哈工大硕士毕业论文——车门外板类冲压件成形工艺的研究

哈尔滨工业大学硕士学位论文 摘 要 车门外板是典型的汽车覆盖件之一，一般都带有装饰性，要求美观大 方，例如带有连贯性装饰棱线，装饰筋条，装饰凹坑，加强筋等。表面不允 许有皱纹、凹痕、擦伤以及其他破坏表面美感的缺陷。 通过分析 CA1010H, CA1026和 CA6440等车型的车门外板冲压件在生产 中易出现的冲压缺陷产生的原因，制定相应的解决，在CA6350, CA6471 两种车型的试制中，应用于车门外板的工艺确定和模具设计中。 以CA6350和CA6471为例，详细论述了车门外板冲压件的工艺造形、冲 压方向在拉深工序中的确定原则。指出工艺造形的合理确定是保证拉深件质 量的关键，也是车门外板成形工艺确定过程中所应思考的主要问题。 依据车门外板成形工艺，同时考虑模具加工、维修、调整的可行 性，确定了车门外板模具结构形式。通过对车门外板拉深模、修边模、翻边 模设计的关健技术进行探讨和对在模具调试过程中冲压件发生的拉裂、起皱 等缺陷问题进行分析，提出了解决缺陷的措施。 通过对CA6350和CA6471的车门外板成形工艺的分析，找出车门外板 类冲压件成形的共性，初步建立起 “参数工艺模型”。找出了确定车门外板 类冲压件成形工艺所依循的普遍规律。 关键词 汽车覆盖件;冲压成形;工艺;模具结构 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Abstract The outside door of auto is one of the parts representative of automobile panel. It is used to decorate the automobile, so it must be beautiful. There are also continuity crest lines, muscles and concaves used to decorate, muscles to reiforce on the surface of the door. There shouldn't be rimples, concaves, abrasions or other defects destroying the beauty appearance. By analyzing the reason for easily mistaking in the process of punching outside doors of CAI 010H, CA1026, CA6440, we make some principle which are used to draw processing and to design models in the trial-manufacture process of CA6350 and CA6471. According to CA6350 and CA6471, discuss some principles as technological molding principle and punching direction principle in drawing processing in details. We decide the feasibility by these conditions in drawing procedures that can ensure a good quality of components. They're also the mainly explored directions in forming technological shape procedure of outside door panels. Ensuring the die's structure style of an outside door panel is based on the technological plan of the outside door panel, at the same time thinking of the feasibility of die's producing, repairing and adjustment. Through exploring the key technique to drawing die, trimming die, flagging die of the outside front door panel and analyzing the defective questions in adjusting dies, such as, drawing gaps, shrinking, bring up the methods of solving there defects. Through analyzing the forming technology of the outside door panel of CA6350 and CA6471, it will bring the same places to light in punching the class of outside door panels, and build a elementary technology parameter model. It will discover the common rules in punching components like outside front door panels. Keywords auto covering components, punch forming, technology, die's structure 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第1章 绪 论 1.1引言 汽车覆盖件是组成汽车车身的薄板冲压件，具有薄、形状复杂、结 构尺寸大、表面质量要求高等特点。形状复杂的汽车覆盖件往往要经过多道 工序才能完成;与其它冲压件相比，覆盖件的成形质量在很大程度上决定着 最终产品的外观质量和使用性能。因此，汽车覆盖件成形的工艺研究是获得 理想汽车覆盖件的关健[[11。随着汽车工业的发展，覆盖件成形工艺研究成为 衡量一个国家汽车制造水平的标志，是推动汽车车身造型进步发展的基础 [21。对于覆盖件这种由许多复杂曲面构成的零件来说，国内外同行都是采用 CAD软件 (如PRO/E, IDEAS, UG, CADIA等)对零件的各个部位造成参 数化曲面，进而得到光滑平顺的复合曲面。根据得到的覆盖件三维几何型 面，考虑冲压件可能产生的冲压缺陷，在增加工艺补充部分后构造出工序件 型面，以此为基础来构造模具的几何型面。而工艺造型后的产品采用数值模 拟及物理模拟两大类方法，来研究产品成形的可能性。在塑性成形中，材料 的塑性变形规律十分复杂，这使得塑性成形工艺的制定缺乏系统的、精确的 理论分析手段，而主要依据人们长期积累的经验[31 车门外板是典型的大型车身覆盖件。在成形工艺、模具设计和制造上有 其独到的特点。通过成形缺陷的分析来确定车门外板类冲压件的成形工艺， 解决车门外板冲压成形工艺的关键问题，可为塑性成形过程模拟和进行模具 制造找到最终可行的设计方案，使人们获得对于塑性成形过程规律的认识。 1.2汽车覆盖件成形研究的发展概况 1.2.1汽车筱盖件成形的发展历程 1899年德国本茨公司用冲压钢板制造汽车车身骨架，1919年美国道奇 公司生产出第一辆装有冲压钢板的车身骨架和覆盖件的汽车，至今已有 100 多年的历史[[41。有了用钢板冲压的车身及骨架才有可能大批量生产汽车[51 促进汽车工业的迅速发展，推动相应的覆盖件成形研究的进步。 冲压技术的真正发展，始于汽车的工业化生产。20世纪初，美国福特汽 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 车的工业化生产大大推动了冲压技术的研究和发展。研究工作基本上在板料 成形技术和成形力学两方面同时展开，关键问题是破裂、起皱与回弹，涉及 可成形性预估、成形方法的创新，以及成形过程的分析与控制。但在 20世 纪的大部分时间里，对冲压技术的掌握基本上是经验型的1610 60年代是冲压 技术发展的重要时期，各种新的成形技术相继出现。尤其是成形极限图 (FLD)的提出，推动了板材性能、成形理论、成形工艺和质量控制的协调 发展，成为冲压技术发展史上的一个里程碑171 20世纪 50年代，中国汽车覆盖件成形的工艺研究水平及相应的模具设 计制造业毫不逊色于世界模具行业的平均水平。20世纪 80年代，中国一 汽、二汽都曾经与日本厂商联手为美国汽车厂生产过中型模具。80年代初以 后，中国汽车模具大量进口，汽车覆盖件水平与国外发展差距日益扩大;这 既与国外数控设备大量普及有关，也与相应支持软件大规模应用有关。目前 国内有较大实力的覆盖件生产厂家，已大量引进高速切削数控机床及 Pro/engineer, UG、达尔康、Cimc50等数控编程加1软件并付诸实际应用， 我国与国外相应的覆盖件加工水平差距在缩小。由于 80年代有限元方法及 CAD技术的先期发展，使90年代以数值模拟仿真为中心的计算机应用技术 在冲压领域得以迅速发展并走向实用化，成为材料变形行为研究和工艺过程 设计的有力工具。汽车冲压技术真正进入了分析阶段，传统的覆盖件成形技 术开始从经验走向科学化18,9] 纵观上世纪的发展历程可见: (1)覆盖件成形工艺的研究和改进是与冲压技术的发展相辅相承的。 (2)覆盖件成形过程数字化仿真技术的发展，推动传统冲压技术走向科 学化，进入先进制造技术行列。 (3)覆盖件成形工艺的发展涉及材料、能源、模具、设备等方面。工艺 方法的创新及其过程的分析与控制是技术发展的核心;覆盖件成形模具技术 是工艺发展的体现，是决定产品制造周期、成本、质量的重要因素110,111 1.2.2汽车覆盖件成形的现状 自 1961年英国利兰汽车厂的工程部门将数控机床引入汽车覆盖件冲压 模具制造，1966年初步实现模具CAD以来，现在已经发展到对车身设计、 分析，形成车身数字模型:并且据此模型，利用数控设备做出车身覆盖件模 具[12,131 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 传统车身覆盖件设计从艺术造型开始，直到造出主模型为止，全部是繁 重的手脑并用劳动。目前的过程是艺术造型到制成缩比的油泥模型属于美术 审查阶段，维持传统方法。缩比油泥模型形成后，经过扫描取得数据，形成 数学模型，进行结构分析和工艺设计，模拟冲压成形，确认最佳的覆盖件工 艺性[14,15] 美国AV70DIE公司，每年承制五个车型模具设计制造任务，工程技术 人员 12人，只有 2人长期驻底特律接受订货，他们将车身型面数据通过网 络传送到厂内计算机，在计算机上设计出冲模并编制出模具的加工程序，再 到计算机中用以直接群控加工机床实现数控加工。由于数控加工达到高精 度，减少了工序及修磨工序。美国己淘汰了传统的仿型铣、研配压床修 整、钳工手工加工等，普遍采用数控技术及计算机辅助设计和辅助制造一体 化。在汽车覆盖件成形技术上，由于采用了从产品设计到模具制造全过程的 数据传递方式，使车身覆盖件的开发，在质量上、精度上、换型周期上产生 了质的飞跃[[16-181。美国三大公司中，福特汽车公司在汽车覆盖件成形技术上 处于领先地位，1993年以来，提出C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)概念，并采用 I-DEAS软件作为其主流核心软件;日本丰田公司在 1989年推出DIEFASE- CAD软件;英国利兰、法国雷诺、德国大众等汽车公司，也在成形技术上各 有突破，都是在三坐标测量仪及其它图形设备上建立较完善的系统，可从对 油泥模型上采集的原始数据进行测量，传输到计算机修改，对所得的覆盖件 图形光顺处理后，再将数据用于覆盖件设计、冲模设计和制造[[19,20]。在我 国，一汽、二汽、上汽的覆盖件成形技术较高，近年采用一些国外先进软 件，对冲压件 CAD/CAE/CAM也有一定突破性研究。但在大型汽车覆盖件 成形方面，由于经验和数据积累不足，仅停留在对拉裂、起皱、回弹等方 面，与国外尚有差距。 1.2.3车门外板成形存在的问题 车门外板属于大型汽车覆盖件，国外研究机构现已发展到对车门外板成 形的“虚拟设计”阶段，即在计算机上模拟车门外板拉深成形过程，从而观 察材料受力和变形的情况、材料流动和材料变薄的程度，以确定合理的工艺 参数和模具设计参数，来完善冲压工艺和模具设计[21]。虽然计算机分析与仿 真技术 (CAE)己经能在工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计 和冲压工艺设计难题，如拉裂预测、回弹计算和起皱预测等，但由于车门外 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 板类冲压件的冲压成形过程包含十分复杂的物理现象，各种参数如拉深工艺 补充面、压料面形状、拉深筋布置、制件的侧壁形状、润滑条件、拉深方向 及工艺圆角等的确定，还需大量的经验和数据积累。因此，国外车门外板类 冲压件的成形 CAE技术有待进一步完善和实用化。我国汽车车身开发领域 CAD/CAE的应用，多数厂家正处于开发阶段，尚未完全在开发过程中应 用。车型的模具开发没有达到数据化。由于经费不足，人员素质不高等原 因，引进的软件二次开发水平不高，对车门外板冲压件的整体缺陷研究目前 还做不到。各类型数据库和典型冲压件的工艺参数，尚未建立。另外，国内 模具产业不发达，对经验积累极为不利。设计水平低、制造及调试周期长， 严重阻碍了汽车工业的快速发展[2-24[ 1.2.4汽车覆盖件及车门外板成形的发展趋势 进入 21世纪，高新技术全面促进了传统成形技术的改造及先进成形技 术的形成和发展。冲压技术将以更快的速度持续发展，发展的方向将更加突 出“精、省、净，的需求[2s气 汽车覆盖件成形技术将更加科学化、数字化、可控化。科学化主要体现 在对成形过程、产品质量、成本、效益的预测和可控程度。成形过程的数值 模似技术将在实用化方面取得很大发展，并与数字化制造系统有很好的集成 [26,27]。人工智能技术、智能化控制，将从简单形状零件成形发展到用于车门 外板类大型汽车覆盖件等复杂零件成形，从而真正进入实用阶段。各种数据 库的应用，提高了技术准备水平和速度。对传统冲压工艺中需要试验和经验 决定的问题如:拉深工艺补充部分、复杂形状覆盖件的毛坯展开尺寸、变形 部位的孔位精度等都在CAD/CAE/CAM应用中逐步得到解决。 由于汽车覆盖件模具设计及制造有较强的专业性，同时其中许多新问题 还要依靠经验的积累来解决，因此世界各国都培养专门人才从事覆盖件研究 工作。 1.3课题的来源及研究意义 1.3.1课题来源 一汽吉林轻型车厂以前生产的CAIOIOH微型卡车、CA1026轻型卡车以 及CA6440轻型面包车的车门外板，经常会出现折线、冲撞痕线、线偏移、 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第2章 车门外板工艺缺陷分析 2.1引言 在车门外板类冲压件生产中，有各种各样的缺陷会在成形过程中产生。 零件的结构设计是否具有良好的结构工艺性，工序安排、工艺补充、毛坯形 状、零件材料是否合适，毛坯表面及周边状态是否良好，模具间隙是否均 匀，模具结构是否合理，凸、凹模的圆角选择是否适当，拉深筋的设置是否 合理，机床压力是否平稳等因素都与缺陷的产生有关1311, CAIOlOH, CA6440等车型车门外板冲压缺陷主要表现在制件表面精度不良，表面出现 折线、冲撞痕线 (冲击线)、线偏移，局部凸起、扭曲、凹陷、翘曲、排气 伤痕、橘皮等多种缺陷。其中每一种缺陷的产生都会降低冲压件的商品价 值，甚至报废。 2.2工艺缺陷分析 2.2.1折线 车门外板拉深模具表面形状复杂，在成形结束时，往往会在制件表面产 生折线。由于 CAIOlOH车门外板冲压件拉深模的压边圈表面工艺补充为复 杂曲面，在压边圈与凹模压住材料的瞬间，材料附贴形面发生扭曲而形成弯 曲线。这条曲线在拉深过程中不会消失，而会残留下来。如图2-1所示: 折 线 图2-1 Figure 2-1 折线 Fold line 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 在成形初期发生的大折皱到最后不能消除，也易成为折线。由于 CAlOlOH车门外板冲压件拉深模具的部分凸模高出压边圈板面，在凹模与压 边圈接触前，材料已与凸模的凸起部分接触，以凸模作为顶点，接着才是凹 模与压边圈接触，这条曲线在拉深过程中，不会消失，而一直遗留下来。 CA1026车门外板冲压件拉深模的拉深筋布置不均，在成形过程中和成形后 期材料流入不均，材料在凸模表面产生移动，折线也遗留下来。 为了避免折线的产生，可将车门外板冲压件拉深模的压料面做成大曲率 半径形面，同时拉深筋分布均匀布置，使板料与压边圈接触初期不发生弯折 现象，同时模具设计时使压边圈表面初期高于凸模表面以避免板料的折弯。 2.2.2冲撞痕线 (冲击线) 车门外板冲压件在进行拉深成形的初期，凸模圆角部位，凹模圆角部 位，或与拉深筋相接部分的材料发生弯曲，到成形结束时，使冲压件的侧壁 上形成与成形方向垂直的带状条，即冲撞痕线。如图2-2所示。 由于拉深筋产生的冲撞痕线 由于凸模圆角产生的冲撞痕线? 由于凹模圆角产生的冲撞痕线 图2-2 冲撞痕线 Figure 2-2 Ram mark line 采用将冲撞痕线从产品表面避开的方法来处理车门外板表面的冲撞痕线 缺陷。由于凹模圆角产生的冲撞痕线，通常采取加大凹模圆角半径及加高拉 深侧壁高度的措施，来避免冲撞痕线上移到表面。由于凸模圆角产生的冲撞 痕线，采取加大凸模圆角半径以及使材料流入均衡的措施，不使凸模下面材 料流动，从而避免冲撞痕线流入修边线以内的制件表面区域内。由于拉深筋 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 引起的冲撞痕线，在工艺设计中保证拉深侧壁足够高，可以防止冲撞痕线缺 陷流入到冲压件表面上。 2.2.3线偏移 车门外板冲压件的线偏移缺陷是指成形初期或成形过程中发生的棱线偏 移，即板材棱线在模具凸形上，或左或右地移动。如图2-3所示: 点 a 板 料 模具凸形 图2-3 线偏移 Figure 2-3 Line excursion 这种缺陷现象发生在 CAIOIOH和 CA1026车门外板装饰线处。增加毛 坯的中间部分的胀形机理，使毛坯受力状态沿零件的周边分布均匀。胀形时 毛坯的塑性变形局限于一个固定的变形范围内，板料不向变形区外转移，也 不从外部进入变形区内。胀形区内金属处于两向受拉的应力状态，变形区内 板料形状的变化主要是由其表面积的局部增大实现的。 车门外板冲压件在成形过程中应使胀形占主导，使板料周围受力均匀， 应力分布均衡。这样板料始终处于良好的平稳变形，避免材料在凸模移动产 生棱线偏移。 2.2.4膨凸 (局部凸起) 在拉深和弯曲加工时，凸模或凹模圆角部位的材料，沿着圆角发生的少 量凸起现象。在翻边工序中，由于内应力的作用，沿着翻边棱线的表面也会 发生这种凸起现象。如图2-4所示: CA1010H车门外板制件的这种缺陷产生于翻边工序。这是由于翻边工作 中，未翻边一侧处于自由状态，由于拉力不足，就会出现这现象。CA1010H 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 车门外板冲压件的翻边模具调试中， 氮气缸压料方式，消除了膨凸缺陷。 凹 模 将原设计中压料板的弹簧压料方式改为 膨 凸 凸 模 图2-4 膨凸 Figure 2-4 Expand 压边圈 protrudingly 2.2.5凹陷 (刚性差) 当对CA1010H和CA1026车门外板冲压件的顶部施加正压力时，会产 生部分瘪陷;但从里面施加压力后，又回复成原样。车门外板冲压件形成凹 陷的主要原因除制件工艺性不好外，主要的则是压料面的进料阻力太小，材 料塑性变形不够引起的。如图2-5所示。增加毛坯的中间部分的胀形机理使 毛坯成形，毛坯受力状态沿零件的周边分布均匀有利于消除这种缺陷。 增加压力则凹陷，消除压力则回复 变形量 图2-5 Figure 2-5 刚性差 Bad rigidity 2.2.6翘曲 CA6440车门外板冲压件拉深模中，成形的材料通过凹模圆角进入侧壁 部时，在被成形的侧壁部位产生弯曲，即翘曲缺陷。如图2-6所示: 翘曲缺陷是材料流动过程中，板料内的应力应变分布不均匀产生的「32] 车门外板成形工艺制定时注意拉深侧壁的高度不应太大，应有一定的斜角。 在CA6440车门外板冲压件翻边工序中，推件装置的位置设在冲压件边缘的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 /气一一 翘 曲 图2-6 翘曲 Figure 2-6 Warping 中部，在翻边成形后的推件过程中，冲压件发生变形。在设计车门外板翻边 模具时，要注意要使全部边缘都受到推件力。 2.2.7其它缺陷 CAIOIOH. CA1026和 CA6440车门外板冲压件成形过程中还会产生其 它儿种缺陷:由于胀形成形时压料面接触不良，造成局部拉深引起的扭曲缺 陷。成形过程中所产生的板面内应力分布不均匀.引起成形后的弹性回复， 部分表面鼓起和塌陷，使 CA 1026车门外板冲压件表面形状发生“收缩’，和 “垂驰”变化。在CA 1026车门外板冲压件的车门扣手周围由于拉深极限变形 造成的橘皮现象。CAIOIOH车「〕外板冲压件拉深模的排气孔太大，在冲压件 表面气孔部位产生了排气伤痕缺陷。 车门外板拉深件工艺造型时，注意工艺补充面、压料面、制件侧壁等部 位的均衡性等，可避免扭曲现象的发生。充分增大拉应力，把拉深变形接近 于胀形成形，压料面上使用四周封闭拉深筋，保证材料流动时受力均衡，可 消除“收缩”与“垂驰”现象产生。由于拉深极限变形造成的橘皮现象1331 可放大相应部位的圆角半径消除.在凸模和凹模内钻通气孔并尽量开在工艺 补充部分上，可消除真空变形和排气伤痕的缺陷产生。 2.3本章小结 本章分析了CA101011. C人6440等车型车门外板发生的主要冲压缺陷， 缺陷产生的原因及主要解决途径。主要缺陷为表面出现折线、冲撞痕线、线 偏移、局部凸起、扭曲、四陷、收缩垂弛、翘曲、排气伤痕、橘皮等。 车门外板冲压缺陷的产生与制件冲压成形工艺确定的合理性有很大关 系。合理的工艺确定能从根本上解决冲压件生产中缺陷的产生。避免这些缺 陷产生的有效方法是确定车门外板冲压成形工艺的关键。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第3章 车门外板冲压成形工艺分析及工艺确定 3.1引言 车门外板产品质量要求制件外观光顺平滑，不允许有波纹、皱纹，凹 陷、拉痕以及其它破坏表面美感的缺陷。制件的装饰棱线，要求清晰、平 滑、左右对称和过渡均匀，与相邻覆盖件的装饰棱线衔接处应吻合，不允许 参差不齐。车门内外板组装时窗口翻边吻合[34]，表面挺括，刚性好。车门外 板两面棱线、筋条等，只能在拉深工序中形成，否则很难保证其几何形状的 一致性和表面光滑。车门外板拉深件工艺制定的合理性，是保证其表面质 量、增强刚性的关键。确定冲压成形工艺主要内容包括:冲压方向、送料方 向、成形面工艺补充、压料面、拉深件的侧壁形状、工艺圆角、拉深筋等。 3.2车门外板成形工艺分析 车门外板是一种平坦浅拉深件。由于外观表面质量要求高，因此要求 对变形材料进行充分成形，才能拉制出光滑并具有刚性的零件。如果冲压件 变形不充分，导致贴模度很差，成形后在零件表面上残留着鼓包和皱折。某 些部位刚性较差，受振动后就会产生空洞声[[35]。并造成制件的早期损坏。 通常汽车表面件拉深时既有曲面形状的内部胀形和外周拉深的复合变形 特点，也有变形沿零件的周边分布不均匀的特点。应综合考虑这几方面因素 的相互关系和影响，并根据零件几何形状的特点予以灵活地运用。 由于车门外板的表面曲率小，其拉深变形所需的径向拉应力的数值如果 不大，零件在模具内的形状在出模后不能保持下来，即回弹变形大，或者说 根本不能紧密地贴模.靠调整毛坯的尺寸或者增大压边力，以达到产生较大 且均匀的径向拉应力的方法是可行的，但不经济。在这种情况下，能够保证 得到比较均匀并符合要求的径向拉应力的有效措施，是采用拉深筋或拉深 槛。加强拉深筋的作用，基本上不使毛坯的周边产生拉深变形，而主要由毛 坯的中间部分的胀形机理使毛坯成形。毛坯受力状态下的形状在出模卸载后 仍可保留，所以成形精度高。车门外板在成形时，凸模表面与毛坯以大表面 接触，由于平面上的拉应力很低，材料得不到充分的塑性变形，这使材料变 形不足，对增强制件的刚性不利。车门外板的装饰线有利于提高冲压件表面 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 的刚性，但不利于美观;流行的车门外板表面是平坦的，或是带有浅形的装 饰线，这使制件变形不充分，容易造成制件中部塌陷凹坑的产生。 如图3-1、图3-2所示:在产品a处，装饰线的边缘部分容易发生局部 凸起缺陷，冲压件的表面不平。在产品b处，由于内缘翻边较高 (H=12)， 如果不采取措施而直接翻边成形，在此处易造成制件表面不平以及翻边高度 不均。在门扣手c处，深度和形状是决定其周围表面质量的主要因素。在成 形过程中，扣手处材料的变形是处于胀形状态，外界材料的补充不充分，制 件表面易裂部位也在于此。 /‘二二二二二二二二二乙 三兰于于二=2‘ a c b 图3-1 Figure 3-1 CA6471前门外板 Auto front outer door of CA6471 图3-2 CA6350前门外板 Figure 3-2 Auto front outer door of CA6350 3.3车门外板总体工艺方案确定 冲压工艺的制定应以消除和防止冲压缺陷产生为目标，同时考虑工装制 造能力、生产水平、工装制造周期、投资成本、生产设备及冲压生产的场地 条件等。 依据车门外板冲压件使用要求及实际生产情况，确定两种车门外板的工 序，CA6350, CA6471车门外板冲压工艺流程如图3-3，图3-4所示。 CA6350车门外板:拉深一修边冲孔一翻边、斜冲孔一斜翻边、冲孔。 CA6471车门外板:拉深一修边、整形一翻边、冲孔。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 测超止鲤边丫撇 }hx}r7一}一 珊吧川一翌 臀一 余撇 翻` 40 】 { 一于--一 } 斜翻边 冲孔 }S4-800 翻边 2弃一 一 片 一 一 一 〔一} 送料 ? ? #1it 厂修边 斜冲孔 斜切断 S4-800 ? ? ?? ? ? ? ?勺一— } 修边 冲孔 S4-800 ? ???? _一少一 拉 深 ?? ? 工 序 号 上 工序名称 图3-3 CA6350前门外板冲压工序流程 The punching process flowing of CA6350 front S4-800 压 力 机 Figure 3-3 outer door panel 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 厂切断 ? ? ? ?? ?? ?? ???? ? ? ? ? 翻i&- 厂冲孔 送料方向— 冲压方向一 二县 ?? 、 翻边 30 切断，冲孔，翻边 } S4-800 一 一 } } -分匕 _ 一_止二二二二互 下 一 一 一 ? ? ? ?? ? ? ? 下 ， 流 ? ? ?? 、 冲压方向一 / ?? 叮 _ _-. __ _— 十一一 送料方向— 20 修边，冲孔，整形 S4-800 羹奚水 一 冲压方向— — 一一 下 里一_二 卜=厂一 ? ?? ??? ? ? ? ? 送料方向— 10 拉 深 (双动) 工序号 工序名称 D4-1300 压力机 图3-4 CA6471前门外板冲压工序流程 Figure 3-4 The punching process flowing of CA6471 front outer door panel 15。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3.4车门外板成形工艺关键技术 3.4.1冲压方向的确定 冲压方向的确定是车门外板冲压件工艺设计的关键，是确定冲压件在模 具中的空间位置。它不但决定能否生产出合格的冲压件，而且影响到工艺补 充部分的多少和压料面的形状。在拉深工序中，冲压件往往会由于冲压方向 确定不当，而增加调整困难。车门外板类冲压件冲压方向确定所遵循的规律 是: (1)保证凸模形状能够进入凹模，且形状冻结性好，不产生负角，最 好应使制件在一次拉深中完成。 (2)保证拉深深度。深度应浅且均匀，深度均匀是保证车门外板拉深 模具压料面各部位进料阻力均匀的主要条件，进料阻力不一样，在拉深过程 中，毛坯就有可能经凸模顶部窜动，产生线偏移，严重的会破裂和起皱。 (3)凸模应与成形件有良好的接触状态。拉深开始时，凸模两侧的包 容角尽可能作到基本一致 (。=p)。使材料流动时两侧阻力接近，从而为 拉深创造条件。如图3-5所示: 凹模 凸模 图3-5 CA6350车门外板拉深凸模两侧的包容角 Figure 3-5 The angle contain the punth both sides of CA6350 outdoor 压边圈 drawing die 通常应适当增大凸模接触面积，以防止材料在点接触处产生应力集中而 造成局部破裂。车门外板冲压件拉深时，凸模表面与毛坯以大平面接触，除 手扣部位易裂外，其它部位由于平面上拉应力很低，材料得不到充分的塑性 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 变形，因而制件刚性降低;这是产品冲压工艺性缺陷造成的原因。 (4)不应产生侧向力。冲压方向设定后，应使车门外板拉深模具压边圈 的压力均衡，这样便不产生侧向力。同时模具结构应有足够的强度和刚度， 这样材料流动成形时受力稳定均匀。 (5)冲压方向应有利于工艺补充。不同的冲压方向会带来相应不同形状 的工艺补充，直接涉及到产品拉深工序的最终成形条件以及后序成形条件。 合理的冲压方向，应既满足冲压形状的要求又适应工艺补充、压料面形状的 规范。 3.4.2工艺补充的确定 车门外板冲压件的形状复杂，结构不对称，直接成形较困难。设置必要 的工艺补充部分有利于改善拉深件的工艺性，提高拉深件的质量。工艺补充 是弥补产品在冲压工艺性缺陷的一项不可缺少的结构要求，以达到凹模口四 周变形阻力和制件塑性变形均匀性目的，并为后续工序创造有利条件[[361。工 艺补充在拉深完成后又需将其切掉，因此，它也是车门外板成形工艺上必要 的材料消耗。确定车门外板拉深件工艺补充部分应遵循以下规律: (1)封闭补充 在类似 CA6471车门外板拉深件的胀形变形中，若胀形 变形超过材料的极限变形，需要在工艺补充部分预冲孔或切口，以减小胀形 变形量。 (2)简化拉深件结构形状 拉深件的结构形状越复杂，拉深成形过程中 的材料流动和塑性变形就越难控制。车门外板冲压件外部的工艺补充要使拉 深件的结构、形状简单化，接近车门外板基本形状，才容易控制拉深成形过 程中的材料流动和塑性变形。 (3)对后续工序有利 车门外板冲压件的工艺补充要有利于修边、翻边 等工序中制件的定位稳定、可靠，尽量能进行垂直修边、垂直翻边，以便采 用结构简单的模具。加工艺补充还要注意到:在对车门外板拉深模具压料面 或拉深筋槽修理时不能影响到修边线。保证修边模的凸凹模有足够的强度， 凸模圆角和凹模圆角的大小要有利于毛坯的变形和塑性流动。为达到凹模口 四周的变形阻力和制件的塑性变形均匀性目的，并为后续工序翻边创造有利 条件。 依据以前生产的各种车型车门外板出现的缺陷问题的解决办法，来确定 新车型车门外板的工艺补充。CA6350车门外板工艺补充如图3-6所示。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 工序2修边 B-B D-D C-C S=6:1 图3-6 CA6350拉深工艺补充 Figure 3-6 Supplementing of drawing processing technological process of CA6350 在车门外板装饰翻边线处，材料吸入的过多而产生表面不平，所以加工 艺补充凸起 (A-A剖面阴影部)，使流入的材料充分伸展变形。在零件的上 部需经二次翻边才能达到产品要求， B-B剖面处，a点低于 b点，这样， 为了不使翻边折痕留在表面上，拉深时 一次翻边的缺陷就留在车门外板的内 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 侧。在零件的下部内缘翻边处，若拉深时材料未充分变形，翻边后零件表面 不平，同时在翻边表面发生翘起式回弹;因此，通常在这种形状部位将翻边 展开后做成C-C剖面所示的凹坑状:这样充分延展材料的同时，降低了翻边 的高度，由于先使材料产生了内翘曲，便抵制综合了外翘曲的缺陷。 CA6471车门外板的工艺补充，如图3-7所示。 压料面 凸模轮廓 ? ? ? ? 3(过拉延) t放 大 C-CT;} 图3-7 CA6471拉深工艺补充 Figure 3-7 Supplementing of drawing technological process of CA6471 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 该类车门外板由于有窗框的存在，增加了凸模底平面的大平面，该处材 料变形过程的拉应力效能降低。由于产品形状所限，必须在窗口处加工艺补 充，以改善拉深过程‘}“材料的变形条件。在临近窗口的下部 a处，加反拉深 的凹坑，以吸收多余的材料，有利于制件表面松驰现象的消除。在 B-B及 C-C处的工艺补充形状的原理同C八6350车门外板。 3.4.3压料面的确定 设置压料面是为了使板料受到预压力，从而使板料拉深时增加拉应力， 以改善拉深条件。合理的压料而不仅能保证拉入压料面的材料不起皱，还可 以保证拉入凹模的材料不起皱和不破裂。设置车门外板拉深模的压料面时， 要使拉深的深度均匀，尽量做到凸模相对两侧的拉入角相等，凸模开始与毛 坯接触状态应平稳 (尽r.使接触的部位在中间，接触面积大，接触点多)， 这样才能保证各部分进料阻力均匀。另外，压料面的形状应保证凹模内的毛 坯产生一定程度的胀形变形，否则，会使拉入凹模内多余材料无法延展，要 做到这一点，必须保证在拉深过程中侮一个阶段的压料面展开长度比凸模断 面的展开长度短，如图3-8所示。 图3-8 C八6350车门外板拉深模的凸模、压料而展开长度 Figure 3-8 The cross section of punch and pressing materials surface length of CA6350 outer door panel drawing die 车门外板周边的翻边是用翻边工序完成的，在拉深时周边应展开，形状 如图3-9所示。周边展开后应延伸作为压边工艺余料，使压边圈和凹模表面 成为一个形状简单的曲而，保证当压边圈压料时，板料毛坯产生的变形尽量 简单，不致出现皱折或过度的伸长变形等缺陷。车门外板成形的压料面四周 平缓，保证毛坯被压紧时，毛坯不产生局部起伏、折棱和皱褶。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 修边 翻边 图3-9 翻边展开 Figure 3-9 Flanging deployment 3.4.4拉深件侧壁形状的确定 车门外板冲压件拉深侧壁形状对变形阻力有显著的影响;在高度相同的 条件下，有一定角度的直壁比斜壁的变形阻力大。直壁部位在拉深成形过程 中受到控制，制件本身毛坯形成的皱纹在最后得到改善;因此，具有直壁的 制件在拉深中不易起皱，且制件刚度好。车门外板冲压件本身的结构形状不 允许采用直壁形状，所以，通过在车门外板四周加有一定斜角 (约等于 10 度)的工艺补充，使侧壁形状在拉深过程中受到控制。 3.4.5工艺圆角确定 工艺圆角是覆盖件成形模具的重要工艺参数，是获得产品最终形状的定 形点，也是材料流动的受力点[1371。工艺圆角是广意的，即包括凸模圆角、凹 模圆角、压边筋圆角;也凡指工艺补充形面中的各类圆角。它连接拉深件侧 壁，压料面及工艺补充形面。CA1010H, CA1026冲压件上许多不良现象的 产生及消除都与工艺圆角有密切关系。当凸模圆角半径过小时，拉深件毛坯 的直壁部分与底部过渡区的弯曲变形加大，使危险断面的强度受到削弱。当 凹模圆角半径过小时，毛坯侧壁传力区的拉应力相应增大，加速凹模表面的 磨损，引起磨擦阻力的增加，造成制件表面拉毛。这两种情况都会使板料的 变形阻力增加，从而引起拉深力的增大和模具寿命的降低。若凸模和凹模圆 角半径过大，则板料变形阻力小，金属流动性好，但也会相应减小压边的有 效面积，使制件容易起皱。车门外板冲压件在拉深时，各工艺圆角半径通常 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 不应小于5m ma 3.4.6拉深筋设计 设置拉深筋能增加压料面上各部位的进料阻力，调整毛坯金属的流 向，使各区进料阻力均匀。拉深筋阻力是由板料通过拉深时的弯曲反弯曲变 形力、磨擦阻力、变形硬化引起的再变形抗力增量三部分组成。拉深筋阻力 的主要影响因素有:拉深筋的形式、拉深筋参数、毛坯材料特性、润滑条 件、材料变形速度和压边力，其中以拉深筋的形式和拉深筋参数影响最大 i381;在车门外板冲压件工艺设计时，应以考虑拉深筋形式为主:在冲压生产 时，车门外板冲压件的拉深模具调试应以调整拉深筋参数为主。 在车门外板冲压件拉深开始之前，在模具压边圈作用下，毛坯的周边 首先被拉深筋压弯成形，随后在模具凸模作用下，毛坯的周边产生拉深变形 并向凹模里收缩，板料不断沿拉深筋表面滑动过程中产生的磨擦阻力和弯曲 变形阻力，都使毛坯断面内的径向拉应力加大。改变拉深筋的高度和圆角半 径，都可以达到调整径向拉应力的目的。这种调整径向拉应力的方法是十分 方便的，而且调整的范围也比较大。 CA6350的车门外板是在单动设各上成形，靠气垫压力压边，因普通带 气垫的单动压力机压边力不稳定，同时最大压边力只有 1200KN左右，难以 满足制件的工艺要求。为了解决这一矛盾，该冲压件的拉深筋只能采用槛形 拉深筋;以充分增加材料的流动阻力，充分增加材料变形过程中的拉应力， 增加成形过程中的胀形成份，提高制件的刚性。 根据CA6471的车门外板尺寸，采用D4-800-500双动冲压设备。槛形拉 深筋比圆形拉深筋更接近产品形状尺寸，见图3-10: 圆形拉深筋 槛形拉深筋 图3-10 拉深筋 Figure3-10 Drawing muscle 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 槛形拉深筋的布置，不利于车门外板冲压件的调整，压料面上的缺陷易 带到冲压件的表面上。双动设备的压边力足以满足成形要求，因此在工艺制 定上CA6471车门外板冲压件成形采用调整较方便的圆形拉深筋。 3.5本章小结 车门外板成形过程中应使材料变形以曲面形状的内部胀形为主，成形时 沿拉深件的周边受力分布应均匀。为保证车门外板成形特征的实现，应充分 体现冲压方向、成形工艺补充、压料面形状、拉深件的侧壁形状、工艺圆角 和拉深筋布置，这六个要素在车门外板类冲压件成形工艺方案确定过程中起 主要作用。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第4章 车门外板模具结构及调试 4.1引言 汽车覆盖件的质量好坏、成本高低，主要决定于冲压工艺和模具结构的 合理程度。而冲模结构的适用性和经济性，又是在设计冲模时就己决定的 (39]。车门外板模具结构形式的确定主要依据冲压工艺方案，同时考虑模具加 工的可行性和维修、调整的可行性，加工成本的承受能力以及冲压件生产的 安全等。在调试过程中发现问题、分析问题并解决问题，可以不断积累经 验，从而提高模具设计和制造水平。 4.2拉深模结构设计 4.2.1模具设计思想及整体结构 拉深模是保证制成合格覆盖件最主要的装备，其作用是将平板状毛坯料 经过拉深工序使之成型为立体空间工件[(401 根据车门外板冲压工艺确定的方案，绘制拉深件图，拉深件修边、翻边 以后的定位必须在确定拉深件图时考虑，依据拉深件图来设计拉深模具。除 压料面以外所有工艺造形都应体现在凸模上。CA6471车门外板拉深模采用 双动结构形式，即凸模及压边圈在上，凹模在下，CA6350车门外板拉深模 具采用单动结构，即凹模在上，凸模在下，凸模外面套以压边圈。 在压边圈及凹模上加调整垫块有利于模具的调整，通过试验使车门外板 冲压件拉深模的压边圈周围保持均匀合理的间隙，从而保证均匀压料力。采 用初定位装置，模具的送料方向加胶导轮防止碰磕制件表面。为便于成形结 束后取出车门外板拉深件，在模具压边圈上设置顶料销将冲压件顶起。2个 车型的拉深模均采用手工取送件。 4.2.2模具设计关键技术处理 车门外板拉深模具设计的关健技术在于压料面的设置和拉深筋的布置。 设置压料面时考虑各部分进料阻力均匀，拉深深度均匀是保证压料面各部分 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 进料阻力均匀的主要条件。CA6350前门外板压料面均采用平滑大曲面，侧 壁高度随冲压件形状均匀等高，工艺补充沿制件翻边轮廓展开后平滑过渡到 拉深侧壁，解决了类似 CA 1026车门外板冲撞痕线和凹陷的缺陷问题。在 CA6471拉深模件的窗口部做成两处压筋，解决了类似 CAlOlOH车门外板窗 口下部暗坑缺陷。这是工艺分析后工艺方案在模具结构中的具体体现。除压 料面以外，工艺造型均在凸模和凹模上体现出来。具体结构见图4-1. 1上料托架胶轮2二弹顶销3，排气孔4导板5.凹模6.取件托架 7托架固定架 S压边圈 9.凸模 图4-1 CA6350车门外板拉深模结构 Figure 4-1 Drawing die structure of door outer panel of CA6350 4.3修边模结构设计 4.3.1修边模设计思想及整体结构 修边模用于将拉深件的工艺补充部分和压料凸缘的多余料切除，为翻边 和整形准备条件。垂直修边所用模具结构简单，由于车门外板拉深件的结构 和修边位置的限制，许多部位的修边不能垂直修边;这时，修边方向的选择 会直接影响到修边质量。如果修边方向与车门外板冲压件型面方向的夹角过 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 大，会在修边过程中产生撕裂现象，同时，由于刃口部位呈锐角，模具易损 坏。修边方向可以通过模具结构的改变或增加该方向的动力装置来实现。 车门外板修边模依据工艺图设计具体结构，采用拉深件侧壁定位，冲压 件周边废料(工艺造型所形成的余料)采用废料刃口分离切除，因修边刃口间 隙仅为 0.07 m m，为不使上下刃口啃蚀，模具应采取导柱、导板共同导向。 取放件两侧加胶轮来防止碰撞工件表面。修边后车门外板冲压件采用气缸升 降装置将件从模具中升起取出。CA6350车门外板修边模具体结构见图4-2. 1.上模板2.初定位3.凹模镶块4.废料刀5二压料板弹簧6，托料胶轮7.压料板8冲 头固定座 9冲头10凸模镶块11导套12.导柱 13顶出气缸 14下模板 图4-2 CA635。车门外板修边模结构 Figure 4-2 Trimming die structure of door outer panel of CA6350 4.3.2修边模关键技术处理 车门外板修边轮廓尺寸的确认及废料刃口的排布、废料的处理是修边模 的关键技术。为保证车门外板冲压件最终件的尺寸精度，修边线刃口轮廓尺 寸应由产品翻边展开来确定，由于车门外板周边为曲线，很多展开数据值都 为近似值，这就使得该数据要由试验来最终确定，避免 CA1010H车门外板 局部翻边高度不均的现象。废料刀沿轮廓四周排布的间隔以 300mm到 500mm为宜。废料刀使用镶块式结构，废料刀镶块采用螺栓与固定销固定方 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 式，既保证修边尺寸精度又方便崩裂和磨损后的维修。废料采用滑板的方式 处理，废料分离后落在滑板上自动滑出模具，方便操作。 4.4翻边模设计 4.4.1翻边模整体结构设计 翻边模是将半成品工件的一部分材料相对另一部分材料进行翻转的模 具，冲压方向不同，翻边模可分为垂直翻边模和水平翻边模两大类。翻边模 也是制成合格覆盖件的必要装备[4u ‘车门外板翻边模结构形式与修边模相似。制件沿周边翻边后，通常都包 在凸模上，为不使制件取出后变形，通常沿凸模周边加顶料装置，使车门外 板冲压件翻边后沿凸模周边退出，翻边模结构见图4-3. 1导套.2.上模板3.退料板4.凸模镶块5氮气缸6.翻边工作块7.斜锲 8.含油导板9托料架10气缸.11.顶件块12.下模板 13导柱 图4-3 翻边模结构 Figure 4-3 Flanging die Structure 4.4.2翻边模设计关键技术处理 车门外板翻边模设计关键在于制件成形后的取出及成形过程中压料力的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 保证。没有取出装置，使包在凸模上的制件强行取出，从而造成制件扭曲及 周边变形。车门外板模具结构设计中采用氮气缸压料，确保提供足够的压料 力，避免类似 CAlOlOH车门外板冲压件膨凸、棱线偏移的缺陷发生。翻边 模具采用四周顶料的取出装置，解决了类似 CA1026车门外板冲压件翘曲缺 陷问题。 4.5模具的导向 车门外板冲压件拉深模的导向包括压边圈、凸模与凹模两个方面的导 向，合理稳定的导向可以