通用汽车底板支撑架修边冲孔模具设计毕业论文.doc

1 绪 论1.1 我国汽车冲压模具的发展现状 随着汽车工业的快速发展，服务于汽车生产的模具近年来也快速发展。汽车模具种类很多，其中冲压模具和塑料模具是用量最大的两大类。此外，还有铸造模具、锻造模具、橡胶模具、粉末冶金模具及拉丝模具和无机材料成型模具等。在汽车工业十分发达的国家，为汽车服务的模具往往要占到其全部模具生产量的40以上。经过多年发展，我国目前为汽车服务的模具约已占到了全部模具产量的1/3左右，其中，冲压模具要占一半左右。由此可见，汽车冲压模具在模具行业和汽车工业中的重要地位。尤其是汽车制件模具直接关系到汽车车型，因此其地位尤为重要。就我国模具行业综合能力和水平来看，对于中档及其以下汽车的冲压具，国内目前已完全有能力可 以设计制造，满足用户所需，部分高级轿车的冲压模具其国内也已开始生产。虽然如此，我国的冲压模具设计制造能力与市场需要和国际先进水平相比仍有较大差距。这些主要表现在高档轿车和大中型汽车制件模具及高精度冲模方面，无论在设计还是加工工艺和能力方面。轿车制件模具具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点，可代表制件模具水平。虽然在设计制造方法和手段上面已基本达到了国际水平，模具结构方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步，但在制造质量、精度、制造周期等方面，与国外相比还存在一定的差异。我国模具行业专业化程度还比较低，模具自产自配比例过高。国外模具自产自配比例一般为3O左右。我国冲压模具自产自配比例约为60左右。这就对专业化产生了很多不利影响。现在，技术要求高、投入大的模具专业化程度较高，例如制件模具、多工位级进模和精冲模等。而一般冲模专业化程度就较低。由于自配比例高，所以冲压模具生产能力的分布基本上跟随冲压件生产能力的分布。但是专业化程度较高的汽车制件模具和多工位、多功能精密冲模的专业生产企业的分布有不少并不跟随冲压能力分布而分布 ，而往往取决于主要投资者 的决策。例如四川有较大的汽车制件模具的能力，但其主要用户不在四川。另外，企业之间近年来正在逐步形成“战略联盟”。形成联盟的企业，往往以一个实力强大和水平较高的大型模具厂为核心，在一定的地域范围内有很好的协作关系，包括原材料、工艺、技术及市场乃至资金和人员方面的协同等。长春及其周边地区、哈尔滨及其周边地区、湖北十堰及其周边地区、京津冀有关地区、成渝有关地区、上海及其周边地区、芜湖及其周边地区等，都已形成了由一大批企业组成的汽车冲压模具的“联盟生产基地”。 1.2 毕业设计课题的任务、要求、技术难点及要达到的预期效果首先，要了解整个模具行业的发展概况以及应用水平，特别是冲压模具设计的先进技术和方法。其次，熟练掌握UG应用软件，还要了解目前应用较为广泛的其他应用软件，如UG、CATIA、AutoCAD软件等。再次，必须对冲压材料的成型特性有足够的了解。最重要的是在基于UG软件的基础上着手于本课题汽车底板支架修边冲孔模具的设计。本课题要解决的主要问题是：1、制件工艺分析；2、冲压工艺方案确定；3、修边冲孔模参数计算；4、修边冲孔模总体结构设计；5、一些辅助机构的设计、排列和选用。最后需要利用UG软件绘出该零件冲压模具的三维图，利用AutoCAD绘制其二维工程图。为了解决这些问题，必须先明确本冲压模具的设计重点，作出详细的工作进度计划。在这其间要多参照已成型的模具结构，熟练掌握Ug和AutoCAD软件的使用；掌握冲压模具的设计程序、规范及结构特点；了解模具标准件，学会标准件库的建立，以提高模具设计效率；学会使用参数化设计方法，以减少设计周期。最后还应掌握模具零件尺寸公差与零件设计的几何要求关系，因为在设计模具时，必须根据制件的尺寸和精度要求来确定相应的成型零件的尺寸和精度等级，得到零件的工作尺寸。所有这些资料必须通过图书馆查找期刊文献、会议文献以及专业书籍和网络数据库得到，所以还要熟练掌握资料的检索。2 汽车底板支撑架修边冲孔模具设计2.1制件的工艺分析如图2-1，图2-2分别为汽车底板支架制件的轴测图和正视图。此制件为大批量生产，如果能够采用冲压工艺将大大的提高生产效率、降低生产成本。图2-1 汽车底板支架轴测图零件结构：该所要修边的冲压件形状复杂，模具分离刃口所在的位置是任意的空间曲面；冲压件存在不同程度的弹性变形。因此，进行模具设计时，在工艺上和模具结构上应考虑制件定位、模具导正、废料的排除、工件的取出问题。尺寸精度：零件图上所有未注公差的尺寸属自由尺寸，可按IT14级确定工件尺寸公差。由零件图可知此冲压件的尺寸精度一般，普通冲裁即可满足。结论：此冲压件适合用普通冲裁的垂直修边冲孔模来完成。2.2 冲压工艺方案的确定该冲压件包括拉延、修边冲孔和整形三个基本工序，可采用先拉延再修边冲孔（落料），后整形的单工序模生产方案。单工序模具结构简单，制造方便，此制件需要三道工序，三套模具就能完成冲压件的加工，并且可以满足冲压件大批量生产的需要。另外此制件用垂直修边冲孔模即可完成冲压，无需斜契机构，所以模具空间布局比较宽敞，有利于制件空间定位。本次设计仅作修边冲孔模设计，另外两道工序拉延和整形由别的同学负责设计完成。2.3 参数计算1.冲裁力(如图2-3)计算 P=lt=13200.845=47520kg 式中: P: 冲裁力kg无阶梯状态下计算l: 冲裁长度mmt:板厚mm:抗剪强度kgf/图2-3冲裁力示意图: 抗剪强度kgf/按表1卸料力卸料力因料厚形状等的不同而各异。一般为冲裁力的26。P卸=K卸P=475200.06=2851.2kg式中 K卸：卸料系数见表2表2 卸料力系数表料厚K卸钢0.10.060.090.10.50.040.070.52.50.0250.062.56.50.020.056.50.0150.04铝、铝合金0.030.08紫铜、黄铜0.020.06注:卸料系数K卸在冲大搭边和复杂轮廓时取上限值3.修边尺寸展开计算本模具为无伸长和压缩的纯直角弯曲情况，其中性层为料厚的40（如图2-4）:X=H-0.43r+0.52t图2-4 修边尺寸展开示意图4.间隙间隙，是指凸模与凹模刃口间单侧的间隙。如图2-5所示。间隙选取（如图2-6）：本模具的落料尺寸决定于凹模刃口尺寸，间隙取在凸模上。图2-5 凸模与凹模刃口间单侧的间隙图2-6 间隙选取适用图2.4 总体结构设计 此制件模具分离刃口所在的位置是任意的空间曲面，冲压件存在不同程度的弹性变形，所以本设计要针对其特性设计出一套合格的修边冲孔模具。结构形式的选择：修边冲孔模可分为：垂直修边冲孔模、斜楔修边冲孔模和垂直斜楔修边冲孔模。垂直修边冲孔模的修边方向与压力机滑块运动方向一致，是制件修边冲孔模最常用的形式，应尽量采用。斜楔修边冲孔模的修边镶块作水平或倾斜方向运动，有一套将压力机滑块运动方向转变成刃口镶块沿修边方向运动的斜楔机构，所以结构较复杂。垂直斜楔修边冲孔模的一些修边镶块作垂直方向运动，另一些修边镶块作水平或倾斜方向运动，该修边冲孔模用于同一模具上需要垂直修边和斜楔修边的情况，模具结构复杂。根据制件结构、精度等级，不需要设计斜楔滑块机构。所以设计一套垂直修边冲孔模就可以满足要求了。该模具采用垂直修边结构，模具设计的重点是凸模和凹模镶块和废料刀设计。确定了模具的结构形式，然后用UG（CAD）模板技术参数化的设计方法进行结构设计；在UG/Part families中进行模具标准件库的建立。2.5 模板技术参数化设计方法根据汽车模具设计的经验和规则，在UG平台上将模板技术和参数化方法应用于汽车模具的设计中，能够大大地缩短传统模具设计的周期，达到快速响应制造，以下就把这项技术应用到本设计中。首先对一些专有名词进行介绍。快速响应制造(BapidRgpnse Manufacturing，RRM)，最初是由福特汽车公司提出的，其目的是建立集成环境同时使工程技术人员有效地使用计算机仿真和处理技术进行产品的开发、设计和制造，缩短产品的市场响应时间，提高质量和可靠性，同时降低成本。参数化模板技术的设计思想是为快速模具结构设计服务的，缩短模具结构生成和出固的耗时，减少冲压工艺分析设计和依据图纸进行模具制造中间的时间间隔，从而更好的满足客户的要求。 模板是将一个事物的结构按照其内在的规律予以固定化、标准化的结果，它是结构标准化的具体体现。参数化模板技术利用CAD设计的参数化技术，将模板的尺寸进行全关联，用主要参数来对其他参数进行驱动。参数化模板技术的应用必须建立在特征建模的基础之上。以UG为开发平台，运用UG完善的参数化机制和强大的CAD功能进行特征建模，尤其UG所提供的装配功能和WAVE技术使参数化模板技术具有更广泛的适应性和更强大的生命力。2.5.1 模板的设计和创建 1参数化模板技术应用方法研究 模板是结构标准化的具体体现，那么模板中的每一个标准化结构都可以看作是一个模块。将各个模块建模，然后利用UG的装配功能把模块拼装，便完成模板。同时，模板的设计中应该融入一定实际生产经验，这样模板才具有权威性。针对模板中使用的标准件(螺栓、螺钉、导柱、导套等)，建立标准件库。这样在由模板生成具体模具时，当标准件的规格需要变换时，能够直接从标准件库中提出，方便省时。根据零件的形状和尺寸，首先在计算机中以工程草图的形式画出，尺寸以参数形式表示，然后对这些参数赋以不同的值，就能够建立起一组形状相同、规格不同的标准件。 模具作为一种特定结构的机械产品，进行模块化设计时，既与传统模块化机械产品设计有许多共同之处，又具有自身的特殊性。模块的正确划分是模板制作的关键，要兼顾两个方面：一是模具的结构，二是是否有利于实现参数化。本模具在深刻分析制件结构、特性和冲压压形模具结构特点的基础上，先抽象出所有冲压压形模具的共同特征，要将上述两个方面统一起来对模板划分模块。可分为二个模块：上模、下模、压料芯。从是否有利于实现参数化的角度看，压形模具可分为模架模块和专用型面模块。模架模块是指结构相对规则的上下模架部分，主要起定位和支撑等作用。专用型面模块是指型面结构变化部分，不易实现设计参数化，是制件成形的关键部分。所以将本模具的模板分成四个模块：上模基座（如图2-7）、下模基座（如图2-8）、镶块、压料芯。这样划分的优点有：1)将上、下模划分为基座，因为基座是少变化和稳定的，结构相对规则，易于实现参数化；而型体外形则是多变的，不规则，不易于实现参数化；当型体由于突变失效时，不至于牵连基座；2)不同的产品，要求不同的模具型面，将型面设计成镶块形式，将镶块单独作为一个文件，便于对它的操纵和控制。图2-7 上模基座UG三维立体图2冲压压形模板的创建 基于上述参数化模板技术在汽车冲压压形模板设计中应用方法的分析，根据对压形模板的模块划分，对各个模块在UG中建模，然后装配成为压形模板。2.5.2 参数化特征建模 参数化模板要求其中的曲线、曲面、实体的形状、尺寸和空间位置都是可变的。在UG中，只有作为特征，其形状和空间参数才是可以改变的，同时在参数之间建立关联。 参数化关联机制在压形模板中建立方法将生成模板的所有参数分成2种即控制参数和受控参数。受控参数的值通过公式由控制参数决定，在UG中是通过表达式功能来创建参数之间的公式关系。但由于装配部件也较多，这样所有的控制参数总共也较多，所以又将控制参数分成主控参数和非主控参数。非主控参数的值也是通过公式由主控参数决定。这样模板的所有参数将全由主控参数来决定，减少了需要修改的参数个数，增强了模板的实用性。经过不断修改，目前压形模板的主控参数有总装文件的模具闭合高度、送料高度和下模基座文件的四角平台长、四角平台宽、筋板宽、模具长度、模具宽度、模具高度和基准高度等。除了使用公式在参数之间建立起关联，还可以在草图中通过几何定位确定参数的关系。 草图是UG中实现参数化的最强大工具，草图实际上就已经决定了其后要生成实体的方法，它实际上就是对所描述对象建立数学模型，其后面的三维造型工作只是将它所表达的思想实现出来。 以下模基座草图为例说明使用草图的方法。在头脑中先构思出下模基座的大体结构，有四角平台、压板槽、底板加强筋、侧加强筋、导腿。选择下模基座的底面为草图附着面，初步生成的草图如图2-9所示。其中1是用于生成底板加强筋，先生成一长方体，然后使用自定义特征(事先已经做好，存在自定义特征库中)。2是用于生成导腿，关于YC方向做镜像，便得到两个导腿。3是用于生成四角平台，4是在四角平台中挖空，用于减重。5是用于生成侧加强筋，然后在xC方向做阵列，再关于xC做镜像。6是用于生成压板槽(使用自定义特征)，然后方法同侧加强筋。7是用于生成侧加强筋附着面。经过镜像和填补最后得到草图形状见图2-10所示。图2-9 下模基座草图图2-10 下模基座草图2.5.3 装配和WAVE技术模块造形完毕需要装配成模板。UG为建模提供了强大而有效的装配功能，为了完美地实现参数化模板的目标，模块之间的装配定位应当使用约束定位(Mte)，而且应当尽可能地使用WAVE技术，WAVE技术的突出特点是它的相关拷贝功能。在压形模板的设计中，上模基座就是通过下模基座WAVE生成，秉着求同存异的原则，上模基座除导腿外与下模基座相同，所以建立上模基座时，应用WAVE技术，将下模基座的草图抽取过来。这样设计工作不仅简便，而且避免了大量的参数关联。然后装配上相应的标淮件，最终得到的压形模板，这样的压形模板已经与真正的压形模具相差不大了，模具的基本结构形状已经具备，必用的标淮件已经装入，结合特定的用户要求，只需作很小的改动就可以成为一套真正可以应用于实际生产的模具。3 在UG/Part families中模具标准件库的建立在冲模标准件库中，一个标准件主要有二个文件，即模型文件（prt）和数据文件（dbf）。标准件库的内容一般采用二级结构，第一级为数据库主引导文件。第二级为零件的DBF数据文件，该DBF文件记录了标准件一系列参数。对于标准组件，需要采用三级数据文件。 在标准件建库过程中，必须先建立标准件信息模型，输入的内容分为三类，一是三维参数化特征实体模型；二是特征变量；三是装配信息。它们以一定的结构存贮于数据库中，提供对标准零件或组件的完整描述。3.1 参数化标准零件库的建立 在标准零件库的建设中，主要应用基于特征变量的参数设计方法。在模型创建的过程中，添加设计变量，通过设计变量表中的表达式，设置变量间的关联规则，重要参数采用Excel表格来控制，通过对设计变量的修改来驱动生成新零件。具体的步骤如下：1在三维CAD环境中，建立产品实体模型。2将每个特征相关的数据用变量来表示，以便于变量的驱动和管理。3对于相互关联的特征尺寸，在变量表的公式中表达，简化实体的尺寸要素。UG系统中标准件建立流程如图3-1所示。 图3-1 标准零件建立流程以下以常用的导柱为例，利用UG/Part families建立导柱系列标准零件库。 在expression表中建立冲模标准导柱数学表达式，由数学表达式驱动模型。建立输入数学表达式如图3-2，图中包括了特征变量定义。 图3-2 数学表达式输入完数学表达式后，根据表达式建立参数化特征模型，如图3-3。 图3-3 特征模型参数化特征模型建立后，进行特征变量列表，把需要变化的尺寸定义为参数符号，生成特征变量列表如表3。表中仅列了一项参数，而且代号和描述项为空。 表3 特征变量列表在特征变量列表中以符号标注的尺寸为族表成员，未添加的尺寸的特征为非变化的，依附于其它特征而存在，重要尺寸可以在expression表中用表达式进行关联设计。特征变量列表生成后即可往表中添加相关模型变量。在实际应用中，可用图中的导柱为类属模型来生成一系列标准件，通过编辑excel表格，把目前市场上出售的冲模标准导柱、按国标（GB）和各标准件厂的企业标准进行生产的导柱的模型变量输入到表中，如表4。4.3.5 辅助元器件作用：1. 模具运输连接板 作用：在模具运输过程中固定上下模。2. 可调式滑料托架 作用：方便上、下板料和制件的。3. 限位块 作用：冲压过程中限制上模运动行程。4. 基准块 作用：在机加工中作为加工基准。在模具各序加工中起重要作用。5. 安全护板 作用：在试模和生产中防异物弹出，起安全保护作用。6. 存放定位块 作用：模具在存放时防止上下模在非工作状态下接触，保护模芯。5 模具 CAD技术的发展趋势本模具的设计是基于UG软件进行的，那么模具CAD技术将来的发展趋势是怎样呢？在以后的模具设计中，模具CAD技术将主要朝着以下几个方向发展：1一体化 从传统的设计方式向CADCAECAM一体化方向发展。模具设计过程是一个信息处理、交换、流通和管理的过程CADCAECAM能够对设计和制造过程中信息的产生、转换、存储，流通管理进行分析和控制，将它们有机地、统一地“集成在一起，才能取得最佳效益 。 2智能化理想的智能模具专家系统，应该从设计到制造全部自动化。人工智能【AI】是通向这条道路的重要途径目前 AI的应用主要集中在知识工程的引入，发展智能专家系统上 智能专家系统可以完善CAD系统的功能，有利于创造更高级的 CAD系统，它将是模具CAD的一个重要发展方向。 3最优化目前模具CAD系统使用的大多还是人工设计准则，因而模具生产仍然存在可靠性问题。采用塑性模拟技术可以分析塑性成形过程，提高工艺分析和模具 CAD的理论水平与实用性，所以计算机模拟技术、优化技术将会得到更大发展。 4可视化 模具CAD可视化的基本思想是从准备数据，实施计算到表达结果都用图形或图 像来完成或表现，最后结果还可以用具有真实感的动态图形模拟来描述。复杂的数据 视觉形式表现最容易理解，并挠得到直观、形象的整体概念。5微型化及新型化 目前模具CAD正转向超级微型计算机工作站及新型外围设备，以超级微机为基础的CAD系统将不断增多，而目功能将不断加强。6网络化微机CAD系统发展的一条主要途径是网络化，由于微机价格低廉，功能较强 ，可以将多台以微机为中心的智能工作站连成分布式的CAD系统。分布式CAD系统结构灵活，功能强，每个工作站可以单独使用，也可以联台使用。整个网络和大型、巨型计算机相连，可以解决更复杂的问题。另外，快速成型技术(RP)、拟实产品开发VPD、并行工程(CE)、智能制造系统 (IMS)、敏捷制造(AM)、计算机集成制造(CIMS)等新技术在模具工业上应用。将汽车模具CAD技术推向一个新的领域。结 论本毕业设计是在基于UG的汽车冲压修边冲孔模设计，在UG开发平台上将上模、下模、压料芯装配好，整体观察确定，绘制一些辅助元器件。各个模块分别特征建模，运用UG所提供的强有力的草图约束和装配功能，建立模具参数化模板。本模具是垂直修边冲孔模，所以最主要的是凸模和凹模镶块和废料刀设计。确定了重点以后各部分都要围绕其展开。各部件完成以后最后，利用UG的装配和有效的模块WAVE技术，实现各部件装配和参数化设计的目的。模块之间的装配定位使用约束定位，而且较多的使用WAVE技术，WAVE技术的突出特点是它的相关拷贝功能。在修边冲孔模的设计中，上模基座就是通过压料芯WAVE生成，秉着求同存异的原则，上模基座除导腿外，与下模基座有很多相同点，所以建立上模时，应用WAVE技术，将压料芯或下模的草图抽取过来。这样设计工作不仅简便，而且避免了大量的参数关联。它们的装配树和约束关系可以将整个模具完整的展现出来，这样缩短了模具设计的成本和时间，工作效率大大的提高了。参考文献1许发樾. 实用模具设计与制造手册. 北京：机械工业出版社，2000 2张清辉. 模具材料及表面处理. 北京：电子工业出版社，2002 3王鹏驹.塑料模具技术手册. 北京：机械工业出版社，1997 4朱光力，万金宝 .塑料模具设计. 北京：清华大学出版社，2003 5黄虹. 塑料成型加工与模具. 北京：化学工业出版社 2004 6毛谦德，李振清 . 机械师设计手册 第2版. 北京：机械工业出版社，1995 7朱冬梅，胥北澜 . 画法几何及机械制图. 北京：高等教育出版社，2000 8党新安. 金属制品的成型与设计. 北京：化学工业出版社，2003. 6 致 谢求学期间的点点滴滴历历涌上心头，时光匆匆飞逝，五年的努力与付出，随着论文的完成，终于让大学的生活，得以划下了完美的句点。论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢张玉老师，因为论文是在张老师的悉心指导下完成的。张老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深深。在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等每一步都是在张老师的悉心指导下完成的，倾注了张老师大量的心血。张老师指引我的论文写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给了我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。张老师要指导好几个同学的论文，加上本来就有的教学任务，工作量之大可想而知，但在一次次的回稿中，精确到每一个字的的批改给了我深刻的印象，使我在论文之外明白了做学问所应有的态度。张老师一如既往的辅导我论文的写作，他的精神激励了我，使我克服了在论文写作过程中的困难。在此，谨向张老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！谢谢张老师在我撰写论文的过程中给与我的极大地帮助。同时，论文的顺利完成，离不开其他各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。感谢所有给我帮助的老师和同学，谢谢你们！17