縮短模具開發(fā)周期及提升沖壓件質(zhì)量策略

王輝 胡賀 李闖

【摘 要】汽車外覆蓋件是沖壓車間制造的主要汽車構(gòu)件。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，模具的合理性對(duì)沖壓件的質(zhì)量至關(guān)重要，并且沖壓外覆蓋件模具的開發(fā)要求在滿足沖壓件產(chǎn)品質(zhì)量的前提下盡可能地縮短開發(fā)周期。文章從模具在汽車制造中的作用、汽車模具開發(fā)的工藝設(shè)計(jì)階段/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段/加工制造階段、汽車沖壓件尺寸控制方法、工業(yè)4.0在沖壓模具中的應(yīng)用4個(gè)維度概述了能夠?qū)崿F(xiàn)縮短沖壓模具開發(fā)周期及提升沖壓件質(zhì)量的策略與方法。

【關(guān)鍵詞】縮短周期;提升質(zhì)量;CAE;工業(yè)4.0

【中圖分類號(hào)】TG7TP3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）04-0144-03

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)汽車的需求愈來愈大，對(duì)汽車制造與裝配技術(shù)提出的要求也越來越高。沖壓是整個(gè)汽車生產(chǎn)過程的第一道工序[1]，外覆蓋件是汽車生產(chǎn)廠家沖壓車間制造的主要汽車構(gòu)件。外覆蓋件作為汽車車體的重要組成部分，具有板材薄、尺寸大、造型復(fù)雜、精度和表面質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，開發(fā)難度較大。與之息息相關(guān)的汽車外覆蓋件模具的設(shè)計(jì)和制造同樣具有難度大、周期長(zhǎng)、質(zhì)量和精度要求高的特點(diǎn)，模具的好壞對(duì)汽車外覆蓋件的質(zhì)量具有重要的影響[2]。在實(shí)際生產(chǎn)制造中，沖壓外覆蓋件模具的開發(fā)要在滿足沖壓件產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能地縮短開發(fā)周期，因此必須在模具開發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)提出新思路、新工藝、新方法。

沖壓模具在汽車制造中具有重要的作用，其開發(fā)一般可分為工藝設(shè)計(jì)階段、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段、加工制造階段，本文針對(duì)這幾個(gè)主要階段分別介紹一些提升沖壓件質(zhì)量和縮短其制造周期的可行性策略與方法。

1 模具在汽車制造中的作用

模具在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，但它也是制約汽車開發(fā)和發(fā)展的瓶頸。隨著我國(guó)現(xiàn)代汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車型更換速度加快，整車項(xiàng)目周期縮短，這為國(guó)內(nèi)模具行業(yè)帶來了較大的發(fā)展機(jī)遇。從目前國(guó)內(nèi)的模具制造工藝水平和科技含量來看，我國(guó)汽車模具工藝的整體情況與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大的差距，但是國(guó)內(nèi)各大模具制造企業(yè)一直致力于按照汽車生產(chǎn)的具體要求不斷提高模具的生產(chǎn)質(zhì)量。

近年來，隨著國(guó)內(nèi)模具開發(fā)與制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的模具價(jià)格呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。因此，已經(jīng)有眾多合資品牌和國(guó)產(chǎn)品牌的汽車生產(chǎn)廠家開始使用國(guó)內(nèi)開發(fā)制造的汽車沖壓模具，并且這種趨勢(shì)會(huì)成為未來模具發(fā)展的主流。低成本的國(guó)產(chǎn)模具已經(jīng)對(duì)國(guó)產(chǎn)品牌汽車發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。但必須指出的是，我國(guó)的模具生產(chǎn)廠家一定要關(guān)注質(zhì)量和價(jià)格，找到質(zhì)量和成本之間的平衡點(diǎn)，只有這樣，才能推動(dòng)國(guó)產(chǎn)汽車不僅在中低檔汽車市場(chǎng)持續(xù)壯大與發(fā)展，還能逐漸在中高端汽車市場(chǎng)上嶄露頭角，這就對(duì)模具生產(chǎn)提出了更高的要求。

總之，在現(xiàn)代汽車在生產(chǎn)制造中，既要不斷縮短模具開發(fā)周期、降低模具制造成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，又要提升沖壓件質(zhì)量、降低新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)、提升汽車企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。只有兩者兼顧，模具制造才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

2 汽車模具的開發(fā)

2.1 工藝設(shè)計(jì)階段

隨著信息技術(shù)、力學(xué)、有限元方法的快速發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)模擬汽車沖壓成形過程已經(jīng)成為新的趨勢(shì)，并在現(xiàn)實(shí)汽車模具工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。當(dāng)前，在模具開發(fā)工藝設(shè)計(jì)階段會(huì)借助CAE分析軟件分析計(jì)算結(jié)果，然后根據(jù)分析結(jié)果反向優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不是將設(shè)計(jì)出來的工藝直接轉(zhuǎn)換為實(shí)物。這樣會(huì)大大減少模具整改輪次，從而縮短制造周期。常規(guī)的分析軟件和分析方法不能夠完全覆蓋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過程中各種工況，所以需要引入CAE軟件的新功能和新的CAE分析軟件。

2.1.1 常規(guī)CAE分析軟件新功能

Autoform是沖壓覆蓋件最常用的分析軟件。以往工藝設(shè)計(jì)過程中僅用Autoform軟件做簡(jiǎn)單的拉延成型性分析及翻邊整形分析[4]，對(duì)于內(nèi)板類零件能夠滿足開發(fā)要求，但外板類零件對(duì)表面質(zhì)量要求較高，精品車類缺陷如表面波紋、棱線不順則無法有效識(shí)別。

（1）接觸距離分析棱線不順。棱線不順從外觀上看，是翻邊或整形結(jié)束后棱線的某個(gè)部位高于其他位置，從翻邊后棱線距離凸模R角的距離判斷是否存在棱線不順問題較為有效（如圖1所示）。

（2）slope檢查分析鈑金波紋。Autoform是目前通用的板料成型有限元軟件，軟件自帶的分析功能分析產(chǎn)品的缺陷不能體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際零件的真實(shí)狀態(tài)。通過對(duì)產(chǎn)品波紋的根本原因進(jìn)行分析（如圖2所示），進(jìn)一步引入slope分析方法（如圖3所示），能夠使模擬結(jié)果與零件的真實(shí)狀況更加接近。

2.1.2 CAE軟件的創(chuàng)新引入

（1）Hypermesh分析零件在檢具上的姿態(tài)。通過Hypermesh模擬某項(xiàng)目前蓋內(nèi)板在原有定位基礎(chǔ)上會(huì)下沉[如圖4（a）所示]，從模擬結(jié)果看，處于負(fù)值區(qū)域的面積較大，說明該蓋內(nèi)板表面下沉量較大。進(jìn)行基準(zhǔn)優(yōu)化后重新進(jìn)行模擬，處于負(fù)值區(qū)域的面積明顯減小，說明蓋內(nèi)板的表面下沉量大大降低[如圖4（b）所示]，此時(shí)結(jié)果滿足要求。有了這樣的模擬優(yōu)化工作，大大減少了模具的更改次數(shù)，提高了模具的更改效率和準(zhǔn)確率，也保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率。

（2）Dynaform分析零件跌落模擬生產(chǎn)過程。通過Dynaform模擬某項(xiàng)目前蓋外板機(jī)械手向皮帶上投料對(duì)零件變形影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，零件會(huì)出現(xiàn)凹陷（如圖5所示）。模擬結(jié)果表明，當(dāng)投料距離50 mm時(shí)，零件凹陷深度達(dá)0.002 mm;當(dāng)投料距離30 mm時(shí)，零件凹陷深度達(dá)0.001 2 mm。產(chǎn)生缺陷的原因是前蓋內(nèi)外板聯(lián)合安裝內(nèi)板設(shè)計(jì)低而外板高。通過重新設(shè)計(jì)，保證外板低，便可解決該問題。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段

模具工藝設(shè)計(jì)結(jié)束后會(huì)進(jìn)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)確保使用過程中刀口碎屑降低是需要優(yōu)先考慮的問題。

2.2.1 關(guān)節(jié)臂安裝面設(shè)計(jì)

模具在量產(chǎn)使用過程中，最常見的就是刀口維修和打磨，傳統(tǒng)刀口維修采用手工打磨，對(duì)操作人員的專業(yè)技術(shù)要求高，過程控制能力差，一次維修通過率低。刀口或翻邊棱線更改過程中手工劃線，手工打磨研配，更改精度最高控制在±0.2 mm（劃線線寬）范圍內(nèi)，整改偏差相比數(shù)控加工偏差大。采用刀口維修關(guān)節(jié)臂，人為控制調(diào)整支架，機(jī)械基準(zhǔn)輔助控制整改量。通過千分尺刻度調(diào)整偏離刀口基準(zhǔn)維修量，維修刀口尺寸精確控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工精度，手工調(diào)節(jié)自由靈活。

在以往的維修過程中雖然用到了關(guān)節(jié)臂，但是限于固定在研配平臺(tái)上研配從模具上拆除的刀塊。經(jīng)過創(chuàng)新研究，根據(jù)關(guān)節(jié)臂所能夠覆蓋的運(yùn)動(dòng)軌跡和所能夠覆蓋的區(qū)域，在模具不同位置設(shè)計(jì)安裝平臺(tái)，使其能夠覆蓋整個(gè)模具，就可以在模具上使用，從而大大增加了柔性，維修質(zhì)量也會(huì)進(jìn)一步提高。

2.2.2 新型沖壓模具修邊交刀結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有汽車沖壓外覆蓋件模具修邊交刀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，修邊后刃入刀的刀口擦黑磨損，擠壓產(chǎn)生片狀碎屑，不利于制件表面，所以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際維修中，往往將刃入部分做避讓，只剩余一條刃入線，刃入線即基準(zhǔn);但是刃入線磨損后，基準(zhǔn)缺失，需要重新找交刀基準(zhǔn)點(diǎn)，此過程耗時(shí)費(fèi)力，交刀基準(zhǔn)點(diǎn)找不準(zhǔn)，會(huì)出現(xiàn)過切碎屑或者毛刺。在刀塊設(shè)計(jì)時(shí)，在交刀刀口下方做15 mm×10 mm的基準(zhǔn)面，作為刀尖基準(zhǔn)面。刀口維修研配時(shí)，以刀口下方基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)，精準(zhǔn)找正交刀基準(zhǔn)點(diǎn)（如圖6所示）。

2.3 加工制造階段

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)束后會(huì)進(jìn)入加工制造及使用階段，在該階段提出的新方法及新工具也會(huì)在很大程度上縮短制造周期，同時(shí)提升產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3.1 型面掃描減少研配量

在傳統(tǒng)的模具制造過程中，加工裝配結(jié)束后便直接進(jìn)入研配狀態(tài)，模具加工數(shù)據(jù)和機(jī)床機(jī)加工的累計(jì)誤差會(huì)導(dǎo)致研配量大大增加。在研配之前采用HandySCAN3D掃描設(shè)備（精度為0.025 mm）分別對(duì)需要評(píng)估的配合面進(jìn)行掃描，然后將兩配合面的掃描數(shù)據(jù)擬合進(jìn)行Gap分析，從分析結(jié)果就能看出實(shí)際間隙，然后重新優(yōu)化機(jī)加工數(shù)模，二次加工后會(huì)大大減少鉗工的研配量，也會(huì)提升研配質(zhì)量。

2.3.2 物理氣相沉積

零件在翻邊整形過程中經(jīng)常會(huì)因?yàn)榉厜K硬度和光潔度不足而在零件表面產(chǎn)生拉毛，并且拉掉的鋅粉也容易落到零件上產(chǎn)生壓印。傳統(tǒng)方法是在鑲塊表面電鍍5～30 μm的鍍鉻層，但鍍鉻層容易磨損而開裂、脫落，導(dǎo)致翻邊塊使用周期縮短，使用效果較差[5]。采用物理氣相沉積技術(shù)，尤其是脈沖等離子體沉積方法（Pulsed Plasma Deposition，PPD）可從翻邊塊表面以下獲得深度為150～200μm的高質(zhì)量滲透層，該滲透層具有較高的硬度和光潔度，使用壽命大大延長(zhǎng)，并且不會(huì)出現(xiàn)因鋅粉脫落造成的停機(jī)擦?，F(xiàn)象。

3 汽車沖壓件尺寸控制

在沖壓模具項(xiàng)目開發(fā)過程中，沖壓件尺寸控制成為精益制造、縮短制造周期的關(guān)鍵點(diǎn)。沖壓件尺寸工程傳統(tǒng)的方法是通過檢具對(duì)零件尺寸進(jìn)行評(píng)估進(jìn)而提升尺寸的合格率。然而，沖壓模具制造及沖壓件尺寸提升與整車項(xiàng)目開發(fā)及整車尺寸匹配存在時(shí)間點(diǎn)不一致性，為實(shí)現(xiàn)沖壓件尺寸提升與整車精益匹配同步工程，構(gòu)建沖壓件與對(duì)手件虛擬匹配項(xiàng)目。

3.1 對(duì)手件匹配策略

所謂對(duì)手件匹配策略，就是把沖壓件、外購對(duì)手件、白車身、整車尺寸進(jìn)行配對(duì)分組管理，將沖壓件與對(duì)手件匹配，形成數(shù)據(jù)互聯(lián)互通管理。通過對(duì)手件匹配策略保證了整車匹配窗口，提升了沖壓件過程能力。沖壓過程能力Cpk=（T-2ε）/6σ>1.33，其中σ越小越好（設(shè)備、模具精度保證），ε=│M-μ│（零件尺寸偏差越小越好）]，然而為了改善Cpk而盲目地改善零件尺寸μ將導(dǎo)致系統(tǒng)的資源浪費(fèi)。故通過分析沖壓件對(duì)手件匹配尋求最優(yōu)中心值M，可以得到最小ε，從而提高沖壓過程能力Cpk。

3.2 虛擬匹配技術(shù)

虛擬匹配技術(shù)是以零件數(shù)模及GD&T為標(biāo)準(zhǔn)，尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，沖壓件與整車對(duì)手件精益匹配為目標(biāo)，通過旋轉(zhuǎn)偏移數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及柔性基準(zhǔn)理論，建立零件基準(zhǔn)點(diǎn)與零件尺寸關(guān)系方程，從而解決檢具測(cè)量零件尺寸與整車匹配不一致性、公差累計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)沖壓件與對(duì)手件虛擬。

4 沖壓車間內(nèi)的工業(yè)4.0：氮?dú)鈴椈蔁o線壓力檢測(cè)系統(tǒng)

工業(yè)4.0是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。工業(yè)4.0時(shí)代是利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，也就是智能化時(shí)代[6]。作為工業(yè)之母的模具在這個(gè)時(shí)代的浪潮中也理應(yīng)敢于突破。氮?dú)鈴椈稍跊_壓模具中有著廣泛應(yīng)用，無論是用于給壓料板提供壓料力還是氮?dú)飧谆爻袒蚴荗P10壓邊圈，均對(duì)沖壓件質(zhì)量有直接影響，以往通過定期檢查氮?dú)飧最A(yù)防模具失效，但這種定期檢查不僅工作量較大，而且單從外觀檢查容易判斷錯(cuò)誤。引入氮?dú)鈴椈蓧毫z測(cè)系統(tǒng)，可確保精確定位壓力不足的氮?dú)飧准皶r(shí)更換。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)由感應(yīng)器、數(shù)據(jù)收集器及網(wǎng)關(guān)組成。該系統(tǒng)可以記錄和分析氮?dú)鈴椈蓧毫蜏囟?，用戶可自行設(shè)置極限值，超出范圍可實(shí)現(xiàn)報(bào)警;還可以根據(jù)自動(dòng)趨勢(shì)分析制定預(yù)防性維修間隔;可以減少90%因氮?dú)飧桩a(chǎn)生的停機(jī)，避免產(chǎn)生缺陷設(shè)置報(bào)廢零件。

5 結(jié)語

面對(duì)當(dāng)前激烈的汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)內(nèi)各大汽車企業(yè)應(yīng)該將更多的精力與優(yōu)質(zhì)資源投入產(chǎn)品開發(fā)，加強(qiáng)對(duì)汽車模具的關(guān)注。本文介紹的縮短模具制造周期和提升沖壓件質(zhì)量的方式不局限于一種零件或一個(gè)模具，適用性較強(qiáng)。總而言之，既不能增加模具成本，又能大幅縮短新模具開發(fā)周期，達(dá)到提升沖壓件產(chǎn)品質(zhì)量的目的，就要敢于創(chuàng)新，不斷提出新工藝、新工具、智能化方案并將其應(yīng)用于模具開發(fā)的整個(gè)過程中。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4]左治江，張宇輝，丁元才.基于AutoForm的汽車頂蓋拉延工藝分析及模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2019（3）：101-106.

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