奇瑞A21汽车中支板冲压工艺分析及基于UG修边冲孔模具设计.docx
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奇瑞A21汽车中支板冲压工艺分析及基于UG修边冲孔模具设计
奇瑞A21汽车中支板冲压工艺分析及基于UG修边冲孔模具设计
第一章概述
1.1课题来源
本次毕业设计的题目是奇瑞A21汽车中支板冲压工艺分析及基于UG修边冲孔模具设计,该课题来源于东风汽车模具有限公司。
零件材料为B210P1深冲压用高强度钢（B?
?
宝钢、210?
?
最小屈服点值、P?
?
强化方式、1?
?
超低碳）,厚度为1.2mm。
零件图如下:
图1.1奇瑞A21汽车中支板产品图
1.2课题背景及意义
该零件属汽车覆盖件,而修边冲孔模更是冲压模具中的典型,因此对该课题进行设计研究是必要的。
源于生产实际,不同于一般的理论性设计,对我们学习模具设计的学生来说,这样的应用型课题不但是对理论知识的巩固、提高,更是一种对于大型模具设计经验的积累,为日后的工作提供宝贵的财富。
东风汽车模具有限公司是国内最大的汽车模具设计与制造企业之一,它不仅为东风汽车公司,还为国内其他汽车厂家设计制造模具。
随着市场竞争日益激烈,汽车改型周期大幅度缩短,对这一技术的掌握程度变成了衡量企业竞争能力的重要指标之一。
公司在过去使用的是传统的二维CAD系统进行自底向上“搭积木”式地装配设计,这种设计过程是从冲模零件设计到冲模总体装配设计,既不支持冲模从概念设计到详细设计,又不能支持零件设计过程中的信息传递,零部件之间没有必要的内在联系和约束,其设计意图、功能要求以及许多冲模的装配信息都得不到必要的描述,设计效率极低。
近几年来公司为了满足客户的需求和自身快速发展的需要,提高自己的模具设计水平、缩短模具设计周期,改用三维软件（如UG软件）进行自顶向下的全参数化设计。
结合工艺性和制件的特点,在分析修边冲孔模结构设计特点的基础上,以UG作为开发平台进行三维修边冲孔模CAD。
随着我国汽车工业的迅速发展,新车型更新换代的速度不断加快,传统的覆盖件模具设计制造方法已不能适应产品开发的要求。
汽车覆盖件模具作为汽车车身生产的重要工艺装备,直接制约着汽车产品的质量和新车型的开发。
覆盖件模具因其设计制造难度大、周期长而常常成为制约汽车生产的主要因素。
在UG平台上提高模具设计的技术水平、缩短模具设计周期,适于汽车覆盖件模具结构设计。
1.3车身冲压模具的现状和发展
1.3.1现状
近年来,国内汽车工业发展迅速。
随着市场的扩大,用户对汽车质量的要求也越来越高,尤其是作为汽车“脸面”?
?
汽车车身的表面质。
汽车外形确定以后,根据各部位的功能区分,即可确定车身外覆盖件的形状与尺寸。
为了减轻车身的自重和降低生产成本,轿车车身构件大部分为薄钢板冲压件,约占60%-75%。
冲压件具有质量轻、强度高、制品尺寸稳定、表面平整、形状美观等特点,而冲压加工具有加工时间短、劳动量小、工具消耗量低和材料利用率高无切屑的优点,是车身制造的主要加工方法。
车身冲压件一般采用厚度为0.6--1.2mm的薄钢板,厚度大于1.6mm的钢板只用在结构需要加强的构件上。
其成形过程一般要经过冲剪、拉延、切边、冲孔、复合冲剪、弯曲、复合弯曲等工序中的若干种。
然而为了保证冲压件的质量,其冲压材料必须具有良好的拉延性、延展性、弯曲性和凸缘拉伸性,复合成形性等性能。
一般根据冲压件的成形难易程度来选择具有相应成形能力和所需机械性能的材料,以使冲压件制品既符合使用要求,又不产生断裂、折皱、成形不完整等缺陷。
冲压材料主要使用冷轧钢板、防锈表面处理钢板及轻型高强度钢板等适合市场需求的钢板。
车身冲压件成形方法一般是拉延成形,尤其是外表面件要求美观。
车身冲压模具分类:
冲模的种类一般分为成形模、冲裁模湾曲模3种,模具结构可根据压力使用情况做更详细的划分。
成形模的种类有拉延、成形、整形和压印等;冲裁模的种类有落料、冲孔、修边、切断和切废料等;弯曲模的种类有翻边、弯曲、折弯和卷边等。
1.3.2新技术与发展趋势
当今世界汽车行业普遍认为,汽车车身冲压成形技术是汽车制造技术的重要组成部分,每一次汽车车身的更新换代都需要开发相应的专用模具和增加必要的生产线。
因此在冲压生产中,如何提高冲压生产效率、降低生产成本,正确选取和采用新设备、新材料、新工艺等是冲压技术中的主要课题。
众所周知,汽车车身的金属件几乎100%为冲压件,而且汽车车身的更新换代速度快。
这就决定了冲压成形技术在汽车产品的开发中不仅影响制造周期,还直接影响成本和产品品质。
汽车车身冲压成形技术的关键是冲压工艺与模具技术。
冲压工艺的合理与否决定了模具调试的难易程度:
模具设计决定了模具制造的难易程度及制造管理过程,因而直接影响模具制造成本和周期。
尽管国内外己通过长期的实践积累了大量的经验,形成了较系统的设计制造规则和方法,但新技术的出现仍可能为冲压工艺和模具技术的重大变革带来机遇。
特别指出的是,以CAD/CAM/CAE为特征的计算机技术在冲压成形中的应用不仅能引起传统工艺流程在周期、成本和品质方面的变化,而且使一些以前难以实现的工艺设想可能成为现实,根据目前国际汽车冲压和模具技术的发展趋势,已经形成了包括模具设计和冲压技术模块化、新材料及复合材料冲压加工工艺、计算机模拟冲压成形及虚拟试模技术、特种成形技术和模具制造技术等重大课题。
主要有如下几点:
1模块式冲压模块式冲压的突出优点在于能把冲压加工系统的柔性与高效生产有机的结合在一起。
柔性的含义较广,如冲压件的几何形状的多种要求,只要通过自由编程就可获得,体现了加工形状的柔性。
又如既适用大批量单品种冲压件的生产,更对小批量多品种加工发挥优势,也表现出柔性。
概括而言,模块式冲压的特点是:
（1）在冲压成形过程中可快速更换组合模具以提高生产效率;
（2）由于具有带材的供带和矫带装置,可省却另设上料下料工序;（3）实现了大工件的不停机加工;（4）既能独立又能成系列的控制组合冲模动作,能连续进行冲压加工;（5）冲模具有可编和的柔性特点。
2.模具设计和冲压技术的模块化。
3.车身模具新材料。
目前汽车行业的研发热点是车身轻量化成形工艺,欧洲汽车专家预测。
在未来10年里轿车自身重量还将比现在减轻20%。
当前,发达国家在材料和成形技术开发与应用方面正方兴未艾。
使用铝合金和镁合金代替钢铁是目前各国汽车制造商主要的减重措施。
预计到2010年,适合于铝、镁等各种不同轻质材料的汽车车身冲压工艺CADCAPP和冲压件成形技术会得到进一步完善。
4.先进制造技术。
最近几年,“亚毫米冲压”概念逐渐深入人心。
亚毫米冲压是指汽车车身冲压件的精度控制在0?
1.Omm的范围内,与过去制造业通行的误差2mn湘比,是个非常大的提高。
亚毫米冲压的中心是冲压件的精度与敏捷度两个目标,精度就是使冲压件尺寸准确度控制在0毫米或亚毫米的水平,其关键是控制车身支架、立柱等结构件的尺变动,并使汽车覆盖件分块度大,如采用整体左右侧板和顶盖板等。
敏捷度含义则是指减少冲压件的生主准备时间达30%,包括模具设计、试样制造和工装准备时间,以达到极大缩短新车型制造周期的目的。
5.特种冲压技术。
如:
液力拉深、内高压成形、电磁成形。
6.冲压工艺改进和计算机辅助技术。
第二章制件结构工艺分析及冲压工艺方案设计
2.1制件结构工艺分析
此次设计用的材料为B210P1,厚度为1.2mm。
从零件的结构图可知:
该制件为中支板,制件形状比较简单,总体尺寸不是太大（422mm×130mm）。
形状和结构不复杂。
题目为制件的修边冲孔工序。
沿周修边,并且冲若干孔。
而零件底部其余部分由翻边翻孔工序来完成。
采用一模一件的冲压工艺方案。
2.2制件冲压工艺分析
2.2.1冲压工艺方案比较和确定
该零件包含的既有落料、修边、冲孔等分离工序,又有拉延、翻边、翻孔等成型工序。
因此,必须对工序进行合理的组合以及对冲压顺序进行合理的安排,才能保证产品的质量,提高生产效益,满足大批量生产要求。
本设计中应确定的为大批量生产的覆盖件冲压工艺方案。
综合该产品的形状及工艺分析可以初步的定义以下的几种设计工艺方案:
方案一方案二方案三
（1）拉延
（2）修边
（3）翻边
（4）冲孔
（5）翻孔
（1）拉延
（2）冲孔
（3）修边
（4）翻边+翻孔
（1）拉延
（2）修边+冲孔
（3）翻边+翻孔
各个方案的分析对比与确定:
方案一:
此方案与其它两个的不同之处在与拉延、修边、翻边后再冲孔、翻孔,虽然这样可以得到的产品质量最好,但是由于工序过多,会造成很大的资源浪费,此方案可以在方案二、三不能被采用时用。
方案二:
此方案与其它两个的不同之处在于方案二是先冲孔后修边,结合产品图我们可以知道,先冲孔而后修边非常容易引起产品的变形,实际的操作中不但不能获得到合格的产品,同时还会出现废品,所以为了能达到产品的要求,不应采用方案二。
方案三:
方案三是三个方案中比较好的,此方案与其他的两个的不同之处在于,它将冲孔与修边同时进行,冲孔与修边同时进行是在产品的孔与修边的边界距离不太小的情况下是合理的。
综合产品的设计要求,我们可以知道冲孔与修边同时进行在保证产品质量的前提之下是具有可行性的,因此我们在设计中可以采用方案三。
通过对以上各个方案的分析比较,可以得出方案三是比较理想的设计方案。
2.2.2工艺基准
模具零件在加工、测量和装配的过程中所应用的基准称为工艺基准。
可分为:
定位基准、测量基准和装配基准。
其中定位基准还可以进一步分为粗基准、精基准和附加基准。
冲模中心线是冲模最主要的基准。
将冲模中心线划在冲模及其零部件的实物上,以该线为依据找正,此法曾被广泛采用。
在冲模有关零部件上增设工艺基准,以这些工艺基准为依据找正,这样做虽然存在基准不重合误差,但由于其可靠性好、累积误差小且易于控制又便于长久保留,因此得到广泛采用。
这些工艺基准的科学设置与合理使用有利于提高模具的制造精度和便于以后模具的维修。
图2.1工艺基准
2.2.3修边冲孔模设计要点
修边、冲孔工艺属于剪切加工,其设计重点有:
a.冲压方向和切断面的强度;b.冲模刃口的选择;c.废料处理废料形状、盛废料装置、废料滑槽角度;d.操作性卸料装置;e.加工压力;f.冲模刚性等。
修边冲孔模三维实体设计的步骤:
从拉延工序得到拉深模工序件三维曲面数模→凸模镶块实体造型→废料刀镶块实体造型→凹模镶块实体造型→顶出器实体造型→冲孔凸模、凹模、固定板造型→完善下底版出废料部分的造型→设计冲压件定位、取件装置→设计和装配模具上其他标准件→导出二维工程图。
修边冲孔模是模具中结构比较复杂、零件比较多的模具。
设计要点在于:
1.模具零件三维设计顺序遵循工序制件→工作部分→结构部分→辅助部分。
2.参数化问题。
在设计初始阶段保留参数,以便于更改、提高效率。
3.三维实体设计规范和标注规范。
三维实体造型到二维工程图是计算机自动完成的,与CAD二维设计图纸有区别,规范标注,比如,实体造型中采用颜色来区分加工面、非加工面。
4.模具三维标准件库。
提高设计效率。
5.采用装配的设计方法。
清晰表达模具零件的属组和层次。
2.3基于UG平台的冲压工艺设计
2.3.1工序件的制作
产品图如图2.2
图2.2产品图
将产品图的翻边、翻孔处都展开,补好冲掉的若干孔便是工序件了。
沿绿色部分四周边缘的线为修边线,修边线外蓝色部分为工艺补充部分,红色部分为拉延筋。
工序件如图2.3。
图2.3工序件
2.3.2工程计划图的制作
工艺方案流程图如下图2.4至图2.6所示:
图2.4第一道工序
图2.5第二道工序图2.6第三道工序
本课题的主要内容是修边冲孔这道工序模具的三维设计。
工艺计算及主要参数的确定
3.1冲裁间隙的确定及方向的确定
合理的冲裁间隙确定有两种常用的确定方法:
（1）理论确定法:
理论确定法的主要根据是保证上、下裂纹重合,以获得良好的冲裁断面。
间隙的大小可以由下面的公式来确定:
其中h?
?
凹模压入深度
t?
?
材料的厚度
?
?
裂纹方向与垂线间的夹角。
（2）经验确定法（通过查设计标准）
料厚（mm）单面间隙Cmm双面间隙2Cmm间隙量%
0.50.030.055
0.60.030.065
0.70.040.075
0.80.040.085
0.90.060.127
1.00.070.147
1.20.100.198
1.40.140.2810
1.80.180.3610
2.00.200.4010
2.30.230.4610
2.60.260.5210
2.90.290.5810
图3.1标准间隙速查表
料厚为1.2mm,查图3.1表得合理的冲裁间隙为0.10mm（单边间隙）。
间隙的方向:
以凹模为基准,间隙取在凸模上;而在设计冲孔模时,以凸模为基准,间隙取在凹模上。
3.2冲裁力、推件力、卸料力的计算
3.2.1冲裁力的计算
由公式
其中:
F?
?
冲裁力（N）
L?
?
零件周长（mm）
t?
?
材料厚度（mm）
?
?
材料抗剪强度（MPa）
K?
?
系数通常取1.3
在实际的计算冲裁力过程中,为了简便也可以按下式估算冲裁力:
由资料可知材料B210P1查表取a
图3.2测量修边线长度
在UG中测量修边线的长度得L1584.8343mm;t1.2mm
则由上面的公式可以得:
F1584.8343mm×1.2mm×350MPa665630.406N约为66.6吨
3.2.2卸料力、推件力、顶件力的计算
退料力:
推下包在凸模上的料所需要的力,叫退料力。
退料力K退×P（Kg）
式中:
K退?
?
退料力系数;P?
?
冲裁力（Kg）
推出力:
顺着冲裁方向推出卡在凹模里的材料所需要的力,叫推出力。
推料力nK推×P（Kg）
式中:
n?
?
卡在凹模里料的数量;K推?
?
推料力系数。
顶出力:
逆着冲裁方向顶出卡在凹模里的料所需要的力,叫顶出力。
顶出力K顶×P（Kg）
式中:
K顶?
?
顶出力系数。
图3.3退料力、推出力、顶出力示意图
料厚K退K推K顶
钢≤0.10.06-0.090.10.14
0.1-0.50.04-0.070.0650.08
0.5-2.50.025-0.060.050.06
2.5-6.50.02-0.050.0450.05
6.50.015-0.040.0250.03
铝、铝合金0.03-0.080.03-0.07
紫铜、黄铜0.02-0.060.03-0.09
图3.4系数表
料厚为1.2mm,由图3.4知:
K退0.025-0.06;K推0.05;K顶0.06
则:
已知冲裁力为665630.406N;
退料力F退665630.406×0.0533281.5203N
F推665630.406×0.0533281.5203N
F顶665630.406×0.0639937.82436N
则总的冲裁力为:
F总F+F退+F推+F顶772131.27N
3.2.3压料力的计算及弹簧的选定
⑴压料力是指加工开始时为防止制件变形和错动所需的压力。
压料力Ps（Kg）
PsP×压件器压下时的系数（Kg）
⑵在开始切割板件时（刃口开始切件）,要满足所需压力。
⑶压料力随产品形状和厚度的不同而不同。
一般为修边力的5%左右,压力系数见图3.5
图3.5压力系数
本设计中压件器不受侧向力,通过图3.5中查到压力系数为5%。
则有F压772131.27×5%38606.564N约为3.9吨。
然后压料力通过压件器实现,所以在工作中,压件器的压力有弹簧提供,考虑到压件器上位置分布等诸多问题,选用氮气弹簧。
氮气弹簧的标准X500-25,瑞典凯尔标准,参数为初始压力为7400N,终点压力为14000N。
3个氮气弹簧,总共能提供的压力为42000N38606.564N,则弹簧选择是合适的。
3.2.4压力机的选择
根据实际情况、工作台台面的尺寸、闭合高度的大小、初步确定的总的冲裁力的大小选择在实际的设计中使用压力机:
模具所用的设备为J31-400C,其工艺参数如下:
公称压力吨400
滑块行程毫米400
滑块行程次数次/分20
最大装模高度毫米650
装模高度调节量（毫米）250
导轨间距离（毫米）1340
工作台板尺寸左右×前后毫米1500×1400
工作台垫板厚度毫米200
滑块底面尺寸前后×左右毫米1490×1300
电机总容量45
净重（吨）53
外形尺寸（长×宽×高）（mm）3560×2910×6720
3.3凸、凹模刃口尺寸的计算
3.3.1设计的原则
1、保证冲出合格的零件
2、保证模具有一定的使用寿命
3、考虑冲模制造修理方便、降低成本
3.3.2尺寸的计算
本套模具中修边凸、凹模的刃口采用配合加工的方法加工,保证模具间隙为0.10mm左右,所有冲孔凸、凹模均采用分开加工的方法制造。
（1）凸模与凹模分别加工时的公式如下:
冲孔:
由公式知:
落料:
由公式知:
以上各式中,系数x是为了使冲裁件的实际尺寸尽可能最接近冲裁件公差的中间尺寸。
x在0.5~1之间取值与工件的制造精度有关可查相关手册,或按下列关系取值:
工件的公差等级为IT10或更高,取x1;
工件的公差等级为IT11~IT13,取x0.75;
工件的公差等级为IT14,取x0.5。
由于在此零件中未标注公差值,按国家标准的非配合尺寸的IT14级处理。
以下所有的凸、凹模刃口尺寸的计算中均取x0.5。
对于最小合理双面间隙Zmin,由于所有的手册上都查不到与设计中所用的B210P1相对应的值,一般取板料厚度的10%,故经验公式Zmin10%t,式中t为板料厚度。
制件的厚度为1.2mm,于是有
Zmin10%t10%×1.2mm0.12mm
根据制件的IT14级精度,查表3.1可得制件的公差。
由公式和计算可得凸、凹模刃口尺寸。
表3.1基准件公差值
基本尺寸/mm公差等级
IT9IT10IT11IT12IT13IT14
≤3
>3~6
>6~10
>10~18
>18~3025
30
36
43
5240
48
58
70
8460
75
90
110
130100
120
150
180
210140
180
220
270
330250
300
360
430
520
表3.2规则形状（圆形、方形）冲裁凸模、凹模的极限偏差
基本尺寸/mm凸模极限偏差凹模极限偏差
≤18
>18~30
>30~80
>80~120
>120~180
>180~260
>260~360
>360~500
>500-0.020
-0.020
-0.020
-0.025
-0.030
-0.030
-0.035
-0.040
-0.050+0.020
+0.025
+0.030
+0.035
+0.040
+0.045
+0.050
+0.060
+0.070
注:
摘自《冲压手册》
（2）在设计冲孔时的凸、凹模刃口部分的尺寸情况如下:
图3.7工序件图
例如冲孔32查表3.2得:
0.020mm;0.030mm;x0.5
则可以将以知和查的数据代入到（2-11）及（2-12）中得
（32+0.5×0.52）32.26
（32+0.5×0.52+0.12）
32.38
同理其它各个孔的冲孔凸、凹模刃口尺寸可按以上方法计算,计算结果如表3.3所示:
表3.3凸、凹模刃口尺寸
制件孔基本尺寸/mm凹模刃口尺寸/mm凸模刃口尺寸/mm
3232.3832.26
99.189.30
77.187.30
3.4确定冲模闭合高度
模具闭合高度主要是考虑到:
1,闭合高度应该尽量小,以节省成本。
2,应该考虑到压机的性能参数,模具的闭合高度应该在压机的最小闭合高度以上（如果再小,就无法安装,当然,可以使用垫块,但是这样的模具就是非常规设计了,一般设计资料上不推荐使用垫块）,而在最大闭合高度以下。
理论上来说,模具可以使用机床最大闭合高度,但是,实际生产中,模具的制造误差存在,不可能完全达到设计的闭合高度。
如,设计的闭高为650,由于加工及装配误差的存在,闭合高度就变为了655了,同样,如果机床的最小闭合高度为400,而设计时虽然闭合高度为400,但是由于误差的存在,闭合高度变为395,这样的闭合高度也是无法安装的。
这样的误差在生产及装配中是不可避免的,是现实存在的。
所以,在设计时,要提前考虑到这样的误差的存在,将模具的闭合高度设计在机床最大闭合高度以下10mm左右。
所以,机床的最小闭合高度+10≤模具闭合高度≤机床的最大闭合高度-10mm。
由3.3.4得出H最大650mm;H调250mm;H最小650-250400mm
则400+10≤H闭≤650-10,即410≤H闭≤640
现闭合高度为600mm,符合以上的设计原则。
3.6校合起重棒
模具本体的测量主要依靠UG的自带测量功能,?
?
分析?
质量属性,可以查处模具的质量。
图3.8模具总体质量测量
如图3.8可以得到模具本体的质量为:
1351.9995kg,即1.3吨左右。
起重棒的选择,按东风模具设计标准,起重棒的允许载荷为:
图3.9起重棒选择标准
选择d40的起重棒,它的允许载荷已经达到了2.5吨,4根起重棒的载荷为10吨,已经远远满足要求,保证了安全。
模具结构方案及主要部件设计
4.1修边冲孔模的典型结构
由于汽车覆盖件的结构形状不同,修边线的空间形状不同以及修边部位的不同,修边方向也不同,因此修边轮廓多是立体的不规则的形状,所以修边刃口不能设计在一个平面上,而是有许多块刃口镶块组成修边刃口。
这种结构可以大大减少模具刃口的制造工作量,减少刃口材料的消耗,降低模具的制造成本,且结构简单,故被广泛采用。
根据修边镶件的运动方向,修边模中结构最简单、应用最多的是垂直修边模,这类模具修边镶件的运动方向与压力机滑块的运动方向一致,做垂直方向的运动。
典型结构如图4.1。
图4.1修边冲孔模
模具主要包括6个部分:
刃口部分,定位部分,物流部分,导向部分,限位部分,安装部分。
刃口部分:
主要是模具的工作部分,确保零件的修冲及翻整等操作,一般来说,硬度要求比较高,用镶块来做刃口,镶块的材质由料厚决定。
定位部分:
主要是保证制件在模具上的定位,以便冲裁时,制件能准确安放。
料流部分:
主要是考虑制件在模具内的流动,如:
坯料件的放置,成品件的取出,及加工中废料的流动。
导向部分:
主要保证模具在工作时,上下模的导向,及压件器在上模内的导向。
限位部分:
主要考虑活动部分在模具内的限位,如:
上下模合模的时候的限位,及压件器在上模内的限位。
安装部分:
安装部分是模具的主体,主要是保证以上几个部分的安装,及模具的强度。
一般为铸件材质。
4.2工艺分析
在模具设计前,首先明确工艺要求。
图4.2工艺分析
从图4.2上可以看出,沿绿色部分轮廓为修边部分,红色部分为冲孔部分。
大致可以将整个工作部分分为3个区域,如图所示:
1.修边区域,需要设计修边镶块（凸模和凹模）。
2.
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