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（輸入章及標題）I本科畢業(yè)設計（論文）液壓加載萬能摩擦磨損試驗機學 院 機械工程學院年級專業(yè) 學生姓名 指導教師 答辯日期 畢業(yè)設計(論文)任務書學院：機械工程學院 系級教學單位：機械工程系 學號學生姓名題 目 液壓加載萬能摩擦磨損試驗機課題 來 源 自選主 要 內 容設計要求：摩擦盤直徑≤100mm，可實現(xiàn)盤-盤、盤-銷、球-盤、環(huán)-環(huán)摩擦測試；摩擦副間壓力調節(jié)范圍 50-2000N；摩擦線速度≤5m/s；可實現(xiàn)壓力、摩擦力扭矩和溫度在線測量及數(shù)據(jù)處理；摩擦球和摩擦盤可以方便更換。1、總體結構設計2、加載系統(tǒng)設計3、液壓系統(tǒng)設計4、主軸傳動及夾緊機構設計5、主要零件設計基 本 要 求 1、獨立完成規(guī)定的任務，折合 A0 圖至少兩張；2、設計說明書 2 萬字以上，分析、計算準確詳盡，格式符合“畢業(yè)設計撰寫規(guī)范” ；3、參考文獻 15 篇以上（其中學術期刊類參考文獻不少于 8 篇，中文文獻 10篇以上，外文文獻 5 篇以上） ；4、翻譯外文資料一篇。參考資料1、機械設計手冊2、機床設計手冊3、 《摩擦學理論與設計》4、 《數(shù)控機床》5、 《液壓機構及其組合》6、 《液壓伺服控制系統(tǒng)》7、 《畢業(yè)論文撰寫規(guī)范》8、科技期刊上發(fā)表的相關研究方向的論文9、其他相關資料周 次 1-4 周 5-10 周 11-14 周 15-16 周應完成的內容查閱資料，外文翻譯；方案討論；確定進度計劃；完成開題?？傃b設計；主軸傳動及夾緊機構設計；完成中期考核。加載系統(tǒng)設計；液壓系統(tǒng)設計；主要零件設計。撰寫說明書；答辯準備。指導教師： 系級教學單位審批：說明：如計算機輸入，標題黑體小三號字，內容五號字。本任務書一式二份，教師、學生各執(zhí)一份。摘 要提供一種制備球-盤摩擦磨損試驗機(pin-on-disk wear tester)的方法，用以測試硬質薄膜的摩擦學性能。此試驗機提供的數(shù)據(jù)有：摩擦因數(shù)f，磨損量Wv和比磨損率 Wr。首先深入研究球 -盤磨損試驗機的工作原理，確定其工作原理是通過荷重傳感器的A-D轉換，將摩擦力的模擬信號轉變?yōu)殡妷簲?shù)字信號，輸入計算機或者X-Y記錄儀。然后與事先標定好的電壓值對比，得到測試過程中的摩擦力。傳感器的標定方法為：用已知載荷對傳感器施加拉力，傳感器將其轉變成電壓值，繪出電壓U-- 拉力F關系曲線，將其用直線擬合。同時提供了數(shù)據(jù)處理的方法，并利用此試驗機測試了多弧離子鍍TiN薄膜以及磁控濺射非晶碳膜的摩擦學性能，得到摩擦因數(shù)曲線和磨痕形貌。最后對此試驗機的缺點進行了分析。關鍵詞：球-盤磨損試驗機；荷重傳感器；AD轉換；硬質薄膜AbstractA pin-on-disk wear tester is designed to evaluate the tribological properties of thin hard films．Coefficient of friction f，wear volume Wv and wear rate Wr can be achieved with the tester．The mechanism is： analogy signal of friction is converted to computer or X-Y recorder input digital signal by load sensor(A-D conversion)， then the digital signal is compared with the calibrated results， finally the real friction is got．The calibration method is：apply the known load to sensor，measure the corresponding voltage and the Voltage U-Load F curve is obtained．The coefficient of friction f and wear track of TiN coating by multi-arc coating and amorphous carbon films by ion beam assisted deposition are measured by this machine．Finally, the drawbacks of the tester are analyzed．Key words：ball-on-disk wear tester；load sensor；AD convert；hard coating0目 錄摘 要 .Abstract第一章 緒論 .11.1 課題背景…………………………………………………………….11.2 摩擦磨損試驗機的發(fā)展趨勢……………………………………….1第二章 C301 B 柱外板工藝分析 .32.1 C301 B 柱外板簡介 32.2 C301 B 柱外板工藝分析 42. 2.1 C301 B 柱外板工藝流程 42. 2.2 輥壓工藝 .52. 2.3 C301 B 柱外板工藝分析 62. 3 本章小結 .9第三章 模具設計制造流程 .113. 1 獲得產品數(shù)模 .113. 2 彎曲展開方法 .113. 3 獲得輥壓件數(shù)模 .133. 4 確定切邊線 .143. 5 確定模具最初設計精度 .153. 6 模具零件設計 .163. 7 模具零件加工 .163. 8 模具裝配和調試 .183. 9 交付客戶 .193. 10 本章小結 .19第四章 切邊模具設計 .2014. 1 切邊工藝分析 .204. 2 建模 .214. 2.1 凹模的設計 .214. 2.2 凸模的設計 .234. 2.3 凸、凹模間隙的設計 .264. 2.4 沖裁力及彈簧的選定 .284. 2.5 壓料板的設計 .294. 2.6 導向裝置的設計 .304. 2.7 上、下模板的設計 .304. 2.8 導柱導套組件的選擇 .314. 3 壓力機的選擇 .324. 4 三維數(shù)模 334. 5 模具材料 334. 5.1 模具材料簡介 334. 5.2 模具材料性能 344. 5.3 模具材料熱處理 354. 6 CAD 制圖 .374. 6.1 切邊模裝配圖 374. 6.2 切邊模零件圖 414. 7 本章小結 .42第五章 成型模具設計 .435. 1 成型模具工藝分析 435. 2 建模 445. 2.1 凸模的設計 445. 2.2 斜楔的設計 455. 2.3 壓料板的設計 485. 2.4 限位柱的設計 485. 2.5 預彎力及彈簧的選定 4825. 2.6 凹模及側定位的設計 505. 2.7 上、下模板的設計 505. 2.8 導柱導套組件的選擇 515. 3 壓力機的選擇 515.4 三維數(shù)模 .525. 5 CAD 制圖 .525. 5.1 成型模裝配圖 525. 5.2 成型模零件圖 555. 6 本章小結 58結束語 .59參考文獻 .61致謝 .62附錄 1 開題報告 63附錄 2 參考文獻 71附錄 3 中文譯文 79附錄 4 外文文獻 97第二章 C301 B柱外板工藝分析3第一章 緒 論1.1 課題背景摩擦磨損時材料的三種主要失效形式之一，它所造成的經濟損失是十分巨大的。全世界大約有 1/3~1/2 的一次性能源消耗在摩擦磨損上。機械設備中零部件的摩擦磨損性能是由材料、工作狀態(tài)、接觸方式和環(huán)境條件等因素決定的。摩擦磨損試驗機是一種對材料及潤滑劑在給定的條件下進行摩擦與磨損性能試驗的試驗機。摩擦磨損試驗機有多種分類方式，例如載荷范圍、摩擦運動方式、摩擦副等。據(jù)統(tǒng)計大概有 200 多種，可以按不同方法進行分類。最具有代表性的是前蘇聯(lián)按模擬摩擦面的破壞形式將摩擦磨損試驗機分類。早期的摩擦磨損試驗機是通過純粹的機械搭建起來的機器。他通過電機帶動摩擦副往復運動來評定被測材料和油脂的特性。被測材料或油脂經過試驗機的磨損后需要人為的取出然后做進一步的稱重，表面紋理的觀測等，再經過手動計算測出材料的特性。這種實驗機僅僅能進行簡單的靜力加載，而且實驗溫度和電機扭矩等參量都沒有一個準確的標準，很難與實際情況相適應。因為多少材料在實際應用中的磨損所受的壓力都為變力。進入 90 年代后，摩擦磨損試驗機的構造逐漸完善，并且開始引入初級的測控系統(tǒng)。由于這些試驗機在檢測性能和自動化程度方面存在許多不足，有些試驗機只能實現(xiàn)單參數(shù)控制，且大量數(shù)據(jù)處理和運算結果需要由人工來完成，已經不適應時代發(fā)展的要求。近十年來隨著工程實際對材料性能的準確性要求越來越高，隨著現(xiàn)代自動化測試技術和虛擬儀器迅速發(fā)展，以及計算機技術在控制、測量和數(shù)據(jù)分析等方面的應用，因此摩擦磨損試驗機的測控系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展。目前應用的摩擦磨損試驗機已經實現(xiàn)的閉環(huán)自動化控制，可以按照給定程序自動進行連續(xù)的壓力加載，同時通過各種傳感器與調理電路直接及 CUP 的運算直接直觀的給出材料的各種性能，更加智能化。例如電磁加載、液壓加載等技術配合相應軟件的使用可以實現(xiàn)對樣品的恒力模式、線性增量模式等任意動態(tài)模式加載。動態(tài)加載技術的應用不但可以實現(xiàn)對復雜工況更真實的模擬，而且可以消除高速燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）4運轉下傳統(tǒng)機械加載帶來的誤差。目前有許多摩擦磨損試驗機利用 LabVIEW 平臺來進行開發(fā)。利用虛擬儀器開發(fā)平臺 LabVIEW 開發(fā)的多功能摩擦磨損試驗機智能測控系統(tǒng)以工控機為核心，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和試驗環(huán)境控制為一體，實現(xiàn)了溫度、速度、壓力、力矩和摩擦系數(shù)的實時檢測。利用 I abVIEW 內嵌的 C 語言子程序使系統(tǒng)具有靈活而又強大的數(shù)據(jù)處理能力。雖然目前摩擦磨損試驗機發(fā)展已經得到了很大發(fā)展，但是在某些領域仍然有待提高。例如在航空航天機械內部的摩擦是真空狀態(tài)極限溫度下的高負荷工作，如何能夠貼近于現(xiàn)實的模擬這類惡劣的工作環(huán)境進行摩擦磨損試驗仍然是一個難題。雖然目前國內對此也有一些特種摩擦磨損試驗機的問世，但這些目前還無法形成商用，而且處于摸索階段。1.2 摩擦磨損試驗機的發(fā)展趨勢筆者認為未來的摩擦磨損試驗機會向以下幾個方向發(fā)展：（1）使用高性能的機械系統(tǒng)和加載系統(tǒng)。高調速比、高穩(wěn)定性并可實現(xiàn)無級調速的變頻電機、伺服電機等高性能電機的使用將使試驗機的機械結構大大簡化，而且還能降低試驗機的摩擦損耗，提高整機的壽命和可靠性。高性能電機配合相應機械機構還能實現(xiàn)直線運動、旋轉運動、往復振動等多種運動方式。 （2）高精度測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應用。通過各種高精度傳感器和控制器，可實現(xiàn)多種信號實時原位動態(tài)采集，并可通過閉環(huán)反饋調節(jié)系統(tǒng)，動態(tài)設定摩擦試驗機的工作方式和運行參數(shù)。計算機工作站等將引入摩擦測試系統(tǒng)中，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動采集、處理，并可對摩擦系數(shù)、轉矩、速度、行程等關鍵參量自動數(shù)值計算，實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示、存儲和打印。 （3）試驗系統(tǒng)的多樣化。在未來發(fā)展的摩擦磨損試驗機中會出現(xiàn)多功能融合的實驗設備，即可以進行油脂的評定同時也可以進行材料的磨損試驗。第二章 C301 B柱外板工藝分析5第二章 C301 B 柱外板工藝分析2.1 C301 B 柱外板簡介A 柱B 柱C 柱燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）6圖 2- 1 奔騰 B 70圖2-1是一轎生產的奔騰 B 70轎車2009款，民族自主品牌。奔騰 B 70屬 B 級車類，系馬自達6血統(tǒng)。值得注意的是該車相當部分配置為 C 級車標配，于是可有買 B 級車，而坐享 C 級車。奔騰 B 70有很優(yōu)秀的性價比，競爭優(yōu)勢明顯，同時它也是政府指定采購的公務員乘用車?？梢钥闯?，一汽奔騰轎車有廣闊的發(fā)展前景。C301為其生產代號，圖中車窗框被標出的部分為 B 柱飾板，由外板和內板組成，可起到加強作用，內板立筋處設有密封橡膠條的卡位。多年的發(fā)展過程中，汽車強國的車身設計逐步形成各自的特點，而車門結構特征最能體現(xiàn)車身個性的差異，由于 B 柱飾板是車門窗框的重要部件，因此其設計和制造在轎車覆蓋件中也占有一席之地。B 柱外板為外觀件，屬汽車零配件中的 A 類件，表面質量要求較高。通過實習，我總結了 C 301 B 柱外板產品的多個特點，如下：Ⅰ、較高的表面質量；Ⅱ、較高的尺寸精度，能適應流水線裝配；Ⅲ、截面是形狀復雜的薄板類零件；Ⅳ、產品外形為流線型，為多角度多方向三維曲面；Ⅴ、曲率半徑較大，回彈現(xiàn)象明顯；Ⅵ、產品工藝復雜，生產需多次轉序；Ⅶ、要求重要的工裝設備有較強的通用性，能適應同系列新產品；Ⅷ、大批量高效生產。第二章 C301 B柱外板工藝分析7該類 B 柱隨門而動，除較高的表面要求還有一定的強度要求，這主要是通過復雜的截面形狀和增加加內板結構來實現(xiàn)；車窗密封性要求較高，其與密封橡膠條的裝配要求有很好的一致性，否則其密封性就不能保證。C301 B 柱飾板總成的數(shù)模如圖2-2 ：圖 2 - 2 C301 B 柱飾板總成2.2 C301 B 柱外板工藝分析2.2.1 C301 B 柱外板工藝流程：輥壓 → 滾點焊 → 輥彎 → 切斷 → 鋸切端頭 → 切尾部大邊 → 沖孔 → 切頭部大邊 → 翻邊90°→ 頭部整形 → 翻邊135° → 合板（成型包邊） 。外板的工藝流程中輥壓和輥彎是關鍵工藝，見圖2-3。2.2.2 輥壓工藝B柱飾板總成燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）8圖 2 - 3 輥壓和輥彎輥壓工藝是通過順序配置的多道次成型軋輥，把卷材、帶材等金屬板帶不斷進行橫向彎曲，從而制成特定斷面型材的工藝技術；輥彎成型法也是通過順序配置的多道次成型軋輥，使板帶進行縱向彎曲，從而能使工件形狀更加復雜。其生產工藝流程如下：開卷 → 對接 → 校平 → 輥式輥壓成型 → 校直 → (滾點焊) → 切斷 → 出料 → 碼垛。圖 2-3 是輥壓和輥彎的生產線，輥壓工藝繼承了軋鋼工藝的連續(xù)化和緊湊化生產的特點，因而呈現(xiàn)出節(jié)材、節(jié)能、高效等特點，是一種先進適用的板金屬成型工藝，該技術目前已經得到廣泛應用。我在車間實習已有半年的時日，然而在輥壓技術方面并沒有實質性進步，原因主要有兩個：一方面是該項技術確實是比較復雜的先進技術，而自己的業(yè)余時間十分有限；另一方面是國內外技術資料都比較匱乏，輥壓成型技術本身具有的特點和規(guī)律尚未被人們完全掌握和認識，生產現(xiàn)場的工程技術人員經常需要進行探索和利用試錯法解決工程問題，該工藝的過程控制等尚未上升為科學。可以說，輥壓成型工藝是一種“未掌握的藝術” ，這將是我今后工作中學習和研究的一個重點。本次畢業(yè)設計的課題內容僅為整套工藝流程中的沖壓工藝部分的幾道工序，因此輥壓工藝不再過多的討論。課題《C301 B 柱沖壓成型模具設計》直接拿輥壓而來的合格型材當做沖模設計的原始材料，幾套模具的設計過程僅壓縮在沖模設計的范疇內，不再談及輥壓工藝。輥壓得到的型材見圖 2- 4，由輥壓和輥彎而成，該曲面存在四個方向的彎曲，且每一部分彎曲還是變曲率的，曲面形狀尤為復雜。第二章 C301 B柱外板工藝分析9圖 2- 4 輥壓得到的型材2.2.3 C301 B 柱外板工藝分析曲面2.2.3.1 材料性能指標材料：SPCC(一 般 用 冷 軋 碳 鋼 薄 板 及 帶 )材料尺寸：厚度 0.8mm、切斷長度 740mm抗剪切強度：τb = 225MPa抗拉強度 ： σb = 320MPa屈服極限 ： σs = 190MPa2.2.3.2 C301 B 柱外板工藝分析從圖 2-5 B 柱飾板總成（其中綠色部分是 B 柱外板，棕色部分是 B 柱內板）中可以看出 B 柱外板由立筋和大面兩部分組成。立筋部分截面形狀較為復雜，輥壓件每件都需要切斷切齊，現(xiàn)有兩種有效的切斷方式：鋸切和沖切。鋸切可以保證立筋切斷的比較齊整，但是效率較低，而且鋸切大面容易變形；沖切的生產效率較高，但是立筋切斷處有塌陷等變形現(xiàn)象，切斷質量比不上鋸切。經過對比決定尾部切立筋采用沖切的方式，頭部切斷采用鋸切的形式（B 柱外板頭部需要與上框部分對接焊合在一起，不允許立筋切斷處有塌陷變形） 。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）10圖 2- 5 B 柱飾板總成大面部分由于是單層，沖裁切斷容易實現(xiàn)，需要注意的是在沖切過程中要保證大面不變形，采取有效措施減小應力退化造成的影響。圖 2- 6 C301 B 柱飾板截面圖 2- 6 為 C301 B 柱飾板的截面圖，內外板大面包合在一起。因此需要將外板邊緣翻過 180°才能實現(xiàn)。從圖 2- 7 可以看出，由于圓角和拐角的存在，外板邊緣翻過 180°不是簡單翻邊。實際生產是由翻邊 90°→ 頭部整形 → 翻邊 135°→ 合板 這四道序實現(xiàn)，課題《C301 B 柱沖壓成型模具設計》中通過引入一個巧妙的斜楔機構，把后三道序整合到一起，三序合一，一步到位。圖 2- 7 B 柱飾板尾部包邊和頭部包邊第二章 C301 B柱外板工藝分析11根據(jù)外板成型的工藝特性和零件的幾道基本工序，擬定兩套工藝方案：方案一：Ⅰ、鋸切端頭Ⅱ、切尾部大邊Ⅲ、沖孔Ⅳ、切頭部大邊Ⅴ、翻邊 90°Ⅵ、頭部整形Ⅶ、翻邊 135°Ⅷ、合板（成型包邊）方案二：Ⅰ、尾部切邊Ⅱ、沖孔Ⅲ、切頭部大邊Ⅳ、翻邊 90°Ⅴ、合板（成型包邊）方案一是現(xiàn)場使用的生產工藝，本次設計采用方案二 2.2.3.3 模具結構形式綜合 C301 B 柱外板的表面質量、尺寸精度、生產率、經濟效益以及成型工藝性等因素，所涉及到的模具均是比較簡單的沖模，由于簡單模有制造和裝配比較簡單，調試周期短，而且容易調試等諸多優(yōu)點，所以幾套模具采用簡單模結構形式。雖然最后一道使用的成型模具加有斜楔機構，工作時由兩部分動作組成，檔也基本比較簡單，可以劃歸到復合模一類。2.3 本章小結輥壓工藝是一項涉及多學科的比較復雜的先進成型技術，可以看出，輥壓工藝的一個重要發(fā)展方向是精度要求越來越高、型材截面越來越復雜。近些年，國內輥壓成型技術取得了重大進步，已能夠滿足越來越多行業(yè)的新產品的需求。汽車行業(yè)是輥壓成型工藝重要的應用領域，轎車門窗框的成型不但截面復雜，而且精度要求高。隨著國內汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，新車推出速度也越來越快，這給輥壓成型工藝帶來前所未有的發(fā)展機遇。然燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）12而，由于輥壓工藝仍未被完全掌握，其推出速度趕不上同步車型的推出速度，這個瓶頸是挑戰(zhàn)，更是機遇。誰先取得突破，占領制高點，同時快速降低成本，那么他必將成為行業(yè)的領跑者。目前國內的輥壓成型技術雖然取得了重要進步，但與德國和日本仍有不小的差距，仍處于摸索學習階段。通過考察和學習，可以發(fā)現(xiàn)雖然傳統(tǒng)的輥壓成型工藝可以生產出大批量的不變截面的產品，但是隨著市場競爭的加劇，以及節(jié)能環(huán)保的要求，需要產品能適應更多的變化，即靈活可變的柔性（目前基本上是一個口型一條生產線） 。因此，柔性輥彎成型技術已成為一個重要的發(fā)展方向。據(jù)調查，國內輥壓技術處于領先地位的企業(yè)有：敏孚集團、凌云集團，以及后起之秀方華埃西姆機械有限公司。冷沖壓是一種先進的金屬加工方法，建立在金屬塑性變形的基礎上，利用模具和沖壓設備對板料金屬進行加工，獲得所需的零件形狀和尺寸。與切削加工比較，具有生產率高、加工成本低、材料利用率高、產品尺寸精度穩(wěn)定、操作簡單、易實現(xiàn)機械化和自動化等一系列優(yōu)點，特別適合大量生產。因此，沖壓已成為大批量零件成型生產實用工藝之一。在沖壓生產過程中, 模具易出現(xiàn)的種種問題，如模具本身結構設計的缺陷、不能適應大批量高強度生產、模具質量缺陷造成的損壞等，它是整個沖壓生產要素中最重要的因素，直接影響到生產效率和成本，影響到產品的交貨周期等。談到本次課題《C301 B 柱沖壓成型模具設計》中所設計的兩套模具，由于是牛刀初試，還存在不少問題。問題主要集中在四方面：Ⅰ、模具的一些零部件的尺寸大小、布置位置不是最優(yōu)，這些問題在切斷模中最為明顯；第二套模具的設計建立在第一套基礎之上，在上述方面有所改善。Ⅱ、螺孔位置及銷孔位置布局不是最優(yōu)，而且設計時選用的螺栓和銷釘?shù)囊恢滦员容^差，這給加工和模具裝配帶來不少麻煩，日后應該注意。Ⅲ、兩套模具絕對坐標系的選擇我覺得不是最優(yōu)。Ⅳ、零件圖的技術要求哪些該標，哪些不該標，還得要更多的結合生產實際。第二章 C301 B柱外板工藝分析13問題不僅僅是這些，相信隨著工作經驗的積累，會解決更多的問題，也會發(fā)現(xiàn)更多的問題。設計兩套模具之后，發(fā)現(xiàn)自己以前對模具的了解只是在字面上，憑感覺、憑想象。收獲是有的，在工藝和結構分析方面，自己已稍微理出點眉目，在大家的幫助和自己的努力下，相信會在短的時間里學習更多的知識。工藝基本上是學習現(xiàn)有的工藝，重要的是能在現(xiàn)有的工藝的基礎上進行優(yōu)化改進，這樣起點高，進步快。設計時，首先解決的是設計軟件的障礙（UG7.0 和 MDT 2005）,接下來遇到的最大問題是模具結構的合理性和零部件的加工工藝性，這些與模具質量的好壞直接相關，也關聯(lián)著模具的成本。在確定工藝方案的同時，我了解到模具的生產加工正向規(guī)模化，連續(xù)化發(fā)展，因此很有必要對模具零部件的加工工藝性及生產成本進行深入學習。確定了工藝方案后，更多的考慮零部件的加工工藝性、互換維修性、零部件使用壽命和加工成本。比如，第一套切斷模就要求其刃口能夠進行多修復，以保證工件的有效性，同時可以提高模的使用壽命。第二套模具將三模合一，提高生產效率的同時還大大降低了模具成本，模具設計要盡量多的使用標準件。經驗來自于實踐，經驗來自于生產。一個好的設計是建立在殷實的實踐經驗的基礎上的；一個好的設計一定充分考慮了操作的便捷性，能夠極大的改善工人師傅的生產環(huán)境，降低其勞動強度，一定會受到歡迎；一個好的設計會是一個環(huán)保的設計，互換性強。設計一套好用的模具會涉及多方面內容，而千里之行始于足下，隨著自己工作經驗的累計，就不怕自己設計不出好用的模具。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）14第三章 模具設計制造流程3.1 獲得產品數(shù)模目前國內的汽車車身開發(fā)設計由主機廠完成，大型覆蓋件（三蓋兩翼）由自己生產，部分小件采取外委生產的方式。秦皇島威卡威金屬制品有限公司就是汽車零部件供應鏈中的廠商之一，主要是生產車窗門框，車窗門框是使用模具進行生產的。公司取得產品生產資格后，主機廠將解凍的數(shù)模發(fā)給供應商，供應商對產品的生產工藝性進行分析，對數(shù)模中不完美之處向主機廠提出修改意見，經過反復修改，最后將數(shù)模確定下來。數(shù)模確定之后，對數(shù)模進行工藝分析，確定最優(yōu)的工藝方案，這項工作由模具設計部門承擔。B 柱外板數(shù)模如圖 3-1。3.2 彎曲展開方法該類 B 柱產品的第一道工序是輥壓，輥壓數(shù)模是將 B 柱數(shù)模展開獲得的。展開方法取決于要成型的斷面，我總結了幾種數(shù)模展開的方法：方法一：定中性線長度展開用這種方法，中性線計算長度在整個成型過程中保持恒定，內半徑隨彎曲的不斷展開而不斷變化，在計算過程中要考慮材料的應變，但是在展開過程中沒有考慮長度補償，所以回彈較大，適用于彎曲直線實體。如圖3-2 為定中性線長度展開原理圖。圖 3-1 C301 B 柱外板數(shù)模第三章 模具設計制造流程15圖 3 -2 定中性線長度展開方法二：定半徑展開該展開方法使用一恒定的半徑，在展開過程中考慮長度補償，長度補償取決于計算的中性線，還需考慮材料應變，長度補償有內側補償和外側補償兩種。如果彎曲的相鄰實體也要彎曲時，不能應用這種方法。圖 3-3為兩種定半徑展開方法。內側補償 0℅，外側補償 100℅ 內側補償 100℅，外側補償 0℅圖 3 -3 定半徑展開方法三：軌跡展開法這種方法是定半徑法的一個延伸，在整個成型過程中半徑保持不變，與定半徑法不同的是在展開過程中，長度補償不定，而是通過在內邊腿和外邊退的恒定交叉點中計算出結果。這種方法只有彎曲角居于 1°~90°之間時才可使用。如圖 3- 4 所示。由于定中性線長度法不需要計算長度補償，易于操作，且準確性可以滿足B 柱類產品輥壓件的要求，本次課題采用的就是這種方法。圖 3-4 軌跡展開法燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）163.3 獲得輥壓件數(shù)模應用定中性線長度展開法獲得輥壓件，首先是要計算出中性線的長度。在板料彎曲時，外層纖維受拉，內層纖維受壓，在拉伸與壓縮之間存在著一個既不伸長、也不壓縮的纖維層，即為應變中性層。應變中性層與橫截面的交線這里稱之為中性線。用圖 3- 5 的方法可以得到輥壓件的橫截面，且認為中性層位置通過板料橫截面中心，該 B 柱外板的料厚為 0.8mm，于是可以確定中性線的位置。這里中性線的位置與真實中性線位置略有差異，因為隨著彎曲變形程度不斷增加，應變中性層位置逐步向內移動，且變形量愈大，中性層的內移量也愈大，即應變中性層向內移動。由于應變中性層向內移動量很小，本次課題《C301 B 柱沖壓成型模具設計》在數(shù)模展開式將其忽略，這同樣可以滿足工藝要求。輥壓橫截面和中性線如圖 3-6 所示：獲得中性線后，使用 UG7.0 長度測量工具可以很容易測量中性線長度?？蓪?B 柱外板的外側線自然延伸所得的中性線長度，這樣可以得到彎曲件展開后的一條截面線。如圖 3- 7 所示：圖 3 - 5圖 3-6 橫截面中性線圖 3-7 輥壓件截面線第三章 模具設計制造流程17C301 B 柱外板使用傳統(tǒng)的輥壓線生產，該傳統(tǒng)工藝有一個特點，在輥壓件大面外邊緣有一個 5mm 左右的工藝邊。如圖 3-8 標出部分即為工藝邊。該工藝邊的存在可以有效的控制大面的回彈、剪斷后的應力退化等問題，可以提高產品的穩(wěn)定性，降低輥壓線調試難度。后續(xù)的沖壓過程中，該工藝邊將作為廢料被切掉，造成極大的原材料的浪費。低碳和綠色生產已成為機械制造業(yè)的一大發(fā)展趨勢，通過技術改進，該工藝邊是完全可以去掉的，目前方華埃西姆機械有限公司已掌握該項技術，并已將多條新生產線交與客戶，給客戶和社會等待來了可觀的經濟效益。用創(chuàng)建截面的方法可以找到可以找到數(shù)模的最大橫截面，確定該橫截面的輥壓件截面線之后，在截面線外邊緣加上 5mm 長的工藝邊線，角度為45°，使用 UG7.0 中沿脊線掃略命令，可得輥壓件。見圖 2- 4。3.4 確定切邊線工件的工藝分析詳見 2.2.3.2 C301 B 柱外板工藝分析，這里不再過多的論述。工藝方案確定后，需要確定切斷的刃口型線。在數(shù)模上取不同的截面，使用上述定中性線長度展開法，獲得中性線長度后，將 B 柱外板的外側線自然延伸所得的中性線長度，得到彎曲件展開后的多條截面線，最后將展開線相連，略作過度修理，可得切邊線。如圖 3- 9 所示。圖 3-8 C301 B 柱外板輥壓件工藝邊燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）18外板的頂端拐角和頂部拐角處的彎曲不是簡單的直線彎曲，如圖 3-10。在展開時，需在這些區(qū)域多設置一些截面，多生成一些截面線段，可使這兩個區(qū)域的切邊線準確一些。頂端圓角處包邊的工藝調件比較差，除數(shù)模中已考慮的降低包邊高度外，還可以在局部區(qū)域降低包邊高度。3.5 確定模具最初設計及精度根據(jù)產品要求和產品性能，確定模具設計時的要求、公差和要關注的問題等?？梢愿鶕?jù)類似產品的生產經驗，在充分考慮模具零部件的加工工藝性的基礎上，進行模具最初的設計?？梢哉f，到目前階段模具設計工程師腦海里已經有了初步構想，模具零部件長什么樣子應該有了一個初步的輪廓了。在進行模具設計之前，我參考了幾套類似產品使用的模具，在此基礎上提出了一些改進意見。后來考慮到實際生產的需要，覺得一些改進恐怕經受不住批量生產的考驗，遂將其舍棄，只在一些定位方式和定位器結構等非關鍵零部件做了些改進，凸凹模、壓料板等重要零部件結構，基本上是參考實際生產現(xiàn)場的模具，沒有做根本性的改進?？紤]到工件的精度要求，需在模具中加上導向機構，部分位置需設計定位鍵、定位銷等定位零圖 3-9 切邊線圖 3-10第三章 模具設計制造流程19部件，在第四章模具另不件設計中會詳細論述，這里不再過多討論。3.6 模具零件設計模具零件設計是模具設計的主體工作，是設計的關鍵步驟。模具零件設計合理與否直接關系到最終模具產品的質量和成本。模具零件的設計靈感主要來自實踐，只有模具工程師知道自己設計的零件能不能用、好不好用，才可能設計出合理的零件。結構合理的零件才能裝配出一套好用、耐用的模具。先進的設計技術目前在日本、美國、德國和新加坡等模具制造技術先進的國家一推廣使用。如日本的設計制造部門幾乎都采用 CAD/CAE/CAM 技術，進行動作仿真分析，DNC 直接數(shù)字控制加工等先進技術。明顯縮短交貨期、降低制造成本、提高模具制造質量和精度。目前，方華埃西姆機械有限公司已應用 CAD/CAM 技術，采用三維造型設計和 CNC 機床相結合的一體化制造技術，并建立了專門的二維和三維設計部門，有很強的自主設計能力。但公司的 CAD/CAM 應用只局限在通用商品軟件的功能上，在軟件二次開發(fā)方面還有待提高，根據(jù)自己產品的特點及設計經驗、標準件進行二次開發(fā)，轉化為專用的模具 CAD 軟件。目前，由于 CAE 軟件的價格較高、對操作者的技術水平要求高，在模具設計中仍以人的經驗為主，往往是通過反復試模和修模來完成。期待國內模具企業(yè)加快技術革新步伐，制造出高水平的模具。由于模具設計制造過程中于上游模具材料供應、熱處理、鍛件供應、模具標準件以及下游模具加工零件和產品關聯(lián)密切，而且眾多模具企業(yè)是模具與產品兼有，因此模具設計過程要充分考慮上下游相關性，在允許的條件下盡可能多的使用標準件，可以有效地降低生產加工成本，更能縮短產品的設計周期。3.7 模具零件加工高水平的模具技術涉及模具材料、制造技術、設計技術、管理技術、標準化技術等多個層面。模具制造技術關鍵在于設備和技術的運用，如高速加工中心、慢走絲線切割機床、高速銑床、真空淬火爐和三坐標測量儀燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）20等裝備，如圖 3-11。先進的準備和制造技術能顯著提升加工質量，是制造高水平模具的基礎，同時也可以有效縮短制模周期。不同裝備的制造水平有明顯差異，加工報價也相差甚遠。如：三軸加工中心工本費平均為 100 元/小時，五軸加工中心工本費平均為 200 元/ 小時，在能用三軸的情況下，優(yōu)先選擇三軸加工中心加工，以最大程度控制模具加工成本。要知道，高水品低成本的模具才會更有競爭力優(yōu)勢。模具材料及熱處理和表面處理對提高模具壽命起到非常重要的作用，模具表面的質量對模具使用壽命、外觀質量等均有較大影響。模具進口材料質量穩(wěn)定、材料金相組織均勻、價格是國產材料的 2~ 4 倍，可根據(jù)客戶要求合理選擇。在沖裁過程中，由于凸模楔入材料，是磨損比較嚴重的零件，硬度應該大一些，一般為 HRC60~62，可以提高模具壽命。圖 3-11 五軸加工中心、高速銑床、慢走絲線切割機床、三坐標測量儀圖 3-12 真空淬火爐第三章 模具設計制造流程21模具零部件也普遍采用真空淬火技術，圖 3-12 是真空淬火爐。3.8 模具裝配和調試裝配是模具生產中的關鍵工序。沖模的裝配質量直接影響制件的質量、沖模的技術狀態(tài)和使用壽命。沖模的裝配工作主要包括兩方面：Ⅰ、將每個加工好的零件按圖紙技術要求裝配成組合件及總裝配；Ⅱ、在裝配過程中，有一些加工工作。比如，銷孔的配置加工。比如本次課題《C301 B 柱沖壓成型模具設計》中的切斷模，要求保證凸凹模間隙，保證導向機構的導向精度，以及保證各相關運動件能夠按照模具設計的技術參數(shù)嚴格進行。這是保證模具調試成功及生產能夠順利進行的保障，也是確保模具壽命的重要因素。如圖 3-13 是模具裝配生產現(xiàn)場。最近幾年，隨著生產的發(fā)展，用戶對易損壞零件提出了互換要求，以便于與用戶在生產現(xiàn)場對模具損壞零件迅速更換。模具裝配完成后，為了保證能沖出合格的零件，而且能安全穩(wěn)定的投入生產，必須要經過試沖和調整，才能投入使用。在試模前，要嚴格按照設計的技術參數(shù)選擇壓力機型號，這關系到沖壓件精度和模具壽命。為了圖 3-13 模具裝配生產現(xiàn)場燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）22保護模具，在第一次調試時，最好使用比原材料軟一些的料進行試沖。為了充分保護凸、凹模，對于沖裁模凸模刃口進入凹模刃口的深度的合理范圍最好調整為一個料厚。這樣可以使模具在沖壓時的沖裁力和磨損程度最小，會提高模具壽命。3.9 交付客戶按照合同規(guī)定的標示及涂裝要求包裝好模具，最后選擇合理的運輸方式，在合同規(guī)定的交貨日期內，把模具工裝和相關技術文件交付客戶。待客戶驗收合格并付款之后，該模具項目就告一段落。3.10 本章小結模具設計與制造是一項技術性和經驗性都很強的工作，雖然國內模具工業(yè)發(fā)展迅速，但是綜合研發(fā)能力仍不足。目前，模具正向高精度、高速度、長壽命、復雜、大型、一體化和高性能等諸多方面發(fā)展。這要求我們要迫切的提高模具設計制造水平，在提高模具技術含量的同時，更要優(yōu)化模具設計制造流程，使模具制造周期不斷縮短。第三章 模具設計制造流程23第四章 切邊模具設計4.1 切邊工藝分析切邊工藝屬于沖裁類，B 柱外板的立筋截面復雜，切邊時應采取有效的措施，減小立筋切斷處的塌陷變形。B 柱外板大面的沖裁比較簡單，需要保證在沖裁過程中大面不變形即可。圖 4 -1 是輥壓件的圖片?？梢钥闯觯亯杭⒔畈粌H截面復雜，而且立筋高出大面 35mm。在保證立筋上部不產生較大的塌陷的前提下，這樣的高度差非常不利于一次性將二者完美的切下，需要巧妙的設計凸凹模的形狀。在上文 2.2.3.2 的章節(jié)中，已對 C301 B 柱外板工藝進行了比較詳細的分析，不再過多論述。經過分析后，認為立筋和大面在一套模具中一次性切下是可行的，而且明顯比傳統(tǒng)生產工藝的生產效率要高。最后確定模具的切邊線如圖 4-3，上圖 4-2 為切邊之后的工件。圖 4- 3 切斷模的切斷刃口線圖 4-1 圖 4 - 2燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）244.2 建模使用軟件：UG7.0方法：使用 B 柱外板數(shù)模進行建模優(yōu)點：不用區(qū)分復雜型面，可準確簡易直觀使用產品數(shù)模進行建模設計，降低了設計難度；同時該軟件可以直接對數(shù)模進行編程，然后轉至CNC 進行數(shù)控加工，產品加工精度高，而且大大縮短產品的設計制造周期。4.2.1 凹模的設計由于立筋和大面有 35mm 的高度差，遂決定把凹模設計成分體結構，如圖 4-4 這樣即可以便于加工，也可便于維修調整。通過分析，設計凹模時需注意以下方面：Ⅰ、凹模位置可以進行微調。在模具裝配以及試模過程中，凸、凹模間隙需要微調，通過微調凹模位置可以實現(xiàn)。另外，在大批量生產環(huán)境下，模具使用一段時間之后，凹模刃口會出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。凹模刃口經過修配之后，重新安裝凹模時，其位圖 4-4 分體結構凹模