淺談模面工程

文/王瑜·天津汽車模具股份有限公司

淺談模面工程

文/王瑜·天津汽車模具股份有限公司

當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，汽車廠商為了贏得市場(chǎng)，吸引消費(fèi)者眼球，必須不斷調(diào)整自己現(xiàn)有的汽車造型，甚至是開(kāi)發(fā)新車型。汽車廠商通常會(huì)在自己的外覆蓋件上做出獨(dú)特的造型，尤其會(huì)在外板制件做一些漂亮、復(fù)雜的腰線或者特征，來(lái)打動(dòng)不同的購(gòu)買人群。汽車需要批量生產(chǎn)，制件需要模具成形。模具廠商需要快速生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的模具，并且要保證模具能生產(chǎn)出高質(zhì)量的制件。模面工程通過(guò)改變模具凸凹模的不等間隙，使得機(jī)械加工后的模具減少研合甚至不用研合，從而縮短了研合周期。模面工程通過(guò)對(duì)局部特征型面進(jìn)行特殊處理，從而優(yōu)化成形過(guò)程中的型面畸變問(wèn)題，確保了制件的質(zhì)量。

模面工程產(chǎn)生的背景

研配是模具生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其目的是保證批量生產(chǎn)的制件成形穩(wěn)定、尺寸一致。研配的主要工作內(nèi)容為研合著色。即使用壓力機(jī)反復(fù)閉合模具，找出模具型面硬點(diǎn)，去除硬點(diǎn)，最終保證凸凹模型面間隙均勻。研配通常使用風(fēng)把、角向（表面是砂輪）研合模具（型面通常為球鐵或合金鑄鐵），一個(gè)班時(shí)的去除量大約為0.1mm，因此是一個(gè)比較細(xì)致且費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。

著色不是一個(gè)過(guò)程，而是一個(gè)結(jié)果，它所反映出來(lái)的是凸模產(chǎn)品型面和凹模產(chǎn)品型面之間的間隙。著色產(chǎn)生過(guò)程是凸凹模在模具閉合到底的一瞬間，制件上粘附的藍(lán)油被凸凹型面粘走，模具再次打開(kāi)，取出制件，制件上藍(lán)油較薄的地方說(shuō)明型面間隙較小，相反藍(lán)油較厚的地方則說(shuō)明型面間隙較大。

圖1為研配一段時(shí)間后的機(jī)蓋外板藍(lán)油著色。圖2為理論著色單。

圖1 機(jī)蓋外板藍(lán)油著色

圖2 理論著色單

模面工程出現(xiàn)之前，整個(gè)制件著色全部需要鉗工去研合。研合大型模具的時(shí)候，模具變形嚴(yán)重，為了要達(dá)到理論著色單的要求，需要從外向內(nèi)一圈一圈的進(jìn)行研合。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)圍外板的研合周期需要一個(gè)月之久甚至更長(zhǎng)。另外在研合過(guò)程中，研配型面的質(zhì)量需要靠鉗工師傅手動(dòng)保證，研合工作對(duì)鉗工的技術(shù)能力及經(jīng)驗(yàn)要求很高。如果工作過(guò)程中手稍微一抖，A級(jí)曲面出現(xiàn)凸凹不平，那就需要更多的時(shí)間去彌補(bǔ)，甚至是重新加工。

模面工程的含義

模面工程誕生于車間，起初目的是減少現(xiàn)場(chǎng)研合工作量，縮短模具制造周期。模面初期的定義為：在不改變工藝成形的基礎(chǔ)上，對(duì)模具型面進(jìn)行整體或局部的變形處理，從而達(dá)到在制件成形噸位下模具配合型面的間隙均勻，這種對(duì)模具型面進(jìn)行變形的曲面設(shè)計(jì)方法就是模面工程。近兩年模面工程與CAE成形性分析充分融合，引申出模面新的定義即工藝的延伸。模面工程是采用強(qiáng)壓、讓空等手段，微觀上通過(guò)改變型面間隙，優(yōu)化制件成形過(guò)程。

模面工程的理論基礎(chǔ)

壓機(jī)變形

模面工程目前采用ANSYS對(duì)模具在機(jī)床上受力變形過(guò)程進(jìn)行模擬。模型組成由機(jī)械滑塊，模具上模，模具下模，下模本體幾部分組成，其中下模本體底面固定，下模與下模本體之間綁定，上模壓板槽與滑塊之間綁定，機(jī)械滑塊立柱表面載荷為1600t。接觸定義為機(jī)械滑塊與滑軌間隙接觸，摩擦系數(shù)0.12，間隙0.3mm；模具上模與滑塊之間接觸，摩擦系數(shù)0.12；上模產(chǎn)品面與下模產(chǎn)品面之間為標(biāo)準(zhǔn)接觸，摩擦系數(shù)0.12。仿真類型采用ANSYS靜力分析。

產(chǎn)品面接觸壓力（kPa）分布計(jì)算結(jié)果如圖3所示。產(chǎn)品面接觸壓力分布表明，隨型筋的布置會(huì)影響接觸壓力，模具外圈接觸壓力更大一些。

圖3 產(chǎn)品面接觸壓力分布

產(chǎn)品面接觸狀態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。產(chǎn)品面接觸狀態(tài)表明，隨型筋的布置會(huì)影響接觸狀態(tài)。

圖4 產(chǎn)品面接觸狀態(tài)

上下模VON-MISES應(yīng)力分布（kPa）計(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖5表明，上下模應(yīng)力分布狀態(tài)趨勢(shì)相同，上模應(yīng)力大于下模應(yīng)力。

圖5 上下模VON-MISES應(yīng)力分布

上下模產(chǎn)品面Z向位移(mm)分布計(jì)算結(jié)果如圖6所示。圖6表明，上下模產(chǎn)品面Z向位移分布趨勢(shì)相同，上模位移大于下模位移。

圖6 上下模產(chǎn)品面Z向位移分布

通過(guò)對(duì)此皮卡側(cè)圍外板建型、模擬計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

⑴模具在較大壓力下會(huì)產(chǎn)生變型，模具產(chǎn)品面周圈區(qū)域通常位移大、應(yīng)力大，接觸狀態(tài)好，模具產(chǎn)品面中心區(qū)域通常位移小、應(yīng)力小，接觸狀態(tài)差。

⑵模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的隨型筋傳導(dǎo)力源效果較好。主棱線、門(mén)把手處、輪旋等關(guān)鍵部位需要布置隨型筋，保證型面有較充足的壓力，有利于縮小成形缺陷，優(yōu)化面品。

⑶上模與下模變形趨勢(shì)相同，下模被動(dòng)根據(jù)上模變形而變形。

通過(guò)對(duì)不同模具及制件進(jìn)行若干次模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)，得出以下結(jié)論：

⑴模具變形跟壓力機(jī)床有關(guān)，機(jī)械機(jī)床和油壓機(jī)床產(chǎn)生的效果不同；與機(jī)床滑塊剛度有關(guān)；與機(jī)床的滑塊載荷接觸面有關(guān)；與機(jī)床的臺(tái)面精度有關(guān)。模具在機(jī)床上的擺放位置也會(huì)影響模具變形趨勢(shì)。

⑵模具變形跟模具尺寸有關(guān)，一般2.5m以下的模具不會(huì)產(chǎn)生壓機(jī)變形，隨著模具的長(zhǎng)度增加，模具變形會(huì)逐漸增大。機(jī)床X向變形要比Y向變形要大。

⑶模具變形與模具強(qiáng)度有關(guān)。

制件成形

使用Auto form對(duì)制件成形過(guò)程進(jìn)行模擬，分析模擬結(jié)果，判斷制件面品缺陷。圖7為通過(guò)Auto form分析的油石檢測(cè)結(jié)果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，車門(mén)門(mén)把手處及窗框處型面存在缺陷，需要對(duì)此區(qū)域進(jìn)行模面補(bǔ)償。

圖8為通過(guò)Auto form分析的減薄結(jié)果，模擬出后背門(mén)外板轉(zhuǎn)向燈處減薄較大，如補(bǔ)償不到位，此處容易出現(xiàn)面品缺陷。

機(jī)械加工

圖7 油石檢測(cè)結(jié)果分析

模具機(jī)械加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生若干問(wèn)題，需要模面工程進(jìn)行彌補(bǔ)。例如圓角清根不到位、立面加工出現(xiàn)讓刀。

模面工程的操作內(nèi)容

補(bǔ)償壓機(jī)變形

處理過(guò)程包括以下幾個(gè)方面：

⑴根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析報(bào)告以及以往的研合經(jīng)驗(yàn)做出規(guī)劃，確定相應(yīng)變形數(shù)值，壓機(jī)變形量一般處理在凹模上。

⑵使用CATIA軟件，按照規(guī)劃找出相應(yīng)的變形點(diǎn)，作為原始點(diǎn)，使用偏置命令，偏置對(duì)應(yīng)的變形數(shù)值，得到目標(biāo)點(diǎn)。

圖8 減薄結(jié)果分析

⑶在think3中輸入數(shù)值、原始點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)，然后使用高級(jí)曲面變形命令，將原始型面按照原始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的映射法則進(jìn)行變形，得到新的補(bǔ)償后的型面。

⑷模具產(chǎn)品型面角度不同，因此需要對(duì)壓機(jī)變形補(bǔ)償后的型面再一次進(jìn)行斜度補(bǔ)償，例如側(cè)圍門(mén)洞內(nèi)的鎖孔及鉸鏈孔，型面幾乎成90°角，需要加量補(bǔ)償。

⑸拉延補(bǔ)充面不需要著色，讓空處理，考慮到二序修邊符型，因此通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方法，保證產(chǎn)品著色面和補(bǔ)充面差量在0.2mm左右。范圍一般是產(chǎn)品面向外保留5～10mm。一些特殊制件的補(bǔ)充面不進(jìn)行讓空處理，例如翼子板月亮彎區(qū)域，該處補(bǔ)充立壁保留原始，消除型面缺陷。

補(bǔ)償成形過(guò)程中的缺陷問(wèn)題

⑴下垂和隆起處理。為了保證型面面品質(zhì)量，克服制件翹邊，及局部暗坑，模面會(huì)進(jìn)行隆起處理和下垂處理。下垂具體方法如圖9所示，范圍30mm下垂0.15mm。型面注意需要保證曲率連續(xù)。

圖9 下垂處理方法

⑵強(qiáng)壓處理。對(duì)產(chǎn)品型面局部減小間隙，范圍一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)果，目的是優(yōu)化型面質(zhì)量。

⑶補(bǔ)償機(jī)械加工。①機(jī)械加工過(guò)程中，凹角清根不到位，需要做讓空處理，讓空量一般在0.5～1mm，讓空量在0.8mm最好；②機(jī)械加工過(guò)程中，較高的立面加工不到位，出現(xiàn)讓刀的情況，所以不著色的立面讓空處理，讓空量一般在0.2～0.5mm。

模面工程的意義

⑴模面工程可以有效地縮短生產(chǎn)周期，降低模具生產(chǎn)成本，保證模具表面的質(zhì)量，排除了人為研合等不穩(wěn)定因素。經(jīng)過(guò)模面處理的側(cè)圍外板，研合大約需要3～5天，相比未做模面處理的一個(gè)月研合周期，整整縮短了20多天。同時(shí)也有效的降低了研合機(jī)床使用時(shí)間，同樣也降低了人力成本。

⑵模面處理可以確保流料的均勻，保證成形穩(wěn)定，同時(shí)可以延長(zhǎng)模具的使用壽命。例如壓邊圈，在間隙不均勻的狀態(tài)下，管理面對(duì)料流入的阻力不相同，會(huì)造成進(jìn)料不均，形成褶皺。批量生產(chǎn)后，模具表面劃出凹痕，造成損壞模具。經(jīng)過(guò)模面處理后，壓邊圈間隙均勻，著色穩(wěn)定，褶皺就會(huì)明顯減少。模面處理前后板料褶皺對(duì)比如圖10所示。

⑶模面處理是解決面品問(wèn)題的基礎(chǔ)。外板A級(jí)曲面往往會(huì)出現(xiàn)凹陷、斷線等面品缺陷。解決這些問(wèn)題著色是根本，如果一個(gè)制件的特征附近沒(méi)有著色，那此處間隙一定過(guò)大，此處面品一定得不到保證。通過(guò)模面強(qiáng)壓處理或隆起處理后，外板件型面面品得到改善，凹陷區(qū)域得到減少。另外也可以通過(guò)模擬分析軟件提前預(yù)測(cè)和判斷面品區(qū)域以及范圍，提前做出補(bǔ)償。

⑷模面處理也可以保證公差、沖孔尺寸、檢測(cè)點(diǎn)和夾持點(diǎn)的位置。將重要的型面規(guī)定為高著色，并且全序符型進(jìn)行緊壓。

模面工程與模具制造的整體關(guān)系

圖10 模面處理前后板料褶皺對(duì)比

⑴模面工程與車間現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合。成熟的模面工程團(tuán)隊(duì)有能力針對(duì)不同工廠進(jìn)行總結(jié)積累計(jì)算，幫助車間制定一套高效的研合思路。大部分模具廠都會(huì)把生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，當(dāng)作是自己的生命線。通過(guò)引入模面工程，可以有效降低研合時(shí)間，降低模具研合消耗，降低人員成本。

⑵模面工程與工藝相結(jié)合。目前模面人員已經(jīng)深入了解工藝成形性分析，了解更多工藝成形中的細(xì)節(jié)問(wèn)題。通過(guò)和工藝分析人員討論、預(yù)判，在模具制造前期，利用模面處理輔助成形；制件回彈也是目前模具廠商最為頭疼的問(wèn)題，模面通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)壓及保壓處理，可以有效的抑制一部分回彈。

⑶模面工程與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合。模面人員更了解模具車間現(xiàn)場(chǎng)的需求，可以告知設(shè)計(jì)者模具哪些區(qū)域更需要強(qiáng)壓，哪些區(qū)域需要布置力源；同時(shí)也可以對(duì)模具符型區(qū)重新定義，幫助結(jié)構(gòu)減少鑄件重量。

⑷回彈處理、點(diǎn)云逆向、工程模具強(qiáng)度校核。A級(jí)曲面的回彈處理是模面未來(lái)的一個(gè)主要發(fā)展方向。制件成形后不可避免的要發(fā)生回彈，當(dāng)回彈較大的時(shí)候，就要考慮根據(jù)回彈趨勢(shì)重新制作產(chǎn)品型面。由于A級(jí)曲面受到光柵、曲率等因素制約，不可能跟計(jì)算結(jié)果保持一致。因此模面工程需要在這個(gè)領(lǐng)域繼續(xù)研究發(fā)展，盡可能將制作出來(lái)的型面貼和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果相符。復(fù)制模具，最好的方法就是掃描模具，逆向制作。傳統(tǒng)的方法是將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化成型面，用于編程加工。模面工程目前正在優(yōu)化點(diǎn)云，處理點(diǎn)云，將點(diǎn)云用于編程。工程模具強(qiáng)度校核也是模具的一個(gè)發(fā)展方向，模面工程可以模擬現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)下的模具強(qiáng)度，預(yù)防模具強(qiáng)度不足等失效。

結(jié)束語(yǔ)

模面工程目前處在一個(gè)相對(duì)成熟的時(shí)期，對(duì)于著色方面已經(jīng)得心應(yīng)手，已經(jīng)為車間降低了生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)省了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期。在回彈方面和面品處理方面也擁有了自己獨(dú)特的解決方法。