中心轴托架模具与弯曲工艺的设计结构设计说明.docx

1、中心轴托架模具与弯曲工艺的设计结构设计说明中心轴托架模具及弯曲工艺设计结构设计第一章 绪 论冲压成形是一个涉及领域及其广泛的行业，深入到制造业的方方面面，在国外，冲压被称为板材成形即冲压是通过模具对板材施加压力或拉力，使板材发生塑性变形，同时对板料施加剪切力使板材分离，从而获得一定尺寸、形状和性能零件的加工方法。冲压成形加工是冲压模具来实现的。冲压模具是大批量生产同形产品的工具，是冲压成形的主要工艺装备。冲压加工需要研究冲压工艺和模具两个方面的问题。根据通用的分类方法：冲压工艺可以分为分离工序和成形工序两大类。冲压加工有其自身的优势，其缺点在于冲模的结构比较复杂，模具制造价格较高。因此冲压加工

2、一般只适用于大批量、单一品种的生产。目前为了解决这方面的问题，正在努力发展某些简易冲模，如聚氨酯橡胶冲模、低合金冲模以及采用通用组合冲模、钢皮模等，同时也在进行冲压加工中心等新型设备和工艺的研究。一、冲压成形工艺于理论研究由于引入了计算机辅助工程（CAE），冲压成形已从原来对应力应变进行有限元分析，逐步发展到采用计算机进行工艺过程的的模拟和分析以实现冲压过程的优化设计。在冲压毛坯设计方面也开展了计算机辅助设计，可以对排样或拉伸毛坯进行优化设计。在现阶段，冲压成形已走向计算机辅助工程化和智能化的发展道路，冲压成形已从原来的经验、实验分析阶段开始进入有冲压理论指导的科学阶段。很多研究机构已经开始进

3、行冲压成形性能和成形极限、冲压件成型难度的判定以及成行预测等技术的预测。二、冲压加工自动化和柔性化为适应大批量、高效生产的需要，在冲压模具和设备上广泛应用了各种自动化的进、出料机构。对于大型冲压件，例如汽车覆盖件，专门配置了机械手或机器人，这不仅大大提高了冲压件的生产品质和生产率，而且也增加了冲压工作和冲压工人的安全性。在中小件的大批生产方面，现已广泛应用多工位级进模、多工位压力机或高速压力机。在小批量多品种生产方面，正在发展柔性制造系统（FMS），为了适应多品种生产时不断更换模具的需要，已成功的发展了一种快速转换系统，现在，换一副大型冲压模具，仅需要68min即可完成。此外，近年来，集成制造

4、系统（CIMS）也正被引入冲压加工系统，出现了冲压加工中心，并且使设计、冲压生产、零件运输、仓储、品质检验以及生产管理等全面实现自动化。三、冲模CAD/CAM冲模CAD/CAM系统的发展是随着CAD/CAM技术以及现代设计理论与方法的发展而不断发展的，从最初以二维图形技术为基础的系统发展到了目前的以三维图形技术及特征构形为主要特点的阶段。（1）国外冲模CAD/CAM的发展概况国外于20世纪60年代末开始模具CAD/CAM研究，20世纪70年代已投入生产使用。如美国的Diecomp公司于1973年研制成功计算机辅助设计级进模的PDDC系统。该系统包括产品图形于材料特性的输入；在输入的基础上，再进

5、行模具结构类型选择、凹模排样、凸模和其他嵌件设计，最后绘制模具总装图和零件图及NC编程。汽车覆盖件模具CAD/CAM的研究在世界各大汽车公司均取得成效。其中日本丰田汽车公司于1965年将数控技术用于模具加工，1980年开始采用模具CAD/CAM系统。该系统包括NTDFE和CADEETT两个设计软件及加工凸凹模的TINCA软件，可完成车身外形设计、车身结构设计、冲模CAD、主模型及冲模加工、夹具加工等。冲模CAD主要应用三维几何构形与图形变换的功能，其中有关工艺成型性能的评价，应用有限元分析方法和几何模拟方法。该系统投入使用后。可使覆盖件成型模的设计与加工时间缩短50%。美国通用汽车公司、福特汽

6、车公司和英国PSF公司均已建立覆盖件拉延成型模CAD/CAM系统，特别是福特汽车公司在覆盖件塑性成形方面取得很大成就，应用大应变弹塑性有限元方法，模拟覆盖件的成型过程，预测其中的应力、应变分布，失稳破裂及回弹的计算等。（2）国内冲模CAD发展概况由于我国计算机技术发展较晚，于20世纪80年代才开始模具CAD/CAM的研究。到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有：1984年华中科技大学建成的精冲模CAD/CAM系统，1985年机电研究院建成的冲裁模CAD/CAM系统。1986华中科技大学、上海交通大学建成的冲裁模CAD/CAM系统，随后相继又有西安交通大学、华中科技大学、上海交通大学等开展了拉

7、延模、弯曲级进模CAD/CAM以及精冲级进模CAD/CAM的研究。从20世纪90年代中期开始，华中科技大学模具技术国家重点实验室在深入分析级进模设计特点的基础上，将基于特征的特征的设计方法应用于级进模CAD/CAM系统的开发上，于1999年在AutoCAD软件平台上建成了基于基于特征的级进模CAD/CAM集成系统（HMJC系统）。系统共分：钣金零件的特征造型，基于特征的冲压工艺设计（条料排样），模具结构及零件设计，级进模标准设件和典型结构建库工具，线切割自动编程共5大模块。其中，钣金零件的特征造型模块主要用于将钣金零件的产品信息输入计算机，建立钣金零件的特征模型，为后续的工艺及模块结构设计提供

8、信息。基于特征的冲压工艺设计模块可实现钣金零件自动展开、毛坯排样及冲压工序设计、工位布置、工艺参数设计等。由于在冲压工艺设计时需考虑众多因素，所以该模块提供进行交互设计的各种操作命令，以便用户快速确定设计结果。模具结构及零件设计模块则为用户提供设计模具总装结构及模具零件的相关功能，使用户可方便的设计出级进模，并输出符合用户要求的总装图与模具零件图。级进模标准件和典型结构建库工具用于建立用户的标准件库和典型结构库，它面向用户开放，可按需要进行添加删除和修改。第二章 软件介绍一、UG NX的技术UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，

9、它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。UG的开发始于1990年7月，它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用。一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域(自然科学或工程)、数学(分析和数值数学)及计算机科学的知识。然而，所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。这是因为组合所

10、有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。最终软件的实现变得越来越复杂，以致于超出了一个人能够管理的范围。一些非常成功的解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密（adaptivemeshrefinement）和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究，同时随着计算机技术的巨大进展，特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的可能。UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。UG NX的结构一个如UG NX这样的大型软件系统通常需要有不同层次抽象的描述。UG具有三个设计层次，即结构设计(architecturalde

11、sign)、子系统设计(subsystemdesign)和组件设计(componentdesign)。至少在结构和子系统层次上，UG是用模块方法设计的并且信息隐藏原则被广泛地使用。所有陈述的信息被分布于各子系统之间。 二、UG NX的优势来自Siemens PLM 的 NX 使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。 NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产皮设计、工程和制造全范围的开发过程。 UG设计图如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设

12、计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策。NX 是 UGS PLM 新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。 NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。 NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新， NX 的成功已经得到了充分的证实。这些目标使得 NX 通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程

13、自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。 三、UG NX主要功能（1）工业设计和风格造型UG 为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用 UG 建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状， 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。 产品设计UG 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。UG 具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。 UG 优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其

14、他行业设计所需的专业应用程序。 （2）仿真、确认和优化UG允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。 NC加工UG NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UG NX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活

15、的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。UG NX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流 NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于轴或更多轴的铣削加工、轴的车削加工和电火花切割线。 （3）模具设计UG是当今较为流行的一种模具设计软件，主要是因为其功能强大。模具设计的流程很多，其中分模就是其中关建的一步。分模有两种：一种是自动的，另一种是手动的，当然

16、也不是纯粹的手动，也要用到自动分模工具条的命令，即模具导向。手动分模的过程 1.分析产品，定位坐标，使Z轴方向和脱模方向一致。 2.塑模部件验证，设置颜色面。 3.补靠破孔 4.拉出分型面 5.抽取颜色面，将其与分型面和补孔的片体缝合，使之成为一个片体。 6.做箱体包裹整个产品，用缝好的片体分割。 7.分出上下模具后，看是那个与产品重合，重合的那边用产品求差就可以了。 手动分模的步骤就大概就这样，手动分模具有很大的优势，是利用MOLDWIZARD分模所达不到的，在现场自动分模基本上是行不通。但是里面的命令是比较的好用的，我们可以用有关命令来提高我们的工作效率。 开发解决方案NX 产品开发解决方

17、案完全支持制造商所需的各种工具，可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。 NX 与 UGS PLM 的其他解决方案的完整套件无缝结合。这些对于 CAD 、 CAM 和 CAE 在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。 UG主要客户包括，通用汽车，通用电气，福特，波音麦道，洛克希德，劳斯莱斯，普惠发动机，日产，克莱斯勒，以及美国军方。几乎所有飞机发动机和大部分汽车发动机都采用UG进行设计，充分体现UG在高端工程领域，特别是军工领域的强大实力。在高端领域与CATIA并驾齐驱。 第三章 工艺分析加工工艺的确定需要考虑多种因素，最重要的是要兼顾质量与效率。下面

18、将对托架的加工工艺选择做详细阐述。一、工件分析此模具用于加工下图所示的机床中心轴托架，材料为08钢。 图3-1 工件二维图 根据所给出的的零件二维图，首先在UG中运用参数化建模技术实现零件的三维建模，如下图所示 图3-2 工件三维建模图该工件是中心轴托架工件，10mm孔内装有心轴，托架通过4个5孔与机身连接，为保证良好的装配工件，5个孔的公差等级均为IT9级，表面不允许有严重的划伤，该零件选用08钢，其弯曲半径均大于该种材料的最小弯曲半径，且工件精度要求不高，不需要校形，所有的孔可用高精度冲模冲出。因此，该零件可以用冷冲压加工成形。本设计只考虑工件的弯曲。弯曲件的工艺性主要考虑以下几个方面。(

19、1)弯曲半径弯曲件的弯曲半径不宜过大和过小。过大因受回弹的影响，弯曲件的精度不宜保证；过小时会产生拉裂。弯曲半径应大于材料的许可最小半径，否则应采用多次弯曲并增加中间退火的的工艺，或者是先在弯曲角内侧压槽后再进行弯曲。（2）直边高度保证弯曲件直边平直的直边高度H不应小于2t(t为弯曲件厚度)，否则需先压槽或加高直边（弯曲后再切掉），如图3-3所示。(3)孔边距如果弯曲毛坯上有预先冲制的孔，为使孔不发生变化，必需使孔置于变形区之外，即孔边距L（图3-4）应符合以下关系。当弯曲件厚度t1.5mm）,中心孔10mm孔边距为7.5mm（1.5mm）,均满足要求。 图3-3 弯曲直边高度要求 图3-4

20、孔边距（4）形状与尺寸的对称性 弯曲件的形状与尺寸应尽可能对称，高度也不应相差太大。当冲压不对称弯曲件时，因受力不均匀，毛坯容易偏移，尺寸不易保证。为防止毛坯的偏移，在设计模具时应考虑增设压料板、定位销等定位零件。由图3-1所示，本次设计的工件形状完全对称。（5）部分边缘弯曲当局部弯曲某一段边缘时，为了防止在交界处由于应力集中而产生断裂，可预先冲裁卸荷孔或切槽，也可以将弯曲线移动一段距离，以远离尺寸突变处。本次设计不予考虑。二、确定工艺方案根据给出的工件结构进行详细分析得出：冲压该零件所需的基本工艺为冲孔、落料及弯曲，因此，冲压工艺方案可以有以下几种。方案一：首先为冲孔（10mm）和落料的复合

21、，然后为弯曲外部两角并使中间预弯45，然后弯曲中间两角，最后冲4个孔（5mm），弯曲过程如图3-5所示。方案二：首先为冲孔（10mm）和落料的复合（同方案一），然后弯外部两角，然后压弯中间两角，最后冲4个孔（5mm，同方案一），过程如图3-6所示。图3-5 方案一工件变形图 图3-6 方案二工件变形图 方案三：首先冲孔（10mm）和落料的复合（同方案一）直接压弯四角，最后冲4个孔（5mm，同方案一）方案四：冲孔（10mm），切断，弯外角，再弯内角，最后冲4个5mm孔（同方案一）。方案五：冲孔（10mm），切断，弯四角，冲4个5mm孔（同方案一）方案六：全部工序合并，采用带料级进冲压成形。三、工

22、艺方案的比较综合运用弯曲模成型原理和模具设计技术对上述六个方案进行比较，可以得出如下结论。方案一的优点是：模具结构简单，寿命长，模具的制造周期短；工件的回弹容易控制，尺寸和形状准确，表面质量高；除工序一外，各工序都能用10mm孔和一个侧面定位，定位基准一致且与设计基准重合，操作也比较方便。缺点是：工序分散，所用模具、压力机和操作人员较多，工作量较大。方案二和方案一相比，零件的回弹难以控制，尺寸和形状不明确，且同样存在工序分散、劳动量大、占用设备的缺点。方案三的工序比较集中，占用设备和人员少，但是模具寿命低，工件表面有划伤，厚度变薄，回弹不易控制，尺寸的控制不够精确。方案四的成形过程本质与方案三

23、相似。方案五本质上业也与方案三相同，只是采用了结构比较复杂的级进复合模。方案六的特点是采用高度集中的连续模完成方案一中分散的各工序。其生产率很高，但模具结构复杂，安装、调试、维修比较困难，制造周期长。通过比较可以得出，当进行小批量生产时宜选择方案一。但是进行大量生产时应采用方案六，即级进模生产的方式。本次设计针对单件、小批量生产，故综合各种因素，采用方案一。四、毛坯展开尺寸计算 首先根据工件结构图进行毛坯展开尺寸的计算，中性层位置确定后，按照弯曲件的形状，弯曲半径大小以及弯的方法等不同情况，其毛坏展开尺寸的计算方法也不同。但是无论是对简单形状弯曲还是复杂形状而且精度要求较高的弯曲件，计算所得结

24、果与实际情况往往会有一些出入，必修经过多次试模修正，才能得到正确的毛坯展开尺寸。工件尺寸如图3-8所示知r0.5t这类弯曲件变薄不严重，其毛坯展开 图3-8工件尺寸长度可以根据弯曲前后中性层不变的原则进行计算，毛坯的长度等于弯曲件直线部分长度与弯曲部分中性层展开长度的总和。 由冲压工艺与模具设计式（3-12）可得 式中：Li-直边长度； ri-弯曲半径； x0-应变中性层位移系数 查表得中性层位移系数x0=0.32经计算得L=106.4 mm。 但考虑到弯曲时板料纤维的伸长，实际毛坯取L=107mm。 五、弯外角的计算按照工艺方案一，首先应弯两外角45，故 对其进行工艺计算。凸模圆角半径：R/

25、t =1.5/1.5 =1,大于其最小圆角半径，则r凸=1.5mm。凹模圆角半径：由冲压工艺与模具设计圆角半径选用原则可知，t=1.5mm2mm时，r凹=（36）t,故取 弯曲件凹模深度L0的确定凹模深度L0要适当。若L0过小，则弯曲件两端的自由部分长，回弹大且不平直；如果L0过大，则凹模用料过多，且需要较大行程的冲床。因此，L0的大小要可采用较大的凹模深度。弯曲时，弯曲件全部被压入凹模中。L0的大小可查冲压模具设计手册关于弯曲V形件的凹模深度表得L0=15mm此时由于内角的弯曲角度不大，故凸凹模的圆角半径粗略设为r凸=10mm，r凹=20mm。凸凹模的间隙：对于V形件弯曲时，凸凹模之间的间隙

26、是靠调整压力机的闭合高度来控制的，因此不需要在设计制造模具是时确定间隙。但在模具设计中，必须考虑到模具闭合时使使模具工作部分与工件能紧密贴合，以保证弯曲质量。六、弯内角的计算与弯外角的工艺分析计算相同，弯内角的工艺计算如下： R/t =1.5/1.5 =1,大于其最小圆角半径，则r凸=1.5mm。由冲压工艺与模具设计凸凹模的圆角半径选取规则，t=1.5mm2mm时，r凹=（36）t,故取 由冲压工艺与模具设计弯曲U形件凹模深度表可知，L0 =20mm。由实用冲压技术手册关于V形和U形弯曲凸凹模间隙论述知：对于U形件弯曲，间隙过大则制件精度低，间隙过小则弯曲力增大，制件直边薄且模具寿命降低。合理

27、的U形件弯曲凸凹模单边间隙可按下式计算： C=t+kt式中 C弯曲凸凹模单边间隙； t材料厚度 材料厚度正偏差 k根据弯曲件高度h和弯曲件宽度b确定的系数，可查实用冲压技术手册系数k值表。 t=1.5mm，设材料厚度无偏差，则=0mm，k=0.05，可知回弹值的大小可近似按20号钢查表得=030，可以不予考虑。 七、凸凹模工作部分尺寸与公差的计算因为工件标注内形尺寸所以用内形尺寸标注的弯曲件计算。由冲压模具设计手册得式中 B-弯曲件宽度基本尺寸； -弯曲件制造公差； p、d -凸凹模制造公差，按IT6IT8级公差选取查机械设计课程设计制造公差表，GB/T 1804, =0.21mm。查机械设计

28、课程设计标准公差IT值表，选取凸凹模的制造偏差IT8，则p = d =0.033mm，有实践的经验进行修正，所以取在制造过程中，其尺寸需按下面生产：,八、排样方案及其计算为了保证零件的精确、条料的强度和刚度， 便于手工送料，采用单排有废料排样，据冲压工艺与模具设计搭边a和1 数值表查得：a=1.0mm，1=1.2mm。由冲压成形工艺与模具设计表3-10查得：=0.5mm,无侧压装置的模具应考虑再送料过程的摆动而使侧面搭边减少，为了补偿侧面搭边的减少，条料的宽度应增加一个条料可能的摆动量，故按下式计算式中 B条料标称宽度，mm； D工件垂直送料方向的最大尺寸，mm； 1侧边宽，mm； 条料宽度公

29、差，mm。进距 A=B+a=30+1.0=31.0（mm）根据简明冲压模具设计手册表1-12选择板料规格为：900mm1800mm先将板料剪切成17张900mm105.88mm的条料，再利用此条料进行冲裁，通过公式 可计算出此条料可冲裁的工件数n1=28.82个，即可冲裁28个工件。则在整个板料上可冲裁的工件为 n=n117=2817=476（个）材料的利用率为 可见此种排法的材料利用率很高，方案可行。九、各工序冲压力的计算和设备的选取由于本设计着重弯曲的设计计算，故对落料和冲孔工序以及冲4个5mm孔的工序不作讨论，只讨论两个弯曲工序。（1）弯45角 最大自由弯曲力为 式中C与弯曲形式有关的系

30、数，对于V形件C取0.6，对于U形件C取0.7； B弯曲件的宽度，mm； k安全系数，一般取1.3； t料厚，mm； b材料强度极限，Mpa。其中，08钢，b=300Mpa，C取0.6，k=1.3，B=30mm，t=1.5mm，R=1.5mm，则 F自=5265N。校正力计算公式为 F校=pAp单位面积的校正力，Mpa,其值查表冲压成形工艺及模具设计A弯曲件被校正部分的投影面积，mm2其中，A=1683mm2，取p=90Mpa，则 F校=pA=151470（N） 对设置顶件或压料装置的弯曲模，顶件力（或压料力）也要由压力机滑块承担，Fq可近似取自由弯曲力的30-50，即Fq=（0.3-0.6）

31、F自则 顶件力的计算公式为 Fq=(0.30.6)F自系数取为0.5，则Fq=0.5F自=2632.5（N）根据F机F校和F机F自+Fq得F机151470N。冲压设备的选用规则：1.中小型冲压件选用开式机械压力机；2.大中型冲压件选用双柱闭式机械压力机；3.导板模或要求导套不离开导柱的模具选用偏心压力机；4.大量生产的冲压件选用高速压力机或多工位自动压力机；5校平整形和温热挤压工序选用摩擦压力机；6.薄板冲件，精密冲件选用刚度高的精密压力机；7.大型，形状复杂的拉伸件选用双动或三动压力机；8.小批量生产中的大型后板件的成形工序多采用液压压力机。所以选用，开式可倾工作台压力机，选用压力机型号为J23-25，其主要参数为：公称力：250KN,最大闭合高度270，最大装模高度220，工作台尺寸前