108 筆記本電腦殼上殼沖壓模設計,筆記本,腦殼,沖壓,設計
提高板材成形效率的坐標網分析法J.H. Yoon, H. Huh.機械工程學院，韓國高級科學協(xié)會和技術科學鎮(zhèn)Daejeon 305-701,南韓摘要本篇文章是采用一種新推出的方法來對提高板材的成形效率進行分析,這種方法就是坐標網分析法。這種方法就是研究扭曲單體，即通過適當?shù)难芯恳?guī)范，建立補片，包括修正后的單體。每一片都被擴展到一個三維的表面從而獲得一個連續(xù)坐標的信息。在構造表面時，應包括每一個片，NURBS(非均勻有理 B樣條) 表面被用來描述一個三維自由表面。以被構造表面為基礎，每一個節(jié)點一般被安排成一個非常接近正方形的單體元素。計算狀態(tài)函數(shù)是從它原始的網格系統(tǒng)映射到新的網格之內，從而對成形進行下一階段的分析或更進一步的分析。按網格方法的分析結果與沒有坐標網方法直接成行的分析結果相比較來確定哪一種方法是更有效的。? 2003 Elsevier B.V. 版權所有.關鍵詞：坐標網；變形單體；NURBS；有限元分析1. 概述隨著計算機技術和數(shù)字技術的結合和快速發(fā)展，用數(shù)字模擬進行板材成形加工達到空前的繁榮。數(shù)字分析對復雜幾何圖形的板材成形和多級成形都可以做到。對于一個復雜的幾何模型來說，盡管局部嚴重變形將會導致計算時間的增加和數(shù)據分析的減少。從而使分析結果更加不準確。幾何網格的扭曲和嚴重變形對板材成形的質量有很大影響,特別是對于多級成形。當上一級成形的分析結果用于下一級成形分析時，幾何網格的扭曲和變形對分析結果影響更大。這種被扭曲網格的錯誤表象可以通過整體的或自適應重嚙合技術的網格系統(tǒng)的重建來避免。在模擬期間，減少單體扭曲，自適應重嚙合技術被認為是一種有效的方法。但是，它仍然需要大量的計算，并且在單體的細分中也受到限制。要構造一個網格系統(tǒng)的有效方法已經被許多研究人員提上日程。典型的方法可能是下面幾種：r-方法，h-方法，p-方法。r-方法就是在網格系統(tǒng)的總的自由度不變的情況下，節(jié)點被完全重排；h-方法就是在元素單體具有相同的自由度的情況下讓網格的數(shù)目增加；p-方法就是通過網格系統(tǒng)的整體自由度的增加來提高分析的準確性。Sluiter 和Hansen[文獻4]和Talbert 和 Parkinson[文獻5]構造了一個晶格分析范圍，它像一個連續(xù)的環(huán)，而且是從主要環(huán)中分離出的子環(huán)元素。Lo[文獻 6]在整個晶格范圍內構造了一個三角形元，并且通過合并鄰近的三角形元而構造矩形元素。本篇文章中的坐標網方法是一種新推出的方法,它旨在用有限元分析提高板材成形效率。坐標網法根據一些規(guī)范可以自動地找出變形單體，并對這些片進行修正。然后，每一片都被擴展到一個三維表面用來獲得在三維表面的連續(xù)坐標系的信息。這個包含了每一片的表面用來作為使用了NURBS的三維自由表面來描述。以被構造表面為基礎，每一個節(jié)點都被徹底改變，用來組成一個正方形的規(guī)則單體。狀態(tài)函數(shù)的計算是從它原始幾何網格映射到新的網格之內，從而進行下一階段的成形分析。從得到的數(shù)據結果中證實使用坐標網方法的效率和結果的準確性。這也證實了此種方法在板材構件碰撞分析的成形模擬中的有效性。2. 體的規(guī)則化之所以要介紹對變形體的修正使之成為一個規(guī)則化過程，是為了提高變形體在下一個有限元計算中的分析效率。在規(guī)則化過程中，變形體根據適當?shù)乃阉饕?guī)范有選擇的分配到各片。這些片通過分析NURBS在連續(xù)坐標系的三維表面上的全部數(shù)據而擴展到一個三維表面。變形后的每個節(jié)點為了得到一個新坐標將被調整為一個近似正方形的規(guī)則單體。2.1 網格變形標準變形有兩種幾何標準可供選擇：一是內角；另一個是單體縱橫比。2.1.1 內角從有限元計算中得到矩形元素的內角應是接近直角的。Zhu et al. [文獻7]給了這種元素一個合理的定義，就是當四個內角都是在 90 ±45 的范圍內時。同時Lo和 Lee[文獻8]也提出了相同情況下的內角，角度在90 ±52.5范圍內。內角的網孔變形是由式（1）的構成所決定的。當式 (1).小于π/3 或 (δθi)max 在式(3) [9]中大于π/6 網孔被認為是變形的。這個標準之所以相當嚴格是為了避免萬一在限制區(qū)域應用規(guī)則化方法受到幾何圖形的限制：2.1.2 單體縱橫比四條邊具有相同長度的理想單體的縱橫比應該是一致的?？v橫比被定義如式（4） ，并且當變形小于5即比嚴格標準少很多時，它也被定義：此處r ij表示單體邊長。2.2.作圖范圍2.2.1 片的設計通過網格變形標準所選擇的變形單體，根據它們在幾何成形時外形的復雜程度被分不到各個不同的區(qū)域。這些單體被分配到各片，并用來構造算法效率。這些片的形狀被拼湊成矩形，包括所有變形體，目的是擴大規(guī)則化和NURBS表面在下一部分說明中的應用。這個過程如圖1所示，當孔和邊緣被設置在變形體中時，這些區(qū)域被填滿，從而得到矩形片。然后，這些片利用NURBS表面映射到一個三維自由表面。這個過程對于在三維表面上獲得連續(xù)坐標的全部信息是非常重要的。NURBS表面在使用較少的數(shù)據點和由于局部改變而不改變這個區(qū)域的數(shù)據的情況下快速的描述這個復雜的形狀。2.2.2 NURBS表面NURBS表面通常通過如式(5) 來表述，像p-向量在u- 方向中和q-向量在v-方向中[10]:此處P i,j是控制點如u- ， q- 方向。W i,j是加權因子， 是基礎函數(shù)通過式(6)來表達：為了把這些點映射到構造的表面上，一系列連續(xù)的點在NURBS表面創(chuàng)建了。每一個用規(guī)則化方法移動過的節(jié)點都被定位，以至于在NURBS表面上定位點在兩節(jié)點之間有最小距離。這些移動過的連續(xù)節(jié)點的信息都被存儲，用來構造一個新的網格系統(tǒng)。2.3 規(guī)則化過程規(guī)則化方法與形成矩形片單體一起完成的。規(guī)則化的有限元通過圖2所示次序被依次選擇。每一個被選擇的單體都被分成兩個三角形元，并且這些三角形元通過圓心的重定位都由直角三角形元組成，圓的直徑如式(7)和圖3所示，從X1到X 2。當這個過程結束的時候，相同的過程在另一方向被重復：通過規(guī)則化方法對節(jié)點的重定位，其最終位置被在NURBS表面上的點的位置所代替。當規(guī)則化過程完成后，為產生粗糙的區(qū)域，一個簡單的緩和的過程通過式（8）被執(zhí)行：此處P N是新節(jié)點的坐標，A i 臨近區(qū)域的元素的坐標，Ci 臨近元素的質心。2.4 變形程度作為一個變形因子，變形程度(LD)是最新提出的 ，LD可能是用來評估單體在質量方面改進的程度：此處LD在0 和1之間浮動；當LD=1 時，單體是一個方形的理想單體，當LD=0 時，四邊形元變成了三角形元。 時單體的四個內角，因此A 是內角因子，B 是單體側面長寬比的因子并且為了使LD對B的變化不那么敏感，B被定義為雙曲線正切函數(shù)。例如，當單體側面合理的長寬比是1：4時，B的值可以通過 和來調整，使函數(shù)B的斜率圍繞著B ’=0.25急劇變化。結果，當 的長寬比小于0.25時，LD的值急劇增加，當 大于0.25時，LD 的值增加緩慢。這種方法可以調節(jié)內角和長寬比使它們在LD上有相同的效果。2.5 狀態(tài)函數(shù)的映射當坐標網系統(tǒng)用于下一步的成形分析或結構分析的計算時，狀態(tài)函數(shù)的映射就是非常必要的，通過映射，可以在考慮上一步成型過程的前提下得到更準確的分析。映射過程就是通過狀態(tài)函數(shù)的計算把原來的網格系統(tǒng)映射到新的坐標網系統(tǒng)。如圖4所示，一個球面在一個新節(jié)點周圍建立，將導致球面上節(jié)點的狀態(tài)函數(shù)影響新節(jié)點的狀態(tài)函數(shù)。新節(jié)點的狀態(tài)函數(shù)是由球面上原來節(jié)點的狀態(tài)函數(shù)所決定的，如式(12)所示，加權因子在兩節(jié)點的距離上成反比。此處V j是原始網格系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)的計算結果，r j使新節(jié)點到附近節(jié)點的距離。3.數(shù)例3.1.1 油盤的成形分析油盤在沖壓車間一般要經過兩個工序制作，而根據現(xiàn)在這種方法，單工序沖壓就可以完成。如圖5所示的凸模和模架。不論什么時候有限元系統(tǒng)需要提高計算效率，規(guī)則化方法都可應用于其中。在這個范例中，這種方法應用于油盤成形分析中的兩次成形間隙，如圖6所示。圖7說明了規(guī)則化方法的過程。圖7（a）所示為成形時凸模行程為60%時的變形，有3個地方發(fā)生了網格變形，也就是片的數(shù)量是3。變形網格是根據2個網格變形的幾何規(guī)范來選取的。如圖7所示的包括所有變形體的矩形片的形成。最終補片中的單體被規(guī)則化，如圖7（c）所示。為了評價應用規(guī)則化系統(tǒng)后的單體質量的改進程度，應用規(guī)則化網格系統(tǒng)的LD值與原始網格系統(tǒng)的值相比較，結果如圖8所示應用了規(guī)則化系統(tǒng)的LD值在整個單體上均勻分布，而應用了一般網格系統(tǒng)的LD值則在很大范圍內變化。這 就意味著在相同的變形程度下，應用規(guī)則化網格系統(tǒng)其質量提高了。結果如圖9 所示，應用了規(guī)則化網格系統(tǒng)的有限元計算明顯領先于直接分析的。在油盤成形分析中，應用規(guī)則化網格系統(tǒng)可使計算時間減少了大約12%甚至減少了2倍，計算時間的減少量可能會隨著更頻繁的規(guī)則化調整而增加。3.2 構件主視圖的斷裂分析碰撞分析通常是在不考慮成形結果的情況下采用網格系統(tǒng)完成的成形分析。如果考慮成形結果，即考慮分析結果的準確性和可靠性，那么用于成形分析的網格系統(tǒng)可能會直接應用于碰撞分析來分析其效率。成形分析后，在沒有重組合的情況下直接進行碰撞分析從而導致網格系統(tǒng)有很多網格發(fā)生了嚴重的扭曲和變形。一種補救的方法就是創(chuàng)建一個新的網格系統(tǒng)，另一種方法就是成形分析之后修正網格系統(tǒng)。如果重組合過程能夠成功應用，應用后一種方法將非常有效。作為一種有效的重組合過程，規(guī)則化方法可以把變形網格轉換成一個新的正方形中去。本例中，構件主板部分被命名為強化板，如圖10所示，它被選擇來進行碰撞分析。在成形分析后的構件的局部變形區(qū)域，不規(guī)則的有限元通過如圖11所示的規(guī)則化方法修正成規(guī)則的單體，這個坐標網系統(tǒng)就用在碰撞分析中，如圖12所示。使用坐標網系統(tǒng)的碰撞分析可以在不影響分析結果準確性的前提下通過選擇更大的時間間隔完成，如圖13所示。和原來的網格系統(tǒng)的計算時間比較，碰撞分析的時間減少了40%，分析結果在所用時間和計算結果的準確性方面都是較好的，并且還證明了坐標網系統(tǒng)可以有效的提高數(shù)字分析效率。4 結論坐標網方法是一種新推出的用來提高有限元分析板材成形性能的方法。在板材成形分析中的網格變形如此嚴重，導致后來的分析困難或得到的結果不準確，但是現(xiàn)行的這種坐標網分析法對于重組合又最小作用，還可以避免上述情況。在逐漸增加的分析中或多級成形的下一級分析中，坐標網格可以完成。從板材成形模擬中可以獲得成形構件的斷裂分析，當坐標網可以完成這些時，它也證明了使用坐標網分析性能得到很大提高。數(shù)字結果既證實了用坐標網分析法的有效性和效率性又證明了結果的準確性。參考文獻：[1] A.R. Diaz, N. Kikuchi, J.E. Taylor, A method of grid optimization for finite element methods, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 41 (1983) 29–45.[2] B.A. Szavo, Mesh design for the p-version of the finite element method, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 55 (1986) 181–197.[3] P. Diez, A. Huerta, A unified approach to remeshing strategies for finite element h-adaptivity, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 176 (1999) 215–229.[4] M.L.C. Sluiter, D.C. Hansen, A general purpose two-dimensional mesh generator for shell and solid finite elements, in: Computer in Engineering, vol. 3, ASME, 1982, pp. 29–34.[5] J.A. Talbert, A.R. Parkinson, Development of an automatic, twodimensional finite element mesh generator using quadrilateral elements and Bezier curve boundary definition, Int. J. Numer. Meth Eng. 29 (1990) 1551–1567.[6] S.H. Lo, Generating quadrilateral elements on plane and over curved surfaces, Comput. Struct. 31 (1989) 421–426.[7] J.Z. Zhu, O.C. Zienkiewicz, E. Hinton, J. Wu, A new approach to the development of automatic quadrilateral mesh generation, Int. J. Numer. Meth. Eng. 32 (1991) 849–866.[8] S.H. Lo, C.K. Lee, On using meshes of mixed element types in adaptive finite element analysis, Finite Elem. Anal. Des. 11 (1992) 307–336.[9] A. El-Hamalawi, A simple and effective element distortion factor, Comput. Struct. 75 (2000) 507–513.[10] L. Piegl, W. Tiller, The NURBS Book, 2nd ed., Springer, New York, 1997.HUNAN UNIVERSITY畢 業(yè) 設 計 (論 文 )設 計 （ 論 文 ） 題 目 鎂 合 金 筆 記 本 電 腦 外 殼 沖 壓模 具 設 計 學 生 姓 名 薄 鳳 俠 專 業(yè) 班 級 材 料 成 型 與 控 制 工 程 00-1 班 指 導 老 師 黃 長 清 系主任 (院長 ) 陳 振 華 評 閱 人 2004 年 6 月 15 日開 題 報 告姓名： 學號： 班級： 一、論文題目二、 文 獻 綜 述金屬鎂及其合金是迄今在工程中應用的最輕的結構材料，其具有在體積相同時比鋁合金輕 36%，比鋅合金輕 73%，比鋼輕 77%的優(yōu)點，在應用中減重效果較顯著，像手機外殼、筆記本電腦外殼這些零件都需要這種材料，并且其加工能量僅為鋁的70%。被譽為 21 世紀重要的商用輕質結構材料。鎂合金研究開發(fā)的第一次熱潮始于第一次世界大戰(zhàn)前，直到 20 世紀 60 年代中期，驅動力主要是鎂合金在軍工和航空工業(yè)中的應用。當時的研究方向主要是加 Ag 固溶強化以提高強度，加 Li 一得到高韌性合金，主要針對砂型和金屬型鑄件，壓鑄鎂合金主要是美國的 AZ91 和德國的 AZ81。從 20 世紀 60 年代后期到 80 年代后期是鎂合金開發(fā)的第二階段，由于汽車和飛機制造業(yè)的需要，提高鎂合金的高溫強度是這一時期的重點。20 世紀 80 年代以來鎂合金的研究得到飛速發(fā)展，隨著鎂合金應用面的不斷擴大，鎂合金的研究和開發(fā)也進入了新時代。 三、選 題 背 景 及 其 意 義四、設 計 任 務 目 的 與 要 求設計模具裝配圖 1 張，要求 CAD 繪圖。繪制全部零件圖，并注明各個零件的材料、尺寸、公差、表面粗糙度和熱處理等技術要求。編寫設計說明書一份（約 1.2 萬字） ，打印成冊。設計說明書按給定形式編寫和裝訂，字號統(tǒng)一為小 4，字體為宋體。設計圖紙可以單獨裝訂。全部畢業(yè)論文件匯總袋裝。五、設 計 內 容由于鎂為密排六方結構，在室溫下滑移系較少，塑性變形能力差，故在塑性加工時應采用熱加工方式。鎂合金 AZ31 的沖壓也不能在常溫下進行，試驗室已成功的拉深鎂合金 AZ31 的易拉罐，壁厚為 0.7mm，在加熱 190 度時，拉深 70mm；加熱到 250度時，拉深 75mm ，這是鎂合金 AZ31 應用于沖壓的一個成功的試驗，通過這個試驗可以反求得到一組有關鎂合金 AZ31 沖壓性能的數(shù)據。筆記本電腦外殼屬于盒形件，本次設計主要是設計拉深過程，筆記本電腦外殼應屬于低盒形件拉深。對于低盒形件，圓角部分的影響相對較小，圓角處的變形最大，所以防止起皺和拉裂是關鍵。通過分析筆記本電腦外殼的特征和對鎂合金 AZ31 性能的了解，經過討論，初步確定工藝方案為：落料—拉深—沖孔—切口—整形—修邊由于筆記本電腦外殼深度較淺，面積較大，所以估計可以一次拉深成型。六、工 作 特 色 及 其 難 點, 采 取 的 解 決 措 施在拉深過程中，四個圓角處容易起皺，應加拉深筋。鎂合金在低溫下的塑性變形能力差，要加熱才能進行拉深。拉深時要使用壓邊圈，壓邊力要適中，注意防止拉裂。鎂的拉深極限和拉深過程中的回彈問題也是要考慮的。七、論 文 的 工 作 量 及 進 度 安 排2004.3.1—2004.3.26： 搜集資料和確定工藝方案 性能方面的資料和有關沖壓工藝方面的資料，主要有《 機械工程材料》 、 《特種鑄造及有色金屬》 、 《沖壓工藝學》 、《沖模技術》等。2004.3.27—2004.4.30： 對零件的毛坯尺寸，沖裁力計算，壓力機選擇及畫模具裝配圖和各零件圖。2004.5. 1—2004.5.14: 寫設計說明書2004.5.15—2004.6.1: 檢查修改說明書，準備答辯。畢 業(yè) 設 計 (論 文 )任 務 書（全日制本科生）課 題 名 稱 鎂 合 金 筆 記 本 電 腦 外 殼 沖 壓 模設計 專 業(yè) 、 班 級 材 料 成 型 與 控 制 工 程 00－ 1 班學 生 薄 鳳 俠 指 導 老 師 黃 長 清 系主任 (院長 ) 陳 振 華 2004 年 6 月 15 日 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） I鎂合金筆記本電腦外殼沖壓模具設計摘 要分析了筆記本電腦外殼的沖壓工藝，設計了一套用于液壓機上的結構簡單的成形模。本文從產品的結構和功能出發(fā)，介紹了各沖壓工序的模具結構及工作過程。提出了模具設計及制造時應注意的事項。分析鎂合金 AZ31 的性能，存在常溫下不可拉深的問題，通過對零件進行詳盡的分析和查閱相關技術資料，設計了在拉深過程中對模具和零件進行加熱的拉深模，這樣就很容易的解決了上述問題。該產品要在兩個方向進行切邊，通過對產品進行工藝分析，如果設計成兩個方向同時進行切邊的復合模，則很難保證零件切邊部分的精度，所以分水平切邊和垂直切邊為兩個單獨的工序進行，從而滿足產品的技術要求。關鍵詞：筆記本電腦外殼，沖壓工藝，拉伸模，修邊模 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） IIDesign of the Stamping Die for the Magnesium AZ31Outer Shell of the Notebook PCAuthor: Bo Fengxia Tutor : Huang Changing AbstractThe stamping process for the outer shell of the notebook PC is analyzed and a set of simply constructed forming die used on liquid-press was designed. The article introduces the structure and working process of the die on each operation from the structure and the function of the product. And the points for attention in the design and manufacture of the dies are listed. The efficiency of magnesium AZ31 is analyzed in sheet metal forming and that it can’t draw in normal temperature. The problem is resolved by heating the die and workpiece during drawing, after detailed analyzing and relative technical data consulting. The product has to be trimmed in two directions. After analyzing the technic of the product, we know: If the two directions are carried out at one time, it is hard to make sure the precision. On the contrary, if we make one direction at one time, it is easy to satisfy the technical requirement of the product.Key words: the outer shell of the notebook PC, stamping process, drawing die, trimming die 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） III目 錄1 緒論……………………………….…………………………………………….…11.1 選題背景及目的…………………………………….……..…………………11.2 國內外研究狀況…………………………………….………………………..11.3 課題研究方法………………………………….……………………………..21.4 論文構成………………………………….…………...……………………...22 沖壓工藝規(guī)程的編制 ………………………………….……………………..32.1 沖壓件的工藝分析 …………………………………………………………32.1.1 材料 ………………………………………………………………….42.1.2 結構工藝性分析 ……………………………………………………52.2 毛坯形狀、尺寸的確定 ……………………………………………………62.2.1 盒形件的修邊余量 ………………………………….………………62.2.2 盒形件毛坯尺寸計算 ……………………………………………….72.3 排樣設計及材料利用率計算 ……….………………………………….…..82.3.1 排樣方式 ……………….………………….………………………...82.3.2 材料利用率計算 ……….…………………………………………...92.4 確定工藝方案 ……………………………………………………………….92.4.1 基本工序的確定 ………………………………….…………………92.4.2 不同工藝方案的比較 ……………………………………………….92.5 工藝計算 ……………………………………………………………………102.5.1 落料工序 …………………………………………………………...10 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） IV2.5.2 拉深工序 …………………………………………………………...112.5.3 沖孔工序 ……………………………………………………………122.5.4 修邊工序 ……………………………………………………………132.6 沖壓工藝過程卡片 ………………………………………………………...143 拉深模設計 ……………………………………….…………………………..173.1 模具的結構形式 ……………………………………….………………….173.2 模具刃口尺寸計算 …………………………………….…………………183.2.1 上下模刃口尺寸計算 …………………….……………………….183.2.2 壓力中心計算 ……………………………………………………..193.3 零件設計及標準件選擇 …………………………………………………..193.3.1 凸模的設計 …………………………..……………………………193.3.2 凹模的設計…………………………………..….………………….213.3.3 定位板的計 ………………………………...……………………...213.3.4 彈性壓圈的設計 …………………………...………………………213.3.5 拉深筋的設計……………………………………………………….223.3.6 上下模座、導柱導套的設計 …………………….……………….223.3.7 出件裝置的設計 …………………………………………………..223.4 模具閉合高度的計算 ……………………………………………………...233.5 繪制裝配圖及零件圖 ……………………………….……………………..233.6 壓力機校核 ………………………………………….……………………..234 修邊模設計 ……………………………………….…………………………...244.1 模具的結構形式 ………………………………………..…………………244.2 壓力中心計算 …………………………………….……………………….254.3 零件設計及標準件選擇…………………………….………………………254.3.1 斜楔和滑塊的設計 ………………………………………………..254.3.2 滑塊返回行程的復位機構 ………………….…………………….274.3.3 出件裝置的設計 ……………………………….…………………..27 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） V4.3.4 上模座的設計 ……………………………………………………...284.3.5 下模座的設計 ………………………………………………………284.3.6 壓料板的設計 ………………………………………………………284.3.7 防磨板的設計 …………………………….….…………………….294.3.8 導板的設計 ………………………………….………………………294.4 模具閉合高度的計算 …………………………………………………….…294.5 裝配圖及零件圖的繪制 ………………………………………………….….304.6 壓力機校核 …………………………………………………………………..30設計總結 …………………………………………………………………………31致謝 ………………………………………………………………………………32參考文獻 …………………………………………………………………………33、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 1 頁 1 緒論1.1 選題背景及目的金屬鎂及其合金是迄今在工程應用的最輕的結構材料，常規(guī)鎂合金比鋁合金輕30%~50%，比鋼鐵輕 70%以上，應用在工程中可大大減輕結構件質量。同時鎂合金具有高的比強度和比剛度，尺寸穩(wěn)定性高，阻尼減震性好，機械加工方便，尤其易于回收利用，具有環(huán)保特性。20 世紀 80 年代以來鎂合金的研究得到飛速發(fā)展，隨著鎂合金應用面的不斷擴大鎂合金的研究和開發(fā)也進入了新時代。然而鎂合金的研究和發(fā)展還很不充分，很多工作還處于摸索階段，很多有關鎂合金性能的研究還沒有得到完全發(fā)展。對鎂合金的成型技術的研究目前主要在金屬型鑄造，砂型鑄造，低壓鑄造，差壓鑄造，熔模鑄造，壓力鑄造和技壓鑄造等方面，對鎂合金的沖壓工藝研究較少。但是，鎂合金沖壓方面的應用前景較好，除了可以減輕質量，外觀漂亮外，特別是電磁屏蔽能力好。本文結合省自然科學基金項目—鎂合金深加工研究，主要進行變形鎂合金的板材成型性分析設計。1.2 國內外研究狀況近年來，鎂合金的開發(fā)和應用已經受到世界各國的重視，尤其西方發(fā)達國家十分重視變形鎂合金的研究與開發(fā)，變形鎂合金材料已開始向系列化發(fā)展，產品應用領域不斷擴展。其中美國的變形鎂合金材料體系較為完備，合金系列有 Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Li、Mg-Th 等，可以加工成板、棒、型材和鍛件，并且開發(fā)出了快速凝固高性能變形鎂合金非晶態(tài)鎂合金及鎂基復合材料等。美國與世界上最大的鎂生產企業(yè)—挪威 Novsk Hydro 公司簽訂了長期的合作關系。日本也開始著重研究鎂的新合金、新工藝、開發(fā)超強高變形鎂合金材料和可冷壓加工的鎂合金板材。英國開發(fā)出了 Mg-Al-B 擠壓鎂合金用于 Magnox 核反應堆燃料罐。以色列最近研制出了用在航天飛行器上、兼具優(yōu)良力學性能和耐蝕性能的變形鎂合金 [1]。我國變形鎂合金材料的研制與開發(fā)仍處于起步階段，缺少高性能鎂合金板、棒和、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 2 頁 型材，國防軍工、航天航空用高性能鎂合金材料仍依靠進口，民用產品尚未進行大力開發(fā)，因此，研究和開發(fā)性能優(yōu)良、規(guī)格多樣的變形鎂合金材料顯得十分重要。1.3 課題研究方法鎂合金在常溫下的塑性很低，因此不適于常溫下沖壓成形。鎂合金在熱態(tài)下具有較好的塑性，甚至在一些不利于其他材料成形的應力-應變狀態(tài)下也可以成形，但變形速度不宜太大。鎂合金板材在 250℃左右拉深時其拉深比超過鋁合金和低碳鋼板的常溫拉深成形極限。在 175℃鎂合金板形件拉深的拉深比可達 2.0，225℃可達 3.0。本次設計主要是根據鎂合金 AZ31 板材加熱時的拉深性能來進行模具設計，鎂合金 AZ31 板材拉深成形時主要工藝參數(shù)有拉深力、成形速度、坯料溫度、模具預熱溫度、潤滑方式、模具圓角、模具間隙、壓邊力等，這些因素對坯料的拉深成形結果均有不同程度的影響 [2]。1.4 論文構成(1)選題背景和研究方法和。(2)沖壓工藝規(guī)程 通過對工件的工藝分析和工藝計算，考慮經濟性和可行性的前提下，確定工藝方案。(3)進行模具設計 拉深模設計和修邊模設計。(4)設計總結 總結本次設計之后所得到的收獲和改進意見。、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 3 頁 2 沖壓工藝規(guī)程的編制2.1 沖壓件的工藝分析沖壓件的零件圖如圖 2.1 所示圖 2.1 零件圖、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 4 頁 圖 2.2 立體圖2.1.1 材料制件材料為鎂合金 AZ31,料厚為 1mm,其化學成分及拉伸力學性能如表 1.1 所示:表 1.1 鎂合金 AZ31 化學成分合 金 Mg Al Mn Zn Zr Min Si AZ31B 剩余 2.5-3.5 0.20-1.0 0.6-1.4 - 0.10 合 金 Cu Ni Fe Ca 其 他 雜 質 AZ31B 0.05 0.005 0.005 0.04 0.30 鎂合金具有比重輕，比強度高，阻尼性及切削加工性能好，導熱性好、電磁屏蔽能力強等優(yōu)點，廣泛應用于汽車工業(yè)、電子、通訊、家用電器、航空航天、計算機、紡織設備、印刷設備、包裝設備、軍工等行業(yè)。鎂合金管材、棒材、型材、線材拉伸力學性能應達到表 1.2 所列最低。、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 5 頁 表 1.2 鎂合金的拉伸力學性能要求合 金 狀 態(tài) 產 品 標定厚度或直徑/mm管材標定橫截面積/ mm2或直徑/mm抗拉強度min/MPa0.2%屈服強度min/mm伸長率(50mm 或4D) min/ %D、 E棒、型 ?6.30 所有 240 145 7?6.30-40.00 所有 240 150 7?40.00-60.00 所有 235 150 7線 材?60.00-130.00 所有 220 140 7空心型 材所 有 所有 220 110 8AZ31 F管 材 0.70-6.30 ?150 220 140 8本次所做的筆記本電腦外殼沖壓模設計所用材料應為鎂合金 AZ31 型材，它為中強合金，可焊，良好的成型性2.1.2 結構工藝性分析零件的結構工藝性分析如表 1.3 所示表 1.3 工藝性分析表分析項目 沖壓件的形狀尺寸 工藝性允許值 分析結論拉深工藝性形狀圓角半徑拉深壓邊盒形,形狀規(guī)則無尖角R3t/D×100=0.38>1.5t=1.5m1 所以可以一次拉成、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 9 頁 2.3 排樣設計及材料利用率計算2.3.1 排樣方式：為使模具設計簡單以及送料方便，故選用尺寸為 1000ｘ750mm,厚 1.0mm 的鎂板，每塊生產 6 件。2.3.2 材料利用率計算：2.4 工藝方案的確定2.4.1 基本工序的確定：該零件加工的基本工序確定為落料、拉深、沖孔、修邊。對于本產品，如果省去切口工序，即在落料時把切口部分的材料去掉，毛坯外形為 ，顯然，如果這樣則可以省去一道工序，但是，在以后的拉深過程中，各邊會發(fā)生很大變形，不能保證零件的尺寸精度要求，所以此種方法不能用，切口工序必須有，且應該放在后面的工序中。顯然不能先沖孔在拉深，否則孔很容易變形。若先拉深后沖孔，則能保證成形后尺寸要求。按照常理，落料拉深完全可以做成復合模，但由于鎂合金在拉深時必須加熱，且在拉深過程中，需要設置拉深筋、拉深坎，所以不宜使用落料拉深復合模。、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 10 頁 2.4.2 不同工藝方案的比較方案一：落料-拉深-沖孔-修邊方案二：落料拉深復合模-沖孔 -修邊方案三：落料、拉深、沖孔級進模 -修邊方案四：落料（切口部分材料落料先切去）-拉深沖孔復合模比較以上四種方案，顯然，方案四中落料時省去切口工序，將導致精度不能達到要求，而且在拉深過程中需要加熱，并且拉深速度比較慢，所以不宜設計復合模，所以方案四不宜選用。方案三 設計級進?？梢允∪スば颍股a效率提高，但是它存在和方案四相同的問題，那就是拉深時需要加熱，且拉深速度較慢，這樣加熱時所有的零件一起加熱浪費資源，而且，成本過高，所以也不宜選用。方案二 也是由于拉深時需要加熱，不宜選用復合模。方案一 設計單工序模，雖然這樣效率雖然不是最高，但從節(jié)約資源的角度和從科研方面來講都是最好的，所以選用方案一。2.5. 工藝計算2.5.1 落料工序落料工序采用平刃口落料力F 落 =1.3F0=1.3Ltτ=1.3 ｘ2ｘ(339+297) ｘ1ｘ140=252616N=252.6KN其中 t— 材料厚度 ，單位為[mm]；τ—材料抗剪強度， 單位為[Mpa];L—沖裁周長 ，單位為[mm]；卸料力F 卸 =K3 F 落查文獻[3]表 2-10 得 K 3=0.08F 卸 =0.08ｘ252.6=20.2KN所以 、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 11 頁 F 總 = F 落 + F 卸 =252.6+20.2=272.8KN所以選擇 Y32-100 型液壓機落料時凸、凹模工作部分的尺寸與公差確定凸、凹模尺寸及制造的原則：(1)落料件的尺寸取決于凹模尺寸，沖孔尺寸取決于凸模尺寸。(2)根據刃口的磨損規(guī)律，如果刃口磨損后尺寸變大，則刃口應取接近或等于工件的最小極限尺寸，如果刃口磨損后尺寸減少，則刃口應取接近或等于工件的最大極限尺寸。(3)在選擇凸凹模尺寸公差時，既要保證工件的精度要求和合理的沖裁間隙，又不能使凸凹模的尺寸精度過高。對于簡單形狀的沖裁模具一般采用凸凹模分開加工落料件尺寸 D0-△Dd=(D-x△) 0δdDp=(D-Zmin)0-δp= (D-x△- Z min) 0-δp式中Dd、D p—分別為落料件凹模和凸模尺寸△—工件公差δp、δ d—分別為凹模、凸模制造公差x—磨損系數(shù)工件精度為 IT14 取 x=0.5，對直邊部分查文獻[3]表 2-6 得 δp=0.035mmδd=0.050mm查文獻[8]附表 1 得 △ 1=1.3 mm△ 2=1.4 mm表 1-2-20 Zmin=0.01 mmDd1=（293-0.5 ｘ1.3） +0.050=292.35+0.050Dp1=（292.35-0.1 ） 0-0.035=292.250-0.035、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 12 頁 Dd2=(340-0.5ｘ1.4) +0.050=339.3+0.050Dp2=(339.3-0.1)0-0.035=339.20-0.035圓角部分D0=24 D0'=22查文獻[3] 得 δp=0.02 mmδd=0.025 mm查文獻[8]附表 1 △ 1=△ 2=0.52 mm表 1-2-20 Zmin=0.1 mmDd0=(24-0.5ｘ 0.52) +0.0250=23.74+0.0250 Dp0=(23.74-0.1)0-0.02=22.640-0.02Dd0'=(22-0.5ｘ 0.52)+0.0250=21.74+0.0250Dp0'=(21.74-0.1)0-0.02=21.640-0.022.5.2 拉深工序拉深時需要加熱到 300℃，用來提高鎂合金的拉深性能，常溫下，鎂合金不能拉深。查文獻[9]附表 A2 得 300℃時其抗剪強度 τ =35~50Mpa抗拉強度 σb=30~50 Mpa查文獻[8]表 1-4-29 盒形件一次拉深時的拉深力 F 拉 F 拉 =(2A+2B-1.72r)tσbK4其中 A、B—盒形件的長與寬r—盒形件圓角半徑t—材料厚度σb—抗拉強度 單位(Mpa)K4—系數(shù)H/B=18.9/260=0.07r/B=3/260=0.0115t/Dｘ100=1/297 ｘ100=0.33、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 13 頁 查文獻[80]表 1-4-33 得 K4=0.7所以F 拉 =（2ｘ260+2ｘ305-1.72ｘ3）ｘ1ｘ50ｘ0.7=39369N≈40KN查文獻[8]表 1-4-26 得壓邊力 F 壓 =APA—壓邊圈下的坯料面積P—單位壓邊力由文獻[8]表 1-4-28 得 P=3F 壓 =（293ｘ340-260ｘ305）ｘ3=60960 N≈61 KN總壓力F 總 = F 拉 + F 壓 =40 KN +61 KN =101KN所以選擇 Y32-100 型液壓機2.5.3 沖孔工序沖孔力F 沖 =1.3Ltτ=1.3ｘ[81ｘ4+4π(15+13)/2] ｘ1ｘ140=99008N≈99KN推料力F 推 =n K 推 F 沖 =5ｘ0.055ｘ99=27.23KN卸料力F 卸 =K 卸 F 沖 =0.04ｘ99=3.96 KNn=5 是同時留在凹模刃口內廢料的片數(shù)查文獻[3]表 2-10 得K 推 =0.055 K 卸 =0.04F 總 =F 沖 +F 推 +F 卸 =99+27.23+3.96=130 KN所以選擇 Y32-100 型壓力機、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 14 頁 2.5.4 修邊工序對于筆記本電腦外殼兩端的缺口，可以通過切口工序完成，切口又分兩個方向進行，水平方向和垂直方向，并且切口 1、2 之間的距離只有 5mm，切口 3 的長度較大，所以不能一次切成，要先在切口 1、3 的水平方向切一次，然后再切 1、3 的垂直方向，再在切口 2 上水平垂直方向一次切成。此時修邊工序才算完成。切邊力的計算： 圖 2.6 修邊順序(1)第一次切邊 F 切 =1.3Ltτ 式中：F 切 －切邊力（N）L－工件輪廓周長（mm）t-材料厚度（mm）τ-材料的抗剪強度（Mpa）則 F 切 =1.3×780×1.0×140＝141960N=142 （KN）(2)第二次切邊F 切 =1.3Ltτ則 F 切 =1.3×724×1.0×140＝131768N=132（KN ）(3)第三次切邊F 切 = F 切 1+F 切 2=1.3×（80×2+18×2）×1×140+1.3×（80×2+4×2）×1×140=64792N =65KN選擇 J31-2500 型閉式單點壓力機2.6 沖壓工藝過程卡片表 1.4 沖壓工藝過程卡片產品型號 零件圖號湖南大學沖壓工藝卡片 產品名稱 筆記本電腦外殼沖壓件 零件名稱、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 15 頁 材料 板料規(guī)格毛坯尺寸毛坯可制件數(shù)材料技術要求共 3 頁鎂合金AZ311.0 750?1000293 340?6 第 1 頁工序號 工序名稱 工序簡圖 設備 模具 工時0 下料 剪板 機1 落料Y32-100型液壓機落料模2 拉深Y32-100型液壓機拉深模、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 16 頁 3 沖孔Y32-100型液壓機沖孔模4 斜楔修邊 模J31—2500壓力機修邊模5 垂直修邊 模J31—2500壓力機修邊模、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 17 頁 垂直斜楔修邊復合模J31—2500壓力機水平垂直修邊復合模、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 18 頁 3 拉深模設計3.1 模具的結構形式因為制件材料較薄，為保證制件平整，采用彈性壓邊裝置。為方便操作和取件及保證壓邊力均勻，壓力機采用液壓機。在設計時，彈性壓邊圈裝在下模的拉深模，這種模具的特點就是可選用壓力大的彈簧，橡皮或氣墊，用以增大壓邊力，同時壓邊力是可調的，以滿足拉深件的要求。其結構形式為： 0120340560708911214151618 0238 3179?45H7/r6?60H7/r?456/h 258H7/h6/k01 23?107/s6圖 3.1 拉深模裝配圖拉深過程中主要是要滿足拉深時的外形尺寸，拉深過程中的問題是可能會出現(xiàn)起皺，并且對于這類覆蓋件拉深時，毛坯各處的變形程度相差很大，需要采用拉深筋來控制毛坯各段流入凹模的阻力，亦即調整毛坯周邊各邊的徑向拉應力。拉深筋在毛坯周邊的布置，與零件的幾何形狀、變形特點和拉深程度有關。在變形程度大、徑向拉應力也大的圓角處，可不設或少設拉深筋。直邊處則設 1~3 條拉深筋，以增大變形阻力，從而調整送料阻力和進料阻力。、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 19 頁 對于加熱時進行拉深，要對毛坯和模具一起進行加熱，只對毛坯進行加熱的而對模具不加熱的沖壓只可用于變形程度不大的情況。因為當只對毛坯進行加熱時，毛坯有加熱爐送至冷模具上開始沖壓，毛坯的溫度將有 70 到 150 度的降低，所以要想讓毛坯拉深時的溫度符合要求，則毛坯就需要加熱到更高的溫度。由于鎂合金拉深性能不好，所以拉深時對毛坯和模具一起進行加熱。3.2. 模具刃口尺寸計算3.2.1 上下模刃口尺寸計算由于零件一次可以拉成，所以凸模的尺寸就是零件的內部尺寸。盒形件拉深時的間隙直邊部分和圓角部分是不相等的，直邊部分一般取 z/2=(1~1.1)t。直邊部分 z/2=1.1t=1.1mm圖 3.2 凸凹模間隙 圓角部分的間隙求法如圖 3.3 所示 [5]此零件要求外形尺寸，所以計算圓角部分的間隙要用 b)圖。rp=(0.414rB+0.1t)/0.414式中 rp—凸模的圓角半徑；rB=rd-Z/2本次設計中 rB=4-1.1=2.9mmrp=(0.414ｘ2.9+0.1ｘ1)/0.414=3.24mm所以凸模圓角半徑 rp=3.24mm 取 rp=3.5mm、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 20 頁 凸 模 凸 模凹 模 凹 模a)工件要求內形尺寸 b)工件要求外形尺寸圖 3.3 盒形件圓角部分間隙3.2.2 壓力中心計算為了保證壓力機和模具正常地工作，必須使沖模的壓力中心與壓力機滑塊中心線相重合。否則沖壓時會使沖模與壓力機滑塊歪斜，引起凸凹模間隙不均和導向零件加速磨損，造成刃口和其他零件的損壞。在拉深過程中，壓力是不均勻的，并且此零件的幾何形狀不是完全對稱的，所以壓力中心的計算比較麻煩，又因為此零件近似對稱，所以就近似把它的幾何中心定義為壓力中心。3.3 零件設計及標準件選擇3.3.1 凸模的設計(1) 凸模尺寸凸模尺寸 260ｘ305ｘ85mm(2) 凸模強度校核由于凸模屬于不規(guī)則零件，所以要按凸模工作端面尺寸計算，分為兩種情況，即凸模端面寬度 B 大于沖裁件厚度 t 如圖 3.4a)和端面寬度 B 小于或等于沖裁件厚度 t 如圖 b)。沖裁件厚度只有 1mm，所以屬于圖 3.4a)所示的情況。查文獻[11]，則需核算刃口接觸強度應力 бk，因此此時接觸應力 бk 應大于平均應力 б0。、 湖 南 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 第 21 頁 t/2B>t B
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