笔记本电脑上壳冲压模设计-毕业论文

I 摘 要 笔记本电脑由于携带方便而广泛的受到欢迎。轻量化是笔记本电脑的一个发展趋 势，因此外壳使用镁合金材料制造，上壳的制造采用冲压模具。材料确定之后要查表， 然后计算修边余量，再确定毛坯外形，查表得出计算公式计算尺寸，然后查表得到拉 深的次数，在这个过程中我们要确定加工工艺是落料、拉深、冲孔、修边。在设计冲 裁工序时要先由公式计算冲裁力，然后再通过查表得出顶件力系数，可计算得到顶件 力大小，再通过冲裁力和推料力就得出了压力机要提供的力，选择合适的压力机型号， 在通过公式和查表计算得到落料件精度和尺寸。进行拉深工艺计算时，先查表得出抗 拉强度和系数，再通过公式计算拉深力。查表得出计算公式并计算出压边力，将它们 二者加起来就可以得到压力机需要提供的总压力，从而选择出压力机型号。在进行设 计冲孔工序时，通过公式计算冲孔力、推料力与卸料力，其中的系数查表可得。 关键词：镁合金；冲裁；拉深 II ABSTRACT The notebook computers are widely used in recent years because it is easy to carry. The development trend of notebook computer is light weight, so the shell of computers is made by magnesium alloy material, and the manufacture of the shell use the stamping die. After the determination of the materials, look-up the table to calculate the trimming allowance, and determine the blank shape. And then according to look-up table to calculate the size, check table to attain the number of drawing, determine the processing technology for falling material, drawing, punching and trimming. When design the blanking process, it needs to finish the formula calculation of blanking force and look-up table to get the top force coefficient. By formula the force size together with the punch force and pushing force to attain the needed pressure force, then choose the type of press. By the formula and look-up table calculation to choose the blossoming materials size. During the drawing process calculation, the first step is look up the table to draw the tensile strength and coefficient, and then according the formula to calculate the drawing force. Then look at the table to calculate the formula and calculate the pressure side force, then will get the total pressure of the press should be provided, which select the type of press. In the process of punching design, according to the formula to design the punching force, pushing force and unloading force. Key words: Magnesium alloy; punching; drawing III 目 录 1 绪论.1 1.1 选题背景及目的 .1 1.2 国内外研究状况 .2 1.3 课题研究方法 .2 1.4 论文构成 .2 2 冲压工艺规程的编制.3 2.1 冲压件的工艺分析 .3 2.1.1 材料.3 2.1.2 结构工艺性分析 .4 2.2 确定毛坯形状及尺寸 .4 2.2.1 计算修边余量.5 2.2.2 确定盒形件的毛坯尺寸.6 2.6 毛坯尺寸、外形 .7 2.3 排样设计及材料利用率计算 .8 2.3.1 排样方式.8 2.3.2 求材料利用率的大小 .8 2.4 确定工艺方案 .8 2.4.1 确定基本工序.8 2.4.2 比较不同加工方案.8 2.5 工艺计算 .9 2.5.1 落料工序.9 2.5.2 拉深工序.11 2.5.3 冲孔工序.12 2.5.4 修边工序.12 2.6 冲压工艺过程卡片 .13 3 拉深模设计.16 3.1 模具的结构形式 .16 3.2 计算模具的刃口尺寸 .16 3.2.1 计算上下模刃口尺寸.16 3.2.2 计算压力中心.17 IV 3.3 零件设计及标准件选择 .18 3.3.1 凸模的设计.18 3.3.2 凹模的设计.19 3.3.3 设计定位板.19 3.3.4 弹性压边圈的设计.19 3.3.5 拉深筋的设计.20 3.3.6 设计上下模座与导柱导套.20 3.3.7 出件装置的设计.20 3.4 模具闭合高度的计算 .21 3.5 装配图及零件图的绘制 .21 3.6 压力机的校核 .21 4 修边模设计.22 4.1 模具的结构形式 .22 4.2 压力中心计算 .22 4.3 零件设计和标准件的选用 .23 4.3.1 斜楔和滑块的设计.23 4.3.2 滑块返回行程的复位机构.25 4.3.3 设计出件装置.25 4.3.4 设计上模座.26 4.3.5 下模座的设计.26 4.3.6 压料板的设计.26 4.3.7 防磨板的设计.27 4.3.8 设计导板.27 4.4 模具闭合高度的计算 .27 4.5 装配图及零件的图绘制 .28 4.6 压力机校核 .28 总结.29 参 考 文 献.30 1 1 绪论 1.1 选题背景及目的 金属镁及其合金是迄今在工程应用的最轻的结构材料，镁合金主要以镁组成，刚 度和强度很高，超过了铝，常规的镁合金比铝合金轻了 30%到 50%，并且对环境没有损 害1 1很多常用金属在加工时都或多或少会对环境产生污染，很多的小型加工厂等企业 不惜以牺牲环境为代价来获取利益，而镁合金在此方面存在着很大的优势。而且镁合 金质量较小，相比常见金属密度要小，拥有较大的强度，加工性能好，因此在制造小 型便携设备拥有明显优势，在保证重量小的前提下，硬度要求也可以达到最高，再加 上加工成本低，因此受到了很多企业的青睐。拥有美好外观的镁合金材料，更便于上 色，对产品的外观设计具有巨大的优势2。该材料在诸多产业都能用到，方便加工， 小到手机电脑，大到航空设备等，镁合金材料的应用越来越广泛。 因为镁合金材料具 有诸多的优势，所以镁合金材料在国内外也越来越受重视，发展也很迅速，在诸多领 域都能看到镁合金材料发展与应用。从上世纪就开始，在对金属镁的研究到镁合金的 研究这一系列的过程中，全球工业做出了长足的进步，并从中获得的巨大的利益。上 个世纪时期，全球工业还远不如现在发达，对镁的研究也很局限，镁合金的研究和发 展还很不充分，很多工作还处于摸索阶段，很多有关镁合金性能的研究还没有得到完 全发展，最初对镁的使用大多在航空领域。随着工业的不断发展与进步，经济水平的 日益提升，镁的产量也是越来越大，与此同时对其他行业材料的要求越来越高，资源 向着枯竭的方向发展，污染愈加严重。镁才向着其他领域渗透，并且应用效果很好， 特别是在汽车行业，由于镁质量轻的性能，使汽车的整体重量得到降低，在减轻了重 量的同时保证了一定强度，从而减小了油耗，节约石油资源，从而又间接对环境做出 了巨大贡献。金属行业代表着一个国家的工业化发展水平，我们国家相当重视工业化 的发展，同时也对金属行业十分的重视，从上个世纪对钢铁的大力发展到现在的各种 金属，每一种新兴的金属材料都象征着我们国家工业水平的提高与发展，镁金属因它 自身的优异的性能迅速受到各工厂企业的青睐。因此，我们要更加重视镁的发展，让 镁为全人类做出更大贡献，积极研发镁及其合金迫在眉睫。为我国工业化发展贡献力 量。 但是，金属镁及其合金也存在着一些缺陷。随着世界工业的发展，对镁的需求量 与日俱增，供不应求，在未来对镁的需求量预计还会呈现较快增长的趋势。镁虽然质 量轻，硬度较大，但是一些行业中硬度还是没有达到完全安全的标准，相比其他较轻 的材料，镁合金的硬度大了很多，但是汽车在碰撞时冲击很大，还存在这安全问题， 所以也具有两面性3。 2 我选择该课题也是为了增强对镁及其合金的了解，为了以后研究镁材料打下一定 的基础，增加对镁金属的重视程度，让更多人了解镁及其合金材料，发掘出镁金属及 其合金材料的更多潜力，克服其存在的不足，让全人类收益。目前，我们国家的模具 行业人才还是比较紧缺，特别是现在机械模具等行业对人才的素质和能力随着社会的 发展要求也越来越高，现在的大学生的理论能力还要与实际操作接轨，做设计就是一 种很好的衔接方法。所以我选择这个课题是为了锻炼自己的模具设计能力，为就业打 好基础。 1.2 国内外研究状况 近年来，全球对镁合金的需求量每年大幅度增长，镁合金的开发和应用已经受到 世界各国的重视，由于金属镁的应用领域不断的扩大，对镁的重视也随之增加，对金 属镁与镁合金的生产与研发规模愈发加大。 西方发达国家工业发展水平高，十分重视变形镁合金的研究与开发，变形镁合金 材料已开始向系列化发展，产品应用领域不断扩展，对金属镁的优点发现的比较早， 现在生产技术也已经处于比较成熟的阶段。欧洲和北美对金属镁及其合金的研制最为 先进，需求量也最大，生产方式也不是我们现阶段所使用的，值得我们借鉴。其中美 国的变形镁合金材料体系较为完备，合金系列有 Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Li、Mg-Th 等，可以加工成板、棒、型材和锻件，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金非晶 态镁合金及镁基复合材料等。现在国外更多的发展镁的合金材料，金属镁与不同金属 构成的合金材料具有不同的优点，常见的可以与镁构成合金的金属有 Al，Zr，Li 等。 中国镁资源相当丰富。上个世纪我国的工业发展水平还相对落后，对镁的发展相 对较晚，变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、棒和 型材，国防军工、航天航空用高性能镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未进行大力 开发。因此，对镁的研发相对一些发达国家我们还是处于比较落后的阶段，但是随着 我国工业的不断发展，我国的工业水平已经处于世界的前列，对镁合金的研发和生产 水平已经变得日趋成熟，现在我国已经成为了镁资源生产量最大的国家。从最初应用 在军事领域到现在的家家可见成长进步，从中可见我国对镁的研发投入的人力和财力 也是相当巨大的。在全国范围内不同省市的研发生产水平也是存在着很大差异，在同 业较为发达的省市兴建的生产基地，生产方法也在继续不断改进提高，生产效率也随 之越来越高，不但节省原材料还可以减少排放，镁合金的优势也越来越明显。现在镁 的地位已经变得与钢、铝同等重要了，是 21 世纪最重要的新兴金属材料。 1.3 课题研究方法 室温时的镁合金塑性极低，因此，室温时不适合加工。镁合金在高温状态下有良 好的可塑性，在一些材料不容易形成的条件下，它也能成型，但变形速度不应过大。 3 本设计是依据镁合金材料加热时的拉深情况来进行的，镁合金材料在 AZ31AZ31 拉深过程中的参数有拉深力、坯料温度、模具圆角、间隙、压边力等，在坯料的拉深 过程中，这些参数都可以产生或多或少的影响2。 1.4 论文构成 (1)选题背景和研究方法。 (2)冲压工艺规程 经过综合计算，再综合经济性等诸多因素，最终决定工艺方案。 (3)设计模具 包括拉深模及修边模。 (4)总结。 4 2 冲压工艺规程的编制 2.1 冲压件的工艺分析 冲压件的零件图如图 1 所示 图 1 零件图 2.1.12.1.1 材料材料 所用材料为镁合金,其厚度为,表 1 是它的成分组成和拉伸力学性能: AZ311mm 表 1 镁合金 AZ31 化学成分 合 金 Mg Al Mn Zn Zr Min Si AZ31B 剩余 2.5-3.5 0.20-1.0 0.6-1.4 - 0.10 合 金Cu Ni Fe Ca 其 他 杂 质 AZ31B0.05 0.005 0.005 0.04 0.30 5 镁合金的管材、棒材、型材、线材拉伸力学性能为表 2 所示最低4。 表 2 镁合金的拉伸力学性能要求 合 金状 态产 品标定厚度或直 径/mm 管材标定 横截面积 / mm或 直径/mm 抗拉强度 min/MPa 0.2%屈服 强度 min/mm 伸长率 (50mm 或 4D) min/ %D、E 棒、型6.30所有2401457 6.30-40.00所有2401507 40.00-60.00所有2351507线 材 60.00-130.00所有2201407 空心型 材 所 有所有2201108 AZ31F 管 材0.70-6.301502201408 本设计的笔记本电脑上壳模具用的是镁合金材料，它为中强合金，焊接性和 AZ31 成形性也非常好。 2.1.2 结构工艺性分析 零件的结构工艺性分析如表 3 所示 表 3 工艺性分析表 分析项目冲压件的形状尺寸工艺性允许值分析结论 拉深工艺性 形状 圆角半径 拉深压边 盒形,形状规则无尖角 R3 t/D100=0.38 1.5t=1.5 3 形状相对简单。 工艺结构大于允许 最小值。 拉深容易起皱,需要 压边。 加工产品时，采取了拉深这一过程，而液压机的 行程是可以变化的，具有很大优势。而且顶缸安装在 液压机下边，零件可以被顶出，所以液压机是一个比 较好的选择。 2.2 确定毛坯形状及尺寸 笔记本上壳的拉深工艺按照盒形件的规律进行设 6 计计算，而盒形件的侧面是由长度分别是 A-2r 及 B-2r 的两对直边和四个半径为 r 的 圆角组成的。盒形件的拉深沿壁的变形是按非平均分布的；盒形件在拉深的时直边区 域并能只按照弯曲变形。因在直边区域同时产生了横向压缩以及纵向变形。而圆角区 域，因为存在着直边，及流动的金属，让圆角区域的变形量大大降低。 2.2.12.2.1 计算修边余量计算修边余量 如果盒形件的高度比较低，并且对上口精度的要求也比较低，就可以不做修边。 除此之外，经拉深后盒形件要进行修边，因此要先计算修边余量。 图 2 盒形件的修边余量 计算修边余量公式为 H0/rH 式中 ； -H0 ；修边余量 -H ； - H ； -r 得， 6=18/3=H0/r 查文献5表 4-24 得 0.05)H0(0.03=H 取 0.9=180.05=0.05H0=H 则 7 18.9=H+H0 =H 2.2.22.2.2 确定盒形件的毛坯尺寸确定盒形件的毛坯尺寸 0.22t Bt Fk F 1 b) a) 2 图 10 计算凸模强度时所取的面积 /FLt= k k 式中： 2 k 2 k 2 1800N/mm= - - t/2)(mm -F )(N/mm- (mm)-t (mm) -L 1800= 100=1) 260+1 50/(305 1 2) 260+2 (305=k 因此满足强度条件。 (3) 凸模的结构形式 由于凸模与模座的接触面的面积相对很大，因此要用螺钉进行固定，如图 10，由 于凸模的受力并非特别大，只要将凸模固定到下模座上就可以了，同时将底面止扣定 21 位，使整体结构变得更简单12。 图 11 凸模 3.3.23.3.2 凹模的设计凹模的设计 1) 凹模的形状和尺寸 凹模外形如图 1113 13，按照模具构造的真实情况，将其尺寸设为 70mm 400 400， 为了不压到手， 1 h应该要大于20mm。 图 12 凹模 2) 凹模的刃口形式 为让刃磨后刃口尺寸不变可以使用平刃口。 3.3.33.3.3 设计定位板设计定位板 定位板具有将一个毛坯外轮廓进行定位的效果，定位板与坯料定位面间宜使用 H9/h9的间隙配合，查文献8表 1-2-42 得: 3mm=2+1=2+t=h 因此定位板的尺寸就是3mm 400 400，并与压边圈配做。 3.3.43.3.4 弹性压边圈的设计弹性压边圈的设计 当工件圆角部分的半径很小时，拉深时就易发生起皱的现象，为保证拉深后的质量，此时就 应该使用压边圈，压边力过大或过小都不好，过大时可使危险面的拉应力增大，容易拉裂，相反过 小则达不到预期的防皱目的。 压边装置使用弹性压边装置，由于油缸压边效果比较好，而弹簧和橡皮的压边力 22 都与行程成正比，拉深效果不好，因此选用油缸压边装置。 根据诸要素弹性压边装置的尺寸设定为8mm 400 400，与凸模间隙配合。 3.3.53.3.5 拉深筋的设计拉深筋的设计 毛坯各处的变形量差别较大，因此布置拉深筋来调整。 拉深筋的布置原则14 (1)不起外皱 若在 dj之外安有平面压边圈，且单独施加平面压边力，那么当压筋时可以不起外 皱。 (2) 不起内皱 图 13 拉深筋诱发外皱 一般情况下，筋所受阻力的大小随位置的外移而增加，结构不变时便可以为阻力 和位置具有一定的函数关系。 (3)不拉裂 加大越大消除起皱的效果越好，不过阻力过大就可能破坏其内部，当筋的结构已 经确定的时候，可以改变位置参数来避免破坏的发生。 3.3.63.3.6 设计上下模座与导柱导套设计上下模座与导柱导套 模座与导柱导套全部都使用标准件。模座选用81-GB2855.5,硬度为32-HRC28, 材料为HT200 15。上模座尺寸为 55 400 A400，下模座尺寸为65 400 A400。在 安装模具时，要打上和模记号，也可以使导柱间隔有所不同。其中一对导柱与导套直 径分别是45mm 和60mm，另外一对的导柱与导套的直径分别是50mm 和65mm16。 3.3.73.3.7 出件装置的设计出件装置的设计 出件装置的结构如图 14 所示，出件时也就是用打料杆 1 及卸料板 2 将工件顶下来。 23 图 14 卸料装置 3.4 模具闭合高度的计算 275mm=65+85+70+55=H+H+H+H=H 4321 ，其中，H1是上模座高度，H2 是凹模高度，H3是凸模高度，H4是下模座高度。 3.5 装配图及零件图的绘制 用 1 A图纸以 1:1 的比例画出装配图,用 4 A图纸画出零件图。 3.6 压力机的校核 表 5 压力机的校核 校核内容压力机参数模具参数结论 动梁最大行程600远远小于可以将零件放进取出 动梁至工作台面最大 距离 Hmax=900 Hmin=230 H=275 满足 105 minmax HHH 工作台尺寸 586950 下模座尺寸为 560560 满足要求 24 4 修边模设计 4.1 模具的结构形式 修边模包括两种，一种是单纯的修边模，另一种是修边冲孔复合模，按照镶块的 运动情况将修边模分为以下三个不同种类： 垂直修边模：修边镶块与压力机滑块的运动方向一致作垂直运动的修边模； 斜楔修边模：修边镶块作水平或倾斜运动的修边模； 垂直斜楔修边模：一些修边镶块作垂直方向运动，而另一些修边镶块最水平或倾 斜方向运动的修边模。 设计中由于一些经济因素，垂直斜楔修边模就最合适了，不过因为当中某个切口 尺寸较大，若使用垂直斜楔修边模，产品的精度就很难被保障。因此可以在垂直修边 模前增加斜楔修边模，虽然多了一项工序，不过产品的精度得到保障，设计模具时， 应将工件品质放在第一位，其次考虑经济因素。 其结构形式为： A A ? 8H7/s6 ? 5H7/h6 ? 10H7/h6 01 02 03 04 05 06070809101112131415161718192021 22 23 24 25 220 660 图 15 修边模装配图 修边模设计时的一些注意事项： （1）采用铸造的上模、下模、压料板 （2）防止压料板的掉落，需设置压料板安全机构 （3）对于承受水平推力的模具要同时使用导柱和背靠块 （4）设置支承器，保护弹性元件部工作时处于自由状态 （5）设置模具的起吊装置 4.2 压力中心计算 根据零件几何形状的对称性,它的压力中心也是几何中心，没必要特别计算。 25 4.3 零件设计和标准件的选用 4.3.14.3.1 斜楔和滑块的设计斜楔和滑块的设计 (1)斜楔与滑块的行程关系 斜楔和滑块配对使用，使冲模的行程增加，这里是将垂直运动转换成水平移动， 如图 15。滑块2被斜楔1沿着水平向右推动。 1 2 1斜楔 2 滑块 图 16 斜楔、滑块运动方式 以下所示分别为水平斜楔的结构图、行程图以及加工受力图。 图 17 结构图 26 图 18 行程图 其计算公式为 tg=S3/S 1 F/cos=Q 图 19 受力图 当水平运动时取 =500，取8mm=S, 则 9.53mm=tg50 8=S3 取10mm=S3。 在右边的滑块的尺寸是35 222 70mm，在左边的滑块的尺寸是35 132 70mm。 (2) 斜楔和滑块的尺寸设计 滑块行程 1 S应该小于斜楔的有效行程S，滑块作水平运动时的斜楔角度 通常 1 为 40。 27 滑块的长度尺寸 2 L的数值应该使滑块被斜开始推进的时候，推动的合力作用线 2 应在滑块长度以内（见图 20） 。 正确的滑块高度 2 H应该小于滑块的长度 L2，通常取1 1)(2=HL 22 3 滑块的宽度 2 B通常应小于或等于滑块长度 2 L的 2.5 倍，这样可以保证滑块运动 4 的平稳性。 斜楔尺寸 1 H, 1 L基本上可以按照不同模具的结构要求来设计，为了使斜楔工作得 5 到保障，还要有可靠的挡块。 图 20 滑块尺寸关系图 4.3.24.3.2 滑块返回行程的复位机构滑块返回行程的复位机构 斜楔滑块在修边的过程中，因某些因素所产生的力会使凸模被卡住，从而使滑块 未能顺利返回最初的位置，这种情况就一定要安装复位机构。本次复位机构的设计使 用了反楔复位机构，其结构简图如图 21 所示。 图 21 滑块复位机构 4.3.34.3.3 设计出件装置设计出件装置 因为当工件放置在修边模上时，开口端是向下的，加工时压料板就会先压住工件， 再修边，工作完成后，工件还凸模上，而且中间没有一点间隙，而且还可能发生定位 件将工件卡住的现象，因此，取件就非常不方便，若取件的方法不合适的话，还可能 破坏工件，这样会影响到下道工序，因此为了顺利取出工件，就一定要安装取件装置， 28 本设计中取件靠的是气缸推杆的推动作用。 4.3.44.3.4 设计上模座设计上模座 其结构如图所示 图 22 上模座 其中 1 是装置限位器的限制压料板的移动位置，用来避免压料板掉落砸坏产品及 工作的人。 上模座的尺寸及材料分别是 66046095mm、HT250 4.3.54.3.5 下模座的设计下模座的设计 其结构如图 22 所示 图 23 下模座 其中 1 和 5 是落废料的孔。废料可以在 1 和 5 中掉到下方的废料盒里。3 的作用定出 托架，即用来定件，2 和 4 具有导向作用。 下模座的尺寸及材料为 660460120mm、HT250。 4.3.64.3.6 压料板的设计压料板的设计 其结构如图所示： 29 图 24 压料板 其中 1 是装置限位器的限制压料板的移动位置，用来避免压料板掉落砸坏产品及 工作的人。 4.3.74.3.7 防磨板的设计防磨板的设计 防磨板通常选择优质工具钢作为材料，本设计的材料选择 T8A,以下是尺寸的设计 原则： 防磨板的宽度设计。导向面通常取 48 个，而且一定要对称。防磨板的总宽度要 至少大于内侧滑动零件轮廓总长度的四分之一，总宽度确定了就以一定比例分配到各 导向部分。 防磨板的长度设计。防磨板的总长可以长一些