U型零件成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李　益 董志遠(yuǎn) 王　永

U型零件成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李益1董志遠(yuǎn)1王永2

（1.柳州市金元機(jī)械制造有限公司，廣西 柳州 545007；2.四川建安工業(yè)有限責(zé)任公司，四川 雅安 625100）

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，沖壓模具技術(shù)也快速發(fā)展，傳統(tǒng)的模具制造工藝已經(jīng)難以滿足新時(shí)代發(fā)展需求，客戶的產(chǎn)品日益創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)多種多樣，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)零部件有著不同的模具設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有結(jié)構(gòu)創(chuàng)新就沒(méi)有模具設(shè)計(jì)的進(jìn)步，針對(duì)特殊零部件結(jié)構(gòu)，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，創(chuàng)新地加入了旋轉(zhuǎn)軸的構(gòu)思理念，并運(yùn)用到實(shí)際制造中。文章利用AutoForm軟件對(duì)設(shè)計(jì)模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)成型分析，避免了工藝路線錯(cuò)誤，成型失敗造成的不良后果，模具旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)踐運(yùn)用不僅增加了模具壽命，節(jié)省了后期易損件的加工成本，還能保證零件成型穩(wěn)定性和外觀及尺寸要求。

U型；模具；AutoForm-CAE分析

引言

當(dāng)前，隨著汽車及工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，模具設(shè)計(jì)制造日益受到人們的廣泛關(guān)注，將高新技術(shù)應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)與制造已成為快速制造優(yōu)質(zhì)模具的有力保證。而現(xiàn)代制造技術(shù)生產(chǎn)過(guò)程中，先進(jìn)的加工工藝、高效的生產(chǎn)設(shè)備、優(yōu)質(zhì)的模具是必不可少的三項(xiàng)重要因素。高效的全自動(dòng)設(shè)備也只有裝上能自動(dòng)化生產(chǎn)的高效的多工位及多功能級(jí)進(jìn)模模具才有可能發(fā)揮其作用，產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新都是以模具的制造和更新為前提的。由于制件品種和產(chǎn)量需求很大，對(duì)模具也提出了越來(lái)越高的要求。因此促進(jìn)模具的不斷向前發(fā)展，近年來(lái)，模具增長(zhǎng)十分迅速，高效率、自動(dòng)化、大型、微型、精密、高壽命的模具在整個(gè)模具產(chǎn)量中所占的比重越來(lái)越大。模具在生產(chǎn)中的作用越來(lái)越重要，其地位也在不斷上升。尤其是最近幾年，沖壓模具工業(yè)的發(fā)展很快，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的影響地位日趨明顯，而傳統(tǒng)的模具制造工藝已經(jīng)難以滿足新時(shí)代發(fā)展需求，特別是CAD/CAM技術(shù)在模具工業(yè)中的應(yīng)用，使模具工業(yè)進(jìn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要領(lǐng)域。新技術(shù)向模具工業(yè)的滲透，改變了傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造理念。此這篇文章將帶有旋轉(zhuǎn)軸功能的模具分析深U型零件成形工藝。文章結(jié)合某汽車底盤某零件的模具制造、工藝分析、模具設(shè)計(jì)和制造角度來(lái)看，模具分為以下方面。

1　零部件工藝分析

首先分析零件結(jié)構(gòu)外觀，零件有較多的加強(qiáng)筋，型面不容易實(shí)現(xiàn)，零件兩側(cè)面均有安裝孔，用于裝配焊接。為了保證兩零件在焊接時(shí)能夠吻合以及焊接穩(wěn)定性的提高，主機(jī)廠產(chǎn)品工程師均在兩個(gè)零件的底面開了工藝孔，用于焊接裝配定位。此安裝孔會(huì)影響到零件裝配精度，孔的位置度可影響其裝配質(zhì)量，孔位的尺寸鏈偏離會(huì)造成零件成型尺寸偏差，因此零件安裝定位孔不能有較大的變形和錯(cuò)位。所以底面的安裝定位孔需在零件成形后沖載，這樣能方便后續(xù)焊接時(shí)調(diào)節(jié)。

經(jīng)過(guò)以上分析，可擬定出兩種工藝方案：A方案為落料→成形→測(cè)沖孔→沖孔→檢驗(yàn)；B方案為落料沖孔→成形→沖孔→檢驗(yàn)。A方案的落料我們采取人工落料方式，由于兩個(gè)零件不一樣所以設(shè)計(jì)兩套落料模具，成型工序兩個(gè)零件可以設(shè)計(jì)在一套模具上成型。側(cè)沖孔工序因?yàn)樾毙C(jī)構(gòu)的存在，在結(jié)合公司設(shè)備實(shí)際情況需設(shè)計(jì)成兩套，沖孔可以設(shè)計(jì)一套。

A方案需開發(fā)模具總數(shù)量六套，經(jīng)計(jì)算材料利用率80.3%；B方案的落料沖孔采取機(jī)器自動(dòng)落料方式，且設(shè)計(jì)成（一落二）形式。因?yàn)榘蚜慵臏y(cè)面孔放在落料工序一并沖載而出。因此可以看出B方案比A方案減少了三套模具，即B方案需開發(fā)模具總共3套，經(jīng)分析計(jì)算B方案材料利用率84%，相比A方案材料利用率提高了3.7%。A方案對(duì)于零件質(zhì)量來(lái)說(shuō)，該方案優(yōu)于B方案，但是該方案多出一道測(cè)沖孔工序，而且落料方式采取比較傳統(tǒng)的人工操作模式。對(duì)于高量產(chǎn)零件來(lái)說(shuō)，勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)大，工作效率相對(duì)低。模具投入成本增加，且工序過(guò)多，后續(xù)零件制造的成本也相應(yīng)增加。B方案相對(duì)于A方案工序少一道序，模具開發(fā)成本也相對(duì)減少，而且落料沖孔采取自動(dòng)落料方式，零件制造成本顯著降低了不少。A方案唯一缺點(diǎn)是需在成型前需確定零件側(cè)面孔在落料工序時(shí)的位置，但考慮到側(cè)面孔是用于焊接，只要相對(duì)位置不超出公差范圍即可，加上設(shè)計(jì)前利用AutoForm逆向反算修邊線功能的分析輔助，可以精準(zhǔn)計(jì)算出該孔的位置?；谝陨瞎に嚪桨傅膬?yōu)缺點(diǎn)相比，綜合考慮確定工藝路線可采用B方案（如圖1所示）。

圖1　工藝流程布置示意圖

由于該深U型零件的加強(qiáng)筋較多，成型工序就成了工序中最重要的一環(huán)，需用Autoform軟件對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析在鈑金成型運(yùn)動(dòng)中是否有拉裂、起皺等缺陷情況。在分析之前需將模具成型的大致結(jié)構(gòu)確定，如圖2所示（模具凹模結(jié)構(gòu)圖）。根據(jù)零件的特性，由于加強(qiáng)筋的存在會(huì)對(duì)模具造成大量的摩擦和零部件拉裂可能，為了避免或減少成型過(guò)程中的摩擦和模具的壽命問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中特意在模具凹模模腔內(nèi)加入了可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸還需經(jīng)過(guò)選用優(yōu)良的模具鋼，經(jīng)過(guò)真空熱處理后，再對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行拋光，在進(jìn)行TD表面處理來(lái)增加轉(zhuǎn)動(dòng)軸的表面硬度和光滑度。對(duì)成型過(guò)程中板材與模腔摩擦力會(huì)大大的減少，順暢度有著很大的提升。

圖2　模具凹模結(jié)構(gòu)圖

用AutoForm軟件分析成形結(jié)果后，我們可以利用FLD分布圖直觀顯示出可能發(fā)生各個(gè)成型情況分布的區(qū)域，如安全區(qū)域、開裂區(qū)域、起皺區(qū)域。如圖3為此次仿真的FLD分布圖。從該圖可以看出，板材在帶有U型旋轉(zhuǎn)軸的凹模模具內(nèi)腔內(nèi)成型，成型零件不會(huì)產(chǎn)生拉裂情況，僅有一些微小起皺，由于零部件設(shè)計(jì)使用板料比較厚，用肉眼無(wú)法看出存在微小起皺，因此不影響零件質(zhì)量和零件美觀度。同時(shí)零件的側(cè)面安裝孔在仿真中也沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重變形。

圖3　成型分析圖

經(jīng)過(guò)AutoForm軟件的分析，有效地避免了后續(xù)工序的制定和工藝流程錯(cuò)誤，大大地節(jié)省了模具開發(fā)周期和不必要的試制模具、調(diào)試工作。使用AutoForm軟件分析后，最大的好處是，它能提供從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)直至最后的模具設(shè)計(jì)的一個(gè)完整的解決方案。

2　模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于該深U型零部件在某主機(jī)廠需求量較大，且一臺(tái)汽車需使用4件，左右各使用2件。一年將近有36萬(wàn)臺(tái)用量，如此大的需求量，生產(chǎn)制造次數(shù)對(duì)模具的負(fù)荷程度要求很高。因此需對(duì)模具結(jié)構(gòu)有創(chuàng)新的思維設(shè)計(jì)理念。如果按傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)（如圖4所示）來(lái)設(shè)計(jì)，凹模⑤的圓角處磨損較快，由于凹模表面與材料表面存在相對(duì)磨擦，而材料相對(duì)于與凹模來(lái)說(shuō)是比較軟的，因此模具長(zhǎng)時(shí)間使用后必然會(huì)使工件表面留下劃痕，且隨著模具的長(zhǎng)使用時(shí)間工件的劃痕會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。劃痕產(chǎn)生的鐵粉附著在凹模表面上，甚至掉落在浮料芯與凹模之間的間隙中。輕微時(shí)零件會(huì)有劃痕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成模具的損壞。由于料片材料鐵粉附著在凹模，會(huì)造成凹模磨損速度加快，模具工作性能也相對(duì)下降，如果不及時(shí)維修或更換模具磨損件，就會(huì)產(chǎn)生成形零部件的質(zhì)量問(wèn)題。而且零件質(zhì)量也會(huì)隨著模具的使用的頻次逐漸下降，影響裝配質(zhì)量。因此模具維修頻率相當(dāng)高，即使模具正常維修，零件質(zhì)量也大不如初。因?yàn)榫S修時(shí)大部分方法是拋光凹模來(lái)解決問(wèn)題，因此隨著維修次數(shù)的增多，凸凹模之間的間隙也會(huì)加大，導(dǎo)致成形品質(zhì)下降。為保質(zhì)保量，需優(yōu)化改進(jìn)當(dāng)前傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)出合理的模具，以提高成形的質(zhì)量。

1.凸模墊板 2.彈簧 3. 凸模 4.定位板 5.凹模 6.零件 7.頂料針 8.浮料芯 9.到底墊塊

經(jīng)分析對(duì)比，兩個(gè)深U型零件的型面不完全一樣，非對(duì)稱件，但兩個(gè)零件也存在裝配關(guān)系，即兩個(gè)零件裝配起來(lái)形成一定形狀的（盒子）后再用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接。綜合考慮可設(shè)計(jì)成一模兩腔的結(jié)構(gòu)。這樣即可以減少模具成本，又減少了因加工造成的誤差，模具整體框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也提升不少。兩零件側(cè)面都有凹凸型面，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸時(shí)每一節(jié)段的直徑都是不一樣的，但是考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)軸能夠旋轉(zhuǎn)必須設(shè)計(jì)成所有節(jié)段都同軸。所以轉(zhuǎn)動(dòng)軸壓料板與凹模鑲塊裝配后兩者之間必須形成一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸同心的一個(gè)圓來(lái)保證轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)自如。因此凹模鑲塊需在放置轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸芯二分之一處銑切一個(gè)直角面（即兩個(gè)基準(zhǔn)面）用以裝配轉(zhuǎn)動(dòng)軸壓料板。而轉(zhuǎn)動(dòng)軸壓料板銑切一半圓的凹槽用以壓住轉(zhuǎn)動(dòng)軸，防止轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生位移甚至掉出來(lái)。轉(zhuǎn)動(dòng)軸壓料板與凹模鑲塊裝配后形成的圓形，直徑應(yīng)大于轉(zhuǎn)動(dòng)軸。其間隙應(yīng)取0.3 mm±0.05的間隙配合，這樣才能更好保證轉(zhuǎn)動(dòng)軸能夠旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)零件合用一個(gè)模腔，所以把凹模分成4塊鑲塊，轉(zhuǎn)動(dòng)軸也拆分成4根。這樣設(shè)計(jì)也可以避免因熱處理變形等問(wèn)題出現(xiàn)，后期更換也方便快捷，還可以減少成本。

考慮到U形零件成形時(shí)其張開力大而導(dǎo)致凹模鑲塊裂開的風(fēng)險(xiǎn)，因此需增加設(shè)計(jì)一塊凹模箍板。該模具的浮料芯上有型面，浮料芯需要設(shè)計(jì)有導(dǎo)向，以保證零件因浮料芯晃動(dòng)不定而影響其質(zhì)量。用于做浮料芯的導(dǎo)向面可設(shè)計(jì)在凹模箍板的兩端處線切割出10 mm寬、60 mm長(zhǎng)的導(dǎo)向槽。經(jīng)過(guò)分析此次模具的浮料芯用4個(gè)極強(qiáng)載荷型氮?dú)鈴椈桑≧GP500-63-P150）作為動(dòng)力源，1個(gè)氮?dú)鈴椈勺畲筝d荷為0.776噸，總最大載荷為4×0.776即約為3.1噸。相對(duì)于小型鋼板模具來(lái)說(shuō)該載荷比較大，所以浮料芯有彈出模具凹模鑲塊的風(fēng)險(xiǎn)，所以在凹模箍板兩端的導(dǎo)向槽上表面安裝兩塊浮料芯安全擋板，以防止浮料芯彈出而發(fā)生安全事故。同時(shí)為了能讓浮料芯在彈起的過(guò)程中更好的接觸浮料芯安全擋板，在浮料芯兩端處設(shè)計(jì)出13 mm寬、60 mm長(zhǎng)、深度10 mm的階梯。這樣就有效避免浮料芯彈起的時(shí)候與浮料芯安全擋板為點(diǎn)接觸。該模具直接工作面主要有傳動(dòng)軸表面、凸模表面、凹模鑲塊側(cè)表面及浮料芯上表面。其中轉(zhuǎn)動(dòng)軸的直徑比較小又細(xì)長(zhǎng)，在模具工作中斷裂風(fēng)險(xiǎn)性極高。而模具的性能必須滿足以下方面：高的強(qiáng)度（包括高溫強(qiáng)度、抗冷熱疲勞性能），高的硬度（耐磨性能）和高的韌性，并且還要求有良好的機(jī)械加工性，等等。其次轉(zhuǎn)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)動(dòng)軸壓料板、凹模鑲塊，浮料芯加工精度要求略高，所以這幾個(gè)主要部件需進(jìn)行真空熱處理。轉(zhuǎn)動(dòng)軸除了真空熱處理外增加TD處理。模具簡(jiǎn)圖如圖5所示。

1.凸模墊板 2.彈簧 3.定位板4.轉(zhuǎn)動(dòng)軸壓料板 5.傳動(dòng)軸 6.工序件 7.凸模 8.凹模鑲塊 9.頂料針 10.浮料芯 11.凹模鑲塊箍板12.到底墊塊

3　模具工作過(guò)程

模具主要由凸模、凹模鑲塊、TD轉(zhuǎn)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)動(dòng)軸壓板、頂料針、浮料芯，到底墊塊等組成。當(dāng)模具沖載閉合前，浮料芯⑩上浮到與凹模鑲塊⑧平齊（動(dòng)力源為氮?dú)鈴椈桑?，落料工序件⑥（此時(shí)是平料，無(wú)任何成形）放入定位塊③后，模具沖載時(shí)先由凸模⑦往下運(yùn)動(dòng)壓住板料（動(dòng)力源為沖載設(shè)備），當(dāng)落料工序件⑥與轉(zhuǎn)動(dòng)軸⑤接觸后，轉(zhuǎn)動(dòng)軸⑤由于跟轉(zhuǎn)動(dòng)軸壓料板④之間存在間隙的原因開始轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)由于浮料芯⑩在氮?dú)鈴椈傻淖饔孟屡c凹模面齊平，落料工序件⑥不會(huì)發(fā)生錯(cuò)位、移位等，進(jìn)而落料工序件⑥先成形浮料芯⑩上表面的型面。凸模⑦繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)，落料工序件⑥由于凸模⑦與凹模鑲塊⑧之間的擠壓，落料工序件⑥的側(cè)面開始成形出型面。凸模⑦繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)一直到浮料芯⑩的底部表面與到底墊塊?的上表面完全接觸。此時(shí)，落料工序件⑥的所有型面已完全壓制成型，然后沖載設(shè)備回位，落料工序件⑥（此時(shí)已完全成形）由于回彈等因素粘附在凸模⑦上，當(dāng)沖裁設(shè)備回位到一定的行程時(shí)，頂料針⑨在彈簧②的作用力下推出該道序的工序件⑥。此時(shí)一個(gè)工作循環(huán)完全結(jié)束。依次順序進(jìn)行生產(chǎn)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了深U型汽車底盤件的工藝步驟在成型工藝中的模具結(jié)構(gòu)，此模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有獨(dú)特創(chuàng)新，結(jié)合使用AutoForm軟件分析，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的工藝、模具設(shè)計(jì)方案。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)軸，使深U型鈑金件與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)滑動(dòng)，大大減少深U型鈑金件與模具之間的摩擦力，使模具沖載成型時(shí)工作穩(wěn)定，同時(shí)也提高的模具使用壽命，維修頻率也大幅降低，有效解決鈑金U型成形表面劃傷的質(zhì)量問(wèn)題。模具經(jīng)過(guò)大批量生產(chǎn)驗(yàn)證，零件外觀良好，未有明顯的刮傷現(xiàn)象，同時(shí)反映出模具有良好的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該方案模具設(shè)計(jì)對(duì)零件質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸精度符合圖紙要求。

[1] 周均，王勇. 基于Autoform軟件的沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 兵器材料科學(xué)與工程，2017，40(1): 73-76.

[2] 徐鑫，劉仁東，林利，等. 基于Autoform軟件的汽車行李箱板沖壓成形模擬[J]. 鞍鋼技術(shù)，2013(2): 29-33.

[3] 賈庚鳳. 基于AutoForm的后地板上橫梁連接板工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 裝備制造技術(shù)，2019(5): 213-217.

Structure Design and Application of Forming Die for U-shaped Parts

With the development of the automobile industry, the stamping die technology has also developed rapidly. The traditional die manufacturing process has been difficult to meet the development needs of the new era. Customers' products are increasingly innovative and have a variety of structures. They have different die design requirements for different structural parts. Without structural innovation, there will be no progress in die design. For the structure of special parts, the concept of rotating shaft is innovatively added to the die design, And applied to practical manufacturing. In this paper, AutoForm software is used to analyze the structural forming of the designed mold, which avoids the adverse consequences caused by the wrong process route and forming failure. The practical application of the mold rotating shaft not only increases the service life of the mold and saves the processing cost of vulnerable parts in the later stage, but also ensures the forming stability, appearance and size requirements of parts.

U-shaped; mould; AutoForm-CAE analysis

U463

A

1008-1151(2022)06-0072-03

2022-03-14

李益，男，廣西柳州人，柳州市金元機(jī)械制造有限公司技術(shù)中心技術(shù)員，研究方向?yàn)槠嚵悴考＞咴O(shè)計(jì)、工藝開發(fā)、項(xiàng)目管理。

董志遠(yuǎn)，男，廣西柳州人，柳州市金元機(jī)械制造有限公司技術(shù)中心主任助理，研究方向?yàn)槠嚵悴考O(shè)計(jì)開發(fā)與制造、項(xiàng)目管理、組織創(chuàng)新。