1、发动机油箱底壳零件冲压工艺分析与模具设计毕业论文发动机油箱底壳零件冲压工艺分析与模具设计毕业论文油箱底壳零件冲压工艺分析及模具设计材料学院 成型061404 陈翔宇 指导教师：曹建新摘要本设计应用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压模具设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了冷冲压模具设计等课程所学的内容，掌握冷冲压模具设计的方法和步骤，掌握冷冲压模具设计的基本的模具技能懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了模具的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。本设计是冲孔和拉深
2、的模具。本设计的内容是确定拉延模内型和结构形式以及工艺性，考虑了成型镶块和拉伸筋的设计，绘制模具总图和非标准件零件图。关键词：拉深，冲孔，成型镶块，拉伸筋。Stamping process analysis and mold design of Tank bottom shell parts Department of Mechanical.Cailiao Material Forming 061404 ChenXiangYu Director： CaoJianXinAbstractThus the present paper applies this specialty to study t
3、he curriculum the theory and the production know-how carries on a time cold stamping mold design work the actual training to raise and to sharpen the student independent working ability, consolidated and expanded the content which curricula and so on cold stamping mold design studied, the method and
4、 the step which the grasping cold stamping mold designed, the basic mold skill which the grasping cold stamping mold designed had understood how analyzed the components the technology capability, how definite craft plan, had understood the mold basic structure, sharpened the computation ability, car
5、tography ability, has been familiar with the standard and the standard, simultaneously various branches correlation curriculum all had the comprehensive review,independent thinking ability also had the enhancement. This design is punching and deep drawing dies. This design is to determine the conten
6、ts of the drawing-mold type and structure and process, consider the molding inserts and tensile reinforcement design, draw up the mold assembly drawing and the non-standard letter detail drawing.Key Words：deep drawing, punching, molding inserts, stretching tendons.第一章 序言1.1 概述冲压成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法，
7、用以生产各种板料零件,具有很多独特的优势，其成形件具有自重轻、刚度大、强度高、互换性好、成本低、生产过程便于实现机械自动化及生产效率高等优点，是一种其它加工方法所不能相比和不可替代的先进制造技术，在制造业中具有很强的竞争力，被广泛应用于汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活的生产之中。在吸收了力学、数学、金属材料学、机械科学以及控制、计算机技术等方面的知识后，已经形成了冲压学科的成形基本理论。以冲压产品为龙头，以模具为中心，结合现代先进技术的应用，在产品的巨大市场需求刺激和推动下，冲压成形技术在国民经济发展、实现现代化和提高人民生活水平方面发挥着越来越重要的作用。1.2 冲压技术
8、的发展近几十年来，冲压技术有了飞速的发展，它不仅表现在许多新工艺与新技术在生产的广泛应用上，如：旋压成形、软模具成形、高能率成形等，更重要的是人们对冲压技术的认识与掌握的程度有了质的飞跃。现代冲压生产是一种大规模继续作业的制造方式，由于高新技术的参与和介入，冲压生产方式由初期的手工操作逐步进化为集成制造（图1-1）。生产过程逐步实现机械化、自动化、并且正在向智能化、集成化的方向发展。实现自动化冲压作业，体现安全、高效、节材等优点，已经是冲压生产的发展方向。 图1-1 冲压作业方式的进化冲压自动化生产的实现使冲压制造的概念有了本质的飞跃。结合现代技术信息系统和现代化管理信息系统的成果，由这三方面
9、组合又形成现代冲压新的生产模式计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）。把产品概念形成、设计、开发、生产、销售、售后服务全过程通过计算机等技术融为一体，将会给冲压制造业带来更好的经济效益，使现代冲压技术水平提高到一个新的高度。1.3 模具的发展与现状模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高技术密集型产品，也是高新技术产业的重要领域，其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造水平的重要标志。随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。目前我国模具工业的发展步伐日益加快，“
10、十一五期间”产品发展重点主要应表现在：（1）汽车覆盖件模；（2）精密冲模；（3）大型及精密塑料模；（4）主要模具标准件；（5）其它高技术含量的模具。目前我国模具年生产总量虽然已位居世界第三，其中，冲压模占模具总量的40%以上，但在整个模具设计制造水平和标准化程度上，与德国、美国、日本等发达国家相比还存在相当大的差距。以大型覆盖件冲模为代表，我国已能生产部分轿车覆盖件模具。轿车覆盖件模具设计和制造难度大，质量和精度要求高，代表覆盖件模具的水平。在设计制造方法、手段上已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步。但在制造质量、精度、制造周期和成本方面，以
11、国外相比还存在一定的差距。标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，与国外多工位级进模和多功能模具相比，存在一定差距。1.4 模具CAD/CAE/CAM技术冲压技术的进步首先通过模具技术的进步来体现出来。对冲模技术性能的研究已经成为发展冲压成形技术的中心和关键。20世纪60年代初期，国外飞机、汽车制造公司开始研究计算机在模具设计与制造中的应用。通过以计算机为主要技术手段，以数学模型为中心，采用人机互相结合、各尽所长的方式，把模具的设计、分析、计算、制造、检验、生产过程连成一个有机整体，使模具技术进入到综合应用计算机进行
12、设计、制造的新阶段。模具的高精度、高寿命、高效率成为模具技术进步的特征。模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。模具CAD/CAE/CAM在近20年中经历了从简单到复杂，从试点到普及的过程。进入本世纪以来，模具CAD/CAE/CAM技术发展速度更快，应用范围更广。在级进模CAD/CAE/CAM发展
13、应用方面，本世纪初，美国UGS公司与我国华中科技大学合作在UG-II（现为NX）软件平台上开发出基于三维几何模型的级进模CAD/CAM软件NX-PDW。该软件包括工程初始化、工艺预定义、毛坯展开、毛坯排样、废料设计、条料排样、压力计算和模具结构设计等模块。具有特征识别与重构、全三维结构关联等显著特色，已在2003年作为商品化产品投入市场。与此同时，新加波、马来西亚、印度及我国台湾、香港有关机构和公司也在开发和试用新一代级进模CAD/CAM系统。我国从上世纪90年代开始，华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学和北京机电研究院等相继开展了级进模CAD/CAM系统的研究和开发。如华中科技大学模具技
14、术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，包括板金零件特征造型、基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具和线切割自动编程5个模块。上海交通大学为瑞士法因托（Finetool）精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAC/CAM系统。西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等。近年来，国内一些软件公司也竞相加入了级进模CAD/CAM系统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统CmCAD、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统Fox-CAD等。展望国内外模具CAD/CAE/CAM技术的发展，本世纪的科学技术正处于日
15、新月异的变革之中，通过与计算机技术的紧密结合，人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快，学科领域交叉之广前所未见。今后10年新一代模具CAD/CAE/CAM系统必然是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物，其特点将反映在专业化、网络化、集成化、智能化四个方面。主要表现在：（1）模具CAD/CAM的专业化程度不断提高；（2）基于网络的CAD/CAE/CAM一体化系统结构初见端倪；（3）模具CAD/CAE/CAM的智能化引人注目；（4）与先进制造技术的结合日益紧密。1.5设计的主要特点及意义该设计主要针对汽车发动机
16、油底壳零件的冲压模具设计，难点在于它属于汽车覆盖件冲压成型中典型的深拉延模具。本设计涉及的知识面广，综合性较强，在巩固大学所学知识的同时，对于提高设计者的创新能力、协调能力，开阔设计思路等方面为作者提供了一个良好的平台。1.6 汽车油底壳的相关知识补充1.6.1 前言油底壳是现代汽车发动机润滑系统中不可缺少的组成部分。油底壳的储油量是润滑系统的主要设计参数之一，油底壳的储油容积对“湿式”润滑系统中机油完成润滑、冷却、清洗、密封、防锈等功能具有重要的保证作用。合理的油底壳可促进汽车发动机结构简化，体积缩小，质量减轻。汽车发动机油底壳的材料沿着环保、节能、节材、安全和低成本的方向发展，取得了以轻量
17、化为代表的显著进步，呈现着多样化、多元化的趋势。汽车发动机的材料是其设计水平高低、品质优劣、质量大小和竞争力强弱的基础之一。汽车发动机的轻量化程度在很大程度上取决于轻量化材料的发展。近年来，聚酰胺玻璃纤维增强尼龙工程材料（6.6型超级尼龙）如PA66+GF35%、PA6+GF35%等已成为汽车发动机油底壳的轻量化的新材料之一。塑料材料由于造型容易、质量轻、成本低，受到汽车发动机设计部门及油底壳制造业的青睐和关注。尤其是塑料材料的形状变化自由度大，塑料材料制成的油底壳具有能够集成油道、吸油管、机油过滤器、单独的备用油口和防溅板等优点，使其成为兼顾耐热性和高刚度的一体化的功能零部件材料。2003年
18、，世界塑料工程学会SPE（Society of Plastic Engineers），为研发成功世界首例载货汽车发动机热塑性塑料油底壳的德国萨克森技术公司（KTSN）颁发了“格兰特创新特别奖”。这种塑料油底壳已成功应用在戴姆勒克莱斯勒汽车公司的奔驰牌新型ACTROS载货V6发动机上。这种轻量化新材料油底壳的机油容量较传统材料油底壳增加了30%，达到39L；新材料油底壳部件总质量较传统材料油底壳减轻40%，达到7.4kg；它的生产成本较传统材料降低了20%30%。据悉，制造这种热塑性材料油底壳的原材料是德国巴斯夫（BASF）公司提供的。这种塑料材料油底壳的材料被命名为“6.6型超级尼龙”，其中3
19、5%为增强玻璃纤维。1.6.2 汽车发动机油底壳材料的发展历史 汽车发动机油底壳材料和相应的工艺的发展历程是：铸铁或铸铝件单层薄钢板冲压件压铸铝合金件（金属/塑料/金属）夹层复合件SMC热固性塑料模塑件（尼龙）热塑性塑料注塑件。综上所述，为了更好的适应现实市场竞争的需求，经过对该零件结构及使用性能的要求分析，以不降低使用性能为前提，将其从铸铝件改为冲压件！用冲压的方式完成零件的加工。第二章 发动机油底壳成型工艺的总体分析2.1油底壳结构及工艺难点分析图2-1 零件图如图2-1所示为改进后的油底壳零件，材料为宝钢产深拉深冷轧钢板st15， 料厚2mm，属于汽车覆盖件冲压成型中典型的深拉延件。 图
20、2-1所示油底壳冲压件外形不规则，由复杂空间曲面构成，断面平面度及孔位位置度要求相对较高，属于典型的复杂深拉深件。其工艺难点主要在于油底壳成型，因成形高度相对较大，凹模半径较小，外形不规则，拉深过程中各处应力应变情况比较复杂，差别较大，在拉深过程中易出现拉裂及局部起皱现象，实践证明，拉深工序及整形工序的合理确定，将直接关系到制件质量和制件成本。2.2油底壳冲压工艺分析及方案确定2.2.1工艺流程初定通过对零件结构及使用要求的综合分析，初步制定此零件的工艺流程如下：落料-拉深（次数为定）-切边 冲法兰面孔-翻边-校平-冲放油塞孔此工艺流程的优势在于：拉深工序后，切边 冲法兰面孔将通过复合模在一道
21、工序中完成，生产效率将得以有效提高。其缺陷在于：翻边工序安排在切边 冲孔复合工序之后，如此，在冲孔工序产生的安装孔将在后续翻边工序产生一定程度的孔变形及空位变移。2.2.2 拉深次数的确定 上述初定的工艺流程，未确定拉深次数，而拉深件的拉深次数的合理确定对制件成型尤为重要。如何充分利用材料的塑性，有效避免拉深应力超过材料的强度极限，这直接关系到制件的质量和成本。2.2.2.1 常规计算模式：(a)通过对零件的分析，得知该零件形状接近于盒形件，所以参考盒形件的工艺计算方法估算其拉深次数。由参考文献1可知：式中：为左侧面角部圆角半径 为右侧面角部圆角半径 为左侧工件高度 为右侧工件高度 b为盒形件
22、短边宽度通过查文献1中的4-72图可知，此零件左侧成型接近区域II b的盒形件成型，右侧接近区域II c 的盒形件成型，阶梯部位过渡区域成型条件尚可，根据以往的经验推断，若适当加大凹模圆角半径，此零件可一次拉深成型，若分两次拉深，成型难度加大模具易失败，制件质量将难以保证。（b）运用盒形件拉深的变形程度来确定拉深次数 由于盒形件初次拉深时圆角部分的受力和变形比直边大，起皱和拉破易在圆角部发生，故盒形件初次拉深时的极限变形量由圆角部传力的强度确定。 拉深时圆角部分的变形程度仍用拉深系数表示： 式中 为与圆角部相应的圆筒体直径； D 为与圆角部相应的圆筒体展开毛坯直径。 当时，与圆角部相应的圆筒体
23、毛坯直径为：则： 式中为工件底部和角部的圆角半径； H 为工件的高。 由上式可知初次拉深的变形程度可用盒形件相对高度 H/r 来表示，这在使用中比较方便。 H/r 愈大，表示变形程度愈大。用平板毛坯一次能拉出的最大相对高度值见表1 。若零件的 H/r 小于表1 中的值，则可一次拉成，否则必须采用多道拉深。表1 盒形件初次拉深的最大相对高度 补充拉深件的变形解析：从几何形状特点看，矩形盒状零件可划分成 2 个长度为 (A-2r) 和 2 个长度为 (B-2r) 的直边加上 4 个半径为 r 的 1/4 圆筒部分(图2-2) 。若将圆角部分和直边部分分开考虑，则圆角部分的变形相当于直径为 2r 、
24、高为 h 的圆筒件的拉深，直边部分的变形相当于弯曲。但实际上圆角部分和直边部分是联系在一起的整体，因此盒形件的拉深又不完全等同于简单的弯曲和拉深，有其特有的变形特点，这可通过网格试验进行验证。 拉深前，在毛坯的直边部分画出相互垂直的等距平行线网格，在毛坯的圆角部分，画出等角度的径向放射线与等距离的同心圆弧组成的网格。变形前直边处的横向尺寸是等距的，即，纵向尺寸也是等距的，拉深后零件表面的网格发生了明显的变化(如图2-2所示) 。这些变化主要表现在：图 2-2 盒形件的拉深变形特点 直边部位的变形 直边部位的横向尺寸变形后成为间距逐渐缩小，愈向直边中间部位缩小愈少，即纵向尺寸变形后成为，间距逐渐
25、增大，愈靠近盒形件口部增大愈多，即。可见，此处的变形不同于纯粹的弯曲。 (2) 圆角部位的变形 拉深后径向放射线变成上部距离宽，下部距离窄的斜线，而并非与底面垂直的等距平行线。同心圆弧的间距不再相等，而是变大，越向口部越大，且同心圆弧不位于同一水平面内。因此该处的变形不同于纯粹的拉深。 根据网格的变化可知盒形件拉深有以下变形特点： (1) 盒形件拉深的变形性质与圆筒件一样，也是径向伸长，切向缩短。沿径向愈往口部伸长愈多，沿切向圆角部分变形大，直边部分变形小，圆角部分的材料向直边流动。即盒形件的变形是不均匀的。 (2) 变形的不均匀导致应力分布不均匀(图2-3) 。在圆角部的中点最大，向两边逐渐
26、减小，到直边的中点处最小。故盒形件拉深时破坏首先发生在圆角处。又因圆角部材料在拉深时容许向直边流动，所以盒形件与相应的圆筒件比较，危险断面处受力小，拉深时可采用小的拉深系数也不容起皱。图2-3 盒形件拉深时的应力分布 (3) 盒形件拉深时，由于直边部分和圆角部分实际上是联系在一起的整体，因此两部分的变形相互影响，影响的结果是：直边部分除了产生弯曲变形外，还产生了径向伸长，切向压缩的拉深变形。两部分相互影响的程度随盒形件形状的不同而不同，也就是说随相对圆角半径 r/B 和相对高度 H/B 的不同而不同。r/B 愈小，圆角部分的材料向直边部分流得愈多，直边部分对圆角部分的影响愈大，使得圆角部分的变
27、形与相应圆筒件的差别就大。当 r/B=0.5 时，直边不复存在，盒形件成为圆筒件，盒形件的变形与圆筒件一样。 2.2.2.2 有限元模拟分析根据有限元模拟技术预示的成形载荷、板材几何变形、应力应变分布和加工条件，调整模具的几何形状、材料等级和边界条件，对油底壳深拉伸进行模拟分析。以正拉伸方式成形，油底壳截面积进行成形过程模拟分析:油底壳的成形采用正拉深方式，边界条件为拉伸筋阻力。采用平面应变等效拉深筋阻力模将胚料料划分成500单元节点数为2503。模拟计算得到的变形终了厚度最薄处为0.62t（t为拉深板料厚度，mm），由此可知该零件可以一次拉深成功。由于此零件法兰面与侧壁间圆角半径偏小，不利于
28、之间一次拉伸成形，因此决定在拉深工序后增加一法兰面与侧壁间圆角部位整形工序，保证一次拉深成形的工艺需求。 2.2.2.3工艺流程的最终确定 通过计算及分析模拟实验确定了发动机油底壳成形的拉深次数。为了有效预防油底壳法兰孔面36个安装孔及孔位变移问题，也为了使模具的制造及维修带来方便；将翻变、校平工序在一套复合模中完成，经反复实验，该方案能同时满足产品质量及生产节拍要求，工艺流程最终定为：落料-拉深-整形-切边-翻边、校平-冲法兰面孔-冲放油塞孔2.2.2.4 落料毛坯尺寸确定盒型零件拉深毛坯的形状与尺寸的确定 毛坯形状和尺寸的确定应根据零件的 r/B 和 H/B 的值来进行，因为这两个因素决定
29、了圆角和直边在拉深时的影响程度。当相对高度 H/B 大时，圆角部分对直边部分的影响就大，直边部分的变形与简单弯曲的差别就大。因此盒形件毛坯的形状和尺寸必然与 r/B 和 H/B 的值有关。对于不同的 r/B 和 H/B ，盒形件毛坯的计算方法和工序计算方法也就不同。的要求。一次拉深成形的低盒形件与多次拉深成形的高盒形件，计算毛坯的方法是不同的。计算的原则仍然是保证毛坯的面积等于加上修边量后的工件面积，并尽可能要满足口部平齐。 高盒形件 (H 0.5B) 毛坯的计算 毛坯尺寸仍根据工件表面积与毛坯表面积相等的原则计算。当零件为方盒形且高度比较大，需要多道工序拉深时，可采用圆形毛坯，其直径为： （
30、1） 公式中的符号见图2-4。 对高度和圆角半径都比较大的盒形件 (H/B0.70.8) ，拉深时圆角部分有大量材料向直边流动，直边部分拉深变形也大，这时毛坯的形状可做成长圆形或椭圆形，如图 2-5所示。将尺寸为的盒形件，看作由两个宽度为 B 的半方形盒和中间为 (A-B) 的直边部分连接而 成，这样，毛坯的形状就是由两个半圆弧和中间两平行边所组成的长圆形，长圆形毛坯的圆弧半径为： 图 2-4方盒件毛坯的形状与尺寸 图2-5高盒形件的毛坯形状与尺寸 式中 D 是宽为 B 的方形件的毛坯直径，按式 (1) 计算。 的圆心距短边的距离为 B/2 。则长圆形毛坯的长度为： (2) 长圆形毛坯的宽度为
31、： (3) 然后用 R=K/2 过毛坯长度两端作弧，既与 弧相切，又与两长边的展开直线相切，则毛坯的外形即为一长圆形或是长椭圆形。 由于矩形件拉深时沿毛坯周边的变形十分复杂，当前还不可能用数学方法进行精确计算，前述的各中间拉深工序的半成品形状和尺寸的计算方法是相当近似的。假若在试模调整时发现圆角部分出现材料堆聚，应当适当减小圆角部分的壁间距离 。落料毛坯尺寸的合理确定对拉深件成形具有极其重要的影响，它是影响拉深过程中材料能否均匀流动的关键因素之一。根据毛坯尺寸的计算原则, 远离四角圆弧尺寸按弯曲成形计算长与宽(实际中可能稍小) 。四角圆弧处属于圆筒形和部分直边变形的结合, 比圆筒形拉伸尺寸稍小, 毛坯尽量用近似圆弧方法保证拉伸流动。中间拉伸对某些部位材料流动不产生影响, 可考虑由于底面的不平整对于所需材料流动不同,进行合理设计。根据制件成形特点，依据毛坯面积与拉深面积（加工修边余量）相等的原则，经过理论计算后用试冲法得知油底壳的毛坯尺寸如下：图2-6落料毛坯图第三章 拉深及法兰面冲孔的工艺分析和模具设计3.1落料落料-若使材料沿封闭曲线相互分离，封闭曲线以内的部分作为冲裁件时，称为落料。如果模具间隙正常，冲裁变形过程大致可分为如下三
