（材料加工工程专业论文）汽车覆盖件模具斜楔机构关键技术的研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 斜楔机构是覆盖件模具设计中的难点，斜楔机构的设计也是覆盖件模具设计的 重要内容。斜楔机构的设计质量直接关系到模具结构设计，关系到覆盖件的冲孔、 修边、翻边等工艺的质量，也关系到覆盖件模具的使用寿命。斜楔机构的设计时间 占覆盖件模具设计时间的很大一部分。其设计效率直接决定覆盖件模具设计的效率。 覆盖件对加工工艺的严格要求决定了其斜楔机构的设计的复杂性和重要性。传 统的斜楔机构设计对设计人员的设计经验依赖程度高，设计往往需要多次试模和反 复修改。导致斜楔机构设计成为模具覆盖件模具设计的瓶颈。 本文综合分析了覆盖件斜楔机构的特点，总结了斜楔机构的作用、结构、分类、 受力和行程关系、及适用情况。针对当前工业设计覆盖件斜楔机构的实际情况，分 析了其设计效率低下的原因，并总结研究了斜楔机构设计的一般流程和参数确定方 法。为了便于斜楔机构设计系统的实现，将所用的斜楔总结成典型的斜楔机构并进 行了设计参数的优化。 本文结合目前覆盖件斜楔机构的现状，总结出斜楔机构的计算机辅助设计的一 般方法，并开发了适用的汽车覆盖件斜楔机构设计系统。根据实际设计中的需求， 该系统主要分为标准斜楔设计和自制斜楔设计两部分。标准斜楔设计提供了当前主 流标准（misumi、sanko、punch等）斜楔机构的设计，并建立了标准斜楔库。 标准库兼容参数化模型和非参数化模型，大大提高了其适用性。自制斜楔设计工具 通过模板技术将设计标准和设计经验经合起来，提供了强大的生成和编辑修改功能， 显著地降低了自制斜楔的设计复杂性。 汽车覆盖件斜楔机构设计系统是专用的覆盖件斜楔机构设计系统。该系统通过 cad 技术将开发人员的设计经验、斜楔机构设计规范和工业标准有机结合起来，有 效地提高了斜楔机构的设计质量和效率。 关键词：汽车覆盖件、斜楔机构、设计优化、参数化设计、标准化、ug 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract the cam mechanism is an important issue in automobile panel die design, and the design of cam mechanism is a more difficult part in the die design. the design quality of cam mechanism has the direct effect on the structure design of die, the quality of punching、trimming and flanging process. the design time of cam mechanism covers a large part of the total design time of the panel die. theremore its design efficiency directly determines the design efficiency of the automobile panel die the strict requirements of panel decide the complexity and importance of the cam mechamism. the traditional cam mechanism design highly relies on the experience of the designers, and to complete a design often needs trial and revisal many times. it makes cam design became a bottleneck of automobile panel die. thesis has made comprehensive analysis of the features of the cam, summarized its function、structure、classification、relationship between stress and displacement、and its application. and it also analyses the reasons of low design efficiency, summarizes the general design process and the method of determining the parameters of the cam. in order to facilitate the cam mechanism design system implementat, it summarizes the cam mechanism into a general one, and makes the parameters optimized. this article concluded a general method of computer- aided design for cam design, and developed a cam design systerm for automotive panel die design. according the needs of industrial design, the system is composed of the standard cam tool and the special cam tool. the standard cam tool provides the current mainstream standard cam design(such ans misumi, sanko, punch), and establishes a standard cam library. the standard library is compatible with both parametric model and non- parametric model, and greatly improves its applicability. the special cam tool provides a strong generating and editing features, and greatly reduces the cam design complexity. the automotive panel cam design system is a new ststerm for panel die design. this system combined the experience of designers, the specifications of the cam design, and industry standard together through the cad technology. it effectively improved the quality and efficiency of cam mechanism design, and ensured the applicability of the system. key words: automobile panel; cam mechanism; design optimization; parametric design; standardization; ug 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 (请在以上方框内打 “ ” ) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题的来源、背景和意义 1.1.1 课题的来源 本课题来源：本课题是与上海赛科利汽车模具技术应用技术公司的合作项目。 主要内容为以 ug- nx 软件作为系统开发的平台， 对汽车覆盖件斜楔机构关键技术进 行进一步的研究，设计汽车覆盖件斜楔机构设计系统，提高斜楔机构的设计效率及 设计质量。 1.1.2 课题的背景 当今世界汽车工业作为国家国民经济的一个不可缺少的重要支柱，其地位也越 来越重要。近年来，汽车工业的发展为汽车模具业的发展提供了极大的市场机遇， 据有关资料显示，在美国、日本等汽车制造业发达的国家，汽车模具在整个模具产 业中占有一半左右的份额。而在我国，仅有三分之一左右的模具产品服务于汽车制 造业，因此，汽车模具市场有相当大的发展空间，而汽车覆盖件模具是整个汽车模 具的重要组成部分1。各家汽车公司为了提高市场占有率，几乎每年都有款式新颖、 质量优良、性能先进、装饰舒适的新车型面市。而在激烈的市场竞争中取胜的决定 因素：一靠先进的设计加工技术减低成本，二靠先进的管理缩短产品的设计加工周 期。在汽车的车型设计汽车模具设计与加工直至汽车的生产与销售的整个周期 中，汽车模具设计与加工约占了三分之二的时间，成为新型汽车投放市场的制约因 素，而覆盖件模具的设计与制造又是汽车新产品开发的关键环节之一。随着我国汽 车工业的迅速发展，新车型更新换代的速度也不断加快，传统的设计制造方法已不 适应产品发展的要求2。覆盖件模具作为汽车车身生产的工艺装备，将直接制约着汽 车产品的质量和新产品的开发。 汽车覆盖件在冲裁、弯曲时, 受力情况复杂, 变形后零件上的孔位和孔形的变化 具有一定的不确定性。而斜楔机构灵活多变，工作时传动准确、平稳、无噪音、具 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 有自锁、省力、速比大和容易改变构件的运动方向和方式等特点。导致斜楔机构的 设计是覆盖件模具设计中的难点。传统的斜楔机构设计依赖设计人员的经验,分析计 算复杂，经常反复修改，设计工作量大、设计周期长, 不能适应市场对产品更新换代 的要求。 因此采用模具 cad 技术，必然成为汽车覆盖件斜楔机构的设计趋势。将大量繁 杂的人工计算和易错的重复性劳动，用计算机来实现，可以极大地提高覆盖件模具 的加工制造水平3。但由于覆盖件斜楔模的多样性和复杂性，加上工艺的标准化、典 型化程度低，致使模具设计效率低，影响了整个生产的效率。纵观国内汽车模具公 司，还没有行之有效的汽车覆盖件斜楔机构系统，汽车覆盖件斜楔机构应用 cad 的 程度普遍较低，实用化程度不高。 1.1.3 课题的目的和意义 随着社会的发展、科技的进步，人们的生活水平也在快速提高。汽车作为人们 主要的出行工具，也越来越多地出现在人们的日常生活中。社会对汽车日益增长的 需求，带动汽车工业乃至整个国民经济的快速发展。随着需求的不断增长，人们对 汽车的质量要求也不断提高，给汽车工业带来巨大的挑战；必然要求汽车设计和生 产周期减小，设计和加工质量提高。 由于汽车覆盖件自身具有尺寸大、厚度薄、形状结构复杂等特性，加工方法必 须采用一次成形的方法成形。因此覆盖件加工工艺的复杂性导致其模具结构也必然 复杂。在整个汽车模具设计中，汽车覆盖件模具设计是重点。而斜楔机构设计是汽 车覆盖件模具设计中的难点。汽车覆盖件斜楔模具设计在汽车模具设计中占据汽车 覆盖件模具中极其重要的位置。斜楔模具的设计决定汽车覆盖件整套模具的生产质 量，产品周期，生产成本。 传统的覆盖件斜楔模具设计中，设计人员利用三维图形软件的绘图功能设计出 大致形状结构，根据设计手册标准、反复计算、修改、迭代最终设计出合适的斜楔 模具。这样的设计对设计人员的实际经验依赖程度较高，设计质量差，设计效率较 低；成为制约汽车覆盖件模具工业发展的瓶颈。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 因此研究斜楔机构关键技术，开发汽车覆盖件斜楔机构设计系统工具。通过计 算机技术将繁杂的人工重复劳动用计算机实现，对汽车覆盖件模具行业具有举足轻 重的地位；同时该课题也是国内诸多汽车覆盖件模具厂家一直倾力研究的课题。 本课题的目的在于研究汽车覆盖件斜楔机构设计的关键技术，并对其进行分类、 标准化、受力分析、行程分析，并进行计算机辅助设计、参数化造型建立标准库， 最后开发出实用的汽车覆盖件斜楔机构系统软件，将大幅提高覆盖件斜楔模的设计 水平和生产效率。 1.2 覆盖件斜楔机构的现状及发展趋势 1.2.1 覆盖件 cad 的国内外现状 模具计算机辅助设计的研究最早始于国外的一些飞机和汽车公司4。 其发展也比 较迅速。六十年代，计算机刚刚发展不久，其软硬件资源及其有限，计算能力较低， 只能用于一些比较简单的模具设计， 七十年代初， 随着计算机技术的发展， 模具 cad 系统也得到较大发展，并在实际的工业中取得了经济效益5,6。在此期间，由捷克金 属加工研究所研制的 akt系统，能够设计简单模、连续模和连续冲裁模，生产周期 由原来的一个月缩短为原来的三分之一，设计成本降低一倍左右。八十年代初，模 具 cad 系统逐步走向实用化阶段，在国外各发达工业国家中，都有一些实用的覆盖 件 cad 系统的推出7。如 1982 年日本日立公司开发的用于冲模的 cad 系统。1989 年日本丰田汽车公司开发的汽车覆盖件模具 cad/cam 系统， 也即 dieface- cad 软 件8。此外，美、苏、德、意等国也进行了大量的研究和开发工作。九十年代，覆盖 件 cad 系统软件进一步成熟和完善，期间有大量成熟的 cad 系统软件的出现。如 美国福特公司实施的应用率达到 100%的 cad/cam 应用软件、 通用汽车公司研制的 corporate graphics system系统、 麦克唐纳道格拉斯公司的 unigraphics 系统等9,10。 这些模具 cad 系统的推出，极大地提高了汽车覆盖件模具设计的效率，降低了模具 设计的复杂度和生产成本，为汽车工业的发展注入了强劲的动力。近些年来，国外 学者对覆盖件智能化设计及优化设计一直做了较深研究，并取得较高成就11,12。 相比较国外的一些发达国家，我国的模具 cad 系统的研究开发起步比较晚。虽 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 然仅仅在七十年代末期刚刚起步， 但其发展速度却异常迅速13。 一些模具cad/cam 系统如精冲模 cad 系统、级进模 cad 系统、弯曲模 cad 系统通过了国家验收。八 十年代开始，cad/cam 开始应用于汽车覆盖件模具的设计与制造中。国内著名的 汽车公司相继引进了商用的 cad/cam 系统软件。如 unigraphics、proe、catia 等成熟的 cad/cam。华中理工大学在此期间先后开发了精冲模、普通冲裁模、多 工位级进模和拉延模 cad/cam 系统。九十年代开始，国内应用模具 cad 技术也日 渐成熟14,15。高校和知名企业合作，联合开发专用的 cad/cam 系统也成为了趋势， 并取得显著的成绩。如华中理工大学与东风汽车有限公司合作研发的汽车覆盖件 cad/capp/cam 系统。西安交通大学开发的柔性冲模 cad 系统。华中科技大学 模具国家重点实验室与比亚迪汽车有限公司联合开发的汽车覆盖件拉延模系统等。 同时其他国内的知名高校和科研单位如上海交通大学、浙江大学、北京航空航天大 学等相继开展了模具 cad/cam 的研究工作， 并在实际的应用中取得了突出的成果。 1.2.2 覆盖件斜楔机构国内外研究现状 斜楔机构是汽车覆盖件模具中所不可缺少的一部分。斜楔技术的产生、发展一 直伴随着汽车工业的发展和繁荣。然而由于斜楔机构的本身机构的独特，种类较多， 受力分析，运动分析较复杂，自锁和回程掌握较巧妙。导致斜楔模具设计是覆盖件 模具设计中的难点。对斜楔模具技术的研究也一直是国内外学者从事的重要课题。 斜楔模具机构的历史较长。在汽车出现之初，在西方发达国家的汽车公司（如 美国福特汽车公司、德国奔驰汽车公司、美国通用汽车公司、日本丰田汽车公司等） 都有对斜楔模具设计技术进行研究16。然而由于当时的生产条件、设备、计算机水 平的限制，研究水平有限，实际应用程度不高。真正现代化意义的斜楔模具机构研 究从七十年代开始。伴随着计算机技术的快速发展模具 cad 技术的日渐成熟，斜楔 模具对现代大规模生产的意义日益凸显，其研究水平也大幅提高。早在 1978 年西德 学者 l.hilbert 就曾发表文章中分析了斜楔模具在现代大规模生产中的意义，阐述了 几种典型的斜楔机构，并分析了其受力情况，工作情况和设计流程。 国内对斜楔机构的研究起步较晚，开始于九十年底。随着国内汽车工业的快速 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 发展，众多的汽车公司和科研机构都对斜楔机构进行了广泛的研究。1997 年北京汽 车摩托车联合制造公司庞秀荣、黄书燕在锻压机械发表文章，阐述了斜楔机构的分 类、特点、适用范围和运动情况17。2001 年 7 月解放军 1001 模具标准件研究所安文 宝、刘晶波、李宏荣、朱文科在机械工业的文章中概况了斜楔传动的特点、分析了 典型斜楔装置原理、提出了选择标准斜楔装置的基本条件和注意事项18。2003 年 7 月机械工业第十一设计研究院工艺技术开发研究所张正修、马新梅、张镇在机械制 造的文章中介绍了用于冲模的标准斜楔机构的类型、结构、用途和设计要则及其主 要参数的简便计算方法19。2006 年 6 月上海市应用科技学校的王智礼在机械研究与 应用的文章对水平运动和倾斜运动斜楔机构中的斜楔和滑块进行运动和受力分析,以 及确定斜楔机构的行程及所受的作用力。对典型的斜楔机构进行受力分析，行程分 析20。另外，国内还有一些学者对专用的斜楔模具进行了相关的研究21- 27。 从上述可知国内外学者对斜楔机构的分类、工作分析和适用情况都进行了全面 的研究，但是这些研究基本集中某一方面。对汽车覆盖件模具中斜楔机构并没有细 致系统的研究，标准化研究还比较欠缺，斜楔机构 cad 水平比较低。实际的生产设 计时，基本上还主要停留在传统的以经验为主的斜楔模具的设计上。在模具 cad 快 速发展的趋势下，斜楔机构 cad 相对比较滞后；标准化程度不足，适用的汽车覆盖 件斜楔机构 cad 系统仍然十分稀缺。 1.2.3 覆盖件斜楔机构存在的问题 汽车工业比较发达的欧美国家在进行汽车覆盖模具设计时，大量采用三维 cad 设计，比例可高达 70%以上。专用的 cad 系统软件的应用也比较成熟，信息化管理 已经非常普遍28。通过cad 软件绘制的图形精度比较高，得出的计算数据也比较准 确；标准化上统一采用国际标准，广泛应用标准件，从而设计效率比较高29。国内 虽然有少数企业和科研单位的覆盖件模具设计和cad技术接近或者达到国际先进水 平，然而在实际的斜楔模具应用有限，众多的汽车模具公司仍然采用较原始的设计 方法，设计的 cad 水平，和标准化程度较低30。 纵观国内覆盖件斜楔模具机构存在的一些问题，主要有以下几个方面: 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 1、标准比较混乱、标准化程度低。各个企业都有各自的斜楔机构专用标准。不 同企业之间标准相差大，难以相互适用；无法形成统一的标准。斜楔机构标准件量 少，产品水平低，供货周期长，产品种类不健全。虽然有不少企业采用了标准件， 但是很多依赖进口的国外标准件。汽车覆盖件模具标准未能与国际接轨，尚未建立 和完善多类型的模具结构和工艺标准。 2、设计效率低。我国模具制造业起步较晚，尤其是精密模具制造和国际先进水 平还有差距。模具设计人员的专业水平和国外还有很大差距。对于斜楔机构、功能 和设计的研究还有待加强。尤其对于复杂的覆盖件斜楔机构设计，仍然需要大量的 反复计算，重复试验迭代得到斜楔机构。对经验依赖程度较大，设计效率低下31。 3、斜楔机构 cad 应用程度较低。由于我国模具 cad 的起步比较晚，专业技术 人员缺乏，普遍专业程度不高。对模具设计技术和 cad 软件应用都熟练掌握的技术 人员就更为稀缺。因此，整体模具 cad 的应用水平还停留在较低阶段，难以实现与 cad 软件交互，自主开发专用的系统。 4、缺乏专用的斜楔机构 cad 系统。虽然通用的模具 cad 系统软件，如 ug， proe，catia等，都有各自的标准件库，对汽车模具设计的支持也很完善。但由于 斜楔机构比较复杂，其标准库中斜楔零件比较少、再加上各个企业标准比较混乱， 每个企业都会有不同的标准。所以通用的模具 cad 软件，对斜楔模具机构的支持有 限，远没有达到企业实际的需要。企业自主研发专用的 cad 软件的能力有限，质量 不高。自主开发的 cad 系统在操作性，实用性和稳定性上难以满足企业需要；开发 周期较长。 5、管理水平低，设计生产流程中数据无法通用。斜楔机构设计时普遍采用三维 设计。而在加工时，却以二维图纸指导生产制造。三维图形设计之后，往往需要人 工转换为二维图纸。在转换过程中，会导致数据不一致，造成设计和加工的脱节， 带来了巨大的成本风险和严重的质量问题。 国内整体汽车模具企业普遍存在的这些问题，制约汽车工业的发展，难以生产 高精模具。国内整体汽车模具工业要赶超西方发达国家仍然有很长的路要走。不过 有一些模具企业如上海赛科利汽车模具技术应用有限公司、长春一汽大众汽车有限 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 公司、深圳比亚迪汽车模具有限公司等异军突起，生产能力也不断提高，是当前行 业的生力军，发展迅速，技术水平也有很大提高。整体来看我国汽车模具行业发展 势头良好。 1.2.4 覆盖件斜楔机构的未来发展趋势 伴随着汽车工业的发展与繁荣，二十一世纪汽车业的竞争也更加激烈。汽车模 具企业要想最大化实现其经济利益，必然要不断提高设计质量和生产效率，减低产 品成本，缩短产品周期。覆盖件斜楔机构的研究与开发将向集成化、标准化、专用 化、智能化方向发展32,33。 1、集成化。现代模具制造的发展趋势必然向计算机集成制造发展，通过计算机 技术将信息、技术、人力、物力等资源和管理集成起来。通过统一系统平台将斜楔 模具标准库、模具结构设计、工艺分析和运动仿真结合起来。并将产品设计，模具 设计，加工制造和经营活动集成起来。从而贯穿整个产品的什么周期，使之形成一 个整体，统一信息流和管理，最优化资源利用，降低成本，达到最大的企业效益34。 2、标准化。企业建立斜楔模具标准零件库，在设计时可以根据需要直接调用合 适的标准斜楔零件进行装配生产。建立自制斜楔的模板库。虽然自制的斜楔模板结 构尺寸与所需的斜楔不尽相同，但可以利用系统平台的强大建模功能和表达式驱动 功能，能够方便地修改驱动模型满足实际需要。从而可以大大提高设计速度和修改 编辑的能力。典型的自制斜楔模板可以通过基于特征的参数化造型方法实现，用户 只需对相应的模板进行驱动，即可满足当前需要。 3、专用化。由于人们对产品的需求不仅向高质量发展，往往还要求独特化合个 性化35。汽车工业的发展必然以市场为导向。覆盖件斜楔模具系统不仅要要满足标 准化设计，还要满足人们个性化产品的斜楔模具设计的需要。再加上覆盖件斜楔模 具不同类型的加工工艺也不同。不同的企业必然会针对自己加工工艺要求，研发专 用的斜楔模具系统。 4、智能化。智能化，能够进行总结设计经验和知识学习，必将是未来模具制造 业的发展趋势36,37。智能化，友好的用户接口也是覆盖件斜楔模具系统的发展趋势。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 由于覆盖件斜楔机构的特殊性，设计时对以往经验的要求较高。如果将这些设计经 验集成到覆盖斜楔机构设计系统中，将极大提高斜楔机构设计效率。对于设计好的 斜楔机构，能够分析其工艺合理性。如果工艺不满足，可以方便地进行修改，使其 满足工艺要求。 1.3 课题的主要研究内容 本文深入研究汽车覆盖件模具斜楔机构工艺和设计方法，结合斜楔种类和特征， 对其进行受力分析、行程分析、工作情况分析；并总结出一般斜楔机构的分析规律 并进行设计优化；对斜楔机构进行分类和标准化；建立斜楔机构标准库和非标斜楔 模板，总结程序实现斜楔机构设计的一般方法，开发汽车覆盖件斜楔机构设计系统。 本文的主要研究内容总结起来有如下几个方面： 1、研究汽车覆盖件斜楔机构的作用、结构、分类及各类型斜楔机构适用的情况。 并对不同类型的斜楔机构进行受力分析，行程分析和工作情况分析。 2、总结斜楔机构设计的流程规律。关键参数如斜楔工作角度、驱动角度、工作 行程、工作面大小等的设计原则。斜楔模具的基准点、基准坐标系的确立，及斜楔 图形的绘制及标注。 3、统一斜楔的分析，并进行设计优化。将各种斜楔统一为一般斜楔，分析其工 作情况，并对其进行工艺设计参数的优化。使其能够获得最佳的工艺要求，比如： 最大的机械传递效率，和获得较大的行程，及较小的斜楔滑面压力。 4、斜楔机构标准库的建立和自制斜楔模板的建立。根据汽车覆盖件斜楔模具工 业实际设计情况，将其分为标准斜楔机构设计和自制斜楔机构设计。标准斜楔模具 建立标准斜楔机构库；自制斜楔机构建立其标准模板。更便于斜楔机构设计系统的 实现。 5、 斜楔机构设计系统的实现。 提出一般性的斜楔机构计算机辅助设计实现方案， 研究关键流程和算法。通过简单的系统接口和丰富的交互信息，便于设计人员的实 际设计。通过模具 cad 技术可以加倍提高覆盖件斜楔机构的设计效率。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 汽车覆盖件模具斜楔机构 汽车覆盖件又简称为覆盖件，是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄 钢板异形体的表面零件和内部零件，包括外覆盖件、内覆盖件和支持件三大部分38。 汽车覆盖件多为空间立体曲面，形状结构复杂，具有厚度薄和表面质量要求高的特 点。覆盖件模具主要的特点有：高精化，工艺复杂化，多工序复合化，形状结构高 度复杂化，协调配合性高等。当某些覆盖件零件冲压加工时，由于结构形状等原因， 竖直的冲压结构解决不了型面的侧向冲压成型问题，就应当采用斜楔机构。把压力 机冲压的竖直运动通过斜楔机构转化为任意方向的侧向运动，完成零件特殊方向的 冲压加工工艺。尤其是覆盖件侧向冲孔、切槽、弯曲、翻边、修边模具中广泛采用 斜楔机构。如下图 2- 1 所示的覆盖件中的斜楔冲孔模具图。 图2- 1 覆盖件斜楔模具图 2.1 斜楔机构的作用与结构 汽车覆盖件模具由于其形状结构复杂，工艺精度要求高。一般汽车覆盖件冲压 工艺如冲孔、切边、翻边、弯曲等由于形状、结构、受力原因，压力机垂直方向上 冲压加工满足不了这些工艺要求。汽车覆盖件斜楔模具一般通过斜楔传动机构将压 力机冲压方向力转化成任意方向上的力，从而能够实现汽车覆盖件任意方向加工工 艺。因而斜楔模具广泛地用在汽车覆盖件模具中。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 斜楔机构在汽车覆盖件模具中作用一般可以分为以下三种： 1、将压力机冲压方向的运动转化为水平方向或者任意倾斜方向的运动，从而完 成相应方向上的冲压加工。这些冲压加工工艺包括：冲孔、切槽、折弯、翻边、修 边、剪裁等。 2、通过运动传递来完成自动送料、脱料。 3、通过设计为夹紧装置，用来压边、夹紧。 斜楔模具结构主要有：斜楔保持块、斜楔滑块和斜楔驱动块三部分构成；还包 括导滑装置、限位装置和复位装置。 导滑装置保证斜楔滑块在保持块和驱动块间顺利滑行，主要有：导板、导轨构 成。 限位装置保证斜楔滑块在开始接触点和下死点之间运动，主要由限位块、限位 螺栓、挡板等构成。 复位装置保证斜楔滑块在运动到下死点完成冲压工艺后，快速复位；从而为压 力机顺利复位和完成下次冲压提供保证。主要由：斜楔弹簧、弹簧挡板、氮缸、氮 缸固定板构成。 2.2 斜楔机构的分类 汽车覆盖件的空间立体结构决定了其加工工艺的复杂。因此完成这些加工工业 的汽车覆盖件斜楔模具也必然有一定的复杂性。不同的加工工艺对斜楔模具也必然 有不同的要求，斜楔类型也有较大差别。综合汽车覆盖件斜楔模具分类如下39。 2.2.1 按工作角度分类 斜楔机构根据斜楔滑块工作角度(?1)的不同可以分为水平式斜楔和倾斜式斜楔， 如图 2- 2 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 图2 - 2 水平式斜楔和倾斜式斜楔 水平式斜楔也称平动式斜楔或者卧式斜楔，在汽车覆盖件中是最为常用的斜楔 机构。冲压加工方向为与压力机冲压方向垂直，通过水平斜楔机构将压力机的竖直 冲压力转化为水平冲压力，属于水平冲制制件。制件定位比较稳定，模具制造比较 简单，产品稳定性好，操作性好，但水平翻边时要考虑取件问题。适用于汽车侧围 外板和车身翼子板的冲孔、修边、翻遍等加工工艺。 倾斜式斜楔的斜楔滑块工作方向与水平方向有一定的夹角(?1)，根据倾斜的方向 不同可分为下倾斜斜楔和上倾斜斜楔。下倾斜斜楔的滑块工作角(?1)为正值；上倾斜 斜楔也成为逆倾斜斜楔，其滑块工作角度(?1)为负值。倾斜式斜楔普遍用在加工角度 和回弹量比较大的制件加工中。在倾斜方向冲制制件，但制件在前后位置冲制时， 操作性不好模具结构比较复杂。逆倾斜斜楔机构，只用于特殊情况的加工，会造成 滑块表面压力增大，一般尽量不会采用。 2.2.2 按连接方式分类 斜楔机构按从动斜楔滑块的连接方式不同可分为吊装式斜楔和下置式斜楔。 吊装式斜楔：斜楔滑块与保持块装配在上模座上面，驱动块安装在下模座上面， 如图 2- 3 所示。 上模带动保持块和斜楔滑块向下进行冲压运动，当斜楔滑块与驱动块 接触时，驱动块驱动斜楔滑块在导滑轨道内滑动完成冲压加工。其特点为：整体设 计紧凑，安装面积较小；取件简单，操作比较方便；加工行程较短，加工角度适用 范围大；多采用自润滑式导滑，滑动面填充润滑剂，可避免胶合，延长使用寿命。 在倾斜斜楔不能加工的倾斜陡峭方向上的冲压加工，吊装斜楔也可以适用。由于吊 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 装式斜楔结构比较独特、具有强度高和耐用性能好等优良特性；故其适用范围比较 广，可以广泛适用于汽车覆盖件斜楔模具中。 图2 - 3 吊装式斜楔 下置式斜楔：其构件安装位置正好与吊装式斜楔相反。斜楔滑块与保持块装配 在下模座上面，驱动块安装在上模座上面，如图 2- 4 所示。上模带动驱动块向下进行 冲压运动，当驱动块运动到与斜楔滑块接触时，驱动块驱动斜楔滑块在导滑轨道内 滑动完成冲压加工。其特点为：加工行程比较长，斜楔滑块质量比较大，空间占用 较大。适用于大型的侧向冲压加工工艺；多用于整个模具都为斜楔模具的情况。 图2 - 4 下置式斜楔 2.2.3 按标准化程度分类 斜楔机构根据标准化程度不同可分为标准斜楔和自制斜楔（非标斜楔） 。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 图2 - 5 p u n c h 标准斜楔 标准斜楔一般只指国内外通用或者行业内普遍使用的斜楔。标准斜楔通常为业 内适用的斜楔科学、规范、和通用性的总结。通过使用标准斜楔可以提高企业的设 计效率、便于管理，从而缩短模具设计周期、降低生产成本。目前国内最常用的标 准斜楔有 misumi标准斜楔、sanko 标准斜楔、punch标准斜楔等，如图 2- 5 所 示。在标准斜楔机构产品中通常提供吊装式斜楔和下置式斜楔两种形式。由于吊装 式斜楔的优点，标准件厂商一般把其作为常用的斜楔机构提供给汽车覆盖件模具公 司；对于比较大型的汽车覆盖件侧向冲压工艺，则常常采用下置式斜楔模具机构。 自制斜楔也称为非标斜楔，通常为标准斜楔系列以外的其他斜楔。一般适用于 标准斜楔不适用的情况。由于每个公司的具体工艺要求不同，通常会有特有的自制 斜楔。一般可以有以下几种：自制吊楔，自制平楔，自制倾斜斜楔，自制子母斜楔， 自制勾冲斜楔。如图 2- 6 所示的斜楔为自制斜楔。 图 2 - 6 自制斜楔 2.2.4 其他分类 根据从动件斜楔滑块的个数一般可以分为单动斜楔和多动斜楔。 单动斜楔为典型的斜楔机构，只有一个驱动块和滑块。斜楔滑块在驱动块作用 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 下在滑道内进行冲压运动。多动斜楔一般为连续式斜楔，通过多个斜楔间力和运动 的传递来完成冲压工艺。一般由多个驱动块或者多个斜楔滑块组成。驱动块作用于 第一个滑块，第一个滑块作用于下个斜楔滑块，通过连续式的作用完成力和运动的 传递。多动斜楔运动关系传递复杂，空间结构比较难控制，可以完成特殊的加工工 艺，一般情况下不采用。 从实际使用情况可以分为一般斜楔机构和特殊斜楔机构。 一般斜楔为工艺中经常采用，比较常见的斜楔机构。有水平斜楔、吊装斜楔， 倾斜斜楔等。特殊斜楔为工艺不常采用，结构，运动方式比较特别的斜楔模具；比 如：连续式斜楔，逆倾斜式斜楔，逆动式斜楔，箱体式斜楔等。 2.3 斜楔的工作情况分析 为了对斜楔工作情况的直观清晰地表达，工程中一般用斜楔线图来对其进行分 析。斜楔线图是通过平面二维图形来对斜楔机构相互作用关系和动作的图解。通过 斜楔线图可以清晰地理解斜楔机构的主要参数，参数间相互关系，力的传递，行程 关系，各个部件动作的先后顺序。 线图表示了纵坐标与横坐标连续动作的相对关系，斜楔机构各要素接触同步状 态图，其中包括模具导向接触，压料板接触，斜楔与滑块接触，斜楔压料板接触及 冲压过程。如图 2- 7 所示。 图2 - 7 斜楔线图 1）对应线为压床滑块位移量与斜楔滑块位移量之间关系线。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 2）运动线为斜楔滑块沿冲压方向的位移量 3）z 轴：压床滑块位移量（上模开始运动位置到下死点的距离） 4）滑块在下死点 x 和 z 坐标的原点 5）斜楔滑块出发点为原点，终止点为 a 点 有了斜楔线图，可以方便地对各种斜楔机构的受力进行分析。 2.3.1 水平式斜楔 水平式斜楔也称作平动式 20。斜楔滑块在驱动块的作用下做水平方向( 滑块工 作角度为零) 运动, 完成水平方向上的冲压工艺。其结构示意图和力线图如图 2- 8 所 示。 图2 - 8 水平式斜楔结构示意及力线图 由力线图可以确定作用力、滑块行程、斜楔行程与驱动角度之间的关系式18: p = f tan? （2- 1） l = s / tan? （2- 2） q = f / cos? （2- 3） v = f tan? （2- 4） 式中 p 压力机压力, k n ? 驱动角度，也称为斜楔角 f 冲裁力, k n q 驱动块作用于滑块上的正压力, k n 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 v 滑块作用于斜楔滑座上的正压力, k n l 驱动块的行程, m m s 滑块工作行程, m m 2.3.2 倾斜式斜楔 倾斜式斜楔有两种分类：正向倾斜式斜楔和逆向倾斜式斜楔。滑块在斜楔驱动 块的作用下产生正向倾斜(与水平面形成 ?1角度)运动,完成斜面冲压工艺。其结构示 意及力线图如图 2- 9 所示。正向倾斜式的斜楔模具机构的工作角度(?1)为正值，逆向 倾斜式的工作角度(?1)为负值。 图2 - 9 倾斜式斜楔结构示意及力线图 从力线图可知: p = f sin?2 / cos(?2 - ?1) （2- 5） v = f tan(?2 - ?1) （2- 6） q = f / cos(?2 - ?1) （2- 7） l = s cos(?2 - ?1) / sin?2 （2- 8） 式中 p 压力机压力, k n f 冲截力, k n ?1 斜楔工作角度 ?2 斜楔驱动角度 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 q 驱动块作用于滑块上的正压力, k n v 滑块作用于滑座上的正压力, k n l 驱动块行程, m m s 滑块工作行程, m m 2.3.3 吊装式斜楔 吊装式斜楔简称吊楔，以其倒置式的空间结构命名。其主要特点是滑块与保持 块均吊装于上模座，而驱动块安装于下模。其滑块工作角度适用范围较大， 可以从 0到 70适用。特点为：整体设计紧凑，安装面积较小；取件简单，操作比较方便。 吊装式结构示意及其力线图见图 2- 1018。 图2 - 1 0 吊装式斜楔结构示意及力线图 同样可知: p = fcos?2 / sin(?1 + ?2) （2- 8） l = ssin(?1 + ?2) / cos?2 （2- 9） q = f / sin(?1 + ?2) （2- 10） s = scos?1 / cos?2 （2- 11） v = f / tan(?1 + ?2) （2- 12） 式中 p 压力机传递的压力, k n f 冲裁力, k n 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 ?1 斜楔滑块工作角度 ?2 斜楔角 q 保持块作用于滑块的正压力, k n v 滑块作用于驱动块的正压力, k n l 压力机有效行程, m m s 滑块工作行程, m m s 滑块与保持块间相对行程, m m 2.3.4 连续式斜楔 连续式斜楔属于比较特殊的一类斜楔，一般通过多个斜楔相互配合，完成力的 传递，如图 2- 11。适用于加工方向倾斜角度较大,普通倾料斜楔无法加工的场合。其 操作性好,另外适合多工位加工。但刀具的对合较困难,所以不适合切边加工。常见的 逆动式斜楔也属于连续式斜楔，通过斜楔连续传递，使其工作角度为 90，冲压方 向与机床方向相反。 图2 - 1 1 连续式斜楔结构示意图 2.3.5 组合式斜楔 组合式斜楔的工作角度 ?2 = 060,主要特点是结构紧凑、简单、通用性能 好,使用安全方便。但其动作同步，零件定位较难。其结构示意图如图 2- 12 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 图2 - 1 2 组合式斜楔结构图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 3 汽车覆盖件斜楔机构设计系统的关键技术 3.1 斜楔机构的设计 在汽车覆盖件斜楔机构设计前，首先要设计安装在斜楔机构上的冲头刀具。冲 头刀具的设计直接决定了斜楔模具的复杂度，冲压成型的质量及后续工艺的设计。 冲头刀具对斜楔机构的影响因素有：冲压方向、冲压力、冲压中心和安装面大小。 冲压方向一般采用垂直加工作用面的方向。如果需要加工的面不是同一平面，可以 采取大平面法，将其平均方向作为冲压方向。 冲压力的计算由具体工艺决定40。冲裁工艺中力的计算公式： f= l t sb （3- 1） （其中 l 为切边线长度，t 为加工件厚，sb 为材料的抗拉强度） 。 拉延工艺中力的经验公式得，拉延力： f = k l t sb （3- 2） （其中 k 为系数，0.7- 0.9，零件越复杂，值越大，l 为凸模周边长度，t 为加工 件厚，sb 为材料的抗拉强度） ， 压边工艺中的压边力： f = a p （3- 3） （p 为单位压边力一般取 2.5- 3 mpa，a 为压边面积） 。 冲压中心一般取工艺加工面的中心。安装面的大小一般要不小于加工面的大小， 最好取整 5 或者整 10 值。 3.1.1 基准点与基准坐标系的设定 斜楔机构往往会通过基准点和基准坐标系作为在设计、生产加工和最后的装配 中定位，参考标准。斜楔机构的基准点与基准坐标系的作用： 1 、便于斜楔设计时的受力计算，参数计算，及尺寸标注。 2 、便于斜楔机构生产时的定位加工。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 3 、便于斜楔机构在装配的装配定位，及于汽车覆盖件模具中的冲头刀具的安装 面紧密配合。 斜楔机构中的基准点一般有：斜楔基准点、机械加工基准点、角度基准点。 斜楔基准点设置位置：平面设置，靠近制件加工形状的范围之内设置；高度设 置，按制件基准点的高度设置。 机械加工基准点：进行斜楔机构单个零件加工时，所设的基准点注明位置尺寸 明确与斜楔基准点的位置关系。 角度基准点：斜楔与滑块按冲压方向设置的角度面或导板的安装座面不可能按 机械加工基准点进行加工，必须另外设置角度加工基准点，此基准点必须设置在加 工基准面上。角度基准点最好并用于滑块导板的加工面和上导板的定位面，如果不 可能并用，可另设专用的加工面。 斜楔基准坐标系一般有三种：装配坐标系、斜楔坐标系和加工坐标系。装配坐 标系是为了斜楔机构的装配定位，控制斜楔的整体尺寸，和驱动块、滑块、保持块 间定位关系。斜楔坐标系是以斜楔滑块工作方向为 z 轴的坐标系，斜楔坐标系便于 斜楔机构准确的安装定位，和斜楔参数的计算。加工坐标系便于斜楔机构各部件的 生产加工，一般以加工面为参考定位。 3.1.2 斜楔角度的确定 斜楔滑块的工作方向必须与冲压方向平行，为了便于装配定位和加工，斜楔的 工作角度一般为 5 的