发动机油底壳冲压模具设计说明.docx

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发动机油底壳冲压模具设计说明

发动机油底壳冲压模具设计

摘要汽车发动机油底壳冲压模具属于大中型模具，在实际的模具设计生产中存在一定的难点，如形状不规则，需要对压力中心进行确定；整体形状复杂，一次拉深对模具、设备的要求相对较高，但多次拉深又易引起拉裂、破损等现象。

首先利用UG对发动机油底壳进行三维实体造型，其属于具有台阶状的复杂盒形件，两侧拉深深度不一，径向拉应力沿盒形件周边分布极为不均匀，在落差的地方产生较大的附加应力，易引起材料堆积或破裂。

所以设计关键在于确定拉深次数，以保证油底壳的成形；确定压力中心，以保证设备的安全工作。

确定采用单工序模的工艺方案，分别为：

落料模、拉深模、冲孔模。

落料模的设计着重于合理安排毛坯的排样和压力机的选择，以及凸、凹模等工作零件的设计确定。

拉深模着重于工艺力的计算，并根据工艺力选择了双动拉深压力机，对凸、凹模等也做了设计。

冲孔模与落料模同属冲裁模，其原理基本一致。

冲孔模着重于法兰边上的25个小孔分布较为密集，因此冲孔凸模的采用过盈配合的固定方式，凹模选择最小壁厚。

针对上述三副模具的凸、凹模和其他主要工作零件的服役性能要求，选择合适的材料以及合理的热处理方式，以提高其使用性能，延长使用寿命。

最终通过AutoCAD绘制出每一副模具的具体结构。

关键词：

油底壳落料拉深冲孔模具设计

DesignofStampingDieinOilSumpofEngine

AbstractThestampingdieoftheoilsumpofenginebelongstothelargeandmediummolds,therearemanydifficultiesintheactualdesignandproduction,suchasanirregularlyshaped,youneedtocalculatethecenterofthepressure;Thewholeshapearecomplex,itisarelativelyhighrequirementofthedieifdrawingonce,butitiseasytobetensioncrackanddamageafterdrawingmanytimes.Fristofall,drawastereogramoftheoilsumpoftheenginebyUG,thenwecananalysistechnologicalparameteroftheoilsumpoftheengine,thedepthofdrawinginbothsidesisdifferent,thedistributionoftheradialtensilestressalongtheperipheryoftherectangularboxisextremelynon-uniform,itislikelytobeagreatadditionalstressinthegap,andcausetheaccumulationofmaterialsorrupture.Sothekeyofthedesignistodeterminethenumberofdrawing,inordertoensuretheformingofoilsump;todeterminethecenterofthepressure,tomakesurethesafetyoftheequipment.Onthisbasis,weadopttheprocessprogramofsinglediedefinitewhichareblanking,drawingandperforatingrespectively.

Themostimportantofthedieofblankingistoarrangethelayoutofblankreasonablyandselectthepressingmachineanddesigntheworkingpartssuchasconvexdieandconcavedie.Themostimportantofthedieofdrawingistofigureouttheforceoftechnology,andselectthepressmachineofdoubleactiondrawingrelyontheforceoftechnology.Besides,wealsodesigntheconvexdieandconcavedie.Theperforatingandblankingdiebelongstotheblankingdie,thebasicprincipleofthemisconsistent.Themostimportantoftheperforatingdieisthatthedistributionofthe25smallholesintheflangeisveryconcentrated.Thereforewechoosetheinterferencefittofixtheconvexdieofperforatingandselecttheminimumwallthicknessoftheconcavedie.Atthesametime,accordingtheworkingperformancerequirementoftheconvex、concavedieandothermajorworkingparts,wechoosethereasonablematerialsandthebestwaytoheattreatment,inordertoimproveitsperformanceandextendtheservicelife.FinallydrawouteachmouldofconcretestructuresthroughtheAutoCAD.

Keywords：

oilsumpblankingdrawingperforatingmoulddesign

第一章绪论

1.1概述

随着经济的发展，冲压技术应用应用范围越来越广泛，在国民经济各部门中，几乎都有冲压加工生产，它不仅与整个机械行业密切相关，而且与人们的生活紧密相连。

在吸收了力学、数学、金属材料学、机械科学以及控制、计算机技术等方面的知识后，已经形成了冲压学科的成形基本理论。

以冲压产品为龙头，以模具为中心，结合现代先进技术的应用，冲压成形技术在国民经济发展、实现现代化和提高人民生活水平方面的作用日益显著。

由于冲压工艺具有生产效率高、质量稳定、成本低以及可加工复杂形状工件等一系列优点，在机械、汽车、轻工、国防、电机电器、家用电器，以及日常生活用品等行业应用非常广泛，占有十分重要的地位。

随着工业产品的不断发展和生产技术水平的不断提高，冲压模具作为个部门的重要基础工艺装备将起到越来越大的作用。

1.2冲压成形基本问题

1.2.1冲压与冷冲模的概念[1]

冲压式一种先进的材料（金属或非金属）加工方法，它是建立在材料塑性变形基础上，利用模具和冲压设备对板料进行加工，以获得要求的零件形状、尺寸以及精度。

冲压模具是值在冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（半成品）的一种特殊工艺设备，称为冲压模具，由于冲压加工一般是在常温下进行的，所以冲压模具俗称冷冲模。

冲压加工在批量生产中得到了广泛的应用，在现代工业生产中占有十分重要的地位，其特点主要如下：

（1）在生产过程中，应用了自动化的机械设备及多工位自动化送料装置，故生产效率高。

（2）在冲压加工中，废料比其他加工少，且废料也可制成其他小零件，故材料利用率高。

（3）在冲床的简单冲压下，可得到形状复杂、强度高、精度高、一致性好的零件。

（4）随生产批量增大，零件的制造成本降低。

（5）缩短工时，节省劳力，操作简单。

（6）同一模具制造出来的产品，具有相同的尺寸与形状，有良好的互换性。

（7）冲压加工所使用的模具是技术密集型产品，精度高、成本高。

所以只有生产批量大时，冲压加工的有点才能充分体现。

1.2.2冲压工序的分类

冲压加工因制件的形状、尺寸和精度的不同，所采用的工序也不同。

根据材料的变形特点可将冷冲压工序分为分离工序和成形工序两类。

（1）分离工序是指板料在冲压力作用下，变形部分的应力达到强度极限以后，是坯料发生断裂而产生分离。

分离工序包括落料、冲孔、剪切、切断、切槽、切口、切边等几大类，这是以被加工材料的形态及受力状态为划分依据的。

分离工序所加工的板料可以是平面的也可以是立体的，当然也可以加工型材、棒材、管材等。

其所用的冲模可通称为冲裁模。

其中有代表性的为落料模、冲孔模、切边模以及包含多道工序的复合模和连续模。

落料模常用来在平板上封闭冲裁出所需零件。

冲孔模常用来在零件上封闭冲裁多余的材料，得到所需要的孔。

切边模常用来在毛坯或零件上冲去多余的边料。

其余分离工序包括有不同个数的冲裁面，均不封闭。

（2）成形工序是指坯料在冲压力作用下，变形部分的应力达到屈服极限，但未超出抗拉强度极限，使板料产生塑性变形，成为具有一定形状、尺寸与精度制件的加工工序。

广义成形工序指利用永久变形的固态板料制成所需形状和尺寸的制件加工。

广义成形除包括狭义成形所包含的内容以外还包括其他压力加工工序，如锻造、轧制、锻压、挤压等。

狭义成形是指保持作为毛坯的板料状态而改变其外观的加工。

狭义成形通常包括拉深、胀形、翻边、扩口、缩口等工序，弯曲也可以划为成形的一种。

1.2.3冲模的分类

冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。

冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。

模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。

冲压模具的形式很多，一般可按照以下几个主要特征分类：

（1）根据工艺性质分类

冲裁模：

沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。

如落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。

弯曲模：

使板料毛坯或其他坯料沿着直线（弯曲线）产生弯曲变形，从而获得一定角度和形状的工具模具。

拉深模：

是把板坯制成开口空心件，或使空心件进一步改变形状和尺寸的模具。

成形模：

是将毛坯或半成品工具按照凸、凹模的形状直接复制成形，而材料本身仅产生局部塑形变形的模具。

如胀形模、缩口模、扩口模、起伏成形模、翻边模、整形模等。

（2）根据工序组合程度分类

单工序模：

在压力机上一次行程中，只完成一道冲压工序的模具。

复合模：

只有一个工位，在压力机的一次行程中，在同一工位上同时完成两道或两道以上冲压工序的模具。

级进模：

在毛坯的送进方向上，具有两个或更多的工位，在压力机的一次行程中，在不同的工位上逐次完成两道或两道以上冲压工序的模具。

1.3冲压行业的现状

1.3.1冲压行业产品结构现状

按照中国模具工业协会的划分，我国模具分为10大类，其中，冲压模具占主要部分。

按产值计算，目前我国冲压模占50%左右。

我国冲压模大多为简单模、单工序模和复合模等，精冲模、精密多工位级进模还为数不多，模具平均寿命不足100万次，模具最高寿命可达到1亿次以上，精度达到3～5μm，有50个以上的级进工位，与国际上最高模具寿命6亿次，平均模具寿命5000万次，精度达到2～3μm相比，处于20世纪80年代中期国际先进水平。

1.3.2冲压行业技术结构现状

目前，我国冲压模具工业技术水平参差不齐，分布差异性大。

从整体上来讲，与发达工业国家先进水平相比，还有很大的差距。

缺乏技术素质较高的冲压模具设计、制造工艺技术人员和技术工人，尤其缺乏知识面宽、知识结构层次高的复合型人才。

中国模具行业中的技术人员，只占从业人员的8%～12%。

此外，技术人员和技术工人知识老化，知识结构不能适应现在的需要。

1.3.3冲压模具行业配套材料、标准件结构现状

近些年来，国家已多次组织有关材料研究所、大专院校和钢铁企业，研究和开发模具专用系列钢种、模具专用硬质合金及其他模具加工的专用工具、辅助材料等，并有所推广。

但因材料质量不够稳定，缺乏必要的试验条件和试验数据，规格品种较少，大型模具和特种模具所需的钢材及规格还有缺口。

模具加工的辅助材料和专用技术近年来虽有所推广应用，但未形成成熟的生产技术，大多仍处于试验摸索阶段，如模具表面涂层技术、模具表面热处理技术、模具导向副润滑技术、模具型腔传感技术及润滑技术、模具去应力技术、模具抗疲劳及防腐技术等尚未完全形成生产力，走向商品化。

一些关键、重要的技术也还缺少知识产权的保护。

我国的模具标准件生产，从20世纪80年代初才形成小规模生产，模具标准化程度以及标准件的使用覆盖面约占20%，从市场上能配到的也只有约30个品种，且仅限于中小规格。

标准凸凹模等刚刚开始供应，横架及零件生产供应渠道不畅，精度和质量也较差。

1.3.4冲压模具行业产业组织结构现状

据不完全统计，国内模具工业现有能力只能满足需求量的60%左右，还不能适应国民经济发展的需要。

国内需要的大型、精密、复杂和长寿命的模具主要还依靠进口。

目前我国模具工业的技术水平和制造能力，是我国国民经济建设中的薄弱环节和制约经济持续发展的瓶颈。

我国的模具工业相对较落后，至今仍不能称其为一个独立的行业。

我国目前的模具生产企业可划分为四大类：

专业模具厂，专业生产外供模具；产品厂的模具分厂或车间，以供给本产品厂所需的模具为主要任务；三资企业的模具分厂，其组织模式与专业模具厂相类似，以小而专为主；乡镇模具企业，与专业模具厂相类似。

其中以第一类数量最多，模具产量约占总产量的70%以上。

我国的模具行业管理体制分散。

目前有19个大行业部门制造和使用模具，没有统一管理的部门。

仅靠中国模具工业协会统筹规划，集中攻关，跨行业、跨部门管理困难多。

1.4冲压行业的发展方向

随着工业产品质量的不断提高，冲压产品生产正呈现多品种、少批量、复杂、大型、精密、更新换代速度快的变化特点，冲压模具正向高效、精密、长寿命、大型化方向发展。

为适应市场变化，随着计算机技术和制造技术的发展，冲压模具设计与制造技术正由手工设计、依靠人工经验和常规机械加工技术向以计算机辅助设计（CAD）、数控切削加工、数控电加工为核心的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术转变。

1.4.1模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展

（1）模具软件功能集成化

模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，以实现信息的综合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程，达到实现最佳效益的目的。

集成化程度较高的软件还包括：

Pro/ENGINEER、UG和CATIA等。

（2）模具设计、分析及制造的三维化

传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。

模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具，所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的管理与共享。

如Pro/ENGINEER、UG和CATIA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点，从而使模具并行工程成为可能。

（3）模具软件应用的网络化趋势

随着模具在企业竞争、合作、生产和管理等方面的全球化、国际化，以及计算机软硬件技术的迅速发展，网络使得在模具行业应用虚拟设计、敏捷制造技术既有必要，也有可能。

1.4.2快速经济制模技术

为了适应工业生产中多品种、小批量生产的需要，加快模具的制造速度，降低模具生产成本，开发和应用快速经济制模技术越来越受到人们的重视。

具有主要有以下一些技术：

快速原型制造技术、表面成形制模技术、浇铸成形制模技术、冷挤压及超塑性成形制模技术、无模多点成形技术、KEVRON钢带冲裁落料制模技术、模具毛坯快速制造技术等。

1.4.3模具材料及表面处理技术发展迅速

随着产品质量的提高，对模具质量和寿命要求越来越高。

而提高模具质量和寿命最有效的办法就是开发和应用模具新材料及热、表处理新工艺，不断提高使用性能，改善加工性能。

（1）模具新材料

模具工业要上水平，材料应用是关键。

因选材和用材不当，致使模具过早失效，大约占失效模具的45%以上。

冲压模具使用的材料属于冷作模具钢，是应用量大、使用面广、种类最多的模具钢。

主要性能要求为强度、韧性、耐磨性。

（2）热处理、表面处理新工艺

为了提高模具工作表面的耐磨性、硬度和耐蚀性，必须采用热、表处理新技术，尤其是表面处理新技术。

近年来模具表面性能强化技术发展很快，实际应用效果很好。

其中，化学气相沉积、物理气相沉积以及盐浴渗金属的方法是几种发展较快、应用最广的表面涂覆硬化处理的新技术。

它们对提高模具寿命和减少模具昂贵材料的消耗，有着十分重要的意义。

1.4.4模具工业创新理念和先进生产管理模式

随着需求的个性化和制造的全球化、信息化，企业内部和外部环境的变化，以及制造技术的先进化，冲压模具行业的传统生产观念和生产组织方式发生了改变，出现了一些新的技术、生产、管理理念与模式。

具体主要有：

以技术中心向以人为中心转变，强调协同能力，以适应模具单件生产特点的柔性制造技术；创造最佳管理和效益的团队精神，精益生产；由传统的顺序工作方式向并行工作方式的转变，提高快速应变能力的并行工程、虚拟制造及全球敏捷制造、网络制造等新的生产哲理；广泛采用标准件、通用件的分工协作生产模式；适应可持续发展和环保要求的绿色设计与制造等。

1.5设计的主要特点及意义

该设计主要针对汽车发动机油底壳零件的工艺分析以及冲压模具的设计，难点在于它属于汽车覆盖件冲压成型中典型的深拉延模具。

此次设计涉及的知识面广，综合性较强，在巩固大学所学知识的同时，对于提高自己的对思维创新能力、协调能力，以及开阔设计思路的呢过方面提供了一个良好的平台。

第二章发动机油底壳的工艺分析及工艺方案确定

2.1发动机油底壳结构分析及成形工艺方案确定

如图2-1所示为本次发动机油底壳零件的设计图，材料为宝钢产深拉深冷轧钢板st15，料厚3mm，属于汽车覆盖件冲压成型中较为复杂的拉深件。

图2-1发动机油底壳零件尺寸图

Fig2-1Thedimensioneddrawingoftheoilsumpoftheengine

图2-1所示油底壳冲压件外形不规则，由相对复杂的空间曲面构成，此零件主要由直壁、圆角、圆弧面以及旋转弧面组成，形状复杂，因此在确定拉深成形工艺时存在以下难点：

成形高度相对较大，凹模半径较小，外形不规则，拉深过程中各处应力应变情况比较复杂，差别较大，在拉深过程中易出现拉裂及局部起皱的现象。

实践证明，拉深工序及整形工序的合理确定，将直接关系到制件质量和制件成本。

除此之外，由于零件尺寸相对较大，且属于具有台阶的盒形件拉深，在设计拉深模具的时候，无法将其很好的定位，容易出现移位现象。

设计初期，采用UG[2]将发动机油底壳的实体图[3]构造出来，给人以直观的感受，对后续的设计能有直观的理解。

发动机油底壳实体图[4]如下所示：

图2-2发动机油底壳三维图

Fig2-2Graphicmodeloftheoilsumpoftheengine

2.2发动机油底壳成形工艺方案的确定

2.2.1发动机油底壳拉深的特点

从几何形状特点出发，可以认为发动机油底壳是由四个圆角部分和四条直边组成。

其拉深变形可以近似的认为：

圆角部分相当于圆筒形件的拉深，而直边部分相当于弯曲变形。

但是，材料是一块整体，直边部分和圆角部分是联系在一起的，因此，在拉深过程中，两者必然互相牵连。

在平板毛坯上画出方网格[5]，其网格的间距分别为a和b，且a=b。

拉深后，如下图所示，方格发生了变化：

横向间距缩小了，而且越靠近角部缩小越多，即b＞b1＞b2＞b3...，产生压缩变形，纵向间距增大，而且越靠近口部，间距增加越大，即a1＞a2＞a3...＞a，产生拉深变形。

图2-3发动机油底壳拉深时金属流动图图2-4发动机油底壳拉深时应力分布

Fig2-3MetalflowingwhentheoilsumpdrawFig2-4Distributionofstresswhentheoilsumpdraw

由上述可知，直线部分不是单纯的弯曲，因为圆角部分的材料向上流动的同时，还向直边部分流动，故使直边部分的材料受到挤压；同时，与相应圆筒形件相比，减轻了圆角部分材料的压缩变形，减少了切向压应力，因而所需要的拉深力较小。

由此分析，发动机油底壳拉深件有以下特点：

（1）径向拉应力沿工件周边尽管分布不均匀，但平均拉应力与相应的圆筒形件相比要小得多，减少了危险断面拉裂的可能性。

（2）切向压应力

在角部最大，向直边中心逐渐减小，因此，拉深时候的稳定性较好。

（3）油底壳零件的尺寸决定了直边和圆角互相影响的程度。

主要在于拉深次数的确定，其影响程度在下个小节做出具体分析。

2.2.2拉深次数的确定

上述初定的工艺流程，未确定拉深次数，而拉深件的拉深次数的合理确定对制件成型尤为重要。

充分利用材料的塑性，有效避免拉深应力超过材料的强度极限，将能很好的控制成品的质量及成本。

（1）常规计算：

通过对零件的直观分析，零件相当于两部分的盒型零件组合而成。

所以，参考盒形件的工艺计算方法，初步估算油底壳的拉深次数[6]。

在本次设计中，可以将油底壳看成两部分的矩形盒型零件拉深，分为左右两侧，分别计算出其相对圆角半径以及相对高度：

左侧相对高度：

；（2-1）

左侧相对圆角半径：

（2-2）

（2-3）

右侧相对高度：

；（2-4）

右侧相对圆角半径：

（2-5）

（2-6）

式中——左侧面角部圆角半径；——右侧面底部圆角半径；

——左侧盒形件宽度；——右侧盒形件宽度；

——左侧盒形件高度；——右侧盒形件高度。

查阅文献可知，此零件左侧成型在区域

a的盒形件成型，右侧成型在区域

b的盒行件成型，阶梯部位过渡区域成型条件尚可。

根据以往的经验推断，若分两次拉深，成型难度加大，模具易失败，且无法保证成品的质量；并且结合图示经验数据确定一次拉深成型。

（2）利用盒形件拉深的变小程度来确定拉深次数[7]

判定盒形件是否可以一次拉深成形，主要取决于毛坯的变形程度。

如果毛坯的变形程度过大，拉深时传力区毛坯内部的径向拉应力就会超过侧壁材料的强度极限而产生破裂，这时必须采用多工序拉深工艺。

那么，判别能够一次拉深成形盒形件的条件是：

盒形件的拉深系数应大于毛坯传力区在最大拉应力状态下，不产生破裂的盒形件的极限拉深系数。

拉深时，圆角部分的变形程度跟圆筒件拉深类似，采用拉深系数

m=d/D（2-7）

式中d——拉深后的圆筒直径