毕业论文(设计)：某汽车车型顶盖拉延模具设计
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1 绪论 (5)
1.1汽车覆盖件模具 (5)
1.1.1汽车覆盖件模具的特点和要求 (5)
1.1.2 汽车覆盖件模具发展现状与趋势 (6)
1.2基于UG的覆盖件模具设计 (7)
1.2.1 UG软件的功能 (7)
1.2.2 UG在覆盖件模具中的应用及问题 (8)
1.3本课题的研究意义 (8)
2 汽车顶盖冲压工艺设计要求 (10)
2.1DL信息的获取 (10)
2.2拉延模具设计总体要求 (10)
2.2.1 整体结构选择 (10)
2.2.2 拉延模设计要求 (11)
2.3计算 (12)
2.3.1 拉延力的计算 (12)
2.3.2 压料力计算 (13)
2.3.3 总冲压力计算 (13)
2.4材料选择 (13)
2.5本章小结 (14)
3 汽车顶盖拉延模的三维造型 (15)
3.1汽车顶盖的三维造型 (15)
3.1.1DL图预处理过程 (15)
3.1.2拉伸实体 (15)
3.1.3修剪 (15)
3.1.4导板选择 (16)
3.2压边圈的三维造型 (17)
3.3下模座的三维造型 (19)
3.4上模座的三维造型 (21)
3.5装配 (21)
3.6本章小节 (22)
结论 (24)
致谢 (25)
参考文献 (26)
某车型顶盖拉延模具设计
摘要:本文以汽车顶盖为实例，具体分析了其成形特点，找出汽车覆盖件冲压件成形的共性。其中说明了汽车覆盖件的成形特点和覆盖件拉深模具设计的基本原则，提出了包括冲压方向、工艺补充面等设计的常用方法。此次，直接用三维造型软件UG构造出覆盖件模具的三维实体模型,完成了覆盖件的模具设计，更真实地反映了模具零件之间的装配关系，减少了实际模具设计带来的一些问题和时间。同时，模具各部分的干涉检查能够方便地在做到，从而提高了汽车覆盖件模具结构的设计效率和设计质量，缩短了模具的设计和制造时间, 这对于制造业尤其是模具的设计制造来说尤其重要。
关键词 :汽车顶盖拉延模设计
Drawing die design of the roof of the automobile
Abstract :This paper taking the roof of the automobile as an examplethe forming characteristics of the front floor pan were analyzed aswell as the common
properties of Automobile panel .The forming characteristics of automobile
panels and fundamentals of mould design for drawing dies are presented in
this paper, including stamping direction, addendum binder surface.This time，
three-dimensional part modeling and mould designing are performed in UG，
it's conveniently and quickly compared with traditional ways. It can show the
part relation of the die more actually, reduce the defects of the die defectsof the
die designing in practice and save the time. At the same time，the interference
problem of the die could be done well by using the soft UG, so the auto cover
die structure design can be improved efficiently and the time of die
manufacture can be shorten，this is very impotant to manufacturing
industry ,especially the mould die design and produse .
Keywords :the roof of the automobile drawing die design
1 绪论
国民经济五大支柱产业——机械、电子、汽车、石油化工和建筑都要求模具工业的发展与之相适应，都需要大量模具，特别是汽车工业，在入世，经济好转的情况下，其发展势头越来越猛，而作为其主要制造部分的覆盖件模具的设计及制造业得到了空前的发展。
1.1 汽车覆盖件模具
汽车覆盖件模具是车身制造的重要装备，也是企业提高汽车开发、制造能力的关键环节。汽车工业产业政策己经将汽车模具作为提升汽车技术进步的发展重点之一。覆盖件模具是模具中技术含量和附加值最高的产品，其技术水平成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。
1.1.1汽车覆盖件模具的特点和要求
同一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点。覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。因此，在实践中常把覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为一各特殊的类别加以研究和分析。
覆盖件的特点决定了它的特殊要求。
1）表面质量要求高
覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美观，因此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美感的缺陷。总之覆盖件不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。
2）尺寸形状复杂
覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达出来，因此覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。主模型是覆盖件的主要制造依据，覆盖件图上标注出来的尺寸形状，其中包括立体曲面形状、各种孔的位置尺寸、形状过渡尺寸等，都应和主模型一致。
3）刚性要求高
覆盖件拉延成型时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。刚性差的覆盖件受至振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽车在高速行驶时就会发生振动，造成覆盖件早期破坏，因此覆盖件的刚性要求不可忽视。
1.1.2 汽车覆盖件模具发展现状与趋势
改革开放以来，特别是近几年我国汽车工业发展势头强劲。据中国汽车工业协会统计，2009年1至7月，汽车全行业完成工业总产值3723.82亿元，同比增长29.44％：产品销售收入3598.88亿元，同比增长31.05％：利润总额221.90亿元，同比增长51.14％。汽车产业作为国民经济支柱产业的地位越来越突出。汽车工业的发展也给汽车覆盖件模具的发展带来的巨大的潜力与空间。在汽车制造业发达的国家，汽车模具在整个模具产业中占有50％左右的份额。而在我国，仅有三分之一左右的模具产品服务于汽车制造业，因此，汽车模具市场有相当大的发展空间，而汽车覆盖件模具是整个汽车模具的重要组成部分。那么中国的汽车覆盖件模具与世界先进水平的差距有多远，差距在哪里？
设计：与汽车工业比较发达的欧美国家在进行汽车覆盖件模具设计的过程相比，国内主要的问题有三点，一是国内三维CAD设计的使用率远低于国外，甚至还有企业采用传统的手工绘图和二维CAD设计导致设计的标准化和开发应用水平低，效率不高；二是国外数据库的功能比较完善，在设计的时候大量地采用数据库的数据作为依据，这能提高效率减少设计时间；三是国内外的设计理念比较先进，国内在设计的理论和实践经验的积累上远远落后于国外这也不是短期内就能弥补的。
冲压工艺分析：在工业发达国家，CAE技术应用已成熟。在冲模设计中应用CAE 软件，可以模拟金属变形过程、分析应力应变的分布及预测破裂、起皱和回弹等缺陷。因此，欧美和日本等发达国家在汽车覆盖件模的冲压工艺分析中多采用3DSOLID 和CAE，试模成功率高达90％左右。而国内的情况则与之相反。
铸件：用户对铸件的要求越来越高，铸件的轻量化、薄壁化、强韧化已成为发展的必然趋势。当前，国内汽车覆盖件模具铸件的生产多采用FMC铸造毛坯，但是实型材料质量比较差，模型加工、检测手段比较落后，铸件的余量多在8－16mm，余量大，而且生产出来的铸件组织不够细密，强度差。而在国外发达国家，虽然也是采用FMC铸造毛坯，但是模型多采用高速数控铣加工，铸件余量小，仅有6mm 左右，在铸造中多采用微机控制系统，铸件组织细密。
研修调试、检测：由于研修技术、设备的落后，在汽车覆盖件模的研修调试中，
国内多采用人工操作，且大量采用国产的、性能较差、精度低的研配设备，存在大量机外修，人工劳动强度大，装模量大，周期长，成本高。而在国外大量采用具有翻转和数显功能的研配压力机或研配系统机床，研修工作量小，因而精度可达0.02mm，并且与CAE技术结合，可一次性冲调试完毕，大大缩短了调试周期。
在汽车覆盖件模的检测上，近几年，虽然也有部分模具企业引进国外的三座标测量机设备进行测量，但是还没有真正掌握其关键技术且仅限于对汽车覆盖件模的特殊位置进行自动检测，而更多模具企业采用通用测量手段，精度低，型面则采用立体依据测量。而国外的三坐标测量技术已经趋于成熟阶段，多数企业大量采用三座标测量机与CAD/CAM系统联机的测量技术，对检测数据与CAD/CAM数据自动进行分析、计算且能读出制造误差，施行计算机控制、显示和打印，准确可靠。
标准件：国内汽车模具的标准化工作多停留在初步阶段，汽车覆盖件模具标准件的生产量少，产品水平低，并且国内许多依赖进口。汽车车身模具标准尚未建立和完善多种典型的模具结构和工艺，且尚未形成行业标准件计算机销售网，模具标准件的供货周期长，商品品种不全。与此相比，国外的汽车车身模具标准件供货渠道通畅，商品化程度高、品种齐全且出口到世界各国。
整体协调和企业管理：与国外相比，国内的企业在整个车型模具的整体协调和企业管理方面还存在不少差距。国外许多企业都具有对整个车型模具进行协调的能力，可以在同一个平台上将几百套模具交给许多企业同时生产，因而能快速地、高质量地进行整车交货。而在国内，绝大部分企业没有这方面的能力。
总之，我国离模具强国的距离还很远，模具又品种繁多，赶超世界先进水平也不可能齐头并进。因而，我国应抓住重点企业和重点产品进行突破，汽车覆盖件模具就是突破口之一。在汽车覆盖件模具中，加大中高档轿车模具的投入力度，下功夫突破某些关键技术尤其重要。
1.2基于UG的覆盖件模具设计
1.2.1 UG软件的功能
UG现在叫做NX,它是一个三维设计软件，主要用于汽车和机械行业，在航空领域也有部分企业在使用。UG是目前广泛使用的基于Windows的三维CAD/CAE/CAM 软件。它采用了与Solidworks 相同的先进的底层图形核心技术，该技术是在Windows
环境下生成的，充分利用和发挥了Windows的强大功能和OLE技术。该软件的实体建模模块将基于约束的特征建模和实现几何建模方法无缝结合起来，提供了强有力的“复合建模”工具，使用户可以充分利用传统的实体、面、线框造型优势进行建模; 特征建模模块利用工程特征定义设计信息，提供了多种标准的设计特征如孔、槽、型腔、凸台、柱体、球形、管道体等，并可以挖空实体建立薄壁体，特征可以用参数化定义和编辑尺寸大小和位置；同时，用户存储在公共目录下的自定义特征也可以被添加到其他设计模型中去，建立的三维实体模型可以利用工程制图功能方便快捷地得到完全相关的二维工程图，且随实体模型的改变同步更新工程图的尺寸、消隐线和相关试图，减少了因为三维模型改变而二维图样所需的时间；此外，UG还具有强大的装配建模和高级装配功能，允许用户对装配结构中的部件进行过滤分析和对整个产品、指定子系统或零件进行装配分析和质量管理。
1.2.2 UG在覆盖件模具中的应用及问题
Unigraphics NX是汽车覆盖件模具的特点就是结构复杂，组成零件数量众多，一副大型覆盖件模具上百个零件。如果采用传统建模方法，工作量大，效率低。这对于汽车覆盖件的生产来说是个致命伤，结果将会影响新车型在市场上的推出，影响各生产厂商的市场占有率，所以，汽车覆盖件模具的制造一直也是个汽车生产厂商需要抢占的领域。而建立覆盖件模具标准件库，将模具设计人员从大量重复标准件和典型模具结构的设计中解放出来，设计人员就可以把精力集中到新产品的创新设计上，或者在原有典型模具实例的基础上进行修改演变，从而节省宝贵的时间，缩短产品的开发周期，提高效率。
1.3 本课题的研究意义
1）通过对这次毕业设计的接触，了解汽车覆盖件模具的相关知识与模具制造流程，拓宽本专业的所学内容。
2）在课题的实际操作中，查找自身对于专业以及延伸知识的掌握与吸收水平，查找自身在学习与操作上面的薄弱环节。同时，也是对于自己独立分析思考解决问题能力的锻炼，对自身创新能力的一种开发与提升。
3）了解我国汽车覆盖件模具的现状，掌握目前普遍的模具制造的过程。同时了解接触一些汽车模具方面的前沿技术。
4）掌握运用专业软件进行绘图的能力，利用UG进行模具的三维造型，并学会将3D图纸转化为CAD二维图纸。学会去修改与完善二维图纸。
5）理论联系实际，掌握并运用较为先进的设计理念和设计发法，接受基础的模具设计实训，在于老师的指导下，进一步提高自己的独立设计的能力。
6）本次的毕业设计相当于是做了一个简单的实际项目，使得自己了解了一些项目运作到模具交付使用的过程，体验了真正工作时候的感觉，对于自己今后开始真正工作是起了一种过渡与预演的作用。
2 汽车顶盖冲压工艺设计要求
2.1 DL 信息的获取
DL 图即Die Layout 图，如图1，反映了模具的工序内容，是模具设计的重要依据。在设计顶盖拉延模具之前要读懂DL 图内容。如图2.1：
图2.1 DL 图内容
1-坯料尺寸线 2-拉延后坯料收缩 3-模线
1）车顶盖材料为，料厚0.8mm,毛坯尺寸为1280*1750mm 。汽车顶盖形状简单，左右整体对称。
2)该件形状简单，拉延行程较浅。
3)要求工件表面平整无皱纹，棱线清晰，刚度好。
4)材料SPECN ，强度低，塑性很高，常用于深冲，适合覆盖件冲压。
2.2拉延模具设计总体要求
2.2.1 整体结构选择
对于该汽车顶盖而言，要想得出产品必须经过多道工序，包括拉延，冲孔，修边，整形等等。汽车顶盖属于大批量生产，再根据零件的实际分析及加工特点，所以采用流水排线生产。
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对于覆盖件来说，其冲压性关键在于拉延的可能性和可靠性，而拉延工艺性的好坏主要取决于覆盖件的形状，复杂的程度等等。对于拉延以后的工序，确定工序数和安排工序之间的先后顺序也是比较重要的。故有方案：拉延→修边冲孔→整形，而我主要负责第一工序拉延模的设计。
拉延模分为单动拉延模和双动拉延模，本设计采用单动拉延模。
总体结构，如图2.2：
图2.2 单动拉延模
1-上模座 2-压边圈 3-凸模 4-下模座
2.2.2 拉延模设计要求
1）板料定位：采用挡料器在四周挡板料的外形边缘。
2）单动拉延模压边圈行程：行程的大小应确保板料放在压边圈上不会搭在拉延凸模上，且高出凸模型面10-20毫米。 机床顶杆顶出工作台面高度尺寸按用户要求。
3）单动拉延模压边圈顶起时，压边圈导滑面有效接触面应大于50-80毫米。
4）上下模导向一般采用导板导向，且开始拉延前应导入最少50毫米。
5）拉延凸模一般采用分体式，可以降低铸件成本，且可以改善加工性。为了降低模具成本，压料面外轮廓一般比拉延板料单边大10毫米。
6）平衡块和垫块下设计有支撑筋，且平衡块下方设置有垫块。
7）当修边线在凸模上时，压边圈与下模垫块间保证2毫米间隙。当修边线在压
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料面上时，压边圈与下模垫块间保证0间隙，此时压边圈与下模座墩死。
8）机床气垫应受力均匀，当气垫出现偏载时，应增加平衡顶杆。
9）压边圈上的限位螺钉行程应比压边圈行程大15毫米。
10）分模面结构要求，图2.3：
图2.3分模面结构
11）通气孔的设置：通气孔通常设置在凸凹模型腔内。如图2.4
图 2.4通气孔的设置
2.3计算
2.3.1 拉延力的计算
毛坯材料为 SPECN ，厚度为0.8mm ，查表可知：σb 大约为450 MPa ，从选择设备的角度考虑，该处取上限值450MPa 。又参考b klt P σ= ，K 为修正系数，由拉深系数m 确定，可取0.5～0.8，l 为毛坯周长l=6060mm ，t 为料厚。 查参考文献
[1]，K 取0.5 , l 可在UG 软件的分析功能中测量得出。计算得：
P 拉延力=0.5×6060×0.8×450=1090800N 。
2.3.2 压料力计算
由参考文献[2]中表4-15，得Q
压料力=Ap ，A 为在压料板下毛坯的投影面积A=2240000mm 2，p 为单位压边力。
查参考文献[2]中表4-16，p 为2.5～3.0 MPa ，从选择设备的角度考虑，该处取上限值3.0MPa ，A 可在UG 软件的分析功能中选用测量面来自动获得。
Q 压料力=Ap=3.0×2240000=6720000N
而实际生产时压料力的经验公式得Q 压料力=0.3P 拉延力=0.3×1090800=327240N
此时的理论值和实际值相差较大，理论的压料值偏大，但尚未查出原因所在，待后续的研究。生产中，当理论值和实际值相差20%～50%，此时取实际生产值。
顶件力：由参考文献得：Q
顶件力=K 顶Q 压料力 ，K 顶为顶件力因数，取决于料厚，
由表2-15得，K 顶=0.06
Q 顶件力=0.06P 拉延力=0.06×1090800N=65448N
F 1总=P 拉延力+Q 压料力+Q 顶件力=1090800+6720000+65448=7876248N
2.3.3 总冲压力计算
F 总= F 1总=7876248N ≈787.6t
由《冲压手册》查得，设备吨位按1.3F 总，所以要求的设备吨位为：
F=1.3F 总=1.3×787.6=1023.88t 2.4 材料选择
模具在使用过程中经常受到强度较高的压力和弯曲的作用，因此要求模具材料应具有一定的抗压强度和抗弯强度；在工作过程中，模具承受着冲击载荷和摩擦力，为了减少在使用过程中的折断、崩刃等形式的损坏，要求模具也要有一定的韧性，要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。因此，综合考虑本次设计凸模、上模、压边圈采用MoCr 铸铁，而由于下模主要用于支撑，本着节约成本原则，下模采
用HT300。
2.5本章小结
在进行模具设计工作之前，其工艺的分析师必须的步骤，它能指导模具的设计工作，优化设计过程，使得最终设计的模具能生产出合格的产品。工艺分析能够指导自己选择正确的进而最优的设计方案，最终帮助企业节省成本及时间，对于模具制造业来说至关重要的两点。另外确定工艺设计并不是自己一味地寻求最佳方案，而是要考虑到生产条件和工件的可加工性再去选择最合适的方案，它是建立于企业自身的水平及设备条件基础上的。
3 汽车顶盖拉延模的三维造型
3.1汽车顶盖的三维造型
3.1.1DL图预处理过程
缝合模面：采用UG默认的0.0254公差进行缝合，以确保模具图纸与模具的符合性。采取0.0254的公差缝合模线，用光滑的曲线把模线的各个部分缝合起来，保证模线的完整封闭，并在保存好相对坐标的前提下将处理好的DL图原点移动至绝对坐标系下面。
3.1.2拉伸实体
1）单击工具栏中的拉伸，弹出拉伸对话框。
2）将缝合后的曲线投影至Z轴进行拉伸，输入拉伸值-300，+200，确定，得到拉伸实体，如图3.1
图3.1 拉伸的凸模镶块
3.1.3修剪
单击工具栏中的修剪体，弹出修剪体对话框，选择体为上一步中拉伸的实体，刀具指定平面为数模平面，按所需方向进行修剪，如图3.2
图3.2镶块修剪
3.1.4导板选择
1）导板滑长度要求为零件长度的1/3-1/5。
2）导板要求：高于分模线5-10mm。故测量拉伸长度选择导板高度为150mm，导板型号为mwf 150-150。
3）减重：如果凸模整体采用实体会增加材料成本且造成不必要的浪费，故采用下掏空的形式节约材料。在保证强度的情况下，对凸模外壁以及筋部进行挖空（内部筋部厚度一般40mm)，这样得到凸模的结构。最后得到的凸模三维造型，如图3.3所示。
图3.3凸模镶块
孔的尺寸为340*280mm。4）通过修剪优化最后得到凸模实体，如图3.4 导板
减轻孔
图3.4 凸模
3.2压边圈的三维造型
1）标准：压边圈容易强度不足，应考虑整体刚性设计。压边圈应保证最大限刚度，否则，模具拉延性能下降，制品质量差。
2）结构：①型面：型面根据DL图提供的板料尺寸单边放大10-20mm；
②轮廓线处空刀：一般轮廓可能变动时，取20mm以保证加工余量；
③压边圈最小宽度：最小宽度取200mm。
结构示例图3.5
图3.5压边圈结构
3)定位板：在前、后、侧四个位置设置定位板，为板料定位。
①侧定位板长度取坯料长度的1/2，对于拉延模，侧定位板长度过长，压边圈空刀过大，强度上会有问题，所以采用分块结构。所以共有8个定位板。
②同一侧多个定位板间时间距尽量大。
③在定位板之间压边圈上设立筋以加强强度。
④考虑板料的弯曲，前定位板距送料水平线30mm，防止放料时坯料弯曲与定位板发生干涉。如图3.6
图3.6定位板安装
4）形成限位块：每300-400mm一个，直径为90mm，共18个；安装面与随型筋的内边界距离为35mm，与随型筋的外边界最小距离为50mm;行程限位块下面有立筋支撑。
5）导板安装面与边留有20mm空刀槽。
6）根据顶杆布置图选择墩死垫块，直径为80mm。
7）压边圈立筋间距取250-300mm。
8）根据压边圈尺寸合理设计吊耳。
在生成压边圈时，先根据绘制草图的凸模外轮廓线形生成压边圈的实体框架。在生成中部空心的形状时，以凸模外轮廓面向外偏置5mm即为压边圈内孔部分轮廓面。再通过平衡块的布置得到偏置尺寸，形成实体，与压边圈做差形成内轮廓下部退刀部分。由行程限位块的尺寸布置得到压边圈的宽度为1660m。根据以上设计标准最终生成的压边圈的三维造型如图3.7
图3.7
压边圈
1-定位板 2-行程限位块 3-导板 4-立筋 5-吊耳 3.3 下模座的三维造型
1）下模座宽度与压边圈相同为1660mm
2）工作型面承担的受力部位采用的下掏空结构，要求筋与筋的间距在300-400mm 之间。受力部位要有立筋来起到受力的作用。
3）非工作型面部位采用的侧掏空加下掏空形式，且减轻孔的尺寸要能保证使顶杆（共22个）顺利通过。
4）设计下模整体高度在为230mm 。
5）查标准件手册设计导杆。
6) U 型槽设计：
① U 槽的布置要使模具受力平衡，根据数量的要求均匀的分布在模具上。
② 原则上要最外侧（X 方向）的两个T 型槽处要布置U 槽，最外侧（X 方向）两个U 槽之间距离要大于模具长度的2/3。
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③ U 槽的布置要满足机床要求。
将U 型槽草图进行拉伸，进行布尔求差运算，如图
3.8
图3.8 U 型槽设计
本次共设计的U 槽8个。
依据以上条件通过优化处理最终得到的下模造型，如图
3.9
图3.9 下模
顶杆
导杆
U 型槽