汽车覆盖件工艺及拉延模设计烟台大学毕业论文.docx

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汽车覆盖件工艺及拉延模设计烟台大学毕业论文

第1章概论

1.1课题背景及意义

1.1.1课题的来源

1.1.1课题的意义

1.2国内汽车覆盖件模具的现状及发展

1.2.1汽车覆盖件简介

1.2.2模具CAD三维参数设计

第2章产品结构分析及工艺方案的确定

2.1产品的结构分析

2.2工艺分析

2.2.1工艺方案的确定

2.2.2工序流程图（DL图）的设计

2.3拉延件的设计

2.3.1拉延件的冲压方向

2.3.2工艺补充部分的设计

2.3.3压料面的设计

2.3.4拉延筋的设计

第3章工艺计算及主要参数的确定

3.1毛坯确定

3.1.1毛坯的尺寸

3.1.2毛坯的材质

3.1.3材料利用率

3.2拉延力的计算

3.2.1拉延凸模压力的计算

3.2.2拉深压边力的计算

3.3压边圈压力的计算

3.4卸料力的计算

3.5凸、凹模间隙的确定

3.6拉延模具的行程计算

3.6.1拉延工作行程

3.6.2压边圈行程

3.6.3顶杆行程

3.6.4导板行程

3.7压力机的确定

3.8模具闭合高度的确定

第4章拉延模结构设计

4.1拉延模介绍

4.1.1拉延模类型

4.1.2拉延模压边形式

4.1.3拉延模材料

4.1.4拉延模铸件结构

4.2拉延模的导向方式

4.2.1凸模与压边圈

4.2.3导板

4.2.2压边圈与凹模

4.3下模结构设计

4.3.1凸模结构

4.3.2下模座及组件

4.4上模结构设计

4.5压边圈设计

4.5.1压边圈强度

4.5.2压边圈尺寸

4.6排气孔的设计

4.7其他组件的设计

4.8拉延模总装配设计

4.8.1总装配图

4.8.2爆炸图

第5章拉延件质量分析

5.1制件的质量分析

5.2基于Autoform的模拟仿真

第6章基于UG的模具参数化建模

6.1分模设计

6.2其他组件的详细设计

6.3模具的工作原理

致谢

参考文献

第1章概论

1.1课题背景及意义

1.1.1课题背景

此次设计产品依托于所在烟台泰利汽车模具制造有限公司A130项目，产品名称：

左/右侧围内板后侧延伸板；产品编号：

5401657/58-0EU。

该产品为某轿车专用零部件，本课题主要对产品工艺流程中第一道工序（OP10）拉延模进行设计分析。

课题制件图如下：

（拉延件图）

1.1.2课题的意义

本次课题的意义在于：

通过设计参与模具设计、制造、生产的整个流程，更深地了解汽车覆盖件模具；专业知识与实践的结合应用；了解熟悉公司的设计规范；加强员工之间的合作意识；熟悉对三维相关软件的应用；发现设计中常出现的问题，进一步学习专业知识，解决问题。

1.2汽车覆盖件模具的发展

1.2.1汽车覆盖件简介

汽车覆盖件多是尺寸大、形状复杂的三维曲面，不能用简单的数学解析来表达，利用薄金属板料制成的异形体表面和内部零件，如驾驶室的顶盖、车门内板、前围、后围、侧围等，覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件，因此其不仅外观质量要求高，以满足汽车造型的要求，而且要求配合精度高、形状和尺寸的一致性及互换性要求高，以保证焊接和装配质量，所以汽车覆盖件冲压成型技术在冲压领域占重要的地位，其所用的冲压设备、模具和原材料与一般的都有所不同。

按功能和部位分类，可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。

其结构特点有：

总体尺寸大；相对厚度小；形状复杂；轮廓内部带有局部形状。

其特殊要求主要在：

表面质量、尺寸形状、刚性、工艺性等方面。

（图）

1.2.2汽车覆盖件模具的发展

汽车覆盖件模具市场需求旺盛，因此许多企业加大了技术改造力度，一些新建企业也快速发展，使汽车覆盖件模具的生产能力大为提高,在汽车产量和车型近年来快速发展的同时,要求模具企业积极采用新技术，努力改善企业管理来提高自身的综合素质和核心竞争力，向技术要效率，向管理要效益。

国内的汽车模具企业在规模、计算机应用、数控加工机床、调试设备等主要硬件上与国际水平差距正在快速缩小，像一汽模具制造有限公司、东风汽车模具有限公司、天津汽车模具有限公司等都具有先进的设备水平和高质量的模具设计能力。

汽车覆盖件模具生产技术发展主要表现在以下几个方面:

（1）较高的的装备水平，先进的生产设备如三轴至五轴的高速加工机床、大型龙门式加工中心和数控铣机床、多轴数控激光切割机等。

（2）设计和加工技术的提高:

三维CAD软件的功能与模具开发功能相集成，如UG、Catia提供了产品设计、工艺设计、成型性分析、结构设计、模拟仿真、数控加工的一体化解决方案，提高了模具设计的效率和质量要求。

常用的CAE软如DYNAFORM、AUTOFORM等除了成型分析，还能能参与冲压工艺的全过程，在分析内容的广泛性、实用性、精确性方面都有显着的提高,逐步实现CAD/CAE/CAPP/CAM一体化。

（3）模具水平的提高：

在DL图设计冲压工艺分析方面的技术提高，标准化结构、标准件、曲型性结构的运用及其在此基础上的灵活处理，已使模具结构复合程度高、结构布局合理、使用可靠得到满足。

第2章产品的结构分析及工艺方案的确定

2.1产品的结构分析

产品零件的的三维图如下：

（产品零件图）

该制件的结构特点是：

平面法兰、斜壁、轮廓形状不规则、底部有局部形状，制件边缘有孔，底部平面上有孔结构，又因为该件为左右为对称件，产品尺寸为，根据其结构、尺寸大小可将其设计为一模两件的拼合方式，最后用切断分离。

根据用户要求，制件料厚t=0.7mm，材料为ST16。

2.2工艺分析

2.2.1工艺方案的确定

汽车覆盖件的形状复杂，尺寸大，因此不能在一道工序中直接获得，需要再多道工序才能完成。

基本的冲压工序有落料、拉深、校形、修边、翻边、冲孔等。

为保证冲压件的质量及各种要求，必须选择合理的冲压工艺，在进行拉延工艺设计时，应该遵循的设计原则有：

一次拉深成形；工艺孔和工艺切口的设置；拉深件局部形状的修改；拉深工序中冲孔；有利于后序加工等。

根据制件的结构，利于成形且保证制件质量，该制件的工艺方案为：

拉延→修边→侧修边、冲孔→冲孔→整形。

工序间的定位，为保证加工精度和操作的安全及方便，在设计模具时应把每一序中制件的位置确定，拉延件在修边工序的定位一般采用形状定位、压料面形状定位、工艺孔定位等，其他工序的定位基本都采用工序件外形或其本身的孔来定位。

2.2.2工序流程图（DL图）的设计

DL图即模具设计时的工艺流程图，可以明确表示出工序划分及加工内容、冲压送料方向、工艺补充、修边线翻边线、修边位置废料刀布置、产品等。

DL图设计可以系统地全方位地指导模具设计、制造、调试整个生产管过程，克服了模具单工序加工造成各工序之间不衔接统一、模具质量下降，制造周期长的缺陷。

该制件的工艺流程共5序：

拉延→修边→侧修边、冲孔→冲孔→整形，下图为利用UG软件设计的三维DL图。

第一道工序

第二道工序

第三道工序

第四道工序

第五道工序

2.3拉延件的设计

为了保证覆盖件在冲压成形中可以顺利地成形，首先要根据零件图来设计出拉延件图，然后根据拉延件图展开来算毛坯的尺寸和各部位尺寸，制定冲压工艺和模具设计方案。

2.3.1拉延件的冲压方向

合理的拉深方向应满足，保证将拉深件的全部空间形状一次拉伸出来，不应该有凸模接触不到的“死区”；尽量使拉深深度差减小，以减小材料流动和变形的不均匀性；

保证凸模和毛坯有良好的接触状态；防止表面缺陷。

根据产品的结构、数模中心线、机床冲压中心，选择的冲压方向如下图：

2.3.2工艺补充部分的设计

为拉伸出合格的制件，在冲压件的基础上添加的那部分材料，有两类：

一类是零件内部的工艺补充，这部分工艺补充不增加材料消耗，在后序冲孔后仍可以适当使用；另一类是在零件沿轮廓边缘展开的基础上添加上去的，包括拉深件的部分和压料面两部分，增加了材料的消耗。

工艺补充的设计原则：

1）内孔封闭补充原则。

2）简化拉伸件结构形状原则。

3）对后工序有利原则。

根据制件的结构和工序设计要求，对此制件上内部孔结构进行补充材料，边缘部分沿边缘线向外延伸，形成一个大R角，有利于拉延凸模的制造，保证制件的刚度强度要求，再将凸缘向轮廓线外侧延伸，构成曲面和平面复合的压料面，同时工艺补充外形可以作为第二序修边的定位方式，工艺补充如下图：

2.3.3压料面的设计

压料面是指凹模圆角意外的部分，它是工艺补充的一个重要的组成部分，对汽车覆盖件的成形起着重要作用。

有的拉深件的压料面全部为工艺补充部分，有的压料面则由零件的法兰部分和工艺补充部分组成。

拉深开始前，压边圈将毛坯压紧在凹模压料面上；拉伸开始后，凸模的成形力与压料面上的阻力共同形成毛坯的变形力，使毛坯产生塑性变形，通过压料面的改变，来改变拉伸件的深度、毛坯流动阻力的分布等。

压料面的设计原则：

1）压料面尽量简单些。

2）压料面任意断面的曲线长度要小于拉深件内部相应断面的曲线长度。

3）压料面应使成形深度小且各部分深度接近一致。

4）压料面应使毛坯在拉深成形和修边工序中都有可靠的定位，并考虑送料和取件的方便。

该产品利用工艺补充形成的法兰面作为压料面，如下图：

2.3.4拉延筋的设计

拉延筋在覆盖件成形中占重要地位，毛坯在拉深成形中，需要一定大小且沿周边适当分布的作用力，作用力来自于冲压设备的作用力和压料面的作用力，需要在压料面上设置能产生很大阻力的拉伸近来满足毛坯塑性变形和塑性流动的要求，同时在大范围内控制毛坯的变形大小和变形分布。

拉延筋作用：

增大进料阻力，使毛坯产生较大的塑性变形，提高冲压件的刚度；调节进料阻力的分布和大小，控制压料面上各个部位材料向凹模内流动的速度和进料量；降低对压料面的要求，减少对压边力的要求。

拉延筋的类型和结构形式如下表所示：

种类

用途

特点

圆形筋

单筋

法兰流入量大时的拉深

修模容易，便于调节拉深筋阻力

重筋

法兰流入量很大时的深拉深

加大筋槽圆角半径R,随着R的增加附加拉力减小，用双筋来弥补。

矩形筋

法兰流入量少时的拉深或胀形

与园筋相比提供更强的附加拉力

拉深槛

法兰流入少时的拉深或着胀形

材料利用率高，同样的R和H下，比方筋的附加拉力小。

三角形筋

胀形

抑制筋的磨损，材料完全没有流入

第3章工艺计算及主要参数的确定

3.1毛坯的确定

3.1.1毛坯尺寸的确定

一般拉延件的坯料尺寸A1+A2=a1+a2+50

在ug软件中，测得拉延制件的截面长度为721.2374mm，所以根据上述公式确定其理论值为毛坯长L=772mm，W=450mm。

利用Autoform软件模拟，设置以上大小的毛坯尺寸，模拟结果出现下图所示，制件表面出现轻微的起皱，毛坯边缘流入拉延筋，毛坯尺寸偏小，压料面上的摩擦力减小，出现失稳起皱现象。

所以，在Autoform模拟过程中，适当加大毛坯的尺寸和摩擦系数，设置参数如下：

最终坯料线在拉延开始和结束后的变化如下图所示：

确定材料的尺寸为：

900mm×470mm，厚度t=0.7，材质：

ST16。

3.1.2毛坯的材质

汽车覆盖件所用材料的一般是冷轧钢板，根据冲压级别将冷轧钢板分为：

最复杂拉深级别（ZF表示，下同）、很复杂拉深级别（HF）、复杂拉深级别（F）、最深拉深级（Z）、深拉深级（S）等，目前热轧钢板和沸腾钢板在汽车覆盖件上的应用已逐渐减少，而冷轧铝镇静钢板已成为覆盖件使用的最大冷轧钢板之一，它具有较好的强度，较好的塑性变形能力，且钢中的铝对氮有固定作用，故成形后零件表面不产生滑移线，是一种非时效钢板，其化学成份和力学性能如下表：

钢号

冲压

深度

化学成分（质量分数）

屈服点

抗拉强度

伸长率

08Al

0.05～0.12

≤0.03

0.25～0.65

≤0.035

≤195

270～390

≥32

≤205

275～410

≥30

≤215

275～410

≥28

St13

≤0.10

≤0.05

≤0.035

≤280

270～410

≥28

St14

≤0.08

≤0.45

≤0.030

≤240

270～370

≥34

St15

≤0.08

≤0.40

≤0.020

≤210

270～350

≥38

St16

≤0.06

0.03

≤0.35

≤0.020

≤195

250～370

≥40

毛坯材料的性能对变形力、压料面作用力的影响很大，毛坯在不同应力状态下产生塑性变形所需要的变形力也不一样，因此选取的材料应满足：

汽车覆盖件的使用性能；成形所需要的成形性能；提高覆盖件的刚度和形状冻结性；要经济合理。

根据客户要求,选用材质St16。

3.1.3材料利用率

材料利用率是冲压工艺中一个非常重要的经济技术指标，在冲压生产成本构成中，冲压钢板材料成本又约占90%，在保证制件质量的基础上，通过合理定义产品、适当选择毛坯尺寸，优化冲压工艺以及现场改善材料的利用，来降低冲压生产成本，避免选用高牌号的材料造成产品性能过剩。

该制件为左右对称件，可采用一模两件的拼合方式生产来提高材料的利用率。

其可以用冲压件的实际面积与毛坯面积的百分比标识：

，式中，

冲裁件实际面积，

；

毛坯面积，

利用UG软件分析功能测得拉延件的面积

=202163.7

，毛坯面积

=423000

，

所以

，此为理论值，利用Autoform软件模拟，得到的材料利用率

=52.5％。

根据拉延件设计结构，在完成第一序拉延结束后，第二序修边的平面废料可以作为其他小冲压件的毛坯材料，这样循环利用可以节约材料经济成本。

3.2成形力的确定

3.2.1拉延力的计算

注：

：

抗拉强度T：

板厚L：

凸模周长C：

系数

常用系数如下表表示：

内容

例

外浅零件

3.5

DOOROTR、HOODOTR

深零件

4.0

FENDER

内一般件

4.5

形状深、形状多的零件

5.0

DOORINT

利用ug软件测得凸模周长L=2147mm，如下图示：

查表取：

=300

C=4.0

所以拉延凸模压力P=4.0×（250～370）×0.7×2147=（1502.9～2224.9）KN，此值为理论值，用于初步选取压力机公称压力的参考值。

利用Autoform模拟拉延过程时，在保证制件质量的前提下，模拟所用的压力P约为1400KN，如下图，即需要的拉延力P=1400KN。

3.2.2拉深压边力的计算

注：

SB压边圈面积（

）

系数

：

内容

例

以拉深为主的零件

0.15

W/HOTRFRPILLEROTR

一般件

0.22

T/GOTR

以拉延为主的零件

0.29

DOOROTRHOODOTR

根据拉延件结构，查表取

=0.15，所以拉延压边力PB=0.15×2359223kg=353883.45kg，理论值所需要的压边力为35吨。

利用软件测得压边圈的面积SB=2359223

在Autoform软件模拟中，在保证得到良好质量性能的前提下，反复设置成形参数，最总参数设置压边力：

40吨。

3.4卸料力的计算

为了使拉延过程连续，操作方便，需要把紧箍在凸模上的制件卸下，所需要的力为卸料力

，实际生产中常根据下列公式计算：

式中，F－拉延力与压边力之和，N；

－卸料力系数。

材料厚度t/mm

钢

≤0.1

0.065～0.075

0.1

0.14

>0.1～0.5

0.045～0.055

0.063

0.08

>0.5～2.5

0.04～0.05

0.055

0.06

>2.5～6.5

0.03～0.04

0.045

0.05

取

=0.05，因次=0.05×180KN=9KN，卸料力即为拉延结束后，顶杆对压边圈的顶出力，压边圈把箍在凸模上的制件顶出，覆盖件卸料力的大小可以简单按上面公式计算，具体情况要根据机床的性能来调节气垫或者液压缸的压力，因为在压边圈上设置的弹顶销对制件也起到一定卸料作用，所以，应根据实际情况来调节气压控制卸料力。

3.5凸、凹模间隙的确定

拉延凸凹模之间的间隙直接影响了拉延件的质量，如果间隙取得过大，在拉延完成后，由于板料变形应力的释放，导致拉延件回弹变形值变大，拉延件严重变形，对后续工序影响大。

间隙取得过小，在拉延过程中使得拉延件的厚度小于要求的厚度，同时由于材料的变薄，达到材料的断裂极限，使拉延件出现破裂，因此应取一个合理的间隙值。

生产中常用下述经验公式计算合理间隙Z的数值。

Z=ct

式中，t－材料厚度，mm；

c－系数，与材料的性能及厚度有关，对于拉延件，外板件C=1.05t，内板件C=1.1t。

此处C=1.1t=1.1×0.7mm=0.77mm

一般，拉延凸凹模在实际生产中要经过数控铣削和研磨调试来找到合适的间隙值，保证拉延件的质量。

3.6拉延模的行程

3.6.1拉延工作行程

从压边圈与凹模压住板料开始到拉延完成，上模在垂直方向的运动距离。

在UG中模拟将坯料向上移动直至制件的最低点，得到的距离整5或10，再加上10~15mm即可得到工作行程。

3.6.2压边圈行程

压料面为曲面时，凹模开始接触板料到被凹模与压边圈固定住，上模在垂直方向运动的距离。

设计原则：

高出模具最高点10mm左右，最低不能小于5mm。

在UG软件中，测量制件的最高点到压边圈的距离为101mm，因此压边圈的行程h=101+20mm=121mm，取120mm。

3.6.3顶杆行程

原则上，压边圈顶起时，放在压边圈上的板件不能够接触到凸模。

st：

压边圈行程；H：

顶杆承接面到压机工作面的距离；L：

顶杆脚长度；h：

顶杆（气垫）实际顶出行程

关系：

h=c+stL+h=H+st

根据数模设计结构，托杆底面到工作台面的距离C=50mm，因此顶杆实际顶出行程h=c+st=50+120mm=170mm。

3.7压力机的确定

一般冲压生产中的压力机有两类：

机械压力机和液压机。

机械压力机，有较大的冲击力，工作不平稳，容易产生颤动噪声，压力曲线不宜控制，不适用于精度要求高的制件，一般用于冲裁、切断等分离工序；液压机，工作平稳，可以人为的调节其压力，适合弯曲、拉深、整形等成形工序。

通过计算得，拉延时所需要的拉延力P=500吨，查找拉力机手册，并根据公司内部生产情况，选取液压机YA32-500。

技术参数如下：

序号

名称

数值

单位

滑块公称压力

5000

拉伸滑块公称压力

4000

压边滑块公称压力

2500

下顶出压力

800

封闭高度

1360

滑块行程长度

800

工作台尺寸（前后×左右）

1600×2500

滑块垫板尺寸（前后×左右）

1600×2500

滑块垫板厚度

365

滑块底面尺寸（前后×左右）

1600×2500

顶杆顶出范围（前后×左右）

900×1700

顶杆孔距

150

顶杆行程

450

根据模具的总装配图可得模具的总体尺寸为1550mm×986mm×650mm，而压力机工作台尺寸为1600mm×2500mm，压力机的最大闭合高度为1360mm，因此压力机选择合适。

所选压机工作台顶杆的布置图如下，根据机床顶杆的布置来确定压边圈上顶杆的位置。

3.8模具闭合高度的确定

模具的闭合高度H是指模具在最低工作位置时，上下之间的距离。

模具闭合高度的选择对选择压力机也有影响，如果H大于压力机的最大开口高度，则模具无法安装在压力机上；如果H小于模具的最大开口高度，则模具在工作时，需要安装垫板来增加模具的高度，减小滑块的行程。

冲设计原则：

压线共享时，根据机床的最大闭合高度和最小闭合高度来设计，同时注意有无使用垫板，在设计中应该留有调整量，一般为20mm。

除此之外，在三维软件设计中，考虑各个组件的之间的关系来最终确定模具的闭合高度。

第4章拉延模设计

4.1拉延模的介绍

4.1.1拉延模

根据使用的冲压设备不同，汽车覆盖件拉延模可以分为单动压力机上用的拉延模和双动压力机上用的拉延模两大类，两者工作方式不同，模具安装的方法不同。

拉延模的结构主要有三大件组成：

凸模、凹模、压边圈，此外还需要一些标准件，如导滑板、定位板组件、调整垫块、安全螺钉、排气管等组件。

按照DL图中拉延件的形状和尺寸以及各工艺参数，此制件选用单动拉延模即可满足要求。

4.1.2单动拉延模的压边形式

主要有弹簧或者橡皮压边和气压或液压压边形式两种。

1）弹簧或者橡皮压边：

弹簧和橡皮的弹性曲线都是直线，其弹力随压下行程的增大而增大，与冲压工艺要求产生的压边力相反，防皱的效果不好，一般只用于形状简单的浅拉深件。

2）气压或液压压边形式：

动力来源于气缸或者液压缸的压力，通过托杆作用于压边圈上，压力基本保持不变，可以通过调节压缩空气或者液压缸压力的大小来满足工艺要求。

4.1.3拉延模材料

由于覆盖件拉延模形状复杂，所以凸凹模、压边圈、固定座等主要零件采用带加强筋的空心铸件结构，所用的材料应满足耐磨、不宜拉毛、易加工，并能进行局部表面火焰淬火。

通常根据生产量和模具使用寿命选择，小批量生产时采用灰口铸铁HT250或HT350；中批量生产时，采用球墨铸铁QT500-7或QT600-3；大批量生产时，采用镍铬铸铁或者钼钒铸铁等合金铸铁。

下表为常用材料的化学成分和力学性能：

材料牌号

HT250

HT300

QT500-7

QT600-3

镍铬铸铁

钼铬铸铁

钼钒铸铁

抗拉强度/MPa

250

300

500

600

－

≥280

－

抗变强度/MPa

470

540

320

370

－

≥480

－

抗压强度/MPa

－

≥1000

－

伸长率（％）

－

冲击韧度

－

硬度HB

170~241

170~230

190~270

179~255

170~241

179~255

化学成分

2.9~3.2

2.8~3.2

－

3.0~3.3

3.0~3.2

1.4~1.8

1.3~1.7

－

0.8~1.5

1.8~2.2

0.8~1.1

－

0.5~0.8

0.6~0.9

0.5~0.8

－

0.9~1.1

－

1.2~1.8

－

0.4~0.8

0.3~0.4

－

≤0.12

－

≤0.05

≤0.12

≤0.05

≤0.20

－

≤0.1

≤0.20

≤0.15

灰铸铁是指石墨呈

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