典型汽車車身件的沖壓與模具技術

文/李永坤·秦皇島燕大汽車零部件制造有限公司

典型汽車車身件的沖壓與模具技術

文/李永坤·秦皇島燕大汽車零部件制造有限公司

當今汽車制造業(yè)已進入了發(fā)展新階段，尤其是汽車車身沖壓制造工藝水平的不斷進步，在很大程度上對汽車制造質量和成本產(chǎn)生直接而重要的影響。模塊化沖壓技術、新模具材料、先進加工制造技術，尤其是計算機輔助技術極大地促進了沖壓技術的發(fā)展。

筆者將介紹目前汽車車身沖壓工藝中的先進技術，并闡述當前沖壓工藝的發(fā)展趨勢。文章主要以汽車后視鏡安裝板（圖1）的沖壓成形為例，解析其沖壓工藝的過程。

沖壓工藝分析與模具設計

汽車后視鏡安裝板是車身上典型沖壓件，精度要求比較高，如圖1所示，零件上的孔徑（D）、孔位公差要求都比較嚴格。所以，設計初期就需要充分考慮零件尺寸的精度要求、材料機械性能、材料利用率、設備實際使用情況、模具結構布局、模具制造維修成本等綜合因素。經(jīng)過綜合考慮以上所有問題后，最終采用的沖壓工藝整體方案為：拉延成形→修邊沖孔→翻邊整形沖孔→切邊沖孔。

圖1汽車后視鏡安裝板

拉延成形

拉延成形屬于第一道工序，先要確定工藝數(shù)模，這需綜合考慮拉延方向、拉延深度、壓料面的大小形狀、拉延筋的位置及高度等因素，經(jīng)過模擬分析，確立如圖2所示的工藝數(shù)模。

圖2拉延成形工藝數(shù)模

本道沖壓工序采用單件拉延，左右共兩套模具，均使用315t液壓機?？紤]到材料伸長率、抗拉強度等機械性能，拉延過程中材料的流動性，相比較左右件對稱拉延而言，設計人員認為單件拉延更有利于拉延成形的實現(xiàn)。同時，經(jīng)過計算，單件拉延材料利用率并不低于左右對稱拉延材料利用率?；谝陨峡紤]，模具結構設計見圖3。這套模具采用了公司標準模塊化設計，其中除了凸模、凹模、壓邊圈等小部分模具零件需重新設計，其余如上下模座、導柱導套、限位塊、擋料塊等都可以調用設計標準庫，參數(shù)簡單修改后進行裝配即可。這種設計方式大大提高了工作效率、縮短了設計周期，同時使模具也具有良好的互換性，便于今后維修更換。

圖3拉延成形模

修邊沖孔

修邊沖孔屬于第二道工序，也要先確定工藝數(shù)模，圖4即為修邊沖孔工藝數(shù)模。

本道工序采用左右件對沖，這主要考慮到模具受力平衡情況、生產(chǎn)效率等。上道工序生產(chǎn)的工件是本道工序的毛坯，圖4中白色實線是修邊輪廓線和沖孔輪廓線，之所以加上沖孔是因為工件上的所有孔不在同一個平面上，而圖4中的白色實線孔在這道工序可以與修邊同時完成，相對減少了沖裁工序。模具結構如圖5所示，這套模具和拉延成形模一樣，使用了大量標準件，應用于400t沖床。

圖4修邊沖孔工藝數(shù)模

圖5修邊沖孔模

翻邊整形沖孔

翻邊整形沖孔屬于第三道工序，工藝數(shù)模如圖6所示。由于工件孔位關系，在這道工序設計人員設計在完成翻邊整形的同時預沖孔，這樣便于模具結構的合理布局，同時將此孔作為下道工序定位的基準孔采用左右件對稱沖壓，這樣有利于模具受力平衡，同時提高生產(chǎn)效率。模具結構設計如圖7所示。這套模具依然采用大量標準件，使用標準模塊化設計，應用于500t液壓機。

圖6翻邊整形沖孔工藝數(shù)模

圖7翻邊整形沖孔模

切邊沖孔

切邊沖孔是最后一道工序，工藝數(shù)模確定后就完成了工件的整套沖壓工序，工藝數(shù)模確定如圖8所示，模具結構設計如圖9所示。這套模具仍然采用大量標準件，左右件對稱沖壓。同時，為保證孔位精度，模具結構采用側沖形式，應用于400t沖床。以這套模具為例，在大批量生產(chǎn)過程中，由于沖裁模的特殊性，像沖頭、凹模、斜楔等零件屬于易損件，更換頻次較高，所以模具采用模塊化、標準化設計，非常有利于其零件的儲備、更換、維修等后續(xù)生產(chǎn)維護工作。這套模具的結構充分體現(xiàn)了標準化設計的優(yōu)越性，沖頭、凹模、斜楔機構都采用了標準件設計，這樣模具零件的互換性非常好，使用壽命也比較長，同時能很好保證工件的沖裁精度。

通過這四道沖壓工序的生產(chǎn)，我們最終得到符合圖紙精度要求的合格工件，實際產(chǎn)品見圖10，該產(chǎn)品目前已經(jīng)批量投入使用，應用于某汽車公司主打車型，累計生產(chǎn)了近50萬套，工件質量穩(wěn)定、可靠，得到了主機廠的認可。

沖壓模具技術

圖8切邊沖孔工藝數(shù)模

圖9切邊沖孔模

圖10工件實物產(chǎn)品

隨著產(chǎn)品質量的提高，對模具質量和壽命要求越來越高。而提高模具質量和壽命最有效的辦法，就是開發(fā)和應用模具新材料以及熱處理新工藝，摸索先進的制造技術，不斷提高模具的使用性能。

材料

制造沖壓模具的材料有鋼材、硬質合金、鋼結構硬質合金、鋅基合金、低熔點合金、鋁青銅、高分子材料等。目前，制造沖壓模具的材料絕大部分以鋼材為主，常用的模具工作部件材料種類有碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻或中鉻工具鋼、中碳合金鋼、高速鋼、基體鋼以及硬質合金、鋼結構硬質合金等。

模具材料的選取需要綜合成本因素，本文提到的模具，除了拉延模外，其余模具的凸凹模均采用高碳高鉻工具鋼Cr12MoV。這種材料具有較好的淬透性、淬硬性和耐磨性，熱處理變形很小，屬于高耐磨微變形模具鋼，尤其適合作為沖裁模具的刃口。拉延模具凸凹模采用鉬鉻鑄鐵，這種材料具有較好的淬硬性和耐磨性，熱處理變形較小，能夠浸入潤滑油，具有自潤滑作用，可有效地減輕拉延過程中的摩擦，且成本較低、容易加工。

熱處理工藝

合理選取模具材料及實施正確的熱處理工藝是保證模具壽命的關鍵。對用途不同的模具，應根據(jù)其工作狀態(tài)、受力條件及被加工材料的性能、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)率等因素綜合考慮，并對上述要求的各項性能有所側重，然后做出對鋼種及熱處理工藝的相應選擇。

本文涉及到的沖裁模具凸凹模刃口，均采用真空熱處理工藝，這種工藝具有零件變形小、淬火硬度均勻等優(yōu)點。拉延模具凸凹模材料為鉬鉻鑄鐵，選用的表面淬火空冷熱處理工藝，能實現(xiàn)較好的淬硬性、耐磨性，熱處理變形小，并且熱處理過后不用再精加工。

先進制造技術

模具制造技術的現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎。隨著科學技術的發(fā)展，計算機技術、信息技術、自動化技術等先進技術正不斷向傳統(tǒng)制造技術滲透、交叉、融合，對其實施改造，形成先進制造技術。目前，較為先進的制造技術有高速數(shù)控銑削加工、慢走絲線切割加工、電火花加工、數(shù)控磨削及拋光加工。本文模具制造過程中，均采用了高速數(shù)控銑削加工，數(shù)控機床高速銑削的主軸轉速為15000r/min，采用高轉速、小進給量、小吃刀量加工方法，這樣工件溫升小，模具表面沒有變質層及微裂紋，熱變形也小，同時減少了后續(xù)磨削及拋光工作量。沖裁模具刃口采用慢走絲線切割加工，加工精度可達到±0.005mm，加工表面粗糙度R a為0.4～0.8μm，加工速度也非常高，不低于常用快走絲切割速度。同時，模具清根時運用電火花設備可加工出小圓角部位。

各種先進加工制造技術的應用，最終保證了模具的加工精度和質量，同時也大大縮短了模具制造周期，減少了研磨調試工作量。先進制造技術及制造設備的廣泛應用，推動了模具制造業(yè)的快速發(fā)展。

汽車沖壓技術的發(fā)展趨勢

汽車沖壓工藝設計應根據(jù)產(chǎn)品形狀結構、工藝性、模具制造的合理性、均衡性及成本最低化原理，來建立優(yōu)化決策機制，制定產(chǎn)品的工藝路線、任務分配及詳細工藝設計。汽車沖壓工藝設計是一個過程性設計，要通過經(jīng)驗和知識對產(chǎn)品信息不斷分析來完成，其設計結果需要檢驗評價。通過設計→評價→再設計的迭代過程來實現(xiàn)最優(yōu)設計，是汽車沖壓工藝設計發(fā)展的重要方向。目前，可以說CAE技術已成為沖壓件工藝設計的檢驗工具和工程人員修改工藝設計的有力依據(jù)。依靠CAE的結果來指導工藝設計，進而實現(xiàn)工藝的自適應設計將是今后的重點研究領域。

結束語

隨著制造業(yè)、汽車工業(yè)全球化、網(wǎng)絡化和虛擬化的不斷深入，汽車沖壓工藝技術和模具技術的發(fā)展已與先進制造技術、智能技術、電子信息及計算機集成技術等眾多學科相互交叉、緊密結合。混合智能新技術將是解決該領域問題的一個發(fā)展途徑，如KBE技術、工藝決策推理機制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）、遺傳算法（GA）、Petri網(wǎng)等智能化技術及并行工程、CIMS思想等的混合決策技術和多智能體技術基礎上的綜合智能體系，這也是行業(yè)技術人員今后努力研究和探索的方向。

李永坤，工裝制造部部長。主要從事沖壓、輥壓、拉彎工裝模具的設計開發(fā)與制造，同時從事輥壓、拉彎設備的創(chuàng)新與研發(fā)，主持完成了企業(yè)輥壓、拉彎等專用成形設備的自主化。