毕业设计（论文）-拉深模压边圈结构设计及研究.doc

毕业设计拉深模压边圈结构设计及研究学生姓名： 董文 学号：112018213 系 部： 机械工程系 专 业： 材料成形及控制工程 指导教师： 韩海军 二零一五 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目: 拉深模压边圈结构设计及研究 系部： 机械工程系 专业： 材料成型及控制工程 学号： 112018213 学生： 董文 指导教师（含职称）： 韩海军（高工） 1课题意义及目地 （1）意义： 1）通过利用水液压机研究压边圈对所受压力的作用效果来分析常用压边圈的优缺点及结构特点。 2）为防止由于压边圈的压力不均而使拉深件产生起皱或断裂的问题。（2）目标： 以所学专业知识为基础，以实用为目的，通过对冲压拉深工艺的分析及相关参数的计算，进一步进行压边圈的设计。2主要任务 1）分析研究压边圈的结构特点及常用压边圈的优缺点 2）设计两种压边圈装配图并绘制零件图 3）设计说明书一本 4）电子资料一份3主要参考资料 1 范存德.液压技术手册M沈阳：辽宁科学技术出版社.2004:29. 2 曾正明.机械工程材料手册M北京：机械工业出版社.2009:609. 3 陈公振.应用锥形压边圈进行拉深的探索研究J制造维修,2006,(9）. 4 周世侃.基于新型双层组合压边圈的变压边力控制J.机械工程材 料.2005. 5 魏春雷.冲压工艺与磨模具设计M.北京理工大学出版社,2007. 6 江财明,管爱枝,吴立军等.拉深变压边力机构的设计J.浙江科技学院学报，2009,(9). 7 高贵杰,雷君相.压边圈研究进展及其创新设计J.上海理工大学,学,2009(3). 8 Heinrich Markstaedter.FEM Process Simuation Using a Segmented-Elastic Blank Holder with LS-DYNA J.23rd CADFEM UsersMeeting ,2005.(9). 9 牟林,胡建华.冲压工艺与模具设计J,北京大学出版社2010(6).4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅文献，完成开题报告,初步确定设计方案2015.03.01至2015.03.102完成工艺计算，确定摸具结构方案2015.03.11至2015.04.203中期检查2015.04.21至2015.05.014绘制模具图的绘制2015.05.02至2015.05.255完善设计内容2015.05.26至2015.06.15审核人： 年 月 日拉深模压边圈结构设计及研究摘 要：压边圈是在拉深成型工艺中常用到的结构之一,为改善传统压边圈在压边时材料的受力状态，本文就是利用液压结构来安全提供恒定的压边力，更好的服务于拉深成型。 本文在详细介绍压边圈的结构及其受力状态和常见的压边圈的优缺点的基础上，研究了在不同应力作用下对坯料的影响，为了防止在工作工程中坯料的起皱或者拉裂的现象，设计了一种利用液压设备来提供稳定压边力的压边装置，克服了传统拉深工艺中由于压边力不稳定造成坯料变形甚至压边圈自身的损坏。在拉深成型工艺过程中坯料的凸缘部分是主要的变形区，因此利用液压结构设计压边装置来保证在拉深过程中压边圈压制坯料时压边力的稳定，通过毛坯的受力情况来分析拉深过程中应力应变。关键词：压边圈，应力应变，拉深模，液压机Deep drawing die rim structure design and researchAbstract: Pressure rim is in deep drawing forming technology, one of the commonly used structure in order to improve the traditional pressure rim at the edge of the voltage stress of the material, this article is to use hydraulic structure than security provides a constant blank-holder force, it is morn better service in the deep drawing forming. Based on the detailed introduction of the structure of blank holder and its stress state and the advantages and disadvantages of common pressure rim, on the basis of was studied under different stress influence on billet, in order to prevent the work blank wrinkling or cracking phenomenon in the engineering, design a kind of hydraulic equipment is used to provide a stable blank-holder force of blank holder device overcomes the traditional deep drawing process of billet deformation due to unstable blank-holder force even pressure rims own damage. Billet in the process of deep drawing forming process of the deformation of the flange part is the main area, so the hydraulic structure design of blank holder device was used to ensure at the edge of the deep drawing process of medium voltage ring pressed blank when the stability of blank-holder force, through the force of the blank to the stress and strain analysis of deep drawing process.Key words: pressure coil, stress and strain, deep drawing mould, hydraulic press目 录 1绪论11.1压边圈的研究背景31.2拉深模压边圈的应力分析的目的及意义41.3国内外发展情况及研究42拉深过程中毛坯的受力情况及应力应变分析62.1常用压边圈的优缺点62.2使用压边圈的条件83拉深变形过程材料的力学分析114设计新的压边圈134.1液压控制系统工作原理134.2多油缸液压压边装置的设计144.2.1油路设计144.2.2凸缘制件样例分析压边力的影响155液压缸的设计235.1液压缸的主要尺寸235.1.1缸筒的设计235.1.2液压缸的计算245.2活塞杆的设计255.3强度校核 275.3.1缸筒壁厚的校核 275.3.2活塞杆直径d的校核285.4活塞杆稳定性校核286液压式压边圈的力学分析307结 论32参考文献33致谢34太原工业学院毕业设计1 绪论拉深成形是通过工作模具对所需要加工的板料施加作用力，从而导致拌料内部的应力状态，发生较为复杂的变化，促进板料向理想方向流动，是一种利用冲压模具和设备将毛坯冲制成形的较复杂的塑性变形过程。因此，在板材的各种冲压成形方式中，拉深成形是一种很重要的成形方式。这是由于板材冲压成形工艺成形效率很高，并且能广泛的运用到大批量生产过程当中，既节约了生产成本，又大大提高了生产效率，目前已经在航空航天、家用电器、仪器仪表、电子通讯、轮船汽车等行业得到广泛应用。 板料经过冲压成形后的产品能够得到相对于原料十多倍的产品价值，这也是冲压成型工艺在工业生产价值方面有巨大的潜力的原因。这也就说明了，板材的冲压成形技术在一定程度上是对一个国家模具工业能力的反映。传统的压边装置在坯料受力时主要有起皱和拉裂两大障碍，起皱在工件拉深时产生的主要问题，但我们可以利用安装压边圈的方法来解决，利用水液压机提供缓慢压力对压边圈力的作用来研究不同种类压边圈对受力的应力状态的分析常用压边圈有橡皮压边圈、弹簧压边圈、气垫式压边圈。在普通单动小型压力机上常用橡皮、弹簧压边装置，选择合适的型号和尺寸尽量减少不利的因素，如弹簧，应选用压缩量大的，压边力随压缩量缓慢增加的弹簧。而橡皮式压边圈选用较软的橡皮，为使其压缩量不致过大，注意应选取的橡皮的高度不小于拉深行程的五倍。利用液压设备对压边圈受力分析可以减为直观地反映出在液压力缓慢的作用下压边圈结构的变化。对于大型工件压边圈的设计利用液压机可以提供足够的压力。在现代工业生产中，随着市场竞争力的不断加大，消费者对产品那个的性能要求就越来越高。因此，冲压制件朝着复杂化、多样化方向发展。在模具行业的发展中，冲压模具占到50%，压铸模具约占6%，塑料磨具约占33%，其他模具约占11%。冲压模具包括有成型和分离，在成型工艺中。拉深成型工艺最为常见，包括在航天航空以及汽车覆盖件中都有着重要的应用。由于拉深工艺较为复杂，常见的影响拉深成形的工艺参数包括板料参数、几何参数、板料的成型性能等。在拉深成形的过程中主要会发生的质量问题有起皱和拉裂，为了降低拉深极限系数，提高极限拉深深度，可以采用可控并保持恒定压边力的。拉深模具来提高坯料的成形极限，不仅可以挺高普通材料的利用率，还可以降低生产成本。下表为我国模具工业情况图1-1国内模具产值表我国由于城乡经济发展的不平衡，模具工业起步较为迟缓，而且在20世纪80年代以后才租户不走上了正轨。模具行业的发展除了要继续提高自身的生产能力，还需要着眼于行业内部的整顿和技术水平提高。随着我国国内经济的不断提高，消费者对精密复杂的高档模具需求增大，模具行业需要向中高档模具发展，改进设备结构就显得尤其重要，特别像汽车覆盖件磨具成型分析及结构的改进等高端加工工艺及制造技术。近些年，由于我国模具行业的体制的改革步伐有了很大的改变，这主要表现在：加工大型、精密、复杂、长寿命、中高档模具及模具的标准的能力或速度高于一般模具产品。在塑料模具和压铸模具方面生产的比例有了大幅度的提升。按地域发展情况来看，我国模具行业发展较好的主要在珠江三角洲和长江三角洲为中心的东南沿海轻工业发展较快的城市中，大趋势上南方的发展要比北方快。目前模具生产发展较快的主要城市有浙江、广东、上海、江苏、安徽等省份。就我国目前拥有丰富的人力资源，及庞大的市场，模具行业与国际交往的日益增多，投入也逐渐增多。模具结构趋向于大型、精密、复杂等多方面发展，但随着零件结构的精细化，在以后模具行业必将向精密方向发展。由于CAD/CAE/CAM技术的快速发展，利用计算机辅助模具设计制造，模具的设计将会更加高速发展,在拉深模生产工艺上，压制拉深薄坯料材料的时候，为避免坯料发生起皱或者是拉裂的情况，经常需要要安装压边圈结构。目前常见的压边圈有弹簧式、橡皮式，以及气垫式压边装置，在双动压力机上还会用到刚性压边装置。然而，弹性压边装置由于其在拉深时受到拉深行程和压缩量的限制，导致它的使用范围受到限制，但由于其在生产上结构简单、在单动压力机上还是应用比较多的。对于气垫式压边装置，其压边效果较好，但其结构复杂，维修比较困难，需要压缩空气保障，这些缺点致使其在生产中应用范围受限。在目前模具生产行业趋于高速化、精密化、信息化的情形下，常用的生产设备不能满足人们对模具的要求，压边圈的结构也正发生着改变，避免了常见压边圈的缺点，使压边力能够稳定的作用在压制在凹模上，在不同的生产条件下，可以调定不同的压边力来满足生产要求。1.1 压边圈的研究背景在拉深工艺中，主要存在起皱和拉裂两大产品质量问题。目前常用的压边装置主要有弹性和刚性两大类，弹性压边圈包括弹簧压边装置及橡皮压边装置应用较为广泛。然而这些常见的压边装置在控制压边力上还不能达到理想的状态，由于其在拉深过程中压边力是非线性变化的，在利用压力机冲压薄板获取复杂形状的零件时就会对压边圈的形状及压边力有所要求，如果压边力太大，易于拉裂，如果压边力太小，则不能防止起皱。对于刚性压边装置，由于其只能用在双动压力机上，不能用于单动压力机上，在实际生产中比较麻烦。各类压边圈在不同的模具成型过程中所起到的作用也是不同的。冲裁模具：压边圈作用主要是用于保证坯料工件平面的平整。成型模具：压边圈作用主要是防止工件在拉伸、拉延过程中由于作用力的不足而起皱。精密冲裁模具：压边圈作用主要是抑制坯料流动，避免冲裁过程中坯料变薄的区域有断裂带出现。在拉深成型工艺中，理想的压边力应该是在保证板料不发生起皱或拉裂的前提下取得的最小值，并且压边圈对板料施加的这个稳定的压边力始终保持不变为最好。为此，综合考虑，设计一种可以调节压边力，并且在压制的过程中压边力始终保持恒定的压边装置液压式压边圈。在本设计中，主要是利用液压结构带动压边装置对坯料进行压制成型，在确保不会发生起皱和断裂的前提下，通过研究多个压边力在压制过程坯料的受力状态来得到较为理想的压边力，从而可以更好地在实际生产中利用压边装置。目前研究出来的新型压边圈也充分的回避了传统压边装置的缺点，例如，采用限位机构对弹簧、橡皮压边装置的改进，其结构特点：在拉深开始阶段上模下行与压边圈接触后，压边圈被带动通过螺杆使橡皮压缩，产生压边力，当上模下行与限位柱接触后，使限位柱向下运动，通过垫板是橡皮被单独压缩橡皮鸭所产生的压边力直接作用域上模，这样使橡皮在工作过程中的压缩量就没有变化，而工作过程中需要的压边力由橡皮通过螺栓作用于压边圈上。1.2 拉深模压边圈的应力分析的目的及意义(1)拉深模压边圈在受力时主要有起皱和拉裂两大障碍，起皱在工件拉深时产生的主要问题，但我们可以利用安装压边圈的方法来解决，利用水液压机提供缓慢压力对压边圈力的作用来研究不同种类压边圈对受力的应力状态的分析常用压边圈有橡皮压边圈、弹簧压边圈、气垫式压边圈。在普通单动小型压力机上常用橡皮、弹簧压边装置，选择合适的型号和尺寸尽量减少不利的因素，如弹簧，应选用压缩量大的，压边力随压缩量缓慢增加的弹簧。而橡皮式压边圈选用较软的橡皮，为使其压缩量不致过大，注意应选取的橡皮的高度不小于拉深行程的五倍。利用液压设备对压边圈受力分析可以减为直观地反映出在液压力缓慢的作用下压边圈结构的变化。对于大型工件压边圈的设计利用液压机可以提供足够的压力。(2）通过实验测定压边圈在受力状态下产生的形变，分析其应变及其对受理的要 求，在改进压边圈的受力状态条件下提高疲劳寿命，降低生产成本，对今后在冲压生产有一定的指导意义。1.3 国内外发展情况及研究2005年，上海交通大学国家模具CAD工程研究中心开发出双层组合压边圈4，并用其进行压边力的控制。其主要结构包括上层、小顶住、下层，上层是弹性材料，上层与板胚料的凸缘区接触，下层与顶杆相连接，通过沉槽在上下层之间嵌入多个小顶柱，小顶柱之间有很小的长度差，一般为0.1mm，根据实际需要，在不同的区域嵌入不同数量和长度的小顶柱。这种压边圈使用在传统的压力机上的2，工作原理：液压缸通过顶杆提供定值压力，因为小顶柱有一系列的长度变化，所以小顶住将力传递给上层不同区域产生不同的弹性形变，从而使上层不同区域产生不同的压边力 ，达到分区压边的目的。2003年11月该压边圈在上海大众公司的车门内板生产线进行了实际应用，取得了预期效果。此项技术的重大意义在于：完全无需改变传统压力机的结构，仅仅更换压边圈就可以方便地实现分区变压边力控制，大大的降低生产成本。相对厚度一定的板材，在拉深成形的过程中减小了拉伸系数对于拉伸成型十分重要，根据JI.A小弗曼的计算5，塑性最好的材料在理想状态下最小极限拉深系数m=0.4，但由于摩擦力和抗弯压力的影响，实际的最小极限拉深系数只能达到0.48-0.5.对于实际应用中的有些情况来说此拉深系数偏大，不能满足拉深成形的要求，需要进一步减小最小极限拉深系数。对于此福州大学机械工程学院的陈功振研究出锥形压边圈在其他拉深设备不变的情况下，仅仅将原来的压边圈更换成为锥形压边圈就能减小最小极限拉深系数，以相对厚度为1.5的08号钢板为例，其拉深系数可以达到0.22，这比理想状态的最小极限拉深系数减小了54.16%3。再者，他还详细论证了锥角大小对最小极限拉深系数的影响。尼龙圈组合式压边圈就是采用八个液压缸提供压力7，在小型的液压机上使用该压边圈一般用四个液压缸提供压力，但四个液压缸不可能做到完全同步，即在压边过程中的四个压边块的压料面不能组成一个绝对的平面，在相邻的两个压边块之间存在有高度差。因此，这样拉深成形的零件表面上会出现严重的划痕，表面质量不能满足要求。为此，高贵杰教授在分区压边圈的下面增加一个材料为尼龙66(PA66)的整体圈，是尼龙圈的整体表面与板胚料接触，实现压边块表面之间的圆滑过渡。液体静压支撑柔性分区压边圈双向流固耦合分析为了研究液压油膜在胚料上产生的应力，利用CFX+Ansys对该压边圈进行双向流固耦合分析1。为简化分析，仅仅分析装配结构模型的一半，按照板胚料与压边圈相对静止进行分析，建立的流体计算域模型。2005年，德国斯图加特大学的金属成型技术研究所(IFU)研制成功了弹性分区压边圈8，此压边圈主体由多个圆锥体形的树桩构成，每一个圆锥体构成一块分区，每一块的分区由单独的液压缸提供压力，压力的作用点在圆锥体的小端，一块金属板将大端连接在一起，小端由另一块金属板连接在一起，以增加强度，防止各圆锥体在受力时弯曲或者偏斜。研究者用Ansys软件对此压边圈进行了受力模拟分析，在与板材接触的表面上可以获得均匀分布的压边力。2 拉深过程中毛坯的受力情况及应力应变分析 拉深过程是一个复杂的塑性变形，为了更加深刻的认识拉深工艺，就很有必要对该过程中板料的应力、应变状态进行分析。2.1 常用压边圈的优缺点 目前生产中常用的压边装置有弹性压边装置和刚性压边装置两大类。1、弹性压边装置 这种压边装置多用于普通的单动的压力机上，主要由以下三种结构：（1）橡皮压边装置（2）弹簧压边装置（3）气垫式压边装置在生活中，橡皮及弹簧是压边装置在普通单动的中、小型压力机上是被广泛应用的，它们在生产中的成本低、加工方、容易制造。但在随着拉伸深度的增加，凸缘变形区面积不断减少，所需要施加的压边力也逐渐减少。而橡皮与弹簧的压边装置所产生的压边力与此刚好相反，随着拉深深度的增加而始终增加，尤其是橡皮压边装置的作用更加严重。这种工作状态使拉深力增加，从而会导致零件的拉裂。对于橡皮、弹簧压边装置，我们应该正确选择弹簧的规格及橡皮的的牌号和尺寸大小，尽量避免它们的不利因素。例如对于橡皮压边圈，应该选用较软的橡皮，为使其相对压缩量不会太大，应选取橡皮的总高度不小于拉深行程的5倍。对于弹簧则应选用压缩量大，压边力随压缩量缓慢增加的弹簧。对于气垫式压边装置，其压边效果比较好，但由于其在生产制造成本高，使用维修都比较复杂。图2-1弹性压边装置 图2-2弹性压边装置的压力曲线2、刚性压边装置 这种压边装置主要用于双动压力机上，其工作原理是通过曲轴旋转，由凸轮带动外滑块使压边圈将毛坯压在凹模上，然后由内滑块带动凸模对毛坯进行拉深。在拉深过程中，外滑块保持不动。刚性压边装置的压边作用，并不是直接靠调整压边力来保证的。拉深过程考虑到凸缘变形区在拉深过程中板厚有增大的现象，因此调整模具时c应该略大于板厚t。采用刚性压边装置，压边力不随行程变化，拉深效果比较好，模具结构较为简单，采用刚性压边装置的拉深模可以拉深高度较大的工件，但其拉深力在拉深过程中不好控制。 图2-3刚性压边装置1固定版 2拉深凸模 3 刚性压边圈 4拉深凹模5下模座 6螺钉2.2 使用压边圈的条件 在拉深过程中，在了压力机上冲压各种薄板复杂形状的零件时，凸缘变形是否会发生失稳起皱，这主要取决于薄板材料的相对厚度t/D以及切向应力的大小，然而切向应力的大小又取决于薄板材料的力学性能以及在不同时刻板料的变形程度。此外，拉深模的凹模的几何形状和它的圆角半径也会长生较大的影响。因此，在拉深时安装压边装置就是用来在凸缘变形区给板料施加轴向（板料厚度方向）的作用力，提高毛坯变形的稳定性从而防止了起皱。为了克服在压制过程中出现起皱的现象，生产中通常使用压边圈。是否采用压边圈，可用以下图表判断。 表2-1 采用和不采用压边装置的条件 拉深方法第一次拉深以后各次拉深t/D100 M1 t/dn-1100 mn可用压边装置 1.5 0.610.8可用，也可不用 1.52 0.611.50.8不用压边装置 2.0 0.61.50.8在拉深过程中，由于毛坯受到切向压应力，常常会失稳发生起皱现象。在拉伸工序中，起皱也是造成废料的主要原因之一因此防止起皱也是拉深工艺的重要问题。影响起皱的原因很多，但是坯料的厚度会直接影响才来哦的稳定性。所以相对厚度愈大的材料，其稳定性就会愈好，在相对厚度较大时，压应力的作用只会造成材料切向压缩变形，而不至于会产生起皱。在拉深过程中，微小起皱的出现都可能会时坯料被拉入凹模造成褶痕，如果褶痕很严重，坯料在被拉入凹模里会在凹模圆角处产生破裂。如图2.5所示。 图2.5 坯料变形 防止起皱的发生就需要尽量提高皮料在拉深过程中的稳定性。在生产中常常用安装压边圈的方法来消除起皱。利用压边圈，将坯料压制在它和凹模之间，坯料虽然受到切向压应力的作用，但它不会在厚度方向上发生起伏，从而提高了坯料的稳定性。另外，由于压边力的作用，使坯料和凹模之间，以及坯料和压边圈之间产生摩擦力，的作用，使得切向压应力不会超过纵向弯曲的抗力，从而避免了起皱的发生。 图2.6 压边圈内部受力状态343 拉深变形过程材料的力学分析在拉深过程中，毛坯受凸模拉深力的作用，在凸缘毛坯的径向产生拉伸应力，切向产生压缩应力。在它们的共同作用下，凸缘变形区材料发生了塑性变形，并不断被拉入凹模内形成筒形拉深件。毛坯受到凸模拉深力的作用，在凸缘毛坯的径向产生拉深应力1切向产生压缩应力3.在拉应力和切应力的共同作用下，凸缘变形区发生了塑性变形。如图所示为在压边圈作用下，毛坯在拉深状态下某一时刻所处的状态。 图3-1拉深模压边过程各部分的应力应变状态凸缘部分这是拉深的主要变形区，这部分才来哦径向受拉应力1,、切向受压应力3的作用。在压边圈的作用下在板厚方向上产生压应力2，其应变状态为径向拉应变1，切向压应变3.由于凸缘部分的最大的主应变是切向压应变，3的绝对值最大，因此板厚方向上产生拉应变2，板料略有变厚。凹模圆角部分这部分是过渡变形区，材料的变形较为复杂，除了和凸缘部分相同的特点即径向受拉应力与拉应变，切向受压应力与压应变。还承受凹模圆角的压力和弯曲作用产生的压应力在这个过程中拉应力最大相应的拉应变也最大。因此板厚方向产生压应变。筒壁部分筒壁经过塑性变形有被拉直，继续拉深但不会发生大的变形，凹模产生的拉深力经过筒壁传给凸缘部分，因此筒壁部分只承受1的作用，在纵向会产生很小的伸长和变薄。 筒底圆角部分这部分材料主要承受双向拉伸作用力，产生拉应力1、3，它的应变为平面方向的13及厚度方向的压应变2。凸模圆角部分这部分材料主要承受切向拉应力和径向拉应力1、3的作用，在厚度方向上受到凸模的压力和弯曲作用而产生的压应力2的作用。4 设计新的压边圈 本文设计的是一种利用多油缸提供恒定压边力的压边装置，该装置结构较为简单、生产成本低且易于制造，其优点是其可以在压边过程中调节压边力并在该过程中压边力一直是稳定的。该装置可以普通的压力机、油压机上使用。在模具工作过程中该装置可以随着压力机上下移动自动压边，不需要其他的控制，与此同时压力的大小可以随意调节，而且压力值始终稳定在某一数值上。4.1 液压控制系统工作原理液压系统由油箱1、油泵2、低压溢流阀3、高压溢流阀4、压力表5和6，及八个油缸等部分组成。油泵2通过电动机带动提供压力油，油液通过单向阀进入到各个油缸，压力油就会推动缸内活塞向下运动顶住压边圈，当拉深模凸模向下运动压制工件时，压边圈凸模向下移动压制工件时，压边圈首先与工件接触，并压入凹模内，由于缸内活塞杆已经顶住了压边圈，所以活塞杆就不能再动，但缸体就会相对于活塞杆向下移动。这时由于油缸上腔的容积逐渐变小，油液压力增大，随着压力的逐渐增大，油液就会首先通过高压溢流阀泄流，油液流回油箱，使系统油液压力降低。在此时，油泵输出的压力油经过低压溢流阀进入油箱，在该系统中，油泵2的作用就只是往油缸中供油，低压溢流阀3的压力能满足油路的各种压力损失以及机械摩擦力就可以了。高压溢流阀4要调节到较高的压力，用高压溢流阀3调节各个压力来、取得一个理想的压边力。当工件压制结束，凸模上升，油缸上腔油液不再受压缩力。油泵2排出的压力油进入到油缸，推动活塞下移，使油缸重新充满油液。当活塞杆下端移到顶住压边圈时，活塞杆不再移动，此时，油泵排出的压力油经过低压溢流阀3排入油箱，完成整体的压边过程。图4-1液压压边装置4.2 多油缸液压压边装置的设计4.2.1 油路设计 液压系统由油箱、油泵、单向阀、高溢流阀、低压溢流阀、两个压力表、电动机及油缸等部分组成。 图4-2液压油路图 1 油箱 2 油泵 3 低压溢流阀 4 高压溢流阀 5、6压力表 7液压缸 8单向阀4.2.2 凸缘制件样例分析压边力的影响下面通过一个筒形件拉深制件图样来研究压边力的理想状态1、零件工艺性分析工件图样如图所示，材料为08钢，材料厚度为t=1mm，其工艺分析如下 图4-3坯料材料分析； 由于304号钢具有良好的塑性，而且材料经济适用。特性及适用范围：为极软的碳素钢，强度、硬度较低，而韧性和塑性又很高，具有良好的深冲、弯曲和墩粗等冷加工性能、焊接性能。但存在时效敏感性，淬硬性及淬透性极低。大多制成高精度的薄板和冷轧钢带用以制造易加工成型，强度低的深冲压或深拉延的覆盖零件和焊接构件。本例采用第一次拉深不复合，经过多次拉伸成型。力学性能:抗拉强度b(MPa)325(330)屈服强度s(MPa)195(200)伸长率()33断面收缩率()60。1）制件的工艺性分析 如图为凸缘筒形件，料厚为t=1mm，对料厚的变化没有要求，制件为简单、对称的筒形结构，底部圆角半径r=2mmt，凸缘处的圆角半径R=2mm，即为料厚的2倍。满足拉伸工艺对圆角半径和形状的要求，尺寸筒内径=20.10+0.1mm，为IT=12级筒高度为32mm，满足拉深工艺对精度的要求。2）工艺方案的确定 为了确定制件的工艺性方案，首先应该求出拉深次数及有关尺寸大小。板料的厚度t=1mm。2、计算坯料的直径 根据制件的尺寸，由表查的切边余量R=2.2mm，因此凸缘直径dt=59.8mm，查表图4-4带凸缘筒形件皮料直径计算公式为 求得 D=78mm 3、判断能否一次拉深成形根据t/D100%=1.28%，df/D=0.766mm，查表7-14图4-5可知m1=0.46,从而可以确定该制件一次拉深不能成型，需4次拉深。4、确定首次拉深工件的各尺寸初定df/d1=1.3，查表如下图图4-6知m1=0.55，则：d1=m1D=40.5mm取r1=R1=5.5mm为了使凸缘变形区在以后各次拉深中凸缘不再变形，取首次拉入凹模的材料面积增加5%，则坯料的直径; D=79mm 可得首次拉深高度为: H1=21.2mm检验取得的m1是否合理，根据t/D100%=1.28%，df/d1=1.48，查表可得H1/d1=0.58，因此所取得m1是合理的。5、以后各次拉深的工件的尺寸查表4-7得m2=0.78，m3=0.80,m4=0.2，则：首次拉深系数为m1=0.55,以后各次拉深系数为m2=0.78，m3=0.8，m4=0.82因为62.564所以内筒的拉深次数为4次。确定各次拉深半成品的尺寸各次半成品直径计算，调整各次拉深系数，使各次拉深系数均大于表中查的数值，调整后实际选取m1=0.55，m2=0.8，m3=0.8，m4=0.83各次拉深直径确定为：各次半成品高度计算，取各次的底部圆角半径为r1=4mm r2=3.5mm r3=3mm r4=2mm,把各次工序件直径和底部圆角半径带入下面公式确定各次工件拉深的高度：h1=0.25（222.162/122.18-122.18)+4/122.18(122.18+0.324)=70mmh2=0.25（222.162/97.74-97.74)+4/97.74(97.74+0.323.5)=101.8mmh3=0.25（222.162/78.9-78.9)+4/78.9(78.9+0.323)=137.8mmh4=0.25（222.162/64-64)+4/5464(64+0.322)=172.2mm以后各次拉深工序件的圆角半径： r2=R2=4.5mm，r3=R3=3.5mm，r4=R4=2.5mm拉伸方法第一道拉伸以后各道拉伸(t/d)100m1(t/dn-1)m2用压边圈1.50.60.60.8可用压边圈1.52.00.61.50.8不用压边圈2.00.61.50.8表4-7图4-8各次拉深班成平毛坯6、压边力的计算 在拉深过程中，为了防止在拉深工件时工件的边缘或凸缘起皱，应该使毛坯在被拉入凹模圆角之前保持稳定状态。起皱层度主要取决于毛破的相对厚度。在以后的各次拉深中，通过半成品的相对厚度来确定后续各次拉深所需要的压边力。如图所示，为压边力的计算公式：图4-9单位压边力压边力的大小按以下公式计算 Fq=Aq式中：A压边圈上毛坯投影的面积，单位mm2 q单位压边力，单位MPa由筒形件压边力公式，通过计算该图样通过4次拉伸就可以达到成型的目的，材料单位压边力取p=4MPa，由公式=1/222.16100%=0.45零件的相对厚度为0.451.5时，通过计算比较得知在第一次第二次拉伸时都需要用压边圈，压边力可求得为，两次拉深的压边力分别为， 该压边力在本设计中由液压系统提供压边力，通过校核在各次拉深中液压缸活塞杆的强度来得到压边圈的理想受力状态。落料拉深总装配图1 螺钉 2螺钉 3压边圈 4 落料凹模 5 卸料版 6 导套 7上模座 8 凸凹模固定板 9 螺钉 10 落料拉深凸凹模 11 螺钉 12 横销 13 打杆 14 模柄 15 推件板 16拉深凸模 17 、18圆柱销 19导柱 20液压缸 21下模座5 液压缸的设计5.1 液压缸的主要尺寸 液压缸的主要尺寸包括缸筒内径D、活塞杆直径d和缸筒长度L。根据负载大小和液压缸的工作压力确定活塞的有效工作面积，再根据液压缸的不同结构形式计算出缸筒的内径。活塞杆直径是按受力情况决定的，可按表3-1初步选取。缸筒长度的确定要考虑活塞最大行程、活塞厚度、导向和密封所需长度等因素。通常情况L(2030)d。计算结果要圆整成国家标准中的推荐值。主要尺寸初步确定后，还要按速度要求进行验证。同时满足力和速度的要求后才可以确定下来。 液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸工作压力p/MPa7推荐活塞杆直径d(0.50.55)D(0.60.7)D0.7D图5-1液压工作压力与活塞杆直径5.1.1 缸筒的设计1、缸筒材料的选择 根据液压缸的工作环境初步确定其最大推力和拉力为16MPa，因此其材料必须要有一定的强度和硬度，所以缸筒材料可选用无缝钢管；在选购缸筒原材料时,一般都是直接从钢材厂订购经过冷拔后的20号钢的缸筒毛坯件。即：内圆已经过衍磨、外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管，因此缸筒只须割槽加工。因为缸筒外圆无精度要求，因此缸筒外圆无须精加工。2、缸筒材料的选择参考下表 图5-2缸筒材料几何参数本次设计选取45号钢，从表中可以看到缸筒材料的屈服强度s=360MP缸筒材料的抗拉强度b=610MP由以上数据可知缸筒材料的许用应力=s/n=360/5=72MP安全系数n=55.1.2 液压缸的计算1）液压缸的效率由m v d三种效率组成 机械效率m由运动件摩擦造成，在额定压力下通常取m=0.9 容积效率v，通常由密封件泄漏造成，一般安装密封圈时取值v=1，安装活塞环时为0.98 作用力效率d,由出油口背压力的反作用力造成通常取值为d=0.9因此总效率 =m v d=0.82）液压缸直径的计算内径可以按下列公式计算液压缸的负载推力 F1,F2液压缸实际使用推力，压力；液压缸的负载率，一般取值0.50.7；液压缸的总功率，一般取值0.70.9；P液压缸的供油压力；d活塞杆的直径本次实际中液压缸的负载为推力F=10000N =0.7 =0.8 P=4MP可得到液压缸的内径为D=80mm活塞的面积，查手册可知A1=5010-4m23）缸筒壁厚的计算缸筒壁厚可以使用下式进行计算。当 /D=0.037 0.08时，通常为高压力为额定压力的1.5倍可用薄壁缸筒的实用计算式求得: Pmax=6MP 由许用应力 =72MP则可得缸筒壁厚 =3.3mm为安全起见取壁厚为5mm5.2 活塞杆的设计1）活塞杆杆体的选择本设计选用的是实心杆件，形式如下图图5-3活塞杆活塞杆材料和技术要求因为没有特殊要求，所以选用45 号钢作为活塞杆的材料。由于本次设计中活塞杆只承受压应力，所以不用调制处理，但进行淬火处理是必要的，淬火深度可以在0.51mm 左右。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，保证活塞安装不产生歪斜。活塞杆外圆粗糙度Ra选择为0.3m因为是运行在低载荷情况下。所以省去了表面处理。2）活塞杆的计算活塞杆直径的计算由速度比=2，缸筒内径D=80mm可以从下面的表格中直接查取：图5-4由图可以得到活塞杆直径d=56mm活塞杆强度的计算，由公式： Fn为液压缸活塞面承受的推力 s为材料的屈服强度 d 活塞杆的直径由前面给定的45号钢的屈服强度为s=360MP，许用应力=72MP得到活塞杆直径d23mm,符合强度要求 5.3 强度校核在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不做校核。在高压系统中需按下列情况进行校核。在本设计中主要对活塞杆强度进行校核。5.3.1 缸筒壁厚的校核当D/10时为薄壁，按下式校核:PyD/2 式中，D-缸筒内径；缸筒材料的许用应力，=b/n，b是材料的抗拉强度，一般取安全系数n=5；py=1.5pn；pn16Mpa时，py=1.25pn。当D/10时为厚壁，按下式校核: 5.3.2 活塞杆直径d的校核 式中，F活塞杆上的作用力；活塞杆材料的许用应力，= b/1.4。在活塞杆运动承受最大的推力,F=6129N，45号钢的许用应力为=72MP通过计算，可以确定活塞杆的直径符合强度要求。5.4 活塞杆稳定性校核当活塞杆受轴向压缩负载时有压杆稳定性问题，即 压缩力F超过某一临界Fk值时活塞杆就会失去稳定性。活塞杆稳定性按下式进行校核 式中，nk安全系数，一般取nk=24。 当活塞杆的细长比时， 当活塞杆的细长比，且时， 式中，l安装长度； rk活塞杆截面最小回转半径，； 1柔性系数； 2由液压缸支承方式决定的末端系数； E活塞杆材料的弹性模量，钢材：； J活塞杆横截面惯性矩； A活塞杆横截面积； f由材料强度决定的试验值； 系数。经过校核，可知液压活塞杆在样例中的受力状态下能够满足强度要求，也能保持在活塞杆向压边圈提供压边力时保持稳定。从而克服了普通压边圈在压边力的控制时导致的材料起皱或拉裂。6 液压式压边圈的力学分析 在该设计中，主要是由8个液压缸提供压边力，在压力油的作用下活塞杆向下移动顶住压边圈，在滑块下移压制坯料的时候，压边圈接触坯料，并与凹模接触，在合模完成后，完成冲裁，在整体过程中，液压缸活塞杆向压边圈提供压力，就要求活塞杆有足够高的强度。在设计中通过计算活塞缸液压杆在不同拉深条件下，承受的作用力是活塞杆的强度进行校核，满足强度的要求，保证了在拉深工艺过程中，压边圈在压制工件时能够提供一个合理的压力，确保皮料既不会由于提供的压边力太小发生起皱，又不会因为拉深力太大道至坯料拉裂而浪费材料。另外，利用液压装置设计压边圈，一方面能够在压制坯料的时候能够随时调节压边力的大小，可以根据不同的工艺要求来选择压边力的大小；另一方面，在研究中，可知压边力的主要作用就是把凸缘紧压在凹模表面上，用来防止起皱，压边力的大小主要通过摩擦的作用对零件质量和拉裂产生影响。从理论上讲压边力的大小应该和最大拉深力的大小一,Rt=(0.80.9)R0时起皱发生的趋势最为严重，此时压边力也是最大的。利用可调压式压边圈，实现了拉深过程中压边力的恒定，并且能够方便调整压边力。尤其在拉深坯料厚度较小的零件能够防止局部变薄及拉裂的缺陷，利用液压设备设计压边圈的理念能够更加合理的对压制过程压边力的控制，根据在油路中油液压力的大小调节，与常见压边装置相比，液压式压边装置在模具工作和生产效率一样条件下，延长了压边圈的使用寿命，加工工艺也比较简单，降低了生产成本。在生产中更加方便，实践证实，在拉深高度和薄壁件较大的拉深过程能有效防止局部变薄和拉裂的缺陷。与常规的压边结构相比，模具的工作方式和生产效率相差不大，模具的制造难度有所增加