汽車覆蓋件模具的模面工程

王本日， 沈 杰

（上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

汽車覆蓋件模具屬于大型的冷沖模具。覆蓋件模具的制造周期長，一般為10個月左右，并且制造的技術(shù)難度也很大，一般需要設(shè)計、加工、裝配、試模等4個環(huán)節(jié)。由于成型件超高的技術(shù)要求，模具型面需要精細(xì)化設(shè)計，加工也要高精度加工，通過試模對實際模具不斷優(yōu)化。覆蓋件模具的試模一般需要4～5個月的時間，接近整個模具制造周期的50%，試模周期的縮短將會直接縮短整個模具的制造周期。

模具的設(shè)計包括沖壓工藝設(shè)計和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，沖壓工藝設(shè)計是模具設(shè)計的核心。而沖壓工藝設(shè)計的主要任務(wù)之一就是設(shè)計出合理的工序件［1］。沖壓模具型面是在零件模型的幾何數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過模型修復(fù)和編輯、補(bǔ)孔、法蘭展開、邊界光順和工藝補(bǔ)充等工序完成的，在零件幾何模型基礎(chǔ)上生成沖壓模具的過程成稱之為模面設(shè)計過程；因此，沖壓模具型面設(shè)計的關(guān)鍵就是模面設(shè)計［2］。而一般的模面工程是模具型面實現(xiàn)的工程，是模面設(shè)計在沖壓工藝模擬后通過計算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）有限元分析的網(wǎng)格面構(gòu)建模具型面計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）數(shù)據(jù)的技術(shù)。這樣的模具型面與沖壓工藝型面完全相同。加工后的模具型面，為了達(dá)到規(guī)定的貼合率，模具鉗工通常要手動對凹模進(jìn)行處理［3］，進(jìn)而不斷的試模優(yōu)化，才能完成模具的制造。經(jīng)過鉗工試模優(yōu)化的實際模具型面與設(shè)計的模具型面差別已經(jīng)非常大。若鉗工的優(yōu)化工作能通過數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)，鉗工的試模工作量就會減少，模具的試模周期也就會相應(yīng)縮短。對設(shè)計型面進(jìn)行類似鉗工優(yōu)化的處理已發(fā)展為模面工程的重要內(nèi)容，模面工程中對模具設(shè)計型面的處理在一定程度上相當(dāng)于鉗工試模經(jīng)驗向CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。鉗工經(jīng)驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的越多，鉗工試模的工作量也就會越少，模面工程技術(shù)也越成熟。模面工程技術(shù)的提高也必然會降低試模的難度，減少試模時間，對整個覆蓋件模具制造的成本降低和周期縮短，都有重要意義。

1 模面工程的內(nèi)容

模面工程是建立模具初始工藝型面后不斷優(yōu)化的過程。模面工程首先實現(xiàn)的是有限元網(wǎng)格面轉(zhuǎn)化為沖壓工藝型面，其次根據(jù)試模經(jīng)驗進(jìn)行重新構(gòu)建，最后進(jìn)行消除加工讓刀的補(bǔ)償型面構(gòu)建。因而模面工程包括沖壓工藝型面的構(gòu)建，模具有效型面的重構(gòu)，及消除加工缺陷的重構(gòu)3方面的內(nèi)容。模面工程的流程如圖1所示。

圖1 模面工程流程圖

1.1 沖壓工藝型面的構(gòu)建

模具的初始工藝型面經(jīng)過沖壓工藝軟件（如Autoform或Dynaform）的有限元分析后輸出的是有限元網(wǎng)格面，雖然也可以輸出CAD數(shù)據(jù)面，但是往往面的質(zhì)量較差，因而無論輸出的是網(wǎng)格面，還是CAD數(shù)據(jù)面，都需要進(jìn)行模具型面的構(gòu)建與優(yōu)化。

1.1.1 沖壓工藝型面的重構(gòu)區(qū)域 覆蓋件模具的沖壓工序一般分為拉延、切邊、翻邊、整形等工序。沖壓工藝型面的重構(gòu)因沖壓工序的不同，其重構(gòu)內(nèi)容也會有差別，但總的規(guī)律是：根據(jù)沖壓零件成型的功能需要，某些面壓緊，某些面放松，然后再進(jìn)行周圍面的過渡處理。

（1）拉延模的型面處理。沖壓工藝型面分為產(chǎn)品區(qū)域、延展區(qū)域和壓料區(qū)域。產(chǎn)品區(qū)域是產(chǎn)品型面經(jīng)過修補(bǔ)而來，一般不需要再次構(gòu)建。延展區(qū)域是為了產(chǎn)品的成型需要而構(gòu)建的型面，其優(yōu)化一般在實際模具試模后，根據(jù)零件的成型狀況進(jìn)行改型優(yōu)化。對于拉延模來說，壓料區(qū)域是沖壓工藝型面重構(gòu)的主要部分。

壓邊圈型面即壓料區(qū)域型面，其功能就是在零件拉延時，通過與凹模的壓緊力，控制料片的流動。壓邊圈的型面大而且平坦。鉗工需付出很大的工作量進(jìn)行研配。而實際上起作用的只是壓料筋附近的型面，因而壓邊圈的模面處理一般有圖2所示（a）、（b）兩種處理方法。

圖2 壓邊圏的模面處理

a方法為圖2（a）所示的綠色壓料筋以內(nèi)橘黃色的型面，做型面余量補(bǔ)償（Offset）0.2mm壓緊處理，壓料筋根部圓角做過渡處理。這種方案的壓料工作面，寬只有20～30mm左右，減小為原來的1／5左右，研配工作量相應(yīng)大幅度減少。但是這時的壓料筋的調(diào)節(jié)，變得非常敏感，模具調(diào)試的控制難度有一定的增長。

b方法為圖2（b）所示的綠色壓料筋20mm以外的區(qū)域，做過渡與讓空。圖示藍(lán)色區(qū)域為Offset－0.5mm讓空區(qū)域，紫色區(qū)域為橘黃色不動區(qū)域與藍(lán)色讓空區(qū)域的過渡區(qū)域。這種方案減少了60%左右的研配工作量，并且壓料筋的調(diào)節(jié)敏感性與不做模面處理相比改變不大，屬于比較安全有效的方案。

壓邊圈模面處理的另一項重要內(nèi)容是壓料筋的重構(gòu)。由于設(shè)計拉延筋模型和實際筋之間存在誤差，經(jīng)常會為避免在試模過程因拉延筋阻力系數(shù)過小而對拉延筋進(jìn)行堆焊，所以拉延筋阻力系數(shù)根據(jù)實際需要增加10%～15%。這需要通過型面重構(gòu)減小凹筋的入模圓角來調(diào)整拉延筋阻力系數(shù)，比如凹筋入模圓角由3.0mm改為2.6mm。鉗工試模時，只需調(diào)整凹筋的入模圓角即可控制材料成型時的流動阻力。另外為避免凸筋和凹筋之間發(fā)生干涉，保證幾何筋和虛擬筋的阻力系數(shù)一致，凸筋和凹筋間隙應(yīng)大于0.3mm或者0.5t（t為沖壓料片厚度）。

（2）切邊模、翻邊模及整形模等的模面處理。切邊模、翻邊模及整形模等的模面處理主要是對其卸料板的型面進(jìn)行處理，如圖3所示。切邊或翻邊時，卸料板的壓料區(qū)域需大于30mm。在30mm壓料寬度的范圍內(nèi)，切邊線或翻邊線附近寬大約15mm（視型面特征而定）的范圍內(nèi)模面做強(qiáng)壓處理，即卸料板型面做負(fù)間隙0.1～0.2mm，相鄰的圓角進(jìn)行過渡接順。除去壓料區(qū)域的卸料板型面做0.5mm讓位處理。以上的卸料板型面處理，既保證了切邊及翻邊時的功能需要，又避免了零件在合模過程中發(fā)生額外的塑性變形。

圖3 缷料板的模面處理

圖4所示為整形模的卸料板型面，藍(lán)色的功能面部分同樣需做強(qiáng)壓處理，黃色的型面做讓空處理。對于非功能要求的凸臺，如圖4所示的三角形凸臺，做抹平處理，凸臺凹模面Offset放大1mm，凹?？谔巿A角過渡，從而避免沖壓件與實際模具型面產(chǎn)生干涉。

圖4 整形模卸料板的模面處理

1.1.2 重構(gòu)型面的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及面的A級優(yōu)化 重構(gòu)的型面要求面內(nèi)達(dá)到C2標(biāo)準(zhǔn)（面內(nèi)曲率連續(xù)，無縫隙），并且無扭曲波浪等缺陷。重構(gòu)的原則是：先大面后小面，先平坦面后過渡面。面與面之間的拼接要求達(dá)到G1標(biāo)準(zhǔn)（面與面之間相切連續(xù)），拼縫（Gap）≤0.02mm，面片的最小邊長（Length）≥1mm，不存在非自然邊界（Nonatural Edge）等。

在某些情況下，如型面因成型需要進(jìn)行部分更改，以及為消除彈性變形而進(jìn)行的反彈補(bǔ)償?shù)?，產(chǎn)品的關(guān)鍵型面產(chǎn)生變化。外覆蓋件外板及外覆蓋件內(nèi)板與其外板配合的部分就需要進(jìn)行A級曲面優(yōu)化。優(yōu)化后的面與原來面的變形量（Reference）≤0.1mm，面內(nèi)曲率梳需在面的同側(cè)，并且梳齒的長短變化平緩連續(xù)。A級面之間的拼接需保證G2連續(xù)即曲率連續(xù)，A級曲面優(yōu)化的邊界要求Gap≤0.01mm，兩面的法向夾角（Kink）≤0.5rad。

1.2 零件變形補(bǔ)償?shù)男兔嬷貥?gòu)

汽車外覆蓋件是一種具有復(fù)雜曲面、要求精度高的大型淺拉延件，在其成型過程中，回彈對其形狀精度影響很大［4］。料片在沖壓成形過程中，先發(fā)生彈性變形，變形力超過屈服極限時變?yōu)樗苄宰冃?，從而工序件成形。由于并不是所有的彈性變形都轉(zhuǎn)化成了塑性變形，因而隨著沖壓結(jié)束后模具壓力的消失，工序件零件產(chǎn)生彈性恢復(fù)，導(dǎo)致實際工序件與理論形狀差別較大，這種沖壓過程中工序件彈性恢復(fù)的變形稱為零件的回彈變形。模具的型面必須進(jìn)行與零件回彈變形方向相反的等量形狀改變，才能得到合格的零件。這種方向相反的等量形狀改變稱為模具型面的回彈補(bǔ)償。

1.2.1 回彈變形的分類 零件的彈性變形不僅表現(xiàn)在形狀上彈性恢復(fù)，也表現(xiàn)在大小上的收縮，因而零件的回彈變形主要有兩類：① 料片彎曲產(chǎn)生的彈性恢復(fù)變形；② 料片拉伸恢復(fù)產(chǎn)生的收縮變形。

1.2.1.1 彎曲回彈變形 彎曲回彈變形在覆蓋件外板及內(nèi)板上都是很普遍的。圖5所示的前蓋外板零件的O處，多數(shù)情況下都會低2～3mm，導(dǎo)致因與前蓋內(nèi)板的涂膠面間隙太小而拼裝困難。前蓋外板的這種塌陷變形，在車頂、翼子板等外覆蓋件外板零件中也都是存在的。圖6所示的后蓋內(nèi)板一般也發(fā)生箭頭所示的張開變形，與外板拼裝后，下部（圖6所示P邊）尺寸會超差2mm左右。汽車覆蓋件的這種彎曲回彈變形極大地影響了覆蓋件零件的形狀質(zhì)量。零件的彎曲回彈變形受零件形狀的影響很大，零件越平坦，塌陷變形就會越明顯，類似加強(qiáng)筋的形狀越多，零件的變形也相應(yīng)會越少。

圖5 前蓋外板的中部變形（圓圈為等誤差緯線，線越粗誤差越大）

圖6 后蓋內(nèi)板的張開變形標(biāo)明圖中各顏色含義

1.2.1.2 拉伸收縮變形 料片在拉延成形時會被拉開，工序件的面積比原來料片的面積會變大很多。料片被拉大塑性變形后會產(chǎn)生微量的收縮。零件的這種微量的收縮對于小型零件影響微乎其微，可以忽略不計。但是如側(cè)圍這種大型的外覆蓋件，這種收縮會積累到2mm以上，嚴(yán)重影響了零件的尺寸精度。零件的這種收縮變形與材料的特性有關(guān)。側(cè)圍零件整體形狀比較復(fù)雜，整體會按大約0.07%的比率收縮。而圖7所示的車頂零件，在X方向會有1.5mm的收縮，Y方向也會有0.3mm左右的收縮，換算成比率X向為0.12%，Y向為0.09%。另外，有些板料縱向與橫向的拉伸特性有很大差異，導(dǎo)致同一產(chǎn)品零件的料片縱橫擺放方向不同，零件的收縮也會有差異。

圖7 車頂零件的收縮變形

1.2.2 零件回彈變形的補(bǔ)償方法 零件拉伸收縮變形的補(bǔ)償很簡單，是在料片穩(wěn)定的前提下，通過經(jīng)驗積累，適當(dāng)放大模具型面的尺寸就可以實現(xiàn)。

零件的彎曲回彈變形補(bǔ)償雖然內(nèi)部運算比較復(fù)雜，在一定程度上是對整個模具型面的重新構(gòu)造，但是某些專業(yè)軟件如Tebis（CAD／CAM軟件）的曲面重構(gòu)模塊（Morpher）功能及數(shù)據(jù)建模軟件（Think Design）的基于有限元網(wǎng)格的回彈補(bǔ)償修改（Computational Fluid Dynamics，CFD）功能等已實現(xiàn)了這種補(bǔ)償?shù)淖詣犹幚恚溲a(bǔ)償過程如圖8所示。首先需根據(jù)零件的補(bǔ)償量，進(jìn)行有限元計算模具型面的初始曲面網(wǎng)格和回彈補(bǔ)償網(wǎng)格；其次在回彈補(bǔ)償軟件中獲取這兩個網(wǎng)格面的節(jié)點信息，兩種網(wǎng)格面節(jié)點數(shù)量與序號需保持一致，相同序號節(jié)點的位移決定了CAD數(shù)據(jù)型面在其法相投影位置的補(bǔ)償量，通過輸入初始曲面CAD數(shù)據(jù)及初始曲面網(wǎng)格與回彈補(bǔ)償網(wǎng)格，曲面重構(gòu)模塊或CFD自動重構(gòu)回彈補(bǔ)償?shù)腃AD數(shù)據(jù)型面。

圖8 零件彎曲回彈變形的補(bǔ)償

回彈補(bǔ)償面的自動重構(gòu)是在軟件的內(nèi)部建面規(guī)則下進(jìn)行的，因而進(jìn)行回彈補(bǔ)償前，初始曲面必須進(jìn)行符合軟件建面規(guī)則的優(yōu)化，如去除小面片和三角面片，理順建面順序等。為得到理想的回彈補(bǔ)償面，自動補(bǔ)償后的面還必須進(jìn)行消除型面間隙，重構(gòu)扭曲面，達(dá)到A級曲面調(diào)整等優(yōu)化。模具型面的自動補(bǔ)償雖然比較快捷，但是前期數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備與結(jié)尾的數(shù)據(jù)優(yōu)化，工作量都是巨大的。

在零件的回彈變形補(bǔ)償中，補(bǔ)償量的確定是最為關(guān)鍵的。補(bǔ)償量偏差太大，零件的補(bǔ)償將失去意義。對于形狀簡單且經(jīng)驗成熟的零件（如車頂），一般直接根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償；對于經(jīng)驗欠缺或形狀復(fù)雜的零件（如翼子板），需先制作試制模，進(jìn)行實際拉延成形，再經(jīng)過零件尺寸測量對比才能確定最終的補(bǔ)償量。

1.3 消除加工缺陷的模具型面重構(gòu)

模具型面精加工時，刀具受到工件的反作用力F，如圖9所示。F可分解為刀具軸向的作用力及刀具徑向的作用力F′。若F恒定，則F′＝Fsinθ會隨著θ的增大而變大，即模具型面越陡峭，刀具受到的徑向作用力會越大。這種徑向作用力會使刀具產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致實際的加工不到位，這種現(xiàn)象稱為讓刀現(xiàn)象。刀具的讓刀現(xiàn)象是無法消除的，只能通過減小切削深度而減小切削力，或減小刀具長度而相應(yīng)減少。在實際的模具型面加工過程中，盡管已經(jīng)盡量減少切削深度，使用盡可能短的刀具，加工讓刀仍然能產(chǎn)生最大至0.15mm的誤差。為了獲得更高的型面加工精度，讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重的區(qū)域需通過模面處理，進(jìn)行刀具讓刀的型面補(bǔ)償。

圖9 讓刀現(xiàn)象示意圖

刀具讓刀最大的區(qū)域也是模具型面最陡峭的區(qū)域。讓刀補(bǔ)償?shù)男兔嬷貥?gòu)一般是對陡峭且平緩簡單的型面進(jìn)行重構(gòu)，如圖10所示粉紅色區(qū)域。大的面片進(jìn)行Offset－0.2mm，上下圓角接順，兩邊20mm區(qū)域內(nèi)與非補(bǔ)償面進(jìn)行過渡。

圖10 讓刀補(bǔ)償區(qū)域

模具型面的凹圓角通常也是加工不到位的部分。模具合模時，非工作圓角（即凹圓角）與工作圓角（即凸圓角）會發(fā)生干涉，鉗工需要付出大量的精力進(jìn)行圓角清根。模面重構(gòu)時，凹圓角半徑減小一半，如圖10所示的凹模非工作圓角與凸模非工作圓角，使上下模型面的凹圓角與凸圓角配合存在一定間隙，從而消除圓角加工不到位造成的模具型面干涉。

2 結(jié) 語

近年來，模具制造業(yè)在我國迅速發(fā)展。在生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大的同時，行業(yè)競爭越來越激烈，模具行業(yè)呈現(xiàn)高精度、低成本、短周期的發(fā)展趨勢［5］。在最近的模具制造項目中，模具型面經(jīng)過模面工程的處理，最后的試模時間較以前相似零件減少了30%，并且解決了零件回彈變形的技術(shù)難題。通過模面工程，模具制造的質(zhì)量與效率都有很大的提高。目前模面工程還處在初級階段，僅僅是小部分的模具制造與試模經(jīng)驗的轉(zhuǎn)化。隨著模面工程技術(shù)的不斷發(fā)展和更多模具制造經(jīng)驗的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，試模周期會隨之縮短，模具制造的質(zhì)量必然會有更大提高，制造的難度也會不斷降低。若模面工程技術(shù)發(fā)展到極致，加工裝配后就能生產(chǎn)沖壓件。模面工程對于提高模具制造質(zhì)量，縮短模具制造周期將會發(fā)揮越來越大的作用。

［1］孫玉，王義林.汽車覆蓋件模具型面設(shè)計方法的研究［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007（1）：83－86.

［2］劉志國.車身覆蓋件沖壓模型面參數(shù)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2011：4－6.

［3］竇錦文，苗德華，蔡玉俊.基于拉延減薄的汽車覆蓋件模具型面補(bǔ)償研究［J］.模具制造，2011（3）：7－10.

［4］龔志輝，鐘志華.基于逆向工程技術(shù)實現(xiàn)汽車覆蓋件回彈評測［J］.湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007（01）：22－25.

［5］馬賀威，姜偉.汽車覆蓋件模具數(shù)控加工工藝［J］.金屬加工：冷加工，2011（4）：46－47.