毕业设计说明书MCD环境下级进模的设计.docx
《毕业设计说明书MCD环境下级进模的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计说明书MCD环境下级进模的设计.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业设计说明书MCD环境下级进模的设计
毕业设计说明书
MCD环境下级进模的设计
MCD环境下级进模的设计
摘要：
多工位的级进模是一种效率比较高、精度要求高、长寿命的模具[1]。
本课题采用的级进模是手机金属固定架级进模的设计，为了满足客户的要求，实现级进模的功能需求，提高生产效率，降低成本。
本课题通过NX机电一体化概念在设计模具时的一般方法,将NX机电一体化概念的设计流程设计出来，从而最终实现该冲压级进模所需要的运动，实现级进模的基本功能，达到客户预期的设计要求。
关键词：
机电一体化概念设计；级进模；功能需求
TheProgressiveDieDesignBasedonNXMechatronicsConceptDesign
Abstract:
Multi-positionprogressivedieisahighefficiency,highprecision,longlifeofthemold.Theprogressivedieforthistopicistheprogressivediedesignofmobilephone’smetalbracket.Tomeettherequirementsofcustomers,andrealizethefunctionoftheprogressivedie,Thenimprovetheproductionefficiencyofmachineandsoreducethecost,weneedtouseNXMechatronicsConceptDesignmoduletoconceptualdesignforprogressivedie.ThistopicisdesigningprocessofNXMechatronicsConceptDesignonprogressivedie,bylearningthegeneralmethodofNXMechatronicsConceptDesignduringdesigningofprogressivedie,soastoultimatelyachievethemovementandthebasicfunctionofthestampedprogressivedie,meetthedesignrequestofthecustomer'sexpectations.
Keyword:
MechatronicsConceptDesigner;ProgressiveDie;FunctionalRequirement
1绪论
1.1机电一体化概念设计简介
随着生产技术和生产工艺的发展，机械制造行业发生了前所未有的变革.传统的制造技术现在正面临着严峻的挑战，比如开发时间较长、产品质量较低且设计成本高等等，这些原因使得传统的制造技术已经无法能满足人们的需求了。
业界人士一直希望能出现一种方法，将诸如机械原理设计、自动控制系统设计开发，甚至是软件设计开发等方面能够有效地集成起来，从而能大大地提高了产品开发的效率和成功率。
1.1.1机电一体化概念设计的发展
机械概念设计这一种理念最早是在二十世纪的中后期提出的，对于这一种理念，国内外都进行了大量的学习与研究。
但由于概念设计模块所特有的广度和复杂度，相关的机械产品概念设计的研究目前的发展方向在模型设计解决方案上，设计师们对机械设计的整体创新乃至整体设计过程缺乏一个实际的把握，缺少概念经验。
因而设计者基于客户需求所研发出的创新设计方案难以满足协同设计这个产品的设计理念。
首先在设计的应用上，设计师们还处于探索发展的阶段；其次，有的设计师相利用计算机软件进行自己的设计目标。
从这一点我们可以看到，概念设计的全过程的研究目标指向机电一体化概念设计方向。
也就只有这样，才能协调好整个过程和局部设计过程中遇到的不一致。
使得整个设计都面向于机电一体化概念设计的前进方向。
由于机电一体化概念设计的思想倍受各国有知人士的重视，因此陆续也出现了很多用于概念设计的解决方案，NX-MCD就是其中的一种解决方案[2]。
西门子公司起初开发MCD这种解决方案的设想应用对象是机电一体化的机床，设计者从功能需求出发进行机械设计，按照功能设计的理论方法，将NX的机电一体化概念设计应用在设计机床上，使得设计者能够将机床的概念设计流程设计出来，从而最终得到机床的运动，实现机床的基本功能，满足客户的预期要求。
如今，NX-MCD技术正逐步提高，越来越完善，已经有许多机电一体化设计的厂商尤其是在欧洲的一些资深厂商如Braas，Hermle，Index，Studer等已经成为了NX-MCD的首批用户，MCD解决方案在行业前列的企业里面造成了很大的影响力。
1.1.2机电一体化概念设计解决方案
NX-MCD充分利用了产品概念设计的三维模型环境，并在此环境中扩充了物理仿真的能力，可以仿真产品的各种的设想动作，仿真产品动作的自动控制时序，运用电气原理、机械原理和自动化原理，加快了机械设计的转换速度，并大大减少了设计流程后面出现的一些集成问题。
凭借NX机电一体化概念设计的解决方案，可以在设计流程的任一环节对所设计的对象进行运动仿真和交互操作，因此可以对不同的方案进行快速验证和修改。
此外，NX-MCD还可以与PLMSoftware（产品生命周期管理软件）的Teamcenter相结合使用，以便提供开放的接口，从而提供从端到端的机械设计解决方案与产品开发上下游的系统工程系统，需求管理系统以及功能定义系统建立连接，形成一套完整的解决方案。
综合机电一体化概念设计的特点，他与概念设计的过程性和阶段性是彼此对应的，并且机电一体化概念设计系统具有明显的阶段性和过程性特点。
在机械模型中，概念设计的功能元的进化和功能元的关系是相互依赖配合的关系。
这样总功能分解后，功能元集合会最终会映射为具体的基本机构集合。
这样就形成了机械的运动方案，如图1-1所示。
在机电一体化概念设计过程中，存在着运动总功能和运动局部功能元。
机械的运动方案，机械运动归根结底就是自底向上将各个子过程综合起来。
基本组合机构会映射出各个装配过程，综合部分过程得以实现的基础，是分解过程中逐步形成的总装配关系，形成机械运动的简图。
根据图中所示的设计过程进行机械的设计，将大大提高设计的效率和缩短产品生产周期，这就是机电一体化概念设计的强大之处。
图1－1机电一体化解决方案设计全过程
1.2课题研究背景
据前面所诉，西门子公司起初开发MCD这种解决方案的设想应用对象是机电一体化机床，但MCD也不仅仅适用于机床，对于各种各样的机械产品的设计都是适用的，比如说利用NX-MCD对模具设计的应用，本课题以多工位级进模为对象，尝试利用NX-MCD方案来实现对一套模具的设计，进而来证明这一点，这也是本选题另一方面意义所在。
1.2.1多工位级进模的发展现状
在每个特定的冲制工位上完成不同的冲压工序，完成零部件冲压的一部分加工。
被加工的原材料在送进机构的约束下，经过每个工位的冲压后，就可以得到一个完整的冲压零件。
在一副多工位级进模中，可以依次完成冲孔、冲裁、成型等工序[3]。
通常情况下。
目前看来，我国的冲压模具的工业技术水平相比之下还是参差不齐的，在我国如此辽阔的环境下，各个地方的模具加工行业的水平有所差异，一些地区与国外先进的生产商之间的合作比较密切，提升自我水平后已经逐渐赶上国外水平，然而在大部分经济较差，经济发展较为落后的地区，无论是从生产设备上还是生产水平上看，均与国外水平相差甚远。
总体看来，与发达国家的先进水平相比，我国的生产力还是比较落后。
我国在模具生产方面，随着近年来经济的稳步发展和对外交流的不断加强，冲压级进模模具在生产数量上、成品的质量上和运用的技术和能力上都已经有了很大的发展。
但是，对于一些精密、复杂、大型、寿命要求比较高的高档模具的需求，我们国家仍然需要大量的进口。
而对于一些加工日常小产品的简单冲模，却有供过于求的趋势。
而国外的模具具有更高的技术含量，他们的加工精度、效率都优先于中国。
1.2.2提出利用NX-MCD进行级进模设计
目前，对于一套模具的设计开发，其生命周期，产品特征、性能、生产成本及生产周期等要求已经是越来越高了。
通常在设计一套模具之前，根据需求设计者通过自己的知识和经验，来拟定技术草稿，现有最初的概念思路，再根据这思路进行详细设计，且这种详细设计一旦确定了，则是很难进行修改的，当产品定型或生产后，往往会有达不到要求的情况，这样就得重新设计修改，重新生产，从而就造成了成本的过高和开发时间的大大加长。
最终产品要想一次设计达到要求，需要设计者自身能力要求非常的高，但每个人的能力都是不一样的，所以想要完成一样优秀的产品设计，是非常不容易的。
因此，为了解决这一难题，本选题提出利用NX机电一体化概念设计这一种方案来进行模具产品的设计，对象是手机金属固定架级进模。
根据客户的需求来初步设定能够满足功能需求的概念设计，利用NX–MCD集成的建模功能和仿真功能，可以在开发最初阶段迅速地创建并验证备选概念。
借助早期的验证结果可帮助检测并且纠正错误，此时解决错误把成本降至最低。
此外，NX-MCD可从Teamcenter直接载入功能模型，以加快机械概念设计速度。
利用Teamcenter管理各种需求，使得每种需求所对应的结构部件、功能运用、操作时序等能有效的连接起来，方便设计者设计修改，增加效率。
NX-MCD对于塑料模具的设计也不为是一种很好的解决方案。
2基于NX-MCD的冲压级进模的设计实现
2.1概念设计
基于NX-MCD的概念设计理念，首先，根据所需生产的零件，来设计一套能满足该零件生产的级进模，这个称作需求设计（Requirement）阶段；接着，我们根据所需设计的模具的工作过程，来设计该级进模工作过程中各个阶段中功能的实现，这个称作功能设计（Function）阶段；其次，根据级进模机构要实现的功能性而进行的模具构造设计、运动设计或自动化设计等等，这个过程称作逻辑设计（Logical）阶段；最后，根据NX-MCD模块里的功能定义，从而在NX里实现整套级进模各个工作过程功能执行动画模拟仿真实施过程。
2.1.1级进模需求的整理与管理
需求设计是整个NX-MCD设计过程的开始，其根据最终要实现生产加工的产品，来制定成一些需求（Requirement），其一般可由文字，图片或图表构成。
而关于本文所要设计的级进模，接下来我们也需要来分析、设计、制定与其对应的需求。
其中如图2-1所示是最终要生产的零件制品，是一个手机金属固定架。
所以要设计出一个能用来生产该工件的级进模具就是本次设计最为主要的需求。
（a）正面（b）反面
图2－1手机金属固定架
围绕着这个主要的设计需求，再进行分解，分解成几个子需求。
于是，我们本整套模具的设计，分解成三大部分，来进行研究与设计，分别是成型机构的设计需求、具体零部件机构的设计需求、速度需求。
其中，成型机构是整个模具设计的关键，它直接决定了该零件的整体外形尺寸，也是决定整套级进模是否满足客户需求的重要一环。
现在对这个工件外形结构进行分析，这是个外形十分复杂的工件，如图2-2。
因此，要实现整个工件的成型，需要用冲孔凹凸模、冲裁凹凸模和折弯凸凹模来成型。
所示根据客户的需求和零件的工艺结构，利用NX软件ProgressiveDieWizard的BendOperation功能进行展开操作，得到如图所示的零件毛坯图。
图2-2零件毛坯图
零件采用08钢强度低、硬度低；塑性、韧性很好，进行退火后导磁性能好,是软质的碳素钢，能够良好地完成深冲、拉延、弯曲等冷加工轧制薄片、薄板、薄带、受力不大的焊接件、表面硬化件，适合冷冲模具的加工要求。
上模座上下移动的距离<=150,上模座与卸料板之间的距离〈=15，卸料板上下移动的距离〈=135，
拖料板上下升降的距离〈=25。
拖料板以80mm/s的速度运动，行程<=150mm,上模座与卸料板速度为80mm/s,拖料板,拖料钉的速度为25mm/s。
另外，对于其他的子需求，它们各自在本次级进模设计中都是不可缺少的，只有满足这所有的需求，才能设计出一套合格的模具出来。
在此，我们对这些其他的子需求不做过多的说明了。
最后，将所有的子需求整理到word文档里。
NX-MCD可与SiemensPLM的Teamcenter软件充分结合使用，机械设计解决方案。
将所整理好的设计需求导入Teamcenter软件里，我们可以通过Teamcenter软件的系统工程应用模块对产品的设计需求进行管理。
我们可以在Teamcenter中对需求进行适当的整理或修改，其具体在Teamcenter里的体现如图2-3所示。
接着，将级进模的需求由Teamcenter导入到NXManager环境下，其具体在NX-MCD里的体现如图2-4所示。
图2－3Teamcenter中的需求
图2－4NX-MCD中的需求
2.1.2级进模功能的设计
根据所得的需求进行分析，要让模具的各部分的作用能够正常体现，成功实现把这个手机金属固定套生产出来的一个工艺过程。
若是想要体现出这一个工艺过程，则整个级进模的各机构需正常的运作，每一个工作环节的运动都需达到要求。
在此，我们把整套模具的主要功能分解成两部分，分别为拖料板横向运动过程和模具纵向运动过程。
综上所诉，将级进模的功能设计为如图2-5所示。
图2－5级进模功能设计分解图
完成注塑模的功能设计之后，与需求一样，将设计好的功能导入到Teamcenter和NX–MCD中，如图2-6所示。
（a）Teamcenter中的功能（b）NX–MCD下的功能
图2－6级进模功能设计
2.2级进模的详细设计
在级进模的概念设计阶段完成后，设计者就初步确定整套模具的设计方案，于是可以进入详细设计阶段。
详细设计阶段要求设计者根据之前定义的需求与功能，来设计出详细的级进模三维模型，所设计的模具模型的各个机构需到底要求，满足整套级进模的正常工作，可以成功冲压出所需生产的手机金属固定架。
以下是该级进模的详细设计过程：
2.2.1零件的工艺分析
本次设计的是手机固定架的一个零配件，材料为08钢，厚度t=0.15mm，工件精度IT10级，外形最大尺寸为146.7，属于中型零件。
该零件的基本工序由冲切和多次的弯曲成形组成。
由于在冲制过程中需要弯曲，弯曲的半径尺寸不宜小于它的最小弯曲半径，这样以免产生裂纹。
但也不能过大，因为弯曲角度与圆角半径的精度都不能准确的保证。
此制件有多次弯曲，其中有大范围向上弯曲，弯曲半径为1.35mm，弯曲半径过大，容易产生弯曲回弹,因此采用碳素钢08为材料可以减少回弹，增加制件的加工后所具有的精确度。
其它制件的弯曲半径均在0.5mm以下，比计算出的最小弯曲半径大。
2.2.2排样方案的确定
级进模的排样是冲裁件拖料板上的冲制。
在模具冲压冲制零件的过程中，所需要的成本大都来自于材料，排样材料的利用率、制件的尺寸精度[4]。
条料排样时要注意以下几点：
1）制件在模具中的冲制顺序关系。
2）模具上总共有几个工位。
3）模具上的每个工位性质功能是什么。
4）冲压一次能出几个工件。
5）制件的排样方式。
6）排样的载体的形成和送料的方向的设定。
7）导料方式、导正销的设定。
8）材料利用率以及工位间步距的大小。
2.2.3步距、料宽的确定
搭边能补偿定位所带来的误差，增加条料的钢度，保证送料的方便；同时还能避免边缘毛刺被拉入模具间隙的情况等。
基于冲裁件的厚度t=0.15mm，与送料方向平行的制件外形尺寸C=146.7mm，取搭边值为4.8mm则由
A=C+a（3-1）
式中A—步距（mm）；
C-与送料方向平行的制件外形尺寸（mm）；
a—沿送料方向制件间搭边值（mm）；
由公式（3-1）得A=146.7+4.8=151.5mm。
B=D+a1+a2（3-2）
式中B—料条或者料带的宽度（mm）；
D—垂直于送料方向的制件的最大外形尺寸（mm）
a1—制件上沿与条料侧面的搭边值（mm）；
a2—制件下沿与条料侧面的搭边值（mm）；
由公式（3-2）得B=136.2+3.95+7.05=147.2mm。
2.2.4卸料力和推件力
制件在冲裁时的推件力、顶件力和卸料力，是由压力机和顶尖装置传递的，影响这些力的因素比较多，参照经验公式计算：
（4-2）
（4-3）
查手册[4]卸料力、推件力、顶件力系数可知，在t=0.15mm的情况下
。
表2-1卸料力、推件力和顶料力系数
由公式（4-2）得
由公式（4-3）得
2.2.5弯曲力
弯曲力是在工艺计算和压力机选择以及模具设计的过程中的重要依据。
但受材料的性能、模具结构、板料厚度等因素的影响，理论分析的方法很难精确的计算。
在实际生产中，通常根据板料的宽度厚度、以及板料性能，根据经验公式计算。
由计算得到的弯曲力均为弯曲过程出现的最大的曲力数值。
[5]
（4-4）
式中
—自由弯曲所需力（N）；
B—弯曲件的宽度（mm）；
t—弯曲件材料厚度（mm）；
r—弯曲半径（mm）；
σb—材料抗拉强度（Mpa）；
K—安全系数,一般取K=1.3。
由零件二维图克制
，
，
，
。
由公式（4-4）得
2.2.6成型机构设计
2.2.6.1冲孔凸凹模设计
工作零件是模具生产的目标零件，凸模在零件冲制过程中承担冲压作用，对零件产品冲压精度带来直接的影响。
所以，工作零件的固定方式、结构设计和加工精度热处理等必须按照冲制零件的技术等级来进行前期预想。
查手册[4]表3-5冲裁模初始间隙值可知，当t=0.15mm时，08钢冲裁模合理双面间隙值
，
，
。
由公差表查得：
为IT12级，查资料表3-7磨损系数x可知，取x=0.75。
设凸凹模分别按照IT6和IT7加工制造，则对于冲孔[6]：
（5-1）
（5-2）
由公式（5-1）得
由公式（5-2）得
孔距尺寸：
（5-3）
有公式（5-3）得：
凸凹模结构如下：
图2-7冲头图2-8凹模图2-9凹模落料孔设计
接下来进行凸模强度的验证：
冲压加工时，凸模承受压力，在卸料时又受到拉力，连续不断地冲压加工，凸模在压力和拉力的反复交变作用下，凸模有可能被压坏或疲劳损坏。
如遇有细长小凸模，压力会使凸模纵向弯曲，同时由于冲裁间隙的不均匀和凸模对被冲材料的不垂直等原因，使凸模刃口受到侧向压力的作用而产生横向弯曲，也会造成凸模折断。
图5-6凸模刃部破损
冲圆孔时的冲裁力：
（5-4）
式中：
F—所需冲裁力（N）；
L—冲裁件的周边长度（mm）；
t—对应材料的厚度（mm）；
τ—对应材料的抗剪强度（Mpa）；
施加于刃部的应力
（5-5）
式中：
F冲裁力（N）；
A凸模截面面积（mm）。
由公式（5-4）（5-5）得
图2-9.1高速工具钢的S-N曲线
由图5-7可知
时，凸模约
冲次时凸模的刃口部分发生破损。
2.2.6.2冲裁异性凸凹模设计
利用NX创建用户自定义的punch、die。
凸模利用螺钉悬挂在上模板上，并且通过锁紧板固定；凹模通过螺钉和销钉锁紧在下模板上面。
在设计punch的过程中要注意冲头和锁紧板之间的间隙值，这样有利于凸模的安装与拆卸。
图2-10异性冲裁凸模
图2-11异性冲裁凹模
图2-12异性冲裁凹模落料孔设计
2.2.6.3折弯凸凹模设计
折弯成形的凸模（BendingInsertPunch）是靠螺丝固定在凸模的固定板上，折弯成形凹模（BendingInsertDie）同样也是用螺丝固定在下模座上。
条料送进到位并导正后，模具下压，压料板先压紧条料，模具继续向下压，将料条与凹模完全压紧贴合后，折弯凸模开始向下进行成形工作，直到模具到达下止点，折弯的工作才算结束。
向上折弯与以上所讲述的过程是相反过来的。
图2-13弯曲凸凹模
2.2.6.4导正机构的设计
导正销主要用于在自动送料过程中对级进模的定位。
导料位置的导正，是通过导正销和导向板插入导正孔来完成的。
常见的导正销有固定式和浮动式，固定导正销精度高，定位准确，浮动导正销机构复杂，精度差，但是不容易损坏。
两者既可单独使用，也可以混合使用。
在模具设计过程中，导正孔位置的合理与否直接影响到定位精度和冲孔质量。
导正孔一般在条料的第一工位冲出，而导正销紧随第二工位。
导正销位于料条的中间位置，并且可以根据需要放在料条的两侧。
使用导正销的目的是消除粗定位时的误差。
选用导正钉的直径一般是取四倍的料带厚度，但在选用时的最小直径也应该φ2mm以上。
导正钉与条料间的最小孔边距的尺寸应该≥1mm。
导正钉外直径与相对应的导正钉孔之间尺寸配合精度会直接影响到料带的定位精度，两者之间配合的间隙应该在0.0045~0.010mm之间。
导正钉通常会固定在卸料板或者凸模固定板内。
图2-14导正装置-PilotPunchFixedinStripperPlate
2.2.6.5托料装置的设计
多工位冲压级进模凭借送料装置的机械动作，把条料按照所设计的尺寸来实现自动冲压。
由于带料经过冲裁，弯曲，拉深等变形后，会出现不同弯曲和突起，为了顺利的送进带料，必须将拖料板托起，使突起和弯曲的部位离开凹模壁，并略高于凹模工作的表面，这样才可以将条料送到下一个工位，进行定位和冲压。
图2-15托料钉设计-GuideLifterSet
2.2.6.6卸料装置的设计
本课题的设计过程中采用卸料板进行卸料，在级进模中，卸料板既起卸料与压料的作用，又起到保护凸模的作用。
卸料板的选材需要较高精度，因此制造难度也有所加大，为了能够达到生产索赔需要的要求，减小热处理所带来的变形麻烦，确保导向的精度。
卸料板材料为Cr12MoV，热处理的硬度为58~62HRC，并经深冷处理。
2.2.6.7导柱、导套的设计
导向零件的作用是用来保证上、下模座的相对移动。
在模具中应用最广泛的是导柱和导套。
1）导柱：
导柱标准结构有四类，即：
普通导柱、可卸导柱、小导柱和压圈固定导柱。
2）导套：
导套结构形式可分为三类：
小导套、普通导套和压圈固定导套。
导柱、导套与模座的装配方式,根据所涉及磨具的实际闭合高度，符合图中要求。
导柱、导套一般选用20钢制造。
为了增加其表面硬度的耐磨性，掺碳后的淬火硬度为58~62HRC。
图2-16导柱导套设计-RemovableOuterGuide
2.2.6.8模架的设计
本次设计模架为导柱模模架，整套模架板件为8板，外加垫脚。
8板模板件分别为：
上模座（TP）、上垫板（TBP）、卸料背板（BP）、卸料板（SP）、凸模固定板（PP）、凹模固定板（DP）、下垫板（BBP）和下模座（DS）。
因为要展现模架的绝大部分内容，所以我为模架额外加上下垫脚（PB），主要为了防止模架太低，起垫高作用。
上模座、上垫板和凸模固定板为一组，通过螺丝锁紧在一起，加工过程中一起运动，是凸模的主要固定部分；卸料背板和卸料板是一组，同样也是用螺丝锁紧，主要用于镶
升级会员 