汽車發動機油底殼沖壓模具畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 系數表示： 式中 為與圓角部相應的圓筒體直徑； D 為與圓角部相應的圓筒體展開毛坯直徑。 當 時，與圓角部相應的圓筒體毛坯直徑為： 則： 式中 為工件底部和角部的圓角半徑； H 為工件的高。 由上式可知初次拉深的變形程度可用盒形件相對高度 H/r 來表示，這在使用中比較方便。 H/r 愈大，表示變形程度愈大。用平板毛坯一次能拉出的最大相對高度值見表 1 。若零件的 H/r 小于表 1 中的值，則可一次拉成，否則必須采用多道拉深。 表 1 盒形件初次拉深的最大相對高度 補充拉深件的變形解析： 從幾何形狀特點看，矩形盒狀零件可劃分成 2 個長度為 (A2r) 和 2 個長度為 (B2r) 的直邊加上 4 個半徑為 r 的 1/4 圓筒部分 (圖 22) 。若將圓角部太原科技大學畢業設計說明書 9 分和直邊部分分開考慮，則圓角部分的變形相當于直徑為 2r 、高為 h 的圓筒件的拉深，直邊部分的變形相當于彎曲。但實際上圓角部分和直邊部分是聯系在一起的整體，因此盒形件的拉深又不完全 等同于簡單的彎曲和拉深，有其特有的變形特點，這可通過網格試驗進行驗證。 拉深前，在毛坯的直邊部分畫出相互垂直的等距平行線網格，在毛坯的圓角部分，畫出等角度的徑向放射線與等距離的同心圓弧組成的網格。變形前直邊處的橫向尺寸是等距的，即 ，縱向尺寸也是等距的，拉深后零件表面的網格發生了 明顯的變化 (如圖 22 所示 ) 。這些變化主要表現在： 圖 22 盒形件的拉深變形特點 ⑴ 直邊部位的變形 直邊部位的橫向尺寸 變形后成為間距逐漸縮小，愈向直邊中間部位縮小愈少，即 縱向尺寸變形后成為 ，間距逐漸增大，愈靠近盒形件口部增大愈多，即 。可見，此處的變形不同于純粹的彎曲。 (2) 圓角部位的變形 拉深后徑向放射線變成上部距離寬，下部距離窄的斜線，而并非與底面垂直的等距平行線。同心圓弧的間距不再相等，而是變大，越向口部越大，且同心圓弧不位于同一水平面內。 因此該處的變形不同于純粹的拉深。 根據網格的變化可知盒形件拉深有以下變形特點： (1) 盒形件拉深的變形性質與圓筒件一樣，也是徑向伸長，切向縮短。沿徑太原科技大學畢業設計說明書 10 向愈往口部伸長愈多，沿切向圓角部分變形大，直邊部分變形小，圓角部分的材料向直邊流動。即盒形件的變形是不均勻的。 (2) 變形的不均勻導致應力分布不均勻 (圖 23) 。在圓角部的中點 最大，向兩邊逐漸減小，到直邊的中點處 最小。故盒形件拉深時破壞首先發生在圓角處。又因圓角部材料在拉深時容許向直邊流動，所以盒形件與相應的圓筒件比較，危險斷面處受力小，拉深時可采用小的拉深系數也不容起皺。 圖 23 盒形件拉深時的應力分布 (3) 盒形件拉深時，由于直邊部分和圓角部分實際上是聯系在一起的整體，因此兩部分的變形相互影響，影響的結果是：直邊部分除了產生彎曲變形外，還產生了徑向伸長，切向壓縮的拉深變形。兩部分相互影響的程度隨盒形件形狀的不同而不同，也就是說隨相對圓角半徑 r/B 和相對高度 H/B 的不同而不同。 r/B 愈小，圓角部分的材料向直邊部分流得愈多，直邊部分對圓角部分的影響愈大，使得圓角部分的變形與相應圓筒件的差別就大。當 r/B= 時，直邊不復存在，盒形件成為圓筒件，盒形件的變形與圓筒件一樣。 有限元模擬分析 根據有限元模擬技術預示的成形載荷、板材幾何變形、應力應變分布和加工條件，調整模具的幾何形狀、材料等級和邊界條件，對油底殼深拉伸進行模擬分析。 以正拉伸方式成形，油底殼截面積進行成形過程模擬分析 : 油底殼的成形采用正拉深方式，邊界條件為拉伸筋阻力。采用 平面 應變等效太原科技大學畢業設計說明書 11 拉深筋阻力模將胚料料劃分成 500 單元節點數為 2503。模擬計算得到的變形終了厚度最薄處為 （ t 為拉深板料厚度， mm），由此可知該零件可以一次拉深成功。 由于此零件法蘭面與側壁間圓角半徑偏小，不利于之間一次拉伸成形，因此決定在拉深工序后增加一法蘭面與側壁間圓角部位整形工序，保證一次 拉深成形的工藝需求。 工藝流程的最終確定 通過計算及分析模擬實驗確定了發動機油底殼成形的拉深次數。為了有效預防油底殼法蘭孔面 36 個安裝孔及孔位變移問題，也為了使模具的制造及維修帶來方便；將翻 變、校平工序在一套復合模中完成，經反復實驗，該方案能同時滿足產品質量及生產節拍要求，工藝流程最終定為 ： 落料 拉深 整形 切邊 翻邊、校平 沖法蘭面孔 沖放油塞孔 落料毛坯尺寸確定 盒型零件拉深毛坯的形狀與尺寸的確定 毛坯形狀和尺寸的確定應根據零件的 r/B 和 H/B 的值來進行，因為這兩個因素決定了圓角和直邊在拉深時的影響程度。當相對高度 H/B 大時，圓角部分對直邊部分的影響就大，直邊部分的變形與簡單彎曲的差別就大。因此盒形件毛坯的形狀和尺寸必然與 r/B 和 H/B 的 值有關。對于不同的 r/B 和 H/B ，盒形件毛坯的計算方法和工序計算方法也就不同。的要求。一次拉深成形的低盒形件與多次拉深成形的高盒形件，計算毛坯的方法是不同的。計算的原則仍然是保證毛坯的面積等于加上修邊量后的工件面積，并盡可能要滿足口部平齊 。 高盒形件 (H ≥) 毛坯的計算 毛坯尺寸仍根據工件表面積與毛坯表面積相等的原則計算。當零件為方盒形且高度比較大，需要多道工序拉深時，可采用圓形毛坯，其直徑為： （ 1） 公式中的符號見圖 24。 對高度和圓角半徑都比較大的盒形件 (H/B≥～ ) ，拉深時圓角部分有大量材料向直邊流動，直邊部分拉深變形也大，這時毛坯的形狀可做成長圓形或橢圓形，如圖 25 所示。將尺寸為 的盒形件，看作由兩個寬度為 B 的半太原科技大學畢業設計說明書 12 方形盒和中間為 (AB) 的直邊部分連接而 成，這樣，毛坯的形狀就是由兩個半圓弧和中間兩平行邊所組成的長圓形，長圓形毛坯的圓弧半徑為： 圖 24 方盒件毛坯的形狀與尺寸 圖 25 高盒形件的毛坯形狀與尺寸 式中 D 是寬為 B 的方形件的毛坯直徑，按式 (1) 計算。 的圓心距短邊的距離為 B/2 。則長圓形毛坯的長度為： (2) 長圓形毛坯的寬度為： (3) 太原科技大學畢業設計說明書 13 然后用 R=K/2 過毛坯長度兩端作弧，既與 弧相切，又與兩長邊的展開直線相切，則毛坯的外形即為 一長圓形 或是長橢圓形 。 由于矩形件拉深時沿毛坯周邊的變形十分復雜，當前還不可能用數學方法進行精確計算，前述的各中間拉深工序的半成品形狀和尺寸的計算方法是相當近似的。假若在試模調整時發現圓角部分出現材料堆聚，應當適當減小圓角部分的壁間距離 。 落料毛坯尺寸 的合理確定對拉深件成形具有極其重要的影響 ，它是影響拉深過程中材料能否均勻流動的關鍵因素之一。根據 毛坯尺寸的計算原則 , 遠離四角圓弧尺寸按彎曲成形計算長與寬 (實際中可能稍小 ) 。四角圓弧處屬于圓筒形和部分直邊變形的結合 , 比圓筒形拉伸尺寸稍小 , 毛坯盡量用近 似圓弧方法保證拉伸流動。中間拉伸對某些部位材料流動不產生影響 , 可考慮由于底面的不平整對于所需材料流動不同 ,進行合理設計 。根據 制件成形特點，依據毛坯面積與拉深面積（加工修邊余量）相等的原則，經過理論計算后 用試沖法得知油底殼的毛坯尺寸如下： 圖 26 落料毛坯圖 太原科技大學畢業設計說明書 14 第三章 拉深及 法 蘭 面 沖孔的 工藝分析和 模具 設計 落料 若使材料沿封閉曲線相互分離，封閉曲線以內的部分作為沖裁件時，稱為落料 。 如果模具間隙正常，沖裁變形過程大致可分為如下三個階段 ： (a)．彈性變形階段 (圖 Ⅰ ) 在凸模壓力下，材料產生彈性壓縮、拉伸和彎曲變形，凹模上的板料則向上翹曲，間隙越大，彎曲和上翹越嚴重。同時，凸模稍許擠入板料上部，板料的下部則略擠入凹模洞口，但材料內的應力末超過材料的彈性極限。 (b)．塑性變形階段 (圖 Ⅱ ) 因板料發生彎曲，凸模沿寬度為 b的環形帶繼續加壓，當材料內的應力達到屈服強度時便開始進入塑性變形階段。凸模擠入板料上部，同時板料下部擠入凹模洞口，形成光亮的塑性剪切面。隨凸模擠入板料深度的增大，塑性變形程度增大，變形區材料硬化加劇，沖裁變形抗力不斷增大，直到刃口附近側面的 材料由于拉應力的作用出現微裂紋時，塑性變形階段便告終，此時沖裁變形抗力達到最大值。由于凸、凹模間存在有間隙，故在這個階段中板料還伴隨著彎曲和拉伸變形。間隙越大，彎曲和拉伸變形也越大。 (c)．斷裂分離階段 (圖 Ⅲ 、 Ⅳ 、 Ⅴ ) 材料內裂紋首先在凹模刃口附近的側面產生，緊接著才在凸模刃口附近的側面產生。已形成的上下微裂紋隨凸模繼續壓入沿最大切應力方向不斷向材料內部擴展，當上下裂紋重合時，板料便被剪斷分離。隨后，凸模將分離的材料推人凹模洞口。 從圖 所示沖裁力 凸模行程曲線可明顯看出沖裁變形 過程的三個階段。圖中 OA 段是沖裁的彈性變形階段； AB 段是塑性變形階段， B 點為沖裁力的最大值，在此點材料開始剪裂， BC 段為微裂紋擴展直至材料分離的斷裂階段，CD段主要是用于克服摩擦力將沖件推出凹模孔口時所需的力。 太原科技大學畢業設計說明書 15 圖 沖裁變形過程 圖 沖裁力曲線 沖裁件質量是指斷面狀況、尺寸精度和形狀誤差。斷面狀況盡可能垂直、光潔、毛刺小。尺寸精度應該保證在圖紙規定的公差范圍之內。零件外形應該滿足圖紙要求；表面盡可能平直，即拱彎小。影響零件質量的因素有：材料性能、間隙大小及均勻性、刃口鋒利程度、模具精度以及模具結構形式等。 沖裁件斷面質量及其影響因素 由于沖裁變形的特點，沖裁件的斷面明顯地分成四個特征區，即圓角帶a、光亮帶 b、斷裂帶 c 與毛刺區 d，如圖 所示。 圓角帶 a ：該區域的形成是當凸模刃口壓入材料時，刃口附近的材料產生彎曲和伸長變形，材料被拉入間隙的結果； 光亮帶 b ：該區域發生在塑形變形階段，當刃口切入材料后，材料與凸、凹模切刃的側表面擠壓而形成的光亮垂直的斷面。通常占全斷面的 1/21/3； 斷裂帶 c ：該區域是在斷裂階段形成。是由刃口附近的微裂紋在拉應力作用下不斷擴展而形成的撕裂面，其斷面粗糙，具有金屬本色 ，且略帶有斜度。 太原科技大學畢業設計說明書 16 毛刺區 d ：毛刺的形成是由于在塑性變形階段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度時，刃口正面材料被壓縮，刃尖部分是高靜水壓應力狀態，使裂紋的起點不會在刃尖處發生，而是在模具側面距刃尖不遠的地方發生，在拉應力的作用下，裂紋加長，材料斷裂而產生毛刺， 裂紋的產生點和刃口尖的距離成為毛刺的高度。在普通沖裁中毛刺是不可避免的 。 a） 沖孔件 b）落料件 圖 沖裁區應力、變形和沖裁件正常的斷面狀況 在四個特征區中，光亮帶越寬，斷面質量越好。但四個特征區域的大小和斷面上所占的比例大小并非一成不變，而是隨著材料性能、模具間隙、刃口狀態等條件的不同而變化。 間隙對剪切裂紋與斷面質量的影響 模具間隙的影響 沖裁時，斷裂面上下裂紋是否重合，與凸、凹模間隙值的大小有關。當凸、凹間隙合適時，凸、凹模刃口附近沿最大切應力方向產生的裂紋在沖裁過程中能會合，此時盡管斷面與 材料表面不垂直，但還是比較平直、光滑、毛刺較小，制件的斷面質量較好（圖 ）所示）。 當間隙增大時，材料內的拉應力增大，使得拉伸斷裂發生早，于是斷裂帶變寬；光亮帶變窄；彎曲變形增大，因而塌角和拱彎也增大。 當間隙減小時，變形區內彎矩小、壓應力成分高。由凹模刃口附近產生的裂紋進入凸模下面的壓應力區而停止發展；由凸模刃口附近產生的裂紋進入凹模上表面的壓應力區也停止發展。上、下裂紋不重合。在兩條裂紋之間的材料將被第二次剪切。當上裂紋壓入凹模時，受到凹模壁的擠壓，產生第二光亮帶，同時部太原科技大學畢業設計說明書 17 分材料被擠出，在表面形成薄 而高的毛刺（圖 a）所示）。 當間隙過小時，雖然塌角小、拱彎小，但斷面質量也有缺陷。如斷面中部出現夾層，兩頭呈光亮帶，在端面有擠長的毛刺。 當間隙過大時，因為彎矩大，拉應力成分高，材料在凸、凹模刃口附近產生的裂紋也不重合。分離后產生的斷裂層斜度增大，制件的斷面出現二個斜角 α1和 α2 ，斷面質量也不理想。而且，由于塌角大、拱彎大、光亮帶小、毛刺又高又厚，沖裁件質量下降。如圖 所示。因此， 模具間隙應保持在一個合理的范圍之內。另外，當模具裝配間隙調整得不均勻時，模具會出現部分間隙過大和過小的質 量現象。因此，模具設計、制造與安裝時必須保證間隙均勻。 ａ）間隙過小ｂ）間隙合理ｃ）間隙過大 圖 間隙對剪切裂紋與斷面質量的影響 工藝分析 該制件形狀簡