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国外,特别是欧美和日韩等发达地区的模具工业起步较早,拥有比较先进的生产管理技术及经验,值得我们国内模具行业学习和借鉴。
在欧美,许多模具企业将高新技术应用于模具的设计和制造,主要体现在[3]:
①充分发挥了信息技术带动和提升模具工业的优越性;
②高速切削、五轴高速加工技术基本普及,大大缩减制模周期,提高企业的市场竞争力;
③快速成形技术和快速制模技术得到普遍应用;
④从事模具行业的人员精简,一专多能,一人多职,精益生产;
⑤模具产品专业化,市场定位准确;
⑥采用先进的管理信息系统,实现集成化管理;
⑦工艺管理先进、标准化程度高。
日本模具加工的未来发展方向主要表现为无人手修模、无放电加工、加工时间缩短、五轴加工等方面。
中国虽然在很早以前就制造模具和使用模具,但一直未形成产业。
由于长期以来模具制造一直作为保证企业产品生产的手段被视为生产后方。
因此一直发展缓慢[4]。
1984年成立了中国模具工业协会,1987年模具首次被列入机电产品目录,当时全国共有生产模具的厂点约6000家。
总产值约30亿元。
随着中国改革开放的日益深入,市场经济进程的加快,模具及其标准件、配套件作为产品,制造生产的企业大量出现,模具产业得到快速发展。
在市场竞争中,企业的模具生产技术提高很快,规模不断发展,提高很快。
20世纪90年代以来,中国在汽车行业的模具设计制造中开始采用CAD/CAM技术。
国家科委863计划将东风汽车公司作为CIMS应用示范点,由华中理工大学作为技术依托单位,开发了汽车车身与覆盖件模具CAD/CAM软件系统,在模具和设计制造中得到了实际应用,取得显著效益。
现在,吉林大学和湖南大学也成功地开发出了汽车覆盖件模具的CAD/CAE系统,并达到了较高水平,在生产中得到应用,收到了良好的效果。
1.2冲压模具国内外发展趋势
(1)继续全力全面推广CAD/CAM/CAE技术
CAD/CAM/CAE技术的应用是制造技术发展的动力。
随着电脑软件的开发与应用,普及CAD/CAM/CAE技术的条件已经成熟,各企业将加大这些技术的培训与技术服务力度;
进一步扩大CAE技术的应用范围。
世界较先进的丰田汽车模具制造厂在这方面为我们提供了比较成功的实验,它的模具从设计到加工完全依赖高科技,将实体设计加上数控编程,取代了人工实型制作和机床操作;
精细模面设计和精细数控编程大大减少了钳修;
高精度加工取消了模具的研合、修配。
现在数控编程人员已经超过了现场操作人员,数控编程的工时费用,超过了机床操作工人,数控编程的工时费用,超过了机床工时费用的50%,这种高精度和无人化加工,使模具的质量有了极大的提高,生产周期大大缩短。
(2)模具检测设备向精密、高效和多功能方向发展
精密、复杂、大型模具的发展,对检测设备的要求越来越高。
现在精密模具的精度已经达到2-3um。
目前国内厂家使用较多的有意大利、美国、日本等国家的高精度三坐标测量机,并具有数字化扫描功能。
如东风汽车模具厂不仅拥有意大利三坐标测量机,还拥有数码摄影光学扫描仪,率先在国内采用数码摄影、光学扫描作为空间三维信息的获得手段,从而实现了从测量实物——建立数学模型——输出工程图纸——模具制造的整个过程,使得逆向工程技术的开发和应用有了很大成功。
(3)一体化加工中心是目前正在发展的新技术
在丰田模具制造厂,今年已投入使用了一个粗精加工一体化、高速、高精度、五面加工中心。
它的优点是集各种机床优点之大成,除底面加工外,一次装、卡,粗、精、高功率、高精度、高速等面面俱到,加工效率很高。
且目前已出现的无人化生产形式主要指柔性加工和冲压加工中心。
比如日本TOYOTA公司的柔性冲压加工系统(FMS)是通过数控使一组冲压设备实现自动调节加工[5];
我国90年代诞生了一台以冲床为主的板料折弯柔性单元(FMS)。
一体化无疑是一种十分理想的技术,代表着数控加工技术发展的方向。
日本的AIDA公司70年代就开始了冲压加工中心研制,但进展似乎很慢,说明了难度很大,所需投入更是巨大。
(4)模具工业新工艺、新理念和新模式逐步得到认同
在成型工艺方面,主要有冲压模具功能复合化,模具加工系统自动化等。
另外一个方面,随着先进制造技术的不断发展和整体制造水平的不断提高,在模具行业出现了一些新的设计、生产、管理理念和模式,主要有:
适应模具单件生产特点的柔性制造技术;
创造最佳管理和效率的团队精神;
提高快速应变能力的并行工程,虚拟制造及全球敏捷制造、网络制造等新的生产哲理;
广泛采用标准件通用件的分工协作生产模式;
适应可持续发展和环保要求的绿色设计与制造等[6]。
1.3CAD技术与冲压模具
随着计算机技术的发展和普及,冲压模具也基本实现了计算机化,其中有代表性的是计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工程(CAE)。
在计算机辅助设计方面。
如今的国内冲压模具企业大部分甩掉了传统的绘图板,摒弃了落后的手工绘图方式。
使用最多的是由美国Autodesk公司出品的AutoCAD软件,有些企业还在AutoCAD平台上进行了二次开发(加深圳某台资公司在AutoCADR13基础上进行专项开发,形成了由十二块模板组成的系列冲压模具),形成了具有自己特色的、针对性非常强的冲压模CAD软件;
也有许多企业使用国产的AutoCAD产品(如开目CAD、CAXA等等)。
在实际中,充分运用计算机技术发展模具设计、制造将会给企业带来莫大益处。
用户对压力机速度、精度、换模效率等方面不断提高的要求,促进了模具的发展。
如汽车行业中,外形车身和发动机是汽车的两个关键部件,汽车车身模具特别是大中型覆盖件模具,其技术密集,体现当代模具技术水平,是车身制造技术的重要组成部分。
车身模具设计和制造约占汽车开发周期三之二的时间、成为汽车换型的主要制约因素。
目前,世界上汽车的改型换代一般约需48个月,而美国仅需30个月,这车要得益于在模具业中应用了CAD/CAE/CAM技术和三维实体汽年覆盖件模具结构设计软件。
另外,网络技术的广泛应用提供了可靠的信息载体、实现了异地设计和异地制造。
同时,虚拟制造等IT技术的应用,也都在不断推动模具工业的发展。
在模具设计中标准件和简化符号的运用是提高模具设计效率的重要手段。
CAD系统开发的重要内容之一是标准件库的建立[7]。
为此利用CAD技术开发了冲压模具二维三维标准件图库。
利用图库可以高效准确地生成几千个不同类型不同规格模具标准件的二维图符和三维实体图,其二维图符功能将给模具的设计工作带来极大的便利,提高绘图效率。
三维实体建模功能不仅有助于模具设计人员直观的观察模具结构,还可以将生成的零件三维实体转换到其它的三维CAD/CAM软件中生成数控加工的NC代码,用于数控加工。
同时也方便现代企业内部的数据管理与传输。
针对冲压模具设计中使用大量标准件的特点,在CATIAV5基础上,使用参数化设计方法对标准件建模,建立了标准件库,有效提高了冲压模具设计的效率[8]。
以冲压模具设计系统的开发为目的,详细介绍了利用Pro/E提供的开发工具Pro/Toolkit,在VisualCH6.0上进行编译。
从系统菜单、用户对话框的开发、参数化程序的设计,实现了弹出对话框方式的冲压模具标准件的参数化驱动,进一步扩展了Pro/E二次开发的功能。
开发的系统由冲压模具设计、冲压过程模拟、冲压模加工模拟几个模块组成,为设计者提供设计理论和知识的支持。
应用开发的冲压模具设计标准系统,可以规范模具设计标准,缩短模具设计周期,提高模具设计质量[9]。
利用UG/NX进行了盒形件的三维建模及复合冲压模设计,完成了一种带倒装拉深、整形和侧孔冲压结构的复合冲压模具。
缩短了模具的设计和制造周期。
该模具可使拉深、底面四角整形、冲底面四个四方孔、翻边、冲侧孔五道工序集于一套模具,使操作方便。
节省工时,提高劳动生产率[10]。
模块化设计技术可以缩短产品的设计与制造周期,是快速响应设计的核心。
作者从冲压模具的模块化设计方法出发,分析了冲压模具的结构和设计特点,论述了基于模块化的冲压模具功能零部件的规划、基于模块化的冲压模具设计过程。
最后给出了冲压模具CAD系统的功能结构,并对其具体功能进行了描述。
冲压模具CAD系统应用模块化技术可以优化模具的设计与制造,提高模具设计的标准化水平及快速响应能力[11,12]。
1.4冲压模具零部件
冲压零部件总共可以分为两大类:
工艺零件和结构零件
1)工艺零件
①工作零件:
凸模、凹模、凸凹模。
②定位零件:
用来保证条料的正确送进及在模具中的正确位置。
这类零件有挡料销、始用挡料销、导正销、定位销、定位板导料销、导料板侧刃、侧刃挡块承料板。
③卸料、压料零部件:
卸料装置、压料装置、顶件装置、推件装置、废料切刀。
2)结构零件
①导向零件:
导柱、导套、导板、导筒。
②支承零件:
上、下模座、模柄、凸、凹模固定板、垫板、限位支承装置。
③紧固零件:
螺钉、销钉、键。
④其它零件:
弹性件、传动零件。
2标准化在冲压模具设计中的应用
2.1冲压模具标准化概况
在模具结构设计中,大量使用标准化零部件来减轻设计者的工作量、降低产品的成本。
然而在实际工作中,大量的标准化零部件仍然需要对其尺寸等进行具体设计、绘制以满足实际情况,并且需要反复地查手册找数据,占用了设计者大量的时间和精力。
因此,有必要建立此类标准化零部件的软件库,以方便数据查询并快速绘制出标准件,从而减少模具设计的工作量,缩短模具设计周期。
目前已有一些标准件库系统及相关研究,还出现了基于Web的标准件库。
然而,这些系统的可重用和可扩展性较差。
SolidWorks是一套维机械CAD软件,它以参数化和特征建模的技术,为设计人员提供了良好的设计环境,逐渐拥有了越来越多的用户。
而在装配设计中,要用到数目众多的标准件,如螺栓、螺母、键、轴承、齿轮等等。
标准件是丁程设计中用途最为广泛的基本单元,其绘制也是设计人员重复劳动最多的环节。
但SolidWorks本身不带有国家标准零件库,在用到标准件时需要设计人员重新建模,这就造成时间和精力上的浪费。
基于这种情况,利用软件本身提供的API接口,可以开发一个标准件库,为装配设计提供了方便避免重复性劳动。
标准件库的建立和使用提高了设计效率和质量,是CAD系统走向实用化的必不可少的环节[13,14]。
2.2冲压模具标准件的分类
根据国家标准把标准件进行分类,如下,然后根据各类标准件的不同结构进行参数化设计。
(1)紧固件:
垫圈、螺母、螺栓、螺钉等。
(2)定位件:
定位销、V形块挡块、键、挡圈等。
(3)导向件:
固定钻套、钻套用衬套、可换钻套、钻套螺钉等。
(4)其他件:
弹簧等。
2.3建立冲压模具标准件库的意义
标准件的系列化、通用化和标准化程度高。
对具体的某一类模具标准件来说,它们的结构都是固定不变的,所不同的只是零件的结构尺寸。
基于此,本文建立的冲模标准件库主要包含零件几何信息和参数数据信息。
当需要用到某类标准件时,由CAD系统自动查询零件模型库和相应的尺寸参数数据库,并自动完成该标准件的实体建模。
本系统的设计基于这样一个前提:
查询与绘制工作为后台服务,对用户透明,其目的是让用户进行最简单的操作即可得到由系统生成的冲模标准件。
SolidWorks是法国达索公司推出的基于Windows平台的三维机械设计软件,采用参数化和特征建模技术,为用户提供功能强大的API函数接口,用户可结合特定产品的需要,开发出具有企业特色的快速设计系统。
但冲压模具零件中如导柱、导套、模柄等是设计中用途最为广泛的基本单元,在装配设计中调用频繁,而SolidWorks中的标准件库不符合我国的国标,使用时需重新设计,大大降低了装配效率。
为了使常用的或重复的任务自动化,以VisualBasic6.0、VB等编程语言为开发工具,对SolidWorks进行二次开发,生成符合我国国标的标准件库,并将用户程序作为一个插件集成到SolidWorks中去,以方便用户,提高装配效率。
3冲模导向系统的介绍
3.1冲模导向装置的类型
常用的冲模导向装置有以下几种:
(1)导板式导向装置——是用模板的模孔型面给凸模导向。
(2)导柱式导向装置——有滑动导向与滚动导向两种。
滑动导向是导柱与导套采用间隙配合装于模架内或卸料板上实施上、下模导向;
滚动导向也是如此,只不过导柱与滚珠或滚柱导套采用0.01-0.02mm过盈配合,装于模架内或卸料板上实施对凸模导向。
(3)导板与导柱组合导向——就是将导柱模架冲模的卸料板改为导板进行精准导向。
导柱模架可以是滑动导向,也可以是滚动导向。
除上述导向装置外,还有导筒式、专用导向块等,一般很少采用。
3.2用导板导向装置的类型
图3.1、3.2是用导板导向的固定卸料导板式连续冲裁模的实用典型结构形式。
图3.1为整体结构凸模、凹模及导板的小型固定卸料导板模。
其定位系统是采用始用挡料装置17与固定挡料销13配合对送人条料定距限位。
该冲模导向系统由导板6、导料板7构成。
导板是该冲模核心零件之一,其平面尺寸即长、宽均与凹模8相同,厚度可取等于或稍小于凹模厚度,但不小于凸模长度的四分之一。
推荐采用45钢,不必淬硬。
导板不承受荷载,不用进行强度验算。
但在可能情况下,厚度宜大不宜小。
导板模孔与凸模成基轴制h5/H6~h7/H8间隙配合,冲裁料厚t增大,导向精度降低,至hT/H8配合为止。
图3.2是采用镶拼结构凹模、用对称布置的两组成形侧刃l2,对送进材料切边定位的固定卸料导板式连续冲裁模。
包括图3.1在内,这类冲模结构简单、设计与制造简便,冲压精度高、使用(高)寿命高,操作安全性优于其他类型冲模,冲压噪声发生在导板下表面与凹模上表面冲模工作的窄小空间中,经多层模板阻尼与消减,比其他类型冲模要小一些。
故其属于安全型冲模。
这类冲模适宜在滑块行程可调的偏心压力机上用小行程工作,保证凸模始终不脱开导板。
图3.1固定卸料导板式连续冲裁模典型结构
1.模柄2.上模座3.垫板4.固定板5.限位柱6.导板7.导料板
8.凹模9.下模座10.内六角螺钉11.销钉12.导正销13.固定
挡料销14.螺钉15.承料板16.冲孔凸模17.始用挡料装置
图3.2多件镶拼组合凹模的三工位固定卸料导板式连续冲裁模
1.下模座2.导料板3.凹模4.落料凹模5.侧刃挡块6.凹模镶块7.切料口凸模
8.切料口凹模镶块9.承料板10.凹模镶条11.冲孔凸模12.成形侧刃13.模柄
14.上模座15.垫板16.固定板17.导板18.导板镶件19.固定板嵌件
3.3导柱导向装置的类型
用导柱与导套匹配、导柱与滚珠导套或滚柱导套匹配构成的导柱导向装置,按导柱安装的零件及位置不同,构成以下多种具有导柱导向装置的部件,成为各类结构形式全钢冲模架构的模架。
(1)滑动导向的导柱模架
这类模架有铸铁模座和钢板模座两大类,各包括:
对角导柱、后侧导柱、中间导柱以及四导柱模架等几种结构型式。
铸铁模座模架早在1981年已纳人国际,并增加了后侧导柱窄形模架、中间导柱圆形模架两种;
钢板模座也于1995年纳入机械行业标准。
这两大类l0种结构形式的标准滑动导向模架是迄今在线普遍使用的最主要的导柱导向装置。
图3.3所示柱头座单工位综合式复合模就是采用滑动导向后侧导柱模架的具体实例。
图3.3柱头座单工位综合式复合模
1、2.固定挡料销3.垫板4.固定板5.压簧6.卸料版7.护栅
8.卸件器9.垫板10.固定板11.冲挤凸模12.凹模13.凸凹模
(2)滚动导向的导柱模架
这类模架也有铸铁模座和钢板模座两大类各4种,即:
对角导柱、后侧导柱、中间导柱和四导柱模架。
与滑动导向导柱模架一样,两者也分别纳入GB/T和JB/T标准。
滚动导向模架靠滚珠导套与导柱有0.01-0.02mm的过盈配合,能实现零误差的导向。
但其使用远不及滑动导向模架广泛。
其特点是导向精度高,抗偏载能力差,易磨损,造价高,多用于高精度、高寿命、高效率的“三高”冲模,适于轻载、薄料与超薄料,高精冲件冲模、硬质合金模、高速精密连续模等。
如图3.4所示,E字形铁心片硬质合金滚珠导柱模架标准定型结构复合冲裁模,就是采用滚动导向导柱模架的实例。
图3.4E字形铁心片硬质合金滚珠导柱复合冲裁模
以上滑动导向和滚动导向标准导柱模架,共有18种结构形式,总共479个规格可供设计者选用[15]。
3.4独立导柱组件简介
3.4.1独立导柱的形式与结构
独立导柱由导柱、导套、上下支承座等组成.一般根据精度等级分为三种结构。
图3.5是滚动独立导柱,导柱4与钢套6通过钢球保持圈7作负间隙运动,导柱直径大于钢球保持圈上钢球所构成的内径,二者之差的绝对值控制较严。
根据导柱的直径大小控制在0.01~0.03mm之间,导向精度最佳。
如过大,会增加导柱插人的阻力,易使导柱加速磨损或拉伤;
如过小,则降低导向的精度,该结构类似滚动导向件;
图3.6是精动钢套独立导体,导柱3、钢套5的配合间隙小,一般控制在0.01~0.02mm之间,表面粗糙度值低,内有润滑油槽,上支承座端面有油沟、使用寿命长、精度较高;
图3.7是滑动独立导柱,上支承座4内无钢套,靠铸件的耐磨性来保证一定的使用寿命,精度一般,最大优点是成本低、价格便宜,适用于小批量冲压零件或使用在零件精度一般的模架上。
图3.5滚动独立导柱
1.轴用弹性挡圈2.下支撑座3.弹簧4.导柱
5.上支撑座6.钢套7.钢球保持圈8.限位装置
图3.6滑动钢套独立导柱
1.轴用弹性挡圈2.下支承座3.导柱4.上支承座5.钢套
图3.7滑动独立导柱
1.轴用弹性挡圈2.下支承座3.导柱4.上支承座
3.4.2独立导柱具有的优点
(1)精度高导柱、导套零件的圆柱度达到0.0025mm,表面粗糙度分别达到RaO.1~0.2,材料采用GCrl5高频淬火达到62~66HRC。
钢球保持圈采用H62黄铜加工而成,所用钢球为G10级精度。
成品独立导柱的上下两定位面的平行度达到GB1l84-l990之5级,导柱与下定位面的垂直度不超过100:
0.01。
(2)装配简捷使用独立导柱组装模架省去了模板加工的关键工序,无需镗磨加工导柱、导套安装孔,并可在模板安装好后再装配独立导柱导向,安装时分别用4个螺栓将上、下支承座固定在上、下模板上,再由2个定位销定位。
模具维修方便,可以重复装拆,而不致使精度有所降低。
(3)结构灵活我厂独立导柱已系列化生产,可以根据模架的大小、闭合高度、模架行程、精度等级选择不同的尺寸大小和结构形式。
目前标准化的导柱直径有7种规格,导柱长度从80~400mm,还可以根据不同的要求进行改制和改装,常规安装如图3.8所示。
当闭合高度小于两个支承座的高度时,可以将上、下座分别反装(见图3.9)或去掉下座(见图3.10),将导柱直接压人下模板,同时导柱也可采用可卸式结构形式(见图3.11)。
当行程过大,也可以加长上支承座内的导套。
图3.8常规安装图3.9上、下座反装
图3.10去掉下座图3.11可卸式结构形式
在选择独立导柱时,其长度为模架闭合时上、下模板间的间距,按照现行的生产标准,独立导柱行程为2O~60mm。
独立导柱是一组合件,上、下支承座靠螺栓安装,因而在模板上占有的面积比传统单纯的导向件大2O%~3O%,模板外形尺寸也需要相应增大。
另外要求行程偏大,具有较大侧向力的模具不宜采用,因为在使用过程中可能使定位销变形或断裂,影响导向的功能。
我国目前尚未制定独立导柱国家标准,各厂家生产的结构形式、技术参数、规格大小均有一定的差异,给用户使用带来许多不便,相信在不久的将来,经过人们越来越多的使用和认识,独立导柱将会有更完善的改进和发展[16]。
4基于SolidWorks的二次开发
4.1SolidWorks二次开发环境和技术
SolidWorks是一个基于Windows平台的优秀三维设计软件,其参数化和特征造型技术,能方便、快捷地创建任何复杂形状的实体,而具有参数化支持的实体能够通过对尺寸的改变来进行编辑,实现参数驱动。
SolidWorks为用户提供了强大的二次开发接口(API),其中包含有数以百计的功能函数,这些函数提供开发人员直接访问SolidWorks功能和对SolidWorks进行定制的能力。
这些API可被VisualBasic,VBA(Excel,Access等)、C、C++或SolidWorks的宏文件调用。
SolidWorksAPI接口采用面向对象的方法,所有的功能都是有关对象的方法或属性。
SolidWorks提供了大量的API对象用于二次开发,这些对象涵盖了几乎全部SolidWorks的数据模型,通过对这些对象属性的设置和方法的调用,就可以在用户自己开发的程序中实现SolidWorks的相应功能。
对VB用户来说,为便于模块化开发,可以创建ActiveXDLL工程,加入相关代码,提供接口函数,编译生成“.dll”文件,该文件注册后,可以在其他程序中像调用SolidWorks的API函数一样使用。
4.2标准件库开发基本策略
标准件库是模具CAD/CAM的重要组成部分,一般分为国家标准或者企业标准。
模具标准件种类较多每一种按要求不同,有一组或多组尺寸系列,但同一种标准件结构基本相同。
根据对标准件的几何和拓扑相似性等分析,在模具标准件建库过程中,适合采用参数化方法。
参数化设计主要有程序驱动法和尺寸驱动法两种,程序驱动法将设计过程中的所有关系式融入应用程序中,然后在程序的控制下,求解这些设计表达式,并与用户交互完成设计工作,这一方法的主要特点是:
如果要修改图形,一般要重新运行一遍应用程序,输入不同值
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