飞轮锁片的模具设计及快速制造技术研究.docx
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飞轮锁片的模具设计及快速制造技术研究
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：
飞轮锁片的模具设计及快速制造技术研究
系部：
机械工程系专业：
材料成型及控制工程工程学号：
112018139
学生：
指导教师（含职称）：
（副教授）
1．课题意义及目标
学生应通过本次毕业设计，了解冲压模具的结构及设计方法；了解快速制造
技术的方法及应用；了解3D打印快速制造技术的工作原理、适用材料、制造工艺及在模具制造中的应用，为学生在毕业后从事材料成型技术工作打好基础。
2．主要任务
（1）查阅20篇以上的科技文献
（2）零件名称：
柴油机飞轮锁片
材料：
Q235
材料厚度：
1.2mm
工件精度：
无要求
生产批量：
大批量。
设备情况：
一般工业制造常见设备。
零件图：
如右所示。
1）了解冲压模具设计的方法。
分析所给零件的工艺方案和模具结构。
计算凸凹模的尺寸。
2）绘制凸凹模的零件图和并建立图凹模的三维模型。
3）掌握3D打印快速制造技术的工作原理、适用材料、制造工艺流程及工艺参数
4）用3D打印快速成型设备制造凸凹模。
掌握模具设计的方法，并通过3D打印快速成型设备制造模具的主要零件。
分析比较快速成型工艺和传统工艺各自的优缺点。
（3）完成毕业设计的开题答辩、中期检查。
（4）按照毕业论文的撰写要求完成毕业论文、参加答辩。
3．主要参考文献
[1]丁松聚主编.冷冲模设计.北京：
机械工业出版社，2001.10
[2]王广春，赵国群.北京.快速成型与快速模具制造技术及其应用.机械工业出版社，2013.1
[3]刘厚才，莫健华，刘海涛.三维打印快速成形技术及其应用[J].机械科学与技术，2008，（9）
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
12月1日~12月31日
2
阅读相关文献，完成凸凹模计算
1月1日~3月10日
3
绘制凸凹模的零件图和三维图并完成中期检查
3月11日~4月30日
4
用3D打印设备制造凸凹模
5月1日~5月15日
5
撰写毕业论文，准备答辩
5月16日~6月10日
审核人：
2014年12月15日
飞轮锁片的模具设计及快速制造技术研究
摘要：
冷冲压模具在我们传统的模具设计制造中具有不可忽视的地位。
冷冲压是一种基于去除成型的成型方法，原材料在压力机上利用冲模产生的外界压力，使之出现分离、变形，最终成型出所要求的零部件。
快速成型制造技术因其产品具有优良的品质、较低的成本、较短的开发周期，能快速进入市场等优势，已经别广泛应用于模具制造。
本论文完成了飞轮锁片的模具设计，并采用3D打印快速成型机打出了落料、冲孔复合模具的样品。
关键词：
冷冲模，模具设计，快速制造技术
Themolddesignofflywheel’slockplateandTheresearch
ofRapidmanufacturingtechnology
Abstract：
Coldstampingdiehasanimportantstatusinourtraditionalmolddesignandmanufacturing.Coldstampingmoldingisakindofmoldingmethodbasedontheremovalmoldingmethod,therawmaterialusesthepunchingpressureonthepressuremachine,makingitbeingseparatedanddeformed,eventuallymoldingtherequiredcomponents.
Becauseoftherapidprototypingmanufacturingtechnology’productshavetheadvantagesofexcellentquality,lowcost,shortdevelopmentcycle,thequickspeedtoenterthemarket,ithasalreadywidelyusedinmoldmanufacturing.
Thispapercompletesthemolddesignofflywheel’slockplate,anduses3Dprintingrapidprototypingmachinestoformthesampleofthepunchingandblankingcompounddie.
Keywords:
Colddie,Molddesign,Rapidmanufacturingtechnology
目录
1前言1
1.1飞轮锁片的模具设计1
1.2快速制造技术的现状和发展趋势2
2飞轮锁片的模具设计3
2.1冲压工艺分析3
2.2确定冲压工艺方案和模具结构形式3
2.2.1分析制件的冲压工艺性3
2.2.2确定零件工艺方案3
2.2.3确定冲模类型及结构形式3
2.3工艺计算4
2.3.1排样、计算条料宽度、确定步距4
2.3.2材料利用率4
2.4凸凹模刃口尺寸计算5
2.4.1合理间隙确定5
2.4.2刃口尺寸计算（刃口全部采用分别加工法计算）5
2.5冲压力计算6
2.6压力中心计算6
2.7模具闭合高度7
33D打印快速制造成型技术9
3.1工作原理9
3.2适用材料12
3.2.1直接成型用材料13
3.2.2间接复制用材料13
3.3制造工艺流程13
4冲压模具的传统与现代制造工艺比较15
4.1冲压模具的传统制造工艺15
4.2冲压模具的现代制造工艺16
4.3传统与现代制造工艺比较16
53D打印技术生产冲压模具18
5.1使用设备18
5.2使用材料介绍20
5.3过程分析20
5.4成型参数介绍21
6结论22
参考文献23
致谢24
1前言
1.1飞轮锁片的模具设计
从上世纪末开始，消费市场环境发生了很大的改变。
随着经济的不断发展，改革开放，大家的消费水平和消费理念有了质的转变，不再像从前那样只追求量，现在更追求个性化的定制产品。
同时，制造商们面对市场方向的改变，不再像原来一样大批量的生产单一的产品，而是小批量的生产有特色的产品，以满足消费者的实际需求，占领商机。
国民经济的快速的健康的发展对模具制造行业提出了越来越高的市场要求，促使了模具制造业的高速发展。
在新世纪全球模具制造工业发展变化日新月异。
作为未来中国模具制造业接班人，大学生应努力学习专业知识，多多了解接触新兴模具制造技术而且扎实踏实的学习传统模具制造技术。
通过本次对飞轮锁片零部件进行了工艺分析，设计了冲孔—落料冷冲压模具，并确定采用复合模生产。
本次设计的内容主要包括1.冲压工艺分析2.确定冲压工艺方案、模具结构形式3.工艺计算4.凸凹模刃口尺寸计算5.冲压力计算6.压力中心计算7.模具闭合高度。
此论文是围绕着毕业设计课题“飞轮锁片的模具设计及快速制造成型技术的研究”的课题要求，通过查阅大量文献并通过实践而编写的毕业论文。
本篇论文共分为六章。
第一章为前言，引发出这次的毕业设计所涉及的内容。
第二章为飞轮锁片的模具设计。
第三章为3D打印快速制造成型技术。
第四章为冲压模具的传统与现代制造工艺比较。
第五章为3D打印技术生产冲压模具。
第六章为结论，综述了这次毕业设计的零零总总。
由于本人专业水平有限，书中的不当或错误之处恳请读者批评指正，谢谢。
1.2快速制造技术的现状、发展趋势
近年，快速成型制造技术发展的比较完整，得到了各方面的完善，现在正在往快速模具制造的方向在进行发展与开拓。
在其他的领域方面，快速成型制造技术都有不小的贡献。
好如在生物医学和构造工程的范畴上面，快速成型制造技术有很深远的前景，按照CT的信息数据可以转化为CAD模型后，快速的制造出立体的三维人体器官，好如说人体的骨骼、颅骨、牙齿，甚至是一些软组织，如肾等等。
在这一过程中，可以使用不同颜色的材料来使之成型，然后在需要醒目颜色的组织上得以应用。
在康复的工程方面也有进展，可以制造出假肢，其质量可以得到大大的提升，使之可以减缓病人安装假肢的痛苦。
在试验分析模型方面，快速成型制造技术还可以在计算分析与试验上发挥有效应用。
另外，在建筑行业方面，模具设计也发挥着很大的作用，其建立的三维模型为建筑实物提供了很好的参考。
2飞轮锁片的模具设计
2.1冲压工艺分析
1）形状：
柴油机的飞轮锁片的所给出的形状为圆形外形和一个含有切口的内孔而组成的，是较为简单的对称性工件，如右图所示。
2）所给出的的加工要求中无精度要求，所以选用经济精度IT13级，粗糙度为Ra=6.3um。
3）所给定的加工材料要求为Q235碳素结构钢，并且要求大批量生产。
图2.1零件图
2.2确定冲压工艺方案、模具结构形式
2.2.1分析制件的冲压工艺性
①材料：
Q235为普通的碳素结构钢，其性能适合于冲裁加工。
②零件结构：
为简单的对称性结构，适合于冲裁加工。
③尺寸精度：
由于没有要求较高精度，可选定经济精度IT13。
2.2.2确定零件工艺方案
该零件包括落料和冲孔两个基本的工序，于是根据分析可以制定提出以下三种方案：
方案一：
先落料，后冲孔，采用单工序模出件（两套）。
方案二：
冲孔—落料接连冲压，采用连续模出件。
方案三：
冲孔—落料复合冲压，采用复合模出件。
针对于方案一，其优势是模具设计起来较为简单，但是需要两道工序和两套模具，不适合大批量的生产，但是出件效率太低，出件的精度太低。
针对于方案二，其优势是只需要一套模具，而且适合大批量的生产，出件的效率也比较高，而且精度也高。
但是适合复杂的零部件，而且成本太高。
针对于方案三，其优势是只需要一套模具，与方案二比生产的零件精度稍差，但是出件的效率也比较高，成本也较低，针对简单的零件比较适合。
所以，比较三个方案最终采用方案三生产。
2.2.3确定冲模类型及结构形式
因为该零件的平整度的要求条件较高，又为单孔件，最终选择复合模。
2.3工艺计算
2.3.1排样、计算条料宽度、确定步距
由于该零件尺寸较大，故确定单排的方案。
查搭边值表，给定搭边值
两个工件间的搭边：
a=1mm;
工件边缘的搭边：
a1=1.2mm;
步距n=62+1=63mm;
条料宽度：
B=65.4mm
2.3.2材料利用率
计算冲压件材料利用率：
η=S/S0=S/A*B*100%
其中
S=3017.54平方厘米
进距为65.4mm，
所以
η=71.43%
2.4凸凹模刃口尺寸计算
2.4.1合理间隙确定
查表法：
Zmin=0.126mm
Zmax=0.180mm
Zmax-Zmin=0.054mm
2.4.2刃口尺寸计算
根据分析，计算以凸模为基准，配制凹模。
该工件图上未注精度，选用经济精度IT14
经查阅，各尺寸公差为以下数据：
尺寸（mm）
Δ（mm）
δ凸（mm）
δ凹（mm）
62
0.74
-0.02
0.03
37
0.62
-0.02
0.03
12
0.43
-0.02
0.02
41.2
0.62
-0.02
0.03
表2.1刃口尺寸公差表
由表查凸模和凹模的制造偏差：
落料部分：
δ凹=0.030mm
δ凸=-0.020mm
丨δ凹丨+丨δ凸丨=0.5mm<0.054mm
冲孔部分：
δ凹=0.020mm
δ凸=-0.020mm
丨δ凹丨+丨δ凸丨=0.40mm<0.054mm
查表得
x=0.5
1）落料
D凹=（Dmax-xΔ）=（62-0.5*0.74）=61.63+0.0300mm
D凸=（D凹-Zmin）=（61.63-0.126）=61.504-0.020mm
2）冲孔
d凸=（dmin+xΔ）=（37+0.5*0.62）=37.31-0.020mm
d凹=（d凸+Zmin）=（37.31+0.126）=37.436+0.0300mm
a凸=（amin+xΔ）=（12+0.5*0.43）=12.215-0.020mm
a凹=（a凸+Zmin）=（12.215+0.126）=12.341+0.0200mm
b凸=（bmin+xΔ）=（41.2+0.5*0.62）=41.51-0.020mm
b凹=（b凸+Zmin）=（41.51+0.126）=41.636+0.0200mm
2.5冲压力计算
根据分析，确定该模具是选用刚性卸料，废料与工件是向下落下。
1）采用弹性卸料和下出料方式时：
ΣF=F+F卸+F推
F=KLTt=1.3×99×1.2×380=141.76KN
F卸=K卸×F=0.06×141.76=8.51KN
F推=K推×F=0.05×141.76=7.09KN
2）总压力计算
F总=F落+F卸+F推=157.36KN
2.6压力中心计算
根据棑样图
图2.2排样图
如图可知：
冲孔—落料圆形的压力中心是图形的对称中心即圆心
2.7模具闭合高度
上模座：
L/mm×D/mm×H/mm=450×250×50
下模座：
L/mm×D/mm×H/mm=450×250×50
垫板厚度取：
17mm
凸模固定板的厚度取：
20mm
导料板：
5mm
卸料版垫板厚度：
15mm
卸料板的厚度：
20mm
弹簧的外露高度：
25mm
凹模垫板：
15mm
模具的闭和高度：
H=（50+50+17+20+15+20+25+5+15+1.2）mm=218.2mm
而选择的压力机开式250KN压力机，其闭和高度为：
250mm，封闭高度调节量为
70mm。
根据校核，模具的高度符合要求。
冲裁设备的选择：
选择开式250KN压力机
公称压力：
250kN
滑块行程：
80mm
最大闭和高度：
250mm
工作台尺寸：
左右：
560mm；前后：
360mm。
工作台孔尺寸：
前后：
130mm；左右：
260mm；直径：
180mm。
33D打印快速制造成型技术
原型，英语名称prototype，是一种构造未来模型的一种三维的表示。
产品开发是基于人们的兴趣或者有意义的目的来建造一个一维或几维的空间的原型表示。
原型在某种意义上来说是一个代表着零部件的各个性能和各方面功能的试验产品，尽量展示产品的各方面属性，但是并不意味着它能够完全代表或替代零部件的功能及所有。
原型用于参考的数量比较少。
其优势相对于二维的产品设计不言而喻。
在全世界市场一体化的背景下，制造行业的强烈竞争下，产品的开发进度影响着公司的效益。
在另一个方面而言，一个新的产品在开发的过程中，必然要经过无数次的修改、修正，才可以真正的走上市场。
因此，在实际的产品开发及设计中也需要一种技术方式来将已有的数据化信息转化为立体的三维实体模型。
这样，一方面的优点是可以快速的直接的验证产品设计的正确性，另一方面可以提供未来产品的实体模型向客户来进行推广，从而这些优势可以迅速的占领未来的产品市场。
快速制造成型技术，英语名称RapidPrototyping，简称RP，这项技术就是在这种背景的驱动下产生的。
其首先涌现在美国，然后扩展到日本和欧洲，并于90年代的早期引入进咱们国家。
3.1工作原理
快速成型技术的步骤：
首先将CAD所设计出来的三维实体的模型数据（STL文件），按给定的方向分层为层片的模型数据（CLI文件）。
快速成型制造技术是一种近几十年来新兴的技术，是集CAD技术、激光加工、数控技术、材料科学、机械电子工程等多种学科和多种技术为一体的。
[5]快速制造技术的基本原理是源于“材料的逐层离散堆积”的本质，快速制造的成型设备和机器根据这些现有的数据，里也有各种工艺方法的特定材料，一个薄层又一个薄层的逐渐堆积出实体，采用运用粘结、聚合、熔融、焊接或者化学反应将每一个薄层都黏贴到前一个薄层上，成型完成。
快速成型制造技术在当今世界上是发展的最快的一种新兴制造技术，其各种工艺将近有好几十种。
现在有几种主要的快速成型技术工艺如下：
1.立体光固成型法（SLA）2.熔融成型（FDM）3.选择性激光烧结（SLS）4.分层实体制造（LOM）。
3.1快速成型的过程
图3.2快速成型的过程
1.立体光固成型法（SLA）的工作原理
英文全称StereolithographyAppearance，其中的原理是利用光敏树脂材料的性能，其能够在紫外线光的聚集下可以迅速的发生光的聚合反应。
在运用光的原理，采用给定的波长与强度的激光束聚焦在材料的表面上，然后是材料一层又一层的按照顺序进行凝固。
在完成一个层面上的材料凝固之后，将升降台在垂直的方向上移动一个层面的高度，之后循环往复，一层又的完成剩下层面的凝固，就这样层层的铺盖成型出一个立体的三维立体实体。
[5]
图3.3SLA
2.熔融成型（FDM）的工作原理
英文全称FusedDepositionModeling，其中原理是运用丝状的塑料进行熔融成型，将原材料先抽成丝状，然后通过送丝机构将之送向喷头，塑料就会在喷头处加热融化，然后沿着给定的方向和轨迹运动，同时将丝状的塑料挤出，丝状的塑料就会快速成型，一层一层的材料就会进行粘结，然后堆垛成型。
图3.4FDM
3.选择性激光烧结（SLS）
英文全称为SelectiveLaserSinteing。
原材料为粉状的，将粉状的材料铺撒在已经成型的零件表面处，用激光器一层一层的不断在新的层面上进行扫描，最终依次成型一个截面。
最终一层一层的累积和粘结，成型完成。
图3.5SLS
4.分层实体制造（LOM）
英文全称LaminatedObjectManufacturing，其中的原理是先在片状的材料上面涂抹一层热溶性的胶，然后在加工时，通过计算机的操控下，对片状的材料进行切割。
之后通过外部的热压，使片状的材料进行层层的堆垛。
图3.6LOM
3.2适用材料
材料是快速成型技术的核心，一种新材料的各种特性和性能影响着各种工艺的发展。
3.2.1直接成型材料
在快速成型中，根据所采用的快速成型机的不同，所采用的适宜材料也不同，直接能够成型用的材料有纸、聚合物、金属、陶瓷、砂等等。
[2]
对于直接成型的材料有如下的具体要求：
1.良好的优质的机械性能，其中包括强度、耐磨性、耐温性、抛光性等等。
2.较小的吸水率3.高度稳定性4.较小的收缩率等等。
3.2.2间接复制用材料
把快速成型设备制作成型的工件当做母模，进行复制，如一些硅胶、塑料、陶瓷等等。
这样使之十分方便。
对于以上介绍的材料称之为间接性复制材料。
3.3制造工艺流程
快速成型的工艺过程具体如下：
1.对于设计产品的三维模型的构建。
快速制造成型系统是一种通过CAD制作的模型来进行直接驱动的体系，首先对于需要进行加工的零部件进行CAD类型的模型构建，或者对于已有零部件的二维平面模型进行向三维立体模型的转换。
2.对于立体三维模型的近似处理化。
在实际中，所设计的产品往往会有一些不规则的曲面，所以要求在加工之前对模具进行近似的处理化，为以后的后续工作做好充分的准备。
3.对于立体三维模型的切片处理化。
.
对于已有的三维立体模型，首先要分析其特征，根据已有的信息选择出合适的准确的加工方向，确定好给定的加工方向后，在成型的高度方向上，用近似化的方法来提取制作出每一层截面上轮廓信息。
间隔一般取0.05—0.5mm，常用0.1mm。
间隔越小，成型的精度越高，但是成型的时间也就相应的越长。
4.对于成型件的加工。
根据第三步骤已有的数据化信息，加工时，在计算机的操控下，成型喷头或者激光笔会随着指示，在一个层面上进行一个轮廓的成型操作，循环往复，最终获得成型的产品三维模型。
5.成型加工后的后处理。
运用一些方法进行强度的增强与提高。
综上而言，首先根据所给的零部件尺寸要求，对于模具的工作部分进行尺寸计算，其次用Proe根据所计算出的尺寸绘制模具工作部分三维图。
再者将绘制好的模具工作部分三维图转化为STL格式，通过相关电脑操作适应3D打印机数据格式，使绘制三维图离散分层，最后，将打印所需所有数据输入打印机进行模具工作部分进行实体打印。
图3.7制造流程
4冲压模具的传统与现代制造工艺比较
1.去除成型
英文全称DislodgeForming，去除加工就是利用分离的方法，将一个三维实
体上对于要求的多余的材料进行有规则的去除。
在我们的传统的加工成型方法
中，车、铣、刨、磨等等都是属于这种的成型加工方式。
对于目前的模具制造
行业来说，这是一种最普遍的最成熟的成型加工方法。
2.添加成型
英文全称AdditiveForming，这种方法的原理是应用了加法，就是通过各
种方法与手段，对于要求的多添加的材料进行有序的增加。
这种运用加法的成
型方法是一种新型的成型方法，其打破了原有的传统型加工成型的方法，在未
来会有更加深远的发展与进步。
3.受迫成型
英文全称ForcedForming，利用材料的可成型性质，在特定的外部约束下成
型。
4.1冲压模具的传统制造工艺
在我们的的模具制造行业中，传统的加工成型方法有车、铣、锻、磨等等。
按以下方式可以分为以下几种类别。
（1）机械加工即传统的切削和磨削加工。
包括车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工等。
[1]
（2）特种机工即电加工。
（3）塑型加工即冷挤压制模法。
就是将淬火后的模具用力压入没有进行过硬化处理的模坯，被压过的模坯与淬火后的模具形状完全一样，从而得到所需要的模具。
（4）铸造如果模具对精度和使用寿命要求不高，可以考虑铸造快速成型模具，对于不规则模具，一般都采用铸造成型。
（5）焊接即把模具分块制造好，然后用焊接把这些分块连接成一个完整大块模具。
4.2冲压模具的现代制造工艺
（1）数字控制机床它的基本工作原理大致是数控机床程序员先根据所加工零件形状编写程序代码，将编写好的程序代码输入数控机床的操作系统内，先模拟加工一次用来检查程序是否正确、零件是否可以加工成型。
这种方法适合小规模的制造，用来模拟。
（2）快速制造成型设备最为熟悉的3D打印快速制造技术就是其中典型的一类。
通过运用所要求的一类计算机操控的软件将所需加工的零件图绘制出来，输入3D快速成型设备中，成型设备利用不断熔融的塑料或者金属等材料堆砌成型模具零件。
4.3传统与现代制造工艺比较
4.1传统研发过程与现代研发过程的比较
对于目前来说，通过快速成型设备加工出的设计产品相对于传统的加工成型制造方法来说：
其优势是将开发周期、设计成本都尽量降低。
在小批量、改性快、多种类的现在制造技术的模式下，快速成型制造
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