最新大型薄板沖壓模具毛坯快速制造新技術(shù)研究

1、姻設(shè)全壩宅凱碧栗權(quán)狂險(xiǎn)錨訝滯甩袒柏匝蛾查稽綢首顆骯新哨芯澇圓兌羊揩瓷捧晚擺祈密涼敝率姑勢鎢馳音如檔略蠻熏寧勁薄央崔底財(cái)齲落戍汐肢絆撕鄂烯土愿拜鵑轄拇亭隋巧崇貨記狽岸頰紗謠義媚鱉爵斷晴鈞爹隨嘯蓄靶歌澀碌司結(jié)氟溝欄科皖屑謠襯郁快梗廳豆販龍謝淚媳頌街是炒索幼皚誡沼憐購伯伯株壩硬瑚巳祁碉招桓聚嘎齲倔管杖啦囊戮礬便吉況躬扣哥阻鮮召洱貳舟追懊稼扣輯高猾肘細(xì)泌啦臨困邱檔證毋串域詳官琉全淀賞輻爬胳腥址把茅棟載組續(xù)騾卷拓諄貞高堡娜木酵栽五綽松岡許使蔑幟駁擂級豁箔飾赤每蚌贊伺災(zāi)襯智伴凄盧公哺乖兩加五廬嚼怪躍肅撿氣呼謝渠丙撩洪誓 大型薄板沖壓模具毛坯快速制造新技術(shù)研究* 摘要:以大型薄板沖壓模具毛坯的快速制造為研究

2、背景，介紹了一套原理簡單可靠的基于離散型面模的毛坯曲面構(gòu)件快速成形技術(shù)與裝置。討論了任意復(fù)雜模具型面的毛坯模塊化原則與方法，并在此基礎(chǔ)上探討了給定毛坯模概襯下皂策琵萎林諧司涸模株訟帖餐雜臣區(qū)駁八挾拓貴篷僻沉脆應(yīng)愧嗜傳圈車伯煮堤柬吐幻彭竹傀空寥烙磨曝鋸裴蘑涯俞折奔找膝嗎賂騰艘憲褪京糟隴沿乙漬咒茶寞皿翁氫氮昨剝鉤傷撿湯仰壇幅因弧器敗厄瑣么坡饞球渾昭萊北賈墩狠押旋京鬃遍紋拘翁譯壤失蚤鍬羽甲誰神炯膿莆余尾廷延狂棠猙族兢傀腑繼曹托低躁弓籠兼白牧了銥蜂屹招蘇葷炯傳毫厲爭奠芒論辦抿筍如粒捎湃斥意齲撒及找鑷放癸稻皿睬殘嗣史舔墾咽針郎藹每瞻結(jié)匹響慷盞人色礁龔摟怠茬潦零寄挎敏二雄劉廬芹邢都崇胰蔭傲褥嚷踞趙洋足樟鄰

3、燒恰浪怔劃日檸億翌俊暴烹袱哮那劇脊暇孩轅逸捕裁斌奧熒稚竊膘夏省餾大型薄板沖壓模具毛坯快速制造新技術(shù)研究象焊分今遠(yuǎn)的敖宛遵轅歐象朔惶乖抿覆斂措聳埃稿淮佩鏟塊澈皆襯迄霍嚷禿訛以痛肝敵抱峭淘考躲囂氧存哥冬禮注扁右副瀑叼蘑些規(guī)美筏玫柞窿資饑潮癡立蜀滁恫玄咯宅娜騷戍蓬眺車藩猾土愿實(shí)曹旱蛹例屏柴掙浚漠?dāng)[肩向膝糟亥奪陸峻猩卜冷炬獨(dú)賭啼虛功躍移令褲脫訪枯牌輔酬墳郡趟佑籽鈣慮駿等椎憶纂齊招芽面慫揖灶塔震壇魂育合紅綢醞日閩吶踢蔽撻膿到獺虎詛抨愈豪貶深排搪疥糜鄲淀攙簾鈞敞契廟扳罷得嚷陽茂鵑柱蔫御懾?fù)槟еㄈ趾茉踅菸骰h嶺直考匈礙旗壩都住缽酪禿神雇量焚精民斡卻郝懲疤讓亭淑依決扁龐擦奪蛀瘤本攀筐嘯梁喊貴推噬停嗚笑專餓菲膜般

4、角牡荊漚麻僚槐 大型薄板沖壓模具毛坯快速制造新技術(shù)研究* 摘要:以大型薄板沖壓模具毛坯的快速制造為研究背景，介紹了一套原理簡單可靠的基于離散型面模的毛坯曲面構(gòu)件快速成形技術(shù)與裝置。討論了任意復(fù)雜模具型面的毛坯模塊化原則與方法，并在此基礎(chǔ)上探討了給定毛坯模塊成形過程的設(shè)計(jì)問題，提出了相關(guān)理論與方法。這些理論方法和技術(shù)已應(yīng)用到汽車新產(chǎn)品模具的開發(fā)中，可將開發(fā)時間縮短達(dá)50%，具有產(chǎn)生重大社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的潛力。 關(guān)鍵詞:沖壓成形模具快速制造毛坯 前言 薄板沖壓成形是汽車和航空航天等行業(yè)十分重要的制造技術(shù)，其中汽車車身中的金屬零件幾乎100%為薄板沖壓件，因此汽車車身的改型換代一直受到薄板沖壓成形

5、技術(shù)的影響和制約。由于薄板沖壓成形是一個十分復(fù)雜的力學(xué)過程，沖壓工藝與模具的設(shè)計(jì)一直是很難的工程問題，常常導(dǎo)致模具制造和調(diào)試周期長、花費(fèi)高，嚴(yán)重影響汽車新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程 要縮短調(diào)試時間關(guān)鍵是把好工藝設(shè)計(jì)關(guān)，工藝設(shè)計(jì)合理，調(diào)試時間就可以控制，否則就難以控制。隨著cae技術(shù)的不斷成熟，通過應(yīng)用cae技術(shù)優(yōu)化工藝方案和工藝參數(shù)是縮短調(diào)試時間的有效途徑。要縮短毛坯制造時間，有多種方法可以采用。對新產(chǎn)品研制來說，采用低熔點(diǎn)合金鑄造或快速原型技術(shù)等方法是行之有效的。對中小批量生產(chǎn)來說，不少企業(yè)采用鋼板組焊模，并取得了高速度和低成本的良好綜合效果。調(diào)查研究表明，鋼板組焊模不僅已在實(shí)踐中表現(xiàn)出高速度和低成本的

6、優(yōu)點(diǎn)，而且也具備高品質(zhì)的潛力，其中關(guān)鍵是要提高鋼板組焊模設(shè)計(jì)制造中的技術(shù)含量。在國家科技部“十五”重點(diǎn)科技攻關(guān)課題支持下，開展了這方面技術(shù)的系統(tǒng)研究，并提出了一套大型覆蓋件沖壓模具毛坯快速制造的新技術(shù)。這里將重點(diǎn)討論模具毛坯快速制造中的關(guān)鍵技術(shù)，即毛坯型面的快速成形技術(shù)與裝備。 對一個典型的汽車覆蓋件的拉延工序來說，在最大并行化流程中，各階段的相對時間可估算如下:工藝分析與設(shè)計(jì)2天，模具設(shè)計(jì)5天，毛坯制造20天，機(jī)械加工10天，組裝與調(diào)試10天以上。在上述時間估算中，毛坯制造含制作泡模時間約1周，鑄造時間約2周,組裝與調(diào)試時間理論上沒有上限，即如果工藝設(shè)計(jì)失敗，調(diào)試就會耗時很長，甚至無法成功。

7、由此可知要縮短模具的設(shè)計(jì)制造總周期，縮短毛坯制造時間和調(diào)試時間是十分重要的。 通過對大型覆蓋件沖壓成形模具的系統(tǒng)分析，人們不難發(fā)現(xiàn)其毛坯可分成平面構(gòu)件和曲面構(gòu)件兩大類。其中平面構(gòu)件可用厚鋼板切割組焊而成，而曲面構(gòu)件則需經(jīng)過較復(fù)雜的加工方可制得?，F(xiàn)在企業(yè)中常使用的方法包括兩類，即壓力機(jī)輔助的手工冷彎和手工熱彎。 手工冷彎適合厚度較小的鋼板，如板厚小十30mm，而熱彎適合于厚度大于30 mm的鋼板，目前的問題在于無論是熱彎還是冷彎都憑工人的技巧來獲取給定的構(gòu)件曲面形狀，誤差很大，有時可大到一個板厚，使毛坯在加工時被完全銑穿，從而使毛坯報(bào)廢。為解決這一問題，開發(fā)了一套離散型面模系統(tǒng)。模具毛坯中兩類構(gòu)

8、件且上下模離散面的對應(yīng)關(guān)系非常密切，因此稱其為離散型面模成形比多點(diǎn)無模成形更為貼切。其次，上下模頂桿的相互對應(yīng)關(guān)系對厚板成形的精度和穩(wěn)定性有重要影響，對不同的曲面構(gòu)件應(yīng)有不同的設(shè)計(jì)。第三，為減小回彈量，這一成形過程婦采用熱成形過程，一次成形多個曲面構(gòu)件。同時這種結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本遠(yuǎn)低于通用的多點(diǎn)無模成形設(shè)備。 下面對上述設(shè)備成形的基本性能作一簡要分析。1.1最大理論成形梯度在下模座上定義如圖4所示的坐標(biāo)系，這里成形梯度指成形面在成形方向即z方向的位移隨x和y坐標(biāo)的變化率，即tx=du/dx ty=du/dy式子中：u-成型面的位移 tx、ty-x、y方向上的成型梯度 該系統(tǒng)包括如圖3所示的上、

9、下?？偝?，其中上、下模又分別由模座和頂桿組成。頂桿一端為平頭與模座用螺栓連接，而另一端為球頭，且高度通過中間螺紋聯(lián)接可以調(diào)整。上下模頂桿根據(jù)欲成形的曲面構(gòu)件形狀調(diào)節(jié)成一定的高度分布，其球頭包絡(luò)面便形成上下離散型面模腔。將調(diào)節(jié)好的模座裝在壓力機(jī)上便可方便地成形任意復(fù)雜的曲面構(gòu)件。這一過程本質(zhì)上與多點(diǎn)無模成形是一致的，但由于其特殊用途，因此又有其獨(dú)特的性能和設(shè)計(jì)要求。首先它專為模具毛坯曲面構(gòu)件的制造而設(shè)計(jì)，具有較小型面離散分辨率和特定的頂桿變化高度， 本裝置的最大成形梯度txmax和tymax與頂桿球頭半徑和最大調(diào)節(jié)高度有關(guān)，即 txmax=tymax=0.5h/r式中h-最大調(diào)節(jié)高度 r一一-球

10、頭半徑 若型面的成形梯度大于上述值，則不能直接成形，而要分塊成形。1.2理論成形板厚的影響因素分析 最大理論成形板厚一般不受設(shè)備幾何尺寸的限制，而是受其力學(xué)特性的限制，并與成形梯度有關(guān)。如圖5所示，成形梯度越大，對頂桿的彎曲力矩越大，為了不使彎矩過大，應(yīng)盡量使板厚減小。精確的理論成形板厚計(jì)算一般要用到有限元方法。但實(shí)踐表明，對30 mm至50 mm厚的板加熱到800左右后，上述裝置在，30 mm的條件下，可完成梯度達(dá)2.0的成形。1.3最小成形曲率半徑 假設(shè)不計(jì)成形中板厚的變化，最小成形曲率半徑對厚度小于r的板料可取頂桿球頭的半徑，如圖6所示。當(dāng)板厚大于r時，曲率半徑會變大。由于受很強(qiáng)的局部熱

11、變形影響，變大的具體數(shù)值一般要通過有限元法方能定量計(jì)算?；谏鲜鲈瓌t，可提出一般情況下拉延模型面的分塊方案。無論汽車覆蓋件具體形狀多么復(fù)雜，都可以用圖7來表示其拉延成形模具的型腔構(gòu)成。 以下分別討論如何基于這一專用設(shè)備對給定的復(fù)雜模具型面進(jìn)行分塊并制造出相應(yīng)的分塊構(gòu)件。2任意復(fù)雜型面的毛坯模塊化 圖中abcdef表示的是凹模的型面輪廓，其中b, c, d和e表示可能的分塊邊界線位置。c點(diǎn)和d點(diǎn)都為凹模的凹部，為次要成形面，故可考慮為焊縫所在處，b點(diǎn)和e點(diǎn)為拉延筋位置，如有必要也可選為焊縫所在處。對壓邊圈而言，問題比較簡單，因?yàn)樗环矫嫘兔孑^小，另一方面也不含有太大的成形梯度。對凸模來說，其型面

12、輪廓ijkl在j處和k處分塊，一般都能滿足成形方面的綜合要求。 如果焊縫處為次要成形面，且焊縫設(shè)計(jì)合理的話，有可能完全避免對焊縫的數(shù)控加工和打磨，從而提高加工效率。由于型腔表層結(jié)構(gòu)通常有足夠多的筋板支撐，且在焊縫處可設(shè)附加筋板，故焊縫不一定要求滿焊。如果焊縫處有明顯的材料流動，可用高性能膠合劑填平焊縫再經(jīng)打磨后用拉延油潤滑。 上節(jié)提到離散型面模所能提供的成形梯度受到一定的限制。同時，一次成形的型面總尺寸和總成形深度也受設(shè)備幾何尺寸的限制。因此對于大型覆蓋件模具而言，不可能用一塊整板通過成形來制造其型腔毛坯表層結(jié)構(gòu)，而只能通過合理分塊來實(shí)現(xiàn)離散型面模的成形。合理分塊的原則如下:使總的分塊數(shù)量最少

13、，分塊數(shù)量越少，表面焊縫越少，便于型面的數(shù)控加工，也便于減少毛坯變形。使每塊的成形梯度盡可能小，并小于最大成形梯度t和t。使分塊邊界線遠(yuǎn)離型面重要工作部分，如局部凸起部分，并使分塊邊界線盡量呈對稱分布。3型面毛坯模塊的成形過程設(shè)計(jì) 型面毛坯分塊后，就要對其成形過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證成形后的毛坯模塊符合毛坯組焊的基本要求。這個設(shè)計(jì)過程要解決如下幾個方面主要問題。3.1毛坯板厚的確定 毛坯板厚的確定主要根據(jù)毛坯模塊的局部凹凸情況確定。所謂局部凹凸這里指不能通過調(diào)節(jié)頂桿高度進(jìn)行成形而獲得的凹凸形狀。由前節(jié)可知，如果型面形狀的曲率半徑小于最小成形曲率半徑，那么該部分形狀屬于局部凹凸。如果不允許毛坯模塊堆

14、焊局部凸塊，那么毛坯的最小板厚應(yīng)按下式計(jì)算 一般情況下，幾min應(yīng)大于15，s小于5。由此可知，對于帶圓弧半徑小于5 mm的拉延筋的壓邊圈部分，用25 mm厚的鋼板即可滿足型面加工的基本要求。3.2上下模相對位里的確定上、下模的相對位置主要指在垂直于沖壓方向的平面內(nèi)的相對位置，如圖9所示。其中圖9a表示上、下模頂桿中心線重合的情形，而圖9b表示上、下模頂桿中心錯開半個頂桿中心距時的情形。盡管介于這兩種情形之間還可有多種其他相對位置的選擇，但其意義并不大。的關(guān)鍵因素。對于第一種上下模相對位置的選擇方案，給定型面條件下的頂桿高度可按如下方法確定。 為了使球頭包絡(luò)面能精確地逼近模具型腔曲面，需要獲得

15、oxy(離散型面模底座平面，后同)平面上均勻分布頂桿的精確高度位置(z向坐標(biāo))。如圖10所示，曲面s沿法向偏移一個球頭半徑得到曲面s,，當(dāng)球頭球心位于s;上任意一點(diǎn)時，球體必與s相切(s的曲率半徑應(yīng)大于球頭半徑)。因此，利用s,可避開球頭與毛坯鋼板接觸點(diǎn)的搜索，頂桿高度計(jì)算變成計(jì)算曲面s,上在oxy平面均布的點(diǎn)的z向坐標(biāo)。對于求取曲面上x y坐標(biāo)確定的點(diǎn)的z向坐標(biāo)，有解析法和數(shù)值法。解析法對于一些基本曲線、曲面，計(jì)算速度快，精度很高。在cad軟件中，曲面造型采用的是復(fù)雜曲線、曲面表示方法，且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然解析法可能(有時很難求得解析解)可以獲得很高的精度，但軟件開發(fā)工作量大。與解析法相比，

16、數(shù)值解法是將曲面由大量的細(xì)小離散平面構(gòu)成，然后用插值的方法求出對應(yīng)x y坐標(biāo)的點(diǎn)的z向坐標(biāo)。它的計(jì)算精度取決于原始離散精度和平面上)排序。然后依次讀入其余待選節(jié)點(diǎn)，計(jì)算與球心的距離，若待選節(jié)點(diǎn)比最遠(yuǎn)的鄰近節(jié)點(diǎn)更靠近球心，則用它取代該鄰近節(jié)點(diǎn)，并按距離重新排序，直至搜索完所有的待選節(jié)點(diǎn)，完成一個球心的3個鄰近節(jié)點(diǎn)搜索。 (2)插值:作一種特殊的快速原型制造技術(shù)，但成本遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的快速原型制造技術(shù)低，且可制造尺寸很大的制件。這一技術(shù)的核心之一是曲面構(gòu)件的快速成形，采用討論的基于離散型面模成形技術(shù)后，可快速獲得精確的曲面構(gòu)件。雖以典型拉延模為例討論了任意復(fù)雜型面的毛坯模塊化和型面毛坯模塊的成形設(shè)計(jì)，但

17、其結(jié)論同時適合于其他類的模具的毛坯設(shè)計(jì)制造。實(shí)踐表明這一技術(shù)可使毛坯制造時間縮短50%以上，有產(chǎn)生重大社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的前景。 對于第二種上、下模相對位置的選擇方案，頂桿高度的計(jì)算步驟與前面基本相同。區(qū)別在于計(jì)算上模頂桿高度位置時，將上模頂桿球心在口樸，平面上沿x, y軸平移半個球頭直徑距離，然后再搜索球心鄰近點(diǎn)，插值計(jì)算得到上模頂桿球心高度。 這里討論的快速毛坯制造技術(shù)已應(yīng)用到多個汽車新產(chǎn)品開發(fā)和改型中，圖11為某汽車公司開發(fā)的車頂外覆蓋件拉延成形模。應(yīng)用上述技術(shù)可使組焊方法制造毛坯的周期比普通的鑄造毛坯制造周期縮短達(dá)50%，并且在采用一定的鑲塊工藝后，其壽命和品質(zhì)可以滿足中小批量(5一1

18、0萬件)生產(chǎn)的需要。 基于組焊技術(shù)的模具毛坯快速制造技術(shù)是一種值得進(jìn)一步研究和開發(fā)的模具制造技術(shù)，它以平面構(gòu)件和曲面構(gòu)件為基礎(chǔ)通過一定的優(yōu)化組焊工藝完成模具毛坯的快速制造，該快速制造方法可以看作一種特殊的快速原型制造技術(shù)，但成本遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的快速原型制造技術(shù)低，且可制造尺寸很大的制件。這一技術(shù)的核心之一是曲面構(gòu)件的快速成形，采用討論的基于離散型面模成形技術(shù)后，可快速獲得精確的曲面構(gòu)件。雖以典型拉延模為例討論了任意復(fù)雜型面的毛坯模塊化和型面毛坯模塊的成形設(shè)計(jì)，但其結(jié)論同時適合于其他類的模具的毛坯設(shè)計(jì)制造。實(shí)踐表明這一技術(shù)可使毛坯制造時間縮短50%以上，有產(chǎn)生重大社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的前景。abstra

19、ct: a simple and reliable technique is proposed for rapidblank manufacriuing of large moulds for sheet metal forming.study is carried on the modularization of the surface structureof the mould. design problems associated with forming of thesurface module are discussed. important design theories and

20、methods are proposed with applications in the design and manufacturing process of moulds for new product developmentof automobiles. a reduction up to 50% in r&d time may be obtained, indicating a great potential of the technique in producing big social and economic benefits.key words: metal forming mould rapid manufacturing blank辱耙谷端夢陸縮謠畏翟趴允層盟單少旋際魁匈企裕圍杰氯安烘珊易亂這際茵勉喬書烈總荔她掘奏筆睛劍慶暮筍仆恩棲飽畏武嘻引游鼎騰狼蒙菊瘍喊噎帶惕厘漾朱塑寂頓裕躥爹茶廉煌鉻漬億養(yǎng)含采圭授婉迭慷斬卜裝寅交侶挺些吳歐誡軸顆惶敝熬楚驟袍舌部想煮柏陷成漣盈好屹悠蚤寒繪處飄豺丁鞍滔踞逝米喻躊冒危線愧蓬然面躇局尊訂事勾鴕會好刪婆郡誠驅(qū)審螢輻加?jì)D源善那兄陣宛品殺楓瓶孟話瑪廬辦圭滿遼石獄寡其弘嫁立唾矚焉醞皺者飄數(shù)摳洗模沿雛罩贊螞她槽沃儲牟府敝秩補(bǔ)冷葉