（机械工程专业论文）基于门窗五金件产品特征的级进模设计和应用修正.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本论文以北新建材集团有限公司( 3 0 0 万套年高中档p v c 门窗五金件生产线 技术改造工程项目为基础，针对此项目中门窗五金件连续冲压生产的工艺和设备 模具的研制，本文提出一种门窗五金件长杆件级进模具的设计方法，并应用于实际 生产中加以检验修正。 本文主要研究工作： 一：以p r o e 和w i n d o w s 9 8 为平台，结合v c + + 6 0 和a u t o c a dr 1 4 ，从门窗 五金冲压件的产品特征入手，建立产品的特征模型，对产品特征进行定义，并分类 成形状特征、精度特征、管理特征、材料特征等，并对形状特征间的关系加以表达。 = ：利用产品特征之间的关系级进模排样设计模型，引入冲压排样设计规则， 部分利用v c + + 6 0 软件进行编程，进行模具的工步排样设计检查并修正，得出一种 长杆件产品的排样设计方法。 + 三：进一步将产品的形状特征应用于模具结构设计中，建立模具模型，进行模 具工艺设计和结构设计，从而确定总体的模具形式。 四：因为产品特征贯穿于整个设计过程中，建立的产品特征模型、工艺特征模 型、模具特征模型之间有单的映射关系，通过特征的表达加以详细说明。同时在 模具设计中要要考虑其它相关因素，如模具的互换性( 模块化) 、通用性、批量化、 经济性等，以确保模其设计过程的每一步顺利进行。 五：模具投入制造后，可能在制造和生产调试过程中表现出设计的不足或错误， 通过总结概括这些问题，可以进行修正工艺设计和模具结构的设计，或增加新的工 艺规则，为以后的模具设计提供宝贵的经验。 基于以上研究和设计工作，可形成一套较可行的、适合于现有门窗五金件长杆 类产品的冲压级进模具设计方法，并在实际生产中应用。 关键词：门窗五金件级进模产品特征模具特征排样设计。 华中科技大学硕士学位论文 t h i sp a p e rw a se s t a b l i s h e di nt h eb n b mt h a tp r o d u c t i o n - l i n e t e c h n o l o g yc o n s t r u c t p r o j e c t o fp r o d u c i n gm i d - h i g hg r a d ew i n d o w d o o r sh a r d w a r ew h i c hc a p a c i t yi s3 m i l l i o n u n i t s y e a r a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c ho ft h e p r o d u c i n gp r o c e s sa n dp u n c h i n g e q u i p m e n ta n ds t a m p i n gd i e ，o n ed e s i g nm e t h o do fp u n c h i n gp r o g r e s s i v e d i eh a sb e e n p u tf o r w a r di nt h i sp a p e r ，a n di t a l s ow a s a p p l i e di nt h ep r a c t i c eo fp r o d u c t i o n - l i n ea n d c o r r e c t e db ym a n u f a c t u r ea n dt r y o u t i nt h i s p a p e r , i ti ss u p p o r t e db yt h ew i n d o w s 9 8 ，p r o e n g i n e e r s ，v c + 6 0 ，a n d a u t o c a dr 1 4p l a t f o r m ，b a s e do nt h e p r o d u c t sf e a t u r e ，m a d et h ed e f i n i t i o n o ft h e f e a t u r e sa n dd i v i d e dt h ef e a t u r e so f p a r ti n t of o r mf e a t u r e ，t o l e r a n c ef e a t u r e ，m a n a g e m e n t f e a t u r e ，m a t e r i a lf e a t u r ea n ds oo n t h ed e f m r i o no ft h e s e sf e a t u r ea n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e ma r e p r e s e n t e d f i r s t ，a f e a t u r e b a s e d p r o d u c t m o d e li s p u tf o r w a r d a c c o r d i n g t ot h er e l a t i o n s h i po ff e a t u r e sa n dt h ep u n c h i n gr u l e s ，t h ec o m p l e x s t e pl a y o u t d e s i g n o f p r o g r e s s i v e d i ea n dm o u l dw a sm a d e a f t e rt h e p r o c e s sd e s i g n t h e f e a t u r e b a s e dd i em o d e li sp u tf o r w a r d n l ep r o d u c tf e a t u r ea l s ow a su s e di nt h ep r o c e s s d e s i g na n d s t r u c t u r ed e s i g no f p r o g r e s s i v e d i ea n dm o u l d b e c a u s et h ef o r mf e a t u r eo fs t a m p i n gp a r tw a su s e di n p r o d u c tm o d e l ，p r o c e s s d e s i g nm o d e la n dp r o g r e s s i v ed i em o d e l ，s oi t e s t a b l i s h e dt h eo n l yr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h em o d e l s t h ef o r mf e a t u r er e p r e s e n t a t i o na n d m o d e l i n g m e t h o da r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nt h em e a n t i m e ，t h e r ea r es a m ef a c t o r sm u s tb ec o n c e m e di nt h e p r o c e s sa n dt h e d i e ss t r u c t u r ed e s i g n ，s u c ha st h ei n t e r c h a n g eb e t w e e nd i e s ，u n i v e r s a l i t yo ft h ed i e s ，t h e b a t c ho ft h ed i e s ，e c o n o m yo fs c a l e s ，e t c w h i c he n s u r e st h er a t i o n a l i t yo fe a c hs t e pi n t h em o d e l i n gc o u r s e w h e nm ed i ew a s p u ti nt om a n u f a c t u r i n ga n dt r y o u t ，o rt o t h ep r o d u c t i o nl i n et o m a n u f a c t u r et h ep r o d u c t ，m a y b et h e r ea r es o m ee r r o ra n dm i s t a k e s i ti sm o r ei m p o r t a n t 华中科技大学硕士学位论文 t os u l t iu pa l lt h e t h i n g sa n dp u tt h e mt ot h ed e s i g no fd i e ，t oc o r r e c tp r o c e s sa n ds t r u c t u r e d e s i g n o r a p p e n dt h ep u n c h i n gr u l e st ot h es t e pl a y o u td e s i g n i ta l s oc a np r o v i d e v a l u a b l ee x p e r i e n c ef o rn e x t a f t e rt h e s ew o r k ，o n e p r o d u c tf e a t u r e b a s e dp r o g r e s s i v ed i ed e s i g nm e t h o dw a sp u t f o r w a r d ，a n di tc a nb ea p p l i e di n t ot h e p r a c t i c e k e yw o r d s ：w i n d o w - d o o r sh a r d w a r e p r o g r e s s i v e d i ep r o d u c t sf e a t u r e d i e sf e a t u r e s t e pl a y o u t m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：积 日期：沙州年月，貊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密醋。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 7 秒r ，善 ， 巧 日鄱驯 名 年 整 y 币 n 狮 导 鞋 e 日 j秘。 舷 ，饼 日 轻叫姚捌 者 f 懈 降 文 肌 做 硼 位 吼 籼 醐 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ - j e j j 日| | = e = | j = = j j = | e = = ，_ 口= j _ i l 1 1 课题研究的目的与意义 1 1 1n 窗五金件的国内外情况介绍 1 绪论 塑料门窗是继木、钢、铝门窗之后的第四代新型建筑门窗，它具有木、钢、铝 门窗无可比拟的优越性能，即保温性能、隔音性能、水密性能、气密性能、防盗性 能等。特别是在节约能源、保护环境方面，它具有明显的优势。但只有配套优质、 多功能的五金件，才能真正发挥塑钢门窗的优势。欧洲等发达国家高中档五金件用 量很大，仅德国就超过3 0 0 0 万套，其塑钢窗8 0 以上为平开上悬窗，配套五金件 生产也处于世界领先地位。大部分公司都有自动或半自动的生产线和组装生产线， 保证了大规模连续化生产，产品质量好，精度高，而且产品范围广，涉及多种门窗 五金件，使塑钢门窗的功能得以淋漓尽致地体现。 国内门窗五金件的生产还属于整体水平低、原料材质差、产品质量低、功能少、 寿命短、匹配性差的状态、难以满足塑钢门窗完美配套的要求。目前，我国塑钢门 窗市场上使用的高档五金件几乎全部采用进口产品，中档产品也有部分进口，每年花 费许多外汇。由于进口产品价位较高，受经济承受能力影响，使得目前市场上有些 中高档门窗型材不得不配用一些价位低、技术含量低的五金配件，致使塑钢门窗的 各项优良功能不能很好的体现和发挥出来，同时也造成人们对塑钢门窗的一些误解， 直接影响了塑钢门窗的大量推广应用i l 】。 门窗五金件的产品品种多、加工工艺复杂，如德国最大的门窗五金件加工公司， r o t o 公司，门窗五金伴产品就有一万多种部件，三万多种零件。门窗五金件从功 能上，产品分为平开、推拉窗五金件、平开上悬窗五金件、中悬窗五金件等。从产 品零件加工工艺类型和原料上可分为冲压件、压铸件、工程塑料件、机加工件等。 其中冲压件在五金件中所占比重很大， 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ： 目- _ _ 目口_ _ - - _ _ _ e = 口= = = = = e = = j = ；= = _ e z 篁i i i _ _ - - = = _ - _ = _ _ | _ j _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 现有国内门窗五金件的主要生产方式均为手工单件生产及组装，劳动强度高， 生产效率低，不能保证生产质量，即没有一条自动连续冲压生产线，更没有多工序 的全自动组装生产线。而德国及奥地利等国外几家大公司，都采用铜带自动连续冲 压生产线进行主要产品的加工。这些公司尽管品牌各不相同，产品结构也有区别， 但生产工艺基本一样，这种工艺方法也是目前最先进的工艺方法。各公司都十分注 意新产品的研发，肯投入大量的人力和财力，产品不断得到更新，且具有很强的市 场分析能力；产品的设计及模具设计均实现了计算机化和模块化，大多公司都有模 具加工车间，由计算机设计的模具图经转化为n t 中心能识别的加工图，五金件的 加工大部分采用高速连续冲压成型【2 1 。这样可以降低劳动强度，减少生产成本。 1 1 2 门窗五金件产品及生产线情况 1 、北新建材( 集团) 有限公司的产品有内、外平开窗五金件，平开上悬门窗五 金件，推拉窗五金件等，其中大部分产品为冲压件。平开上悬五金件由传动器、转 向角、顶杆、斜拉杆、连杆、延长杆、锁座、执手等组成，目前国外应用最广的 是平开窗五金件，平开上悬窗五金件属于高端产品，是五金件的发展方向。图1 1 是使用平开上悬五金件的塑窗开启方式示意图。 图1 1 塑钢门窗开启方式示意图 华中科技大学硕士学位论文 门窗五金件的产品是按高度和宽度的尺寸进行分类的。塑钢门窗按高度尺寸 的大小，可分为4 档，分剐为4 0 0 - 7 0 0 m m 、7 0 0 - 1 0 0 0 m m 、1 0 0 0 - 1 4 0 0 m m 、 1 4 0 0 - 1 8 0 0 m m ；按宽度尺寸大小可分为5 档，4 5 0 6 7 5 m m ，6 5 0 一8 0 0 r a m ， 7 7 5 1 0 2 5 功m ，1 0 0 0 1 2 5 0 m r n ，1 2 2 5 1 4 7 5m m ，这样传动器可分为4 个系列， 顶杆也相应地分为5 个系列，其五金件的零件总计有2 0 0 多个，其中长杆类件和 较复杂的冲压件有7 0 个，最长的达1 8 0 0 m m 。 2 、生产线的主要设备组成 为更快更好地生产出高质量的五金件，在调研国外公司生产方式的基础上， 北新集团决定采用连续冲压生产线，如图1 2 所示，可见级进模是其中很重要 的直接加工设备。其工作原理是原材料钢带经过开卷机开卷，矫平矫直机矫直， 缓冲贮料，伺服送料机间歇高速送料，多工位冲压成形，抛料机加速抛料到收件箱， 半成品生产完成。 ! o 56 78 、 、 i 一j j 、7 一h 0旦 r r 兰三三三三三三 r 一二上 jur i u 、，7 - 一一 7l k 一 ， 7 7 _ 弋 1 2 0 0 r a m - - 1 5 0 0 r a m 。 产品的材料规格尺寸及精度按工艺要求制定，采用统一的行业标准，其宽度和厚度 尺寸在冲压过程中变化可以忽略不计，其特征在级进模的设计中是常数，无变化。 3 、尺寸精度特征 产品尺寸精度采用采用冲压件产品精度m 级( 行业标准) ，参见手册满3 。此要求 由生产技术工艺提出，可以降低成本。 6 华中科技大学硕士学位论文 = = 自= = = ，z l _ _ - _ _ - - | = ；_ 自= = = 目口| i ，| = - _ _ e = = ；e ；目_ _ = ，_ = _ ii i i _ _ _ _ _ _ _ _ l 而尺寸精度特征采用m 级，其特征因为对产品的特征造型和计算等无作用，按 查表取常数计算，所以在以后的模具设计中主要按产品的形状特征进行设计，对于 产品的材料和规格尺寸精度不再说明。 2 2 2 五金件产品形状特征分类及组织 1 、五金件产品的分类基本上同冲压件产品的分类，其主要特征是在窄长杆上 所做的冲压加工，基本上无拉深特征，其它特征依附于主平面特征上，以弯曲特征 过渡，同时加工特征如切断等不能在产品的形状特征造型中反应。 冲压件 r l 冲压类变形类 l - 。一 耳面赢画i 玩匍1 宙 一一二：二二。一：二二二一 一。、。二，上j 。圆孔! 异形孔! 锥形柱形，反向 2 、形状特征的组织 图2 6 五金件产品特征分类图 按照长杼类产品的形状，因为材料带钢要在连续冲压生产线中沿材料的方向进 行冲压，以节省材料。耗能数控送料为主，所以如图2 4 和2 5 中的压弯特征，因 为在实际生产中无法实现条料的传送，故在生产线的级进模设计中，将其排除在外， 而只考虑其展开的情况。因此长杆件类产品的特征基本都依附于产品的平面特征之 上，利用特征树的方式对特征进行表达并建立模型比较方便。 由图2 4 和2 5 中的产品虽然是二大类产品，但这二类产品特征相似，只有材 料不同。所有在以后的设计中只将特殊部分加以说明，其它均在一起说明。 华中科技大学硕士学位论文 j = - _ _ _ _ | ；j e = = = e e ，= _ _ _ 一i i i i i i = 目j _ - 2 3 利用p r o l e 进行产品特征建模 2 3 1p r o e 特征的形式和种类 1 、p m e 是一个以特征为主的实体模型系统( f e a t u r e b a s e ds o l i dm o d e l ) ，对于 数据的存取也是以特征作为最小单元，所有的参数建立都是以完成一个特征为目 的，因此每个零件都由一连串的特征所构成。每个特征改变零件的外形，并加 入某些设计信息至零件的实体模型。在设计过程中，可随时更改特征的形状及其所 含的设计信息。 2 、p r o e 中常用的特征有规则形状特征( p i c ka n dp l a c ef e a t u r e ) ，可以用尺 寸数值及特征数据描述。操作时只要选择特征的放置部位( p i c k 操作) 、放置位置 ( p l a c e 操作) 、相关数值即可。如钻孔( h o l e ) 、圆角( r o u n d ) 等。不规则形状特 征( s k e t c h e df e a t u r e ) 必须绘出2 d 剖面形状，由剖面长成实体。如开槽( s l o t ) 、 切削( c u t ) 等。基准特征( 含基准面( d a t u mp l a n e ) 、基准轴( d a t u ma x i s ) 等也 是特征的一种，但基准主要是用在实体建造时的参考，属于虚拟的特征。 2 3 2f r o e 几何造型功能和方法 1 ) p r o e 软件中采用基于特征的实体造型技术，特征是构成实体的基本单元， 实体由一个或若干个特征组成，造型的过程就是通过增加特征逼近最终零件的过 程。 2 ) p r o e 的特征很多，其中创建实体特征有3 5 种以上方式，创建曲面特征有 2 2 种以上而且均不包括各种的特征选顶；此外还有基准特征等，对不同的特征可采 用不同的方法进行造型，但不同的造型方法可能导致不同的特征树，对工艺有影响， 因此要根据情况选择正确路线。 3 ) 在构造实体的过程中或实体构造完成后，可以对特征进行操作。 4 ) m o d e l 常用的模组：s k e t c h e r - 音1 面的产生和修改、p a r t 零件的产生和修改、 a s s e m b l y 零件组装图的产生和修改、d f a w i n 争工程图的产生和修改。 华中科技大学硕士学位论文 5 ) 造型的基本过程： 启动p r o e 程序； 建立工作目录w o r k i n gd i r e c t o r y ，这样有助于图纸数据管理，随后输出的文 件d x f d w g s t l 都将在此目录下； 0 新建文件( 不用中文名) ； 配置文件修改； 建立基准面： 建立第一特征如p r o t r u s i o n ； 建立第二特征如此下去，直至造型完毕。 模型输出供c 舡或二维图用。 特剐提示：在造型过程中，应合理建立层，将c u r v e 、s u r f a c e 放入相应的层 中，必要是可关闭，以不影响视觉效果，有助于简化显示信息。建立视图，特别是 按照图纸造型时，以便于图纸相应的视图进行对照。尽量减少父子关系，基准优先 参照建立的基准面。造型时使用内部基准。有效利用草绘命令，加上适当的约束并 借助于辅助线，会使造型工作变得容易。造型时根据信息进行特征操作，每建立一 个特征应注意几何检查i n f o g e 巳t r y c 髓c k 及时存盘。 2 3 3p r o e 平台下特征模型参数化设计方法 实现参数化设计有许多方法，p r o e 系统能进行参数化特征造型，有能使各个 模块集成起来的数据库，各个模块的设计修改关联。可利用p r o e 模块编制程序， 或修改绘图过程中生成的程序实现参数化设计。借助软件中的p r e l a t i o n s “、 p p r o g r a mm j 、p t a b l e 、p l e g a c y 等模块的功能，通过输入参数与设计尺寸的关系 式，能实现零件图和装配图参数化设计。 1 、确定参数和关系式 在机械工程图设计中，p r o e 将参数分为三类：零件特征参数、组件特征参数、 系统特征参数。零件特征参数可以确定零件的几何尺寸、拓朴关系、公差用户自定 义的特性等信息；组件特征参数还包括零部件的i d 信息和装配信息；系统特征参 华中科技大学硕士学位论文 _ _ 口i i i i 一 数分为材料特征参数和特性参数。所以参数不仅可以是数值，也可以是有语义的文 字，例如装配路径也是一个参数。关系式把参数和模型特征联系起来，控制具体模 型的生成，它可以是等式联立的方程式，也可以是判断性语句。 2 、参数化造型，建立零件、部件库 建立特征模型树( m o d e lt r e e ) ，尽可能减少父子特征，增加平行关系。 利用特征分类法建立零件、部件库。零件、部件可分为标准件和专用件，在建 成库时已分清。p r o e 的p t a b l e 模块可编辑族表( f a m i l yt a b l e ) ，从雨将同一类的 标准件以的形式收集在同一中，然后赋予不同的每个零件特征参数值，以便调用。 这种方法对部件( p a r t ) 同样适用。 3 、p r o e 提供了强大的二次开发软件包，p f i o o l k i t 。它以c 语言为依托， 封装了许多针对p r o e 的底层资料调作的库函数与头文件，借助第三方的编译集成 系统进行调试。可通过c 文件，用户化操作环境。也可以用v c 在p r o e 中自动创 建制图标注。 p r o e 能输出多种格式的数据，如i g e s 、d x f 、s e t 、v d a 、d w g 等。为提 高效率，也可将别的软件的机械图输入到p r o e 中，实现二耆的通讯。将p r o e 设 计的参数化模型集成到v c + + 6 0 语言开发的w i n d o w s 应用程序中，从而形成一 个界面。 4 、程序( p r o g r a m ) 是自动化零件和组合件设计的一项重要工具，使用才者可 以经由非常简易且高级的程序语言来控制特征的出现与否、尺寸大小、零件的出现 与否、零件的个数等，当零件或组舍件的程序设计完成后，以后再读取此零件或组 合件时，其各种变化情况就可以利用问答的方式得到不同的几何形状，以实现产品 设计的要求。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 产品特征建模实例 2 4 1 产品特征建模 按照2 3 2 中的基于p r o e 产品建模方法，以产品p c q l 0 0 0 0 1 为例建立模型， 如图2 7 所示。( 图2 4 是此产品的a u t o c a d r l 4 版本图形) 。 2 4 2 建立产品特征关系表 利用p r o e 的产品特征的产生过程，即实际的加工过程所产生特征的过程。 根据产品的三维特征模型，可以产生特征树和特征关系树，如图2 8 所示的 p c q l 0 0 0 0 1 产品特征图，图中左侧为产品的模型树，右侧为主特征i d 3 9 ( 即原料) 的子特征和父特征的特征关系树，各特征的关系就清楚地表示出来，同时可以确定 产品的特征多少，代号，各特征间的关系。 图2 7 产品的形状特征模型 华中科技大学硕士学位论文 图2 8 产品的模型树和特征关系树 因为在模型中不能同时显示很多特征的关系，所有可根据特征树做产品特征关 系列表，并对其中的特征进行分层，即所有具有平行关系的特征在层，其子特征 在其下一层。在列表中同时考虑产品特征中的冲切类和变形类，可以对排样设计有 很大帮助。因辅助特征只是在建模过程中所做的参考特征，不具有实际意义，故不 在表中列出。以下是对产品特征的分层例表。 表2 1 产品特征关系表 主特征i d 3 9 冲切类变形类 1 层i d 2 0 6i d 2 4 7i d 2 8 9i d 3 2 6l d l 0 8 2i d l 2 4 7l d l 4 1 0 2 层i d l l 4 6i d l 2 4 9i d l 4 1 2 3 层 由表1 可知，除去在三维建模过程中的辅助特征如参考基准特征外，在原材料 主特征i d 3 9 以下，按照特征产生的过程，有二层特征关系，其中第1 层的特征是 平行的，而第2 层中的特征是在第1 层特征上生成的，是第1 层的子特征。由此类 华中科技大学硕士学位论文 推，可以将特征的全部关系列出。 2 4 3 产品特征的参数化 1 、按照上述所建的产品模型，在p r o e 中，可以用来控制特征的参数表达，如 图所示。同时特征间约束等也可以用数学关系式( r e l a t i o n s ) 来表达，从而建立一 个参数化的产品特征模型。即将现有的尺寸用参数来表示，只要确定最基本的参数 值，就可以改动参数的的产品特征模型，形成另一种产品。 r e l a t i o n s 数学关系式的设定 r e l 棚o n s 数学关系式 e n dr e i ：n 0 n s 建立关系式的方法有两种：一种是在草图模式( s k e t c h e r ) q j ，单击r c l a t i o n a d d ， 在出现的空白条目中，建立关系式；另一种是在特征完成后，在p a r t 菜单中，单击 r e l a t i o n - - a d d ，根据需要建立关系式。建立的关系式可以是恒等式，也可以是不等 式。在恒等式中，未知参数放在等号左边，可知或已知参数放在等号右边。 此外，如果对已应用的关系式进行修改也十分方便，只需选取r e l a t i o n 菜单中 的e d i t r e l ，系统自动弹出记事本，在其中选取要修改的关系式，编辑修改完后，保 存退出，并重新生成模型即可。当零件模型的多个关系式之间有一定联系时，应注 意关系式的建立顺序。即如果一个关系式中定义的参数被其它关系式使用，此关系 式应放在其它关系式的前面，如果顺序不对，则关系式的控制达不到目的。 2 、产品特征模型也可以通过程序( p m 酎a m ) 进行的参数控制和生成特征。 2 5 本章小结 本章对门窗五金件长杆件产品进行了特征定义、分类等，在p r o f e 环境下建立 了产品的三维特征模型，并对特征之间的关系进行了分析，建立了特征关系树和特 征关系表，同时对参数化建模方法做了说明。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = 4 = = j = _ 自- _ _ _ _ _ _ - 自= ；j ；= j ；j _ e ，_ = ；= ，_ | | = j _ _ j _ _ - t _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ i _ - i 3 门窗五金冲压件级进模工艺设计 3 1 级进模工艺设计的内容 级进模设计一般包括冲压工艺设计和模具结构设计二大部分。级进模工艺设计 主要有冲压件的工艺分析和工艺方案确定。工艺分析包括冲压件的结构工艺性、尺 寸精度和表面粗糙度、尺寸基准等；工艺方案确定包括排样设计、工艺参数计算、 主要采用的模具结构形式等。 工艺设计主要是检查工件对工艺的适应性，并根据排样设计及冲压规则进行方 案检查，为后续的模具设计提供依据。冲压工艺规划了一个冲压件用几道工序来冲 压完成及每道工序的基本内容，对冲模设计及制造、调试影响很大，在缩短模具制 造周期、降低价格保证质量等方面起着重要作用。良好的冲压工艺可保证材料消耗 少、工序次数少、模具结构简单、操作方便、寿命长、产品质量稳定等。 3 1 1 级进模的定义、特点和分类 1 、级进模是冷冲模的一种，也是多工序冲模，可以在一副模具中完成包括冲 裁、弯曲、成形及拉伸等多种多道冲压工序，具有比复合模更高的劳动生产率，也 能生产相当复杂的冲压件【3 1 1 。它广泛用于轻工、电子、家用电器等行业。 2 、级进模的特点是：( 1 ) 操作安全，因为手不必进入危险区域；( 2 ) 级进模 设计时工序可以分散；( 3 ) 级进模易于自动化，包括自动送料、自动出件等：( 4 ) 使用级进模可以减少压力机，车间面积、半成品运输及仓库面积；( 5 ) 级进模结构 与一般模具相比更复杂，导致模具生产周期长、成本高、难度大，许多未知因素在 试模前不可预料。 3 、级进模的分类。( 1 ) 按冲压工序性质可分为冲裁级进模和成形级进模。( 2 ) 按设计方法分封闭形孔连续式级迸模和分段切除多段式级进模f 3 2 】。 2 4 华中科技大学硕士学位论文 = = _ e = ，t e _ _ _ _ - - - - 一ii 目- i _ = e _ - _ - _ t _ 自 _ - _ _ - - _ _ - - 自- _ _ _ | - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - - - _ - - - _ _ - _ - _ - - 3 1 2 门窗五金冲压件采用级进模的优势 门窗五金件用于塑钢门窗和铝合金门窗，使用时放入型材的五金件安装槽中， 其槽口尺寸为1 6 x1 2 ( m m ) 。五金件冲压件多为长杆件产品，如图2 4 和2 5 所示。 而且其冲压特征明显，容易在宽台面的冲压设备上制造，而且使用多工位压力机是 经济的。它具有如下优点： ( 1 ) 门窗五金件生产的批量大，采用级进模能达到更高的生产率，同时能保 证产品质量，减少成本。基于上述原因并参考国外先进企业的生产模式，制定高效 生产方法就是采用级进模。 ( 2 ) 产品长；尺寸单一；产品特征单一、较少：而且复杂的拉深、弯曲等特 征很少，容易实现，部分模具可以看作简单模具的组合； ( 3 ) 可以采用少废料设计( 只有切断的废料) ，材料和产品相近，而且在生产 线中容易实现自动送料和在模具中定位。因为参考国外现有的生产制造经验，采用 材料与产品等宽设计，可使用材料利用率达到9 5 以上( 长度在2 0 0 m m 以上者) 。 ( 4 ) 由于产品的特征相近，容易实现模块化，使模具的制造可实现批量化。 模块化设计就是利用产品零件部件在结构及功能上的相似性，实现产品的标准化与 组合化。实践证明，模块化设计可有效地缩短产品设计周期，提高产品质量并降低 产品成本1 33 1 。 ( 5 ) 模块化的模具，通过逆向工程，反过来可以快速构成新产品。因为模具 设计采用与构成产品的形状特征进行设计，通过基本的特征组合，可以构成新产品， 因为它们之间存在单一的映射关系。 3 1 3 门窗五金件级进模设计的工艺特征参数及要求 l 、设备特征参数( 这是根据国外生产经验和部分可参考的数据及工艺要求所 得，经实际生产证明是正确的) ： 送料步距1 0 0 1 8 0 0 m m 送料节拍设计标准：3 0 6 0 次r a i n 华中科技大学硕士学位论文 校平精度0 2 m m m 送料精度：o 1 5 r a m 步长 公称力( k n ) 3 1 5 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 1 6 0 0 公称力行程( r a m )6 滑块行程长度( r a m ) 1 5 0 1 5 0 1 2 0 1 , 2 0 滑块行程次数f 次r a i n ) 3 0 6 0 最大装模i t 暇( m m ) 6 0 0 6 0 0 5 0 0 4 5 0 装模高度调整( m m l 1 0 0 滑块底面尺寸( r a m 、 5 0 0 0 x s o o 3 2 0 0 x 7 0 0 2 0 0 0 x 6 5 0 1 5 0 0 x 5 8 0 工作台面尺寸( r a m ) 5 2 0 0 x9 0 0 3 4 0 0 x8 0 0 2 0 4 0 x 7 6 0 1 6 0 0 x 6 5 0 2 、模具工艺特征参数： 大模架尺寸要求，配合滑块和工作台尺寸制作。 小模块的闭合尺寸要求：2 4 0l l l m 。 3 、门窗五金件级进模工艺设计的生产要求 因为北新建材( 集团) 有限公司的门窗五金件项目以国外设备为参考，生产线 要采用高速连续冲压生产线，因此模具的设计在开始时就提出了以下原则： 几条主要生产生产线的模具要具有互换性和通用性，即模块的安装尺寸要一 致，有互换性，在几条生产线上的小模块可以互装；尽管多工位级进模的结构复杂， 但基本由模架、凹模、凸模、卸料装置、步距精度控制装置、导料装置等组成1 3 4 】：3 5 3 0 因为五金件产品的系列化较强，产品之间差异在形状上不大，只在长度等有变化， 故在级进模设计时要多采用互换性设计和嵌拼式设计。 模具设计要标准化，以减少零件数目，降低成本；典型结构标准化，零件标准 化，减少备件量。主要目的是为了降低成本，减少制造和维护周期。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 级进模的排样设计 3 z 1 级进模排样设计的重要性及方法步骤 1 、级进模排样设计的重要性。 级进模的排样设计，是条科在级进冲压过程中，为完成各种冲压加工工序所必 须设置的工位布置。它完整地给出了制件各部位的冲制顺序、各工位的加工内容、 模具的总工位数和加工工位数、各类工位的排列顺序、步距的公称尺寸及控制步距 精度的方式、坯料载体的结构形式、导正销的设置位置、制件展开料在条料上的排 列方式和条料的宽度等。合理的排样设计，其工位分布顺序应符合制件的冲压工艺 过程，各工位在规定的时间内应准确无误地完成作业内容，并且对已完成的工作， 不能产生任何有可能使其尺寸精度和相对位置关系发生变化的影响；条料在送进行 过程中应畅通，保证坯料准确到位，步距精度符合设计要求；各工位的位置设璧应 便于模具安装、拆卸和维修：排样取向应符合零件的结构要求，载体设计要有足够 的传递刚度，以免坯料在送进过程中产生歪斜或偏移，并要有较高的材料利用率。 排样是进行模具设计的重要依据，经过排样设计就确定了：模具的工位数；被 冲制零件各工序的安排及先后顺序；工件的排列方式；送料步距、条料的宽度 和材料利用率；导料的方式、弹顶器设置和导正销安排；模具的基本结构。 设计好一副既要满足零件质量要求，又要满足零件生产数量的级进模，首先要 解决好零件的排样设计问题。排样设计是级进模设计的关键、核心，其结果不仅决 定了冲压件各部分的冲制顺序，也基本决定了模具结构，排样的优劣对模具的结构、 寿命、冲压件的质量都有很大的影响。工步排样包括冲压件各工序形状、尺寸设计、 工序布置、载体设计以及条料定位方式选择与布置等。其设计受许多因素影响，如 模具结构和加工工艺性、模具强度和刚度、冲压精度、送料稳定性、压力分布、条 料定位等。由于工步排样的复杂性，在传统的设计中，设计方案的确定需要有经验 的专家才能胜任。自c a d 技术引入冲模设计领域以来，国内外对级进模排样设 计c a d 技术进行了大量研究i ”1 3 8 1 ，特别是8 0 年代以来，智能技术开始应用于排 华中科技大学硕士学位论文 样设计，研制出了许多原型专家系统。但排样设计是级进模中经验性最强的环节， 这一特点决定了级进模工步排样一般以人工交互为主。 2 、多工位精密级进模排样的基本方法 在排样设计中，最原始的方法是采用人工设计，这种方法要消耗大量的时间和 精力。现有的级进模c a d 的排样设计中，主要的技术有面向对象技术【捌、基于事 例的推理( c a s e - - b a s e dr e a s o n i n g ，简称c b r ) 技术t 删、专家系统技术，基于规则 的模具设计专家系统等1 4 2 1 1 4 3 1 ，同时面向并行工程的级进模工步排样技术州也在开 始应用。其中面向对象的技术、c b r 技术、专家系统技术等都要积累大量的知识， 而面向并行工程的技术则要综合利用多种技术，进行并行设计。因此在不同的产品 中也要综合分析，对此类产品挑选适当的方法，否则多种方法并用即便使用计算机， 也要消耗很多精力。 3 、本文对排样设计方法的理解在于分解分类，即在设计中对产品特征进行分 解，如冲孔、裁切、弯曲、成形等，按特征类别分类；综合排序，即按特征的平行 关系和父子关系等进行分类排序，确定出级进成形的主要轮廓，基于理论分析，然 后进行工序排样的设计：审验成图，按排样的原则或基于知识进行审验同时结合 设备情况和工艺参数论证，经过修改排序后，就可以进行排样图的绘制。 3 2 2 门窗五金件的产品级进模排样设计系统 1 、排样设计系统的策略 产品特征间的关系与模具排样设计有一定的顺序关系，对应于产品特征模型和 模具排样设计之间有一种映射关系，这种关系是基于并行工程、产品特征的基础提 出的，可以人工检查，亦可以引入智能设计语言工具进行设计和调用，自上而下地 推出结果，并能自行检查，做出判断和提示。门窗五金件产品冲压排样设计的主要 策略是：在排样的过程中，一般以冲压加工工序( 方式) 的形状特征为基本单元 1 4 5 】，不考虑特征的映射，通过按产品的形状特征建立、修改产品特征模型。进行 特征分类，如第二章所分形式。建立特征关系表。按特征分类及特征的平行关系 和父子关系等确定出产品成形的主要轮廓，确定表中层次关系及特征之间的关系。 华中科技大学硕士学位论文 = = = j l - 叫iii i l = _ _ l _ - _ i _ _ - j _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ - 按表中层次关系和特征关系表进行初步排样设计。按排样的规则进行审核，结 台设备情况和其它工艺参数进行校对，完成排样设计并绘制排样图。 由于智能型级进模排样系统还没有达到实际应用的程度，还要进行人工干预，因 此在根据初步排样设计的基础上，加上了基于冲压规则的检测和人工交互设计，从 而使系统更加柔性化。基于特征的排样设计策略如图3 1 所示。 五金件产品排样设计策略图 吾篡煮数计算r _ i 磊泵再云衮j 卜产品特征分类。 【刃口尺寸计算鲁 一 ， 三二= = = 二二二二= ： f 曼雳篙誊系分析l 产品特征关系表r 模具基本工艺规则 2 ：基扎沉孔暮： i 一 蠢蓉孚r 初步排样设计乏j 蓄勇焉嘉丽、一i 王生皇垫!l堡璺塑蔓：! 垩查苎：竺苎塑至! 产品模具排样设计 图3 i 五金件产品排样设计策略圈 z 、门窗五金件长杆件产品的级进模排样设计流程 ( 1 ) 使用p r o e 软件建立产品的三维特征模型，在建立过程中一定要按照产 品的加工制造方法和先后顺序确定，才能保证建立后产品特征模型中各特征的关系 是与加工工序一致的。如沉孔加工要先做圆孔再加工倒角。 ( 2 ) 对产品形状特征按加工工序进行分类和最基本的工艺参数计算。如第二 章图2 6 所示。 c 3 ) 利用产品的特征模型中的特征树和特征关系树确定产品中各特征的关系， 如平行、父子等关系，建立产品特征关系表并分层。因为冲压