某轿车引擎盖外板拉深模具毕业设计及成形模拟

摘要............................................................. I 绪论 ............................................................... I I 汽车覆盖件的成形特点[7]. (3)

1 冲压件的工艺设计 (4)

1.1零件总体分析 (4)

1.2零件材料的选择 (4)

1.3冲压方向的选择 (5)

1.4 工艺补充部分的设计 (7)

1.6拉延筋的设计[1] (9)

2 拉深件成型工艺CAE分析 (10)

3 拉深模结构与零件设计 (13)

3.2拉深模材料的选择 (14)

3.3冲压设备的选择 (14)

3.3.1拉深力的计算 (14)

3.3.2压料力的计算 (14)

3.3.3冲压设备的选择 (15)

3.4模具操作 (15)

3.5 凹模结构 (16)

3.6凸模结构 (18)

3.8导向部分 (22)

3.9起吊装置 (22)

3.10拉深模的结构和原理说明 (22)

4 总结 (24)

致谢 (25)

参考文献 (26)

文献综述 (26)

通过对某轿车车身覆盖件的引擎盖外板拉深模具型面的设计,介绍了复杂型面拉深件拉深模具型面的设计流程,研究了复杂型面拉深件拉深模具型面的造型设计方法和原则。利用板料成形分析有限元软件Dynaform对引擎盖外板的拉深成形过程进行仿真模拟,探讨了仿真过程中出现的质量缺陷(如破裂、起皱、变形不足等)的原因,并针对这些现象对拉深模具型面进行优化设计改进。并根据仿真模拟结果,制造加工了合格的拉深件模具。对于复杂型面拉深件的拉深模具的设计和制造具有一定的指导意义。

关键词：车身覆盖件;冲压成形；模具；优化设计；

Abstract

The designing process of drawing die for complex surface drawing part in designing the drawing model of the automotive hood outer panel surface and the design method and principle were studied.The stamping process using the sheet metal forming analysis software Dynaform was simulated. The reason causing quality defect in simulation, such as cracking and wrinkle etc., was investigated. Based on these reasons, the design of drawing die surface for automobile hood outer panel was optimized. According to the simulated results, the qualified drawing die was made, which had a instructing meaning for the design and manufacture of drawing die for complex surface drawing part.

Key words: drawing model;punch molding;die;optimized

绪论

随着社会的快速发展，汽车已成为人类社会活动中不可缺少的工具，汽车工业已成为许多工业发达国家的支柱产业。汽车覆盖件的生产是汽车制造的一个重要生产过程。在板材冲压成形技术中，以汽车覆盖件为主要代表的大型薄板零件的冲压成形技术已发展成为一个很重要的组成部分

汽车工业发展趋势与汽车零件成形

汽车覆盖件是汽车车身的重要组成零件，分为外覆盖件和内覆盖件。外覆盖件指的是汽车车身外部的裸露件，这种零件的特点是涂装后不用再添加其他的装饰层，因此，对于外覆盖件的表面质量要求很高。

覆盖件的特点如下：

1）错误！未找到引用源。表面质量

覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美观，因此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美感的缺陷。覆盖件上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀，覆盖件之间的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。总之覆盖件不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。

2）尺寸形状

覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达出来，因此覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。主模型是覆盖件的主要制造依据，覆盖件图上标注出来的尺寸形状，其中包括立体曲面形状、各种孔的位置尺寸、形状过渡尺寸等，都应和主模型一致，图面上无法标注的尺寸要依赖主模型量取，从这个意义上看，主模型是覆盖件图必要的补充。

3) 刚性

覆盖件拉延成型时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。刚性差的覆盖件受至振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽车在高速行驶时就会发生振动，造成覆盖件早期破坏，因此覆盖件的刚性要求不可忽视。检查覆盖件刚性的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位声音的异同，另一是用手按看

其是否发生松弛和鼓动现象。

3）工艺性

覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。覆盖件的工艺性关键是拉延工艺性。覆盖件一般都采用一次成型法，为了创造一个良好的拉延条件，通常将翻边展开，窗口补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉延件。

汽车覆盖件的成形特点[7]

汽车覆盖件的要求和结构特点决定了其冲压成形特点。主要有：

1）一次拉深成形

对于汽车覆盖件来说，由于其结构复杂、变形复杂，其规律难以定量把握，以目前的技术水平还不能进行多次拉深工艺参数的确定，而且多次拉深易形成的冲击线、弯曲痕迹线也会影响油漆后的表面质量，这对覆盖件是不允许的。因此，汽车覆盖件的成形都是采用一次拉深成形的方法。

2）拉胀复合成形

汽车覆盖件的成形过程中的毛坯不是简单的拉深变形，而是拉深和胀形同时存在的复合成形。一般来说，除内凹形轮廓对应的压料面外，压料面上的毛坯的变形为拉深变形，而轮廓内部毛坯的变形为胀形变形

3）局部成形

轮廓内部有局部形状的零件冲压成形时，压料面上的毛坯受到压边圈的压力，随着凸模的下行而首先变形并向凹模内流动，当凸模下行到一定深度是，局部形状开始成形，并在成型过程的最终时刻全部贴模。所以局部形状外部的毛坯那一向该部位流动，该部位的成形主要靠毛坯在双向拉应力的变薄来实现面积的增大。即这种内部局部成形为胀形成形。

4）变形路径的变化

汽车覆盖件冲压成形时，内部的毛坯不是同时贴模，而是随着冲压过程的进行而逐步贴模。这种逐步贴模过程，使毛坯保持塑性变形所需的成形力不断变化，毛坯各部位面板内的主应力方向和大小、板平面内两主应力之比等受力情况不断变化。即毛坯在整个冲压过程中的变形路径不是一成不变的，而是变路径的。

1 冲压件的工艺设计

1.1零件总体分析

本次毕业设计的零件为某轿车的引擎盖外板零件。零件外表面为A级曲面，对零件的表面质量要求较高，为了防止多次拉深可能带来的表面质量破坏和下降，本覆盖件采用一次拉深。

本零件由形状复杂的空间曲面构造而成，型面大部分地方曲率半径较大，即使在曲率半径相对小的地方但其组成曲面的结构略显复杂。所以，为了能够通过拉深获得合格的零件，就需要从多个方面对冲压件进行设计。主要包括以下几个方面：选择合理的冲压方向、设计压料面、工艺补充面、设置拉深筋。

1.2零件材料的选择

该轿车引擎盖零部件大都是外形复杂，成形复杂，但受力不大的薄形件，采用模具成形工艺，材料的成形性能就成了主要矛盾，因此要求材料具有成形性、张紧刚性、延伸性、抗凹性、耐腐性等。产品设计时，通常根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。一般选用拉延性能优良的低碳冷轧钢板、超低碳冷轧钢板。

采用国产宝钢Stl4钢号的材料进行拉伸，材料为冷轧钢，又称特殊镇静钢，即非时效钢板，屈服点ós ≤240N.mm2，抗拉强度ób 为270～370N·mm2，伸出长率≥34%。冷轧铝镇静钢板具有一定的强度和很好的塑性，是目前汽车上最大量的冷轧钢板，由于钢中加入了铝，固定了钢中的氮，钢板冲压成形后，零件表面产生滑移线，称为非时效钢材。其材料力学性能如表2-1。

表1-1 s14钢的材料力学性能

弹性模

量

E(MPa) 泊松

比

屈服强

度δs

（MPa）

抗拉强度

K b（MPa）

应变强化系

数K（MPa）

硬化指

数n

各向异向指数

R00 R45 R90

2.10e5 0.3 170 270 570 0.26 1.77 1.16 1.04

1.3冲压方向的选择

1.3.1冲压方向对拉深成形的影响

汽车覆盖件拉深成形时，所选择的拉深冲压方向是否合理，将直接影响：凸模能否进入凹模、毛坯的最大变形程度、是否能最大限度地减少拉深件各部分的深度差、是否能使各部分毛坯之间的流动方向和流动速度差比较小、变形是否均匀、是否能够充分发挥材料的塑性变形能力、是否有助于防止破裂和起皱等质量问题的产生等等。

1.3.2选择冲压方向的原则

1）保证能够将拉深件的全部空间形状（包括棱线、肋条和鼓包等）一次拉深出来，不应有凸模接触不到的“死区”，也就是说要保证凸模能够全部进入凹模。

2）有助于减小拉深的深度、拉深深度太深，会增加拉深成形的难度，并且容易造成破裂、起皱等质量问题；拉深深度太浅，则会使材料在成型过程中得不到较大的塑性变形，覆盖件的刚度不够。所以，所选择的拉伸方向，应当使拉深件的深度适中，在充分发挥材料塑性变形能力的同时，也能够避免不必要的质量缺陷。

3）应该保证凸模和毛坯有着良好的初始接触状态，以减少毛坯和凸模间的相对滑动，有利于毛坯的变形，并提高冲压件的表面质量。

从本零件的3D模型图中可以看到：零件为对称件，则冲压方向选择在这条对称线上，有利于材料流动时产生相对平衡的应力，有利于材料的塑性变形；从模型的视图中可以看到，以 y轴为水平线，零件呈现出前高后低的状态，为了使拉深深度最浅且拉深各部分的拉深深度相对均匀，可以选择如图2-2 的拉深方向。由此，该零件的拉深方向得以确定。

图1-1 工作方向上的零件

图1-2工作方向上的零件

1.4 工艺补充部分的设计

1.4.1工艺补充部分的作用及其对拉深成形的影响

冲压方向确定之后，为适应拉深工艺的要求，对绝大数的汽车覆盖件将其形状、轮廓或深度进行工艺补充，创造出适合于拉深成形的良好条件。工艺补充有两大类：一类是零件内部的工艺补充，如补内孔破洞等；另一类工艺补充是沿零件的轮廓边缘展开的基础上添加上去的，它包括拉深部分的补充和压料面两部分，这种工艺补充是为了选择合理的冲压方向，创造良好的拉深成形条件而添加的。

工艺补充部分的设计是冲压工艺的重要内容。工艺补充设计的合理与否，也是冲压设计先进与否的重要标志，它直接影响到拉深成形时的工艺参数、毛坯变形条件，变形量大小，变形分布，表面质量，破裂，起皱等质量问题的产生等。

1.4.2工艺补充的设计原则

1）内孔封闭补充的原则，对内部有孔的零件，首先要将孔洞部分进行封闭补充，使零件成为无内孔制作。但若该部分属于内部的局部成形部分则要进行变形分析。一般这部分成形属于胀形成形，若其胀形变形超过材料的极限变形，需要在工艺补充部分预冲孔或切口，以减小胀形变形量。

2）简化拉深件结构形状原则，拉深件的结构形状越复杂，拉深成形过程中的材料的流动和塑性变形就越难控制。所以，零件外部的工艺补充要有利于使拉深件的结构、形状简单化，越接近于基本形状零件，冲压成形过程中的材料的流动和塑性变形就越容易控制。

1.4.3 该零件工艺补充部分的设计

轿车发动机盖外板表面为A级表面，为了避免多次拉深带来的缺陷，采用一次拉深成形。为了创造良好的拉深环境，需要对其进行工艺补充设计。由于该模型为3d模型，三维造型软件ug在曲线曲面方面功能强大，故采用该软件进行工艺补充面设计。

图1-3 拉深件工艺补充面

1.5压料面的设计

1.5.1压料面对拉深件的影响[4]

压料面是指凹模圆角以外的且在拉深开始时，凹模与压边圈压住毛坯的部分。它是工艺补充的一个重要组成部分，对汽车覆盖件的成形起着重要的作用。本零件的拉深件的压料面全部为工艺补充部分，有的拉深件的压料面则由零件的法兰部分和工艺补充部分共同组成。

在拉深开始前，压边圈将毛坯压紧在凹模上，拉深后，凸模的作用力与压料面上的阻力共同形成毛坯的变形力，使毛坯产生塑性变形，实现拉深成形过程。通过压料面的变化，可以使拉深件的深度均匀，毛坯流动阻力的分布满足拉深成形的需要。压料面设计得是否合理，直接影响到压料毛坯向凹模内流动的方向与速度、毛坯变形的分布与大小，破裂起皱等问题的产生。压料面设计不合理，还会在压边圈压料时就形成皱折、余料、松驰等。

1.5.2压料面的设计原则[4]

设计压料面是要考虑两种情况，一种是压料面的一部分就是拉深件的法兰面，这种拉深件的压料面的形状已定，一般不改变其形状，即使显了改善拉深成形条件而作局修改，也是在后工序中进行整形校正。另一种情况是压料面全部属于工艺补充部分（如本零件）。后一种情况下，主要以保证良好的拉深成形工艺条件为主进行压料面的设计。

1）压料面形状尽量简单化，以水平平面为最好。在保证良好的拉深条件下，为减工艺补充面 工艺补充面

工艺补充

面 工艺补充面