某型汽車覆蓋件
——前門外板拉延模設計*

李路娜，連碧華，崔小勇，姜紅靜

(1.南京機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 南京 211306；2.賽科利(南京)汽車模具技術(shù)應用有限公司，江蘇 南京 210032)

拉延是指利用專用模具將平板毛坯制成開口空心零件或者把空心件進一步改變形狀和尺寸的一種沖壓工藝方法。拉延時空心件主要靠位于凸模底部以外的材料流入凹模而形成。拉延成形是能否生產(chǎn)出合格零件產(chǎn)品的關(guān)鍵，汽車鈑金件的質(zhì)量好壞很大程度上受拉延模質(zhì)量的控制。拉延模(拉延工序使用的模具)結(jié)構(gòu)相對簡單，與沖裁模相比，工作部分有較大的圓角，表面質(zhì)量要求高，凸凹模間隙略大于或等于板料厚度[1]。覆蓋件——前門外板的材料為CR210B2，料厚為0.7 mm，由于其為非回轉(zhuǎn)的復雜曲面形狀零件且非對稱導致其拉延時容易起皺和開裂。

1 拉延模結(jié)構(gòu)形式及間隙

依據(jù)沖壓成形規(guī)律可知，形狀簡單且拉延深度不大的鈑金件一般采用單動壓力來成形。鑒于本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和企業(yè)生產(chǎn)條件，決定采用一模兩件的單動拉延模在自動化機床上生產(chǎn)。

對于汽車前門外板拉延模，其凸模、凹模、壓邊圈和墊板尺寸大，形狀復雜，從成本和效率來考慮，采用整體鑄造結(jié)構(gòu)最適合。由于導柱、導套的導向方式所能承受的側(cè)向力較小，汽車覆蓋件模具經(jīng)常采用導板導向、導塊導向、背靠塊導向等，本設計中各部分的導向均采用導板導向[2]，共設置了26個對稱導板。

拉延模凸模和凹模之間的間隙選用料厚為間隙。為防止壓邊圈與凸模摩擦或碰撞并滿足拉延模排氣要求，本設計中壓邊圈和凸模工作部分取間隙3 mm(鋁板沖壓生產(chǎn)對模具排氣性要求較高，壓邊圈和凸模間隙取6 mm)。

2 拉延模沖壓工藝

2.1 模具中心的確定

考慮到平衡性問題，模具中心最好與產(chǎn)品壓力中心一致，并與壓力機中心重合，以避免偏心載荷使模具歪斜，間隙不均，從而加速壓力機和模具的導向部分及模具凸、凹模工作部分的磨損，影響壓力機和模具使用壽命。考慮到板料形狀和壓力機頂桿的布置(見圖1)，模具中心可適當偏心。本產(chǎn)品采用一模兩件，產(chǎn)品中心在X向上左右對稱，Y向相對模具中心有一定的偏移，偏移量為50 mm。

圖1 壓機頂桿布置圖

2.2 確定模具壓料面及頂桿布置圖

壓料面的尺寸要比板料尺寸大，這樣才能保證壓料面能壓住整塊板料，從而避免拉延成形時，板料沒有完全被壓料面壓住，未被壓住部分還沒流入壓料面內(nèi)時即產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，造成拉延失敗。模具中心線位置考慮應與壓力機工作臺的頂桿布置相結(jié)合，中心線左右側(cè)和前后側(cè)皆可偏心使用(偏心尺寸在100 mm內(nèi))。一般拉延模設計中壓料面尺寸比板料單邊尺寸大15～20 mm，本設計壓料面比板料尺寸單邊大20 mm，取模具中心與壓力機頂桿中心重合(見圖1)。

3 拉延模結(jié)構(gòu)設計與工作過程

3.1 工序數(shù)模的處理

以沖壓工藝“CAE”工序數(shù)模、沖壓工藝工序卡、設備參數(shù)、設計任務書、“客戶標準”等為依據(jù)設計模具結(jié)構(gòu)。工序數(shù)模的處理是模具設計的首要環(huán)節(jié)，具體過程為將其變成一個封閉整體，并補上工藝補充面，這就需要對數(shù)模進行縫合?？p合時，設置縫合公差為0.3 mm(范圍為0.1～0.5 mm，縫合公差越大，對數(shù)?？p合后的變形影響越大，影響后期模具設計與制造[3-4])。該工序數(shù)模為一模兩件，左右對稱，處理好的工序數(shù)模如圖2所示。

圖2 工序數(shù)模

3.2 圖層的設置

為了提供便捷的數(shù)據(jù)管理，需要對UG圖層進行合理配置。拉延模具企業(yè)圖層資源配置設置如下。

1)數(shù)模的圖層設置：10層原始數(shù)模，40層處理過的產(chǎn)品數(shù)模。

2)拉延工藝：11層為10工藝層，21層為20工藝層。

3)壓機工作臺位置為82層。

4)實體圖層：110層為凸模，200層為上模座，100層為下模座，150層為壓邊圈，240層為墊板，105層、115層、155層、205層、245層和180層為各種標準件圖層。

3.3 凸模設計

凸模作為零件成型的重要部件，它的質(zhì)量直接決定了沖壓件質(zhì)量的好壞，除工藝上的特殊要求外，其輪廓尺寸和深度即為拉延件內(nèi)表面尺寸[5]。凸模設計過程如下：打開拉延工藝層(11層)，將punch opening line曲線向指定平面投影，具體過程如圖3所示(僅供參考)，拉伸投影曲線得到實體后將工序數(shù)模進行50 mm(視客戶要求)大致偏置，拉伸實體用偏置前后的工序數(shù)模修剪后得圖4所示的凸模型面；接著將投影曲線往里偏置10和40 mm(視客戶要求)，執(zhí)行拉伸求差運算后得40 mm凸模主筋，然后布輔筋(30 mm)。凸模和壓邊圈之間采用導板導向，導板的選取和布置過程如下：先依據(jù)導板標準寬度確立導板數(shù)量(導板總寬度約為凸模寬度的0.25倍)，再結(jié)合壓邊圈行程確定導板長度(頂起時保證有80 mm重合量)，最后確定導板位置(前后導板有50 mm的重合量)后將凸模和壓邊圈之間的導板裝在凸模上。為方便模具起吊和翻轉(zhuǎn)，在凸模四角處設置4個吊環(huán)；為確證起吊時鋼絲繩拉緊后的平衡，吊環(huán)在Z向應等高且沿X向(或Y向)在同一直線上。

圖3 punch opening line及其向面投影

圖4 凸模型面

板料在拉延過程中，上模座(凹模)壓下速度很快，以致于板料和凸、凹模之間的氣體無法順利排出，這些氣體壓強隨著上模座(凹模)壓下量增大而增加，并反作用于車門外板上，造成產(chǎn)品局部變形而引起零件尺寸問題和表面質(zhì)量問題。本模具的排氣主要依靠凸模和壓邊圈之間間隙和凸、凹模上開設排氣孔來實現(xiàn)，排氣孔布置在凸、凹模的凹圓角部位[6](排氣孔位于模面凹處，對零件表面沒有影響)，凸模加工時在圓角部位鉆了多個直徑為6 mm的通氣孔用來排氣。凸模的連接為通過鍵和螺釘將整體式內(nèi)部中空的鑄造凸模固定在下模座上。凸模結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 凸模

3.4 壓邊圈設計

單動拉延模的壓邊圈由氣墊通過頂桿頂出產(chǎn)生壓邊力，拉延工件時，壓料面與凹模壓緊板料，為拉延成形提供阻力，并與凸模的成形力共同提供板料的變形力，使板料產(chǎn)生充分的塑性變形。

壓邊圈的結(jié)構(gòu)如圖6所示。壓邊圈的設計主要包括型面尺寸和結(jié)構(gòu)尺寸設計。型面四周寬度尺寸為板料線單邊擴大20 mm，內(nèi)部留出與凸模的間隙3 mm，壓邊型面與不加工部分留有20 mm的高度差。為定位板料使板料順利成形，壓邊圈的寬度由壓料面單邊加寬約100 mm得出，這樣有足夠空間來布置平衡塊、到底塊和定位元件。平衡塊的布置為四周每隔300～500 mm布置1個(布置時避開模座上液壓頂桿孔)，這樣可確保成形過程中的受力平衡。定位器的類型和布置由產(chǎn)品形狀決定，產(chǎn)品起伏較大時，要根據(jù)板料線布置定位器且用到托料定位器。本產(chǎn)品起伏大，用弧形定位器、感應定位器和定位器來定位，感應定位器布置為左前方、右后方(或按照客戶要求)，這樣的對角布置確保感應到料片最大位置，布置完感應定位器再布置弧形定位器和定位器。考慮導板空間(壓邊圈和下模座之間的導向為外導向，安裝導板于壓邊圈上)，壓邊圈尺寸為長2 854 mm、寬1 440 mm。

圖6 壓邊圈

為避免壓邊圈工作時被液壓頂桿頂起過高而失穩(wěn)，用下模座上的側(cè)銷來限制其行程，側(cè)銷沿下模座四周布置(其行程比壓邊圈行程(拉延行程)多70 mm(安全距離)，承受的重量是壓邊圈重量的2倍)，在壓邊圈外表面開出對應的側(cè)銷限位槽來限位。為保證壓邊圈有足夠的強度和剛度，在整體空心鑄造基礎上，在平衡塊和頂桿座的下方設置厚為30 mm的加強筋。為了便于起吊和翻轉(zhuǎn)，也設置采用吊環(huán)起吊。為便于加工，在壓邊圈上過X向、Y向中心線位置設置3處加工基準孔，加工時用于機床定位[7]。

3.5 下模座及墊板設計

與壓邊圈對應，下模座的內(nèi)表面尺寸是基于壓邊圈的外形尺寸并考慮二者之間的外導板導向設計的，同時在內(nèi)表面上加工出了對應的導滑面。下模座通過鍵和螺釘固定于墊板上，墊板固定在壓力機工作臺上。下模座內(nèi)部設置有到底塊，安裝座用于安裝到底塊。為保護下模座，模具合模后到底塊處應留2 mm間隙不墩死。下模座上裝有與壓邊圈對應的側(cè)銷，四角處布置有4個尺寸為150 mm×150 mm的安全區(qū)和4個氮氣缸，氮氣缸用于模具存放時上、下模型面分離。模具送料方向的左、右側(cè)設置有電器盒安裝座、導滑面和導板安裝面(用于上、下模座導向)以及4個端頭限位塊安裝座，并將端頭限位塊裝配其上，端頭限位塊可阻止上模座(凹模)工作時的繼續(xù)下行?；谏稀⑾履Ｗ叽绱笄抑?，分別在模具四角處設置4組吊耳，吊耳上安裝吊棒，用于起吊翻轉(zhuǎn)模具。

為減輕模具質(zhì)量，下模座和墊板鑄造中不重要的部分也要挖空。下模座和墊板上避開液壓頂桿孔的位置設置有沿X向和Y向的厚度為30或40 mm的加強筋，加強筋的設計近似于十字交叉，用以增強相對強度和剛度。同時為了保證模具各部件加工時定位基準準確，在下模座上也設置3處加工基準孔，用于加工時機床定位。下模座、墊板的結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 下模座

圖8 墊板

3.6 上模座(凹模)和防塵蓋板設計

凹模的作用為形成凹模壓料面、凹模圓角和凹模型腔[8-10]。拉延毛坯通過凹模圓角逐漸進入凹模內(nèi)腔，直到拉延成凸模形狀，上模座(凹模)的型腔表面形狀是由畫壓邊圈時的曲線向上拉伸成實體后和工序數(shù)模向上偏置60 mm后的曲面執(zhí)行修剪命令而得到的。與壓邊圈上安裝的平衡塊相對應，上模座上鑄造并加工了平衡塊安裝凸臺。為避免干涉，上模座(凹模)上挖出與壓邊圈各定位元件相匹配的避讓孔?？紤]到模具調(diào)試時安全、模具靜止時的存放方便和模具工作時的限位，對應于下模座四角形狀，上模座(凹模)上也設計安全區(qū)凸臺、氮氣缸安裝凸臺和端頭限位塊安裝凸臺。上、下模座間同樣采用導板導向，上模座上布置導滑面和導板安裝面等。在門把手部位，考慮到產(chǎn)品成形特點，在上模座(凹模)上安裝強壓裝置，強壓裝置的使用使門把手部位成形充分。相比于下模座鑄造中不重要部位挖空和沿X向、Y向布置30或40 mm的加強筋，上模座上還設置了防塵蓋板安裝平臺，開設了排水孔等。為方便加工時機床定位，上模座(凹模)同樣設置3處加工基準孔?；诳焖俣ㄎ缓团c床臺設備相匹配考慮，上、下模座和墊板上還設置了U形壓板槽、模具定位鍵槽等。上模座(凹模)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9a所示，防塵蓋板如圖9b所示。

a)上凹模

3.7 模具工作過程

拉延模裝配[11]如圖10所示。上模座(凹模)合模前，壓力機中的氣頂桿將壓邊圈頂起70 m，機械手將板料放到壓邊圈上。上模座(凹模)在壓力機作用下沿下模座端頭的導板向下運動，首先與壓邊圈接觸壓住板料，壓邊圈通過壓力機頂桿獲得壓邊力，與凹模一起壓出壓料面形狀，壓邊圈和凹模在平衡墊塊作用下一起平穩(wěn)下滑。凹模下行到一定程度開始與凸模接觸，上模座(凹模)與凸模一起作用使板料開始成形，直到凹模與下模座上的端頭限位塊接觸則拉延成形結(jié)束。彈頂銷將產(chǎn)品從下模座(凹模)中頂出，上模座(凹模)回程，機械手吸盤將產(chǎn)品從凸模上取出傳至下一工序。

圖10 模具裝配圖

4 結(jié)語

應用UG軟件設計汽車覆蓋件拉延模，設計時模具中心取壓力機中心，以凸模、壓邊圈、下模座、墊板、上模座(凹模)的設計順序闡述模具結(jié)構(gòu)設計過程。拉延模模具零件一般為鑄造且各模具零件中心一致使設計尺寸一體化。設計時給出的主要零件的3處加工基準孔便于零件后續(xù)加工時定中心(三銷定中心)。設計、加工、安裝和調(diào)試中心重合，可縮短模具開發(fā)周期，達到利用最少資源產(chǎn)生最大經(jīng)濟和社會效益的目的。