汽车模具设计

第一章概述1.1现代汽车模具设计1.2汽车模具制造特点覆盖件实例1.1现代汽车模具设计覆盖件的含义：覆盖件主要指覆盖汽车发动机和底盘、构成驾驶室及构成车身的一些零件，如轿车的挡泥板、顶盖、车门外板、发动机盖、水箱盖、行李箱盖、骨架等。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，它既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳的受力零件。覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。覆盖件表面一般都具有装饰性，除考虑好用、好修、好造外，要求美观大方。覆盖件与一般冲压件的区别：材料薄、形状复杂（多为立体曲面），结构尺寸大，尺寸精度高，因此冲压工艺编制、冲模设计、冲模制造工艺都有一些特殊的要求，冲压设计中常把他作为一种特殊类型研究。覆盖件的表示方法由于覆盖件多为复杂的空间曲面，不能用几个视图或剖面就把覆盖件各点的位置和尺寸表达清楚。还必须辅以主模型或直接利用计算机几何造型技术，用解析数学式和坐标数据信息来表示汽车覆盖件的完整形状尺寸，从而进行模具设计和制造。（一）覆盖件图与主模型1.汽车线覆盖件及汽车车身（包括飞机、船体）的图形都是以三组互相正交的直线为基准来绘制的，这三组基准线在汽车制造行业就称为汽车线。(1)水平线常简写为WL。它是以底盘表面为零点。（2）纵线简写为BL。它是以车身中心为零点，向两侧标注。（3）横线简写为TL。它是以前轴（轮）中心为零点。以汽车线为基准绘图，尺寸线较简单，便于表明零件的坐标位置和安装位置，并且由于车身零件在制造过程中常以汽车线为基准，这样使设计、绘图与制造统一。覆盖件的表示方法2.覆盖件图覆盖件图是以汽车线为基准，仅表示一些主要投影关系，标注覆盖件的外轮廊尺寸及某些孔、凸包的特征尺寸的图样。它不能将覆盖件所有相关点的位置都表示出来，否则将使图形繁乱、尺寸线过多而模糊不清，难以使用。3.覆盖件的主模型覆盖件的主模型（简称主模型）是覆盖件图的补充，它能够真正完整地表示覆盖件的立体模型。主模型是按主图板上的投影图和面图做出单个覆盖件内表面形状的立体模型。为了满足制造模具的需要，主模型都是按覆盖件内表面形状来制作的，如要按覆盖件外表面形状来制作主模型，必须特别提出并加注说明。主模型既是制造覆盖件冲模、焊装夹具和检验夹具的标准，又是覆盖件检查、焊装夹具和检验夹具调整的不可缺少的标准样品。一般由容易加工、具有一定硬度和不易变形材料来制造，常用的主模型材料有木材和塑料两类。（二）计算机几何造型（数据模型）随着计算机辅助技术的不断发展，利用几何造型技术来设计和表示汽车覆盖件已成为主流发展趋势，它将逐步取代传统的设计方法和图样。常用的曲面可用曲线生成方法得到，也可用一些拟合、倒圆、修剪、延伸等方法来间接生成曲面。覆盖件特点和要求覆盖件应满足的条件：1.良好的表面质量；2.符合要求的几何尺寸和曲面形状3.要有足够的刚性；4.良好的工艺性。覆盖件主要冲压工序：覆盖件的主要冲压工序有:落料、拉延、校形、修边、切断、翻边、冲孔等。其中最关键的工序是拉延工序。1-发动机罩前支撑板;2-固定框架;3-前群板;4-前框架;5-前翼子板;6-地板总成;7-门槛;8-前门;9-后门;10-车轮挡泥板;11-后翼子板;12-后围板;13-行李舱盖;14-后立柱;15-后围上盖板;16-后窗台板;17-上边梁;18-顶盖;19-中立柱;20-前立柱;21-前围侧板;22-前围板;23-前围上盖板;24-前挡泥板;25-发动机罩;26-门窗框覆盖件的结构特征与成形特点覆盖件的结构特征（如图1.1）分类：按功能和部位分类，可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架件（结构件）三类。外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，内部覆盖件的形状往往更复杂。按成形性质分：深拉深成形（油箱）、胀形拉深成形（翼子板）、浅拉深成形（外门板）、弯曲成形（支架、立柱）、弯曲成形（消音器隔板）。覆盖件的结构特征特征：和一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为空间曲面且曲面间有较高的连接要求、结构尺寸较大、表面质量要求高、刚性好等特点。汽车覆盖件的形状看成是由若干个“基本形状”(或其一部分)组成的。这些“基本形状”有：直壁轴对称形状(包括变异的直壁椭圆形状)、曲面轴对称形状、圆锥体形状及盒形形状等。而每种基本形状都可分解成由法兰形状、轮廓形状、侧壁形状、底部形状组成，图1.1。(a)(b)(c)(d)图1.1覆盖件的基本形状(a)法兰形状；(b)轮廓形状；(c)侧壁形状；(d)底部形状覆盖件的成形特点结构尺寸大；形状复杂；相对厚度小。1.成形工序多：拉深为关键工序；2.拉深是复合成形：常采用一次拉深；3.拉深时变形不均匀：工艺补充、拉深筋；4.大而稳定的压边力：双动压床；5.高强度、高质量、抗腐蚀的钢板；6.覆盖件图样和主模型为依据。（翼子板的多处翻边）图1.2覆盖件拉深过程示意图a)坯料放入；b)压边；c)板料与凸模接触；d)材料拉入；e)压型；f)下止点；g)卸载成形特点1）汽车覆盖件冲压成形时，内部的毛坯不是同时贴模，而是随着冲压过程的进行而逐步贴模。2）成形工序多。覆盖件的冲压工序一般要4～6道工序，多的有近10多道工序。拉深、修边和翻边是最基本的三道工序。3）覆盖件拉深往往不是单纯的拉深，而是拉深、胀形、弯曲等的复合成形。不论形状如何复杂，常采用一次拉深成形。4）拉深时变形不均匀，主要成形障碍是起皱和拉裂。为此，常采用加工艺补充面和拉深筋等控制变形的措施。5）需要较大和较稳定的压边力。所以，广泛采用双动压力机。6）材料多采用如08钢等冲压性能好的钢板，且要求钢板表面质量好、尺寸精度高。7）制定覆盖件的拉深工艺和设计模具时，要以覆盖件图样和主模型为依据。覆盖件的成形分类汽车覆盖件的冲压成形分类以零件上易破裂或起皱部位材料的主要变形方式为依据,并根据成形零件的外形特征、变形量大小、变形特点以及对材料性能的不同要求,可将汽车覆盖件冲压成形分为五类:深拉深成形类、胀形拉深成形类、浅拉深成形类、弯曲成形类和翻边成形类。覆盖件的主要成形障碍及其防止措施由于覆盖件形状复杂，多为非轴对称、非回转体的复杂曲面形状零件，因而决定了拉深时的变形不均匀，所以拉深时的起皱和开裂是主要成形障碍。1.起皱及防皱措施原因：覆盖件的拉深过程中，当板料与凸模刚开始接触，板面内就会产生压应力，随着拉深的进行，当压应力超过允许值时，板料就会失稳起皱(如图1.2)。防皱措施：解决的办法是增加工艺补充材料或设置拉深筋。开裂及防裂措施2.开裂及防裂措施原因：是由于局部拉应力过大造成的，由于局部拉应力过大导致局部大的胀形变形而开裂。位置:开裂主要发生在圆角部位，开裂部位的厚度变薄很大如凸模与坯料的接触面积过小、拉深阻力过大等都有可能导致材料局部胀形变形过大而开裂。防裂措施：为了防止开裂，应从覆盖件的结构、成形工艺以及模具设计多方面采取相应的措施。覆盖件的成形障碍的防止措施(1)覆盖件的结构上，可采取的措施有：各圆角半径最好大一些、曲面形状在拉深方向的实际深度应浅一些、各处深度均匀一些、形状尽量简单且变化尽量平缓一些等。(2)拉深工艺方面，可采取的主要措施有：拉深方向尽量使凸模与坯料的接触面积大、合理的压料面形状和压边力使压料面各部位阻力均匀适度、降低拉延深度、开工艺孔和工艺切口等（如图1.3）。(3)模具设计上可采取设计合理的拉深筋、采用较大的模具圆角、使凸模与凹模间隙合理等措施。工艺方面主要措施图1.3工艺孔和工艺切口1.2汽车模具制造特点覆盖件模具种类1.覆盖件拉深模拉深模的典型结构覆盖件拉深设备有单动压力机和双动压力机，形状复杂的覆盖件必须采用双动压力机拉深。根据设备不同，覆盖件拉深模也可分为单动压力机上覆盖件拉深模和双动压力机上覆盖件拉深模。(如图所示)分别为单动压力机上和双动压力机上覆盖件拉深模的典型结构示意图。单动压力机上覆盖件拉深模双动压力机上覆盖件拉深模2.覆盖件修边模覆盖件修边模就是特殊的冲裁模，与一般冲孔、落料模的主要区别是：所要修边的冲压件形状复杂，模具分离刃口所在的位置可能是任意的空间曲面；冲压件通常存在不同程度的弹性变形；分离过程通常存在较大的侧向压力等。修边模具的结构修边模具的分类覆盖件修边模可分为垂直修边模（图1.4）、水平修边模和倾斜修边模（图1.5）。图1.4垂直修边模1-下模；2-凸模镶块；3-上模；4-凹模镶块；5-卸件器图1.5水平修边模和倾斜修边模1、15-复位弹簧；2-下模；3-、16滑块；4、17-修边凹模；5、12-斜楔；6、13凸模镶块；7-上模；8-卸件器；10-螺钉；9-弹簧；11、14防磨板；18-背靠快3.覆盖件翻边模根据翻边模的结构特点和复杂程度，覆盖件的翻边模可分为以下六种类型。（1）垂直翻边模（2）斜楔翻边模（3）斜楔两面开花翻边模（4）斜楔圆周开花翻边模（5）斜楔两面向外翻边模（6）内外全开花翻边模图1.6窗口插入式翻边凸模扩张结构1、4-斜楔座；2、13-滑板；3、6-斜楔块；5-限位板；7、12-复位弹簧；8、11-滑块；9-翻边凸模；10-翻边凹模图1.7翻边凸模收缩与翻边凹模扩张结构1、15-限位块；2-压块；3、4-斜楔块；5-滑块；6、12-弹簧；7-顶杆；8-翻边凸模；9-压板；10-斜楔；11-翻边凹模；13-活动底板；14-下模座图1.8斜楔两面开花式结构1、7、9-斜楔；2-滑板；3-滑块；4、5、16-弹簧；6-轴销；8-活动翻边凸模；10-键；11-导套；12固定块；13-压件器；14-凸模座；15-定位块；第二章车身件的工艺设计2.1成形性的讨论2.2加工工艺和工序设计2.1成形性的讨论众所周知，形状比较简单制件（圆或方形筒）可以通过计算拉深系数、翻边系数等来判断成形的可能与否，覆盖件的某些局部也可借鉴这些资料。但由于覆盖件往往形状不规则，仅用简单制件的资料判断是不确切的，也是不够的。比较好的方法是参考积累下来的已生产过的类似零件数据来判断，这些数据中最有价值的是根据划圆形网格试验得到的数据。一种比较有效的方法是通过计算延伸率来判断覆盖件能否成形（胀形还是拉深，或者两者的某种组合，见图。具体做法是在制件最深部位以间距50~100mm取若干断面，分别计算延伸率δ（这时不考虑压边圈下凸缘部分材料流入的影响），参照表所列胀形许可值来判断可否用胀形方法成形。若δ大于许可值，采用胀形方法可能使制件破裂，而应采用拉深方法成形。但若相邻断面的δ平均值超过30%或δ的最大值超过40%时，即使采用拉深的方法，允许压边圈下凸缘部分材料流入凸、凹模间，制件局部仍可能破裂。δ=（l1-l)/l100%式中l——成形前坯料断面长度l1——制件断面长度覆盖件胀形判断值表2.2加工工艺和工序设计一.覆盖件冲压成形工艺设计1.确定冲压方向覆盖件的冲压工艺包括拉深、修边、翻边等多道工序，确定冲压方向应从拉深工序开始，然后制定以后各工序的冲压方向。应尽量将各工序的冲压方向设计成一致。(1)拉深方向的选择(a)拉深冲压方向对拉深成形的影响凸模能否进入凹模、对破裂和起皱的影响等。(b)拉深方向选择的原则①保证能将拉深件的所有空间形状（包括棱线、肋条、和鼓包等）一次拉深出来，不应有凸模接触不到的死角或死区。如图a，若选择冲压方向A，则凸模不能全部进入凹模,造成零件右下部的a区成为“死区”,不能成形出所要求的形状。选择冲压方向B后,则可以使凸模全部进人凹模,成形出零件的全部形状。图b)是按拉深件底部的反成形部分最有利干成形面确定的拉深方向,若改变拉深方向则不能保证90°角。图1.9拉深方向确定实例②有利于降低拉深件的深度。拉深深度太深,会增加拉深成形的难度,容易产生破裂、起皱等质量问题；拉深深度太浅,则会使材料在成形过程中得不到较大的塑性变形，覆盖件刚度得不到加强。③尽量使拉深深度差最小。以减小材料流动和变形分布的不均匀性（如图1.10)。图1.10拉深深度与拉深方向④保证凸模开始拉深时与拉深毛坯有良好的接触状态。开始拉深时凸模与拉深毛坯的接触面积要大，接触面应尽量靠近冲模中心图1.11凸模开始拉深时与拉深毛坯的接触状态示意图2.修边方向的确定