覆盖件汽车车门内板的成形

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覆盖件汽车车门内板的成形

摘要 冲压模具是机械制造业中技术先进、影响深远的重要工艺装备，具有生产效率高、

材料利用率高、制件质量优良、工艺适应性好等特点,被广泛应用于汽车、机械、航天、航空、轻工、电子、电器、仪表等行业。

本课题选用典型的汽车覆盖件——车门内板，并对其进行冲压成形工艺方案设计。首先对零件进行结构分析，确定零件尺寸，并在CAD中画出其三维示意图，然后进一步对其进行冲压工艺性分析，确定其成形难点，在保证产品质量的前提下，不断完善确定最佳工艺方案。零件冲压工艺确定后，接着对其进行模具设计。模具设计是重中之重，每一付模具都必须经过精确计算，包括拉深力、压边力等。模具设计必须先设计好凸、凹模，凸、凹模的设计对零件的最终成形尤为重要，必须先充分计算其尺寸，然后在CAD中画出其三维示意图及二维尺寸图。接着要设计模架，选择导柱、导套，并确定模座尺寸，最后设计其它模具工作零件，包括卸料板、固定板、螺钉、定位销、挡料板等，并一一确定尺寸，画出相应实体图及尺寸图。最后根据所设计的结构尺寸在CAD中画出模具总装图。此外，为了提高模具的使用寿命，模具零件的选材也同样重要，先确定模具工作零件的选材，再设计出合适的热处理工艺。

关键词：车门内板 冲压成形 模具设计 热处理

Forming of inside the door plate of automobile covering parts

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Abstract Mould is an important craft equipment, which is an advanced technology in the

mechanical manufacturing industry, with high efficiency, high material utilization, product quality and process good adaptability. It is widely used in automobiles, machinery, aerospace, aviation, light industry, electronics, electrical appliances, instrumentation and other industries.

Through reading the books, searching online, reference to similar parts forming process, forming characteristics of different processes for artifacts,this paper formulate corresponding reasonable working procedure, and effective combination, as to reduce the cost of the mould manufacturing cycle, and improve the producing efficiency.At the same time, the use of AutoCAD drawing parts and mould 2 d figure and 3 d drawing, simple and quick, and accurate size, easy to calculate, in quality assurance at the same time, greatly shortened the mould designing cycle.

This topic selects the typical automobile covering parts—an inside the door plate, and carries the design of on the stamping forming process, involving the processes of common blanking, deep drawing, punching process. During this period, through extensive access to books, this paper has carried out the adequate theory analysis and calculation.On the premise of guarantee the quality of products, optimize the process combination, and constantly improve the optimum process scheme, so that it can greatly improve the production efficiency in practice. This tells us in the technology selection and die design to flexible application, give full consideration to various factors in the practical application of, not only has the quality of our products and also consider the production cost, production efficiency, to design the most suitable forming process for different parts.

Key words: inside the door plate stamping die design heat treatment

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目录

第一章绪论 ....................................................... 1

1.1 汽车覆盖件的特点 .......................................................................................................... 1

1.1.1 汽车覆盖件的结构特点 ....................................................................................... 1 1.1.2 汽车覆盖件的质量要求 ....................................................................................... 1 1.1.3 汽车覆盖件的成形特点 ....................................................................................... 1 1.2 汽车覆盖件工艺设计要点 .............................................................................................. 2 1.3 国内外汽车冲压模具技术的发展 .................................................................................. 3

1.3.1 技术发展现状 ....................................................................................................... 3 1.3.2 产业发展思路 ....................................................................................................... 5

第二章汽车车门内板的工艺分析及工艺方案选取 ....................... 6

2.1 汽车车门内板的结构分析及成工艺性分析 .................................................................. 6 2.2 汽车车门内板工艺方案的确定 ...................................................................................... 7

第三章汽车车门内板落料模的设计 ................................... 9

3.1 毛坯计算及理论分析 ...................................................................................................... 9

3.1.1 毛坯的计算 ........................................................................................................... 9 3.1.2 排样及材料利用率 ............................................................................................... 9 3.1.3 毛坯压力中心的计算 ......................................................................................... 10 3.2 冲裁力的计算及压力机的选取 .................................................................................... 11 3.3 汽车车门内板落料模工作零件的设计 ........................................................................ 11

3.3.1 凸、凹模的设计 ................................................................................................. 11 3.3.2 模架与导向零件的设计 ..................................................................................... 14 3.3.3 导料板、定位销、卸料螺钉的设计 ................................................................. 16 3.3.4 卸料板的设计 ..................................................................................................... 16 3.4 汽车车门内板落料模总装图 ........................................................................................ 17 3.5 汽车车门内板落料模具零件选材及热处理 ................................................................ 19

第四章汽车车门内板拉深模的设计 .................................. 20

4.1理论计算及压力机的选择 ............................................................................................. 20

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4.1.1 拉深力的计算 ..................................................................................................... 20 4.1.2 压边力的计算 ..................................................................................................... 20 4.2 汽车车门内板拉深模工作零件的设计 ........................................................................ 22

4.2.1 模架与导柱、导套的选择 ................................................................................. 22 4.2.2 凸、凹模的设计 ................................................................................................. 23 4.2.3 凸模固定板设计 ................................................................................................. 24 4.2.4 压料板及推料装置的设计 ................................................................................. 24 4.3 汽车车门内板拉深模总装图 ........................................................................................ 25

第五章汽车车门内板冲孔模的设计 .................................. 26

5.1 理论计算及压力机的选择 ............................................................................................ 26

5.1.1 冲裁力的计算 ..................................................................................................... 26 5.1.2 压力机的选择 ..................................................................................................... 26 5.2 汽车车门内板冲孔凸、凹模的设计及其固定 ............................................................ 27

5.2.1 凸模的设计 ......................................................................................................... 27 5.2.2 凹模的设计 ......................................................................................................... 27 5.2.3 凸、凹模的公差确定 ......................................................................................... 28 5.2.4 凸、凹模的固定 ................................................................................................. 28 5.3 汽车车门内板冲孔模总装图 ........................................................................................ 29 5.4 汽车车门内板冲孔凸、凹模的热处理工艺 ................................................................ 31

结论 ............................................................ 32 致谢 ............................................ 错误！未定义书签。 参考文献 ........................................................ 33

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第一章 绪论

1.1 汽车覆盖件的特点

1.1.1 汽车覆盖件的结构特点

汽车覆盖件(简称覆盖件)是指覆盖发动机、底盘,构成驾驶室和车身的薄钢板的异型体的表面零件和内部零件而言。

按功能和部位分类，覆盖件可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，内部覆盖件的形状往往更复杂。同一般冲压件相比，覆盖件一般由0.8mm~2.0mm的冷轧薄钢板冲压而成，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点，其制造工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺等都具有特殊性。因此，覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节[1]。 1.1.2 汽车覆盖件的质量要求

覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为立体曲面、结构尺寸大以及表面质量高等特点。而且覆盖件冲压工艺、冲模设计和冲模制造工艺也有独自的特点。同时由于覆盖件的质量直接影响着车身的质量,因此对覆盖件的表面质量、尺寸、刚性以及工艺性等方面都提出了更高的要求。

要保证汽车覆盖件的质量，首先要保证覆盖件模具的质量，其影响是直接的，模具在使用时要承受较大的载荷，如剪切力、压力、弯矩等。因此，其要求主要表现在：高强度和高硬度；高耐磨损性能；高冲击韧性；热处理工艺简单，淬透性好；良好的机械加工性能；价格便宜，市场供应方便充足[2]。模具必须有足够的强度和刚度，这是保证模具正常使用的前提；模具要有简单、合理、标准和安全的结构；模具要有精确的、耐磨的型面配合。因此与一般模具相比，汽车覆盖件模具具有独特的特点。

鉴于以上特点，模具材料的选用要求就比较苛刻，而且其热处理要求也会比较高，随着汽车产销量的日益提升，这些特点会越来越明显。 1.1.3 汽车覆盖件的成形特点

汽车覆盖件的质量要求和结构特点决定了其冲压成形的特点： (1) 一次拉深成形

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对于轴对称零件或盒形零件，若拉深系数小于一次拉深的极限拉深系数时，则不能一次拉深成形，需要采用多次拉深成形方法，而且可以计算出每次拉深的拉深系数、工艺参数、毛坏尺寸等。但对于汽车覆盖件来说，由于其结构、变形复杂，其规律难以定量把握，以目前的技术水平还不能进行多次拉深工艺参数的确定。而且多次拉深形成的冲击线、弯曲痕迹线也会影响油漆后的表面质量。因此，汽车覆盖件的成形都是采用一次拉深成形的方法，但其冲压难度与复杂性也就相应增加了。

(2) 拉胀复合成形

汽车覆盖件的成形过程中的毛坯变形不是简单的拉深变形，而是拉深和胀形变形同时存在的复合成形。一般来说，除内凹形轮廓(如形轮廓)对应的压料面外，压料面上的毛坯的变形为拉深变形(径向为拉应力，切向为压应力)，而轮廓内部，特别是中心区域毛坯的变形为胀形变形(径向和切向均为拉应力)。

(3) 局部成形

局部成形轮廓内部有局部形状的零件冲压成形时，压料面上的毛坯受到压边圈的压力，随着凸模的下行而首先产生变形并向凹模内流动，当凸模下行到一定深度时，局部形状开始成形，在成形过程的最终时刻全部贴模。所以，局部形状外部的毛坯难以向该部位流动，该部位的成形主要靠毛坯在双向拉应力下的变薄来实现面积的增大。通常覆盖件都有一些局部形状如凸缘、凹槽、加强筋等。

(4)变形路径变化

汽车覆盖件冲压成形时，内部的毛坯不是同时贴模，而是随着冲压过程的进行而逐步贴模。这种逐步贴模过程，使毛坯保持塑性变形所需的成形力不断变化，毛坯各部位板面内的主应力方向与大小、板平面内两主应力之比等受力情况不断变化，毛坯(特别是内部毛坯)产生变形的主应变方向与大小、板平面内两主应变之比等变形情况也随之不断地变化。即，毛坯在整个冲压过程中的变形路径不是一成不变的，而是变路径的。这种变形路径的变化使得坯料在成形过程中的变形更加复杂[4]。

1.2 汽车覆盖件工艺设计要点

通常，汽车覆盖件的工艺设计过程可以归纳如下：

(1) 根据产品图及产品冲压工艺设计，进行详细的车身产品工艺性分析。为了实现拉延或创造良好的拉延条件，必须合理考虑冲压方向、工艺补充部分形状以及压料面形式、拉

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延筋布置等重要工艺因素。其中包括利用计算机进行的工艺补充面设计；

(2) 在满足产品使用的前提下，将过剩的质量要求及时反馈给产品设计部门，进行研讨，力争把产品完善到最简单、最合理的工艺要求，以克服产品的过剩质量，减少不必要的工装投入；

(3) 利用计算机进行车身产品的冲压工艺性分析，进行图面形状的分析探讨和尺寸公差的分析研究，在充分理解、把握产品使用性能要求的前提下，考虑用户使用和维修，利用塑性加工原理、冲压工艺知识和模具设计结构的有关知识，设计冲压工艺过程图。在设计过程中，同时要分析冲压工艺方案，发现不足之处，进行必要的修正。

(4) 模具设计人员按照冲压工艺过程图的基本要求进行模具设计，模具CAD设计包括上、下模座，工作部分零件，导向部件，定位零件和进出料装置等设计。数控编程和模型人员按照冲压工艺过程图和模具图进行数控编程和模型制造，最后按照冲压工艺过程模具图要求进行机械加工和模具装配调试，最终调试出合格的产品[5]。

简单的来说，覆盖件的成形工艺过程可以用图1-1来描述。

方案修改 零件模型 模具设计 CAE快速评估 调整模拟结果至最佳 模具制造 图1-1 覆盖件成形工艺流程图

1.3 国内外汽车冲压模具技术的发展

1.3.1 技术发展现状

(1) 设计水平

汽车工业比较发达的欧美国家在进行汽车覆盖件模具设计时，大量采用三维C A D设计，比例高达70%～90%，P r o/E、U G等软件的应用也很普遍，利用这些软件创建的自动绘图精确度高，得出的计算数据可靠，数据库功能较强，因而设计效率很高。相对于国外

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的先进水平，国内在汽车覆盖件模具的设计上则显得力不从心。国内一批大、中型汽车覆盖件模具生产企业陆续引进了一定数量的C A D系统，并配置了一些设计、分析的专用软件，取得了一定的经济效益。但是由于多方面的原因，仍有不少中小型企业还停留在手工设计模具的阶段，采用传统的设计方法和二维C A D设计，导致设计的标准化和开发应用水平低，效率不高，并且在设计的理论和实践经验的积累上远远落后于国外。

(2) 制造水平

在汽车覆盖件模具的制造上，国内外也有很大差距。当前国内采用C A M技术的普及率还不够高，应用水平也不平衡，而在国外普遍采用C A M技术。高速切削是以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特征的加工技术，其加工效率比传统的切削工艺要高几倍，甚至十几倍，国内这门技术的应用已经有很长一段时间，但是近几年才真正用到模具加工上，并且应用水平低，应用企业少，很多技术工人还不能熟练掌握高速切削的关键技术，不熟悉其操作环境，导致高速切削技术在国内没有发挥应有的作用。特别是在汽车覆盖件模具加工方式上，少数企业采用了高速切削加工技术，更多的企业则以数控为主，大量引进数控设备机床进行分工序加工。由于没有很好地利用高速切削技术，因而生产效率低，生产出来的模具精度差、余量大、钳工研修量大。

高速切削技术及高速加工设备在国外得到了长足发展，高速加工及一次装夹完成多工序加工，不仅生产效率高，而且精度高，钳工研修量小，大大缩短了模具的生产周期，实现了从开发、设计到制造、经营一体化的计算机集成工程。

(3) 标准化程度

当前，面对国内庞大的汽车模具市场，国内的汽车模具厂商却显得有些力不从心，特别是在汽车覆盖件模具的设计、生产和制造上，汽车模具的标准化工作多停留在初步阶段，汽车覆盖件模具标准件的生产量少，产品水平低，虽然有不少汽车企业采用了标准件，但是许多依赖进口。汽车车身模具标准未能向国际靠拢，尚未建立和完善多种典型的模具结构和工艺，且尚未形成行业标准件计算机销售网，模具标准件的供货周期长，商品品种不全。与此相比，国外的汽车车身模具标准件供货渠道通畅，商品化程度高、品种齐全且出口到世界各国。

(4) 管理水平

在企业管理方面，信息化管理在国外已很普遍，而国内只有少数企业实施信息化管理。一个企业不管其有多么先进的技术，管理上的不完善会导致其产品的总体生产水平和企业综合能力落后于管理比较完善的企业。因此，企业管理是一个系统工程，信息化是发展方

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向，必须充分重视企业管理的信息化[6]。 1.3.2 产业发展思路

虽然我国的汽车模具具有成本低、价格比较便宜等优势，而且随着近几年的发展，汽车模具技术已经有了长足的发展，但是我国的汽车覆盖件模具在设计、制造、标准、管理等方面与国际先进水平有很大差距。因此，在发展我国的汽车覆盖件模具的过程中应该做到：

（1） 调整产业结构

我国汽车市场的模具需求量已达到200多亿元，但是我国汽车模具的生产能力只有100亿元左右。目前我国技术含量低的模具已供过于求，市场利润空间狭小；而技术含量较高的中、高档模具还远不能适应经济发展的需要，精密、复杂的冲压模具、轿车覆盖件模具等高档模具仍有很大发展空间。只有调整我国汽车模具的产业结构，提高高档模具的生产能力，才能改变我国高档模具主要依靠进口的现状。

（2）提高技术创新

积极改进技术，提高设计、制造水平；借鉴国外先进技术，引进先进设备；加快汽车覆盖件模具标准化工作，做好标准的制订和推行工作；加快汽车模具技术的积累和研究开发能力。

（3）集群化发展

技术的跨越不仅仅是一个企业的孤立行为，而是一个行业的整体技术进步，只有行业整体的技术跨越，才能推动装备制造业的技术跨越。所以要大力发展我国的汽车模具单单依靠某个汽车模具企业是远远不够的，汽车模具企业间、汽车模具企业与汽车企业间应该加强沟通、联系，取长补短，在合作中发现问题、解决问题，加快汽车模具发展的步伐[7]。

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第二章汽车车门内板的工艺分析及工艺方案选取

2.1 汽车车门内板的结构分析及成工艺性分析

汽车覆盖件具有尺寸大、相对厚度低、形状复杂等特点,决定了在冲压成形中板料变形的复杂性, 变形规律不易被掌握,不能定量地对主要工艺参数和模具参数进行计算,在工程实践中还运用经验类比来进行冲压工艺设计.

车门内板是汽车驾驶室上最重要的外覆盖件，尺寸大，要求严格，成形困难，主要表现在：

（1）复杂成形模的数据传递环节产生较大的累积误差； （2）手工劳动量大，设计制造周期长；

（3）在设计制造过程中重复劳动多，技术人员的工作效率低。

近年来，产品的更新换代加快，批量生产下降，品种增加，交货期短，模具设计与制造面临十分严峻的困难[7]。

这里的车门内板零件制造材料采用st14钢，料厚1.0mm，如图2-1所示。从图中可以看出，该零件形状复杂，高差较大，局部成形较多，板料的变形不是单纯地拉延成形，而是存在一定程度的胀形变形，是典型的汽车覆盖件。

图2-1 汽车车门内板三维图

如图2-1所示，由于窗框部分进行内工艺补充后，形成了零件的反成形形状，这部分形状的成形一般不能靠外部材料补充，只能靠板料的胀形成形来实现，胀形成形较深，且

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角部R小，从而在拉延成形过程中很容易出现破裂。

综合考虑车门内板的成形特点，本课题在研究中将零件简化处理，从而提高其成形性能，降低成本，提高生产效率。零件三视图及尺寸如图2-2所示。

图2-2 汽车车门内板零件图

材料st14钢是深拉伸级的，主要是侧重于拉伸性能，屈服强度Rp0 = 220 MPa，抗拉强度Rm = 270-350 MPa，硬度 ≤ 50 HRB，和普通低碳镀锌板相比硬度高，但是可塑性和韧性差，所以，其化学成份并无一定的标准，主要是能达到其拉深性能。

2.2 汽车车门内板工艺方案的确定

产品冲压成形工艺的确定过程，就是分析和预测板料在变形过程中可能产生的缺陷，并采取一定的措施，以消除和防止冲压缺陷，还要考虑制造能力、冲压设备、投资成本等因素。

车门内板材料为st14钢，料厚1.0 mm，拉深深度为80 mm，零件加工精度要求高。简化后的零件形状不对称，如图2-3所示零件俯视图所示，上半部有深10 mm凹槽用于安装车窗玻璃，拉深圆角R10 mm。该零件为驾驶室中主要的大型覆盖件，外观及装配精度

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较高，要求工件表面平整无皱纹，棱线清晰，刚度好。

在制订工艺及设计模具时尽可能保证各项要求，初步分析，零件需要进行落料，拉深，冲孔才能成形。而在落料和冲孔这两道工序中，没有存在比较复杂的问题。因为没有侧孔，所以冲压方向都是竖直的。而由于零件拉深方向的一致性，并且有较大的面以承载零件的拉深，所以零件的拉深方向也可以是单一竖直的。因此确定冲压成形工序为：落料→拉深→冲孔。

实践证明，在多数情况下，拉深工序是制造汽车覆盖件的关键，它直接影响产品质量、材料利用率、生产效率和制造成本。大型覆盖件根据形状复杂程度和变形特点，可分为三类：浅拉深件、一般拉深件和复杂拉深件[8]。而车门内板作为汽车重要的覆盖件，其变形特点可见表2-1所示。

表2-1 覆盖件分类及拉深变形特点

分类 一

深（<100mm）

般

内门板、水箱护拉

罩等 深

平的底或是大曲率

件

半径的外凸形底

好，一般不会破裂

（3）平的或基本

性变形程度较大，但应力尚小于Rm （3）只要材料合格或模具技术状态良

（2）外形较复杂 （2）变形、应力比较均匀，成形表面塑

补充而拉深成形

同类零件名称

零件外形特征 （1）拉深深度较

拉深变形特点

（1）拉深表面主要靠压边下的毛坯向内

查表得车门内板属于一般拉深件，深度均匀，而且压边面积比其余部分面积大，只要压边力调节合适，便能防止起皱。因此，车门内板仅需一次拉深即可成形。

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第三章 汽车车门内板落料模的设计

3.1 毛坯计算及理论分析

3.1.1 毛坯的计算

虽然零件形状不对称，但设计其毛坯时并不复杂，考虑零件拉深深度及形状尺寸，其毛坯尺寸设计如图3-1所示。

图3-1 零件毛坯图

3.1.2 排样及材料利用率

排样是指工件在条料、带料或板料上布置的方法。工件的合理布置（即材料的经济利用）与零件的形状有密切关系[9]。这里的毛坯形状类似梯形，查表得采用简单的单行排列即可。

根据毛坯的厚度及尺寸，查表得毛坯排样时的沿边距离a及工件间距a1均为2mm。 综合以上分析，为了充分提高材料的利用率，降低成本，毛坯排样方式设计如图3-2所示，其材料利用率η计算如下：

η= ×100% （3-1）

毛坯形状简单，面积计算可在CAD运行环境快速计算得到S1=395000mm2。 所以材料的利用率计算η= ×100%= 93.16%。可见，通过这样的排样方法，充分提高了

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材料利用率，降低了成本。

图3-2 毛坯排样图

3.1.3 毛坯压力中心的计算

冲模压力中心的计算是根据―对同一轴线的分力之和的力矩等于各分力力矩之和‖的原理进行求解的。如果根据理论公式计算，过程繁琐，计算量大，而且结果会有较大的误差。但在CAD的环境下，过程会大大简化，并且可以得到较为精确的结果[10]。

因为毛坯的形状较简单，可以根据面积法求得质心，在CAD环境下就更加简单，其质心相对位置如图3-3所示。

600

336.9 292.95

700

图3-3 毛坯压力中心示意图

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3.2 冲裁力的计算及压力机的选取

冲裁力的大小要与材料力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度有关。用平刃口模具冲裁时，冲裁力F（N）可按照下式进行计算

F=Ltτ （3-3）

式中 L—冲裁件周边长度（mm）； t—材料厚度（mm）； τ—材料抗剪强度（MPa）；

考虑冲裁厚度不一致，模具刃口的磨损、凸凹模间隙的波动、材料性能的变化等因素，实际冲裁力还须增加30%。一般情况下，材料的Rm=1.3τ,为计算方便，这里采用平刃口模具冲裁，所以实际冲裁力F冲应为

F冲=LtRm （3-4）

式中 Rm—材料的抗拉强度（MPa）。

由CAD查出毛坯的周长L为2470.16 mm，厚度为1 mm，St14钢的抗拉强度Rm这里取310 MPa，代入公式（3-4）：

F冲=2470.16×1×310=765.75 kN

而采用弹性卸料装置和下出料方式的总冲压力为：

F总=F冲+F卸+F推 （3-5）

而卸料力：F卸=K卸F冲（N），推件力：F推=nK推F冲（N） 式中 K卸、K推——分别为卸料力、推件力系数；

n——同时卡在凹模里的工件（或废料）数目n=（h——圆柱形凹模腔口高度：t——

材料厚度）。

查表得K卸=0.045，K推=0.055。计算得n=1。 所以，F总=1.1F冲=1.1×765.75=824.32 kN 因此选用吨位为1000KN的开式压力机。

3.3 汽车车门内板落料模工作零件的设计

3.3.1凸、凹模的设计

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1 凸、凹模间隙计算

冲裁间隙是直接关系到冲件断面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗的重要工艺参数。冲裁间隙值，只要与材料牌号、供应状态和厚度有关，但由于各种冲压件对其断面质量和尺寸精度的要求不同，以及生产条件的差异，在生产实践中就很难有一种统一的间隙数值，而应区别情况，分别对待，在保证冲件断面质量和尺寸精度的前提下，是模具寿命最高[12]。

对于板料的普通冲裁，通过查阅资料得到推荐的间隙值，如表3-1所示：

通过分析，因为车门内板坯料之后还要进行拉深等塑性变形，因此其冲裁间隙类别属于Ⅱ。因此，冲裁最大间隙Zmax= 20% × t = 0.2 mm，最小间隙Zmin = 14% × t = 0.14 mm。

表3-1 冲裁间隙（单面间隙c=%t）

间隙比值 材料 低 碳 钢 08F、10F、10、20、A3、B2

冲件断面质量、尺

适用场合

采用小间隙，冲模寿命低

余应力小，能减少破裂现象，大间隙，以利于提高冲模适用于继续塑性变形的制件

寿命

冲件断面质量、尺寸精度一般

冲件断面质量、尺寸精度要求不高时，应优先采用

3.0~7.0

7.0~10.0

10.0~12.5

Ⅰ

分 类 Ⅱ

Ⅲ

寸精度要求高时，要求时，采用中等间隙。因残

注：不同零件在取冲裁间隙值时不同，考虑到料厚对间隙比值的影响，将料厚分成0.1~1.0；

1.2~3.0；3.5~6.0；7.0~10.0mm四档，当料厚为0.1~1.0mm时，各类间隙比值取下 限，并以此为基数，随着料厚的增加，再逐档递增（0.5~1.0）%t（有色金属和低碳钢 取小值，中碳钢和高碳钢取大值）。

2 凸、凹模工作部分尺寸和公差

凸模和凹模的加工是模具设计制造中的关键，对其工作部分尺寸及公差也需要通过实际的计算得到，才能保证产品的质量，满足各种要求。在计算冲模凸、凹模尺寸时需遵循以下几点原则：

（1）根据落料和冲孔的特点，落料件的尺寸取决于凹模尺寸，因此落料模应先决定

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凹模尺寸，用减小凸模尺寸来保证合理间隙；冲孔件的尺寸取决于凸模尺寸，故冲孔模应先决定凸模尺寸，用增大凹模尺寸来保证合理间隙。

（2）根据刃口的磨损规律，刃口磨损尺寸变大，其刃口的基本尺寸应取接近或等于工件的最小极限尺寸；刃口磨损后尺寸减小，应取接近或等于工件的最大极限尺寸。

（3）考虑工件精度与模具精度间的关系，在选择模具刃口制造公差时，既要保证工件的精度要求，又能保证有合理的间隙数值。一般冲模精度较工件精度高2~3级[13]。

通过分析，这里落料凸模和凹模可分开加工，这种方法适用于圆形或简单规则形状的冲裁件。其尺寸计算公式如表3-2所示。

表3-2 分开加工法凸、凹模工作部分尺寸和公差计算公式

工作性质 落 料 冲 孔

工件尺寸 D-Δ d+Δ

凸模尺寸

D凸 =（D- xΔ- 2cmin）-δ凸 d凸 =（d+ xΔ）-δ凸

凹模尺寸

D凹 =（D- xΔ）+δ

凹

d凹 =（d+ xΔ+ 2cmin）+δ

凹

注：计算时，需先将工件尺寸化成的D-Δ，d+Δ形式

冲裁模初始双面间隙z（z=2c）可通过查表得到，

2cmin= 0.100 2cmax= 0.140

则 2cmax—2cmin= 0.040 而冲裁凸、凹模的极限偏差可通过查表得到，

凸模偏差δ凸 = -0.050 凹模偏差δ凹 = +0.070

则 |δ凸|+|δ凹|= 0.12 ＞ 2cmax—2cmin 查表得磨损系数x= 1

根据凸、凹模尺寸计算原则，综合所有数据，并根据表3-2中公式先计算出落料凹模的加工尺寸，如图3-4所示。

13

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599.5+0.07

449.5+0.07 399.5+0.07

图3-4 落料凹模加工尺寸

3.3.2 模架与导向零件的设计

落料模采用导柱、导套导向，采用弹性卸料装置，下出料方式。考虑到下料的方便以及毛坯尺寸精度要求不高，模具采用后侧布置的导柱导套模架，进料方式为从前至后。

利用导柱和导套实现上、下模精确导向定位。凸、凹模在进行冲裁之前，导柱已经进入导套，从而保证在冲裁过程中凸模和凹模之间的间隙均匀一致。

冲模工作时，板料靠挡料销和导料板实现正确定位，以保证冲裁时板料上的搭边值均匀一致。

凸模和凹模直接固定在模座上，适用于冲裁中型和大型零件[11]。模柄采用压入式模柄（GB2862.1—81）。

对于落料模模架的选择，由于是坯料，所以精度要求不高，同时毛坯尺寸较大，因此采用后侧导柱模架。

对于模架的尺寸要求，查表可得到国家标准规格，见表3-3所示。

14

699.5+0.07

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表3-3 后侧导柱模架（mm）

零件件号、名称及标准编号

1

凹模周界

闭合高度

上模座

2 下模座

GB2861.1—

GB2855.5—81 GB2855.6—81

81

数量

1

L 600

B 700

D0 -

最小 355

最大

规格

400

600×700×65

600×700×80

50×320

50×200×62

1

2

2 GB2861.6—81

3 导柱

导套 4

对于滑动导柱、导套选材，一般用20钢，经渗碳和淬火处理，硬度为HRC58~62，达到表面较高的硬度及心部足够的强韧性。

由于上模座较厚，选择压入式模柄，导套导柱以及模柄的尺寸都确定以后，模座就可以得到完善了，上模座、下模座尺寸分别见表3-4、3-5所示。

表3-4 上模座尺寸（mm）

t 65 ι2

基本尺寸

300

65

极限偏差 +0.040

50

65

480

t1 60

D(H7)

h

R

S2

L1 610

S 590

A1 400

A2 740

表3-5 下模座尺寸（mm）

t 80 ι2

基本尺寸

300

t1 60

d(R7)

L1 610

S 590 h

A1 400 R

A2 740 S2

极限偏差 -0.040

50

-0.065

15

50 65 480

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3.3.3 导料板、定位销、卸料螺钉的设计

定位装置的作用是限定毛坯（条料或块料）送进步距和送入冲模的毛坯有正确的位置，以保证冲出合格的工件。

导料板的作用在于方便板料的导向和定位，并保证搭边值的一致。制造材料选用45钢，进行淬硬处理。由于进料方式是从前至后，导向点应设在左侧。其尺寸为：160 mm× 50 mm× 15 mm。其紧固方式为螺纹连接。

定位销为采用标准件，代号为GB2866.11-81，A型。 卸料螺钉的材料选用45钢，其尺寸见图3-5所示。 圆柱销示意图如图3-6所示。

图3-5 卸料螺钉示意图

图3-6 圆柱销示意图

3.3.4 卸料板的设计

卸料板与凸模之间的间隙见表3-6所示，这里选取单面间隙c=0.10mm。

表3-6 弹压卸料板与凸模之间的间隙c

材料厚度t（mm） 单面间隙c（mm）

＜0.5 0.05

＞0.5~1 0.10

＞1 0.15

注：（1）当用弹压卸料板作凸模导向时，凸模与卸料板孔配合按H7/h6。

（2）对于连续模中特别小的冲孔凸模与卸料板孔的单面间隙值比上表中数据适当增大。

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对于带弹压卸料板的冲模，卸料板不仅起到了卸料作用或兼作导向作用，还起到了压料的作用，其材料选用45钢。卸料板实体图如图3-7所示，其尺寸图如图3-8所示。

图3-7 卸料板实体示意图

图3-8 卸料板尺寸图

3.4 汽车车门内板落料模总装图

汽车车门内板毛坯件落料模总装图如图3-9所示。模具用从前至后的方向顺着导料板进料，冲裁后的毛坯将直接从凹模中落下，卸料板将保证料与凸模顺利分离，

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图3-9 汽车车门内板落料模总装图

1. 上模座 2. 导料板 3. 卸料板4. 卸料螺钉5. 内六角圆柱头螺钉6. 凸模 7. 模柄8. 圆柱销 9. 圆柱螺旋压缩弹簧 10. 导套 11. 导柱 12. 凹模

13. 下模座 14. 圆柱销 15. 内六角圆柱头螺钉

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3.5 汽车车门内板落料模具零件选材及热处理

冲模所用材料主要有碳钢、合金钢、铸铁、铸钢、硬质合金、低熔点合金、锌基合金、铝青铜、合成树脂、聚氨酯等。

凸、凹模常用材料及热处理要求列于表3-7。

表3-7 冲模工作零件常用材料及热处理要求

模具类型

零件名称及工作要求

材料牌号

热处理 淬硬

凹模HRC58~62

冲裁模

Cr12、Cr12MoV、

淬硬

形状复杂、批量大的凸、凹模 Cr6WV、GCr15

YG15

一般拉深的凸、凹模 连续拉深的凸、凹模

拉深模

变薄拉深及要求高耐磨的凸、凹模

双动拉深的凸、凹模

T8A、T10A T10A、CrWMn Cr12、Cr12MoV、 YG8、YG15 钼钒铸铁

火焰表面淬火

HRC60~64

淬硬

HRC58~62

HRC86 HRC58~62 硬度 凸模HRC56~60

形状简单、批量小的凸、凹模 T8A、T10A、9Mn2V

凸模和凹模是在强压、连续使用和有很大冲击的条件下工作的，并伴有温度的升高，工作条件极其恶劣。所以对凸凹模的材料要求有好的耐磨性、耐冲击性、淬透性和切削性。硬度要求大，热处理变形小，而且价格要低廉[14]。

汽车车门内板属于大型覆盖件零件，本身形状复杂，冲裁凸、凹模的材料选用Cr12钢。Cr12是合金工具钢，是应用广泛的冷作模具钢，具有高强度、较好的淬透性和良好的耐磨性，但冲击韧性差，主要用作承受冲击负荷较小。通过查阅热处理相关手册，Cr12热处理调质+高温回火。淬火加热温度为970℃~990℃，采用箱式炉加热并出炉油冷，回火温度700℃~720℃，保温2~4h，可以适当多次回火，减少残余奥氏体，提高模具使用寿命，热处理后硬度要求26~28HRC。

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第四章 汽车车门内板拉深模的设计

4.1理论计算及压力机的选择

本课题研究的零件汽车车门内板拉深深度＜100mm，属于一般拉深件，其拉深变形特点为：

（1）拉深表面主要靠压边面下的毛坯向内补充而拉深成形

（2）变形、应力比较均匀，成形表面塑性变形程度较大，但应力尚小于Rm （3）只要材料合格或模具技术状态良好，一般不会破裂[15] 4.1.1 拉深力的计算

在确定拉深件所需的压力机吨位时，必须先求得拉深力。为了简便的计算拉深力，根据工具手册查表得到公式：

F=LtRmk6 （4-1）

式中 F——拉深力，[F]为N； L——凸模周边长度，[L]为mm； t——材料厚度，[t]为mm；

Rm——材料抗拉强度，[Rm]为Mpa； k6——系数。

这里零件属于普通加工件，因此查表得k6取0.8，而材料抗拉强度Rm为310Mpa，材料厚度为1mm。

因为车门内板除了整体有80mm的拉深深度，还有车窗等两处10mm的拉深深度，所以计算拉深力时，其周长要计算这三部分的总和。在CAD运行环境下，通过测量工具各部分的周长可以较快较准确的得出，代入公式（4-1）拉深力F的计算如下：

F=（1892.69+1173.46+1381.73）×1×310×0.8≈ 1103.07 kN

4.1.2 压边力的计算

为了防止在拉深过程中，工件的边壁或凸缘起皱，应使毛坯（或半成品）被拉入凹模圆角以前，保持稳定状态，其稳定程度主要取决于毛坯的相对高度×100，或以后各次拉深半成品的相对高度×100。

根据该零件的尺寸计算，×100＜1.5，查表确定毛坯在拉深时需采用压边圈。

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压边圈的压力必须适当，如果过大，就要增加拉深力，因而会使工件拉裂，而压边圈的压力过低就会使工件的边壁或凸缘起皱[16]，而压边力的计算公式查表得：

F=Ap （4-2）

式中 A——压边圈面积； P——单位压边力。

查表得，在单动压床上拉深时单位压边力p的数值这里取3Mpa，毛坯的面积在上一章以计算得出395000mm2，在拉深过程中，与凸模直壁以外部分接触的毛坯同样也有三部分，在CAD运行环境下通过拉伸、测量等工具，构造实体，根据公式体积=侧面积×底面周长，可以很快计算得出各部分侧面积，假定整个零件为1部分，车窗拉深处为2部分，车窗下方拉深处为3部分，如图4-1所示，则各部分测得尺寸如下：

L1= 1892.0557 mm L2= 1174.7089 mm L3= 1381.0847 mm

V1= 19641656.3527 mm3 V2= 693667.2572 mm3 V3= 1192805.7695 mm3

各部分侧面积= ，则：

S1= 10381.11951 mm2 S2= 590.5014061 mm2 S3= 863.6731469 mm2

代入公式（4-2）计算压边力：

F= p×（S1+S2+S3）≈ 35.5 kN

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2 3 1 图4-1 零件拉深成形示意图 由拉深力得知，压力机的公称压力应该大于1103.07 kN，但因为进行压力计算的时候是将零件视为一般拉深件，所以拉深力并没有计算的那么小，为防止其拉深不足，选用吨位更大一点的压力机[17]。为方便生产，这里同样选用开式压力机，公称压力为1250 kN。

4.2 汽车车门内板拉深模工作零件的设计

4.2.1 模架与导柱、导套的选择

拉深模采用中间导柱圆形模架，其尺寸根据国家标准查表可得，见表4-1。

表4-1 后侧导柱模架（mm）

零件件号、名称及标准编号

凹模

闭合高度

周界

GB2855.5—81

GB2855.6

GB2861.1—81

—81

数量

1

D0 800

最小 410

最大

规格

450

800×100

800×115

80×390

85×390

80×210×60

80×210×60

1

1

1

1

1

GB2861.6—81

1 上模座

2 下模座

导柱

导套

3

4

5

6

确定好尺寸后，将模座与导柱、导套进行装配，三维示意图如图4-2所示。

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图4-2 拉深模装配图

4.2.2 凸、凹模的设计

该零件的凸、凹模设计是重点,也是决定车门内板成形效果的关键步骤，在反复的生产实验之前是作为最不具确定性的设计模块之一。在CAD环境下，对实体对象进行差集运算可以很快捷所需实体图。

在这里需要注意的是，零件的车窗及下方有10mm的浅拉深区，如图4-3拉深凹模假设图，如果拉深凹模设计这样一个整体，模具加工工艺性差，为了简化模具制造过程，这里分开设计，设计一个凹模拉深零件直壁部分，如图4-4所示，再设计一个反拉深凸模拉深2处浅拉深区，如图4-5所示。而拉深凸模的设计相对简单，如图4-6所示。

图4-3 拉深凹模假设图 图4-4 拉深凹模实体图

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图4-5 反拉深凸模实体图 图4-6 拉深凸模实体图

拉深工序作为整个成形过程中最重要的工序，凸、凹模的制造也是至关重要，这里选材仍是选用高铬工具钢Cr12，热处理工艺与落料凸、凹模相同，参见之前的章节3.5。 4.2.3 凸模固定板设计

拉深凸模固定的方式有很多，可以用螺纹连接，但是为了简化工艺，这里在凸模上小设一个凸缘台阶，然后再在固定板上加工出相应的凸缘尺寸，利用台阶来固定凸模[18]。凸模固定板的三维设计图如图4-7所示。

图4-7 凸模固定板实体图

4.2.4 压料板及推料装置的设计

压料板的设计可以根据工艺补充面来完成，因为工艺补充面是要在拉深之后完全切除的，所以压料板在拉深过程中就压住这一部分坯料[19]。

在拉深结束之后，为防止零件陷在凹模中，必须采用推料装置，将零件推下去，其结构参见后面章节4.5拉深模的总装图。

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4.3 汽车车门内板拉深模总装图

汽车车门内板拉深模总装图如图4-8所示，11为拉深凹模，拉深深度为80mm，9为反拉深凸模，拉深深度为10mm，工序较简单，仅一次竖直拉深即可成形，成形后零件示意图如图4-1所示。

图4-8 汽车车门内板拉深模总装图

1.下模座 2.导柱 3.导套 4.上模座 5.圆柱销 6.凹模固定板 7.凸模 8.模柄 9反拉深凸模 10.内六角圆柱头螺钉 11.凹模 12.压料板 13.凸模固定板 14.内六角圆柱头螺钉 15.圆柱销 16.六角螺母-C 17.挡料螺钉 18.导料板

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第五章 汽车车门内板冲孔模的设计

5.1 理论计算及压力机的选择

5.1.1 冲裁力的计算

根据公式（3-4）可知冲裁力F冲=LtRm，其中材料厚度为1mm，抗拉强度为310MPa，冲裁件周边长度稍复杂。

车门内板在拉深结束后还有4处需要冲孔，如图5-1所示冲孔示意图，详细尺寸参见图2-3。在CAD运行环境下，可以很快测量得出4部分的周长，如下：

L1= 1111.8771 mm L2= 375.1064 mm L3= 285.6637 mm L4= 417.3794 mm

代入公式得：

F冲=（L1+L2+L3+L4）×1×310≈ 678.91 kN

1

2

3

4

图5-1 冲孔示意图

5.1.2 压力机的选择

由冲裁力知,压力机的公称压力必须大于678.91 kN，而冲孔是比较简单的工序,为方便

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生产，同样选用开式压力机，公称压力为的800 kN。其最大封闭高度为380mm，封闭高度调节量为100mm，垫板厚度100mm。

5.2汽车车门内板冲孔凸、凹模的设计及其固定

5.2.1 凸模的设计

在冲孔工序中，凸模的设计至关重要，通过之前的分析，可见车门内板所冲的4个孔尺寸相对较大，压力也就较小，对模具的损坏较小，同时水平距离也不是很远，所以其工艺难度较低[20]。

在之前的章节3.4.2 落料模凸、凹模的尺寸计算中，我们已经知道，冲孔凸、凹模的尺寸计算中，冲孔件的尺寸取决于凸模尺寸，故冲孔模应先决定凸模尺寸，用增大凹模尺寸来保证合理间隙。

在CAD中，可以很快的绘制出凸模的三维实体图，如图5-2所示。

图5-2 冲孔凸模实体图

5.2.2凹模的设计

凹模的设计也相对简单，与拉深模类似，在此主要起到零件的定位和承载零件的作用，所以无需其它定位零件，在CAD三维操作环境下，将之前的拉深凸模和冲孔凸模应用差集工具即可很快得到冲孔凹模实体图，如图5-3所示。

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图5-3 冲孔凹模实体图

5.2.3 凸、凹模的公差确定

冲孔凸、凹模公差计算方法与落料工序一样，计算公式见表3-5。在之前的章节3.4.2中已经将各个参数查到并计算，如下：

2cmin= 0.100 2cmax= 0.140

则 2cmax - 2cmin= 0.040 而冲裁凸、凹模的极限偏差可通过查表得到，

凸模偏差δ凸 = -0.050 凹模偏差δ凹 = +0.070

则 |δ凸|+|δ凹|= 0.12 ＞ 2cmax - 2cmin 查表得磨损系数x= 1

如之前分析的，这里必须以冲孔凸模的公差为准，用增大凹模尺寸来保证合理间隙。 5.2.4 凸、凹模的固定

凸模固定板的设计主要要起到固定冲孔凸模的作用，这里采用机械固定，如图5-4所示，留有台阶，同时之前冲孔凸模的设计以突显这一点。冲孔凸模固定板尺寸如图5-5所示。

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图5-4 冲孔凸模固定板

冲孔凹模的固定采用同样的方法，与拉深凹模的设计基本相同，详见图4-5。

5.3 汽车车门内板冲孔模总装图

汽车车门内板冲孔模总装图如图5-5所示，零件的定位通过冲孔凹模来实现，卸料板将实现凸模冲完孔后顺利与零件分离，冲完的废料直接从凹模中落下。冲孔结束后的零件即最终成形件如图2-1所示。

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1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 11 12

15 14 13

图5-5 汽车车门内板冲孔模总装图

1．上模座 2.压料板 3.内六角圆柱头螺钉圆柱销 4.模柄 5.圆柱销 6.卸料螺钉 7.圆柱螺旋压缩弹簧 8.凸模固定板 9.导套 10.凸模 11.凹模 12.凹模固定板 13.下模座 14.圆柱销 15.内六角圆柱头螺钉

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5.4 汽车车门内板冲孔凸、凹模的热处理工艺

冲孔凸、凹模的选材及热处理，参见表3-7所示，由于该工序比较简单，零件的尺寸精度也不高，为降低成本，这里选用优质碳素工具钢T10A代替Cr12，保证整体足够的硬度。查表可得T10A钢的Ac1=730℃，Acm=800℃，Ar1=700℃。

冲孔凸模热处理：淬火加热温度为800℃，箱式炉加热。采用双介质淬火法，先将凸模的头部浸入10%NaOH水溶液中冷却40-50s，然后转入油中冷却。回火温度为160-180℃，保温2h，主要为降低淬火应力，减少残余奥氏体，提高模具使用寿命。热处理后，硬度为60-62HRC。

冲孔凹模热处理：将凹模的孔用石棉绳或耐火泥堵住，放入盐浴炉中加热。淬火加热温度为810℃，保温时间按60s/mm计算。采用双介质淬火法，即将保温后的凹模放入10%NaOH水溶液中，停留20-25s后迅速转入油中冷却，这里主要是为了控制冷却速度，即高温区快速冷却（避开奥氏体不稳定区），低温区缓慢冷却，避免因冷速过快而开裂。回火采用低温回火，保留足够的硬度，回火温度160-180℃，保温2h，取出工件并检验。淬火加热用的盐浴成分查表可得：60oCl2，20%NaCl，20%NaCN。

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结 论

汽车覆盖件的成形受很多因素影响，其冲压过程中坯料的塑性变形也较为复杂，为了使其满足成形质量要求，需要在冲压成形过程中进行变形趋向控制。本文在完成对汽车车门内板的冲压成形及模具设计后，归纳总结出覆盖件成形控制措施，主要有以下几个方面：

(1) 合理设计覆盖件结构及尺寸

汽车覆盖件在设计时应尽量避免成形困难与变形复杂的结构出现，如尖角或小圆角、剧烈变化的轮廓结构、深度变化过大的结构等。必要时，可以合理设计冲压工艺补充面，改善这些部位的冲压工艺性。

(2) 优化成形工艺

拉深工序作为冲压工序中的重点，必须对零件的拉深特点及性能充分分析。对于形状复杂不对称的零件，某些部位可以分开成形，不一定要设计多付模具，可以配合反拉深等，从而简化工艺。另外，也可以通过改变拉深件的局部成形尺寸，并在修边与翻边工序中再进行整形或局部成形的方法来提高冲压成形性能。

(3) 合理设计模具

确定好成形工艺后，模具的设计就是重点。每付模具都要先设计出合适的凸、凹模，要尽量节省材料，降低成本，落料工序中，凹模的设计是关键，凸模以凹模为基准；冲孔工序则相反，必须先计算设计好凸模。模架的设计可以灵活应用，覆盖件一般都比较大，还要合理设计压料板，此后工作零件也要按标准一一设计。

通过学习，了解到在对汽车车门内板的冲压工艺确定及模具设计过程中，工艺的选择及模具的设计要灵活应用，优化组合，充分考虑实际应用中的各种因素，不仅有产品质量，还要考虑生产成本、生产效率，这样最终才能设计出最适合的工艺成形方案。

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