汽車(chē)覆蓋件模具冷沖壓技術(shù)在航空鈑金件中的應(yīng)用

申玉新

摘 要：鈑金工藝是機(jī)械制造的傳統(tǒng)工藝，是航空制造工程的重要組成部分。統(tǒng)計(jì)資料表明，鈑金件約占飛機(jī)零件數(shù)量的50%，工藝裝備約占65%，制造工作量約占20%。汽車(chē)鈑金件根據(jù)產(chǎn)品在車(chē)身位置及功能可以分為外覆蓋件、內(nèi)板件、結(jié)構(gòu)件等類(lèi)型。汽車(chē)行業(yè)鈑金件生產(chǎn)呈現(xiàn)批量化、生產(chǎn)連線自動(dòng)化、高效（每分鐘9件～18件）、模具壽命周期產(chǎn)量大（10萬(wàn)件～50萬(wàn)件）、制件品質(zhì)無(wú)需人工修整等特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)飛機(jī)鈑金成形技術(shù)落后，設(shè)備陳舊，與先進(jìn)國(guó)家相比有較大差距，不能適應(yīng)國(guó)家航空工業(yè)的總體發(fā)展?；诖耍恼卵芯苛似?chē)覆蓋件模具冷沖壓技術(shù)在飛機(jī)鈑金件冷沖壓成型方面的應(yīng)用，以期為相關(guān)研究人員提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)鈑金件;汽車(chē)覆蓋件;冷沖壓模具

中圖分類(lèi)號(hào)：TG386 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）12-007-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.003

在汽車(chē)制造領(lǐng)域，冷沖壓成型技術(shù)是一項(xiàng)成熟且應(yīng)用廣泛的技術(shù)，無(wú)論是汽車(chē)外覆蓋件還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，都有該技術(shù)的應(yīng)用。冷沖壓是在常溫下利用沖壓模在壓力機(jī)上對(duì)板料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形或分離從而獲得所需形狀和尺寸的零件的一種壓力加工方法。為實(shí)現(xiàn)該供應(yīng)方法，需要制作冷沖壓模具[1]。在冷沖壓加工中，冷沖模就是沖壓加工所用的工藝裝備，沖壓設(shè)備、模具及工藝條件是沖壓加工的三要素。

1 飛機(jī)鈑金件及汽車(chē)鈑金件類(lèi)型及成型工藝

飛機(jī)鈑金件零件根據(jù)其使用功能，可分為蒙皮類(lèi)、隔框類(lèi)、壁板類(lèi)、翼襟類(lèi)、導(dǎo)管類(lèi)等幾大類(lèi);根據(jù)零件原材料種類(lèi)，可分為擠壓型材零件、板材零件、管材零件。

板材類(lèi)零件的制造方法可以通過(guò)裁剪、銑切、沖裁、拉型、落壓、橡皮成形、化學(xué)銑切等方式實(shí)現(xiàn)最終需求零件。汽車(chē)零件一般多按照使用的用途分為覆蓋件、支撐件、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件、支撐、框架橫梁等。覆蓋件分為外覆蓋件和內(nèi)覆蓋件，具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大且精度高、表面質(zhì)量高、不能一次成型等特點(diǎn)。內(nèi)外覆蓋件一般通過(guò)沖壓模具進(jìn)行拉延、修邊整形、沖孔等工藝流程實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品[2]。

2 汽車(chē)覆蓋件模具冷沖壓技術(shù)在航空鈑金件中的應(yīng)用意義

鈑金成形在航空航天等領(lǐng)域具有不可替代的作用，隨著這些領(lǐng)域的發(fā)展和產(chǎn)品需求的不斷變化，新一代鈑金零件需要輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高性能以及低成本的制造技術(shù)，這就需要不斷探索新材料、新工藝和新裝備，縮短產(chǎn)品制造周期，實(shí)現(xiàn)高效、快速、柔性和精確成形。利用汽車(chē)覆蓋件模具冷沖壓技術(shù)替代飛機(jī)部分鈑金件傳統(tǒng)成型工藝是提高航空鈑金件生產(chǎn)效率、質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的方案之一。

3 汽車(chē)覆蓋件模具冷沖壓技術(shù)在航空鈑金件中的應(yīng)用

汽車(chē)覆蓋件模具冷沖壓技術(shù)應(yīng)用于航空鈑金件中，主要適用于板材類(lèi)零件中的落壓零件、拉深零件、平板零件、局部成型零件。對(duì)比航空鈑金件中板材類(lèi)零件和汽車(chē)內(nèi)外覆蓋件的零件特點(diǎn)和成型工藝不難發(fā)現(xiàn)，很多零件的造型和成型工藝都有相似之處。

3.1 航空鈑金件產(chǎn)品成型工藝

如圖1所示，零件的特點(diǎn)為平板板料成型，零件周邊法蘭面匹配面精度要求較高，中間部分通過(guò)凸臺(tái)或工藝補(bǔ)充進(jìn)行零件強(qiáng)度加強(qiáng)，成型過(guò)程均通過(guò)分步成型實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品，成型難點(diǎn)在于保證周邊法蘭面平整度、法蘭面相對(duì)尺寸公差要求和中間加強(qiáng)凸臺(tái)完整性，保證在裝配過(guò)中滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該類(lèi)型航空鈑金零件多使用落壓模具逐步成型方式生產(chǎn)。落壓過(guò)程法蘭面出現(xiàn)褶皺便通過(guò)鈑金鉗工手工敲打消除，每次落壓成型深度受材料成型極限限制，不能一次成型，通過(guò)去應(yīng)力退火后再重復(fù)前面步驟，零件通常經(jīng)過(guò)四至五輪反復(fù)落壓，和最終鈑金鉗工校正后，才能達(dá)到裝配要求。所以，零件生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，落壓生產(chǎn)和鉗工鈑金校正對(duì)操作工人技能要求高，零件產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和成品率也很難控制[3]。

3.2 汽車(chē)覆蓋鈑金件產(chǎn)品成型工藝

在汽車(chē)覆蓋件中，門(mén)內(nèi)板、前后地板等零件的特征跟此類(lèi)零件的相識(shí)度高，如圖2所示，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)均通過(guò)汽車(chē)?yán)錄_壓模具多工序沖壓生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，汽車(chē)模具制造商前期介入同步工程，通過(guò)使用AutoForm、Dynaform成型分析軟件，設(shè)定成型因素，在滿(mǎn)足零件功能和外觀前提下，最大限度優(yōu)化產(chǎn)品成型性。成型因素涉及定最佳沖壓方向、坯料的設(shè)計(jì)、工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)、拉延筋的設(shè)計(jì)、凸凹模圓角設(shè)計(jì)、沖壓速度的設(shè)置、壓邊力的設(shè)計(jì)、摩擦系數(shù)、切邊線的求解、壓力機(jī)噸位等。

經(jīng)過(guò)同步工程優(yōu)化后的產(chǎn)品，通過(guò)沖壓工程師的分析后，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)零件的工序和每個(gè)工序完成的工作內(nèi)容，輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用數(shù)模，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師按結(jié)構(gòu)數(shù)模進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)以上技術(shù)準(zhǔn)備，沖壓模具進(jìn)入實(shí)物制造階段，根據(jù)產(chǎn)品各階段實(shí)現(xiàn)特征不同，模具一般分為拉延摸（將平板料基本成型至產(chǎn)品狀態(tài)）、修邊沖孔模（去除拉延后的板料多余部分，同時(shí)制出所需各類(lèi)孔及躲避部分）、整形模（最終校正零件外形尺寸，以達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸）。

模具通過(guò)鑄造、組裝、數(shù)控加工、鉗工調(diào)試等工藝流程，便可在壓力機(jī)上穩(wěn)定生產(chǎn)。通過(guò)模具生產(chǎn)的產(chǎn)品，在鉗工調(diào)試結(jié)束后，其成型噸位、壓邊力、毛坯料尺寸等參數(shù)都最終確定，生產(chǎn)過(guò)程中在壓力機(jī)上按調(diào)試參數(shù)設(shè)定，模具基本可以進(jìn)行穩(wěn)定生產(chǎn)。生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品受人為因素影響較小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和成品率有很大的提高。

3.3 航空鈑金件利用汽車(chē)覆蓋件模具冷沖壓成型應(yīng)用

航空鈑金件可參考汽車(chē)覆蓋件產(chǎn)品制造工藝進(jìn)行冷沖壓模具開(kāi)發(fā)并投入使用。由于航空鈑金構(gòu)件多以2024鋁合金或性能類(lèi)似的LY12、2A12鋁合金為原材料加工，其成型性能較汽車(chē)覆蓋件冷軋鋼板DC01、DC02，DC03等材料區(qū)別較大，在前期沖壓工藝分析時(shí)，要重點(diǎn)驗(yàn)證成型主壓力、壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓次數(shù)等參數(shù)，確保模具調(diào)試時(shí)可以有充足的調(diào)整余量，以免造成模具結(jié)構(gòu)大量改動(dòng)。

模具上壓力機(jī)調(diào)試主要解決傷碎、起皺和保持拉延穩(wěn)定性，同時(shí)消除表面缺陷改善零件表面質(zhì)量。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整壓力的大小、改變壓料筋的高低、改變壓料槽口部R的大小、壓料筋設(shè)置的增減、料片定位的位置、定距的位置、定距塊的高度、工藝補(bǔ)充面R角的大小、壓料的貼合面積完成上述工作內(nèi)容。

結(jié)合鋁合金材料成型特性，在沖壓生產(chǎn)過(guò)程中拉延成型根據(jù)產(chǎn)品復(fù)雜程度和成型深度，可以設(shè)計(jì)成一次拉延、二次拉延的成型工藝，在拉延過(guò)程中可輔助材料退火工藝，以消除成型過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，最大限度提高材料成型性，降低產(chǎn)品報(bào)廢率，節(jié)約成本。加強(qiáng)梁零件模具（1模2件）如圖3所示。

采用鑄鐵為基體設(shè)計(jì)的航空鈑金件沖壓模具在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題：第一，模具設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足模具清洗必須的孔，包括漏水孔，觀察孔，排削孔，操作孔等;第二，模具在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮安裝防范措施;第三，模具設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮壓機(jī)滑塊的壓力平衡;第四，模具的起吊結(jié)構(gòu)要滿(mǎn)足行車(chē)吊具的要求;第五，壓邊圈需要兩個(gè)限位，對(duì)角布置;第六，模具需要設(shè)計(jì)平衡塊，壓邊圈上沒(méi)有產(chǎn)品的，需要設(shè)計(jì)4處鑄件凸臺(tái);第七，壓邊圈不需要頂桿墊塊，頂桿腿接觸面需要火焰表面處理;第八，模具需要設(shè)計(jì)通氣孔，通氣孔直徑4 mm～8 mm，不能將通氣孔打在R角以外的產(chǎn)品面上，廢料區(qū)域在不影響成型品質(zhì)情況下考慮鑄造通氣孔;第九，導(dǎo)向形式優(yōu)選凸模與壓邊圈、壓邊圈與上模導(dǎo)向。

3.4 航空鈑金件冷沖壓模具成本控制

航空鈑金件沖壓模具設(shè)計(jì)壽命跟汽車(chē)模具有所不同，汽車(chē)模具設(shè)計(jì)使用壽命一般在30萬(wàn)沖次～50萬(wàn)沖次，航空鈑金模具一般考慮在5萬(wàn)沖次以?xún)?nèi)基本可以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。在模具設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)基體材料、標(biāo)準(zhǔn)件和結(jié)構(gòu)形式選擇時(shí)，需以在滿(mǎn)足使用功能的前提下，最大限度降低模具成本為原則，考慮使用價(jià)格較低的HT300、45鋼、A3鋼，鋼導(dǎo)板等，避免使用價(jià)格較高的QT600、Cr12MoV、銅基導(dǎo)板等高成本材料。

部分簡(jiǎn)單零件為縮短模具制作周期成型基體可以考慮采用高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂制作，其主要特點(diǎn)就是在泡沫模型完成后可通過(guò)樹(shù)脂澆筑，24小時(shí)～48小時(shí)凝固后邊能得到所需基體形狀，通過(guò)數(shù)控機(jī)床加工后，便能進(jìn)行零件調(diào)試工作，該類(lèi)材料選擇主要用于前期研制機(jī)型研制階段，可以迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成型，方便后期改型。

3.5 航空鈑金件尺寸驗(yàn)證方法

常規(guī)航空鈑金件通過(guò)模胎全尺寸檢驗(yàn)方式檢查零件尺寸，如圖4所示。

按此方式檢查尺寸會(huì)存在以下問(wèn)題：一是全面檢查時(shí)非裝配面干涉，會(huì)造成關(guān)鍵面超差;二是檢查模胎既是交檢依據(jù)也是生產(chǎn)工具，在生產(chǎn)過(guò)程中存在變形的情況后期會(huì)出現(xiàn)跟最初產(chǎn)品不符合的情況。沖壓生產(chǎn)的零件不能根據(jù)模胎變化發(fā)生改變，后期會(huì)出現(xiàn)零件精度大于模胎精度的情況，造成檢驗(yàn)失真，影響裝配精度。

為避免類(lèi)似情況發(fā)生，可選擇汽車(chē)覆蓋件零件的檢驗(yàn)方式。汽車(chē)鈑金零件專(zhuān)用檢具如圖5所示，整體制造精度高，檢測(cè)基準(zhǔn)不易失真，可長(zhǎng)期使用，但考慮到航空鈑金件生產(chǎn)批量，可簡(jiǎn)化檢具的結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足基本檢查需求即可，減少不必要的機(jī)構(gòu)，降低成本。

3.6 汽車(chē)覆蓋件模具冷沖壓方式生產(chǎn)飛機(jī)鈑金件的優(yōu)勢(shì)

汽車(chē)覆蓋件模具冷沖壓方式生產(chǎn)飛機(jī)鈑金件的優(yōu)勢(shì)[4]如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，汽車(chē)覆蓋件技術(shù)應(yīng)用于航空鈑金件中，主要適用于板材類(lèi)零件中的落壓零件、拉深零件、平板零件、局部成型零件，擠壓型材類(lèi)、管材類(lèi)以及熱成型類(lèi)零件不適宜汽車(chē)?yán)錄_壓模具生產(chǎn)。通過(guò)研究，汽車(chē)覆蓋件模具冷沖壓用于航空鈑金件部分零件生產(chǎn)完全可行，通過(guò)沖壓模具生產(chǎn)的零件具備產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，報(bào)廢率低、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，可以在航空鈑金件生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

飛機(jī)鈑金工藝是航空制造工程的重要組成部分，鈑金成形在航空航天等領(lǐng)域有著不可替代的作用。隨著這些領(lǐng)域的發(fā)展和產(chǎn)品需求的不斷變化，新一代鈑金零件需要輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高性能以及低成本的制造技術(shù)，這就需要不斷探索新材料、新工藝和新裝備，縮短產(chǎn)品制造周期，實(shí)現(xiàn)高效、快速、柔性和精確成形。

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