汽车发动机油底壳的拉延模设计.docx
《汽车发动机油底壳的拉延模设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车发动机油底壳的拉延模设计.docx（67页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
汽车发动机油底壳的拉延模设计
摘要
本论文详细地介绍了汽车发动机油底壳的拉延模设计。
汽车发动机油底壳是汽车拉延件的一部分，与一般的冲压件相比，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高、硬度强度要求大等特点。
需要经过多道工序如拉延、修边等才能完成。
在整个生产过程中，拉延成型是最关键的，也是最难的一道工序，而决定拉延成败和工件质量的是拉延成型的模具。
对于这种复杂的拉延件，单凭经验是很难预先估计的，使得模具的准确定难以保证，要等到试模时才能发现问题，从而使生产周期加长，效率降低。
利用成形过程模拟技术，可以及早的发现问题，改进模具设计。
Autoform是利用有限元法对金属冲压全过程进行模拟分析，在整个产品开发设计及模具开发过程中起到主导作用。
从而大大缩短了模具调试周期，降低制模成本。
本文中利用Pro/E三维造型进行三维零件结构设计，用该软件对汽车发动机油底壳的拉延成型进行有限元分析，确定合理的拉延成型工艺，最后利用UG制造功能对模具进行模拟加工。
关键字：
汽车发动机油底壳；拉延模；三维造型；有限元分析；CAM
ABSTRACT
Inthispaper,adetaileddescriptionofAutomobileEngineOilSumpDrawingDieDesign.OilSumpisapartofautomobileengine.Comparedwithgeneralstampings,withathinmaterial,theshapeofcomplex,largesize,highsurfacequalityrequirements,highproductioncosts,requirementshardness.Needtogothroughmultichannelprocessessuchasdrawing,punching,suchastrimmingtocomplete.InthisentireproductionofDrawingisakeyprocess,Drawingthesuccessoffailureofthedecisionandthequalityofsheetmetal,theexperiencealoneisdifficulttoanticipate,makingitdifficultmolddesigntoensuretheaccuracy,weoftenhavetowaittodiewhenthetestrevealedtheissueofmold.Weusesheetmetalformingsimulationtechnology,youcandiscoverproblemsearly,andtoimprovethemolddesign.Finiteelementanalysissoftwaretoolhassignificantlyshortenedthedebuggingcycleandlowertoolingcosts.Inthispaper,weusethelatterhoardingsAutoformDrawingtothefiniteelementanalysistodetermineareasonabledrawingformingprocess.AndtheuseofPro/efunctionalthree—dimensionalmodelingandassemblyofthethree–dimensionalpanelstructuredesignDrawingDie.
Keywords:
OilSump;DrawingDie;Three-dimensionalmodeling;Elementanalysis
第一章前言
国内汽车制造业近年来得到迅速发展，汽车产量已名列世界汽车前列。
模具工业是汽车产品开发和大批量生产地重要组成部分。
一辆汽车有80%的零部件是用模具加工制造的。
而拉延件模具又以其大型、复杂、精密等特点而成为模具中举足轻重的部分。
目前，我国汽车模具工业还不能快速适应整车开发和换型要求，其中一个原因是汽车模具设计与制造水平较低，制造装备比较落后。
而且设计部与制造部严重脱节，造成我们模具粗糙，工艺水平和国际大厂（日本丰田、德国大众等）有明显的差别。
由于受模具材料及模具特殊结构的限制，目前国内汽车车身模具的冲压工艺水平与国外同行业仍有一定的差距。
这主要表现在工艺设计人员的经验和经历方面，国内工艺设计人员所接触的车型种类和国外工艺设计人员相比相差太多，导致工艺设计思想受到一些约束。
国外冲压工艺设计是一个专业性很强的岗位，分工明确，需要通过团队合作来完成这个复杂的设计过程，一般包括产品前期工艺性分析、工艺方案预测、模型构建、工艺的可行性分析、模型的反复优化等设计过程。
随着计算机辅助设计和计算机辅助制造的发展，国内汽车公司应用三维的数字化工艺规划与仿真软件分析使产品设计和精度都有很大的提高。
中国汽车白车身制造业的装备目前无论在数量上还是先进性上都已接近世界领先水平。
但由于我们起步较晚、积累不足，制造技术水平与国际先进水平仍有较大差距。
要使我国由模具大国，变成模具强国，行业需要做出坚韧不拔的努力。
本次某小汽车后围板设计重新定义了产品设计到生产的全过程。
针对这次产品设计（CAD技术）、CAE分析、CAM数控加工全过程经反复优化，进一步减少了各环节的误差。
这样对整个设计的产品开发节省了大量的人力、物力和财力。
由于本论文内容广泛，我的学识水平和实际经验有限，错误与不当之处在所难免，敬请各位老师和学生批评指正。
第二章发动机油底壳特点及相关要求
2.1油底壳结构特点
汽车发动机油底壳材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高、强度硬度要求的大等特点。
产品主要尺寸见图2.1。
图2.1油底壳结构图
结构上该拉延件两端的拉延深度相差大，最底下有漏油凸包，四周都有凸缘，任何微小的缺陷都会使拉延件表面留下波纹、皱着、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他表面缺陷。
2.2油底壳相关要求
2.2.1表面质量
拉延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，拉延件之间的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。
总之拉延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。
2.2.2尺寸形状
汽车发动机油底壳的形状为空间立体曲面，其形状很难在拉延件上完整准确的表达出来，因此拉延件的尺寸形状常常借助主模型来描述。
主模型是拉延件的主要制造依据，拉延件图上标注出来的尺寸形状，其中包括立体曲面形状、形状过渡尺寸等，都应和主模型保持一致，图元上无法标注的尺寸要依赖主模型量取，从这个意义上看，主模型是拉延件图必要的补充。
2.2.3刚性
汽车发动机油底壳拉延成型时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。
刚性差的拉延件受到震动后会产生空洞声，用这样的零件装车，汽车在高速行驶时就会发生振动，造成拉延件早起破坏，因此拉延件的刚性要求不容忽视。
检查覆盖件刚醒的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位声音的一同，另一是用手按看是否发生松弛和鼓动现象。
2.2.4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在于拉延工艺。
而良好的拉延工艺主要在于覆盖件的工艺补充部分，它既是实现拉延的条件，又是增加变形程度获得良好刚性的必要补充。
工艺补充的多少取决于覆盖件的形状和尺寸，也和材料的的性能有关，形状复杂的深拉延件，可以使用B180H1钢板。
工艺补充的多余料需要在以后工序中去除。
拉延工序以后的工艺性，仅仅是确定工序次数和安排工序顺序的问题。
工艺性好可以减少工序次数，进行必要的工序合并。
审查后续工序的工艺性要注意定位基准的一致性或定位基准的转换，前道工序为后续工序创造必要的条件，后道工序要注意和前道工序衔接好。
第三章发动机油底壳成型工艺分析
3.1工艺分析
3.1.1产品材料分析
该拉延件用的材料是08A，厚度1.5mm。
A代表优质钢（P（%）≤0.035S（%）≤0.035）。
根据《机械设计手册（新编软件版）2008》软件中常用金属工程材料数据知：
08A材料化学成分如下：
化学成分质量分数%|C:
0.05～0.11
化学成分质量分数%|Si:
0.17～0.37
化学成分质量分数%|Mn:
0.35～0.65
化学成分质量分数%|Cr≤:
0.10
化学成分质量分数%|Ni≤:
0.30
化学成分质量分数%|Cu≤:
0.25
力学性能如下：
力学性能|强度极限σb/MPa≥:
325
力学性能|屈服极限σs/MPa≥:
195
力学性能|伸长率δ5（%）≥:
33
力学性能|断面收缩率ψ（%）≥:
60
钢材交货状态硬度HBS10/3000，≤|未热处理钢:
131
主要特征:
极软低碳钢，强度、硬度很低，塑性、韧性极好，冷加工性好，淬透性、淬硬性极差，时效敏感性比08F稍弱，不宜切削加工，退火后，导磁性能好；
应用举例:
宜轧制成薄板、薄带、冷变形材、冷拉、冷冲压、焊接件，表面硬化件。
3.1.2成型可能性分析
拉延件的成型可能性分析是一项艰苦细致的工作。
由于拉延件形状十分复杂，其成型可能性计算没有固定的方法。
一般用的方法是用基本冲压工序的计算方法进行类比分析、变形特点分析、成型度α值判断法。
在这里我用成型度α值来判断该拉延件的成型性能,对不规则形状拉延件的成型,成型度α值见式3.1,
（3-1）
式中
——成型前毛坯的长度
——成型后工件长度
在拉延件最深或认为危险的部位，取间隔50~100mm的纵向端面，计算各断面的成型度值（见图3.1），利用表3.1的数据进行成型分析和判断。
图3.1成形性研究
表3.1不规则形状、大小尺寸拉延件的成型难以判断值
成型度α值判断
判断内容
2%
α全部平均值不超过2%，要活的良好的固定形状是困难的
5%
α全部平均值超过5%，只用胀形是困难的，必须允许用拉延法
5%
在50~100mm间隔上相邻纵向断面的α值之差超过5%时，易产生皱折
10%
α的最大值超过10%时，只用胀形是困难的，必须允许用拉延法
30%
如已破裂为限度的α平均值超过30%时，成型时属于危险的
40%
如已破裂为限度的α最大值超过40%时，成型时属于危险的
根据该拉延件的形状，计算深的一侧的α1值见式3.2，
（3.2）
计算浅的一侧的α2值见式3.3
（3.3）
则平均值见式3.4
（3.4）
对照上表可以知道
，则必须用拉延法，胀形是困难的。
又知道
，
则可以顺利成型。
3.1.3确定工序数
该汽车发动机油底壳从板料到产品成型初步分为两道工序：
①拉延、②修边。
拉延次数的确定：
汽车发动机油底壳是冲压工艺加工的大尺寸，复杂程度中等的零件；底部结构有凸台结构，压料面要求有较高平面度。
根据《冲压工艺及冲模设计》图5.31可知，该拉延件可以用盒形件的计算方法来计算。
相对高度
的盒形件，一般需要多次拉深
式中H——盒形件高度
B——盒形件宽度
则该拉延件的深的一侧计算见式3.5和3.6
（3.5）
（3.6）
因为拉延件深的一侧只有三面拉深到170mm，有一面拉深了113mm。
经过加权得式3.7
（3.7）
则，该拉延件在深的一侧符合一次拉深的条件
拉延件浅的一侧计算见式3.8
（3.8）
则，该拉延件在浅的一侧符合一次拉深的条件。
由此可知该拉延件可以一次拉深成型。
校核拉延件变形程度：
根部表5.13估算，
需要计算的量见式3.9和3.10
（3.9）
（3.10）
根据《冲压工艺及冲模设计》表5.12查得拉延件的角部首次拉深的极限拉深系数m=0.34,算得该拉延件的拉延系数见式3.11
m拉延件=
>m（3.11）
式中r——拉深件口部的圆角半径
Ry——毛坯圆角的假象半径
则该拉延件在角部符合一次拉延的条件。
确定工序为①拉延（一次拉深完成）、②修边。
3.2工艺方案
拉延件的冲压工艺方案编制依据是产品的生产纲领。
工艺方案应保证产品的高质量、生产高效率和降低成本。
该拉延件采用中批量生产的冲压件冲压工艺方案。
当月产量大于1000件且小于10000件（卡车）或30000件（轿车）时，被视为是中批量生产。
其生产特点是比较稳定地长期生产，生产中形状改变时有发生。
模具选择除要求拉延模采用冲模外，其他工序如果影响质量和劳动量大也要相应选用冲模，模具寿命要求在5万件到30万件。
模具选择洗漱为1：
2.5，亦即一个拉延件平均选择2.5套冲模。
拉延模常用HT250、HT300灰口铸铁制造，表面火焰淬火处理。
模具结构采用导板导向，机器取件，固定或气动定位毛坯，壁厚中等，设计中要适当考虑合理性。
第四章发动机油底壳拉深模具主要数据确定
4.1模具压力机类型确定
拉延用压力分为单动压力机和双动压力机，深度浅的覆盖件一般采用单动压力机来成型；形状复杂、深度深的拉延件必须采用双动压力机成型。
这是因为但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是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要的成型力。
其次，单动压力机所用拉延模的压边圈比较薄，刚性相对弱，亦不能适应复杂深拉延件的成型。
4.2模具的主要结构
根据该拉延件的结构和尺寸，应该选用双动压力机。
模具的主要结构如图4.1，凸模和压边圈在上，分别安装在压力机内、外滑块上；凹模在下，直接装在下台面垫板上。
凸模与压边圈、凹模与压边圈之间分别装有内外导向装置。
模具的外廓尺寸和高度要严格适应压力机技术参数的要求，设计时要慎重。
汽车发动机油底壳拉延模由凸模、凹模、压边圈和凸模固定座四大件组成。
凸模、凹模和压料圈采用钼钒合金铸铁，加工后与棱线、凹模拉延圆角处进行表面火焰淬火处理，硬度可达HRC50~55。
凸模固定座采用普通灰口铁HT150,或HT200。
各铸件铸造后都需经过正常化处理以消除铸造应力。
拉延完成后由顶件器顶出，以便机械手取件。
图4.1汽车发动机油底壳拉延模
4.2利用Autoform确定产品坯料
一般产品坯料的确定有计算法、解析法、图解法，对于复杂零件需要分割成好多块简单零件的模型，进行依次计算，把最后得出的尺寸汇总，得到大致的毛坯尺寸。
本论文采用Autoform的Onestep功能快速得出坯料的形状和尺寸。
首先把三维建模的igs格式文件导入到Auroraform中如图4.2，选择分析模块Modle—processgenerate如图4.3，再选择Onestep分析如图4.4,在Onestep中提取边界、输入材料厚度1.5、输入材料stl12（因为材料stl12与08A力学性能一样）如图4.5,材料stl12属性如图4.6.
图4.2导入拉深件面信息图4.3选择分析模块图4.4Onestep分析
图4.5Onestep中的设置图4.6stl12材料属性
单击菜单job-Startsimulation进行分析，分析结果命令流如图4.7,坯料形状和大小可在窗口中看到如图4.8所示。
把生成的坯料文件到成igs格式，在Pro/E中可以编辑和标尺寸。
图4.7分析结果命令流图4.8坯料形状大小
4.3压边圈确定
覆盖件拉延成形的压料面形状是保证拉延过程中材料不破不裂和顺利成形的首要条件，确定压料面形状应满足如下要求：
（1）有利于降低拉延深度。
平压料面压料效果最佳，如图4.9拉延模的压料面，但为了降低拉延深度，常使压料面形成一定的倾斜角。
图4.9拉延模的压料面
（2）压料面应保持凸模对毛料有一定程度的拉延效应。
压料圈和凸模的形状应保持一定的几何关系，使毛料在拉延过程中始终处于紧张状态，并能平稳渐次地紧贴凸模，不允许有多余的材料产生皱纹。
如图4.10所示，如图4.11所示。
因此，必须满足下列条件见式4.1
（4.1）
（4.2）
式中l——凸模展开长度；
l1——压料面展开长度；
——凸模表面夹角；
——压料面表面夹角。
图4.10压料面展开长度比凸模表面展开长度短的示意图
图4.11压料面形状（
）
（3）压料面平滑光顺有利于毛料往凹模型腔内流动。
压料面上不得有局部的鼓包、凹坑和下陷。
如果压料面是覆盖件本身的凸缘面，而且凸缘上有凸起和下陷时，应增加整形工序。
压料面和冲压方向的夹角大于90º，会增加进料阻力，也是不可取的。
平面压料面不但有利于成形，而且加工也容易，应尽量采用。
4.4拉延筋布置
覆盖件拉延成形成形时，在压料面上敷设拉延筋或拉延槛，对改变进料阻力，调整进料速度使之均匀化和防止起皱具有明显的效果。
1）主要作用
（1）增加局部区域的进料阻力，使整个拉延件进料速度达到平衡状态；
（2）加大拉延成形的内应力数值，提高覆盖件的刚性；
（3）加大径向拉应力，减少切向压应力；延缓或防止起皱。
拉延筋局部形状如图4.12所示，拉延槛局部形状如图4.13所示。
拉延筋的断面形状为半圆形，一般取筋半径R=12～18mm，筋高h=5～7mm（钢件）或3～5mm（铝合金件）。
拉延筋的凹槽一般不和工作面吻合，通过修整凹槽的宽度来改变进料阻力。
拉延槛的阻力更大，它多用在深度浅的拉延件。
图4.12拉延筋局部图
图4.13拉延槛局部图
2）设计原则
（1）拉延件有圆角和直线部分，在直线部分敷设拉延筋，使进料速度达到平衡；
（2）拉延件有深度不同的直线部分，在深度浅的直线部分敷设拉延筋，深度深的直线部分不设拉延筋；
（3）浅拉延件，圆角和直线部分均敷设拉延筋，但圆角部分只敷设一条筋，直线部分敷设1～3条筋。
当有多条拉延筋时，注意使外圈拉延筋“松”些，内圈拉延筋“紧”些，改变拉延筋高度可达到此目的；
（4）拉延件轮廓呈凸凹曲线形状，在凸曲线部分设较宽拉延筋，凹曲线部分不设拉延筋；
（5）拉延筋或拉延槛尽量靠近凹模圆角，可增加材料利用率和减少模具外廓尺寸，但要考虑不要影响修边模的强度；
4.5冲压力的计算
1）压力中心的确定
在Pro/E的三维建模模块中，输入材料属性，在“分析—模型—质量属性”模块中，选择笛卡尔坐标系，进行快速预览，可以得出压力中心与笛卡尔坐标系的关系。
如图4.14所示。
图4.14重心的确定
2）冲压力计算
汽车发动机油底壳跟盒形件很相似，把该拉延件分成两个盒形件，，所以根据盒形件拉深力来计算。
根据《冲压工艺及冲模设计》[12]式5.47知拉深力可按式4.3计算
P=KLtσb（4.3）
式中L——盒形件周长
σb——材料的抗拉强度
t——材料的厚度
K——系数，K=0.5~0.8，这里K取0.7。
深的盒形件拉深力P=KLtσb=0.7×2043×1.5×325=697173N
4.6压边力的计算
压边力能引起毛坯凸缘部分和凹模平面和压边圈表面之间的摩擦阻力，该摩擦阻力的大小增加危险断面的拉应力，压边力太大会导致拉裂或者严重变薄，而压边力太小则会导致起皱。
据分析，拉深时当毛坯的凸缘减至Rt=（0.7~0.9）R0时，凸缘的起皱可能性最大，此时的压边力应达到最大值，但是在实际生产中要做做到这点很难，目前人们在设计和改善压边装置的结构，以适应拉深过程对压边力的要求。
使用单位压边力p来计算总的压边力，根据《冲压工艺及冲模设计》表5.9单位压边力p,选取该拉延模的单位压边力p=2Mpa
根据式4.4
Fy=Ap（4.4）
式中A——开始拉延时压边面积
该拉延件的总压边力Fy=Ap=141207×2N=282414N
4.7工艺补充
所谓工艺补充即将覆盖件上的窗口、孔洞填平，开口部位连接成封闭形状，增补压料面的凸缘等内容的工艺处理手段。
所有工艺补充都须在修边工序中切除。
工艺补充应在满足压延条件下，尽量减少工艺补充面，以提高板材的利用率。
根据工艺补充面所起的作用不同，工艺补充面可分为三类：
为弯边、翻边展开后的过渡而增加的工艺补充面；
为改善覆盖件的压延变形条件而增加的工艺补充面；
为增加覆盖件刚度而须增加的工艺补充面。
修边线在拉延件压料面上，如图4.15所示。
此时压料面就是覆盖件的凸缘面，修边采取垂直修边。
为了在模具使用中打磨压料筋槽不致影响修边线，修边线至拉延筋的距离A一般取25mm。
图4.15工艺补充
由于汽车发动机油底壳的凸缘不够长，所以要增补压料面，使拉延时不已起皱和拉裂。
通过抽取原产品轮廓线、延长线条和扩展平面，拉拔曲面倒角和曲线网格形成完整的工艺补充面。
图4.16为工艺补充后的立体图。
图4.16工艺补充后的立体图
4.8模具压力机型号确定
压力机的种类很多，分类方法也不相同。
如按驱动滑块的力可分为机械压力机、液压压力机、气动压力机等；按滑块数量分为单动压力机、双动压力机、三动压力机等；一般多用按驱动滑块力把压力机分为机械压力机和液压机。
根据本次设计为倒装式拉延模，采用单动压力机进行冲压，对于大批量生产的产品，为了提高工作效率采用机械式压力机。
因为机械压力机加工速度比液压机快得多，也比较容易实现高速自动化，但是机械式压力机压力不能进行调节容易发生过载，而且行程长度的改变也难以进行调节。
根据《中国模具设计大典》查得采用J36-630B闭式双点压力机进行冲压。
具体参数见表4.2。
表4.2J36-630B闭式双点压力机技术规格
项目
参数
项目
参数
公称压力（KN）
6300
滑块行程（mm）
500
公称压力行程（mm）
26
滑块行程次数（min-1）
9
最大闭合高度（mm）
1000
闭合高度调节量（mm）
340
工作台尺寸前后（mm）
1500
工作尺寸左右（mm）
3450
工作台垫板厚度（mm）
190
气垫压紧力（KN）
3×400
滑块底面尺寸前后（mm）
1270
滑块底面尺寸左右（mm）
3450
第五章发动机油底壳修边模具的设计
5.1修边模具的选择
修边模是用于将拉延件工艺补充部分和压料面多余材料切掉的模具。
修边模根据修边镶块的运动方向可以分为一下三类。
1）垂直修边模
修边镶块的运动方向同压力机滑块运动方向一致的修边摸叫做垂直修边摸。
在覆盖件拉延件设计时，要尽量为垂直修边创造条件。
采用垂直修边，模具结构简单，制造容易，是优先考虑的结构形式。
2）斜楔修边模
修边模镶块作水平或者倾斜方向运动的修边模叫做斜楔修边模。
修边镶块的水平运动或倾斜运动是考斜楔的驱动而实现的，斜楔安装在上模上，由压力机带动，所以说斜楔是将压力机压力方向改变的机构。
这种修边模的工作部分占据较大面积，模具外廓尺寸大，结构复杂，制造比较困难。
3）垂直斜楔修边模修边镶块的一部分做垂直运动，另一部分做水平或者倾斜方向运动，这类修边模叫做垂直斜楔运动。
因为该拉延件的工艺补充部分跟凸缘在同一平面内，并且都是水平的，所以采用第一种垂直修边模。
5.2修边线的确定
因为汽车发动机油底壳拉延件的工艺补充比较简单，只在凸缘的周围增加了一定的尺寸，并且是
升级会员 