大型覆盖件的成形工艺及模具设计.docx

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大型覆盖件的成形工艺及模具设计

6.7大型覆盖件的成形工艺及模具设计

覆盖件主要是指覆盖汽车发动机和底盘、构成驾驶室和车身的一些零件，如轿车的挡泥板、顶盖、车门外板、发动机盖、水箱盖、行李箱盖等。

由于覆盖件的结构尺寸较大，所以称为大型覆盖件。

除汽车外，拖拉机、摩托车、部分燃气灶面等也有覆盖件。

和一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为空间曲面且曲面间有较高的连接要求、结构尺寸较大、表面质量要求高、刚性好等特点。

所以覆盖件在冲压工艺的制定、冲模设计和模具制造上难度都较大，并具有其独自的特点。

6.7.1覆盖件的成形特点和主要成形障碍

一、覆盖件的特点

覆盖件的一般成形过程如图6-39所示，成形过程包括：

（a）坯料放入，坯料因其自重作用有一定程度的向下弯曲；（b）通过压边装置压边，同时压制拉深筋；（c）凸模下降，板料与凸模接触，随着接触区域的扩大，板料逐步与凸模贴合；（d）凸模继续下移，材料不断被拉入模具型腔，并使侧壁成型；（e）凸、凹模合模，材料被压成模具型腔形状；（f）继续加压使工件定型，凸模达到下死点；（g）卸载。

由于覆盖件有形状复杂、表面质量要求高等特点，与普通冲压加工相比有如下成型特点：

（1）成形工序多。

（2）覆盖件成形是拉深、胀形、弯曲等的复合成形。

不论形状如何复杂，常采用一次成形。

（3）由于覆盖件多为非轴对称、非回转体的复杂曲面形状零件，不均匀，拉深时变形主要成型障碍是起皱和拉裂。

为此，常采用加入工艺补充面和拉伸筋等控制变形的措施。

（4）对大型覆盖件的成形，需要较大和稳定的压边力，所以其拉深广泛采用双动力压力机。

（5）为易于拉深成形，材料多采用如08钢等冲压性能好的钢板，且要求钢板表面质量好、尺寸精度高。

（6）制定覆盖件的成形工艺和设计模具时，要以覆盖件图样和主模型为依据。

主模型是根据定型后的主图版、主样板及覆盖件图样为依据制作的尺寸比例为1:

1的汽车外形的模型。

常采用木材和玻璃钢制作。

主模型是覆盖件图必要的补充，只有主模型才能真正的表示覆盖件的信息。

由于CAD/CAM技术的推广应用，主模型正在被计算机虚拟实体模型所代替。

传统的油泥模型到主模型的汽车设计过程，正在被概念设计、参数化设计等现代设计方法所取代，大大缩短了设计与制造周期，提高了制造精度。

二、覆盖件的主要成形障碍

由于覆盖件形状复杂，多位多为非轴对称、非回转体的复杂曲面形状零件，因而决定了拉深时的变形不均匀，所以成形时的起皱和开裂是其主要成型障碍。

1.覆盖件成形时的起皱及防皱措施

在图6-39所示的覆盖件拉深过程中，当板料与凸模刚开始接触时，版面内就会产生压应力。

随着拉深的进行，当压应力超过允许值时，板料就会失稳起皱。

图6-40给出了材料面内受力与起皱皱纹方向之间的关系。

根据受力与皱纹方向之间的关系，可以定性判断覆盖件拉深起皱时板料面内的受力及其变形情况，并制定出减皱防皱的相应措施。

生产实际中，从覆盖件的结构、成形工艺以及模具设计多方面采取相应的防皱措施。

对于形状比较简单，变形比较容易的零件，或零件的相对厚度较大（因薄板的临界起皱压应力近似与板厚的平方成正比）的零件，采用平面压边装置（或不用压边装置）即可防止起皱。

对于形状复杂，变形比较困难的零件，则要通过设置合理的工艺补充面和拉深筋等方法才能防止起皱。

2.覆盖件成形时的开裂及防裂措施

覆盖件成形时的开裂是由于局部拉应力过大导致局部有较大的胀形变形而开裂。

开裂主要发生在圆角部位，开裂部位的厚度变薄很大。

如凸模与坯料的接触面积过小、拉深阻力过大等，都有可能导致材料局部胀形变形过大而开裂。

也由于拉深阻力过大、凹模圆角间隙过小等原因造成的整园破裂。

为了防止开裂，应从覆盖件的结构、成形工艺以及模具设计等多方面采取相应的措施。

从覆盖件的结构上可采取的措施有：

各圆角半径最好大一些，曲面形状在拉深方向的实际深度应浅一些，各深处应均匀一些，形状尽量简单且变化尽量平缓一些等。

在拉深工艺方面采取的主要措施有：

拉深方向尽量使凸模与坯料的接触面积大，合理的压料面形状和压边力使压料面各部件阻力均匀适度，降低拉深深度，开工艺孔和工艺切口等。

在模具设计上，可采取设计合理的拉深筋，采用较大的模具圆角，使凸模和凹模间隙合理等措施。

6.7.2覆盖件冲压成形的工艺设计

一、确定冲压方向

覆盖件的冲压工艺包括拉深、修边、翻边等多道工序，确定冲压方向应从拉深工序开始，然后制定以后各工序的冲压方向。

应尽量将各工序的冲压方向设计成一致，这样可使覆盖件在流水线生产过程中不进行翻转，便于流水线作业，减轻操作人员的劳动强度，提高生产效率，也有利于模具制造。

有些左右对称且轮廓尺寸不大的覆盖件，采取左右件整体冲压的方法对成形更有利。

1.拉深方向的确定

拉深方向的确定，不但决定了能否拉深出满意的覆盖件，而且影响到工艺补充部分的多少，以及后续工艺的方案。

拉深方向的确定原则是覆盖件本身有对称面时，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垂直的两个坐标面进行旋转来确定拉深方向的。

此外，确定拉深方向必须考虑以下几个方面的问题：

（1）保证凸模与凹模工作面的所有部件能够接触为保证能将制件一次拉成，不应有凸模接触不到的死角或死区，要保证凸模与凹模的工作面的所有部件都能接触。

图6-41所示为覆盖件的凹形决定了拉深方向的示意图，图（a）所示的拉深方向表明凸模不能进入凹模进行拉深，图（b）所示为同一覆盖件经旋转一定角度后所确定的拉深方向使凸模能够进入凹模拉深。

图6-42所示为覆盖件的反拉深决定了拉深方向的示意图。

（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。

图6-43所示为凸模开始拉深时于拉深毛坯的接触状态示意图。

图6-43（a）所示由于接触面积小，接触面与水平面的夹角α大，接触部位容易产生应力集中而破裂。

所以凸模顶部最好是平的，并成水平面。

可以通过改变拉深方向或压料面形状等方法增大接触面积。

图6-43（b）所示上图由于开始接触部位偏离冲模中心，在拉深过程中毛坯两侧的材料不能均匀拉入凸模，且由于毛坯可能经凸模顶部窜动而使凸模顶部磨损快，并影响覆盖件的表面质量。

图6-43（c）所示上图由于开始接触的点既集中又少，在拉深过程中毛坯可能经凸模顶部窜动而影响覆盖件的表面质量。

同样可以通过改变拉深方向或压料面形状等方法增大接触面积。

图6-43（d）由于形状上有90°的侧壁要求决定了拉深方向不能改变，只有使压料面形状为倾斜面，使两个地方同时接触。

（3）压料面各部位的进料阻力要均匀若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而影响表面质量，严重的会产生拉裂和起皱。

图6-44所示为微型双排座汽车立柱的上段，若将拉深方向旋转6°，是压料面两端一样高，则进料阻力均匀，凸模开始拉深时与拉深毛坯的接触部位接近中心，拉深成形好。

要使压料面各部位的进料阻力均匀，除了通过设计合理的压料面形状和拉深筋等措施外，拉深深度均匀也是主要条件。

此外，还要使凸模对应两侧材料的拉入角尽量相等。

2.修边方向的确定及修边形式

（1）修边方向的确定所谓修边就是将拉深件修边线以外的部分切掉。

理想的修边方向是修边刃口的运动方向和修边表面垂直。

如果修边是在拉深的曲面上，则理想的修边方向有无数个，这是在同一工序中不可能实现的。

因此，必须允许修边方向与修边表面有一个夹角，夹角的大小一般不小于10°，如果太小，材料不是被切断而是被撕开，严重的会影响修边质量。

覆盖件拉深成形后，由于修边和冲孔位置不同，其修边和冲孔工序的冲压方向有可能不同。

由于覆盖件在修边模中的摆放位置只能是一个，如果采用修边冲孔复合工序，则冲压方向在同一工序中可能有两个或两个以上。

（2）修边形式修边形式可分为垂直修边、水平修边和倾斜修边三种，如图6-45所示。

3.翻边方向的确定及翻边形式

（1）翻边方向的确定翻边工序对于一般的覆盖件来说是冲压工序的最后成形工序，翻边质量的好坏和翻边位置的精确度，直接影响整个汽车车身的装配质量。

合理的翻边方向应满足以下两个条件：

①翻边凹模的运功方向与翻边凸缘、立边相一致；

②翻边凹模的运动方向和翻边基面垂直，或与各翻边基面夹角相等。

（2）翻边形式按翻边凹模的运动方向，翻边形式可分为垂直翻边、水平翻边和倾斜翻边三种，如图6-46所示。

图（a）、（b）为垂直翻边；图（d）（e）为水平翻边；图（c）为倾斜翻边。

二、拉深工序的工艺处理

拉深件的工艺处理包括确定压料面形状、进行工艺补充、翻边的展开、冲工艺孔和工艺切口等内容，是针对拉深工艺的要求对覆盖件进行的工艺处理措施。

1.压料面形状的确定

压料面有两种：

一种是压料面是覆盖件本身的一部分；另一种是压料面由工艺补充部分补充而成。

要在拉深后切除。

确定压料面的形状必须考虑以下几点：

（1）降低拉深深度降低拉深深度，有利于防皱、防裂。

图6-47所示是降低拉深深度的示意图，图（a）是未考虑降低拉深深度的压料面形状，图（b）是考虑降低降低拉深深度的压料面形状。

（2）凸模对毛坯一定要有拉伸作用如图6-48（a）所示，只有压料面的展开长度A＇Ｂ＇Ｃ＇Ｄ＇Ｅ＇小于凸模表面的展开长度ABCDE时才能产生拉伸作用。

如图6-48（b）所示的压料面形状，虽然压料面的展开长度比凸模表面的展开长度短，可是压料面的夹角β比凸模表面夹角α小，因此在拉伸过程中的几个瞬间位置因“多料”产生起皱。

所以在确定压料面形状时，还要使α<β<180°。

2.工艺补充

为实现覆盖件的拉深，需要将覆盖件的孔、开口、压料面等结构根据拉伸工序的要求进行增补材料的工艺处理，这样的处理称为工艺补充。

图6-49是根据修边位置的不同可能采用的几种工艺补充部分。

3.工艺孔和工艺切口

要在制件上压出深度较大的局部突起或鼓包，有时靠从外部流入材料已很困难，继续拉深将产生破裂。

这时，可考虑采用冲工艺孔或工艺切口，以从变形区内部得到材料补充。

图6-50所示为车门内板窗口反拉深的一个工艺切口示意图。

三、拉深、修边和翻边工序间的关系

覆盖件成形各工序间不是相互独立而是相互关联的，在确定覆盖件冲压方向和加入工艺补充部分时，还要来考虑修边、翻边时工序件的定位以及各工序件的其他相互关系等问题。

拉深件在修边工序中的定位有三种：

（1）用拉深件的侧壁形状定位。

（2）用拉深筋形状定位。

（3）用拉深时冲或穿制的工艺孔定位。

修边件在翻边工序中的定位，一般用工序件的外形、侧壁或覆盖件本身的定位孔。

此外，还要考虑工件出料的方向和方式、修边废料的排除、各工序件在冲模中的位置等问题。

6.7.3覆盖件成形模具的典型结构和主要零件的设计

一、覆盖件拉深模

1.拉深模的典型结构

覆盖件拉深设备有单动压力机和双动压力机，形状复杂的覆盖件必须采用双动压力机拉深。

根据设备不同，覆盖件拉深模也可分为单动压力机上覆盖件拉深模和双动压力机上覆盖件拉深模。

图6-51、图6-52所示分别为单动压力机和双动压力机上覆盖件拉深模的典型结构示意图。

2.拉深模主要零件的设计

覆盖件拉深模形状结构复杂，结构尺寸一般都较大，所以凸模、凹模、压边圈等主要零件都采用带加强筋的空心铸件结构，材料一般为HT250，现在也有采用铬钼铸铁。

（1）凸模的设计除工艺补充、翻边面的展开等特殊工艺要求部分外，凸模的外轮廓就是拉深件的内轮廓，其轮廓尺寸和深度即为产品尺寸。

凸模工作表面和轮廓部位的模壁厚比其他部位的壁厚要大一些，一般为70～90mm（参见图6-51和图6-52）。

为保证凸模的外轮廓尺寸，在凸模上沿压料面有一段40～80mm的直壁必须加工（参见图6-52）。

为了减少轮廓免得加工量，直壁向上用45°斜面过渡，缩小距离为15～40mm。

（2）凹模的设计拉深毛坯通过凹模圆角逐步进去凹模型腔，直至拉深成凸模的形状。

拉深件上的装饰棱线、装饰筋条、装饰凹坑、加强筋、装配用凸包、装配用凹坑以及反拉深等一般都是在拉深模上一次成形完成的。

因此，凹模结构除了凹模压料面和凹模圆角外，在凹模里设置的成形上述结构的凸模或凹模也属于凹模结构的一部分。

凹模结构可分为闭口式凹模结构和通口式凹模结构。

闭口式凹模结构的凹模底部是封闭的，在拉深模中绝大多数是闭口式凹模结构。

图6-53所示为汽车顶盖拉深模，该模具采用的是闭口式凹模结构，在凹模的型腔上直接加工出成形加强筋的凹槽部分。

如将加强筋的凹槽部分在凹模型腔内做成独立的凹模结构（兼作顶出器），这种结构称为活动顶出器闭口式凹模结构。

图6-54是汽车门里板拉深模。

模具的凹模底部是通的，通孔下面加模座，反拉深凸模紧固在模座上。

这种凹模底部是通的凹模结构称为通口式凹模结构。

通口式凹模结构一般用于拉深件形状复杂、坑包较多、棱线要求清晰的拉深模。

凹模中顶出器的外轮廓形状是制定形状的一部分，且形状比较复杂。

3.拉深筋的设计

如图6-55所示，设置在压料面上的多条筋状结构就是拉深筋。

拉深筋也可以设置在凹模的压料面上，两者对拉深的作用效果是一样的。

拉深筋有圆形、半圆形和方形三种结构。

图6-56是半圆形拉深筋的结构和尺寸。

常用的拉深筋宽度b有12mm，16mm两种。

对于某些深度较浅、曲率较小的比较平坦的覆盖件，由于变形所需的径向拉应力的数值不大，工件在出模后回弹变形大，或者根本不能紧密的贴膜，这时要采用拉深槛才能保证拉深件的质量要求。

拉深槛也可以说是拉深筋的一种，能增加比拉深筋更强的进料阻力。

拉深槛的剖面呈梯形，类似门槛，设置在凹模入口，其结构如图6-57所示。

二、覆盖件的修边模

覆盖件修边模是特殊的冲裁模。

其与一般的冲孔、落料模的主要区别是：

所要修边的冲压形状复杂，模具分离刃口所在的位置可能是任意的空间曲面；冲压件通常存在不同程度的弹性变形；分离过程通常存在较大的侧向压力等。

因此，进行模具设计时，在工艺上和模具结构上应考虑冲压方向、制件定位、模具导正、废料的排除、工件的取出、侧向力的平衡等问题。

1.修边模具结构

覆盖件修边模可分为垂直修边模、斜楔修边模和垂直斜楔修边模。

图6-58是汽车后门柱外板的修边冲孔模：

图6-59是水箱盖修边模

2.修边模主要零件设计

（1）凸模和凹模镶块的布置和固定修边模刃口的结构形式有整体式和镶块式两种。

如果是将刃口材料堆焊在凸模或凹模体上，则称为整体式。

如果是以镶块结构形式安装在凸模或凹模体上，则称为镶块式。

由于覆盖件的修边线多位不规则的空间曲线，且修边线很长，为便于制造、装配及修理，修边模的凸模和凹模常用镶块式结构。

镶块的布置原则：

①镶块大小要适合加工条件，直线段要适当长，形状复杂或拐角处要尽量取短些，尽量取标准值。

②为了消除接合面制造的垂直度误差，两镶块之间的接合面宽度应尽量小些。

③镶块应便于加工，便于装配调整，便于误差补偿，最好应为矩形块。

④曲线与直线连接时，接合面应在直线部分，距切点应有一定的距离（一般取5～7mm）。

必须在曲面上镶块时，接合面应尽量与修边线垂直，以增大刃口强度。

⑤凸模的局部镶块用于转角、易磨损和易损坏的部位，凹模的局部镶块装在转角和修边线带有突出的凹槽的地方。

各镶块再模座组装好后再进行仿形加工，以保证修边形状和刃口间隙的配做要求。

镶块的固定：

对于镶块结构的修边凸、凹模，作用于刃口镶块上的剪切力和水平推力，将使镶块沿受力方向产生位移和颠覆力矩，所以然镶块的固定必须稳固，以平衡侧向力。

图6-60所示是两种常用的镶块固定形式的示意图，图（a）适用于覆盖件材料厚度小于1.2mm或冲裁高度差变化小的镶块。

图（b）适用于覆盖件材料厚度大于1.2mm或冲裁刃口高度差变化大的镶块，该结构能承受较大的侧向力，装配方便，因此被广泛采用。

（2）废料刀的设计覆盖件的废料外形尺寸大，修边线形状复杂，不可能采用一般卸料圈卸料，需要先将废料切断后卸料才方便和安全。

而有些不能用制件本身形状定位的零件，则可用废料刀定位。

所以废料刀也是修边模设计的内容之一。

①废料刀的结构废料刀也是修边镶块的组成部分。

镶块式废料刀是利用修边凹模镶块的接合面作为一个废料刀刃口，相应的在修边凸模镶块外面装废料刀作为另一个废料刀刃口，如图6-61、图6-62所示，

②废料刀的布置为了使废料容易落料，废料刀的刃口开口角通常取10°，且应顺向布置，如图6-63所示。

为了使废料容易落下，废料刀的垂直壁应尽量避免相对配置。

但不得不相对配置时，可以改变刃口角度，如图6-64所示。

修边线上有突起部分时，为了防止废料卡住，要在突起部位配置切刀，如图6-63所示。

切角时刀座不要突出于修边线外，如图6-65（a）所示。

废料刀的刃口应靠近半径圆弧R与切线的交点处。

如图6-65（b）所示，以免影响废料的落下。

当角部废料靠自重下落时，废料重心必须在图6-65（b）所示A线的外侧。