北美沖壓件的精細(xì)設(shè)計(jì)

文/王成璞·昆山麥格納汽車系統(tǒng)有限公司

北美沖壓件的精細(xì)設(shè)計(jì)

文/王成璞·昆山麥格納汽車系統(tǒng)有限公司

汽車零部件中，不論是車身及其覆蓋件，還是底盤中的車架，以及門鎖、玻璃升降器、座椅等，到處都有沖壓件。因此，要想生產(chǎn)出質(zhì)量好的汽車，作為汽車中重要零部件種類之一的沖壓件，也必須要有一個(gè)好的質(zhì)量。

而一個(gè)質(zhì)量好的零件，不僅僅是制造出來(lái)的，更是設(shè)計(jì)出來(lái)的。

那么，如何能設(shè)計(jì)出一個(gè)好的產(chǎn)品？這不僅取決于零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用，在很大程度上，還取決于零件的設(shè)計(jì)是否精細(xì)，包括零件形位公差的設(shè)計(jì)選取是否合理。

筆者根據(jù)在工作中接觸到的一些歐美、日韓以及國(guó)內(nèi)企業(yè)的沖壓件產(chǎn)品圖樣，從零件的細(xì)化設(shè)計(jì)這一角度來(lái)看，北美的沖壓件產(chǎn)品圖樣相對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)以及日韓企業(yè)的沖壓件圖樣，明顯要好得多。

北美企業(yè)沖壓零件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

北美企業(yè)沖壓零件的設(shè)計(jì)，早已采用三維設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)完成后，還需將這個(gè)零件置于其所在的組裝環(huán)境、工作狀態(tài)中進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，根據(jù)沖壓件應(yīng)該具有的功能及動(dòng)作，查看評(píng)估其在裝配或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，是否會(huì)與其他零件發(fā)生干涉等。需要時(shí)，還會(huì)對(duì)其進(jìn)行CAE分析。

完成上述工作后，便會(huì)依據(jù)零件的3D數(shù)模，直接導(dǎo)出2D圖樣，并由設(shè)計(jì)人員將其設(shè)計(jì)意圖精細(xì)地反映在2D圖樣上，即：在2D圖樣上進(jìn)行適當(dāng)?shù)臉?biāo)注（包括尺寸、形位公差以及一些必要的文字）。

對(duì)面輪廓度的重視

北美企業(yè)對(duì)沖壓件的設(shè)計(jì)以及尺寸和形位公差標(biāo)注，通常采用的是三基面體系基準(zhǔn)，并盡可能多地采用面輪廓度和位置度這兩種形位公差的標(biāo)注方式。而國(guó)內(nèi)或日韓等企業(yè)設(shè)計(jì)的沖壓件中，位置度雖偶有使用，但面輪廓度的應(yīng)用幾乎沒有。

實(shí)際上，在三坐標(biāo)已普遍應(yīng)用的今天，筆者認(rèn)為，在沖壓件等零件設(shè)計(jì)中，尤其是對(duì)一些曲面或曲線有公差要求的，應(yīng)用面輪廓度是一種非常有效且較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，同時(shí)對(duì)于檢測(cè)來(lái)說(shuō)，也是非常方便的一種方法。對(duì)于面輪廓度的應(yīng)用，筆者已有專文論述，此處不再贅述。

需要提及的一點(diǎn)是，在面輪廓度的應(yīng)用中，有些表面或曲面，根據(jù)零件使用狀況及功能，并非是整個(gè)表面或曲面均需有較高要求。此時(shí)，北美企業(yè)在零件圖樣上便會(huì)對(duì)有要求之處（即局部區(qū)域）標(biāo)注具體要求，有時(shí)對(duì)某一區(qū)域的面輪廓偏差要求為非等稱時(shí)，也會(huì)對(duì)此加以區(qū)分，如圖1所示。

圖1 零件圖上的面輪廓度標(biāo)注

以“塌角所在面”表示沖壓方向

對(duì)于沖壓件的沖壓方向，國(guó)內(nèi)企業(yè)的沖壓件圖樣上，通常是沒有詳細(xì)要求的；一些德國(guó)企業(yè)的沖壓件圖樣中常會(huì)標(biāo)以“stamping direction（沖壓方向）”；而北美沖壓件圖樣上則會(huì)標(biāo)以“die roll side（塌角所在面）”（圖2）。對(duì)于“stamping direction”和“die roll side”，筆者以為，“die roll side”更為嚴(yán)謹(jǐn)。

圖2 “die roll side”（塌角所在面）標(biāo)注示例

因?yàn)?，?duì)于一個(gè)沖壓件來(lái)說(shuō)，采用單動(dòng)模沿沖壓件周邊整體落料和采用連續(xù)模沿沖壓件周邊分段沖切這兩種不同的工藝方案，在其沖壓方向一致時(shí)，其零件周邊的塌角所在面或毛刺所在面是不一樣的。其實(shí)，就是單動(dòng)沖裁模，也有凸模在上、凹模在下的正裝結(jié)構(gòu)和凹模在上、凸模在下的倒裝結(jié)構(gòu)之分，這兩種結(jié)構(gòu)的模具也會(huì)造成沖壓件周邊的塌角所在面不一致。而對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，從沖壓件的功能和裝配角度考慮，其關(guān)注的應(yīng)是沖壓件本身的塌角（或毛刺）在哪一邊，而非沖壓工藝上所謂的“沖壓方向”。所以，“die roll side”更為嚴(yán)謹(jǐn)。

重要尺寸及形位公差的標(biāo)注

北美企業(yè)的沖壓件圖樣與國(guó)內(nèi)的沖壓件圖樣還有一點(diǎn)不同之處，即：不是所有的尺寸均標(biāo)注在圖樣上，而是只標(biāo)注了設(shè)計(jì)人員認(rèn)為相對(duì)較為重要的尺寸，以及一些與形位公差相關(guān)的理想尺寸。對(duì)于其中一些涉及到安全、功效等更為重要的尺寸或形位公差，還會(huì)引入質(zhì)量體系中的安全系數(shù)概念，在圖樣中的相關(guān)尺寸或形位公差旁，對(duì)其進(jìn)行重要性分級(jí)標(biāo)識(shí)。如圖1中的“LV3”，“LV”為“l(fā)evel”的縮寫，此外還有“LV1”、“LV2”級(jí)。

尺寸編號(hào)

對(duì)于標(biāo)示的尺寸，還會(huì)對(duì)其逐一編號(hào)。這個(gè)編號(hào)盡管簡(jiǎn)單，但在實(shí)際工作中，卻帶來(lái)了極大的便利，尤其是當(dāng)一個(gè)沖壓件圖樣中有幾個(gè)相同尺寸或形位公差，以及對(duì)其尺寸進(jìn)行討論的幾方人員不在一處時(shí)。

其他標(biāo)注習(xí)慣

對(duì)一些沖壓件沖裁斷面有要求時(shí)，如輪廓度或是粗糙度等，則不論是沖裁斷面的直面段還是曲面段，都會(huì)在圖樣中標(biāo)注相應(yīng)要求。在做這類標(biāo)識(shí)時(shí)，通常均會(huì)以區(qū)域目標(biāo)（也就是局部區(qū)域）的方式來(lái)體現(xiàn)。如圖1所示。

沖壓件中，由于其沖裁的特性，會(huì)使沖壓件的沖裁輪廓或孔產(chǎn)生沖裁毛刺。而從零件裝配、使用的角度看，有些沖裁毛刺又是有害的。對(duì)此，北美的沖壓件圖樣上，常會(huì)對(duì)需去除毛刺的輪廓或孔標(biāo)識(shí)以“coin burrs”或“coin break side”以及“remove burrs”或“no burrs and sharp edges”。“coin burrs”或“coin break side”表示需用模具倒角的方式去除毛刺；而“remove burrs”或“no burrs and sharp edges”則表示對(duì)去除毛刺或銳邊的工藝方式?jīng)]有具體限制，不論是用模具倒角，還是振光研磨等，只要去除毛刺和銳邊即可。

對(duì)于需去除毛刺的輪廓或孔，有時(shí)還會(huì)對(duì)倒角大小進(jìn)行限制，通常在圖樣上標(biāo)識(shí)以“coin R0.5min”或“coin C0.5X0.5min”，如圖3所示。

圖3 對(duì)倒角大小的標(biāo)注

還有一種對(duì)沖壓件的沖裁輪廓或孔去除毛刺的標(biāo)示方法，即在某一段輪廓或某一個(gè)孔的相關(guān)尺寸旁，標(biāo)以一個(gè)特殊符號(hào)，同時(shí)，對(duì)這一符號(hào)予以說(shuō)明，如圖4所示。

圖4 符號(hào)說(shuō)明

北美企業(yè)在一些較大、較薄的沖壓件圖樣中，對(duì)測(cè)量時(shí)的壓緊位置、壓緊力，有時(shí)都會(huì)詳細(xì)說(shuō)明和規(guī)定。因?yàn)?，這種較大、較薄的沖壓件在測(cè)量時(shí)，會(huì)隨著壓緊位置的不同或壓緊力的變化，使得沖壓件的測(cè)量結(jié)果有較明顯的差異，為避免這種測(cè)量時(shí)因壓緊位置和壓緊力的不同及變化，而造成測(cè)量結(jié)果的變異， 北美企業(yè)在沖壓件圖樣中，便作了相關(guān)規(guī)定。

汽車上的沖壓件中，還有一些翻孔，其內(nèi)會(huì)裝有轉(zhuǎn)動(dòng)零件，對(duì)這類翻孔，除了有尺寸公差約束外，北美的圖樣上還會(huì)標(biāo)以“bearing surface（支承面）”，如圖2所示，以提示工藝及模具工程師，在考慮工藝和設(shè)計(jì)模具時(shí)，注意保證該孔內(nèi)壁較為光滑。

對(duì)一些彎曲成形的沖壓件，由于零件的結(jié)構(gòu)形狀，會(huì)使一些孔靠近彎曲變形區(qū)域，或是成形件彎曲成形邊緣有材料增厚或者拉薄的現(xiàn)象，對(duì)于這類有要求的孔和彎曲成形的邊緣，北美企業(yè)的沖壓件圖樣上，也常常會(huì)在對(duì)其標(biāo)注尺寸或形位公差的同時(shí)，再附加標(biāo)注一句話，如：“distortion allowed in this area（此區(qū)域允許變形）”?？蓜e小看了這一句話，它一方面反映了設(shè)計(jì)人員對(duì)沖壓工藝的了解程度，另一方面為該沖壓件能夠更方便、更經(jīng)濟(jì)的制造提供了依據(jù)，為沖壓件的工藝方案制定明確了方向。

對(duì)于北美企業(yè)沖壓件圖樣中的尺寸標(biāo)注，筆者認(rèn)為有下列幾個(gè)主要特點(diǎn)：其不僅使圖樣標(biāo)注簡(jiǎn)化、簡(jiǎn)潔，突出重點(diǎn)；同時(shí)可使沖壓件在批量生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制成本相應(yīng)降低。具體情況，我們可以通過(guò)下述的實(shí)例分析來(lái)了解。

實(shí)例分析

圖5所示的零件，為汽車門鎖里的一個(gè)沖壓件，材料厚度為2.5mm。從該件的圖樣中可看出，此件雖不大，但其中有沖孔、彎曲、成形等幾道工序，且一些彎曲、成形面及其上的孔，均有一些要求相對(duì)較高的面輪廓度和孔位置度的要求。

圖5 汽車門鎖沖壓件產(chǎn)品圖樣

由于此件產(chǎn)量較大，所以工藝上準(zhǔn)備采用連續(xù)模進(jìn)行沖壓。在對(duì)產(chǎn)品圖樣分析后，發(fā)現(xiàn)其中小折彎邊上直徑10.58mm的孔，若采用沖壓的方式，成0.08形較為困難。原因是其靠近折彎線，若先沖孔后折彎，則孔靠近彎曲變形區(qū)域的部分將會(huì)有變形，直徑10.58mm在此處無(wú)法確保；若先彎曲后沖孔，0.08由于此件的結(jié)構(gòu)限制，使其也無(wú)法進(jìn)行。為此，一度曾想對(duì)該件沖壓后，再對(duì)此孔進(jìn)行機(jī)械加工（用鉆床和鉆夾具加工此孔）。但采用此方案也有問(wèn)題，一是多增加一道工序，且鉆加工的生產(chǎn)節(jié)拍與沖壓加工的生產(chǎn)節(jié)拍差距較大；二是鉆孔后，孔口處的鉆削毛刺清除也頗為困難，無(wú)論從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上看，此方法都不是一種好的方案。

后來(lái)，參考了北美企業(yè)其他類似零件的產(chǎn)品圖樣，發(fā)現(xiàn)其圖樣中，在此孔靠近彎曲線處，標(biāo)注有：“distortion allowed in this area（此區(qū)域允許變形）”，工藝人員豁然開朗。經(jīng)了解，此孔內(nèi)需裝配一個(gè)凸臺(tái)襯套，需要控制的是此孔的作用尺寸，于是，將此孔的工藝定為：先沖孔后折彎。

可見，沖壓件的精細(xì)設(shè)計(jì)是多么重要。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，沖壓件的精細(xì)設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的。它不僅可更清晰地反映設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，為后續(xù)的加工、測(cè)量帶來(lái)很大的便利，而且可使沖壓件的工藝性更加合理，測(cè)量更為準(zhǔn)確有效。