【正文】 2020年 5 月 27 日 山東大學本科畢業(yè)論文 I 汽車三角窗安裝板成形分析及模具設(shè)計 摘 要 汽車工業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，是評價我國機械、電子、材料、模具等發(fā)展水平的重要標志， 而車身的設(shè)計和生產(chǎn)是整車開發(fā)的關(guān)鍵，它在很大程度上決定了新車開發(fā)的周期和成本，而車身開發(fā)的關(guān)鍵在于車身覆蓋件模具的開發(fā)。 本文在介紹目前國內(nèi)外汽車覆蓋件及其沖壓模具設(shè)計制造以及計算機仿真模擬技術(shù)在覆蓋件生產(chǎn)過程中的應用的基本情況的基礎(chǔ)上，詳細介紹了汽車三角窗安裝板成形的特點，利用 Dynaform模擬軟件對該安裝板的成形過程進行建模和模擬，隨后分析了成形過程中出現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷，改 善了成形條件，獲得了合理的工藝參數(shù)，并確定了模具設(shè)計的工序，設(shè)計了所給定的汽車三角窗安裝板的模具結(jié)構(gòu)，然后利用 UG繪制了三角窗安裝板的成形模具，使得三角窗安裝板成形更經(jīng)濟，更快，更好的服務于社會。Die design。 圖 11 汽車覆蓋件 汽車覆蓋件模具的發(fā)展 汽車覆蓋件行 業(yè)現(xiàn)狀 汽車覆蓋件模具是整個汽車模具的重要組成部分，也是技術(shù)最密集、加工難度最大的部分。當前國內(nèi)采用CAM（ Computer Aided Manufacturing） 技術(shù)的普及率還不夠高，應用水平也不平衡，而在國外普遍采用 CAM技術(shù)。 我國汽車模具工業(yè)在大而不強的背景下，要趕超歐美等發(fā)達國家，還有很長的路要走，任重而道遠。 汽車覆蓋件發(fā)展前景及趨勢 在美國、日本等汽車制造業(yè)發(fā)達的國家，汽車模具在整個模具產(chǎn)業(yè)中占有 50%左右的份額。這樣一旦模具的 3D 造型設(shè)計完成之后，所有有關(guān)設(shè)計過程中的標準部件都可以用統(tǒng)計圖表的形式表示出來，這樣就簡化了實型鑄造造型師的工作難度，可以有效的節(jié)省看圖和造型工作時間]5[ ，幫助企業(yè)節(jié)省工作時間，提高工作效率，贏得了在市場競爭中的寶貴時間。 山東大學本科畢業(yè)論文 4 第二章 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析與數(shù)值模擬 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析 圖 21 產(chǎn)品零件圖 產(chǎn)品名稱：左右 A柱汽車三角窗安裝板上段；產(chǎn)品編號： 5401311SA01。板料數(shù)值模擬技術(shù)逐漸走向成熟，已形成了商品化的 CAE軟件，得到了許多工業(yè)部門的重視和應用 ]7[ ，本課題采用 Dynaform板料成形專用軟件進行研究分析。 圖 22 導入零件 然后利用 Dynaform網(wǎng)格劃分模塊對該零件進行有限元網(wǎng)格單元劃分，如下圖 23所示 。其網(wǎng)格質(zhì)量的檢查方法有顯示邊界、平面法線等方法。 2）拉深深度均勻，不但可以減少材料的變形量，還可以使進料阻力均勻。 （ 3）填補內(nèi)部孔洞 如果零件上含有內(nèi)孔，應該將其填充，使其成為合理的拉深件， 保證拉深結(jié)果的準確性，如下圖 25所示。 2） 壓料面應使成形深度小且各部分深度接近一致，盡量接近零件截面形狀。 壓料面的基本形狀包括：平壓料面、單曲率直紋可展曲面、雙曲率壓料面。 確定工藝補充面應考慮的問題如下： 1)通過增加局部側(cè)壁的高度，使之間拉深高度均勻一致，促使材料各處變形均勻。 此零件的工藝補充面如圖 27所示。 圖 28 拉深筋設(shè)計 山東大學本科畢業(yè)論文 9 沖壓過程仿真 汽車覆蓋件沖壓成形仿真使設(shè)計人員可以在成形尚未實現(xiàn)的生產(chǎn)準備階段預見到?jīng)_壓成形中可能出現(xiàn)的問題，并確定成形所需的技術(shù)參數(shù)，然后驗證并優(yōu)化模具設(shè)計 。 在應用 Dynaform軟件分析板料成形過程時主要包括三個基本部分，即建立計算模型、求解和分析計算結(jié)果，具體流程如下： （ 1）導入模型 在 CAD軟件（ UG）中，建立板料，偏置出對應的凸模和凹模的型面模型以及壓料圈等模具零件的型面模型，然后存為 IGES文件格式，將上述模型數(shù)據(jù)導入 Dynaform軟件。 （ 3）定義板料和工具 啟動自動設(shè)置（一方面繼承了快速設(shè)置快速的優(yōu)點，另一方面繼承了傳統(tǒng)設(shè)置的靈活性和可擴展性），新建模擬，注意區(qū)分單動成形與雙動成形，并分別對板料和工具進行定義，如圖 29所示，工具定義時需要注意對凸模、凹模、壓料圈的相對運動方向進行調(diào)整。m3) 楊氏模量 / GPa 柏松比 屈服應力 / MPa 強度系數(shù) / MPa 硬化指數(shù) 109 207000 (4）自動定位 在所有工具定義好之后，需要 定位好各個工具在開模時的相對位置，否則就可能得不到正確的模擬結(jié)果，此設(shè)置采用對工具進行自動定位，自動定位選擇的定位基準是在沖壓工程當中始終靜止的工具，圖 210為工具自定位對話框，圖 211為凸凹模定位后的相對位置，注意需要根據(jù)實際情況正確放置坯料，必要時需要旋轉(zhuǎn)坯料單元，保證模擬的參考價值。本例中將 drawing和 closing分別設(shè)置成如圖 212。 山東大學本科畢業(yè)論文 14 方案一： 雙動拉深成形，無拉深筋，壓邊力 300KN，矩形坯料：長 1510mm，寬 550mm。 圖 216 成形極限圖 山東大學本科畢業(yè)論文 15 圖 217 厚度變化圖 圖 218 先皺后裂示意圖 方案三： 雙動拉深成形，有拉深筋，壓邊力 500KN，矩形坯料：長 1510mm，寬 550mm。通過后處理得到成形極限圖（ FLD），如圖 221 所示，厚度變化圖如圖222所示，可知起皺和拉裂缺陷沒得到改善，故此方案失敗。 應用 eta/POST 進行后處理，得到 成形極限圖（ FLD），如圖 225所示，厚度變化圖如圖 226 所示， 從厚度變化圖及成形極限圖上可以看出 ，零件 已無拉裂，起皺現(xiàn)象也明顯改善，零件部分最大增厚率大約為 4%，最大減薄率大約為 27%，都滿足允許的范圍，法蘭部分雖然起皺嚴重，但會在后續(xù)工序中被切去，不影響零件質(zhì)量。此方案中 零件 已無拉裂，起皺現(xiàn)象也明顯改善，法 蘭部分雖然起皺嚴重，但會在后續(xù)工序中被切去， 大部分成形不足的區(qū)域也將在后續(xù)工序中切除， 不影響零件質(zhì)量。此方案的缺點是第二道工序?qū)⒋蟮漠愋涂讻_掉后，不利于后續(xù)工序定位，且后續(xù)工序沖裁強度不夠；且第三道工序修邊中間連接部分，將兩個對稱件分離，不利于均勻受力，對稱翻邊整形。 綜上所述，方案三為最佳方案，具體見 工序流程圖（ Die Layout drawingDL圖 ） 。 圖 33 OP10：拉延 圖 34 OP20： 修邊、沖孔 山東大學本科畢業(yè)論文 22 圖 35 OP30： 修邊、（側(cè)）沖孔 圖 36 OP40： 修邊、沖孔、翻邊、整形 山東大學本科畢業(yè)論文 23 第四章 模具設(shè)計 概述 汽車覆蓋件模具的設(shè)計最初是以手工繪制二維圖為主，由于計算機的快速發(fā)展，模具制造廠家逐漸將手工繪圖轉(zhuǎn)向計算機繪圖，近幾年一些大的廠家利用 UG 軟件對汽車覆蓋件模具的設(shè)計進行三維實體設(shè)計。 可以說模具設(shè)計質(zhì)量的高低，是汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)水平的重要標志之一，直接影響到模具的制造成本、模具調(diào)試工作量的大小、生產(chǎn)準備周期的長短，甚至影響車身的開發(fā)能力。 整形工序的主要內(nèi)容是將拉深工序中尚未成形出的覆蓋件形狀成形出來，此制件為壓料體整形 。 山東大學本科畢業(yè)論文 24 根據(jù)使用的沖壓設(shè)備不同，汽車覆蓋件拉延?？梢苑譃閱蝿訅毫C上用的拉延模和雙動壓力機上用的拉延模兩大類，兩者工作方式不同，模具 安裝的方法不同。 2）氣壓或液壓壓邊形式：動力來源于氣缸或者液壓缸的壓力，通過托桿作用于壓邊圈上，壓力基 本保持不變，可以通過調(diào)節(jié)壓縮空氣或者液壓缸壓力的大小來滿足工藝要求。 壓力機選擇 （ 1）拉深力 根據(jù) P=KLt b? 來計算拉深力， K為拉伸系數(shù)取值為 ，取為 L為凸模橫截面周長（ mm） t為毛坯的厚度（ mm） b? 為毛坯材料的強度極限 P=KLt b? =3201634= N= （ 2）壓邊力 壓邊力 10000NNqsQ? ； NNN BUs ? NB為 壓邊圈的寬度 山東大學本科畢業(yè)論文 25 NU為 壓邊環(huán)區(qū)按中值直徑計算的周長（ mm） Nq 為單位壓邊力（ MPa） ])1[( 2 tdq abN ??? ?? 經(jīng)精算，求得 ?Q 400 KN （ 3） 壓力機的總壓力 總的壓力 總F =P+Q=+400= （ 4）壓力機 型號選擇 對于淺拉深， ? ? ?總 ,所以 壓F = KNF 3 2 8 6 ??總 定為根據(jù)已經(jīng)求得的壓力來選擇壓力機型號，查閱《沖壓模具簡明設(shè)計手冊》 初步選用壓力機 ： S4400 ]17[ ，模具設(shè)計完成后將對壓力機型號進行安裝尺寸校核。凸模和壓邊圈直接以導板進行導向，凸模四周分別分布有四個導板，將與壓邊圈導向。 山東大學本科畢業(yè)論文 27 圖 42 下模正二測視圖 下模座材料為 HT300，其性能：鑄鐵是含碳量大于 ％并含有較多硅、錳、磷、硫等元素的多元鐵基合金，組織是由基體和石墨組成的，具有力學性能低、耐磨性能好、鑄造性能好、 切削性能好等性能 ， 下模座熱處理為人工時效。 2）確定壓邊圈的長寬：在調(diào)整墊塊、定位板、氣墊頂桿等都合理布置完成之后，結(jié)合與上模的導向部分尺寸，即可確定壓邊圈的大致長寬，單動拉延模的最小寬度取150mm。凹模結(jié)構(gòu)如圖 44所示，其中凹模模具端頭上設(shè)計有導向裝置，與壓邊圈上的導滑槽和導板進行導向；凹模同樣設(shè)有減重孔，也是為了減輕壓力機的負擔；凹模上還要有定位板避讓孔。導板亦稱防磨板，可以提高導向面的耐磨性和導向精度。 壓力機的裝模高度必須符合模具閉合高度的要求，即 Hmax5mm≥Hm≥Hmin+10mm 式中 : Hmax——壓力機的最大裝模高度（ mm） 。 山東大學本科畢業(yè)論文 31 修邊沖孔模具設(shè)計 修邊沖孔模具介紹 修邊模用于將拉深件的工藝補充部分和壓 料凸緣的多余料切除，為翻邊和整形準備條件。 垂直修邊模的修邊凸（凹）模沿垂直方向做上下運動，模具結(jié)構(gòu)簡單、廢料處理也比較方便，應優(yōu)先采用。此外，修邊沖孔模具采用拉深件側(cè)壁定位，沖壓件周邊廢料采用廢料刀分離切除，并合理設(shè)計廢料滑板使廢料滑出；根據(jù)卸料力計算彈簧的個數(shù)，參與壓件器的壓料與退料。 表 42 S4500壓力機參數(shù) 壓床型號 S4500 標稱壓力 (KN) 5000 滑塊行程（ mm） 300 行程次數(shù)（次 /分） 12 最大裝模高度 (mm) 1200 裝模高度調(diào)節(jié)量（ mm） 500 工作臺墊板尺寸（左右 *前后 *厚度） 4700*2800*690 修邊沖孔模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 （ 1） 修邊凸凹模設(shè)計 1）修邊凹模 綜合考慮模具結(jié)構(gòu)和成本，修邊凹模采用鑲塊結(jié)構(gòu)，這不但可節(jié)約貴重的工具鋼，山東大學本科畢業(yè)論文 33 使模具易損部位更換方便，且能解決無法鍛造大鋼料、熱處理變形等問題，并便于采用成形磨削，使制造簡單化。 ，保證上模鑲塊順利生成。 表 43 沖裁間隙 圖 49 修邊凸模 山東大學本科畢業(yè)論文 35 注意問題： ，用于壓件，同時凸模型面還有定位作用，一般情況下要設(shè)有符形筋，由于此制件在第二工序中的沖孔較大，故完全符形； M16或 M20的螺釘固定 ,在下模座和鑲塊之間加暗鍵定位。二是在沖切完成后，避免零件卡在修邊凹模中不能取出或使零件發(fā)生變形。根據(jù)卸料力選取彈簧種類及個數(shù)，由 ，此制件選取內(nèi)徑 26mm，外徑 49mm 的重型扁鋼絲壓縮彈簧，其最大負荷值為 ，故彈簧個數(shù)為 10個，如圖 415所示。 （ 7）修邊沖孔 模 具 裝配圖 完成修邊沖孔模工作部分與非工作部分的設(shè)計后，在裝配環(huán)境中，通過 WAVE 幾何鏈接技術(shù)建立父子裝配組件約束關(guān)系，進行剩余組件的設(shè)計，最終完成模具的整體裝配設(shè)計，如圖 417所示。 2） S4400壓力機工作臺的長度和寬度為 4700mm和 2800mm，分別大于模具的長度和寬度，故符合要求。 （ 2）分析汽車三角窗安裝板的結(jié)構(gòu)特點，利用 Dynaform 模擬軟件，對汽車三角窗安裝板進行了模面設(shè)計，并通過自動設(shè)置對拉深成形過程進行模擬，最后到后處理分析板料的成形極限圖，即 FLD圖和板料變薄圖，預測成形缺陷，消除了拉裂、起皺、成形不足等缺陷，改善成形條件，獲得合理的工藝參數(shù)，解決了汽車三角窗安裝板拉深工藝的關(guān)鍵問題，不僅降低了模具開發(fā)成本，也大大縮短了模具開發(fā)周期，為實際生產(chǎn)提供了較好的依據(jù)。很高興能有這樣一次機會，可以將自己四年所學的知識運用到實踐中去，這不僅讓我學到了知識，提高了解決問題的能力，也讓我學會了耐心思考、