法蘭盤金屬件沖壓模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法*

□ 李薈斌 □ 潘文韜 □ 賴智成 □ 符業(yè)輝 □ 吳鎮(zhèn)鵬 □ 戴敬祥 □ 蘇圣云 □ 高浩然 □ 陳銀清

廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 廣東茂名 525099

1 研究背景

模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備,被稱為“工業(yè)之母”,75%的粗加工工業(yè)產(chǎn)品零件、 50%的精加工零件都由模具成型。模具涉及機(jī)械、汽車、輕工、電子、化工、冶金、建材等各個(gè)行業(yè),應(yīng)用范圍十分廣泛。沖壓模具具有知識(shí)密集和技術(shù)密集的特點(diǎn),設(shè)計(jì)制造時(shí)存在難度大、周期長、制造成本高等問題。隨著我國智能產(chǎn)品的推進(jìn),產(chǎn)品日新月異,數(shù)字化、智能化成為新的趨勢(shì),模具種類也不斷增多,大家都在為推動(dòng)智能制造新時(shí)代的到來而努力探索。為了適應(yīng)智能制造的發(fā)展,滿足用戶對(duì)模具制造高精度、低成本的迫切要求,模具設(shè)計(jì)與制造手段也應(yīng)向智能化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展,模具工業(yè)正廣泛應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)來加速自身的技術(shù)進(jìn)步[1]。筆者以法蘭盤金屬薄板件沖壓模具為例,介紹模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法,包括卸料機(jī)構(gòu)、推出機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)框架的選用,以及模具成型零件的設(shè)計(jì)與制造。

2 工藝方案

2.1 工藝分析

如圖1所示,沖裁件為Q235A低碳鋼板材料的圓形法蘭盤金屬件,厚度為2 mm,屬于中小型零件,對(duì)稱結(jié)構(gòu)。Q235A低碳鋼板材料塑性好,沖裁工藝性好。沖裁件生產(chǎn)綱領(lǐng)為年產(chǎn)量10萬件,屬大批量生產(chǎn),適合應(yīng)用模具生產(chǎn)[2]。

▲圖1 法蘭盤金屬件

根據(jù)沖裁件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)技術(shù)要求,為了保證模具的制造精度及降低生產(chǎn)成本,選擇倒裝式復(fù)合沖裁模設(shè)計(jì)方案。

2.2 排樣設(shè)計(jì)

為保證沖裁精度,降低生產(chǎn)成本,保證模具使用壽命和操作方便,采用有較少搭邊的單排排樣形式,排樣圖如圖2所示。查閱相關(guān)手冊(cè),沖裁件之間的搭邊值設(shè)為1.5 mm,沖裁件與條料件側(cè)邊之間的搭邊值設(shè)為1.8 mm。經(jīng)計(jì)算,單個(gè)沖裁件面積A1為15 393 mm2,條料寬度B1為144.6 mm,條料步距S為147.1 mm,一個(gè)步距內(nèi)沖壓件數(shù)量n1為1,材料利用率η為[3]:

η=A1/(B1S)×100%=72.4%

▲圖2 排樣圖

計(jì)算總沖壓力時(shí),首先確定沖裁力[4]。變形區(qū)的實(shí)際變形情況比較復(fù)雜,因此采用材料抗剪力因數(shù)K加以修正,一般K取1.3。沖裁件所有孔的周長總和La為599 mm,落料件周長Lb為439.8 mm,Q235A低碳鋼板材料厚度t為2 mm,材料抗拉強(qiáng)度τ為350 MPa,沖孔力Fa為:

Fa=KLatτ=545 kN

落料力Fb為:

Fb=KLbtτ=400 kN

沖裁力F為:

F=Fa+Fb=945 kN

在沖裁時(shí),零件或廢料從凸模上卸下來的力稱為卸料力FX,從凹模內(nèi)將零件或廢料順著沖裁方向推出的力稱為推件力FT,逆沖裁方向頂出的力稱為頂件力FD凹模中的零件數(shù)量N取3。查閱相關(guān)國標(biāo),取卸料力因數(shù)KX為0.05,推件力因數(shù)KT為0.055,頂件力因數(shù)KD為0.06。卸料力FX為:

FX=KXFb=20 kN

推件力FT為:

FT=NKTFa=89.92 kN

頂件力FD為:

FD=KDF=56.7 kN

總沖壓力F0為:

F0=F+FX+FT=1 054.92 kN

2.3 沖壓設(shè)備選擇

選用沖壓設(shè)備,主要考慮的因素如下:① 設(shè)備類型和工作型式是否符合安全生產(chǎn)與環(huán)保要求;② 壓力和功率是否滿足完成工序任務(wù)的要求;③ 裝模高度、工作臺(tái)尺寸等是否適合完成工序所使用的模具。根據(jù)沖壓件特點(diǎn)和工藝要求[5],選擇公稱壓力為1 250 kN的JH21-125型開式固定臺(tái)壓力機(jī),壓力機(jī)主電機(jī)功率為11 kW,滑塊行程為180 mm,最大閉合高度為350 mm,閉合高度調(diào)節(jié)量為90 mm,壓力機(jī)工作臺(tái)尺寸為680 mm×1 100 mm。

3 模具設(shè)計(jì)

模具總體構(gòu)成如圖3所示,采用標(biāo)準(zhǔn)模架,重點(diǎn)設(shè)計(jì)卸料機(jī)構(gòu)、推件機(jī)構(gòu)及成型零件。

▲圖3 模具總體構(gòu)成

3.1 卸料機(jī)構(gòu)

卸料機(jī)構(gòu)的功能為將制件或廢料從凹模中推出或頂出,不直接影響模具的加工精度。但是,卸料機(jī)構(gòu)正常工作時(shí),直接影響模具的工作效率及正常運(yùn)行。模具在工作過程中需要卸下工件、條料廢料、沖孔廢料等,從模具的結(jié)構(gòu)方面考慮,應(yīng)盡量簡單。沖孔廢料設(shè)計(jì)為自動(dòng)排出,針對(duì)條料廢料,采用彈性卸料機(jī)構(gòu)。彈性卸料機(jī)構(gòu)如圖4所示。

▲圖4 彈性卸料機(jī)構(gòu)

3.2 推件機(jī)構(gòu)

法蘭盤金屬件的沖壓力大小為中等,需要的推件力較大,從工作穩(wěn)定性、可靠性方面考慮,選用剛性推件機(jī)構(gòu)卸下法蘭盤金屬件[6],如圖5所示。

3.3 成型零件

選用倒裝式復(fù)合模,核心成型零件包括落料凹模、沖孔凸模、落料沖孔凸凹模。從保證模具的沖裁精度及安裝維修方便考慮,落料凹模和沖孔凸模采用整體式結(jié)構(gòu),落料沖孔凸凹模采用凸緣式結(jié)構(gòu)。模具刃口尺寸選用配合加工法計(jì)算,即落料以凹模為基準(zhǔn),沖孔以凸模為基準(zhǔn)。刃口尺寸計(jì)算結(jié)果見表1[7]。

表1 刃口尺寸計(jì)算表

所設(shè)計(jì)的模具成型件三維圖如圖6所示。

▲圖5 剛性推件機(jī)構(gòu)

3.4 標(biāo)準(zhǔn)模架與坯料送進(jìn)機(jī)構(gòu)

選用符合DB/T 2851.6—1990標(biāo)準(zhǔn)的滑動(dòng)導(dǎo)向中間導(dǎo)柱圓形模架,結(jié)構(gòu)簡單,操作方便。坯料送進(jìn)機(jī)構(gòu)選用導(dǎo)料銷導(dǎo)料、擋料銷定位的常用結(jié)構(gòu)[8]。標(biāo)準(zhǔn)模架如圖7所示,坯料送進(jìn)機(jī)構(gòu)如圖8所示。

4 設(shè)計(jì)方法

采用計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[9]?？傃b圖采用Pro/Engineer參數(shù)化軟件進(jìn)行三維建模和設(shè)計(jì),并仿真分析各構(gòu)件。設(shè)計(jì)合理后導(dǎo)出工程圖,應(yīng)用AutoCAD軟件按標(biāo)準(zhǔn)格式繪制二維圖,應(yīng)用Mastercam軟件進(jìn)行編程加工,真正實(shí)現(xiàn)了一體化參數(shù)設(shè)計(jì)。

▲圖6 模具成型件三維圖

▲圖7 標(biāo)準(zhǔn)模架

▲圖8 坯料送進(jìn)機(jī)構(gòu)

4.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖

應(yīng)用Pro/Engineer軟件設(shè)計(jì)模具三維總裝圖,Pro/Engineer是現(xiàn)今主流的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造、工程軟件之一,在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。模具三維總裝圖如圖9所示。

▲圖9 模具三維總裝圖

在Pro/Engineer軟件內(nèi)導(dǎo)出產(chǎn)品的二維圖和各零件圖,再應(yīng)用AutoCAD軟件按標(biāo)準(zhǔn)格式及正常投影關(guān)系繪制標(biāo)準(zhǔn)二維圖。凸凹模零件圖如圖10所示,模具裝配圖如圖11所示。

▲圖10 凸凹模零件圖

▲圖11 模具裝配圖

一體化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下:① 利用裝配校核好的三維圖導(dǎo)出二維效果圖,可減少繪圖的尺寸錯(cuò)誤,相當(dāng)于自動(dòng)校核一次;② 繪制效率高,修改方便,應(yīng)用軟件內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)件圖庫,減少重復(fù)繪制,能有效縮短設(shè)計(jì)周期。

4.2 計(jì)算機(jī)輔助制造

應(yīng)用Mastercam軟件,對(duì)已設(shè)計(jì)好的核心成型零件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助制造編程加工。Mastercam軟件可以將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)造型和計(jì)算機(jī)輔助制造數(shù)控編程集成于一個(gè)系統(tǒng)環(huán)境中,完成零件造型、刀具路徑生成、加工模擬仿真、數(shù)控程序生成,與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通信完成數(shù)據(jù)傳輸,最終完成零件的加工。在Mastercam軟件中,完成所設(shè)計(jì)的模具核心成型零件沖孔凸模、落料凹模、落料沖孔凸凹模的加工仿真及數(shù)控程序編制,操作流程為,讀取Pro/Engineer軟件設(shè)計(jì)的三維圖,分析零件加工工藝,設(shè)計(jì)刀具路徑,選擇合適的切削參數(shù),仿真校驗(yàn),后處理數(shù)控程序運(yùn)行,與數(shù)控機(jī)床通信,將程序傳送至各數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng),各數(shù)控機(jī)床可以直接運(yùn)行程序加工零件[10]。刀具路徑設(shè)計(jì)如圖12所示。落料沖孔凸凹模仿真加工效果如圖13所示,沖孔凸模仿真加工效果如圖14所示。

▲圖12 刀具路徑設(shè)計(jì)

▲圖13 落料沖孔凸凹模仿真加工效果

▲圖14 沖孔凸模仿真加工效果圖

后處理數(shù)控程序如下:

O0001

N110 G0 G17 G40 G49 G80 G90

N120 T2 M6

N130 G0 G90 G54 X-3.968 Y-87.128 A0.S1667 M3

N140 G43 H2 Z50.

N150 Z2.

N160 G1 Z-1.923 F600.

............

N6700 G1 X1.032 Y-87.212

N6710 G0 Z50.

N6720 M30

5 結(jié)束語

筆者介紹法蘭盤金屬件沖壓模具的設(shè)計(jì)與制造,采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造一體化參數(shù)設(shè)計(jì),在模具設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用 Pro/Engineer、AutoCAD、Mastercam等軟件,創(chuàng)建模具三維模型,導(dǎo)出二維圖,將設(shè)計(jì)好的零件圖導(dǎo)入Mastercam軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助制造加工。模具一體化參數(shù)設(shè)計(jì)有效保證了尺寸準(zhǔn)確,出錯(cuò)率低,設(shè)計(jì)周期短,模具整體結(jié)構(gòu)精簡,工藝參數(shù)合理,充分展現(xiàn)了現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法,為同類模具和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造提供了借鑒。