（车辆工程专业论文）车身冲压件的设计与成型性分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 车身是一个品牌的标志和形象，代表着汽车的发展水平和一个企业的实力， 成功的车型建立在一个良好的车身基础上，车身的成功决定了一个新车型的成功 和销售前景。现在全球各大汽车制造厂商都把车身设计和制造作为一个新车型研 发的重点，集中了许多优秀的工程师，致力于设计出高质量、低价格的产品，并 向全世界推广。本文以车身冲压件为研究对象，研究车身冲压件的设计和成型性 分析的方法。 首先，本文详细介绍了车身的发展现状和特点，阐述了车身发展的趋势，论 证了车身设计对新车型开发的重要意义，通过实例着重讲述了车身冲压件的结构 和冲压件在制造过程中可能出现的缺陷，并提出了改进方法，论述了车身和冲压 件的关系，即冲压件是构成车身的基础，车身是冲压件的最终目的。 其次，本文结合车身冲压件的设计条件对车身冲压件的设计进行了分析，并 以某车型发动机罩内板为例，在三维设计软件c a t i a 基础上总结出冲压件的一 般设计方法，对车身冲压件材料进行了讲解，介绍了选用冲压件材料时所应注意 的材料冲压性能参数，并对比较常用的金属材料进行了比较，介绍它们各自的优 缺点。 最后，本文阐述了冲压件仿真成型的有限元仿真理论和关键技术如常用的屈 服准则，建立冲压件仿真成型的本构关系，对冲压件成型仿真软件a u t o f o r m 进行了介绍，并基于a u t o f o r m 对前面设计的发动机罩内板进行了仿真分析， 介绍了冲压件仿真分析的一般程序和所应注意的问题，最后对完成的发动机罩内 板仿真结果进行了分析，介绍了分析方法。通过对发动机罩内板的成型性仿真， 证明该冲压件成型性良好。 关键词：冲压件，设计，a u t o f o r m ，成型性分析 武汉理工大学硕上学位论文 a b s t r a c t c a rb o d yi sab r a n d ss y m b o lw h i c hs y m b o l i z e st h ea u t o m o t i v ed e v e l o p m e n t a l l e v e la n dt h es t r e n g t ho fa u t o m o b i l ec o m p a n i e s as u c c e s s f u lv e h i c l et y p ei sb a s e do n af i n ec a rb o d ya n dt h ef i n ec a rb o d yd e t e r m i n e st h en e wv e h i c l et y p e ss u c c e s sa n d t h ep r o s p e c tf o rs a l e s n o wa l lt h ea u t o m o b i l ec o m p a n i e si nt h ew o r l de s t a b l i s ht h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fan e wc a rb o d ya sam a t t e ro fp n o d t y ，a n dm a n y s p e c i a l i s t st r yt od e s i g nh i g h - q u a l i t ya n dl o w - p r i c e c a rb o d yp r o d u c t st op r o m o t et h e m g l o b a l l y t h i sa r t i c l et a k e st h ec a rb o d ys t a m p i n gp a r t sa st h er e s e a r c ho b j e c ta n a l y s e t h ed e s i g no ft h ea u t o m o b i l eb o d ys t a m p i n gp a r t sa n da n a l y s i so ft h ef o r m e d p o s s i b i l i t y f i r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ec a rb o d y sc u r r e n td e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c i nd e t a i la n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c y , a n dd e m o n s t r a t e st h ei m p o r t a n c eo ft h ec a rb o d y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt ot h ed e v e l o p m e n to fn e wc a rm o d e l s ，a n di n t r o d u c e st h e s t r u c t u r eo ft h es t a m p i n gp a r t sa n dp o s s i b l ed e f e c t si nt h ep r o c e s so fs t a m p i n gp a r t s m a k i n g ，p u t sf o w a r dt h em e t h o do fp r o m o t i n g ，d e m o n s t r a t e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec a rb o d ya n dt h es t a m p i n gp a r s s e c o n d ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ed e s i g nm e t h o do fs t a m p i n gp a r t sc o n n e c t e dt h e d e s i g nc o n d i t i o n so fs t a m p i n gp a r t s ，t a k e st h eh o o di n n e ro fe n g i n ec o v e rt oi n t r o d u c e t h eg e n e r a ld e s i g nm e t h o do fs t a m p i n gp a r t sb a s e do nc a t i a t h i sa r t i c l ee x p l a i n st h e m a t e r i a l sw h i c ha r eu s e do nt h es t a m p i n gp a r t s ，i n t r o d u c e st h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r so f f o r m i n gw h e nc h o o s i n gt h em a t e r i a l sf o rs t a m p i n gp a r t s ，g i v e st h ef r e q u e n t l y - u s e d m a t e r i a l sf o rc h o o s i n g , a n dc o m p a r e st h e i ro w na d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e a tl a s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt h e o r ya n dk e y t e c h n o l o g i e ss u c ha st h ef r e q u e n t l y - u s e dy i e l dc r i t e r i o n ，e s t a b l i s h e st h e c o n s t i t u t i v e r e l a t i o nf o rt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fs t a m p i n gp a r t s ，i n t r o d u c e st h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st 0 0 1a u t o f o r ma n dm a k e st h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h eh o o d i n n e ro fe n g i n ec o v e rb a s e do na u t o f o r m ，a n a l y s e st h eg e n e r a lp r o c e d u r ea n d m e t h o d ，a tl a s tn a n l y s e st h er e s u l to ft h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n di n t r o d u c e st h e m e t h o do fa n a l y s i n gt h er e s u l to ft h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n b ya n a l y s i n gt h ee s u l t o ft h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw eh a v et h ec o n c l u s i o nt h a tt h eh o o di n n e ro fe n g i n e c o v e rh a sag o o ds t a m p i n gp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s t a m p i n gp a r t s ，r & d ，a u t o f o r m ，f o r m i n ga n a l y s i s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 僦引獬) 同情氤芝篓一一歹 武汉理i 大学壤学位论立 1 1 车身概述 11 1 车身的作用 第一章绪论 车身是汽车的载体，是保护和运送乘员和行李的工具，也是汽车的主要承载 部件，它是技术与艺术有机结合的工艺品。随着社会的发展，人们对物质生活的 需求逐步增大，作为交通和运输工具的轿车，越来越受到重视。现在在各国汽车 产品中，轿车产量约占7 5 以上，人们对轿车的多样化要求越来越强烈，时轿车 的多样化主要体现在车身上。 电子技术和材料工艺的进步【1 】，以及计算机辅助软件( c a d 、c a e 、c a m ) 的广泛应用，使汽车的一些性能指标达到了崭新的高度，并大大推进了车身向豪 华化、多样化、居室化，办公化方向发展，提高了驾驶员的操作方便性和成员的 舒适性，以适应现代人们生活和工作的需要，f 因为此，很多人在选择轿车时， 首先考虑的已经不是发动机和底盘的结构及性能，而是车身的式样和装各。 112 车身的构成 轿车车身般由奉体、内外装饰和车身附件组成口1 。 图i - i 白乖身分解酗 l 一后背总成2 一右侧闱总成3 一顶盖总成卜右车j 总成 5 一前机舱总成卜机罩总成7 一左侧围总成卜左车门总成卜地扳总成 本体是车身乃至整车的基体，目前主要是由钢板冲压的零件即冲压件焊接而 武汉理工人学硕士学位论文 成，也有用轻金属及非金属材料制造的。 一般说来，车身本体主要由前机舱总成、地板总成、左右侧围总成、顶盖总 成组成，将上述总成焊接成车身骨架，再配上前翼子板、车门、发动机罩、两厢 车的后背门或者三厢车的行李箱盖，即形成一个完整的白车身。图1 - 1 是一辆两 厢车的总成分解图。 内外装饰件是指安装在车身上的既有使用价值又有装饰作用的零件及配件。 内饰件中最重要的部分是显示汽车使用中各种数据的仪表板，此外还有顶棚、地 毯及车内各种护板。外饰件指装饰在车身外的各种配件，如外部装饰条、进风格 栅、通风罩板、商标等。 车身附件包括各种锁机构、玻璃升降器、座椅、雨刮器、内外后视镜、遮阳 板等各种安装在车身上的附属装置。 1 1 3 车身的形式 随着社会发展，车身形式千变万化，其分类方法也多种多样。根据车身受力 情况不同可分为承载式车身和非承载式车身；根据外形不同可分为折背式、直背 式、舱背式、短背式等多种；根据座椅的排数可分为一排座、二排座、三排座； 根据所用材料不同可分为钢制车身、塑料车身、铝制车身等；根据车身的功用和 装备情况不同可分为基本型、舒适型、豪华型、运动型等【2 1 。 车身比较常用的分类方式是按照外形来分类，主要有以下几种： ( 1 ) 折背式车身 折背式车身背部通常有条明显的折线条，这种车身形式有时也叫做浮桥式、 船型、三厢式等，其主要特征是，车身由明显的头部、中部和尾部三部分组成， 通常布置两排座位。折背式车身如图1 2 a 所示。这种车身按照车门数可分为二 门式和四门式；按中柱的有无可分为普通型和硬顶型。 ( 2 ) 直背式车身 直背式车身后风窗与行李箱连接近似平直，与折背式车身相比更具流线效 果，有利于降低空气阻力，并使后行李箱的空间加大，目前该车型在中、小型轿 车上用的比较多。这种车身形式也叫做快背式车身、溜背式车身等。直背式车身 如图1 2 b 所示。 ( 3 ) 舱背式车身 舱背式车身比折背式车身的顶盖长，后背的角度比直背式小，后行李箱与后 窗演变成为一个整体的背部车门，舱背式车身也叫做半背式车身。舱背式车身如 图1 2 c 所示。 武汉理工大争哦学位论文 f 4 1 短背式车身 短背式车身由于背部很短而使整车长度缩短，从而减小了车身重量，有利于 车身轻量化的要求。而这种车身从空气动力学角度讲，可减少偏摆力矩，提高形 式稳定性，这种车身形式也叫做鸭尾式车身。短背式车身如图l 一2 d 所示。 除此之外，轿车还有许多变型车，其改变部分主要是车身，如去掉顶盖或者 带有活动顶蓬的敞篷车，如图l 一3 ；是折背式车身顶盖后延到车尾的两厢式旅行 车，如图1 _ 4 ；使驾驶员座椅前移的一厢式旅行车等各种形式的车身变形。 簦国 圈1 - 2 常见的车身形式 一 宣i _ i 盘一翟 图1 - 3 敞篷车 图1 4 两厢式旅行车 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 4 车身发展的趋势 汽车作为社会的一种特殊消费品，从奢侈品和地位的象征渐渐成为人们生活 中的一部分，随着社会快速发展，人们生活水平日益提高，对汽车的需求量将会 越来越大，面对形形色色的消费群体，车身将会有更多的变化。总结起来，未来 汽车的发展趋势主要有以下几点： ( 1 ) 气动最优化 轿车车身不断发展，从1 8 8 6 年第一辆汽车诞生至今，经历了一百多年的变 化【3 】，这些变化的目的就在于追求最理想的气动效果，能够达到减小气动阻力且 气动稳定性最好，这个目标到现在还在不断被探索，而且仍然是未来车身追求的 最大目标。 ( 2 ) 个性化 人们对美的追求是永无止境的，不同行业、不同层次、不同群体的人们对美 的概念又不尽相同，这些人对汽车个性化的要求会越来越高，而各大汽车制造厂 商为了迎合不同人群的需求，必然致力与设计出更多具有个性的新车型。随着人 类物质文化水平的不断提高和生活环境的变化，作为大众化商品的轿车无疑将会 出现各种各样新颖的车身结构。 ( 3 ) 人性化 汽车是人们的代步工具，本质上是为人类服务的，经过一百多年的发展，汽 车早已与人类的生活息息相关，并形成一种独特的汽车文化【5 】。如何使汽车不再 成为一堆冰冷的钢铁，而使其以人为本，能够体现人机协调，使用方便舒适，满 足人的心理和生理要求，从而提高工作效率、保障安全、维护健康，是未来的车 身设计者应该注意的问题。 ( 4 ) 虚拟化 随着计算机的迅速发展，各种计算机辅助软件c a d 、c a e 、c a m 在汽车行 业被广泛利用，取代了传统手工设计方法，极大提高了设计和生产效率，减少了 材料的浪费，节约了人力和物力成本，从而推动了汽车行业的迅速发展，促进了 汽车更新换代的过程【6 1 。以后将有更多的汽车设计软件问世，解决许多汽车设计 难题，使汽车设计实现真正的虚拟化。 ( 5 ) 全球化 在全球化不断发展的今天和以后，面对社会和用户对汽车新产品的不断要 求，制造厂商必须在最短的时间内使产品更新换代，这就使得各公司不得不建立 合作伙伴关系，以弥补技术和力量上的不足，通过整合资源、优势互补以达到事 半功倍的效果，因此，车身设计必将走出国家和地域的束缚，日益走向全球化【7 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 5 车身设计在汽车研发过程中的意义 车身是一个品牌的标志和形象，代表着汽车的发展水平和一个企业的实力， 成功的车型建立在一个良好的车身基础上，车身的成功决定了一个新车型的成功 和销售前景。现在全球各大汽车制造厂商都把车身设计和制造作为一个新车型研 发的重点，集中了许多优秀的工程师，致力于设计出高质量、低价格的产品，并 向全世界推广。 车身设计在汽车设计中占有主体地位，在新车型的研发中，车身设计占汽车 总质量和成本的一半左右【s 】，起主导作用，直接决定了新车型的整车竞争力大小 和成本高低，因此车身设计处于新车型研发的首要位置。车身是汽车上一个非常 重要的总成，其外板质量约占车身总质量的2 0 ，而开发成本和制造成本约为整 车造价的4 0 哆铲- 6 0 【引，加上有些新车型的开发是在原有底盘、动力总成不变的 基础上进行车身的重新设计，所以车身开发能力已经成为汽车制造厂商实现汽车 自我开发和提高市场竞争力的关键所在。 纵观车身一百多年的发展历史，车身的发展其实就是车身工程师不断开发新 资源和采用新技术、将技术与艺术相结合、满足人们不断变化的审美观念的过程。 在这个历史中，工程师不断协调着材料、结构、工艺、技术和造型之间的矛盾关 系，找出这些矛盾之间的平衡点，顺应潮流，关注这些矛盾因素发生的变化，使 车身设计既满足功能需求又满足人们的审美观念，并且实用耐久一j 。 车身设计代表着社会科技的发达程度。随着计算的迅速普及，一些计算机辅 助软件( c a d 、c a e 、c a m ) 也广泛的应用在车身设计上，使车身设计实现真 正的虚拟化，现在各大汽车制造厂商都有软件方面的专门人才，致力于研发出功 能更为强大的计算机辅助软件，所以这些软件将会更进一步发展，成为车身设计 中的主要手段；新材料的广泛应用促进了车身的发展，取代了传统材料的不足， 从而使工程师能够设计出质量较小、结构合理、强度较好的车身，与此相应的一 些新工艺也应运而生，共同促进了车身的发展。 1 2 冲压件概述 1 2 1 冲压件的介绍 对板材、带材、管材和型材等通过冲床和模具等机械施加外力，使之产生塑 性变形或者分立，从而得到所需形状和尺寸的工件，就是我们通常所说的冲压件， 而上述成型加工方法，就是冲压【1 们。全世界的钢材中，有6 0 一7 0 都是板材， 大量用在汽车制造上，如大多数汽车的车身、底盘、油箱、散热器片等部件，都 武汉理工大学硕士学位论文 是由板材冲压加工的。冲压件与铸件、锻件相比，具有薄、匀、轻、强的优点， 可以冲压出其他方法很难加工的筋、肋、翻边，且精度高，量产时规格一致，需 要人力成本较小，生产效率高。 冲压件具有以下特点： ( 1 ) 冲压件消耗材料较少，零件重量轻，刚度好，板材经过塑性变形，其内 部结构组织得到改善，强度有所提高； ( 2 ) 冲压件具有较高的尺寸精度，同模件尺寸精度一致，具有良好的互换性。 ( 3 ) 冲压件不需要进一步的机械加工即可满足一般的装配和使用需求。 ( 4 ) 冲压件在冲压过程中，表面保持较好，不受破坏，故有较好的表面质量， 外观光滑，为以后的喷漆、磷化和其他表面处理提供了有力条件。 1 2 2 冲压件的结构 冲压件一般是通过在材料( 如钢板) 上冲出所需要的孔和型面得到的，要求 孔和型面位置形状大小与图纸一致，误差在通用的或者企业自定的公差之内，表 面良好无毛刺、尖角、划痕、擦伤等明显缺陷。孔和型面是冲压件的要素，下面 通过此两者介绍冲压件的基本结构。 ( 1 ) 孔 根据车身及冲压件的需求，冲压件上的孔可以分为三类：安装孔、定位孔、 工艺孔。 安装孔是指在车身上安装底盘、内饰和附件所需的孔，与安装的标准件配套， 大小形状根据用途由标准件决定，一般有方孔、圆孔和长孔三种类型，方孔与方 形的标准件相配合，如塑料卡扣等，圆孔和长孔与螺栓等标准件配合，内径应该 比标准件如螺栓的外径大0 5 m m ，表面形状成一标准圆形的孔就是圆孔，这种孔 的位置要求非常准确，在安装配件时没有调节余量，所以用的比较多的是长孔， 由于车身和冲压工艺的需要，长孔的外形被设计成由一个正方形和两个半圆组 成，这样会保证安装配件时有一定的调节余量，从而能够使配件准确而方便的安 装在车身上。 定位孔是指在车身焊装时用来定位冲压件的孔，由于车身焊装时要求位置非 常准确，所以定位孔大多情况下是圆孔，也有极少定位孔因为特殊需要被设计成 方形。这种孔冲压时要求大小和位置都非常准确。 工艺孔包括为了方便安装配件时故意留下的缺口、为了在电泳时流出泳液的 孔、为了造型和减轻冲压件重量而设计的缺口、为了成型性不得不设计出的缺口 等，工艺孔形状各异，大小不一，位置没有非常高的要求，工艺孔一般由目的、 造型和冲压工艺决定。 6 武理工上学碗学位论立 需要说明的是，在冲压件设计中，上述三种孔并不是彼此独立的，如定位孔 也可以起到工艺孔的作用，工艺孔也可以作为定位孔来用，设计者应该根据实际 情况灵活掌握这三种孔的区别。安装孔在特殊情况下可吼作为工艺孔来用，但是 一般不能作为定位孔，因为定位孔在大部分情况下设计成长孔，以此来定位时会 造成比较大的误差，其次安装孔在焊装前会焊上一个配合的标准件如凸焊螺母或 者凸焊螺柱，如果强行作为定位孔来用的话，在夹具上会需要一个形状特殊难以 加工的销，且造成定位不准确。 图1 5 为某车前立柱内扳的模型，可以看到在该内板上有上文所述的三种孔。 酗1 - 5 前立柱内板 ( 2 ) 型面 我们这里所说的型面包括冲压件上的曲面、弯角、凸台、加强筋等结构。型 面是冲压件设计和制造上一个比较复杂的过程，尤其是比较复杂的型面比如轿 车的大型覆盖件的设计和制造就是一个非常耗时的过程。型面由造型、目的和冲 压工艺能达到的程度决定。车身上的冲压件要求配合良好，不互相干涉，冲压件 之间要有足够的位置打焊，这些都是通过型面来保证的。需要焊接的两个或者更 多冲压件之间打焊的型面要求贴合较好，以保证焊接质量，防止产生脱焊、虚焊 等情况发生，从而保证白车身质量。 123 冲压件制造过程中可能出现的缺陷 在冲压件制造过程中，会因为扳料质量、压力机精度、模具结构和冲压工艺 过程等原因使冲压件生产出来时有多种缺陷，如毛刺、叠边等，这些缺昭首先会 影响冲压件的表面质量，在冲压件表面形成难看的瑕疵：其次这些缺陷会影响冲 武汉理工大学硕士学位论文 压件的强度和刚度，如有些冲压件生产出来会出现料厚不一的问题，在厚度较小 的地方强度不足，会对车身的使用安全造成隐患；有些严重的缺陷会造成冲压件 无法使用，极大的浪费了冲压件生产过程中的人力和物力，而有些位置不准确的 冲压件，会对白车身的生产造成印象，特别是白车身生产过程中应用频繁的定位 孔和定位面，如果这些关键部位不准，白车身的焊装尺寸链就无法保证，白车身 的尺寸精度也就无从谈起。下面我们通过几个冲压件生产过程中比较常见的问题 来阐述上述冲压件缺陷。 ( 1 ) 毛刺 毛刺一般出现在落料件和冲孔件上，由于模具设计不合理或者使用不当，在 冲压件剪切面上形成，影响了剪切面的质量，毛刺的形式多种多样，如因为凹凸 模之间间隙过小形成的高而薄的毛刺、因为凹凸模间隙过大形成的高而厚的毛刺 等。一般情况下较少的毛刺不会对冲压件的使用造成影响，但是对于一些剪切面 质量要求较高的冲压件，毛刺的出现会对它们的使用造成影响，严重情况下甚至 会使这些冲压件成为残次品1 。 ( 2 ) 开裂 开裂多发生在弯曲件上，如果对弯曲件的弯曲半径和角度要求过于严格，就 会出现弯曲丌裂，弯曲宽度较小的产品，开裂发生在宽度的两端；弯曲宽度较大 时，开裂沿着弯曲线，在宽度的中间发生【1 1 1 ，如图1 - 6 所示。开裂会对冲压件的 质量、强度等造成极大影响，严重情况下会导致冲压件成为废品，出现开裂现象 的冲压件用在车身上以后，随着车辆的不断行驶，开裂出会逐渐扩大，从而会对 车辆的安全性造成隐患，所以开裂是冲压件制造过程中必须克服和避免的现象。 弯曲宽度小的开裂住王 图1 - 6 开裂 ( 3 ) 起皱 起皱是指冲压件变形不均匀，截面呈波浪形的现射1 1 】，如图1 7 所示。引起 起皱现象的原因多种多样，如模具设计不当或者使用不当等，但在根本上是由应 力集中造成的，所以消除应力集中是解决起皱的根本方法。起皱会对冲压件的表 武汉理工大学硕士学位论文 面质量、强度和使用造成严重影响，会引起冲压件料厚的变化，严重的起皱会引 起叠边甚至导致冲压件破裂，起皱也是冲压件制造上一个需要解决的问题。 起皱 图1 7 起皱 ( 4 ) 回弹 回弹多发生在弯曲件上，是指冲压件成型后，其弯曲角度和弯曲半径产生复 原的现象，是材料的内应力分布不均导致变形不均匀引起的【】。回弹现象跟模具 和材料都有关系，一般通过补偿模具回弹量来解决。回弹会对冲压件的精度造成 影响，特别是车身上一些大型的冲压件，回弹会导致该件上关键点和关键型面的 连锁反应，从而因为精度达不到要求而成为废品。 ( 5 ) 精度差 冲压件的精度差包括型面精度差和孔精度差等精度问题，指型面和孔的精度 超出公差范围之外，如由左右拉伸不一引起的冲压件左右形状不一，弯曲结束时 发生变形的孔等，一般情况下冲压件精度差可以通过调节模具来纠正。精度是冲 压件的基本要求之一，特别是对于一些重要的孔和型面，要求冲压件在这些地方 的精度必须保持在公差范围之内。 1 3 冲压件与车身的关系 冲压件是构成车身的基础，冲压件的冲压直接关系到车身的质量，而白车身 又是汽车上一个最重要的部件，决定了新车型的生产和销售前景，从这个意义上 来说，冲压件的好坏是非常重要的，几乎新车型的所有设计环节都与之有关系， 包括底盘部件的匹配、内饰的设计等也是以白车身即冲压件为基础的。在现代新 车型开发中，有一种新车型的开发是保持底盘和其他部件不变，只改变车身的结 构，从而达到新车型的开发，从这点我们也可以看出来冲压件的重要性。 车身是冲压件的最终目的。在实际生产中，通常在焊装厂内将冲压件焊接成 一个个组件，再将这些组件焊接成一个个分总成，接下来在总拼台上将这些分总 成焊接成一个白车身，最后经过调整、安装发动机罩、翼子板、车门等形成一个 完整的白车身，如图1 1 所示，所以，冲压件的目的就是形成一个完整的白车身。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容 本文的主要目的是结合本人在某汽车公司的工作经验，对车身冲压件的设计 方法和成型性分析方法进行系统的阐述。基于设计软件c a t i a ，分析发动机罩 内板的设计条件，对发动机罩内板进行设计，从而总结出车身冲压件的设计方法； 基于冲压成型仿真软件a u t o f o r m ，通过合理调整工艺参数，制定工艺补充和 压料面，对设计出的发动机罩内板进行成型性分析。 具体内容有： l 、对车身冲压件材料进行分析，通过对冲压材料重要参数和材料种类的描 述，分析冲压材料的选择方法； 2 、通过对发动机罩内板的设计分析冲压件设计的条件和方法，并总结出对 设计完成的冲压件进行校核的方法； 3 、对将要进行的冲压件成型仿真进行理论阐述，建立本构关系； 4 、通过合理调整工艺参数，制定工艺补充和压料面，对设计出的发动机罩 内板进行成型性分析。 1 0 武汉理工大学硕上学位论文 第二章冲压件材料的选择 冲压件所用材料一般为金属材料，主要有车身轻量化、强度和刚度、不断提 高的安全性、防腐、乘坐舒适性和外观质量的品质等要求【2 】。虽然，近年来轻质 材料的研究和应用日益广泛，但钢板材料以其自身的性能优势保持着车身材料首 选的位置，约占整车钢铁材料的7 0 ，钢板材料的主要优点为成本低，特别是相 对于塑料和轻合金，其次钢板材料具有加工难度小、强度高、成型工艺较为成熟 容易回收且对环境污染较小。 2 1 金属材料的冲压性能参数 大多数金属材料具有的弹性、塑性、冷加工硬化和热影响等性能，对冲压件 成型性有极大的影响，在冲压件设计时应该分析，选择合适的金属材料，以满足 车身结构性能、制造工艺和表面外观质量等要求，下面仅对一些重要的金属材料 性能参数做一下简单的陈述，这些参数主要由实验方法得出。 2 1 1 屈服点 当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材仍然继续发生明显的塑性 变形，此现象称为屈服，产生屈服现象的最小应力即为屈服点。 屈服点由以下公式求出： 仃s = f j 彳0 ( 3 - 1 ) 其中，仃s 一屈服点，m p n ； f 它一材料产生屈服现象时的载荷，； a o - - 材料的横断面积，朋所2 。 通常以试件产生标准距离长度的0 2 残余变形时的应力作为其屈服强度， 用口。铊表示。屈服点是金属材料将要发生显著塑性变形的标志，一般与拉伸类 成型性能成反比关系，且口。越低其成型性能的稳定性越高。 2 1 2 抗拉强度 金属材料在拉伸载荷作用下，材料破裂与未破裂的临界点处载荷是材料抵抗 破坏的最大抗拉力，所对应的应力为材料的抗拉强度，其计算公式如下： o b = f b a o ( 3 - 2 ) 其中，仃6 一抗拉强度，m p 口； 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 ，6 一拉断试件时的最大载荷，； 彳o 一材料的横断面积，嬲2 。 抗拉强度是金属材料重要的强度指标，在拉伸过程中，当载荷达到最大值即 上式中f 6 时，材料的变形由均匀变形阶段进入局部变形阶段，这种状态成为塑 性拉伸失稳。抗拉强度越高，材料成型性能较高，但所需要的成型力也越大。 2 1 3 屈强比 屈强比是指屈服点与抗拉强度的比值，即仃s & r b 。一般情况下，当材料的屈 强比小时，材料的屈服点低，进行冲压变形的范围较大，而且在曲面零件冲压成 型时，容易获得较大的拉应力，减小回弹和消除松弛，在一定的屈强比范围内， 屈强比小者适宜拉伸，大者适宜胀形。 2 1 4 均匀伸长率 均匀伸长率是指金属材料受外力作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的 百分比。计算公式如下： 万“= a l “l o ( 3 - 3 ) 其中：万”一均匀伸长率； a l 甜一试棒伸长的长度，m m ； o 一试棒原来的长度，m m 。 均匀伸长率也是评价板料成型的一个重要参数，较大的板料均匀伸长率对拉 伸类成型很有利，在一定条件下可能呈现正比关系。当均匀伸长率较大时，板料 具有较大的塑性变形稳定性，不易产生局部的较大变形而导致冲压件破裂。 2 1 5 硬化指数 大多数金属材料的硬化规律可以用下式表示： 盯= k c n ( 3 4 ) 其中：盯一应力值； k 一系数； s 一应变值： ，z 一硬化指数。 硬化指数，z 可以用多种方法求出，比较常用的有两点法，即通过测量某两点 的真实应力值盯和应变值f ，利用公式( 3 叫) 求出k 和n ，两点法的取值点对 结果有直接影响，因此，取值点必须在均匀变形范围内。，z 值大的板材，在加工 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 时冲压成型加工硬化剧烈，变形抗力增加较快，变形程度较为均匀，致使总体变 形程度增大，对拉伸类成型有利。 2 1 6 板厚方向性系数 板厚方向性系数为板材宽度应变与板材厚度应变之比，即： r = e b s t ( 3 - 5 ) 其中：，一板厚方向性系数； 占6 一板料宽度应变； 8 t 一板料厚度应变。 由于板材的厂值具有方向性，即在板平面不同方向上的，常不一样，这时可 以按平均值计算： f = 1 4 ( r 0 + 2 r 4 5 + r 9 0 ) ( 3 6 ) 其中：f 一厂的平均值； ，o 一与板材轧制方向成d 。方向上的厂值； ，4 5 一与板材s l n 方向成4 5 。方向上的，值； ，9 0 一与板材轧制方向成9 0 。方向上的，值。 ，较大时，表明材料在宽度方向上变形比较容易，在厚度方向上变形比较困 难，当材料伸长类成型时，板料的变薄量小，大有利于这种冲压成型，但实验 和理论都证明，当板料的，较大时，抗折皱性能好，拉深性能也好，板料的极限 拉深性能，l c 更小，所以，是压缩类成型的一个重要评定参数。 2 2 常用金属材料的冲压性能 金属材料是现代车身上使用最多的材料，具有深拉延时不易产生裂纹、易于 加工的优点。总体说来，车身用钢板应该具有良好的拉延性能、低屈服点、大的 延伸率、可焊接性和涂装性较好、表面平整较好等要求。 2 2 1 钢板 钢板是车身冲压件用量最大的材料【2 1 ，钢板的种类很多，在汽车设计时应该 根据车身要求选择使用不同性能的钢板，如防腐要求高的部位应该使用镀锌板， 承受应力较大的地方应该使用高强度钢板等。 ( 1 ) 冷轧钢板 按现行国家标准规定钢板分为薄板和厚板两种，凡厚度小于4 m m 的钢板叫 武汉理工大学硕士学位论文 做薄板，其余成为厚板。轧制薄板分为冷s l n 板和热轧刚板两种，其中冷轧钢板 具有尺寸精度高、表面平整、屈服点低、成型性较好的优点。 冷轧钢板的抗拉强度大约为3 0 0 m p 口，有一般用途的s p c c ，拉延用的s p c d 和深拉延用的s p c e 三种。表2 一l 为车身上三种冷轧钢板比较常用的部件。 表2 一l 车身上三种冷轧钢板比较常用的部件 钢板种类s p c cs p c ds p c e 前围板发动机罩内板后地板 部件名称前地板车门内板翼子板 顶盖前横梁后背门内板挡泥板 ( 2 ) 热轧钢板 热轧钢板的成分与冷轧钢板基本相同，但其机械性能、表面状况和尺寸精度 不如冷轧钢板，一般用于板厚较大且非外观件的板件。 ( 3 ) 不锈钢板 不锈钢板的特点是其强度和硬度比普通钢板大，所以其冲压加工力也比较 大；其次其表面光洁，对于一些对表面要求高的冲压件有利，但是在冲压成型中 容易划伤，加之不锈钢板冲压零件在成型后不再涂饰，因此表面划伤是不锈钢零 件冲压加工中一个比较突出的问题，现在工程上针对这个问题比较常用的解决方 法是在不锈钢板上铺上聚氯乙烯薄膜，保护不锈钢板的表面，防止划伤，而且还 能减少摩擦，提高其拉深性能。 需要注意的是，经复杂变形的不锈钢板冲压件，残余应力较大，可能在存放 期间会导致时效开裂，因此一般要求对成型后的不锈钢板零件及时进行热处理， 以消除其残余应力。 ( 4 ) 高强度钢板 高强度钢板是对普通钢板加以强化处理而得到的新型钢板，具有屈服点高和 抗拉强度高的特点，但其比重只有普通钢板的7 5 ，所以，高强度钢板对减小车 身重量和提高车身强度有极大的意义，并且可以降低耗能、提高汽车碰撞时的安 全性，现代轿车车身多使用高强度钢板。 高强度钢板的强化机制一般会在一定程度上牺牲其他的冲压性能，如伸长率 降低、回弹大、成型力增大，高强度钢板通常会减小冲压件的厚度，这样就导致 冲压件厚度减小后抗凹陷能力下降，但是随着近年来新型高强度钢板的研制和开 发，高强度钢板的成型性已有很大提高，被广泛的用来替代普通钢板来制造车身 的冲压件。 ( 5 ) 表面处理钢板 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 对钢板表面进行处理是提高车身钢板的防腐性最有效的手段之一，近年来表 面处理钢板已占车身钢板用量的6 0 8 0 ，有些轿车甚至全部使用表面处理钢 板。表面处理钢板是通过在普通钢板或高强度钢板上涂刷锌、锌合金、铝、铅锡 合金等防腐材料得到的，有单面和双面之分，在钢板一面上涂刷防腐材料即为单 面处理钢板，在钢板上下两面都涂上防腐材料即为双面处理钢板。 表面处理钢板最大的优点是耐腐蚀性、涂装性和装饰性都较好，缺点是随着 镀层的厚度增加，可能会对钢板的成型性和焊接性造成不良影响，一般来说，当 镀层超过4 0 9 m m 2 时，就不能保证钢板的成型性和焊接性，对焊接性的影响主 要是因为在焊接时，焊钳的电极头可能会被镀层污染，导致无法打焊，特别是当 镀锌钢板和普通钢板焊接时更是如此，所以在选择表面处理钢板的镀层厚度时， 要考虑到对成型性和焊接性的影响。 2 2 2 铝及其合金板 铝材是车身冲压件上用的最为普遍的一种非铁材料，其特点是塑性高、密度 小、热稳定性能好和回收利用率高。铝材有纯铝和合金铝两种，铝的纯度在9 8 以上的叫做纯铝，低于9 8 的叫做铝合金，纯铝的强度很低，不能满足车身冲压 件的强度要求，铝合金强度较好，是通过对纯铝进行合金化和热处理得到的，其 加工硬化指数比纯铝大，从而加工冲压力也比纯铝大，但在形状稳定性方面，铝 合金又比纯铝差。 在车身冲压件上使用铝合金，可以极大降低车身的重量，达到车身的轻量化 要求，如车身外板采用1 4 倍厚的铝合金板代替普通钢板，因为铝合金板密度仅 为钢板的1 3 ，因此，重量可以达到普通钢板的4 8 ，而车身内板采用铝合金板 时，因为空间尺寸其板厚可以和普通钢板保持一致，这样重量会达到普通钢板的 3 5 。铝合金在车身上应用的主要限制是成型性、焊接性、涂装、表面处理和成 本等方面相对普通钢板要差一些，需要进一步研究解决。 在应用硬化指数n 和板厚方向性系数，对铝及其合金板的冲压性能进行评价 时，铝材有时候会出现于钢板不用的规律。 2 2 3 铜及其合金板 铜及其合金板也是车身应用较多的非铁材料，铜的纯度在9 9 以上者称为纯 铜，其余的为合金铜，常见的合金铜有黄铜和青铜。纯铜的抗压缩失稳能力和拉 深性能都较差，在冲压中有时会出现比较严重的起皱现象；青铜的冲压性能很差， 加工硬化也比较剧烈，往往需要中间退火才能继续成型，所以，青铜在车身上的 应用比较少；铜及其合金板在车身应用最多的是黄铜，黄铜的冲压性能与晶粒尺 武汉理工大学硕士学位论文 寸有很大关系，通常不同晶粒度的黄铜适合于不同形式冲压件的制造，如5 0 a m 的黄铜适合于一般的拉深件，1 0 0 m 的黄铜适合于复杂的拉深件，通常，黄铜 的晶粒度在1 5 a m 一1 0 0 a m 之间变化，黄铜晶粒大小与冲压件冲压类型的对比 关系如表2 - 2 所示。 表2 - 2 晶粒大小与冲压类型对比关系 晶粒大小m 冲压类型 1 5 很浅的拉深 2 5 较浅的拉深 3 5 深拉深并且表面光泽 5 0一般深拉深 1 0 0复杂深拉深 需要注意的是，黄铜拉深件常会发生时效开裂，需要退火来消除内应力。 2 2 4 钛及其合金板 钛及其合金板应用最为广泛的领域是航天航空，在汽车制造中偶然会用到， 钛的抗腐蚀性高，可以耐大气、海水和许多化学物质的侵蚀。钛板的，较高，具 有较好的拉深性能，但是弯曲性能差，成型时需要极大的成型力，钛板冲压件的 冻结性差，有较严重的回弹现象，表面出现划伤时会比其他金属严重的多，并且 在制造钛板冲压件时容易损坏模具。钛板同铝板和铜板一样，具有纯钛和合金钛 之分，含钛9 9 以上的成为纯钛，含钛9 9 以下的称为合金钛，相对于纯钛来 说，冲压件冲压加工主要应用合金钛。 钛合金板冲压加工的主要特点是： ( 1 ) 钛合金的屈服点仃”抗拉强度仃6 较高，弹性模量e 小，因此，冲压所 需的成型力较大，冲压件的回弹现象比较严重； ( 2 ) 钛合金的屈强比仃s c r b 比较大，伸长率万“和硬化指数刀较小，拉伸类 成型性能不佳； ( 3 ) 强度和硬度都比较高，加工硬化较大，所以需要在冲压过程中需要中间 退火，为了消除零件的残余应力，还需要最终退火； ( 4 ) 板厚方向性系数，非常高，有较好的拉深性能； ( 5 ) 增加冲压件料厚对钛合金板的冲压成型性能改善很小，甚至有时候会起 到反作用。 在进行冲压件的设计时，应该根据冲压件使用条件、功能、强度要求等，参 考不同材料的属性和优点，根据金属材料的冲压性能参数合理选用冲压件材料， 1 6 武汉理工大学硕上学位论文 关于冲压件的条件、功能、强度等设计要求在下章车身冲压件的设计中会有详细 阐述。另外，在车身设计中也会用到一些非金属材料，如塑料、橡胶和车身玻璃 等，因为本文论述的主要是冲压件的设计和金属材料冲压件的冲压性能，所以， 这些非金属材料暂不在考虑范围之内。 2 3 本章小结 本章详细介绍了车身材料的重要参数，并讲解了这些参数的计算方法和对冲 压性能的影响，介绍了常用的车身冲压件材料，对这些常用材料性能进行比较， 提出它们的优缺点，为下文中冲压材料的选择建立基础。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第三章车身冲压件的设计 3 1 冲压件设计过程中需要注意的问题 3 1 1 功能 功能是车身设计中冲压件所要满足的首要条件，也是基本条件。一个冲压件 设计出来，如果不能满足它自身的设计要求，那么无论造型多么美观、强度如何 好，都是一个失败的设计，从这点来说，功能是一个设计者在设计冲压件时首先 想到的，是直接的和必须达到的目的。根据功能，车身冲压件可以分为外板、内 板、安装板和加强板等几种。而冲压件的功能又不是相互分离的，也就是说，通 常一个钣金件需要承担几种功能，如安装板必须兼起到加强的作用，内板兼起到 安装和加强的