汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)

李占輝

（河源技師學(xué)院，廣東河源 517002）

0 導(dǎo)言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們在日常生活中對汽車的需求量也越來越大[1]。汽車除了發(fā)動機(jī)、底盤、變速箱外，最復(fù)雜的制造環(huán)節(jié)應(yīng)屬于車身的沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)。由于國內(nèi)汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車更新?lián)Q代的速度也持續(xù)加快，尤其是汽車車身的更新速度。汽車車身零件大多數(shù)都是由沖壓形成，例如發(fā)動機(jī)箱蓋、車門護(hù)板、擋泥板、車身內(nèi)護(hù)板等。沖壓件的成型質(zhì)量與沖壓模具的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，因此，有必要在了解沖壓工藝的基礎(chǔ)上對沖壓模具的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究，保證汽車車身的質(zhì)量。

1 汽車車身沖壓工藝

沖壓工藝具有以下特點(diǎn)：用于形狀復(fù)雜的薄壁零件，且經(jīng)過沖壓工序后零件的強(qiáng)度提高、質(zhì)量變輕、剛度增大。沖壓件表面光滑且具有較高的精度尺寸，可滿足一般互換性要求，在同一批沖壓件中可互相替換。簡化了操作，提高了自動化程度。進(jìn)行大批量生產(chǎn)時可有效節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率[2]。

（1）沖壓材料

沖壓工藝對沖壓材料的要求極為嚴(yán)格，沖壓用材料必須具有良好的延展性、塑性、彎曲性、凸緣拉伸性等性能。如果所選的材料與零件形狀、沖壓模具設(shè)計(jì)和加工條件不相適應(yīng)時，將產(chǎn)生斷裂、折皺、成型不完整（開裂、凸包、拉毛、波浪、回彈）等缺陷。目前，常用的沖壓材料包括冷軋鋼板、熱軋鋼板、表面處理鋼板等材料[3]。

（2）沖壓工藝方案

沖壓工藝一般包括沖裁設(shè)計(jì)、切邊設(shè)計(jì)、彎曲、翻遍等工序。各個工序階段都有嚴(yán)格的工藝要求保證沖壓的質(zhì)量[4]。以汽車發(fā)動機(jī)箱蓋為例，其沖壓工藝如下：下料拉伸——切邊、沖孔——豎邊——翻邊——壓印、沖孔——檢驗(yàn)；工藝流程為：拉伸——切割——整形——翻邊——沖孔——切割——檢驗(yàn)。

正常工藝可能無法完成零件的加工，需要工藝補(bǔ)充。工藝補(bǔ)充的設(shè)計(jì)原則如下：內(nèi)孔封閉的原則；簡化拉伸件結(jié)構(gòu)形狀原則；保證良好的塑性變形條件，有些沖壓件深度較淺、曲率較小，但輪廓尺寸較大（發(fā)動機(jī)箱蓋），必須保證坯料在拉伸過程中具有足夠的塑性變形量，才能保證沖壓件滿足形狀精度要求和剛度要求；外工藝補(bǔ)充部分盡量小；方便后續(xù)工序加工的原則[5]。

（3）沖壓件質(zhì)量控制

沖壓件一般滿足表面質(zhì)量良好、復(fù)合加工要求的幾何尺寸和形狀、足夠的強(qiáng)度與剛度以及良好的工藝性等要求[6]。保證沖壓件沖壓質(zhì)量的方法有精度檢驗(yàn)與外觀檢驗(yàn)兩種。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果對沖壓件采用如下方法進(jìn)行修復(fù)：手工修整沖壓零件、修補(bǔ)模具，改進(jìn)模具的設(shè)計(jì)與制造方法等。

（4）汽車覆蓋件沖壓關(guān)鍵工藝

汽車覆蓋件的沖壓方向，如：拉延方向、修邊方向、翻邊方向、沖孔方向、非必要負(fù)角問題、空間曲線的修邊線問題、非必要曲面孔問題、特征太密與結(jié)構(gòu)突變問題、復(fù)雜曲面的圓角、轉(zhuǎn)角、球面等問題[7]。此外，翻孔的結(jié)構(gòu)問題，正規(guī)孔和異型孔的翻孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與沖壓工藝有關(guān)，分為兩序孔和三序孔，如沒有功能要求應(yīng)盡量采用拉延、沖孔的翻邊結(jié)構(gòu)。在覆蓋件關(guān)鍵部位采用余料吸收結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在一些容易起皺和拉裂的部位設(shè)計(jì)一些反向特征，減小由于起皺和拉裂引起的材料缺失等問題。最后，覆蓋件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)也影響模具的設(shè)計(jì)，模具通常根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)保證基本拉延的拔模角。

2 模具設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 基于CAD/CAM的模具制造

沖壓件沖壓的質(zhì)量不僅取決于沖壓工藝和沖壓材料，更重要的是沖壓模具的設(shè)計(jì)。隨著CAD/CAM技術(shù)的成熟，模具的設(shè)計(jì)水平得到了極大提升，且隨著五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心加工精度的提高，沖壓模具的加工精度和復(fù)雜程度也可滿足沖壓模具設(shè)計(jì)的要求。

一般來說，模具的制造工藝可分為粗加工、精加工、裝配，其步驟如下：基準(zhǔn)面切削加工；劃線；機(jī)械加工（通用機(jī)床加工、仿形加工、特種加工）；精加工（曲面粗加工、模具研磨）；合模；模具裝配?；谖遢S加工中心的模具制造可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的加工，通過CAD/CAM技術(shù)合理規(guī)劃加工路徑，結(jié)合數(shù)控加工中心的精密加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度模具的加工。經(jīng)加工中心加工后的模具也必須通過磨削和拋光加工，最終保證模具表面的精度要求。通過高質(zhì)量和高精度的模具降低后續(xù)模具制造的復(fù)雜程度，可以提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)沖壓工藝的發(fā)展。

圖1 基于CAD/CAM設(shè)計(jì)的汽車覆蓋件三維模型

2.2 模具表面磨損及壽命控制

模具表面磨損檢測也是困擾技術(shù)人員的難題。目前國內(nèi)檢測模具磨損是根據(jù)沖壓后成品表面的質(zhì)量精度判斷模具是否應(yīng)該更換。但該方法不具有預(yù)測性，只能根據(jù)成品的質(zhì)量判斷模具的磨損情況，無法滿足現(xiàn)場加工的要求。如圖2、3所示，為由于模具磨損導(dǎo)致的產(chǎn)品問題。

圖2 產(chǎn)品起皺

圖3 產(chǎn)品毛刺

對于模具磨損及壽命控制，本文提出以下措施：

（1）基于采集模具數(shù)據(jù)預(yù)測模具表面磨損和使用壽命。從新的模具安裝完成后開始記錄模具使用時間，在模具磨損超出使用范圍時，記錄模具的使用時間，通過對大量數(shù)據(jù)的記錄，根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的方法統(tǒng)計(jì)分析模具磨損的規(guī)律，并在計(jì)算機(jī)中設(shè)置相應(yīng)的閾值，超出閾值時，提示操作人員更換模具。

（2）基于模具檢測的反饋，對模具結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵型面進(jìn)行定時檢測，若檢測值超出正常值時，說明模具磨損過度。

模具磨損檢測與控制對企業(yè)節(jié)約成本、避免浪費(fèi)具有重要的意義。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

上述工藝與模具磨損檢測技術(shù)已應(yīng)用于某汽車企業(yè)和多家模具制造公司，并取得了良好的效果。采用模具磨損檢測技術(shù)后每個季度至少可以降低30%的不合格率，極大的降低了廢品率，提高了企業(yè)的效益。圖4為汽車模具制造現(xiàn)場。

圖4 沖壓工藝現(xiàn)場

4 結(jié)束語

汽車車身沖壓工藝與沖壓模具的設(shè)計(jì)是影響汽車行業(yè)車型更新?lián)Q代的關(guān)鍵技術(shù)，它不僅影響汽車更新的周期和研發(fā)的成本，也間接促進(jìn)了新的沖壓技術(shù)和模具設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。盡管國內(nèi)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，但沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)與國外技術(shù)仍存在較大的差距，無法生產(chǎn)高端的汽車沖壓件，嚴(yán)重阻礙了我國高端汽車行業(yè)的發(fā)展。對沖壓工藝與沖壓模具設(shè)計(jì)技術(shù)的研究對我國高端汽車行業(yè)的發(fā)展具有重要意義，借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，并不斷投入研發(fā)人員，可以實(shí)現(xiàn)高端汽車車身沖壓件的制造，打破國外技術(shù)壟斷。