第 六 章 大型覆蓋件成形工藝及模具設(shè)計 本章學習要求： 1. 掌握大型覆蓋件沖壓成形的工藝設(shè)計； 2. 熟悉大型覆蓋件模具的典型結(jié)構(gòu)； 3. 了解大型覆蓋件沖壓成形特點和主要成形障礙。 覆蓋件主要指覆蓋汽車發(fā)動機和底盤、構(gòu)成駕駛室和車身的一些零件，如轎車的擋泥板、頂蓋、車門外板、發(fā)動機蓋、水箱蓋、行李箱蓋等。由于覆蓋件的結(jié)構(gòu)尺寸較大，所以也稱為大型覆蓋件。除汽車外，拖拉機、摩托車、部分燃氣灶面等也有覆蓋件。和一般沖壓件相比，覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、多為空間曲面且曲面間有較高的連接要求、結(jié)構(gòu)尺寸較大、表面質(zhì)量要求高、剛性好等特點。所以覆蓋件在沖壓工藝制定、沖模設(shè)計和模具制造上難度都較大，并具有其獨自的特點 . 6. 1 覆蓋件的成形特點和主要成形障礙 6.1.1 覆蓋件的成形特點 圖 6.1.1 覆蓋件拉深過程示意圖 ) 坯料放入 ) 壓邊 ) 板料與凸模接觸 ) 材料拉入 ) 壓型 ) 下死點 ) 卸載 覆蓋件的一般拉深過程如圖 6.1.1所示，包括：坯料放入，坯料因其自重作用有一定程度的向下彎曲；通過壓邊裝置壓邊，同時壓制拉深筋；凸模下降，板料與凸模接觸，隨著接觸區(qū)域的擴大，板料逐步與凸模貼合；凸模繼續(xù)下移，材料不斷被拉入模具型腔，并成形側(cè)壁；凸、凹模合模，材料被壓成模具型腔形狀；繼續(xù)加壓使工件定型，凸模到達下死點；卸載。 由于覆蓋件有形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量要求高等特點，與普通沖壓加工相比有如下成形特點： （1）成形工序多。覆蓋件的沖壓工序一般要46道工序，多的有近10道工序。要獲得一個合格的覆蓋件，通常要經(jīng)過下料、拉深、修邊（或有沖孔）、翻邊（或有沖孔）、沖孔等工序才能完成。拉深、修邊和翻邊是最基本的三道工序，其中拉深工序是比較關(guān)鍵的一道工序。 （2）覆蓋件拉深往往不是單純的拉深，而是拉深、脹形、彎曲等的復(fù)合成形。不論形狀如何復(fù)雜，常采用一次拉深成形。 (3）由于覆蓋件多為非軸對稱、非回轉(zhuǎn)體的復(fù)雜曲面形狀零件，拉深時變形不均勻，主要成形障礙是起皺和拉裂。為此，常采用加工藝補充面和拉深筋等控制變形的措施。 （4）對大型覆蓋件拉深，需要較大和較穩(wěn)定的壓邊力。所以，廣泛采用雙動壓力機。 （5）為易于拉深成形，材料多采用如08鋼等沖壓性能好的鋼板，且要求鋼板表面質(zhì)量好、尺寸精度高。 （6）制定覆蓋件的拉深工藝和設(shè)計模具時，要以覆蓋件圖樣和主模型為依據(jù)。覆蓋件圖樣是在主圖板的基礎(chǔ)上繪制的，在覆蓋件圖樣上只能標注一些主要尺寸，以滿足與相鄰的覆蓋件的裝配尺寸要求和外形的協(xié)調(diào)一致，尺寸一般以覆蓋件的內(nèi)表面為基準來標注。主模型是根據(jù)定型后的主圖板、主樣板及覆蓋件圖樣為依據(jù)制作的尺寸比例為1：1的汽車外形的模型。它是模具、焊裝夾具和檢驗夾具制造的標準，常用木材和玻璃鋼制作。主模型是覆蓋件圖必要的補充，只有主模型才能真正表示覆蓋件的信息。以上是傳統(tǒng)設(shè)計方法，由于CAD/CAM技術(shù)的推廣應(yīng)用，主模型正在被計算機虛擬實體模型所代替。傳統(tǒng)的由油泥模型到主模型的汽車設(shè)計過程，正在被概念設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法所取代，因而從根本上改變了設(shè)計制造過程，大大提高了設(shè)計與制造周期，提高了制造精度。 6.1.2 覆蓋件的主要成形障礙 由于覆蓋件形狀復(fù)雜，多為非軸對稱、非回轉(zhuǎn)體的復(fù)雜曲面形狀零件，因而決定了拉深時的變形不均勻，所以拉深時的起皺和開裂是主要成形障礙。 1. 覆蓋件成形時的起皺及防皺措施 在圖 6.1.1所示覆蓋件的拉深過程中，當板料與凸模剛開始接觸，板面內(nèi)就會產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著拉深的進行，當壓應(yīng)力超過允許值時，板料就會失穩(wěn)起皺。 薄板失穩(wěn)起皺其實質(zhì)是由板面內(nèi)的壓應(yīng)力引起的。但是，產(chǎn)生失穩(wěn)起皺的原因的直觀表現(xiàn)形式是多種多樣的，如不均勻拉伸起皺、剪應(yīng)力起皺、板內(nèi)彎曲起皺等，所以覆蓋件拉深時起皺的皺紋多少、形態(tài)和部位有多種多樣。圖 6.1.2所示是部分汽車覆蓋件的面形狀不良的實例，其中多是因為失穩(wěn)起皺造成的。根據(jù)發(fā)生的原因，可將覆蓋件的面形狀不良按表6.1.1進行分類。當然各種分類之間是緊密相關(guān)的，有時一種現(xiàn)象有可能是由多種因素引起的。 除材料的性能因素外，各種拉深條件對失穩(wěn)起皺有如下影響：（ 1）拉深時板料的曲率半徑越小越容易引起壓應(yīng)力，越容易起皺；（2）凸模與板料的初始接觸位置越靠近板料的中央部位，引起的壓應(yīng)力越小，產(chǎn)生起皺的危險性就越??；（3）從凸模與板料開始接觸到板料全面貼合凸模，貼模量越大，越容易發(fā)生起皺，且起皺越不容易消除；（4）拉深的深度越深，越容易起皺；（5）板料與凸模的接觸面越大，壓應(yīng)力越靠近模具刃口或凸模與板料的接觸區(qū)域，由于接觸對材料流動的約束，所以隨著拉深成形的進行而使接觸面增大，對起皺的產(chǎn)生和發(fā)展的抑制作用將增加。 圖 6.1.2 部分汽車覆蓋件的面形狀不良實例 a) 擋泥板 b) 車門外板 c) 行李箱蓋 d) 車后門 e) 中柱 圖6.1.3給出了材料面內(nèi)受力與起皺皺紋方向之間的關(guān)系，根據(jù)受力與皺紋方向之間的關(guān)系，可以定性判斷覆蓋件拉深起皺時板料面內(nèi)的受力及其變形情況，并制定出減皺防皺的相應(yīng)措施。 c) d) 圖 6.1.3 板內(nèi)受力與起皺皺紋方向之間的關(guān)系 a) 壓應(yīng)力起皺 b)不均勻拉應(yīng)力起皺 c) 剪應(yīng)力起皺 d) 板內(nèi)彎曲起皺 生產(chǎn)實際中，可結(jié)合覆蓋件的幾何形狀、精度要求和成形特點等情況，根據(jù)失穩(wěn)起皺的力學機理以及拉深條件對失穩(wěn)起皺的影響等因素，從覆蓋件的結(jié)構(gòu)、成形工藝以及模具設(shè)計多方面采取相應(yīng)的防皺措施。對于形狀比較簡單變形比較容易的零件，或零件的相對厚度較大（因薄板的臨界起皺壓應(yīng)力近似與板厚的平方成正比）的零件，采用平面壓邊裝置（或不用壓邊裝置）即可防止起皺。對形狀復(fù)雜變形比較困難的零件，則要通過設(shè)置合理的工藝補充面和拉深筋等方法才能防止起皺。例如，圖 6.1.2a中的皺紋1C、1E、1F是由于不均勻拉伸應(yīng)力引起的，根據(jù)受力與皺紋方向之間的關(guān)系可以定性判斷，皺紋長度方向受到較大的不均勻拉伸應(yīng)力，皺紋寬度方向的拉伸應(yīng)力不夠，主要原因還是由于零件結(jié)構(gòu)決定了皺紋寬度方向的材料比皺紋長度方向更容易拉入?？梢酝ㄟ^設(shè)計合理的壓料面形狀和拉深筋，使沿毛坯全部周邊都產(chǎn)生接近均勻而數(shù)量又足以引起毛坯的中間部分在各個方向上都產(chǎn)生比較均的、足夠大的脹形所需要的徑向拉應(yīng)力，即減小或消除引起起皺的壓應(yīng)力，以達到減皺防皺的目的。 2. 覆蓋件成形時的開裂及防裂措施 覆蓋件成形時的開裂是由于局部拉應(yīng)力過大造成的，由于局部拉應(yīng)力過大導(dǎo)致局部大的脹形變形而開裂。開裂主要發(fā)生在圓角部位，開裂部位的厚度變薄很大。如凸模與坯料的接觸面積過小、拉深阻力過大等都有可能導(dǎo)致材料局部脹形變形過大而開裂。也有由于拉深阻力過大、凹模圓角過小或凸模與凹模間隙過小等原因造成的整圈破裂. 為了防止開裂，應(yīng)從覆蓋件的結(jié)構(gòu)、成形工藝以及模具設(shè)計多方面采取相應(yīng)的措施。覆蓋件的結(jié)構(gòu)上，可采取的措施有：各圓角半徑最好大一些、曲面形狀在拉深方向的實際深度應(yīng)淺一些、各處深度均勻一些、形狀盡量簡單且變化盡量平緩一些等。拉深工藝方面，可采取的主