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重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 _________________ 某轎車引擎蓋外板拉深模具設(shè)計(jì)及成形模擬分析
目 錄
摘要 I
緒論 II
汽車覆蓋件的成形特點(diǎn)[7] 2
1 沖壓件的工藝設(shè)計(jì) 3
1.1零件總體分析 3
1.2零件材料的選擇 3
1.3沖壓方向的選擇 4
1.4 工藝補(bǔ)充部分的設(shè)計(jì) 6
1.6拉延筋的設(shè)計(jì)[1] 9
2 拉深件成型工藝CAE分析 10
3 拉深模結(jié)構(gòu)與零件設(shè)計(jì) 12
3.2拉深模材料的選擇 13
3.3沖壓設(shè)備的選擇 13
3.3.1拉深力的計(jì)算 13
3.3.2壓料力的計(jì)算 13
3.3.3沖壓設(shè)備的選擇 14
3.4模具操作 14
3.5 凹模結(jié)構(gòu) 15
3.6凸模結(jié)構(gòu) 17
3.8導(dǎo)向部分 21
3.9起吊裝置 21
3.10拉深模的結(jié)構(gòu)和原理說明 21
4 總 結(jié) 23
致 謝 23
參考文獻(xiàn) 24
文獻(xiàn)綜述 25
重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 _________________ 某轎車引擎蓋外板拉深模具設(shè)計(jì)及成形模擬分析
摘 要
通過對(duì)某轎車車身覆蓋件的引擎蓋外板拉深模具型面的設(shè)計(jì),介紹了復(fù)雜型面拉深件拉深模具型面的設(shè)計(jì)流程,研究了復(fù)雜型面拉深件拉深模具型面的造型設(shè)計(jì)方法和原則。利用板料成形分析有限元軟件Dynaform對(duì)引擎蓋外板的拉深成形過程進(jìn)行仿真模擬,探討了仿真過程中出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷(如破裂、起皺、變形不足等)的原因,并針對(duì)這些現(xiàn)象對(duì)拉深模具型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)。并根據(jù)仿真模擬結(jié)果,制造加工了合格的拉深件模具。對(duì)于復(fù)雜型面拉深件的拉深模具的設(shè)計(jì)和制造具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：車身覆蓋件;沖壓成形；模具；優(yōu)化設(shè)計(jì)；
重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 _________________ 某轎車引擎蓋外板拉深模具設(shè)計(jì)及成形模擬分析
Abstract
The designing process of drawing die for complex surface drawing part in designing the drawing model of the automotive hood outer panel surface and the design method and principle were studied.The stamping process using the sheet metal forming analysis software Dynaform was simulated. The reason causing quality defect in simulation, such as cracking and wrinkle etc., was investigated. Based on these reasons, the design of drawing die surface for automobile hood outer panel was optimized. According to the simulated results, the qualified drawing die was made, which had a instructing meaning for the design and manufacture of drawing die for complex surface drawing part.
Key words: drawing model;punch molding;die;optimized
I
緒論
隨著社會(huì)的快速發(fā)展，汽車已成為人類社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的工具，汽車工業(yè)已成為許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。 汽車覆蓋件的生產(chǎn)是汽車制造的一個(gè)重要生產(chǎn)過程。 在板材沖壓成形技術(shù)中，以汽車覆蓋件為主要代表的大型薄板零件的沖壓成形技術(shù)已發(fā)展成為一個(gè)很重要的組成部分
汽車工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與汽車零件成形
汽車覆蓋件是汽車車身的重要組成零件，分為外覆蓋件和內(nèi)覆蓋件。外覆蓋件指的是汽車車身外部的裸露件，這種零件的特點(diǎn)是涂裝后不用再添加其他的裝飾層，因此，對(duì)于外覆蓋件的表面質(zhì)量要求很高。
覆蓋件的特點(diǎn)如下：
1）表面質(zhì)量
覆蓋件表面上任何微小的缺陷都會(huì)在涂漆后引起光線的漫反射而損壞外形的美觀，因此覆蓋件表面不允許有波紋、皺折、凹痕、擦傷、邊緣拉痕和其他破壞表面美感的缺陷。覆蓋件上的裝飾棱線和筋條要求清晰、平滑、左右對(duì)稱和過渡均勻，覆蓋件之間的棱線銜接應(yīng)吻合流暢，不允許參差不齊。總之覆蓋件不僅要滿足結(jié)構(gòu)上的功能要求，更要滿足表面裝飾的美觀要求。
2）尺寸形狀
覆蓋件的形狀多為空間立體曲面，其形狀很難在覆蓋件圖上完整準(zhǔn)確地表達(dá)出來，因此覆蓋件的尺寸形狀常常借助主模型來描述。主模型是覆蓋件的主要制造依據(jù)，覆蓋件圖上標(biāo)注出來的尺寸形狀，其中包括立體曲面形狀、各種孔的位置尺寸、形狀過渡尺寸等，都應(yīng)和主模型一致，圖面上無(wú)法標(biāo)注的尺寸要依賴主模型量取，從這個(gè)意義上看，主模型是覆蓋件圖必要的補(bǔ)充。
3) 剛性
覆蓋件拉延成型時(shí)，由于其塑性變形的不均勻性，往往會(huì)使某些部位剛性較差。剛性差的覆蓋件受至振動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生空洞聲，用這樣零件裝車，汽車在高速行駛時(shí)就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，造成覆蓋件早期破壞，因此覆蓋件的剛性要求不可忽視。檢查覆蓋件剛性的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位聲音的異同，另一是用手按看其是否發(fā)生松弛和鼓動(dòng)現(xiàn)象。
3） 工藝性
覆蓋件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸決定該件的工藝性。覆蓋件的工藝性關(guān)鍵是拉延工藝性。覆蓋件一般都采用一次成型法，為了創(chuàng)造一個(gè)良好的拉延條件，通常將翻邊展開，窗口補(bǔ)滿，再加添上工藝補(bǔ)充部分，構(gòu)成一個(gè)拉延件。
汽車覆蓋件的成形特點(diǎn)[7]
汽車覆蓋件的要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其沖壓成形特點(diǎn)。主要有：
1）一次拉深成形
對(duì)于汽車覆蓋件來說，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變形復(fù)雜，其規(guī)律難以定量把握，以目前的技術(shù)水平還不能進(jìn)行多次拉深工藝參數(shù)的確定，而且多次拉深易形成的沖擊線、彎曲痕跡線也會(huì)影響油漆后的表面質(zhì)量，這對(duì)覆蓋件是不允許的。因此，汽車覆蓋件的成形都是采用一次拉深成形的方法。
2）拉脹復(fù)合成形
汽車覆蓋件的成形過程中的毛坯不是簡(jiǎn)單的拉深變形，而是拉深和脹形同時(shí)存在的復(fù)合成形。一般來說，除內(nèi)凹形輪廓對(duì)應(yīng)的壓料面外，壓料面上的毛坯的變形為拉深變形，而輪廓內(nèi)部毛坯的變形為脹形變形
3）局部成形
輪廓內(nèi)部有局部形狀的零件沖壓成形時(shí)，壓料面上的毛坯受到壓邊圈的壓力，隨著凸模的下行而首先變形并向凹模內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)凸模下行到一定深度是，局部形狀開始成形，并在成型過程的最終時(shí)刻全部貼模。所以局部形狀外部的毛坯那一向該部位流動(dòng)，該部位的成形主要靠毛坯在雙向拉應(yīng)力的變薄來實(shí)現(xiàn)面積的增大。即這種內(nèi)部局部成形為脹形成形。
4）變形路徑的變化
汽車覆蓋件沖壓成形時(shí)，內(nèi)部的毛坯不是同時(shí)貼模，而是隨著沖壓過程的進(jìn)行而逐步貼模。這種逐步貼模過程，使毛坯保持塑性變形所需的成形力不斷變化，毛坯各部位面板內(nèi)的主應(yīng)力方向和大小、板平面內(nèi)兩主應(yīng)力之比等受力情況不斷變化。即毛坯在整個(gè)沖壓過程中的變形路徑不是一成不變的，而是變路徑的。
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1 沖壓件的工藝設(shè)計(jì)
1.1零件總體分析
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的零件為某轎車的引擎蓋外板零件。零件外表面為A級(jí)曲面，對(duì)零件的表面質(zhì)量要求較高，為了防止多次拉深可能帶來的表面質(zhì)量破壞和下降，本覆蓋件采用一次拉深。
本零件由形狀復(fù)雜的空間曲面構(gòu)造而成，型面大部分地方曲率半徑較大，即使在曲率半徑相對(duì)小的地方但其組成曲面的結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜。所以，為了能夠通過拉深獲得合格的零件，就需要從多個(gè)方面對(duì)沖壓件進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要包括以下幾個(gè)方面：選擇合理的沖壓方向、設(shè)計(jì)壓料面、工藝補(bǔ)充面、設(shè)置拉深筋。
1.2零件材料的選擇
該轎車引擎蓋零部件大都是外形復(fù)雜，成形復(fù)雜，但受力不大的薄形件，采用模具成形工藝，材料的成形性能就成了主要矛盾，因此要求材料具有成形性、張緊剛性、延伸性、抗凹性、耐腐性等。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，通常根據(jù)板制零件受力情況和形狀復(fù)雜程度來選擇鋼板品種。一般選用拉延性能優(yōu)良的低碳冷軋鋼板、超低碳冷軋鋼板。
采用國(guó)產(chǎn)寶鋼Stl4鋼號(hào)的材料進(jìn)行拉伸，材料為冷軋鋼，又稱特殊鎮(zhèn)靜鋼，即非時(shí)效鋼板，屈服點(diǎn)ós ≤240N.mm2， 抗拉強(qiáng)度ób 為270～370N·mm2，伸出長(zhǎng)率≥34%。冷軋鋁鎮(zhèn)靜鋼板具有一定的強(qiáng)度和很好的塑性，是目前汽車上最大量的冷軋鋼板，由于鋼中加入了鋁，固定了鋼中的氮，鋼板沖壓成形后，零件表面產(chǎn)生滑移線，稱為非時(shí)效鋼材。其材料力學(xué)性能如表2-1。
表1-1 s14鋼的材料力學(xué)性能
彈性模量E(MPa)
泊松比
屈服強(qiáng)度δs（MPa）
抗拉強(qiáng)度
Kb（MPa）
應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)K（MPa）
硬化指數(shù)n
各向異向指數(shù)
R00
R45
R90
2.10e5
0.3
170
270
570
0.26
1.77
1.16
1.04
1.3沖壓方向的選擇
1.3.1沖壓方向?qū)畛尚蔚挠绊?
汽車覆蓋件拉深成形時(shí)，所選擇的拉深沖壓方向是否合理，將直接影響：凸模能否進(jìn)入凹模、毛坯的最大變形程度、是否能最大限度地減少拉深件各部分的深度差、是否能使各部分毛坯之間的流動(dòng)方向和流動(dòng)速度差比較小、變形是否均勻、是否能夠充分發(fā)揮材料的塑性變形能力、是否有助于防止破裂和起皺等質(zhì)量問題的產(chǎn)生等等。
1.3.2選擇沖壓方向的原則
1）保證能夠?qū)⒗罴娜靠臻g形狀（包括棱線、肋條和鼓包等）一次拉深出來，不應(yīng)有凸模接觸不到的“死區(qū)”，也就是說要保證凸模能夠全部進(jìn)入凹模。
2）有助于減小拉深的深度、拉深深度太深，會(huì)增加拉深成形的難度，并且容易造成破裂、起皺等質(zhì)量問題；拉深深度太淺，則會(huì)使材料在成型過程中得不到較大的塑性變形，覆蓋件的剛度不夠。所以，所選擇的拉伸方向，應(yīng)當(dāng)使拉深件的深度適中，在充分發(fā)揮材料塑性變形能力的同時(shí)，也能夠避免不必要的質(zhì)量缺陷。
3）應(yīng)該保證凸模和毛坯有著良好的初始接觸狀態(tài)，以減少毛坯和凸模間的相對(duì)滑動(dòng)，有利于毛坯的變形，并提高沖壓件的表面質(zhì)量。
從本零件的3D模型圖中可以看到：零件為對(duì)稱件，則沖壓方向選擇在這條對(duì)稱線上，有利于材料流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相對(duì)平衡的應(yīng)力，有利于材料的塑性變形；從模型的視圖中可以看到，以 y軸為水平線，零件呈現(xiàn)出前高后低的狀態(tài)，為了使拉深深度最淺且拉深各部分的拉深深度相對(duì)均勻，可以選擇如圖2-2 的拉深方向。由此，該零件的拉深方向得以確定。
圖1-1 工作方向上的零件
圖1-2工作方向上的零件
1.4 工藝補(bǔ)充部分的設(shè)計(jì)
1.4.1工藝補(bǔ)充部分的作用及其對(duì)拉深成形的影響
沖壓方向確定之后，為適應(yīng)拉深工藝的要求，對(duì)絕大數(shù)的汽車覆蓋件將其形狀、輪廓或深度進(jìn)行工藝補(bǔ)充，創(chuàng)造出適合于拉深成形的良好條件。工藝補(bǔ)充有兩大類：一類是零件內(nèi)部的工藝補(bǔ)充，如補(bǔ)內(nèi)孔破洞等；另一類工藝補(bǔ)充是沿零件的輪廓邊緣展開的基礎(chǔ)上添加上去的，它包括拉深部分的補(bǔ)充和壓料面兩部分，這種工藝補(bǔ)充是為了選擇合理的沖壓方向，創(chuàng)造良好的拉深成形條件而添加的。
工藝補(bǔ)充部分的設(shè)計(jì)是沖壓工藝的重要內(nèi)容。工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)的合理與否，也是沖壓設(shè)計(jì)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志，它直接影響到拉深成形時(shí)的工藝參數(shù)、毛坯變形條件，變形量大小，變形分布，表面質(zhì)量，破裂，起皺等質(zhì)量問題的產(chǎn)生等。
1.4.2工藝補(bǔ)充的設(shè)計(jì)原則
1）內(nèi)孔封閉補(bǔ)充的原則，對(duì)內(nèi)部有孔的零件，首先要將孔洞部分進(jìn)行封閉補(bǔ)充，使零件成為無(wú)內(nèi)孔制作。但若該部分屬于內(nèi)部的局部成形部分則要進(jìn)行變形分析。一般這部分成形屬于脹形成形，若其脹形變形超過材料的極限變形，需要在工藝補(bǔ)充部分預(yù)沖孔或切口，以減小脹形變形量。
2） 簡(jiǎn)化拉深件結(jié)構(gòu)形狀原則，拉深件的結(jié)構(gòu)形狀越復(fù)雜，拉深成形過程中的材料的流動(dòng)和塑性變形就越難控制。所以，零件外部的工藝補(bǔ)充要有利于使拉深件的結(jié)構(gòu)、形狀簡(jiǎn)單化，越接近于基本形狀零件，沖壓成形過程中的材料的流動(dòng)和塑性變形就越容易控制。
1.4.3 該零件工藝補(bǔ)充部分的設(shè)計(jì)
轎車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板表面為A級(jí)表面，為了避免多次拉深帶來的缺陷，采用一次拉深成形。為了創(chuàng)造良好的拉深環(huán)境，需要對(duì)其進(jìn)行工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)。由于該模型為3d模型，三維造型軟件ug在曲線曲面方面功能強(qiáng)大，故采用該軟件進(jìn)行工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)。
工藝補(bǔ)充面
工藝補(bǔ)充面
工藝補(bǔ)充面
工藝補(bǔ)充面
圖1-3 拉深件工藝補(bǔ)充面
1.5壓料面的設(shè)計(jì)
1.5.1壓料面對(duì)拉深件的影響[4]
壓料面是指凹模圓角以外的且在拉深開始時(shí)，凹模與壓邊圈壓住毛坯的部分。它是工藝補(bǔ)充的一個(gè)重要組成部分，對(duì)汽車覆蓋件的成形起著重要的作用。本零件的拉深件的壓料面全部為工藝補(bǔ)充部分，有的拉深件的壓料面則由零件的法蘭部分和工藝補(bǔ)充部分共同組成。
在拉深開始前，壓邊圈將毛坯壓緊在凹模上，拉深后，凸模的作用力與壓料面上的阻力共同形成毛坯的變形力，使毛坯產(chǎn)生塑性變形，實(shí)現(xiàn)拉深成形過程。通過壓料面的變化，可以使拉深件的深度均勻，毛坯流動(dòng)阻力的分布滿足拉深成形的需要。壓料面設(shè)計(jì)得是否合理，直接影響到壓料毛坯向凹模內(nèi)流動(dòng)的方向與速度、毛坯變形的分布與大小，破裂起皺等問題的產(chǎn)生。壓料面設(shè)計(jì)不合理，還會(huì)在壓邊圈壓料時(shí)就形成皺折、余料、松馳等。
1.5.2壓料面的設(shè)計(jì)原則[4]
設(shè)計(jì)壓料面是要考慮兩種情況，一種是壓料面的一部分就是拉深件的法蘭面，這種拉深件的壓料面的形狀已定，一般不改變其形狀，即使顯了改善拉深成形條件而作局修改，也是在后工序中進(jìn)行整形校正。另一種情況是壓料面全部屬于工藝補(bǔ)充部分（如本零件）。后一種情況下，主要以保證良好的拉深成形工藝條件為主進(jìn)行壓料面的設(shè)計(jì)。
1）壓料面形狀盡量簡(jiǎn)單化，以水平平面為最好。在保證良好的拉深條件下，為減少材料消耗，也可以設(shè)計(jì)成斜面，平滑曲面（如單曲面、錐面）或平面曲面組合等形狀。但是不要設(shè)計(jì)成平面大角度交叉，高度變化劇烈的形狀，或在壓料面上有凸起或凹坑。因?yàn)檫@些形狀的壓面會(huì)造成材料的極不均勻分布，在拉深成形時(shí)產(chǎn)生起皺、堆積、破裂等現(xiàn)象。
2）水平壓料面應(yīng)用最多，其阻力變化相對(duì)容易控制，有利于調(diào)模時(shí)調(diào)整到最有利于拉深成形所需的最佳壓料面阻力狀態(tài)。向內(nèi)傾斜的壓料面，對(duì)材料流動(dòng)阻力較小，可在塑性變形較大的深拉深件的拉深時(shí)采用。但為保證壓邊圈強(qiáng)度，一般控制壓料面傾斜角a<40°~50°。向外傾斜的壓料面的流動(dòng)阻力最大，淺拉深時(shí)可增大毛坯的塑性變形。但傾斜角太大，會(huì)使材料流動(dòng)條件變差產(chǎn)生破裂。
3)壓料面斷面曲線長(zhǎng)度要小于拉深件內(nèi)部斷面線的長(zhǎng)度。一般認(rèn)為，汽車覆蓋件的沖壓成形時(shí)各斷面上的伸長(zhǎng)率達(dá)到3%~5%時(shí)，才有較好的形狀凍結(jié)性。最小伸長(zhǎng)率不應(yīng)小于2%。因此，合理的壓料面要保證拉深件各斷面的伸長(zhǎng)率達(dá)到3%以上。如果壓料面的斷面曲線長(zhǎng)度不小于拉深件內(nèi)部斷面曲線的長(zhǎng)度，拉深件上就會(huì)出現(xiàn)余料、松弛、皺折等。
工藝補(bǔ)充面
工藝補(bǔ)充面
圖1-4 壓料面部分
1.6拉延筋的設(shè)計(jì)[1]
覆蓋件拉延成形時(shí)，在壓料面上敷設(shè)拉延筋，對(duì)改變進(jìn)料阻力，改變進(jìn)料度使之均勻化和防止起皺具有明顯的效果。
1.6.1 敷設(shè)拉延筋的主要作用[1]
1）增加局部區(qū)域的進(jìn)料阻力，使整個(gè)拉延件進(jìn)料速度達(dá)到平衡。
2）大拉延成型的內(nèi)應(yīng)力，提高覆蓋件的剛性。
3）加大徑向拉應(yīng)力，減少切向應(yīng)力；延緩或防止起皺。
拉延筋和拉延檻的斷面形狀為半圓形，一般半徑R=12-18mm，筋高H=5-7mm。拉延筋的凹槽一般不和工作吻合，通過修整凹槽的寬度來改變進(jìn)料阻力。
1.6.2 本件拉延筋設(shè)計(jì)
綜合以上各種因素，得出以下的拉延筋
拉延筋
圖2-5 拉延筋部分
2 拉深件成型工藝CAE分析
在本次設(shè)計(jì)中，分為以下幾個(gè)步驟：
1）建立CAE分析的幾何模型 本例中采用通過ug軟件生成模具、壓邊圈和初始零件的曲面模型，導(dǎo)出IGES文件，將這些文件導(dǎo)入到該軟件中。
2）進(jìn)行CAE分析的前置處理 通過ETA/DYNAFROM軟件的不同前處理模塊對(duì)建立的各個(gè)曲面模型進(jìn)行前置處理：
首先 ，對(duì)各個(gè)曲面模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)膯卧獎(jiǎng)澐帧卧獎(jiǎng)澐值暮侠砼c否會(huì)對(duì)計(jì)算的精確度及計(jì)算時(shí)間有一定的影響。
圖2-1毛坯網(wǎng)格劃
然后，將每個(gè)單元集分別定義為不同的工模具零件及各種相關(guān)成形參數(shù)工模具的運(yùn)動(dòng)曲線以及在和壓力曲線等，再確定好所有成形分析參數(shù)后就可以啟動(dòng)計(jì)算器進(jìn)行分析計(jì)算。
3）進(jìn)行CAE分析的后置處理 ETA/DYNAFROM軟件的后置處理模塊課根據(jù)計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果對(duì)板料沖壓過程進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)模擬演示。
進(jìn)行多次分析，對(duì)拉深條件進(jìn)行優(yōu)化，可得該零件的后處理結(jié)果截圖
圖2-2成形零件的成形極限圖
從以上的結(jié)果可以看出，經(jīng)過工藝補(bǔ)充部分的改進(jìn)之后，零件的拉裂、起皺現(xiàn)象明顯減少，零件工作面的絕大部分都處于綠色安全區(qū)域內(nèi)，但依然有部分處于危險(xiǎn)的范圍內(nèi)，有待改進(jìn)。
3 拉深模結(jié)構(gòu)與零件設(shè)計(jì)
3.1方案設(shè)計(jì)
3.1.1拉深模的典型結(jié)構(gòu)
根據(jù)沖壓件的大小和所使用的沖壓設(shè)備不同，汽車覆蓋件拉深?？煞譃樵?）單動(dòng)壓力機(jī)或2)雙動(dòng)壓力機(jī)上用的拉深模兩大類。由于此次設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的零件屬于中大型覆蓋件，形狀并不復(fù)雜，所需的壓邊力也不是很大，故而選擇單邊壓力機(jī)
3.1.2拉深模結(jié)構(gòu)形式的選擇
拉深模有正裝和反裝兩種類型，1）正裝拉延模的凸模和壓料圈在上，凹模在下，它使用雙動(dòng)壓力機(jī)，凸模安裝在內(nèi)滑塊上。壓料圈安裝在外滑塊上，成型時(shí)外滑塊首先下滑壓料將毛坯緊緊壓在凹模面上，然后內(nèi)滑塊下行，凸模將毛坯引伸到凹模腔內(nèi)，毛坯在凸模、凹模、壓料圈的作用下進(jìn)行大塑性變形。2）倒裝拉延模的凸模和壓料圈在下，凹模在上，它使用單動(dòng)壓力機(jī)，凸模直接裝在工作臺(tái)下，壓料圈使用壓力機(jī)下面的頂出缸，通過頂出桿、獲得能夠滿足壓料所需頂出力。
處于本次設(shè)計(jì)考慮，我選擇倒裝拉延類型。
凸模座
凸模
凹模
壓邊圈
沖壓類型——倒裝拉延
圖3-1 倒裝結(jié)構(gòu)
3.2拉深模材料的選擇
拉深模的材料主要是指凸模、凹模和壓邊圈所用的材料，對(duì)于薄板料（板厚t<1.5mm拉深模的工作部分可以采用整體鑄件，材料是合金鑄鐵MTMoCr，批量很小時(shí)也可以用灰口鑄鐵HT300；對(duì)于厚板料（料厚t>1.5時(shí)），由于板料的流動(dòng)對(duì)凹模和壓邊圈的磨損嚴(yán)重，因此此時(shí)拉深模的壓邊圈和凹模采用整體灰口鑄鐵（HT250、HT300）做基體。
此零件板料厚度t=1mm，屬于薄板料，因此根據(jù)以上原則，拉深模材料選擇灰口鑄鐵HT300。
3.3沖壓設(shè)備的選擇
3.3.1拉深力的計(jì)算
由于這個(gè)覆蓋件是不規(guī)則形狀，不能用一般的圓筒件、帶法蘭圓筒件、錐形零件等進(jìn)行計(jì)算，因此采用任何形狀的拉伸力的計(jì)算：
P= L*?b*Kb
式中，L—為材料的厚度0.8mm，
?b—為材料的抗拉強(qiáng)度（Mpa）
Kb—系數(shù)取0.9
經(jīng)過計(jì)算可得P為4233552.85N
3.3.2壓料力的計(jì)算
由于這個(gè)覆蓋件是不規(guī)則形狀，不能用一般的圓筒件、帶法蘭圓筒件、錐形零件等進(jìn)行計(jì)算，因此采用任何形狀的拉伸力的計(jì)算：
Q =K*F*q，
式中：K—系數(shù)取1.1~1.4；
F—毛坯壓料面積（mm2）；
q—壓料單位壓力（kg/mm2）
通過查表可得：q取0.25，由UG軟件投影壓邊圈由分析工具可得投影面積F為1256559mm2
可得Q為317820Kg
3.3.3沖壓設(shè)備的選擇
對(duì)于單動(dòng)壓床P壓=P+Q，
式中P壓—壓床的公稱壓力；
P——拉深力
Q——壓邊力
將上面所計(jì)算出的數(shù)據(jù)代入上述公式可得，
P壓= 4091.55+ 3141.175≈7232 KN
在實(shí)際生產(chǎn)中按下式確定壓力機(jī)的公稱壓力Fg≥1.3 P壓，為了保證安全性，在此按1.3 P壓 進(jìn)行計(jì)算，可得得P壓9402KN
根據(jù)以上計(jì)算，選擇型號(hào)為Y32-2000的四柱萬(wàn)能液壓機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表：
主要技術(shù)規(guī)格
公稱壓力/KN
滑塊行程/mm
頂出力/KN
工作臺(tái)尺寸/（長(zhǎng)x寬）
工作行程速度/（mm/s）
活動(dòng)橫梁至工作臺(tái)最大距離/mm
液體工作壓力/Mpa
Y32-2000
20000
1200
1000
2400x2000
5
800~2000
2600
表3-1 壓力機(jī)主要技術(shù)規(guī)格
3.4模具操作
先對(duì)原數(shù)字模型進(jìn)行縫合，即通過：插入—特征操作—縫合，先選擇一塊目標(biāo)片體，在這里選擇一塊比較平而大的片體，后用選擇工具片體，選擇全部的片體，然后選擇縫合公差，這個(gè)數(shù)字很重要，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)字不能太大，因?yàn)樘罅擞绊懙秸麄€(gè)零件的精度，但是也不能太小，如果太小了就不能進(jìn)行實(shí)體的分割，因此要進(jìn)行不斷的修改在此選擇0.5mm的公差?？p合后，通過拉伸操作生成一個(gè)長(zhǎng)方體，這個(gè)長(zhǎng)方體用于進(jìn)行剪切凸凹模，以及壓料圈。在此先進(jìn)行工作坐標(biāo)系的移動(dòng)，生成一個(gè)長(zhǎng)方體為1760x800x200,在此這個(gè)長(zhǎng)方體不能太大，不能超出整個(gè)片體的邊界，因?yàn)槿绻?，在下面剪切操作就不能進(jìn)行了。生成長(zhǎng)方體后，就可以進(jìn)行凹模的裁剪了，插入—特征操作—裁剪，先選擇裁剪體，即長(zhǎng)方體，后選擇剛才縫合的片體，這個(gè)片體的要求很重要，，片體不能有沒有縫合的塊，還有就是片體的公差不能太小，如果太小就有可能如果太小就有可能 出現(xiàn)“沒有可裁剪的實(shí)體”，這個(gè)提示這個(gè)時(shí)候要對(duì)縫合的公差進(jìn)行修改了。
所做三維圖形如下：
圖3-2 分型操作結(jié)果
3.5 凹模結(jié)構(gòu)
凹模的壓料面有兩種：一種是平面形狀的，這種壓料面制造簡(jiǎn)單，但是不能很好的防起皺，和不能很好的均勻板料流進(jìn)凹模的速度，因此只能用于形狀簡(jiǎn)單的零件。凹模壓料面按壓料面設(shè)計(jì)，由于壓料面為曲面，因此凹模的壓料面也為曲面，這對(duì)制造帶來很大的困難，增加了制造的費(fèi)用，和加工的難度，但是對(duì)于汽車覆蓋件來說這也是必要的，因此選用曲面的凹模壓料面。此外曲壓面可減少拉延的深度。
由拉深件圖可以看出本拉深件的形狀不是非常的復(fù)雜，同是為了保證更好的精度，做成整體式的凹模結(jié)構(gòu)。凹模的外形尺寸除了考慮壁厚外，還要要考慮壓料面的尺寸，因此凹模的外形尺寸為2500mmx2500mmx600mm 。
采用ug軟件進(jìn)行三維建模得到的凹模模型如下：
導(dǎo)板安裝槽
起吊裝置
減輕孔
凹模型面
圖3-3凹模三維模型
圖3-4凹模三維模型
圖3-5凹模二維模型
3.6凸模結(jié)構(gòu)
凸模的結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)與凹模的設(shè)計(jì)成對(duì)設(shè)計(jì)，拉深凸模固定在模板上，模板再與工作臺(tái)聯(lián)結(jié)。由于汽車覆蓋件的尺寸比較大，凸模的尺寸也比較大，故一般采用鑄造成形，且為中空式的殼體結(jié)構(gòu)。要求凸模有較高的硬度和耐磨性，可以采用表面火焰淬火等方法對(duì)凸模的工作部分表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。
拉深凸模工作表面與覆蓋件拉深件的內(nèi)表面是相同的，還有在拉深件上的加強(qiáng)筋等局部形狀。因此凸模工作表面上還要有成形這些形狀用的凸模形狀。當(dāng)局部形狀變形量較大，有破裂危險(xiǎn)時(shí)，可以將成形局部形狀的凸、凹模圓角半徑加大。
螺釘銷釘孔
凸模
圖3-6凸模結(jié)構(gòu)
導(dǎo)板安裝槽
減輕孔
圖3-7凸模結(jié)構(gòu)
圖3-8 凸模二維圖
3.6凸模座結(jié)構(gòu)
凸模座的作用是直接地安裝沖模的所有零件，分別與壓力機(jī)滑塊和工作臺(tái)連接傳遞壓力，因此十分要重視上下模座的強(qiáng)度和精度。模座因強(qiáng)度不夠會(huì)產(chǎn)生破壞；如果剛度不足，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的彈性變形，導(dǎo)致模具的工作零件和導(dǎo)向零件迅速磨損。
導(dǎo)板安裝槽（臺(tái)）
頂桿
起重部分
圖3-8凸模座結(jié)構(gòu)
圖3-9凸模座二維圖
3.7壓邊圈結(jié)構(gòu)
壓邊圈采用整體鑄造，在結(jié)構(gòu)上連接凹模、凸模，在成型過程中運(yùn)動(dòng)。
壓料面
下圖中，為壓邊圈的正面結(jié)構(gòu)，由拉深面、圓臺(tái)限位面及導(dǎo)向塊以及平衡墊塊凸臺(tái)等組成。拉深面上的凹槽為拉延筋。
提料裝置
減輕孔
導(dǎo)板安裝位置
圖3-10壓邊圈結(jié)構(gòu)
圖3-11壓邊圈二維圖
3.8導(dǎo)向部分
導(dǎo)向零件是汽車覆蓋件沖模的重要零件，對(duì)模具的精度、覆蓋件的精度、模具的壽命都有很大影響。本覆蓋件中僅在左右方向?qū)ΨQ、前后方向不對(duì)稱，沖壓過程中必然存在側(cè)向力，有的情況下這種側(cè)向力還是很大的，所以，要求沖模的導(dǎo)向必須能夠承受較大的側(cè)向力。
3.9起吊裝置
起吊裝置在模具的加工、組裝、安裝、卸模和搬運(yùn)等情況下使用，這是模具使用安全的重要部分。本例中采用鑄入式起重吊耳。
3.10拉深模的結(jié)構(gòu)和原理說明
圖3-12裝配三維造型
圖3-13裝配二維圖
這一套拉延模具的工作原理如下：開始工作前，液壓機(jī)下的氣墊通過氣頂桿把壓料圈 頂?shù)酵鼓Ｉ掀矫妫税衙鞣诺綁毫先ι?，由?dǎo)料裝置把料導(dǎo)正到正確的位置，壓料圈把毛坯壓緊在凹模平面上，這時(shí)上模的凹模開始工作，與凸模開始接觸，這時(shí)毛坯在凸模的作用力下進(jìn)入了凹模內(nèi)，凹模繼續(xù)下降，直到成形為止。這時(shí)完成了工件的成形，工件留在了凸模內(nèi)。凹模先向上運(yùn)動(dòng)，然后，壓料圈在由液壓機(jī)下的氣頂桿作用下把工件頂出，工人把工件從凸模上取出。
4 總 結(jié)
本次課題根據(jù)沖壓成形原理，結(jié)合某汽車引擎蓋外板拉深成形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出合理的模具結(jié)構(gòu)，到此也算是一個(gè)圓滿的結(jié)尾。
本次設(shè)計(jì)首先對(duì)汽車引擎蓋進(jìn)行了外形和力學(xué)性能的分析，設(shè)計(jì)出沖壓件的外形與尺寸，自行對(duì)整體模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)出了模具的整體結(jié)構(gòu)，并闡述模架及主要零件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后對(duì)模具外形和參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，最終完成本次設(shè)計(jì)課題。
本次設(shè)計(jì)通過書籍資料的查閱和王昶的講解，使我對(duì)沖壓模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)有了較為全面的了解。在模具的設(shè)計(jì)過程中，我在大學(xué)所學(xué)的部分專業(yè)理論知識(shí)（材料力學(xué)、機(jī)械制圖、互換性與技術(shù)測(cè)量、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械工程材料等）得到了實(shí)際應(yīng)用，仿佛自己又重新學(xué)習(xí)了一次專業(yè)知識(shí)，對(duì)自己在機(jī)械領(lǐng)域的能力有了很大的提升，這些寶貴的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)我以后從事工作益處多多，將使我受用終身。
致 謝
短短的三個(gè)多月的時(shí)間，悄然過去，在不知覺中已然到了截稿的時(shí)候。這段時(shí)間過得有苦有甜，有哀有樂。設(shè)計(jì)中的難題，大家攜手攻克；建模上的疑問，我們苦思冥想；達(dá)成目標(biāo)后的喜悅，諸位彼此銘刻于心。
感謝王昶老師，一封封郵件上的答疑解惑，對(duì)于我們提出的問題，不辭辛勞地孜孜教導(dǎo)，感謝文俐老師對(duì)于我們的無(wú)私幫助，在模具設(shè)計(jì)上的專業(yè)指導(dǎo)，一次又一次地檢查著我們小組的二維圖紙，不厭其煩的講解，使我受益匪淺！正是因?yàn)橛兄蠋熗瑢W(xué)的幫助，我才得以順利完成此次設(shè)計(jì)作業(yè)。
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轎車A級(jí)面覆蓋件成形技術(shù)發(fā)展
林洋
( 重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，重慶 40054 )
摘要:通過對(duì)某轎車車身覆蓋件的引擎蓋外板拉深模具型面的設(shè)計(jì),介紹了復(fù)雜型面拉深件拉深模具型面的設(shè)計(jì)流程,研究了復(fù)雜型面拉深件拉深模具型面的造型設(shè)計(jì)方法和原則。利用板料成形分析有限元軟件Dynaform對(duì)引擎蓋外板的拉深成形過程進(jìn)行仿真模擬,探討了仿真過程中出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷(如破裂、起皺、變形不足等)的原因,并針對(duì)這些現(xiàn)象對(duì)拉深模具型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)。并根據(jù)仿真模擬結(jié)果,制造加工了合格的拉深件模具。對(duì)于復(fù)雜型面拉深件的拉深模具的設(shè)計(jì)和制造具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：車身覆蓋件;沖壓成形；模具；優(yōu)化設(shè)計(jì)；
Abstract: The designing process of drawing die for complex surface drawing part in designing the drawing model of the automotive hood outer panel surface and the design method and principle were studied. The stamping process using the sheet metal forming analysis software Dynaform was simulated. The reason causing quality defect in simulation, such as cracking and wrinkle etc., was investigated. Based on these reasons, the design of drawing die surface for automobile hood outer panel was optimized. According to the simulated results, the qualified drawing die was made, which had a instructing meaning for the design and manufacture of drawing die for complex surface drawing part.
Key words: drawing model;punch molding;die;optimized
前言
隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，車型的多樣化、個(gè)性化已經(jīng)成為汽車發(fā)展的趨勢(shì)。而汽車引擎蓋設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一。它是屬于汽車覆蓋件上的一部分，汽車覆蓋件，是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的異形體表面和內(nèi)部的汽車零件。汽車覆蓋件既是外觀裝飾性的零件，又是封閉薄殼狀的受力零件。在對(duì)汽車性能要求越來越高的今天，對(duì)于汽車而言，任何一個(gè)零件的設(shè)計(jì)都將影響到汽車的性能。
本設(shè)計(jì)基于某轎車引擎蓋外板，利用了計(jì)算機(jī)Dynaform，UG等軟件的模擬計(jì)算及建模，深入探討了轎車引擎蓋模具設(shè)計(jì)以及成型模擬分析等問題，從而使乘用車的流暢性與動(dòng)力性進(jìn)一步提高。
1 汽車工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與汽車零件成形
汽車覆蓋件的成形工藝和模具制造技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，“汽車工業(yè)作為資金和技術(shù)密集的支柱產(chǎn)業(yè)之一,充分將信息技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合,展現(xiàn)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造工藝和設(shè)備、制造業(yè)自動(dòng)化、系統(tǒng)管理、綜合集成等現(xiàn)代化先進(jìn)制造技術(shù)。政府在2005年開始圍繞節(jié)能、安全與環(huán)保三大戰(zhàn)略,鼓勵(lì)在汽車工業(yè)中的各種新車型及零部件制造中采用先進(jìn)制造技術(shù),對(duì)新能源、新材料、新工藝技術(shù)進(jìn)行開發(fā),并將這作為現(xiàn)代汽車生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向和重點(diǎn)。在車身零部件中,絕大部分都需要采用沖壓工藝獲得,因此,在汽車車身開發(fā)中,汽車零部件的成形技術(shù),尤其是覆蓋件的成形工藝技術(shù)和模具制造技術(shù)占據(jù)至關(guān)重要的地位”。從上述的文獻(xiàn)中，不難發(fā)現(xiàn)汽車工業(yè)已經(jīng)成為世界發(fā)達(dá)國(guó)家一大支柱，而我國(guó)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)勢(shì)在必行，世界經(jīng)濟(jì)一體化給我國(guó)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，我國(guó)汽車工業(yè)迅速興起，從數(shù)量上已成為了汽車大國(guó)。世界各國(guó)汽車公司都爭(zhēng)先恐后地涌入我國(guó)，由原先向中國(guó)出口汽車，轉(zhuǎn)為在中國(guó)國(guó)內(nèi)合作生產(chǎn)汽車，并帶來了大量先進(jìn)技術(shù)。其中汽車各個(gè)覆蓋件的模具設(shè)計(jì)就成為一個(gè)典型例子。
2 覆蓋件的特點(diǎn)和要求
同一般沖壓件相比，覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。覆蓋件的工藝設(shè)計(jì)、沖模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和沖模制造工藝都具有特殊性。因此，在實(shí)踐中常把覆蓋件從一般沖壓件中分離出來，作為一各特殊的類別加以研究和分析。覆蓋件的特點(diǎn)決定了它的特殊要求。
2.1 表面質(zhì)量
覆蓋件表面上任何微小的缺陷都會(huì)在涂漆后引起光線的漫反射而損壞外形的美觀，因此覆蓋件表面不允許有波紋、皺折、凹痕、擦傷、邊緣拉痕和其他破壞表面美感的缺陷。覆蓋件上的裝飾棱線和筋條要求清晰、平滑、左右對(duì)稱和過渡均勻，覆蓋件之間的棱線銜接應(yīng)吻合流暢，不允許參差不齊?？傊采w件不僅要滿足結(jié)構(gòu)上的功能要求，更要滿足表面裝飾的美觀要求。
2.2 尺寸形狀
覆蓋件的形狀多為空間立體曲面，其形狀很難在覆蓋件圖上完整準(zhǔn)確地表達(dá)出來，因此覆蓋件的尺寸形狀常常借助主模型來描述。主模型是覆蓋件的主要制造依據(jù)，覆蓋件圖上標(biāo)注出來的尺寸形狀，其中包括立體曲面形狀、各種孔的位置尺寸、形狀過渡尺寸等，都應(yīng)和主模型一致，圖面上無(wú)法標(biāo)注的尺寸要依賴主模型量取，從這個(gè)意義上看，主模型是覆蓋件圖必要的補(bǔ)充。
2.3 剛性
覆蓋件拉延成型時(shí)，由于其塑性變形的不均勻性，往往會(huì)使某些部位剛性較差。剛性差的覆蓋件受至振動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生空洞聲，用這樣零件裝車，汽車在高速行駛時(shí)就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，造成覆蓋件早期破壞，因此覆蓋件的剛性要求不可忽視。檢查覆蓋件剛性的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位聲音的異同，另一是用手按看其是否發(fā)生松弛和鼓動(dòng)現(xiàn)象。
2.4 工藝性
覆蓋件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸決定該件的工藝性。覆蓋件的工藝性關(guān)鍵是拉延工藝性。覆蓋件一般都采用一次成型法，為了創(chuàng)造一個(gè)良好的拉延條件，通常將翻邊展開，窗口補(bǔ)滿，再加添上工藝補(bǔ)充部分，構(gòu)成一個(gè)拉延件。
3 傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代工藝CAE的應(yīng)用
首先來說，現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，完全得力于計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，因此由20世紀(jì)進(jìn)入21世紀(jì)，引導(dǎo)人類科技再次進(jìn)步的必然是與計(jì)算機(jī)結(jié)合的科技。而計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用與發(fā)展也得力于計(jì)算機(jī)科技的進(jìn)步，將計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)軟件用于產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)、分析與制造，已成為近代工業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的主要方法。
“傳統(tǒng)的工業(yè)皆依據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)累積而成，同時(shí)以經(jīng)驗(yàn)做出初步的設(shè)計(jì)，再由此初步的設(shè)計(jì)去做出原始模型，再做出成品。成品完成以后，使進(jìn)行試驗(yàn)以確保產(chǎn)品的可靠性”，而此種方法基本上稱為試湊法，此種方法費(fèi)時(shí)且成本相當(dāng)?shù)母??！叭羰褂肅AE，則在設(shè)計(jì)圖完成后即連接CAE，做各式各樣的分析，并且導(dǎo)入最優(yōu)化成品，即可在短時(shí)間內(nèi)完成成品”，“機(jī)構(gòu)動(dòng)力的傳動(dòng)可以借著機(jī)構(gòu)系統(tǒng)仿真軟件來虛擬各組件之間的有可能產(chǎn)生的摩擦力或接觸力”。有上述文件可以看見，隨著高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，CAE軟件將成為工程師實(shí)現(xiàn)其工程創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具。人們使用CAE軟件，對(duì)其創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案快速實(shí)施性能與可靠性分析，并進(jìn)行虛擬運(yùn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的同時(shí)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，縮短研究開發(fā)周期?？梢灶A(yù)測(cè)在未來的發(fā)展中，CAE軟件的發(fā)展和應(yīng)用就像當(dāng)年CAD軟件的使用一樣得到普及。因此，對(duì)于機(jī)械工程類的學(xué)生掌握一門CAE軟件技術(shù)已成為了時(shí)代的需要。
汽車引擎蓋的設(shè)計(jì)及分析對(duì)汽車設(shè)計(jì)具有極重要的意義，通過本文的研究和探索，結(jié)合研究中的不足之處，可以總結(jié)出以后研究的具體內(nèi)容: 1、繼續(xù)學(xué)習(xí)深化汽車覆蓋件的相關(guān)知識(shí)，掌握現(xiàn)代分析方法。 2、對(duì)引擎蓋外拉板優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬裝配并通過CAE分析軟件分析以獲得更好的模具。
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