法蘭盤金屬件沖壓模具的計算機輔助設計方法*

□ 李薈斌 □ 潘文韜 □ 賴智成 □ 符業輝 □ 吳鎮鵬 □ 戴敬祥 □ 蘇圣云 □ 高浩然 □ 陳銀清

廣東石油化工學院 機電工程學院 廣東茂名 525099

1 研究背景

模具是工業生產的基礎工藝裝備,被稱為“工業之母”,75%的粗加工工業產品零件、 50%的精加工零件都由模具成型。模具涉及機械、汽車、輕工、電子、化工、冶金、建材等各個行業,應用范圍十分廣泛。沖壓模具具有知識密集和技術密集的特點,設計制造時存在難度大、周期長、制造成本高等問題。隨著我國智能產品的推進,產品日新月異,數字化、智能化成為新的趨勢,模具種類也不斷增多,大家都在為推動智能制造新時代的到來而努力探索。為了適應智能制造的發展,滿足用戶對模具制造高精度、低成本的迫切要求,模具設計與制造手段也應向智能化、標準化發展,模具工業正廣泛應用現代先進制造技術來加速自身的技術進步[1]。筆者以法蘭盤金屬薄板件沖壓模具為例,介紹模具的計算機輔助設計方法,包括卸料機構、推出機構、標準框架的選用,以及模具成型零件的設計與制造。

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,對稱結構。Q235A低碳鋼板材料塑性好,沖裁工藝性好。沖裁件生產綱領為年產量10萬件,屬大批量生產,適合應用模具生產[2]。

▲圖1 法蘭盤金屬件

根據沖裁件結構特點及生產技術要求,為了保證模具的制造精度及降低生產成本,選擇倒裝式復合沖裁模設計方案。

2.2 排樣設計

為保證沖裁精度,降低生產成本,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。查閱相關手冊,沖裁件之間的搭邊值設為1.5 mm,沖裁件與條料件側邊之間的搭邊值設為1.8 mm。經計算,單個沖裁件面積A1為15 393 mm2,條料寬度B1為144.6 mm,條料步距S為147.1 mm,一個步距內沖壓件數量n1為1,材料利用率η為[3]:

η=A1/(B1S)×100%=72.4%

▲圖2 排樣圖

計算總沖壓力時,首先確定沖裁力[4]。變形區的實際變形情況比較復雜,因此采用材料抗剪力因數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,零件或廢料從凸模上卸下來的力稱為卸料力FX,從凹模內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凹模中的零件數量N取3。查閱相關國標,取卸料力因數KX為0.05,推件力因數KT為0.055,頂件力因數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 沖壓設備選擇

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

3 模具設計

模具總體構成如圖3所示,采用標準模架,重點設計卸料機構、推件機構及成型零件。

▲圖3 模具總體構成

3.1 卸料機構

卸料機構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,卸料機構正常工作時,直接影響模具的工作效率及正常運行。模具在工作過程中需要卸下工件、條料廢料、沖孔廢料等,從模具的結構方面考慮,應盡量簡單。沖孔廢料設計為自動排出,針對條料廢料,采用彈性卸料機構。彈性卸料機構如圖4所示。

▲圖4 彈性卸料機構

3.2 推件機構

法蘭盤金屬件的沖壓力大小為中等,需要的推件力較大,從工作穩定性、可靠性方面考慮,選用剛性推件機構卸下法蘭盤金屬件[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構,落料沖孔凸凹模采用凸緣式結構。模具刃口尺寸選用配合加工法計算,即落料以凹模為基準,沖孔以凸模為基準。刃口尺寸計算結果見表1[7]。

表1 刃口尺寸計算表

所設計的模具成型件三維圖如圖6所示。

▲圖5 剛性推件機構

3.4 標準模架與坯料送進機構

選用符合DB/T 2851.6—1990標準的滑動導向中間導柱圓形模架,結構簡單,操作方便。坯料送進機構選用導料銷導料、擋料銷定位的常用結構[8]。標準模架如圖7所示,坯料送進機構如圖8所示。

4 設計方法

采用計算機輔助制造、計算機輔助工程技術進行計算機輔助設計[9]。總裝圖采用Pro/Engineer參數化軟件進行三維建模和設計,并仿真分析各構件。設計合理后導出工程圖,應用AutoCAD軟件按標準格式繪制二維圖,應用Mastercam軟件進行編程加工,真正實現了一體化參數設計。

▲圖6 模具成型件三維圖

▲圖7 標準模架

▲圖8 坯料送進機構

4.1 計算機輔助設計繪圖

應用Pro/Engineer軟件設計模具三維總裝圖,Pro/Engineer是現今主流的計算機輔助設計、制造、工程軟件之一,在國內產品設計領域占據重要位置。模具三維總裝圖如圖9所示。

▲圖9 模具三維總裝圖

在Pro/Engineer軟件內導出產品的二維圖和各零件圖,再應用AutoCAD軟件按標準格式及正常投影關系繪制標準二維圖。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

一體化設計優點如下:① 利用裝配校核好的三維圖導出二維效果圖,可減少繪圖的尺寸錯誤,相當于自動校核一次;② 繪制效率高,修改方便,應用軟件內的標準件圖庫,減少重復繪制,能有效縮短設計周期。

4.2 計算機輔助制造

應用Mastercam軟件,對已設計好的核心成型零件進行計算機輔助制造編程加工。Mastercam軟件可以將計算機輔助設計造型和計算機輔助制造數控編程集成于一個系統環境中,完成零件造型、刀具路徑生成、加工模擬仿真、數控程序生成,與數控機床進行通信完成數據傳輸,最終完成零件的加工。在Mastercam軟件中,完成所設計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控程序編制,操作流程為,讀取Pro/Engineer軟件設計的三維圖,分析零件加工工藝,設計刀具路徑,選擇合適的切削參數,仿真校驗,后處理數控程序運行,與數控機床通信,將程序傳送至各數控機床控制系統,各數控機床可以直接運行程序加工零件[10]。刀具路徑設計如圖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 刀具路徑設計

▲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 結束語

筆者介紹法蘭盤金屬件沖壓模具的設計與制造,采用計算機輔助設計與計算機輔助制造一體化參數設計,在模具設計過程中應用 Pro/Engineer、AutoCAD、Mastercam等軟件,創建模具三維模型,導出二維圖,將設計好的零件圖導入Mastercam軟件進行計算機輔助制造加工。模具一體化參數設計有效保證了尺寸準確,出錯率低,設計周期短,模具整體結構精簡,工藝參數合理,充分展現了現代產品的設計方法,為同類模具和產品的設計與制造提供了借鑒。