（机械工程专业论文）方管钣金加工工艺研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 摘要 铝合金方管广泛应用于工农业生产的各个领域，其加工成形工艺对其表面质 量、加工周期、加工成本有着重要的影响。本文基于中国电子科技集团第4 8 研究 所的加工条件，对铝合金方管钣金件加工的冲裁路径优化，精密、快速展开以及 整体折弯成形的加工工艺进行深入的研究，主要内容及成果如下： ( 1 ) 通过对课题的理论分析研究，结合实际，建立了一系列适合铝合金加工的 冲裁方法和保护零件表面质量的措施，提高了零件成形的表面质量。 ( 2 ) 通过对冲床加工原理的分析，综合考虑刀具路径和换刀时间，开发了适合 本课题的冲裁加工经验优化软件，缩短了零件冲裁加工时间。 ( 3 ) 通过对不同材料折弯加工的试验分析，得出本企业钣金加工的折弯补偿值 表，实现了企业钣金折弯件的精密、快速展开加工。 ( 4 ) 通过对本课题及其相类似零件的理论分析研究，提出了适合该类零件的一 次折弯成形的方法，解决了该类零件加工的瓶颈，降低了加工成本。 上述研究成果已推广应用到本企业的钣金加工中，大大提高了设备的加工效 率和产品加工精度，创造了很大的经济效益，而且对本单位的科研发展起到了很 大的促进作用。 关键词：方管钣金件冲裁折弯钣金展开折弯补偿值表 第i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 ab s t r a c t t h et u b e - l i k ep a r t so fa l u m i n u ma l l o ya r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l f i e l d s t h ef o r m i n gt e c h n i q u eh a sg r e a ti m p a c to nt h eq u a l i t yo ff o r m e ds u r f a c e s ，t h e p r o c e s s i n gc y c l ea n dt h ec o s t a i m i n ga tt h et u b es h e e tm e t a lp r o c e s s i n go fa l u m i n u m a l l o y ，s e v e r a lp r o b l e m sa l ed e e p l yr e s e a r c h e do nt h eb a s i so ft h ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n s i nt h e4 8 t he l e c t r o n i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n , i n c l u d i n gt h eo p t i m u mf o rp a t hf i n d i n g o fb l a n k i n gp r o c e s s e s ，t h ep r e c i s ea n df a s tu n f o l d i n g ，a n dt h ep r o c e s s i n gt e c h n i q u eo f m o n o l i t h i cb e n df o r m i n g t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ef o r m e ds u r f a c eo fp a r t s ，as e r i e so f b l a n k i n gm e t h o d sf o rt h ep r o c e s s i n go fa l u m i n u ma l l o ya r ep r o p o s e dc o m b i n i n gt h e t h e o r ya n a l y s i s 、i t l lp r a c t i c e ，a sw e l la st h em e a s u r e so f p r o t e c t i n gt h es u r f a c eq u a l i t yo f p a r t s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fp u n c hp r o c e s s i n g ，a l lo p t i m i z a t i o n s o r w a r eo fb l a n k i n gp r o c e s s i n gi sd e v e l o p e d , t h es 0 1 a r et a k e sb o t ht h ep a t ho f r e a m e ra n dt h et i m eo fc h a n g i n gt h el a n l e ri n t oa c c o u n t a sar e s u l t ，t h ep r o c e s s i n g t i m ei sr e d u c e d ( 3 ) t h r o u g hd o i n gb e n dp r o c e s s i n gt e s t so nd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，t h eb e n d i n g c o e f f i c i e n tt a b l eo ft h es h e e tm e t a lp r o c e s s i n gi sg o t , w h i c hs u i t st h ee n t e r p r i s ew e l l a s ar e s u l t , t h ep r e c i s ea n df a s t p r o c e s s i n go fe n t e r p r i s e sb e n d i n gs h e e t m e t a li s a c c o m p l i s h e d ( 4 ) b a s e do nt h et h e o r e t i ca n a l y s i so ft h ep r o j e c ta n dt h es i m i l a rp a r t s ，o n e t i m e b e n df o r m i n gm e t h o di sp r o p o s e df o rt h i ss o r to fp a r t s a sar e s u l t , t h eb o a l e n e c kf o r p r o c e s s i n gi sr e s o l v e d ，a n dt h ec o s ti sr e d u c e d a b o v er e s u l t sh a v e b e e n a p p l i e d t ot h es h e e tm e t a l p r o c e s s i n g t h u s ，t h e p r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o na l eg r e a t l yi m p r o v e d ，a n dt h eg r e a te c o n o m i c b e n e f i ti sc r e a t e d f u r t h e r m o r e ，t h er e s u l th a sg r e a ta t t r i b u t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to f s c i e n t i f i cr e s e a r c ho ft h ee n t e r p r i s e k e y w o r d s ：t u b es h e e tm e t a l b l a n k i n gb e n d i n g s h e e tm e t a lt ou n f o l d b e n d i n gr e p a i r e dt a b l e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图 图 图 图 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 图4 图4 图4 图目录 钣金展开图5 论文组织结构7 方管零件截面示意图。9 铝合金加工上模刃口图1 1 间隙对毛刺的影响图1 4 间隙对尺寸精度的影响1 6 方管钣金件展开坐标图1 9 长度法优化路径图2 0 模具法优化路径图2 1 组合法路径图2l 冲裁加工流程图2 2 板料弹性弯曲内部的应力状态2 6 板料弯曲状态2 6 关系式模型2 8 试验模型图31 试验模型折弯图3l 试验模型最后折弯图3 2 结论验证零件图4 4 直刀型与鹅颈型上模图4 7 最后折弯示意图4 7 下模v 型槽示意图4 8 零件折弯成形示意图4 8 最后折弯成形图4 9 强行折弯变形图5 0 零件临界折弯成形图5 0 零件尺寸变化图5 2 零件拼焊图5 2 翻边机的工作原理5 3 预设折弯角图5 3 翻边机校弯图5 4 零件预先折弯角度图5 5 预先折弯临界角度成形图5 6 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图4 1 5 零件成形图_ 5 弓 图4 16 方管零件校弯成形图5 7 图4 1 7 产品增长数据图5 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表 表 表 表 表 表 表 表 2 3 4 5 冲裁速度与材料对应关系表1 2 模具材质的选用1 4 模具间隙的选用1 6 f d l 2 3 5 数控折弯机工艺参数3 0 试验参数表3 0 模型展开尺寸数据表3 1 t = l m m ，v = 6 m m 材料为q 2 3 5 a 的试验数据统计表3 3 t = l m m ，v = 1 0 m m ，材料为q 2 3 5 a 的试验数据统计表3 3 表3 6 t = l m m ，v = 1 2 m m ，材料为q 2 3 5 a 的试验数据统计表3 3 表3 7t - - l m m ，v = 6 m m ，材料为l y l 2 m 的试验数据统计表3 4 表3 8t = l m m ，v = 1 0 m m ，材料为l y l 2 m 的试验数据统计表3 4 表3 9t - - l m m ，v = 1 2 r a m ，材料为l y l 2 m 的试验数据统计表3 4 表3 1 0t = 1 5 m m ，v = 6 m m ，材料为q 2 3 5 a 的试验数据统计表3 5 表3 1 1t = 1 5 m m ，v = 1 0 m m ，材料为q 2 3 5 a 的试验数据统计表3 5 表3 1 2t = 1 5 m m ，矿= 1 2 r a m ，材料为q 2 3 5 a 的试验数据统计表一3 5 表3 1 3t = 1 5 m m ，v = 6 m m ，材料为l y l 2 m 的试验数据统计表3 6 表3 1 4t = 1 5 r a m ，v = 1 0 m m ，材料为l y l 2 m 的试验数据统计表3 6 表3 1 5t = 1 5 m m ，v = 1 2 r a m ，材料为l y l 2 m 的试验数据统计表3 6 表3 1 6t - - 2 m m ，v = 1 0 m m ，材料为q 2 3 5 a 的试验数据统计表3 7 表3 1 7t = 2 m m ，v = 1 2 r a m ，材料为q 2 3 5 a 的试验数据统计表3 7 表3 1 8t = 2 m m ，v = 1 0 m m ，材料为l y l 2 m 的试验数据统计表3 7 表3 1 9t = 2 m m ，v = 1 2 r a m ，材料为l y l 2 m 的试验数据统计表。3 8 表3 2 0 试验样本3 9 表3 2 1q 2 3 5 a 试验样本4 0 表3 2 2l y l 2 m 试验样4 1 表3 2 3 材料厚度r = l m m 的试验数据表4 3 表3 2 4 材料厚度f = 1 s m m 的试验数据表4 3 表3 2 5 材料厚度r = 2 m m 的试验数据表4 3 表3 2 6 折弯补偿值x 的最佳数据表4 4 表4 1 成形方法比较5 8 第1 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特剔加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：左篁堑金趣墨王艺珏窥 学位论文作者签名：j 煎 日期：夕8 年 月矽日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：虚篁堑金堑王兰艺珏究 学位论文作者签名：上边 日期：d 8 年，月矽日 作者指导教师料：之雌日期：够年j 7 月2 7 日 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及必要性 1 1 1 研究的背景 随着工业生产和科学技术的发展，市场需求的增加和市场竞争的加剧，以及 产品更新换代速度的加快，产品生产正向高质量、低成本、短交货期的方向发展。 这就要求机械加工具备更短的加工周期，更低的生产成本和更高的加工质量。 钣金加工是机械加工中常见的加工工序，钣金件无论是在工业企业、家用电 器、航空航天等领域都有着广泛的用途【1 1 。同机械加工零件相比，钣金类加工零件 具有形状复杂多变，加工精度高、加工速度快、生产周期短等明显优势。尤其随 着c 觥a m 的快速发展，钣金件的设计、加工也在进行着深刻的改革，钣金加 工设备己由过去的简单，精度低的半自动化设备进化为全自动化的数控加工设 备。钣金件在产品设计生产中的比重也越来越大，成为提升成套产品加工质量和 市场竞争力的重要砝码。 中国电子科技集团第4 8 研究所的前身是半导体设备研究所，一直以来，主要 从事的是半导体设备的研究和生产加工。对设备的机械n i 来说，过去那种大而 笨的纯实用主义的设计思想已被现代小、巧、精、美的设计思想所替代。机械产 品除了要满足其使用功能以外，同时，又须具备整体的美学和视觉效果，产品外 表质量与整体的视角效果等美学要求在产品加工中占有的比例也越来越大。在这 种市场压力下，4 8 所年成立了钣金数控加工中心，其目的就是为了提高本所设备 的加工质量，增强本所产品的市场竞争力，提高生产加工的效率，立足本所，走 向市场，依靠高品质和低成本在激烈的市场竞争中占据了一席之地。尤其一些方 管型铝型材零件，本所每年的加工消耗量大，达数百吨；品种规格多，达1 0 多种， 其中有些是异型材，还需要订做加工，采购成本高，加工成本大，且是通过下料、 车、铣、钳等工序加工成形的，加工周期长，加工精度有时难保证。常常要花费 了大量的时间和人力、物力，但有时还是拖延了合同交货期。同时，周边的一些 大公司、大企业如：株洲电力机车有限公司、湘潭时代有限公司、三三一厂等都 有不少类似方管钣金零件在我所加工生产，如为株洲电力机车有限公司加工生产 第l 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 的主要用于韶3 、韶4 、韶9 以及朱德号等电力机车上的零件，加工难度大，精度 要求高。由于加工条件和工艺的不成熟，客户自己也只能要求采取传统的拼焊等 方法来加工，达不到理想效果，而且由于零件有一定的折弯精度要求，常常每批 加工都要浪费相当一部分试制件，既增加了加工成本，也延迟了加工进度。在这 种情况下，为了降低生产成本，提高加工质量，4 8 所提出了利用现有钣金资源， 运用钣金加工方法，以薄板成形来实现这类零件加工成形的研究课题。 1 1 2 研究的必要性 对于类似方管钣金零件的加工，属于异形件加工，传统的加工主要采取以下 加工方法与流程： 方管型材毛坯下料一铣外形一钳工划线一铣工或钳工钻孔 即通过购买市场上已有的方管型材或按图订做的异型方管型材，通过机械加 工的方法来成形该类零件。这类加工方法的特点是：加工周期长。简单无孔的 零件，至少也要1 - 2 个小时，遇到其上成形孔比较多且复杂的零件加工时，光一 个零件就需要一天或更多的时间才能加工完成；如果要按图订购型材的话，时间 更长，且不受控。生产成本高。型材价格高，工序长而多，人工成本高。 而采用薄板成形来替代，其加工流程如下： 程序编制一冲加工零件毛坯一折弯成形 它是采取钣金加工工艺，用薄板通过冲裁、折弯成形该类零件。这类加工方 法的特点是：加工周期短。对于简单无孔的零件，通过下料、折弯，只要几分 钟就可完成成形，而对于复杂有孔的零件，从程序编制到加工成形，最多也只须 半个小时即可；生产成本低。一则板材价格低，再则可以用边角余料加工成形 零件，成本更低；加工范围广。这是因为钣金加工几乎不受零件的复杂性和尺 寸的多样性的影响；加工精度高。所以，对于该类零件的加工，钣金加工的优 势非常明显。只是，在采取钣金薄板成形加工时，对于其关键的加工工序折 弯成形工序，只有在采取了有效方法，保证了该类零件的一次折弯成形效果，才 能发挥钣金数控加工的优势。 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 1 2 课题研究的目的 本课题研究的目的主要有以下四个： 1 、充分发挥现有钣金设备的优势，利用钣金加工的成形方法，用薄板一次加 工成形类似方管的钣金件来替代标准方管型材，降低加工成本，提高加工效率。 4 8 所的钣金设备包括数控冲床，数控剪板以及数控折弯三种设备，是按照流 水生产线模式配置的，全部是日本a m a d a 公司生产的当时最成熟的机型，采用 了当时最先进的法兰克福控制系统，加工精度高，加工速度快。其主要的性能参 数如下【2 ，3 4 ，5 】： ( 1 ) 数控冲床 型号：p e g 3 5 7 加工行程：3 6 0 0 m m x l 2 5 0 m m 冲头冲切次数( m 觚) ：6 0 0 次分 绝对定位误差：0 0 5 m m 相对定位误差：0 1 m m ( 2 ) 数控剪板 型号：m 2 5 6 0 最大剪切长度：2 5 0 0 m m 剪切精度：0 1 m m ( 3 ) 数控折弯 型号：f d 5 0 1 2 最大折弯长度：31 0 0 m m 折弯精度( l = 2 5 0 0 m m ) ：3 0 7 本企业主要用到的钣金加工工艺有：剪板，冲裁，折弯。 2 、建立数学模型，寻求算法，利用软件对冲床加工路径进行优化，以找出最 优化冲加工路径，提高冲加工效率。 3 、制定本企业的折弯补偿值表，使钣金加工在零件的展开方面有据可查，保 证零件的展开能快速而精确的实现。 4 、寻求适合本企业加工特点的类似方管零件的一次折弯成形的方法。 本企业钣金设备的加工特点是速度快，精度高。由于数控冲床是万能型加工 设备，基本上所有的钣金件都能由冲床加工成形展开毛坯。因此，真正制约本企 业钣金件a n t 质量和加工周期的是折弯工序，钣金件的折弯成形受到产品尺寸之 间的关系以及折弯模具( 主要是折弯上模) 的形状所制约。本课题就是在现有的加工 条件下，结合传统的方法，优化钣金冲裁加工工艺，寻求适合该零件一次折弯成 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 形的加工方法，以节省加工成本，提高加工速度和加工质量。 1 3 钣金加工及展开放样的国内外现状 1 3 1 钣金加工的国内外现状 钣金加工是指通过冷冲压工艺的方法获得具有一定形状尺寸和性能的钣金零 件的过程【6 】。随着数控技术的飞速发展，钣金加工具有生产率高、加工精度高、适 合大批量生产等等的优点，越来越受到重视。钣金零件在航空、航天、汽车、船 舶，机械、化工、粮食等工业中有着十分广泛的应用。钣金加工成为了在加工行 业中不可或缺的重要组成部分，发挥的作用也越来越大i f 。随着经济全球一体化的 发展，市场竞争日趋激烈，在这种情形下，如何充分发挥先进技术和设备的优势， 提高企业的生产效率和产品的质量，成为了每个企业共同关注的问题。于是，钣 金加工企业在加大设备投入，改善企业硬件设施的同时，普遍开始重视钣金加工 软件的投入，希望通过先进的软件支持以最大限度的发挥设备的效益，加快投资 的回报。由于钣金加工的特殊性，它是属于非去除材料的冷加工，其展开与其展 开后的成形密切相关，展开是钣金加工的关键的一步，又是钣金件c a d c a m 系 统的关键组成部分，是目前钣金加工的主要研究对象 8 , 9 , 1 0 1 。 目前，钣金件加工的软件有以下几类，一类是从国外引进的三维软件，如p r o e 、 u g 、s o l i d e w o r k s 等，这些软件都包含有钣金设计模块，可以进行钣金三维实体设 计，并通过自动展开获得钣金展开放样图，但这些软件操作繁琐，而且在实际使 用中按照软件默认的折弯系数计算的结果与实际出入很大，并且常常要求操作人 员自己来定义折弯系数值。第二类是随设备配套的支持软件，它又分为两种：第 一种，不仅具有二维、三维设计环境，而且具有自动展开功能，在这三维设计是 关键，系统是通过三维信息，自动生成二维图，包括标准三视图、展开图及零件 的数控加工程序；第二种是二维专用c 觥a m 软件，如本企业应用的a m a d a3 软件，这类软件一般没有自动展开功能，展开建模主要靠人工来完成。 种： 1 3 2 展开放样的国内外现状 对于钣金加工最重要的是展开放样，钣金件的展开放样的计算可分为以下几 第4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 l 、空间曲面的展开 空间曲面主要指的是管接头、天圆地方，圆锥之类的展开计算。它可以利用 专用软件对空间曲面的毛坯料进行快速展开，也可利用纯数学理论，通过人工计 算展开。 2 、折弯件的展开 对于折弯件展开的计算，在一些常用的算法中，其展开放样的算法略有不同。 ( 1 ) 在s o l i d e w o r k s 等软件中，认为展开长度就是板料折弯后中性层的长度【1 8 捌， 如图1 1 所示。 7 图1 1 钣金展开图 展开长度的计算公式为： 三= 厶+ 厶+ o ( r + x t ) 式中： 上一展开长度； 厶，厶折弯件直边部分长度； 占一折弯角度( 弧度) ； r 折弯件内侧半径； 工一中性层系数，与材料及加工设备有关的可变参数； 丁一材料厚度。 ( 2 ) 在冲压工艺学中，弯曲角为9 0 。时弯曲件的展开长度计算【1 1 】： 三= 厶+ 厶+ 1 5 7 ( r + x t ) 弯曲角q 为大于或小于9 0 。时弯曲件的展开长度计算【1 2 1 ： l = ( a 9 0 。) t o + 厶+ 厶 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 第5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 式中：厶代表弯曲角为9 0 。时毛坯的展开长度。 从公式( 1 1 ) 至公式( 1 3 ) 可以看出，目前对钣金展开长度的计算大同小异，有精 确计算公式，有经验公式，但决定展开长度尺寸的主要因素是材料厚度、折弯角 度、中性层系数。在实际加工中，针对具体的加工单位，由于加工设备及加工手 段的差异性和材质的不同，中性层系数也是大不同的，而且由于从毛坯展开到最 后加工成形，不但与展开长度有关，与折弯模具及机床压力也有一定的关系，对 同种材料，相同料厚，选用不同的折弯模具，折弯圆弧会发生较大差异，从而展 开长度也不同，以上的展开长度计算公式仅仅只能作为展开建模的参考【1 3 】。 1 4 本文的研究内容及结构 1 4 1论文主要研究内容 对课题零件的加工成形特性及受力特点进行分析，提出控制零件表面加工质 量的方法和采取的加工措施： 通过对冲床加工原理的分析，应用t s p 优化算法，对冲加工路径进行优化， 提出了适合本课题的冲裁加工优化路径，以缩短零件冲裁加工时间； 通过试验确定适合本企业钣金加工的折弯补偿值表，以实现零件快速和精确 的展开，并通过实例来验证； 分析课题零件的折弯特点，找出适合同类型零件一次折弯成形的理论支持， 并详细介绍了折弯加工过程中采取的新的工艺方法。 1 4 2 论文组织结构 按照以上提到的主要研究内容，将论文分为五章，各章之间的内容关系如图 1 2 所示。 第6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图1 2 论文组织结构 第一章介绍课题的来源与背景，从钣金加工的流程，钣金展开放样的算法及 应用等几个方面概述国内外的研究现状，阐述了课题的研究意义和主要内容。 第二章从方管零件的加工特性以及冲加工工艺方面来分析课题零件的冲裁加 工，研究了冲床加工的最优路径算法，并得出了本课题零件的最优冲加工路径。 第三章阐述基于实验方法的折弯补偿值的确定，确定了企业折弯补偿值表。 第四章分析课题零件的折弯特性，提出适合该类零件加工的新的折弯工艺， 解决了长期以来的折弯瓶颈。 第五章对全文的研究工作做出总结，并对下一步工作进行展望。 1 s 本章小结 本章介绍了本课题研究的特点和目的以及钣金加工及展开放样的国内外现 状，概括了本论文的主要研究内容，并详细描绘了本论文各章节的结构关系。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第二章铝合金方管零件的冲裁加工 钣金件的数控冲加工包括程序编制和冲裁两部份，本章结合课题所研究的内 容，通过对冲加工工艺进行详细的分析和研究，建立数学模型，优化加工路径， 以达到提高加工效率的目的。 2 1 铝合金方管零件的加工特点 纯铝的导电性、导热性很高，仅次于银、铜、金。但铝的强度很低( 吒仅8 0 i o o m p 。) ，塑性很高( 6 = 3 5 4 0 ，1 l r = 8 0 ) 。不仅在热状态下易于进行轧制、拉 丝、冲压成形，在冷态下也可进行加工。如通过加工硬化，可使铝的强度提高 ( o r b = 15 0 2 0 0m p o ) ，但塑性下降( 1 l r = 5 0 6 0 ) 。 纯铝为银白色金属，在大气中具有良好的耐蚀性，但不能耐酸、碱、盐的腐 蚀。同时，纯铝的强度低，不宜用作结构材料。在实际生产中，为了满足加工要 求，提高其强度，一般采取在纯铝中加入适量的合金元素( 如硅、铜、镁、锰等) ， 再通过热处理，形成铝合金。铝合金除了具有纯铝的一些特性以外，还具有其它 独有的特性。如钣金加工中用得最多的铝合金- i ，y 1 2 m ，它是属于铝一铜镁 系合金，是l y l 2 再经过退火处理的铝合金，目的是提高其韧性，使其具有良好的 折弯性能，因为l y l 2 虽然强度提高7 ( t r b = 1 8 0 , - - - , 2 0 0 m p ) ，但塑性和韧性降低了( 6 = 1 8 ) ，折弯易开裂 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 】。 本课题所研究的类似方管铝合金钣金件( o t 简称方管零件) 选用的铝合金材 料是l y l 2 m ，零件的截面结构如图2 1 所示。 彳 l ( 厶) 曰 一 厶 一 图2 1 方管零件截面示意图 c d 第9 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 它差不多是四周全封闭的零件，零件成形后要保证角度z a b d 和z c d b 在 9 0 。3 0 ，尺寸厶的公差保证在厶弋一，并且它的各尺寸满足如下条件： 厶一厶- 0 7 0 7 t 厶 ( 2 1 ) ( 厶- 0 7 0 7 t 一厶) 2 + 置 4 2 r ( 2 3 ) 式中r 一折弯成形模上模厚度，单位m m ； 日折弯成形模上模有效工作高度，单位m m ； 厶一零件的外侧弯曲尺寸，单位m m 。 由于该零件上待加工的孔数量比较多，孔之间尺寸公差要求较精确，要能保 证零件有很高的装配要求，必须通过数控冲床加工出零件的展开料，依靠先进的 设备来保证加工要求，其具体的成形工序如下： l 、程序编制 程序编制是将零件的工艺过程、工艺参数、模具位移量与方向以及其它辅助 动作，按运动顺序和所用数控设备规定的指令代码及程序格式编成加工程序单， 然后再输入数控装置以便指挥数控机床加工的过程【2 0 1 。在现代制造业中，为了提 高产品的技术性能，增强其可靠性，适应小批量、多品种、更新换代快、形状复 杂等特点，引入了数控加工技术，它是制造业实现自动化生产的基础。数控加工 程序的编制是数控加工中重要的一环，编程质量与效率直接决定着零件加工的周 期和加工质量【2 1 1 。而影响编程质量与效率的因素很多，如c a d c a m 软件使用的 熟练程度，编程人员的专业知识的高、低等。钣金数控编程主要指的是与冲裁加 工有关的程序的编制，它是利用随冲床设备附带过来的二维专用的c a d c a m 加 工软件，通过人工平面展开零件，自动生成冲床能够识别的g 代码，以控制冲床 的自动加工成形。它的展开建模工作主要依靠加工人员手工完成，其关键工作是 确定零件的展开图尺寸，它也是影响冲床编程最重要的一个因素，它决定着零件 的最后成形结果能否与加工图纸相符合。在本零件加工中，第一道也是关键的工 序就是先根据图纸尺寸，根据现有的加工条件，通过专用的绘图软件，绘制出该 零件的毛坯展开图，再转化为能为数控冲床识别的g 代码，以控制数控冲床的自 动加工。在这个过程中，首先，展开长度的确定是关键，它的正确与否是由零件 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 的折弯系数决定。不同的材料和加工设备，其折弯系数不同；同一材料，不同的 加工设备，其折弯系数也不同。其次，选取最优冲加工路径，以提高加工效率。 2 、冲裁 冲裁是通过数控冲床加工出零件的展开料尺寸，以作为下一道折弯工序的毛 坯件。在这个过程中，展开料成形的精度是由数控冲床的精度来保证的，而展开 料的加工质量是受所选用的模具类型、上下模的间隙以及模具刃口的锋利程度的 影响。 3 、折弯 在钣金加工中，折弯工艺直接关系到产品质量的好坏，尤其是直接影响到产 品的成形尺寸和外型美观。本课题所研究的加工零件，过去传统的折弯工步是： 先定位折弯2 个尺寸厶，再分别以厶定位折弯2 个尺寸厶。由于本课题加工零件 尺寸关系的特殊性，这样的折弯顺序是无法保证该零件的最后一次成形的，必须 辅以其它工序或设备才能把该零件加工完成。在实际生产加工中，常常须采取一 些特殊的折弯工艺，才能完成产品成形，以达到提高产品质量和加工速度的目的。 2 2 铝方管零件的冲加工性分析 1 、由于铝材相对钢铁来说较软，在冲裁加工时容易堵料。因此，在选择模具 间隙时宜按照双边料厚1 0 作为选择原则( 参见表2 3 ) 。上模一般选用斜刃口，直 径深度以h = 1 5 r a m 一2 0 r a m 为合适，如图2 2 所示。 图2 2 铝合金加工上模刃口图 这样在冲裁时刃口不是同时切入，而是逐步冲切材料，减少了剪切断面面积， 降低冲裁力，减少了铝料的粘模和易于卸料。 此时，模具在冲裁时，其冲裁力f 可按下式计算【2 2 2 3 ，2 4 捌： 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 f = k l tq( 2 4 ) 式中： 西一斜刃高度，单位m m ； 三一冲裁周长，单位m m ； r 材料厚度，单位l a i n ； q 材料抗剪强度，单位m p a ； x 一系数。当h = r 时，k = 0 4 - - 一0 6 ，当h = 2 t 时，k = 0 2 0 4 。 2 、由于铝合金较软，在冲压时易产生顶伤、压伤和刮伤变形，因此在加工时， 采取带有弹性卸料或压料橡胶装置的模具，或在冲裁下模面贴一层弹性模。 3 、铝合金较易发热，并积压在一起变硬而压伤刮伤零件表面，因此在加工时 采取在板料上涂一些压板油，也可用废机油代替【1 7 - 1 9 盈1 。 4 、由于铝合金较轻，冲头在冲加工时极易将铝屑带入脱料板内，产生高温将 冲头磨损甚至钝化，造成加工时毛刺突长，加工周围铝料受损等现象。同时，铝 屑粘结在冲模和模套之间，易造成冲模和模套被卡死。故一方面要勤洗模具，勤 刃磨模具以保持刃口锋利，另一方面则要适当降低加工速度。本企业数控冲床的 加工速度共分为巧，五，e ，只共4 档，其中层档为最高档，加工速度为6 0 0 次 分，石档为最低档，从巧到巧档加工速度依此为1 2 0 次分，2 4 0 次分，3 6 0 鼬 分，该课题加工时选择的是较低档e 档。加工不同的材料所选择的加工档位不同， 具体的对应关系如表2 1 所示。 表2 1 冲裁速度与材料对应关系表 厚 材料厚度( m m ) 材淤 1 01 52 0 3 0 低碳钢e 点 互坷 不锈钢 互坷 铜 巧互石石 铝( 软) 互互 压 珂 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 2 3 1 j n r 设备 2 3 冲裁加工工艺分析 钣金的冲裁加工是根据双向裂纹产生，扩展相迎并最后分离的机理，利用上 下模具在专用冲压设备上把板料分离的一种冷加工【2 6 2 7 ，2 8 2 9 1 。采用冲裁加工可获得 形状复杂、尺寸一致的展开毛坯料。 本企业现有的冲裁加工设备p e g 3 5 7 a 转塔式冲床的转塔是一个大圆盘，其上 最多可以同时容纳5 6 副冲裁上模。转塔划分为a 、b 、c 共三个工位区，根据模具 外形尺寸的不同，模具安放在不同的工位，其中c 工位区的模具外形尺寸最大，a 工位区的模具外形尺寸最小。在g 代码中，一般每个工位是用t ( 表示模具) 加3 位 数字代码来表示的，a 工位区的代码是以数字“1 一开头的数字表示，如t 1 1 6 ；b 工位区的代码是以数字“2 开头的数字表示，如t 2 2 0 ；c 工位区的代码是以数字 “3 开头的数字表示，如t 3 6 9 。每个工位的代码是固定不变的，但每个工位装的 模具是可以变化的( 只要外形尺寸一致) ，冲床加工时执行的是工位代码命令，冲裁 时只与工位当时所装的模具形状与大小有关。因此，在实际加工过程中，保证每 个工位代码与所装模具一一对应的固定不变性显得非常重要，只有这样，才能尽 可能的减少加工中由于人为因素而造成的错误。 2 3 2 冲裁加工过程分析 冲裁加工过程分析分为以下2 个部分： l 、编程过程 由于钣金加工是平板加工，所有钣金成形零件必须先按照一定的方法展开成 二维平面加工图，然后再在冲床随机附带的软件c a d c a m 上进行模具选择和布 局、零件排样、模具的最优加工路径的选择等等，然后再自动转换成加工g 代码 以控制冲床的自动加工【2 0 ，3 们。在这个过程中，有个关键问题必须首先解决。那就 是二维平面展开图的画法和毛坯展开尺寸的确定问题，它决定着钣金零件成形的 精度和加工质量。由于零件展开图的放样不仅由零件的尺寸决定，也同时受加工 成形的设备条件所决定，不同的加工设备，同样的零件，其展开放样的尺寸是不 一样的，它涉及到材料的折弯系数，它们之间的相互关系在后面的章节中有详细 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 的分析。 2 、冲裁加工 ( 1 ) 模具材质的选择 由于不同的材质其加工性能的不同，这样在加工时对模具材质的选用也不 同，只有选用合适的模具，才能既提高模具的】j n - r 寿命，又减少由于模具磨损带 来的毛刺和翻边，模具材质的选用原则参照表2 2 1 4 1 。 表2 2 模具材质的选用 、劳上下 材征 特征 庐 模 模 高速工具 高速工具钢( 如：w 1 8 c r 4 v ) 比合金工具钢硬，更耐磨， 钢 模具寿命更长，适用于冷轧板、铝板、不锈钢板。 口厶上六工具 合金工具钢( 如：c r l 2 m o v ) 是常用的模具材料，成本低 钢 常用于薄( r 2 m m ) 的冷轧板、铝板。 对于本课题研究的铝合金加工，常采用合金工具钢模具。 ( 2 ) 模具间隙的选择 模具间隙指的是上、下模具刃口间缝隙的距离，一般用符号c 表示单面间隙， 用符号z 表示双面间隙。模具的间隙与所冲压材料的类型及厚度有关，模具间隙 对加工的影响主要表现在以下几个方面： 第一，间隙过大，所冲压工件的毛刺就比较深，冲压质量差；如果间隙偏小， 虽然冲孔质量较好，但模具的磨损比较严重，大大降低模具的使用寿命，而且易 造成冲头的折断。间隙对毛刺的影响如下图2 3 所示。 量0 2 5 葛 u 嚣o 2 0 o 巧 o 0 6 o 0 0 50 1 0 1 50 20 2 50 30 3 5 间隙, z t 图2 3 间隙对毛刺的影响图 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 从图2 3 中可见，间隙在定范围内 z - ( 0 1 4 - - 0 2 4 ) f 】变化时，毛刺高度小， 且变化不大。 第二，间隙过大或过小都容易在冲头上产生粘连，从而造成冲压时带料。过 小的间隙容易在冲头底面与板料之间形成真空而产生废料反弹。 第三，合理的间隙不仅可使冲出的制件断面比较平直、光洁，毛刺小，且所 需冲裁力小，而且减少了模具磨损，延长了模具的寿命。因为冲模磨损主要是附 着磨损。根据h o l m 法贝j 3 1 3 1 1 ，附着磨损接触面上的磨损量： s = k p i 3 0 ,( 2 5 ) 式中： 尸一接触压力，单位n ； 卜一相对滑动距离，单位m n l ； q 一模具材料的屈服极限，单位m p a ； k 一由于附着而引起磨损的概率； s 一接触面上的磨损量，单位m m 3 。 从上式可以看出，接触压力愈大，相对滑动距离愈长，模具材料愈软，则磨 损量愈大。而冲裁中的接触力即垂直力、侧压力、摩擦力均随着间隙的减少而增 大，且间隙小时，摩擦距离增长，摩擦发热严重，从而使磨损增加，甚至发生粘 连。当然，润滑条件，模具制造精度与粗糙度等也影响刃口磨损的程度，但间隙 却是影响模具寿命的一个主要因素【3 1 1 。 间隙对冲裁力的影响，则可通过以下计算来分析。模具冲裁时，其冲裁力尼按 下式计算： e 0 = l t r ( 2 6 ) 式中： 工一冲裁周长，单位r e a l f 一材料厚度，单位m m ： f 一材料抗剪强度，单位m p , 。 实际上冲裁时f 还与上下模相对间隙，冲裁的速度，材料的相对厚度及材料 的硬化程度有关，可用下式计算： f = ( m t d + o 6 ) o r b 式中： 朋一与相对间隙有关的系数，可查表得知； 材料抗拉强度，单位m o , 。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第四，间隙对尺寸精度