复杂拉延件低熔点合金模具设计.docx
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复杂拉延件低熔点合金模具设计.docx
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复杂拉延件低熔点合金模具设计
毕业设计论文
题目复杂拉延件低熔点合金模具设计
学生姓名xxx学号xxx
所在院(系)材料科学与工程学院
专业班级材料成型及控制工程xx班
指导教师
2012年6月1
毕业论文﹙设计﹚任务书
院(系)材料科学与工程专业班级材料成形及控制工程学生姓名
一、毕业论文﹙设计﹚题目复杂拉延件低熔点合金模具设计
二、毕业论文﹙设计﹚工作自_2012_年_2_月__20_日起至_2012_年6月_8_日止
三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:
四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求:
低熔点合金冲压模具是采用熔点较低的有色金属合金作为铸模材料,以样件为基准,在熔箱内铸模成型的一种冲压模具。
20世纪后期,低熔点合金模具在中国得到广泛应用,特别在汽车覆盖件拉深成型模具方面,更显其优越性。
21世纪多品种小批量生产方式占工业生产的比例达到75%以上。
由此可见,一方面是制品使用的周期缩短,另一方面花样变化频繁,这就要求模具的生产周期愈短愈好,并且先进制造技术对低熔点合金模具制造产生了重大的影响,反过来,拉延成型新技术的产生与发展也对制造技术不断提出了新的要求。
低熔点合金模具的最大特点是:
凸凹模可以通过铸模同时成形;铸模后,凸凹模之间的间隙均匀,使用时不需要调整;可在压机上直接铸模,铸后即可使用;铸模合金材料可反复熔铸,或改制其他模具。
目前由于钢模制造周期长、难度大、成本高,这些不足在中小批量生产和新产品试制时更显突出。
低熔点合金冲压模具的出现改变了这种状况,其模具制造简单、周期短、成本低、改型快,且模具材料可以反复使用,从而为大型薄板冲压件的生产开辟了一条新的途径。
近年来,低熔点合金制模技术已经开始在冲压件的实际生产中发挥越来越显著的作用。
本课题是针对低熔点合金模具成本低、可重复使用等优点,针对小批量生产的拉延件进行低熔点模具设计。
研究内容:
(1)查阅与低熔点合金模具设计相关的文献资料;
(2)翻译与本专业或本课题相关的外文资料1~2篇;
(3)根据所给拉延件的特点,进行低熔点合金配方选择;
(4)根据零件的批量大小,进行相应的样件设计;
(5)进行熔池、加入系统等服饰附属装置及模具零部件设计;
(6)收集整理相关材料,撰写毕业论文。
进度安排:
第1~4周:
查阅与低熔点合金模具设计相关的文献资料,明确本课题研究的目的及意义,目前的现状及存在的问题,完成开题报告,并准备开题答辩;翻译一篇与本课题或与本专业相关的外文资料1~2篇。
第5~14周:
进行低熔点合金配方选择,并根据工艺过程完成相应的模具设计,完成各零部件及样件的设计。
第15~16周:
收集整理图纸,撰写毕业论文并准备毕业答辩。
参考文献:
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指导教师系(教研室)材料成形及控制工程
系(教研室)主任签名
批准日期2012年12月接受论文(设计)任务开始执行
日期2012年2月20日学生签名
复杂拉延件低熔点合金模具设计
[摘要]本设计是复杂拉延件低熔点合金模具设计,根据拉延件形状复杂,生产批量小等特点,确定了拉延件的加工工艺方案,前两道工序采用拉深模具完成,第三道工序由低熔点合金模具完成,本论文主要介绍低熔点合金模具的制作方法,即由铋锡二元低熔点合金作为铸模材料,根据样件无凸缘及其形状复杂等特点,完成了曲面凸缘样件的设计。
根据样件又设计了相应的熔池结构,熔池加热、冷却及卸料排气等附属装置,还有凸模架,压边圈架等工作零部件的设计,熔池和凸模架、压边圈架都采用焊接工艺完成。
整个过程采用AutoCAD软件绘制模具的二维装配图和个别零件图。
低熔点合金模具克服了钢模的制模周期短,经济成本高等缺点。
[关键字]复杂拉延件;低熔点合金;模具设计。
Low-meltingpointalloymolddesignofcomplexdrawing
ShiYanYan
(Grade08,class4,majorMaterialformingandcontrolengineering,ShanxiUniversityofTechnology,hanzhong723003,shanxi)
Tutor:
ZhangHui
Abstract:
Thisdesignisalowmeltingpointalloydiedesignofcomplicateddrawingparts,accordingtothecharacteristicofdrawingparts‘scomplexedshapeandproductionbatchissmallwait,wedeterminedthedrawingpartsprocessingtechnologyprogrammes,thetwoprocedureadopteddrawingdiecomplete,andit’sthirdprocessbyalowmeltingpointalloydiecomplete,thispapermainlyintroducesthelowmeltingpointalloymouldmakingmethod,thatisusethetwoyuanoflowmeltingpointalloyascastmaterials,accordingtothesamplewithoutflangeanditsshapeiscomplexwaitforacharacteristic,finishedsurfaceflangeprototypedesign.Accordingtotheprototypeanddesignthecorrespondingpoolstructure,weldpoolheating,coolinganddischargingexhaustdevice,andtheconvexmold,pressingedgeringframeandotherworkingpartsofthedesign,theweldpoolandtheconvexmold,pressingedgeringframebyweldingprocessiscompleted.ThewholeprocessusingAutoCADsoftwaredraw2Dassemblyandparts.Lowmeltingpointalloydieovercomesthesteeldieshortmoldingcycle,economicdisadvantageofhighercost.
Keywords:
complexdrawing;low-meltingpointalloy;molddesign.
摘要
Abstract
1前言
1.1低熔点合金模具概述
低熔点合金模具属于简易模具,是采用熔点较低的有色金属合金作为制模材料,以样件为基准,在熔箱内铸模成型的一种模具。
上个世纪后期,低熔点合金模具在我国得到广泛的推广应用,特别在汽车覆盖件拉伸成型模具方面,更显其优越性。
[1]低熔点合金模具可压制的材料为08F、Q235、Q235铜、铝、不锈钢等。
厚度可在0.3~3mm之间,不宜太厚,而以t<1,5mm为最佳,当压制厚度为1.5mm钢板时,其一次冲压寿命约为3000件。
[9]
1.1.1低熔点合金模具特点
低熔点合金最大的特点是:
低熔点合金模具的最大特点是:
凸凹模可以通过铸模同时成形;铸模后,凸凹模之间的间隙均匀,使用时不需要调整;可在压机上直接铸模,铸后取出样件,修光型腔,即可使用,并且能压制出合乎要求的工件;铸模合金材料可反复熔铸,或改制其他模具。
低熔点合金还具有以下优点。
(1)制模工艺简单
低熔点合金模具采用铸模成形,省去大量机械加工工作量,特别是对大型覆盖件的形状复杂模具,均不需要大型专用设备,如数控仿形铣床等。
与钢模相比,制模工艺简单,降低了模具制造难度,一工厂均可制造。
(2)制模周期短
由于铸模工艺较机械加工节省了大量工时,省去了较费工时的研配、调整型腔间隙等工作,与同类钢模相比,制造周期可缩短80%左右。
(3)成本低
低熔点合金,在模具中占有相当比例,可节省大量钢材。
同时合金材料可以长期反复使用,损耗很小。
模具失效后,合金材料仍可继续使用。
与钢模相比,模具制造成本可降低60%~80%。
(4)有利于提高产品质量
低熔点合金材料强度较低,因此在冲压过程中不易出现拉伤、划痕等缺陷,有利于提高冲压零件的表面质量。
由于合金模具的型腔间隙均匀,加工零件的几何形状和尺寸精度容易保证。
低熔点合金模具与钢模制造情况对比如表1.1。
可根据生产情况与设备条件决定是否使用。
[1]
表1.1低熔点合金模具与钢模制造情况对比见表[1]
对比项目
低熔点合金模具
钢制模具
成形材料
低熔点有色金属合金
模具钢
制模方式
铸造成形
铸或锻坯——机械加工
制模技术
容易
困难
制模设备
较少、通用
较多、专用
制造成本
低
高
制造周期
短
长
使用寿命
短
长
重熔再制
可以
不能
生产批量
中、小批量及新产品试制
大、中批量
1.1.2低熔点合金模具材料
1.低熔点合金模具对材料的要求
(1)熔点低
熔点低易于溶化,可以方便在压机上进行铸模,用于此模具的铋锡合金熔点为150℃左右。
(2)具有一定强度
模具在冲压时要承受一定的压力,所用合金材料必须有一定机械强度,材料强度越高,模具使用寿命就越长。
目前,用于模具的合金材料,其抗拉强度σb=50~100МPa,布氏硬度15~25HBS。
(3)冷凝时胀缩率
制作模具的低熔点合金材料,理想胀缩率最好等于零,即凝固时既不膨胀也不收缩,但这样的合金极少,只要合金材料的胀缩率尽可能小或略有冷胀性即可,这样,铸出的模具才能保证型腔几何尺寸准确。
(4)反复熔铸特性稳定
低熔点合金模具一般用于小批量生产或新产品试制,要经反复重熔,其重熔后特性应该稳定。
[1]
2.低熔点合金模具的材料及分类
低熔点合金材料的种类很多,但能够用来制模具的材料并不多。
常用的低熔点合金模具材料主要有铋锡二元合金、铋锡锑三元合金及铋锡铅锑四元合金。
(1)铋基合金。
这类合金系以铋为基,与锡、、锑、镉、铝、铜、镁等元素所组成的二元、三元、四元与五元合金。
因组成元素的不同,该类合金熔点范围为47~370℃。
(2)锡基合金。
该合金以锡、铅为主体,由于不含铋,固其冷凝时有冷缩性。
(3)铅基合金。
该类合金以铅、锡为主体,可与铋、锌、锑、镉等组成三元或四元合金。
其特点是凝固的温度范围较宽。
由于铋的膨胀率可达到3.32%,为其他元素所不具备,能使合金在铸造后的收缩率小,故铋基合金应用的较多。
[6]
1.1.3低熔点合金模的设计原则
所有低熔点合金成形模均需要依靠样件铸造制模,所用的样件可以用金属或非金属材料(玻璃钢)或工件加以改制制成。
样件的形状与尺寸依据模具型腔而定其精度和表面质量决定着模具型腔的精度和质量。
1.1.4低熔点合金模具的铸造制模工艺
该模具的铸造制模工艺分为自铸模工艺和浇铸模工艺两大类。
(1)自铸造制模工艺。
先将熔箱内的合金融化,之后浸放样件及凸模连接板,合模冷却。
待合金冷却后分模,样件便把合金分隔成凸模和凹模,这种铸模工艺即称为自铸造制模法。
若自铸造制模在压力机上进行,则称其为机上自铸造制模。
如果不是在压力机上进行称其为机下自铸造制模。
[9]
工艺图如图1.4(a)所示。
(2)浇注模制模工艺。
先将样件及其他零件安装、调好位置,再把融化的合金浇注进型腔,待冷却后分模,由样件将合金分隔成凸模和凹模。
此种铸造制模工艺称为浇注模制模工艺。
此过程若在压力机上进行,则称其为机上浇注模制模。
如果不是在压力机上进行称其为机下浇注模制模。
[9]
铸模工艺图如图1.4(b)所示。
(a)
(b)
1.熔箱壁2.样件3.压边圈4.凸模板5.固定螺钉6.凹模板7.合金8.电加热器
9.凹模座10.凸模11.凹模
图1.1铸模工艺图[2]
由文献[1]可知,在压力机上的铸模工艺流程如图1.2.
图1.2压力机上铸模流程
1.1.5低熔点合金冲压成形模结构
低熔点合金冲压成形模基本结构分为三部分:
(1)完成冲压工作所需的结构零件,包括凸模、凹模、压边圈三部分。
低熔点合金的凸模、凹模具一般由合金铸成,凸模一般由凸模架、凸模板、凸模、螺钉和镶块等组成;凹模是合金在熔箱内熔化成形的,也可以是钢制的,其外形尺寸由坯料尺寸决定,略大于坯料尺寸内腔尺寸按样件要求决定;压边圈可由钢制或合金铸成,压边圈架是压边圈与压机滑块相连的一个框架,通常由压边圈架由压边圈,压边圈连接板,固定螺钉,压边圈架组成。
(2)完成铸模所需要的结构零部件,包括样件、主熔箱、副熔箱、加热器、冷却系统、测温装置等。
副熔箱是冷却时,调整液面高度用的。
①样件
铸模样件简称样件,是用与冲压零件厚度相同的板料制成,是根据零件形状,尺寸和制模工艺要求制成的一种铸模型腔。
样件应具有的条件
(a)样件应根据产品零件图或零件的工艺模型设计,必须具有正确的几何形状、精确的尺寸和良好的表面粗糙度。
(b)应具有足够的强度和刚度,保证在铸模过程中不变形,所以必须设计加强筋。
(c)样件的厚度与零件厚度一致,而且厚度要均匀。
(d)样件上要合理布置一定数量的合金溢流孔。
(e)样件上应设计合理的拔模斜度,一般拔模角为1°~3°.大值取3°~5°,避免倒锥现象发生。
(f)与合金不粘结,容易分模。
(g)材料来源充足,成本低。
[9]
②样件结构
样件的结构必须满足三个方面的要求,即产品零件图,冲压工艺要求和铸模工艺要求。
(a)平面凸缘零件的样件设计
零件有凸缘,而凸缘又是垂直于拉伸方向。
这类较简单零件的样件与其零件基本相同,其几何尺寸按零件要求设计,但凸缘部分的尺寸比零件大,由模具压料面决定。
用于平面凸缘零件的低熔点合金拉深成形模,压边圈和凹模板一般均为钢制。
当选用钢凹模板时,应确保样件的凸缘平面和凸缘圆角,与凹模板的平面和圆角部分吻合(图1.2a))。
此时,拉深凹模圆角由钢凹模圆角代替。
两者不吻合,将对铸件产生不利影响。
如图1.2b)样件的圆角过大,造成样件凸缘面不能与凹模板上平面贴平,铸模后,使凹模深度过浅。
如图1.2c)样件圆角小,铸模时合金将充填两者之间的间隙。
铸模后,在凹模板拉深圆角外层,浮靠着一层合金,连接很不牢固,拉深时,合金极易剥落,使凹模圆角表面状况恶化,影响拉深件质量和模具使用寿命。
样件和钢凹模板配合情况由文献[1,376]可知,如图1.2所示。
a)
b)c)
图1.3样件与凹模板配合[1]
a)配合正确b)样件的圆角过大c)样件的圆角过小
1.样件2.凹模板3.合金凹模
(b)曲面凸缘零件样件设计
拉深件的凸缘是曲面形状时,低熔点合金拉深模的压料面也应是曲面形状,两者曲率一致此时的压料面是在增加工艺补偿以后的情况。
对曲面凸缘零件的合金拉深模,不设置钢凹模板,而是在铸模时,将压边圈和凹模面同时铸出。
为提高凹模圆角处的强度和耐磨损寿命,可采取镶钢口的措施。
该类零件的样件应设计成有挡墙的结构。
挡墙的作用是分隔合金。
内挡墙用来分隔凸模合金和压边圈合金,并使两者之间保留一定间隙。
内挡墙设计成人字形,以便于出模。
人字形不能过大,否则铸出的凸模和压边圈间隙大,在拉深后期,将使坯料因压边力过小或失去压边作用造成失稳起皱。
外挡墙是用来分隔压边圈和金和凹模合金的。
外挡墙比内挡墙厚,可以加强样件的刚性。
外挡墙高度H用来保证形成一定厚度的合金压边圈。
大型零件合金压边圈厚度不小于30mm,中小型零件压边圈厚度应不小于20mm。
外挡墙高度比内挡墙低5~10mm,可用于观察和控制合金的分隔情况。
外挡墙的周边尺寸应比坯料大30~50mm。
(c)不带凸缘零件的样件设计
如果零件本身无凸缘,可按覆盖件工艺设计优化方法,增加工艺补偿,选择合理压料面。
对于形状简单的成形零件,样件可设计成平面凸缘结构。
对于几何形状复杂的零件,如汽车,拖拉机的覆盖件,周边拉深深度不一致,金属板料变形不均匀,样件应设计为曲面凸缘结构,一条街拉深深度,使板料变形均匀。
样件上凸缘的作用是:
便于拉延过程中对坯料进行压边,防止起皱;
为拉延零件留出适当的切边余量;
在铸模时,能铸出合适的拉延凹模口圆角;
固定样件,防止铸模时样件下沉。
(d)样件上的合金溢流孔
样件凸缘是曲面或平面,在样件底部均应有合金溢流孔,孔的大小和数量,应保证液态合金在一定时间内,顺利充满样件内腔,同时在分模时不至于造成困难。
大型样件以20分钟被合金充满样件内腔为宜,中、小型以10分钟左右为宜。
合金溢流孔孔径,大型样件取5~7mm,中小型样件取3~5mm。
(e)样件的制造
杨戬的制造方法有两种:
一种是把标准冲压产品做样模,但要检查几何形状是否符合样模制作的工艺,不然要改制其结构,如拔模斜度;或按产品图纸用人工敲制的铁皮样模,另一种是用树脂、玻璃钢糊制的玻璃钢样模,他要先准备好主模型,然后按主模型几何形状仿制。
(f)模具上镶钢结构
低熔点合金冲压成形模镶钢,是指在合金凸模或凹模的局部嵌上钢块,主要在合金模具受力最大,磨损最严重的部位,如凹模圆角处,局部成形的凸台等处。
对较厚材料,如料厚大于2mm的零件冲压时,在模具上必须采取镶钢措施。
镶钢的目的:
提高具寿命;改善低熔点合金强度低,硬度低等缺点。
下图1.3为凹模口镶钢结构。
[1]
图1.4凹模口镶钢结构[1]
1.样件2.固定铆钉3.冷拉圆钢4.固定螺钉5.合金凹模
(3)完成冲压工作所需的辅助结构零件,包括顶出器、进气管、排气管以及导向、定位装置等。
[1]
在拉延深度较大的零件时,需要排出凹模中的空气,故在模具中要留有出气孔。
在铸模时刻采用预埋出气管或铸模后钻取出气孔的方法。
对于预埋排气管,在融化合金时,不得有合金流入管内,再次融化之前必须封死,一方合金流入,赌塞管道。
1.2国内外模具研究现况及发展趋势
低熔点合金模具以铸造方法代替机械加工制造模具,用该法制造模具手续简单,是近年来发展比较快的新工艺,受到国内外同行的普遍重视。
这种模具特别适用于薄板冲压件的弯曲和拉深,尤其对大型而曲面不规则的冷压冲模,因凸凹模间隙均匀能获得强度高而刚性好的冷压件,其功效更为显著。
快速模具技术是20世纪70年代在我国兴起的低熔点合金(Bi.sn系列)和锌合金(zn.A1.Cu系列)的铸造成型技术,主要在金属板材的拉深、弯曲、成型、冲裁和型腔模具方面,特别是汽车、农机、轻工、电子等行业的新产品试制以及中小批量生产、板材冲压工艺试验具有明显的优越性。
与钢模相比,制模周期缩短80%~90%,成本降低50%左右。
近年来,随着快速原型(RapidPrototyping,RP)技术的不断发展和日趋完善,给低熔点合金及锌合金快速制模技术注入了新的活力。
使传统的制模工艺由设计-样件模型-铸模-成型,改进为直接由CAD数据生成模具或过渡型,减少了样件制造、尺寸精度差的问题。
目前能够直接用于快速模具的RP工艺有激光选区烧结(SLS)、喷射成型的三维打印(3D—P)、形状沉积制造(sDM)和三维焊接(3D—Welding)等等。
低熔点合金、锌合金快速模具技术与多点无模成形技术、喷涂成形、电铸模、金属颗粒或纤维增强环氧树脂模具、粉末烧结和等离子熔射成型等工艺相互渗透,取长补短,会更加完善。
[2]
目前在国内汽车厂最大的低熔点合金模具,铸模熔箱尺寸为2200mm×l700mm×600mm,共用我们新型低熔点合金材料20t,采用我们的材料成形工艺,解决了大体积熔箱凝固体积膨胀不的问题。
该套模具已成为该厂覆盖件生产和改形的主力军。
早在20世纪40年代,国外在飞机半斤零件的落压成型生产中就采用过熔点较低的铅锌模,落压一批零件后,将模具重熔在铸新模。
由于铅锌模具强度低,容易损坏等缺陷,后改用以锌为基体的锌基四元合金和原先的铅锌模没有区别,至今在飞机制造厂中,仍在大量用于制作各种成型模
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