汽缸盖罩冲压组合模具设计3

气缸盖罩组合冲压复合模具设计 摘 要冷冲压是一种常用的机械制造工艺，其材料利用率高，生产率高。当前柴油机气缸盖罩的材料均使用板件代替原先的铸铝件。为了提高其加工效率，降低生产成本，设计了一套精拉深模具和一套冲孔切边复合模，并对其进行板件冲压成形工艺分析与冲压模具结构设计，采用计算机仿真技术模拟其成形过程，并根据模拟计算结果，改变坯料尺寸及形状、压边力和凸凹模圆角半径等工艺参数。设计中，在设计过程中，首先分析了零件的外形特征及工艺性，安排了成形工艺，计算了相关参数及工作尺寸，选择了冲压设备，进行了模具的具体结构设计，再利用三维设计软件 Solidworks 完成了拉深、切边模具和零件的几何形状造型，并运用dynaform仿真软件对冲压过程进行了模拟。通过分析得到的成形极限图，找出了模具设计中存在的问题，通过修改模具结构及工艺参数，使问题得以改善。关键词：气缸盖罩，冲压成形，拉深模具，冲孔模具 ,分析IAbstractStamping is a kind of common mechanical manufacturing process with high material utilization and high productivity.At present ,The panel substituted the original aluminum cast part.In order to reduce the cost of the diesel engine cylinder head cover.First ,In view of the structural characteristics of the part ,we put forward the forming process. Then we calculated the structural parameters and size, selected the stamping equipment and specified the structure of the mold. During the design process, Firstly ,In view of the structural characteristics of the part ,we put forward the forming process. Then we calculated the structural parameters and size, selected the stamping equipment and specified the structure of the mold. Lastly we use a three-dimensional design software called Solidworks to complete the structure design of the mold and its parts ,and we also use Dynaform software to simulate the real stamping process. By checking and analyzing the FLD diagram, we found some defects in design. Lastly, by modifying the mold design ,those defects has been solved. Keywords：cylinder head cover，deep drawing die, punching die，DynaformI 目录摘 要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1 课题的研究背景与意义11.2 课题主要设计内容21.3 课题主要设计任务21.4 课题主要设计步骤2第二章 冲压工艺与冲压设备52.1 冲压工艺52.2冲压材料82.2.1冲压材料的选取原则82.2.2材料中主要元素对冲压性能影响102.3模具材料102.4 冷冲压变形原理112.4.1 塑性变形、变形抗力的概念112.4.2 影响金属塑性和变形抗力的因素112.4.3 冲压成形的应力和应变122.4.4 塑性变形时应力与应变的关系152.4.5 冷冲压成形中的硬化现象152.5 冲压设备172.5.1 常用的压力机类型172.5.2 冷挤压用压力机的要求172.5.3 选用冲压设备准则183.1 精拉深模具设计193.1.1 冲压工艺分析193.1.2 冲压工艺方案制定203.1.3 模具总体设计253.1.4 主要零部件设计263.2 切边冲孔复合模的设计333.2.1 冲压工艺分析333.2.2 工艺方案制定343.2.3 模具总体设计373.2.4 主要零部件设计38第四章 模具的三维实体造型434.1 三维造型基础434.2 Solidworks简介434.3 精拉深模具的三维造型444.4 切边、冲孔复合模具的三维造型45第五章 数值模拟及设计参数优化465.1 Dyna-form465.1.1 Dyna-form简介465.1.2 模拟分析过程485.1.3 分析结果及问题解决505.2 SimulationeXpress515.2.1 SimulationeXpress简介515.2.2模拟分析过程52第六章 总 结54致 谢55参考文献56III第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题的研究背景与意义随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。模具种类繁多，但其发展重点应该是既能满足大量需要，又有较高技术含量，特别是目前国内尚不能自给，需大量进口的模具和能代表发展方向的大型、精密、复杂、长寿命模具。我国虽然很早就开始制造模具和使用模具，但长期未形成产业。直到20世纪80年代后期，中国模具工业才驶入发展的快车道。近年，不仅国有模具企业有了很大发展，三资企业、乡镇（个体）模具企业的发展也相当迅速。模具行业结构调整和体制改革步伐加大，主要表现在：大型、精密、复杂、长寿命、中高档模具及模具标准件发展速度高于一般模具产品；塑料模和压铸模比例增大；专业模具厂数量及其生产能力增加；“三资”及私营企业发展迅速；股份制改造步伐加快。模具技术集合了机械、电子、化学、光学、材料、计算机、精密监测和信息网络等诸多学科，是一个综合性多学科的系统工程。模具技术的发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济的方向发展，模具产品的技术含量不断提高，模具制造周期不断缩短，模具生产朝着信息化、无图化、精细化、自动化的方向发展，模具企业向着技术集成化、设备精良化、产批品牌化、管理信息化、经营国际化的方向发展。随着技术的发展，冷冲压模具的相关技术也得到了不少的发展。首先，模具的发展朝着高效，简易，多功能，高寿命，高精度的方向发展。其次，随着模具CAD和CAM技术的不断发展和成熟，模具CAD/CAM系统已在技术发达国家完全实用化，并且冲压过程的计算机分析和仿真技术已能在工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计和冲压工艺设计难题，如拉裂预测，回弹计算和起皱预测等。再次，电子技术和计算机技术在模具行业中的应用，使塑性成形加工设备向数控的方向发展。目前已开发出CNC压力机，CNC弯板机，CNC液压弯管机,CNC剪板机等设备。1.2 课题主要设计内容本课题主要的研究内容是气缸盖罩冲压模具的设计与分析，对模具进行三维造型。图1-1为气缸盖罩拉深成型零件的实体图：图1-1 气缸盖罩气缸盖罩成型件的长540mm，宽135mm，高85mm，料厚为2.0mm。为提高气缸盖罩拉深成型件的强度和刚性，其螺孔及标牌周围增加了很多凹凸圆弧形的加强筋，顶面角度为12的斜面，四个20的螺栓孔（用于与缸盖的联结）和一个40的加油口，底面为一弯曲翻边。1.3 课题主要设计任务设计出气缸盖罩精拉深模具的装配图，冲孔切边复合模装配图，及模具主要零件的零件图；用Solidworks对精拉深模具及复合模的各个进行三维造型，并进行装配；对设计的模具零件结构进行dynaform分析，并对其进行完善和优化。1.4 课题主要设计步骤1.4.1 冲压件工艺设计（一）冲压件工艺分析1.技术分析（审查冲压件的工艺性） 分析冲压件成形的结构工艺性冲压件的形状特点、尺寸大小、精度要求及所用材料是否符合冲压工艺要求；2.经济分析（冲压件的成本分析 ） 阐明采用冲压生产可以取得的经济效益。由于缺乏必要的技术经济数据，进行经济分析难度较大，因此不进行此项分析。（二）冲压工艺方案制定1.必要的工艺计算 毛坯的展开尺寸计算和必要的其他工艺计算；2.确定冲压工序的性质 对产品图进行计算、分析、比较后确定所需的工序性质；3.确定冲压工序的数量 结合工件形状的复杂程度，尺寸精度及材料性能，生产批量等多种因素的影响和制约来对工序进行把握；4.确定工序顺序 冲压顺序取决于冲压成型规律和工件的质量要求。（三）冲压工序的定位于冲压设备的选择合理选择定位基准和定位方法是保证冲压件质量和尺寸精度的基本条件，也直接影响操作和安全；设备类型的选择主要取决于冲压工艺要求和生产批量。（四）编写冲压工艺过程卡根据工艺分析编写冲压工艺过程卡。1.4.2 模具设计（一）模具总体结构设计1.确定模具的结构形式 根据冲压工艺卡中选定的模具类型，确定模具的具体结构形式；2.初定模具的外形尺寸 确定的模具外形尺寸必须与压力机规格相协调；3.绘制模具的结构草图以备审定 草图通常按模具工作位置在闭合状态时绘制。（二）模具主要零部件结构设计确定工作零件、定位零件、卸料零件、导向零件的结构形式及固定方法。（三）模具总装配图和零件图的绘制绘制模具图应尽量采用1:1的比例，直观性好，便于发现问题；绘图时遵循国家标准的机械制图规定，在不违反制图标准的前提下按照模具行业的习惯和特殊规定的绘制方法作图。（四）运用模拟仿真软件分析（五）编写模具设计计算说明书 记录模具设计的过程与相关说明。29第二章 冲压工艺与冲压设备第二章 冲压工艺与冲压设备冲压成形所用的板料毛坯的几何形状的特点和所用设备与模具的特殊性，使冲压成形除具有塑性加工普遍存在的特点和遵循其一般的变形规律外，它还具有一些与一般的压力加工不同的特点与独特的规律。对这些特点与规律的研究不仅有助于深入而清晰地认识冲压成形过程的本质和各种现象的产生机理，掌握变形规律，科学而合理地制定冲压工艺过程，确定合理的工艺参数与模具参数，而且还可以准确而迅速地分析冲压成形过程中产生的缺陷与不良现象发生的原因。另外，对这些问题的研究，还能够推动冲压技术与理论工作的进步。2.1 冲压工艺2.1.1 冲压工艺介绍冲压成形是塑性加工的一种方法，是指在室温下，利用安装在压力机上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。它也是利用材料的塑性变形能力，改变其几何形状与尺寸，从而达到冲压成形的目的。冲压件坯料主要是热轧和冷轧的钢板和钢带。全世界的钢材中，有6070%是板材，其中大部分是经过冲压制成成品。汽车的车身、底盘、油箱、散热器片，锅炉的汽包、容器的壳体、电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。热冲压件精度和表面状态低于冷冲压件，但仍优于铸件、锻件，切削加工量少。与铸件、锻件相比，冲压件具有薄、匀、轻、强的特点。冲压可制出其他方法难于制造的带有加强筋、肋、起伏或翻边的工件，以提高其刚性。由于采用精密模具，工件精度可达微米级，且重复精度高、规格一致，可以冲压出孔窝、凸台等。 冷冲压件一般不再经切削加工，或仅需要少量的切削加工。是一种高效的生产方法，采用复合模，尤其是多工位级进模，可在一台压力机上完成多道冲压工序，实现由带料开卷、矫平、冲裁，到成形、精整的全自动生产。生产效率高，劳动条件好，生产成本低，一般每分钟可生产数百件。2.1.2 冲压工艺的种类（一）冲压主要是按工艺分类，可分为分离工序和成形工序两大类。1.分离工序也称冲裁，其目的是使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离，同时保证分离断面的质量要求；2.成形工序的目的是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形，制成所需形状和尺寸的工件；3.在实际生产中，常常是多种工序综合应用于一个工件。冲裁、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压、矫正是几种主要的冲压工艺。 （二）按照冲压时的温度情况有冷冲压和热冲压两种方式。这取决于材料的强度、塑性、厚度、变形程度以及设备能力等，同时应考虑材料的原始热处理状态和最终使用条件。1.冷冲压 金属在常温下的加工，一般适用于厚度小于4mm的坯料。优点为不需加热、无氧化皮，表面质量好，操作方便，费用较低。缺点是有加工硬化现象，严重时使金属失去进一步变形能力。冷冲压要求坯料的厚度均匀且波动范围小，表面光洁、无斑、无划伤等。2.热冲压 将金属加热到一定的温度范围(表2-1)的冲压加工方法。优点为可消除内应力，避免加工硬化，增加材料的塑性，降低变形抗力，减少设备的动力消耗。冲压用板料的表面和内在性能对冲压成品的质量影响很大，要求冲压材料厚度精确、均匀；表面光洁，无斑、无疤、无擦伤、无表面裂纹等；屈服强度均匀，无明显方向性；均匀延伸率高；屈强比低；加工硬化性低。在实际生产中，常用与冲压过程近似的工艺性试验，如拉深性能试验、胀形性能试验等检验材料的冲压性能，以保证成品质量和高的合格率。表2-1 常用材料热冲压的温度范围材料牌号热冲压温度（）加热终止Q235-A，15，20，25g，22g900105070016Mn,16MnRE,15MnV,950105075015MnVRE,15MnTi,14MnMoV,950105075018MnMoNb,18MnMoNbRE,950105075015MnVN,15MnVNRE9501050750Cr5Mo,12CrMo,15CrMo90010007504MnMoVBRE,1050110085012MnCrNiMoVCu1050110085014MnMoNbB100011007500Cr13,1Cr13100011008501Cr18Ni9Ti,12Cr1MoV9501100850黄铜H62，H68600700400铝及其合金L2，LF2，LF21350400250钛420560350钛合金6008405002.2冲压材料2.2.1冲压材料的选取原则冲压材料与冲压生产的关系相当密切。材料质量的好坏直接影响到冲压工艺过程设计、冲压件质量、产品使用寿命和冲压件成本：冲压件材料费用往往要占冲件成本的60% -80%。因此，一方面应提高冲压件结构的工艺性以改善冲压过程的变形条件，来降低对材质的要求，另一方面又需要提高和稳定材料质量，以适应冲压过程的变形要求，生产出优良的冲压件。一般来说，冲压用材料应满足以下几点要求：1)良好的使用性能从不同产品的使用性能出发，对材料的力学性能、物理性能等提出了各种要求，例如：机械和仪器制造等零件着重要求机械强度、刚度和冲击韧度；化学和医疗仪器零件着重要求耐腐蚀性；飞机和宇航飞行器等零件着重要求传热和耐热性能；汽车、摩托车等零件着重于表面质量；运输和农业机械等零件着重于耐磨和耐久性。2)良好的冲压性能材料的冲压性能是指材料对各种冲压加工方法的适应能力。包括便于加工，容易得到高质量和高精度的冲压件，生产率高（一次冲压工序的极限变形程度大），模具寿命长不产生废品等。由于各种不同的冲压加工方法其应力状态和变形特点不同，对冲压用冲压材料的性能要求也不一样。（1）材料的塑性 在变形区部位，材料内部应力主要是拉应力，其变形主要是伸长和厚度减薄。当主要变形部位超过成形极限时，使会引起破裂。因此，要求材料应有良好的塑性和塑性变形的稳定性。塑性好的材料，允许的成形极限大，这样可减少工序，减少因材质不良而产生的废品、次品。影响材料塑性的因素是化学成分、金相组织和力学性能。其中含碳量对材料塑性影响最大，一般认为含碳量不超过0.05%一0.15%的低碳钢具有良好的塑性。常用冲压材料牌号有：08, 08F, 08 Al , 10等，其中以08 Al的塑性最好。因此，对形状复杂的汽车覆盖件和摩托车油箱以及对材料强度要求不高的复杂拉深零件，多采用塑性很好的08 Al钢板加工。钢板的晶粒大小对塑性影响甚大。晶粒大，则塑性降低，在冲压成形时，不仅容易产生破裂，而且制件表面还容易产生粗糙的桔皮，对后续的抛光、电镀、涂漆等工序带来不利的影响。若晶粒过细，则回弹现象增加。因此，钢板的晶粒大小应适中。复杂拉深用的冷轧薄钢板，其晶粒度6一8级，中板为5一7级，且相邻级别不超过2级。材料塑性的好坏，通常用伸长率、冷弯试验中的弯心直径和杯突试验值来表示。伸长率、杯突试验值越大，弯心直径越小，则材料塑性越好。 (2)材料的抗压失稳起皱能力 在变形区部位，当材料内部主典是压缩应力时，如直壁零件的拉深、缩口及外凸曲线翻边等，其变形主要是压缩，厚度增加，这时容易产生失稳。因此，在要求材料具有良好塑性的同时，还要求材料具有良好的抗压失稳能力。这种能力与弹性模量 E和板料厚向异性系数r有关。 r值的大小，表明板材平面方向和厚度方向上的变形难易程度的比较，当r1时，板料厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困难。所以r 值大的材料，在复杂形状的曲面零件拉深成形时，厚度方向上变形比较困难，而在板料平面内的压缩变形比较容易，毛坯中间部分起皱的趋向性降低，也就是抗压失稳起皱的能力高，有利于冲压加工的进行和产品质量的提高。屈强比r/rm 小，对于压缩类成形工艺有利。在拉深时，如果材料的屈服点R低，则变形区的切向压应力小，材料抗压失稳起皱的能力高。抑止起皱所必须的压边力和摩擦损失都相应地降低，有利子提高极限变形程度。3).良好的表面质量 材料应具有良好的表面质量，即材料表面应光洁、平整和无锈等。(1)材料表面质量材料表面质量的好坏，将直接影响制件的外观性。表面如有裂纹、麻点、划痕、结疤、气泡等缺陷，在冲压过程中，容易在缺陷部位产生应力集中而引起破裂。(2)材料表面平整材料表面若挠曲不平，会影响剪切和冲压时的定位精度，以及由于定位不稳而造成废品，或因冲裁过程中材料变形时的展开作用而损坏冲头。在变形工序中，材料表面的平面度也会影响材料的流向，引起局部起皱或破裂。(3)材料表面有锈，不仅影响冲压性能、损伤模具，而且还会影响后续焊接和涂漆等工序的正常进行。2.2.2材料中主要元素对冲压性能影响C能增加Fe3C的影响，提高钢板的抗拉强度和屈服强度，降低塑性，使冲压性能恶化，特别是当Fe3C出现晶界时，对冲压性能不利影响更大;Si硅溶于铁素体中，强化铁素体的作用很大，增加强度，降低塑性，含硅量越低越好，深冲压钢板不能用硅脱氧;Mn锰的直接影响不大，锰和硫生成MnS夹杂物，其数量和形态对冲压性能有影响;P显著增强强度和脆性，并有偏析倾向，易于形成带状组织，对冲压性能产生影响;S生成硫化物，其数量、形状和分布对冲压性能有很大的影响，数量多且成细长条状分布的硫化物对冲压性能影响最不利;Al铝是镇静钢最终脱氧剂，可与氮形成氮化铝，显著降低钢板的应变时效倾向，容易得到饼形铁素体晶粒，改善冲压性能。钢中铝的最佳质量分数为0.03%-0.05%;2.3模具材料冲模是在较大的冲击、温升、磨损等状况下工作，尤其是凸模、凹模的工作条件更差，所以凸、凹模材料要求有好的耐磨性、耐冲击性、热变形小、淬透性及优良的机加工性能等，而且要价格便宜，采购方便。要满足上述全部条件是困难的，所以冲模材料必须根据具体生产条件、用途来选用。目前冲模常用的钢材品种有：（1) 碳素工具钢（T8A, T10A） 该种材料是冲模中应用最广、价格最便宜的材料，适宜简单形式的冲模。优点是加工性好，有一定硬度。缺点是淬火变形大，耐磨性较差。(2) 低合金工具钢（CrWMn, 9CrSi, 9Mn2V, GCr15 ) 此类材料有较高的硬度和耐磨性，淬火变形小、易淬透，机械加工也容易，所以可用来制造较复杂形状的冲模。(3） 高碳高铬模具钢（Gr12、Cr12 MoV） 这类钢具有强度高、耐磨、易淬透、变形小等优点。用于冲压力大、寿命高、形状复杂的冲模。(4)高速工具钢（W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2） 高速工具钢热处理后具有很高的抗压屈服强度和良好的韧性、热硬性和耐磨性。当冲压件的形状复杂、强度高、模具工作条件苛刻时，可采用高速工具钢为模具材料。(5) 硬质合金（YG、YT） 这类材料是以碳化钨、碳化钛为基体，以钻、镍等铁族金属作粘接剂，经烧结而成的一种多相组合材料。其耐磨、硬度、强度都较高。可用作大批量、寿命高的小型冲模。其缺点是不能进行切削加工，价格也较昂贵。(6) 钢结硬质合金（YE） 这是一种以合金钢为基体，以碳化钨或碳化钛为硬质相，用烧结方法制造的一种材料。它既具有合金钢的可锻造性、可加工性、可焊接性及热处理的性能，又具有硬质合金的高硬度、高耐磨性的特点。其使用寿命约为一般模具钢的几十倍至几百倍，是一种很好的模具材料。2.4 冷冲压变形原理2.4.1 塑性变形、变形抗力的概念在冲压技术中，经常见到塑性变形、塑性、变形抗力、柔软性等术语，它们的定义分别是：物体在外力作用下产生变形，如果外力被取消后，物体不能恢复到原始的形状和尺寸，这样的变形称为塑性变形；物体具有塑性变形的能力称为塑性；在定的加载条件和一定的变形温度、速度条件下，引起塑性变形的单位变形力称为变形抗力；柔软性应理解为金属对变形的抵抗能力，变形抗力越小，则柔软性越好。2.4.2 影响金属塑性和变形抗力的因素能否充分利用金属的塑性并在最小变形抗力的情况下获得所需的工件，是冲压加工中的一个重要问题。影响金属的塑性和变形抗力的因素很多，这里只讨论物理方而的因素。（一）金属组织组成金属的晶格类型，杂质的性质，数量及分布情况，晶粒大小、形状及晶界强度等不同，金属的塑性就不同。一般来说，组成金属的化学成分越复杂。对金属的塑性及变形能力的影响也越大，例如，纯钢比碳钢的塑性好、变形抗力低。（二）变形温度在冲压工艺中、有时也采用加热成形的方法。加热的目的是提高塑性，增加材料在次成形中所能达到的变形程度；降低材料的变形抗力；提高工件的成形准确度。在弹性范围内温度增加可使金属的弹性模量下降。在塑性范围内，温度增加主要影响金属的软化作用并使金属发生物理化学变化。（三）变形速度变形速度是指单位时间内应变的变化量，其对金属塑性变形的影响一般凭生产经验而定，通常是：对小零件的冲压工序，例如冲裁、弯曲、拉深、翻边等，一般可以不考虑速度因素，只需考虑设备的构造、公称压力、功率等；对于大型复杂零件的成形，坯料各部分的变形极不均匀，宜用低速。为了便于控制金属的流动情况以采用低速压力机或液压机为宜；对于加热成型工序，如加热拉深、加热缩口等为了使坯料中的危险断面能及时冷却强化，宜用低速；对于变形速度比较敏感的材料如不锈钢、耐热合金、钛合金等，加载速度不宜超过0.25m/s。（四）尺寸因素同一种材料，在其它条件相同时，尺寸越大，塑性越差。这是因为材料尺寸越大，组织和化学成分越不一致，杂质分布越不均匀，应力分布也不均匀。例如厚板冲裁，产生剪裂纹时凸模挤入板料的深度与板料厚度的比值(称相对挤入深度)比薄板冲裁时小。2.4.3 冲压成形的应力和应变在各种冲压过程中，材料的塑性变形都是冲模对材料施加的外力所引起的内力或由内力直接作用的结果。为了研究和分析金属的塑性变形过程，首先必须了解坯料内各点的应力状态和应变状态以及它们之间的关系。（一）应力状态模具对材料施加的外力引起材料内产生内力，单位面积的内力的大小称为应力。坯料内每一点上的受力情况，通常称为点的应力状态。经研究得，要充分确定变形体内任意一点的应力状态，实际上只需知道六个分量，即三个正应力和三个切应力即可。图2-1 点的应力状态与应力标号a）、b）为任意坐标系 c）为主轴坐标系三个坐标轴称为主轴；三个坐标轴的方向称为主方向；三个正应力称为主应力；三个主应力的作用面称为主平面。带正号的正应力或主应力表示拉应力，带负号的正应力或主应力表示压应力。（二）塑性条件(屈服条件)决定受力物体内质点由弹性状态向塑性状态过渡的条件，简称为塑性条件。金属由弹性变形过渡到塑性变形，主要取决于在一定变形条件(变形温度与变形速度)下金属的物理力学性能和所处的应力状态。物理力学性能是金属内在的本质，不同的应力状态则是促使金属屈服而加的不同外部条件。当外部条件与内因相符时，金属即会从弹性变形转为塑性变形。塑性条件的物理意义：当物体中的微元体上三个主应力所决定的点在柱面上时，则此微元体处于塑性状态，位于此表面以内，则该微元体处于弹性应力状态，位于此表面以外没有意义。图2-2 复杂应力状态下的屈服表面（三）应变状态一点的应变状态也是通过微元体的变形来表示的。与应力状态样，当采用主轴坐标系时，微元体就只有三个主应变分量、和，而没有切应变分量。一种应变状态只有一组主应变，可分解成两部分。如图23所示，第一部分是以平均应变力为各向应变值的三向等应变状态=(+)/3,表示了微元体体积的变化。第二部分是以各向主应变与的差值为应变值构成的应变状态，表示了微元体形状的变化。图2-3 应变状态的分解应变状态对金属的塑性有很大的影响，同一种材料在同样的变形条件下，其应力状态虽然相同，但应变状态不同其塑性也不样。在材料的应变状态中，压应变的成分越多，拉应变的成分越少，越有利于材料塑性的发挥；反之越不利于材料塑性的发挥。这是因为材料的裂纹与缺陷在拉应变的方向易于暴露和扩展，沿着压应变的方向则不易暴露和扩展。2.4.4 塑性变形时应力与应变的关系物体弹性变形时，其变形是可以恢复的，变形过程是可逆的，与变形物体的加载过程无关，应力和应变之间的关系可以通过广义虎克定律来表示。但是，当外载荷所引起的应力超过F物体的屈服点以后，其应力与应变之间的关系就不同了。在单向受拉或单向受压时的应力与应变关系可以用硬化曲线或用硬化曲线的数学表达式来表示。在受到二向以上应力作用时的复杂应力状态下，其应力与应变关系是相当复杂的。2.4.5 冷冲压成形中的硬化现象（一）硬化现象一般常用的金属材料，在冷塑性变形时会引起材料性能的变化。随变形程度的增加，所合强度指标均增加，硬度也增加，同时塑性指标降低，这种现象称为加工硬化。材料加工硬化不仅使所需的变形抗力增加，而且对冲压成形有较大的影响。例如在胀形工艺中，板材的硬化能够减少过大的局部集中变形，使变形趋向均匀，增大成形极限；而在翻孔工序中，翻边前冲孔边缘部分材料的硬化容易导致翻边时产生开裂，则降低了极限变形程度。因此，在对变形坯料进行力学分析，确定各种工艺参数和处理生产实际问题时，必须了解材料的硬化现象及其规律。（二）硬化曲线在冷变形中材料的变形抗力随变形程度而变化的情况是用硬化曲线来表示的。硬化曲线可以通过拉深、压缩或板料的液压胀形试验等多种方法求得。绘制硬化曲线时，如果应力指标采用假象应力来表示则称为假象应力曲线。假象应力是各加载瞬间之载荷F除以变形前按试样的原始截面积计算的，而没有考虑变形过程中试样截面积的变化，在塑性加工中，为了真实反映硬化规律，应力以各加载瞬间之载荷可以与该瞬间试件的截面面积A之比FA表示，应变以相对应变(或)或实际应变()表示，这类曲线称之为实际应力曲线或真实应力曲线(又叫硬化曲线或变形抗力曲线)。真实应力曲线与假象应力曲线的不同之处可以从图2-4中看出。图2-4 金属的应力-应变图1-真实应力曲线，2-假象应力曲线从图24中可以看出塑性变形阶段的三个特征点：1.屈服点是从弹性变形过渡到塑性变形的转折点；2.细颈点是从均匀塑性变形过渡到不均匀塑性变形的转折点。它是控制扳料成形极限的一个重要依据；3.断裂点是从塑性变形过渡到破裂的转折点，此时变形达到极限应变。因此，屈服点、细颈点和断裂点对于板料冲压工作来说，具有重要的实际意义。从图2-5可知，不同材料的硬化曲线差别很大，为了使用上的需要，必须将实际材料的硬化曲线进行适当的简化，变成既能写成简单的数学表达式，又只需要少量试验数据就能确定下来的近似硬化曲线。在塑性力学中经常采用直线指数曲线来近似代替实际硬化曲线。图2-5 各种材料的硬化曲线2.5 冲压设备 冲压设备主要有机械压力机和液压机。 2.5.1 常用的压力机类型专用卧式挤压机：这类压力机在滑块的工作行程中，具有很大的能量，刚性好，工作行程时滑块速度变化较平稳；曲轴或偏心式压力机：即为通常冲压加工用的压力机，为各有关厂具有的通用设备。由于这类压力机床身台面上有大孔，床面强度薄弱，刚度较差，故应加厚冷挤模的底板；开式压力机：刚度很差，只有对挤压力不大的工件才能应用；闭式压力机：刚性较好，适宜用于冷挤压加工，但对台面上的孔应更换台面加以封闭，加厚模具底板；液压机：用于降挤压是比较理想的设备，但其主要缺点是行程不易控制，挤压速度也较慢，必要时要进行改装。 以现代高速多工位机械压力机为中心，配置开卷、矫平、成品收集、输送等机械以及模具库和快速换模装置，并利用计算机程序控制，可组成高生产率的自动冲压生产线。在每分钟生产数十、数百件冲压件的情况下，在短暂时间内完成送料、冲压、出件、排废料等工序，常常发生人身、设备和质量事故。因此，冲压中的安全生产是一个非常重要的问题。2.5.2 冷挤压用压力机的要求冷挤压用压力机的要求为：压力机必须有足够的强度和刚度；导向精确，滑块行程调节精度范围小于0.1mm；具有较大的行程和足够的能量；具有可靠的自动下上料装置；具有适合的挤压速度，使坯料取得大的热效应提高模具寿命。理想的挤压速度是当凸模与毛坯料接触时速度要低，挤压时速度要均匀，滑块速度(经验得知，以1224mm/min为好)；压力机应具有超载保险装置，以避免由于坯料磷化层脱落成材料成分不均匀等一些未能预料的原因，使压力机工作超载导至损坏。2.5.3 选用冲压设备准则选用冲压设备的准则为：在大批量生产中，应尽量选用高速压力机或多工位自动压力机；在小批量生产中，尤其是大型厚板冲压件的生产中，多采用液压机；冲压设备除了厚板用水压机成形外，一般都采用机械压力机；在缺少设备的情况下，可用摩擦压力机及大吨位的液压机。参考文献第三章 气缸盖罩冲压模具的设计柴油机的气缸盖罩位于整个发动机的最上端，图3-1为气缸盖罩拉深成型零件的三维线框图和实体图。不仅要求其达到设计性能和可靠性要求，同时还要求外形美观、成本低。该零件的冲压过程包括拉深成形、整形、冲孔、切边、翻边等工序。3.1 精拉深模具设计3.1.1 冲压工艺分析（1） 拉深件的形状特点及尺寸图3-1 柴油机气缸盖罩气缸盖罩成型件的长540mm，宽135mm，高85mm，料厚为2.0mm。为提高气缸盖罩拉深成型件的强度和刚性，其螺孔及标牌周围增加了很多凹凸圆弧形的加强筋，顶面角度为12的斜面，四个20的螺栓孔（用于与缸盖的联结）和一个40的加油口，底面为一弯曲翻边。（二）拉深件的圆角半径如图3-2所示，拉深件底部圆角半径应满足，为使拉深顺利进行，一般取，此处取=20mm。凸缘圆角半径一般取3t，尽可能使1/5H，此处取=20mm。拉深件与侧壁间的圆角半径一般取（4-8）t，此处取18mm。图3-2 拉深件圆角半径（三）拉深件的拉深精度拉深件的尺寸精度一般不应超过表3-1所列精度。表3-1 有凸缘拉深件高度的极限偏差注：本表为未经整形所能达到的数值。故取气缸盖罩拉深件尺寸公差等级为；拉深件高度的极限偏差为=IT14。3.1.2 冲压工艺方案制定（一）工艺计算切边余量的确定在拉深过程中，由于材料力学性能的方向性，模具间隙的不均匀，摩擦不均匀以及定位不准确等原因，会使拉深件边缘不齐，因此拉伸后一般需要切边，要切边的拉深件在计算坯料应加上切边余量。切边余量的数值如表3-2。表3-2 带凸缘拉深件的切边余量 （mm）注：本表适用于有凸缘筒形件和盒形件。根据拉深件的形状尺寸，故取=6mm。拉深次数的确定根据相对高度HB进行校核：一次拉探所能拉出的盒形件最大相对高度见2表1-4-16。若盒形件相对高度H/B，则可一次拉成；若HB，则需多次拉深。根据角部的拉深系数进行校核：对于低盒形件，由于因角处变形最大，故变形程度可以用圆角处的假想拉深系数来表示：m=r/R=18/22=0.8 （3-1）式中 r：盒形件角部的圆角半径； R：盒形体角部的坯料半径。盒形件第一次拉深系数列于2表1-4-17。若m，则可一次拉成；若m+；对于双动压力机：，。式中 ：压力机的公称压力（N）；：内滑块公称压力（N）；：外滑块公称压力（N）；：拉深力（N）；：压边力（N）。拉深与落料、冲孔等工序复合冲压时，其压力机吨位结合滑块的许用压力曲线选择。本工序中选用闭式上传动拉深压力机，型号为：JA45-200，其参数为：总公称压力：3250kN；内滑块公称压力：2000 kN；外滑块公称压力：1250 kN；内滑块行程：670mm；外滑块行程：425mm。3.1.3 模具总体设计（一）模具的结构形式倒装模具由于其推件装置通常是刚性的，且结构相对简单，废料排除方便，操作安全，故精拉深模具采用倒装的结构。（二）定位方式在拉伸的准备工作中，合理选择定位基准和定位方法是保证冲压件质量和尺寸精度的基本条件，也直接影响冲压工艺过程的稳定、影响操作和生产安全。由于坯料在前一道工序粗拉伸中已经基本成型，本道工序（精拉深）并不增加拉深件的高度，而主要用于整形和减小圆角半径，故可直接将半成品零件直接套在凸模上，通过其壁面的接触来完成本道工序中的定位，无需定位零件。（三）卸料、出件方式的选择根据零件加工的特点及质量要求，拉深模具中采用刚性卸料的方式，通过使用推杆将压边圈与双动液压机的滑块进行连接，依靠液压机将零件推出。在模具中，压边圈同时起到压边和冲压完成后的卸料功能。为了避免拉深完成后零件附在上模的凹模中，特在上模中设计了一个弹性卸料装置对此种情况进行卸料。（四）导向方式的选择为了提高模具寿命和工件质量，方便安装调整，该精拉深模具中采用导柱、导套滑动导向的导向方式。（五）确定模具压力中心模具设计时，应使模具压力中心与压力机滑块中心轴线重合，以避免冲压时产生偏心载荷，加剧模具及压力机滑块与导轨间的磨损，影响模具及压力机的寿命和冲压质量。由于零件属于规则形状，零件的压力中心就在零件的几何中心。对于本副模具来说，压力中心就在矩形对角线处。（六）绘制模具结构草图依据总体结构的设计，设计的精拉深模具结构草图如图3-3所示：图3-4 气缸盖罩精拉深模具结构草图 1-下模座； 2-推板； 3-顶杆； 4.凸模； 5-推杆； 6-压料圈； 7-导杆；8-导杆套； 9-压料弹簧套； 10-凹模； 11-上模座； 12-导料板图3-4所示结构中，导料板12用于定位毛坯，上模下行时，压料弹簧套9伸出凹模，起预先压料的作用。拉伸开始时，压料圈6压料，拉伸完成后推件，在凹凸模的作用下完成拉伸成型。3.1.4 主要零部件设计（一）凹、凸模结构设计凹凸模结构形式设计得是否合理，不但关系到产品质量，而且直接影响拉深变形程度。凹凸模的圆角一般说来，大的凹凸模半径可以增加极限拉深系数，而且还可以提高拉深件的质量。但凹模圆角半径太大又会削弱压迫圈的作用，可能引起起皱现象。因此，凹模圆角半径大小要适当。凸模圆角半径对拉深作用的影响不象凹模圆角半径那样显著，但过小的凸模圆角半径会降低传力区危险断面的有效抗拉强度。如果凸模圆角半径过大，会使在拉深初始阶段不与模具表面接触的毛坯宽度加大，因而这部分毛坯容易起皱(称此为内皱)。凸、凹模的圆角半径对拉深成形影响很大，因此：首次拉深凹模圆角半径可按表3-4来选：表3-4 首次拉深凹模圆角半径 （mm）故取粗拉伸凹模圆角半径为20mm。精拉深的圆角半径：（i=2,3，n） （3-8）故取精拉深凹模圆角半径0.8r=16mm。首次拉深凸模的圆角半径：=（0.7-1.0） （3-9）故取=22mm；精拉深凹模的圆角半径：=（-2t）/2 （3-10）故取=18mm。凸、凹模间隙拉深模的间隙，是指凹凸模间横向尺寸之差值。它影响拉探件质量、拉深力的大小以及模具的寿命。因此，应确定一个合理的间隙，确定间隙大小的一般原则是：既要考虑板料公差的影响，又要考虑拉深件口部增厚现象。因此，间隙一般比毛坯厚度略大一些。由表3-5，取凹凸模间隙为1.7mm，圆角部分间隙取法如图3-5。（a） （b）图3-5 圆角部分间隙取法（a） 内形尺寸 （b）外形尺寸表3-5 有压边圈拉深的单边间隙值 （mm）注：1.t为材料厚度，去材料允许偏差的中间值；2.当拉深精密工件时，对最后一次拉深间隙取Z/2=t。拉深模间隙对拉探的影响如下：拉深力：间隙愈小，拉深力愈大；工件质量：间隙过大，容易起皱，而且口部的变厚得不到消除；间隙过小，则会使工件容易拉断或严重变薄；模具寿命：间隙小，则模具磨损加剧，寿命低。凸、凹模工作部分设计设计凸模和凹模工作部分尺寸时，应考虑模具的磨损和拉深件的回弹，其尺寸公差只在最后一道工序考虑。末次凹凸模尺寸，公差确定如下:若工件拉深精度要求取外形尺寸时(如图3-4)，则： =（-0.75 （3-11） =（-0.75-Z （3-12） =（+0.4 （3-13） =（+0.4+Z （3-14） 式中：、：凹模尺寸；、：凸模尺寸；、：分别为工件的最大外形尺寸和最小内形尺寸；Z：凸、凹模双边间隙；D：拉深件的制造公差；、 ：凸、凹模的制造公差。精拉深凹、凸模设计效果分别如图3-6，图3-7： 图3-6 精拉深凹模 图3-7 精拉深凸模凸模、凹模工作表面的技术要求在拉深过程中，凸缘变形区的变形程度最大，与凹模接触的面积也最大。筒壁部分由于凸、凹模间隙的存在，接触面积较小。凹凸模圆角处，筒壁和凸模完全脱离接触面最小。由于以下原因，毛坯在拉深过程中受到不同程度和不同性质的力的作用，特别是凸缘变形区除了受径向拉力外，还受摩擦阻力与凹模圆角处的弯曲阻力的作用。为了提高成形质量和成形极限、尽量降低筒壁传力区的最大拉力，或提高危险断面的承载能力，在模具设计和制造中，除了对凹凸模的尺才公差严格要求外，对其表面质量还应有以下要求：凸、凹模加工后的表面，不允许有影响使用的砂眼、缩孔、裂纹和机械损伤等缺陷；凹模工作表面和型腔表面的粗糙度应达到及0.8um而凹模圆角处的表面粗糙度数值一般要求为0.4um，目的是降低径向拉应力，保证拉深顺利进行；在拉深过程中，凸模的工作表面特别是凸模的圆角处材料的摩擦阻力有利予抵制材料的变薄。因此，在不影响工件表面质量的条件下，凸模圆角区的表面粗糙度值达到1.6-0.8um即可。（二）压边装置的设计为了防止毛坯凸缘变形部分在拉深过程中起皱，通常使用的拉深模均设有压边装置。压边圈主要有两种类型：刚性压边圈和弹性压边圈。刚性压边圈主要用于大型拉深件的拉深模，安装在双动压力机的外滑块上。而弹性压边圈多用于中小型拉深件使用的模具，弹性压边圈利用气压、液止、弹簧或橡皮产生的力为压边圈提供压力。由于气缸盖罩属于大型拉深件，故采用刚性压边圈对其进行压边，图3-8所示为气垫压边装置。图3-8 弹性压边装置1-凹模；2-压边圈；3-下模座；4-凸模；5-工作台；6-气垫 压边圈的作用主要是压边防皱，但一般设计的压边圈还起卸料作用。因此，压边圈与凸模的间隙不能太大。根据材料厚度，设计的压边圈与凸模的单面间隙在0.5mm,如图3-9所示。