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郑州轻工业学院 郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 6jj15轮辐拉伸成形 工艺研究 学生姓名 万 闯 建 专业班级 机械设计07-2班 学 号 200702010236 院 （系） 机电工程学院 指导教师（职称）王明义（讲师） 完成时间 2011 年 6 月 1 日 郑州轻工业学院 毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）任务书 ? 题目题目 6jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 专业专业 机械设计制造及自动化 学号学号 200702010236 姓名姓名 万闯建 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 一、主要内容 一、主要内容 1、在 pro/engineer 中建立制件坯料、模具的三维模型； 2、在 pro/engineer 中完成 6jj15 轮辐成形模的装配； 3、进行 6jj15 轮辐成形模的工作过程的仿真； 4、用有限元软件对 6jj15 成形坯料进行变形分析。 二、基本要求 二、基本要求 1、完成 6jj15 轮辐成形模及制件的三维建模； 2、在 pro/engineer 中完成 6jj15 轮辐成形模的装配及运动仿真； 3、 用有限元软件对 6jj15 成形坯料进行变形分析， 并根据分析结果指出制件上可能出现的破裂、起皱及减薄量过大等缺陷的位置，提出模具改进方案。 三、主要参考资料 三、主要参考资料 1、王树勋,林法禺等.实用模具设计与制造.长沙：国防科技大学出版社m,1991.4。 2、模具实用技术丛书.冲模设计应用实例.北京：机械工业出版社m，1999.5。 3、pro/toolkit users guidem.usa:ptc 公司出版.1998. 4、罗晋平.有限元分析软件 dynaform-pc 在冲压技术中的应用 m. 苏州:苏州职业大学，2005. 完 成 期 限： 2011 年 6 月 6 日 完 成 期 限： 2011 年 6 月 6 日 指导教师签章：指导教师签章： 王明义 王明义 专业负责人签章：专业负责人签章： 王良文 王良文 2011 年 2 月 25 日2011 年 2 月 25 日 目 录 摘 要 .i abstract .ii 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源、目的与意义 . 1 1.1.1 课题的来源与设计要求 . 1 1.1.2 课题的目的与意义. 1 1.2 车轮成型与冲压模具发展现状 . 2 1.2.1 冲压模具工业的发展现状. 2 1.2.2 车轮模具及成型技术 . 3 1.2.3 冲压成型技术的发展方向. 5 1.3 冲压模具结构与分类 . 6 1.3.1 模具的作用及基本要求. 6 1.3.2 冲压模具结构 . 7 1.3.3 冲压模具分类. 9 1.4 dynaform 下拉伸成型件成型工艺的应用 . 9 2 车轮轮辐模具设计 . 11 2.1 轮辐成型工艺性分析 . 11 2.1.1 制件结构分析. 11 2.1.2 轮辐加工工艺方案的确定. 12 2.1.3 零件毛坯尺寸的确定. 12 2.2 拉伸模具设计 . 13 2.2.1 工艺分析 . 13 2.2.2 进行必要的计算 . 14 2.2.3 模具主要零部件结构设计 . 15 2.2.4 模具架标准件选用 . 18 2.3 其他工序模具设计 . 21 2.3.1 落料模设计. 21 2.3.2 侧冲孔模具设计. 23 2.3.3 挤螺栓孔模具. 23 2.3.4 切边模具设计. 24 2.4 模具设计流程 . 26 2.4.1 模具零件设计. 26 2.4.2 模具组件设计.27 3 轮辐拉深成型过程计算机模拟 . 30 3.1 车轮 cad/cae/cam 一体化技术 . 30 3.2 数值模拟有限元分析 . 31 3.2.1 数值模拟技术在板料成形过程中的应用. 31 3.2.2 有限元分析方法. 31 3.3 dynaform 软件简介 . 32 3.3.1 dynaform 软件介绍 . 32 3.3.2 dynaform 功能简介 . 33 3.3.3 成型模拟的一般步骤 . 33 3.4 拉深成型过程计算机模拟 . 35 3.4.1 操作目录. 35 3.4.2 具体操作. 35 结束语 . 42 致 谢 . 43 参考文献 . 44 6jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 6jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 摘 要 随着汽车工业的飞速发展，车轮制造业得到了前所未有的发展机遇。提高我国车轮模具制造质量、技术和综合能力有助于我国加大市场占有份额，提高我国车轮模具的整体水平。当今，随着科学技术的不断进步和工业化生产的发展，我国的车轮模具制造技术也在不断的革新和发展。 本文以冲压模具设计理论为基础，调研了国内外的轮辐模具行业发展状况，开展了具体的模具设计。采用基于特征的三维设计软件 pro/e 对零件和模具开展了设计，完成了三维实体建模。该设计方案缩短了产品的研发周期、模具设计周期和加工周期, 提高了产品设计的可靠性。 将轮辐拉深曲面模型导入 dynaform，对轮辐的拉深成型过程进行了模拟分析，分析了成型过程中的应力应变、板料厚度变化、材料成形性等，优化了模具设计的合理性及拉深成型时的各工艺参数。 该技术方案使用于轮辐模具和工艺设计及优化，对提高其生产质量和经济效益具有一定的指导意义。 关键词 轮辐/模具设计/实体建模/模拟/dynaform i6jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 stretch forming process of the spokes of the 6jj15 abstract in recent years, with the rapid development of automobile industry, the wheel manufacturing industry has been an unprecedented development opportunity. improving the manufacturing quality, technology and comprehensive ability of the wheel die have contribute to an increasing market share of china, and also help to improve our countrys overall level of the wheel mold. nowadays, with the continuously progress in science and technology and the development of the industrial production, the wheel die manufacturing technology in our country has been continuously innovating and developing. based on the theory of stamping die design, and studied the state of development of die industry at home and abroad, the specific die design was made in the paper. pro/e software was selected for three-dimensional design of the part and mold process. this technology shortened the time of the product development, the die design and the processing plan, and also improved the reliability of the product design. the spoke modeling was introduced into the software of dynaform. the process of the deep drawing processes was analyzed. in this way, many parameters, such as stress-strain, the changes of blank thickness and blank forming ability were obtained. finally, the rationality of die design and the parameters of drawing process were optimized. the technology could be adopted by the design and optimize of die and process, and was an important guidance to improve production quality and economic efficiency. keywords spoke，die design，solid modling，simulation，dynaform ii6jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 1 绪论 1.1 课题的来源、目的与意义1.1.1 课题的来源与设计要求 本课题主要是对车轮轮辐模具进行设计及对轮辐拉伸成型进行分析计算，要求模具设计结构合理，能够保证产品的精度及表面质量。此外，要求对轮辐制品成型的工艺进行分析与改进，对轮辐的工艺性进行分析并确定其具体冲压工艺方法，对轮辐模具进行合理的工艺设计，结构设计及外观设计。最终运用有限元分析软件dynaform 对轮辐模具拉伸成型过程进行有限元的模拟分析，观察凸、凹模和拉伸件是否发生破裂或存在缺陷，进一步修改模具设计结构及尺寸， 以降低模具成本，提高产品质量。对制件的参数化三维模型进行模拟分析，以此检验模具设计的合理性，并提出改进的意见。 1.1.2 课题的目的与意义 本毕业设计的课题是车轮轮辐拉伸成型工艺的研究。随着汽车工业的飞速发展，车轮制造业得到了前所未有的发展机遇。提高我国车轮模具制造质量、技术和综合能力有助于我国加大市场占有份额，提高我国车轮模具的整体水平。 通过采用基于特征的三维设计软件 pro/e 对零件和模具开展设计，进行其三维实体建模，该设计方案能够缩短产品的研发周期、模具设计周期和加工周期，从而提高产品设计的可靠性。最后，对轮辐的拉伸成型过程进行模拟分析，分析其成型过程中的应力应变、板料厚度变化、材料成形性等，进一步优化模具设计的合理性及拉伸成型时的各工艺参数，其对提高其生产质量和经济效益具有一定的指导意义。 16jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 1.2 车轮成型与冲压模具发展现状 1.2.1 冲压模具工业的发展现状板料冲压成形是利用模具对金属板料进行压力加工，获得设计所需求的形状、尺寸和性能的产品零件。它具有节省材料、效率高和成本低等优点，是机械、电子、仪器仪表及航空航天等制造业中重要的加工工艺之一。冲压工艺在汽车、拖拉机、电机、电器、仪器、仪表、各种民用轻工产品以及航空、航天和兵工等生产方面占据十分重要的地位。现代各先进工业化国家的冲压生产都是十分发达的，在我国的现代化建设进程中，冲压生产占有重要的地位。 当今，随着科学技术的不断进步和工业化生产的发展，我国的冲压模具制造技术也在不断的革新和发展1。这些革新与发展主要表现在以下几个方面： 1) 工艺分析计算方法的现代化。 例如生产汽车覆盖件的冲压工艺， 传统方法是根据已有的设计资料和设计者的经验，进行对比分析，确定工艺方案和有关参数，然后设计模具，进行试冲，经过反复试验和修改，才能转入批量生产。近几年来，国外的的公司已经开始采用有限变形的弹塑性有限元法，对覆盖件成型过程进行计算机模拟， 分析应力应变关系， 从而预测某一工艺方案的可行性和可能出现的问题，并将结果显示在图形终端上，供设计人员进行选择和修改。这样，不仅可以节省昂贵的模具试制费用， 缩短产品试制周期。 而且， 可以建立符合生产的先进设计方法，既促进了冷冲压工艺的发展，又可以发挥塑性成形理论对生产实际的指导作用。 2) 模具设计及制造技术的现代化。为了加快产品的更新换代，缩短工装设计、制造周期，各国都正在大力开展模具的计算机辅助设计和制造（cad/cam）技术的研究和应用。采用这一技术，一般可以提高模具设计和制造效率 23 倍，模具生产周期可缩短 1/22/3。发展这一技术的最终目标，是要达到模具 cad/cam 一体化，而模具图纸将只作为检验模具之用。采用模具 cad/cam 技术，还可以提高模具质量， 大大减少制造人员的重复劳动， 使设计者有可能把精力放在创新和开发上。 3) 冲压生产的机械化和自动化。 为了满足大量生产的需要， 冲压设备已由单工位低速压力机发展到多工位高速自动压力机。一般中小型冲压件，既可在多工位压力机上生产，也可以在高速压力机上采用多工位连续模加工，使冲压生产达到高度自动化。大型冲压件（如汽车覆盖件）可在多工位压力机上利用自动送料和取件装 26jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 置，进行机械化流水线生产，从而减轻劳动强度和提高生产率。 4) 为了满足产品更新换代加快和生产批量减少的趋势， 发展了一些新的成型工艺、简易模具、通用组合模具以及数控冲压设备和冲压柔性制造系统（fms）等。这样，就使冲压生产既可适合大量生产，又可适用于小批量生产。 5) 不断改进板料性能2，以提高其成形能力和使用效果。例如，研制高强度钢板，用来生产汽车覆盖件；研制新型材料板，用来生产航空构件等。 巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整和发展。在中国，人们已经越来越认识到模具在制造业中的重要基础地位，认识到模具技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。 许多模具企业十分重视技术发展，加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。此外，许多研究机构和大专院校正在开展模具技术的研究和开发，这将进一步提高我国模具工业的发展。 1.2.2 车轮模具及成型技术 车轮是车辆承载的重要部件，其质量直接关系到人的生命安全3。 汽车车轮承受着车辆的垂直负荷、横向力、驱动（制动）扭矩和行驶过程中所产生的各种应力，它是高速回转运动的零件，要求尺寸精度高、不平衡度小、支撑轮胎的轮辋外形准确、质量轻，并有一定的刚度、弹性和耐疲劳性。因此要求车轮具有足够的负载能力及良好的缓冲性和气密性、良好的均匀性和质量平衡性、精美的外观和装饰性、尺寸精度高、质量小、价格低、拆装方便、互换性好等。车轮材料的选用、车轮结构和制造工艺与上述要求密切相关，是决定车轮性能好坏的关键因素。 在结构上，车轮主要分为组合式车轮和整体式车轮，从材质上分则有钢板成型车轮和铝合金车轮。当前，组合式钢板成型车轮占有相当重要的位置，短期内不会出现整体式铝合金车轮一统天下的局面。其中铝合金车轮的制造工艺有铸造、锻造以及前沿的旋压流动复合成形工艺和辗压旋压复合成形工艺。组合式钢板成型车轮主要由轮辋和轮辐组成，轮辋与轮辐的生产工艺一直备受关注。钢制车轮的制造工艺有轮辋滚压技术4、轮辐冲压技术以及前沿的滚压整体成形技术。 钢制车轮对于制造工艺的要求非常严格，合格的汽车钢轮要经过四大流程，数十道工序。其中，四大流程包括轮辋滚压成形、轮辐冲压成形、组装焊接以及涂装。 36jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 而每道工序对于最终产品都非常重要。目前，能够生产出合格乘用车钢轮产品的企业屈指可数，在国外已形成寡头垄断的格局。其关键技术主要有以下两点： 1) 轮辋滚压技术5。 轮辋产品制造的主要过程是将卷圆焊接的钢圈通过六道滚压工序成形。为了进一步减轻车轮质量以抵御铝轮的渗透，近年来国外一些车轮企业，除了将轮辋材料以高强度低合金钢或贝氏体钢取代传统的热轧低碳钢之外，在钢圈成形之前增加了旋压工艺，在原本厚度均匀的钢圈上旋压出几道较薄的槽，在轮辋槽底和轮缘受力较大的地方保持材料的原始厚度，而在受力较小的地方减薄材料厚度，从而有效地减轻轮辋的质量。轮辋旋压技术是国际钢轮行业的前沿技术之一，目前处在试验和改进阶段。这种技术一般可以使车轮产品质量进一步减轻 10%以上。magnet to wheels的法国工厂和hayes lemurs international的西班牙工厂开始投入小批量生产，日本topy和美国arvin merit or 称已掌握了这项技术。 2) 车轮轮辐是连接汽车轮毂和轮胎的主要支撑件， 也是决定车轮是否美观的关键部件。轮辐需要经过多次冲压方能成形，主要的工艺包括剪切落料、初拉伸、反向拉伸成形、切边、冲螺栓孔翻边、挤螺栓孔、冲风孔、挤毛刺等。就生产方式而言，欧美的车轮厂普遍采用多工位压机连续生产，其压机能力一般在 45005000t，生产节拍每分钟 1026 次，多采用 810 个工位，采用三坐标电子送料系统和快速换模系统，极大地提高了生产效率。个别企业采用单机连线的半自动生产方式，而国内企业尚处在单机手工送料的阶段。 目前的主流车轮都是采用先造出固定轮胎的轮辋和连接轮辋与轮毂的轮辐两个配件，然后将二者结合到一起的双轧结构。尽管有能够像铝合金那样进行铸造的整轧车轮，但钢制整轧车轮一直被认为是不可能成功的，德国 wf 公司率先成功地试制出整体式钢制车轮。首先，使轮盘和轮缘内侧作为一体进行成形。然后，利用辊子压制，使轮缘外侧发生隆起和分叉，即借用内侧材料的厚度形成外侧。然后，再利用辊子压到模具上，对形状和厚度分布进行修整。 wf 公司的此项工艺只须将圆钢板放入 1 台设备上，约 20 秒即可完成，而且不需焊接、 检查、 平衡等工序， 因此利用小型设备即可生产。 据预测， 成本可降低 20%。 冲压成形生产轮辐的工艺比较简单，早期采用多台单工位压力机分序成型的方法，后来采用多工位压力机在一台设备上连续完成。其模具也从早期的单工序模向多工序复合模发展。冲压成形的轮辐等壁厚，旋压工艺可获得变壁厚等强度结构轮辐，不仅可提高材料利用率和车轮寿命，而且可增加轿车高速行驶的安全性和可靠 46jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 性。旋压成形生产线的典型工艺包括落料、强力旋压、修边、冲孔等工序。旋压成形生产线的主机是数控旋压成形机，第一滚轮对坯料预旋压完成布料，第二滚轮将壁厚旋压至预定值。 中国车轮的生产工艺装备特别是模具的发展比较落后，滚压工艺与旋压工艺均有极大的发展空间。从国外的发展趋势看，旋压工艺虽然有生产效率低的缺点，但其加工精度高、可生产变截面等强度轮辋和轮辐、制件刚度大、回弹小等优点仍不容忽视，特别适合新产品开发和中小批量生产。 车轮模具的发展制约着车轮行业的规模和车轮的制造效率，提高车轮模具制造质量、技术和综合能力有助于我国加大车轮模具的市场占有份额。 1.2.3 冲压成型技术的发展方向 模具设计技术大多依赖个人的经验积累，模具设计长期以来一直依靠人的经验和机械制图来完成。自从 20 世纪 80 年代我国发展模具计算机辅助设计(cad)技术以来，这项技术已被大家认可,并且得到了越来越快的发展，已在模具制造中显示出了巨大的优越性。20 世纪 90 年代开始发展的模具计算机辅助工程分析(cae)技术，现在也已有许多企业应用，它对缩短模具制造周期及提高模具质量有着显著的作用。 除了模具 cad/cae/cam 技术之外，模具工艺设计也非常重要。计算机辅助工艺设计(capp)技术已在我国模具企业中开始应用。基于知识工程( kbe) 技术近年来已越来越受到重视。它是面向现代设计决策自动化的重要工具，已成为促进工程设计智能化的重要途径。kbe 技术作为一种新型的智能设计思想，将对模具的智能、优化设计产生重要的影响。 为了对各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都在研究新模型、新算法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、模具设计及制造紧密结合，开发一体化的集成技术，与cad、cam、capp、pdm、erp技术软件的渗透、协调能力加强，使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋势。 作为汽车行驶系中的重要部件，车轮起着承载、转向、驱动和制动等作用，其性能的好坏直接影响汽车行驶的安全性、操纵的稳定性、乘坐的舒适性等。同时对能源的消耗、轮胎的寿命和驾驶员的劳动强度也有较大的影响。我国加入wto后，汽车 56jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 工业的整体水平有了较大的提高，因此对汽车零部件的质量要求也必将会越来越高，车轮生产行业间的竞争也会愈加激烈。近几年来，随着计算机技术的飞速发展，以二维实体造型技术， 有限元分析技术， 计算机辅助制造技术为基础的零部件的结构设计、性能分析、运动仿真和模拟加工等得到了广泛应用，并形成了“cad/cae/cam”一体化技术。利用cad/cae/cam一体化技术对车轮进行结构设计、受力分析、寿命预测、性能优化、模拟加工等力一而的研究，从而在保证车轮的性能和使用要求的条件下，达到缩短车轮的开发周期，降低生产成本的目的。 1.3 冲压模具结构与分类 1.3.1 模具的作用及基本要求 模具的作用一方面是将压力机的作用力通过模具传递给金属板料，在其内部产生使之变形的内力。当力作用达到一定的数值时，板料毛坯或毛坯的某个部分便会产生与内力作用性质相对应的变形，从而获得满足一定性能要求及符合所需尺寸及形状的制品；另一方面，通过模具的作用，可以保证上下模之间的正确导向，并使坯料稳固的压紧与精密的定位，从而冲制出达到一定精度要求的冲件。 在生产实际中，模具的作用在于保证冲压件的质量、提高生产效率和降低成本等。为此，除了采用行之有效的工艺手段、进行正确的模具设计及选择合理的模具结构外，还必须以先进的模具制造技术作为保证。对于各类的模具制造，一般都应满足以下几个基本要求6。 1) 制造精度高 模具的精度主要是由冲件精度和模具结构的要求所决定的。为保证冲压件的精度，模具工作部分的精度一般要比冲件的精度高 23 倍；为此，对于组成模具的零部件也就要提出较高的要求。 如对于凸模和凹模之间的间隙， 必须要有严格的控制，并精确的保证期间隙的均匀性；对拉深凸模和凹模刃口部分的圆角要求保持相当准确的尺寸，零件其他的尺寸精度、导向精度、孔的位置精度也都必须达到规定的加工精度要求。并且还必须保证其装配质量。 2) 操作性能良好 将模具安装到冲床上时，其方法要简便，调整工作量要少，操作时送料定位要 66jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 快速、准确可靠，出料顺畅自如。在整个使用过程中，冲件的尺寸和形状变化极小，可以放心地进行生产。取出制件方便，无螺钉松动及模具零件破损等故障。 3) 使用寿命长 模具加工费用约占成本的 10%30%，其使用寿命的长短将直接影响到产品成本的高低、工艺部分负荷的轻重等。为了保证高效率的进行生产，都要求模具具有较长的使用寿命。 4) 制造周期短 模具制造周期的长短主要取决于制模技术和生产管理水平的高低。为了满足生产的需要，提高产品的竞争能力，必须在保证质量的前提下缩短模具的制造周期。在规定的时间内完成制造，且在规定的使用期间内，冲件的冲制能符合使用要求。 5) 模具成本低 模具的成本应该是生产单件（或千件）时所发生的模具费用。模具成本与模具结构的复杂程度、模具材料、加工精度和加工方法等有关。在设计和加工模具时，应根据实际情况做全面的考虑。即应在保证冲件质量的前提下，选择与冲件生产量相适应的模具结构和方便使用的零件制造方法，尽量降低模具的制造费用和维修费用。在不影响使用的前提下，模具结构应尽量简单、材料便宜、并尽量采用标准件，使模具成本降低到最低限度。 781.3.2 冲压模具结构冲压成形是现代工业产品生产中广泛应用的一种高效率加工方法。它是在常温下，把金属或非金属板料放入模具内，借助于压力机传给模具的压力对板料施压，使板料在模具压力作用下产生分离或塑性变形而成形为具有一定形状和尺寸精度要求的制件的工艺方法。冲压模具是冲压成形过程中必不可少的工艺装备，冲压模具的结构对成形制件的质量和尺寸精度以及成形过程的稳定性都具有重要影响。因此，冲压模具的结构必须满足成形合格制件的要求。实际生产中的冲压模具结构类型有很多，复杂程度各异。但通常的冲压模具结构，大致由以下几部分组成： 1) 工作零件 冲压模具的工作零件包括凸模、凹模、凸凹模等。这类零件工作时直接与板料接触，对板料作用一定压力以完成板料的成形过程。凸模的工作表面是与板料接触 76jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 的外表面部分，凹模的工作表面是其形孔的内表面。 2) 定位零件 冲压模具的定位零件，主要包括挡料销、定距侧刃、导正销、定位板、导向板等。 这类零件的作用主要是确定坯料相对于冲模的正确位置， 确保冲压制件的质量。 3) 卸料装置 卸料装置主要由卸料板、推件杆等组成。卸料零件的主要作用是卸除冲压后套在凸模上的制件或废料，保证下一工作行程的正常进行。 4) 导向零件 导向零件主要包括导柱、导套、导板等。导向零件的主要作用是保证冲压时，凸模与凹模之间具有准确的位置。导套多固定在上模座内，导柱则多固定在下模座内。 5) 支承零件 支承零件主要包括上、下模板、模柄、凸、凹模固定板、垫板等。支承零件用来连接固定工作零件，使之成为完整的模具结构。上模板工作时紧贴压力机滑块，并通过模柄与压力机滑块固定；下模板工作时直接固定在压力机工作台面或垫板上，垫板主要用以减低模板承受的单位面积的压应力。 6) 缓冲零件 缓冲零件包括弹簧、缓冲橡胶垫等。主要利用弹性元件的弹力，起卸料作用。 7) 紧固零件 紧固零件作用是用来连接、紧固各类冲模零件，使其成为一个整体。主要有各类螺钉、销钉等。同时，销钉还起牢靠的定位作用。 8) 压料装置零件 压料装置零件主要包括压料板、压料圈等。其作用是压住坯料或坯件，保证冲压时材料能顺利变形。 通常将工作零件、定位零件、卸料与推料零件统称为模具工艺零件；而导向、支承、紧固和缓冲零件则称为模具辅助零件。 86jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 1.3.3 冲压模具分类 根据不同的需要，冲压模具可分为以下几种主要类型。 1) 按照冲模完成的冲压工序性质 按照冲模完成的冲压工序性质，可将冲模分为两种类型，其中每种类型又可分为很多种不同结构。 a) 使材料产生分离变形的冲模：如落料模、冲孔模等。 b) 使材料产生塑性变形的冲模：如弯曲、拉深、翻边、冷挤压模具等。 2) 按冲模完成的工序数量和工作方式分类 这种分类方法，可将冲压模具分为四种主要类型。 a)简单冲模(又称单工序冲模)，它是在压力机一次行程中，只完成一个冲压工序的冲模。 b)复合模，是指在压力机的一次行程中(即毛坯一次送料)，可同时完成两个或两个以上不同冲压工序的冲模。 c)连续模(又称级进模)，在压力机几次行程中，连续完成两个或两个以上冲压工序的冲模。 d)自动冲模，是指带有自动送料、推料和排除废料等装置的能实现连续冲压的冲模。 3) 按冲模大小分类 有些领域中，由于冲模的大小差别较大，为便于组织生产、合理配置设备和使用管理等，常将冲模按其轮廓尺寸大小来进行分类：如汽车工业中，按冲摸下模板的长宽尺寸之和将其划分为大、中、小三种类型。其尺寸划分的界限为： a)当下模板的长、宽尺寸之和小于 1200 mrn 时，称为小型冲模。 b)在 12003000 mm 之间的称为中型冲模。 c)大于 3500 mm 的则称为大型冲模。 1.4 dynaform下拉伸成型件成型工艺的应用9101112板料冲压成形作为金属塑性加工的基本方法之一， 广泛应用于航空航天、 汽车、 96jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 家电等行业，在工业生产中占有极其重要的地位。近年来，随着板料成形理论的深入研究，以及先进制造技术、自动化技术、人工智能技术及系统集成技术的快速发展，冲压成形技术也在发生着深刻的变化。 随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展，冲压成形的计算机仿真技术日渐成熟，并在冲压工艺与模具设计中发挥着越来越大的作用。冲压成形过程的计算机仿真实质上是利用数值模拟技术，分析给定模具与工艺条件的板料变型全过程， 从而判断模具和丁艺方案的合理性。 成熟的仿真技术可以减少试模次数，在一定条件下还可使模具和丁艺设计一次合格从而避免修模。这就可以大大缩短新产品开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。 dynaform 是现在流行的板料成形分析软件中较为成功的一种， 其核心技术主要包括以下几个方面：(1)动力显式积分算法；(2)板壳有限元理论的研究；(3)本构理论和屈服准则；(4)接触判断算法和网格细化自适应技术；(5)多工步成形模拟技术；(6)cadcamcae 类软件之间的数据转换技术；(7)建立有限元模型的若干技巧；(8)板料冲压成形仿真模拟的一般过程。 dynaform 可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助；dynaform 专门用于工艺及模具设计涉及的复杂板成形问题； dynaform 包括板成形分析所需的与 cad 软件的接口、前后处理、分析求解等所有功能。目前，dynaform 已在世界各大汽车、航空、钢铁公司，以及众多的大学和科研单位得到了广泛应用，自进入中国市场以来，dynaform 已在长安汽车、南京汽车、上海宝钢、中国一汽、 海汇众汽车公司、洛阳一拖等知名企业得到成功应用。 106jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 2 车轮轮辐模具设计 2.1 轮辐成型工艺性分析2.1.1 制件结构分析13如图 2.1 所示为汽车轮辐零件，材料为 q235(a3 钢)，料厚 3.5mm，生产纲领为大批量生产。该零件结构非常复杂，需要多道工序才能加工完成，而各序之间相互影响较大，必须加以考虑。所以，其工艺方案的制定至关重要。 图 2.1 车轮轮辐零件 从零件图可以看出，该零件在底部有一个直径为54 的中心孔，四个需要挤压成型的 s17 的螺栓孔及四个工艺凸台，在零件的底侧面还有 16 个等距的通风孔。由于零件的形状极为复杂，工序又多，使得零件安装面的结构形状好坏将直接影响车轮在行驶时的稳定性、平顺性以及配套轮胎的使用性能和使用寿命。以上这些情况在模具设计时均应予以考虑。 116jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 2.1.2 轮辐加工工艺方案的确定1415围绕着该零件的技术难点和使用要求, 经过分析、探索, 并借鉴同种类型的车轮轮辐加工工艺, 该零件可以选择如下冲压工艺方案： 圆形件落料 - 轮辐拉伸成形 - 冲中心孔及螺栓孔 - 冲侧壁十六风孔 - 挤螺栓孔 - 切边。 由于该零件结构形状极复杂， 加工工序较多， 减少工序间的相互影响极其重要。该零件的形状复杂,成形时易起皱, 拉伸成形模上需考虑加压边装置；冲中心孔时,应保证不破坏拉伸成型的零件底部形状；孔的边缘变薄严重,容易出现裂纹,要求提高预冲中心孔的加工精度,减少孔边毛刺及加工硬化；冲中心孔及底部的螺栓孔和工艺孔后，冲侧壁十六风孔时,由于有较大的侧向应力存在,应避免中心孔及预冲的螺栓孔和工艺孔变形。 该零件的成形难点在零件的拉伸成形，轮辐零件拉伸成型的质量将一定程度上直接决定该轮辐零件的最终质量。拉伸成型结束后，冲中心孔、螺栓孔和冲十六风孔相对比较简单，并且可以保证其尺寸精度。因此本设计着重对拉伸成形模具的设计进行论述研究。对落料模、冲中心孔及螺栓孔和十六通风孔模、挤孔螺栓孔模等设计只做简要介绍。 2.1.3 零件毛坯尺寸的确定16因为该零件为中心对称的筒形件，因此坯料可直接为圆形，根据复杂形状旋转体零件的坯料求解公式进行坯料尺寸计算，具体方法是：把形成旋转体的绕轴母线分为若干直线或圆弧 , ，找出每一段母线的重心，并求出每段母线重心到轴线的旋转半径之后求和，据等面积原理和重心法原理，毛坯直径为： 1l2lnl18ni iidl=r (2.1) 将如图2.2所示尺寸代入式(1)得圆形毛坯直径为449mm。 还可利用有限元软件，将零件导入有限元软件 dynaform 之后利用 bse 模块， 进行坯料反求得其坯料尺寸。此外，坯料尺寸还必须进行拉伸成形模试验进一步修正，再切割毛坯进行试验。一 126jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 般经过 13 次修正即能满足要求。 图 2.2 毛坯尺寸计算 2.2 拉伸模具设计172.2.1 工艺分析 该工序可采用一次拉伸成型或两次拉伸成型，经分析可采用一次拉伸成形，冲压出来的零件不但能满足设计的要求，且生产效率比两次拉伸成形高。 1) 计算毛坯直径 毛坯尺寸在 2.1.3 中以计算得毛坯直径为 449mm。 2) 判断拉伸次数 757. 0449/6 .340d/d=总m工 件 总 的 拉 伸 因 数。 毛 坯 的 相 对 厚 度t/d=3.5mm/449mm=0.0077。 136jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 查模具设计简明手册知该拉伸模需要加压边圈。 查模具设计简明手册得首次拉伸的极限拉伸因数为=0.540.56。 1m因，所以工件只需一次拉伸成型。 1mm总2.2.2 进行必要的计算 1)计算压边力、拉伸力 a)由文献 计算压边力 p24212+=）（凹rddfn （2.2） 查冲压模具简明手册表 4.19，取单位压边力 p 为 3mpa mm5=凹r其中 d=449mm， ，mmd6 .3401= 将以上数据代入公式 2.2，则有 p24212+）（凹rdd3526 .340449422+）（nf = =186 282n b)计算拉伸力 由于待加工零件是采用带压边圈的圆形件，则由冲压模具简明手册表知 11maxktdfb= (2.3) 其中 t=3.5mm，mm 6 .3401=d由冲压模具简明手册查得修正因数 kt=0.5，q235 钢的强度极限是 470mpa。 将以上各参数代入公式 2.3 得拉伸力为 11maxktdfb= 45. 0*470*5 . 3*6 .340*=879 650.5n c)压力机的公称压力为： )ff4 . 1maxn+（压f=1.4*(186282+879650)=14923054n 故压力机的公称压力要大于 1500kn 146jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 2) 模具工作部分尺寸计算 a)拉伸模的间隙 由模具设计简明手册表 4.53，查得拉伸模的单边间隙为： z=(1.31.5)t=1.4*3.5=4.9mm 则拉伸模的间隙为 z=9.8mm。 b)拉伸模的圆角半径 凹模的圆角半径=（46）t=15mm，凸模圆角半径按工件实际形状计算。 凹rc)凸、凹模工作部分的尺寸和公差。由于工件要求外形尺寸，则以凹模为设计基准。 凹模尺寸： (2.4) dddd0)75. 0(=0(2 )ppdddz= 凸模尺寸： (2.5) mmp140. 0=mmd20. 0=查模具设计简明手册表 4.56 得， ，把 d=340.6mm，代入式(2.4)，得凹模尺寸为： 0.4mm =mmdd2 . 002 . 002 .339)4 . 075. 06 .340(+= 将，z=3.5mm，代入式(2.5)，得凸模尺寸为： mmdd2 .339=mmdp0140. 00140. 04 .329)9 . 422 .339(= 2.2.3 模具主要零部件结构设计 模具的工作零件、定位零件、压料和卸料零件、导向零件、连接和紧固零件、弹簧、零部件等首先按冷冲模国家标准选用，若不能按标准选择，则可对其进行设计。设计计算确定凹模的结构尺寸后，可根据凹模周界选用标准模架。模具的闭合高度、轮廓大小、压力中心等应与所选用设备相适应。 1) 外活动凹模设计 该凹模的内形尺寸在 2.3.2 中以计算得出为 339.2mm，由于轮辐材料为厚钢板，所需的变形力比较大，模具必须有足够强度和刚度。所以选择该凹模的外型尺寸为 156jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 480mm，高度为 60mm。 该凹模通过固定螺钉固定于上凹模固定板上，通过固定于上模板的凹模固定板与上模座连接。 2) 上凹模固定板设计 固定板外形和内形尺寸应与凹模尺寸相对应，选取其厚度为 70mm，其通过内六角固定螺钉于上模座连接，同时为保证其定位精度，上模座与固 图 2.3 上模固定座图 定座间采用圆柱销定位，以保证其位置的准确性。同时，上凹模固定板上还应有连接凹模的螺栓孔。因此，需要合理布置各孔位置，孔的分布如图 2.3 示。 3) 凹模设计 活动凹模通过卸料螺钉和弹簧与上模板连接， 内活动凹模高度为 80mm(外圆角中心处)，内活动凹模高度与凹模高度相对应，以保证零件形状。其中，内活动凹模用的弹簧在自然状态下应使内活动凹模比凹模凸出 10mm。内活动凹模和凹模的结构形式如图 2.4、2.5 所示。 当上凹模处于自由状态时，内活动凹模较外活动凹模处于较低位置。这样，当滑块带动上模下降时，内活动凹模首先与板料接触，能起到一定的压料作用，从而保证制件的质量。当拉伸完成时，滑块带动上模上移，直壁凹模在上模固定座的带动下向上移动，而活动凹模则在压缩弹簧的作用下不动，使拉伸件不能停留在凹模内，这样，就可以保证拉伸件肯定会脱离凹模，达到卸料的目的。 166jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 图 2.4 内活动凹模 图 2.5 凹模 4) 凸模设计 因凸模尺寸较大，也将其设计成镶块结构。其中外凸模与外活动凹模尺寸形状相对应，其厚度为 50mm(外圆角中心处)，内凸模与内活动凹模形状尺寸相对应。外凸模固定于下模固定板然后与下模座相连，凸模底部有一厚度为 10mm，宽度为10mm 的环形槽，以保证其与下模固定板之间的定位。2.6、2.7 所示。 图 2.6 外凸模 图 2.7 内凸模 5) 压边结构设计 本模具压边采用半固定压边装置，压边圈外圆尺寸与凹模外型尺寸相同，内圆尺寸为340 mm，厚度为 50mm，压边圈由卸料杆和弹簧相连接，同时起到压料和卸料作用。同时，其外边缘处有一环形凹槽，以放置压边圈调整板，以便对轮辐料厚不一进行控制，保证压边力均匀一致。调整板厚度为 14mm，高度为 16mm，调整板通过螺钉与之固定。 176jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 2.2.4 模具架标准件选用 冲模模架由上、下模座及导向装置（导柱与导套）组成。根据上、下模座材料性质分为铸铁模架与钢板模架两种，根据导向装置中导柱与导套间的摩擦性质，模架又可分为滑动与滚动导向模架两大类。每类模架中又可由导柱的安装位置及导柱数分为多种。 本模具模架设计采用按国标(gb/t2855.11)选用铸铁中间导柱模架。 其凹模面积是导套间的有效区域，其具有导向精度高、上模座在导柱上，运动平稳的特点 。模架结构如图 2.8 所示。 图 2.8 模架结构图 根据凹模周界为480mm，因此选用模架500 500 320 360 其中： 1)上模板为() mmmmmm55500500) 2)下模板为(mmmmmm655005002.2.5 模具闭合高度计算 模具闭合高度为： sxtahhhhhh=+模d (2.6) 其中， 为上模座厚度(mm)，shxh 为下模座厚度(mm)， 为凸模厚度(mm)， 为凹模厚度(mm)， 为调垫板厚度(mm)。 thahdh将，mmhs55=mmhx65=mmht50=，80ahmm，hmma50=代入式(2.6)= 186jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 得闭合高度为： 300mmh模= 2.2.6 压力机的选择 压力机的选择主要包括类型和规格选择。压力机类型的选择主要依据所要完成的冲压性质、生产批量、冲压件的尺寸及精度等。压力机规格的选择主要依据冲压件的尺寸、变形力及模具尺寸等，选择压力机规格时主要选择压力机的公称压力、闭合高度等参数，闭合高度要在模具零件设计完之后，进行必要的校核再确定具体尺寸。 1) 公称压力的选择 拉伸时，所选压力机的公称压力要大于拉伸力的总和，即 0pf压 其中，所以，本压力机的公称压力可初选为 1600kn，选择型号为闭式单点单动压力机，其标称压力为 1600kn。 nf1500=压2) 闭合高度 压力机的闭合高度是指滑块在下死点时，滑块底面到工作台上平面之间的距离。 a) 压力机的闭合高度可以通过调节连杆长度来改变其大小，将连杆调至最短时，闭合高度最大，称最大闭合高度。将连杆调至最长时，闭合高度最小，称最小闭合高度。标称压力为 1600kn 闭式单点单动压力机最大装模高度为 450mm，装模高度调节量为 200mm，故最小闭合高度为 250mm。 b)模具的闭合高度是指模具在最低工作位置时，上模座上平面至下模座下平面之间的距离。它与压力机的配合应该遵守下列关系 hmax-5 h hmin+10 (2.7) 压力机上设置垫板，将模具闭合高度代入式(2.7)得模具的闭合高度为： 445h 260 其中，hmax压力机的最大闭合高度 mm， hmin压力机的最小闭合高度 mm， h模具的闭合高度 mm； 196jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 c)压力机工作面尺寸应大于下模周界 5070mm， 所选型号压力机的工作台面尺寸（前后左右）为 800800mm，远远满足要求。 d)模具的压力中心应与冲床滑块轴线重合，否则冲模在工作中就会产生偏心负荷弯矩，模具发生歪斜，导向机构不均匀磨损，直接影响模具寿命和冲压件质量。此拉伸零件为轴对称零件，其压力中心就是工件的对称中心。凹模中心、下模座及模柄中心应该在一条直线上。 2.2.7 模具的总体结构 针对拉伸中可能出现的问题 ，在成形模上增加了压边圈 ，同时增加压制停留时间，能有效地解决拉伸中出现的问题。由于零件是以原点对称的，故毛坯各部分能均匀地进入凹模，但零件容易在凹模内卡紧，有时无法靠弹性卸料自动弹出，为了防止零件在凹模中卡紧我们将拉伸模改为凹模在上的倒装结构，并采用卸料螺钉卸料，冲压出来的零件能够满足设计的要求。 1.上模座 2.导柱 3.导套 4、12.定位销 5、13、18、24、25 固定螺钉 7、27 卸料螺钉 8、26 弹簧 9.模柄 10.只转销 11.活动凹模 14.导柱 15.导套 16.凹模 17.定位圈 19.压边圈 20.下模座 21.外凸模 22.调整板 23.内凸模 28.凹模固定板 29.外凹模 图 2.9 由于该零件结构复杂，且尺寸较大，因此，该模具的凸、凹模不能设计为整体结构， 应采用凸、凹模镶块结构，镶块结构，有利于模具维修及镶块更换。其中， 206jj15 轮辐拉伸成形工艺研究 凸模有两个环形镶块组成，凹模由三个环形镶块组成。 模具结构图拉伸成形模具结构如图 2.9 所示，由于轮辐材料为厚钢板，所需的变形力比较大，模具必须有足够强度和刚度。模架采用中间式导柱，下模板放在垫铁上，构成空腔以放置推料板，凹模固定板 28、凹模 16、活动凹模 11 和外凹模 29构成凹模腔，活动凹模还兼卸料作用，能在凹模腔内靠压缩弹簧作用上下移动，活动凹模 11 装有 3 个压缩弹簧。当上模在自由状态时，活动凹模 11 较凹模 16 伸出一段距离，在压缩弹簧 8 作用下，起到了预先压料作用，并能防止轮辐翘起，限制轮辐轴向位移，且卸料时，活动凹模 11 较凹模 16 继续下降一段距离，保证轮辐零件能够顺利脱离凹模。外凸模 21、内凸模 23、调整板 22 固定于下模座上，当下模在自由状态时，将轮辐放置在压边圈 19 上使其定位，凸模外径处的压边圈 19 与凸模采用较精密的配合，以保证压边圈上下精确运动，并起到卸料作用。调整板 22用于轮辐厚度限位，以便对轮辐料厚不一进行控制，保证压边力均匀一致。 2.2.8 模具工作过程 模具工作时，上模固定于 1600 kn 压力机滑块中，下模安装于工作台上。开动冲床，使工