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汽车制造工艺 南京航空航天大学 汽车由三大总成组成 底盘发动机车身其中底盘有四大总成 传动系行驶系转向系制动系汽车车身是 驾驶员的工作场所 运送乘客和货物的场所 Chapter1概述 一 汽车车身的功用与组成1 功用为了保证 驾驶员和乘客的乘车环境 装载货物 行车安全等 汽车车身应该具备以下功能 1 驾驶员工作便利 2 乘客和货物免受尘土 雨雪 振动 噪音和废气等侵蚀 3 汽车车身结构造型要能保证有效地 引导周围的气流 减少空气阻力和利于降低燃料消耗 提高汽车的行驶的稳定性 改善发动机的冷却条件 保证车身内部的通风良好 4 有利于保证行车安全 5 花色品种的多样性 2 组成主要包括 车身壳体 车门 车窗 前后钣金件 车身附件 汽车仪表和刮水器等 车身内外装饰件 座椅 通风 冷气 暖气等空调装置 二 汽车车身的类型通常根据车身壳体 1 按结构形式分为 1 骨架式2 半骨架式3 无骨架式2 按受力情况分为 1 非承载式2 承载式3 半承载式 三 轿车车身及其生产过程1 轿车车身有两厢式和三厢式车身 三厢式包括 车头 车前钣金件 车厢和行李舱 车后钣金件 将车厢和行李舱合并成一体 车后钣金件布置在车厢内部 即为两厢式车身 轿车一般无明显骨架 由内部钣金件和外部覆盖件装焊而成 分为承载式 图15 2 和非承载式 图15 3 车身 2 轿车车身的生产过程 图1 1 四 客车车身及其生产过程客车车身由前围 左右侧围 后围 顶盖和地板等六大片组成 1 类型 长头客车 已淘汰城市公共客车 要求地板低 车门多 便于上下车 长途客车游览客车 车窗尺寸大 视野宽 阶梯式地板 利于后排旅客的前视野 还有轻型客车 铰链式客车 大通道车 双层客车 2 车身结构其外型结构规则 具有完整的车身骨架 如图1 2所示 一般采用二氧化碳气体保护焊接而成 3 车身生产过程 图1 2 补1 2 五 货车车身及其生产过程货车车身分为驾驶室和车厢两部分 1 货车驾驶室有些货车驾驶室没有明显骨架 由外部覆盖件与内部钣件相互焊接而成 货车驾驶室只占汽车长度之小部分 不宜采用承载式结构 驾驶室通常以三点或四点悬置于车架上 由于悬置采用了橡胶衬垫或弹簧 故减轻了驾驶室振动和车架歪扭变形对驾驶室的影响 2 驾驶室结构类型可分为三种外形 参见图15 8 1 长头式 2 平头式 3 货车车箱由于运载的货物种类不同 车箱的结构亦不相同 各类车箱如图15 9所示 拦板式货箱普通拦板式货箱一般有四块高度为300 500mm的拦板 前板 后板和左右边板 和一底板 底板通过横梁支于下面的纵梁上 车箱纵梁借若干个U形螺栓夹紧在车架纵梁上 车箱拦板又分为三面开和一面开两种型式 三面开车箱 图15 9a和图15 9b 的左右边板和后板均借助若干个铰链安装在底板上并用栓杆和栓钩互相扣紧 一面开车箱又称低底板式车箱 图15 9c 其底板离地高度较低 冲压工艺是一种塑性加工的工艺方法 冲压工艺 指利用安装在冲压设备上的模具 对 金属 坯料施加压力 使坯料产生塑性变形或分离 从而获得一定形状 尺寸和性能的零件或毛坯的加工工艺方法 Chapter2车身冲压工艺2 1概述 冲压与铸造 锻造 切削加工等其它加工方法比较 具有下列优点 1 应用范围广可冲压金属材料 亦可冲压非金属材料 可加工小型零件 亦可加工大型零件 可加工简单形状的零件 亦可获得其它加工办法难以加工的复杂曲面零件 2 生产率高冲压大型零件 一台冲压设备的生产率可达每分钟几件 小件的高速冲压则可达每分钟上千件 3 质量稳定冲压件的尺寸精度是靠模具保证的 所以质量稳定 一般不需再机械加工就可满足装配和使用要求 一 冲压工艺的特点 4 省能冲压时不需要加热 也不像切削加工那样 将部分金属切成大量的碎屑而需要消耗很大的能量 5 材料利用率高冲压加工可做到少 无废料生产 还可以充分利用边角余料等 6 制件表面质量好冲压过程中材料表面不受破坏 因此制件表面质量好 7 易于实现机械化或自动化冲压操作简单 又是冷加工 有利于实现机械化或自动化 由于上述优点 所以在汽车车身制造中大量采用冲压加工 车身的绝大多数零件都是用冲压方法制造的 特别是大型车身覆盖件 由于其形状复杂 尺寸大 表面质量要求高等 采用冲压工艺来制造是其它任何加工方法都无法比拟的 但是 由于冲压模具的制造技术要求高 制造周期较长 成本高 在单件和小批量生产中的应用受到一定的限制 冲压工艺方法较多 人们习惯上按材料变形特点来将其分为 分离工序和成形工序1 分离工序 指将冲压件或毛坯沿一定的轮廓线相互分离 要能保证冲压件分离断面的质量要求 2 成形工序 指冲压毛坯在不发生破坏的条件下产生塑性变形 获得要求的制件形状 尺寸精度 包括位置精度和表面粗糙度等级 和所需要的力学性能的加工方法 汽车摩托车车身制造过程中常见的冲压工艺方法有 二 冲压工序的基本分类 表2 1 表2 2 一 材料的质量和冲压性能汽车车身冲压件的材料除了要保证足够的强度和刚性以满足车身的使用性能要求外 还必须满足冲压工艺的要求 冲压用材料的质量是冲压工艺中一个非常重要的因素 它直接影响到冲压工艺过程设计 冲压件的质量和产品使用寿命 还关系到冲压件的成本和组织均衡生产等 因此 一方面应提高冲压件的结构工艺性来改善冲压过程的变形条件 以降低对材料的质量要求 另一方面应选择具有适当冲压性能的材料 以适应冲压过程的变形要求 保证制件质量 2 2车身冲压用材料 材料的冲压性能是指材料对各种冲压加工方法的适应能力 冲压性能好的材料应是便于加工 容易得到高质量的冲压件 生产率高 一次冲压工序的极限变形程度和总的极限变形程度大 模具消耗低等 影响板料冲压性能的质量指标 力学性能 化学成分 金相组织 表面质量和尺寸精度等 1 力学性能 1 延伸率和均匀延伸率 材料的力学性能定义大家都很清楚 这里解释一下均匀延伸率 指试样在拉伸试验中 达到强度极限 即试样开始出现局部颈缩时的延伸率 因为颈缩后的塑性变形是不均匀的 它对冲压工艺的贡献不大 一般来说冲压成形过程都是在均匀变形范围内进行的 冲压件的尺寸越大 结构越复杂等 所用的材料应该有较大的均匀延伸率 否则容易拉穿试件 2 屈强比屈强比是材料的屈服极限与强度极限的比值 较小的屈强比几乎对所有的冲压成形都是有利的 屈强比较小 即材料的屈服极限较小或强度极限较大 材料的屈服极限较小时 材料塑性变形所需要的应力小 能够充分变形 对于弯曲件来说 回弹变形小 而拉延件起皱的趋势小 强度极限较大时 冲压件不易破裂 有利于提高极限变形程度 3 硬化指数常用金属材料在常温下的塑性变形过程中要出现硬化效应 使材料力学性能的强度指标 屈服极限和强度极限 随变形程度的加大而增加 同时使其塑性指标 延伸率和断面收缩率 低 也有少量金属材料在一定条件下具有加工软化特性 材料在塑性变形中 其变形抗力 即每一瞬间的屈服应力 随变形程度的变化可用硬化曲线来表示 在冲压生产经常用指数曲线来近似表示硬化曲线 硬化指数n又称为n值 它表示在塑性变形中材料的硬化程度 n值大 表示材料的变形抗力随变形的进展而增大的速度高 因此 在同样的条件下 n值大的材料在冲压成形中不易出现局部的集中变形和破坏 能扩展变形区 使变形均匀稳定 增大极限变形程度 材料的硬化对冲压性能也右不利的影响 硬化的结果使所需要的变形力增大 还限制了毛坯的进一步变形 如孔边缘部分材料硬化后容易在翻边过程中引起开裂 常用退火热处理来改善 图2 1 图2 2 补2 2 1 冲裁工艺是指利用冲裁模 在压力机上使板料的一部分与另一部分分离的一类冲压工艺 主要包括 剪切 切断 落料 冲孔 修边 切边 和切口等 1 冲孔 沿封闭的轮廓线分离 在工件上冲出所需形状和尺寸的孔 冲去的为废料 留在工作台上的是零件 2 落料 沿封闭的轮廓线分离 从板料上冲下所需形状和尺寸的零件或毛坯 冲下的是零件 留在工作台上的为毛坯 2 3冲裁工艺 补图2 3 1 一 冲裁过程分析冲裁是指冲压分离工序 板料受力是从弹性变形开始 经过塑性变形 以断裂分离结束 在冲裁过程中 冲裁凸凹模组成上下刃口 板料放在凹模上 在压力机 或冲床 压力作用下凸模逐步下降使板料发生变形 直至全部分离 完成冲裁 冲裁变形过程见图2 3 1 弹性变形阶段凸模接触板料后 开始向下压缩材料 使材料产生弹性压缩和弯曲变形 板料与凸模和凹模的接触处形成很小的圆角 随着凸模的继续压入 材料的内应力达到弹性极限 此时 凸模下的材料略有弯曲 凹模上的材料则向上翘 2 塑性变形阶段当凸模继续下行 材料的内应力达到屈服极限时 便开始了冲裁的塑性变形阶段 冲模间隙的存在 使材料除了有剪切变形外 还同时伴有弯曲和拉伸变形 随着凸模挤入材料的深度逐渐增大 即塑性变形程度逐渐增大 材料内部的拉应力和弯矩也都增大 变形区材料硬化加剧 直至凸 凹模刃口附近的材料应力集中 在拉应力作用下出现裂纹时 塑性变形阶段即告结束 此时冲裁变形力达到最大值 3 断裂分离阶段断裂分离阶段从材料在模具刃口附近出现微裂纹开始 随着凸模继续压下 已形成的上 下两面的微裂纹逐渐扩大 并向材料内延伸 当上下两条裂纹相遇重合时 材料便被剪断分离 图2 3 二 冲裁件的断面材料在冲裁时的应力应变及断面形状如图2 4所示 冲裁件的断面具有明显的区域性特征 包括塌角 光亮带 剪裂带和毛刺等四个部分 塌角 在凸模压入材料时 刃口附近的材料被牵连拉入变形而形成 光亮带 表面光滑 表面质量最佳 它是在塑性变形过程中由凸 凸模挤压切入材料所形成的 剪裂带 表面较粗糙 带斜度而不与板平面垂直 它是材料剪断分离时所形成的 毛刺 材料出现微裂纹时形成 随凸模的下行被拉长 并残留在冲裁件上 图2 4 1 材料的性能塑性差的材料断裂倾向严重 冲裁件断面大部分是剪裂带 靠塑性变形形成的光亮带和塌角所占比例小 毛刺也较小 而塑性好的材料则与此相反 2 板料厚度板料厚度是相对于模具间隙而言的 3 模具结构模具结构中对冲裁件断面质量影响最大的是模具间隙 微裂纹产生的位置并非正对着凸 凹模刃口 而是在离刃口不远的侧面上 这就导致冲裁件产生一定的毛刺 冲模间隙合适时 毛刺高度较小 另外 凸 凹模刃口锋利程度的影响也很大 以及压料力 凸模下对板料加反压力和模具润滑等都有影响 三 冲裁模间隙Z指凸 凹模之间的间隙 其对冲裁件的质量影响极大 同时影响 冲裁力 模具寿命 1 对冲裁件质量的影响1 对冲裁件断面的影响图2 5冲裁模间隙较大时 材料中的拉应力也较大 容易产生裂纹 塑性变形阶段结束较早 因此光亮带较小 而剪裂带 塌角和毛刺都较大 冲裁件的翘曲也较显著 间隙较小 情况刚好相反 间隙过大或过小均导致上 下两面的剪裂纹不能相交重合于一线 图2 5 2 对冲裁件尺寸精度的影响冲裁模间隙较大时 材料受拉伸作用大 冲裁后材料的弹性恢复也较大 因此 使落料尺寸小于凹模尺寸 冲孔孔径大于凸模直径 另一方面 冲裁模间隙较大使翘曲严重 而翘曲的弹性恢复使落料尺寸增大 冲孔孔径减小 与材料受拉伸的弹性恢复正好相反 冲裁模间隙较小时 材料受凸 凹模挤压力大 冲裁后材料的弹性恢复使落料件尺寸增大 冲孔孔径减小 2 对冲裁力的影响间隙正常时 冲裁过程中的冲裁力达到最大值之后急剧减小 这是因为可以使上 下裂纹重合 冲裁模间隙较小时 材料所受的弯矩和拉应力较小 材料不易产生断裂分离 因而使冲裁力增加 冲裁模间隙对卸料力和推件力的影响比较大 间隙增大后 从凸模上卸料或从凹模孔口中推出零件都更省力 3 对模具寿命的影响间隙较小时 凸模与被冲孔之间 凹模与落料件之间的摩擦较大 卸料和推件时的摩擦也较大 将加剧凸 凹模侧面的磨损 另外 模具刃口受压应力较大 还容易造成刃口变形 甚至崩刃 所以 常采用较大的冲模间隙来延长模具寿命 4 冲裁模间隙值的确定由于冲裁模间隙对冲裁件质量 模具寿命 卸料力 推件力和冲裁力的影响规律均不相同 因此不存在一个绝对的合理间隙值能满足各方面的要求 选定间隙值时通常只考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个主要因素 表2 3是依据冲裁时上 下裂纹重合而确定的合理间隙值 适用于汽车车身等尺寸公差范围较大的零件 表2 3 四 冲裁时各种力的计箅1 冲裁力冲裁力是指在冲裁中为使材料分离所需的最大冲压力 冲压力在冲裁过程中不断变化 在塑性变形阶段结束时达到最大值 与冲裁件的周边长度 板厚 材料力学性能 冲模间隙和模具刃口的利钝状况有关 1 平刃冲模的冲裁力 P KLt 式中P 冲裁力 N L 冲裁周边长度 mm t 材料厚度 mm 材料抗剪强度 MPa K 系数 系数K是考虑到冲模间隙的波动和不均匀 刃口的钝化 材料厚度及力学性能的波动等因素而给出的一个修正系数 一般可取K 1 3 对钢材来说 o 8 b P Lt b式中 b 材料的抗拉强度 MPa 2 冲裁力过大时 可以采取以下一些措施 1 加热冲裁 2 斜刃冲模和冲裁力图2 6 图2 6 表2 4 表2 5 四 冲裁件的结构工艺性1 冲孔形状应尽量简单 最好是规则的几何形状或由规则的几何形状 如圆弧和直线 组成 以方便模具的制造 2 避免过长的悬臂与狭槽 悬臂和狭槽的宽度b要大于材料厚度t的2倍 图2 7a 以增加模具相应部位处的强度 3 孔与孔之间或孔与零件边缘之间的距离a 图2 7b 受到模具强度和冲裁件质量的限制 不能过小 一般应取a 2t 且a 3 4mm 4 冲裁轮廓线的转角处要避免尖角 而采用圆弧转角 以避免模具在热处理或冲压时转角处开裂 防止尖角部位刃口磨损过快 在转角的夹角大于900时 圆角半径应大于 0 3 0 5 t 夹角小于900时 圆角半径应大于 0 6 0 7 t 如补图所示 5 冲孔尺寸不能过小 以保证冲裁凸模的强度和刚度 对于低碳钢 最小孔径应大于材料的厚度 6 冲裁件的外形应尽可能符合少废料或无废料的排样要求 以降低材料消耗 图2 7 补2 7 2 补2 7 3 补2 7 4 补2 7 5 补2 7 6 一 概述把平板毛坯 型材或管材弯成一定的曲率和角度 以形成一定形状零件的工序称为弯曲 弯曲成形在汽车车身制造中应用很广 图2 8是几种典型的弯曲件 在生产中 弯曲成形因采用不同的工具设备而形成不同的弯曲方法 如在普通压力机上使用弯曲模的压弯 折弯机上的折弯 滚弯机上的滚弯以及拉弯设备上拉弯等 各种弯曲方法虽然不同 但其变形过程和变形特点有一些共同的规律 下面主要对压弯进行分析 二 弯曲变形分析1 弯曲变形过程 2 4弯曲工艺 图2 8 图2 9 图2 10 2 弯曲变形特点由板料侧壁的坐标网格在弯曲变形前后的变化以及弯曲件圆角部分的断面形状 图2 10 可见 弯曲变形有以下几个特点 1 弯曲变形区主要在圆角部分 在直边部分 没有变形 仅在靠近圆角的直边部分有少量变形 2 变形区内 板料的外区 靠凹摸一侧的部分 受切向拉伸而伸长 bb弧长 bb间距 内区 靠凸模一侧的部分 受切向压缩而缩短 aa弧长3t 弯曲后 横断面几乎不变仍为矩形 图2 10d 3 弯曲变形时的应力与应变状态弯曲变形时的应力与应变状态如表2 6所示 窄板弯曲时 板料变形区内切向上的应力和应变为最大 且应力和应变的方向一致 内区的切向应力 1是压应力 切向应变 1是压缩应变 外区的切向应力 1是拉应力 切向应变 1是拉伸应变 由于窄板在宽度方向上能自由变形 所以材料在宽度方向上的应力接近于零 在宽度方向上 内区的应变 2是拉伸应变 外区的应变 2是压缩应变 在厚度方向上 由于外区的材料有向内移动的趋势 使内 外区都受到压应力 3作用 内区的应变 3是拉伸应变 外区的应变 3是压缩应变 由此可见 窄板弯曲变形区处于平面应力状态和立体应变状态 宽板弯曲时 切向和厚度方向的应力应变状态与窄板相同 但宽板在宽度方向上变形困难 宽度基本不变 内 外区的宽度方向应变都接近于零 内区宽度方向的应力 2是压应力 阻止材料变宽 外区宽度方向的应力 2是拉应力 阻止材料变窄 宽板弯曲变形区处于立体应力状态和平面应变状态 表2 6 图2 11 三 弯曲件的回弹1 回弹及其影响因素回弹是弯曲件质量的主要问题之一 和任何一种塑性变形一样 在外载荷作用下 弯曲件产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成 当外载荷卸除后 弯曲件的塑性变形保留下来 而弹性变形则完全消失 弯曲件的形状和尺寸都会发生与加载时变形方向相反的变化 图2 11 这种现象称为弯曲件的回弹 弯曲件回弹时 弯曲角由 变为 0 图2 11 弯曲半径由r变为了r0 通常用回弹角 来表示弯曲件的回弹程度 0 2 11 回弹角 越大 表示回弹越严重 影响回弹的因素主要有以下几点 1 材料的力学性能材料的屈服极限较大 弹性模数较小或硬化指数较大时 回弹角较大 2 相对弯曲半径r tr t越大 弯曲件的变形程度越小 但其中弹性变形所占的比例却越大 因此回弹角越大 3 弯曲中心角 弯曲件圆角部分的中心角越大 表示变形区的长度越大 回弹角也越大 4 弯曲力 弯曲方式当对毛坯施加的弯曲力超过弯曲变形所需的力时 就对毛坯有一个校正作用 这种校正弯曲比自由弯曲的回弹角小 校正力越大 回弹角越小 5 形状复杂的弯曲件若一次弯成 由于各部分互相牵制 回弹角减小 如双角压弯的U形件比单角压弯的V形件回弹角要小些 6 模具间隙在U形件的弯制中 模具间隙越大 回弹角就越大 此外 材料性能的波动 板厚的偏差等 都会引起回弹角的变化 2 控制回弹的措施由于塑性变形的同时总是存在着弹性变形 所以要完全消除弯曲件的回弹是不可能的 在生产中 可以采取一些措施来减少回弹或补偿回弹所产生的误差 弯曲回弹主要导致成形零件的形状和尺寸精度低 因此我们要设计合理的弯曲成形工艺和模具来降低回弹的影响 提高弯曲件的精度等级 具体是根据影响回弹的各个因素 先算出回弹角 以此来修正模具角度 补偿回弹产生的误差 减小回弹的措施 1 选用合适材料及改进零件局部结构弯曲零件的回弹量大小与板料的力学性能间有着直接的关系 加强弯曲件变形部位的刚度 例如 图2 12 压制加强筋 翻边 或采用较小的弯曲半径 以改变变形区材料应力 应变分布 不仅可以增加零件的刚度 而且可以减小弯曲回弹量 在满足产品使用要求的前提下 从弯曲件的结构设计上加以改进 增加变形部位的刚度和提高材料的塑料变形程度 以减轻回弹 图2 12 2 校正法弯曲成形终了时 板料坯料与模具贴合以后 对坯料施加一定的附加压力以校正弯曲变形区 迫使变形区内层纤维沿切向产生拉伸应变 这样经校正后的板料内 外层纤维都被伸长变形 卸载后 内 外层纤维都要缩短 其回弹趋势互相抵消 从而达到减少回弹量的目的 调整机械压力机滑块的下止点位置或延长油压机保压时间 从而改变校正力或增加校正作用时间 以控制回弹 3 改进模具结构在凸模上作出补偿角 图2 13 使弯曲件回弹后达到要求的形状尺寸 另外 做成弧形 图2 14 局部凸起 图2 15 突肩 图2 16 图2 13 图2 14 图2 15 图2 16 图2 17 图2 18 弯曲半径越小 板料的切向变形程度越大 如果弯曲半径太小 板料外区表面的变形将超过材料的许可范围而产生裂纹 在保证板料表面不发生破坏的条件下 工件能够弯成的内表面最小圆角半径称为最小弯曲半径rmin 影响最小相对弯曲半径rmin t的因素有 1 材料的力学性能材料的塑性越好 塑性指标 延伸率 断面收缩率 等 越高 其rmin t越小 2 弯曲线方向弯曲件的弯曲线与板料轧制方向垂直时 rmin t最小 弯曲线与轧制方向平行时 rmin t最大 如补图2 18 1所示 四 最小相对弯曲半径rmin t 3 板料边缘断面质量弯曲件毛坯在下料时产生的硬化使边缘的材料塑性降低 下料形成的毛刺使弯曲时应力集中 从而使rmin t值增大 4 弯曲中心角弯曲件上靠近圆角部分的直边也有一定的变形 可以起到减轻圆角部分的变形程度的作用 弯曲中心角越小 圆角部分的切向长度越小 这种减轻作用就越显著 rmin t就越小 5 板料厚度在相同条件下 板料厚度越小 切向应变在厚度方向上的变化梯度越大 厚度较小时 与切向变形最大的外表面相邻的部分变形较小 可以起到阻止板料外表面产生局部不稳定变形的作用 因而 可以允许较大的弯曲变形 板料厚度越小 rmin t就越小 表2 7给出了钢板的最小相对弯曲半径 补2 18 6 表2 7 弯曲件毛坯长度可以根据应变中性层在弯曲前后长度不变的特点来确定 即应变中性层的展开长度就是毛坯长度 应变中性层的位置与弯曲变形程度有关 当变形程度较小 相对弯曲半径r t较大 时 应变中性层在板料厚度的中间 其曲率半径为 r 0 5t 2 12 式中 应变中性层的曲率半径 mm r 弯曲件的弯曲半径 mm t 板料厚度 mm 当弯曲变形程度较大 相对弯曲半径r t较小 时 应变中性层不在板料厚度的中间 而是向内侧偏移 五 弯曲件毛坯尺寸的确定 生产中常采用经验公式来计算此时的中性层曲率半径 r Kt 2 13 式中 K 中性层位移系数 其值可参照表2 8选取 应变中性层的曲率半径确定以后 可由此算出圆角部分应变中性层的长度 将弯曲件各直边长度和各圆角中性层长度加起来就是毛坯长度 对于圆角半径很小 r 0 3t 的直角弯曲 可以利用变形前后体积不变的条件确定毛坯长度 考虑到圆角及其相邻的直边要变薄 通常用下式来计算圆角很小的直角弯曲件毛坯长度 L l xt 2 14 式中 L 毛坯长度 mm l 弯曲件各直边长度总和 mm x 系数 可取x 0 4 0 6 t 毛坯厚度 mm 表2 8 六 弯曲力的计算 弯曲力是设计冲压工艺过程和选择设备的重要依据之 由于影响弯曲力的因素很多 主要有 材料的力学性能 弯曲件形状尺寸 弯曲方法和模具结构等 很难用理论分析方法进行准确的计算 所以在生产中常采用经验公式来估算 自由弯曲时 图2 19 的弯曲力P可用下式计算 V形件U形件 图2 19 式中 P 自由弯曲力 N B 弯曲件宽度 mm t 材料厚度 mm b 材料的抗拉强度 MPa r 弯曲件内角弯曲半径 mm K 安全系数 一般取K 1 3 校正弯曲时 图2 20 的弯曲力P校可用下式计算 P校 qF式中 P校 校正弯曲力 N q 单位校正压力 MPa 按表2 9选取 F 材料校正部分投影面积 mm2 图2 20 表2 9 七 弯曲件的结构工艺性 良好的结构工艺性可以简化弯曲的工艺过程和提高弯曲件精度 弯曲件的结构应满足如下要求 1 弯曲件的圆角半径不能小于最小弯曲半径 否则会产生裂纹 圆角半径也不宜过大 否则回弹严重 不易保证形状和尺寸精度 2 弯曲件的直边长度不宜过小 其值应为h 2t 图2 21 h过小时 弯边在模具上支持的长度过小 不易形成足够的弯矩 很难得到形状准确的制件 零件的使用功能要求h很小时 可先加高直边 弯曲后再切掉 也可先在弯曲线上压槽 图2 21 以减小弯曲所需的弯矩 如果弯曲件直边侧面带有斜边 而且斜边到达了变形区 图2 22a 则在直边高度小于2t的区段不能弯曲到要求的角度 而且此处易开裂 必须改变零件形状 加高直边 使h 2 4 t 3mm 图2 22b 图2 21 图2 22 3 局部弯曲时 弯曲根部容易开裂 此时应减小不弯曲部分的宽度B 图2 23a 使其退出弯曲变形区 或者在弯曲部分与不弯曲部分之间切槽 图2 23b 4 弯曲有孔的板料时 如果孔位于弯曲变形区附近 则在弯曲时孔的形状会改变 因此 应尽量使这些孔分布在变形区以外 如果孔边至弯曲变形区太近 可在弯曲线上冲工艺孔或切槽 以减少对孔的影响 若对孔的精度要求较高 则应把孔的加工安排在弯曲工序之后 5 弯曲件形状应对称 以保证弯曲时板料不会因摩擦阻力不均匀而产生滑动 若工件不对称时 必须在设计模具时考虑增设压料板或定位装置 图2 23 补2 23 1 补2 23 2 补2 23 3 补2 23 4 补2 23 5 补2 23 6 拉深又叫拉延或压延 是利用拉深模将已冲裁好的平板毛坯 或将已压制的开口空心毛坯 浅的空心杯 压制成各种所需形状和尺寸的开口空心零件 板料厚度基本不变 的冲压成形工序 用拉深工艺可以制成筒形 阶梯形 锥形 球形 方盒形和其它不规则形状的开口空心薄壁类零件 如补图2 24 4所示 拉深件种类很多 形状各异 各种零件的变形区位置 受力情况 变形特点和成形机理等也不相同 甚至有本质的区别 因此确定工艺参数 工序顺序及设计模具的原则和方法也有很大差异 为了便于工艺分析 在设计模具时 可按拉深件的变形力学特点 将其分为 直壁旋转体 如圆筒形 零件 曲面旋转体 如球形 零件 直壁非旋转体 如盒形 零件和曲面非旋转体 如复杂曲面的汽车车身覆盖件 不规则形状 零件等四种类型 2 5拉深 拉延 补2 24 4 拉深变形特点 补2 24 1 1 圆筒形零件拉深的变形分析圆筒形零件的拉深是平板毛坯在凸模的作用于逐渐被压入凹模而形成圆筒的形状 下面来分析拉深前平板圆形毛坯上的一个扇形部分 图2 24a 在拉深过程中的变形特点 扇形毛坯的OC0D0部分在全部拉深过程中都与凸模端面相接触 始终保持其平面形状 基本上不产生塑性变形或只产生很小的塑性变形 最终成为圆筒形的底部 这个部分在拉深过程中把凸模的作用力传递给圆筒侧壁 起到传递拉深力作用 它本身处于两向拉应力状态 切向 径向 图2 25 在拉深过程中形成的圆筒形侧壁部分C D F E 图2 24b 是平板毛坯扇形的C0D0F0E0部分变形而成的 它是结束了塑性变形的已变形区 在以后的拉深过程中 这个部分起传递拉深力作用 一 直壁类零件的拉深 把凸模的作用力传递到平面法兰A B F E 部分 侧壁部分是单向拉应力状态 图2 25 平面法兰部分A B F E 图2 24b 是拉深时的主要变形区 它在径向拉应力作用下产生塑性变形 并向中心移动 逐渐进入凸 凹模之间的间隙而形成圆筒形侧壁 变形区在向模具中心移动时 圆周方向上的尺寸随之减小 由于受相邻材料的作用 在圆周方向上产生切向压应力 因此 变形区处于径向受拉和切向受压的应力状态 图2 25 变形区在切向产生压缩变形 其外边缘由初始长度R0 缩小为d 2 图2 24 变形区在径向产生伸长变形 由毛坯的初始尺寸R0一d0 2变为圆筒形的高度H H R0一d0 2 在拉深时 板料的厚度也发生变化 图2 26 在圆筒形拉深件的侧壁上部厚度增加最多 这是因为变形区的材料除了向径向延展外 在切向压应力作用下还向厚度方向流动 越靠毛坯外缘 加厚的趋势越大 在侧壁下端靠圆角处的厚度减小量最大 这是由于这个部位受拉应力作用的持续时间最长 这里是最容易被拉裂的危险断面 图2 24 图2 25 图2 26 拉深件毛坯除了在法兰部分产生主要的变形之外 还在凸模圆角处和凹模圆角处产生弯曲变形 板料进入凹模圆角区时要产生弯曲变形 通过凹模圆角区后又被反向弯曲而拉直 侧壁的拉伸作用使处于凸模圆角区的板料也有类似的双向弯曲变形 除拉裂 如补图2 26 3 4 以外 起皱 如补图2 26 5 与因为金属材料力学性能各向异性导致的拉深件的制耳或称凸耳不同 也是拉深中经常出现的一个主要质量问题 拉深变形区的板料在切向压应力作用下 很容易失稳而发生起皱现象 毛坯厚度越薄 拉深变形程度越大 就越易起皱 产生严重起皱后 材料不能流入凸 凹模间隙 毛坯会被拉断 即使轻微起皱 材料勉强进入凹模 也会在拉深件侧壁留下起皱的痕迹 影响其表面质量 最常用的防皱方法是在毛坯的法兰面上加压料圈 图2 27 使毛坯在压料圈与凹模面之间的缝隙中通过 单动压力机上 压料力Q是弹性压料装置的弹性力或气垫中的压缩空气作用力 双动压力机上的压料力Q则由压力机的压料滑块直接提供 图2 27 补2 27 1 补2 27 2 补2 27 3 补2 27 4 补2 27 5 1 拉深系数m由于各种拉深件的深度与直径的比值不同 有的可以只用一次拉深工序制成 也有需要进行多次拉深工序才能制成的 拉深的次数关系到拉深件的经济性和质量 拉深次数的确定 既要保证拉深能够正常进行 不发生拉裂或起皱 又要充分利用材料的塑性变形能力 在确定拉深次数和进行拉深工序过程设计时 通常用拉深系数作为计算的依据 拉深系数m是指拉深后的圆筒形零件直径d与拉深前毛坯直径D之比 m d D 2 18 拉深系数反映了拉深前后毛坯直径的变化量 和毛坯边缘在拉深时切向压缩变形的大小 是拉深变形程度的一种表示方法 m越小 表示拉深变形程度越大 2 圆筒形零件拉深工艺参数 对于第二次及其以后各次的拉深工序 拉深系数也用类似的公式表示 如图2 28所示 mn dn dn 1 2 19 式中 mn 第n次拉深工序的拉深系数 dn 第n次拉深工序后所得到的圆筒形零件直径 mm dn 1 第n次拉深工序所用的圆筒形毛坯直径 mm 为了减少拉深次数 通常希望采用尽可能小的拉深系数 但是当拉深系数过小时 毛坯变形区产生塑性变形就需要很大的拉应力 可能导致传力区产生不允许的塑性变形 甚至被拉裂 变形区也容易起皱 在保证变形区为弱区 使拉深过程能正常进行的条件下 可能采用的最小拉深系数称为极限拉深系数 表2 10是适用于低碳钢的极限拉深系数 图2 28 表2 10 影响拉深系数的主要因素 1 材料的力学性能强度高 塑性好 即屈强比 s b小 的材料 拉深性能好 拉深系数可取小些 2 材料的相对厚度材料相对厚度t D较大时 拉深过程中不易起皱 所需压料力小 拉深系数可取小些 3 模具圆角凸 凹模圆角半径较大时 毛坯在圆角处的弯曲变形小 拉深变形所需的拉应力相应减小 毛坯不易拉裂 因此拉深系数可以取小些 4 润滑毛坯与凹模 压料圈之间的润滑较好时 可降低毛坯侧壁所受的拉应力 拉深系数可以取小些 而毛坯与凸模之间的摩擦力有减小危险断面传递拉应力的作用 所以生产中常采用毛坯单面润滑法 实际上 具体为只润滑凹模腔和凹模上平面 2 拉深力拉深力和压料力是选择设备的主要依据之一 拉深力与拉深系数 材料的力学性能 零件的尺寸 模具的结构以及润滑等有关 生产中常用经验公式计算拉深力 P1 d1t bK1 2 20 Pn dnt bKn 2 21 式中 P1 Pn 分别为第一次拉深力和以后各次拉深力 N d1 dn 分别为第一次拉深和以后各次拉深所得到的拉深件直径 mm t 材料厚度 mm b 材料的强度极限 MPa K1 Kn 系数 可从表2 11和表2 12中查取 表2 11 表2 12 图2 29 3 压料力压料力的大小对拉深过程有显著的影响 压料力太小 防皱效果不好 压料力太大 会增加毛坯的内应力 增加拉裂的危险 通常取压料力稍大于防皱所需的最低值 可按下式确定 Q Fq 2 22 式中 Q 压料力 N F 拉深开始时的压料面积 mm2 q 单位压料力 MPa 单位压料力q值决定于材料的力学性能 拉深系数 板料的相对厚度和润滑等 一般说来 当板料的强度高 相对厚度小 拉深系数小时 必需的q值较大 对于深拉深用钢板 t0 5mm时 取q 2 5 3 0MPa 4 圆筒形拉深件毛坯尺寸的确定确定拉深件毛坯时 可以忽略毛坯厚度在拉深过程中的变化 按照拉深件的表面积与毛坯面积相等的原则计算毛坯尺寸 旋转体拉深件的毛坯形状是圆形的 如图2 30所示计算毛坯尺寸 先把拉深件加上切边余量 h 可按表2 13选取 再划分成若干个便于计算的部分 分别算出各部分的面积 相加后即得到拉深件的总面积 F 然后按下式计算出圆形毛坯的直径D 图2 30 表2 13 1 盒形零件的拉深变形特点盒形零件的拉深变形在性质上是与圆筒形零件相同的 变形区也是一拉一压的应力状态 但是圆筒形零件的拉深变形在周边上是均匀的 而盒形零件的拉深变形在周边上则是不均匀的 这就是这两种零件拉深的主要差别 盒形零件可以划分为长度分别为A 2r和B 2r的4个直边部分和半径为r的4个圆角部分 图2 31 若直边部分和圆角部分的变形没有联系 则盒形件的拉深就是由直边部分的弯曲和圆角部分的拉深所组成 但直边部分和圆角部分是一整体 必然有相互的作用和影响 协调变形 因此它们的成形不是简单的弯曲和拉深 两部分之间并不存在明确的界限 3 盒形零件的拉深 图2 31 拉深前 在毛坯表面上的圆角部分划上径向放射线与同心圆组成的网格线 在直边部分划上相互垂直的等距网格线 距离分别为l和h 图2 31 观察拉深后网格变化 可以了解盒形零件的拉深变形情况 拉深后 直边部分上的网格发生了横向压缩和纵向伸长 网格的横向尺寸 l3 h2 h1 h 由尺寸变化可以看出 直边部分的变形是不均匀的 不论是横向压缩还是纵向拉伸 都是直边中间部分变形最小 靠近圆角部分变形最大 靠近底部部分变形最小 靠近上口部分变形最大 拉深后 圆角部分的网格不是与底面垂直的等距离平行线 而是上口处距离大 底部距离小的斜线 上述现象表明 由于直边部分存在横向压缩变形 使圆角部分的拉深变形程度和变形引起的硬化程度都有所降低 变形所需要的径向拉应力也低于相同尺寸的圆筒形零件拉深 此外 在拉深过程中 变形区内直边部分材料的流动速度大于圆角部分材料的流动速度 直边部分材料流动对圆角部分材料流动的带动作用使圆角部分侧壁底部危险断面的拉应力有所降低 2 盒形件拉深的极限变形程度由于盒形件的直边部分缓解了圆角部分的变形程度 降低了危险断面的拉应力 因此 盒形件的极限变形程度大于圆筒形件 盒形件的相对圆角半径r B 图2 31 越小 直边部分的影响就越大 极限变形程度就越高 r B越大 直边部分的影响越小 而当r B 0 5时 盒形件变成圆筒形件 其极限变形程度也就是圆筒形件的极限变形程度了 盒形件初次拉深的极限变形程度可以用相对高度H r来表示 由平板毛坯一次拉深可能冲成的盒形件高度决定于盒形件的相对圆角半径r B 相对厚度t B和材料的冲压性能 对深拉深用钢板 可按表2 14查取一次拉深的最大相对高度 当t B0 015 且A B 2时 取表中较大值 假如盒形件的相对高度H r不超过表2 14中所列的数值 则盒形件可一次拉深成形 否则 必须采用多次拉深 表2 14 3 盒形件毛坯形状和尺寸的确定盒形件毛坯的确定也按照毛坯面积等于零件表面积的原则 此外 毛坯的形状还应保证材料在周边上的分布能够满足零件形成等高侧壁的需要 由于盒形件拉深时变形的不均匀性以及零件尺寸 材料性能 模具结构 工序数目等因素对变形的影响 现在还不可能比较精确地用理论计算来确定毛坯的形状和尺寸 生产中常利用一些简单的计算方法 经验公式初步确定一个供试验用的毛坯形状和尺寸 然后按试冲结果对毛坯形状和尺寸进行修正 拉深一般不可能得到上口十分平齐的零件 还要对其进行修边 一次拉深成形较浅的盒形件 可用下述方法初步计算毛坯的形状和尺寸 先将盒形件的直边按弯曲变形 圆角部分按四分之一圆筒形件拉深变形在盒形底部平面上展开 图2 32 得毛坯外形ABCDEF 直边部分的展开长度l l H 0 57rp 2 23 图2 32 式中 H 盒形件的冲压高度 即盒形件高度h与修边余量 h之和 mm 对于一次拉深成形 可取 h 0 03h 0 04h rp 盒形件底部的圆角半径 mm 圆角部分的展开半径R 此时的毛坯形状不具有圆滑过渡的轮廓 也没有考虑到材料由圆角部分向直边部分的转移 因此 再进行如下的修正 分别从BC的中点G和DE的中点H向圆弧R作切线 再用圆弧将切线和直边展开线联接起来 于是就得到毛坯的外形ALGHMF 对于需要多次拉深的较深的方盒形件 可以采用圆形毛坯 图2 33 其直径D 对于高度和角部圆角半径都较大的矩形盒 可以采用长圆形 图2 34 或椭圆形毛坯 毛坯窄边的曲率半径按半个方盒计算 即取R D 2 图2 33 图2 34 曲面形状零件包括球形零件 锥形零件 抛物面形状零件和其它复杂形状的曲面零件 车身覆盖件大多是复杂曲面零件 曲面形状零件拉深的变形区位置 受力情况 变形特点和成形机理都与圆筒形件拉深有很大的差别 下面以曲面旋转体零件为例来分析曲面形状零件的拉深特点 圆筒形件的拉深变形区仅仅限于压料圈下的法兰部分 即宽度为AB的环形部分 图2 35 而在曲面形状零件的拉深中 除了法兰部分为变形区外 毛坯中间半径为OB的圆形部分将由平面变为曲面 也是变形区 在很多情况下甚至是主要变形区 图2 36是一个曲面零件拉深后实测的变形分布结果 括号外的数字是纬向变形值 直径的变化量 括号内的数字是经向变形值 正号表示伸长 负号表示压缩 图中第5点在拉深前后直径没有变化 形成一个直径为D分界的分界圆 把毛坯的中间部分 即图2 35中的OB部分 划分成两个不同的变形区 分界圆以内的毛坯处于 二 曲面形状零件的拉深 两向受拉的应力状态 毛坯厚度变薄 表面积增大 其成形机理为胀形 分界圆以外的部分 即图2 35中的BF部分 毛坯处于经向受拉和纬向受压的应力状态 其成形机理为本身的拉深变形与内部的胀形变形 而在毛坯法兰部分 即图2 35中的AB部分 的应力状态和变形特点则完全与圆筒形件的拉深相同 由此可知 曲面形状零件拉深的成形机理同时存在着拉深和胀形两种形式 图2 35中的BF部分处于不与模具表面接触的悬空状态 抗失稳能力较差 拉深时在纬向压应力作用下容易起皱 这种毛坯中间部分起皱的现象时常成为曲面零件拉深时必须解决的主要问题 加大毛坯直径 增加压料力和采用有拉深筋的冲模都可以减小毛坯中间部分起皱的趋势 这三种措施的共同特点 都是用增大毛坯法兰边的变形阻力和摩擦阻力的方法来提高径向拉应力的数值 增大毛坯中间部分的胀形成分 从而减小毛坯中间部分受纬向压应力作用的区域 降低纬向压应力的值 图2 35 图2 36 一 胀形胀形是一种成形工序 在车身冲压生产中 胀形主要用于平板毛坯的局部成形 如在冲压件上压制凹坑 凸台 加强筋和文字等 胀形也是冲压的一种基本变形形式 常常与其它变形形式一起出现在复杂形状零件的冲压过程中 如曲面形状零件拉深时 毛坯中间部分就要产生胀形变形 在平板毛坯上局部胀形如图2 37所示 当毛坯外径较大 超过凹模孔径三倍以上时 由于毛坯外环发生切向收缩的阻力很大 外环成为相对的强区 而凸模直接作用下的毛坯部分则成为弱区 所以塑性变形就局限在这个范围里 胀形时 变形区内的板料处于双向拉应力状态 补图2 37 2 变形过程中 材料不向变形区外转移 也不从外部进入变形区内 变形区内板料形状的变化是由其厚度变薄 表面积增大来实现的 2 6其它成形工艺 图2 37 补2 37 2 由于胀形时板料处于双向受拉的应力状态 变形区的毛坯一般不会产生失稳起皱现象 冲成的零件表面光滑 质量好 由于胀形时在板料厚度方向上的拉应力分布比较均匀 内 外表面上的拉应力之差较小 因而制件形状稳定 回弹很小 容易得到尺寸精度较高的零件 所以 有时还采用胀形的方法对冲压成形之后的零件进行校形 以提高尺寸精度 对于曲率不大 比较平坦的车身覆盖件 也常用胀形方法或带有很大胀形成分的拉深方法 如模具采用具有很强作用的拉深筋 来成形 胀形的极限变形程度主要取决于材料的塑性 塑性越好 延伸率越大 极限变形程度就越大 此外 材料的硬化指数n较大 凸模圆角半径较大 或模具表面摩擦较小时 都有利于板料的变形均匀 可使胀形的极限变形程度提高 局部胀形的深度受极限变形程度的限制 为了避免裂纹产生 胀形深度不能过大 对于低碳钢 若用球形凸模 即图2 37中所示r d 2时 胀形可达到的极限深度约为h d 3 若用平端面凸模 胀形可达到的深度为h 0 15 0 20 d 具体数值取决于凸模的圆角半径r 在平板上压制加强筋可能达到的深度决定于材料的塑性和加强筋的几何形状 对于低碳钢 当加强筋断面具有圆滑过渡的形状时 压筋深度h可达到筋的宽度b的30 左右 即h 0 3b 用刚体凸模时 平板毛坯胀形力可按下式估算 P KLt b 2 26 式中 P 胀形力 N K 系数 可取0 7 1 0 变形程度大时取较大值 L 胀形区周边长度 mm t 板料厚度 mm b 材料的抗拉强度极限 MPa 翻边是在毛坯的平面或曲面部分上使板料沿一定的曲线翻成竖立边缘的冲压方法 车身冲压件常用翻边来作为焊接和装配面 用翻边来增加零件的刚度 用翻边使覆盖件边缘光滑 整齐和美观 翻边在车身冲压中的应用很普遍 按变形的性质 翻边可以分为伸长类翻边和压缩类翻边 伸长类翻边的切向变形是伸长变形 翻边后的板料边缘轮廓变长 压缩类翻边的切向变形是压缩变形 翻边后的板料边缘轮廓变短 当翻边是在毛坯的平面部分上进行时 又称为平面翻边 当翻边是在毛坯的曲而部分上进行时 称为曲面翻边 二 翻边 圆孔翻边 图2 38 和常见的非圆孔内凹曲线翻边 图2 39 属于伸长类翻边 圆孔翻边前的毛坯孔直径为d0 图2 38 翻边变形区是内径为d0 外径为D的环形部分 翻边过程中 变形区的内径在凸模作用下不断增大 直到等于凸模直径dp时 翻边结束 形成竖直的边缘 翻边过程中 变形区受切向拉应力和径向拉应力 两向拉应力作用 切向拉应力是最大主应力 径向拉应力值较小 它是由于毛坯与模具之间的摩擦而产生的 内孔边缘处于单向应力状态 它受到的切向拉应力最大 产生的变形也最大 是翻边破裂的危险部位 圆孔翻边的变形程度用翻边系数K来表示 K d0 D 2 27 1 内孔翻边 图2 38 式中 d0 翻边前孔的直径 mm D 翻边后孔的直径 若考虑板厚 可取板厚中线处的直径 mm 翻边系数K值越大 变形程度越小 K值越小 变形程度越大 翻边孔不致破裂所能达到的最小翻边系数称为极限翻边系数 极限翻边系数与许多因素有关 材料的塑性越好 极限翻边系数越小 材料的相对厚度越大 即d t越小 极限翻边系数越小 凸模工作边缘的圆角半径越大 极限翻边系数越小 毛坯孔边缘表面质量高 无撕裂 毛刺 硬化等现象时 极限翻边系数较小 低碳钢的极限圆孔翻边系数可按表2 15选取 非圆孔的翻边线是曲率变化的曲线 图2 39 在变形区内 翻边线的曲率半径越大 切向拉应力和切向伸长变形都越小 在直线上则仅在凹模圆角处产生弯曲变形 没有切向伸长变形 但由于曲线部分和直线部分是一个整体 曲线部分上的翻边变形在一定程度上扩展到直线部分 使直线部分也产生一定的切向伸长 从而曲线部分的切向伸长变形程度得以减轻 因此 非圆孔的 表2 15 极限翻边系数K 比圆孔的K小一些 其值可按下式近似计算 2 28 式中 K 圆孔的极限翻边系数 曲线部分的中心角 度 当 大于1800时 直线部分的影响已很不明显 此时应按圆孔翻边来确定极限翻边系数 圆孔翻边的毛坯孔径d0 图2 40 可按弯曲变形长度展开的方法做近似的计算 计算公式 2 29 式中符号的意义如图2 40中所示 图2 39 图2 40 外缘翻边有伸长类翻边 也有压缩类翻边 如图2 41所示的沿内凹曲线的平面翻边和如图2 42所示的曲面翻边是伸长类翻边 如图2 43所示的沿外凸曲线的平面翻边和如图2 44所示的曲面翻边是压缩类翻边 伸长类外缘翻边变形区内的应力状态与变形特点与圆孔翻边是相同的 但与圆孔翻边的不同之处是外缘翻边的应力和变形沿翻边线的分布是不均匀的 在翻边曲线的中间部分切向拉应力和切向伸长变形最大 而在曲线两端的边缘上切向拉应力和切向伸长变形都为零 切向伸长变形对毛坯在翻边高度上变形的影响 使翻边后的竖边高度中间小 两端大 而且竖边的端线不垂直 向内倾斜成一定角度 为了得到平齐一致的翻边高度 应