4-车身工艺性设计

第五章车身设计的结构工艺性第一节冲压成型工艺性冲压是利用金属的塑性变形能力，通过安装在冲压设备的模具对金属板料进行加工，从而获得要求的形状和尺寸的零件。冲压的特点：产品尺寸稳定，互换性好，高效低耗，操作简单，易于实现自动化。一、冲压工艺分类按变形性质分为：分离工序和成型工序。1.分离工序：被加工材料在外力作作用下产生变形，但作用在变形部分的应力达到材料的抗剪强度，材料便产生分离，形成一定形状和尺寸的零件的过程，如：剪裁、冲孔、落料、切口、切边、剖切等，示意图如表31所示。表31分离工序示意2.成型工序：被加工材料在外力作用下，作用在变形部分的相当应力处于材料的屈服强度与抗拉强度之间，材料仅仅产生塑性变形，形成一定形状和尺寸的零件的过程，如：弯曲、拉深、成形、扭曲、翻边、缩口、扩口、整平、压印、整形、胀形、卷边等，示意图如表32所示。表32成型工序示意图续表续表冲压成型工序名称及代号如表33所示。表33冲压成型工序名称及代号工序名称拉延修边冲孔整形成形翻边切开落料翻孔斜楔冲孔代号DRTRPRCRSTFOFLSEPBLBURCAM-PRC二、冲裁冲裁：是利用模具使板料产生分离的冲压工序（如：落料，冲孔，切口等）。其一般分为弹性变性阶段、塑性变形阶段和断裂三个阶段。板材冲裁瞬间受力分析和板材冲裁时的塑性变形区及受力状态如图10、图11所示。图10圆形板材冲裁瞬间受力分析图11板材冲裁时的塑性变形区及受力状态决定冲裁断面的质量的因素：冲裁间隙和模具刃口状态。冲裁间隙对断面质量的影响如图12所示。图12冲裁间隙对断面质量的影响1.间隙过小，光亮带出现间断，且中间有毛刺出现，冲裁质量一般，严重时会在光亮带上产生撕裂；如图12（a）所示。2.间隙过大，光亮带很窄，严重时几乎消失，而断裂带增大，毛刺也增大，极易产生撕裂；如图12（c）所示。3.根据经验，最小合理间隙值：（1）软材料：t1mmC=(6%-8%)t（t为料厚，C为间隙）t＝1-3mmC=(10%-15%)tt＝3-5mmC=(15%-20%)t（2）硬材料：t1mmC=(8%-10%)tt＝1-3mmC=(11%-17%)tt＝3-5mmC=(17%-25%)t图13所示为冲裁模的间隙示意图，合理的最小间隙值的确定，一般是根据经验法和查表法确定。图13冲裁模的间隙查表法：根据冲模设计手册查找。经验法：根据材料的性质和厚度，模具的最小合理间隙值如下式估算。Zmin=Kt式中Zmin——最小间隙值（mm）K——与材料性质相关的系数（软质材料K=0.08—0.10，中硬材料K=0.10—0.12，硬质材料K=0.12—0.14）t——材料的厚度冲裁模设计和制造应注意几个基本原则：（1）设计落料模时，以凹模为准，间隙取在凸模上；设计冲孔模时，以凸模为准，间隙取在凹模上。（2）设计落料模时，凹模公称尺寸应取零件公差范围内的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模公称尺寸应取零件孔的尺寸范围内的较大尺寸。（3）一般模具的制造精度比冲裁件的精度高2-3级，对于非圆形件，冲模按IT9精度制造；对于圆形件，一般按IT6-7级精度制造。一般冲裁件能达到的经济精度如表34所示，一般冲裁件剪断面粗糙度如表35所示.表34一般冲裁件能达到的经济精度表35一般冲裁件剪断面粗糙度材料厚度t(mm)≤11～22～33～44～5粗糙度Ra(um)3.26.312.52550三、弯曲弯曲：将板料、棒料、管料和型材等弯曲成一定形状及角度的冲压成型工艺叫弯曲。其中U型与V型弯曲是最基本的弯曲变形。1.变形特点：（自由和校正弯曲）（1）工件分直边和圆角两部分。（2）边形区变形不均匀（外拉内压）。（3）R/T较小时，厚度变薄。（4）变形区内横截断面的变化可视为板料的宽窄有所不同。2.弯曲件的工艺性（1）最小弯曲半径弯曲件的半径不宜过大活过小，过大容易收回弹的影响，精度难以保证；过小则容易产生裂纹，引起报废。几种常用材料的最小弯曲半径如表36所示.表36几种常用材料的最小弯曲半径材料退火状态冷作硬化状态弯曲线方向垂直纤维平行纤维垂直纤维平行纤维铝0.1t0.35t0.5t1.0t纯铜0.1t0.35t1.0t2.0t软黄铜0.1t0.35t0.35t0.8t半硬黄铜0.1t0.35t0.5t1.2t磷铜--1.0t3.0t08,10F,Q195A,Q215A0.1t0.4t0.4t0.8t15,20,Q235A0.1t0.5t0.5t1.0t25,30,Q255A0.2t0.6t0.6t1.2t35,40,Q275A0.3t0.8t0.8t1.5t45,500.5t1.0t1.0t1.7t55,600.7t1.3t1.3t2.0t(2)弯曲件的直边高度为了保证弯曲质量，当弯曲到90°时，弯曲件的直边高度必须满足h2t，如果h2t，必须先压槽后弯曲，如图14（a）所示。如果侧边上有斜角的零件，侧边的最小高度h=(2-4)t3mm，如图14（b）所示。公称尺寸材料厚度≤33～66～1010～1818～500≤1IT12～IT13IT111～2IT14IT12～IT13IT112～3IT14IT12～IT133～5－IT14IT12～IT13图14直边高度和侧边高度（3）弯曲件孔边距离设计弯曲件时应保证孔在弯曲范围之外，一般情况下，从孔边到弯曲半径中心的距离为：当t2mm时，S≥t，当t2mm时，S≥2t，如图15所示；如果不能满足以上要求，必须先弯曲后冲孔，防止孔变形；如果结构允许，可以在弯曲线上先冲工艺孔以防止孔的变形。图15弯曲件孔边距离（4）工艺孔和工艺槽：为了防止弯曲时把材料撕裂，通常在毛坯上预先冲出工艺孔或工艺槽。工艺槽槽深尺寸：L=r+t+K/2(式中:K---槽宽（mm）,r---弯曲圆角半径（mm）,t---材料厚度（mm）)，如图16（a）所示。工艺孔的直径：d≥3t，如图16（b）所示。图16弯曲的工艺孔和工艺槽（5）防止弯曲边交接处的应力集中的措施如图17所示。图17防止弯曲边交接处的应力集中的措施（6）防止弯曲变形及弯曲定位的措施如图18所示。图18防止弯曲变形叉口及弯曲定位措施3.弯曲件的回弹塑性弯曲总伴有弹性变形，容易引起弯曲件的曲率和角度发生改变，难以到达较好的尺寸精度，其防止措施主要有：（1）改进弯曲件的设计和合理选材，可以在弯曲区域压制加强筋提高刚度，防止回弹。（2）校正法—在弯曲终了时，对板料施加一定的压力。（3）补偿法—设计模具时根据回弹的趋势适当修正工作部分的形状和尺寸。（4）采用拉弯工艺—使毛坯从内到外都收到拉力作用，使内外层纤维回弹趋势相互抵消，减小回弹。4.弯曲件角度公差如表37所示。表37弯曲件角度公差角短边长度（mm）非配合角度偏差最小角度偏差角短边长度（mm）非配合角度偏差最小角度偏差1±7°±4°80～120±1°±25′1～3±6°±3°120～180±50′±20′3～6±5°±2°180～260±40′±18′6～10±4°±1°45′260～360±30′±15′10～18±3°±1°30′360～500±25′±12′18～30±2°30′±1°500～630±22′±10′30～50±2°±45′630～800±20′±10′50～80±1°30′±30′800～1000±20′±8′四、拉深拉深：利用拉深模具将冲裁好的平板毛坯压制成各种开口的空心工件，或将以制成的空心的开口空心件加工成其他形状空心件的一种冲压加工方法，又称拉延。其一般有圆筒形、球形、阶梯形、方盒形等形状。其拉深精度可达IT8～IT10级，板厚可达2～3mm。拉深件的的分类如图19所示。图19拉深件的的分类1.拉深的工艺性（1）拉深件的形状应尽量简单、对称，且应尽量避免型面的急剧变化。如图20所示，（a）是改进前结构，（b）是改进后结构。对于非对称结构可以考虑成双拉深，然后剖切的方法，改善零件的拉深工艺，如图21所示。半球形结构设计如图22所示，（a）是改进前结构；（b）是改进后结构，可以有效地改进起皱问题。图20拉深件的对称结构设计图21成双拉深的结构设计（a）是改进前结构（b）是改进后结构图22半球形结构设计（2）拉深件各部分尺寸比例要恰当。应尽量避免大凸缘和深度大的结构设计(即：d凸≥3d，h≥2d)。凸缘直径与拉深件深度的比例关系如图23（a）所示；如果必须采用图23（b）所示类似结构，建议采取23（c）所示方式处理。（a）d凸＜3d，h≤2d（b）（c）图23拉深件各部分尺寸比例的处理凸缘直径与拉深件直径的比例关系，建议采用图24（b）比例关系。（a）不建议采用（b）建议采用图24凸缘直径与拉深件直径的比例关系工件的凸缘外廓形状最好与拉深部分的轮廓相似，如图25所示。（a）建议采用（b）不建议采用图25凸缘外廓与拉深部分的轮廓（3）拉深圆角半径要恰当。拉深圆角半径要尽量大一些，这样有利于成型和减少拉深次数。对于拉深件，底部和壁部间的圆角半径r1，r1≥1t,一般r1≥(3～5)t；壁部和凸缘间的半径r2，r2≥2t,一般r2≥(5～10)t；r2≥3t,一般r2≥10t；否则，就可能需要增加整型工序。如增加一次整形工序时，一般r1≥(0.1～0.3)t，r2≥(,0.1～0.3)t；拉深高度应尽可能的小，以减少拉深次数，提高冲压质量。拉深圆角半径如图26所示。（a）r1≥1t（b）r2≥2t（c）r2≥3t图26拉深件的圆角半径（4）拉深件的壁厚不均匀现象要考虑。拉深件的壁厚变化情况如图27所示。图27拉深件的壁厚变化（5）拉深件上的孔位要合理布置。拉深件上的孔位比较如图28所示。图28拉深件上的孔位比较拉深件侧壁上的孔位与底边或凸缘的距离h2d+t时才有可能，否则无法冲出，如图29所示。图29拉深件侧壁上冲孔（h2d+t）拉深件凸缘上的孔距D1≥（d1+3t+2r2+d）,拉深件底部的孔径d≤d1-2r1-t,如图30所示。（6）拉深件的尺寸精度不宜要求过高。关于冷冲压加工的尺寸公差参见“冲压件未注公差尺寸极限偏差（GB/T15055-1994）”和“汽车冷冲压加工零件未注公差尺寸的极限偏差（QC/T268—1999）”。圆筒形拉深件径向尺寸偏差值如表38所示。表38圆筒形拉深件径向尺寸偏差材料厚度（mm）拉深件直径（mm）材料厚度（mm）拉深件直径（mm）5050～100100～3005050～100100～3000.5±0.12－－2.0±0.40±0.50±0.700.6±0.15±0.20－2.5±0.45±0.60±0.800.8±0.20±0.25±0.303.0±0.50±0.70±0.901.0±0.25±0.30±0.404.0±0.60±0.80±1.001.2±0.30±0.35±0.505.0±0.70±0.90±1.101.5±0.55±0.40±0.606.0±0.80±1.00±1.20图30拉深件凸缘上孔位的合理设计（7）大型拉深件还需要考虑拉深方向，拉深方向设计要合理。相对对称面来说，拉深方向是以垂直于对称面的轴进行旋转来确定的；不对称件则是绕汽车位置相互垂直的两个坐标面进行旋转来确定拉深方向的。拉深方向必须满足以下条件：①工件相对拉深方向不能有负角度，一般希望零件侧边与拉深方向构成拔模角α10°，保证工件能较好的成型。②开始拉深时，凸模与坯料的接触面应均衡，防止坯料发生局部伸长。Ⅰ.凸模与坯料的接触面尽量大，接触面位于冲模的中心；Ⅱ.凸模与坯料的接触面要多而分散；Ⅲ.拉深时，凸模周围的包容角保持均匀为好。③保持深度均匀合适。五、翻边翻边：在模具的作用下，将制件的内孔或外缘翻成有竖直边缘的一种成型工艺。主要目的用于零件的边部强化，除去切边以及在零件上制成与其他零件装配，连接的部位或具有复杂特异形状，合理空间的立体零件，同时提高零件的刚度，同时也可控制破裂或折皱。翻边的分类：1.按工艺特点分为：内孔翻边（圆孔和非圆孔）翻边、外缘翻边（内曲和外曲）、变薄翻边。2.按变形性质分为：伸长类（圆孔翻边/内曲翻边）、压缩类（外曲