汽车覆盖件成形工艺与模具设计(2012)

覆盖件成形工艺与模具设计覆盖件指覆盖汽车、拖拉机的发动机、底盘及构成驾驶室、车身的零件。这类零件具有表面质量要求高，刚性好，轮廓尺寸大，形状复杂等特点。一般要经过落料、成形、整形、修边、冲孔、翻边等多道工序来完成。多数情况下，成形工序是关键。习惯上，人们将这类零件的成形称之为大型覆盖件的拉深。2.1覆盖件成形工艺特点和分类1）工艺特点（1）属复合成形工序除拉深工序外，还包括有胀形、弯曲和翻边等其它工序。某轿车后备舱外板（2）一次成形由复杂空间曲面组成，变形复杂，各处应力很不均匀，要求一次工序完成。某轿车中底板（3）拉深筋（槛）布置表面起伏大，深度不等，曲率小，压料面积相对较小。成形时，材料流动速率不一致。工艺决策时，要合理布置拉深筋或拉深槛。某轿车顶盖板（4）设置工艺补充面无法从原零件图找到完全封闭的压料基准面。所以，工艺补充面的构造是进行覆盖件工艺设计的一个重要方面。某轿车前轮罩（右件）和后轮罩（左件）工艺补充后拉深工序图后轮罩调试制件前轮罩调试制件（5）变形程度调整各部分变形极不均匀，有的部位材料得不到充分的变形，有的部位刚性差，修边工序后，会严重变形。工艺决策时，尽量采取措施，加大该部位变形程度，保证修边后弹性畸变小，刚性好。（6）对材料性能要求高覆盖件局部变形程度大，为保证成形时能经受大的塑性变形，对板料成形性能、金相组织、表面粗糙度和尺寸精度都有非常高的要求。（7）多采用双动压力机覆盖件所需成形力和压边力都较大。生产中一般安排在双动压力机上。双动压机提供的压边力在公称压力60%以上，压边力调整容易。(目前的一种趋势是:用带液压垫的单动压力机来代替双东压力机。）2）覆盖件的分类根据复杂程度和变形特点，覆盖件可分为三类：浅成形件，一般成形件和复杂成形件。各类零件的变形特点列于表1。分类典型零件零件外形特征变形特点浅成形件1）成形深度浅（小于50mm）2）外形较简单匀称3）平的或基本平的底，或是小台阶1）主要靠自身材料的延伸，胀形成分大2）变形、应力均匀，用拉深槛增加材料流动阻力，使材料充分变形3）一般不会破裂表1覆盖件的分类一般成形件1）成形深度较深（小于100mm）2）外形较复杂3）平的或基本平的底，大曲率外凸形底1）靠压边面下毛坯向内流动来补充，拉深成分较大2）变形、应力较均匀，塑性变形程度较大3）一般不会破裂复杂成形件1）成形深度大于100mm2）外形复杂不对称3）有外凸或者内凹的底，或大台阶底1）既靠压边面下材料补充，又靠材料延伸，拉深和胀形成分均大2）应力、变形很不均匀，大部分区域已经充分变形，接近成形极限3）容易产生破裂2.2覆盖件成形工艺性成功的产品必须同时满足市场与生产制造要求，而从生产和市场不同视角看，关注产品焦点有所不同。产品市场与生产视角的关系现代汽车车身艺术造型注重款式，趋于曲线急剧过渡，棱角清晰，线条分明和流线型，以适应高速行驶和个性化要求。这样往往会忽视对零件成形工艺性的要求，成形时容易起皱或破裂，给模具制造和维修带来困难。故车身创新设计时应考虑零件成形工艺性。做到市场视角与生产视角完美结合。1)覆盖件的分块根据冲压工艺性和组件装配工艺性及外型美观等要求，统筹考虑将定型车身进行剖分。分块时需考虑以下几个方面。(1)满足成形工艺性要求工艺性及成形难易程度是考虑如何分块的首要因素，覆盖件的分块应满足材料的变形规律。(2)分块大小要适当分块太小，会给组件的装配带来困难，也会影响整体车型的美观；分块太大，会增加成形的难度。(3)分块线应合理分块线应与外部造型线相适应；应避免在圆弧面上；分界面相邻分块应有相近材料厚度和钢号，以保证焊接质量。汽车车身设计流程概念设计高层行政决策人员总工程师外形设计工美设计人员1：3或1：5油泥模型或者数字模型1：1油泥模型或者数字模型空气动力学专家工艺设计阶段（分块）结构设计专家2）覆盖件的形状覆盖件由复杂曲面组成，用平面图形表达不清楚。传统除用坐标网标注外，还需用立体模型（主模型），通过两者互为补充，互为说明才能使设计者的意图全部表达出来。近年来，商品化软件如CATIA、UG、Pro/E等具有强大曲面造型功能,为复杂形状表述和三维主模型建立提供了方便。从工艺性观点出发，对覆盖件形状分析应考虑以下几个方面。（1）覆盖件的深度非零件深度，而是考虑了工艺补充部分以后，冲压件在模具中沿成形方向的实际深度。深度愈深，变形程度愈大，愈接近成形极限。深度太浅如外门板得不到充分变形，易起皱，回弹大且刚性不足。（2）覆盖件底部形状平和基本平的(图a)；外凸的(图b)；大台阶的(图c)；内凹的(图d)四种。其中,平缓外凸形对成形有利；深度浅的零件成形条件并不理想；大台阶成形条件更差些；内凹形是成形条件最差的。a）平的或基本平的底；b）外凸形底；c）大台阶形底；d）内凹形底覆盖件底部形状的类型（3）翻边形状作用:加强零件的刚性;冲孔连接其它零件;用于焊接装配。直线翻边问题不大。内凹翻边与内孔翻边相似，材料受拉容易破裂（图L2区段），外凸翻边与拉深相似，材料受压易起皱（图L1区段）。降低翻边高度或增大曲率半径，可避免拉裂或起皱。覆盖件的翻边形状（4）覆盖件的局部形状主要结构面上布置了各种形状筋、装饰棱线、标记和凸凹平台，其成形属胀形变形。凸凹方向对成形有较大影响。此类形状往往要求圆角小，压出印痕又深，有时由于局部变薄严重会产生橘皮状粗糙表面，甚至会开裂。根据局部成形的不同形状，应使其满足表2所列条件。成形名称简图数据平台40atR2tR31表2不同形状的局部成形尺寸t=0.9~1.5mm棱线压字压花455.2~24~3trth455.145.1trtbth加强筋tRtRtr3105306013）对原材料的要求（1）材料的化学成分及其分布含碳量应介于0.06～0.09％范围。（2）均匀而细小的晶粒组织钢板晶粒度6～7级，晶粒度均匀。（3）珠光体的形状以球状为宜材质差产生的废品，裂口多半为锯齿状或不规则形状；工艺问题产生的废品，裂口比较整齐。（4）材料力学性能σs/σb小,n值、γ值大的材料对成形有利。（5）表面质量(Ⅰ、Ⅱ组)和厚度偏差(A、B级)4）覆盖件成形工艺要素（1）成形方向选定成形方向，就是确定工件在模具中三向坐标(x,y,z)位置。合理方向应满足如下原则。a.避免集中变形使材料均匀流动如图a所示,两侧包容角尽可能做到一致；如图b所示,凸模表面同时接触毛坯点多且分散，分布均匀；如图c所示,凸模与毛坯为点接触时，应适当增大接触面积，避免集中变形造成局部破裂。凸模与毛坯接触状态b.保证凸模与成形部位完全贴合需要成形部位在一次成形中完成，没有凸模接触不到的死区。c.减小成形深度，使深度变化平缓（2）分型面如图所示,分型面有两种：平面结构和曲面结构。前者深度悬殊大，坯料不易均匀进入凹模；后者可降低成形深度，材料流动速度较一致。生产中，曲面结构较为普遍。1—平面结构；2—曲面结构；3—零件本体，虚线以外为工艺补充面部分分型面的形式（3）压边面有两种情况：由制件本体部分构成；由制件本体部分加上工艺补充部分构成。区别在于：前者在修边后保留下来，后者在修边后被切除。确定压边面时应遵循如下一些基本原则：a.平面、单曲面或曲率很小双曲面a）单曲面；b）双曲面合理的压边面形状b.压边面与凸模保持一定几何关系为保证成形时毛坯处于张紧状态，能平稳紧贴凸模。如图，压边面与成形凸模的形状必须满足关系LL1；αβ。L-凸模展开长度；L1-压边面展开长度压边面与拉深凸模的几何关系c.合理选择压边面与成形方向相对位置如图a,最有利位置是水平位置；如图b，相对于水平面由上向下倾斜的压边面，α不太大，也是允许的；图c的倾角是不恰当的。a）水平位置压边面b)α≤40º～50º的倾斜压边面c）由下向上倾斜的压边面。1—压边圈；2—凹模；3—凸模压边面与拉深方向的相对位置d.压边面形状使毛坯定位稳定、可靠和送料取件方便e.应尽量减小工艺补充面，降低材料消耗（4）工艺补充面因工艺需要补充的部分称为工艺补充面。工艺补充面应考虑以下几方面的要求：a.利用零件原有封闭侧壁面使原有的封闭侧壁面成为补充完整后成形零件的侧壁面或补充的基准部分。b.与零件原有型面过渡圆润、自然，不能有尖角。c.要尽量减少，力求简洁一方面为了节料；再则避免给模具制造造成困难或造成局部变形程度过大，成形时产生“橘皮”现象或破裂。d.便于后续工序定位覆盖件高度较低，曲面过渡圆滑、平坦，后续工序定位是较难解决的问题，一般在工艺补充部分增加台阶，或设置定位孔。e.尽量使零件各部分变形均匀为使各部位变形充分、均匀，在靠变形程度小的部位工艺补充型面上，增加成形台阶、平台，这样也可增加零件成形后的刚度。f.将修边线安排在垂直于冲压方向的型面上避免修边线与冲压方向平行。否则，修边模要采用斜楔，增加模具费用。常用的工艺补充面构造方式（5）拉深筋(槛)a.拉深筋（槛）作用增加进料阻力；调节材料流动；扩大压边力调节范围；降低压边面加工精度要求；纠正材料不平整缺陷；控制各成形工序所占比例。b.拉深筋种类及应用拉深筋剖面呈半圆弧形状,一般装在压边圈上，凹模开出相应的槽。结构如图(Ⅰ)；拉深槛的剖面呈梯形，安装在凹模入口。流动阻力比拉深筋大，用于成形深度浅而外形平滑零件，可减少压边圈下法兰宽度及毛坯尺寸。结构如图(Ⅱ)。Ⅰ）拉深筋Ⅱ）拉深槛拉深筋（槛）结构型式c.拉深筋的布置拉深筋数目及位置视零件外形、起伏特点及成形深度而定。布置原则见表3。按凹模口几何形状的不同，布置方法见图以及表4。筋条位置要保证与毛坯流动方向垂直。序号要求布置原则1增加进料阻力，提高材料变形程度放整圈的或间断的一条拉深槛或1～3条拉深筋2增加径向拉应力，降低切向压应力，防止毛坯起皱在容易起皱的部位设置局部短筋3调整进料阻力和进料量，控制各部位材料的流速及各工序在复合成形中所占的比例1）深度大的直线部位，放1～3条拉深筋2）深度大圆弧部位不放拉深筋3）深度相差较大时，在深部位不设拉深筋，浅的部位设置表3拉深筋的布置原则凹模口的形状及拉深筋的布置方法位置序号形状要求布置方法1大外凸圆弧补充变形阻力不足设置一条长筋2大内凹圆弧1）补偿变形阻力不足2）避免成形时，材料从相邻两侧凸圆弧部位挤过来而形成皱纹设置一条长筋和两条短筋3小外凸圆弧流动阻力大，应让材料有可能向直线区段流动1）不设拉深筋2）相邻筋的位置应与凸圆弧保持夹角关系表4按凹模口形状布置拉深筋的方法位置序号形状要求布置方法4小内凹圆弧将两相邻侧面挤过来的多余材料延展开，保证压边面下的毛坯处于良好状态1）沿凹模口不设筋2）在离凹模口较远处设置两条短筋5直线补偿变形阻力不足，控制材料流速根据直线长短设置1～3条拉深筋（长则多设，并呈塔形分布；短则少设）（6）工艺切口a.工艺切口的作用零件中间冲深度较大局部突起或鼓包时，不能从外部得到材料补充而导致零件局部破裂。这时，可在局部突起变形区适当部位冲出工艺切口，使易破裂区域从内部得到材料补充。b.工艺切口的条件在易破裂区域附近设置，而这个切口又必须处于成形件修边线以外，以便切除后不影响零件形体，如图所示。a）上后围成形部位工艺切口布置b）内门板成形部位工艺切口布置工艺切口布置图外门板（7）定位形式制定成形工艺时，要为后续工序设计定位形式，确保表面不被损伤，获得应有精度。a.外形定位用工件外表面定位，即用凹形定位。b.内型定位用工件内表面定位，即用凸形定位。c.孔定位如图所示。常用的孔定位形式●选定正确的成形方向；●确定合理分型面；●确定合理压边面；●增补符合变形规律的工艺补充面；●设置合适的拉深筋(槛)形状、位置和数量；●开设必要的工艺切口；●为后续工序设计可靠的定位形式。2.3汽车覆盖件模具1）拉深模具的典型结构（1）单动模典型结构下图为单动拉深模，主要由凸模6、凹模1、压边圈5三大件及辅助零件组成。限位螺钉14调整压边圈位置。导板12用于凸模与压边圈导向，导板4用于凹模与压边圈导向。1–凹模；5–压边圈；6–凸模汽车左右车门覆盖件单动拉深模（2）双动模典型