多点成形冲压模具设计与制造

多点成形冲压模具设计与制造

摘要:船舶工业是海上运输业、海上军事国防的重要基础,船舶工业的制造水平直接决定了船舶的质量和寿命。由于船舶含有大量的、具有复杂曲线结构的零部件,比如船舶螺旋桨、船舱、传动轴承等,这些零部件的加工和制造具有非常高的难度,也是船舶工业研究的重点。在船舶复杂结构件里,板材件数量众多,板材件的加工工艺以冲压为主,本文对传统的冲压模具进行优化,设计一种针对船舶复杂曲线结构的多点成形冲压模具。

关键词:曲线结果;板材;多点冲压模具

0引言

舰船由于长期处于较恶劣的工作环境下,受到海水腐蚀与海浪侵蚀等作用,许多关键结构及零部件都会发生故障。为了提高舰船的质量与结构件的使用寿命,必须要提高船舶结构的加工与制造水平。舰船上装配着具有大量复杂曲面结构的零部件,这些零部件有一部分采用整体锻造的生产工艺,如螺旋桨叶片、船舶动力系统主轴等;很大一部分钣金件,采用冲压模具成型工艺生产,因此,研究并改善船舶结构件的冲压工艺显得非常重要。模具冲压工艺对于生产硬质合金材料的结构件有较好的效果,相对于传统的切削与锻造工艺,模具冲压工艺能够节省材料,且具有较高的生产效率,冲压件的表面质量和尺寸精度较高,能够满足船舶复杂零部件的加工需求。模具冲压工艺不仅在船舶工业有较广泛的应用,在航空航天,仪器仪表,电子设备,军工等用品等加工领域都有广泛的应用。模具冲压工艺也分为多个种类,传统的模具冲压工艺,一套模具只能加工一个零部件,模具的成本较高,制造与调试模具消耗大量的人力、物力。多点成形冲压模具不同于传统的冲压模具,可以灵活调节模具的冲压结构,生产出不同种类的零部件。本文首先介绍多点成形冲压工艺的原理,然后依据船舶复杂零部件的加工需求,设计一种船舶复杂曲线结构的多点成形冲压模具,并详细介绍了模具的型线设计与结构原理。

1船体复杂曲线结构成形原理

随着船舶的功能性需求不断提高,船舶结构的强度需求越来越高,船舶的零部件也越来越复杂。船舶复杂曲线结构的零部件加工与制造工艺,决定了船舶的制造质量和使用寿命,具有重要意义。常见的复杂曲面结构件加工方法包括切削加工、整体锻造等,比如现在作为热点研究的五轴数控机床、加工船舶的螺旋桨等。对于船舶上的复杂曲面结构件及一些钣金件而言,采用模具冲压制造工艺,既可以节省材料,又具有较高的加工质量,是船舶制造过程中应用非常广泛的加工工艺。板材冲压成型的过程中,压力机首先带动板材压边将材料固定在夹具上,然后,液压机带动冲头向下移动,使板材产生形变,锁紧块将冲头的位置锁紧,目的是使板材保持在变形位置一段时间,提高形状精度;最后上下模板分离,板材成型。为了分析复杂零部件在冲压成型过程的形变与材料的强度,本文将图1中的板材冲压变形区域分为A,B,C三部分。板材在冲压过程中各部分受到的力的形式不同,因此产生的形变与表面质量各不相同。区域A主要受到板材压边的挤压力作用,在板材冲压过程中,不发生较大的形变和位移。因此该区域板材件的结构强度更好。区域B同时受到板材压边的压力和冲头的拉力作用,产生的变形量较大。随着冲头的不断下降,区域B从最初的悬空,逐渐向冲头靠近。该位置的拉应力与压应力取决于材料本身的强度极限。如果用力过大,可能会导致板材出现裂纹等,是需要重点进行保护和处理的变形区域。区域C是整个板材变形量最大的区域,该区域在冲头的作用下,受到挤压力、摩擦阻力和变形阻力,同时,该区域的变形不可能无限制增大,受到材料强度极限与屈曲极限的限制。

2多点成形冲压模具技术的研究

多点成形冲压工艺是一种典型的柔性加工工艺,该工艺将一系列排列规则的冲头组成多点模具,实现了对金属板材的区别性加工。可知,多点冲压成型与整体冲压成型的不同之处在于,整体冲压成型的上模具与下模具均为一个冲头,而多点冲压成型的上模具与下模具的冲头有多个,并紧密的排列在上下模板上。多点冲压成型的具体过程如下:①多冲头的定位。多点冲压成型的冲头需要精确的定位在上下模板上,每个冲头都连接着相应的液压推动装置,根据板材的形状与工艺需求,调整冲头的冲压行程。②板材成形。板材在涌头的挤压作用下,逐渐改变形状,形成与冲头相同的包络面。③板材表面处理。由于多点冲压成型的冲头形状为球面,如果相邻2个冲头之间有较大的高度差,那么板材在冲压成形过程中就会产生不规则的凸起或者凹陷,导致板材的表面粗糙度过高,甚至有皱折的现象。因此,为了提高板材的表面质量,必须对加工后的板材进行表面处理。常见的处理方法是在板材与多点冲头之间添加橡胶材料,这种方法产生的板材冲压表面更加光滑。

3船体复杂曲线结构的多点冲压模具设计

3.1复杂曲线结构的型线优化

根据板材冲压成型的原理,船舶具有复杂曲面轮廓的结构件在进行冲压成型时,必须要进行型线的优化,其主要目的在于提高冲压成形过程中的表面质量以及强度。

3.2船体结构多点冲压模具设计

通过进行船舶结构件表面的型线优化,本文结合多点冲压成形工艺,开发一套船舶复杂结构多点冲压模具,该模具的主要结构包括顶模板、顶出螺杆、弹簧、伸缩套、联接器、冲头、固定座等,每个冲头与对应的弹簧与伸缩套相连,相对于传统的冲压成形模具,该船舶结构件的多点成形冲压模具有的特点包括:1)柔性冲压成型,降低了板材冲压过程的起皱现象,提高了表面质量。2)弹簧与伸缩套保证了模具冲头的冲压力和脱模效果,提高了结构件的强度。

4结语

目前,船舶的加工与制造领域中板材冲压成型工艺应用非常广泛,本文研究的主要目的是提高船舶复杂表面形状结构件的加工工艺,提高结构件的表面质量和强度。本文研发一种专用的船舶结构件多点冲压成型模具,并详细介绍了该模具研发过程的型线优化,以及该模具的工作原理。相对于传统的整体冲压,该多点成形冲压模具有效地提高了船舶结构件的冲压质量,有较大的市场应用潜力。

参考文献:

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作者:付波 单位:泸州职业技术学院