汽车模具设计要注意什么

1.工艺设计前的准备工作

在拿到冲压件进行工艺设计前，必须查阅有关资料，以便明确产品的具体要求、现有的条件等，为设计合理而可行的冲压工艺做好必要的准备。

这些资料主要有：

1. 零件图或产品图，可以参考的模型。

2. 冲压件的公差。

3. 类似零件的成型性及作业性的有关资料、曾出现的各种质量问题及解决方法。

4. 关于产品所用钢材的有关资料，如材料的各项性能参数值，表面质量等。

5. 各种模具设计的标准和模具零件的规格。

6. 现有压力机的参数和附属装置、生产率等方面的资料。

7. 产量和要求的时间。

通过对零件图和拉深件图的研究，应该了解该零件所应具有的功能、所要求的单个零件的强度，表面质量以及相关零件之间所要求的相关精度。并明确下列事项：

1. 零件轮廓、法兰、侧壁及底部是否有形状急剧变化的部分、负角的部位等，以及其他成形困难的形状。

2. 该零件和有关零件的焊接面、装配面、镶嵌面有什么要求。

3. 孔的精度（直径、位置）、孔和孔的间距的要求，这些孔的位置在何处（平面部分、倾斜部分、侧壁部分）。

4. 各个凸缘精度允许达到什么程度（包括长度、凸缘面的位置、回弹）。

5. 焊接、装配的基准面和孔在何处。

6. 零件冲压成形需要解决的重点问题有哪些。

7. 材料的利用率如何。

在进行工艺设计之前，必须对零件进行合理全面的工艺分析。根据零件本身原始信息（包含产品的材质，料厚，产品形状），冲压件的公差和车身装配位置，客户和本工厂的压力机参数和生产方式（自动线，手工线），冲压件的生产批量大小以及客户提出的模具设计的技术要求来进行冲压件的工艺分析。

2.零件的前碰撞梁工艺分析和设计

2.1. 零件工艺分析

下面我们以东风项目中前碰撞梁为例

零件名称：前碰撞梁

材料：BUSD

料厚：2.0mm

图 2.1 为零件的产品数模，根据零件的数模和提供的基本信息，以及客户的技术要求我们来进行零件的前碰撞梁的工艺分析，并确定通过几道冲压工序来获得我们的零件。

冲压零件不论复杂或简单我们可以概括为它都是通过两类模具来获得的：1 成形类模具（包括拉延模，成形模，整形模，翻边模，侧翻和侧整模），2 修边类模具（包括修边模，落料模，冲孔模，侧修和侧冲孔模具），成形类模具是通过不同的成形方式来完成我们的产品形状，修边类模具则是切除零件在成形后的废料以达到产品的尺寸精度。

如图 2.1 所示，首先我们根据零件数模可以确定该零件拉深的成形难度不是太高，形状不是很复杂，产品在车身状态不存在负角，唯一需要考虑的或者说零件成形的唯一风险性就是产品反弹，如图2.1 矢梁类件是典型易反弹的形状，所以我们在成形类模具中必须考虑产品的反弹量，零件所有形状可以通过一次拉延全部完成。

如图 2.1 所示，我们可以由零件数模了解零件一共有 8 个孔位，6 个在产品平面的区域，2 个在产品侧壁区域，产品轮廓线比较规则可以在拉延的冲压方向下保证垂直修边。所以我们在了解产品的装配关系和孔的精度，公差后，我们可以把零件的全部工序确定下来。零件工序确定如下：1，拉延 2，修边 冲孔 3，冲孔 侧冲孔。

2.2. 1/4 拉延件工艺分析与设计

零件成形的确定其实就是确定拉延工序，是编制覆盖件冲压工艺首先要考虑的问题，使之不但能够方便于拉延，而且拉延后还要能够方便于修边，又要为翻边创造有利条件，因此，拉延件确定下来以后覆盖件冲压工艺也就基本上确定了。

确定拉延工序，我们必须考虑以下几个重点：

2.2.1. 确定零件的冲压方向

确定冲压方向是确定拉延件首先要遇到的问题，它不但决定能否拉延出满意的拉延件来，而且影响到工艺补充部分的多少和压料面形状。有些形状复杂的拉延件往往会由于冲压方向确定不当，而拉延不出满意的拉延件来，只好改变冲压方向，这样就需要修改拉延模，同时还必须相应地修改拉延以后的冲模，回造成很大的成本损失，所以冲压方向必须慎重考虑确定之。

确定冲压方向必须考虑以下几个重点：

a) 保证凸模能够顺利进入凹模，尽量避免负角

b) 凸模开始拉延时与拉延的毛坯的接触状态，接触面积要大，尽量靠近中间，接触地方要多，要分散

c) 压料面各部分进料阻力要均匀

依以上原则，图 2.1 所示零件的冲压方向我们就可以确定下来如图 2.2。

图 1.2 示 Z 轴坐标方向为该零件的冲压方向，该冲压方向与零件顶面垂直，不存在负角，凸模开始拉延时与毛坯的接触状态面积大并且都在零件的中间部分有利于拉延，同时后工序修边冲孔都可以保证垂直修边和冲孔，所以拉延和后工序修边、冲孔都可使用该冲压方向。

2.2.2. 零件的压料面和分模线

压料面是工艺补充部分的一部分，指凹模圆角半径以外的那一部分。压料圈将拉延毛坯压紧在凹模压料面上，凸模对拉延毛坯拉延，不但要使压料面上的材料不皱，更重要的是保证拉入凹模的材料不皱又不裂，分模线是凸模和压边圈的分界线，通常是指压料面和凸模面延伸所产生的那条线。基本上压料面和分模线的形状和好坏很大部分决定冲压件的拉延状态好坏。

压料面一般有两种情况：

 压料面就是覆盖件本身的凸缘部分。

 压料面是工艺补充补充成的。确定压料面的形状我们必须考虑下面的问题：

 尽量降低拉延深度。

 凸模对拉延毛坯一定要有拉延状态产生压料面的展开长度必须比凸模展开长度短，压料面所形成的夹角必须比凸模的夹角要大。

 压料面形状尽量简单化，尽量采用水平压料面。

 压料面应使成形深度小且各部分深度接近一致。

 压料面应使毛坯在拉深成形和修边工序中有可靠定位，并考虑送料和取件方便。

 当覆盖件底部有反成形时，压料面必须高于反成形形状的最高点。

 不要在某一方向产生很大的侧向力。

接下对上图 2.1 所示零件进行压料面和分模线的创建。根据零件数模我们可以有两种方法创建零件的压料面：1 压料面就直接使用覆盖件本身的凸缘部分，2 压料面由工艺补充构成即自己创建。对两种方法分别进行分析，首先如果直接使用覆盖件的凸缘为压料面，我们可以节省毛坯材料提高材料利用率，但从工艺上考虑则会给零件带来起皱的现象，并且不利于克制和避免零件的反弹，前面就有提到过梁类件是零件中典型的易反弹件，所以直接使用零件凸缘为压料面不可行的，只能根据以上我们提到过的创建压料面的原则通过工艺补充自己创建压料面。通过综合以上原因和条件，前碰撞梁零件的压料面我们创建如下图 2.3 所示

当压料面确定下来后，接下来就要确定拉延件的分模线。分模线的作用就是分开了凸模和压料圈两个工作部件，从成形角度来说就是分开了实际拉延的压料部分和拉延成形部分，通常分模线的轮廓形状结合压料面的型面形状在很大程度上就决定了零件拉延的初始状态好坏和最终零件是否起皱、开裂、反弹、刚性不足等缺陷，所以分模线也是对拉延件的成形起决定性作用的。

创建分模线时我们需注意以下几点：

 分模线轮廓形状尽量不要发生急剧的变化，

 分模线创建时要结合压料面的形状，

 分模线创建时要结合产品零件的修边轮廓准确计算尺寸保证工艺补充合适，保证修边的余量，

 分模线创建时要考虑到零件接近分模线位置的形状是否变化剧烈，是否易产生开裂和起皱等缺陷，应如何适当的改变分模线的形状来避免，来优化零件的拉延状态。

依据以上几点，前碰撞梁零件的分模线我们确定如下图 2.4：

2.2.3. 拉延件合理的工艺补充

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。由于这部分材料是成形需要而不是零件需要，故在拉深成形后的修边工序要将工艺补充部分切除掉。工艺补充是拉深件设计的主要内容，不仅对拉深成形起着重要影响，而且对后面的修边、整形、翻边等工序的方案也有影响。

工艺补充部分有两大类：一类是零件内部的工艺补充，即填补内部孔洞，这部分工艺补充不增加材料消耗，而且在冲内孔后，这部分材料仍可适当利用；另一类工艺补充是在零件沿轮廓边缘展开的基础上添加上去的，它包括拉深部分的补充和压料面两部分。由于这种工艺补充是在零件的外部增加上去的，称为外工艺补充，它是为了选择合理的冲压方向、创造良好的拉深成形条件而增加，它增加了零件的材料消耗。

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。

工艺补充设计的基本原则：

 内孔封闭补充原则 对零件内部的空首先进行封闭补充，使零件成为无内孔的制作。

 简化拉深件结构形状原则 零件外部的工艺补充要有利于拉深件的拉延，有利于毛坯的均匀流动和均匀变形。

 保证良好的塑性变形条件 对于一些深度较浅、曲率较小的汽车覆盖件来说，必须保证毛坯在成形过程中有足够的塑性变形量，才能保证其能有较好的形状精度和刚度。

 外工艺补充部分尽量小 由于外工艺补充不是零件本体，以后将被切掉变成废料，因此在保证拉深件具有良好的拉深件的前提下，应尽量减小这部分工艺补充，以减少材料浪费，提高材料利用率。

 对后工序要有利原则 工艺补充要考虑对后工序的影响，要有利于后工序的定位稳定，尽量保证能够垂直修边等。

 双件拉深工艺补充 当冲压件为左/右件时，往往为了节省成本而进行双件拉深。当左/右件合做时，拉深件的深度尽量浅，中间工艺补充部分要有一定的宽度，才能够保证修边修边模的强度。

根据以上工艺补充基本原则，零件整个拉延工艺补充如图 2.5：

整个拉延工序的工序数模如上图 2.5，除开零件产品数模部分其余都是零件拉延工艺补充，零件外部的补充为外部工艺补充，内部的补充为内部工艺补充，其中包括：压料面，拉延筋，到底标记工艺造型，和预防起皱缺陷的余肉造型等，具体从零件数模到完成整个拉延工序的工序数模下面一一解析：

a) 拿到零件数模，首先确定零件的冲压方向，再根据零件车身坐标百分线位置确定零件的数模中心（数模中心 start point X，Y，Z 坐标一般以百为单位） 数模中心确定后将产品数模由数模中心移至 CAD 软件的绝对坐标处（这里以 UG 软件为例），再确认冲压方向与 Z 轴是否重合是否需要旋转角度，具体整个移动和旋转的坐标值和角度值我们都需要记录下来，

以保证下一次数模更新时能很快的与旧数模进行对比，如下图 2.6 所示

b) 当数模位置和冲压方向确定后，接下就是进行拉延压料面的创建。前面进行压料面分析时已经提过不能直接使用零件的凸缘面为压料面，需要我们自己来创建。根据前面所说创建压料面的基本原则将压料面按图 2.7 示尺寸创建如下，一般保证压料面和零件最低部分距离为 20mm 左右，太多会加大补充造型浪费材料，太少则对成形的意义不大，压料面的趋势大致按照零件顶部的趋势保证零件拉延时的初始状态尽量最多区域的拉延，零件顶部形状转角区域压料面可以创建转角，压料面形状不能存在尖角，每个尖角部分都要进行倒圆角，圆角的大小不宜太小，一般可以 R500，R1000，倒圆角要结合零件的型面趋势，左右形状大致一样的零件可以直接做出一半再进行镜像的操作，尺寸则参照图 2.7 所示尺寸创建，

注意图 2.7 所示为零件的前视图。

c) 压力面创建成功后，接下来就是分模线的如何创建，前面说到分模线对零件的拉延成形起到决定性的作用，创建拉延分模线时要结合产品零件的形状尺寸和压料面的形状。依据以

上创建拉延分模线的要点，零件拉延分模线创建如下图 2.8 所示：

创建出以上尺寸的分模线，在不清楚怎样，通过什么方法确定以上尺寸时可能会感到要确定下这些尺寸会无从下手。下面就将如何怎样确定出合理的分模线尺寸进行分析：通常在创建分模线平面尺寸之前都会结合零件截面图调整各个参数来确定其尺寸，

如下图 2.9所示 SEC A-A：，图 2.10 为细节放大图

通常在确定分模线平面尺寸之前都会对其零件最大轮廓处的截面进行分析，如上图 2.9 SEC A-A 就是零件 X 方向最大轮廓处的截面，截面中通过确定拉延补充造型中产品延伸部分，凸模 R，凹模 R，侧壁拔模尺寸来确定零件分模线尺寸，

1， 首先产品延伸部分（为了避免加工和调模破坏产品形状以及后工序修边刀块的强度）一般尺寸为 3—10mm，最小不能小与 3mm，

2， 凸模 R 一般为 R5—R12（一般根据拉延深度调整，拉延深度浅取小值反之取大值），

3， 凹模 R 一般为 R5—R15（凹模圆角大小可以直接控制拉延成形的进料阻力，R 取小值时进料阻力大，可以改善起皱和刚性不足，R 取大值时进料阻力小，可以改善零件开裂 料厚大时可以适当调整），

4， 拉延件侧壁斜度一般取 6 °—12°（侧壁斜度大小可以直接控制和改善零件成形状态，保证零件表面有足够的拉应力，保毛坯的全部拉伸，影响后工序定位的稳定和可靠，以及修边刀块强度和修边条件的好坏）

拉延侧壁确定下来后，它与压料面相交所形成的线就是我们需要的分模线，分模线一般都会在一个方向比如说 X 方向取零件轮廓最大的部分截面的来确定。如上图 1.9 就可以确定分模线 X 的尺寸为距数模中心为 525mm，依据以上的步骤我们同样确定其他方向的尺寸，如下图 2.11 SEC B—B，图 2.12 为细节放大图

当各个方向的分模线的尺寸确定下来后，我们直接在转角部分对它进行倒圆角操作，倒圆角时结合零件形状保证各部分均匀 这里对概零件我们倒圆角 R30mm，分模线确定成功。

d) 分模线确定后，接下就是进行拉延的工艺补充设计。在零件内部有孔的部分，可以先对其内部进行工艺补充，将所有的孔封闭起来，剩下就是零件的外部工艺补充，也是拉延造型中的难点，工艺补充的好坏直接决定拉延成形的质量以及后工序的修边条件和翻边工序的成败与否。以零件前碰撞梁为例：

按照上图 2.13 所示顺序：1，先创建压料面，2，通过分模线创建侧壁部分，3 创建零件的延伸部分，4 创建凸模 R 角，5 创建凹模 R 角，6 创建拉延筋。

 首先直接先创建出压料面部分

 在压料面和分模线确定后，直接在 CAD 建模软件中将分模线投影到 3D 的压料面上，如下图 2.14

 接下用投影的 3D 曲线按一定的拔模角度拉伸出侧壁面，并进行倒圆角动作，如下图 2.15

用 CAD 软件将零件由零件往外延伸，如下图 2.16

用拉伸出的侧壁面跟延伸的产品进行凸模倒圆角如下图 2.17

用拉伸出的侧壁跟压料面进行凹模倒圆角如图 2.18

创建拉延筋如图 2.19

进行拉延工艺补充的辅助造型（倒底标记造型，防起皱余肉造型）如图 2.20，2.21

各部分的尺寸可直接依据之前所提，具体如下图 2.22：

2.2.4. 拉延筋的正确合理设计

在汽车覆盖件拉深成形中，广泛使用拉延筋（或拉深槛）。它是调节和控制压料面作用力的一种最有效和使用的方法。拉深筋的作用力在压料面作用力中占有较大的比例，且可以通过改变拉深筋的参数很容易地改变这种作用力的大小，在拉深过程中起着重要作用：

1) 增大进料阻力。

压料面上的毛坯在通过拉深筋时要经过四次弯曲和反弯曲，使毛坯向凹模流动的阻力大大增加，也使凹模内部的毛坯在较大的拉力作用下产生较大的塑性变形，从而提高覆盖件的刚度和减少由于变形不足而产生的回弹、松弛、扭曲、波纹及收缩等，防止拉深成形时悬空部位的其皱和畸变。

2) 调节进料阻力的分布

通过改变压料面上不同部位拉深筋的参数，可以改变同部位的进料阻力的分布，从而控制压料面上各部位材料向凹模内流动的速度和进料量，调节拉深件各变形区的拉力及其分布，使各变形区按需要的变形方式、变形程度。

3) 可以在较大范围内调节进料阻力的大小

在双动压力机上，调节滑块的高低，只能粗略地调节压边力，拉深筋可以配合压边力的调节在较大范围内控制材料的流动情况

4) 拉深筋外侧已经起皱的板料可通过拉深筋进行一定程度的矫平。

设置拉深筋，最根本的目的是为成形板材提供足够的拉力。此外，也必须考虑其他方面的因素，才能确保冲压件的成形质量。

不同形式的拉深筋， 通过调整几何参数，可以在阻力上完全等效，但在其他方面却不一定能够等效。因此，设计什么样的拉深筋，除了满足阻力要求外，还应考虑以下几个方面的因素：

 对单筋来说，其结构简单，便于加工和模具调试；宽度比较小可以减小模具尺寸；而重筋则结构比较复杂，加工难度大，宽度也大，会增加模具尺寸和毛坯尺寸。因此，一般情况下多选用单筋。

 在毛坯变形不需要特别大的拉深阻力，切修边线不在压料面部位时，可在凹模口部设置拉深槛，即能保证拉深成形所必需的拉深阻力，又可以减小毛坯尺寸和模具尺寸。

 保证冲压件成形质量和表面质量。

 提高拉深筋的使用寿命，有利于拉深筋的加工和调整。

 当零件料厚过大>2mm 以上，拉深筋作用会变小。设计拉深筋的数目和位置时，必须根据拉深件形状特点、拉深深度、材料料厚及材料流动特点等情况而定。

 为了增加进料阻力，提高材料变形程度和刚性，在不破裂的前提下，都会放置整圈的拉深筋

 为了增加径向拉应力，降低切向压应力，为了防止起皱，在容易起皱的部位都会放置拉深筋

 为了调整进料阻力和进料量的均匀，在拉深深度相差较大时，在浅的部位都会放置筋，而深的部位不设拉深筋

零件前碰撞梁，根据以上原则在其直线段为了增加进料阻力，提高材料变形程度和刚性，减少回弹，就在直线段各设置一条拉深筋。拉延筋一般从分模线偏置 25mm，考虑材料利用率可以 20mm.到此，零件前碰撞梁整个拉延工艺数模就创建成功。