油底壳拉伸成形工艺与模具设计（全套含CAD图纸）
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毕业设计翻译 of an AM 统在汽车冲压模具方面的综合应用 ） 学 生 姓 名： 学 院： 机电工程学院 专业及班级 ： 材料成型及控制工程二班 学 号： 指导教师 ： 统在汽车冲压模具方面的综合应用 内容 摘要 汽车工业出现全球化 和 竞争 激烈化 ， 使得 缩短产品研发时间变得非常重要的。 因此计算机辅助产品的开发在汽车工业方面已经变成一项最重要的技术之一。 根据并行工程的概念，需要建立一个完整的统用于汽车工业冲压模具的发展。 这个基于理论的冲压设计系统是由三维曲面构造 件 件冲压成型分析软件 件 一个产品数据库组成。 这篇论文用一个汽车行李箱后盖的制作作为例子来说明 这个系统的功能，在这个例子里不同的制作阶段将会被同时展示。 这套系统能够大大的降低产品研发时间，提高产品质量，并在相当短的时间内把产品推向市场。 关键词： 综合 并行工程冲压模具汽车拉伸模 1 一、 简介 因为冲压机有竞争性的生产力和好的性能，使得它有相当大的应用潜力，他们已经被广泛的应用在汽车行业。 然而在制造业有三个主要的目标 :改善 产品的质量，减少 研发 成本和缩短研发时间。 为了取得这些目标，我们需要引进新技术。 从制造业的角度来看， 大多数 金属薄片应用的主要要求是有良好的成型性能。 考虑到零件表面变得越来越复杂和锋利，我们需要采取成型性分析去了解他们的冲压性能。 在 1963 年， 入成形极限图概念。他们分析了一个被标记的侵蚀过的圆形网格金属薄片的形状和大小。 从此以后这项技术就被广泛的应用在金属薄片成形分析上。 最近，具有有限元分析法的软件已经用来分析和模拟金属薄片的成型。 陈和刘把圆环网格分析法和成性分析法结合起来定 义了一个最佳表面， 因此在平台平板前墙处就避免了分析缺陷 。 成性分析软件分析了四个冲压零件 挡泥板，汽车行李箱外壳，侧架外 壳和轮胎钢圈 并估计了他们 分析之后的 毛坯几何体，回弹，薄板厚度，残余应力 和常见缺陷。 et 应用人工神经网络，知识系统和有限元分析方法， et 因为冲压结构正在变得越来越复杂和尺寸越来越大，我们必须在 冲压设计中用 实体 模型去避免各种零件之间的大部分潜在影响。 不仅如此，这个实体模型还要能够被用于建立溶解模型和评估结构的易碎截面。 因此，当开发冲压模具时为了编写数控刀具轨迹程序和分析冲压结构压力，使用三维 立实物模型 是 非常 必要的。 于组的设计 以 参数模型技术 处理的方式 在早期阶段去掌握这个内在的不确定因素。 et et +语言编程去创造 机 概念设计 和制造 一个有轨旋压部件在数控中心。 汽车工业的全球化和竞争激烈化使得减少产品研发时间变得非常重要。 现在网络被广泛的应用 。所以， 和互联网的系统，通过这个系统两个不在一起的使用 et 发了一套基于网络协作的系统， 可以用来修剪设计模型和 查看 分析结果。 不仅如此，一套完整的Xu et 成功的减少了研发时间和费用，并提高了产品质量。 P/ 这篇论文阐述了用并行工程设计的一套完整的 、发展汽车冲压模的步伐 模具制造商一旦从汽车厂家接受到一个带有曲面的冲压件，他们将会初始化制造流程（ 如图 1） 。图 1 初始 化制作流程 冲压表面设计是一个运用 角，拉延筋和包边等三维模具表面和运用性能分析软件分析他们冲压成型性能的过程。 考虑到可能存在的缺陷，设计者将会修改这个三维表面直到他们获得一个最佳的冲压表面，这个表面将会被用于设计模具和编制为了加工这个表面的数控程序。 流程图的设计是基于曲面模型来开发模具配置图的过程，这个过程包括找出中心点，寻找应力方向，每个步骤的责任，设计拉拔面，估计闭模高度和标出压力线。 因为汽车模具的尺寸很大，所以他们经常被设计成镶拼的形式为了减 3 轻重量和减少费用。 为了避免 型腔、冲压机、加强筋、功能部件或上下模固定的标准部件和支撑架 之间潜在的干涉，一定要用三维设计软件 设计过程完成之后，设计者将执行动作和三维模型的干扰分析并在发现问题之后进行修改。 除此之外，冲压力是非常大的， 修正和加强结构应该用在通过 结构分析后 觉得必要加强的地方。 模具制造包括 溶解 制造，尺寸制造和模具表面制造。 溶解制造的需要是因为通过模体是镶拼而成的。 设计者找到件三维实体模型所需要的信息之后，将会开发数控道具程序用数控机器进行溶解。 这个模具体将通过溶解模具铸造出来。 模具的尺寸制 造是为了所有的面和孔的精确，例如模具基准平面、定位平面、挡面、装配面、定位孔和定位螺钉 等 。 所有的表面会在接下来 模具表面制造 的工作中完成 。 设计者会用三维 加工刀具轨迹和调整最终刀具轨迹。 除此之外，切削模拟的需要是确保加工过程的可行性。 刀具轨迹被确定以后， 它们将会被转换为数控代码让数控机器进行深加工。 模具被加工并装配好之后，将会在坐标测量机上 测量外形尺寸。 如果没有错误的话，接下来将会进行试模。 如果试模达到所有要求和技术参数时，然后就开始大量生产。 三 、完整的 图 2展示了完整的 这个系统包括一套 套冲压性能分析软件，一套一套 个冲压模具设计知识系统和一个产品数据库。 4 图 2 模具设计图 模具表面设计是一个围绕冲压件表面而设计的多种支撑面的过程。 这个支撑面并不是冲压模具表面的一部分。 因此，模具表面 是由模具制造商来设计的 。 为了确保冲压零件表面和它的支撑表面的一致性，一定要用到专业的表面设计 通常用到的商业软件有被 被 被 汽车零件表面是非常复杂和锋利的。它们的成型性能并不能用以前的经验来预测。 为了确保产品的质量，设计师需要在在设计模具前运用成型性能分析软件分析模具表面。 现在这种软件包括由 汽车冲压模具结构包括穿孔、型腔、加强筋、功能元件和凸轮机构等子结构，这些子结构将会用来改变冲压方向和减少模具尺寸。 这个冲孔表面和模具型腔表面由成千上万个 表面组成。 这些部分也用于设计非常复杂的任务 。 设计者会在设计配置图时用平面图进行说明模具的布置图。 当设计模具时，设计者会用实体建模去构建跟真正模具像是的模型。 此外，设计者会用运动和干涉分析来避免多个零件间的任何潜在干涉。 在此期间 ， 5 结构分析的作用是了解它们的应力和应变。 可以利用的相关软件有由 由于汽车冲压模具结构的复杂性，数控机器必须运用在冲压模具的制造过程中。 因此，还需 要 削模拟。 有很多 些软件包括由 一个冲压设计的基础知识系统结构包括布置图和模具的设计。 布置图的设计包括 表面成型参数的经验公式 ， 例如 板料的厚度、冲裁间隙、圆角半径和弹性回复；材料参数，包括弹性模量、加工硬化指数和各向异性。模具设计包括模具设计步骤、设计准则 和每个组成零件的设计标准和标准件。 整个设计过程的所有信息会被存储在产品数据库中，这个数据库能够在系统 中通过当地的网络被所有的软件 被 使用。 另外，为了让使用者能精确并有效的使用数据，所有详细的信息都被存储在结构数据库中，包括文件名、版本号、日期和格式。 在这个系统中，所有的 1024128这个产品的数据库要以配置有奔腾 3 1024128这个网络连接是一个 1千兆字节的局域网。 在这篇论文 中，我们以汽车行李箱后盖的四分之一作为例子去演示如何开发冲压模具。 我们用 00去构建模具表面的三维表面。 用用 5 具设计、运行和干扰分析和结构分析。 我们用 5 进行刀具轨迹生成和模拟 并获得数控加工程序 。 数控机床通过数控加工程序去制造模具。 同时，基于知识系统的冲压模具设计将被用来辅助配置图的设计和三维模具的设计。 因为所有 们把这种格式作为这些软件 之间和产品数据库之间进行交换的通信格 6 式。 此外，着同一个三维实体模型将被运用到整个模具开发过程中，在这个过程里，不同的开发阶段都会被同时进行。因此研发时间就从根本上得到了降低。 四 、 完整的 图设计 布图设计包括模具表面设计和配置图设计。 配置图设计的过程如图 3。模具表面设计是为了设计冲压零件表面的支撑面。 这个过程的目的是为了提高模具零件表面的成型性能从而避免缺陷的出现。 配置图的设计为了计划和确定研发过程的程序和标准，这是研发模具的基础。最后的设计图将会用适合的尺寸画出。 具表面设计 这个行李箱外壳有一个大的被带有尖角的边包围的平整面。 一般缺陷包括如图 4所示的表面变形、弱的耐冲击性和表面胀形等。 因此模具表面设计在布图设计中是非常重要的。 模具表面设计包括把零件表面用 后模具表面能够在基于知识系统的冲压设计中研发。 模具表面设计如图 5所示 包括附录设计、粘合表面设计和 拉深压力筋设计。 图 3 配置图的设计过程 7 附录的设计主要是通过平衡冲压件横截面用来帮助成型和提高成型性能。同时，附录也被设计用来促进零件 型面折弯前的修正。 粘结的表面习惯于被用作避免模面被拉入型腔前起皱的作用。 一般的，它的形状是通过冲压表面的便宜和拉伸制造而成的。 通过改变拉深压力筋的位置、长度和横截面可以避免 金属薄壁被拉入冲压型腔时 产生 任何缺陷。 由此产生的承压面模型将会通过 这个过程将会确定一个最佳模具表面模型。 8 配置图的设计 配置图的设计是一个用 从汽车制造商获得的零件表面常常用于汽车基础的 坐标和构图 。 为了简化磨具研发的任务，我 们必须把汽车基础的坐标和构图转换为冲压模具基础的坐标和构图。 这个模具中心应该接近于零件的中心。 压力中心应该安排在短的冲压行程和没有冲压阴影出现的地方。 此外， 研发汽车后备箱外壳包括绘图、修边、 打孔和镶边。 这个修边线和废料切刀的数量、位置和长度被设计。最后我们必须 标出冲压合模高度和标出生产压力机型号。 成型性能分析 在配置图设计阶段，我们用 为了确保成型性能分析成功，使用者必须不仅要把模型和实际能影响成型过程的参数导入系统，而且要精确的说明结果和提供 报告书。 这个分析结果江北用来修改模具表面模型并得到一个最佳表面。 在行李 后背箱外壳表面进行成型性能分析时，我们把型腔、孔和坯 料看做是刚体 的。 这个坯料被他们的中性面所代表。 另外， 在这篇论文中所用的例子是相对于面对称的。 为了节省分析时间，我们仅仅分析模型的一半。 这个分析过程如图 6所示。 成型性能分析开始阶段是导入半个模具模型表面的 在 然后这个导入的表面将会用壳单元构建冲压型腔、冲孔处和压力的网格模型。 一个坯料的网格模型也将基于坯料尺寸规格被构建。 相关连的 元素需要被制定在 坯料、绘制型腔、冲孔处和有压力的地方。 此外，等值绘图先和他们的分离必须被指定在弹力调整杆的中心线处。 如图 7是这个模型的模拟图。 9 图 7 模型的模拟图 坯料材料是冷轧钢板。需要被指定的成型参数和材料属性包括钢板厚度（ 钢板和模具之间的摩擦系数（ 质量密度（ 7800kg/,杨氏模量（ 207,屈服强度（ 176,拉伸强度（ 295,各向异性（ R=,加工硬化指数（ n=伸张曲线。 10 拉伸模是一个单一动作的压力模。 在运动仿 真过程中， 我们必须去定义一个运动路线： 上模开始向下移动使得坯料达到布氏硬度， 然后冲压机开始向上移动进行成型这个坯料。 运动的总距离为 000毫米 /秒。分析的结果如图 8所示。 图 8 分析结果 把如图 8所示的展示结果作为一个例子，成型性能分析的指导如下所示： 为了避免拉断，这个产品成型的减薄比例一定要在坯料拉伸比例的 80%之内。 在这个产品形成时不产生断裂或起皱才是正确的。在附录、平面焊接和粘合面处应尽量减少断裂或起皱 。 成型产品的 压力一定要比坯料的屈服强度大是为了确保冲压件有足够的树枝晶强度； 在回火过程中， 坯料指向模具接触的最高点和最低点应该在圆角半径之内，为了避免特征发生模糊。 模具设计 因为汽车车身壳的模具尺寸是非常大的，所以他们需要被设计为镶嵌的结构来减少重量和节约成本。 另外，凸轮结构也被用在冲压模具上，为 11 了产生不同的压力数值从而简化冲压过程和减少成本。 因此这个冲压模具的设计时非常复杂的。 在这篇论文中冲压模具包括拉拔模、切边模和折边模。 一套跟实际产品一致的三维实体模型被用在模具中是为了避免任何干涉并促进设计和修改，这从 根本上降低了设计时间。 前述的模具中每一个设计过程都是基于冲压模具设计系统而生成的程序，如图 9所示。 初始设计：设计者需要收集的最少模具资料包括模具表面、冲压机打开线和模具配置图 。在模具配置图里，我们可以得到坯料尺寸、起模行程、压力机说明书、闭模高度、进料水平、缓冲销行程、冲压机中心、模具中心等等。 框架设计：框架设计重要的任务是 确定这个模具的主体结构，包括上模尺寸、下模尺寸和压力值、模具表面厚度、避免结构、筋的布局和厚度、导板箱的位置和尺寸等等。 功能件的 设计： 功能件 的设计是指支持模具工作的各式各样 的标准件的设计过程。 这些功能 件包括 槽、挂钩等等。 12 标准件的设计：滑板、气压弹簧和弹簧等标准件被用来支持模具正常工作。 这些标准件 有不同的尺寸， 都 可以在市场买到。 与此同时， 框架设计、功能零件设计和标准件的设计都是基于冲压模具设计知识系统的标准和规格。 拉延模设计 拉延模的设计用来 成型零件。 为了获得所期望的形状，我们需要非常大的成型力，所以我们就必须评估它的结构应力。 拉延模具结构包括： 拉冲头、拉伸凹模、加强筋、斜导面、挂钩、定位系统、键槽、 拉伸模 标准件的选择和装配包括 弹簧、螺丝、插脚和导滑板。 如图 10展示了一个三维实体模型的配置图。 图 10 三维实体模型的配置图 切边模的设计 切边摸用于切坯料。 因为废料将会被不可避免的移除，所以我们必须在有必要的地方增加切边刀具。 切边摸的结构包括加强肋、上下模刀具、上下模废料切刀、填补、导向板、挂钩、定位系统、用于上下模固定的键槽和 切边摸标准零件的选择和装配包括弹簧、螺丝、插脚和导滑板。切边摸三维实体建模的设计如图 11所示。 13 图 11 切边摸三维实体建模的设计 翻边模的设计 翻 边模是用来在零件边缘成型一个 90的凸缘。 因为在这个汽车后备箱外壳 除了负载弯曲之外还有 一个 90度的折弯 ，我们需要用一个凸轮机构在零件上完成一个水平的弯曲。 翻边模具的结构包括加强肋、上下模刷子、衬垫、导向板、挂钩、定位系统、用于固定上下模的键槽和 翻边模的标准件的选择和装配包括弹簧、螺丝、插脚和导滑板。 整个的翻边模的设计研发如图 12所示。 图 12 翻边模的模型 14 干涉和结构的分析 模具结构应该有足够的强度和在任何零件之间没有干涉。 实体建模完成之后，设计者应该用 和干涉分析，如图13所示。 执行完分析之后，任何潜在的干涉可以被识别和避免。另外，因为冲压力是非常大的，我们必须在模具上进行一个结构分析。 这个分析用在结构分析中，设计者应用从成性分析和模具边界条件得到的成形力进行确定压力。 如图 14展示了拉伸模压边圈的应力分布。 结构分析的评估标准是模具应力一定要小于模具材料的屈服强度除以安全系数。图 13 干涉分析模拟 图 14 力学分析 15 模具制造 溶解模的制造 因为这篇论文中的冲压模具是通过镶拼制造的，所以必须 用到溶 解模 。因为在镶拼中挤压和扭曲变形并不能被避免，这个溶解模的尺寸应该大于实际模具的尺寸。 例如，因为模具的材料是 解模具的尺寸应该比模具大 作为扭曲变形、额外空间的结果，应该为每一个加工位置留出来一个至少 10制作溶解模的过程是用 数控机床用数控代码加工溶解模具，如图 16所示。 数控机床的应用成功的降低了制造时间的错误率，并提高了模具的质量。 图 16 溶解模具 图 17 拉冲头的刀具轨迹 16 模具尺寸制造 模具尺寸制 造是为了确保参照面和孔的正确。 模具尺寸加工也需要把模具实体模型通过 这个过程产生刀具轨迹和制定基于不同加工类型的刀具类型。 同时， 刀具提升的高度一定要被指定，为了避免跟模具主体产生任何的联系。 用边侧铣刀在垂直方向用整螺距的方法加工这个导向面，这是为了确保 它的精确和平坦。 当刀具轨迹设计完成后，这个 模具表面制造 因为模具表面制造必须在三轴联动的数控机床进行加工，在任何表面都不能产生根切。 为了达到所要求的精度，这个加 工轨迹采用同步加工的方法。 同时，刀具的磨损一定要在精细加工的时候考虑进来。 有必要时刀具应该用自动刀具切换系统替代。 冲压模具表面通过 刀具轨迹设计需要一系列的工具条件被设计，这些条件包括刀具参考点的位置、球面刀尺寸、刀具轨迹表、旋转速度、进给速率和切削节距。 在此期间， 加工程序一定要被鉴定，这些鉴定包括粗加工、精整加工和拐角加工。 如图 17展示了拉冲头的刀具轨迹。 数控机床通过用为了确定刀具轨迹的正确性，一个切削 模拟也应该被执行为了鉴定任何潜在问题。 因为模具表面加工是非常耗时的，所以 图 18所示。 图 18 数控加工过程 17 建立数据库 一个树状结构的数据库被用在我们的这个系统。 这个树结构的根目录是产品和树结构的数值由加工的程序组成。 如图 19所示， 信息可以 通过本地网用产品名字重新取回。 因为 以我们用 配置图的设计可以用 而完成布局设计和冲压模的配置图。 在冲模表面的设计阶段 ， 成这个模具表面设计并输出拉延模表面信息。 当执行成型性能分析时，设计者用 成成型性能分析并起草一份分析报告。 在模具设计阶段，常常用 成三维实体模型的设计、结构分析并执行动作和干涉分析。在最后阶段，我们可能获得一个三维实体模型和得到一个分析结果的报告。在模具制 造阶段用 在这个阶段，设计者执行刀具轨迹的生成和模拟并完成数控代码和数控操作程序。 所有的数据被保存在数据库里。 图 19 取回本地信息 18 五 、 整合系统的结果与讨论 结果 作为在上一节中介绍过的，一旦零件表面是可以使用的，冲压模具表面就会被 一个最佳的冲压模具表面在用 在配置图设计中，一个模具配置图被基于冲压设计的知识系统所研发。 所有接下来的工作都是基于这个模具配置图 。 冲压模具的实体模型用基于冲压设计系统的 为了找到潜在的干涉，在这个模型上会执行动画制作和干涉分析。 在此期间，一个结构分析会给设计者一个好的易于理解的模具应力分布图。 使用基于冲压模具表面和实体模型的 数控程序被开发之后，切割模拟将会被执行用来发现任何的潜在问题。 因为整个发展进程是用同一个产品数据库，所以这些任务可以被同时的执行。另外间都是通过 换信息的 。 如图 20展示了这个开发的结果。 图 20 一整套 模具图
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