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汽车覆盖件模具设计论文
1绪论
1.1我国汽车覆盖件模具的发展现状
目前，我国汽车销售量正以每年26%的速度增长，而汽车零部件的规模比整车还大，这些零部件90%都靠模具生产，大大推动了国内模具业的发展。
由于汽车覆盖件模具市场需求旺盛，因此许多企业近年来都加大了技术改造力度，原来行业中公认的四大模具厂（一汽模具制造、东风汽车模具、天津汽车模具、四川成飞集成科技股份）都已具备了生产大中型汽车覆盖件模具200万左右工时的能力，模具年产值都超过1亿元，有的还超过了2亿元。
国外汽车业发展已经有100多年的历史了，我国汽车业虽然说也经历了5O年的发展．但是真正开始进行自主研发应该是近十年的事情。
自主研发能力，就是要把汽车模具的制造水平提升上来，关键在于CAE/CAD（计算机辅助分析、计算机辅助工程设计）技术的应用。
国外一些著名的汽车公司很早就自行开发CAE/CAD软件，可以说CAE/CAD技术的应用水平已经成为评价一个国家汽车工业水平的重要指标。
现在，上述技术在全国模具行业中已经是遍地开花。
大部分模具制造企业已能够运用CAE分析软件进行冲压工艺成形性分析、运用CAD设计软件进行二维或三维模具设计并数控加工。
尽管如此，在应用CAE技术进行冲压工艺分析方面我们与国外同行还存在较大差距。
1.2国外汽车覆盖件模具设计技术现状
在欧洲，各大汽车生产公司都有一套自己的模具设计标准库（例如奔驰、奥迪、宝马、大众、福特等）。
所以欧洲的汽车覆盖件模具设计部门，必须依据以上的标准规范来完成制件的设计。
我们所做的这套模具并不是依据课本书籍等资料设计的，而是依据奥迪汽车生产公司的标准库来设计的，完全符合国际标准。
具有现实加工的意义。
1.3CATIA在汽车覆盖件模具设计中的应用
在CAD设计方面，国内模具行业发展很快，特别是一些大企业如一汽模具制造，2003年初开始尝试CATIA平台的三维实体设计，2004年上半年在解放换代货车项目中全面开始三维实体设计，至今已实现直接利用三维实体模型进行数控编程加工。
CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲，北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。
在汽车行业使用的所有商用CAD/CAM软件中，CATIA已占到了60%以上。
CATIA在造型风格，车身及引擎设计等具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了全方位的解决方案。
CATIA涉及产品、加工和人三个关键领域。
CATIA的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。
1.4本次模具设计的主要任务
本课题设计内容是：
利用CATIA软件，完成托架模具第四工序OP40（包括整型、修边、冲孔）的三维设计。
设计时，采用大众公司的标准件库，以及3D模型树均按照大众标准设计。
所采用的设备是2500KN单动压力机。
一、左右座架侧壁上支撑板图如下图所示。
图1-1左右座架侧壁上支撑板零件图
1.5本次模具设计的基本要求
第一、模具结构设计应合理，在运行时不能产生干涉。
第二、在满足基本本工序基本要求的前提下，尽量减少模具重量，减少模具成本。
第三、模具零部件应根据客户提供的标准设计，以便于客户对模具的制造加工。
第四、CATIA模型树应根据客户要求设计。
2模具设计工艺准备
2.1制件的工艺分析
工艺总纲：
通过几道工序安排，把钢板坯料冲压成合格的制件成品。
一般包括：
拉延、修边、冲孔、翻边、整形几大工序。
工艺总纲包括我们进行模具设计的工序安排及压力机的相关参数。
工艺总纲中压力机的选择也是至关重要的。
常用压力机有1500KN、2500KN等。
压力机选的过大，成本增加；压力机选的过小，不能满足使用要求。
压力机的选择依据为制件片体的大小。
汽车覆盖件因其形状复杂、表面质量要求高、刚性要求高、外形尺寸大等特点使其成为板材加工领域中最难成形的零件。
汽车覆盖件冲压成形工序主要包括：
落料、拉延、修边、冲孔、整形、翻边等。
此OP40工序图主要包括修边、冲孔、整形，为复合模具设计。
如图2-1左右座架侧壁上支撑板OP40工序图：
图2-1左右座架侧壁上支撑板OP40工序图
2.2制件的主要参数
表2-1制件主要参数
材料型号
H320LAD
板料厚度
0.8mm
尺寸规格
320mmx210mmx117mm
拉延深度
117mm
拉延系数
2/1
制件编号
A20463669_7031
制件的以上参数由工艺分析人员给定，在ppt文件《MP_制件名称_OPERACIONES》中。
2.3模具的主要尺寸参数
表2-2模具尺寸参数
闭合高度
1300mm
长度
2500mm
宽度
1500mm
操做高度
820mm
顶件行程
50mm
取件高度
870mm
运输高度
1000mm
说明：
①模具取件高度（870mm）=操做高度（820mm）+顶件高度（50mm）。
②模具运输高度（1000mm）=模具取件高度（870mm）+制件拉延深度（117mm）+10mm。
2.4压力机结构的确定
每个制件的汽车模具成功与否，最主要的是能否得到合格的冲压件。
本毕业设计只针对OP40工序模具的设计，也就是修边、冲孔、整形复合模的设计。
压力机有两种结构形式：
单动拉延和双动拉延。
单动拉延：
凹模在上并向下运动,压边圈在下，随凹模运动，凸模在下不动，为单动拉延。
双动拉延：
凹模在下不动。
压边圈在上，先压料。
凸模在上并向下运动,为双动拉延。
一般我们首选单动拉延模，因为相对双动拉延模其结构更简单，而且很重要的一点是各企业双动拉延机应用较少。
但当制件形状复杂、拉延深度较大时就必须采用双动结构。
这是由于以下因素：
（1）单动压力机的压紧力不够，一般有气垫的单动压力机其压紧力等于压力机压力的20%~25%，而双动压力机的外滑块压紧力为内滑块压力65%~70%。
（2）单动压力机的压紧力只能整个调节，而双动压力机的外滑块压力可用调节螺母调节外滑块四角的高低，使外滑块成倾斜状，调节模压料面上各部位的压料力，控制压料面上材料的流动。
（3）此制件拉延形状不是十分复杂。
并且通过估算此制件需要的压边圈压力在100吨以内，而普通单动压机的气垫压紧力能够满足。
综合上述条件，此套模具采用单动拉延结构。
2.5工艺参数计算
2.5.1工序OP20拉延成型力的计算
压力机规格的选择主要看制件拉延力的大小，在德国的汽车生产公司大多应用CAE软件Autoform进行拉延力模拟。
因此，我在本次设计中用Autoform对该板料进行CAE分析，分析结果如图2-2，根据拉延成型力图可估算得出其拉延成形力F
为11000KN,即1100T。
根据公式2-5-1，计算拉延成型力为：
F=1.2
F
=1.2
11000=13200（KN）（2-5-1）
其中：
F----------------------------最终所需的成型力
1.2-------------------------为拉延成型安全系数
F
-------------------------Autoform分析的成型力
因此，本制件所需拉延成型力为13200KN，即1320T。
图2-2拉延成型力图
2.5.2工序OP30修边冲孔力计算
根据公式2-5-2，计算修边冲孔力：
F=L
B
Rm
S（2-5-2）
=2893
0.8
79000
1.3/1000000
=2376.70KN
其中：
L---------------------修边、冲孔线的长度总和
B---------------------板料的厚度
Rm--------------------单位面积变形所需力
S---------------------修边安全系数=1.3
①修边线的长度总和计算:
L=418+104+287+185+508+230+104+418+287+88+88+88+88=2893mm
②单位面积变形所需力:
Rm=790000KN/m2（本制件材料为H300LAD）。
所以，本制件所需的修边力为2376.70KN，即237.67T。
2.5.3工序OP40整形力、翻边力计算
根据公式2-5-3，计算整形力、翻边力：
F=2/3
L
B
Rm（2-5-3）
=2/3
1112
0.8
79000/1000000
=467KN
其中：
L---------------------整形线、翻边线的长度总和
B---------------------板料的厚度
Rm--------------------单位面积变形所需力
S---------------------修边安全系数=1.3
①整形线、翻边线的长度总和计算:
L=346mm+346mm+420mm=1112mm。
②单位面积变形所需力:
Rm=790000KN/m2（本制件材料为H300LAD）。
因此，本制件所需整形力、翻边力为467KN，即46.7T。
2.5.4工序OP50正修正冲+侧修侧冲的力的计算
（1）根据公式2-5-4，计算正修正冲力：
F=L
B
Rm
S（2-5-4）
=933
0.8
79000
1.3/1000000
=76.64T
其中：
L-------------------------修边、冲孔线的长度总和
B-------------------------板料的厚度
Rm------------------------单位面积变形所需力
S-------------------------修边安全系数=1.3
对于H300LAD材料，单位面积变形所需力为790000KN/m2=79000T/m2
通过Catia软件测量得正修边线的长度总和为：
L=123+123+31+31+41+41+80+100+68+69+103+122=933mm
（2）根据公式2-5-5，计算侧冲侧修力：
F=L
B
Rm
S
K（2-5-5）
=699.685
0.8
79000
1.3
1.31/1000000
=75.30681668T
其中：
L-------------------------侧修边、侧冲孔线的长度总和
B-------------------------板料的厚度
Rm------------------------单位面积变形所需力
S-------------------------修边安全系数=1.3
K-------------------------侧冲侧修修正系数
通过Catia软件测量得侧修边线的长度总和为：
L=349+260+50+41=700mm。
K值公式计算：
滑块下置时:
K=1/cos（α-β）；滑块上置时:
K=1/cos（α-β）
此套模具选用滑块下置的侧冲机构，所以：
K=1/cos（α-β）=1/cos（55-15）=1.31
2.5.5侧翻边力的计算
根据公式2-5-6，计算侧冲翻边力：
F=2/3
L
B
Rm
K（2-5-6）
=2/3
609
0.8
79000
1.31/1000000
=50.39T
其中：
L-------------------------侧翻边线的长度总和
B-------------------------板料的厚度
Rm------------------------单位面积变形所需力
S-------------------------修边安全系数=1.3
K-------------------------侧冲侧修修正系数
①侧翻边线的长度总和计算:
L=350+260=609mm。
②单位面积变形所需力:
Rm=790000KN/m2（本制件材料为H300LAD）。
因此，本制件所需侧翻边力为503.9KN，即50.39T。
2.6模具设计规范
2.6.1模具CATIA模型树的建立
模型树的建立个个客户都有自己的标准，所以我们这套模具模型树是由奥迪公司提供给我们的。
模型树制定的标准如图2-3，依据——39D_944。
模型树分为三大部分：
第一部分，包括工艺线面，机床。
第二部分，上模全部。
第三部分，下模全部。
图2-3CATIA模型树标准
下面详细讲解模具的模型树。
第一：
模具各部分的名称必须用德文。
第二：
工艺文件中，包括工件坐标系的建立。
包括OP10到OP60模具坐标系，每工序大体有六个坐标系。
第三：
运输工件的三种载体。
包括吸盘机、械手、方形铁板三种形式，其中吸盘运输方式最快，方形铁板形式成本最低。
2.6.2模具颜色的标准
模具各部分的颜色根据加工方式和加工精度的不同，都用不同的颜色予以区分，色板是由客户提供的，如下图2-4。
图2-4颜色标准
2.6.3模具全局坐标系的建立
模具全局坐标系共有五个：
制件坐标系（ap_axis）；下模座坐标系（ut_axis）；凸模坐标系（st_axis）；上模座坐标系（ot_axis）；压料芯坐标系（nh_axis）。
其中制件坐标系是固定的，其它四个坐标系均以它为基准建立。
3整形冲孔复合模具结构设计
3.1模具结构设计的主要步骤
第一步，设计凸模。
第二步，设计压料芯。
第三步，设计下模座。
第四步，设计上模座。
其中，每一步骤都分为三个部分：
第一部分，设计铸体部分。
第二部分，设计标准件部分。
第三部分，设计构造件部分。
在设计的过程中，我感觉有两点最为重要。
第一点：
模具排料方式。
第二点：
压料芯桥的设计。
这两点如果有一点设计不当，就会导致很大反工。
模具排料方式有两种：
第一种，左右两侧排料；第二种，前后排料。
压料芯桥的设计最主要的是不能设计的太小，太小往往不能满足要求。
3.2凸模的设计
3.2.1凸模铸体部分的设计
（1）用分模线和型面裁出凸模的形状。
（2）确定刃口高度:
压料面为二维曲面时高度一般为40MM。
压料面为三维曲面时高度一般为50MM。
（3）做出受力筋50MM，如图3-1所示。
图3-1凸模筋厚
3.2.2凸模标准件部分的设计
（1）确定送料制件定位方式
①制件多用定位健定位，但制件过长则采用定位板定位。
②定位健尽量保证300mm均布。
③定位键应该比制件高出20mm，如下图3-2，根据要求选定位键长度为150mm，标准39D_995。
（注：
不考虑制件顶起高度。
）
图3-2定位键
（2）确定起吊螺栓的个数及大小
①为保证起吊时的平衡，起吊螺栓的个数一般取4个。
②通过CATIA软件中测量得，凸模重量为390Kg,查下表3-1选M12螺栓即可。
表3-1起吊螺栓
（3）确定凸模安放柱的个数及大小
①为防止凸模放置时顶件气缸受到损害，必须用4个支撑柱把凸模安放好。
②凸模安放柱直径60mm,长度根据气缸地面高度而定，标准39D_951。
（4）确定顶件装置用挡键规格
①为防止顶件装置超出制件顶起高度，必须用键限制顶件装置的行程。
②挡键高度比顶件高度大2mm，标准39D_995。
3.2.3凸模构造件部分的设计
（1）顶件装置的设计
①顶件装置一般为两个独立的方形构造件，标准39D_995。
②顶件装置的上下运动力由气缸提供。
③顶件力必须均匀分布在制件片体四周，使制件受到平衡的上顶力，不使制件被顶的变形。
（2）冲套镶块的设计
①冲套镶块一般有两个固定螺栓、两个定位销和一个防转键，标准39V_1290。
②冲套镶块便于冲套的更换和冲套位置的调整。
③冲套垫板厚度大于8mm,图3-3所示。
图3-3冲套镶块
3.3压料芯的设计
3.3.1压料芯铸体部分的设计
压料芯主要是起压料作用。
在模具工作过程时，板料被压料芯的压料面与凸模的压料面压紧。
（1）用分模线和型面裁出压料芯型面的形状。
（2）压料芯型面刃口高度如图3-4，N5值为50MM，标准39D_885。
（3）做出受力筋，如下图N2值为40MM,标准39D_885。
图3-4压料芯筋厚
3.3.2压料芯标准件部分的设计
（1）上顶杆位置的布置
①保证气顶均布在分模线外侧并尽量接近分模线。
②尽量保证压料芯受力平衡。
③上顶杆数量=压边力/单个气顶所受力（3T-4T）+安全个数（0-4）。
（2）调整垫块布置
①至少均匀安放4个调压垫，保证压料芯平衡如图3-5，标准39V_1162。
②当压料芯很大时，尽量保证400MM均布。
③除保持平衡的垫块，尽量让调压垫靠近分模线。
图3-5调整垫块
（5）确定压料芯起重棒的个数及大小
①为保证起吊时的平衡，起重棒的个数一般取4个。
②通过CATIA软件中测量得，凸模重量为620Kg,查表图3-6，选d1=40mm,标准39V_1213。
图3-6起重棒
（4）确定压料芯用导套的个数及规格
①为保证压料芯的运动平衡，导套的个数一般取4个。
②根据压料芯大小，查下图3-7，选导套直径63mm即可,一般选d1=40、50、63mm,标准39D_860。
图3-7导套
说明：
导向件主要类型有三种（导板；导柱；导板+导柱）。
导板导向的定位精度较低，一般为0.1mm-0.15mm，但可承受的侧向力较大，在拉延模中应用较多；导柱定位精度可达0.08mm以内，适用于模具要求导向精度要求比较高的模具；在汽车模具上一般不单独使用导柱、导套（落料模除外），很多时候要求与导板结合使用，成为复合导向。
（5）确定弹性限位螺栓的个数及大小
①为保证压料芯受力平衡，弹性限位螺栓一般取4个。
②通过CATIA软件中测量得，压料芯重量为620Kg,则弹性限位螺栓负重为6200N,查下图3-8选d1=16mm,标准39D_650。
图3-8弹性限位螺栓
（6）确定侧销的个数及大小
①为保证压料芯受力平衡，侧销一般取4个。
②通过CATIA软件中测量得，压料芯重量为620Kg,查下图3-9，选d1=40mm,标准39D_854。
图3-9侧销
3.4上模座的设计
3.4.1上模座铸体部分的设计
（1）筋的结构。
如下图3-10，第一不能有十字筋；第二不能有局部过厚；第三不能有尖角。
总之，要保证筋的截面厚度均匀，避免出现铸造缺陷。
图3-10筋的结构
（2）筋厚。
如下图3-11，上模镶块支撑板厚B1值为60mm,模具底板厚B2及B5值为50mm,模具外围周圈支撑筋厚B3值为50mm，其余辅助支撑筋B4值为40mm，标准39D_885。
图3-11上模座筋厚
（3）加工基准孔。
加工基准孔直径Φ10mm，深25mm。
加工基准孔共4个，分别在上模座X、Y轴线上各2个。
并且它们距模具中心的距离必须为5mm的倍数，如下图3-12。
加工基准孔
图3-12加工基准孔
（4）压板槽。
左右两侧压板槽为模具调试时固定用，压板槽中心线距模具中心线距离为225mm、525mm,825mm；前后两侧压板槽为模具安装时固定用，压板槽中心线距模具中心线距离为225mm、525mm。
压板槽尺寸参考标准39d_601,如下图3-13。
图3-13压板槽
（5）导腿。
导腿宽度至少占整体宽度的1/6，最好能做到1/4左右。
导腿应放在模具的左右两侧。
（6）上模座定位销。
上模座通常用两个Φ40mm定位销。
在上模座长度方向，它们的位置必须是距模座中心线200mm的整倍数；在上模座宽度方向，它们的位置必须是距模座中心线50mm、75mm、100mm、150mm、200mm处。
如下图3-14，标准39d_603。
图3-14上模座定位销
（7）吊耳。
为保证上模座起吊时受力平衡，吊耳一般取4个。
通过CATIA软件中测量得，上模部分总重量为5372Kg,查下图3-15，选d2=52mm,d4=62mm,标准39D_867mm。
吊耳位置在模具的前后两侧。
图3-15吊耳
3.4.2上模座标准件部分的设计
（1）确定导柱的个数及大小
①为保证上模座与下模座的运动平衡，导柱的个数一般取4个。
②根据模具大小，查下图3-16，一般选d1=80mm、100mm、125mm,此模具选d1=100mm即可，标准39D_862。
③导柱导向长度=导柱预先刃入量（60mm）+导板预先刃入量（60mm）+压料芯行程（40mm）+上下模座间距（60mm）=220mm,L1=导柱导向长度（220mm）+L4（125mm）=345mm,如下表3-7，为了安全起见我们选L1=355mm,标准39D_863。
图3-16导柱
（2）确定导板的个数及大小
①为保证上模座与下模座的运动平衡，导板必须安装在X、Y轴两方向，导板的个数一般取8个，X、Y轴两方向各4个。
②根据模具大小，查下表一般选b1=100mm、125mm,此模具选d1=100mm即可,标准39D_863。
③导板导向面长度=导板预先刃入量（60mm）+压料芯行程（40mm）=100mm,如下图3-17，为了安全起见我们选L1=160mm,标准39D_863。
图3-17导板
（3）冲头的设计
①为防止冲头工作的时候转动，我们必须给冲头加上防转销。
②冲头长度一般选90mm,刃口长度为19mm,查下图3-18，标准39D_966。
③冲头的安装，用冲头固定块安装在上模座上。
图3-18冲头
3.4.3上模座构造件部分的设计
（1）修边镶块的设计
修边镶块分为锻造件和铸造件两种，锻造修边镶块不常用，只有制件钢板的强度很大时才采用。
由于铸件修边镶块成本低，强度一般能达到要求，所以我们选用铸件的形式，标准39v_1300。
①如下图3-19，铸件修边镶块的高与宽比为：
1/1.5。
铸件修边镶块的宽最小80mm,铸件修边镶块的高最小55mm。
图3-19铸件镶块
②设计模具时，修边镶块的刃入量为7mm，如下图3-20，标准39v_1300。
图3-20修边镶块的刃入量
③修边镶块安装台边缘线相对于修边镶块边缘线向里让位5mm，如下图3-21所示。
图3-21修边镶块安装台让位
④铸件修边镶块常用螺栓为M16或M12，如标准DIN912。
定位销用D12mm。
螺栓孔中心线距离定位销孔中心线最小为25mm；螺栓孔中心线和定位销孔中心线距离修边镶块边缘最小为20mm。
（2）整形镶块的设计
整形镶块形面必须比制件整形面大10mm；整形镶块最低高度50mm；整形镶块底面及侧面必须有6mm的调整板;整形镶块常用螺栓为M16。
如下图3-22，标准39d_982。
图3-22整形镶块
3.5下模座的设计
3.5.1下模座铸体部分的设计
（1）筋厚。
如下图3-23，下模镶块支撑板厚U1值为60mm,模具底板厚U3值为50mm,模具外围周圈支撑筋厚U3值为50mm，其余辅助支撑筋U4值为30mm，标准39D_885。
其次，辅助支撑筋之间的间距为400mm左右。
图3-23下模座筋厚
（2）筋的结构。
第一不能有十字筋；第二不能有局部过厚；第三不能有尖角。
总之，要保证筋的截面厚度均匀，避免出现铸造缺陷。
（3）压板槽。
左右两侧压板槽为模具调试时固定用，压板槽中心线距模具中
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