发动机盖内板模具设计与工艺模拟

1、. . . . 毕 业 设 计题 目： 发动机盖板模具设计与工艺模拟 30 / 33汽车发动机盖板模具设计与工艺模拟摘要随着汽车工业的发展，汽车外观质量的要求越来越高，汽车的换型时间越来越短。这就要求重视影响覆盖件的成形因素，提高覆盖件的成形质量，缩短覆盖件模具的开发时间。覆盖件主要通过拉深、切边、冲孔、翻边等工艺成形，其中拉深工艺是获得合格覆盖件的关键所在。合理的制定拉深成形工艺与设计拉深成形模具是提高覆盖件成形质量的有效措施。因此本文对覆盖件拉深成形过程的研究具有广泛的适用价值和重要的理论意义。 本文采用理论分析和有限元模拟技术相结合的方法，将CAD软件UG,板料成形模拟软件Dynafor

2、m结合起来，进行分析和研究。建立了汽车覆盖件的三维模型，完成了有限元分析过程。在建模过程中，利用CAE软件中的DFE模块对覆盖件模具进行模面设计；采用快速设置的方式对模拟过程中的各个参数进行定义；对发动机盖板拉深成形进行数值模拟，得到了覆盖件类零件成形过程的变形规律和影响因素，改善了工艺方案，改进了模具设计。以板料成形过程中的真实流动规律和变形力学特征，作为工艺参数分析和模具结构优化的参考，降低设计费用和时间，提高设计的精度和可靠性，最终形成一套可靠的数值仿真分析方案。关键词：汽车发动机盖板；成形模拟；DynaformSIMULATION OF AUTOMOTIVE ENGINE COVER

3、PLATE FORMING AND MOULD DESIGNABSTRACT With the development ofquality is higher and higher, theautomotive industry, the requirement of surfacetime of car-for-type is shorter and shorter. So itrequire that pay attention to the forming factors of panels, improve the quality ofpanel forming, reduce the

4、 time of die design. The crafts of panel forming are that drawing, clipping, punching, flanging andso on. Drawing is most important for the forming quality of panel. The effectivemeasure to improve the forming quality of panel is that design rational drawing diesand technology. Used the theoretical

5、and the finite element simulation method, and combinedthe CAD software UG and the sheet metal forming simulation softwareDynaform together, we completed the entire process from the establishment ofAutomotive Panel 3D model to the finite element simulation. In the modeling process,die face was design

6、ed by the use of DFE mold in CAE software for automobile engine cover plate; definedthe various parameters of the simulation with rapid tools. Using Finite Element Technique,deeply study the Automotive Panel forming process of deformation and impactfactors. Using the actual mechanical deformation an

7、d flow characteristics of sheetmetal forming process as a reference.Keywords: Automobile engine cover plate; forming simulation; Dynaform1 绪论1.1 课题研究的背景汽车覆盖件(简称覆盖件)是指覆盖发动机、底盘，构成驾驶室和车身的薄钢板的异形体的表面零件(称外覆盖件)和部零件(称覆盖件)1。覆盖件的质量与成形要求如下:外覆盖件表面上不允许有皱纹、磕痕、擦伤、边缘拉痕与其他破坏表面完美的缺陷。其上的装饰用棱线、筋条，要求清晰、平滑、过度均匀，两个件的衔接处的棱

8、线应吻合，不能参差不齐；覆盖件的轮廓尺寸、局部形状等尺寸应保证后续焊接装配或组装的互换性、准确性，保证车身外观形状美观一致；覆盖件的曲面形状和几何尺寸必须与主模型相一致；覆盖件要有足够的强度和刚度以保证车身抵御塑性变形和降低车身振动。由于汽车覆盖件具有上述特殊要求，所以作为生产制造覆盖件的汽车模具，与其它机械产品相比，汽车覆盖件模具的设计制造呈现出以下几个显著特点:一是汽车覆盖件模具是模具行业术含量最高、难度最大的复杂大型精密模具，是制造业术、劳动、资金最密集型的产业；二是汽车覆盖件模具对人才素质要求最高，不仅技术含量高，而且技术涉与面广，对经验依赖程度大，经验的多少将会直接影响到模具的周期和

9、质量；三是产品的单件唯一性，每一套模具几乎都是一次新的实验与探索。汽车覆盖件模具的上述特点决定了对模具人才的素质、专业能力要求非常高，而且对人才的需求量特别大。经过改革开放后二十多年的发展，虽然我国模具企业己经集聚了大批的汽车模具开发人才，但是，与外国相比，模具设计、制造高层次的人才还满足不了要求，技术水平上还存在一定的差距。技术人才的团队发展较慢，还沿袭“师傅带徒弟”的做法，使许多好的设计制造经验得不到全面应用与推广，所以针对可靠的设计制造经验和由这些经验总结而成的设计标准、规的总结势在必行。随着计算机辅助设计(CAD)技术的广泛应用，模具CAD技术也取得了较大的成就。但是，仍停留在通用CA

10、D软件的基础上，CAD的巨大潜力远远没有充分发挥2。通用的CAD软件还不具备模具专业的专业特征，所以模具设计效率提高幅度不大，成为制约模具发展速度的又一瓶颈，CAD技术在模具设计中的应用并没有实质性的飞跃。所以在通用CAD基础之上针对模具的专业性质开发出模具CAD模块，是解决当前问题的关键。1.2 汽车覆盖件模具的现状与发展趋势1.2.1 国外汽车覆盖件模具现状从80年代初开始，美国、日本的一些大型的汽车制造企业开始着手建立自己的覆盖件模具CADCAM软件。美国通用汽车公司依托UGII平台开发了Sheet Metal Design、Punch Press等钣金和冲压设计模块。福特汽车公司在其车

11、身设计的PDGS系统中开发了Stamping Engineering CADCAM模块进行覆盖件产品的工艺设计。日本丰田汽车公司于90年代初推出的汽车覆盖件模具CADCAM系统Die face CAD软件，它以人机交互的方式完成了工艺补充面、压料面、拉延台阶、拉延筋等覆盖件特有要素的造型，同时以几何分析为手段，从凸模接触区扩展行为、截面线形状变化，平均截面线长度变化率、局部伸长率等不同方面，对覆盖件的成形性进行评估，由此建立了“虚拟试模系统”。日本三菱汽车公司从80年代初期开始应用模具CAD技术，该公司的模具CAD系统实现了CAM系统的集成，其功能包括冲压方向的选择、模具型面设计、模具结构设计

12、和模具图的绘制等3。由此可见，软件的功能化和智能化将成为下个阶段的发展趋势。1.2.2 国汽车覆盖件模具现状我国模具 CAD技术研究起步较晚，20世纪80年代初才开始模具的研究4。除引进一批CAD系统外，国开发了一些拥有自主知识产权的软件，如华中科技大学开发了基于三维几何模型的UG级进模CAD/CAM软件NX一PWD和UG压铸模BOM提取系统，对基于UG的汽车覆盖件模具CAD/CAE/CAM技术进行了系统的研究推出的汽车覆盖件冲压成形快速分析软件队SZTAMP，基于改进的有限元逆算法和板壳单元，综合考虑了摩擦、压边力和拉伸筋等工艺条件，将产品设计、材料选择和工艺设计紧密联系起来，能够快速模拟汽

13、车覆盖件成形后的起皱，破裂和成形不足等缺陷，优化压边力、拉伸筋和摩擦等工艺参数。校核压料面和工艺补充面的合理性，提供最优的毛坯形状，从而可以为汽车覆盖件工艺设计和模具设计提供全面的解决方案；大学基于UG开发了汽车冲模标准件库5，并以先进冲压CAE技术为突破口，开发出一套包括冲压工艺设计和汽车覆盖件模具设计和制造的系列化软件。其冲压仿真CAE自动建模系统CADEM-I能够利用模具表面数控轨迹数据作为网格生成的几何数据源，使建模效率成倍的提高，对于汽车覆盖件成形，在同样精度下可使仿真模型网格单元减少近20%40%。冲压仿真CAE系统CADEM-II采用先进的理论和算法，在保证冲压件大变形计算精度的

14、前提下显著地提高了分析速度。冲压工艺分析与设计系统CADEM-III采用壳体失稳理论预测覆盖件成形中的起皱趋势，运用基于仿真的毛坯反算技术，实现了复杂零件的毛坯形状和尺寸的迭代反求；交大国家模具CAD工程研究中心开发的冷冲模CAD系统6；航空航天大学华正模具研究所开发的CAD/CAM系统CAXA7；中国工程物理研究院计算机应用研究所开发了CAD数据管理接口等8。与国外发达国家汽车行业相比，国大多数汽车行业的模具设计制造在 CAD/CAE/CAM技术上的应用还很不成熟，没有形成设计制造一体化的有机联系。各企业在三维软件的应用上还是“摸着石头过河”，还没有真正找到和总结出适合自己的一套方法和思路。

15、由于现使用的软件平台为通用平台，还无法实现对汽车覆盖件模具这样需要专业知识和经验的设计过程提供全面的支持，企业也仅仅是在这些平台上进行手工造型，完成模具的设计。由于模具结构的差异与唯一性，即使面对同一类型的模具设计，也需要设计人员按照同一流程完成设计过程，模具结构设计的效率很不理想。提高通用模具结构的自动化程度是的解决问题可行方案之一。国研究人员在汽车覆盖件模具快速设计系统方面已经做了大量研究工作，提出了多种快速设计理论9 ；模块化设计，参数化设计，特征化设计等等。1.2.3 发展趋势随着科学技术的不断发展与进步，伴随着人工智能技术、并行工程、参数化特征建模以与关联设计等一系列学科技术与模具工

16、业技术不断的紧密结合。今后新一代模具CAD/CAE/CAM系统正向着专业化、网络化、智能化和集成化4个方面发展10-13。(1)模具CAD/CAM的专业化程度不断提高随着模具工业的快速发展，近几年来世界各国的软件开发商投入了巨大的人力和物力，针对各类模具的特点，将通用的CAD/CAM系统改造为模具行业专用的系统，取得了较大成效。已投入使用的有美国UGS公司的级进模设计系统NX一PDW。以色列Cimarron公司的模具设计和制造系统Quick。英国DELCAM公司的塑料模设计和制造系统PS-Mold maker。法国MISSle1Software公司的级进模专用软件Top Progress。日本

17、UNISYS株式会社的塑料模设计和制造系统CADCEUS等。这些软件的技术特点是能在统一的系统环境下，使用统一的数据库，完成特定模具的设计。(2)基于网络的 CAD/CAE/CAM一体化系统结构初见端倪随着计算机技术的进步以与工业部门的迫切需求，国外一些软件开发商已能按实际生产过程中的功能划分产品系列，在网络系统下实现 CAD/CAE/CAM的一体化，解决传统混合型CAD /CAM系统无法满足实际生产过程分工协作的要求。例如英国DELCAM公司在原有软件DUCTS的基础上，为适应最新软件发展与工业生产实际推出了CAD/CAM集成化系统Delcos Power Solution，该系统覆盖了几何

18、建模、逆向工程、工业设计、工程制图、仿真分析、快速原型、数据编程、测量分析等各个领域。系统的每个功能模块既可独立运行，又可通过数据接口与其他系统相兼容，并能按使用要求进行组合，以便形成专业化的 CAD/CAE/CAM系统，做到开放性兼容性和专业化的统一。可以预计，模具CAD/CAE/CAM系统在今后几年将会逐步发展为支持从设计、分析、管理和加工全过程的产品信息管理集成化系统。(3)模具 CAD/CAE/CAM的智能化引人注目在现阶段，模具设计和制造在很大程度上仍然依靠模具工作者的经验，仅凭计算机的数值计算功能去完成诸如模具设计方案的选择、工艺参数与模具结构的优化、成型缺陷的诊断以与模具成形性能

19、的评价是不现实的。新一代模具CAD/CAE/CAM系统正在利用KBE(基于知识的工程)技术进行脱胎换骨的改造。如UG-II中所提供的人工智能模块 KF(Knowledge Fusion)。利用KF可将设计知识融入系统之中，以便进行图形的识别与推理。数值计算和人工智能技术的结合将是今后相当长时间一件十分艰巨而重要的工作。传统的模拟软件基本上都是被动式计算工具，分析前需要用户事先设计成形方案和确定工艺参数，分析结果常常难于直接用来指导生产，这在很大程度上影响了模拟软件的推广和普与。华中科技大学模具技术国家重点实验室在国产注射成型模拟软件HS以E6.10中成功地引入了人工智能技术，对于注射时间、注射

20、温度等具有连续取值空间的参数，采用人工神经网络进行优化，对于分析结果的解释和评价则采用基于规则推理的方法来处理。HS以E6.10的专家系统规则库以专家知识为基础涵盖了有关短射、流动平衡、熔体降解、温差控制保压时间、许可剪切应力、剪切速率和锁模力等方面的领域知识，在对分析结果进行综合和提炼的基础上驱动专家系统进行推理，对成型方案进行评价并在分析报告中输出具体的改进建议，其目标是将模拟软件由传统的“被动式”计算工具提升为新一代的“主动式”优化系统。(4)与先进制造技术的结合日益紧密模具 CAD/CAE/CAM技术在解决模具开发关键问题的过程中不断完善的同时，也在与先进制造技术的紧密结合中得到发展，

21、其涵日益丰富，外延不断扩大。例如，逆向工程是以实物模型为依据来生成数字化几何模型的设计方法，基于逆向工程的模具开发流程正走向成熟，并已成为模具开发的基本模式之一，流行的CAD/CAM系统(如Cimarron等)已提供专门的逆向工程功能模块。快速原型制造技术目前已从加工产品原型发展成能直接或间接制造功能零件和模具的快速成型制造，面向快速原型的CAD软件也日益专业化，各种文件的转换和STL文件的修复、处理、操作等功能日臻完善，形成了基于STL的CAD平台。虚拟现实 (Virtual Reality，VR)技术在模具CAD/CAM中的应用十分活跃，集成成形工艺模拟、模具装配与运动仿真的虚拟成形平台己

22、成为当前研究热点，基于国外虚拟设计制造软件(如ADAMS，Denel，Multiage等)的模具开发应用已开始出现。以因特网为代表的网络技术正在制造业中产生越来越大的影响，基于Internet的产品设计、模具开发、生产管理的异地协同开发制造模式己日益完善，基于Web的快速模具远程制造服务系统已初步应用，出现了以PTC公司的Win chill软件、Smart am公司的Smart Gateway软件等为代表的网络化制造的商业化软件产品。1.3 本文研究目的和意义汽车工业是国民经济的支柱产业，汽车的更新换代主要取决于车身的开发周期。而车身开发的关键在于汽车覆盖件模具的设计与制造。据统计，一辆客车或

23、轿车上约有80的零部件需要利用模具加工制造。一般汽车车身由数百个冲压件组成，冲压模高达1000套以上，模具的开发成本大约在2亿美元左右。同时，在车型设计-模具设计与制造-模具调试-产品投产的整个周期中，模具设计和制造约占23的时间，成为制约新车型快速上市的关键因素。本田汽车公司由于模具开发时间滞后了3天而损失了800万美元，丰田公司滞后18天损失高达5000万美元14。由此可见覆盖件冲压模具快速高效开发的重要性。而同一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点。覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。形状较复杂的覆盖件要经过多道工序的冲压才能完

24、成，但是覆盖件的质量好坏很大程度上受拉延模质量的控制，拉延模是冲出高品质外观件的关键，因此，大型覆盖件拉延模的设计和制造调试是汽车制造厂家和模具制造厂家必须攻克的一道难题。计算机辅助设计与制造(CADCAM)发展成为一个强大新兴行业，引起了制造业一场新的技术革命。应用模具CADCAM系统能够克服传统的模具设计与制造方法中所存在的问题，显示其优越的性能和广阔的前景：(1) 缩短制造周期。(2) 确保模具质量。(3) 提高技术人员的创造性和减轻工人的劳动强度。1.4 本文研究的主要容和方案1.4.1主要容 （1）对冲压件进行工艺分析。 （2）结合模拟软件进行拉延工艺过程模拟。 （3）确定汽车覆盖件

25、模具设计参数。 （4）完成典型拉延类冲件冲压模具设计，以优化汽车发动机盖板模具三维实体结构设计。1.4.2方案 （1）查阅国外的一些文献，了解冲压界的一些工艺设计，熟悉课题的工艺流程。 （2）利用Dynaform软件对冲压过程进行模拟。 （3）从模拟中出现的各种现象来确定汽车覆盖件模具设计参数。 （4）整理CAD全套设计图纸，完成模具设计。1.5 流程图对典型拉延类冲压件进行工艺分析对拉延过程进行模拟确定合理的冲压工艺参数对拉延缺陷成因分析与总结最终完成冲压模具设计参考文献2 冲压工艺分析2.1 汽车发动机盖板工艺分析汽车发动机盖板材料为DC54D+ZF镀锌板，料厚0.7mm,毛坯尺寸为170

26、0mm1060mm。汽车发动机盖板形状复杂，左右整体对称。图2.1为汽车发动机盖板三维造型图。该件形状复杂，拉延行程较长，达到200mm。要求工件表面光滑无褶皱，棱线清晰，刚度好。材料DC54D+ZF是一种热镀锌材料，强度低，塑性很高，其屈服强度为120220MPA；抗拉强度为260350MPA；断后伸长率不小于34%，所以常用于深冲，适合覆盖件冲压。图2.1 产品三维造型图2.2 工艺方案的确定对于该汽车发动机盖板而言，要想得出产品必须经过多道工序，包括拉延，冲孔，修边等等。汽车发动机盖板属于大批量生产，再根据零件的实际分析与加工特点，所以采用流水排线生产。对于覆盖件来说，其冲压性关键在于拉

27、延的可能性和可靠性，而拉延工艺性的好坏主要取决于覆盖件的形状，复杂的程度等等。对于拉延以后的工序，确定工序数和安排工序之间的先后顺序也是比较重要的。故有：方案一：拉延斜楔修边冲孔方案二：拉延冲孔斜楔修边 方案一中，在修边之后再冲孔非常有可能会带来板料的变形弯曲，从而影响产品的外观与质量，故而为了避免此类缺陷的产生，选用方案二，在冲孔之后进行修边工序。 汽车发动机盖板属汽车板件，而且面积比较大，因此模具尺寸较大，刚度要求较高，该件生产分三道工序：拉延（双动）=冲孔=斜楔修边。我主要负责的是第一道工序拉延模的设计。2.3 冲压方向的确定拉深方向的确定，不但决定了能否拉深出满意的覆盖件，而且影响到工

28、艺补充部分以与后续工序的方案。拉深方向的确定原则是：覆盖件本身有对称面的，其拉深方向是以垂直于对称面的轴进行旋转来确定的；不对称的覆盖件是绕汽车位置相互垂直的两个坐标面进行旋转来确定拉深方向的。前者平行于对称面的坐标线是不改变的，后者的拉深方向确定后其投影关系改变较大。经过确定拉深方向后，其坐标相互关系完全不改变的拉深方向称为处于汽车位置，其坐标关系有改变的拉深方向称为处于非汽车位置。此外，确定拉深方向必须考虑以下几方面的问题（1）保证凸模与凹模的工作面的所有部位能够接触（2）凸模开始拉深时与拉深毛坯的接触状态：开始拉深时凸模与拉深毛坯的接触面积要大，接触面应尽量靠近冲模中心。（3）压料面各部

29、位进料阻力要均匀：压料面各部位的进料阻力不一样，在拉深过程中毛坯有可能经凸模顶部窜动影响表面质量，严重的会产生拉裂和起皱。2.4 压料面的确定工艺补充必定要考虑压料面的选取，压料面即凹模圆角半径R凹以外的与板料想接触的那一部份，覆盖件拉深能否很好的成形，这是非常重要的影响因素。压料面分为两种，一种是压料面本身就是覆盖件的凸缘面，另一种压料面是由工艺补充部分生成，而压料面多数是曲面的。常见的压料面由平面、圆柱面、圆锥面等组成。压料面的形状是保证拉延过程中材料不破不裂和顺利成型的首要条件，所以压料面的选取是很重要的。压料面的选取应当考虑到压料面形状尽量简单化，其中以水平压料面为最好，并且压料面应使

30、毛坯在拉深成形和修边工序中都能可靠的定位，这是为了送料和取件方便，本次模具压料面形状简单，处于水平位置，采取水平压料，如图2.2所示。图2.2 压料面的设计2.5 工艺补充在拉延过程中，坯料必须是个完整的封闭的整体，不然拉延时由于受到复杂的拉深或收缩力的时候难以保证有开口处的形状不变形，进而形象产品质量。所以在修复数模的时候，需要将覆盖件上的窗口填平，开口部分连接成封闭形状，有凸缘的需要平顺改造使之成为有利成型的压料面，无凸缘的需要增补压料面，这些增添的部分称为工艺补充部分。工艺补充是拉延工艺不可缺少的部分，而在后续的工序中又不需要这些填补的部分，之后又需要将它们修切掉，所以工艺补充部分应尽量

31、减少，以提高材料的利用率，当然是在不影响拉延的情况下。工艺补充面和压料面的设计是否合理,是保证覆盖件成形质量的前提条件。它们的造型修改是否方便,是提高设计效率的重要途径。结合发动机盖板的外形与以上条件，其添加的工艺补充面外侧部分均为水平位置，如图2.3所示。图2.3 汽车发动机盖板工艺补充面2.6 本章小结 在进行模具设计工作之前，其工艺的分析是必须的步骤，它能指导模具的设计工作，优化设计过程，使得最终设计的模具能生产出合格的产品。工艺分析能够指导自己选择正确的进而最优的设计方案，最终节省成本与时间，对于模具制造业来说至关重要。另外确定工艺设计并不是自己一味地寻求最佳方案，而是要考虑到生产条件

32、和工件的可加工性再去选择最合适的方案。本章主要介绍了覆盖件模具的工艺设计，为后期模具设计做好了理论基础和指导方案。3 覆盖件冲压成形数值模拟3.1 Dynaform简介DYNAFORM是由美国ETA公司开发的用于板料成形模拟的专用软件包，可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间与试模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智能化自动工具，可方便地求解各类板成形问题。DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺与模具设计提供帮助；DYNAFORM专门用于工艺与模具设计涉与的复杂板成形问题；DYNAFORM包括板成形分析所需的与

33、CAD软件的接口、前后处理、分析求解等所有功能。3.2 家用汽车发动机盖板拉延成型模拟3.2.1 创建Dynaform数据库 启动Dynaform软件后，程序自动创建默认的数据库和文件Untitled.df。选择Filesave as菜单项，修改文件名，将所创建的数据库保存在自己指定的目录下。3.2.2 导入模型选择FileImport菜单项，将UG中导出的.igs的模型文件（如图3.1）导入数据库中，选择Partsedit菜单项，在对话框中修改零件层的名称为Die。图3.13.2.3 自由划分网格并检查和修补网格对导入的件进行网格划分，然后完成网格检查，对需要修补的地方进行修补。3.2.4

34、创建板料点击Tools菜单，选择Blank Generator下的Create Line，创建板料的边界框线，再点击Boundary Line，选择创建好的边界线，完成板料的创建。3.2.5 偏移Punch选择菜单Parts，点击Creat创建一个名为Punch的层。然后点击Preprocess，选择Element，在对话框中选择按钮，在Thickness栏里输入1.1mm。点击Select Element，在弹出的对话框中点击Displayed，点击OK完成偏移。3.2.6 创建压边圈选择菜单Parts，点击Creat创建一个名为Binder的层。点击Add to part，选好压边圈后点击

35、Apply按钮完成压边圈的创建（如图3.2）。图 3.23.2.7 分离压边圈和凸模将添加到Binder层后剩下的图形添加到Punch层即完成分离。3.2.8 参数设置选择菜单Setup，点击Autosetup，自动分配凸模、凹模、压边圈，并对板料进行设置，选择板料材料为DQ36，其他设置（如图3.3）所示。图 3.33.2.9 后处理读入结果文件d3plot到eta/Post。点击eta/DYNAFORM主菜单上的Postprocess菜单项启动eta/POST（如图3.4）。图 3.43.3 基于Dynaform的覆盖件冲压成形分析3.3.1 影响汽车覆盖件冲压成形的因素 影响汽车覆盖件冲

36、压成形结果的因素很多。在汽车覆盖件的冲压过程中，材料的流动阻力(简称约束力)对冲压结果的成败具有决定性的影响。约束力过小，则容易导致材料堆积严重甚至出现起皱现象，而约束力过大，则会导致材料被拉裂。压边力、拉延筋形式与尺寸、坯料初始形状等是常用的约束力控制手段，但对具体的冲压问题而言，究竟要提供多大的约束力才能获得满意的冲压结果的问题，至今没有一个明确的答案。为此，人们在模具设计中，普遍采用了预先提供大约束力的方法，然后根据试冲情况逐步将约束力降低到合适的围的“先紧后松”式设计方法，这种方法的科学性是显而易见的，以拉延筋为例，将提供大约束力的拉延筋打磨或采用其它方法后就能够使它所提供的约束力较小

37、，而要将能提供小约束力的拉延筋改变成能够提供大约束力的拉延筋，则在工艺上就具有很大的难度。目前，减少过大约束力的主要方法包括:减少拉延筋高度(如打磨)、增加模具间隙，如在压边圈与凹模之间增加垫片、增大拉延筋与配套拉延槽圆角半径(如打磨)、在拉延筋与配套拉延槽之间提供良好的润滑、修磨凹模与凸模上的所有棱边、尖角，避免应力集中等;而压力与坯料初始形状的选择，则需要更多的经验与知识。采用这些方法后，只要能够建立起相应的数值模拟分析模型，就可以比较方便地了解它们对冲压结果的影响情况。 汽车覆盖件是板材冲压成形加工中最复杂的冲压件，一般要经过拉伸、修边、翻边、冲孔等多道冲压工序才能得到一个成品零件。能否

38、得到合格的覆盖件，关键在于拉伸的可行性。首先，应从产品结构设计上考虑拉伸的可行性，如果产品设计不能变动，则应从拉伸件工艺上想办法，如改变冲压方向、改变调整工艺补充部分等。如果覆盖件能够进行拉伸，则对于拉伸以后的工序，仅是确定工序数和先后次序的问题。应注意拉伸序的工艺补充部分是拉伸件不可缺少的部分，拉伸后要将工艺补充部分修掉。工艺补充部分是工艺上必不可少的消耗，因而工艺补充部分的多少将会直接影响到材料的利用率与车身的制造成本。 拉伸工序作为覆盖件生产中最关键的一序，它的好坏、优劣将直接影响到能否得到合格的产品，拉伸与成形过程中经常出现的失效现象主要表现为破裂、起皱和回弹。针对这三种失效现象的分析

39、如下： 1.破裂的防止与控制 破裂是汽车覆盖件冲压成形过程中经常出现的质量问题之一，是拉伸失稳在薄板冲压成形中的主要表现形式15-17。在板料成形过程中，随着变形的发展，材料的承载面积不断缩减，其应变强化效应不断增加。当应变强化效应的增加能够补偿承载面积缩减时，变形稳定的进行下去;当两者恰好相等时，变形处于临界状态;当应变强化效应的增加不能补偿承载面积缩减时，即越过了临界状态，板料的变形将首先发生在承载能力弱的位置，继而发展成为细颈，最终导致板料出现破裂现象。 破裂的具体对策主要有：修正模具参数；选择合理的板料形状和尺寸；改变压边力；改善润滑条件；修正拉延筋的形状，参数以与布局；选择强度指标较

40、高的材料等。 2.起皱和面畸变问题的防止与控制 起皱是汽车覆盖件冲压成形过程中经常出现的质量问题之一，是压缩失稳在薄板冲压成形中的主要表现形式。在板料成形时，为使金属产生塑性变形，模具对板料施加外力，在板产生复杂的应力状态。由于板厚尺寸与其它两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不稳定的。当材料的压应力使板厚方向达到失稳极限时，材料不能维持稳定变形而产生失稳，此种失稳形式为压缩失稳。起皱发生时，皱纹的走向与压应力垂直。 一般来说，汽车覆盖件冲压成形过程中出现的起皱可以分为压应力起皱、不均匀拉应力起皱和剪应力起皱等类型。不同类型的起皱，是在不同的直接受力状态下产生的，其产生部位也不同，但我们不能简

41、单认为任何起皱都是压应力引起的。一般来说可以通过不同部位和受力状态来分析判断起皱的原因，实际解决起皱的问题可以从产品形状、工序设计、模具设计与制造、冲压技术与材料等方面着手，从而制定针对性的技术措施。 产品形状方面，在不损坏产品的性能和外观的前提下，通过改变产品形状，达到解决起皱的目的。大致可以从以下几个方面考虑:减小零件的拉深深度；避免零件形状的急剧变化；使零件横断面转角半径R、纵断面圆角半径R、局部的转角半径R合理化；减少平坦的部位；增设吸收皱纹的形状；台阶部分的合理化。工序设计与模具设计与制造方面，可采取的措施有工序的改变、合理的压料面形状与合适的拉延筋位置有形状等。如:法兰面上的毛坯产

42、生的其皱多是由于切向压应力过大引起的，可以通过加大压边力，或减小切向压应力的措施来解决;在凹模部产生的起皱有的是由不均匀的拉应力引起的，有的是由剪应力引起的，往往要通过改变压料面上的进料阻力分布(如改变拉深筋的布置或高度变化等)，以使其皱区拉应力的分布相对均匀，或使起皱区的剪应力减小，从而防止起皱的产生。材料方面，要使用合适的材料；使用低屈服点的材料；使用延伸率大的材料。 面畸变是指在汽车覆盖件表面上产生的很微小的局部凹凸(一般认为，局部凹凸的高度小于0.2mm时称为面畸变，大于0.2mm时称为起皱)。面畸变与起皱只是程度上的区别，在形成机理、产生原因、影响因素与防止措施等方面基本一样。防止面

43、畸变的手段就是要控制好面畸变产生区域在冲压成形中的贴模过程。 3.回弹问题的防止与控制 在板料冲压成形过程中，由于板厚方向应力差、塑性变形太小、纵断面的剪切应力和残余应力等原因都会引起覆盖件的形状精度不良。其主要现象有角度变化、壁部翘曲、扭曲、棱线翘曲与凸模底部的形状冻结等，在此统称“回弹”现象。 （1）从产品结构设计上控制回弹。在不影响装配和使用性能前提下，尽量在立面增加筋槽，适量减小圆角R(l.5倍的料厚时较好)，在圆角增加三角形加强筋，这样既增加了零件的刚性，又可减少回弹；改变截面形状、尽量避免立面为竖直面；尽量减小外板加强板与外板的贴合面积。 （2）从产品材料上控制回弹。采用屈服极限a

44、s低、弹性模数E和塑性模数E值大、硬化指数n值大的材料；采用厚度较大的毛坯。 （3）从冲压工艺上来控制回弹。通过CAE分析，了解各部分的回弹情况，并基于此对数学模型回弹型面进行补偿处理。 （4）从加工制造上来控制回弹。通过修正拉深筋、凹模圆角等措施增加压料面作用力，使凹模部的毛坯受到较大的附加拉力，产生较大的塑性变形，以改善变形不均匀分布情况;通过加大压边力、减轻润滑效果等措施增加凹模毛坯的附加拉力。3.3.2 拉延模调试中常见问题和解决方法 汽车覆盖件冲压成形数值模拟技术在近年来得到了迅速的发展，并日益呈现出其对汽车工业巨大的经济效益。应用数值模拟技术，一方面能够在模具制造之前，从理论上论证

45、成形的可行性，减少模具设计方案的风险，从而达到低成本、短周期进行模具的设计制造，另一方面还可以实现模具设计与工艺参数的优化，为模具工艺分析和设计提供指导。影响汽车覆盖件冲压成形结果的因素很多，在此针对拉延模调试中常出现的问题提出以下方法： (1)整圈破裂，表示材料不流动，可以通过改善压料面，保证凹肋与凹模圆角光顺、圆滑；放大凹肋两侧的圆角;适当降低压边力；适当加大凹模圆角；改善凸、凹模两侧的间隙等方法解决。 (2)局部裂口，可以局部放大凸、凹模两侧的间隙；在不影响修边尺寸的情况下，适当放大圆角R值；改变局部形状进行调整。 (3)对于局部起皱现象，在试验确定其效果后可在局部增加台阶棱；适当加大下

46、料尺寸；增高侧拉延肋的高度等方法解决。(4)大面积起皱时可以增大压边力；研修压料面，保证全面接触，允许稍有里紧外松的现象;增加拉延肋数量。以上3种方法如不见效，必须考虑改变冲压方向，修改压料面形状。3.4 本章小结 本章首先简单介绍了Dynaform这一软件，并以汽车发动机盖板为例，阐述了基于Dynaform环境下模拟时容易出现的各种问题，并给予了解决方案。4 汽车发动机盖板拉延模设计4.1 拉延模的设计4.1.1 模具结构的确定一般拉延模分为两大类：单动拉延模和双动拉延模。单动拉延和双动拉延最大的区别在于：双动压力机能通过单独的机构提供压边力，而单动压力机的压边力是通过凹模下行时作用在压边圈

47、上的反作用力提供的。外观上最大的区别在于：单动压力机的凹模在上面，压边圈和凸模在下面。双动压力机的凸模在上面，运动的时候压边圈先动，压边之后凸模再动。而拉延模的装配分为正装拉延模和倒装拉延模两种。正装拉延模的凸模和压料圈在上，凹模在下，它使用双动压力机，凸模安装在滑块上，压料圈安装在外滑块上，成型时外滑块首先下行，压料圈将毛料紧紧压在凹模面上，然后滑块下行，凸模将毛料引伸到凹模腔，毛料在凸模、凹模和压料圈的作用下进行大塑性变形。凸模与压料圈、凹模与压料圈之间分别装有、外导向装置。模具的外廓尺寸和闭合高度必须严格适应压力机技术参数的要求，设计时要慎重决定。形状复杂、深度深的覆盖件必须采用双动压力

48、机成型。 倒装拉延模的凸模和压料圈在下，凹模在上，它使用单动压力机，凸模直接装在下工作台上，压料圈则使用压力机下面的顶出缸，通过顶杆获得所需的压料力。形状简单、深度浅的覆盖件一般采用单动压力机来成型，这是因为单动压力机的压料力是靠机床下面的油缸获得的，油缸的压力和行程都比双动压力机小得多，它不能提供较大压料力和大行程的复杂深拉延件所需的成型力。其次，单动压力机所用拉延模的压料圈比较薄，刚性相对弱，亦不能适应复杂深拉延件的成型。本次汽车发动机盖板拉延模采用倒装双动拉延模，从节省材料，便于安装以与受力的角度来考虑，选择三大件的拉延模结构。图4.1 汽车发动机盖板模具结构4.1.2 凸模的结构设计汽

49、车发动机盖板拉延模的凸模结构与一般的拉延凸模结构差不多，汽车车顶上的装饰棱线、装饰筋条、装饰凹坑、加强筋等局部形状，一般都是在拉延模上一次成形，凸模表面即为拉延产品的表面，两者之间是相互吻合的。对于汽车发动机盖板而言，其表面复杂，形状基本对称，当这些形状成形的变形量较大，就会有破裂危险，此时可以加大成形局部形状的凸、凹模的圆角半径，然后在后续的修边等工序中进行校形，以达到覆盖件所要求的的形状和尺寸。汽车发动机盖板拉延凸模如图4.2所示。图4.2 凸模的结构4.1.3 凸模的尺寸设计凸模，对于拉延工序来说，是主要成形部份。除工艺上的要求外，其轮廓尺寸和深度即为产品图尺寸。该汽车发动机盖板工作部分

50、筋的厚度为50mm，下面的支撑筋取30mm,外围的壁厚40mm。为了减少加工量，但同时要保证凸模轮廓尺寸，缩短整修工时，在凸模上沿压料面一般有一段3080mm的直壁必须加工，而在这直壁之下会缩小距离10mm，既相比与直壁向退刀10mm。4.1.4 凸模的固定方式因为此模具结构为双动拉延，拉延凸模与下模座设计为一体的结构，模座再与工作台通过螺钉，压板槽连接。4.1.5 凸模材料的选用与技术要求由于汽车发动机盖板的外形尺寸较大，故而凸模尺寸也较大，通常采用铸造成形，且为中空式的壳状结构。同时在工作过程中要求凸模有较高的硬度和耐磨性时，采用表面火焰淬火等方法对凸模工作部分表面进行强化处理。此拉延凸模

51、选用材料为Cr6WV，表面淬火5055HRC.型面按数模加工，表面粗糙度为0.8。4.1.6 凹模的结构设计凹模的结构形式一般分为两种，闭口式凹模和通口式凹模。本次设计采用的是闭口式凹模。如果采取通口式的凹模，在冲压的时候上模坐会受到向上，斜向上的压力，对于凹模的寿命以与拉延产品的额质量造成影响，所以现在的拉延模基本都是采用闭口式凹模，即凹模底部的凹模口是封闭的，和上模座是整体，其结构如图4.3所示。图4.3 凹模的结构4.1.7 凹模的尺寸设计拉延模凹模的主要作用是提供了凹模压料面、凹模洞口、凹模圆角。凹模的压料面分为两种：一种是平面性状的，这种压料面制造简单，但是不能很好地防止起皱，也不能

52、很好的将板料均匀的送进凹模，因此只能用于形状简单的零件。另一种是曲面形状的，凹模压料面按压边圈设计，由于压边圈为曲面，因此凹模的压料面也为曲面，这对制造带来很大的困难，同时也增加了制造的费用，但是对于汽车覆盖件来说这是必须的因此选用曲面的压料面。一般情况下，凹模的圆角：R凹=（610）t（式中t为板料的厚度）。当压料面是覆盖件本身凸缘的一部分时则凹模圆角半径就是覆盖件要求的圆角半径。该模具拉延凹模圆角为4.27mm。4.1.8 凹模材料的选用与技术要求 汽车发动机盖板拉延模凹模，采用铸造成形（理由同凸模）且为中空式的壳状结构。要求凹模有较高的硬度和耐磨性，可以采用表面火焰淬火等方法对凹模工作部

53、分表面进行强化处理。此拉延凹模选用材料为Cr6WV，表面淬火5055HRC。凹模形面和轮廓按数模加工，表面粗糙度为0.8。4.1.9 压边装置的选择压边装置分为两种类型： （1）刚性压边装置，即在双动液压机用的拉伸件。刚性压边圈由顶杆固定在液压机下工作台上，每次冲压行程开始时，由顶杆先将压边圈顶起一定的高度，并在此不动，然后凹模下行，对拉延毛坯施加压力，这是凹模与压边圈一块下行，将毛坯拉延成顶盖所需要的形状。刚性压料圈的特点是，压料力不随拉伸的工作行程发生变化，压料效果好，模具简单，如图4.4。（2）刚性压料装置：弹簧式压料装置、橡胶式压料装置、垫式压料装置。图4.4 压边圈的结构4.1.10

54、 拉延模的导向拉延模的导向分为两种，导向和外导向，外导向是指压边圈和凹模之间的导向，导向是指压边圈和凸模之间的导向。常用的导向零件有导向板、导向块和背靠块三种。 对于拉延模来说，它不需要很精确地定位，只需要拉延导向时候的平稳，不需要导柱之类的导向零件。而同类型的导向零件中，箱式背靠块压料圈导向型式由于其刚性好，适用于外廓尺寸大而较常采用。导向形式如图4.5。图4.5 箱式背靠块导向型式4.1.11 卸料装置拉延结束后，拉深件常常会卡在凹模里，故而有时需要设置卸料装置来帮助卸料。取出拉深件的方法有很多，但是这根据生产批量的大小而有所不同；在小批量生产中，浅拉深件一般不设卸件装置；大批量拉深件卸料

55、装置的类型有弹簧顶出器在凹模压料面的适当位置，设置一组杠杆撬起装置气动顶件装置。由于该覆盖件为汽车发动机盖板，为汽车覆盖件，表面质量要求很高，且生产方式为大批量流水线生产，所以选用气动顶件装置顶料。4.1.12 限位装置（1）合模限位块合模限位块又称调整块，目的就是使压料圈周围保持均匀合模间隙，分别装在压料圈四个角上，所有拉延模必须装四块调整块，从而保证均匀压料力，调整块采用工具刚制造并淬火，结构如图4.6所示。图4.6合模限位块结构示意图（2）存放限位块存放限位块是用于存放模具的时候，目的是为了使弹性元件不失去弹力，或者有时候防止模具在存放的时候合模会造成的一些不必要的碰撞。其厚度要保证橡胶

56、不受压缩而处于自由状态。如图4.7所示。图4.7存放限位块示意图4.1.13 起吊装置模具的起吊装置是用于模具翻转，装载等等情况下需要掉起的时候。模具起吊时，考虑到模具在起吊过程中的平稳性和安全性，起吊装置的结构做如下规定：装置的间距应大于模长的60%。模具重量大于6t时，模具起吊装置采用插销结构。模具重量小于6t时，模具起吊装置用吊柄结构。模具零件重于15kg或取放不方便时，其上均要设置起吊孔，起吊孔原则上采用M16或M20公制螺纹。本模具外形较大，重量在6t以上，故采用的起吊装置为插销结构，结构如图4.8所示。图4.8起吊装置示意图4.2 工艺计算4.2.1 拉延力的计算毛坯材料为DC54

57、D+ZF，厚度为0.7mm，查表可知：b大约为450MPa，从选择设备的角度考虑，该处取上限值450MPa。又参考，K为修正系数，由拉深系数m确定，一般取1.3，l为冲裁件周边长度，t为料厚。计算得：P拉延力=1.3（1477+863）20.7450=1916460N4.2.2 压料力计算由参考文献2中表4-15，得Q压料力=Ap，A为在压料板下毛坯的投影面积，为单位压边力。查参考文献2中表4-16，p为2.53.0MPa，从选择设备的角度考虑，该处取上限值3.0MPa，A可在UG软件的分析功能中选用测量面来自动获得。Q压料力=Ap=3.0（170010601477863）=1582047N顶件力：由参考文献得：Q顶件力=K顶Q