe design of a die used for punching small holes on thick sheets and its finite element simulation were investigated in this paper. Elaborated the modern die & mould development situation concisely. First， by using finite analysis Microsoft to simulate the deformation processing for avoiding serious problems that may occur， then focusing on the calculation of the relevant parts in mould design， such as designing the die、bump， and formwork and choosing for punching machine ， and analysis of material performance. Finally， according to the requirement of the structure and amounts of the product， we design the set of mold， and then carry out some related simulation analysis. We use CAD and Pro/Engineering software parameterization design in the process of whole designing， making the whole mold design process simple and clear to mend. Also， we use DEFORM software to provide reference basis of mould design and forming technology for the finite element analysis. First， using CAD software design molding parts and non-standard parts in the design process， then， designing the 3D entity in Pro/Engineering software， finally， put the 3D entity into DEFORM to analyze the stress、strain and strain rate of selecting points. Thus， complete the overall design and finite element simulation and analysis， there must be have certain significance to direct production.Key words thick sheet; blunt holes; parametric design; finite element simulation目 录1 前 言11.1模具行业发展的现状11.2我国模具发展的现状11.3参数化技术及有限元模拟慨述22 工件成型工艺性分析52.1钩钉块二维图52.2结构特征分析及成型工艺性分析52.2.1结构特性分析52.2.2成型工艺性分析62.2.3 冲裁件材料的基本性能63 厚板冲小孔有限元模拟及其相关分析83.1有限元模拟及厚板冲小孔概述83.1.1有限元模拟83.1.2厚板冲裁模拟概述83.1.3金属弹塑性大变形的有限元模拟93.1.4材料断裂准则及断裂模拟103.1.5有限元网格重划分113.2 导入deform前相关准备113.3 冲裁加工模拟的建模123.3.1前处理133.3.2模拟过程线框图153.3.3后处理器153.4 模拟结果及讨论173.5 结论184 模具结构设计194.1计算冲压力194.1.1 冲裁力194.1.2 卸料力及推料力194.1.3 总冲压力204.2冲裁间隙204.3凸凹模工作部分尺寸与公差204.4 冲孔凸模的结构设计224.4.1 冲孔凸模的长度尺寸224.4.2 冲孔凸模工作部分结构如下图224.4.3 冲孔凸模的强度校核234.5 凹模的结构设计234.5.1 凹模板的材料，外形和尺寸234.5.2 凹模板的厚度234.5.3 凹模板上孔壁的最小尺寸234.5.4 凹模工作部分结构图245 冲压成形工艺与设备255.1冲压工艺方案及模具形式的确定255.1.1 工序的确定255.1.2 模具形式的确定255.2 冲压设备的确定255.2.1 规格选用原则255.3 设备及相关模架确定265.3.1 压力机确定及其参数265.3.2 模架相关确定275.4模具整体设计形式326 填写冲压工艺卡和编写技术文件35参考文献37致 谢381 前 言1.1模具行业发展的现状模具行业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域。模具技术水平的高低，决定着产品的质量、效益和新产品开发能力，它已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。1.模具行业的现状现代模具工业有“不衰亡工业”之称。世界模具市场总体上供不应求， 市场需求量维持在每年600 亿至650 亿美元， 同时， 我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。近几年， 我国模具产业总产值保持13%的年增长率( 据不完全统计， 2004 年国内模具进口总值达到600多亿， 同时， 有近200 个亿的出口) ， 到2005 年模具产值已达650 亿元， 模具及模具标准件出口2005 已达到2 亿美元左右。单就汽车产业而言， 一个型号的汽车所需模具达几千副， 价值上亿元， 而当汽车更换车型时约有80%的模具需要更换。2003 年我国汽车产销量均突破400万辆， 2004 年产销量各突破500 万辆， 轿车产量将达到260 万辆。另外， 电子和通讯产品对模具的需求也非常大， 在发达国家往往占到模具市场总量的20%之多。目前， 电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电、通讯和军工等产品中， 60%- 80%的零部件， 都要依靠模具成型。用模具成型的制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗， 是其他加工制造方法所无法比拟。模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和开发能力。日前， 据第十一届中国国际模具技术和设备展览会主办方之一的中国模具工业协会透露，我国模具行业的生产企业和职工总数在世界上的排名已跃居第一， 生产销量排名世界第三。有关资料显示， 在我国， 模具直到1987 年才正式成为一个行业，与世界发达工业国家的模具业相比， 我国模具业的起步要晚几十年，但近20 年的努力发展取得了长足的进步。1.2我国模具发展的现状改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。近年来，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”；广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心；中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。 随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一国产品制造水平的重要标志和发展程度的标志之一。 目前，我国的模具技术有了很大发展，模具的精密度、复杂程度和寿命都有很大提高。如，主要的汽车模具企业已能生产大型、精密的轿车覆盖件模具；体现高水平制造技术的多工位级进模的覆盖面增加；塑料模热流道技术日渐成熟，气体辅助注射技术开始采用；压铸工艺得到发展。此外，CAD/CAM/CAE技术得到广泛应用，高速加工、复合加工等先进的加工技术也得到进一步推广；快速原型进展很快；模具的标准化程度也有一定提高。但是，由于我国的模具行业起步较晚，与国外相比差距任然不小。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具已供过于求，市场竞争激烈；一些技术含量不太高的中档塑料模具也有一些趋向于供过于求，然而精密加工设备还很少，一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍大量进口。许多先进的技术如技术的普及率还不高，我国塑料模具行业与其发展需要和国外先进水平相比，还存在很多方面的问题。现在国外发达国家模具标准化程度为7080，而我国只有30左右。如能广泛应用模具标准件，将会缩短模具设计制造周期2540，并可减少由于使用者自制模具件而造成的工时浪费。现在应用模具CADCAM技术设计模具已较为普遍，随着通用机械CAD/CAM技术的发展，塑料注射模CAD/CAM已经不断的深化。从上世纪60年代基于线框模型的CAD系统开始， 到70年代以曲面造型为核心的CAD/CAM系统，80年代实体造型技术的成功应用，90年代基于特徵的参数化实体/曲面造型技术的完善，为塑料注射模采用CAD/CAE/CAM技术提供了可靠的保证。目前在国内外巿场已涌现出一批成功应用于塑料注射模的CAD/CAE/CAM系统。而且通过推广使用模具标准件，实现了部分资源共享，这样就大大减少模具设计的工作量和工作时间，对于发展CADCAM技术、提高模具的精密度有重要意义。因此，模具成为国家重点鼓励与支持发展的技术和产品。现代模具是多学科知识集聚的高新技术产业的一部分，是国民经济的装备产业，其技术、资金与劳动相对密集。1.3参数化技术及有限元模拟慨述参数化技术是当前CAD技术重要的研究领域之一，通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动。在设计过程中，系统自动地捕获用户的设计意图，并把各个设计对象以及对象之间的关系记录下来，当用户修改图纸中的设计参数时，系统能够自动地更新图纸，使图纸中反映用户设计意图的设计对象之间的关系依旧可以维持。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在慨念设计、初始设计、产品建模及修改系列设计、多方案比较、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，并体现出很高的应用价值，能否实现参数化目前已成为评价CAD系统优劣的重要技术指标。PRO/ENGINEER 集合了零件设计、产品组合、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸造件设计、自动量测、机构仿真、应力分析等功能于一体。是塑料模具实现参数化的一个必备的软件。EM（Epert Moldbase Etension）是CAD系统中的一个外挂模块，专门用来建立各种标准模架及模具标准件和滑块、斜销等附件，能够建立冷却水管，能够自动产生模具工程图和明细表，还可以模拟模具开模过程进行动态仿真和干涉检查，并可将仿真结果输出成视频文件，是个功能非常强大且使用非常方便的模具设计工具。DEFORM-3D系统简介：DEFORM-3D是美国Battelle Columbus实验室开发的一套有限元分析软件。DEFORM-3D在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析，适用于热、冷、温成形，并提供极有价值的工艺分析数据。如:材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。DEFORM-3D还具有以下特点:不需要人工干预，全自动网格再剖分;前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠;单步模具应力分析方便快捷，适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析;材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型;实体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解，也可以耦合在成形模拟中进行分析。这些特点使DEFORM2，3D这一有限元分析软件在工业生产中显得实用而可靠。 DEFORM-3D的内部结构DEFORM23D的结构由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成。 前处理器前处理器包括三个子模块数据输入模块，便于数据的交互式输入，如: 初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件。网格的自动划分与自动再划分模块。数据传递模块，当网格重划分后，能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递，从而保证计算的连续性。 模拟处理器真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的，DEFORM 运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组， 然后通过直接迭代法和Newton2Raphson法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，用户可在后处理器中获取所需要的结果。 后处理器后处理器用于显示计算结果，结果可以是图形形式，也可以是数字、文字混编的形式。可获取的结果可为每一步的有限元网格; 等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图;速度场; 温度场; 行程载荷曲线等。此外用户还可以列点进行定点跟踪，对个别点的轨迹、应力、应变、温度等进行跟踪观察，并可根据需要抽取数据。312 工件成型工艺性分析2.1钩钉块二维图图1 钩锭块二维图2.2结构特征分析及成型工艺性分析2.2.1结构特性分析该塑件为钩锭块，其二维图尺寸如图2.1所示，工件的壁厚为4.5mm，为大批量生产，材料为Q235A.F，成型工艺性一般，尺寸较小，厚度较厚，批量较小，属普通冲压件。2.2.2成型工艺性分析冲压件的工艺性是指冲压件对冲压工艺的适应性。冲裁件的工艺性是否合理，对冲裁件的质量、模具寿命和生产率有很大影响，在一般情况下，对冲压件工艺性影响最大的几何形状尺寸和精度要求。良好的冲压工艺性应能满足材料较省、工序较少、模具加工较容易、寿命较高、操作方便及产品质量稳定等要求。该冲裁件工艺性分析如下：（1）此冲裁件的形状不规则，尺寸较小，厚度较厚，批量较小，属普通冲压件；（2）此冲裁件的外形转角处都有适当的圆角，这样可以延长模具寿命，此冲裁件标出了冲裁边的交角；（3） 此冲裁件孔到零件边缘的距离都符合要求，能够使模具强度和制件质量达到要求 ；（4）此冲裁件孔R=1.25冲头须有一定的凸模强度和稳定性；（5）此冲裁件精度采用IT12级；（6）此冲裁件的平面度和直线度的公差等于被测表面最大轮廓尺寸的0.5%；（7）此普通冲裁件的孔壁的表面粗糙度值为12.5，毛刺高度要求不大于0.25，不许有严重开裂；（8）由于冲切对象上一道的落料工序为了延长模具寿命，采用大间隙，会使得工件边缘的塌角较大。这样一来，在冲孔时，容易使得冲头在接触工件塌角表面后打滑，显著降低冲头的稳定性。综上所述，该锭钩块冲小孔工序的工艺性较差，在模具结构上应该尽量保证模具的结构刚性、模具工作部件的夹装牢固，同时应该允许一定的冲头的报废率。2.2.3 冲裁件材料的基本性能Q235是普通碳素结构钢，屈服极限235MP左右，并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板。大量应用于建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅 炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。C、D级钢还可作某些专业用钢使用。（1）下面是在对应条件下Q235-A.F钢的化学成分，力学性能以及许用应力表1钢的化学化学成分(%)CSiMnPS0.140.220.070.300.600.0450.050表2 钢板的力学性能板厚（mm)b(Mpa)s(Mpa)s(%)233755002352033.5213.542241637550023525表3 钢板在下列温度下的许用应力（Mpa)板厚（mm)20()100()150()200()250()34113113113105944.516113113113105943 厚板冲小孔有限元模拟及其相关分析3.1有限元模拟及厚板冲小孔概述3.1.1有限元模拟随着冲压技术的快速发展及其应用范围的不断扩大，许多结构零件、受力构件等采用厚钢板冲制而成.这不仅能保证零件有足够的强度和刚度提高劳动生产率，并降低生产成本。但是厚钢板冲裁时，特别是t4，d/t冲孔，由于冲头受力条件恶劣，在设计、制造、使用过程中的各种原因都可能导致冲头弯曲、崩刃、折断、磨损严重使模具寿命过低以致于无法实施生产，模具寿命是衡量模具技术和经济水平的重要指标，大幅度提高模具寿命是我国模具工业发展中的一个重要内容。综合借鉴国内外大量技术资料的基础上，针对工厂中常用的厚板材条件下(4t19300.020.02530800.020.030801200.0250.0351201800.0300.0401802600.0300.0452603600.03500503605000.0400.0605000.0500.070查表6得 校核间隙因为说明所取凸，凹模公差满足这个条件查表1得X=0.75则冲孔计算公式如下： （10） （11）式中 冲孔凸模刃口设计尺寸 冲孔凹模刃口设计尺寸 工件孔允许最小尺寸4.4 冲孔凸模的结构设计选用圆柱头直杆圆凸模，材料为高速工具钢W18Cr4V4.4.1 冲孔凸模的长度尺寸冲孔凸模的长度尺寸可按模具的具体结构确定，同时要考虑凸模的修边模量及固定板与推板之间的安全距离等因素。采用弹压方式的凸模长按下式计算： （12）式中 凸模固定板厚度 卸料板厚度 h5预压状态下卸料橡皮厚度,h5=(0.85-0.9)HH为自由状态下橡皮的厚度，详见课本第九节卸料装置弹性元件的设计与选用。公式中的0.2mm是凸模端面缩进卸料板的距离。由模架资料得 4.4.2 冲孔凸模工作部分结构如下图图13 冲孔凸模工作部分结构形式4.4.3 冲孔凸模的强度校核从一般的实际经验可知，一般凸模的强度是足够的，没有必要进行强度校核。只有当凸模特别细长，或凸模的截面尺寸相对于板厚很小时，才进行了强度校核。凸模强度校核包括抗压能力和抗纵向弯曲能力两个方面的内容。故此凸模没必要进行强度校核。4.5 凹模的结构设计4.5.1 凹模板的材料，外形和尺寸根据毛坯工件的材料，