面盆飞边落料机设计
摘要：目前，厨卫行业市场前景广阔，市场规模巨大，未来3-5年仍然保持年均10%以上的增长速度，由于厨卫行业利润空间大，但行业品牌集中度低，尚未形成大规模的领导品牌，随着市场竞争的口益激烈，各大厨卫企业都面临着巨大的发展机遇。厨卫产品中，面盆飞边属于一大类产品，包括水槽、洗盆、沥水篮等，随着厨卫市场竞争的口趋激烈，面盆飞边落料产品的高端化趋势口益明显，特别是随着人们消费水平的提高，他们需要品质更为优异、更具时尚化、人性化的产品，因此，对面盆飞边落料的生产以及模具制造提出了更高的要求。
关键词：面盆；飞边落料；模具
Design of non - side blanking machine for basin
Abstract： At present，the kitchen and toilet industry market prospects are bright，the market size is huge，the next 3-5 years still maintain an average annual growth rate of more than 10%，due to kitchen and toilet industry profit margins，but the industry brand concentration is low，not yet large-scale The leading brand，with the fierce competition in the market，the major kitchen and toilet enterprises are facing a huge opportunity for development. Kitchen and toilet products，the basin is a large class of products，including the sink，wash basin，drain basket，etc.，with the kitchen and the market competition in the mouth of the intense，high-end trend of the basin products obvious benefits，especially with people The level of consumption，they need to be more excellent quality，more fashionable，user-friendly products，therefore，the production of the basin and mold manufacturing put forward higher requirements.
Keywords： basin; non-side blanking; mold
1 前言
在模具型面的设计过程中，特别是对于一些结构复杂的模具型面，都必须经过多次调模、试模，才能制造出合格的模具，造成设计周期的延长，效益不明显。CAE技术的发展，越来越多的工程人员开始使用CAE软件来进行模具型面的分析与优化设计。对于面盆飞边落料的落料模具设计，由于是为后续的拉深工艺提供合适的拉深毛坯，因此，落料模具中凸凹模刃口形状的设计必须结合拉深毛坯形状[1]。
在面盆飞边落料的拉深成形工艺中，毛坯形状是影响拉深性能的一个重要的因素，合理的毛坯形状能改善拉深件的应力应变状态和侧壁各部位的受力状态，减少拉深件的起皱和破裂等缺陷，提高极限拉延率，获得厚度变化均匀的高质量拉深件。而由于面盆飞边落料落料模具
是为后续的拉深工艺提供合适的下料毛坯，因此，在设计面盆飞边落料落料模具的时候，必须要考虑拉深毛坯形状。
2国内外研究现状
2.1模具CAD/CAE技术及支持软件
模具CAD/CAE是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺及生产治理进行设计和优化，模具CAD/CAE技术能明显缩短模具设计与制造周期、降低生产成本和改善产品质量。在模具设计制造行业，比较常用的模具CAD/CAE软件有如下几种：
1、Unigraphics NX(UG)的介绍
UG是一个集CAD/CAM/CAE于一体的机械工程辅助系统，适用于航空、航天、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。UG将优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，还提供了二次开发工具GR工P，UFUNG等，允许用户根据需要扩展UG的功能。
2、Pro/E的介绍
Pro/E是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，广泛用于模具的设计和制造，是比较成功的CAD/CAM软件之一。
3、Cimatron的介绍
Cimatron软件在制造业的CAD/CAM集成上有很好的运用，能够为模具、工具和其它制造商提供全面的，性价比最优的软件解决方案，使制造循环流程化，缩短产品交付时间。
4、DEFORM的介绍
DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。在冲压行业，能够广泛用于分析剪切、冲裁、挤压等工艺，通过在计算机上进行模拟，帮助工程师进行模具设计。
5、DYNAFORM的介绍
DYNAFORM软件在板材冲压行业专用的有限元软件，能够很方便的用于板料数值模拟分析，是当今最流行的板料成形与模具设计的CAE工具之一。
2.2模具CAD/CAE集成技术的发展
模具CAD/C AE技术虽然获得了很大的发展，但是在模具设计的时候，这二者通常是被割裂开来。近年来，随着模具CAD/CAE应用的深入，二者之间的割离己经引起了广泛的关注，国内外很多研究机构和软件厂家对CAD/CAE的集成技术进行了深入的研究。
模具CAD/CAE/CAE系统作为当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产品，国内外学者对它的研究还不够多，而研究的比较早并且比较成熟，现在模具行业己经得到广泛应用的是CAD/CAM和CAD/CAE之间的集成技术。
针对各类模具的特点，世界各国的软件开发商将通用的CAD/CAM系统改造为模具行业专用的系统，并且取得了较大成效。己投入使用的模具CAD/CAM系统有以下几种产品：有美国UGS公司的级进模设计系统NX-PDW;塑料注射模设计系统Mold Wizard;以色列Cimatron公司的模具设计和制造系统Quick;英国DELCAM公司的塑料模设计和制造系统PS-Moldmaker;法国Misslel Software公司的注射模专用软件Top Mold和级进模专用软件Top Progress;口本UNISYS株式会社的塑料模设计和制造系统CADCEUS等。这些软件的技术特点是能在同一的系统环境下，使用同一的数据库，完成特定模具的设计。NX-PDW初步实现了模具零件的结构关联，CADCEUS的特色在于三维设计与二维视图的联动，PS-Moldmake：做到了加工信息的自动封装，这些特点使得专业软件更加宜人化。
而对于CAD/CAE的集成系统，国内外很多研究机构和软件厂家也进行了深入的研究。
以色列[2]科技研究院提出了一个基于B样条的CAD/CAE集成模型。其中CAD和CAE分别采用B样条的显示模型和B样条的有限元模型，以此来实现CAD/CAE的集成。
新加坡南洋科技大学提出了一个CAD/CAE集成的特征数据模型，并以这个模型为基础，开发了一个基于特征的塑料模CAD/CAE系统。该系统分别以SolidEdge和MoldFlow为CAD和CAE系统平台，实现了浇口设计等功能的CAD/CAE集成[3-4]。
上海交通大学在早在1999年就对CAD/CAE的集成进行了研究。在塑料模的CAD/CAE集成方面，利用CBR对工艺参数进行智能推理，然后结合推理出的参数值和从CAD抽取的信息，建立CAE模型，并建立了后处理结果的缺陷专家解释系统，提出了CAD/CAE并行环的概念。[5]
在冲压模CAD/CAE，上海交大提出了基于特征的CAE建模技术和基于特征知识的智能化后处理技术，并在此基础上提出了一个实现CAD/CAE系统集成的框架，并在UG和DYNAFORM上得到了初步的实现阵[6-8]。
2.3盒形件毛坯优化设计方法的研究现状
盒形件是一种典型的非轴对称零件，掌握盒形件拉深成形的规律也是分析形状更为复杂的零件冲压成形的基础。国内外学者对盒形件的成形进行了不少研究[9]，目前，人们己经提出了一些有效的计算盒形件毛坯的方法，经验作图法、滑移线法、理想成型法、模拟法及边界元法是几种典型的确定毛坯形状的方法。
1、经验作图法[l0，ll]
经验作图法是人们在长期实践中总结出来的一种简单的毛坯确定方法，先根据己有相近零件的毛坯做参考把工件毛坯的大致形状确定下来，然后再反复试验修改，直到达到要求为止。虽然目前工厂中也总结了一些经验方法，如杜忠友通过理论计算公式求得
理论毛坯尺寸，进行拉深，再加上画辐射线和测量的方法得出某种特定的盒形件的毛坯外形。但是这种方法只是形状上接近合理毛坯，尺寸精度较低，毛坯的整个确定过程也较繁琐，只适用于形状简单的零件。
2、滑移线法(SLF)
滑移线法是50年代提出来的，是根据滑移线理论来确定合理毛坯形状的，它的提出第一次给毛坯的求解找到了理论依据。滑移线理论的运用首先作如下假设：在拉深过程中板料法兰厚度没有变而处于平面应变状态，材料各向同性，无硬化，不考虑摩擦力分布对材料流动的影响。滑移线法利用滑移线的物理意义，即在与主应力迹线成45。夹角的方向上，绘出每点的两个最大剪应力方向并作包络线，则可得到两组互相正交的、表示最大剪应力方向的迹线，这样的两组曲线在X，Y平面上形成一个曲线网称为滑移线。当物体处于屈服状态时，各点的最大剪应力达到K值，塑性变形就沿着这些曲线进行滑移。如果模具轮廓由直线段和圆弧组成，那么在法兰处生成滑移线场是容易的。在此情形下，滑移线从模具轮廓开始以直线或对数螺旋线的形式在法兰处发射，最终形成一个滑移线网格。滑移线法是基于滑移线场理论建立的，所以其应用受到滑移线场理论的假设条件的限制。
3、理想成形法
普通的金属成形过程优化都是建立在反复试验的基础上的，同时各种工艺参数通过实验和分析来评价，为了减少反复的次数，人们提出了一种称为理想成形的直接方法。
这个理论在成形工艺的初始设计阶段提供考虑最优过程参数信息。和分析理论相比，理想成形设计理论需要材料沿着最小塑性功路径变形，假定这些路径提供了最佳可成形性。除了最佳应力分布，这个设计提供了一个理想的初始毛坯形状和产品的中间形状和边界牵引历史，这些都是理想成形工艺的参数。
4、有限元法
随着计算机技术的迅速发展和有限元理论的口趋成熟，有限元方法在板料成形毛料计算中得到了越来越广泛的应用。这种方法的优点是利用计算机强大的计算优势，可以考虑成形的一切几何、物理和力学的因素，可以较精确地建模。
有限元模拟法是在一定的假设的前提下，根据一些物理问题数学描述的相似性，通过数学相似理论，采用其它物理介质构成的模型来模拟板料法兰的金属流动。有限元模拟法可分为正向模拟和反向模拟。[12]
板料成形过程中金属的塑性流动受模具形状、压边力、润滑条件和坯料形状等因素的影响，正向模拟方法正是全面考虑了各种因素的影响，将整个成形过程分解为许多个增量步，每一步的求解都以上一步的结果为基础，迭代求出最终结果，因此得到的结果比较精确。有限元正向模拟设计的一般过程是：取一定形状的坯料一数值模拟一与理想拉深件比较一修改坯料尺寸一重新模拟一，重复该过程直至得到理想形状。但是由于正向模拟技术是基于增量有限元理论的，即依赖接触算法，接触边界条件处理困难，计算模型十分复杂，计算的收敛性受到很大的影响，所以正向模拟需要很长的计算时间。同时，正向模拟法必须先假定一个坯料形状才能开始计算，然后根据计算结果对坯料形状进行修正，这更是加长了设计周期。
20世纪80年代，由于有限元正向模拟的局限性，Park等首先提出了有限元反向法数值模拟[13]。对一个规则形状的拉深件，用解析方法能很好的求出毛坯形状，但是，对于不规则形状的板料件，用该方法很难得到满意的结果[14]，因为板料成形过程中，工件的形状为空间曲面，而坯料的初始构形为平面，所以用有限元反向法也只是可以计算出近似的坯料形状。但反向法是基于全量理论的有限元法，计算过程无须接触判断，与增量法相比耗费的时间较少，效率较高，但得到的结果还有较大的误差[15]。但是，由于有限元反向法能使冲压成形模拟可以介入到产品设计阶段，在修改频繁的情况下，可以快速地对所作的修改是否合理进行评价，这样做有助于减少下游模具设计时的增量模拟验证和试模的次数。另外在工艺设计初期，也可以利用反向模拟研究工艺参数(如拉深筋、压边力和摩擦力等)对产品成形质量的影响，为工艺方案的确定和模具初期设计提供有益的参考。
近年来，随着计算机软、硬件性能的不断提高，各种商品化软件(如DYNAFORM，DEFORM，ABAQUS，MAC等)的不断推出，有限元法(FEM)己越来越多地应用于金属塑性成形领域，为塑性成形及模具设计带来极大的方便。现在，板料成形的计算机模拟技术己成功应用于生产实际，解决了很多实际案例，在坯料设计方面也有成功应用。
有限元正向模拟的结果比较精确，但是计算复杂且耗时多，而有限元反向模拟虽然可以计算出近似的坯料形状，并且效率较高，但是由于没有充分的考虑板料成形过程的各种因素，其计算出的板料实际冲压和增量模拟得出的成形件的轮廓和目标轮廓几何误差较大，因此，为了得到合理的坯料形状，可以采用正反向模拟相结合的方法进行坯料形状设计。该方法克服了反向模拟精度较低、正向模拟耗时多的不足，可较快捷而准确地进行坯料设计，是一种行之有效的设计方法，为实际生产提供理论依据。
3总结
目前，我国冲压工业的高速发展对模具的设计制造提出了越来越高的要求，但是，模具数字化设计制造等设计的落后，极大程度上制约我国模具的设计和生产水平。通过对企业面盆飞边落料产品生产和模具设计制造中存在的问题进行分析，开发了一套模具参数化设计系统，该系统能够提高模具的设计速度，并且通过规范了模具的设计流程，减少模具设计过程中的错误，提高企业模具设计效率。通过建立产品标准库等方法，还能够很好的把企业的经验给传承下来，从而避免因人员的流动造成的知识流失。
通过对面盆飞边落料拉深毛坯进行优化设计，提高产品的拉深成形性能和材料的利用率，提升企业产品的市场竞争力。本文对首先冲压件的工艺分析，完成工艺方案的确定。然后对零件排样图的设计，完成材料利用率的计算。再进行冲裁工艺力的计算和冲裁模工作部分的设计计算，对选择冲压设备提供依据。最后对主要零部件的设计和标准件的选择，为本次设计模具的绘制和模具的成形提供依据。通过前面的设计方案画出模具各零件图和装配图。
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