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1、 中图分类号：中图分类号：TP311.52 密级：密级：公开公开 UDC：621 学校代码：学校代码：10082 硕士学位论文 汽车发动机罩外板工艺与模具设计 论 文 作论 文 作 者：者：张利雯 指 导 教指 导 教 师：师：于新奇 教授 企业指导教师：企业指导教师：刘振楼 高级工程师 申请学位类别：申请学位类别：工程硕士(在职培养)学 科学 科、领、领 域：域：机械工程 所 在 单所 在 单 位：位：机械工程学院 答答 辩辩 日日 期期：2013年 12月 Hebei University of Science and Technology Dissertation for the Mas
2、ter Degree Mould and Process Design of the Automobile Engine Cover Plate Classified Index：TP311.52 Secrecy Rate：Publicized UDC：621 University Code：10082 Candidate:Zhang Liwen Supervisor:Prof.Yu XinQi Associate Supervisor:Senior Engineer.Liu Zhenlou Academic Degree Appplied for:Master of Engineering
3、Speciality:Mechanical Engineering Employer:College of Mechanical Engineering Date of Oral Examination:Dec,2013 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：指导教师签名：年 月 日 年 月 日 -河北科技大
4、学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：年 月 日 年 月 日 摘 要 I 摘 要 汽车工业是国民经济的支柱产业。汽车的更新换代主要取决于车身的开发周期，而车身开发的关键在于汽车覆盖件模具的设计与制造。汽车市场的激烈竞争给
5、汽车覆盖件模具的开发提出了高效、高质量和低成本的要求，快速开发汽车覆盖件模具，以满足汽车企业的研发生产能力已成为现在汽车企业的当务之急。本课题在遵循汽车覆盖件的生产工艺和工序设计基本原则的基础上，制定了发动机罩外板模具的冲压工艺，并且使用 UG 软件对各工艺环节进行设计，通过Autoform 软件对成形工艺进行分析与优化，最终选用优化后的工艺方案和工艺参数；然后结合模具生产设备，设计了模具的闭合高度和送料高度，完成了发动机罩外板的拉延、翻边和修边模具的结构设计和装配图，分析了模具设计过程中，局部零件的注意事项，以及改进措施。本课题来源于国内某汽车厂家对发动机罩外板模具设计的需要，从工厂的实际要
6、求和产品的实用性出发，利用 CAD/CAM 技术和 CAE 数值模拟分析技术完成了发动机罩外板件冲压工艺设计和模具设计，实现了从计算机仿真设计到产品生产的一体化。关键词 发动机罩外板；冲压工艺；模具设计；UG 软件；Autoform 软件 河北科技大学硕士学位论文 II Abstract Automobile industry is the pillar industry of national economy.Upgrading of the car depends mainly on the development cycle of car body,and the automobile
7、cover parts die design and manufacture is the key for developing the car body.Higher efficient,higher quality and lower cost for the exploitation of the automobile cover parts are required because of intense market competition.Rapid development of the automobile cover parts mold has become the autom
8、obile enterprises top priority now in order to meet the auto enterprise research and production capacity.Manufacturing process of the hood shell mold was formulated based on the basic principle of the automotive covering parts production technology and process design.Then each craft link was designe
9、d by means of the UG software.By using the Autoform software,the forming process was analysed and optimized.According to the mould production equipment,the mould height and feed height were determined.Structure design of the hood outer panel,flanging and trimming die were completed.The matters needi
10、ng attention of local parts in the process of mould design were analyzed,and the improvement measures were put forward.This paper comes from the need for hood outer panel die design of a domestic car company.Under an order of the actual requirement and the practicability of the products,stamping pro
11、cess and mold design of the engine cover plate parts have been completed by using the CAD/CAM and CAE numerical simulation analysis technology.The efficient combination of the computer simulation and product manufacturing is achieved.Key words Engine cover plate;Stamping process.Mould design;UG soft
12、ware;Autoform software 目 录 III 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1.1 引言 1 1.2 汽车覆盖件及其特点 1 1.2.1 汽车覆盖件分类 1 1.2.2 覆盖件的特点和要求 1 1.3 汽车覆盖件模具 CAD/CAE 技术 2 1.3.1 模具 CAD/CAE 技术简介 2 1.3.2 汽车覆盖件 CAD/CAE 国内外发展状况 2 1.4 本课题的选题背景及研究内容 3 1.5 本章小结 4 第 2 章 发动机罩外板生产工艺设计 5 2.1 工艺设计软件 5 2.1.1 UG 软件产品设计模块和 UG 二次开发 5 2.1
13、.2 Autoform 数值模拟分析 7 2.2 发动机罩外板生产工艺制定 9 2.3 落料工艺设计 10 2.4 拉延工艺设计 11 2.4.1 冲压方向确定 11 2.4.2 拉延筋的设计 11 2.4.3 压边力确定 14 2.4.4 变薄率和主应变分析 14 2.5 修边工艺设计 16 2.6 翻边/侧翻边工艺设计 17 2.7 压力机选择 18 2.8 本章小结 19 第 3 章 发动机罩外板拉延模设计 21 3.1 拉延模分类 21 3.2 模具结构基本组成 21 3.3 闭合高度及送料高度设计 22 河北科技大学硕士学位论文 IV 3.3.1 闭合高度 22 3.3.2 送料高度
14、 22 3.4 拉延模模具结构设计 23 3.4.1 下模结构设计 23 3.4.2 压边圈结构设计 25 3.4.3 上模结构设计 27 3.5 拉延模总装配图 28 3.6 本章小结 28 第 4 章 发动机罩外板修边模设计 31 4.1 修边模闭合高度和送料高度设计 31 4.1.1 闭合高度设计 31 4.1.2 送料高度设计 31 4.2 模具结构尺寸设计 31 4.2.1 下模设计 31 4.2.2 压料芯设计 34 4.2.3 上模设计 36 4.2.4 斜楔 36 4.3 修边模总装配图 37 4.4 本章小结 38 第 5 章 汽车发动机罩外板翻边模设计 39 5.1 翻边模
15、结构类型 39 5.2 翻边模闭合高度和送料高度设计 39 5.3 模具结构尺寸设计 39 5.3.1 下模设计 40 5.3.2 压料芯设计 41 5.3.3 上模设计 41 5.4 本章小结 42 结 论 43 参考文献 45 攻读硕士学位期间所发表的论文 49 致 谢 51 个人简历 53 第 1 章 绪 论 1 第1章 绪 论 1.1 引言 汽车工业是国民经济的支柱产业，随着经济的快速发展，汽车制造企业间的竞争越来越白热化，生产研发周期不断缩短，更新换代的步伐不断加快，呈现出了几乎每年都有款式新颖、乘坐舒适、质量高、性能好的新车型面市的竞争格局。在汽车设计研发到制造的过程中，车身模具的
16、设计和制造占据了很大的比重，成为能否缩短汽车研发生产周期、减少时间和资金成本、提高汽车产品质量品质的制约因素12。1.2 汽车覆盖件及其特点 汽车覆盖件（以下简称覆盖件）是指覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄钢板的异形体的表面零件和内部零件。载重汽车的驾驶室、客车车身、轿车车身等都是由覆盖件和一般冲压件构成的3。1.2.1 汽车覆盖件分类 汽车覆盖件按功能和部位分类，有外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三种类型4。按工艺特征分类可分为以下 5 种类型：1）对称于一个平面的覆盖件。汽车发动机罩以及前后围板、散热器罩等都属于此类覆盖件。2）不对称的覆盖件。车门的内外板，以及翼子板和侧围板
17、等都与此类覆盖件。3）可以成对冲压的覆盖件。所谓成对冲压既指左右件组成一个便于成型的封闭件，也指切开后变成两件的半封闭型的覆盖件。4）具有凸缘平面的覆盖件。如车门内板，其凸缘面可直接选作压料面。5）压弯成型的覆盖件。每种类型的覆盖件，工艺设计方案不同，模具结构设计也有很大差别。1.2.2 覆盖件的特点和要求 覆盖件的工艺和模具结构设计以及模具制造工艺都比较特殊，在生产实践中，覆盖件往往区别于一般的冲压件，作为一种特殊的类别加以研究和分析。与一般冲压件相比，覆盖件具有如下特点和要求5：1）表面质量要求高。不仅要满足功能上的要求，更要满足表面装饰的美观要求。外覆盖件（尤其是轿车的外覆盖件）其表面上
18、不允许存在任何喷漆后会影响外形美观的微小缺陷，装饰的棱线和筋条也要求清晰平滑、接合自然过渡均匀。河北科技大学硕士学位论文 2 2）尺寸精度要求高。只有高的尺寸精度，才能保证车体外观的一致性、美观性，保证实现焊接的自动化。3）刚性要求高。以保证汽车在高速运行中的振动不会带来大量的覆盖件早期破坏。汽车是高速行驶的运载工具，作为车身组成的覆盖件，如果刚性差会导致车身高速行进中抖振，造成变形损坏，所以汽车覆盖件必须保证零件具有足够的刚性。4）良好的工艺性。主要表现在冲压性能、焊接装配性能、操作安全性能、材料消耗和对材料性能的要求。覆盖件应具有良好的冲压工艺性能和焊接工艺性能，以降低冲压和焊装的生产成本
19、，冲压工艺性，主要是看各工序，特别是拉深工序能否顺利进行、能否稳定生产。1.3 汽车覆盖件模具 CAD/CAE 技术 1.3.1 模具 CAD/CAE 技术简介 计算机辅助设计（Computer Aided Design）与计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing）简称 CAD/CAM，是指以计算机作为主要技术手段，帮助人们处理各种信息，进行产品设计与制造。模具 CAD/CAM 技术的出现，改变了传统模具生产方式，使工程技术人员可以借助计算机软件，实现对产品制造、模具结构、成形工艺等进行设计和优化，缩短了新产品的研发周期，提高了产品的设计质量，有效的降低了生产成
20、本6。计算机辅助工程 CAE(Computer Aided Engineering)是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动与动力学仿真，CAE 的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动动力学仿真技术。CAE 技术在覆盖件的生产中主要应用于冲压过程的数值模拟（仿真）7。1.3.2 汽车覆盖件 CAD/CAE 国内外发展状况 模具 CAD 的技术研究最早开始于 20 世纪 60 年代初，国外的一些知名汽车制造公司如日本丰田、美国福特和德国大众等投入了大量的资金和技术人员，致力于汽车模具 CAD 技术的研发8。日本丰田汽车公司首先于 1965
21、 年将数控技术用于汽车覆盖件的模具加工，到 20世纪 80 年代，又投入使用包括了 NTDFB 和 CADETT 两个设计软件以及模具加工的TINCA 软件的汽车覆盖件 CAD/CAM 系统，使得模具设计与制造时间缩短了 50911。美国的福特汽车制造公司在 20 世纪 80 年代末开发的 TAURUS 和 SABLE 两款轿车，主要设计工作都是采用 CAD/CAM 技术完成的，到 20 世纪 90 年代产品开发的 CAD/CAM 应用率已经达到 1001214。德国大众汽车公司早期使用 Euclid 作为其模具设计软件，并通过其他公司研发第 1 章 绪 论 3 了模具结构设计专用 CAD 系
22、统 AWKX，使用效果良好。1994 年后，大众集团公司改用 CATIA 和 Pro/E 两款专业软件，作为新车型开发的 CAD 主导软件1516。除此之外，国外还有一些专业生产制造模具的公司，纷纷开发设计了比较专业的汽车覆盖件模具 CAD/CAM 系统，如英国 PSF 公司、日本获原铁工所和日本富士铁工所等。我国在 CAD 技术的研究上起步相对较晚，CAD/CAM 技术应用在汽车覆盖件模具的设计和制造过程中大约开始于 20 世纪 80 年代中期，长春第一汽车制造公司和湖北东风第二汽车制造公司等一些国内大型的汽车制造厂家，开始购买 CATIA、DUCT、UG 等著名的 CAD 设计软件，并将其
23、应用到产品设计研发过程中。板料成形数值模拟始于 20 世纪 70 年代。到 20 世纪 80 年代初，通用汽车公司和福特公司的技术人员联合，首次成功地将计算机数值仿真技术，应用到车身板料冲压成形过程的分析中，开拓了车身板料冲压成形仿真分析的新的研究领域。之后，许多用于板料 CAE 的软件应运而生，Mtlfrm、Autoform、Dynaform 等等17。近几年来，我国国内的技术设计水平开始大为提高，在板料成形数值模拟方面取得了很大的进步。湖南大学、北京航空航天大学、吉林大学和华中科技大学等一流技术学府，在汽车覆盖件模具 CAE 技术研究方面都取得了比较可喜的成果，北航的 SHEETFORM、
24、湖南大学 CADEM 系统、华中科技大学的 VFORM 以及最新推出的冲压成形快速分析软件 FASTAMP，都是将产品设计、材料分析和工艺设计紧密结合的比较好的系列化软件，为我国汽车覆盖件生产工艺设计和模具结构设计提供了有力的技术支持1820。1.4 本课题的选题背景及研究内容 随着我国汽车工业的发展，国内一些具备一定实力的汽车厂家，已经开始从模仿起步走向自主研发道路，慢慢发展到自己设计车型。每年的各大车展，新车型层出不穷，也表明了我国汽车研发领域的旺盛的生命力。在汽车从设计研发到生产下线的整个周期中，车身模具的设计和制造至关重要，成为影响整车更新换代速度的关键因素2122。本课题根据国内某汽
25、车生产厂家对汽车典型覆盖件发动机罩外板模具设计要求，结合工厂实际加工情况，从产品实用性出发，结合 CAD/CAE 相关软件，使用UG 软件对发动机罩外板的冲压工艺进行设计，通过有限元模拟软件 Autoform 软件对成形工艺进行分析与优化，最终选用优化后的工艺方案和工艺参数，完成发动机罩外板模具设计2324。主要研究内容如下：1）遵循汽车覆盖件的生产工艺和工序设计基本原则，制定发动机罩外板模具生产工艺。2）确定发动机罩外板拉延工艺的冲压方向、拉延筋类型和布局以及压边力的大河北科技大学硕士学位论文 4 小，通过变薄率和主应变分析，验证拉延工艺参数选择是否合理；设计发动机罩外板的修边形式，提出解决
26、生产中铁屑问题的处理方案；确定翻边工艺方案；介绍冲压设备的选择。3）结合机床参数，设计拉延模的闭合高度和送料高度；使用 UG WAVE 技术，完成凸模、凹模和压料圈的结构设计和装配图；分析凸模、凹模和压料圈设计过程中，局部零件的注意事项，以及改进措施。4）设计修边模的闭合高度和送料高度；完成修边模下模、上模和压料芯的结构设计和装配图，分析设计过程中局部零件的注意事项，以及改进措施。5）设计翻边模的闭合高度和送料高度；完成翻边模下模、上模和压料芯的结构设计和装配图，分析设计过程中局部零件的注意事项，以及改进措施。1.5 本章小结 本章简要阐述了汽车覆盖件的含义及其分类、特点和要求，汽车覆盖件模具
27、制造 CAD/CAE 技术的国内外研究现状及发展趋势；针对汽车发动机罩外板，介绍本论文的研究背景以及研究的目的和意义，并确定研究的主要内容，为本论文课题研究做好了准备。第 2 章 发动机罩外板生产工艺设计 5 第2章 发动机罩外板生产工艺设计 发动机罩外板由多个变化的空间曲面构成，与翼子板、前保险杠等存在搭接关系，尺寸精度和表面质量要求较高，要求表面平整光滑，无凹陷、起皱和拉裂等缺陷。生产实际中，采用冲压技术加工。冲压是建立在金属塑性变形的基础上，利用安装在压力机上的冲模对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需要零件的一种压力加工方法。据不完全统计，汽车上有大概有 60%70%的零
28、件是用冲压工艺生产出来的，合理的冲压工艺方案与设计可靠的模具结构是保证零件质量的重要因素25。工艺设计是模具设计和制造的前提，冲压工艺设计方案是否合理影响发动机罩外板的成形质量、加工成本以及模具的使用寿命。而在做模具结构设计时先要确定拉延型面，才能确定成型型腔，然后根据型腔确定拉延模的一些加工数据（如送料高度等），所以模具结构设计前先要进行生产工艺设计。2.1 工艺设计软件 目前，国内模具企业中已有相当多的厂家普及了计算机辅助设计，引进了 UG（Unigraphics NX）、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS 等著名的 CAD/CAM 软件，一些厂家还引进了 Mold
29、now、C-Flow、Dynaform、Optris 和 Autoform 等 CAE 软件，并成功应用于塑料模、冲压模和压铸模的设计中。针对发动机罩外板模具设计、制造特点以及厂家实际情况，最终决定选择 UG 和 Autoform 作为生产工艺设计、模具设计的基本软件2627。2.1.1 UG 软件产品设计模块和 UG 二次开发 UG 功能强大，由多个模块组成，主要包括 CAD、CAM、CAE、注塑模、钣金、二次开发（UG/Open)、逆向工程应用模块等，每个功能模块之间既有联系又相互独立。本论文工艺设计过程中主要用到了 UG 的产品设计模块（CAD）以及 UG 二次开发28。（1）UG 产品
30、设计模块 UG 产品设计模块包括 UG/Gateway（入口）、UG 实体建模（UG/Solid Modeling）、UG 特征建模（UG/Features Modeling）、UG 自由曲面建模（UG/Free Form Modeling）、UG 装配建模（UG/Assembly Modcling）、UG 工程绘图（UG/Drafting）等子模块。其中，UG/Gateway 模块是 UG 应用的入口模块，用来操作不同格式的输入输出文件，绘制工程图；UG 实体建模模块内部集成了特征建模和几何建模两种方法，为设计人员提供符合建模的方案，方便用户建立二维和三维线框模型；UG 特征建模模河北科技大
31、学硕士学位论文 6 块支持建立和编辑标准设计特征，常用的特征建模方法包括球、圆柱、圆锥、孔、键槽、倒角等，具有基于尺寸和位置的驱动编辑、参数化定义特征；UG 自由曲面建模模块将实体建模和曲面建模技术功能结合，可以用来设计复杂型面，创建实体模型；UG 装配建模模块用于产品的模拟装配；UG 工程绘图模块可以根据实体模型自动生成工程图，也可以利用曲线功能绘制平面工程图，并且提供自动或手动进行尺寸标注、绘制剖面线、绘制形位公差和表面粗糙度标注等功能。（2）UG 二次开发 UG 软件作为一款面向各领域的通用设计软件，针对不同领域设计人员的设计需求，为方便用户开发符合本领域的设计模块，为用户提供了二次开发
32、工具：菜单工具（UG/Open Menuscript）、对话框编辑工具（UG/Open UIStyler）、图形交互编程语言（UG/Open GRIP）和应用程序接口程序（UG/OpenAPI）2931。其中，1）UG/Open Menuscript 是用来对 UG 软件的操作界面进行开发、创建用户化菜单的工具。通过 UG/Open Menuscript 可以不用编程就对 UG 标准菜单进行删除、添加和编辑等操作，在 UG 软件中建立符合自已需求的软件功能。2）UG/Open UIStyler 是一个对话框操作的可视化编辑器，使用 UG/Open UIStyler，能够避免设计复杂的图形用户接
33、口编程，只需将一些基本控件重组就可建立满足不同功能需求的对话框。3）UG/Open GRIP 是一种 UG 专用的图形交互编程语言。使用 UG/Open GRIP与 UG 系统集成，可实现 UG 的大部分操作。4）UG/Open API 是一个内部装有大约2000 个 UG 操作函数的程序集。UG/Open API 允许程序进行访问并改变 UG 对象模型，可以实现绝大部分的 UG 操作。在进行发动机罩外板工艺设计时，需要利用 UG 软件的二次开发，对 UG 的标准菜单进行添加、重组和集成一定的软件功能，设计和修改主菜单和快速弹出式菜单，改变 UG 菜单的布局，添加新的菜单项以执行文件及操作系统
34、命令等。例如，要进行冲压成形工艺设计，需要在 UG/Open Menuscript 添加冲压成形工艺设计菜单文件，建立扩展名为*.men 的文本文件，并将该文件置于 UG 用户工程路径下的 startup 子目录中。输入代码如下32：VERSION 170 /版本信息 EDIT UG_GATEWAY_MAIN_MENUBAR/主菜单编辑 BEFORE UG_HELP/将主菜单置于 Help 菜单之前 CASCADE_BUTTON 第 2 章 发动机罩外板生产工艺设计 7 UISTYLER_DLG_CASCADE_BTN/定义主菜单的 ID LABEL 冲压成形工艺设计模块/定义主菜单的标题 E
35、ND_OF_BEFORE MENU UISTYLER_DLG_CASCADE_BTN/编辑二级菜单 CASCADE_BUTTON FIRST_DLG_BTN/定义二级菜单(下拉菜单)的 ID LABEL 零件信息输入 BUTTON SECOND_DLG_BTN /定义二级菜单的 ID，它是按钮 LABEL 冲压方向确定与优化 ACTIONS direction.dlg /定义菜单单项的响应.END_OF_MENU MENU FIRST_DLG_BTN /编辑三级菜单 BUTTON FIRST_DLG_BTN_1/定义三级级菜单的 ID，它是按钮 LABEL 输入模型 ACTIONS input
36、.dlg.END_OF_MENU 保存以上添加的脚本文件，然后重新启动 UG 界面，在主菜单中就实现了冲压成形设计模块菜单项，如图 2-1 所示。2.1.2 Autoform 数值模拟分析 Autoform 软件是由 AutoForm 工程股份有限公司专门针对汽车工业和金属成形工业中的板料成形而开发的，用于优化工艺方案和进行复杂型面的模具设计20。Autoform 软件支持 Windows 和 Unix 操作系统，主要模块有用户界面、自动网格划分、一步成形、模面设计、增量求解、切边和液压成形等。Autoform 数值模拟分析可以利用计算机仿真技术，观测、计算和分析当前模具与工艺条件的板料冲压变
37、形全过程，观测应力、应变和材料流动状况，计算冲压力，河北科技大学硕士学位论文 8 生成成形质量图和成形极限图，从而判断模具和工艺方案的合理性。仿真模拟过程相当于一次试模过程，所以通过比较成熟的仿真技术，可以有效的避免实际加工时的修模，使模具设计和工艺设计一次合格，大大的降低了新产品的研发周期和生产成本，提高了产品的质量和市场竞争力33。Autoform 在板料成形过程中的分析流程如图 2-2 所示。图 2-1 冲压工艺设计自定义菜单项 图 2-2 板料成形过程分析流程 第 2 章 发动机罩外板生产工艺设计 9 2.2 发动机罩外板生产工艺制定 汽车覆盖件的成形一般由落料（或剪切）、拉延、修边、
38、翻边、整形、冲孔、弯曲、胀形、切口等基本工序按需要排列组合而成，汽车覆盖件的生产工艺设计基本原则为33：1）为保证外覆盖件的表面质量，同一表面应尽可能一次成形。2）覆盖件上的焊接面不允许存在皱折、回弹等成形质量问题，焊接面形状不规则时，只能考虑采用拉延成形制出。3）在进行覆盖件拉延工序的形状尺寸和成形工艺设计时，要充分考虑为后续的修边、翻边等工序提供良好的工艺条件。4）冲孔工序一般应放在零件成形之后，防止先冲制的孔在成形过程中发生变形。如果孔的部位属于不变形或变形较小的区域，可以考虑在零件成形前冲出。5）工序流程设计要保证制件在各工序之间依次序进行，不存在回转现象。本论文设计中用到的发动机罩外
39、板实体如图 2-3 所示，零件材料为 B180H1 FD，零件尺寸为：1520mm1027mm，深度为：77.7mm。考虑到覆盖件从板料到制成成品零件的过程中，生产工艺方案应该尽量选择工序数最少且又能满足覆盖件性能要求的方案。用于工厂大批量生产时，应尽量减少工序数，工序数的多少会直接影响到工厂加工时使用的压力机数量、传送装置数量、车间大小、加工人员数量和设备维护工作量等，所以能够把多道工序合并为一道工序时尽量合并，工序数越少，技术经济效益越好。本论文中，发动机罩外板尺寸比较大且将用于工厂实际生产，所以制定发动机罩外板的生产工艺排步为：落料拉延修边翻边侧翻边。图 2-3 发动机罩外板实体图 河北
40、科技大学硕士学位论文 10 2.3 落料工艺设计 落料工序是为了获得拉延工序所需的毛坯外形。大型覆盖件的冲压，大多采用方料或是普通落料模生产，材料利用率和生产效率较低。所以该发动机罩板落料工艺设计改用开卷落料模的生产方式，如图2-4所示。开卷落料模生产方式具有生产效率高，落料件的表面质量好，无划伤、磕碰等缺陷，减少人工工作量，材料利用率较高等优点34。图 2-4 开卷落料 一般情况下，在设计落料尺寸时须在零件单边增加100-200mm的工艺补充量。根据发动机罩外板的实物尺寸1520mm1027mm，考虑到其拉延深度较浅，单边增加100mm左右工艺补充量，则落料尺寸设定为1730mm1220mm
41、。由于发动机罩外板前端和后端存在弧度，为了保证压料面宽度一致性，所以料片设计为圆弧形，弧度半径为2300mm，如图2-5所示。图 2-5 发动机罩外板落料尺寸 第 2 章 发动机罩外板生产工艺设计 11 2.4 拉延工艺设计 拉延工艺是发动机罩外板生产工艺设计的第一道工序，同时也是保证生产出合格产品的最关键的工序。2.4.1 冲压方向确定 发动机罩外板拉延设计，首先需要确定冲压方向，冲压方向不但决定能否拉出满意的拉伸件，而且影响到工艺补充部分的多少和压料面形状。要想拉延成形过程顺利实现，拉延过程中板材的性能充分发挥，并且不出现裂纹和变形等质量问题，就必须选择合理的冲压方向。确定拉伸冲压方向，应
42、满足如下方面的要求：1）保证拉伸件凸模能够顺利进入拉伸凹模，不应该出现凸模接触不到的死区，所有需要拉伸的部位要在一次冲压中完成。2）拉伸开始时，凸模和拉伸毛坯要有大的接触面积。3）压料应该尽量保证毛坯平放，压料面各部位进料阻力应该均匀，拉入角相等，才能有效地保证进料阻力均匀，避免产生破裂和皱纹。4）拉伸方向有利于防止产生表面缺陷 UG 软件里没有直接选定冲压方向的功能，但是将它的一些功能组合就可以确定拉延件的冲压方向。先通过观测凭经验选定一个拉延方向，然后再验证。可以假定拉延方向为 z 坐标轴方向，为了证明这个拉延方向确实是可以保证凸模能进入凹模的，可以在认为比较危险的地方用与 X（或 Y）坐
43、标轴垂直的平面求截面线，使用“Insert”“Curve Operation”“Section”功能实现，然后分析跟拉延方向平行的一组直线与该截面线的交点，只要其中有一条直线与截面线的交点多于一个，则该拉延方向不可行3537。遵循以上原则，利用 UG 软件确定冲压方向如图 2-6 所示。2.4.2 拉延筋的设计 在发动机罩外板拉延成形过程中，拉延筋起着非常重要的作用。冲压过程中，压料面上需要很大的流动阻力，只靠在压边力的作用下模具与材料之间的摩擦力不能满足要求，所以需要在压料面上设置拉延筋。拉伸筋设置在压料面上，通过不同数量、不同位置、不同的结构尺寸以及拉伸筋与槽之间松紧的改变，以调节压料面上
44、各部位的阻力，控制材料流入，提高制件的刚度，防止拉伸时起皱和开裂38。拉延筋种类较多，有整体筋、圆形嵌入筋、半圆形嵌入筋、方形嵌入筋、双筋等，汽车覆盖件拉延模使用圆形嵌入筋、半圆形嵌入筋、方形嵌入筋较多，这三种拉延筋结构尺寸见表 2-1，使用材料通常为 45 或 55 号钢，紧固螺钉用 45 号钢，淬火硬度为 HRC45 以上。为了保证坯料拉延过程中塑性变形充分，产品刚性较好，发动机罩外板的拉延筋采用方筋形式，如图 2-7 所示。方筋能够增加材料流动阻力，减河北科技大学硕士学位论文 12 少外部材料流入或不流入，使得材料充分延展开，保证变形充分，达到更高的刚性要求。图 2-6 发动机罩板拉延模
45、型 表 2-1 常用拉延筋结构尺寸 单位：mm 名称 名称（W）dp d1 l1 l2 l3 h K R l4 l5 圆形嵌入筋 半圆形嵌入筋 方形嵌入筋 12 16 20 12 16 20 12 16 20 M61.0 M81.25 M101.5 W61.0 W81.25 W101.5 W61.0 W81.25 W101.5 6.4 8.4 10.4 6.4 8.4 10.4 6.4 8.4 10.4 10 12 14 10 12 14 10 12 14 15 17 19 15 17 19 15 17 19 18 20 22 18 20 22 18 20 22 12 16 20 11 13
46、15 11 13 15 6 8 10 5 6.5 8 5 6.5 8 6 8 10 6 8 10 3 4 5 15 17 19 15 17 19 15 17 19 25 30 35 25 30 35 25 30 35 在做发动机罩外板拉延筋设计时，需要使用 UG 二次开发工具 UIStyler。拉延筋设计所需的对话框可利用 UIStyler 工具中包含的编辑对话框的标签(Label)、位图（Bitmap）等控件进行编辑得到38。使用 UIStyler 工具设计开发的拉延筋设计及参第 2 章 发动机罩外板生产工艺设计 13 数设置对话框如图 2-8 所示。拉延筋设计时，在 Autoform 软件
47、中进行成形分析，采用等效拉延筋形式对拉延筋进行模拟3940。在等效拉延筋模型中，实际的拉延筋被投影到压料面上，其宽度与实际模型相同，并对投影面进行网格划分，然后根据虚功原理将计算得到的实际拉延筋产生的约束力分配到节点上，拉延筋成形效果如图 2-9。图 2-7 方筋 图 2-8 拉延筋设计对话框图 河北科技大学硕士学位论文 14 图 2-9 拉延筋成形效果 2.4.3 压边力确定 压边力是影响发动机罩外板拉延的重要因素之一，可以通过改变压边力来调整约束力大小，控制发动机罩外板板料拉延效果。发动机罩外板在拉延成形过程中，压边力过小或过大都会诱发起皱或破裂的危险，因此，需要选取一个大小合适的压边力，
48、在保证成形尺寸精度的同时，使板料产生充分的塑性变形，减小成形后的回弹量。压边力数值确定，需要使用数值模拟分析软件 Autoform，利用 Autoform 软件中的参数优化功能对压边力数值进行优化运算，找到符合要求的较为合理的压边力数值4142。前面提到，本论文设计使用的发动机罩外板材料为 B180H1 FD，料厚0.7mm，抗拉强度340Mpa，根据加工经验，首先设定初始压边力为 140T，设定最大压边力为 280T，Autoform 会自动根据设置的数值区间进行多次运算，并且从中选出毛坯成形状态最好的数值。当压边力为 160T 时，坯料成形的效果图如图 2-10 所示，对比其他数值压边力下
49、的坯料成形情况，图中整个罩板区域板面成色均匀，说明成形性分析较好，所以 160T 压边力合理，最终确定压边力为 160T。2.4.4 变薄率和主应变分析 拉延成形后要对发动机罩外板制件进行变薄率和主应变分析，确保设计参数合理。变薄率分析如图 2-11 所示，从图中看出，角部变薄系数为 0.212，存在开裂的风险。板料在拉伸过程中，局部变薄率应0.2 较少时说明材料有开裂的风险，但可以暂时不做处理，通过在后期生产时进行微调来消除开裂。本制件的角部开裂风险可以通过在实际生产时放大凸模圆角进行微调43-45。第 2 章 发动机罩外板生产工艺设计 15 图 2-10 坯料成形效果图 发动机罩外板板料主
50、应变分析如图 2-12 所示。外板件对本身板材张力有一定要求，在外板表面区域内的拉延主应变3%或主应变0.03，为拉延充分，当主应变值0.03 时，板料成形时容易产生凹坑，影响产品的外观。从图 2-12 中看出，整个发动机罩外板制件基本符合要求，仅在板面右下角应变值为+0.0284，要在后期进行调整，通过增加拉延筋高度或增加拉延系数来调整46。图 2-11 变薄率模拟分析图 河北科技大学硕士学位论文 16 图 2-12 板料主应变模拟分析 2.5 修边工艺设计 修边的实质是剪切分离，用于将拉延件的工艺补充部分和压料凸缘多余部分切除，为翻边和整形准备条件。冲孔工序合并在修边工序中进行，对修边模的