汽车翻边模具技术.docx

1、汽车翻边模具技术汽车翻边模具设计技术编写日期：2013年10月 一、技术概述1.1汽车覆盖件模具的现状汽车覆盖件包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有厚度3mm以下的薄钢板冲压而成的表面和内部零件，其重量占到汽车用钢材总量的50%以上。汽车覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为复杂的空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点。覆盖件模具作为汽车车身生产的重要工艺装备,直接制约着汽车的质量和新车型的开发,它具有精度高、形状复杂、结构尺寸大、配合协调性要求高等特点,传统的手工设计效率低,质量不易保证。据调查统计,近年来我国引进的轿车生产线主要靠进口模具进行生产,其中汽车覆盖件模具每年约花费2 亿美

2、元。汽车覆盖件成形加工生产目前主要依靠传统经验设计来制定冲压工艺、开发相关模具，具有相当大的随意性和不确定性。目前我国已有许多企业采用模具CAD技术，并在计算机自动编程技术上取得了丰富的经验和技巧，使模具精度和生产率大为提高。汽车覆盖件包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有厚度3mm以下的薄钢板冲压而成的表面和内部零件，其重量占到汽车用钢材总量的50%以上。汽车覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为复杂的空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点。覆盖件模具作为汽车车身生产的重要工艺装备,直接制约着汽车的质量和新车型的开发,它具有精度高、形状复杂、结构尺寸大、配合协调性要求高等特点,传统的手工

3、设计效率低,质量不易保证。据调查统计,近年来我国引进的轿车生产线主要靠进口模具进行生产,其中汽车覆盖件模具每年约花费2 亿美元。汽车覆盖件成形加工生产目前主要依靠传统经验设计来制定冲压工艺、开发相关模具，具有相当大的随意性和不确定性。目前我国已有许多企业采用模具CAD技术，并在计算机自动编程技术上取得了丰富的经验和技巧，使模具精度和生产率大为提高。以从美国Autodesk公司引进的AutoCAD为代表的一批绘图软件正在模具行业中逐渐普及，计算机绘图正在逐步取代手工绘图。国内的一批大、中型企业（以汽车和家电行业为主），陆续从国外引进了相当数量的CAD系统，并配置了一些设计、分析的专用软件，取得了

4、明显的经济效益。但是，由于多方面的原因，现在仍有许多企业还停留在手工设计模具的阶段，尽管有些单位已经甩掉了图板，实现了无图纸设计，其模具CAD工作的相当部分也只是用计算机画图（Computer Aided Draft）和进行二维设计，只有极个别企业的汽车模具设计和制造能力接近国际先进水平。1989年，成都成飞汽车模具中心采用国外的CAD/CAM技术、数控加工与数控测量技术，以数字传递为主，成功地设计制造了依维柯汽车车身全套外主模型。 此外，尽管国内一些拥有自主版权的软件，如上海交大国家模具CAD工程研究中心开发的冷冲模CAD系统、武汉华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的塑料注射模CAD/C

5、AE/CAM系统HSC2.0和北京航空航天大学华正模具研究所开发的CAD/CAM系统CAXA等，解决了生产中的一些问题，但还没有得到很好的推广和使用。 目前欧美推出一种新车型需要48个月，日本则只需30个月。我国在对汽车新车型，尤其是轿车车型的开发设计技术方面比较落后，其中一个重要的原因就是覆盖件模具的设计效率低。国内传统的模具设计方法已适应不了汽车工业的发展需要，而引进国外的覆盖件模具产品不仅要花费大量的外汇，而且会严重阻碍汽车产品的更新换代。要解决上述问题，就必须研究开发我国自己的模具CAD技术。同时引进国外先进的通用造型软件进行二次开发无疑是一种必要而又有效的手段。1.2 汽车覆盖件模具

6、的发展趋势模具技术是制造业中发展最快的技术之一，其特点是数量很大，批量极小，换代非常快。从理论上说，它是CAD技术最能发挥优越性的领域。目前在模具CAD技术的发展方面存在着以下几种趋势： 1、模具CAD的参数化 参数化造型方法是CAD技术中较先进的造型方法，也是提高CAD工作效率的有效手段。它是针对各种冲压模具总体结构一般均具有较规范形式的特点，为各个零件的基本尺寸建立相应的参变量，在实际的几何和拓扑的基础上建立各零件要素之间的相互关系。当由于模具结构不同而导致模具零件尺寸发生变化时，改变参数文件中有关变量的取值，则与之相关的零件模型中的相应尺寸标注值亦发生变化，通过尺寸驱动模块处理后即可生成

7、大小符合实际尺寸标注的零件。 2、模具CAD的智能化 冲压件模具设计的难度主要表现在设计理论的不完备性以及只能意会而难以言传的专家经验表达和利用上。同手工设计一样，在利用通用CAD软件(包括新型集成化CAD软件)进行覆盖件模具设计时，在很大程度上必须依赖于模具专家的干预。为了实现模具结构设计的自动化，减少对模具专家的依赖性，必须开发专用的汽车覆盖件模具结构设计智能化软件，把总结出来的以往设计、制造中的成功经验应用到模具设计中去，形成计算机里的知识库和智能库，生成专家系统，从而使CAD系统能够胜任模具设计专家的工作，设计出符合要求的汽车覆盖件模具，这也就是所谓的模具CAD的智能化。 智能CAD以

8、人类思维的认识理论为基础，将设计人员擅长的逻辑判断、综合推理、形象思维能力与计算机的高速、精确计算能力相结合，从而使CAD系统能够胜任模具设计专家的工作，设计出符合要求的冲压件模具。 3、模具CAD的一体化 模具CAD的一体化就是从传统的设计方式向CAD/CAE/CAM一体化方向发展。模具设计过程是一个信息处理、交换流通和管理的过程，采用弹塑性大变形有限元模拟技术可以分析材料的塑性成形过程，提高工艺分析和模具CAD/CAM系统的功能，有利于创造更高级的CAD/CAM系统，因而，CAD/CAE /CAM一体化能够对设计和制造过程中信息的产生、转换、存储、流通管理进行分析和控制，将它们有机地“集成

9、”在一起，这样有利于取得最佳效益。 4、模具CAD的专业化 未来的模具CAD将走向更加专业化的道路。一些通用的软件由于其功能繁多，专业性较差，已不能满足大型模具CAD的需要。更好的方法是软件公司与专业模具厂密切合作，开发专用性很强的模具CAD软件，如美国PTC软件公司与日本TOYOTA汽车公司在PRO/E软件基础上开发的模具型面设计模块PRO/DIEFACE等，这也是模具CAD的一个发展方向。对于国内的模具厂家来说，在引进国外先进CAD软件(如UG、Pro/E等)的基础上，利用二次开发技术，针对本部门产品的特点，开发专用的模具CAD系统是一条可行和经济之路。从现在来看，以后的模具加工会往自动化

10、、智能化、专业化发展，由计算机辅助制图，再运用数控加工的一个过程已成为必然。哪个国家或企业能掌握最为先进的CAD技术，那它就能成为模具行业的领头人。我国目前模具CAD的成果并不十分显著，尤其是在汽车覆盖件模具CAD技术应用方面，这项技术的巨大潜力还未充分发挥出来，解决这个问题的关键就是要提高模具的设计效率，这需要我们努力去改善它。1.3 翻边模具类型根据翻边凸模或翻边凹模的运动方向及其特点，翻边模主要有以下几类：）垂直翻边模。凸模或凹模作垂直方向运动，其结构简单。）凹模单面向内作水平或倾斜方向运动的斜楔翻边模。翻边后制件能够取出，因此凸模是整体的。）凹模对称的两面向外作水平或倾斜方向运动的斜楔

11、翻边模。翻边后制件能够取出。）凹模对称的两面向内作水平或倾斜方向运动的斜楔模。翻遍后制件包在凸模上，无法取出，必须将凸模做成活动可分的，翻边时将凸模扩张成翻边翻边形状。这类冲模的结构比较复杂。）凹模三面或封闭向内作水平或倾斜方向运动的翻边模。翻边之后制件包在凸模上，无法取出，必须将凸模做成活动可分的，翻边时将凸模扩张成翻边形状。这类冲模的结构就更复杂。）覆盖件窗口封闭向外翻边的斜楔翻边模。翻边后制件包在凸模上，无法取出。必须将凸模做成活动可分的，翻边时缩小成翻边形状，而翻边凹模是扩张向外翻边的。这类翻边模是最复杂的。二、系统功能2.1 对工件的数学建模图2-1车模的点云图对汽车泥模用三坐标扫描

12、仪进行扫描，得到车模的点云文件，运用CATIA软件的数字外形编辑器模块对点云文件进行过滤，减少铺面时的计算量。图2-2 对点云文件的过滤对所得的过滤点云文件进行铺面，得到实体车模。图2-3 铺面运用所截取的平面，绘制虚线，并设定曲率，以保证得到的模型的圆滑度。图2-4 截取平面图2-5 绘制虚线将虚线转变为实线，运用多截面曲面创建实际曲面。图2-6 转变为实线将得到的工件修整，得到工件造型，与实际工件的比列为1：10图2-7 工件图2. 2翻边工艺分析图2-8 翻边工艺设定 该工件采用3面垂直翻边，一面斜楔翻边，一步实现翻边，此零件满足后道工序同内覆盖件的装配，且起模可实现性得到确认。由于从两

13、套模具转入一套模具，自动化和设备利用率得到了提高，生产效率也得到提高。从图中看，有三条相接的外延翻边必须翻折。这三条边处于同一水平面上，这个平面是发动机罩装配时与车身的贴合面，因此要求三条边翻折后仍然要在同一水平面，三条边本身翻折要做到平滑、顺畅，并且没有波状起伏。这样才能保证发动机罩装车时能够均与贴合。三条外延边相互衔接处是圆弧过渡的，在圆弧外延翻边向内翻折必然会带来材料的堆积问题，处理不好必然会在弯角处出现材料褶皱。同时，根据车身装配工艺技术要求，在弯角处要安装一些小零件，要求弯角处要做的基本平滑，尽量避免褶皱。由于发动机罩安装在车身驾驶室的前方，为了保证整车的外观造型，三条外延边的翻折线

14、必须做的平直流畅，棱角分明。发动机罩的冲压成型面在外延实施翻边的过程中不允许有任何变形机损伤。平面外缘翻边根据翻边性质不同，平面外缘翻边分内凹曲线和外凸曲线的翻边两种，如图2-9。当翻边轮廓曲线变为直线时，就成为弯曲变形。 图2-9 平面外缘翻边 图2-10 内凹曲线翻边内凹曲线翻边 内凹曲线的翻边与孔的翻边类似，凸缘内产生拉应力而易于破裂，属于伸长类翻边。其翻边系数可由下式确定K=当翻边曲线的夹角150时，可按圆孔翻边确定坯料尺寸。当15060 时，为了得到一致的翻边高度，已不能按曲率半径确定坯料尺寸。实验表明，随着翻边系数的减小，曲率半径及角度增大，此时需对坯料进行修正。外缘曲线翻边 外凸

15、曲线的翻边变形类似于不用压边圈的浅拉伸，在翻边的凸缘内产生压应力，易于起皱，属于压缩类翻边。其应变分布及大小决定于工件的形状。翻边系数拥下式表示K=R为坯料曲率半径，r为翻边线的曲率半径伸长类翻边的设计原则：（1）翻边后零件的形状决定于凸模尺寸，所以凸模曲率半径Rp与圆角半径rp应等于零件的相应尺寸；（2）为防止坯料侧壁起皱，提高零件质量，应取凸、凹模单边间隙值等于或略小于料厚。同时应使凹模与模座之间固定可靠以保证间隙不变；（3）当凹模曲率半径大于凸模曲率半径时，可有效地降低圆弧部分切向应变的数值；(4)要注意冲压方向。对于对称零件，应使坯料或零件的对称轴线与凸模轴线重合。对于不对称的零件，应

16、使成形后的零件在模具中的位置保证两边直线部分与凸模轴线所成的角度相同，如果不相同，则可能出现侧变力。压缩类翻边设计原则：（1）零件的形状决定于凸模尺寸。因此应使凸模尺寸于相应的零件尺寸相等；（2）凹模曲率半径尽管于零件形状无关，但对坯料的变形有一定的影响；模具应保证一定的刚度，以防止模具间出现间隙（3）模具设计的过程中也应注意冲压方向。确认典型零件后以下是对发动机罩板模具机构的一系列结构设计。2.3翻边模具结构设计2.3.1翻边模具的扩张机构首先必须确定发动机罩翻边时的工作状态以及翻边后如何方便取出，考虑到内支撑块工作时将受到机罩翻边工作状态的影响和翻边发动机罩自翻边总成油缸的巨大推力，我们设

17、计了可自锁的开花机构。图2-11 翻边扩张覆盖件向内的翻边一般都是沿着覆盖件的轮廓，翻边加工结束后翻边件包在凸模上无法取出，必须将凸模做成互动可分的。在压力机滑块行程向下翻边以前，利用斜楔的作用将缩着的翻边凸模扩张成翻边状态后即停止工作，在压力机滑块继续向下时翻边凹模开始翻边。翻边以后凹模在上模的带动下回程，然后翻边凸模在弹簧的作用下复位，取出翻边件。翻边机构的扩张行程以能够取出翻边件为准，这种机构称为翻边凸模的扩张机构，俗称翻边凸模开花机构。2.3.2翻边件的摆放位置和定位方式通常汽车覆盖件翻边成形时，修边件多数是水平放置的。对于水平或倾斜方向的翻边，修边件通常是开口朝下放在翻边模上，这样可

18、以在翻边模上很容易布置斜楔机构。在垂直翻边中，通常用修边件的侧壁、外形和本身孔定位。在斜楔翻边模中，通常使用修边件的内侧壁初定位，然后靠压料板将修边件压紧在翻边凸模上，再进行翻边。如果修边件上本身有孔，则用自身孔来定位。针对此原则，考虑到车型本身以及模具结构，故选用修边件水平放置，修边件开口朝下，靠型面初定位，然后用压料板将翻边件压紧在凸模上的方式来定位。图2-12 翻边定位2.3.3翻边时的压料拉伸工艺中的压料主要是为了改善毛坯的变形条件，而翻边工序中的压料主要是为了使修边件在翻边过程中不产生位置的移动，拉伸时是在毛坯的外部压料，压料圈的下表面型面要和凹模上表面压料面相一致；而翻边时是在修边

19、件的内部型面上压料，压料板的型面要和修边件的相应部位型面相一致。考虑压料的稳定性和降低成本，压料的压料部分一般靠近翻边轮廓部位和中间的几条压料带，而不是整个修边件上压料。所以压料板的压料部位要按工艺模型研配，不压料的部位可以不加工甚至挖空。图2-13 翻边压料2.3.4翻边模的导向导向零件是汽车覆盖件冲模的重要零件，对模具的精度、覆盖件的精度、模具的寿命都有很大影响。由于汽车覆盖件一般不是轴对称的，在左右方向或前后方向也不是对称的形状，冲压过程中必然存在侧向力，有的情况下这种侧向力还是很大的，所以，要求冲模的导向必须能承受较大的侧向力。根据加工内容的不同，模具对导向精度和导向刚度的要求也不同，

20、模具的导向形式也不同。单动拉深模和双动拉深模的导向方式也不同。由于导柱、导套的导向方式所能承受的侧向力有限，只在侧向力较小的零件和工序中采用汽车覆盖件冲模中还经常采用导板导向、导块导向、背靠块导向及组合导向等导向方式。根据翻边过程中的翻边力的大小和侧向力的大小，翻边模的导向可选用导柱导套导向、导板导向、导块导向等多种导向方式。当修边件不太大时，侧向力较小时，可选用两个或四个导柱导套导向。若翻边时的侧向力较大，选用导块导向或背靠块导向，还可以辅以导柱导向。本次设计中的导向方式选择导柱导套导向，结构简单，制造方便。图2-14 翻边模导向2.3.5翻边模的出件制件包在翻边凸模上，退料时需要需要推动翻

21、起的竖边，因此必须各处同时退，否则会造成退料后制件的变形。当制件厚度较小时，还需要在凸模上增加顶出机构。用斜楔模进行翻边时，若翻边件形成向内包容的空间性则必须考虑零件从模具中的取出问题，在模具中设计退件机构。在斜楔模中常用的退件机构有：用气缸直接退件器；退件器与活动定位装置连接在气缸上，顶出制件；退件器固定在活动定位装置上，退出制件；使用双斜楔进行退件。本次设计采用凸模自锁机构退件器与活动定位装置连接在气缸上，顶出制件。图2-15 顶出装置2.3.6 设备的选择选择翻边冲压设备时，首先选择设备的台面尺寸。因为翻边时所需要的翻边力相对不太大，一般只要设备的台面尺寸能够安装模具，设备的能力就能满足

22、翻边要求,可以不进行翻边力的计算。由于此模具采用斜楔机构，故在保证型面尺寸小于台面尺寸的前提下，压力机完全满足冲边力的大小。以下是此模具选用的压床参数：1 压床型号E4S600-MBC2 最大装模高度： 1400 最小装模高度： 700 3 下台面大小： 37002200 上滑块大小： 370022002.4 斜楔机构的设计冲压加工一般为垂直方向，即滑块带动上模作垂直方向的运动，完成加工动作。而当制件的加工方向必须是水平或倾斜方向时，就需要采用通过斜楔机构把滑块的垂直运动改变成模具工作部件的水平方向或倾斜方向的运动的斜楔模。在汽车覆盖件冲压工艺中，斜楔模常用于修边、翻边、切口、弯曲、冲孔等工艺

23、。2.4.1斜楔机构与斜楔图这是一种常见的斜楔机构，它主要由斜楔传动器（简称斜楔）3、斜楔滑块（简称滑块）2、防磨板1、复位组件（4、5、6、7、8、9、10、11）等组成。当斜楔3随上模向下运动时，与滑块2接触并迫使其沿着水平方向向左运动，完成水平方向的加工动作；当斜楔回程向上运动时，滑块在螺栓4、弹簧6等复位部件的作用下沿水平方向向右运动，复位到原来的状态。下图为斜楔机构的运动示意图。图中所示角为斜楔传动器倾角，角为斜楔滑块倾角，角为斜楔滑块运动方向与斜楔传动器竖直运动方向所成的角度。一般来说，根据滑块的运动方向可将斜楔机构分为三种。滑块作水平方向运动的称为水平运动斜楔机构，适用于加工方向

24、为80100，即加工方向为水平方向向上倾斜10和向下倾斜10的范围；滑块作向下倾斜运动的称为正向倾斜斜楔机构（一般80）；滑块向上倾斜运动的称为反向倾斜斜楔机构（一般100105）。反映斜楔与滑块之间运动关系的图称为斜楔图，它是设计斜楔机构的必须基础。图3为斜楔图，图中角为斜楔倾角，角为滑块倾角，角为滑块运动方向与斜楔竖直运动方向所成的角度，S1为斜楔开始与滑块接触运动至下止点的距离，S为滑块行程或滑块移动距离。斜楔图的作法是：首先根据加工工艺确定行程S，并给定斜楔倾角，滑块倾角和滑块移动方向角。然后，取竖直直线XM，在其上去O点，由O点沿滑块移动方向（即与OX成角方向）作直线取OA=S，由A

25、点作OAB=交OX与B点。则B点即为斜楔与滑块开始接触点。斜楔与滑块接触前必须与后挡板预先有不小于25mm的导向量，并由此决定后挡板与斜楔开始导向点C。本次设计的斜楔机构斜楔倾角=55，滑块倾角=60，滑块移动方向角=65，行程S=15mm。图2-16 斜楔行程图上图为此覆盖件的行程图线。一开始导柱开始接触，当其向下行程为110mm，下模的滑块接触并带动凸模扩张机构开始运动，当滑块行程达到30mm时，扩张机构结束，此时凸模镶块达到翻边工作位置。滑块继续下行35mm，此时压料板压料，另一滑块接触斜楔翻边行程开始翻边。上模继续下行，斜楔在滑块的带动下，完成最后15mm的行程的前端翻边，同时其他三面

26、也完成三面垂直翻边。翻边动作完成。随后上模面在压力机的带动下上行，在弹簧的作用下斜楔复位，凸模扩张机构开始收缩复位。此时凸模前端镶块退出翻边件，该翻边件可以顺利取出。2.4.2斜楔受力分析设计斜楔模时，设备的压力、模具的强度和刚度、斜楔机构复位弹簧力等的确定，都必须以斜楔机构的受力分析为基础。斜楔机构完成加工工艺所需的加工压力，主要包括冲压力、卸料力，复位机构的弹簧力等。所谓冲压力是指完成冲压加工所需的工艺力，如冲裁力、弯曲力、成形力等。卸料力是指弹簧卸料板的卸料力或衬垫的出件力等。而斜楔滑块复位机构的弹簧力是指复位弹簧和辅助复位橡皮等的压缩力。因此加工力是根据加工工艺的要求及具体结构确定的，

27、是斜楔机构设计及选择设备等的重要依据。图2-17 水平斜楔机构1、此水平斜楔机构用于该翻边覆盖件凸模扩张机构。下面对其进行受力分析。斜楔与滑块间的垂直力分力Fpe滑块与下模座间的垂直分力Fp斜楔力Ft斜楔与后挡板间的正压力Fg=FFpe=F/cos，Fp=Ftan，Ft= Fp= Ftan由已知压力机Ft=8000N，=45，求得Ft= Fp=6000N，F=F/tan=6000/tan45=8000N该压力等同于压力机Ft克服凸块自身重力推动分离凸块到达工作位置符合要求根据翻边模实验测得，板与内板沿周边压实，所需线大约为120kg/cm，而发动机罩翻边仅需将其外延向内腔翻折150左右，大约为

28、70kg/cm。由发动机罩零件图可知，需要翻折的三条边有两条是对称的，长约930mm，另外一条长约1000mm，对于930mm长的边，所需翻边力为93c*70kg/cm=6150kg；对于1000mm长的边，所需的翻边力为100*70/cm=7000kg；6150，7000压力机Ft=8000，所以外延三边垂直翻边符合要求。图2-18 正向斜楔机构正向斜楔机构的计算向下倾斜运动的斜楔，滑块运动方向与水平线间的夹角为90，正向倾斜斜楔机构的斜楔与滑块的受力图如图所示。由图中的几何关系可得作用于斜楔及滑块上的各分力:此正向倾斜斜楔机构用于该翻边覆盖件前端斜向翻边。下面是对该翻边覆盖件进行的受力分析斜楔与滑块门的垂直分力Fpe滑块与下模座间的垂直分力Fp斜楔力Ft斜楔与后挡块的正压力Fg由已知 Ft=6000N，=45，=15Fpe=F/cos(-)Fp=Ftg(-)Fg=Fcos/cos(-)Ft=Fpesin=Fsin/cos(-)F=Ftcos(-)/sin=7349N前端边长约1000mm，对于1000mm长的边，用上面的算法得到：100*70=7000N凸。2.5.2镶件的分块镶块分块原则：1）小圆弧部分单独作为一块，结合面距切点5-10mm。大圆弧、长直