汽车覆盖件冲压成型

1、l1.1 汽车车身设计l1.2 汽车覆盖件冲压成型特点l1.3 汽车覆盖件冲压生产设备l1.4 汽车覆盖件冲压技术发展方向l随着社会的快速发展，汽车已成为人类社会活动中不可缺少的工具，汽车工业已成为许多工业发达国家的支柱产业。l汽车覆盖件的生产是汽车制造的一个重要生产过程。 在板材冲压成形技术中，以汽车覆盖件为主要代表的大型薄板零件的冲压成形技术已发展成为一个很重要的组成部分。l1.1.1 汽车车身制造过程l1.1.2 汽车覆盖件在车身上的位置l1.1.3 汽车覆盖件冲压是冲压技术的重要组成部分l在汽车构成中，车身和底盘、发动机一起被称为汽车的三大部件，已越来越受到人们的重视。l 从汽车发展趋

2、势来看，人们对汽车的安全性、舒适性、新颖性以及豪华档次等特色的要求将越来越高，而这些特色很多要通过汽车车身来体现。l汽车车身是一个形状复杂的空间薄壁壳体。l轿车、微型车、小型客车以及载货汽车的驾驶室等都属于无骨架车身。它是以冲压成某种形状的冲压件或几个冲压件焊接后具有某种截面形式而作为骨架，以增加车身刚性和强度。无骨架车身的生产流程如图1-1l汽车覆盖件主要是指构成驾驶室和车身的表面零件，也包括覆盖发动机和底盘的某些表面零件。l包括外覆盖件和内覆盖件。l 外覆盖件是指人们能直接看到的汽车车身外部的裸露件。l 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

3、接看到。l图1-2就是轿车白车身结构及覆盖件示意图。l在汽车覆盖件图上，为了表示其在汽车上的位置和便于标注尺寸，通常每隔100mm或200mm画出三个方向的坐标线，三个坐标的基准为：l前后方向 以前轮中心为零，前后方向向后为正，向前为负；l上下方向对于轿车：以前轮中心为零，向上为正，向下 为负；对于载货车： 以纵梁上表面为零，向上为正，向下为负；l左右方向以汽车对称中心为零，左右不分正负。l汽车覆盖件多是尺寸大、形状复杂的三维曲面，生产汽车覆盖件所用的冲压设备、模具和原材料都与一般冲压件生产有所不同。l汽车覆盖件冲压成形技术在冲压成形领域中占有重要地位。l汽车工业的发展还大大促进了钢板制造技术

4、的发展。l1.2.1 汽车覆盖件的质量要求l1.2.2 汽车覆盖件结构特点l1.2.3 汽车覆盖件成形特点l一般来说，汽车覆盖件应满足以下要求：l1）尺寸精度l2）形状精度l3）表面质量l4）刚性好l5）良好的工艺性l典型汽车覆盖件从结构形状及尺寸上看，这类零件的主要特点有：l1）总体尺寸大l2）相对厚度小l3）形状复杂l4）轮廓内部带有局部形状l汽车覆盖件的要求和结构特点决定了其汽车覆盖件的要求和结构特点决定了其冲压成形特点。冲压成形特点。l（1）一次拉深成形l 对于汽车覆盖件来说，由于其结构复杂、变形复杂，都是采用一次拉深成形的方法。l（2）拉胀复合成形l汽车覆盖件的成形过程中的毛坯变形不

5、是简单的拉深变形，而是拉深和胀形变形同时存在的复合成形。l（3）局部成形l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模。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。l（4）变形路径变化l汽车覆盖件冲压成形时，内部的毛坯不是同时贴模，而是随着冲压过程的进行而逐步贴模。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。l由汽车覆盖件的冲压生产特点所决定，由汽车覆

6、盖件的冲压生产特点所决定，所用生产设备及其自动化也有其特点。所用生产设备及其自动化也有其特点。l一、拉深工序多采用宽台面双动压力机l二、广泛采用单动宽台面多点压力机l三、广泛采用冲压生产线l四、冲压生产线的自动化l五、废料处理方式l一、拉深工序多采用宽台面双动压力机l 双动压力机有分别运动的内、外两个滑块，内滑块提供拉深成形力，外滑块提供很大而稳定的压边力，有利于拉深过程中压边力的控制。因此，汽车覆盖件的拉深工序广泛采用（10000-20000）N的双动压力机。l二、广泛采用单动宽台面多点压力机l由于汽车覆盖件轮廓尺寸大而材料厚度小，所需台面尺寸较大，在修边、校形、翻边、冲孔等工序的偏心力较大

7、，因而广泛采用宽台面多点压力机。同时为了缩短换模时间，广泛采用带活动工作台面的压力机。l三、广泛采用冲压生产线l汽车车身生产都是大批量生产，为提高生产效率、稳定质量，一般采用冲压生产线方式生产。冲压生产线的设备一般按工艺流程，通常以双动压力机为首，加上4-5台单动宽台面压力机组成。排列方式多采取贯通式纵向排列，也有采用压力机横向排列的。l四、冲压生产线的自动化l 冲压生产的机械化和自动化主要表现在：l（1） 坯料准备，使用卷材、带料，实现卷材的开卷、校平、落料自动化；l l（2）大型覆盖件，形成 不同型式的冲压自动线和机械化冲压生产线；l（3）小型冲压件，大量采用连续或自动冲模，采用高速压力机

8、实现冲压生产的高速化；l（4）废料排除，采用废料处理的自动化系统。l五、废料处理方式l 废料处理的一般过程为：废料处理的一般过程为：l1）废料的收集。从压力机冲模上顺序下来的废料通常都采用由冲压设备旁的斜槽自动经设在压力机前后地面上的废料洞口下的滑槽滑入地下输送带上；l2）由地下输送带将废料送处理车间；l3）用打包机打包成块；l4）将压好的废料块由专用运输车送出。l下图是为地下的冲压废料处理系统示意图l 目前，汽车覆盖件冲压理论和技术的发展方向主要有以下方面：l1.汽车覆盖件冲压成形理论的研究l2.新型汽车覆盖件冲压材料的研究l3.计算机辅助设计与制造l汽车覆盖件所用材料除了要保证足够的强度和

9、刚性以满足覆盖件的使用性能外，还要求必须满足冲压工艺的要求。l 一方面应通过产品设计提高冲压件的结构工艺性来改善冲压过程中材料的变形条件，以降低对材料的质量要求。l另一方面应选择具有适当冲压成形性能的材料，以适应冲压过程的变形要求，保证制件质量。l2.1 汽车覆盖件常用板材l2.2 板材性能及实验方法l2.3 板材性能参数与成形性的关系l2.1.1 加磷铝镇静钢板l2.1.2 加磷铝镇静烘烤硬化钢板l2.1.3 超深冲IF冷轧钢板l2.1.4 镀锌钢板l冷轧钢板的分类lA.按冲压级别分lB.按强度级别分 最复杂拉深级（ZF） 很复杂拉深级（HF） 复杂拉深级（F） 最深拉深级（Z） 深拉深级（

10、S） 普通拉深级（P） 普通强度 高强度 超高强度 l 加磷铝镇静钢板的特点：l（1）强度高l（2）较好的塑性l（3）板厚方向抗变形能力强l（4）烘烤硬化性能l含磷冷轧钢板的冲压性能l烘烤硬化钢板（BH钢板），在冲压成形前具有较低的屈服强度，经冲压成形中拉伸变形后，进行高温时效处理，钢板的屈服强度可以得到一定程度的提高。l硬化机理：冷轧退火钢板中的碳、氮原子以间隙固溶状态存在，钢板经预变形，导致基体内位错密度增加，碳、氮原子向位错扩散的距离缩短。高温时效处理使碳、氮原子扩散的热激活能提高，并在位错处聚集，钉扎位错。l常规拉伸试样在预变形7.5%的屈服应力与随后100度加热30min后的屈服应力

11、的差值称为时效指数，用AI表示。lAI与BH存在线性关系，BH值越大，AI值越高。l在超低碳钢（C=0.005%，N=0.004%)中，加入足够量的元素钛和铌，使钢中的碳、氮原子完全被固定成碳、氮化合物Ti(C、N)，Nb（C、N），钢中无间隙固溶原子存在，这种钢称为“无间隙原子钢”，即IF钢。lIF冷轧钢板l的优点： 1.杂质元素（Si、Mn、P、S）少 2.屈服点低和低屈强比。 3.塑性伸长率大。 4.硬化指数n值和厚向异性系数r值高 使其具有很优异的深冲性能。 5.无失效性（时效指数AI=0）l 为提高覆盖件的耐腐蚀性能，镀锌钢板在轿车上得到越来越多的应用。l镀锌钢板 电镀锌钢板（含一般

12、电镀锌钢板和 合金电镀锌钢板） 热镀锌钢板（含一般热镀锌钢板和 合金热镀锌钢板） l板材冲压性能是指板材对各种冲压加工方法的适应能力，如便于加工，容易得到高质量和高精度的冲压件，生产率高，不易产生废品等。l板材冲压性能l 实验方法l直接试验中，板材的应力状态与真实冲压时基本相同，所得结果也比较准确；l间接试验时板材的受力情况与变形特点都与实际冲压时有一定的差别。所以，所得的结果也只能间接地反映板材的冲压性能，有时还要借助于一定的分析方法才能做到。 直接实验 间接实验l常用的方法为：直接试验中的模拟试验和间接试验中的拉伸试验。l拉伸试验是在拉伸试验机上对板材试样进行拉伸变形的试验l以上左图是标准

13、拉伸试样，右图是试样的拉伸曲线。l拉伸试样性能参数l 衡量汽车覆盖件板材性能时常用的有以下几种参数： 1）屈服点s 2）抗拉强度b 3）屈强比s/ b 4) 均匀伸长率u和均匀应变j 5）总伸长率和总应变k 。 6）硬化指数n。 7）厚向异性系数r。 8）板面内方向异性系数 r。l1）屈服点sl是指板材在由弹性变形开始进入塑性变形时的应力，其数值为拉伸曲线上屈服平台的力Fs与试样原始截面积A0之比。l2）抗拉强度bl是指板材试样拉伸时的拉伸力达到最大值时的应力，其数值为最大拉伸力Fmax与试样原始截面积A0之比。l3）屈强比s/ bl是指屈服强度与抗拉强度的比值。它是一个无量纲参数。l4) 均

14、匀伸长率u和均匀应变jl是指板材试样在产生局部塑性变形（缩颈）时的延伸长率和真实应变。在拉伸曲线上，对应抗拉强度的取点。其值为：l 5）总伸长率和总应变k 。 l是指板材试样在被拉断时的伸长率和应变。l 6）硬化指数n。表示在塑性变值形中材料硬化的强度。 7）厚向异性系数r。 它是板材拉伸试样在拉伸试验中宽度方向应变与厚度之比。 l厚向异性系数的平均值l8）板面内方向异性系数 r。l拉深成形试验最常用的是Swift杯形试验，简称Swift试验。l极限拉深比l确定出不发生破裂所l能拉深成杯形件的最l大毛坯直径与凸模直l径 之比，此比值称为l极限拉深比。通常用lLDR 来表示。l艾里克森试验（杯突

15、试验）： 进行 试验时，将备好的试样放在凹模平面上，并用压边圈压住，球形凸模以0.10.3mm/s的速度压下，压至材料开始产生能透光的裂缝时，测量凸模压入的深度。如图;l福井锥杯成形试验：进行试验时，将试样水平地放入试验模具的凹模内，不加压边力，凸模下行进行成形试验。当试样发生破裂时（表现为成形力开始下降），停止试验并取出试样。测量其锥杯口的最大直径和最小直径。取平均值作为锥形件成形值，称CCV值。l成形极线图（简称FLD）表示板材在不同的应力状态下的变形极限。l制作FLD的试验方法 半球形凸模胀型法 圆柱形凸模胀型法l1.方板对角拉伸试验l YBT-1试验简单方便，所得到的皱高hb可以表示板

16、材抗不均匀拉力起皱的能力，hb 越小，板材的抗不均匀拉力起皱的能力越强。l YBT-2主要用来研究加载方式、加载路径等对板材起皱的影响，需要专用的试验设备。l2.切应力起皱实验l切应力起皱试验模拟毛胚某些区域受拉力不仅不均匀而且不能同轴平衡的情况。 A.单向对角拉伸（YBT-1） B.双向对角拉伸（YBT-2）l一、拉伸试验性能参数与冲压成形的关系l1.屈服点sl 屈服点越小，越易屈服，变形抗力小，贴模性能和形状冻结性能好，有利于提高形状精度。l2.屈强比s/ bl屈强比小，变形区较容易进入塑性变形状态，而传力区却不容易产生破裂，从而可以提高成形极限。l3.均匀伸长率ulu与板材的艾利克森值也

17、成正比例关系。所以，具有很大胀形成分的汽车覆盖件钢板要求具有较高的u值。l4.硬化指数nlN越大，应变均化能力强，局部变薄减弱，极限变形参数增大。l5.厚向异性系数rl r值越大，板材抵抗变薄的能力越强。l6.板面内方向异性系数RlR越大性能差异越大。l7.X1和X0.05值l x1和x0.05值表示材料在不同的应力状态下的抗拉强度的变化。l二、LDR、IE和CCV值与冲压成形性的关系lLDR反映了板材在拉深时的冲压性能，LDR越大，拉深性能越好。lIE值反映了板材在胀形成形时的冲压性能，IE越大，胀型性能越好。lCCV反映了板材在拉深-胀型复合成形时的冲压性能，CCV越大，拉深-胀形性能越好

18、。l三、冲压成形类别与板材性能指标l 不同变形性质的冲压成形对板材的冲压性能的不同参数的相关程度也不同。l硬化指数n和厚向异性系数r等材料性能参数对极限拉深深度都有不同程度的影响。l3.1 汽车覆盖件的结构特征l3.2 覆盖件冲压成形的变形特点l3.3 变形分析方法l3.4 汽车覆盖件变形趋向性控制l3.5 变形过程计算机数值模拟l汽车覆盖件的结构特征：l l结构l特征 法兰形状 轮廓形状 侧壁形状 底部形状 A、平面法兰 B、上凸形法兰 C、下凹形法兰 D、多平面法兰 E、综合性法兰 F、圆形轮廓 G、椭圆形轮廓 H、长圆形轮廓 J、矩形轮廓 I、局部内凹形轮廓l变形特点：l1.冲压件的法兰

19、形状la 平面法兰：毛坯的流动速度、变形量、变形分布等随着内轮廓的变化而变化。lb上凸形法兰：压料面上的材料在向凹模内流动时，流动速度不均匀，且流动方向不垂直于凹模口。lc 多平面法兰： 材料容易流入凹模，但不易产生塑性变形，对高平面法兰部分的材料有带动流动作用。材料内产生剪应力和剪应变。ld 综合性法兰：由多个平面、曲面组合而成。l2.冲压件的轮廓形状la.圆形轮廓:若法兰和底部均为平面形状，且侧壁为轴对称，那么在同一圆周上，变形是均匀分布的，法兰上毛坯产生拉深变形；若法兰形状为非平面，则变形随着法兰的变化而变。lb.椭圆形轮廓：曲率越大塑性变形越大。lc. 长圆形轮廓：圆形部分以拉深变形为

20、主，直边部分以弯曲变形为主。ld. 矩形轮廓：直边部分以弯曲变形为主，转角部分以拉深变形为主。le.局部内凹轮廓：内凹部分为两向伸长变形，其它部分为拉深变形。l3.侧壁形状la.直壁：传递变形力，一般不产生塑性变形。lb.斜面侧壁：不同部位变形特点不完全相同。lc.台阶侧壁：一般为胀形，利于提高表面质量。l4.底部形状l除平面底部一般不产生塑性变形，其余一般开始产生胀形变形。l一、一、“分解综合分解综合”分析法分析法l原理： 把一“分解个汽车覆盖件“分解”成若干个基本形状，先分别分析这些基本形状的变形特点，然后把这些基本形状综合起来，并考虑各基本形状之间的相互影响，总结出该冲压件的冲压变形特点

21、及各种因素对成形的影响。l二、坐标网分析方法二、坐标网分析方法l原理：一般都把板材冲压成形时的受力状态作为平面应力来处理，只要知道板材平面内的两个主应变方向的应变，就可以计算出三个主应力通过测量坐标网随板材变形而变化的网目尺寸，并进行计算，可以获得有关板材变形和应力的大小、分布等重要信息，研究毛坯的变形状态、变形路径、破坏时的极限应变、起皱时毛坯变形的分布等l冲压变形趋向性的基本规律：l 在同一冲模外力直接作用下毛坯的传力区与变形区都有产生某种方式的塑性变形的可能，即都具有某种塑性变形的趋向。但是，由于受模具外力作用的各区几何形状与受力方式的不同，在所有可能产生的变形方式中，需要变形力最小的部

22、分以所需变形力最小的变形方式首先变形。l 实现变形趋向性控制的措施： a. 改变冲压件的结构形状及尺寸 b. 改变工艺流程顺序 措施 c. 改变压料面作用力的大小及分布 d. 改变毛坯的贴模过程 e. 改变冲压成形条件 1. 应用于板材成形过程模拟的有限元方法是大变形弹塑性有限元法。l2. 有限元法主要有准静态隐式算法和动态显式时间积分算法二种。由于冲压成形的压床速度较慢，成形过程属于准静态变形过程，运用隐式算法求解较为合理。l4.1 拉深方向的设计l4.2 压料面的设计l4.3 工艺补充部分的设计l一、拉深方向对拉深成形的影响l拉深方向是否合理，将直接影响：la. 凸模是否能进入凹模lb.

23、毛坯的最大变形程度lc. 是否能最大限度地减小拉深件各部分的深度差ld. 是否能使各部分毛坯之间的流动方向和流动速度差比较小le. 变形是否均匀lf. 是否能充分发挥材料的塑性变形能力lg. 是否有利于防止破裂和起皱等质量问题的产生。l二、选择拉深方向的原则：l1）保证能将拉深件的全部空间形状一次拉深出来，不应有凸模接触不到的“死区”，即要保证凸模能全部进入凹模。l2）尽量使拉深深度差最小，以减小材料流动和变形分布的不均匀性。l3) 保证凸模与毛坯具有良好的初始接触状态，以减少毛坯与凸模的相对滑动，有利于毛坯的变形，并提高冲压件的表面质量。l4) 有利于防止表面缺陷。l一、压料面的作用与对拉深

24、成形的影响lA. 压料面的作用：通过压料面的变化，可以使拉深件的深度均匀，毛坯流动阻力的分布满足拉深成形的需要。lB.对拉深件的影响： 直接影响到压料面毛坯向凹模内流动的方向与速度，毛坯变形的分布与大小、破裂起皱等问题的产生。 压料面设计不合理，还会在压边圈压料时就形成皱折、余料、松弛等。l二、压料面设计原则l1）压料面形状尽量简单化，以水平压料面为最好。l2）水平压料面应用最多 ，其阻力变化相对容易控制，有利于调模时调整到最有利于拉深成形所需要的最佳压料面阻力状态。l3）压料面任一断面的曲线长度要小于拉深件内部相应断面的曲线长度。l4）压料面应使成形深度小且各部分深度接近一致。l5）压料面应

25、使毛坯在拉深成形和修边工序中都有可靠的定位，并考虑送料和取件的方便。l6）当覆盖件的底部有反成形形状时，压料面必须高于反成形形状的最高点。l7）不在某一方向产生很大的侧向力。l工艺补充：是指为了顺利拉深成形出合格的制件、在冲压件的基础上添加的那部分材料。l一、工艺补充的作用与对拉深成形的影响l工艺补充部分制定的合理与否，是冲压工艺设计先进与否的重要标志，它直接影响到拉深成形时工艺参数、毛坯的变形条件、变形量大小、变形分布、表面质量、破裂、起皱等质量问题的产生等 内工艺补充（不增加材料消耗） 外工艺补充（增加了材料消耗）l三、常见工艺补充类型l其中尺寸应考虑：（1）在进行模具压料面或拉深筋鏪的的

26、修理时不能影响到修边线（2）保证修边模的凸模和凹模有足够强度。（3） 凸模圆角和凹模圆角的大小要有利于毛坯的变形和塑性流动等。l二、工艺补充设计原则 1. 内孔封闭补充原则 2. 简化拉深件结构形状原则 3. 保证良好的塑性变形条件 4.外工艺补充部分尽量小 5.对后工序有利原则 6. 双件拉深工艺补充l5.1 压料面作用力l5.2 拉深筋在覆盖件拉深成形中的作用l5.3 常用拉深筋l5.4拉深筋设计l作用： 在压料面上产生很大的阻力以满足毛胚塑性变形和塑性流动的要求。利用拉深筋可以在较大范围里控制变形区毛坯的变形大小和变形分布，抑制破裂、起皱、面畸变等多种冲压质量问题的产生。l实际冲压工艺设

27、计时必须考虑：l1.是否需要布置拉深筋l2.怎样布置拉深筋l3.采用哪种形式的拉深筋l压料面作用力：l凹模和压边圈作用在毛坯上的力，就是凹模的上表面（即凹模压料面）和压边圈下表面（即压边圈压料面）作用在毛坯上的力。l压料面作用力大小 成形过程中的流动速度的大小l一、覆盖件结构形状对压料面作用力的要求l1.覆盖件轮廓形状与压料面作用力l2.侧壁形状与压料面作用力l3.法兰形状与压料面作用力l4.拉深深度与压料面作用力l5.内部形状成形与压料面作用力l直线轮廓部位压料面上的毛坯产生塑性变形和流动所需要的压料面作用力较小。l外凸形轮廓产生拉深变形，曲率越大，所需的塑性变形力也越大，故所需压料面上产生

28、的压料面作用力随轮廓曲率的增大而增大l内凹形轮廓产生胀形变形，曲率越大，所需塑性变形力越大，故所需压料面上产生压料面作用力随轮廓曲率的增大而增大l2.侧壁形状与压料面作用力l在其他条件相同时，直壁部分压料面上的毛坯流入凹模时的弯曲变形力比斜壁时要大，所需压料面作用力也大。具有直壁的部位不容易产生起皱。l3.拉深深度与压料面作用力l拉深深度较大时，所需毛坯也大，所需压料面作用力也随之增大。l4.内部形状成形与压料面作用力l当覆盖件上的内部形状在拉深一开始就产生变形时，要求模具压料面上的压料面作用力增大l5.法兰形状与压料面作用力l法兰为平面时所需的压料面作用力比较适中，容易控制。l冲压件的法兰为

29、曲面时，在曲面压料面（上凸形和下凹形）上，毛坯在产生板面内的塑性变形的同时，还要产生一定程度的面外弯曲变形，并使毛坯在向凹模内流动时所需的变形力增大。这种压料面的压料面作用力也较大。l冲压件的法兰在切向方向为倾斜面时，在倾斜的压料面上及不同类型的压料面的过渡区域，切向的流动阻力较小，毛坯容易向位置较低的部位产生切向流动，形成材料的集中或堆积，造成这些部位的压料面作用力突然增大，并可导致破裂产生。l二、毛坯的材料性能对压料面作用力的要求l材料的屈服极限越高，所需的变形力越大；材料的硬化指数越大，毛坯变形硬化越严重，所需的变形力就越大，所需的压料面作用力也大。l三、模具结构参数与压料面作用力l许多内部形状要求较大的压料面作用力。l凹模圆角半径越小要求压料面作用力越大。l四、冲压条件对压料面作用力的影响l压边力越大压料面作用力越大。压料面与毛坯之间的摩擦系数越大，摩擦力越大，压料面作用力越大。l 1.拉深筋的高度越高，毛坯变形越大，对拉深筋的包角越大，Qy越大，摩擦力Fy越大。 2.拉深筋圆弧半径越小， Fw越大，Fy越大。 3.拉深筋槽的圆角半径越小 摩擦力Fw1和Fw2越大。l拉深筋的存在使毛坯内受到的径向拉应力有很大增加。（如下图所示）l二、拉深筋产生的附加拉力l 弯曲变形使毛坯受到更大的压力，l通过拉深筋时所必须克服的摩擦阻l力增