汽車中馬鞍形零件沖壓工藝分析及模具設(shè)計(jì)

1、汽車中馬鞍形零件沖壓工藝分析及模具設(shè)計(jì)摘要:該零件屬于轎車中央通道內(nèi)的一個(gè)加強(qiáng)零件,其產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求不允許有皺折和裂痕 等現(xiàn)象。針對(duì)該零件的形狀特點(diǎn),分別對(duì)彎曲、成形,拉延進(jìn)行工藝分析,模擬對(duì)比。闡述成 形拉延的各自優(yōu)點(diǎn),制定出合理工藝方案及模具結(jié)構(gòu),制造出合格零件。關(guān)鍵詞:塑性變形、應(yīng)力、應(yīng)變、成形、拉延、模具設(shè)計(jì)。The Stamping Technological Analysis and Design of the Die for the Saddle Parts in Automobiles. Kong yu min wang yi wen(Jing Bo Automobile Die

2、s Co., Ltd, Botou City, Hebei ProvinceAbstract: This part is one of the strengthen parts of the central channels in cars. The products designed must avoid crinkle and cracking. For the characteristics shape of this part, we do the stamping technological analysis and simulation contract for each bend

3、ing, forming and drawing. The appropriate technological plan and die structure is established by the merits of the forming and drawing expounded, in order to product eligible parts. Key words: plastic distortion; stress; strain; forming; drawing; die designing.前言:零件形狀特點(diǎn); 料厚:1.0材料:H220YD+2F; 長(zhǎng) 275、寬

4、129、高 191。 零件凸沿距凹底相差 66,零件 雖然看似簡(jiǎn)單, 但是四周有焊接凸沿與 中間凹槽高差比較大, 形狀似馬鞍。 見 圖 1, 該零件既可分為成型、 彎曲類零件 又可列為拉延類零件。 一、工藝分析根據(jù)零件結(jié)構(gòu)形狀, 我們首先分別 按照彎曲、成型、拉延工藝,進(jìn)行分析 和比較, 得出優(yōu)良的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參 數(shù), 為保障設(shè)計(jì)出先進(jìn)的工藝方案和先 進(jìn)的模具結(jié)構(gòu)提供重要的因素依據(jù)。 1. 彎曲分析采用彎曲形式進(jìn)行工藝排定的情況是將大的 U 形彎出,再進(jìn)行兩側(cè)彎曲或者先彎曲兩側(cè), 再?gòu)?U 形彎,經(jīng)過整型達(dá)到產(chǎn)品要求。 (圖 1 A 、 B 處,兩種形式都會(huì)出現(xiàn)在零件的彈性變階 段,應(yīng)力和應(yīng)

5、變均產(chǎn)生劇烈變化,按塑性變形時(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析,變形區(qū)應(yīng)力與應(yīng)變特點(diǎn): .A 處零件內(nèi) R 處產(chǎn)生壓縮最大變形,零 件材料受到徑向拉應(yīng)力 1和切向壓應(yīng)力 3厚 度方向受到的垂直壓應(yīng)力 2, 此處徑向伸長(zhǎng)較大, 切向壓縮減小, 零件會(huì)出現(xiàn)變薄或出現(xiàn)零件破裂 等現(xiàn)象。 . B 處零件外 R 處產(chǎn)生拉應(yīng)力最大變形為 零件底部受徑向拉應(yīng)力 1切向壓應(yīng)力 3和厚度方向壓應(yīng)力 2的作用,徑向伸長(zhǎng),切向壓縮 厚度增加,零件此處出現(xiàn)零件材料折疊等現(xiàn)象。其理論分析結(jié)果與 CAE 模擬基本一致 (圖 a ,顯然以上條件不符合彎曲類零件的設(shè)計(jì) 要求。 2. 成型分析該零件如果按照成型工藝方法進(jìn)行順序排列,形式可分兩

6、種情況: 模具可以按照(圖 2 a 方向進(jìn)行成型方式,模芯可以利用有氣墊裝置,凹模在下的原 理方式。 模具可以按照(圖 2 b 方向相反方向進(jìn)行成型方式,凹模在上的原理方式,上模型腔 內(nèi)采用彈性壓料裝置。以上兩個(gè)條件雖然能解決彎曲中出現(xiàn)的(圖 1 A 處及 R 處沿形狀處產(chǎn)生壓縮最大變形不 再繼續(xù),但是對(duì)于 B 處及外 R 處沿形狀產(chǎn)生拉應(yīng)力最大變形,超過了變形極限,即起伏成形的 變形程度,可利用延伸率計(jì)算:=(L1-L/L*100式中 : L1-變形后沿截面的材料長(zhǎng)度 ; L-變形前材料原有長(zhǎng)度 ;-延伸率 ;按照一次起伏成形延伸率 , 不 能 超 過 材 料 拉 伸 率 的70-75%.既

7、 (70-75%的數(shù)倍 . 因此會(huì) 造成 B 處嚴(yán)重破裂 , 所以采用成型工藝方法同樣不成立。 3. 拉延分析拉延也可以分兩個(gè)沖壓方向。見圖 2, a 和 b 無論是哪個(gè)沖壓方向,圖 3, R 處會(huì)出現(xiàn)材料折疊和起皺等現(xiàn)象。原因是: 圖 3中, A 處 1-2間的長(zhǎng)度雖然 小于 R 弧的展開長(zhǎng)度,可是并不一定 保證最后不起皺,這是因?yàn)閺耐鼓ｉ_ 始接觸毛坯到下死點(diǎn)的過程中,在每 一瞬間位置的壓料面展開長(zhǎng)度有長(zhǎng)、 有短,若短則凸模使毛坯產(chǎn)生拉伸作 用,若長(zhǎng)則拉伸作用減小,甚至無拉 伸作用導(dǎo)致零件起皺。在彎曲分析中 的應(yīng)力與應(yīng)變同樣符合此拉延中應(yīng)力 與應(yīng)變規(guī)律。由于是 U 形壓壓料面形狀,存 在底部

8、壓料力合適時(shí),則兩側(cè)的壓料 力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠, (圖 3中 F1=F*cos 關(guān)系既 F F1,將導(dǎo)致零件料板隨著凹模向下運(yùn)動(dòng)并向下滑移,零件在凹腔內(nèi)產(chǎn)生材料起皺和折疊現(xiàn)象。 如果改變壓料面的形狀, 其形狀與凸模形 狀相似圖 4, 近最大限度將 A 處 1-2間的長(zhǎng)度與 R 弧的展開長(zhǎng)度差距縮小。 雖然改變零件毛坯跟 隨凹模向下運(yùn)動(dòng) H 間的失控狀態(tài)和 F F1的問 題, 但對(duì)于凹模型腔內(nèi)料板另一個(gè)方向仍然處于 失控狀態(tài)。我們?cè)侔凑绽臃绞竭M(jìn)行 CAE 模擬。見 CAE 模擬圖,其結(jié)果同樣中間起皺并折疊。以上理論分析論點(diǎn)和 CAE 模擬 表明, 該零件 單獨(dú)彎曲、成型、拉延工藝均不成立。二 . 工藝

9、方案的確定 雖然零件在單獨(dú)彎曲、成型、拉延工藝均 不成立情況下, 我們?cè)俑鶕?jù)它們各自的變形區(qū) 應(yīng)力應(yīng)變特性及金屬材料在模具中的流向特 點(diǎn)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)調(diào)整; . 將對(duì)該零件的壓料面進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì), 改 變零件變形后的截面尺寸,提高零件延伸率 。對(duì)毛坯材料在運(yùn)動(dòng)過程中的滑移,起到外 部控制作用。 . 對(duì)凹模型腔內(nèi)起皺部分提前增加外力。使外力對(duì)型腔內(nèi)毛坯材料在塑性變形中的應(yīng) 力應(yīng)變進(jìn)行限制,達(dá)到應(yīng)力應(yīng)變相對(duì)平衡,同 時(shí)對(duì)模具內(nèi)毛坯材料滑移流向起到內(nèi)部控制 作用, 使毛坯材料在模型腔內(nèi)滑移流向相對(duì)穩(wěn) 定。 . 綜合以上特點(diǎn)對(duì)零件進(jìn)行工藝數(shù)模設(shè) 計(jì)補(bǔ)充 (圖 4 , 特別對(duì)型腔內(nèi)毛坯材料增加外 力,并對(duì)其

10、工藝進(jìn)行 CAE 模擬。(圖 5 CAE 模擬結(jié)果表明, 此工藝方法 比較理想和正確, 也充分證明了理論分析的可行性和合理性,更加促進(jìn)產(chǎn)品零件實(shí)現(xiàn)。由此對(duì)零件的沖壓工藝排列如下; 三. . 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨著工藝方案確定,對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更加明確。特定的工藝需要特定的設(shè)備參數(shù)和模 具結(jié)構(gòu)才能完成。但由于模具使用單位,僅提供單動(dòng)壓力機(jī)設(shè)備參數(shù)。因此模具結(jié)構(gòu)只有選擇反拉延模具 結(jié)構(gòu)形式。對(duì)本零件工藝的特殊需求,需要有一個(gè)與主壓力方向相同,且具備往復(fù)運(yùn)動(dòng)、壓力相對(duì) 穩(wěn)定的外力來滿足工藝要求。鑒于使用單位的壓力機(jī),并不具備多重功能。為此需要在較小的 模具結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)出足夠滿足于工藝要求的外力機(jī)構(gòu)。首先對(duì)

11、外力進(jìn)行計(jì)算:合理選擇彈性體。綜前所述,以工藝分析中的理論為依據(jù),此外力必須大于零件材料在受拉應(yīng)力、壓應(yīng)力狀態(tài)下 產(chǎn)生的彈性變形、塑性變形。一般參照校平力進(jìn)行估算:既 F=A*pF-校平力A-校平投影面積(p-單位校平(Mpa 該零件內(nèi)形投影面積為:A=45*190=8550查表:冷沖模設(shè)計(jì)基礎(chǔ)校平和整型單位壓力為p=50-80MpaF=8550*80=68400N依據(jù)計(jì)算結(jié)果和模具結(jié)構(gòu)的需要,在彈簧、聚氨脂彈性體、氣缸、氮?dú)鈴椈芍?依照它們 各自特點(diǎn)和模具體積結(jié)構(gòu)的緊湊性及其壓力相對(duì)穩(wěn)定性。我們選擇氮?dú)鈴椈?。?duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì);模具結(jié)構(gòu)(圖 6 1. 導(dǎo)板、 2. 凹模、 3. 定位板、 4

12、. 氣頂桿、 5. 吊釘螺栓、 6. 氮?dú)鈴椈伞?7. 壓料芯 8. 限位墊、 9. 壓邊圈、 10. 安全螺栓、 11. 底限位墊、 12. 凸模。模具工作過程:模具在機(jī)床內(nèi)安裝完成后,隨著設(shè)備的滑塊開啟,上模 2. 凹模隨之提升型腔內(nèi) 7. 壓料芯靠 6. 氮?dú)鈴椈缮斐?。下模上?9. 壓邊圈在 4. 氣頂桿作用下頂起。即模具打開。放入料板,模具 2. 凹模開始進(jìn)行閉合運(yùn)動(dòng),當(dāng) 2. 凹模與 9. 壓邊圈接觸的同時(shí), 7. 壓料芯與料板接觸。模具 2. 凹模 行程到一定位置時(shí), 7. 壓料芯和 12. 凸模將料板夾持直至模具 2. 凹模閉合, 模具再開啟做功完成。 缺點(diǎn)是零件成型后,在模具開啟時(shí)零件受內(nèi)、外力作用易造成零件變形,設(shè)計(jì)注意零件強(qiáng) 度及其模具再開啟時(shí)壓邊圈的頂出力和