镁合金笔记本电脑外壳冲压模具设计.doc

学学 号 号 201003040205 HEBEI UNITED UNIVERSITY 毕毕业业设设计计说说明明书书 GRADUATE DESIGN 设计题目 设计题目 镁合金笔记本电脑外壳冲压模具设计镁合金笔记本电脑外壳冲压模具设计 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 10 机设机设 4 班班 学学 院 机械工程学院院 机械工程学院 指导教师 指导教师 副教授副教授 2014 年年 6 月月 3 日日 I 44 摘 要 本次设计通过分析笔记本电脑外壳的冲压工艺过程以及对镁合金的材料性 能 设计出一套笔记本电脑外壳的冲压模具 镁合金是迄今在工程应用中最轻 的结构材料 同时镁合金还具有高比强度和比刚度 尺寸稳定性好以及具有环 保性等优点 具有很大的市场优势和广阔的发展前景 但是由于镁合金常温下 不能拉深 通过查阅资料 可以通过同时加热模具和零件解决这个问题 用模具制造零件以其效率高 产品质量好 材料消耗低 生产成本低而广 泛应用于制造业中 冲压是靠压力机和模具对板材 带材 管材和型材等施加 外力 使之产生塑性变形或分离 从而获得所需形状和尺寸的工件 冲压件 的 成形加工方法 冲压件与铸件 锻件相比 具有薄 匀 轻 强的特点 冲压 可制出其他方法难于制造的带有加强筋 肋 起伏或翻边的工件 以提高其刚 性 在冲压工艺过程设计中 从产品的结果和功能出发介绍了本次设计所需要 的各个工序 由于对笔记本电脑外壳经行了一定的简化 所以拉深工序成为本 次设计的重点 本次设计以拉深模具的设计例 对冲压模具的设计过程进行了 介绍 关键词 笔记本电脑外壳 镁合金 冲压 拉深模具 Abstract This design through the analysis of the stamping process of laptop shell process and material properties of magnesium alloy design a set of laptop shell stamping die Stamping press and die by the sheet strip pipe and profiles such as force to produce plastic deformation or separation thus obtaining the desired shape and size Stamping forming process Compared to stamping parts and castings forgings has the characteristics of light thin uniform strong Stamping can be prepared by other methods difficult to produce with a reinforcing rib rib the ups and downs or folded to enhance its rigidity Magnesium alloys are the lightest structural material in engineering application and magnesium alloy has high specific strength and specific stiffness good dimensional stability and has the advantages of environmental protection has a large market advantages and broad prospects for development But because of magnesium alloy under the normal temperature can t deep drawing through access to information can solve this problem by heating mould and parts at the same time With mold manufacturing parts for its high efficiency products of good quality and low material consumption low production cost and widely used in manufacturing In the process of stamping process design from product according to the results and the function of this design introduces the need of all processes Due to laptop shell by the line must be simplified so the deep drawing process become the focus of this design In deep drawing mould design example the design of the stamping die design process are introduced Keywords Laptop shell magnesium alloy stamping Drawing dies III 44 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1 1 选题背景 1 1 1 1 镁合金的特点及国内外研究现状 1 1 1 2 模具概述 2 1 1 3 冲压工艺的分类及特点 4 1 2 设计研究方案 6 1 3 本次设计主要内容 6 第 2 章 镁合金的研究现状 7 2 1 AZ31 镁合金中合金元素的作用 7 2 1 1 Al 元素的影响 7 2 1 2 Zn 元素的影响 8 2 1 3 其他元素的影响 8 2 2 AZ31 镁合金的组织及性能 8 2 3 AZ31 镁合金塑性加工技术 8 2 3 1 挤压技术 9 2 3 2 锻造技术 9 2 3 3 轧制技术 9 2 3 4 超塑性成形技术 9 2 4 结论 10 第 3 章 冲压工件的工艺分析 11 3 1 零件图 11 3 2 结构工艺性分析 11 3 3 毛坯尺寸的确定 12 3 3 1 修边余量的确定 13 3 3 2 毛坯尺寸的计算 13 3 4 冲裁件的排样 14 3 4 1 排样方式 14 3 4 2 材料的利用率 15 第 4 章 工艺方案的确定 16 4 1 基本工艺方案的确定 16 4 2 不同工艺方案的比较 16 4 3 冲压工艺过程卡片 16 第 5 章 冲裁工序 19 5 1 落料工艺力计算 19 5 2 冲孔工艺力计算 19 5 2 模具压力中心计算 20 5 3 冲裁间隙的确定 21 5 3 1 冲裁间隙的影响 21 5 3 2 冲裁间隙的确定 23 5 4 冲裁模刃口尺寸的确定 23 5 4 1 刃口尺寸确定的原则 23 5 4 2 刃口尺寸的计算 24 第 6 章 拉深工序及拉深模具的设计 26 6 1 拉深次数的确定 26 6 2 拉深工艺力的计算 26 6 2 1 拉深力的计算 26 6 2 2 压边力的计算 26 6 2 3 拉深总工艺力 26 6 3 模具的总体设计 27 6 4 凸模和凹模工作部分的设计 28 6 4 1 凸模和凹模的间隙 28 6 4 2 凸模和凹模的工作部分尺寸 28 6 4 3 凸模和凹模的工作尺寸部分圆角半径 29 6 5 模具其他主要零件的设计及选用 29 6 5 1 定位板的设计 29 6 5 2 弹性压边圈的设计 29 6 5 3 拉深筋的设计 30 6 5 4 上下模座 导柱导套的设计 30 结 论 31 参考文献 32 谢 辞 34 附 录 35 1 44 第 1 章 绪论 1 1 选题背景 1 1 1 镁合金的特点及国内外研究现状 镁合金密度较轻 是实际应用中最轻的金属结构材料 其具有导电性 导 热性 电磁屏蔽性 同时性能良好 比强度和比刚度高 减震性好 切削加工 和尺寸稳定性夹 易回收 有利于环保等优点 被誉为 21 世纪的绿色工程材料 在航空 汽车 电子等领域获得了越来越广泛的应用 并表现出强劲的发展势 头 镁合金常用的成形方法有压铸 半固态铸造 挤压铸造 挤压和轧制等 其中镁合金产品的 80 是通过铸造方法获得 室温下 镁合金的塑性较差 变 形困难 且易出现变形缺陷 这是由镁合金自身性质决定的 也是制约变形镁 合金加工成形的重要原因 据有关文献报道 温度对镁合金的塑性影响很大 温度愈高 塑性愈好 变形抗力愈低 易于成形加工 镁合金的冲压形是一种 技术难度较大的生产工艺 在冲压成形工艺中 拉深成形最为复杂 难度也较 大 由于镁合金晶体结构是密排六方 滑移系少 常温下塑性较差 一般都必 须在 150 以上进行拉深成形 根据小坂田等人的研究结果 镁合金板材在 250 左右拉深时其拉深比超过铝合金和低碳钢板的常温拉深成形极限 在 175 时镁合金板杯形件拉深的拉深比可达 2 0 而在 225 时可达 3 0 超过了 钢板 铝板在室温下的拉深比 分别为 2 2 和 2 6 在该温度下镁合金拉深成形 性能与钢板 铝板在室温下的拉深性能相近 但以其生产效率高 可直接使用 高密度的轧制板料而具有很大的市场优势和广阔的发展前景 近年来 镁合金的开发和应用已经受到世界各国的重视 尤其西方发达国 家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 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 美国与世界上最大的镁生产企业 挪威 Novsk Hydro 公司签订了长期的合作关 系 日本也开始着重研究镁的新合金 新工艺 开发超强高变形镁合金材料和 可冷压加工的镁合金板材 英国开发出了 Mg Al B 挤压镁合金用于 Magnox 核 反应堆燃料罐 以色列最近研制出了用在航天飞行器上 兼具优良力学性能和 耐蚀性能的变形镁合金 我国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 研究和开发性能优良 规格多样的变形镁合金材料显 得十分重要 1 1 2 模具概述 模具是制造业的一种基本工艺装备 它的作用是控制和限制材料 固态或 液态 的流动 使之形成所需要的形体 用模具制造零件以其效率高 产品质 量好 材料消耗低 生产成本低而广泛应用于制造业中 模具工业是国民经济的基础工业 是国际上公认的关键工业 模具生产技 术水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志 它在很大程度上 决定着产品的质量 效益和新产品的开发能力 振兴和发展我国的模具工业 正日益受到人们的关注 早在 1989 年 3 月中国政府颁布的 关于当前产业政策 要点的决定 中 将模具列为机械工业技术改造序列的第一位 模具工业既是高新技术产业的一个组成部分 又是高新技术产业化的重要 领域 模具在机械 电子 轻工 汽车 纺织 航空 航天等工业领域里 日 益成为使用最广泛的主要工艺装备 它承担了这些工业领域中 60 90 的产 品的零件 组件和部件的生产加工 模具制造的重要性主要体现在市场的需求上 仅以汽车 摩托车行业的模 具市场为例 汽车 摩托车行业是模具最大的市场 在工业发达的国家 这一 市场占整个模具市场一半左右 汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一 汽车工业重点是发展零部件 经济型轿车和重型汽车 汽车模具作为发展重点 已在汽车工业产业政策中得到了明确 汽车基本车型不断增加 2005 年将达到 170 种 一个型号的汽车所需模具达几千副 价值上亿元 为了适应市场的需 求 汽车将不断换型 汽车换型时约有 80 的模具需要更换 中国摩托车产量 位居世界第一 据统计 中国摩托车共有 14 种排量 80 多个车型 1000 多个型 号 单辆摩托车约有零件 2000 种 共计 5000 多个 其中一半以上需要模具生 产 一个型号的摩托车生产需 1000 副模具 总价值为 1000 多万元 其他行业 如电子及通讯 家电 建筑等 也存在巨大的模具市场 目前世界模具市场供不应求 模具的主要出口国是美国 日本 法国 瑞 士等国家 中国模具出口数量极少 但中国模具钳工技术水平高 劳动成本低 只要配备一些先进的数控制模设备 提高模具加工质量 缩短生产周期 沟通 外贸渠道 模具出口将会有很大发展 研究和发展模具技术 提高模具技术水 3 44 平 对于促进国民经济的发展有着特别重要的意义 模具主要类型有 冲模 锻摸 塑料模 压铸模 粉末冶金模 玻璃模 橡胶模 陶瓷模等 除部分冲模以外的上述各种模具都属于腔型模 因为它们 一般都是依靠三维的模具形腔使材料成型 冲模 冲模是对金属板材进行冲压加工获得合格产品的工具 冲模占模具 总数的 50 以上 按工艺性质的不同 冲模可分为落料模 冲孔模 切口模 切边模 弯曲模 卷边模 拉深模 校平模 翻孔模 翻边模 缩口模 压印 模 胀形模 按组合工序不同 冲模分为单工序模 复合模 连续模 锻模 锻模是金属在热态或冷态下进行体积成型时所用模具的总称 按锻 压设备不同 锻模分为锤用锻模 螺旋压力机锻模 热模锻压力锻模 平锻机 用锻模 水压机用锻模 高速锤用锻模 摆动碾压机用锻模 辊锻机用锻模 楔横轧机用锻模等 按工艺用途不同 锻模可分为预锻模具 挤压模具 精锻 模具 等温模具 超塑性模具等 塑料模 塑料模是塑料成型的工艺装备 塑料模约占模具总数的 35 而 且有继续上升的趋势 塑料模主要包括压塑模 挤塑模 注射模 此外还有挤 出成型模 泡沫塑料的发泡成型模 低发泡注射成型模 吹塑模等 压铸模 压铸模是压力铸造工艺装备 压力铸造是使液态金属在高温和高 速下充填铸型 在高压下成型和结晶的一种特殊制造方法 压铸模约占模具总 数的 6 粉末冶金模 粉末冶金模用于粉末成型 按成型工艺分类粉末冶金模有 压模 精整模 复压模 热压模 粉浆浇注模 松装烧结模等 模具所涉及的工艺繁多 包括机械设计制造 塑料 橡胶加工 金属材料 铸造 凝固理论 塑性加工 玻璃等诸多学科和行业 是一个多学科的综合 其复杂程度显而易见 自 20 世纪 80 年代以来 我国的经济逐渐起飞 也为模具产业的发展提供 了巨大的动力 20 世纪 90 年代以后 大陆的工业发展十分迅速 模具工业的 总产值在 1990 年仅 60 亿元人民币 1994 年增长到 130 亿元人民币 1999 年已 达到 245 亿元人民币 2000 年增至 260 270 亿元人民币 今后预计每年仍会以 10 15 的速度快速增长 目前 我国 17000 多个模具生产厂点 从业人数五十多万 除了国有的专 业模具厂外 其他所有制形式的模具厂家 包括集体企业 合资企业 独资企 业和私营企业等 都得到了快速发展 其中 集体和私营的模具企业在广东和 浙江等省发展得最为迅速 例如 浙江宁波和黄岩地区 从事模具制造的集体 企业和私营企业多达数千家 成为我国国内知名的 模具之乡 和最具发展活力 的地区之一 在广东 一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业 为了提高其产 品的市场竞争能力 纷纷加入了对模具制造的投入 例如 科龙 美的 康佳 和威力等知名集团都建立了自己的模具制造中心 中外合资和外商独资的模具 企业则多集中于沿海工业发达地区 现已有几千家 在模具工业的总产值中 企业自产自用的约占三分之二 作为商品销售的 约占三分之一 其中 冲压模具约占 50 中国台湾 40 塑料模具约占 33 中国台湾 48 压铸模具约占 6 中国台湾 5 其他各类模具约 占 11 中国台湾 7 中国台湾模具产业的成长 分为萌芽期 1961 1981 成长期 1981 1991 成熟期 1991 2001 三个阶段 萌芽期 工业产品生产设备与技术的不断改进 由于纺织 电子 电气 电机和机械业等产品外销表现畅旺 连带使得模具制造 维修业者和周边厂商 如热处理产业等 逐年增加 在此阶段的模具包括 一般民生用品模具 铸 造用模具 锻造用模具 木模 玻璃 陶瓷用模具 以及橡胶模具等 1981 年 1991 年是台湾模具产业发展最为迅速且高度成长的时期 有鉴于 模具产业对工业发展的重要性日益彰显 自 1982 年起 台湾地区就将模具产业 纳入 策略性工业适用范围 大力推动模具工业的发展 以配合相关工业产品 的外销策略 全力发展整体经济 随着民生工业 机械五金业 汽机车及家电 业发展 冲压模具与塑料模具 逐渐形成台湾模具工业两大主流 从 1985 年起 模具产业已在推行计算机辅助模具设计和制造等 CAD CAM 技术 所以台湾模 具业接触 CAD CAM CAE CAT 技术的时间相当早 成熟期 在国际化 自由化和国际分工的潮流下 1994 年 1998 年 由台 湾地区政府委托金属中心执行 工业用模具技术研究与发展五年计划 与 工业用 模具技术应用与发展计划 以协助业界突破发展瓶颈 并支持产业升级 朝向 开发高附加值与进口依赖高的模具 1997 年 11 月间台湾凭借模具产业的实力 获得世界模具协会 ISTMA 认同获准入会 正式成为世界模具协会会员 整 体而言 台湾模具产业在这一阶段的发展 随着机械性能 加工技术 检测能 力的提升 以及计算机辅助设计 台湾模具厂商供应对象已由传统的民用家电 五金业和汽机车运输工具业 提升到计算机与电子 通信与光电等精密模具 并发展出汽机车用大型钣金冲压 大型塑料射出及精密锻造等模具 1 1 3 冲压工艺的分类及特点 冲压是靠压力机和模具对板材 带材 管材和型材等施加外力 使之产生 塑性变形或分离 从而获得所需形状和尺寸的工件 冲压件 的成形加工方法 5 44 冲压和锻造同属塑性加工 或称压力加工 合称锻压 冲压的坯料主要是热轧 和冷轧的钢板和钢带 全世界的钢材中 有 60 70 是板材 其中大部分是经过冲压制成成品 汽车的车身 底盘 油箱 散热器片 锅炉的汽包 容器的壳体 电机 电器 的铁芯硅钢片等都是冲压加工的 仪器仪表 家用电器 自行车 办公机械 生活器皿等产品中 也有大量冲压件 冲压件与铸件 锻件相比 具有薄 匀 轻 强的特点 冲压可制出其他 方法难于制造的带有加强筋 肋 起伏或翻边的工件 以提高其刚性 由于采 用精密模具 工件精度可达微米级 且重复精度高 规格一致 可以冲压出孔 窝 凸台等 冷冲压件一般不再经切削加工 或仅需要少量的切削加工 热冲压件精度 和表面状态低于冷冲压件 但仍优于铸件 锻件 切削加工量少 冲压是高效的生产方法 采用复合模 尤其是多工位级进模 可在一台压 力机上完成多道冲压工序 实现由带料开卷 矫平 冲裁到成形 精整的全自 动生产 生产效率高 劳动条件好 生产成本低 一般每分钟可生产数百件 冲压用材料与成形技术是冲压加工过程的两个重要组成部分 冲压加工质 量不仅与冲压工艺文案 模具结构及制造精度有关 还受冲压材料的直接影响 而不同 为了生产高质量冲压制件 必须正确选用合适的冲压材料 但实际上 冲压用材料往往是根据其使用性能及其生产纲领所选定的 这时 则要求冲压 工艺方案和模具结构必须与选定材料相适应 因此 必须深入了解所用冲压材 料的成形性能 才能正确制定冲压工艺方案并合理设计制造相应的冲压模具 金属板料的化学成分 组织对塑性加工的影响 如随着含碳量增高 板料 变硬变脆等 冲压主要是按工艺分类 可分为分离工序和成形工序两大类 分离工序也 称冲裁 其目的是使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离 同时保证分离断面的 质量要求 成形工序的目的是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形 制成所 需形状和尺寸的工件 在实际生产中 常常是多种工序综合应用于一个工件 冲裁 弯曲 剪切 拉深 胀形 旋压 矫正是几种主要的冲压工艺 冲压用板料的表面和内在性能对冲压成品的质量影响很大 要求冲压材料 厚度精确 均匀 表面光洁 无斑 无疤 无擦伤 无表面裂纹等 屈服强度 均匀 无明显方向性 均匀延伸率高 屈强比低 加工硬化性低 在实际生产中 常用与冲压过程近似的工艺性试验 如拉深性能试验 胀 形性能试验等检验材料的冲压性能 以保证成品质量和高的合格率 模具的精度和结构直接影响冲压件的成形和精度 模具制造成本和寿命则 是影响冲压件成本和质量的重要因素 模具设计和制造需要较多的时间 这就 延长了新冲压件的生产准备时间 模座 模架 导向件的标准化和发展简易模具 供小批量生产 复合模 多工位级进模 供大量生产 以及研制快速换模装置 可减少冲压生产准备工 作量和缩短准备时间 能使适用于减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间 能使适用于大批量生产的先进冲压技术合理地应用于小批量多品种生产 冲压设备除了厚板用水压机成形外 一般都采用机械压力机 以现代高速 多工位机械压力机为中心 配置开卷 矫平 成品收集 输送等机械以及模具 库和快速换模装置 并利用计算机程序控制 可组成高生产率的自动冲压生产 线 在每分钟生产数十 数百件冲压件的情况下 在短暂时间内完成送料 冲 压 出件 排废料等工序 常常发生人身 设备和质量事故 因此 冲压中的 安全生产是一个非常重要的问题 1 2 设计研究方案 由于镁为密排六方结构 在室温下滑移系较少 塑性变形能力差 故在塑 性加工时应采用热加工方式 镁合金 AZ31 的冲压也不能在常温下进行 试验 室已成功的拉深镁合金 AZ31 的易拉罐 壁厚为 0 7mm 在加热 190 度时 拉 深 70mm 加热到 250 度时 拉深 75mm 这是镁合金 AZ31 应用于冲压的一个 成功的试验 通过这个试验可以反求得到一组有关镁合金 AZ31 冲压性能的数 据 笔记本电脑外壳属于盒形件 本次设计主要是设计拉深过程 笔记本电脑 外壳应属于低盒形件拉深 对于低盒形件 圆角部分的影响相对较小 圆角处 的变形最大 所以防止起皱和拉裂是关键 通过分析笔记本电脑外壳的特性和对镁合金 AZ31 性能的了解 初步确定 工艺方案为 落料 拉深 冲孔 修边 1 3 本文的主要内容 1 镁合金的研究现状 2 冲压件的工艺分析 3 冲压工艺规程的制定 4 模具设计 7 44 第 2 章 镁合金的研究现状 镁合金是目前最轻的金属结构材料 其具有导电性 导热性 电磁屏蔽性 同时性能良好 比强度和比刚度高 减震性好 切削加工和尺寸稳定性佳 易 回收 有利于环保等优点 被誉为 21 世纪的绿色工程材料 在航空 汽车 电子等领域获得了越来越广泛的应用 并表现出强劲的发展势头 近年来 镁合 金产量在全球的年增长率高达 25 在镁合金材料中 大部分成品是采用铸造的方法 对于一些结构相同的产 品 其他材料可以使用塑性加工成型 而对于镁合金在现有的水平下却只能用 铸造的方法 铸件由于铸造缺陷的存在使其力学性能大打折扣 为了更广泛地 应用镁合金 利用各种变形方法来制造镁合金部件成为镁合金发展的一大趋势 AZ31 镁合金是目前应用最广泛的变形镁合金 其主要化学成分见表 2 1 表表 2 1 镁合金镁合金 AZ31B 化学成分化学成分 元素MgAlMnZnCaCu 成分 余量2 5 3 5 0 20 1 00 6 1 4 0 040 01 续表续表 2 1 镁合金镁合金 AZ31B 化学成分化学成分 元素NiSiFe其 他 杂 质 成分 0 0010 01 0 005 0 30 2 1 AZ31 镁合金中合金元素的作用 合金元素影响镁合金的力学物理 化学和工艺性能 大多数情况下 合金 元素的作用与添加量有关 在固溶度范围内作用大小与添加量呈正比关系 镁 合金作为结构材料时 合金元素对加工性能的影响比对物理性能的影响重要得 多 2 1 1 Al 元素的影响 Al 是镁合金中最常用的合金元素 通过固溶强化和形成沉淀析出相 提高 镁合金的强度和耐蚀性 降低合金的塑性 根据 Mg Al 二元相图 平衡结晶 时 437 发生共晶反应 L Mg Mg17Al12 共晶点 w Al 为 32 3 Al 在 Mg 中的溶解度为 12 7 随温度下降溶解度降低 至 100 降 为 2 2 1 2 Zn 元素的影响 Zn 在 Mg 中的最大溶解度为 6 2 随温度降低 其固溶度明显减少 100 时降为 2 以下 Zn 在 Mg 中的作用一方面表现为自身的固溶强化 另一方 面 少量的 Zn 还可以增加 Al 在 Mg 中的固溶度 提高 Al 的固溶强化 2 1 3 其他元素的影响 Mn 通过除去铁及其他重金属元素避免其生成有害的晶间化合物来提高 AZ31 镁合金的耐蚀性 此外 Mn 还可以细化晶粒 提高可焊性 Fe 是镁合金中的有害元素 严重降低抗腐蚀性能 因此 在镁合金中 w Fe 不得超过 0 005 2 2 AZ31 镁合金的组织及性能 按化学成分 AZ31 镁合金属于 Mg Al Zn 三元系 铸态组织由 呈骨 骼状分布于 体枝晶间和晶界处的第二相 Mg17Al12 AZ31 镁合金具有良好的强度 塑性和耐蚀综合性能 而且价格较低 AZ31 镁合金主要通过轧制 挤压和锻造等变形方式加工成型 制成各类棒 杆 型材和管材 其典型的室温力学性能见表 2 2 表表 2 2 室温力学性能表室温力学性能表 产品状态 抗拉强度 MPa 拉伸屈服强度 MPa 压缩屈服强度 MPa 伸长率 杆 棒及型 材 F260195 20095 10514 17 管F2501658512 镁合金在常温下的塑性很低 因此不适于常温下冲压成形 本次设计将在 200 下进行冲压 镁合金板材在 200 下的力学性能如表 2 3 所示 表表 2 3 镁合金力学性能指标 镁合金力学性能指标 200 材料屈服强度 MPa抗拉强度 MPa屈强比 9 44 AZ31B 78 8 90 0 876 2 3 AZ31 镁合金塑性加工技术 严格控制熔炼铸造工艺获得高品质铸锭是确保镁合金顺利进行塑性加工成 形的基础 对于合格的铸锭可以采用挤压 锻造 轧制等一系列压力加工手段 进行后续变形 这些压力加工方法与铝合金的加工方法类似 但镁及镁合金材 料与其他金属材料之间在塑性成形技术上最基本的区别在于变形需在一定的温 度下进行 AZ31 具有较好的变形能力 可以采用多种变形方法 2 3 1 挤压技术 近年来 挤压工艺不断改进和完善 除了传统的正反挤压外 还出现了许 多强化挤压过程的新工艺和新方法 例如 冷挤压 穿孔挤压 润滑挤压等 目前 对 AZ31 镁合金进行等温挤压的研究比较多 结果显示 通过挤压变形 AZ31 镁合金的晶粒得到明显的细化 显著提高其强度 硬度和伸长率 2 3 2 锻造技术 由于镁合金在温度低于 200 时容易发生脆性破裂 在高于 400 很容易 发生腐蚀氧化以及晶粒粗大化 且镁合金的导热系数很大 锻造温度范围也窄 AZ31B 锻件温度 290 345 锻模温度 260 315 锻造出来的锻件具有较 好的力学性能 但到目前为止 对镁合金锻造工艺研究很少 精锻工艺更少 发展较慢 2 3 3 轧制技术 镁合金板材一般采用轧制成形的方法生产 温度是镁合金轧制过程中最重 要的工艺参数 低温轧制时 高的应力集中可导致孪晶形核和切变断裂 轧制 温度过高时 晶粒容易长大而使板材热脆倾向增大 镁合金轧制时 温度范围 一般为 225 450 在此温度区间和中等应变速率下 易发生动态再结晶而 是轧制性能得到明显改善 现今对 AZ31 镁合金的轧制方式很多 如 等径角 轧制 异步轧制等 这些轧制方式均能细化镁合金晶粒 使组织均匀 力学性 能提高 2 3 4 超塑性成形技术 由于镁合金是密排六方结构 对称性低 其轴比 c a 值为 1 623 接近 理想的密排值 1 633 可开动的滑移系比面心立方和体心立方金属的少 使得 镁合金的室温塑性较低 降低了成形能力 限制了变形镁合金的推广应用 超塑性变形的理论和模型很多 但大多数只能解释超塑性变形中的某系现 象和问题 由于超塑性变形时微细的晶粒在高温下变形极其复杂 同时各研究 者的试验条件各不相同 其结果存在很大的差异 所以 迄今为止 尚未形成 统一的超塑变形理论 2 4 结论 AZ31 镁合金有着许多独特的优点 已经广泛地应用于航空航天 汽车 3C 等领域 但是它的某些缺点也限制了 AZ31 镁合金的应用 使得它的潜力 远远没有完全发挥 因此 应从以下几方面对 AZ31 镁合金进行细致的研究 1 对 AZ31 镁合金的基础研究 包括对合金的晶粒细化 对现有合金化 基础的改善 变形机理的研究 2 加工工艺的研究 包括设计合理的加工工艺流程 加工生产配套工具 制定出各种成分 各种规格镁合金铸锭 半成品加热制度 热轧 挤压和锻造 工艺参数 研究高应变速率下超塑性加工成形技术 通过这些研究 变形镁合金的加工技术将不断完善 AZ31 镁合金必将成 为本世纪新型的高性能结构材料 并得到越来越广泛的应用 11 44 第 3 章 冲压工件的工艺分析 3 1零件图 将笔记本外壳进行一定简化 其零件图如图 3 1 所示 260 320 1 5 R3 0 R5 0 R7 5 20 0 20 0 图 3 1 笔记本电脑外壳零件图 因为制件材料较薄 为保证制件平整 采用弹性压边装置 为方便操作和 取件及保证压边力均匀 压力机采用液压机 在设计时 弹性压边圈装在下模 的拉深模 这种模具的特点就是可选用压力大的弹簧 橡皮或气垫 用以增大 压边力 同时压边力是可调的 以满足拉深件的要求 3 2 结构工艺性分析 零件的加工工序主要包括落料 拉深和冲孔三个步骤 其中落料和冲孔均 为冲裁 故对于零件结构工艺性的分析如表 3 1 所示 表表 3 1 结构工艺性分析结构工艺性分析 13 44 分析项目 冲压件的形状 尺寸 工艺性允许值分析结论 形状要求 盒形 形状简 单无尖角 易于冲裁 冲孔最小尺 寸 R7 51 0t 1 5 7 5满足要求 孔间距要求2201 5t 2 25 220满足要求 孔壁要求20R 0 5t 8 25 20满足要求 冲裁工艺性 冲裁精度IT14IT11满足要求 形状要求 盒形 形状简 单无尖角 易于拉深 圆角半径R53t 4 5 5满足要求拉深工艺性 拉深压边t D 100 0 38 3 拉深易起皱 需要压边 此零件的设计过程中 有拉深这一工艺过程 液压机没有固定的行程 不 会因薄板的厚度的变化而超载 特别是对于需要很大的施力行程加工时 具有 明显的优点 并且液压机下面可以原有的液压机顶缸 用来顶出零件 所以选 用液压机 3 3 毛坯尺寸的确定 笔记本电脑外壳的拉深是属于盒形件的拉 深 盒形件是一种非回转体零件 毛坯形状如图 3 2 所示 它的侧壁是由两对长度分别为 A 2r 和 B 2r 的直边及四个半径为 r 的转角所构成 盒形 件拉深时 由于其几何形状的非回转性 变形沿 壁周向的分布是不均匀的 直边区域变形量小 圆角区域变形量大 变形分布非常复杂 盒形件 拉深时 圆角部分近似圆筒形件的拉深 直边部 分近似板料弯曲 但是 直边部分并不是单纯的 弯曲变形 由于圆角部分的材料要图向直边流动 因而直边部分也产生了横向 压缩 纵向伸长的变形 而圆角部分 由于直边的存在 金属的流动 使圆角 B A r 图 3 2 毛坯形状 部分的变形程度大为减小 但相对深度较大的下壳拉深高度仅 20mm 因此可 将其视为浅盒形件拉深成形 即在成形过程中采用一次拉深成形 3 3 1 修边余量的确定 一般的拉深制件在拉深成形后 工件的口部或 凸缘的周围是不规则的 这是由于材料的各项异性 及拉深条件在各部不同而造成的 所以必须进行修 边工序 允许不修边的除外 以达到的工件的要 求 因此再按工件图计算毛坯尺寸时 必须加上修 边余量 矩形件的修边余量如图 3 3 所示 工件的相对高度 45 20rh 角 查文献 3 表 4 3 可得修边余量 h 05 003 0 h 取mm8 0mm2004 0h04 0h 其中 h 为图纸要求零件的高度 为工件四壁间圆角半径 角 r 为工件的修边余量 h 3 3 2 毛坯尺寸的计算 笔记本电脑外壳属于矩形工件 矩形工件 的毛坯尺寸计算原则是直线段按弯曲面计算 角部按旋转体拉深计算 然后将两部分相接处 经行修正 获得毛坯尺寸和形状 修正时要考 虑到材料的转移 以获得连续的形状 本次设计的是笔记本电脑外壳 属于底高 度矩形件拉深 有很少材料从圆角部分向直边 部分转移 所以可认为是圆角部分为拉深变形 而直边部分只是弯曲变形 其计算如图 3 4 所 示 步骤如下所示 1 直边部分按弯曲计算展开长度 l mm51 22mm357 08 20 r57 0l 底 H 图 3 3 矩形件的修边余量 图 3 4 毛坯尺寸的计算 15 44 其中 H 为毛坯件的实际高度 mm 为工件底部圆角半径 mm 底 r 2 圆角部分按旋转体形拉深件计算展开半径 R mm HR 15 mm314 03586 08 20525 r14 0rr86 0r2r 22 2 底底角角 2 角 3 按计算所得到的 l 和 R 作未修正的毛坯图 4 由于工件两部分的边缘是连续的 所以毛坯形状也应连续 通过 a1b1 和 a2b2的重点向 R 圆弧作切线 再用 R 为半径的圆弧圆滑连接切线和 直边 使增加和减小的面积基本相等 拉深后此部分接近平整可不用 修边 按上述步骤得到的毛坯主视图形状以及尺寸大小如图 3 5 所示 图 3 5 毛坯的形状和尺寸 3 4 冲裁件的排样 3 4 1 排样方式 排样是指冲裁件在板料 条料或带料上的布置方式 合理地排样和选择适 当的搭边值是降低成本 保证工件质量及延长模具寿命的有效措施 本次设计考虑到上述原因 可选用 1000 400mm 厚 1 5mm 的镁板 每件 生产 3 块 3 4 2 材料的利用率 材料利用率是衡量排样经济性的指标 一般以一个进距内的材料利用率来 表示 也可以用一张板料上总材料利用率来表示 一张板料上的材料利用率为 36 80 100 4001000 154152993592152152992153593 100 ab n 2 A 其中 n 为一个进距内可生产出的个数 A 为工件的面积 单位 mm2 b 为镁板的宽度 单位 mm a 为镁板的长度 单位 mm 17 44 第 4 章 工艺方案的确定 4 1 基本工艺方案的确定 工艺方案确定是在对冲压件的工艺性分析之后应进行的重要环节 确定工 艺方案主要是确定各次冲压加工的工序性质 工序数量 工序顺序 工序的组 合方式等 冲压工艺方案的确定要考虑多方面的因素 有时还要进行必要的工 艺计算 因此实际中通常提出几种可能的方案 进行分析比较后确定最佳方案 本次设计该零件加工的基本工序确定为落料 拉深 冲孔 修边 显然不能先冲孔在拉深 否则孔很容易变形 若先拉深后冲孔 则能保证 成形后尺寸要求 按照常理 落料拉深完全可以做成复合模 但由于镁合金在 拉深时必须加热 且在拉深过程中 需要设置拉深筋 拉深坎 所以不宜使用 落料拉深复合模 4 2 不同工艺方案的比较 方案一 落料 拉深 冲孔 修边 方案二 落料拉深复合模 冲孔 修边 方案三 落料 拉深 冲孔级进模 修边 方案四 落料 切口部分材料落料先切去 拉深冲孔复合模 比较以上四种方案 显然 方案四中落料时省去切口工序 将导致精度不 能达到要求 而且在拉深过程中需要加热 并且拉深速度比较慢 所以不宜设 计复合模 所以方案四不宜选用 方案三 设计级进模可以省去工序 使生产效率提高 但是它存在和方案四 相同的问题 那就是拉深时需要加热 且拉深速度较慢 这样加热时所有的零 件一起加热浪费资源 而且 成本过高 所以也不宜选用 方案二 也是由于拉深时需要加热 不宜选用复合模 方案一 设计单工序模 虽然这样效率虽然不是最高 但从节约资源的角度 和从科研方面来讲都是最好的 所以选用方案一 4 3 冲压工艺过程卡片 根据以上方案 可确定本次设计的工艺设计如表 4 1 的冲压工艺过程卡片 所示 表表 4 1 冲压工艺过程卡片冲压工艺过程卡片 产品型号河北联 合大学 冲压工艺 卡片产品名称笔记本电脑外壳冲压件 材料板料规格毛坯尺寸毛坯可制件数 材料技术 要求 镁合金 AZ31 1 51000 400 299359 3 工序号工序名称工序简图设备模具 0下料 剪板 机 1落料 YB3 2 63B 型四 柱式 万能 液压 机 落料模 续表续表 4 1 冲压工艺过程卡片冲压工艺过程卡片 19 44 2拉深 260 320 1 5 R3 0 R5 0 YB3 2 63B 型四 柱式 万能 液压 机 拉深模 3冲孔 260 320 1 5 R3 0 R5 0 R7 5 20 0 20 0 YB3 2 63B 型四 柱式 万能 液压 机 冲孔模 4修边 260 320 1 5 R3 0 R5 0 R7 5 20 0 20 0 第 5 章 冲裁工序 5 1 落料工艺力计算 落料工艺力是落料时压力机应具有的最小压力 包括落料力 卸料力 推 件力和顶件力 计算落料工艺力的目的是为了合理选用冲压设备和设计模具 落料力是凸模与凹模相对运动使工件与板料分离所需的力 影响落料力的 因素主要有材料的力学性能 材料厚度 落料件周边长度 模具间隙大小及刃 口锋利程度等 本次设计采用平刃口模具落料 其落料力的计算式为 KN NNLFF 6 179 1796341405 1 299359 3 1t3 13 1 0 其中 F0为理论落料力 单位 N F 为实际落料力 单位 N L 为落料件的周长 单位 mm t 为材料的厚度 单位 mm 为材料的抗剪强度 单位 MPa 由于落料时材料的弹性变形及摩擦的存在 落料的材料会紧卡在凹模洞口 中 将卡在凹模中的料逆着冲裁方向顶出的力称为顶件力 顶件力可采用经验 公式进行计算 即 KNKNKFF4 146 17908 0 顶 其中 K 为顶件力系数 查文献 3 表 2 11 取 0 08 故总冲裁力为KNKNFFF0 1946 1794 14 顶总 查文献 4 表 13 32 可选取 YB32 63B 型四柱式万能液压机 5 2 冲孔工艺力计算 冲孔工艺力是冲孔时压力机应具有的最小压力 包括冲孔力 卸料力 推 件力和顶件力 计算冲孔工艺力的目的是为了合理选用冲压设备和设计模具 冲孔力是凸模与凹模相对运动使工件与板料分离所需的力 影响冲孔力的 因素主要有材料的力学性能 材料厚度 冲孔件周边长度 模具间隙大小及刃 口锋利程度等 本次设计采用平刃口模具冲孔 其冲孔力的计算式为 21 44 KN NNLFF 14 5 32 51431405 1 154 3 1t3 13 1 0 其中 F0为理论冲孔力 单位 N F 为实际冲孔力 单位 N L 为冲孔件的周长 单位 mm t 为材料的厚度 单位 mm 为材料的抗剪强度 单位 MPa 由于冲孔时材料的弹性变形及摩擦的存在 冲孔的材料会紧卡在凹模洞口 中 为了继续冲裁 必须将箍在凸模上的料卸下 将卡在凹模中的料推出或顶 出 将紧箍在凸模上的料卸下所需的力称为卸料力 将卡在凹模的料顺着冲孔 方向推出的力称为推件力 KNKNFKF KNKNFKF 21 014 504 0 13 114 5055 04n 2卸 1推 其中 K1为推件力系数 查文献 3 表 2 11 取 0 055 K2为推件力系数 查文献 3 表 2 11 取 0 04 n 为同时留在凹模刃内的废料片数 故总冲裁力为 KNKNFFFF48 621 013 114 5 卸推总 查文献 4 表 13 32 可选取 YB32 63B 型四柱式万能液压机 5 2 模具压力中心计算 对称形状制件的模具压力中心 位于制件轮廓图形的几何中心上 非对称 制件的冲裁模以及多凸模 级进模的压力中心可采用求平行力系合力作用点的 方法 由于绝大部分冲裁件沿冲裁轮廓的断面厚度不变 轮廓各部分的冲裁力 与轮廓长度成正比 所以求合力作用点可转化为轮廓线的重心 本次设计中的冲裁件为对称制件 模具的压力中心即为本工件的轮廓图形 的几何中心上 5 3 冲裁间隙的确定 5 3 1 冲裁间隙的影响 冲裁模的凹 凸模刃口部分尺寸之差称为冲裁间隙 是冲裁模设计中一个 很重要的工艺参数 冲裁间隙有双面间隙 Z 和单面间隙 Z 2 之分 若无特殊说 明 冲裁间隙指单面间隙 冲裁间隙的大小对冲裁件的断面质量 尺寸精度 模具寿命 以及冲裁力 卸料力 推件力等较大影响 所以必须选择合理的间 隙 a 对冲裁质量的影响 冲裁什的质量主要是指断面质量 尺寸精度和弯曲度 1 对断面质量的影响 冲裁断面应平直 光洁 圆角小 光亮带应 有一 定的比例 毛刺较小 冲裁件表面应尽可能平整 尺寸应在图样规定的公差范 围之内 影响冲裁件质量的因素有 凸 凹模间隙值大小及其分布的均匀性 模具刃口锋利状态 模具结构与制造精度 材料性能等 其中 间隙值大小与 分布的均匀程度是主要因素 冲裁时 间隙合适 可使上下裂纹与最大切应力方向重合 此时产生的冲 裁断面比较平直 光洁 毛刺较小 制件的断面质量较好 图 5 1b 间隙过小 或过大将导致上 下裂纹不重合 间隙过小时 上 下裂纹中间部分被第二次 剪切 在断面上产生撕裂面 坪形成第二个光亮带 图 5 2a 在端面出现挤长毛 刺 间隙过大 板料所受弯曲与拉伸均变大 断面容易撕裂 使光亮带所占比 例减小 产生较大塌角 粗糙的断裂带斜度增大 毛刺大而厚 难于除去 使 冲裁断面质量下降 图 5 3c 图 5 1 间隙对工件断面质量的影响 a 间隙过小 b 间隙合适 c 间隙过大 1 断面带 2 光亮带 3 圆角带 2 对尺寸精度的影响 冲裁件的尺寸精度是指冲裁件实际尺寸与基本尺寸 的差值 差值越小 精度越高 该差值包括两方面的偏差 一是冲裁件相对于 凸模或凹模尺寸之偏差 二是模具本身的制造偏差 冲裁件对于凸模或凹模尺寸的偏差 主要是由于冲裁过程中 材料受到拉 23 44 伸 挤压 弯曲等作用而引起的变形 在工件脱模后产生的弹性恢复造成的 偏差值可能是正的 也可能是负的 影响这一偏差值的因素主要是凸 凹模间 隙 当间隙值较大时 材料受拉伸作用增大 冲裁完毕后 因材料的弹性恢复 冲件尺寸向实体方向收缩 使落料件尺寸小于凹模尺寸 而冲孔件的孔径则大 于凸模尺寸 当间隙较小时 材料的弹性恢复使落料件尺寸增大 而冲孔件的 孔径则变小 冲裁件的尺寸变化量的大小还与材料性能 厚度 轧制方向 冲 件形状等因素有关 模具制造精度及模具刃口状态也会影响冲裁件质量 3 对弯曲的影响 冲裁过程中由于材料受到弯矩作用而产生弯曲 若变形 达到弹性弯曲 冲裁件脱模后即使回弹 工件仍残留有一定弯曲度 这种弯曲 程度随凸 凹模间隙的大小 材料性能及材料支撑方法而异 对模具寿命的影 响 冲裁模具的寿命是以冲出合格制品的冲裁次数来衡量的 可再分为两次刃 磨间的寿命