单动压力机液力成型模具设计.docx
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单动压力机液力成型模具设计
重庆大学网络教育学院
毕业设计（论文）
题目单动压力机液力成型模具设计
学生所在校外学习中心上海校外学习中心
批次层次专业201002、本科、机械设计制造
及其自动化
学号W08206752
学生刘亮亮
指导教师宋鹍
起止日期2010.09.01—2010.11.30
摘要…………………………………………………………………………………4
1.绪论………………………………………………………………………………5
2.设计任务分析……………………………………………………………………8
3.整体结构设计思路………………………………………………………………10
3.1单动压力机提供压边力的问题………………………………………………11
3.2凹模充入高压油的问题………………………………………………………12
3.3液体凹模的密封问题…………………………………………………………12
4.模具结构设计…………………………………………………………………13
4.1零件工艺分析…………………………………………………………………13
4.2工艺方案………………………………………………………………………14
4.3模具工作尺寸设计计算………………………………………………………16
4.4模具总体设计………………………………………………………………18
4.5压力机的选择………………………………………………………………19
4.6模具主要零件设计……………………………………………………………20
4.7强度的校核……………………………………………………………………28
4.8设计并绘制模具总装图………………………………………………………29
4.9绘制非标零件零件图…………………………………………………………31
5.压边缸的设计…………………………………………………………………32
5.1设计步骤………………………………………………………………………32
5.2液压缸主要参数的确定………………………………………………………32
5.3液压缸的结构设计……………………………………………………………35
5.4绘制总装配图和零件图………………………………………………………49
6.增压器的设计…………………………………………………………………52
6.1增压器概述……………………………………………………………………52
6.2增压器的设计要点……………………………………………………………52
6.3增压器的主要参数……………………………………………………………52
6.4增压器的结构设计……………………………………………………………54
6.5绘制总装配图和零件图………………………………………………………57
6.6增压器液压控制回路…………………………………………………………57
参考文献……………………………………………………………………………60
摘要
本设计主要是针对半球形工件设计一套适用于单动压力机并压边压力可调的液力成形模具。
由于是采用单动压力机，因此必须解决压边圈的压边力问题，采用独立控制的压边缸实现压边圈压边力的单独控制调节，同时为满足成形要求，凹模内冲入高压液体，使用高压液体凹模必须解决凹模充油问题，设计了增压缸为凹模充入高压油，同时设计了压边缸和增压缸的液压控制回路，根据模具的特点进而确定了模具的整体结构，最终设计出能够满足成形要求的模具。
关键字：
单动压力机压边缸增压缸液体凹模液压控制系统
1．绪论
冷冲压是一种先进的金属加工方法，与其它加工方法（切削）比较，它有以下特点：
1）它是无屑加工被加工的金属在再结晶温度以下产生塑性变形．不产生切屑，变形中金属产生加工硬化。
2）所用设备是冲床冲床供给变形所需的力。
3）所用的工具是各种形式的冲模、拉深模，对材料塑性变形加以约束，并直接使材料变成所需的零件。
4）所用的原材料多为金属和非金属的板料。
冷冲压与其它加工方法比较，在技术上、经济上有许多优点：
1）在压床简单冲压下．能得到形状复杂的零件．而这些零件用其它的方法是不可能或者很难得到的。
如汽车驾驶室的车门、顶盖和翼子板这些具有流线型零件。
2）制得的零件一般不进一步加工，可直接用来装配，而且有—定精度，具有互换性。
3）在耗料不大的情况下。
能得到强度高、足够刚性而重量轻、外表光滑美观的零件。
4）材料利用率高，一般为70一85％。
5）生产率高，冲床冲一次一般可得一个零件．而冲床一分钟的行程少则几次，多则几百次。
同时，毛坯相零件形状规则，便于实现机械化和自动化。
6）冲压零件的质量主要靠冲模保证．所以操作方便，要求的工人技术等级不高，便于组织生产。
7）在大量生产的条件下，产品的成本低。
冷冲压的缺点是模具要求高、制造复杂、周期长、制造费昂贵．因而在小批量生产中受到限制。
另外．冲压件的精度决定于模具精度．如零件的精度要求过高、用冷冲压生产就难以达到。
基于以上特点可见先进的加工制造技术是现代工业的基础,其重要性不言而喻。
本篇论文研究的充液拉深是金属板料成形领域里新发展起来的一种先进、实用的加工工艺,受到各国普遍关注。
充液拉深的基本原理是:
在凹模腔里预先充满液体,当拉深凸模压迫板料进入凹模时,便使液体在凹模腔里建立起高压,将板料紧紧压贴到凸模上,形成有利的摩擦保持效果,改善了板料在凸模转角处的受力状态;另外,凹模里的液体要从凹模表面与板料之间向外挤出,形成有效的流体润滑。
这样一来,成形极限便能大幅度提高,而且可以提高零件质量。
这项工艺于50年代就有原理性实验研究,证实了它的可行与先进性,但由于超高压液压系统上一系列工程实践问题未获解决,直到70年代末至80年代初才开始真正工业应用,发展速度加快。
一些工业发达国家如德国、瑞典、日本、美国都竞相推出了各种规格的充液拉深专用设备,并都形成了系列定型产品。
其中,日本发展尤快。
1982～1983年,全日本仅有几台充液拉深专用设备投入实际使用,而到了1987年便扩大到50多台投入工业应用。
进入90年代,日本丰田汽车厂已建成了以40000kN超级大型充液拉深机为中心的冲压生产线,成形重达7kg,平面尺寸950mm×1300mm的大型板金覆盖件,引起世人关注。
专用充液拉深设备造价高,不仅我国一般企业不敢问津,就是在工业发达国家推广起来也绝非易事。
所以,在发展上述充液拉深专用设备的同时,国外在通用压力机的改造上也投入很大力量,取得了一些成果,发表不少专利结构。
当前,产品的研究应更适应、符合我国国情,面向我国市场。
所以,选择走通用压力机改造的路,即选择了使用量大面广的单动液压机为对象进行开发研制充液拉深装备。
用单动液压机实现充液拉深已有专利发表,它是在单动液压机的活动横梁或上横梁上另外加装压边缸。
在活动横梁上加装压边缸,会降低液压机主滑块的工作压力;在上横梁上加装压边缸,会加大立柱的负载,而且这两种改造方案都不简便易行。
在借鉴了我国推广精冲新工艺的成功经验的基础上,决定采用在单动液压机上安装通用充液拉深模架的方案。
此方案勿须对液压机作重大改动,仅在主滑块上附加一个位移传感器,而实现压边的油缸则设置、安装在通用模架中。
除了通用充液拉深模架外,还有两大部分,即液压系统和微机自控系统。
本论文将从单动压力机的改造入手设计一套冲液拉伸模具，采用通用充液拉深模架及普通单动液压机实现充液拉深是比较符合国情和实用的,更有利于科研成果转化与推广,本论文介绍的新原理、新结构的压边缸,具有高效节能特点,工作可靠。
对短工作行程类的机械、机构,具有普遍意义,可进一步推广应用;增压系统保证了必要的初期液室压力,对成形工艺非常重要。
2、设计任务分析
图1所示为半球形工件示意图
图1半球形工件示意图
要求:
1.壁厚均匀；
2.工件不允许有裂纹和变形缺陷；零件的外观表面毛刺高度不得高于0.01mm；
3.球形工件直径100mm,未注尺寸公差按低精度等级查取。
3．整体结构设计思路
曲面形状（如球面、锥面及抛物面）零件的拉深，其变形区的位置、受力情况、变形特点等都与圆筒形件不同,所以在拉深中出现的各种问题和解决方法亦与圆筒形件不同。
对于这类零件就不能简单地用拉深系数衡量成形的难易程度,也不能用它作为模具设计和工艺过程设计的依据。
在拉深圆筒形件时，毛坯的变形区仅仅局限于压边圈下的环形部分。
而拉深球面零件时，为使平面形状的毛坯变成球面零件形状，不仅要求毛坯的环形部分产生与圆筒形件拉深时相同的变形，而且还要求毛坯的中间部分也应成为变形区，由平面变成曲面。
因此在拉深球面零件时，毛坯的凸缘部分与中间部分都是变形区，而且在很多情况下中间部分法反而是主要变形区。
拉深球面零件时，毛坯凸缘部分的应力状态和变形特点与圆筒形件相同，而中间部分的受力情况和变形情况却比较复杂。
在凸模力的作用下，位于凸模顶点附近的金属处于双向受拉的应力状态。
随着其与顶点距离的加大切向应力减小，而超过一定界限以后变为压应力。
在凸模与毛坯的接触区内，由于材料完全贴模，这部分材料两向受拉一向受压，与胀形相似。
在开始阶段，由于单位压力大，其径向和切向拉应力往往会使材料达到屈服条件而导致接触部分的材料严重变薄。
但随着接触区域的扩大和拉深力的减少，其变薄量由球形件顶端往外逐渐减弱。
其中存在这样一环材料，其变薄量与同凸模接触前由于切向压缩变形而增厚的量相等。
此环以外的材料增厚。
拉深球形类零件时，需要转移的材料不仅处在压边圈下面的环形区，而且还包括在凹模口内中间部分的材料。
在凸模与材料接触区以外的中间部分，其应力状态与凸缘部分是一样的。
因此，这类零件的起皱不仅可能在凸缘部分产生，也可能在中间部分产生,由于中间部分不与凸模接触,板料较薄时这种起皱现象更为严重。
起皱是拉深工艺中主要的破坏形式，变形区一旦起皱，对拉深的正常进行是非常不利的。
因为毛坯起皱后，拱起的皱褶很难通过凸、凹模间隙被拉人凹模，如果强行拉人，则拉应力迅速增大，容易使毛坯受过大的拉力而导致断裂报废。
即使模具间隙较大，或者起皱不严重，拱起的皱褶能勉强被拉进凹模内形成筒壁，皱折也会留在工件的侧壁上，从而影响零件的表面质量。
同时，起皱后的材料在通过模具间隙时与模具间的压力增加，导致与模具间的摩擦加剧，磨损严重，使得模具的寿命大为降低。
因此，起皱应尽量避免。
为了避免起皱，采取的措施就是增加压边圈，加压边圈后，材料被强迫在压边圈和凹模平面间的间隙中流动，稳定性得到增加，起皱也就不容易发生。
对于双动压力机，由于有两个滑块，故在拉深一开始时，外滑块首先进行压边，而内滑块进行拉深，但是在单动压力机中，只有一个滑块提供拉深力，所以只能自行设计压边圈和压边圈控制装置。
另外，在凹模中充以液体,当凸模下行时,液室中的液体产生相对压力从而将毛坯紧紧地贴在凸模上,并可在凹模与毛坯板料下表面之间产生流体润滑,不仅减少起皱等传统拉深时板材成形局部缺陷的生成,使板料的成形极限极大地提高（比普通拉深极限提高1.2～1.4倍）,而且可以得到高精度的工件,所以需要我们自行设计液体凹模。
经过分析以上半球件的特点和单动压力机液力成形的特点，明确了结构设计中的主要难点有：
单动压力机提供压边力问题，凹模充入高压油问题，液体凹模密封问题。
在设计中经过思考、查阅资料和向老师同学请教，找到合适的解决方案，总结如下：
3.1单动压力机提供压边力的问题
由于采用单动压力机，所以压力机只能提供模具上行下行的拉深力，不能提供压边圈的压边力，这就需要设计一个机构为压边圈提供压边力并且该机构要能够改变行程和压边力，并且该机构要能够单独控制，考虑设计一个液压缸来提供压边力，压边缸能够满足上述要求。
压边缸设计合理能够满足压边力，需要解决的是压边缸在模具结构上的安装问题，有以下方案：
A.液压缸固定在下模座上。
优点是：
液压缸和下模座一起固定不动，安装稳定并且工作时提供拉力，活塞杆不受压，不易失稳。
缺点是：
液压缸固定不动导致压边圈的行程不可调，也就使模具具有局限性，工件尺寸较大的时候模具不能使用，且压边缸会阻碍送料和卸料。
B．液压缸固定在上模座上。
优点：
压边圈固定在活塞杆上，随液压缸和上模座上行下行，送料和卸料时不会有阻碍，且液压缸安装稳定。
缺点：
液压缸固定在上模座上，行程不可调，且压边圈压紧板料之后，上没下行，液压缸也跟随上模座下行，导致压边力变化，使模具工作不稳定。
C.液压缸先吊装在单独设计的固定板，然后固定板固定在下模座上。
优点：
液压缸安装稳定，且压边圈不阻碍送料和卸料。
压边圈的行程可根据压边缸的尺寸得到调节，模具的适用范围更大。
压边缸不随模具整体结构上行下行，所以压边圈实现了单独控制，压边力稳定，模具成型性能更好。
综上对比可以看出，方案C满足压边圈的各项要求，是最优方案。
3.2凹模充入高压油的问题
采用液体凹模时要在凹模内充入高压油，这就需要解决向凹模内如何充入高压油的问题，设计思路是设计一个增压缸，将油泵出来的低压油先通入低压缸，经低压缸之后进入高压腔，油液获得高压后再通过油管输入凹模。
增压缸的设计基本思路就是用低压缸和高压缸的面积比来增大局部压力，但是并不增大能量。
增压缸的机构示意图如下（图2）：
图2单作用增压器机构示意图
单纯依靠活塞面积比来增压很难达到100MPa的高压，并且如图2所示的一级增压如果增压比过大，高压腔的活塞杆直径必须很小，这样的结构难以满足强度要求，并且使用寿命很短。
如果采用多级增压，增压缸的尺寸很大，成本高，结构复杂，从成本和加工各方面考虑都不切合生产实际，所以采用一级增压并且改进增压缸的缸筒结构，通过逐渐减小缸筒的内径进一步实现增压（如上图所示），这样做使增压缸结构简单，安装使用方便并且能满足增压要求。
3.3液体凹模的密封问题
1．凹模结构的设计
由于凹模内充入高压液体，就出现了凹模如何密封保证压力且减少漏油的问题。
设计思路方案有：
A.凹模做一体式设计，凹模型腔作为高压油室。
这种结构加工方便，但是模具工作时压边圈提供压边力使油不泄露，凹模容易损坏且不方便更换。
B.凹模设计成独立的结构，凹模嵌入凹模固定板中，凹模固定板和凹模共同提供高压油室，这样的凹模结构简单，且凹模做为独立的结构磨损后更换方便，减少了成本。
综合比较上述两种方案，显然B方案效果优于A，故而选用B方案的凹模结构形式。
2．凹模与凹模固定板间的密封
凹模采用嵌入凹模固定板中的固定方式，凹模和凹模固定板是过盈配合，但是油液会从凹模和凹模固定板的间隙泄露，这是不允许的，所以必须采用适当的密封方式来解决何以问题，方案如下：
A.在每个配合面上使用Y型橡胶密封圈密封
这种密封圈在油液冲击下Y型口会张开而封住油液，，但是Y型密封圈一般适用于低压工作环境，动密封的效果好，使用油压一般不高于20MPa，且单圈只能对一个方向骑密封作用，使用必须成对使用。
B.在每个配合面上使用O型橡胶密封圈密封
O型密封圈密封性能好，寿命长，单圈就可以实现两个方向的密封，且动摩擦阻力小，对油液、温度和压力的适应性能好，体积小，重量轻，成本低，密封部位结构简单，拆装方便。
比较以上两个方便可见B方案明显优于A方案，既能满足要求又能降低成本，减少安装难度，故而选择O型橡胶密封圈的密封形式。
4．模具结构设计
4.1零件工艺分析
拉深件的工艺性是指从冲压工艺方面来衡量设计是否合理。
一般的讲，在满足工件使用要求的条件下，能以最简单最经济的方法将工件拉深出来，就说明该件的拉深工艺性好，否则，该件的工艺性就差。
当然工艺性的好坏是相对的，它直接受到工厂的冲压技术水平和设备条件等因素的影响。
以上要求是确定冲压件的结构，形状，尺寸等对拉深件工艺的实应性的主要因素。
根据这一要求对该零件进行工艺分析。
零件尺寸公差无要求，故按IT14级选取，利用普通拉深方式可达到图样要求。
此工件为半球形件，工件结构对称，有良好的冲压性能，工艺结构简单，部分尺寸没有给出公差，可取IT14级精度。
经分析，工件尺寸精度要求不高，形状不复杂，工件产量不大，根据材料厚度较薄（2mm）,又有轴对称曲面形状零件的拉深特点，需加大坯料直径、增大压料力的拉深模。
4.2工艺方案
1．坯料直径
参考文献《模具设计与制造基础》表3-4带凸缘件的修边余量
查得
工件的修边余量取3.6mm
常用旋转体拉深件坯料直径计算公式
D=
（1）
=148mm
保证压边圈的压料力和液体凸模的压力密封，要加大坯料直径，取D=150mm
2．拉深力计算
拉深力计算公式F=k
dt
b
（2）
式中：
K为修正系数，d为直径，t为板料厚度；σ为材料抗拉强度
由半球件的拉深系数m=
=0.71（3）
式中：
d为半球件直径，D为毛坯直径
钢板系数K1值由参考文献《模具设计与制造基础》表3-12查得
查表得k=0.6d=100mmt=2mm
由材料为08钢得
b=300~440MPa
计算得拉深力F=150.7KN
3．压边力计算
表1单位面积压边力q
任何形状的拉深件Fy=Aq（A压边圈内的毛坯面积m2）
材料
单位压边Mpa
材料
单位压边Mpa
铝
0.8~1.2
软钢t<0.5mm
2.5~3.0
退火紫铜硬铝
1.2~1.8
镀锡钢板
2.5~3.0
黄铜
1.5~2.0
软化状态耐热钢
2.8~3.5
软钢t>0.5mm
2.0~2.5
高合金高锰不锈钢
3.0~4.5
得q=2MPa
A=2=9817mm2
得：
Fy=19.6KN
4．压力机公称压力计算
F
=F=150.7KN
则压力机公称压力Fg
=271.26KN
5．计算压力中心
（1）确定压力中心的目的：
模具的压力中心就是合力的作用点，为了保证压力机和模具正常平衡工作，模具的压力中心必须通过模柄轴线而和压力机的滑块中心重合，否则会产生偏心，形成偏心载荷。
使滑块和导轨之间产生过大的摩擦，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。
（2）冲模的压力中心，可以按下述原则来确定：
a.对称形状的单个拉深件，冲模的压力中心就是拉深件的几何中心。
b.工件形状相同且分布位置对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。
c.形状复杂的零件、多孔冲模、级进模的压力中心可以用解析计算法求出冲模压力中心。
（3）成形工件压力中心的计算和选择
成形工件是半球形形状对称的工件，其压力中心位于轮廓图形的几何中心，即：
圆心。
4.3模具工作尺寸设计计算
1．凸凹模间隙
（1）分析
凸凹模间隙影响模具寿命、卸料力、推件力、拉深力和拉深件的尺寸精度。
因此，凸凹模间隙是拉深工艺与模具设计中的一个非常重要的工艺参数。
（2）间隙对拉深件尺寸精度的影响
拉深件的尺寸精度是指拉深件的实际尺寸与基本尺寸的差值，差值越小，则精度越高，这个差值包括两方面的偏差，一是拉深件相对于凸模或凹模的偏差，二是模具本身的制造偏差。
（3）间隙对模具寿命的影响
模具寿命受各种因素的综合影响，间隙是也许模具寿命诸因数中最主要的因数之一，拉深过程中，凸模与被拉深的孔之间，凹模与板料之间均有摩擦，而且间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严重，所以过小的间隙对模具寿命极为不利。
而较大的间隙可使凸模侧面及材料间的摩擦减小，并延缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，出现间隙不均匀的不利影响，从而提高模具寿命。
（4）间隙对拉深工艺的影响
随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，因此拉深力减小。
通常拉深力的降低并不显著，当单边间隙在材料厚度的5~20%左右时，拉深力的降低不超过5~10%。
间隙对卸料力推料力的影响比较显著。
间隙增大后，从凸模里卸料和从凹模里推料都省力当当单边间隙达到材料厚度的15~25%左右时的卸料力几乎为零。
但间隙继续增大，因为毛刺增大，又将引起卸料力、顶件力迅速增大。
（5）间隙值的确定方法
由以上分析可见，凸、凹模间隙对拉深件质量、拉深工艺力、模具寿命都有很大的影响。
因此，设计模具时一定要选择合理的间隙，以保证拉深件尺寸精度满足产品的要求，所需拉深力小、模具寿命高，但分别从质量，拉深力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值，只是彼此接近。
考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就可以拉深出良好的制件，这个范围的最小值称为最小合理间隙Cmin，最大值称为最大合理间隙Cmax。
考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值Cmin。
确定合理间隙的方法有经验法、理论确定法和查表法。
根据近年的研究与使用的经验，在确定间隙值时要按要求分类选用。
对于尺寸精度，断面垂直度要求高的制件应选用较小的间隙值，对于垂直度与尺寸精度要求不高的制件，应以降拉深力、提高模具寿命为主，可采用较大的间隙值。
由于理论法在生产中使用不方便，所以常采用查表法来确定间隙值。
经验公式；
软材料：
t＜1mm，C=（3%~4%）t
t=1~3mm，C=（5%~8%）t
t=3~5mm，C=（8%~1%）t
硬材料：
t＜1mm，C=（4%~5%）t
t=1~3mm，C=（6%~8%）t
t=3~8mm，C=（8%~13%）t
（6）计算凸凹模间隙
根据分析拉深模间隙采用查表法确定，查拉深模初使用间隙工件形状较复杂，采用配作法加工凹、凸模。
配作法加工的特点是模具的间隙由配作做保证，工艺比较简单，无需校核使制造容易，所以采用配作法加工。
采用查表方法，
查表得凸凹模单边间隙为Z=（1~1.05）t（4）
取Z=1.05t=2.1mm
式中：
t为板料厚度
2．凸凹模工作尺寸及公差
由于要求内形尺寸，则按公式
凸模尺寸dp=（dmin+0.4
）0
（5）
=（100+0.4
）0-0.05
=100.060-0.05
式中：
Dmin为半球件内径，
为公差
4.4模具总体设计
1．模具类型的选择
由冲压工艺分析可知，模具基本结构可参考正装拉深模具一次成型，并根据单动压力机液力成形模具特点进行改进以满足要求。
2．操作方式
零件的生产批量不大，合理安排生产可用手工送料方式，能够满足生产要求，可以降低生产成本，提高经济效益。
3．定位方式
因为凹模采用嵌入凹模固定板的形式，坯料为圆形板料，根据模具具体结构兼顾经济效益，考虑在凹模固定板上加工凹槽，使坯料部分嵌入凹槽中，再由压边圈固定，这样减少了加工成本，安装方便，也能满足定位要求，提高经济效益。
4.卸料、出件方式
（1）刚性卸料与弹性卸料的比较：
刚性卸料是采用固定卸料板结构。
常用于较硬、较厚且精度要求不高的工件拉深后卸料。
当卸料板只起卸料作用时与凸模的间隙随材料厚度的增加而增大，单边间隙取（0.2～0.5）t。
当固定卸料板还要起到对凸模的导向作用时卸料板与凸模的配合间隙应该小于拉深间隙。
此时要求凸模卸料时不能完全脱离卸料板。
主要用于卸料力较大、材料厚度大于2mm且模具结构为倒装的场合。
弹压卸料板具有卸料和压料的双重作用，主要用于料厚小于或等于2mm的板料由于有压料作用，冲件比较平整。
卸料板与凸模之间的单边间隙选择
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