防尘盖冷冲压模具设计及有限元分析Word文件下载.doc
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3.2.1冲孔模具设计与计算 7
3.2.2翻边模具设计与计算 9
4各工序相应模具三维建模、强度校核及其有限元分析 10
4.1落料成形模具三维建模、强度校核及有限元分析 10
4.1.1落料凹模三维建模、强度校核及有限元分析 10
4.1.2成形凸模三维建模及有限元分析 12
4.1.3落料成形凸凹模三维建模及有限元分析 13
4.2冲孔翻边模具三维建模、强度校核及有限元分析 16
4.2.1冲孔模具三维建模、强度校核及有限元分析 16
4.2.1.1冲孔凸模三维建模、强度校核及有限元分析 16
4.2.1.2冲孔凹模三维建模、强度校核及有限元分析 18
4.2.2翻边模具三维建模、强度校核及有限元分析 19
4.2.2.1翻边凸模三维建模、强度校核及有限元分析 19
4.2.2.2翻边凹模三维建模、强度校核及有限元分析 20
5结束语 22
致谢 23
参考文献 24
23
1绪论
随着科学技术的飞速发展，CAE技术在冷冲压模具设计制造领域的应用正越来越受到世界各国的关注。
尽快把最新的有限元分析技术应用到整个挤压模具设计与制造过程中，让更多的模具工程师掌握这种优化设计方法，是提高我国冷冲压模具制造业的市场竞争力有效途径之一。
冷冲压模具的设计制造及其应用在工业生产中已日益占据着举足轻重的低位。
因为冷冲压模具的应用，使制造生产零件的速率大幅度提高，并且其各项精度也能满足不同的需求。
特别是对于本论文中提到的汽车涨紧轮防尘盖的生产应用。
而有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。
它是50年代首先在连续力学领域----飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。
本设计用Pro/E强大的三维建模造型设计功能以及Pro/M强大的结构、运动、热的有限元分析来来实现冷冲压模具的整个设计、校核、仿真为一体的设计程序，充分发挥了计算机及其软件在计算和处理数据方面的强大优势，使大量的计算由计算机来完成，有效地缩短了设计周期，并且计算的数据更加准确。
合理地将冷冲压模具的设计与设计软件的三维建模和造型设计以及有限元分析功能结合，将使机械设计的周期进一步缩短。
研究结果表明：
合理运用理论分析、物理模拟和数值模拟等方法，对冷冲模具工作工程中的所受应力、应变、应变能以及失效指标等问题进行了大量的分析和实验，并根据其研究成果对冷冲压模具进行了优化设计，可以充分提高冷冲压模具设计的合理性及其制造方便快捷程度。
2工艺分析
图2-1汽车防尘盖工程图
考虑到汽车涨紧轮防尘盖在工作过程中主要启动防尘保护作用，受到的作用力很小，故查《冲压模具设计师速查手册》[2]零件材料可选普通碳素钢中的Q195，且其参数如下表：
表2-1普通碳素刚Q195参数表
牌号
状态
抗剪强度
抗拉强度
伸长率
Q195
未经退火
260～320
320～400
28～33
取料厚度为0.8mm,查《冲压模具设计师速查手册》[2]表2—3取料厚度偏差为±
0.07mm，即h=0.8±
0.07mm
由Pro/E5.0造型并分析知：
图2-2防尘盖三维建模图图2-3防尘盖体积分析图
模型体积：
（1）
计算下料件直径：
（2）
由公式得：
（3）
3模具设计
分析：
综合考虑工件外形尺寸及工件材料，可暂将零件加工工序分为落料成型工序和冲孔翻边工序。
于是，相应冲压模具为落料成型模具和冲孔翻边模具各一套。
3.1落料成形模具设计与计算
3.1.1落料模具设计与计算
落料件相应模具一般以凹模为首先计算。
这里暂定凹模与凸模分别加工，模具刃口为平口。
图3-1落料凸凹模尺寸间隙及公差图
间隙值的确定：
由经验公式Z=m×
t并查《现代模具设计》[1]表2—2取：
（4）
（5）
刃口公差的确定：
（6）
（7）
且验证知成立
查《现代模具设计》[1]表2—4取：
K=0.75，故
（8）
mm（9）
落料时冲裁力的计算：
取k=1.3
（10）
落料时冲裁功的计算：
查《现代模具设计》[1]表2—6取：
k=0.70
（11）
卸料力的计算：
查《冲压模具设计师速查手册》[2]表5—5取：
k=0.06
（12）
3.1.2成形模具设计与计算
由《冲压模具设计师速查手册》[2]知：
图3-2锥形拉深模型
（13）
（14）
（15）
故可用锥形（带底）凹模一次拉深成功，但是，由于，毛坯变形程度不大，易回弹，所以须增加压边力或增大接触面的摩擦因数，这里用增大压边力的方法。
图3-3拉深成形模具尺寸及其配合
拉深成形凹模圆角半径的确定：
据《冲压模具设计师速查手册》[2]知：
（16）
拉深成形凸模圆角半径的确定：
（17）
拉深成形模具间隙值的确定：
；
查《冲压模具设计师速查手册》[2]表6—5取：
（18）
故（19）
处拉深成形模具尺寸的确定：
根据模具设计常识，此处以凹模为基准并首先设计计算，故查《互换性与技术测量》表1—8知：
处公差等级约为IT13，所以这里相应模具部分的公差等级取为，且结合零件的用处及其精度情况可取模具公差等级为IT7级，即模具刃口尺寸公差：
，那么
（20）
（21）
查《互换性与技术测量》表1—8知：
处公差等级约为IT12，根据《冲压模具设计师速查手册》[2]取相应模具公差等级为，此处取IT7，故模具公差值：
那么
（22）
（23）
拉深力的确定：
根据《冲压模具设计师速查手册》[2]知：
选取,,
且查《冲压模具设计师速查手册》[2]表5—20取：
，故
（24）
压边力的确定：
根据《冲压模具设计师速查手册》[2]知,其中,查《冲压模具设计师速查手册》[2]表5—30取：
故有
（25）
3.2冲孔翻边模具设计与计算
3.2.1冲孔模具设计与计算
冲孔件相应模具一般以凸模为首先计算。
图3-4冲孔模具尺寸及其配合图
查《现代模具设计》[1]表2—2取：
即,（26）
刃口尺寸公差的确定：
根据《现代模具设计》[1]知：
（27）
（28）
刃口尺寸的确定：
K=0.50，故
（29）
（30）
冲孔时冲裁力的确定：
取k=1.3,计算
（31）
知；
故
（32）
冲孔时冲裁功的确定：
K=0.60故
（33）
卸料力的确定：
查《现代模具设计》[1]表2—7取：
K=0.05故
（34）
3.2.2翻边模具设计与计算
工件翻边类似于工件的拉深，故模具工作部分尺寸可按拉深模具计算，且由于工件的工程图上标注的是其内径尺寸，所以计算时应以凸模尺寸为基准，而由于工件精度等级不高，所以计算时用近似公式。
翻边模具间隙的确定：
（35）
（36）
故（37）
翻边模具刃口尺寸公差的确定：
工件在此处的公差等级约为IT12，故刃口公差可取，这里暂定为IT8，即
翻边模具刃口尺寸的计算：
（38）
（39）
翻边模具凹模圆角半径的确定：
（40）
这里取
翻边模具凸模圆角半径的确定:
（41）
翻边时翻边力的计算：
（42）
4各工序相应模具三维建模、强度校核及其有限元分析
4.1落料成形模具三维建模、强度校核及有限元分析
4.1.1落料凹模三维建模、强度校核及有限元分析
落料凹模三维建模：
图4-1落料凹模三维建模图
落料凹模强度校核：
根据前面设计数据并查《冲压模具设计师速查手册》[2]知：
凹模材料选用T10A,淬火硬度,，故
（43）
故落料凹模强度足够。
注：
式子中及分别代表凹模直径和下模座孔的直径
落料凹模工作时失效指标分析:
图4-2落料凹模失效指标图
由上面Pro/M做落料凹模最大剪应力分析知：
落料凹模刃口处所受应力最大，并且刃口失效指标分布不均匀，这是由于落料凹模工作时主要由刃口对条料进行冲裁，受力最大，并且以引起应变，其相应应变能亦，故此处失效指标最高。
建议解决方法：
可适当在落料凹模刃口处加工出一定的倒圆角，或者对模具进行表面质量处理增强其硬度及韧性等，显而易见，加工出倒圆角最为方便。
图4-3即是对落料凹模加工出小倒圆角后的有限元分析，可将其与前面的分析进行对比：
图4-3落料凹模修正后失效指标图
结论：
经以上对比可知落料凹模刃口处加工出适当的小倒圆角后，其刃口处失效指标变得更加均匀，更重要的是其相应的失效指标值约降低到未加工出小倒圆角时的1/2左右。
可知此种方法是可行的。
落料凹模刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；
一旦过大，必将引起冲裁力剧增，更重要的是冲裁出的工件的断面质量下降，这是不可取的。
这里作对比时所取的被加工出的小倒圆角半径为,实际生产过程中合理的小倒圆角半径值有待进一步研究。
4.1.2成形凸模三维建模及有限元分析
成形凸模三维建模：
图4-4成形凸模三维建模图
成形凸模强度校核：
根据前面设计数据并查《冲压模具设计师速查手册》[2]选取凸模材料为T10A，且其淬火硬度为,，故
（44）
故成形凹模强度符合要求。
成形凸模工作时失效指标分析
图4-5成形凸模失效指标图
由Pro/M有限元分析可知：
成形凸模工作时锥形刃口处失效指标最高，并且刃口处失效指标高于处的失效指标，这是因为成形凸模工作时是处的刃口首先与坯料接触受力，并且这部分刃口也是主要受力部分。
而设计的凸模刃口处失效应尽可能均匀。
建议在成形凸模处刃口加工出适当的小倒圆角。
下图4-6即为加工出小倒圆角后的有限元分析：
图4-6成形凸模修正后失效指标图
经过上面的分析对比，可知处加工出小倒圆角后，成形凸模工作时其刃口各处指标趋向于均匀，并且刃口各处相应失效指标有所降低。
故此方法是可行的。
成形刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；
一旦过大，必将引起拉深力剧增，更重要的是拉深出的工件的的结构会发生明显变化下降，这是不可取的。
4.1.3落料成形凸凹模三维建模及有限元分析
落料成形凸凹模三维建模：
图4-7落料成形凸凹模三维建模图
落料成形凸凹模强度校核：
根据前面有关落料成形凸凹模设计数据并查《冲压模具设计师速查手册》[2]选取其材料为T10A,淬火硬度,，，故
（45）
（46）
（47）
故成形落料凸凹模强度符合。
落料成形凸凹模落料时失效指标分析：
图4-8落料成形凸凹模凸模部分失效指标图
分析:
由Pro/M有限元分析可知：
落料成形凸凹模落料时刃口处失效指标最高，并且刃口处失效指标分布不均匀，这是因为落料成形凸凹模落料时刃口处是主要受力部分，其所受应力、应变及应变能最大，使相应的失效指标最大。
建议在落料成形凸凹模落料刃口处加工出适当的小倒圆角。
下图4-9即为加工出小倒圆角后的有限元分析：
图4-9落料成形凸凹模凸模部分修正后失效指标图
经过上面的分析对比，可知落料刃口处加工出小倒圆角后，落料成形凸凹模落料时其刃口各处指标趋向于均匀，并且刃口各处相应失效指标有所降低。
落料成形凸凹模刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；
一旦过大，必将引起冲裁力剧增，更重要的是冲裁出的工件的的断面质量会发生明显变化下降，这是不可取的。
落料成形凸凹模成形时失效指标分析
图4-10落料成形凸凹模凹模部分失效指标图
落料成形凸凹模成形时刃口处失效指标最高，并且刃口处失效指标分布不均匀，这是因为落料成形凸凹模成形时刃口处是首先受力，其所受应力、应变及应变能最大，使相应的失效指标最大。
而设计的原则是凸模刃口处失效应尽可能均匀。
建议在落料成形凸凹模刃口以及处加工出适当的小倒圆角。
下图4-11即为加工出小倒圆角后的有限元分析:
图4-11落料成形凸凹模凹模部分修正后失效指标图
经过上面的分析对比，可知成形刃口处加工出小倒圆角后，落料成形凸凹模成形时其刃口各处指标趋向于降低,但是刃口处失效指标稍有升高，证实此方法是是有缺陷的。
作对比时所取的被加工出的小倒圆角半径为。
4.2冲孔翻边模具三维建模、强度校核及有限元分析
4.2.1冲孔模具三维建模、强度校核及有限元分析
4.2.1.1冲孔凸模三维建模、强度校核及有限元分析
冲孔凸模三维建模：
图4-12冲孔凸模三维建模图
冲孔凸模强度校核：
根据前面有关冲孔凸模的设计数据,并查《冲压模具设计师速查手册》[2]选取凸模材料为T10A,淬火硬度为,且许用压应力,故凸模承压能力校核：
（48）
冲孔凸模抗纵向弯曲应力校核：
（49）
故冲孔凸模设计符合要求。
冲孔凸模冲孔时失效指标分析：
图-13冲孔凸模失效指标图
冲孔凸模冲孔时刃口处失效指标最高，并且刃口处失效指标分布不均匀，这是因为冲孔时刃口处受力最大，其所受应力、应变及应变能最大，使相应的失效指标最大。
另外，冲孔凸模刃口周围且位于圆柱方向的失效主要是由于冲裁过程中与条料的摩擦造成的。
建议在冲孔凸模刃口处加工出适当的小倒圆角。
并且可以根据实际加工生产情况对凸模刃口处进行表面质量处理，以提高刃口处的强度以及韧性，提高使用寿命。
下图4-14即为加工出小倒圆角后的冲孔凸模刃口处失效指标的有限元分析:
图4-14冲孔凸模修正后失效指标图
经过上面的分析对比，可知冲孔凸模刃口处加工出小倒圆角后，冲孔时其刃口各处指标趋向于均匀，并且刃口各处相应失效指标约降低到原来的1/6左右。
冲孔凸模刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；
这里作对比时所取的被加工出的小倒圆角半径为,实际生产过程中合理的小倒圆角半径值还有待进一步研究。
4.2.1.2冲孔凹模三维建模、强度校核及有限元分析
冲孔凹模三维建模：
图4-15冲孔凹模三维建模图
冲孔凹模强度校核：
根据前面设计数据并查《冲压模具设计师速查手册》[2]选用冲孔凹模材料为T10A,其淬火硬,，故
（50）
故冲孔凹模设计符合要求
冲孔凹模冲孔时失效指标分析：
图4-16冲孔凹模失效指标图
冲孔凹模刃口处失效指标分布不均匀，而设计的原则是凸模刃口处失效应尽可能均匀。
建议在冲孔凹模刃口处加工出适当的小倒圆角。
下图4-17即为加工出小倒圆角后的有限元分析:
图4-17冲孔凹模修正后失效指标图
经过上面的分析对比，可知冲孔刃口处加工出小倒圆角后，冲孔凹模冲孔时其刃口各处指标趋向于均匀，但是刃口各处相应失效指标却有所增加，但是增量很小。
冲孔凹模刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；
4.2.2翻边模具三维建模、强度校核及有限元分析
4.2.2.1翻边凸模三维建模、强度校核及有限元分析
翻边凸模三维建模：
图4-18翻边凸模三维建模图
翻边凸模强度校核：
由前面的有关翻边模具的设计数据可知翻边时产生的翻边力很小，故对翻边模具的影响很小，可不进行强度校核。
翻边凸模翻边时失效指标分析：
图4-19翻边凸模失效指标图
翻边凸模翻边时刃口处失效指标趋于均匀，并且刃口处失效指标明显没有前面几种模芯高，这是因为翻边力不大，其所引起的翻边凸模相应的应力、应变及应变能不大，使相应的失效指标较低。
另外，结合翻边过程易知翻边模的失效的主要原因还有翻边过程中产生的摩擦。
建议在对翻边凸模进行表面质量处理，以提高其耐磨性等。
这里不
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