冷沖壓模具局部濕式潤滑壓邊圈結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用

陽學(xué)，韋榮發(fā)，謝迎歡，姜曉富，李德政

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545005）

1 引言

汽車鈑金作為整車的關(guān)鍵零部件，對整車的綜合性能具有重要影響。在汽車鈑金件沖壓生產(chǎn)過程中，通常經(jīng)過拉伸、修邊、沖孔、整形及翻邊等工序，其中，拉伸工序?qū)︹k金的品質(zhì)具有重要影響。為確保汽車鈑金的品質(zhì)及成形質(zhì)量，通常在拉伸工序前使用清洗機(jī)清洗板材表面，提升板材的潔凈度，可有效抑制因板料表面粘附異物造成制件尤其是外覆蓋件表面出現(xiàn)凹凸等缺陷，生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。此外，汽車鈑金大多數(shù)由復(fù)雜的空間曲面構(gòu)成，在冷沖壓成形過程中應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜，模具型面與板材表面承受巨大載荷。沖壓成形過程中，板料和模具間存在巨大的摩擦力，進(jìn)而可能引發(fā)粘著磨損，導(dǎo)致模具型面或鈑金表面出現(xiàn)拉傷或開裂等現(xiàn)象，俗稱拉毛缺陷[1]，常見的模具與鈑金表面拉傷缺陷如圖2所示。拉傷缺陷不僅降低了沖壓工藝的穩(wěn)定性，導(dǎo)致廢品率與模具停機(jī)率上升，增加企業(yè)的運(yùn)行成本，嚴(yán)重時還可能降低車身覆蓋件的抗腐蝕性、抗疲勞性與碰撞安全等性能。因此，針對側(cè)圍、門內(nèi)板等深拉伸模具通常啟用清洗機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，板料表層吸附的清洗油起到一定的潤滑作用，降低板材與模具型面的摩擦力，進(jìn)而降低深拉伸件拉伸成形過程中出現(xiàn)開裂的風(fēng)險，提高制件成形裕度[2～4]。

在當(dāng)前工藝與沖壓生產(chǎn)模式下，隨著清洗機(jī)的老化，使用清洗機(jī)生產(chǎn)通常會伴隨一些問題[5～6]。在批量生產(chǎn)中清洗油容易堆積在拉伸模壓邊圈的低弧面和筋槽根部，油量過大會導(dǎo)致降低板料的成形阻力，加劇制件起皺變異的風(fēng)險，如圖2a所示。但若取消清洗機(jī)或減少清洗油的噴涂量，板料表面油膜厚度不足，會導(dǎo)致成形過程流動阻力過大，側(cè)圍外板、前后門內(nèi)板等深拉伸制件拉伸過程出現(xiàn)縮頸、開裂的風(fēng)險顯著增加，增加重大缺陷質(zhì)量外溢的風(fēng)險，如圖2b所示。同時，隨著使用年限的延長，車間板料清洗機(jī)擠干效果下降，板料清洗后表面油膜厚度過大且分布不均勻，制件積油嚴(yán)重，導(dǎo)致車身溢膠、涂裝縮孔等問題頻繁出現(xiàn)，降低整車品質(zhì)，引起抱怨，如圖2c所示。除此之外，清洗油殘留在模具內(nèi)部并滲漏至壓力機(jī)工作臺面上，并在機(jī)械手傳送制件過程中飛散至壓力機(jī)間的通道內(nèi)，降低整個生產(chǎn)工藝過程中設(shè)備與環(huán)境的潔凈度，如圖3所示。而且清洗油的大量使用，增加企業(yè)運(yùn)行成本。

壓邊圈作為拉伸模的重要組成部件，對鈑金件的成形質(zhì)量及品質(zhì)具有重要影響[7]。本文從控制清洗機(jī)油液來源、提升門內(nèi)板等深拉伸模具成形穩(wěn)定性及降低油耗成本的角度出發(fā)，對某車型門內(nèi)板拉伸模壓邊圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，研制一種局部濕式潤滑壓邊圈結(jié)構(gòu)，并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證方案的可行性與有效性，以期為汽車模具機(jī)械設(shè)計及降低沖壓廠運(yùn)行成本提供參考。

2 局部濕式潤滑壓邊圈結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

圖1 汽車鈑金生產(chǎn)工藝流程圖

圖2 模具與制件拉傷缺陷模式

圖3 清洗機(jī)油量過大導(dǎo)致的缺陷模式

局部濕式潤滑壓邊圈結(jié)構(gòu)本體如圖4所示，由儲油箱、氣動泵及閥體、換向閥油管、噴嘴及回油箱等部分組成。硬件部分結(jié)合壓邊圈形狀與尺寸通過軟管連接布置在壓邊圈內(nèi)壁的外側(cè)上，在壓邊圈支撐肋的根部開設(shè)通孔，通過液壓管的連接實(shí)現(xiàn)整體布局；在壓邊圈拉伸最深處的壓料面外側(cè)配鉆通孔，用于布置和調(diào)整噴嘴的方位。所述噴頭為扇形，通過壓邊圈外側(cè)上的垂直通孔布置噴嘴方位，噴灑范圍覆蓋壓邊圈深拉伸區(qū)域型面。可調(diào)噴嘴結(jié)構(gòu)如圖5所述。

3 局部噴油潤滑控制方案

局部濕式潤滑壓邊圈結(jié)構(gòu)的噴油控制方案如圖6所示，由噴油控制系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、濕式潤滑模具（模具包含上述壓邊圈結(jié)構(gòu)）及油液回收系統(tǒng)等模塊構(gòu)成。

圖4 濕式壓邊圈結(jié)構(gòu)3D軸測圖

圖5 可調(diào)噴嘴結(jié)構(gòu)

圖6 整體方案構(gòu)架

3.1 噴油控制系統(tǒng)

噴油控制系統(tǒng)采用小型集成式控制器，控制系統(tǒng)與模具相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時通訊，保證與模具的動作進(jìn)行同步動作，同時進(jìn)行實(shí)時故障檢測，保證整個系統(tǒng)的故障處理及時。整個控制系統(tǒng)的硬件采用NI的控制器以及采集模塊進(jìn)行編程，通過控制系統(tǒng)的輸出控制油泵控制流量閥的換向，實(shí)現(xiàn)噴油或停止供油，即壓機(jī)運(yùn)行至下死點(diǎn)前20°油路接通，實(shí)現(xiàn)噴油潤滑，壓機(jī)上行至10°時油路斷開，停止噴油噴。同時，控制系統(tǒng)可通過控制油泵的的轉(zhuǎn)速，并結(jié)合流量閥調(diào)整噴油量的大小。噴淋頭的著油面則通過調(diào)整噴淋頭的位置和個數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.2 液壓傳動系統(tǒng)

液壓傳動模塊利用生產(chǎn)線的氣源作為動力源，可通過壓機(jī)程序控制氣源的開啟，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)潤滑油的輸出或切斷，回路中的流量控制閥采用氣動控制的形式。裝置溢流閥可手動調(diào)整壓力大小，通過壓力的大小進(jìn)一步調(diào)整噴油量的大小。

3.3 過濾系統(tǒng)

采用在油泵的入口端增加過濾器的方式，保證進(jìn)行油泵的潤滑油的品質(zhì)，在噴淋頭的入口端也增加一個過濾器，保證潤滑油在整個管路里流動沒有雜質(zhì)進(jìn)入模具表面。

3.4 余油回收系統(tǒng)

先使用過濾網(wǎng)對余油過濾，去除雜質(zhì)后流入回收箱，然后通過回收油泵將回收油箱中的余油進(jìn)行抽取，輸送到油箱中進(jìn)行循環(huán)利用。

系統(tǒng)控制邏輯如圖7所示。針對門內(nèi)板模具，取消清洗機(jī)生產(chǎn)，控制油液來源，降低油耗成本，并間接降低因鈑金表面油膜厚度超標(biāo)造成車身溢膠與涂裝縮孔風(fēng)險，提升整車品質(zhì)。同時考慮深拉伸件的拉伸成形質(zhì)量，通過在壓邊圈深拉伸區(qū)域設(shè)置局部噴油裝置，噴油范圍覆蓋壓邊圈型面與拉伸槽，形成局部濕式潤滑壓邊圈結(jié)構(gòu)，通過對板料表面的潤滑，降低制件縮頸開裂風(fēng)險。

4 工程實(shí)踐與分析

為驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性與有效性，選擇拉伸工藝相近的不同車型（以車型A、B表示）后側(cè)門內(nèi)板進(jìn)行對比分析。模具材質(zhì)均為GM246（球墨鑄鐵），板料牌號為BUFD，板料厚度均為0.7mm，沖壓速率為11沖次/min。車型A拉伸模為常規(guī)的模具，采用清洗機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)；車型B拉伸模采用局部濕式潤滑結(jié)構(gòu)，取消清洗機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，批量生產(chǎn)過程中采用按設(shè)定邏輯定期噴油的形式。試驗(yàn)過程以5,000沖次為周期，以制件油膜厚度、因拉傷造成的模具停線率及單沖次油耗成本為主要評價指標(biāo)。試驗(yàn)條件與結(jié)果如表1所示，制件結(jié)構(gòu)及其表面積油、拉傷狀態(tài)對比如圖8所示。

圖7 噴油控制邏輯

表1 試驗(yàn)條件與結(jié)果對比

觀察試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的沖次與工況條件下，車型A、B的制件表面油膜厚度分別為2.5g/m2與0.3g/m2；拉傷停線率均為0%；油耗成本分別為0.27元/沖次與0.02元/沖次。試驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)壓邊圈模具啟用清洗機(jī)生產(chǎn)，可有效抑制制件拉傷，但制件表面油膜厚度超標(biāo)，易造成車身包邊溢膠與涂裝縮孔等缺陷，且單件油耗成本超出指標(biāo)0.07元/沖次。局部濕式潤滑壓邊圈結(jié)構(gòu)由于可實(shí)現(xiàn)取消清洗機(jī)生產(chǎn)，制件表面油膜厚度滿足指標(biāo)，油耗成本相比常規(guī)模具結(jié)構(gòu)降低0.27元/沖次，且批量生產(chǎn)過程中采用定期噴油潤滑的形式，可顯著改善拉伸成形條件，未出現(xiàn)拉毛與縮頸、開裂等失效模式。

綜上表明，針對門內(nèi)板、側(cè)圍外板等深拉伸模具，采用局部濕式潤滑壓邊圈結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)取消清洗機(jī)生產(chǎn)，通過控制油液來源以降低油耗成本，并間接降低因鈑金表面油膜厚度超標(biāo)造成車身溢膠與涂裝縮孔風(fēng)險，提升整車品質(zhì)。

在高溫與高沖壓速率條件下，部分深拉伸模具如前、后門內(nèi)板、尾門內(nèi)板等仍出現(xiàn)粘著磨損并導(dǎo)致制件表面出現(xiàn)明顯燒結(jié)與拉毛的風(fēng)險。針對上述模具生產(chǎn)線，可在上述壓邊圈結(jié)構(gòu)改造的基礎(chǔ)之上優(yōu)化生產(chǎn)線清洗機(jī)噴油程序，由實(shí)時噴油變更為間歇性噴油，進(jìn)一步提升鈑金油膜厚度的均勻性，減少油耗并提升整車品質(zhì)[8]。清洗機(jī)噴油控制程序改動如圖9所示，設(shè)定板料清洗計數(shù)，正常噴油超過5塊板料后停止噴油，清洗機(jī)保持正常運(yùn)行，刷輥正常運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)板料計數(shù)達(dá)到設(shè)定值（目前設(shè)為320件）時計數(shù)清零，重新啟動噴油，噴油再次超過5件后又停止噴油，如此循環(huán)間歇性噴油。

圖8 車型A與B產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制件表面狀態(tài)對比

圖9 清洗機(jī)間歇式噴油控制程序

5 結(jié)束語

本文針對門內(nèi)板等深拉伸、成形工況較為復(fù)雜的模具壓邊圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改制，在壓邊圈深拉伸區(qū)域設(shè)置局部噴油裝置，噴油范圍覆蓋壓邊圈型面與拉伸槽，通過整合液壓傳動與PLC電控技術(shù)，研制局部濕式潤滑壓邊圈結(jié)構(gòu)，并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的有效性。項目實(shí)施效果顯著，對提升制件品質(zhì)、降低生產(chǎn)運(yùn)營成本具有顯著改善作用，同時首創(chuàng)并成功實(shí)踐該技術(shù)在冷沖壓模具上的應(yīng)用，對模具結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新及新標(biāo)準(zhǔn)的制定具有重要參考意義。