大学生方程式赛车设计(模具及卡具设计)(有cad图+三维图).doc
大学生方程式赛车设计(模具及卡具设计)(有cad图+三维图)带CAD图
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毕 业 设 计(论 文) 题目 大学生方程式赛车设计(模具及卡具设计) 2013年 5月 30日方程式赛车模具及卡具设计摘 要本文依据大学生方程式汽车大赛FSAE赛事技术规则对大学生方程式赛车整体车架、悬架进行了模具及卡具设计。在卡具设计当中不仅需要考虑赛车车架各杆件是否定位完全以及夹紧可靠,同时必须考虑支撑杆件的强度和刚度能否满足要求,最终还必须考虑焊接空间是否与支撑杆干涉。在模具设计当中不仅要考虑凸、凹模的加工精度以及冲压机的选择,同时还必须考虑凸、凹模的强度和刚度。本文在完全满足上述要求的前提下对模具及卡具进行了设计。在模具及卡具设计之初,将方程式汽车大赛的有关规定和评分标准,作为后续模具及卡具设计的技术规范要求;为了达到卡具设计合理性的目的,本设计参考了湖南大学、天津大学以及部分国外大学的赛车模具及卡具。进入设计阶段,本设计通过分析比较几种模具及卡具的结构形式,决定选择定位与夹紧一体化的卡具设计,采用压弯模制得对强度要求较高的主环。然后依据技术规范、车架的最终尺寸确定了卡具及模具的结构形式和具体尺寸,并在UG7.0中建立车架卡具的模型。再对模具及卡具进行受力分析,使各杆件能合理的定位、夹紧,使主环能满足强度和精度的要求,直至模具及卡具结构满足各个方面的要求。关键词:FSAE,模具,卡具,建模,工艺分析IFORMULE SAEA MOLD AND FIXTURE DESIGNABSTRACTBased on equation FSAE car competition event technical regulations of university students for the college students formula overall frame, suspension for the mould and fixture design. In fixture design not only need to consider whether or not the car frame each bar of positioning and clamping completely reliable, at the same time must consider the strength of the support bar and stiffness can meet the requirements, the final must also consider whether the welding space interference with the support bar. During mold design should not only consider the machining precision of the convex, concave die and punch, also must consider the intensity of the convex, concave die and stiffness. In this paper, on the premise of fully meet the above requirements on the mould and fixture design.At the beginning of the mould and fixture design, the formula car contest regulations and criteria, as the follow-up mold and fixture design of the technical specification requirements; In order to achieve the purpose of fixture design rationality, the design reference of Hunan university, Tianjin university and some of the foreign car mold and fixture. Entered the stage of design, this design through the comparative analysis several kinds of mould and the structure of fixture, decided to choose integration of positioning and clamping fixture design, USES the bending molding of strength to demand higher main ring. Then according to specification, to obtain the final size of the frame the structure of the mould and fixture and the specific size, and set up in the UG7.0 frame models of the fixture. Stress analysis was carried out on the mold and fixture, make each bar can reasonable positioning, clamping, the main ring can meet the accuracy requirement of the strength and, until the mold and fixture structure meet the requirements of all aspects.Key words: FSAE, mould, fixture, modeling, process analysis目 录第一章 绪 论11.1 赛事简介11.2 大赛性质21.3 大赛理念21.4 愿景与使命21.5 组织结构3第二章 焊接卡具的设计42.1 焊接的主要类型42.1.1 点焊42.1.2 凸焊42.1.3 钎焊52.1.4 二氧化碳焊52.2 车用焊接卡具分析52.3 焊接夹具的分类62.3.1 无驱动夹具62.3.2 气动夹具和手动夹具62.4 焊接夹具的结构设计72.5 六点定位原则在车身焊装夹具上的应用72.6 焊装夹具设计原则82.7 焊装夹具的基本要求82.8 工艺分析92.8.1 车架的分析92.8.2 基准的选择92.8.3 制定工艺路线102.9 定位、夹紧元件的选择112.9.1 定位元件及定位方式的选择112.9.2 工件的夹紧及对夹紧装置的要求132.9.3 定位误差的分析与计算132.10 工件的夹紧142.10.1 夹紧装置的设计原则152.10.2 夹紧力确定的基本原则162.10.3 减小夹紧变形的措施18第三章 模具的设计203.1 模具的发展与现状203.1.1 国内模具的发展与现状203.1.2 模具CAD/CAE/CAM技术223.2 零件工艺性分析233.2.1 材料选择233.2.2 结构分析233.2.3 工艺分析243.3 U形件弯曲模结构设计253.3.1 模具的整体结构253.3.2 凸、凹模的结构和固定形式253.4 模具零件的设计与计算263.4.1 凸、凹模的间隙263.4.2 弯曲力计算273.4.3 凸模长度的确定283.4.4 凹模尺寸的确定283.5 冲压设备的选用293.5.1 冲压设备主要技术参数293.5.2 冲压力的计算313.5.3 选择压力机313.6 模具强度和刚度的计算32第四章 结 论35参考文献36致 谢38V第一章 绪 论1.1 赛事简介Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会(the Society of Automotive Engineers 简称SAE)主办。SAE 是一个拥有超过60000 名会员的世界性的工程协会,致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。Formula SAE 是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事,于1980年在美国举办了第一届赛事。比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成:工程设计、成本以及静态评比;多项单独的性能试验;高性能耐久性测试。Formula SAE 发展的初衷是想创立一个小型的道路赛车比赛,而现在已经发展成为一个拥有大约20个竞赛因素的大型比赛,参与者包括赛车和车队。Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。由参与的学生负责管理整个项目,包括时间节点的安排,做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。Formula SAE 为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。Formula SAE 队员在这个过程中将会经受考验,面对挑战,培养创造性思维和实践能力。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成:工程设计、成本以及静态评比;多项单独的性能试验;高性能耐久性测试。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此,该车必须在加速,制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。中国大学生方程式汽车大赛(简称“中国FSAE”)是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准,在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车,能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。2010年第一届中国FSAE由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团易车(BITAUTO)联合发起举办。中国FSAE秉持“中国创造擎动未来”的远大理想,立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础,吸收借鉴其他国家FSAE赛事的成功经验,打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会,并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。中国FSAE致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台,通过全方位考核,提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力,全面提升汽车专业学生的综合素质,为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄,促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。1.2 大赛性质非盈利的社会公益性事业。1.3 大赛理念中国创造擎动未来倡导自主创新,培育及选拔汽车产业人才,促进中国制造向中国创造的转型,推动中国汽车工业由民族品牌向世界品牌的跨越。1.4 愿景与使命促进中国汽车产业自主研发与科技进步,提高中国汽车产业“引进消化吸收再创新”和“自主创新”的能力,加快中国制造向中国创造的转型,推动民族品牌向世界品牌的跨越。完善汽车人才培育机制,为中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进奠定人才基础。积极探索有效利用社会资源培养创新型人才的素质教育新体系。搭建自主创新技术的国际交流舞台,帮助中国汽车产业的未来人才从世界汽车技术的革新潮流中不断获取新的启迪,以国际化的视野捕捉行业动态,丰富知识储备,积极参与国际汽车技术标准的更新与提升。深化中国汽车产业自主创新的主流意识,强化中国汽车厂家在汽车人才培养、技术研发等方面的企业社会责任感,帮助众多汽车自主品牌积极探索自身广阔的发展空间。1.5 组织结构主办单位:中国汽车工程学会(SAE-CHINA)承办单位:易车集团、中国汽车工程学会教育分会、机械工业教育协会车辆工程分委会中国汽车工程学会教育分会机械工业教育协会车辆工程分委会大赛执委会秘书处:设在易车集团规则委员会:设在同济大学(上海)裁判委员会:设在中国第一汽车集团公司(长春)宣传推广与奖项委员会:设在中国经营报社(北京)现场运营委员会:设在易车集团(北京)第二章 焊接卡具的设计2.1 焊接的主要类型2.1.1 点焊点焊是将板件已有的搭接接头夹置于两点级之间,同时压紧、通电,利用电阻热能熔化板材,故焊点的形成过程是热-机械联合作用的焊接过程。优点:1、与熔焊方法相比,点焊是在压力作用下通过内部电阻热加热金属而形成焊点,其冶金过程简单,且加热集中,热影响区域小,易于获得品质优良的焊接接头。2、与铆接相比,不需其他金属,结构质量轻,这对有着较高行驶速度的乘用车十分重要,可以达到轻量化节省能源的要求。3、焊接过程中不产生弧光、有害气体及噪声,工人劳动条件好。4、点焊过程因机械化、自动化程度高,可提高生产效率,减轻操作者的劳动强度。适合于自动化程度高的生产线。2.1.2 凸焊凸焊与点焊相比,其不同点是预先在板件上加工凸点,或利用焊件上能使电流集中的塑面、型面等作为焊接时的相互接触部位。焊接靠凸点接触,提高了单位面积上的压力与电流密度,有利于将板面表面氧化膜压破,使热量集中,减少分流,减小了点焊的中心距,一次可进行多点凸焊,提髙了生产率,并减小了接头的翘曲变,凸焊与点焊相比还具有以了优点:1、在一个焊接循环内可同时焊接多个焊点。不仅生产率髙,而且没有分流影响。因此可在窄小的部位上布置焊点而不受点距的限制。2、由于电流密度集于凸点,电流密度大,故可用较小的电流焊接,并能可靠地形成较小的熔核。在点焊时要对应于某一板厚,要形成小于某一尺寸的熔核是很困难的。3、凸点的位置准确、尺寸致,各点的强度比较均匀,因此对于给定的强度、凸4、由于采用大平面电极,且凸点设置在一个工件上,所以可最大限度地减轻另一工件外露表面上的压痕。同时大平面电极的的电流密度小、散热好,电极的磨损要比点焊小得多,因而大大降低了电极的保养和维修费用。5、与点焊相比,工件表面的油、锈、氧化皮、镀层和其他涂层对凸焊的影响较小,但干净的表面仍能获得较稳定的质量。2.1.3 钎焊钎焊是利用某些熔点低于被连接材料熔点的金属做连接的媒介物,经加热溶化后在连接界面上产生流动润湿作用,待钎料冷却结晶后与被连接金属形成结合面。对有密封要求的两块板件之间的隙缝,一般应用钎焊进行处理。2.1.4 二氧化碳焊二氧化碳气体保护焊之所以广泛应用于汽车制造,是因其以下特点:1、焊接成本低。二氧化碳气体容易制取,价格低,焊接耗电量小。2、生产效率高。其电弧的穿透力强,熔深大,而且焊丝的熔化系数高,所以熔化速度快。3、使用范围。:不论何种位置都可进行焊接。4、抗锈能力比其他焊接方法强。焊缝含氢量低,抗裂性好。5、因为是明弧,便于观察和控制焊接过程,有利于实现焊接过程的机械化和自动化,焊后不需清渣。由于车架是单件生产,而且车架是由管件连接而成的,考虑到成本和可行性,最终选择二氧化碳焊。2.2 车用焊接卡具分析焊接工装夹具就是将焊件准确定位和可靠夹紧,便于焊件进行装配和焊接、保证焊件结构精度方面要求的工艺装备。在现代焊接生产中积极推广和使用与产品结构相适应的工装夹具,对提高产品质量,减轻工人的劳动强度,加速焊接生产实现机械化、自动化进程等方面起着非常重要的作用。装配和焊接夹具在汽车车身装配和焊接生产线生产制造优质的汽车设备息息相关。焊装夹具,是焊接工艺的重要组成部分,装配和焊接夹具除了是完成这个过程中零部件装配的途径和定位,同时在生产线上也作为一个测试和校准程序,完成检测焊接配件和焊接质量的任务。因此焊装夹具的设计和制造,直接影响焊接过程中赛车的生产能力和产品质量。赛车焊装夹具是保证其制造质量,缩短制造周期的重要手段。因此,正确理解焊装夹具的设计要点,改善和提高焊装夹具的设计手段和设计水平,并提高夹具的调整和验证水平等三方面都是必不可少的。它在焊接过程中确保车身形状、尺寸、精度符合赛车图样技术要求起到关键因素。由于赛车零件多为薄板弹性体或管体状,易变形,在焊接过程中常用工件型面过定位的方式对它设置定位夹紧点以增加其刚性。随着汽车工业的发展,汽车焊接夹具的研究成为一个热点,尤其是在基于知识的设计以及智能化设计领域.方面汽车焊接夹具的设计生产所需的时间是汽车生产周期的重要组成部因此对于提髙汽车焊接卡具设计效率和质量的究具有非常重要的应用价值;另一方面汽车白车身模块化设计,焊接件形状、结构复杂的特点决定了汽车#具的模块化,灵活性多样性和复杂性。2.3 焊接夹具的分类2.3.1 无驱动夹具单独定位的夹具是指只有定位元件(定位销或定位块),且不需要有打开装置(如手动夹紧装置、夹紧气缸)的夹具单赛。这类夹具又包括:定位销定位夹具、定位块定位夹具以及定位销定位块混合夹紧装置。1、 定位销定位夹具可分为一个定位销定位、两个定位销定位两种形式,其特点是仅有定位销做定位元件并且是固定销的夹具单元。2、 定位块定位夹具可分为一个定位面和两个定位面两种形式,其特点是仅有定位块作定位元件的夹具单元。3、 定位销定位块混合定位夹具指定位件为以上两种类型组合的情况。 图2.1定位块和定位销2.3.2 气动夹具和手动夹具手动夹具是指靠人力推动夹紧机构来压紧工件,所用的夹紧器一般为四连杆的自锁机构。气动夹具是指利用压缩空气作动力,通过气缸推动夹紧机构来夹紧工件。手动夹具和气动夹具在结构分类上是相似的:单方向夹具是指夹具单元中的打开装置都沿着一个方向打开以便接放焊接件;两方向夹具是指夹具单元中的旋转臂沿两个方向打开,在这类夹具单元中至少包含两个动力驱动装置。2.4 焊接夹具的结构设计焊接夹具的结构设计,要保证夹具有良好的操作方便性、装夹的可靠性、定位的准确性。焊装夹具的制造商也很容易调整,以保证结构各部分的表面有足够的空间用于调整,保证可以立体调整,在确保焊装夹具质量准确性的前提下,焊装夹具应该尽可能的简单。通常夹具上全部元件的位置都是根据设计基准确定的,保证制造出合格的焊接工装机构,根据工作高度可初步确定夹具底板的髙度,就是夹具固定位置的高度。焊接夹具设计要考虑夹紧方式,手动和气动两种,手动夹紧一般是用于小件、外协件、小批量工件焊接,对于大型车体部件、规划与生产线内的、自动化程度较高的焊接夹具选用气动夹紧,汽车生产一般用气动夹紧,手工夹紧可用作辅助夹紧,这样可以减低成本,部分手动夹紧产品已拥有标准的型号和数量,需要时到市场上购买。对于某些装置,规定采用气动夹紧,但是如果直接采用气动夹紧,可能会损坏工件可以先由人工按位置来提供一种气动夹紧力来加紧工件,这是手动气动联合。该夹具夹紧系统是安装在大平台上所有固定在保证焊接条件应符合设计尺寸的工件坐标系定位夹具,这牵涉到基准。焊装夹具中的定位元件与夹紧元件分工明确,定位元件提供相应的装配基准与被定位的零件的定位面相匹配。元件的设置仅仅提供了可靠定位的必须条件,而被定位的零件能否真正的可靠定位,往往要有夹紧元件的有力配合。2.5 六点定位原则在车身焊装夹具上的应用在设计车身焊装夹具时,常有两种误解,一是认为6点定位则对薄板焊装夹具不适用;二是看到薄板焊装夹具上有过定位现象,产生这种误解的原因是把限制6个方向运动的自由度理解为限制6个方向的自由度,焊接夹具设计的宗旨是限制6个方向运动的自由度,这种限制不仅依靠夹具的定位夹紧装置,而且依靠制件之间的相互制约关系。只有正确认识了薄板冲压件焊装生产的特点,同时又正确理解了6点定则,才能正确应用这个原则。从定位原则看,支撑对薄板来说是必不可少的,可消除由于工件受夹紧力作用而引起的变形。过定位使接触点不稳定,产生装配位置上的干涉,但在调整夹具时只要认真修磨支撑面,其过定位引起的不良后果是可以控制在允许范围内的。2.6 焊装夹具设计原则1、焊装夹具必须保正焊件焊后获得正确的几何形状和尺寸。在装配时,夹具必须使被装配的元件获得正确的位置,并且在焊接时能阻止焊件产生变形。2、焊装夹具应动作迅速,操作方便。操作位置要处于工人容易接近,最宜操作的部位。3、焊装夹具的设置应容易施工,有足够的装配焊接空间,不能影响间接操作与焊工观察,不妨碍焊件的装卸。所有的定位元件与夹紧机构应与焊点保持合适的距离,或布置在焊件的下方或后侧。夹紧机构的执行元件应能够转为。4、夹紧可靠,刚性适当。夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状,以及焊件的表面质量。夹紧力适当,使夹紧后即不使焊件松动滑移,又不使焊件的拘束过大而产生较大的应力。5、为了保证使用安全,设置必要的安全互锁装置。6、在同一个夹具上,定位元件和夹紧机构的结构形式不宜过多,并且尽量只选用一种动力源。7、焊装夹具本身应具有较好的制造工艺性和较高的机械效率,尽量使制作时投资少成本低。8、尽量选用通用化、标准化的夹紧机构及标准零部件来设计制造焊装夹具。2.7 焊装夹具的基本要求工装夹具应具备足够的强度和刚度。夹具在生产中投入使用时要承受多种力度的作用,所以工装夹具应具备足够的强度和刚度。夹紧的可靠性。夹紧时不能破坏工件的定位位置和保证产品形状、尺寸符合图样要求。既不能允许工件松动滑移,又不使工件的拘束度过大而产生较大的拘束应力。焊接操作的灵活性。使用夹具生产应保证足够的装焊空间,使操作人员有良好的视野和操作环境,使焊接生产的全过程处于稳定的工作状态。便于焊件的装卸。操作时应考虑制品在装配定位焊或焊接后能顺利的从夹具中取出,还要制品在翻转或吊运使不受损害。良好的工艺性。所设计的夹具应便于制造、安装和操作,便于检验、维修和更换易损零件。设计时还要考虑车间现有的夹紧动力源、吊装能力及安装场地等因素,降低夹具制造成本。2.8 工艺分析2.8.1 车架的分析车架是由钢管焊接而成的空间结构,选用的是4130钢。车架主要有前环、支撑环、主环等组成,并由钢管焊接而成。图2-2车架示意图2.8.2 基准的选择基面的选择是:工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择得正确与合理,可以使加工质量得到保证,生产效率得以提髙。否则,加工工艺过程中会问题百出;更有甚者造成零件大批报废,使生产无法正常进行。选择车架最底部的两根钢管所决定的平面为基准。由上图可以看出车架的结构比较复杂此选择最低平面为基准比较合理。车架最低端的四根钢管构成一个四边形结构,用四个V形块对其四边进行定位。由于车架的刚性小,所以四个V形块过定位可以满足要求。2.8.3 制定工艺路线制定工艺路线的出发点,应当是使零件的几何形状、尺寸精度、及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已定为单件生产的条件下,可以考虑采用普通工作台配以专用焊接卡具,同时还要考虑充分利用工件装配的相互依赖关系作为自然的定位支撑来提髙车架焊接质量。除此外,还应当考虑经济效果,以便使生产成本尽量下降。经过研究制定以下工艺方案。一、工艺路线方案一(1) 将车架主体部分各杆件定位夹紧;(2) 焊接车架底部各杆件;(3) 焊接前隔板各杆件;(4) 焊接支撑环总成与车架底部杆件连接处;(5) 焊接前环与车架底部杆件连接处;(6) 焊接主环总成及其与车架底部杆件连接处;(7) 焊接后悬架安装杆前支撑左、右杆与车架底部杆件连接处;(8) 焊接后悬架安装杆后支撑左、右杆及尾部水平上杆;(9) 焊接前隔板支撑左右杆及前隔板斜撑左右杆;(10) 焊接前悬架左、右叉臂上安装杆及前环斜撑左、右杆;(11) 焊接上部侧边防撞左、右杆及对角侧边防撞左、右杆;(12) 焊接发动机安装区上部左、右杆;(13) 焊接后悬架左、右叉臂上安装杆;(14) 焊接主环斜撑左、右杆;(15) 将车架主体部分夹具卸下;(16) 将悬架部分装配到车架上,并将车架及悬架定位、夹紧;(17) 焊接发动机安装杆;(18) 焊接方向盘安装杆和安装环;(19) 焊接前后悬架安装块;(20) 焊接前后悬架叉臂。二、工艺路线方案二(1) 将车架主体部分各杆件定位夹紧;(2) 焊接主环总成;(3) 焊接前支撑环总成;(4) 焊接前隔板各杆件;(5) 焊接后悬架安装杆前支撑左、右杆与车架底部杆件连接处;(6) 焊接后悬架安装杆后支撑左、右杆及尾部水平上杆;(7) 焊接车架底部各杆件及与其相连的杆件;(8) 焊接前隔板支撑左右杆及前隔板斜撑左右杆;(9) 焊接前悬架左、右叉臂上安装杆及前环斜撑左、右杆;(10) 焊接上部侧边防撞左、右杆及对角侧边防撞左、右杆;(11) 焊接发动机安装区上部左、右杆;(12) 焊接后悬架左、右叉臂上安装杆;(13) 焊接主环斜撑左、右杆;(14) 将车架主体部分夹具卸下;(15) 将悬架部分装配到车架上,并将车架及悬架定位、夹紧;(16) 焊接发动机安装杆;(17) 焊接方向盘安装杆和安装环;(18) 焊接前后悬架安装块;(19) 焊接前后悬架叉臂。三、工艺方案的比较分析两种工艺方案的区别在于焊接基体的焊接顺序上,方案一先焊接底部、上部侧边防撞杆左右杆,这样就可以确定前环相对于底部侧边防撞杆的角度,而方案二的焊接顺序不能确定,这样就不可以正确的保证驾驶舱的空间大小,所以方案一优于方案二,选择方案一。2.9 定位、夹紧元件的选择2.9.1 定位元件及定位方式的选择图2-3 悬架卡具图2-4车架卡具定位元件的作用是要使工件在夹具中具有准确和确定不变的位置,在保证加工要求的情况下,限制足够的自由度。自由物体在空间直角坐标系中有六个自由度,即沿三个坐标轴方向的移动和绕三个坐标轴方向的转动。要使工件在某个方向具有准确和确定的位置,则必须限制该方向的自由度。工件的六个自由度均被限制的定位叫做完全定位;工件被限制的自由度少个,但仍然能保证加工要求的定位叫不完全定位。在焊接生产中,为了调整和控制不可避免产生的焊接应力和变形,有些自由度是不必要限制的,故可采用不完全定位的方法。在焊接夹具设计中,按加工要求应限制的自由度而没有被限制的欠定位是不允许的;而选用两个或更多的支撑点限制个自由度的方法称为过定位,过定位容易位置变动,夹紧时造成工件或定位元件的变形,影响工件的定位精度,过定位也属于不合理设计。虽然过定位使接触点不稳定,产生装配位置上的干涉,但在调整夹具时只要认真修磨支撑面,其过定位引起的不良后果是可以控制在允许范围内的。1、以工件的平面为基准进行定位时,常采用挡铁、支撑钉进行定位。2、工件以圆孔内表面为基准进行定位对常采用销定位器;3、工件以圆柱外表面为基准进行定位时常采用V形块定位器。4、利用已定位工件的轮廓对被定位工件进行定位,可采用样板定位器。经分析,焊件基体采用V形块定位,一个V形块可以限制圆柱面零件4个自由度,四边定位块定位方式属于过定位,但是由于车架的刚度小,所以采用过定位进行定位。2.9.2 工件的夹紧及对夹紧装置的要求夹紧机构的三要素是夹紧力方向的确定、夹紧力作用点的确定、夹紧力大小的确定。对夹紧机构的基本要求如下;1、夹紧作用准确,处于夹紧状态时应能保持自锁,保证夹紧定位的安全可靠。2、夹紧动作迅速,操作方便省力,夹紧时不虚损害零件表面质量。3、夹紧件应具备一定的刚性和强度,夹紧作用力应是可调节的。4、结构力求简单,便于制造和维修。2.9.3 定位误差的分析与计算六点定位原则解决了消除工件自由度的问题,即解决了工件在夹具中位置“定于不定”的问题。但是,由于一批工件逐个在夹具中定位时,各个工件所占据的位置不完全一致,即出现工件位置定得“准与不准”的问题。如果工件在夹具中所占据的位置不准确,加工后各工件的加工尺寸必然大小不一,形成误差。这种只与工件定位有关的误差称为定位误差,用d表示。加工尺寸的基准是外圆柱面的母线时,定位基准是工件圆柱孔的中心线。这种由于工序基准与定位基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量,称为基准不重合误差,用表b表示。此时除定位基准位移误差外,还有基准不重合误差。综上所述可知:定位误差产生的原因是,定位基准与限位基准不重合及定位基准与工序基准不重合而产生的误差。V形块定心定位,若不计V形块制造误差,仅有工件基准面的圆度误差时,工件的定位中心会发生偏移即O1O2=T1T2,产生基准位移误差。即:Y=O1O2=T1T2 (2-1)故:对于90V形块Y=0.707d。定位误差是两误差的合成即:D=B+Y在圆柱间隙配合定位和V形块中心定位中,当基准不重合误差和位移误差都存在时,定位误差的合成需判断“”“”号。V形块中:B=d/2当B与Y的变动方向相同时:D=B+Y=d/2+Y (2-2)当B与Y的变动方向相反时:D=BY=d/2Y5 (2-3)2.10 工件的夹紧在车架焊接过程中,工件会受到力的作用。为了保证在这些外力作用下,工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置,不致发生振动和位移,在夹具结构中必须设置一定的夹紧装置将工件可靠地夹牢。工件定位后,将工件固定并使其在加工过程中保持定位位置不变的装置,称为夹紧装置。焊接车架,由于是单件生产,经过分析决定采用图2-5中所示的定位夹紧方案。图2-5定位夹紧装置该卡具的特点是将定位元件和夹紧装置结合,杆件定位之后,用螺栓将夹板拧紧在杆件上。这样做的好处是:1、将夹紧装置简化,节约了不少成本;2、由于减少了用来固定夹具的杆件,为卡具布置节省了空间,同时也为焊接工作省下了足够的空间。2.10.1 夹紧装置的设计原则在夹紧工件的过程中,夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度、表面粗糙度以及生产效率。因此,设计夹紧装置应遵循以下原则:一、工件不移动原则夹紧过程中,应不改变工件定位后所占据的正确位置。二、工件不变形原则夹紧力的大小要适当,既要保证夹紧可靠,又应使工件在夹紧力的作用下不致产生加工精度所不允许的变形。三、工件不振动原则对刚性较差的工件,或者进行断续切削,以及不宜采用气缸直接压紧的情况,应提高支撑元件和夹紧元件的刚性,并使夹紧部位靠近加工表面,以避免工件和夹紧系统的振动。四、安全可靠原则夹紧传力机构应有足够的夹紧行程,手动夹紧要有自锁性能,以保证夹紧可靠。五、经济实用原则夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应,在保证生产效率的前提下,其结构.求简单,便于制造、维修,工艺性能好;操作方便、省力,使用性能好。2.10.2 夹紧力确定的基本原则设计夹紧装置时,夹紧力的确定包括夹紧力的方向、作用点和大小三个、要素。一、夹紧力的方向夹紧力的方向是与工件定位基准所处的位置,以及工件所受外力的作用方向等有关。选择时应该遵守以下原则:力的方向应垂直于工件的主要定位基面,以保证加工精度。夹紧力的方向应有利于减小夹紧力,以减小工件的变形、减轻劳动强度。力的方向应是工件刚性较好的方向。由于工件在不同方向上刚度是不等的。不同的受力表面也因其接触面积大小而变形各异。尤其在夹压薄壁零件时,更需注意使夹紧力的方向指向工件刚性最好的方向。二、夹紧力的作用点的确定压夹器的夹紧力方向必须仔细选择,一般应垂直于主要定位基面,这样它与定位器接触最好也最稳定,可减少接触点的单位面积压力,又有利于减少因夹紧所产生的变形。夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的一小块面积。选择作用点的问题是指在夹紧力方向已定的情况下确定夹紧力作用点的位置和数目。夹紧力作用点的选择是达到最佳夹紧状态的首要因素。合理选择夹紧力作用点必须遵守以下准则:夹紧力应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承平面内。如夹紧力作用在支撑面范围之外,会使工件倾斜或移动。夹紧力应落在工件刚性较好的部位上,这对刚性差的工件尤为重要,如将作用点由中间的单点改成两旁的两点夹紧,可使变形量大为减小,并且夹紧更加可靠。力的作用点应尽量靠近加工表面,以防止工件产生振动和变形,提高定位的稳定性和可靠性。三、夹紧力的大小的确定夹紧力的大小,对工件装夹的可靠性,工件和夹具的变形,夹紧装置的复杂程度等都有着很大的影响。因此,在夹紧力的作用点和方向确定之后,还要确定恰当的夹紧力大小。夹紧力大小的确定,是一个复杂而现实的问题,目前常采用下列两种方法:1、平衡计算法按工件受力(简化)平衡条件,列出夹紧力的计算方程式,并从中求出所需夹紧力Fc,为保证夹紧力可靠,再乘以安全系数K作为实际所需的夹紧力数值Fc即FcKFc (2-4)考虑到切削力的变化和工艺系统变形等因素,一般在粗加工时取K =2.53;精加工时取K=1.52。2、经验类比法在实际夹具设计中,对于夹紧力的大小并非在所有情况下都要用计算确定。如对手动夹紧机构,常根据经验或用类比的方法确定。对于需要比较准确地确定夹紧力大小的,如气动、液压传动装置或夹紧容易变形的工件,仍有必要对夹紧状态进行受力分析,估算夹紧力的大小。夹紧力三要素的确定,实际是一个综合性问题。必须全面考虑工件结构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素,才能最后确定并具体设计出较为理想的夹紧装置。四、受力分析夹紧力F的大小与零件自重W、焊接热引起的作用力F之间的相互关系,有下列几种情况。由于通常主要定位基准面是水平的,被装配的零件搁置在它上面,因而在图a时夹紧力可最小,理论上讲,F=0。图b的F力为水平方向,夹紧力必须满足下式要求:FF/fW (2-5) 图e所需的夹紧力最大FF/fW (2-6)图2-6 重力与焊接热应力对夹紧力的影响F-夹紧力 F-焊接热应力 W-重力减小夹紧力可减小压紧器的尺寸;降低劳动强度,因此应尽可能使F与W力由夹具的定位面或装置上的挡块来承受,而不是由零件与夹具面的摩擦力或压紧器本身来承受。由于焊接热引起的作用力F很难精确计算,只能粗略估计,一般是将计算的理论值提高12倍,作为夹具设计时的夹紧力。在大量采用机械化压紧器的工艺装备中,必要时应通过实验来确定最恰当的夹紧力数值。2.10.3 减小夹紧变形的措施有时,一个工件很难找出合适的夹紧点。如较长的套筒在车床上镗内孔和高支座在镗床上镗孔,以及一些薄壁零件的夹持等,均不易找到合适的夹紧点,这时可以采取以下措施减少夹紧变形。1、均匀的对称变形,以便获得变形量的统计平均值,通过调整刀具适当消除部分变形量,也可以达到所要求的加工精度。增加辅助支撑和辅助夹紧点。若高支座可采用增加一个辅助支撑点及辅助夹紧力,就可以使工件获得满意的夹紧状态。2、分散着力点,用一块活动压板将夹紧力的着力点分散成两个或四个。从而改变着力点的位置,减少着力点的压力,获得减少夹紧变形的效果。3、增加压紧件接触面积,在压板下增加垫环,使夹紧力通过刚性好的垫环均匀地作用在薄壁工件上,避免工件局部压陷。4、利用对称夹具的夹紧设计,应保证形状在加工薄壁套筒时,采用加宽卡口,如果夹紧力较大,仍有可能发生较大的变形,因此,在精加工时,除减小夹紧力外,还需要采用对称式的夹具设计。5、其它措施对于一些极薄的特形工件,靠精密冲压加工仍达不到所要求的精度而需要进行机械加工时,上述各种措施通常难以满足需要,可以采用一种冻结式夹具。这类夹具是将极薄的特形工件定检于一个随行的型腔里,然后浇灌低熔点金属,待其固结后一起加工,加工完成后,再加热熔解取出工件。低熔点金属的浇灌及熔解分离,都是在生产线上进行的。19第3章 模具的设计3.1 模具的发展与现状3.1.1 国内模具的发展与现状模具是工业生产中的基础工艺,是一种髙附加值的高技术密集型产品,也是髙新技术产业的重要领域,其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造水平的重要标志。随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展,各行各业对模具的需求量越来越大,技术要求也越来越高。目前我国模具工业的发展步伐曰益加快,“十一五期间”产品发展重点主要应表现在:1、汽车覆盖件模具;2、精密冲模;3、大型及精密塑料模;4、主要模具标准件;5、其它高技术含量的模具。汽车工业的快速发展,拉动了中国模具产业的快速发展,也给中国模具产业带来了发展良机。汽车车身模具主要包括汽车覆盖件模具、汽车骨架类模具。2001年以前汽车模具生产厂家主要以生产卡车车身模具为主,随着国家经济迅速发展,轿车普及程度越来越高,现在轿车车身模具已成为各模具制造商的主导产品。国内汽车模具制造企业的生产能力日渐提髙,轿车整体侧罔模具过去一直依赖进口,现在国内几家大型模具制造厂家已能生产,一汽模具制造有限公司率先在2003年完成中低档轿车整车模具的开发,产品完全能够满足汽车厂家的要求,还有一些模具出口到美国、欧洲和日本。多衷位自动化连续模、汽车大V中型骨架件的级进模作为部分企业的新产品已逐步占领国内市场,并打入国际市场。激烈的市场竞争,落后的管理手段,使模具企业中的管理和技术人员只有疲于奔命。2003年国内少数汽车模具企业就开始系统的研发工作,07年从系统的开发与库用进入到一个成熟、稳定阶段,在模具产品开发过程中彻底改变了以往的卞些不规范、落后的管理方式,对文档管理、知识管理、工作流程管理、人员权限管理、项目管理等内容进行先进的信息化系统管理,使产品设计与技术管理两个环节紧密结合,大幅度的提高了设计效率与管理水平。模具检测技术近几年也有很大提高,特别是应用光学扫描照相设备进行模具检测、模具虚拟合模检测、冲压零件检测、模具修理与复制、泡沫实型检测、铸件毛坯检测,座表测量设备相比模具检测效率得到很大提高,不仅如此通过模具虚拟合模检测还可以实现汽车冲压模具数据化制造过程控制。技术是企业发展的动力,管理则是企业发展的灵魂。念业向髙层次提升就必须创造一套适合自己的独特的管理体系。技术有钱可以买来,没钱甚至可以偷来,唯独管理买不到。好的管理方法可能学习,但不能克隆。比如欧、美、日的管理经过几十年甚至一个世纪积累、提炼,才形成一种模式,但还要不断推陈出新。归根结底它就是一种思想、方法、理念。实践证明国际上任何一种成熟的管理方法直接用在中国的任何企业都不会有持久的效果,而应通过学习结合自己企业的特点创造适合自己企业并能满足市场需求的管理模式,来实现企业的管理创新。目前,国内许多汽车车身模具企业都建立了适合八身特点的全方位的管理体系,如一汽模具开发了以项目为主体,贯穿公司生产过程中所有信息的管理系统,包括项目计划、工作量分配计划执行过程中的问题的积累及解决方案的过程、质量状态等。实现了项目目标与部门月隹作目标的实时发布,保证了企业与部门目标的二致性。实现了年、月生产负荷及任务分布的八动发布,为资源策划提供了依据。实现了项目运行情况及部门计划执行情况的实时发布,为项目的控制提供了依据。实现了产品变更执行情况和现场问题的提出及解决情况的实时发布,为项目的控制及信息积累提供了条件。国家提出要自主发展,产品自主已提到了很主要的高度,汽车产品的自土会越来越多,也就给中国模具企业进步搭建更多更好的表演舞台,中国模具发展的精彩点也会给中国汽车产业更多更快的回报。产品技术上,多工位级进模和多功能模具,是我国重点发展的精密模具品种。与国外汽车大中型级进模相比,我们在工艺排布、模具制造精度、使用寿命、模具结构和功能上,仍存在一定差距。中国汽车车身模具今后的发展方向,应该注重产品结构的调整和定位,进一步提升模具的制造技术水平,占领结构复杂、精密度高、技术含量髙的高档模具市场。未来中国汽车模具制造业的发展是要做强。做强的标志是扭转大量的中高档模具仍然依靠进口的局面;做强的标志是中国的汽车模具企业能够肩负起中国汽车自主发展过程中所需的模具及焊接夹具的重任;做强的标志是中国的模具企业快速融入国际化竞争使我们自己的模具大量进入国际市场,将过去大量从欧、美、日进口模具的现象变为大量出口。使中国由汽车模具大国变成汽车模具强国。3.1.2 模具CAD/CAE/CAM技术冲压技术的进步首先通过模具技术的进步来体现出来。对冲模技术性能的研究已经成为发展冲压成形技术的中心和关键。20世纪60年代初期,国外飞机、汽车制造公司开始研究计算机在模具设计与制造中的应用。通过以计算机为主要技术手段,以数学模型为中心,采用人机互相结合、各尽所长的方式,把模具的设计、分析、计算、制造、检验、生产过程连成一个有机整体,使模具技术进入到综合应用计算机进行设计、制造的新阶段。模具的高精度、高寿命、高效率成为模具技术进步的特征。模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术,是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式,为企业提供一种有效的辅助工具,使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期,降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。模具CAD/CAE/CAM在近20年中经历了从简单到复杂,从试点到普及的过程。进入本世纪以来,模具CAD/CAE/CAM技术发展速度更快,应用范围更广。在级进模CAD/CAE/CAM发展应用方面,本世纪初,美国UGS公司与我国华中科技大学合作在UG-II(现为NX)软件平台上开发出基于三维几何模型的级进模CAD/CAM软件NX-PDW。该软件包括工程初始化、工艺预定义、毛坯展开、毛坯排样、废料设计、条料排样、压力计算和模具结构设计等模块。具有特征识别与重构、全三维结构关联等显著特色,已在2003年作为商品化产品投入市场。与此同时,新加波、马来西亚、印度及我国台湾、香港有关机构和公司也在开发和试用新一代级进模CAD/CAM系统。我国从上世纪90年代开始,华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学和北京机电研究院等相继开展了级进模CAD/CAM系统的研究和开发。如华中科技大学模具技术国家重点实验室在Auto CAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC,包括板金零件特征造型、基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具和线切割自动编程5个模块。上海交通大学为瑞士法因托(Fine tool)精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAC/CAM系统。西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等。近年来,国内一些软件公司也竞相加入了级进模CAD/CAM系统的开发行列,如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统Cm CAD、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统Fox-CAD等。展望国内外模具CAD/CAE/CAM技术的发展,本世纪的科学技术正处于日新月异的变革之中,通过与计算机技术的紧密结合,人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快,学科领域交叉之广前所未见。今后10年新一代模具CAD/CAE/CAM系统必然是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物,其特点将反映在专业化、网络化、集成化、智能化四个方面。主要表现在:(1)模具CAD/CAM的专业化程度不断提高;(2)基于网络的CAD/CAE/CAM一体化系统结构初见端倪;(3)模具CAD/CAE/CAM的智能化引人注目;(4)与先进制造技术的结合日益紧密。3.2 零件工艺性分析工件图为下图,工件材料为4130钢,壁厚2.4mm。其工艺性分析内容如下:图 3-1 弯曲工件图3.2.1 材料选择选择车架的材料应该考虑材料的焊接性以及强度和韧性。4130结构钢具有高的强度和韧性,淬透性较髙,在油中临界淬透直径1570mm;钢的热强度性也较好,在500以下具有足够的高温强度,但550时其强度显著下降;当合金元素在下限时焊接相当好,但接近上限时焊接性中等,并在焊前需预热到175以上;钢的可切削性良好,冷变形时塑性中等。由于20结构钢的上述特性,车架的材料最终选择4130钢。3.2.2 结构分析零件结构简单,左右对称,对弯曲成形较为有利。可查得此材料所允许的最小弯曲半径r=0.5t=1mm,而零件弯曲半径r=187.5mm1mm,故不会弯裂。计算零件相对弯曲半径15,卸载后弯曲件圆角半径的变化可以不予考虑3.2.3 工艺分析冲压工序可以分为四个基本工序:一、冲裁使板料实现分离的冲压工序(包括冲孔、落料、修边、剖切等)。二、弯曲将板料、棒料、管材和型材弯成具有一定曲率、一定角度和形状的冲压工序。三、拉深将平面板料变成各种开口空心零件,或把空心件的形状、尺寸作进一步改变的冲压工序。四、局部成形用各种不同性质的局部变形来改变毛坯或冲压件形状的冲压工序(包括翻遍、胀形、校平和整形工序等)。方程式赛车车架是由若干直线管件以及U型管件焊接而成。直线管件可以直接裁得,型件需要弯曲得到。由于该零件结构较简单,所以可以由型件展开的直线件直接弯曲制得。近几十年来,冲压技术有了飞速的发展,它不仅表现在许多新工艺与新技术在生产的广泛应用上,如:旋压成形、软模具成形、高能率成形等,更重要的是人们对冲压技术的认识与掌握的程度有了质的飞跃。现代冲压生产是一种大规模继续作业的制造方式,由于高新技术的参与和介入,冲压生产方式由初期的手工操作逐步进化为集成制造。生产过程逐步实现机械化、自动化、并且正在向智能化、集成化的方向发展。实现自动化冲压作业,体现安全、高效、节材等优点,已经是冲压生产的发展方向。冲压自动化生产的实现使冲压制造的概念有了本质的飞跃。结合现代技术信息系统和现代化管理信息系统的成果,由这三方面组合又形成现代冲压新的生产模式计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)。把产品概念形成、设计、开发、生产、销售、售后服务全过程通过计算机等技术融为一体,将会给冲压制造业带来更好的经济效益,使现代冲压技术水平提高到一个新的高度。3.3 U形件弯曲模结构设计3.3.1 模具的整体结构一、模具总体结构如下图所示,图3-2 1-模柄 2-上模板 3-铰制孔螺栓4-垫板 5-凸模固定板 6-六角螺母 7-定位块 8-六角头螺栓 9-凹模 10-凸模 11-起模螺栓 12-六角头螺栓 13-下模板 14-导柱二、该模具的出料装置主要由起模螺栓实现。凹模底部装有一个起模螺栓,当零件冲压完成后,旋动起模螺栓,冲压完零件被起模螺栓顶出,从而达到出料的目的。三、模具的工作过程第一步:将计算好长度的U型展开直线管件通过定位装置放到工作工位。第二步:上模下行完成零件冲压工序。第三步:上模上行,旋动起模螺栓使零件与凹模分离,取出制件完成冲压。3.3.2 凸、凹模的结构和固定形式由于冲压件的形状和尺寸的不同,冲模的加工以及装配工艺等实际条件亦有所不同,所以在实际生产中使用的凸模结构形式也就有很多种形式。一般冲裁凸模的形状是由产品的形状决定的,它可以采用直身结构也可采用加强型结构。主要的固定方式有:台肩固定、铆接、螺钉和销钉固定以及粘结剂浇注法固定等。图 3-3 凸模连接示意图图3-3凸模连接示意图本设计中采用用圆形和方形两种形式的凸模,材料选用T10A钢,淬火硬度HRC56-60,必要时表面可进行渗氮处理。圆凸模可采用髙精度外圆磨床加工,异形凸模可以采用慢走丝线切割加工或成形磨削加工(成形磨削是模具零件成形表面精加工的一种方法,可以获得高尺寸精度、高表面加工质量。凸模固定方式如图3-3所示:凸模以过渡配合固紧在凸模垫板上,保证在工作时不被拉出,安全可靠。3.4 模具零件的设计与计算3.4.1 凸、凹模的间隙弯曲U形件,其凸模间隙C的大小,对弯曲件质量有直接影响,过大间隙会引起回弹量的增加;过小时,引起工件材料的厚度变薄,降低模具的使用寿命,因此必须确定出合理的间隙值。凸凹模合理的间隙按下式计算:C=t+Kt (3-1)式中,C弯曲凸凹模间隙;t材料厚度;材料厚度正偏差;K修正系数,K=0.050.10 。当工件精度要求高的时候,凸凹模间隙应适当减小,可以取C=t 。由于本次压弯模设计是仿形压弯,因此凸凹模间隙可以取C=0。图 3-4 弯曲模间隙3.4.2 弯曲力计算弯曲力是设计弯曲模和选择压力机的重要依据。弯曲件的截面为环形,外径D=25.4mm,内径d=20.6mm。校正弯曲力FJ 按式(3-2)计算:FJ=AP (3-2)式中,A弯曲件上被校正部分在垂直于弯曲力方向的平面上的投影面积(mm2); P单位校正力(MPa),取P=120MPa。 校正弯曲力FJ 按式(3-2)计算 FJ=20799N=20.799KN自由弯曲力FZ:FZ= 0.7Kbt2b/(r+t) (3-3)式中,b材料抗拉强度,b =410(MPa); r凸模圆角半径,r=187.5mm; b弯曲线长度,b=2760mm; t材料厚度,t=2.4mm; K安全系数,K=1.3 所以顶件力FD:FD= (0.30.8) FZ =(0.30.8) 0.7Kbt2b/(r+t) =0.6*0.7*1.3*2760*2.4*410/(187.5+2.4) =7808.6N =8KN对于校正弯曲,由于校正弯曲力比顶件力大得多,故一般FD可以忽略,压力机的压力为FY ,即 FY FJ生产中为安全,取FY1.8FJ =1.820.8=37.44KN,根据压弯力大小,初选设备为JH2325。3.4.3 凸模长度的确定凸模工作部分的长度应根据模具的结构来确定。一般不宜过长,否则往往因纵向弯曲而使凸模工作时失稳。致使模具间隙出现不均匀,从而使冲件的质量及精度有所下降,严重时甚至会使凸模折断。根据模具设计结构形式,凸模的长度为L=H1+H (3-4)式中,L凸模的长度(mm);H1凸模固定板的厚度(mm),它取决于冲件的竖直高度h,一般在压弯这里取H1 = 1050mm ;H附加长度(mm)。主要考虑凸模进入凹模的深度以及模具闭合状态下卸料板到凸模固定板间的安全距离(取20mm)。将各数据代入式(3-4)中得:压弯凸模长度L=1050+20=1070mm3.4.4 凹模尺寸的确定凹模孔的尺寸,在实用上是和制件尺寸一起来考率的。它关系到制件质量的好坏,因此对其加工表面质量亦必须予以充分的考虑。凹模的厚度和外形尺寸对于其承受的压弯力,必须具有不引起破损和变形的足够强度。压弯时,凹模承受压弯力和水平方向的作用,由于凹模的结构形式受力状态又比较复杂,特别是对于复杂形状的冲件,其凹模的强度计算就相当的复杂。因而,在目前一般的生产实际情况下,通常都是根据压弯件的轮廊尺寸和板料厚度、压弯力的大小等来进行概略的估算及经验修正的。结构尺寸计算如下:1、凹模壁厚凹模壁厚b按文献冲压工艺与模具设计实用技术表14-5选择。由文献表14-5取b=30mm。2、 凹模厚度凹模厚度h根据主环直径按文献图14-15选择。取凹模厚度250mm。凹模外形尺寸根据上述凹模厚度与壁厚以及主环尺寸可以得出:凹模长L=1350mm;凹模宽B=1050mm故有了凹模外形尺寸LBh=13501050250 mm。3.5 冲压设备的选用根据所要完成的冲压工艺牲质、生产批量的大小、冲压件的几何尺寸和精度要求来选定设备类型。开式曲柄压力机:也称冲床,应用最为广泛,机身呈C形,前、左、右三面敞开,结构简单,操作方便,但开式机身刚性较差,影响制件精度和模具寿命,仅适用于40-4000千牛的中小型压力机。虽然刚度差,但它成本低,且有三个方向可以操作的优点,故广泛应用于中小型冲裁件、弯曲件、拉深件的生产。闭式曲柄压力机:机身呈框架形,机身前后敞开,刚性好,精度高,工作台面的尺寸较大,适用于压制大型零件,公称力多为1600-60000 千牛,刚度好、精度高,只能靠两个方向操作,适用于大中型件的生产。双动曲柄压力机有两个滑块,压边可靠易调,适用于较复杂的大中型拉深件的生产。油压机:利用帕斯卡原理,以油为工作介质,采用静压力传递进行工作,使滑块上、下往复运动。油压机的特点是压力大,而且是静压力,但生产率低,适用于拉深、挤压等成形工序。考虑到压弯件尺寸较大,采用双柱闭式曲柄压力机3.5.1 冲压设备主要技术参数一、滑块行程滑块行程是指曲柄旋转一周,下止点至上止点的距离等于曲柄半径R的两倍,即S=2R,滑块行程大小的选择依据是,应保证方便放入毛坯或取出零件。二、行程次数行程次数是指滑块每分钟往复运动的次数,一般,在压力机的基本参数之中给出滑块的额定行程次数。在实际工作中,滑块的行程次数根据所需生产率,操作的可能性和允许的变形速度等来确定。三、工作台面尺寸的选择工作台面(或工作垫板)尺寸一般应大于模具底座50mm-70mm。四、滑块尺寸的选择一般开式压力机滑块的尺寸比工作台面的小,如果有模柄,模板的尺寸可以大于滑块的尺寸,如果用压板槽固定,那么,开压板槽侧的模板尺寸小于滑块尺寸50mm-70mm,以便于用压板固定模板。五、闭合高度的选择压力闭合高度是指滑块的死点位置时,滑块端面到工作台面(不是到垫板上表面)的距离。闭合高度减去垫板厚度的差值,称压力机的装模高度。没有垫板的压力机,其装模高度与闭合高度相等,模具的闭合高度是指工作行程终了时,模具上模座与下模座之间的距离。六、滑块模柄孔尺寸滑块内有安装模柄用孔,目的是用模柄将上模安装在滑块上。有些压力机,虽然有模柄孔,但是没有锁紧装置,不能用来固定上模,在这种情况下,只有在落料冲孔使用打杆时才用模柄。七、压板槽在工作台或工作台垫板上、滑块上一般都有压板槽,便于把上、下模固定在滑块和工作台上。H模具闭合高度; Hmin压力机的最小闭合高度; Hmax压力机的最大闭合高度; H 垫板厚度; M连杆调节量; Hmin-H 压力机的最小装模高度; Hmax-H 压力机的最大装模高度。 图3-5 模具安装图3.5.2 冲压力的计算弯曲力是设计冲压工艺过程和选择设备的重要依据之一。弯曲力的大小与毛坯尺寸、零件形状、材料的机械性能、弯曲方法和模具结构等多种因素有关。弯曲力急剧上升部分表示由自由弯曲到接触弯曲转化为校正弯曲的过程。由3.4.2知压力机压力FY1.8FJ =1.820.8=37.44KN3.5.3 选择压力机根据上述冲压力的大小以及模具的尺寸,初步选用型号为J31-500式双柱可倾压力机。该型号压力机主要技术规格如下:公称压力5000KN;滑块行程1100mm;最大闭合高度Hmax=1700mm;最小闭合高度Hmin=600mm;最大装模高度Hmax=1600mm;最小装模高度Hmin=500mm;装模高度调节量200mm;工作台尺寸(前后mm左右mm)1600x1100;垫板尺寸(厚度)H1=100mm;模柄孔尺寸:直径140mm,深度是160mm;滑块中心至床身中心距离1000mm;模具闭合高度H=1575mm故,所选压力机装模高度与模具闭合高度满足下式Hmax5mmHHmin+10mm压弯时的合力作用点或多工序模各工序冲压力的合力作用点,称为模具压力中心。如果模具压力中心与压力机滑块中心不一致,冲压时会产生偏载,导致模具以及滑块与导轨的急剧磨损,降低模具和压力机的寿命。因此,设计时应该正确算出压弯时的压力中心,并使压力中心和模柄轴心线重合;若因压弯件的形状特殊,从模具结构方面考虑不宜使压力中心与模柄轴心线相重合,也应注意尽量使压力中心的偏离不超过所选压力机模柄孔投影面积的范围,以下通过解析法确定模具的压力中心。建立平面直角坐标系XOY;计算出各单一图形的压力中心到坐标轴的距离X1、X2、X3Xn和Y1、Y2、Y3Yn;将计算数据分别代入式(3-5)和(3-6),即可求得压力中心坐标(X0,Y0)。 (3-5) (3-6)3.6 模具强度和刚度的计算模具在其工作过程中需要承受保压力、锁模力和脱模力等各种外力。如果型腔壁厚和底板的厚度不够,当这些外力的数值过大,型腔中产生的内应力超过型腔材料本身的许用应力时,模具及其成型零部件会产生塑性变形或断裂破坏,导致整个模具失效。因此,设计成型零部件时,应进行强度校核。另外,在外力作用比较大时,即使模具不产生塑性变形或断裂破坏,也有可能产生较大的弹性弯曲变形,引起成型零部件在它们的对接面或贴合面处出现较大的间隙,由此会发产生溢料或飞边现象,导致制件无法满足技术质量要求。因此,设计成型零部件时,应进行刚度校核。分析表明对于尺寸的型腔刚度不足是主要矛盾,应按刚度条件设计,按强度条件校核;而小尺寸的型腔在发生足够大的弹性变形前往往因强度不足而破坏,因此应按强度条件设计,按刚度条件校核。此模具型腔为整体式,且型腔结构类似矩形,可按矩形凹模整体式型腔进行计算。型腔侧壁厚度按刚度计算根据参考文献11第385页公式9.4-36、9.4-45b、9
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