3151 鎂合金筆記本電腦外殼沖壓模具設計

3151 鎂合金筆記本電腦外殼沖壓模具設計,鎂合金,筆記本電腦,外殼,沖壓,模具設計 、 鎂合金筆記本電腦外殼沖壓模具設計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。、 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、 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。、 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、 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。、 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 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=292.250-0.035Dd2=(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H/B=18.9/260=0.07r/B=3/260=0.0115t/Dｘ100=1/297 ｘ100=0.33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 零件名稱材料 板料規(guī)格毛坯尺寸毛坯可制件數材料技術要求共 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、 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、 垂直斜楔修邊復合模J31—2500壓力機水平垂直修邊復合模、 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。、 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、 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。、 t/2B>t B

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