1.3　汽車覆蓋件模具設計

隨著計算機技術的發展，計算機輔助設計（CAD）在模具設計領域得到廣泛的應用并顯示其巨大的靈活性、方便性與優越性。當前，傳統的二維CAD技術已經不能滿足模具的開發周期、質量與成本的要求，三維實體設計技術在模具的開發周期短、質量提升和成本降低等方面有著明顯的優勢。

三維實體設計能夠直觀地反應設計的真實狀態，使相關人員清楚準確地理解設計者的真正設計意圖，方便加工與裝配。三維實體設計能通過運動模擬和干涉檢查等分析手段，在設計階段即可發現問題，避免以往只能在生產過程中才能發現的設計錯誤。另外，三維實體設計還可以進行CAE分析，從而指導和優化工藝方案，如拉延成形模擬分析、回彈補償分析和修邊的展開分析等。同時，直接按三維實體數據進行編程與實型加工，可以縮短工期，保證質量。

除了以上幾點之外，模具設計最重要的一點，就是一定要根據本公司（或客戶）的現有條件（壓力機種類及規格等）來設計汽車覆蓋件模具的具體結構。

1.3.1　拉延模具設計

（1）閱讀必需的技術資料

汽車覆蓋件沖壓工藝方案確定之后，便可進行模具設計。在設計拉延模具之前，必須閱讀以下技術資料。

①覆蓋件產品圖。覆蓋件產品圖（2D圖和3D圖）是所有工序生產的依據。在設計拉延模之前，要仔細認真地閱讀覆蓋件產品圖，充分理解產品設計思想、產品的各項功能和技術質量要求，并預計或設想拉延時哪些因素會對產品質量產生不良影響。

②覆蓋件產品DL圖。結合覆蓋件產品圖，認真閱讀覆蓋件DL（2D和3D）圖，充分理解其設計思想，工藝補充、壓料面設計的目的以及需要預防可能出現的問題等，在拉延成形條件方面還存在哪些不足，以便確定在拉延模設計時采取必要的措施來彌補，這對拉延模設計是非常重要的。

（2）拉延變形分析和質量分析

認真研究覆蓋件沖壓工藝文件，結合工序樣件（如果有的話），明確本工序以及后工序對產品件的質量要求。

針對拉延件的結構形狀特點，結合CAE分析報告，進行拉延過程中毛坯的流動和變形分析。首先分析判斷毛坯各部位的變形性質、變形狀態、變形分布以及變形量大小等，然后進一步分析判斷毛坯在不同變形狀態、變形分布以及變形量下可能出現的破裂、皺褶、表面畸變以及剛度降低等質量問題。同時還要判斷拉延過程中可能出現的劃傷、沖擊線滑移等問題。最后，根據這些分析與判斷，決定在拉延模具設計時采取哪些相應的應對措施。

（3）資料準備

準備好有關的拉延模具設計所需的參考資料，如以往的類似件的拉延模具圖樣、模具國家標準、行業標準以及企業標準、標準件與通用件樣本，還應具備有沖壓件的公差、產品所用板材的各項性能參數以及客戶要求等。

（4）設計要點

①確定壓料面及沖壓方向。壓料面的形狀不但要保證壓料面上的材料不皺，而且應盡量使凸模下的材料能下凹以降低拉延深度，更重要的是要保證拉入凹模里的材料不皺不裂。

汽車覆蓋件的拉延沖壓方向選擇的是否合理，將直接影響凸模是否能進入凹模、變形是否均勻、最大限度地減少拉延件各部分的高度差、是否能充分發揮材料的塑性變形能力、是否有利于防止破裂和起皺等質量缺陷的產生等等。也就是說，只有選擇了合理的拉延沖壓方向，才能使拉延成形過程順利實現。

一般來說，在覆蓋件沖壓工藝設計時，已充分考慮了拉延過程中的變形特點和毛坯流動趨勢，確定了拉延件的形狀和沖壓方向。

②確定模具結構形式及導向方式。拉延模具結構形式的確定是設計時必須首先需要考慮的，也是模具設計的關鍵，它直接影響覆蓋件的質量、成本及沖壓生產的水平。在汽車覆蓋件沖壓生產中，采用哪種結構形式的拉延模，主要是根據客戶的使用要求來選擇（或根據本公司的實際情況）。至于模具的導向方式，應根據所選擇的模具結構形式來確定。

③定位方式選擇。主要的定位元件有定位器（或帶感應器板件定位器）以及半自動化沖壓線上使用的氣動擋料裝置等。

④確定拉延筋形式及布置。拉延筋的形式及布置對拉延過程有很大的影響，它是防止覆蓋件起皺和撕裂最有效的方法之一。要根據拉延件的形狀特點及相應的毛坯變形、流動規律來設計拉延筋的形式和布置，使其可以有效地控制毛坯的變形與流動，滿足拉延要求。

在設置拉延筋時，凹模壓料面上的拉延筋槽可以適當加深，但必須保證槽寬W，并注意保證圓角半徑R的大小。

⑤確定凸、凹模圓角等參數。汽車覆蓋件多數都是一次拉延成形，因此一般情況下拉延凸模的形狀、尺寸以及圓角大小都要與產品圖相應部位的參數相一致。若覆蓋件出現與產品圖參數不一致，并且利用其他方法都不能解決時，可以考慮對凸模的局部圓角進行一定的放大，但必須在后工序中對該部位校形來達到產品尺寸要求。

在拉延模設計時，通常都是將凹模圓角設計成略小于產品件上相應部位的圓角。因為在拉延模調試過程中，若對凹模圓角進行修磨，由小圓角修成大圓角比較方便、快捷和經濟；反之若將凹模圓角由大變小，需要對凹模進行堆焊修補，修模工作量大，既費時又不經濟。

⑥壓料的作用。為了防止皺褶的產生，在拉延凸模四周設計一壓邊圈，由彈簧、氮氣彈簧或油、氣壓元件將力作用于壓邊圈上。

這個力的大小是非常重要的參數。當壓邊圈所受的壓力不足時，拉延過程中將使材料產生皺褶；當壓邊圈所受的壓力過大時，拉延過程中將使材料受到抑制而使側壁產生過分拉延而產生破裂。壓邊圈所受到的壓力使材料壓緊在凹模上，因此稱為壓料力。

壓料力既要保證有足夠的壓力使材料在壓邊圈下面順利流動，又要有足夠的壓力以抑制材料產生皺褶。

⑦排氣孔。排氣孔的位置、數量及直徑大小，應根據拉延件的形狀設計，以能順利地排氣而又不破壞拉延件表面為宜。一般的，為將空氣排出模具以外，應盡可能開較大的排氣孔，并且均勻布置。

⑧進出料方式。根據原材料的形式確定進料方法、取出和整理制件的方法。

⑨壓料與卸料方式。確定壓料或不壓料，采用剛性卸料還是彈性卸料，使用多少個氮氣彈簧等。

⑩必要的計算。汽車覆蓋件各工序都需要進行必要的計算，拉延工序也不例外。

模具材料的選擇。主要是指拉延凸模與凹模、壓邊圈及上、下模座等制造所使用的材料。盡可能選用國產材料，這樣可以降低模具制造費用。

其他。包括拉延模具的工藝孔、起吊裝置設計等。

除模具加工成本、產品質量等要求外，在模具設計時還必須對其維修性能、操作方便、安全性等，特別是在手工操作模具的安全方面予以充分的考慮。

1.3.2　修邊沖孔模具設計

（1）在進行修邊沖孔模具設計之前必須閱讀的資料

①覆蓋件產品圖。覆蓋件產品圖（2D和3D圖）是所有工序生產的依據。在設計修邊沖孔模之前，要仔細認真地閱讀覆蓋件產品圖，充分理解產品設計思想、產品的各項功能和技術質量要求，并預計或設想修邊沖孔時哪些因素會對產品質量產生不良影響。

②覆蓋件產品DL圖。結合覆蓋件產品圖，認真閱讀覆蓋件DL（2D和3D）圖，要明確修邊部位、修邊質量要求以及沖孔加工內容及要求，以及修邊沖孔工序與前、后各道工序之間的關系等。同時，分析和研究工藝設計時所初步確定的修邊（沖孔）方式、修邊（沖孔）方向等設計思想，認真考慮在模具中實現的可能性和可行性措施，預防可能出現的問題等，這對修邊沖孔模設計是非常重要的。

（2）修邊沖孔質量問題分析

認真研究覆蓋件沖壓工藝文件，結合工序樣件（如果有的話），根據修邊線的空間形狀特點對修邊（沖孔）時可能會產生的質量問題進行分析、對比，并制訂在模具結構、修邊方式以及修邊刃口等方面的應對措施。

（3）資料準備

準備好有關的修邊沖孔模具設計所需的參考資料，如以往的類似件的修邊沖孔模具圖樣、模具國家標準、行業標準以及企業標準、標準件與通用件樣本，還應具備有沖壓件的公差、產品所用板材的各項性能參數以及客戶要求等。

（4）設計要點

①修邊方式與修邊（沖孔）方向的確定。在沖壓工藝設計時，已經初步確定了修邊方式與修邊（沖孔）方向。因此，在進行修邊沖孔模具設計時，首先要對沖壓工藝規定的修邊方式與修邊（沖孔）方向的合理性進行探討，是否還存在不合理的情況，修邊方式與修邊（沖孔）方向是否能保證制件的質量要求等。在進行綜合分析后，最終確定修邊方式與修邊（沖孔）方向。

②確定模具結構。根據所確定的修邊方式與修邊（沖孔）方向，以及生產綱領與公司（客戶）實際情況，決定采用何種模具結構。

③拉延件在修邊沖孔模具中的定位。選擇拉延件在修邊沖孔模具中的定位方式時，要充分考慮拉延件的結構與形狀特點、修邊線的形狀與位置以及汽車覆蓋件沖壓加工的基準等，選擇定位最可靠、不影響模具結構布置（特別是斜楔的安放等）、能夠保證修邊沖孔質量的定位方式。拉延件在修邊沖孔工序中的定位形式主要有：型面定位；定位半圓孔；下模導正銷 （如一模兩件生產）。

④斜楔機構設計。汽車覆蓋件修邊沖孔模具中，斜楔機構的應用非常普遍。斜楔機構的合理、動作的靈活是保證修邊沖孔質量的基本要求。在此基礎上，所設計（或選擇）的斜楔機構的斜楔角、滑塊尺寸以及滑塊行程等參數要盡可能使斜楔機構緊湊，以縮小整體模具結構尺寸。

⑤確定修邊刃口輪廓。在確定修邊刃口輪廓時，要考慮到后面的翻邊整形工序的變形。當曲線或曲面的翻邊高度不大，可以翻邊整形時，則修邊輪廓可以由連續光滑曲線組成；當翻邊高度較大，加工會出現皺褶、破裂等質量缺陷而不能整形時，則需要在修邊輪廓合適的部位進行切口。

⑥沖孔凸、凹（套）形式的確定。沖孔凸、凹（套）形式比較多，應根據不同的情況采用不同的形式，盡可能地選用標準件。非圓形凸模或凹模套，一定要注意防轉方向。

⑦修邊沖孔間隙的確定。設計修邊沖孔模具時一定要選擇一個合理的間隙值，確定合理間隙值的方法有計算法、經驗法、查表法等三種。

⑧確定刃口鑲塊形狀尺寸及布置方式。根據修邊線的空間形狀，確定凹模刃口鑲塊的形狀尺寸和布置方式

⑨確定廢料分塊及廢料刀布置。根據修邊廢料的形狀和尺寸，按廢料分塊原則進行廢料分塊，并在相應的位置布置廢料刀。

⑩確定廢料處理方式。根據修邊（沖孔）廢料的具體情況確定廢料的處理方式。

修邊沖孔模具的材料選擇。根據不同材料厚度，修邊（沖孔）模具的刃口形式主要有鑄造鑲塊、堆焊及鍛造鑲塊，使用的材料主要有：鑄CH-1、7CrSiMnMoV和Cr12MnV等，熱處理硬度58～62HRC。

其他。包括卸料板的設計以及必要的計算等。

1.3.3　翻邊整形模具設計

（1）在進行翻邊整形模具設計之前必須閱讀的資料

①覆蓋件產品圖。覆蓋件產品圖（2D和3D圖）是所有工序生產的依據。在設計翻邊整形模之前，要仔細認真地閱讀覆蓋件產品圖，充分理解產品設計思想、產品的各項功能和技術質量要求，并預計或設想翻邊整形時哪些因素會對產品質量產生不良影響。

②覆蓋件產品DL圖。結合覆蓋件產品圖，認真研究覆蓋件DL（2D和3D）圖，明確翻邊（整形）部位、翻邊方向，以及翻邊整形工序與前、后各道工序之間的關系等。預防可能出現的問題，這對翻邊整形模設計是非常重要的。

（2）翻邊整形質量問題分析

認真研究覆蓋件沖壓工藝文件，結合工序樣件（如果有的話），根據翻邊線的空間形狀特點對翻邊（整形）時可能會產生的質量問題進行分析、對比，并制訂在模具結構、翻邊方式和整形內容以及翻邊鑲塊端面輪廓形狀等方面的應對措施。

（3）資料準備

準備好有關的翻邊整形模具設計所需的參考資料，如以往的類似件的翻邊整形模具圖樣、模具國家標準、行業標準以及企業標準、標準件與通用件樣本，還應具備有沖壓件的公差、產品所用板材的各項性能參數以及客戶要求等。

（4）設計要點

①翻邊和整形方向。對沖壓工藝文件給出的翻邊和整形方向進行確認，翻邊和整形方向要能夠保證翻邊整形加工的順利進行，能保證翻邊整形工序件的質量要求。

②翻邊整形模具結構。首先根據翻邊與整形部位和翻邊與整形方向，確定修邊沖孔件（上道工序件）在翻邊整形模具中的擺放位置和定位方式。零件在模具中依靠零件型面或導正銷定位，然后確定翻邊整形模具結構。合理的翻邊整形模具結構能使各翻邊整形部位的加工順利進行而不發生干涉，出件方便，結構盡量簡單實用。

③斜楔機構設計（選擇）。當必須使用斜楔機構時，要準確計算斜楔和滑塊的行程。選擇斜楔時，盡可能用標準結構，或客戶指定的斜楔機構。

④翻邊行程設計。應按不同的情況確定翻邊行程。特別是當翻邊線變化大，一個沖壓方向不能成形，要分成兩序完成。

⑤翻邊（整形）凸、凹模鑲塊設計。根據翻邊整形凸、凹模的分塊原則，沿翻邊（整形）線進行凸模和凹模鑲塊的分塊。

根據翻邊（整形）線的位置及所在型面等，確定翻邊變形性質和變形程度。然后按伸長類翻邊或壓縮類翻邊的變形性質的不同，確定翻邊（整形）凹模鑲塊前端面的曲面形狀，同時確定鑲塊的安裝位置。

確定合適的翻邊（整形）凸、凹模鑲塊交接部位、交接量等。

⑥退件機構設計。對需要兩面或兩面以上向內翻邊的制件，要考慮退件機構（翻邊頂出器）。若選擇凸模開花結構，必須正確設計凸模的擴張范圍、初始和最終位置，保證制件能順利地從翻邊凸模上退下。設計的退件機構，必須運動靈活、方便與實用。

⑦壓料面尺寸確定。主要是確定壓料板和凸模的壓料面尺寸。對于汽車覆蓋件平坦與斜面形狀的壓料面尺寸，外板和內板要求是不同的。另外，壓料面的符型區應與托料面相互對應。

⑧壓料板設計。應注意壓料板強度和剛性，以及壓料板的行程，壓料板與凹模的間隙必須確定好。

⑨導向腿的吃入量一定要大于彈性元件的受壓縮量，導滑面長度一定大于壓料板的行程（一定考慮開模狀態和閉合狀態以及存放狀態）。

⑩一定要保證翻邊刀塊同時翻邊。

存在翻孔時，必須有頂出器，而且頂出器要有初定位作用。

在對沿周翻邊使用翻邊頂出器時，一定要考慮翻邊頂出器的行程，必須保證板件沒有任何干涉，即在自由狀態下頂出。

如果不是垂直翻邊，必須區分翻邊刀塊的輪廓線和翻邊分模線。

其他。包括翻邊整形模具的導向與導向間隙以及必要的計算等。

1.3.4　斜楔模具設計

（1）在進行斜楔模具設計之前必須閱讀的資料

①覆蓋件產品圖。覆蓋件產品圖（2D和3D圖）是所有工序生產的依據。在設計修邊沖孔模之前，要仔細認真地閱讀覆蓋件產品圖，充分理解產品設計思想、產品的各項功能和技術質量要求，并預計或設想修邊沖孔時哪些因素會對產品質量產生不良影響。

②覆蓋件產品DL圖。結合覆蓋件產品圖，認真研究覆蓋件DL（2D和3D）圖，明確修邊（或翻邊）部位、修邊（翻邊）方向和沖孔部位與方向，以及該工序與前、后各道工序之間的關系等。預防可能出現的問題，這對斜楔模設計是非常重要的。

（2）產品質量問題分析

認真研究覆蓋件沖壓工藝文件，參考工序樣件（如果有的話），結合斜楔模具的特點，對修邊（或翻邊、沖孔等）時可能會產生的質量問題進行分析、對比，并制訂在模具結構、修邊（或翻邊、沖孔等）方式和內容以及鑲塊輪廓形狀等方面的應對措施。

（3）資料準備

準備好有關的斜楔模具設計所需的參考資料，如以往的類似件的斜楔模具圖樣、模具國家標準、行業標準以及企業標準、標準件與通用件樣本，還應具備有沖壓件的公差、產品所用板材的各項性能參數以及客戶要求等。

（4）設計要點

①修邊、翻邊（整形）及沖孔方向。對沖壓工藝文件給出的修邊、翻邊（整形）及沖孔方向進行確認，修邊、翻邊（整形）及沖孔方向要能夠保證修邊、翻邊（整形）及沖孔等加工的順利進行，能保證修邊、翻邊（整形）及沖孔工序件的質量要求。

②斜楔模具結構。首先根據修邊（或翻邊、整形、沖孔等）部位和方向，確定斜楔機構在模具中的擺放位置和定位方式，然后確定其模具結構。

③斜楔機構設計（選擇）。在設計斜楔模具時，首先根據工藝要求，設計（選擇）相應的斜楔機構類型，主要是斜楔和滑塊設計。準確計算斜楔和滑塊的行程及回位力，確定采用哪種滑塊的回位方式。選擇斜楔時，盡可能用標準結構，或客戶指定的斜楔機構。

④斜楔機構行程設計。應按不同的情況確定其行程。修邊與翻邊及沖孔等的斜楔機構行程要求是不同的。

⑤凸、凹模鑲塊設計。根據不同模具類型（修邊、翻邊、整形及沖孔等），確定凸模和凹模鑲塊的分塊及端面形狀與安裝位置。特別是斜楔機構的定位和防側向力措施一定要設計好。

⑥壓料板設計。斜楔模具的壓料板有上壓料板、側壓料板及側壓料和正壓料共用壓料板三種類型。應根據壓料板凸起形狀、動作方向和個數等，選擇壓料板的類型。

壓緊力的大小可根據修邊沖孔模或翻邊整形模等不同情況確定。對側沖孔工序，壓料板的行程必須大于沖頭進入壓料板的長度+5mm，否則將導致沖頭折斷。

⑦斜楔模具的廢料處理。斜楔模具的廢料處理分三種情況，即修邊廢料的處理、沖孔廢料的處理和切斷（或切口）的廢料處理。

⑧其他。包括斜楔模具的導向與導向間隙、斜楔機構力和行程的關系、斜楔行程示意圖的作法及必要的計算等。

1.3.5　模具設計常用符號

汽車覆蓋件模具設計（2D）常用符號見表1-3。