汽车纵梁的冲压工艺制定和模具设计毕业设计说明书

汽车纵梁的冲压工艺制定和模具设计毕业设计说明书内容摘要：

；设计技术的普遍应用，如多种设计软件，分析模拟仿真，加工仿真等都给模具设计提供了一体化的解决方案，极大地提高了模具设计的效率；标准件的使用越来越精细化、集成化，模具结构简单化但兼顾生产要求等。 计算机辅助设计对模具制造业的影响是巨大的，随着各种电脑技术的飞速发展，这种转变必将越来越深。 虽然模具总体呈现以上所描述的趋势发展，但是反观国内的汽车模具制造业，仍有不少的技术是参考国外的，设计规范也进本参考国外的标准，对于计算机辅助设计这一方面，虽然有所普及，但是应用的根基还是不深，从业人员对软件运用不熟悉、设备传统老旧，极少拥有自主知识产权的加工设备等等方面的因素，都变成了我国汽车覆盖件模具发展的瓶颈，制约着行业的转型。 因此，我国的模具制造技术与国外相比较，差距还是非常大的。 汽车模具发展的关键问题 针对以上出现的情况，归纳出如今我国汽车模具行业发展面临的几个关键问题。 首先，模具的自动化加工是大势所趋，国内的加工装备自动化远低于国外的同等水平，这一方面要求我 们必须要加大力度去研发同类产品，提高装备质量，模具加工能做到 “自给自足 ”，第一章 绪论 3 不依赖于进口的设备；其次，仿真技术的应用和发展已经成为如今模具设计的必要借助手段，有了前期的仿真和分析，模具设计的问题点就会有所减少，模具的质量也会显著提高；然后，车身的分块尽量少，采用尽量大的合理的分块，如采用整块式的车身左右侧板和车顶盖，这样可以减少模具的数量，提高生产效率；最后，减少冲压工序数，这样就可以减少冲压件数，减少工艺装备数量和设备占地面积，简化冲压的传送装置，减少操作工人，这样可以节省投资成本和能源消耗。 除了这些方面， 其他的关键问题如材料选择等都亟需研究解决，这样才有可能迎来我国汽车模具行业的春天。 汽车模具的种类定义概述 生活中，无论是货车的驾驶室，还是高档汽车的车身，都是由覆盖件构成的。 而这里所说的覆盖件，大部分是采用冷冲压加工制造成形的。 与一些钣金类的小型模具相比，汽车模具的体积要大得多，成形这些车身覆盖件的且采用冷压的模具都是汽车模具。 汽车覆盖件简介 汽车覆盖件（以下简称 “覆盖件 ”）指的是汽车车身外表形状的零件，俗称为 “白车身 ”。 或者可以这样认为，是暴露在汽车外表面的钣件。 覆盖件又分为外覆盖件和内覆盖件。 外门板、顶盖、发动机外板、行李箱外板、侧围外板等，这些部件都是暴露在汽车外表面，称为外覆盖件；内门板、发动机内板、行李箱内板、前后挡泥板等，这些部件不暴露在汽车外表面，不能直观地被看见，称为内覆盖件 [6]。 其如图 11 所示。 这些钣件经过焊接之后就形成了汽车的车身。 图 11 捷达轿车的车身壳体 汽车覆盖件在称身不同的部位其作用也不相同，其成形的加工工艺也不尽相同，但制造覆盖件的板材通常要求有以下的特性：强度高、质量轻、成形性能好；具有良好的焊接性能、抗凹陷性、耐腐蚀性，表面光洁，易涂装，材料不污染环境，且可以再生；质量均匀、供应渠道宽、价格合理等 [7]。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 4 汽车模具的种类 拉延模，也叫拉深模，它是将有一定厚度的板材通过模具拉深变成具有一定形状的壳体，这套模具就叫拉延模，如图 12 所示。 按照拉延模的结构形式，可分为单动拉延模和双动拉延模。 单动拉延模（图 12a）的凹模在上方，凸模在下方；双动拉延模（图 12b）的凹模在下方，凸模在上方。 a) 单动拉延模 b) 双动拉延模 图 12 拉延模 修边冲孔模，是拉延成形后的板件按要求进行轮廓修边，将板件没有用的部分剪去，并把板件上的孔用冲头冲出来的一种复合模具。 修边冲孔模可以分为垂直修边冲孔模、水平修边冲孔模以及倾斜修边冲孔模三大类，本课题设计的是垂直修边冲孔模。 其大致结构如图 13 所示。 图 13 修边冲孔模 因为覆盖件上通常会有数量比较多的孔，设计中除了采用单独的冲孔模具之外，常常将一部分的孔合并到修边的工序中，这样就减少了一些工序。 翻边整形模，这类模具主要完成拉延无法成形或者可以成形但后工序无法处理的局部边以及形面，其结 构如图 14 所示。 图 14 翻边整形模 第一章 绪论 5 包括下料模在内的四种类型是汽车覆盖件模具的主要种类。 通常汽车覆盖件的冲压都需要用到以上的几套模具。 本次设计将重点放在拉延模与修边冲孔模两种类型的模具结构设计上。 翻边整形模不做描述。 CATIA 和 AutoCAD 在本次设计中的应用 CATIA 是法国达索开发的一个三维软件，自从问世以来，已经广泛地为世界各地的生产制造商提供了许多解决方案。 在汽车模具设计方面， CATIA 更是以其强大的曲面造型功能、装配功能在设计中独占鳌头，深受设计者的喜爱。 本次设计主要使用软件的曲面造型、零件设计、装配体设计以及工程图设计这几大模块。 先从模具总体的形状出发考虑，绘制出大体的结构，再绘制其他的零部件，然后进行装配，不合适的地方可以很方便的进行修改，并同步更新。 AutoCAD 主要用于二维图的出图，绘制模具的总装配图、以及工作部分的零件图。 第二章首先对冲压的产品板件 ——纵梁进行材质与力学性能方面的分析，提取软件中的数模，对相关的工序内容进行一一列出说明。 之后对需要进行的工序进行编排，并确认，分析要用到的模具的特点，对其大体结构进行构思。 第三章主要是工艺参数的确定，包括拉延力、冲裁力、压料力等的计算，然后对选择的压力机进行校核。 第四章对拉延模作了详细的介绍，包括模具主体部分结构的材料选择，模具常用的导向方式和镶块设计等。 第五章对修边冲孔模的材料、修边刀块以及废料刀的设计也作了说明。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 6 第二章 冲压件工艺分析 产品分析 产品三维图如图 21 所示： 图 21 纵梁三维图 产品为纵梁冲压件，材料 HX260YD，料厚 ，大批量生产。 形状不算太复杂，轮廓形状不规则，不对称，孔位较多，顶部与侧部均有孔位，有凹凸与局部形状突变，拉深成形的变形深度大，但是变形部分分布较均匀。 该板件为左右件，可以以一模两件的方式布排，最后剪断分离。 经过 CATIA 软件对该制件的大致测量，该制件长约 667mm，宽约212mm，高约 120mm，是典型的板材冲压件。 板件的材质是 HX260YD，是欧洲标准的一种钢的牌号。 通过查阅国内的相关标准以及资料，这种钢近似于国内的 HC260YD+Z，是无间隙原子高强度钢，表面镀锌，提高车身耐腐蚀性能。 其化学成分如表 21 所示。 表 21 HX260YD 的化学成分（ %） C Si Mn P S Nb Ti Al max max max max max max max max HX260YD 的屈服强度 260 ~ 320s M P a  ，抗拉强度 380 ~ 440b M P a  ，取420b MPa 。 通过控制钢中的化学成分来改善钢的塑性应变比和应变硬化指数。 查阅相关资料卡，由于钢中元素的固溶强化和无间隙原子的微观结构，这种钢既具有高强度，又具有非常好的冷成型性能，通常用来制作需要深冲压的复杂部件 [8]。 现代汽车的质量越来越轻，因此，汽车制造在选用材料方面也花费了大量的功夫。 这种高强度板就是在低碳钢的基础上采用一些强化方法来获得的，其抗拉强度得到很大的提高，正是因为这种特性，可以在减小厚度的情况下仍然能达到汽车的车身要求，这样便可第二章 冲压件工艺分析 7 以达到减轻汽车车身重量的要求。 冲压模具设计方案的提出与论证 汽车覆盖件的形状比较复杂，不可能一个工序就能冲出合格的产品，通常都要安排几个工序来完成冲压过程。 为了保证板件成形后的质量，尺寸精度等各种要求，必须要制定合理的冲压工艺流程， 如果要想冲压出所需要的产品，那么需要的工序如下： （ 1）下料；（ 2）拉延；（ 3）修边；（ 4）冲孔；（ 5）翻边整形。 根据以上所列出的几种工序，可以组合出以下几种冲压方案： 方案一：下料 → 拉延 → 修边 → 冲孔 → 翻边整形 方案二： 下料 → 拉延 → 冲孔 → 修边 → 翻边整形 方案三：下料 → 拉延 → 修边冲孔 → 翻边整形 对比以上的三种方案，分析每种方案的特点： 方案一：从生产效率和模具结构的以及模具的寿命三个方面来考虑，将修边和冲孔两个工序分开，有利于降低冲裁力，提高模具寿命，但是分为两个工序，会增加一套模具，从而增加模具的成本，而且生产效率略低。 方案二：这个方案的缺点与方案一的相差不大。 方案三：这个方案是将修边和冲孔两个工序合并为一个工序，虽然模具结构比方案一的要复杂一些，但是只需一套模具即可完成，既节省了成本，又提高了效率；在同一套模具上完成两个工序，冲出来的孔位的精度会高一些，避免后工序二次定位。 经过分析与对比，结合模具寿命、模具结构、生产效率、生产 成本等多方面的因素考虑，可以看出方案三比较理想，因此，本课题设计采用方案三进行设计。 产品数模分析 产品数模是接到客户提供的数据模型后，根据一些参数，结合 CAE软件进行工艺分析之后的产品模型，里面包含设计所需要的信息，如板件的形状、模具行程、板件的材质厚度、成形所用的压力机信息等等。 模具结构设计就是根据产品数模来进行的。 拉延模数模 经过对拉延工序的数模（如图 22 所示）进行分析。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 8 图 22 拉延工序数模 结合 CATIA 测量，拉延之前的板料形状轮廓为上图表示的素材线，板料长约 1200mm，宽约 475mm，料厚为 属于尺寸比较大的板件，四周向内凹陷的半圆弧形状为定位板件而设置。 从拉延的特点可以知道，为了不使板料在拉深过程中出现拉裂、起皱等现象，需要添加工艺补充面。 金属的流动量不大，两侧设置拉延筋，平衡材料流动量，减缓材料的流动速度。 收料线为拉伸过程结束后，板件在自然状态下的轮廓线。 分模线是凹模与凸模的分界线，决定凸模和凹模的形状。 数模的压机选用济二 2020T。 修边冲孔数模 从图 23 的分析，结合 CATIA 软件的测量结果，这套模具包括修边与冲孔两个工序，其中，修边有垂直修边与侧修边，有 5 个孔，都是以垂直冲孔（正冲）的形式冲裁出来，同时还设置了 4 处把废料分块的废料刀。 经软件计算，修边线长度总长为 ，冲孔部分长度为 ，废料刀部分的长度总长为 ，综上所述，整套模具的剪切长度为 3 9 3 1 . 0 8 6 7 1 1 . 4 5 9 2 0 9 . 4 4 8 5 1 . 9 4 5L m m m m   。 数模的压机选用济二 1000T。 a）正剪 b）侧剪 图 23 修边冲孔模数模 模具结构特点 根据客户所提出的要求，拉延模具采用双动拉 延。 主体结构大致可以分为上模、压边圈、下模，因为板件材料是高强度钢，因此下 模与压边圈采用镶块结构。 从节省材料成本的角度考虑，下模的型面部分也需采用镶件。 模具采用导柱导向来保证冲压精度。 第二章 冲压件工艺分析 9 修边冲孔模具主体结构可分为上模、上压料以 及下模，压力源采用氮气缸，导向机构也是采用导柱来保证精度。 下模型面部分镶钢 块，冲裁部分采用分刀块形式，设置四处废料刀。 模具上有两处斜楔，一处用于冲孔，另 外一处用于侧剪。 按掉料方向设置，设置六处废料滑槽，将废料排出模具外。 根据汽车模具的制造特点，上模、下模和压边 圈都采用实型铸造制造出来，考虑到生产现场工人安装模具的问题，在不影响模具的 强度和刚度的前提下，对模具上作用不大的部分进行挖空，影响刚度和强度的地方补上加 强筋。 模具外轮廓尺寸都要根据压力机的参数来进行设计。 根 据有关汽车模具的设计知识，模具应该尽量可 能地根据客户要求来选用标准件，因此，在结构设计的时候，应该结合相关的标准 件的形状来设计其安装位置，模具各个部分的部件不可以产生干涉。 本章小结 本章对纵梁进行分析，材料为 HX260YD，其屈服强度 260 ~ 320s M P a  ，抗拉强度380 ~ 440b M P a  ，冲压时一模两件，左右件布置。 经过工序的分析，采用 下料 → 拉延 →修边冲孔 → 翻边整形这一方案，可以有效减少工序，降低模具成本。 数模提供的信息主要有：素材线、收料线、分 模线、模面、修边线、废料刀位置、冲孔位置等。 这些信息是整个模具设计的关键。 模具的结构大概分为三大部分，即上模、下模 和压边圈（压料）。 各个部分的铸件壁厚按照规范设计。 模具结构不产生干涉。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 10 第三章 工艺计算及相关参数的确定 拉延力计算 拉延模成形主压力 1P ： 21 ( ) 2 ( / ) ( ) ( )bP k g f C k g f m m T m m L m m    （ 31） 其中： b ：抗拉强度（ 2/kgf mm ） C ：系数 L ：凸模轮廓线周长（ mm ） T ：板厚（ mm ） 系数 C 的选取参照。