冲压工艺及模具设计

《冲压工艺及模具设计》大作业大型覆盖件成型工艺及模具班级：成型132学号：李宜东姓名：130616207成绩：汽车覆盖件成形工艺及模具汽车车身覆盖件是指构成汽车车身、驾驶室、覆盖发动机及底盘表面和内部的汽车零件。汽车车身覆盖件既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳状的受力零件，也是消费者最重视的外观面零件。控制好车身覆盖件品质，对提升整车品质起着至关重要的作用。由于覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的反射从而影响车身美观，从汽车美观学和空气动力学来分析，外覆盖件各性能要求中对外观精度和曲面质量要求最高，须满足A级曲面质量要求，因此车身覆盖件表面不允许有开裂、起皱等缺陷问题。为了消除及避免此类缺陷，首先需做好拉延成型工艺。成型工艺是目前汽车车身覆盖件最关键和重要的工艺，一定程度上决定了覆盖件品质，汽车覆盖件成型工艺因此也成为了目前汽车行业重点研究的课题之一。1、覆盖件的生产现状近年来，在覆盖件成型研究中，学校与企业间展开了广泛和密切的合作。上海交通大学与宝钢、上海大众等企业合作，对桑塔纳系列轿车部分覆盖件的成型过程运用了动力显示软件dynaform进行了数值模拟。一汽模具制造厂利用软件Optris，对汽车翼子板进行了数值模拟，并且一次试模即获得比较理想的模具。一汽集团公司对油底壳的拉延成形过程进行了数值模拟，对成形中可能出现的质量问题进行了准确地预测，并提出解决的办法，模具修改后，一次试模就取得了良好的结果[1]。通过国内诸多学者和企业的不断努力，陆续推出具有自主知识产权的模拟仿真软件。上海交通大学开发了冷冲模CAD系统，湖南大学开发出汽车覆盖件CAD/CAE/CAM一体化技术，华中科技大学开发的模拟仿真软件FASTMAP。吉林工业大学开发出板料成型CAE系统KMAS等。此外，变压边力技术、冲压工艺专家系统、覆盖件数值模拟并行计算等先进技术也得到了较大的发展「2-6]。2、覆盖件成形工艺概述车身覆盖件成形基本工序有:落料、拉深、修边(切边)、翻边(翻孔)、整形、弯曲等。1.落料工序:这道工序主要在拉延工序之前获得合适尺寸和形状的毛坯，为拉延工序作准备，并尽可能的合理利用材料。有些情况，为了节省模具成本，会省去落料工序，用剪机代替落料模下料。2.拉延工序:以单动拉延为例，拉深模运动过程:板料由压边圈固定，然后在压力机作用下凸模下行，与板料接触后，凸模加载力传递给板料使之流入凹模，直至板料完全流入凹模为止，拉延工序即完成。3.修边工序:为了使拉延成形应力应变均匀，得到成形充分的覆盖件在拉延工序中设计了压料面和工艺补充面，但这两者不属于最终成形的零件，所以在拉延成形后，通过计算得的修边线将压料面和工艺补充面剪裁掉，修边工序即完成。4.翻边工序:在修边工序后，覆盖件边界充分展开，不利于与其它覆盖件搭接，从装配角度将覆盖件部分边界折成一定角度的直壁，翻边工序即完成。5.整形:利用己有的模具形状对产品外形进行二次修正。针对部分材料存在弹性，无法保证一次成形品质时，采取的再加工。6.弯曲:将覆盖件弯成一定角度、曲率和形状的塑性成形方法。覆盖件弯曲实质是一个弹塑性变形过程，卸载后，零件会产生反方向的弹性恢复变形，即回弹。回弹度是弯曲工艺必须考虑的技术关键。3、覆盖件的结构特征从总体上来说，汽车覆盖件的总体结构特点，决定了其冲压成形过程中的变形特点，但实际上，由于其结构复杂,难以从整体上进行变形特点分析。因此，为能够比较科学地分析判断汽车覆盖件的变形特点，生产出高质量的冲压件，必须以现有的冲压成形理论为基础，对这类零件的结构组成进行分析，把一个汽车覆盖件的形状看成是由若干个“基本形状”(或其一部分)组成的。这些“基本形状”有：直壁轴对称形状(包括变异的直壁椭圆形状)、曲面轴对称形状、圆锥体形状及盒形形状等。而每种基本形状都可分解成由法兰形状、轮廓形状、侧壁形状、底部形状组成。因为这些基本形状的零件冲压变形特点、主要冲压工艺参数的确定已经基本可以定量化计算，各种因素对冲压成形的影响已基本明确。通过对基本形状的零件冲压变形特点的分析，并考虑各基本形状之间的相互影响，就能够分析出覆盖件的主要变形特点，判断出各部位的变形难点。4、覆盖件成形质量缺陷控制在覆盖件成形过程中，板料受到成形力而产生变形，在变形中，会出现起皱、破裂、回弹等成形缺陷，对于覆盖件而言，这些缺陷的出现将大大降低其表面质量和装配精度。下面针对主要缺陷进行分析。1.起皱及其控制板料的诸多尺寸中，板厚方向的尺寸最小，且远小于其它尺寸，在变形中板料受到的应力作用复杂，所以板料在厚度方向的应变非常易变，当板面内压应力达到极限时，板厚方向不能维持稳定时便产生塑性变形，即失稳起皱「7]。起皱的皱纹走向与压应力垂直，但直接作用于板料的不一定是压力，压应力既有可能是直接作用于板料的压应力引起的，还可能是作用于板料的不均匀拉应力引起的。其中起皱按直接作用的外力分有三种类型，包括不均匀拉应力引起的起皱、压应力引起的起皱、板内弯曲应力引起的起皱。起皱并不会对影响零件的刚强度，但有碍于覆盖件的美观，对尺寸精度有高要求的零件有较大影响。为使毛坯内的应力得到合理分布，可以对零件形状进行规范设计、成形工艺进行细致考量、模具进行合理设计、模具进行精确制造、改善冲压条件及材料进行恰当选择，从而防止起皱产生。1)适当减小拉深件深度，合理的凸凹模圆角半径，避免制件形状变化急剧。2)适当加大压边力，控制压边力的合理分布，尽量减小不均匀程度，控制润滑及润滑部位，并选择合适的冲压速度。3)一般情况选用屈服极σs小，伸长率δ占大、硬化指数n和厚向异性系数r值大的冲压材料有利于提高板料的抗失稳起皱能力。2.破裂及其控制覆盖件冲压产生的破裂按破裂性质可分为强度破裂和塑性破裂两种。强度破裂又称a破裂，指冲压成形中，毛坯的传力区强度无法满足变形区需要的变形力时在传力区产生的破裂。强度破裂主要因为传力区传力能力低于变形区塑性变形和流动所需的力，所以解决强度破裂的关键问题就是是使传力区成为强区，变形区成为弱区。具体措施有:1)采用强度极限高的材料，选择厚向异性系数r较大的材料，选择曲强比司。的材料。2)选择合理毛坯形状，尽量减小毛坯尺寸。3)拉深时减小压边力，加大润滑，降低凸凹模粗糙度，增大凸凹模圆角。冲压成形过程中，板料的变形能力无法满足成形充分需要的变形量所产生的破裂称为塑性破裂。对于塑性破裂，在单向拉伸时其极限应变值对应的变形状态在成形极限图中会呈现不稳定的塑性变形。我们通常采取如下措施来提高材料的塑性变形能力或者减小变形区充分成形所需的变形量[8]。1)增大变形区域的变形均匀程度，减小集中变形，改善毛坯表面及边缘质量，改善覆盖件某些尖角的局部形状。2)增大局部成形的凸凹模圆角，降低成形深度，合理分布拉深筋，选择合理的毛坯尺寸及形状。3.变薄及其控制覆盖件成形中因为在切向受到拉应力而产生切向拉伸变形导致材料法向上厚度减小的现象就成为变薄。变薄在成形中难以避免，一般来讲，在实际工程中，变薄控制在5%-20%是可接受的，如果变薄率过大，会降低覆盖件刚度，甚至会导致覆盖件破裂。影响覆盖件变薄的主要取决于材料本身的延展性，对于复杂的覆盖件来说，一般选用高延展性的冲压钢或深冲钢。此外，对拉延筋进行合理的设计和分布，设计合理的工艺补充面，能使变形更均匀，有效改善变薄情况。4.回弹及控制板料成形中的变形过程包含弹性变形和塑性变形，一方面当外载去除时，发生塑性变形的材料区域由于残余变形而使零件成形，但另一方面卸载后，由于弹性变形区材料将发生弹性回弹，塑性变形区释放残余应力产生的回弹使零件的尺寸、形状都产生于加载时变形相反的变化，这种变形过程称为回弹。对于弯曲成形过程，回弹是最难控制的缺陷之一。对回弹的控制，一般采用传统的仿真或者根据经验修改模具，现在采用热成型技术成为控制回弹的新手段。5、展望车身覆盖件冲压成形过程的仿真是提高车身技术和制造水平的关键技术，它涉及力学、数学、计算机图形学、数值计算方法、金属塑性成形理论、材料学和先进制造技术等学科，是一门复杂而新兴的理论和应用研究科学。还存在许多需要进一步研究的方向。①目前板料成形数值模拟在准备分析模型和计算上要花费大量的时间，研究如何实现前处理的自动化，把前处理模块化使人们从繁重的前处理中解脱出来具有中有的适用意义;②分析软件的功能还值得进一步完善，应采用更加简单精确的单元技术和合理高效的网格划分方法，进一步提高数值计算的精度和速度:尽可能的实现变形方式、成形过程以及成形后性能的全方位优化，应用人工智能与专家系统技术在数值分析结果的基础上自动对成形方案进行分析和评价，并提出方案的优化建议，研究实现模具CAD/CAE/CAM一体化。③除了对拉延工序的研究外，将来有必要对车身覆盖件在后工程以及后续焊接、涂装、总装中的功能关系进行系统的研究，并结合成形数值模拟成形分析，从产品的角度提出有利于成形、有利于产品的优化方案。总之数值模拟成形分析技术作为一门提高汽车工业制造水平的关键技术，还有许多问题尚待研究和解决，只用通过不断的研究、探索和摸索才能更熟练的运用它，并优化它。参考文献[1]柳玉起，欧阳可居，胡道钟，等.板料成形模拟技术在汽车工业上的应用.第八届全国塑性加工学术年会论文集，2002:17-19.[2]王义林，郑金桥，李志刚.基于KBE的汽车覆盖件冲压工艺方案设计.材料科学与工艺，2004,12(4):345一348.[3]李明哲，裴永生，徐建丽.薄板类件多点成形过程的数值模拟，材料科学与工艺，2004,12（4）379-382[4]柳玉起，杜亭，。章志兵.板料冲压成形快速分析软件FASTAMP.材料科学与工艺，2004,12（4）353一356.[5]LiuYuqi,LiZhigang,YanYakun.FastAccuratePredictionofBlankShapeinSheetMetalStampingForming.ACTAMECHANIAASOLIDASINACA,200417(1):58一61.[6]包向军，陶宏之，何丹农，等.金属薄板冲压成形数值模拟的并行计算.塑性工程学报，2000,7(3):33一36.[7]羊拯民，高玉华.汽车车身设计.北京:机械工业出版社，2008[8]崔令江.汽车覆盖件冲压成形技术.北京:机械工业出版社，2003.