沖壓模具設計畢業(yè)設計開題報告.doc

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畢業(yè)設計開題報告 題目： 沖壓工藝分析與彎曲沖孔模具的設計 院系： 三峽大學機械與材料學院 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學生： 學號： 指導老師： 三峽大學機械與材料學院 沖壓工藝分析與彎曲沖孔模具的設計開題報告 一、課題的來源 課題來源于生產實際，探討沖壓加工中較常見零件的工藝方法和結構設計。課題涉及知識面較廣，且設計要求較高，對學生的設計能力，特別是思考能力是一個很好的鍛煉。課題研究內容包括機械工程學科的力學，材料學，機械原理，機械設計，公差與互換性，機械制造工藝等知識，特別鍛煉學生規(guī)范性設計的能力。使學生能得到全面的鍛煉。課題要求學生具備較強的機構設計能力和創(chuàng)新能力，對學生是一個挑戰(zhàn)。課題為典型的機械設計類課題，涉及機械知識全面，與工程機械專業(yè)方向結合緊密。 二、選題的現(xiàn)實意義和理論意義 沖壓加工是現(xiàn)代機械制造業(yè)中先進高效的加工方法之一。它是利用安裝在壓力機上的模具，在常溫或加熱的條件下對板材施加壓力使其變形和分解，從而獲得一定形狀、尺寸的零件的加工方法。因為它主要用于加工板料零件，所以又稱板料沖壓。 沖壓加工的特點如下： （1）. 借助壓力機的壓力，利用模具能獲得壁薄、質量輕、剛性好、形狀復雜的零件，這些零件用其他的方法難以加工甚至無法加工； （2）. 沖壓加工的零件精度高、尺寸穩(wěn)定，具有良好的互換性； （3）.沖壓加工是少、無切削加工的一種，部分零件沖壓直接成形，大部分無需任何再加工，材料利用率高，達85%以上； （4）.生產效率高，生產過程容易實現(xiàn)機械化和自動化，適合于大批大量生產； （5.）操作簡單，便于組織生產和管理。 沖壓加工的缺點是模具制造的周期長，制造成本高，不適于單件小批量生產；其次，沖壓加工多用機械壓力機，由于滑塊往復運動快，大量手工操作，勞動強度較大，易發(fā)生事故，安全生產與管理要求高，須采用必要的安全技術措施來保證。 沖壓加工的應用十分廣泛，不僅可以加工金屬材料，而且可以加工非金屬材料。在現(xiàn)代制造業(yè)，比如汽車、拖拉機、農業(yè)機械、電機、電器、儀表、化工容器、玩具以及日常生活用品的生產方面，都占有十分重要的地位。 沖壓加工在國民經濟各個領域應用范圍相當廣泛。例如，在宇航，航空，軍工，機械，農機，電子，信息，鐵道，郵電，交通，化工，醫(yī)療器具，日用電器及輕工等部門里都有沖壓加工。不但整個產業(yè)界都用到它，而且每個人都直接與沖壓產品發(fā)生聯(lián)系。像飛機，火車，汽車，拖拉機上就有許多大，中，小型沖壓件。小轎車的車身，車架及車圈等零部件都是沖壓加工出來的。據(jù)有關調查統(tǒng)計，自行車，縫紉機，手表里有80%是沖壓件；電視機，收錄機，攝像機里有90%是沖壓件；還有食品金屬罐殼，鋼精鍋爐，搪瓷盆碗及不銹鋼餐具，全都是使用模具的沖壓加工產品；就連電腦的硬件中也缺少不了沖壓件。 但是，沖壓加工所使用的模具一般具有專用性，有時一個復雜零件需要數(shù)套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技術要求高，是技術密集形產品。所以，只有在沖壓件生產批量較大的情況下，沖壓加工的優(yōu)點才能充分體現(xiàn)，從而獲得較好的經濟效益的。 當然，沖壓加工也存在著一些問題和缺點。主要表現(xiàn)在沖壓加工時產生的噪音和振動兩種公害，而且操作者的安全事故時有發(fā)生。不過，這些問題并不完全是由于沖壓加工工藝及模具本身帶來的，而主要是由于傳統(tǒng)的沖壓設備及落后的手工操作造成的。隨著科學技術的進步，特別是計算機技術的發(fā)展，隨著機電一體化技術的進步，這些問題一定會盡快二完善的得到解決。 三、國內外的研究現(xiàn)狀及分析 據(jù)統(tǒng)計，2003年我國生產汽車沖壓件約240萬噸/8億件，摩托車沖壓件約28萬噸/19億件，拖拉機、農用車沖壓件約96萬噸/7.1億件，家用空調和冰箱沖壓件100萬噸/12.8億件。業(yè)內專家預計，隨著沖壓成形行業(yè)最大用戶市場--汽車行業(yè)今后繼續(xù)迅猛發(fā)展，中國沖壓行業(yè)已迎來了一個快速發(fā)展機遇期，但能否抓住機遇獲得新的更快的發(fā)展，前進的道路上尚有許多阻力和障礙需要克服與突破。 （1）機械化、自動化程度低 美國680條沖壓線中有70%為多工位壓力機，日本國內250條生產線有32%為多工位壓力機，而這種代表當今國際水平的大型多工位壓力機在我國的應用卻為數(shù)不多；中小企業(yè)設備普遍較落后，耗能耗材高，環(huán)境污染嚴重；封頭成形設備簡陋，手工操作比重大；精沖機價格昂貴，是普通壓力機的5~10倍，多數(shù)企業(yè)無力投資阻礙了精沖技術在我國的推廣應用；液壓成形，尤其是內高壓成形，設備投資大，國內難以起步。 （2）生產集中度低 許多汽車集團大而全，形成封閉內部配套，導致各企業(yè)的沖壓件種類多，生產集中度低，規(guī)模小，易造成低水平的重復建設，難以滿足專業(yè)化分工生產，市場競爭力弱；摩托車沖壓行業(yè)面臨激烈的市場競爭，處于“優(yōu)而不勝，劣而不汰”的狀態(tài)；封頭制造企業(yè)小而散，集中度僅39.2%。 （3）沖壓板材自給率不足，品種規(guī)格不配套 目前，我國汽車薄板只能滿足60%左右，而高檔轎車用鋼板，如高強度板、合金化鍍鋅板、超寬板(1650mm以上)等都依賴進口。 （4）科技成果轉化慢先進工藝推廣慢 在我國，許多沖壓新技術起步并不晚，有些還達到了國際先進水平，但常常很難形成生產力。先進沖壓工藝應用不多，有的僅處于試用階段，吸收、轉化、推廣速度慢。技術開發(fā)費用投入少，導致企業(yè)對先進技術的掌握應用慢，開發(fā)創(chuàng)新能力不足，中小企業(yè)在這方面的差距更甚。目前，國內企業(yè)大部分仍采用傳統(tǒng)沖壓技術，對下一代輕量化汽車結構和用材所需的成形技術缺少研究與技術儲備。 （5）大、精模具依賴進口 當前，沖壓模具的材料、設計、制作均滿足不了國內汽車發(fā)展的需要，而且標準化程度尚低，大約為40%~45%，而國際上一般在70%左右。 （6）專業(yè)人才缺乏 業(yè)內掌握先進設計分析技術和數(shù)字化技術的高素質人才遠遠不能滿足沖壓行業(yè)飛速發(fā)展的需要，尤其是摩托車行業(yè)中具備沖壓知識和技術和技能的專業(yè)人才更為缺乏且大量外流。另外，眾多合資公司由外方進行工程設計，掌握設計權、投資權，我方沖壓技術人員難以真正掌握沖壓工藝的真諦。 沖壓成形用戶市場的迅猛發(fā)展為沖壓行業(yè)帶來了全新的發(fā)展機遇，雖然在沖壓業(yè)發(fā)展的道路上還存在著各種各樣的阻力與障礙，但我們始終相信，這些都阻擋不了沖壓行業(yè)前進的步伐。 科學技術的迅猛發(fā)展, 尤其是在現(xiàn)有資源及環(huán)境不可過分樂觀的形勢下, 對沖壓加工乃至整個塑性加工業(yè)等都提出了嚴重的挑戰(zhàn)。 減輕重量, 節(jié)省材料, 降低能耗, 開拓創(chuàng)新已成為塑性加工業(yè)等面臨的一個極其重要的課題。 不可否認在金屬加工中, 沖壓是成形效率和材料利用率最高的加工方式之一, 其具有自己獨特的優(yōu)勢與特點。 面對嚴重挑戰(zhàn), 沖壓加工正以新的姿態(tài), 向鑄造、 鍛壓、 焊接和機械加工等領域開拓, 已經并正在生產出許多具有時代特點的產品, 展現(xiàn)了沖壓加工廣闊的天地。 例如沖壓發(fā)動機殼體、 沖壓搖臂、 沖壓搖臂座、 沖壓排氣管、 沖壓焊接成形的離心泵、 沖壓托架、 沖壓焊接成形的汽車后轎殼、 沖壓離合器殼體、 沖壓變速箱殼體、 沖壓皮帶輪等等, 所有這些不僅一改過去工件由鑄造、 焊接生產而呈現(xiàn)的粗笨外表, 許多沖壓件的精度也毫不遜色于機械加工的產品, 其結構合理性甚至要超過某些機械加工產品, 尤其是其生產率又遠非機械加工所能比擬。 而復合沖壓、 微細沖壓、 智能化沖壓、 綠色沖壓等高新技術又向我們展示了沖壓加工極具魅力的新領域, 可以說沖壓加工不論從深度, 還是從廣度上都大有作為, 前景美好。 四、設計的目的、要求和規(guī)劃 1、設計的目的 總結和鞏固基礎技術課程和專業(yè)課程中所獲得的知識，綜合應用這些知識，并將理論知識用于解決生產實際問題；通過設計使學生獲得課堂講授不易掌握的沖模結構知識；培養(yǎng)學生的設計、計算和繪圖能力，培養(yǎng)學生獨立解決沖壓范圍內工程問題的能力。 2、設計的要求 1) 鞏固和擴大本課程所學的理論知識。 2) 綜合運用本課程和其它課程的知識，能夠設計一般沖壓零件的工藝過程和模具。 3) 進一步提高設計、計算和繪圖能力，熟悉工程計算方法和技巧，正確繪制裝配圖和零件工作圖，要求做到 ：字體端正，圖面整潔。通過編寫計算說明書，提高總結技術問題與編寫報告的能力。 4) 熟悉使用機械零件手冊、沖壓設計資料（如《模具設計與制造簡明手冊》、《冷沖壓模具結構圖冊》）、技術規(guī)范、國家標準(如《冷沖模國家標準》)以及其它技術資料。 5) 樹立正確的設計思想，設計必須從實際出發(fā)，在設計中培養(yǎng)學生認真踏實的工作態(tài)度和工作作風。 3、設計的工作規(guī)劃 應充分研究設計任務書，了解產品用途，并進行沖壓件的工藝性及尺寸公差等級分析，對于一些沖壓件結構不合理或工藝性不好的，必須征詢指導教師的意見后進行改進。在初步明確設計要求的基礎上，可按以下步驟進行沖壓總體方案的論證。 1) 醞釀沖壓模具設計安排的初步方案，并畫出各步的沖壓工序草圖； 2) 通過工序安排計算及《沖壓模具結構圖冊》等技術資料，驗證各步的沖壓模具設計方案是否可行，構畫該道工序的模具結構草圖。 3) 構畫其它模具的結構草圖，進一步推敲上述沖壓工序安排方案是否合理可行。 4) 沖壓工序安排方案經指導教師過目后，即可正式繪制各步的沖壓工序圖，并著手按照“任務書”上的要求進行課程設計。 外文翻譯 基于透明塑性模型的中小型板材沖壓過程分析 摘要A 泰勒式結晶塑性模型應用于商業(yè)化的有限元分析軟件，在現(xiàn)代的主體立方結構（BBC）不銹鋼板加工過程中的反應的研究中，此模型被編碼成子程序。成型過程中板材的厚度變化用微型凹槽成型程序來檢測。板材不同厚度上晶體學取向關系的空間分布的效果也已經經過了論證?；诙ㄏ蛭睦淼陌宀难芯康臄?shù)據(jù)結果，也很好的與相關的學術測量實驗結果保持了一致。 關鍵字： 可塑性結晶； 板材成形加工； 有限元分析 1、 簡介 由于近年來微小型金屬部件需求量的不斷增長，中小型部件加工成型的發(fā)展引起了密切的關注。以前，基本尺寸僅僅被當做是結晶粒度和樣品尺寸/特征尺寸，近年來，一種所謂的“尺寸效應”在金屬響應方面扮演了十分重要的角色，在很多種荷載條件下發(fā)揮了非常重要的作用。 貝克爾采用了一種二維的有限元模型來檢驗金屬材料在平面荷載壓縮過程中的反應。水平荷載下質地的變化的報告不僅是基于相鄰粒度的極向錯誤，還綜合了有多個粒度間隔的晶粒的約束作用?？ɡ锒∧岬热擞靡粋€全隱式時間積分圖表論證了非常有預見性的一種泰勒結晶模型。基于模擬仿真的材料無氧高導電銅的應力應變性能和質地的變化都很好地與那些相應的鍛造過程中測量到的純剪力和平面應力數(shù)值保持了一致。哈伍德和麥克哈弗利用有限元分析監(jiān)測嵌入的敏感結晶塑性制劑的效果得到準確的計算結果。他們預測：必須要有高的網絲密度，才能在加工成形的過程中得到率相關的特征。趙先生等人用三種不同的結晶塑性模型評估了面心立方晶體金屬的質地紋理變化。他們提出以直接的數(shù)值模擬高網絲分辨率材料的方法被認為可行。這種方法可以給出更多關于晶粒變形和晶粒內部變化的精確的描述。 近期，李和Zabaras將非頻率依賴型固有關系應用于有限元模型來演示金屬中晶粒的單軸向力引起的應力應變。較小的晶粒大小產生相對較小的應力應變反應，這一結果與以往的實驗觀察的結果很好的保持了一致。 在過去，試驗中采用結晶基礎模型來研究很多的成型過程中金屬微觀結構和機械性能的變化。然而在近期，Beaudoin等人采用了結晶塑性模型來研究鋁制板材的液壓成型過程，而且闡明，他們預測的耳部位置和高度也和相關的實驗結果保持了高度一致。Nakamachi和Dong提出了一個全面硬化的結晶模型，并用一個數(shù)值動態(tài)變化的圖表來演示應力變形集中區(qū)域的慣性效應。Nakamachi等人得出如下結論：金屬的質地和紋理影響深度沖壓操作過程中拉應力的集中和耳子的形成。通過對結晶塑性模型的各向異性和成型性能進行有限元分析Chen等人也提出，金屬板材最初的質地和紋理對這些性能也有影響。 彭等人檢查了不同晶粒粒度的薄板材微小凹槽的加工過程，他們使用現(xiàn)象學的產量批判分析。他們發(fā)現(xiàn)，晶粒的粒度越小，板材可以獲得更好的成型性能。彭等人進一步建立了一個均勻的晶粒粒度分布的從屬組織模型，用以對金屬的表現(xiàn)作出解釋。在此過程中，他們在晶粒大小、板材厚度、板材寬度方面使用了相當大范圍的尺寸比例因子。但是，在此分析過程中，彭等人沒有引進嚴格的各向異性，這種各向異性在金屬板材的觀察研究中使用是非常普遍的。 在此，他們采用了泰勒式的結晶塑性模型，用于調查研究體心立方結構不銹鋼板材在沖壓成型過程中的反應。此過程中板材厚度的變化被用來與先關實驗中探測和測量得到的結果相比較。 2、 本構關系 從微觀的觀點來看，在一個特定的平面上沿著特定方向的滑移是相應較低溫度下塑性變形的主要機制。使用結晶體的方法，最主要的優(yōu)點在于：結晶體固有的表現(xiàn)可以在任意的加載途徑下被模仿，只要我們知道金屬滑移的過程和晶粒取向構成的參數(shù)。 鋼制金屬材料的各向同性彈性的線性方程假定如下，而且四向張量的彈性模量C可以用如下表（1）所示的形式表達。 C11 C12 C12 0 0 0 C12 C11 C12 0 0 0 C= C12 C12 C11 0 0 0 0 0 0 C44 0 0 0 0 0 0 C44 0 0 0 0 0 0 C44 在這里，彈性模量C11 、C12和C44 的值分別選擇為265.2GPa，113.6GPa和151GPa。 為體立方晶體假定的{110}和{111}滑移體系中，每個平面上都有六個不同的滑移平面，每個滑移平面上都有兩個不同的滑移方向。金屬中晶體的滑移造成的塑性變形，有著非常敏感的固有應變速率。對于那些比率敏感的金屬，當相應的滑移平面上分解切應力不同時為零時，所有的滑移系統(tǒng)都被認為是有活性的。因此，缺少獨特性，因為有效的滑移系統(tǒng)的測定是與外加的強制變形相關的。對于比率敏感的金屬，考慮到應變速率的敏感性，它的敏感度將會相應的降低。在此，我們使用一個冪函數(shù)關系式來敘述分解切應力τ (α)和剪切應變速率γ(α)，其中α th (α = 1, 12 )，滑移系統(tǒng)表示為： 在這里γ(α)表示α th滑移系統(tǒng)中的參考應變速率，m表示結晶體滑移系統(tǒng)中應變速率的敏感度?；葡到y(tǒng)的硬度，g(α )表示所有的滑移系統(tǒng)中剪切應變的總合的一個函數(shù)。為了方便起見，γ(α)的數(shù)量級被假定為和所有的滑移系統(tǒng)中一樣。滑移系統(tǒng)中硬度的演變通過以下的公式給出： 在這里，hαβ，硬化部件的矩陣，給出了a th滑移系統(tǒng)和b th滑移系統(tǒng)硬化比率之間的關系。這里采用的一個簡單的硬化矩陣可以表達為： 這里，qαβ，組件的硬化矩陣Q，是與在最初的滑移系統(tǒng)的基礎上自身的硬化比率，以及次要的結晶體滑移系統(tǒng)中潛在的硬化比率相關的。而且，h(β )是一個關于g (β )的方程，表示如下： 在這里硬度系數(shù)h0，a，以及滑移硬度系數(shù)gs在所有的滑移系統(tǒng)中都被假定成一個恒定的值。滑移硬度g0的初始值應該在公式中加以估計得到。對于體心立方晶格金屬材料，矩陣Q可以詳細寫成： 此處qc和qn在整個變形過程中也都假定為一個恒定值。它們代表了共面的或不共面的滑移系統(tǒng)中潛在硬化比率的概率值。上面的所有滑移系統(tǒng)的硬化參數(shù)都可以用單軸拉力實驗中得到的應力應變曲線來評估。 有限元分析的方法在這里繼續(xù)使用，并在有限元分析軟件ABAQUS中附帶使用用戶自定義的子程序UMAT ,以此來說明不銹鋼板材的變形過程?；葡到y(tǒng)硬度參量的選擇被包含在表格1所示的模擬中。薄型板材在平面變形壓應力的作用下的預加工處理，其紋理變化可以通過數(shù)值分析的方法得到。{110}中模擬的板材的極向圖，其作用條件是厚度方向的壓應力系數(shù)為0.85，如圖表1所示。這個極向圖表明（110）平面在一個偏角上變得協(xié)調一致，此角與平面上大多數(shù)由曲面法線和橫向規(guī)定相比，存在一個偏值。 單軸向應力應變在軋制方向的關聯(lián)是來自于結晶塑性模型的有限元分析。分析得到的紋理結晶方向的結果與SUS304板材的實驗測量結果保持了高度一致，特別是在張力相對較大區(qū)域的附近，如圖表2所示。 表1 滑移系硬化參量值 表1 {110}模擬極向圖 硬度系數(shù)選擇的合理性因此得到了驗證。 3、數(shù)值結果 由于結晶塑性模型通常需要密集的計算資源，這里使用并行計算格式。彭等人繪制了一張帶有詳細尺寸標注的示意圖來說明微型凹槽加工，如圖3所示。圖中也展示了有限元分析的單元特征。由于凹槽的跨度與工件的寬度相比小了很多倍，因此平面應力的變形可以得到合理的假定。帶有兩個參量的Mooney-Rivlin模型用來描述超彈性的橡膠金屬的變形，兩臺沖壓機和鋼模在這里都被認為是剛體。沿著凹槽的跨度和薄板厚度方向，分別用厚度在0.1mm的工件的80和5兩個二階平面形變四邊形元。軋制工件的每個部分最初的晶體學取向關系是從相同的網狀模型從提取的，這些模型處于平面壓縮張力的工況下，壓縮厚度張力為0.85.工件和柔性橡膠的接口處，哥倫布摩擦系數(shù)取值0.2，工件和剛性沖壓模具之間取值也相同。然后使用恒定的沖壓力將工件壓縮進入柔性橡膠。圖4演示了工件各種變形階段凹槽跨度上馮-米賽斯等效應力分布。在與沖模的圓角相接處的位置周圍，不均勻的應力分布可以很明顯的觀察到。當沖壓力達到規(guī)定值時，建立在模擬和實驗測量基礎上的板材厚度變化在圖5中得到論證。數(shù)值結果，首先帶著隨機分布的晶體學取向關系表現(xiàn)出板材的各向同性，這些結論也都被包含在圖中用于比較。從橫坐標上原始的指定點到凹槽中心線的距離為1.3mm。所有的模擬和測量值都顯示，板材最薄的位置大致出現(xiàn)在圖4所示的等效應力最高的區(qū)域。對最小厚度的評估使用的模型紋理方向和測量結果保持了高度一致，這個結果可以從圖5中得到。與此同時，使用的紋理方向隨機分布的模型，戲劇性的低估了這些區(qū)域的厚度。不過凹槽邊緣的厚度，模擬得到的厚度要比實驗得到的厚度薄。 圖2 基于表面織紋晶向有限元分析和SUS304板材實驗測量的單軸向應力關系 圖3.微型凹槽沖壓示意圖 圖4.在（a）25% （b）50% （c）75% （d）100%變形量時工件上凡米賽斯等效應力分布圖 圖5. 基于模擬和實驗測量的板材最終厚度分布 4、總結 有限元分析中應用的結晶塑性模型，可以理性的評估不銹鋼板材在微型凹槽加工操作中厚度的分布。表面織紋的晶向定位分析模型給出了相對公正的板材厚度公差的評估，并與相應的實驗測量數(shù)據(jù)做出了對比。板材初始晶向定位空間分布可以強烈的影響板材厚度的分布。模擬材料晶粒尺寸的大小和方向的分布，研究材料的反應，這一方法在將來的研究中可能得到廣泛的應用。