ZL50裝載機總體及工作裝置設(shè)計

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1班 級 09 機械設(shè)計制造及其自動化（4）班 姓 名 趙天星 課題名稱 汽車摩擦片模具設(shè)計 目錄 1.前言 2.國產(chǎn)轎車覆蓋件模具開發(fā)能力 3.覆蓋件模具設(shè)計及技術(shù) 3．1 軟件環(huán)境 3．2 修正回彈的對策 3．3 新斜楔機構(gòu)在外覆蓋件模具上的應(yīng)用 3..4 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù) 4.總結(jié) 參考文獻 指導(dǎo)教師 審批意見 簽名： 年  月  日 汽車摩擦片沖壓模具設(shè)計 趙天星 (機械設(shè)計制造及其自動化 09(4)班 B09300426) 1.前言 近幾年來，我國轎車市場發(fā)展十分迅猛，2002 年在轎車銷售超過 100 萬輛的基 礎(chǔ)上，2003 年則向 200 萬輛大關(guān)邁進，達到了 197 萬輛。然而，在轎車熱迅速升溫 的同時，不得不尷尬地面對這樣的現(xiàn)實——市場上熱銷的絕大多數(shù)車型是直接從國 外引進的。由手國內(nèi)轎車覆蓋件模具設(shè)計制造能力從總體上看還比較薄弱，為了生 產(chǎn)這些車型，各大汽車公司不得不耗資幾億、十幾億元采購海外模具。與國外大汽 車公司相比，由于生產(chǎn)規(guī)模比較小，這就造成單車均攤的模具成本遠高于國外車， 這也是造成國產(chǎn)車整車制造成本居高不下的主要原因之一[1]。 2.國產(chǎn)轎車覆蓋件模具開發(fā)能力 國內(nèi)主要的轎車模具制造商有：一汽模具制造有限公司、東風(fēng)汽車模具廠、天 津汽車模具有限公司、成飛集成科技股份有限公司、南京模具裝備有限公司、上海 千緣汽車車身模具有限公司等等。作為國內(nèi)最大轎車生產(chǎn)銷售商——上海大眾汽車 有限公司，也有自己的模具設(shè)計制造部門(TMM部)。目前，雖然國內(nèi)模具商在轎車內(nèi) 覆蓋件模具設(shè)計制造方面已小有能力，并可承接整車廠的部分模具開發(fā)項目，但對 于有很高型面精度和表面質(zhì)量要求的外覆蓋件，特別是中高檔轎車的外覆蓋件，整 車廠很少會將這類模具交由國內(nèi)開發(fā)。 上海大眾汽車有限公司為了降低整車生產(chǎn)成本，同時也為了提高公司的核心 技術(shù)能力，從2001年開始，涉足轎車沖壓模具設(shè)計制造領(lǐng)域。2001年～2002年完成 2 了POL0轎車在手動壓機線上生產(chǎn)的10只簡單零件的模具，通過了公司質(zhì)保部門驗收 并投產(chǎn)。2002年開始向大型化、復(fù)雜化、自動化發(fā)展，設(shè)計制造了6000kN自動線上 生產(chǎn)的POLO轎車備胎座模具(該零件外形尺寸大、拉深深度深、形狀復(fù)雜)。2003年， 為進一步提高模具設(shè)計制造的能力和水平， 他們涉足20000kN多工位壓力機和 10000kN自動線生產(chǎn)使用的模具設(shè)計。過去上海大眾在20000kN多工位壓力機上使用 的模具，全部需進口，國內(nèi)模具商還沒有能力設(shè)計制造這樣的模具。為此，他們選 擇了POLO轎車中柱內(nèi)板的模具進行設(shè)計。10000kN多工位壓力機是世界上最先進的壓 力機之一，集成化自動化程度非常高，當(dāng)然這對模具設(shè)計的要求也相應(yīng)地提高。零 件的送料高度、步距、機械手的位置有嚴(yán)格的要求，還要保證機械手在運動過程中 與模具無干涉，這樣給予模具設(shè)計的空間就小了很多。在考慮諸多因素之后，他們 最終完成了整套模具的設(shè)計。另外，他們還完成了PoLo轎車在10000kN自動線上生產(chǎn) 的后輪罩的模具設(shè)計，在去年的基礎(chǔ)上更進一步。這些工作的順利完成，標(biāo)志著上 海大眾模具設(shè)計能力已經(jīng)達到了國內(nèi)先進水平，從而為今后上海大眾汽車模具國產(chǎn) 化 打 下 了 堅 實 的 基 礎(chǔ) 。 盡 管 如 此 ， 與 國 際 先 進 水 平 比 較 ， 圖1 內(nèi)板模具裝配示意圖 仍有較大差距，比如在轎車外覆蓋件具設(shè)計方面還是空白。 POLO轎車中柱內(nèi)板模 具裝配示意圖(a)上模裝配示意圖(b)下模裝配示意圖在轎車沖模中，難度最大的是外 覆蓋件模具設(shè)計，主要表現(xiàn)在以下兩個方面： （1)克服由回彈造成的零件型面偏差破裂、起皺、回彈是轎車沖壓件成形過程中的 3 主要缺陷。 由于轎車外覆蓋件外形尺寸大、拉深深度淺、塑性變形程度低，一般不易拉裂， 因而回彈就成為該類零件制造過程中的主要問題，它將嚴(yán)重影響零件間的相互配合 關(guān)系。有限元模擬軟件在沖壓模具設(shè)計中得到普遍應(yīng)用，已經(jīng)能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測 破裂和起皺，從而有助于設(shè)計合適的工藝補充面來改善拉深過程中材料的流動狀況， 提高零件的成形性。然而，迄今為止，大多數(shù)有限元軟件還不能精確地預(yù)測沖壓件 從模具當(dāng)中取出后的回彈變形。因此，對外覆蓋件回彈問題的處理，主要還是依靠 經(jīng)驗來修改模具型面，使沖壓件過正成形，來抵消由于回彈導(dǎo)致的變形[2]。 (2)沖壓件的取件 由于外覆蓋件(如前蓋外板、車頂、翼子板)都需進行復(fù)雜的翻邊整形或預(yù)卷邊 工藝，這就使得在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須考慮沖壓件成形后的取件問題，目前，大 都依靠復(fù)雜的多斜楔機構(gòu)聯(lián)動來實現(xiàn)模具工作部分對零件讓位，以實現(xiàn)方便取件， 由此造成整個模具的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[3]。 3.覆蓋件模具設(shè)計及技術(shù) 目前，國外大汽車公司為了降低模具開發(fā)、制造成本，縮短生產(chǎn)周期，將除 轎車外覆蓋件之外的大部分轎車沖壓件的模具都交由專業(yè)模具公司 (如Fontana Pietro、Kuka、Laepple、Schuler Cartec、Ogi—hala、Fuji Techniaca等等)設(shè)計 和制造，這些公司都有很強的開發(fā)能力，并在某些零件的模具制造方面擁有獨到的 優(yōu)勢。但作為整車廠，考慮到新車型開發(fā)過程中的保密，對諸如翼子板、行李箱蓋、 車門、側(cè)圍、車頂、前蓋等敏感零部件的模具，則都由自己的模具制造部門來設(shè)計 和制造[4]。 3．1軟件環(huán)境 沖壓模具設(shè)計，除了必要的CAD軟件之外，還大量應(yīng)用了有限元模擬軟件，如 AutoForm、PamStamp、DynaForm、Indeed等，來輔助沖壓工藝設(shè)計。下面，以AutoForm 為例，說明如何利用CAE軟件來設(shè)計拉深I(lǐng)序工藝補充面。AutoForm是一款由瑞士開 發(fā)的專業(yè)薄板成形快速模擬軟件，可以用于薄板、拼焊板的沖壓成形、液壓脹形等 過程的模擬，配合不同的功能模塊，還可以進行沖壓件單步法成形模擬以及拉深工 序工藝補充面(Addendum)的設(shè)計。轎車沖壓件中，約有2／3可以利用AutoForm的 Diedesigner Module模塊設(shè)計Addendum，該模塊根據(jù)由設(shè)計者指定的或由軟件自動 4 產(chǎn)生的壓邊圈型面，以及工藝補充面的多條截面線(Profile)，能夠快速地生成工藝 補充面，用于拉深工序的模擬，如圖2所示。壓邊圈型面、Profile均可進行參數(shù)化 式的調(diào)整。這種快速設(shè)計是建立在對Addendum曲面的粗略構(gòu)造上的，即曲面面片本 身以及曲面面片之間的連續(xù)并非十分光順，盡管這種曲面不能夠直接用于模具表面 的機械加工，但是對于模擬精度的影響卻不是很大。根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)計者可以很 方便地對工藝補充面進行調(diào)整，直到模擬結(jié)果滿足設(shè)計要求。最后，將壓邊圈、 Addendum曲面和Profile以中性數(shù)據(jù)格式IGS或VDA輸出，在CAD軟件中進行曲面重構(gòu)， 并結(jié)合產(chǎn)品數(shù)模，就能夠得到機加工可以使用的拉深工序模具數(shù)模[5]。 圖2 AutoForm設(shè)計工藝補充面示意 沖壓工藝傳統(tǒng)設(shè)計方法：首先，在經(jīng)驗基礎(chǔ)上，利用CAD設(shè)計工藝補充面；其次， 將CAD數(shù)模傳遞給AutoForm等CAE軟件進行拉深過程模擬；根據(jù)模擬結(jié)果，在CAD中對 工藝補充面進行調(diào)整，并將新的CAD數(shù)模傳遞給CAE，開始新的模擬，直到滿足要求 為止。這是一個從CAD到CAE再回到CAD的不斷反復(fù)的過程。由于每次在CAD中構(gòu)造曲 5 面都遠較在AutoForm中復(fù)雜，因此，整個過程所花費的時間就多得多。而新方法在 沖壓工藝設(shè)計初期，就用Diedesigner Module在AutoForm軟件中設(shè)計并調(diào)整拉深工 藝補充面，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，就能夠大大提高設(shè)計效率[6]。 由于AutoForm是一款快速模擬軟件，為了在較短的時間內(nèi)對復(fù)雜沖壓件的成 形過程進行評價，采用了膜單元來離散幾何模型，必然要降低模擬精度，因此，有 些汽車公司在模具設(shè)計開始之前還要利用模擬精度高的CAE軟件，如德國大眾就采用 了Indeed軟件，對拉深工序進行再次模擬(Indeed軟件的計算是基于帶厚度的殼單元 的，能夠得到更為準(zhǔn)確的計算結(jié)果，但是其計算所花費的時間通常是AutoForm的幾 到十幾倍，該軟件比較適用于最終驗證 [7]，所有拉深工藝必須通過Indeed模擬并驗 證為是可行的，才可用于模具設(shè)計。 模具設(shè)計完備，應(yīng)通過圖紙結(jié)合泡沫模型進行驗收(圖3)，各道工序用不同顏 色的線條標(biāo)記在泡沫模型上，這樣做直觀而清晰。還應(yīng)組織包括工藝設(shè)計者、項目 規(guī)劃員、模具調(diào)試人員、模具操作者等相關(guān)人員進行討論驗收。對于在沖壓工藝上 難以解決的成形問題，還應(yīng)邀請產(chǎn)品開發(fā)人員一同討論，尋求對產(chǎn)品進行更改設(shè)計 的n-I能性[8]。 圖 3 沖壓工藝泡沫模型 3．2 修正回彈的對策 由前已知，回彈是轎車外覆蓋件成形過程中的主要問題，現(xiàn)以前蓋外板為例， 對此進行詳細分析。 通常外覆蓋件的回彈有以下兩類： 6 ①大片平坦曲面由彈性回復(fù)造成的拱起或塌陷，如圖 4 中 C 部放大所示，虛線 表示零件從模具中取出并發(fā)生回彈后的位置。這類問題，工藝設(shè)計時通常不加以考 慮，工藝數(shù)模中產(chǎn)品型面部分的數(shù)據(jù)與來自于產(chǎn)品開發(fā)部門的數(shù)據(jù)相一致，并用于 模具制造。待試模之后，將試件與檢具進行對比測量，根據(jù)偏差對拉深模型面進行 修正。如果設(shè)計人員對于這類問題的控制擁有非常豐富經(jīng)驗的話，也可以事先估計 出曲面彈性回復(fù)的方向以及偏移量，并將其反向疊加到產(chǎn)品數(shù)模上去，求得考慮回 彈變形的拉深工藝曲面，這個計算過程需要由專門的計算機軟件來完成，在德國大 眾，采用的是 ICEM。 ②翻邊整形部分由彎曲變形回彈造成的折邊轉(zhuǎn) 圖 4 平坦曲面由彈性示意圖 角變化，如圖 4 中 B 部放大所示。對于這類問題，該處除拉深和剪邊外，還包括翻 邊和斜楔整形，整形工藝需過正成形 2°——3°，以抵消彎曲回彈。該工藝由工藝 設(shè)計完成，并體現(xiàn)在工藝方案的數(shù)模中[9]。 3.3 新斜楔機構(gòu)在外覆蓋件模具上的應(yīng)用 目前，新車型的很多外覆蓋件，如翼子板前蓋外板、車頂?shù)鹊姆呎喂ば? 中，采用了一種稱之為“旋轉(zhuǎn)斜楔”的新工藝[16]。其工作原理為旋轉(zhuǎn)進程。斜楔上 的凹槽部分是沖壓件需整形的區(qū)域，當(dāng)整形過程完成后，氣缸驅(qū)動的托架推動旋轉(zhuǎn) 斜楔繞滾筒轉(zhuǎn)動，從而達到對零件讓位的目的，方便整形后的零件從模具上取出。 7 旋轉(zhuǎn)斜楔的優(yōu)點是：因整形部分與沖壓件托料部分的拼接處非常光順，故零件上無 明顯壓痕；模具結(jié)構(gòu)簡單；維修保養(yǎng)簡便且費用低。 3.4 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù) 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù)方法有很多，具體用那種方法要看汽車覆蓋 件沖壓模具的難易程度和制造精度。 3.4.1 快速成型技術(shù) 快速成型技術(shù)是基于離散、堆積成形思想的新型成形技術(shù)，即由三維 CAD 模 型直接驅(qū)動的快速制造復(fù)雜形狀三維物理實體的技術(shù)，這是繼數(shù)字驅(qū)動設(shè)計（CAD） 和數(shù)字驅(qū)動制造（CAM）之后的又一項為制造業(yè)帶來巨大變革的數(shù)字化制造技術(shù)[10]。 快速成型技術(shù)中，三維形體在離散過程中被沿著一至三個方向分解，生成形體的各 個離散面、離散線和離散點，將這些離散體（面、線和點）轉(zhuǎn)換成實體，并將它們 依照原先的順序堆積還原成三維形體的實體形狀[15]。通過離散獲得材料堆積的路徑、 順序和方式，生成一系列二維層面數(shù)據(jù)，再將分層后的數(shù)據(jù)進行處理，加入加工參 數(shù)，生成數(shù)控代碼，在數(shù)控系統(tǒng)控制下將材料逐層“迭加”起來形成三維實體，實 現(xiàn)數(shù)字化成形，構(gòu)成三維物理實體?？焖俪尚渭夹g(shù)的特點有： （1）高度柔性。不需要傳統(tǒng)的專用工具和生產(chǎn)裝備，而利用信息技術(shù)把生產(chǎn)加 工的重組集成到制造系統(tǒng)中； （2）各種先進技術(shù)的高度集成； （3）快速性。傳統(tǒng)加工方式開發(fā)一個復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，從設(shè)計、工藝規(guī)劃到加 工完成，可能需要幾天、幾個月甚至上年的時間，而采用快速成形技術(shù)，從實體建 模到原型或零件加工完成，可以在幾十小時或幾個小時內(nèi)完成； （4）自由成形性。因此能夠制造特別復(fù)雜的實體； （5）材料的廣泛性。不同的工藝可制造樹脂、塑料、紙、石蠟、復(fù)合材料、金 屬材料、陶瓷等原型。采用分層實體制造工藝。分層實體制造將激光用于箔材（主 要是涂敷紙）的切割，逐層粘切完成后，清除被切割的廢料，就獲得了所需要的原 型。該技術(shù)可保證原型件精度；能制造出大型甚至超大型的設(shè)備，得到最大尺寸， 運行費用設(shè)備中為最低。 3.4.2.電磁成型技術(shù) 電磁成型技術(shù)最先起源于美國。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和制造業(yè)的發(fā)展，電磁 8 成型技術(shù)逐漸發(fā)展成為制造業(yè)中一種新型的金屬塑性加工方法。它是利用瞬間的高 壓脈沖磁場迫使金屬產(chǎn)生塑性變形達到成型金屬零件的目的。電磁成型加工是一種 高速能的工藝，目前，電磁成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、汽車、儀器 儀表、電子以及玩具等領(lǐng)域[11]，主要是金屬板材的沖孔、壓印或壓花以及管材的脹 形、縮頸、沖孔、翻邊等。電磁成型的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)中的電磁感應(yīng)定律，在電 場周圍會產(chǎn)生變化的磁場，而隨時間變化的磁場在其周圍空間激發(fā)渦旋電場，所以 當(dāng)有導(dǎo)體處于此電場中時就會產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)。在電磁成形過程中，磁場力是 工件成型的動力。電磁成型是利用脈沖磁場力來使金屬坯料變形的，脈沖磁場力是 由電容器通過工作線圈瞬間放電所產(chǎn)生的。脈沖磁場里是磁場間相互排斥或相互吸 引的作用。 電磁成型加工的工藝特點：非機械接觸性加工，電磁力是工件變形的動力，它 不同于一般的機械力，工件變形時施力設(shè)備無需與工件進行直接接觸，因此工件表 面無機械擦痕，也無需添加潤滑劑，工件表面質(zhì)量較好；工件變形源于工件內(nèi)部帶 電粒子受磁場力的作用[14]。因此，工件變形受力均勻，殘余應(yīng)力小，疲勞強度高， 使用壽命長，加工后不影響零件的力學(xué)、物理、化學(xué)性能，也不需要熱處理；施力 元件(線圈)相對壓力機尺寸小，易在真空和氣保下進行，將感應(yīng)加壓一次完成；由 電磁力的控制精度其誤差可在 0.5%以內(nèi)，因此加工精度高；加工效率高、時間短、 成本低，便于實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化；電磁成型設(shè)備可實現(xiàn)工件的多步、多點、多工位 成型，有助于實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化；污染較輕，有利于環(huán)境的保護。電磁成型加工作 為一種新型的金屬塑性加工技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的冷鍛、溫鍛和熱鍛等加工方法，它 以其獨特的加工特點展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿12]。 3.4.3.無模多點成形 無模多點成形就是將多點成形技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合為一體的先進制造技 術(shù)。該技術(shù)利用一系列規(guī)則排列的、高度可調(diào)的基本體，通過對各基本體運動的實 時控制，自由地構(gòu)造出成形面，實現(xiàn)板材的三維曲面成形。它是對三維曲面扳類件 傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。實現(xiàn)無模成形：取代傳統(tǒng)的整體模具，節(jié)省模具設(shè)計、 制造、調(diào)試和保存所需人力、物力和財力，顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成 本，提高產(chǎn)品的競爭力。與模具成形法相比，不但節(jié)省巨額加工、制造模具的費用， 而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時間，與手工成形方法相比，成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量 9 好，并且顯著提高生產(chǎn)效率。優(yōu)化變形路徑：通過基本體調(diào)整，實時控制變形曲面， 隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，提高材料成形極限，實現(xiàn)難加工材料的塑性 變形，擴大加工范圍。實現(xiàn)無回彈成形：可采用反復(fù)成形新技術(shù)，消除材料內(nèi)部的 殘余應(yīng)力，并實現(xiàn)少無回彈成形、保證工件的成形精度。小設(shè)備成形大型件：采用 分段成形新技術(shù)，連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺尺寸數(shù)倍的大型工件。易于實現(xiàn)自 動化：曲面造型、工藝計算。壓力機控制、工件測試等整個過程全部采用計算機技 術(shù)，實現(xiàn) cad ／ cam ／ cat 一體化生產(chǎn)，工作效率高，勞動強度小，極大地改善 勞動者作業(yè)環(huán)境[13]。 3.4.4.其它技術(shù) 采用低熔點合金澆鑄，快速制造汽車蓋件試制模具。合金的熔點低至，且凝 固時幾乎沒收縮，是其兩個明顯的特點。提出工藝路線為：根據(jù)模型制造原型，再 將翻制為具有足夠尺寸精度的陶瓷型，對陶瓷型進特殊處理后，在接近的溫度下， 澆鑄出低熔點合金汽車覆蓋件拉延模具。此拉延模具以制造件汽車覆蓋件零件，完 全滿足試制模具的需要。主要應(yīng)注意：低熔點合金的設(shè)計；低熔點合金的澆鑄工藝； 低熔點合金模具的試模與調(diào)試。采用等離子噴涂技術(shù)，也可快速制造汽車車身試制 模具。在電弧噴涂研究的基礎(chǔ)上，進行的主要研究與開發(fā)技術(shù)為采用原型制造汽車 噴涂模具的工裝[8]；紙原型與工藝轉(zhuǎn)化原型的設(shè)計與制造；噴涂工藝參數(shù)的選擇； 噴涂型殼與紙原型的分離；噴涂模具背襯材料的選擇與制備；噴涂模具背襯的制造 及后處理；噴涂模具的試模與調(diào)試。 4.總結(jié) 近年來，通過不懈的努力，國內(nèi)轎車沖壓模具的設(shè)計制造能力取得了顯著的進 步。但是，在轎車特別是中高檔轎車外覆蓋件模具的開發(fā)上，我們與國際水平仍有 較大差距。不過，這種差距并非不能縮小，只要我們多加強國際交流，多吸取國外 同行的設(shè)計制造經(jīng)驗，一定能夠加快轎車覆蓋件模具的國產(chǎn)化進程。 10 5.參考文獻 [1]陳炎嗣.郭景儀.沖壓模具設(shè)計與制造技術(shù).北京：北京出版社，1991—04 [2]郭春生.湯寶駿.孫繼明.汽車大型覆蓋件模具.北京：國防工業(yè)出版社，1993—10 [3]楊玉英.大型薄板成型技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，1996—02 [4]鄧仕珍.汽車車身制造工藝學(xué).北京：北京理工大學(xué)出版社，1997-09． [5]Gang Liu，Zhongqin Liu，Youxia gao．Optimization desing of drawbead in drawing tools of autobody cover paneljournal of Engineering mateials and Technology． [6]劉罡.基手回彈控翩的提高轎車沖壓成形精度方法研究．上海交通大學(xué)博士論文．2001． [7]程迎潮,劉罡,范國輝.國內(nèi)外轎車覆蓋件沖壓模具設(shè)計概況，(上海大眾汽車有限公司，上海 201805) [8]樊小年，試談汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù)，岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南岳陽 414000 [9]崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2003. 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