汽车覆盖件冲压工艺设计关键技术

汽车覆盖件冲压工艺设计关键技术

专业：材料加工工程

姓名：陈晓龙

学号：123119301

汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，汽车工业重点是发展零部件、经济型轿车和重型汽车。随着市场需求的改变，汽车的更新换代速度日趋加快，轿车一般为3—4年，轻型车4—5年，其它车型约为6—8年。而作为汽车覆盖件生产的关键工艺装备——汽车覆盖件模具是制约汽车换型的瓶颈环节，其设计、制造的速度将直接影响汽车工业的发展。

在国际上，以日本丰田、美国福特、德国大众等为代表的先进水平汽车制造业，几乎每年都要以更新车身车型为主要标志的高品质汽车新产品投放市场。而我国汽车车身新产品开发技术仍相当落后，严重影响车身开发的品质与周期。这其中的重要原因之一就是车身开发的核心技术——汽车覆盖件模具的设计制造能力远远无法与国外先进技术相比拟，由于这种原因，目前轿车覆盖件模具大部分都靠进口。在进口模具中，其中冲压模具为4．31亿美元，占全部进口模具的38．8％，绝大部分是国内供不应求的高档模具（如汽车覆盖件模具）。并且随着市场需求的扩大，覆盖件模具的进口比例还有增长的趋势。虽然国内有一汽、二汽、天汽、大众等汽车模具制造厂，具有一定设计和生产能力，但目前也只能生产部分轿车覆盖件模具，且以低档产品为主，对高档模具主要依靠进口。尽管我国汽车工业的整体水平还不够发达，但国内不少汽车生产厂家对自主开发汽车新车型有了强烈的需求，这就使得高品质冲压件模具的需求大大增加。为此，我国政府和地方以及不少企业投入了大量的人力、物力和财力，从事此项技术的研究，希望我国的冲压件模具开发水平能走上一个新台阶。因此，加快技术进步，调整产品结构，充分利用现代设计方法和先进制造技术，加大技术开发力度，增加高档模具的比重，提高模具国产化程度，减少对进口的依赖，是我国汽车覆盖件模具工业的当务之急。

汽车覆盖件（简称覆盖件）是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄板异形体的表面零件和内部零件。覆盖件与一般冲压件相比较，具有材料薄、形状复杂、多为空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点。作为生产汽车覆盖件的主要工艺装备，汽车覆盖件模具具有结构尺寸大、型面形状复杂、尺寸精度高和表面粗糙度要求高的特点，同时要求使用寿命长且单件生产，设计和加工要考虑很多因素。因此，覆盖件模具的设计往往要求有多年设计经验的人员来完成。如图1-1所示为汽车覆盖件模具的生产流程，主要包括：

1、产品冲压工艺性分析

根据用户提供的产品图和工艺要求，分析产品的冲压成形工艺性，即从产品几何拓扑结构形状、尺寸大小、精度要求及原材料选用等方面入手，进行冲压工艺性审查。对于工艺性差的产品，应及时向用户反馈，修改产品图或工艺条件。

2、冲压工艺设计

覆盖件产品的冲压工艺，是由拉延工序、修边工序和翻边工序三个基本工序组成的。在这三道基本工序的基础上，根据覆盖件的具体形状和尺寸，编制各自的冲压工艺。

3、模具结构设计

冲压工艺方案确定以后，通过分析选择合理的模具结构及部件，分别进行拉延模、修冲模、整型模等模具的结构设计。

4、模具加工工艺设计及其数控制造

针对不同的冲压工艺型面和模具结构设计结果，进行模具加工工艺编制和数控编程，确定模具的加工方式和方法。

冲压工艺设计贯穿于覆盖件模具设计与制造过程的始终，为冲压模具设计和

制造提供依据，是模具设计/制造的中心环节。冲压工艺设计的质量和速度直接影响冲压生产的质量和效率，因而冲压工艺设计是模具设计的基础，它不仅决定了冲压生产的工艺过程，而且直接决定了模具结构的复杂程度。由于覆盖件冲压成形过程受到制件形状、材料和设备等众多因素的影响，从而使覆盖件冲压工艺设计十分复杂，是覆盖件模具设计中的重点和难点。典型覆盖件的冲压工艺过程为：落料→拉延→修边→翻边→检验。由于覆盖件几何形状十分复杂，使用传统的方法进行设计时，难以准确估计冲压成形过程中板料的成形性，也就难以评价模具设计的正确性，使得冲压生产中经常出现破裂、起皱和形状失真等严重质量问题，而这些问题只能在模具加工后或冲压生产中才能暴露出来。这就给模具调试带来极大困难，甚至造成整个模具的报废，造成覆盖件模具生产周期长、成本高和质量低。究其原因主要集中在冲压工艺设计阶段的失误，尤其是拉延工序工艺设计的不合理上。长期以来，覆盖件冲压工艺设计一直是国内外广大学者的研究热点，也是实际要解决的重要难题。目前随着薄板冲压成形数值模拟技术的日益成熟，应用现代CAD/CAE/CAM技术对冲压成形工艺进行计算机模拟和分析，能够及早发现问题，提高模具设计质量，大大减少模具生产周期，降低生产成本。

覆盖件模具按照功能分类，可分为拉延模、修边模和翻边模3种。

l)拉延模

拉延模是保证生产出合格覆盖件最主要的工艺装备。其作用是将平板状毛坯经过拉延工序使之成形为立体空间工件。拉延模有正装和倒装两种形式。

2)修边模

修边模用于将拉延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。在小批量生产时，可以用手工和其他简单装备代替。修边模往往兼冲孔。修边模在修边的同时，要将废料切成若干段，每段长在200~300mm之间，分割后的废料便于打包外运。

3)翻边模

翻边模是将半成品工件的一部分材料相对另一部分材料发生翻转，根据翻边的冲压方向不同，翻边模可分为垂直翻边模和水平翻边模两大类。水平翻边(含倾斜翻边)则需要斜楔结构完成翻边成形工作。翻边模也是制成合格覆盖件的必要装备。

成形性分析在冲压工程生产，尤其是汽车冲压业得到了广泛应用。它是采集板料冲压成形过程中的各种力学信息（应力、应变等），通过分析、处理、归纳，用于指导冲压生产，以确保冲压成形质量。目前成形性分析方法主要有经验法和数值模拟方法。由于冲压生产对经验依赖性较强，因此无论那种分析方法都离不开专家经验。板料成形过程涉及到连续介质力学中材料非线性、几何非线性、边界条件非线性三种非线性问题，导致成形分析的极端复杂性。随着现代汽车冲压工业的飞速发展，覆盖件产品的几何形状越来越复杂，对产品冲压成形质量要求也越来越高。传统的经验法已难以满足这些要求，而基于有限元计算的板料冲压成形过程的数值模拟技术，由于其具有符合实际的计算模型和计算精度高的特点，已发展成为成形性分析的主要方法。冲压成形分析与模拟，就是采用数学和力学模型，对成形过程中工件的变形规律进行分析与模拟，预测工件中发生的应力、应变、可能出现的折皱和破裂、成形力以及弹性回弹量，为设计人员和工艺师提供各种技术参数，提高模具的设计、制造工作效率，优化冲压工艺过程。随着数值分析技术、塑性成形理论和计算机技术的迅速发展，以及对板料冲压成形过程认识的深入，特别是弹塑性有限元方法（FEM）的建立，薄板冲压成形数值

模拟技术已在国内外得到广泛的使用。

汽车覆盖件成形过程中出现的缺陷和失效形式主要表现形式有：

1）破裂

破裂是薄板成形过程中最常见的失效形式之一。由于传力区材料的强度不足，不能使变形区毛坯产生足够的塑性变形而产生的破裂，称为强度破裂；由于变形区材料的塑性变形能力不足而导致的破裂，称为塑性破裂。在实际生产中，后一种破裂居多。塑性破裂一般是在两向拉应力下产生的，不能简单地用单向拉伸时得到的塑性指标来衡量材料的塑性变形能力，而需要用成形极限图（FLD）来衡量材料的极限塑性变形。由于成形极限图可以较准确地反映板材在不同的受力状态下所能达到的最大变形。因此，在冲压工程中利用模拟计算得到的板料成形过程中任意时刻的应变分布以及板料壁厚减薄情况，特别是通过后处理得到的成形极限图，可以准确地判断出某个给定的冲压工序是否会产生破裂失效形式，从而为判定给定模具和工艺方案产生破裂可能性提供了科学依据。

2）起皱

起皱是在冲压过程中由于塑性变形失稳而形成的常见的失效形式。根据产生的受力状态和出现的部位，起皱可以分为压应力起皱、不均匀拉应力起皱和剪应力起皱等类型。任何起皱都将破坏冲压零件的光顺性，影响零件的几何尺寸精度，严重时会使零件报废。在生产中，通常针对起皱的具体原因，制定针对性的措施。计算机仿真技术能较好地预测给定条件下可能产生的起皱，并通过修改模具或工艺参数予以清除，对于肉眼难以观察到的轻微起皱可用计算的板料厚向应变分布情况进行判别。

3）刚度不足

刚度不足是由板料塑性变形不充分引起的，同时受板厚、零件曲率、材料性能、覆盖件的结构形状等因素影响。如果不及时解决覆盖件产品的刚性不足问题，将会影响整车的性能。因此，生产中通常是在不出现破裂的情况下，应尽量使板料产生塑性变形，确保足够的刚度。

4）回弹

在成形结束卸载后，由于弹性变形和残余应力等因素的存在，引起制件整体回复的现象。回弹导致产品几何形状变形失真，是影响车身综合制造偏差的重要因素之一。这就需要在型面设计时，采取一定的措施，使冲压成形后的回弹量限定在确保产品表面形状在所规定的公差范围内。由于回弹现象涉及因素较多，形成机理复杂，虽然可用数值模拟软件进行计算模拟，但精度偏低，还没有一个较理想的回弹算法。