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1、武汉理工大学硕士学位论文汽车覆盖件冲压成形工艺设计及软件的开发与应用姓名:王宁申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:余世浩20080401 第1章绪论1.1选题依据和意义当今世界各国都将汽车工业列入国民经济的支柱产业之一。随着市场经济的发展和全球经济二体化时代的到来,特别是加入WTO以后,我国的汽车工业,尤其是轿车工业面临剧烈的竞争和挑战,其竞争的核心是新技术、信息化。因此,必须以高新技术来提升传统产业。衡量一个国家汽车工业,特别是轿车工业发展水平的重要特征是新车型的自主开发与设计能力。随着市场竞争加剧,对汽车产品外形质量的要求愈来愈高,新车型上市的时间愈来愈短,成本愈来愈低。其中汽车
2、车身外覆盖件的生命周期最短,变换最频繁,这就对汽车覆盖件成形模具提出了更高的要求。目前,我国在汽车制造、航空航天、家电、轻工等涉及冲压模具的大量企业和生产厂家中,模具设计大多仍然靠手工或半手工方式(计算机绘图操作,设计凭经验。其设计思想、设计手段仍然停留在较落后的水平上,致使不少的关键性模具特别是轿车外覆盖件模具不得不花费大量外汇j依靠国外进行设计、分析和加工,这与我国汽车工业的发展极不相适应。模具工业的技术水平制约着汽车工业乃至整个机械加工业的发展【1。3】。我国模具行业目前存在的主要问题,除了体制上大而全、管理层次庞大、缺少市场应变能力外,从技术水平上主要表现为如下几点:(1传统的手工设计
3、方式现行覆盖件模具设计的分析计算与绘图大多由手工来完成。其结果:一是设计速度太慢、模具设计周期长,完全不能适应市场竞争的需要。虽然目前国内许多厂家花费巨大投资买了计算机工作站,也购置了许多CAD软件,其作法上只不过是将手工绘图改为计算机绘图,设计速度并没有多大的提高。其次,目前国内覆盖件模具设计所采用的二维绘图方式(包括计算机绘图,只用关键点和截面图很难描述出覆盖件复杂空间几何构型,从设计上就已经不能保证制件形状与原设计模型的一致,也无法保证模具设计的质量。此外,二维绘图的另一个缺点是:模具设计结果不能直接为数控机床采用。为了实现模具CAM,还必须将二维几何信息转换成三维几何信息,这又产生一些
4、不必要的误差。(2设计凭经验现行模具设计中,对于诸如拉延方向确定、压料面形状、拉伸筋的形状与尺寸、局部结构尺寸与形状等这些对冲压成形具有重大影响的结构形式,由于缺少定量设计准则,只能凭设计人员经验来定。由于覆盖件几何构型复杂,影响成形因素太多,对于成形后果难于预先预料,一切问题暴露在试冲过程中,再不断地反复进行模具结构修正和反复试冲,致使模具制造周期加长、制模成本加大。近十年来,我国大型模具制造厂家不断地从国外引进大型关键设备,如数控加工设备等,已具备较强的模具加工能力。但由于模具设计的技术水平低,设计手段落后,缺少对大型覆盖件模具的设计能力,轿车改型所需的大型覆盖件模具不得不从国外引进。另外
5、,像日本、美国、泰国等国家曾多次到我国模具厂家进行洽谈,都因达不到预期交货时间而未能达成协议,这也是我国模具行业不景气的主要原因即】o当今世界汽车工业和模具工业的日益加剧的市场竞争,主要表现在用户对产品需求日益多样化,对模具行业提出更高要求,其突出特点如下:(1大型冲压模具结构复杂,设计难度大,对冲压产品成形性、尺寸精度要求严格,其技术与知识含量越来越大。(2要求交货时间越来越短。(3模具制造成本要低。为了使模具行业能快速响应用户的要求,就必须做N-一是尽快掌握高新技术,尽快具备设计大型复杂模具的能力;二是尽快掌握先进设计手段,加快模具设计速度,提高模具设计质量,缩短模具调试和制造周期,降低制
6、模成本。与国外相比,我们恰恰在上述两个方面比人家落后,差距很大,这也是我国模具行业当前急需解决的关键性生产难题。面向21世纪的中国汽车工业和模具制造业,随着计算机技术和电子信息技术的飞速发展,将面临着根本性的挑战。基于CAD/C胱AM一体化的冲压模具先进制造技术,已成为汽车工业和模具工业发展的关键之一,这一点已被国际工业界同行所共识。冲压件模具CAD/CAE/CAM技术是当今国际上金属塑性加工、计算力学与数学、电子信息与计算机技术、新材料、汽车车身工程与机械制造等众多学科相互交叉,用于解决汽车车身模具关键问题的高新技术。其共同特点是它的基础性、前沿性、战略性和保密性,也就是说,不可能随着购买和
7、引进国外的软、硬件设备而全面获得的技术,即使投入巨资引进国外全套技术也难以形成真正的发展基础。发达国家都十分重视结合本国实际独立自主地开发自己的3C技术。目前我国汽车覆盖件和模具工业与国外的最大差距就在于此。中国汽车工业要想在未来瞬息万变、竞争激烈的国际市场中处于有利的地位,就必须具备车型的系统化开发能力与现代化设计手段,其中关键部分之一就是模具设计及其工艺设计与分析。目前,国外著名CAD软件PRO/E和UG,虽然已经分别完成了工艺补充和压料面设计模块Dieface和Die engineering,但是,这些模块都是基于手动,无法自动、完整的完成冲压方向的确定以及工艺补充的添加等操作过程。要使
8、我国汽车及模具工业在激烈竞争的国际市场上占有一席之地,独立研制和开发中国汽车工业自己的冲压成形性分析CAE软件和模具CAD/CAE/CAM一体化系统是十分必要的,它将为模具设计和成形工艺提供科学的依据,摆脱在关键技术上对国外的依赖,增强我国汽车及模具工业的生命力和竞争力。本文结合模具CAD/CAE/CAM一体化技术课题,以其中汽车覆盖件冲压成形工艺设计的两个关键性问题:冲压方向的确定、工艺补充部分的创建为主要研究内容,进行了从理论分析到程序设计的深入研究,该研究成果作为大型覆盖件模具智能CAD系统的重要组成部分,具有重要的理论与应用价值。1.2汽车覆盖件概述汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室的
9、表面零件,也包括覆盖发动机和底盘的某些表面零件。它包括外覆盖件和内覆盖件,外覆盖件是指人们能直接看到的汽车车身外部的裸露件,如车门外板、顶盖、前围外盖板、后围外盖板、侧围外板、长头载重车发动机罩等;内覆盖件是指车身内部的覆盖件,它们被覆盖上内饰件或被车身的其它零件所挡住而一般不能被直接看到,如车门内板、前围内盖板、后围内盖板、侧围内盖板、侧围内板、地板、仪表板、平头载重车发动机盖板等。由于汽车覆盖件大都是空间曲面结构、形状复杂,从而决定了在冲压成形中的变形复杂性,变形规律不易被掌握,出现的质量问题也比较多。因此在拉延件的设计、冲压工艺的设计、模具的设计中不能象轴对称零件那样可以较容易的计算出主
10、要工艺参数、模具参数等,在工程实践中还要大量应用经验类比和运用冲压变形趋向性分析来进行冲压工艺设计和模具设计。汽车覆盖件冲压成形之所以能成为冲压成形领域的一个重要组成部分,是因为汽车覆盖件不仅有多方面的很高的质量要求,而且具有其本身的结构形状特点及冲压成形特点惮J。1.2-1汽车覆盖件的质量要求一般来说,汽车覆盖件应满足以下要求【9J:(1尺寸精度。汽车覆盖件必须有很高的尺寸精度(包括轮廓尺寸、孔位尺寸、局部形状的各种尺寸等,以保证焊装或组装时的精准性、互换性,便于实现车身焊装的自动化和无人化,也保证车声外观形状的一致性和美观性。(2形状精度。特别是对外覆盖件,要求具有很高的形状精度,必须与主
11、模型相符合。否则将偏离车身总体设计,不能体现车身的造型风格。(3表面质量。外覆盖件(尤其是轿车表面不允许有波纹、皱纹、凹痕、擦伤、压痕等缺陷,棱线应清晰、平直,曲线应圆滑、过渡均匀。(4刚性好。覆盖件在成形过程中,材料应有足够的塑性变形,以保证零件具有足够的刚性,使汽车在行驶中受振动时,不能产生较大的噪声,以减轻驾驶员的疲劳,更不能因振动产生早期损坏。(5良好的工艺性。良好的工艺性是针对产品设计结构而言,即在一定的生产规模条件下,能够较容易的安排冲压工艺和冲压模具设计,能够最经济、最安全、最稳定地获得高质量产品。1.2.2汽车覆盖件的结构特点从结构形状及尺寸上看,汽车覆盖件的主要特点有:(1总
12、体尺寸大。如驾驶室顶盖的毛坯尺寸可达2800ramX2500ram:(2相对厚度小。板料的厚度一般为0.8mm-1.2mm,相对厚度(板厚与毛坯最大长度之比最小值可达0.0003;(3形状复杂。不能用简单的几何方程式来描述其空间曲面;(4轮廓内部带有局部形状。而这些内部形状的成形往往对整个冲压件的成形有很大的影响,甚至是决定性的影响。1-2.3汽车覆盖件的成形特点汽车覆盖件的要求和结构特点决定了其冲压成形特点。主要有:(1一次拉延成形对于轴对称零件或盒形零件,若拉延系数小于一次拉延的极限拉延系数时,则不能一次拉延成形,需要采用多次拉延成形方法,而且可以计算出每次拉延的拉延系数等工艺参数及中间毛
13、坯尺寸等。但对于汽车覆盖件来说,由于其结构复杂,变形复杂,其规律难以定量把握,以目前的技术水平还不能进行多次拉延工艺参数的确定。而且多次拉延易形成冲击线、弯曲痕迹线也会影响油漆后的表面质量,这对覆盖件是不允许的。因此,汽车覆盖件的成形都是采用一次拉延成形的方法。(2拉胀复合成形汽车覆盖件的成形过程中的毛坯变形不是简单的拉延变形,而是拉延和胀形变形同时存在的符合变形。一般来说,除内凹形轮廓(如L形轮廓对应的压料面外,压料面上的毛坯的变形为拉延变形,而轮廓内部毛坯的变形为胀形变形。(3局部成形轮廓内部有局部形状的零件冲压成形时,压料面上的毛坯受到压边圈的压力随着凸模的下行而首先产生变形并向凹模内流
14、动,当凸模下行到一定深度时,局部形状开始成形,并在成形过程的最终时刻全部贴膜。所以,局部形状外部的毛坯难以向该部位流动,该部位的成形主要靠毛坯在双向拉应力下的变薄来实现面积的增大。即这种内部局部成形为胀形成形。(4变形路径变化汽车覆盖件冲压成形时,内部的毛坯不是同时贴膜,而是随着冲压过程的进行而逐步贴膜。这种逐步贴膜过程,使毛坯保持塑性变形所需的成形力不断变化,毛坯各部位板面内的主应力方向与大小、板平面内两主应力之比等受力情况不断变化,毛坯(特别是内部毛坯产生变形的主应力方向与大小、扳平面内两主应变之比等变形情况也随之不断的变化。即:毛坯在整个冲压过程中的变形路径不是一成不变的,而是变路径的。
15、1.2.4汽车覆盖件冲压工艺设计的意义覆盖件的生产是依靠覆盖件模具来完成的,要生产出符合设计要求的覆盖件,首先需要设计制造的是覆盖件模具。由于覆盖件的特殊性,覆盖件模具设计的依据并不是最终的覆盖件零件模型,而是以零件模型为基础并通过冲压工艺设计所得到的工艺模型。在覆盖件模具设计制造过程中,冲压工艺设计贯穿于始终,为冲压模具设计和制造提供依据,是模具设计与制造的中心环节。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,是覆盖件生产的基础,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零件形状、材料和设备等众多因
16、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:(落料一拉延一修边一翻边一检验。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的质量问题,而这些问题只能在模具加工完成后进行试模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,导致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。这也是现阶段覆盖件冲压.工艺设计所存在的主要问题之一,如何在覆盖件工艺设计的初期及早发现问题,避免不合理的冲压工艺设计所带来的整个生产周期的报废,这一直是国内外广大学者的研究
