毕业设计（论文）-飞轮锁片的模具设计和快速成型技术的研究.doc

飞轮锁片的模具设计及快速制造技术研究摘 要：冷冲压模具在我们传统的模具设计制造中具有不可忽视的地位。冷冲压是一种基于去除成型的成型方法，原材料在压力机上利用冲模产生的外界压力，使之出现分离、变形，最终成型出所要求的零部件。快速成型制造技术因其产品具有优良的品质、较低的成本、较短的开发周期，能快速进入市场等优势，已经别广泛应用于模具制造。本论文完成了飞轮锁片的模具设计，并采用3D打印快速成型机打出了落料、冲孔复合模具的样品。关键词：冷冲模，模具设计，快速制造技术The mold design of flywheels lock plate and The researchof Rapid manufacturing technologyAbstract：Cold stamping die has an important status in our traditional mold design and manufacturing. Cold stamping molding is a kind of molding method based on the removal molding method, the raw material uses the punching pressure on the pressure machine, making it being separated and deformed, eventually molding the required components. Because of the rapid prototyping manufacturing technology products have the advantages of excellent quality, low cost, short development cycle,the quick speed to enter the market , it has already widely used in mold manufacturing. This paper completes the mold design of flywheels lock plate , and uses 3D printing rapid prototyping machines to form the sample of the punching and blanking compound die. Keywords:Cold die,Mold design,Rapid manufacturing technology I 目 录1 前言11.1 飞轮锁片的模具设计11.2 快速制造技术的现状和发展趋势22 飞轮锁片的模具设计32.1 冲压工艺分析32.2 确定冲压工艺方案和模具结构形式32.2.1 分析制件的冲压工艺性32.2.2 确定零件工艺方案32.2.3 确定冲模类型及结构形式32.3 工艺计算42.3.1 排样、计算条料宽度、确定步距42.3.2 材料利用率42.4 凸凹模刃口尺寸计算52.4.1 合理间隙确定52.4.2 刃口尺寸计算（刃口全部采用分别加工法计算）52.5 冲压力计算62.6 压力中心计算62.7 模具闭合高度73 3D打印快速制造成型技术93.1 工作原理93.2 适用材料123.2.1 直接成型用材料133.2.2 间接复制用材料133.3 制造工艺流程134 冲压模具的传统与现代制造工艺比较154.1 冲压模具的传统制造工艺154.2 冲压模具的现代制造工艺16II4.3 传统与现代制造工艺比较165 3D打印技术生产冲压模具185.1 使用设备185.2 使用材料介绍205.3 过程分析205.4 成型参数介绍216 结 论22参考文献23致 谢24III太原工业学院毕业设计1 前言1.1 飞轮锁片的模具设计 从上世纪末开始，消费市场环境发生了很大的改变。随着经济的不断发展，改革开放，大家的消费水平和消费理念有了质的转变，不再像从前那样只追求量，现在更追求个性化的定制产品。同时，制造商们面对市场方向的改变，不再像原来一样大批量的生产单一的产品，而是小批量的生产有特色的产品，以满足消费者的实际需求，占领商机。国民经济的快速的健康的发展对模具制造行业提出了越来越高的市场要求，促使了模具制造业的高速发展。在新世纪全球模具制造工业发展变化日新月异。作为未来中国模具制造业接班人，大学生应努力学习专业知识，多多了解接触新兴模具制造技术而且扎实踏实的学习传统模具制造技术。 通过本次对飞轮锁片零部件进行了工艺分析，设计了冲孔落料冷冲压模具，并确定采用复合模生产。本次设计的内容主要包括1.冲压工艺分析 2.确定冲压工艺方案、模具结构形式 3.工艺计算 4. 凸凹模刃口尺寸计算 5.冲压力计算 6.压力中心计算 7.模具闭合高度。 此论文是围绕着毕业设计课题“飞轮锁片的模具设计及快速制造成型技术的研究”的课题要求，通过查阅大量文献并通过实践而编写的毕业论文。 本篇论文共分为六章。第一章为前言，引发出这次的毕业设计所涉及的内容。第二章为飞轮锁片的模具设计。第三章为3D打印快速制造成型技术。第四章为冲压模具的传统与现代制造工艺比较。第五章为3D打印技术生产冲压模具。第六章为结论，综述了这次毕业设计的零零总总。 由于本人专业水平有限，书中的不当或错误之处恳请读者批评指正，谢谢。1.2 快速制造技术的现状、发展趋势 近年，快速成型制造技术发展的比较完整，得到了各方面的完善，现在正在往快速模具制造的方向在进行发展与开拓。在其他的领域方面，快速成型制造技术都有不小的贡献。好如在生物医学和构造工程的范畴上面，快速成型制造技术有很深远的前景，按照CT的信息数据可以转化为CAD模型后，快速的制造出立体的三维人体器官，好如说人体的骨骼、颅骨、牙齿，甚至是一些软组织，如肾等等。在这一过程中，可以使用不同颜色的材料来使之成型，然后在需要醒目颜色的组织上得以应用。在康复的工程方面也有进展，可以制造出假肢，其质量可以得到大大的提升，使之可以减缓病人安装假肢的痛苦。在试验分析模型方面，快速成型制造技术还可以在计算分析与试验上发挥有效应用。另外，在建筑行业方面，模具设计也发挥着很大的作用，其建立的三维模型为建筑实物提供了很好的参考。 2 飞轮锁片的模具设计2.1 冲压工艺分析 1）形状：柴油机的飞轮锁片的所给出的形状为圆形外形和一个含有切口的内孔而组成的，是较为简单的对称性工件，如右图所示。 2）所给出的的加工要求中无精度要求，所以选用经济精度IT13级，粗糙度为Ra=6.3um。 3）所给定的加工材料要求为Q235碳素结构钢，并且要求大批量生产。 图 2.1零件图2.2 确定冲压工艺方案、模 具结构形式2.2.1 分析制件的冲压工艺性材料：Q235为普通的碳素结构钢，其性能适合于冲裁加工。零件结构：为简单的对称性结构，适合于冲裁加工。尺寸精度：由于没有要求较高精度，可选定经济精度IT13。2.2.2 确定零件工艺方案该零件包括落料和冲孔两个基本的工序，于是根据分析可以制定提出以下三种方案：方案一：先落料，后冲孔，采用单工序模出件（两套）。方案二：冲孔落料接连冲压，采用连续模出件。方案三：冲孔落料复合冲压，采用复合模出件。针对于方案一，其优势是模具设计起来较为简单，但是需要两道工序和两套模具，不适合大批量的生产，但是出件效率太低，出件的精度太低。针对于方案二，其优势是只需要一套模具，而且适合大批量的生产，出件的效率也比较高，而且精度也高。但是适合复杂的零部件，而且成本太高。针对于方案三，其优势是只需要一套模具，与方案二比生产的零件精度稍差，但是出件的效率也比较高，成本也较低，针对简单的零件比较适合。所以，比较三个方案最终采用方案三生产。2.2.3 确定冲模类型及结构形式 因为该零件的平整度的要求条件较高，又为单孔件，最终选择复合模。2.3 工艺计算2.3.1 排样、计算条料宽度、确定步距 由于该零件尺寸较大，故确定单排的方案。查搭边值表，给定搭边值两个工件间的搭边：a=1mm;工件边缘的搭边：a1=1.2 mm;步距n=62+1=63mm;条料宽度：B=65.4mm2.3.2 材料利用率计算冲压件材料利用率： =S/S0=S/A*B*100%其中 S=3017.54平方厘米 进距为65.4mm，所以 =71.43%2.4 凸凹模刃口尺寸计算2.4.1 合理间隙确定查表法：Zmin=0.126mmZmax=0.180mmZmax-Zmin=0.054mm2.4.2 刃口尺寸计算根据分析，计算以凸模为基准，配制凹模。该工件图上未注精度，选用经济精度IT14经查阅，各尺寸公差为以下数据：尺寸（mm）（mm）凸（mm）凹（mm） 620.74-0.020.03 370.62-0.020.03 120.43-0.020.0241.20.62-0.020.03表 2.1刃口尺寸公差表由表查凸模和凹模的制造偏差：落料部分：凹 =0.030mm凸 =-0.020mm 丨凹丨+丨凸丨=0.5mm0.054mm 冲孔部分：凹 =0.020mm凸 =-0.020mm 丨凹丨+丨凸丨=0.40mm0.054mm 查表得 x=0.5 1)落料 D凹=（Dmax-x)=(62-0.5*0.74)=61.63+0.0300mm D凸=( D凹-Zmin)=(61.63-0.126)=61.504-0.020mm 2)冲孔 d凸=（dmin+x）=（37+0.5*0.62）=37.31-0.020mm d凹=（d凸+Zmin）=（37.31+0.126）=37.436+0.0300mm a凸=（amin+x）=（12+0.5*0.43）=12.215-0.020mm a凹=（a凸+Zmin）=(12.215+0.126)=12.341+0.0200mm b凸=（bmin+x）=(41.2+0.5*0.62)=41.51-0.020mm b凹=（b凸+Zmin)=(41.51+0.126)=41.636+0.0200mm2.5 冲压力计算根据分析，确定该模具是选用刚性卸料，废料与工件是向下落下。1） 采用弹性卸料和下出料方式时：F=F+ F卸+F推F=KLTt=1.3991.2380=141.76KNF卸=K卸F=0.06141.76=8.51KNF推=K推F=0.05141.76=7.09KN2）总压力计算F总=F落+F卸+F推=157.36KN2.6 压力中心计算 根据棑样图图2.2排样图如图可知：冲孔落料圆形的压力中心是图形的对称中心即圆心2.7 模具闭合高度上模座：L/mmD/mmH/mm=45025050下模座：L/mmD/mmH/mm=45025050垫板厚度取：17mm凸模固定板的厚度取：20mm导料板：5mm卸料版垫板厚度：15mm卸料板的厚度：20mm弹簧的外露高度：25mm凹模垫板：15mm模具的闭和高度：H=（50+50+17+20+15+20+25+5+15+1.2）mm=218.2mm而选择的压力机开式250KN压力机，其闭和高度为：250mm，封闭高度调节量为 70mm。根据校核，模具的高度符合要求。冲裁设备的选择：选择开式250KN压力机公称压力：250kN滑块行程：80mm最大闭和高度：250mm工作台尺寸： 左右：560mm； 前后：360mm。工作台孔尺寸：前后：130mm；左右：260mm；直径：180mm。3 3D打印快速制造成型技术原型，英语名称prototype，是一种构造未来模型的一种三维的表示。产品开发是基于人们的兴趣或者有意义的目的来建造一个一维或几维的空间的原型表示。原型在某种意义上来说是一个代表着零部件的各个性能和各方面功能的试验产品，尽量展示产品的各方面属性，但是并不意味着它能够完全代表或替代零部件的功能及所有。原型用于参考的数量比较少。其优势相对于二维的产品设计不言而喻。在全世界市场一体化的背景下，制造行业的强烈竞争下，产品的开发进度影响着公司的效益。在另一个方面而言，一个新的产品在开发的过程中，必然要经过无数次的修改、修正， 才可以真正的走上市场。因此，在实际的产品开发及设计中也需要一种技术方式来将已有的数据化信息转化为立体的三维实体模型。这样，一方面的优点是可以快速的直接的验证产品设计的正确性，另一方面可以提供未来产品的实体模型向客户来进行推广，从而这些优势可以迅速的占领未来的产品市场。快速制造成型技术，英语名称Rapid Prototyping，简称RP，这项技术就是在这种背景的驱动下产生的。其首先涌现在美国，然后扩展到日本和欧洲，并于90年代的早期引入进咱们国家。3.1 工作原理 快速成型技术的步骤：首先将CAD所设计出来的三维实体的模型数据（STL文件），按给定的方向分层为层片的模型数据（CLI文件）。快速成型制造技术是一种近几十年来新兴的技术，是集CAD技术、激光加工、数控技术、材料科学、机械电子工程等多种学科和多种技术为一体的。5 快速制造技术的基本原理是源于“材料的逐层离散堆积 ”的本质，快速制造的成型设备和机器根据这些现有的数据，里也有各种工艺方法的特定材料，一个薄层又一个薄层的逐渐堆积出实体，采用运用粘结、聚合、熔融、焊接或者化学反应将每一个薄层都黏贴到前一个薄层上，成型完成。 快速成型制造技术在当今世界上是发展的最快的一种新兴制造技术，其各种工艺将近有好几十种。现在有几种主要的快速成型技术工艺如下：1.立体光固成型法（SLA）2.熔融成型（FDM）3.选择性激光烧结（SLS）4.分层实体制造（LOM）。3.1快速成型的过程图3.2快速成型的过程 1 .立体光固成型法（SLA）的工作原理 英文全称Stereo lithography Appearance，其中的原理是利用光敏树脂材料的性能，其能够在紫外线光的聚集下可以迅速的发生光的聚合反应。在运用光的原理，采用给定的波长与强度的激光束聚焦在材料的表面上，然后是材料一层又一层的按照顺序进行凝固。在完成一个层面上的材料凝固之后，将升降台在垂直的方向上移动一个层面的高度，之后循环往复，一层又的完成剩下层面的凝固，就这样层层的铺盖成型出一个立体的三维立体实体。5图3.3 SLA2.熔融成型（FDM）的工作原理 英文全称Fused Deposition Modeling，其中原理是运用丝状的塑料进行熔融成型，将原材料先抽成丝状，然后通过送丝机构将之送向喷头，塑料就会在喷头处加热融化，然后沿着给定的方向和轨迹运动，同时将丝状的塑料挤出，丝状的塑料就会快速成型，一层一层的材料就会进行粘结，然后堆垛成型。图3.4 FDM 3.选择性激光烧结（SLS） 英文全称为Selective Laser Sinteing。原材料为粉状的，将粉状的材料铺撒在已经成型的零件表面处，用激光器一层一层的不断在新的层面上进行扫描，最终依次成型一个截面。最终一层一层的累积和粘结，成型完成。图3.5 SLS 4.分层实体制造（LOM） 英文全称Laminated Object Manufacturing，其中的原理是先在片状的材料上面涂抹一层热溶性的胶，然后在加工时，通过计算机的操控下，对片状的材料进行切割。之后通过外部的热压，使片状的材料进行层层的堆垛。 图3.6 LOM 3.2 适用材料材料是快速成型技术的核心，一种新材料的各种特性和性能影响着各种工艺的发展。3.2.1 直接成型材料 在快速成型中，根据所采用的快速成型机的不同，所采用的适宜材料也不同，直接能够成型用的材料有纸、聚合物、金属、陶瓷、砂等等。2 对于直接成型的材料有如下的具体要求：1.良好的优质的机械性能，其中包括强度、耐磨性、耐温性、抛光性等等。2.较小的吸水率3.高度稳定性4.较小的收缩率等等。3.2.2 间接复制用材料 把快速成型设备制作成型的工件当做母模，进行复制，如一些硅胶、塑料、陶瓷等等。这样使之十分方便。对于以上介绍的材料称之为间接性复制材料。3.3 制造工艺流程 快速成型的工艺过程具体如下：1.对于设计产品的三维模型的构建。快速制造成型系统是一种通过CAD制作的模型来进行直接驱动的体系，首先对于需要进行加工的零部件进行CAD类型的模型构建，或者对于已有零部件的二维平面模型进行向三维立体模型的转换。2.对于立体三维模型的近似处理化。 在实际中，所设计的产品往往会有一些不规则的曲面，所以要求在加工之前对模具进行近似的处理化，为以后的后续工作做好充分的准备。3.对于立体三维模型的切片处理化。. 对于已有的三维立体模型，首先要分析其特征，根据已有的信息选择出合适的准确的加工方向，确定好给定的加工方向后，在成型的高度方向上，用近似化的方法来提取制作出每一层截面上轮廓信息。间隔一般取0.050.5mm，常用0.1mm。间隔越小，成型的精度越高，但是成型的时间也就相应的越长。4.对于成型件的加工。根据第三步骤已有的数据化信息，加工时，在计算机的操控下，成型喷头或者激光笔会随着指示，在一个层面上进行一个轮廓的成型操作，循环往复，最终获得成型的产品三维模型。 5.成型加工后的后处理。 运用一些方法进行强度的增强与提高。 综上而言，首先根据所给的零部件尺寸要求，对于模具的工作部分进行尺寸计算，其次用Proe根据所计算出的尺寸绘制模具工作部分三维图。再者将绘制好的模具工作部分三维图转化为STL格式，通过相关电脑操作适应3D打印机数据格式，使绘制三维图离散分层，最后，将打印所需所有数据输入打印机进行模具工作部分进行实体打印。图3.7 制造流程 4 冲压模具的传统与现代制造工艺比较1. 去除成型 英文全称Dislodge Forming，去除加工就是利用分离的方法，将一个三维实 体上对于要求的多余的材料进行有规则的去除。在我们的传统的加工成型方法 中，车、铣、刨、磨等等都是属于这种的成型加工方式。对于目前的模具制造 行业来说，这是一种最普遍的最成熟的成型加工方法。 2.添加成型 英文全称Additive Forming，这种方法的原理是应用了加法，就是通过各 种方法与手段，对于要求的多添加的材料进行有序的增加。这种运用加法的成 型方法是一种新型的成型方法，其打破了原有的传统型加工成型的方法，在未 来会有更加深远的发展与进步。 3.受迫成型 英文全称Forced Forming，利用材料的可成型性质，在特定的外部约束下成 型。 4.1 冲压模具的传统制造工艺 在我们的的模具制造行业中，传统的加工成型方法有车、铣、锻、磨等等。按以下方式可以分为以下几种类别。（1）机械加工 即传统的切削和磨削加工。包括车削加工、铣削加工、刨削加工、 磨削加工等。1（2）特种机工 即电加工。（3）塑型加工 即冷挤压制模法。就是将淬火后的模具用力压入没有进行过硬化处理的模坯，被压过的模坯与淬火后的模具形状完全一样，从而得到所需要的模具。（4）铸造 如果模具对精度和使用寿命要求不高，可以考虑铸造快速成型模具，对于不规则模具，一般都采用铸造成型。（5）焊接 即把模具分块制造好，然后用焊接把这些分块连接成一个完整大块模具。4.2 冲压模具的现代制造工艺（1） 数字控制机床 它的基本工作原理大致是数控机床程序员先根据所加工零件形状编写程序代码，将编写好的程序代码输入数控机床的操作系统内，先模拟加工一次用来检查程序是否正确、零件是否可以加工成型。这种方法适合小规模的制造，用来模拟。（2） 快速制造成型设备 最为熟悉的3D打印快速制造技术就是其中典型的一类。通过运用所要求的一类计算机操控的软件将所需加工的零件图绘制出来，输入3D快速成型设备中，成型设备利用不断熔融的塑料或者金属等材料堆砌成型模具零件。4.3 传统与现代制造工艺比较4.1 传统研发过程与现代研发过程的比较 对于目前来说，通过快速成型设备加工出的设计产品相对于传统的加工成型制造方法来说：其优势是将开发周期、设计成本都尽量降低。 在小批量、改性快、多种类的现在制造技术的模式下，快速成型制造技术有着强大的发展势头。 客观来说，在如下几个方面大都可以得到受益。1. 设计者收益2. 制造者收益3. 推销者收益4. 用户受益快速成型制造技术的出现，开辟了不用刀具、模具而制作原型和各类零部件的新途径，也改变了传统的机械加工去除式的加工方式，而是采用逐层累积式的加工方式，带来了制造行业的革命性变革。4从某种角度来说，其材料的利用率可以达到很高，效益十分可观。和其他先进制造技术相比，快速成型技术具有如下的特点：1. 自由的成型制造方式2. 制造过程的快速性3. 技术的高度集成4. 突出的经济效益5. 广泛的制造领域 5 3D打印技术生产冲压模具传统的制造模具的技术大都是按照母模采用“复制”的方式来进行制造模具的主要零部件，复制的方式有铸造、喷涂、电镀、复合材料的浇注等等。传统的制造模具技术大致可以归纳成如下的几种：1.低熔点合金的制造模具技术2.锌基合金的制造模具技术3.复合材料的制造模具技术4.喷涂成型的制造模具技术5.电铸成型的制造模具技术5.铜基合金的制造模具技术等等。3在模具制造方面，快速成型制造技术的应用可以分为两大类：1.直接制造模具 2.间接制造模具。本次毕业设计3D打印部分采用的机器设备为陕西恒通智能有限公司生产。设备机器是由西安交通大学研究制造，本次的成果能够展示如下图：图5.1 凸凹模图5.2 凸模图5.3 凹模5.1 使用设备国产的四种典型快速成型制造所用的设备，分别是：1.SL工艺对应的CPS快速成型机器 2.LOM工艺所对应的快速成型制造系统 3.SLS工艺所对应的AFS-300激光快速成型机器 4.FDM工艺所对应的MEM-250熔融挤压成型机器。5.2 使用材料介绍本次毕业设计所采用的快速制造工艺为FDM,采用的的制造材料为丝状的ABS塑料。ABS塑料是一种热塑性材料，其性能优异，能够抗低温、抗冲击、易于加工，成本低、易于成型、制件尺寸稳定。适用于粘结等二次加工。材料是FDM工艺的基础，在FDM工艺 ，分为成型材料和支撑材料。FDM对成型材料的要求是：1.熔融温度要低 2.粘结性要好 3.粘度要低 4.收缩率要小。对于支撑材料而言，FDM工艺对材料的要求是：1.对于一定强度的高温可以得以抵抗 2.具有水溶性质或者酸溶性质 3具有较低的熔融温度 4.流动性能要好 5.与成型材料不相融，方便成型后处理。.5.3 过程分析1.对设计产品的三维模型的构建化。2.对立体三维模型的近似的处理化。3.对立体三维模型的切片的处理化。. 4.成型件的加工。5.成型加工后的后处理。5.4 成型参数介绍下面为大家介绍打印过程中出现的成型参数：1. 模型填充率：3%2. 料层厚度：0.15mm3. 外壳层数：14. 送丝时移动速度：50mm/s5. 空闲时移动速度：60mm/s6. 打印温度：1807. 细丝直径：1.82mm8. 喷嘴直径：0.4mm6 结 论当今世界是一个追求快速发展的年代，所以在模具制造方面我们也要跟随时代的步伐，不停的创新和进步改造。 根据分析给定的飞轮锁片这个零部件的尺寸、结构、形状的要求，最终确定的最优方案是冲孔落料复合模具。然后运用CAD软件把模具中包含的工作部分凸凹模部分制作成立体的三维实体模型，运用学校提供的FDM快速制造工艺来进行对凸凹模样品的3D打印。通过实践对于快速成型制造技术有了一定的了解，它与传统的模具制造工艺是两种基本的概念，传统的方法是运用去除法，其材料的利用率较低，而现代的方法是运用添加法，其材料的利用率很高。并且利用快速的成型技术有很多效益化的优点：产品的开发周期和开发成本大大缩短。最后，得到了通过3D设备打印出来三维实体模具样品，看到实际的模具样品，心中感到慢慢的欣喜。参考文献1丁松聚. 冷冲模设计M北京：机械工业出版社，2001.10:1-1.2王运赣. 快速成形技术M武汉：华中科技大学出版社，1999:1-1.3刘伟军 等. 快速成形技术及应用M北京：机械工业出版社，2005.1:3-4.4王广春，赵国群. 快速成形技术与快速模具制造技术及其应用M北京：机械 工业出版社，2013.1:3-4.5卢清萍. 快速原型制造技术M北京：高等教育出版社出版社，2001.7:108-109.6陈先松.快速成型制造技术及其系统发展研究J.现代机械，2005.:1-1.7杨继全，侯丽雅，章维一.快速成型技术在集成制造及微机械制造中的应用J. 机械制造，2002.02.:1-1.8 张建梅,赵立,党惊知,白培康,程军.快速成型技术的应用及其发展方向J. 华北 工院学院学报.2002（04）.:1-1.9黄振湘.快速成型技术的应用与发展趋势J. 湖南农机. 2002(06)10罗辑,黄强,陈世平,袁冬梅.快速成型技术及其对制造业的影响J. 机床与液压. 2002（06).11Kouichi Sano, Fumitomo Odawara,Masuyo Nakai. 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