模具设计与制造毕业论文(模具设计与制造属于什么类专业)

2022年4月29日07:58:58模具设计与制造毕业论文(模具设计与制造属于什么类专业)已关闭评论

导读

压铸件的去飞边毛刺工程巨大,需要的人工成本高。机器人去毛刺对压铸模具的一致性提出了更高的要求。重点论述了模具设计制造阶段导入无飞边毛刺的模具设计制造技术。主要是从铸件的收缩率,模具配合间隙,模具强度设计,制造精度等方面进行阐述,根据数据统计等推算出计算公式。结果表明在模具的设计制造阶段利用所述技术标准能有效的实现压铸件的无飞边毛刺压铸,该标准在模具的维护保养阶段依然有效。

压铸件的飞边毛刺的清除,企业需要投入大量的人力物力,企业毛刺工人数是压铸工人数的1~2倍。压铸件的去毛刺人工成本非常高。机器人去毛刺代替人工将来非常普遍,这在未来是很重要的降低人工成本的方法。但利用机器人去毛刺更要保证铸件的一致性,分型线的间隙合理稳定,铸件的尺寸波动,变形波动等造成机器人损伤铸件,损伤刀具,去毛刺的效果达不到理想状态。

压铸件产生毛刺的原因贯穿于压铸的3大要素为压铸机,压铸模,压铸工艺。压铸工艺方面,模具温度,铝液温度过高,铸造压力过大都可能产生毛刺;压铸机方面,锁模力不足,模板变形也会产生毛刺;压铸模方面,模具的分型面,抽芯销,顶杆孔的制造精度不够产生毛刺;其中模具的设计精度制造精度差是压铸件产生毛刺的主要原因。图1中轮毂的分型面毛刺大片相连,毛刺的工作量增加,甚至由于模具的胀型力导致铸件尺寸超差变厚,原材料铝的使用增加。这种情况下需要停止生产进行对策。图2中嵌套的端面,倒角面,内孔都有毛刺。嵌套的端面不加工,又必须清理干净毛刺,对碰孔完全被铝皮联通封闭,这都是给毛刺清理增加了难度。

 

为了定义毛刺的厚度,在压铸模具上制作锥形模具间隙,见图3,铝材为ADC12进行最小壁厚的压铸验证,在壁厚≥0.09 mm以上成形都较清晰,0.09 mm以下,0.06 mm以上成形不连续。

为了定义毛刺的长度,在压铸模具上制作模具分型面不同间隙进行毛刺长度的试验,见图4。当壁厚为0.08 mm时,从铸件本体溢出的长度约为4 mm;当壁厚为0.07 mm,从铸件本体溢出的长度约为2 mm;当壁厚为0.06 mm及以下时,从铸件本体溢出的长度<1 mm,并且较难成形,铝膜像粉状存在,压铸件的抛丸处理完全能去除。总结以上试验结果定义图5的模具配合间隙标准。

定义1:压铸模具生产时的间隙C≤0.06 mm 为无飞边毛刺的模具设计制造标准

 

本文从模具设计的收缩率,强度设计,配合间隙及制造精度方面进行研究和验证。试验条件:东芝800T压铸机,铝材ADC12,铝液温度640 ℃,铸造压力660 kgf/,模具材料8407系。

1 压铸模的热膨胀

压铸件从模具中顶出时处于高温状态,然后冷却至室温产生收缩。模具设计时,先完成铸件的3D后确定铸件的收缩率。一般资料推荐是0.4~0.7,对于模具设计者需要针对不同的铝合金选择相应的收缩率。

1.1金属材料的热膨胀系数

压铸过程中涉及到的金属热膨胀系数就是模具钢和压铸材料两种。压铸模具材料常用8407,DIEVAR,H13,SKD61等都归类为8407系金属材料。对于铝合金压铸,模具预热后的正常生产时的模具温度范围在75~425 ℃之间。根据模具的使用温度选择对应的模具热膨胀系数(图6)。不同的压铸企业模具使用时温度存在差异,企业需要根据大数据进行统计确认。

压铸铝合金镁合金的热膨胀系数主要是和Si的含量有关,同一温度情况下Si的含量越高,热膨胀系数越小。图7为3种常用压铸材料ADC12,A380,AM50的热膨胀系数,对应牌号竖线是该材料成分需求的中值。压铸厂家可以根据自己公司的常用Si含量进行查询。

1.2压铸模具设计收缩率的选定

压铸模具设计选择收缩率时需要根据模具材料,铝合金种类,压铸时模具的温度综合选择。

(1)压铸件和模具的温度:

收缩率是压铸件从模具顶出的瞬间开始冷却到常温的铸件尺寸的变化,需要测量模具和铸件的实际温度。当铸件顶出完成测量模具的温度,热成像仪测量的结果是铸件对应的模具区域温度289.5 ℃(铸件顶出瞬间模具还在快速降温),铸件的外部温度在350 ℃,内部约400 ℃(这种热成像仪测量温度有延迟,温度低于实际温度约50 ℃),见图8。

(2)不同的温度下模具钢材料和压铸件材料的热膨胀系数对应表:

表1为根据图6和图7以及文献资料制作的压铸件与模具温度变化不同的热膨胀系数的变化对应表。常用的3种压铸材料ADC12,A380,AM50的热膨胀系数。

表1中,当铸件顶出模具时,铸件内部的温度350 ~400 ℃时,对应模具温度为280 ℃~300 ℃,此时材料为ADC12的铸件和材料为8407系列模具钢的公称尺寸接近。经过测试模具和铸件的温度,以及统计生产中的模具的尺寸温度变化,确定了表中合理的推荐值作为模具设计需要的参考数据。

案例一:压铸件在模具内顶出困难时采用烘烤铸件升温再顶出铸件的原理:

当铸件在模具内顶出困难时,最常用的现场处理问题的方法是在铸件与模具的结合部位涂上一层油脂,然后用天然气烘烤铸件(图9)往往能再次顶出铸件。

根据表1做出铸件公称尺寸为40 mm时(其它尺寸斜率一样)和模具随温度的变化关系曲线图10,铸件和模具的尺寸都会随温度的升高而升高,但是斜率不同,图中的A点是铸件和模具膨胀量等同时的交叉点,随温度的再升高,铸件的尺寸>模具的尺寸。造成铸件包模顶出困难的原因之一就是生产中的停顿使铸件温度下降到铸件与模具尺寸等同的A点以下,铸件的收缩使尺寸小于模具的尺寸造成包紧力更大。采用烘烤的方法使铸件的温度上升,热膨胀量增加,甚至大于了模具的尺寸,使包紧力减小。在这个过程中可以采用一边烘烤一边尝试顶出的方法,很多企业没有条件也不需要进行温度测试来等到条件符合才顶出,这种方法快速简单有效。否则需要下模具由模具工剔除的方法,非常的费时费力。

1. 模具设计的收缩率

压铸件一般情况下形状复杂,尺寸多。在新产品设计可以直接套用经验公式,如果在复制模情况下,应用大数据分析,铸件在生产中尺寸超差有没有规律性,在压铸工艺确定的情况下,尺寸超差的偏向性是一致的,比如长期偏大或者偏小,在复制模具时需要植入这个统计结果,对设计进行修正,也可以进行现有模具的修正。但要注意的是大数据分析时大时小的无规律波动就不能轻易修改模具,而要从工艺上让该尺寸稳定下来后寻找对策。

2 模具设计的配合间隙

模具设计时需要考虑模具的分型线分型面,销子的对碰面,抽芯滑块的配合面,凹凸模的配合面都需要设计合理的配合间隙,这在模具方面是产生飞边毛刺的主要原因。

2.1模具不同部位温度测量

选择四套模具分别测量模具的动模定模,凹凸部位,抽芯滑块,销子及周边温度,得到表2和表3的结果。

 

表2中,销子与附近部位温度高50.2 ℃,表3中,模具的凹凸部位抽芯滑块的对应部位,凸部温度比凹部温度高28.8 ℃。

2.2凹凸面滑块配合间隙

模具阶梯分型以及抽芯滑块的分型都存在凹凸的模具部分,由于散热吸热的不同,以及动模定模在生产中与设备的动定面的配合不同,热量传递存在差异,所以会有不同的模具温度,不同的温度对应于模具不同的热膨胀量,不考虑配合间隙就可能造成模具的对碰面的损坏压塌等造成铸件该处的飞边毛刺。

图5中,已经定义1:压铸模具生产时的间隙C≤0.07 mm 为无飞边毛刺的模具设计制造标准,这个标准是模具在正常生产中该处的间隙。

(1)阶梯分型凹凸部配合间隙

在日常的工作中,模具设计制造者很难确定这两种温度的实际值,现场根据多次的测试验证,阶梯分型,同一副模具的凹凸部表3统计的温差为28.8 ℃(取30 ℃)简化计算。

(2)对碰销子配合间隙

(3)销子与滑块配合间隙

图14中销子与滑块配合,一是要考虑销子顶端与滑块的出模斜度一致,销子就需要防转设计,同时还要设计销子的间隙。由于滑块在合模开模阶段,抽芯滑块的运动波动和制造精度±0.03 mm,凹凸面滑块配合间隙,三者累计相加。

不同的压铸厂生产的工艺差异,配合间隙可能存在差异,需要日常的数据积累和分析改进,总体上差异不大,可能0.01~0.03的波动是正常的,以上的推荐计算公式依然是有效。

分型面对碰销间隙设计合理后,压铸实现无飞边毛刺完全可能,有错误的观点认为模具设计制造没有间隙才可以实现无飞边毛刺的压铸。实际情况是配合过紧,模具压塌变形产生更大的毛刺,并造成模具的损坏。

案例二:新模具或者新更换的销子在第一模压铸时是正常的,但压铸几十模的时候销子变弯曲或者折断的原因是什么?

新模具设计制造时没有考虑销子的配合间隙,模具在生产几十模后销子温度上升,与模具附近的温度存在差异,热膨胀导致销子的长度增长,导致销子被碰弯曲或者压断裂。特别是与滑块配合碰穿的的销子更容易折断和弯曲:首先是销子顶部的斜度没有设计,其次是销子没有防转,第三是配合的间隙过小。以上都设计完成后还需要在模具冷装配时进行手工确认,滑块推进后用塞尺检查间隙,生产中进行销子间隙的合理调整。长度超过200 mm的销子需要检讨产品尺寸的稳定性以及日常的监察跟踪及时发现异常。

2.3 嵌套的配合间隙

当压铸件有嵌套时,嵌套外露部分与模具配合,间隙设计不合理产生的飞边毛刺去除困难。图16中,嵌套外露的abcg段都有毛刺。ag段要加工,铸件上毛刺可以不清理,但bc段不加工,铸件加工后bc段依然有毛刺,发动机装配使用中的毛刺掉落是不允许的,如何防止毛刺的产生在模具设计阶段需要核算。

在模具设计的图17中,其中嵌套的a~g段都是外露,h为三个均布的嵌套定位销孔,嵌套的a段与模具压紧。

嵌套与模具的有效的封水(封铝液)面为嵌套的a面和内径g面,这里的封水面就是防止铝液进入到需要外露的嵌套部分。

图17的嵌套的封水面的距离a段只有1.5 mm距离太短,R角的b段也要参加封水的作用,否则bcde段都可能因为a段的封水效果不好而产生毛刺。

综合嵌套的各面与模具的配合情况,形成案列的设计间隙标准表4。

随着模具使用寿命的增加,与嵌套配合的面,模具变形和磨损增加,飞边毛刺也会增加。最优的设计方案是与嵌套有关的嵌套安装销,定位销等模具设计为组合镶拼式,制作备件进行及时的更换。

3 模具的强度设计

压铸模具的强度和刚性设计不合理,压铸时模具变形也会导致飞边毛刺的产生。

定义2:压铸模具变形量δ≤0.05 mm为模具恢复原状的最大变形量

当模具有抽芯滑块时,模具刚性不够,压铸时滑块退位,导致毛刺增加,分型面跑铝。图示20。

3.3 成形镶件对模框的作用力

当铸件有复杂的深腔部分时,模具会采用镶件的形式,图21的模具镶件直接与模框接触,铸造压力完全作用在相同的轮廓面积上,铸造压力等同传递到模框上,随着模次的增加在图19中模框的对应面积底部下沉,导致铸件形状尺寸发生变化,所以模具开发时需要识别该处的尺寸影响,纳入质量管理范畴。

很多的压铸企业铸造压力70MPa~110MP,甚至更大,而模框的屈服强度为91.5,每压铸一件冲击模框一次,所以模框被压塌。对策:一是保证质量的情况下降低铸造压力;二是模框提高硬度,屈服强度得以提高;三是模框材料QT50更换为P20。

案例三:轮毂压铸图22在冷模压铸时滑块对碰面贯穿无毛刺,但该班生产1小时左右成片毛刺甚至封堵整个分型面。计算的结果变形量0.075 mm>0.05 mm,滑块受力不能恢复原位,造成跑铝,产生飞边毛刺。

对策:方案一是铸造压力780 kgf/降低到540/,前提条件是必须进行产品的抗拉强度的CPK验证,本案例验证CPK合格。

方案二是降低模框的温度:模具开始生产的前50模没有飞边毛刺,生产过程中模框QT50从常温20 ℃升高到100 ℃左右,此时抗拉强度降低,模框变形量增大。此时可考虑模框用自来水降低温度的方法。

4 结论

通过分析压铸模具钢以及压铸铝合金的热膨胀系数,在模具开发设计时根据压铸铝合金种类正确选择收缩率。压铸模具凹凸部销子部存在温度差异会导致热膨胀量不同,同时模具的不同部位配合间隙的也不同,模具设计和制造时都需要对此进行修正,以此来提高模具的精度。模具在使用中随模具温度变化其屈服强度也发生变化。只要模具的设计合理,制造精度提高,在模具方面实现无飞边毛刺的压铸是能实现的。模具精度的提高铸件的精度才有保证,铸件的一致性好是压铸毛刺机器人正常使用的前提。本文仅从模具进行了分析,压铸件的无飞边毛刺还需要从设备工艺等全方位进行分析对策。

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