防尘盖冷冲压模具设计及有限元分析

1、2012届本科毕业论文（设计）论文题目：防尘盖冷冲压模具设计及有限元分析学生姓名：所在院系： 机电学院所学专业：机械设计制造及其自动化 导师姓名：完成时间：2012 年 05 月 18 日摘 要本论文中主要是防尘盖冷冲压模具设计及其有限元分析。首先，论文从对防尘盖零件的工艺分析开始着手，分析汽车涨紧轮防尘盖在工作中主要起的作用，得出其在工作过程中受力很小。其次，参阅有关资料，确定所用条料的各项参数；接着根据零件的结构尺寸以及公差等，计算出相应冷冲压模具各个模芯部分的结构尺寸以及公差；最后，结合前面的计算结果以及Pro/E对模具进行三维建模和造型设计强度校核以及模具工作时的失效指标分析，并且根据

2、失效指标分析结果，估计造成模具缺陷的原因，并提出解决方案，使模具的设计更加合理。关键词：Pro/E、防尘盖、冷冲压模具、有限元分析AbstractAs the car tensioners dust cover in the work of the role of main is protection, in the process of work force is small, and the manufacturing precision is not high, so use the cold die cutting processing is a reasonable method o

3、f no doubt.This thesis mainly is the car tensioners dust cover Pro/E based on the cold stamping mould design and finite element analysis. First, the paper to dust cover parts from the analysis of the technology of start, which refer to the related material, determine the parameters of the article us

4、ed material; Then according to the parts of the structure size and tolerance, etc, to calculate the relevant cold stamping die each punch part of the structure size and tolerance; Finally the paper in front of the calculation results and Pro/E to mold on the 3 d modeling and modelling design, intens

5、ity and mold work failure index analysis, and failure analysis results according to the index, the cause of the defects cause an estimated mould, and puts forward some Suggestions of solutions, make the mould design more reasonable.Keywords：Pro/E、Dustproof cover、Cold stamping die、Finite element anal

6、ysis目 录1 绪论12工艺分析23 模具设计33.1 落料成形模具设计与计算3落料模具设计与计算33.1.2 成形模具设计与计算43.2 冲孔翻边模具设计与计算73.2.1 冲孔模具设计与计算73.2.2 翻边模具设计与计算94 各工序相应模具三维建模、强度校核及其有限元分析104.1 落料成形模具三维建模、强度校核及有限元分析104.1.1 落料凹模三维建模、强度校核及有限元分析104.1.2 成形凸模三维建模及有限元分析124.1.3 落料成形凸凹模三维建模及有限元分析134.2 冲孔翻边模具三维建模、强度校核及有限元分析164.2.1 冲孔模具三维建模、强度校核及有限元分析164.2

7、.1.1 冲孔凸模三维建模、强度校核及有限元分析16 冲孔凹模三维建模、强度校核及有限元分析184.2.2 翻边模具三维建模、强度校核及有限元分析19 翻边凸模三维建模、强度校核及有限元分析194.2.2.2 翻边凹模三维建模、强度校核及有限元分析205结束语22致谢23参考文献241 绪论随着科学技术的飞速发展，CAE技术在冷冲压模具设计制造领域的应用正越来越受到世界各国的关注。尽快把最新的有限元分析技术应用到整个挤压模具设计与制造过程中，让更多的模具工程师掌握这种优化设计方法，是提高我国冷冲压模具制造业的市场竞争力有效途径之一。冷冲压模具的设计制造及其应用在工业生产中已日益占据着举足轻重的

8、低位。因为冷冲压模具的应用，使制造生产零件的速率大幅度提高，并且其各项精度也能满足不同的需求。特别是对于本论文中提到的汽车涨紧轮防尘盖的生产应用。而有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。本设计用Pro/E强大的三维建模造型设计功能以及Pro/M强大的结构、运动、热的有限元分析来来实现冷冲压模具的整个设计、校核、仿真为一体的设计程序，充分发挥了计算机及其软件在计算和处理数据方面的强大优势，使大量的计算由计算机来完成，有效地

9、缩短了设计周期，并且计算的数据更加准确。合理地将冷冲压模具的设计与设计软件的三维建模和造型设计以及有限元分析功能结合，将使机械设计的周期进一步缩短。研究结果表明：合理运用理论分析、物理模拟和数值模拟等方法，对冷冲模具工作工程中的所受应力、应变、应变能以及失效指标等问题进行了大量的分析和实验，并根据其研究成果对冷冲压模具进行了优化设计，可以充分提高冷冲压模具设计的合理性及其制造方便快捷程度。2工艺分析图2-1 汽车防尘盖工程图考虑到汽车涨紧轮防尘盖在工作过程中主要启动防尘保护作用，受到的作用力很小，故查冲压模具设计师速查手册2零件材料可选普通碳素钢中的Q195，且其参数如下表： 表2-1普通碳素

10、刚Q195参数表牌号状态抗剪强度抗拉强度伸长率Q195未经退火2603203204002833取料厚度为0.8mm,查冲压模具设计师速查手册2表23取料厚度偏差为±0.07mm，即h=0.8±0.07mm由Pro/E5.0造型并分析知：图2-2防尘盖三维建模图 图2-3防尘盖体积分析图模型体积： (1)计算下料件直径： (2)由公式得： (3)3 模具设计分析：综合考虑工件外形尺寸及工件材料，可暂将零件加工工序分为落料成型工序和冲孔翻边工序。于是，相应冲压模具为落料成型模具和冲孔翻边模具各一套。3.1 落料成形模具设计与计算落料模具设计与计算落料件相应模具一般以凹模为首先计

11、算。这里暂定凹模与凸模分别加工，模具刃口为平口。图3-1落料凸凹模尺寸间隙及公差图间隙值的确定：由经验公式Z=m×t并查现代模具设计1表22取： (4) (5)刃口公差的确定： (6) (7)且验证知成立查现代模具设计1表24取：K=0.75，故 (8) mm (9)落料时冲裁力的计算：取k=1.3 (10)落料时冲裁功的计算：查现代模具设计1表26取：k=0.70 (11)卸料力的计算：查冲压模具设计师速查手册2表55取：k=0.06 (12)3.1.2 成形模具设计与计算分析：由冲压模具设计师速查手册2知：图3-2锥形拉深模型 (13) (14) (15)故可用锥形（带底）凹模一

12、次拉深成功，但是，由于，毛坯变形程度不大，易回弹，所以须增加压边力或增大接触面的摩擦因数，这里用增大压边力的方法。图3-3拉深成形模具尺寸及其配合拉深成形凹模圆角半径的确定：据冲压模具设计师速查手册2知： (16)拉深成形凸模圆角半径的确定：据冲压模具设计师速查手册2知： (17)拉深成形模具间隙值的确定：据冲压模具设计师速查手册2知：；查冲压模具设计师速查手册2表65取： (18)故 (19)处拉深成形模具尺寸的确定：根据模具设计常识，此处以凹模为基准并首先设计计算，故查互换性与技术测量表18知：处公差等级约为IT13，所以这里相应模具部分的公差等级取为，且结合零件的用处及其精度情况可取模具

13、公差等级为IT7级，即模具刃口尺寸公差：，那么 (20) (21)处拉深成形模具尺寸的确定：查互换性与技术测量表18知：处公差等级约为IT12，根据冲压模具设计师速查手册2取相应模具公差等级为，此处取IT7，故模具公差值：,那么 (22) (23)拉深力的确定：根据冲压模具设计师速查手册2知：选取,且查冲压模具设计师速查手册2表520取：，故 (24)压边力的确定：根据冲压模具设计师速查手册2知,其中,查冲压模具设计师速查手册2表530取：,故有 (25)3.2 冲孔翻边模具设计与计算3.2.1 冲孔模具设计与计算冲孔件相应模具一般以凸模为首先计算。这里暂定凹模与凸模分别加工，模具刃口为平口。

14、图3-4冲孔模具尺寸及其配合图间隙值的确定：查现代模具设计1表22取：即,(26)刃口尺寸公差的确定：根据现代模具设计1知： (27) (28)且验证知成立刃口尺寸的确定：查现代模具设计1表24取：K=0.50，故 (29) (30)冲孔时冲裁力的确定：取k=1.3,计算 (31)知 ；故 (32)冲孔时冲裁功的确定：查现代模具设计1表26取：K=0.60故 (33)卸料力的确定：查现代模具设计1表27取：K=0.05故 (34)3.2.2 翻边模具设计与计算分析：工件翻边类似于工件的拉深，故模具工作部分尺寸可按拉深模具计算，且由于工件的工程图上标注的是其内径尺寸，所以计算时应以凸模尺寸为基准

15、，而由于工件精度等级不高，所以计算时用近似公式。翻边模具间隙的确定：根据冲压模具设计师速查手册2知： (35)查冲压模具设计师速查手册2表65取： (36)故 (37)翻边模具刃口尺寸公差的确定：查互换性与技术测量表18知：工件在此处的公差等级约为IT12，故刃口公差可取，这里暂定为IT8，即翻边模具刃口尺寸的计算： (38) (39)翻边模具凹模圆角半径的确定： (40)这里取翻边模具凸模圆角半径的确定: (41)翻边时翻边力的计算： (42)4 各工序相应模具三维建模、强度校核及其有限元分析4.1 落料成形模具三维建模、强度校核及有限元分析4.1.1 落料凹模三维建模、强度校核及有限元分析

16、落料凹模三维建模：图4-1落料凹模三维建模图落料凹模强度校核：根据前面设计数据并查冲压模具设计师速查手册2知：凹模材料选用T10A,淬火硬度 , ，故 (43)故落料凹模强度足够。注：式子中及分别代表凹模直径和下模座孔的直径落料凹模工作时失效指标分析:图4-2落料凹模失效指标图分析：由上面Pro/M做落料凹模最大剪应力分析知：落料凹模刃口处所受应力最大，并且刃口失效指标分布不均匀，这是由于落料凹模工作时主要由刃口对条料进行冲裁，受力最大，并且以引起应变，其相应应变能亦，故此处失效指标最高。建议解决方法：可适当在落料凹模刃口处加工出一定的倒圆角，或者对模具进行表面质量处理增强其硬度及韧性等，显而

17、易见，加工出倒圆角最为方便。图4-3即是对落料凹模加工出小倒圆角后的有限元分析，可将其与前面的分析进行对比：图4-3落料凹模修正后失效指标图结论：经以上对比可知落料凹模刃口处加工出适当的小倒圆角后，其刃口处失效指标变得更加均匀，更重要的是其相应的失效指标值约降低到未加工出小倒圆角时的1/2左右。可知此种方法是可行的。落料凹模刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；一旦过大，必将引起冲裁力剧增，更重要的是冲裁出的工件的断面质量下降，这是不可取的。这里作对比时所取的被加工出的小倒圆角半径为,实际生产过程中合理的小倒圆角半径值有待进一步研究。4.1.2 成形凸模三维建模及有限元分析成形凸模三维建模：图

18、4-4成形凸模三维建模图成形凸模强度校核：根据前面设计数据并查冲压模具设计师速查手册2选取凸模材料为T10A，且其淬火硬度为 , ，故(44)故成形凹模强度符合要求。成形凸模工作时失效指标分析图4-5成形凸模失效指标图分析：由Pro/M有限元分析可知：成形凸模工作时锥形刃口处失效指标最高，并且刃口处失效指标高于处的失效指标，这是因为成形凸模工作时是处的刃口首先与坯料接触受力，并且这部分刃口也是主要受力部分。而设计的凸模刃口处失效应尽可能均匀。建议解决方法：建议在成形凸模处刃口加工出适当的小倒圆角。下图4-6即为加工出小倒圆角后的有限元分析：图4-6成形凸模修正后失效指标图结论：经过上面的分析对

19、比，可知处加工出小倒圆角后，成形凸模工作时其刃口各处指标趋向于均匀，并且刃口各处相应失效指标有所降低。故此方法是可行的。成形刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；一旦过大，必将引起拉深力剧增，更重要的是拉深出的工件的的结构会发生明显变化下降，这是不可取的。这里作对比时所取的被加工出的小倒圆角半径为,实际生产过程中合理的小倒圆角半径值有待进一步研究。4.1.3 落料成形凸凹模三维建模及有限元分析落料成形凸凹模三维建模：图4-7落料成形凸凹模三维建模图落料成形凸凹模强度校核：根据前面有关落料成形凸凹模设计数据并查冲压模具设计师速查手册2选取其材料为T10A,淬火硬度 , ， ，故 (45) (46

20、) (47)故成形落料凸凹模强度符合。落料成形凸凹模落料时失效指标分析：图4-8落料成形凸凹模凸模部分失效指标图分析: 由Pro/M有限元分析可知：落料成形凸凹模落料时刃口处失效指标最高，并且刃口处失效指标分布不均匀，这是因为落料成形凸凹模落料时刃口处是主要受力部分，其所受应力、应变及应变能最大，使相应的失效指标最大。而设计的凸模刃口处失效应尽可能均匀。建议解决方法：建议在落料成形凸凹模落料刃口处加工出适当的小倒圆角。下图4-9即为加工出小倒圆角后的有限元分析：图4-9落料成形凸凹模凸模部分修正后失效指标图结论：经过上面的分析对比，可知落料刃口处加工出小倒圆角后，落料成形凸凹模落料时其刃口各处

21、指标趋向于均匀，并且刃口各处相应失效指标有所降低。故此方法是可行的。落料成形凸凹模刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；一旦过大，必将引起冲裁力剧增，更重要的是冲裁出的工件的的断面质量会发生明显变化下降，这是不可取的。这里作对比时所取的被加工出的小倒圆角半径为,实际生产过程中合理的小倒圆角半径值有待进一步研究。落料成形凸凹模成形时失效指标分析图4-10落料成形凸凹模凹模部分失效指标图分析: 由Pro/M有限元分析可知：落料成形凸凹模成形时刃口处失效指标最高，并且刃口处失效指标分布不均匀，这是因为落料成形凸凹模成形时刃口处是首先受力，其所受应力、应变及应变能最大，使相应的失效指标最大。而设计的原

22、则是凸模刃口处失效应尽可能均匀。建议解决方法：建议在落料成形凸凹模刃口以及处加工出适当的小倒圆角。下图4-11即为加工出小倒圆角后的有限元分析:图4-11落料成形凸凹模凹模部分修正后失效指标图结论：经过上面的分析对比，可知成形刃口处加工出小倒圆角后，落料成形凸凹模成形时其刃口各处指标趋向于降低,但是刃口处失效指标稍有升高，证实此方法是是有缺陷的。作对比时所取的被加工出的小倒圆角半径为。4.2 冲孔翻边模具三维建模、强度校核及有限元分析4.2.1 冲孔模具三维建模、强度校核及有限元分析4.2.1.1 冲孔凸模三维建模、强度校核及有限元分析冲孔凸模三维建模：图4-12冲孔凸模三维建模图冲孔凸模强度

23、校核：根据前面有关冲孔凸模的设计数据,并查冲压模具设计师速查手册2选取凸模材料为T10A,淬火硬度为 ,且许用压应力 ,故凸模承压能力校核： (48)冲孔凸模抗纵向弯曲应力校核： (49)故冲孔凸模设计符合要求。冲孔凸模冲孔时失效指标分析：图-13冲孔凸模失效指标图分析: 由Pro/M有限元分析可知：冲孔凸模冲孔时刃口处失效指标最高，并且刃口处失效指标分布不均匀，这是因为冲孔时刃口处受力最大，其所受应力、应变及应变能最大，使相应的失效指标最大。另外，冲孔凸模刃口周围且位于圆柱方向的失效主要是由于冲裁过程中与条料的摩擦造成的。而设计的原则是凸模刃口处失效应尽可能均匀。建议解决方法：建议在冲孔凸模

24、刃口处加工出适当的小倒圆角。并且可以根据实际加工生产情况对凸模刃口处进行表面质量处理，以提高刃口处的强度以及韧性，提高使用寿命。下图4-14即为加工出小倒圆角后的冲孔凸模刃口处失效指标的有限元分析:图4-14冲孔凸模修正后失效指标图结论：经过上面的分析对比，可知冲孔凸模刃口处加工出小倒圆角后，冲孔时其刃口各处指标趋向于均匀，并且刃口各处相应失效指标约降低到原来的1/6左右。故此方法是可行的。冲孔凸模刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；一旦过大，必将引起冲裁力剧增，更重要的是冲裁出的工件的的断面质量会发生明显变化下降，这是不可取的。这里作对比时所取的被加工出的小倒圆角半径为,实际生产过程中合理

25、的小倒圆角半径值还有待进一步研究。 冲孔凹模三维建模、强度校核及有限元分析冲孔凹模三维建模：图4-15冲孔凹模三维建模图冲孔凹模强度校核：根据前面设计数据并查冲压模具设计师速查手册2选用冲孔凹模材料为T10A,其淬火硬 , ，故 (50)故冲孔凹模设计符合要求冲孔凹模冲孔时失效指标分析：图4-16冲孔凹模失效指标图分析: 由Pro/M有限元分析可知：冲孔凹模刃口处失效指标分布不均匀，而设计的原则是凸模刃口处失效应尽可能均匀。建议解决方法：建议在冲孔凹模刃口处加工出适当的小倒圆角。下图4-17即为加工出小倒圆角后的有限元分析:图4-17冲孔凹模修正后失效指标图结论：经过上面的分析对比，可知冲孔刃

26、口处加工出小倒圆角后，冲孔凹模冲孔时其刃口各处指标趋向于均匀，但是刃口各处相应失效指标却有所增加，但是增量很小。故此方法是可行的。冲孔凹模刃口处要加工出的小倒圆角千万不可过大；一旦过大，必将引起冲裁力剧增，更重要的是冲裁出的工件的的断面质量会发生明显变化下降，这是不可取的。这里作对比时所取的被加工出的小倒圆角半径为,实际生产过程中合理的小倒圆角半径值有待进一步研究。4.2.2 翻边模具三维建模、强度校核及有限元分析 翻边凸模三维建模、强度校核及有限元分析翻边凸模三维建模：图4-18翻边凸模三维建模图翻边凸模强度校核：由前面的有关翻边模具的设计数据可知翻边时产生的翻边力很小，故对翻边模具的影响很

27、小，可不进行强度校核。翻边凸模翻边时失效指标分析：图4-19翻边凸模失效指标图分析: 由Pro/M有限元分析可知：翻边凸模翻边时刃口处失效指标趋于均匀，并且刃口处失效指标明显没有前面几种模芯高，这是因为翻边力不大，其所引起的翻边凸模相应的应力、应变及应变能不大，使相应的失效指标较低。另外，结合翻边过程易知翻边模的失效的主要原因还有翻边过程中产生的摩擦。建议解决方法：建议在对翻边凸模进行表面质量处理，以提高其耐磨性等。这里不再对改造后的翻边凸模做分析对比。4.2.2.2 翻边凹模三维建模、强度校核及有限元分析翻边凹模三维建模：图4-20翻边凹模三维建模图翻边凹模强度校核：由前面的有关翻边模具的设

28、计数据可知翻边时产生的翻边力很小，故对翻边模具的影响很小，可不进行强度校核。翻边凹模翻边时失效指标分析：图4-21翻边凹模失效指标图分析: 由Pro/M有限元分析可知：翻边凹模翻边时刃口处失效指标趋于均匀，并且刃口处失效指标明显没有前面几种模芯高，这是因为翻边力不大，其所引起的翻边凹模相应的应力、应变及应变能不大，使相应的失效指标较低。另外，结合翻边过程易知翻边模的失效的主要原因还有翻边过程中产生的摩擦。建议解决方法：建议在对翻边凹模进行表面质量处理，以提高其耐磨性等。这里不再对改造后的翻边凹模做分析对比。5结束语本设计通过对模具所加工零件的尺寸、形状以及精度公差进行分析，从而计算出模具模芯各结构尺寸公差，并结合计算结果查阅资料得出整个模具的装配所需零件（标准件）由于篇幅限制这里并未列出模具的装配情况以及基于Pro/E对模具进行三维建模以及对其在工作时的失效指标进行有限元分析，其中包括对模具的主要尺寸以及工作时所受应力，应变，应变能和失效指标等进行了分析。通过分析可以发现模型某些部位的失效情况，并对这些情况提出建议性的解决方案。在对模型的结构分析之后，对模芯的厚度和过渡圆角进行比较，最后发现型芯的结构形状，如刃口有无倒圆角，对模芯失效情况影响较大。从而在模具运用于实际生产之前对这些容易破坏，容易失效的地方进行优化，以减少试模的次数和时间，从