回收式汽車(chē)覆蓋件拉深模標(biāo)準(zhǔn)模座的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曹彪，覃策，喬曉勇，申丹鳳，孫祖團(tuán)

（1.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 技術(shù)中心，廣西 柳州545007；2.湖南湖大艾盛汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410000）

0 引 言

隨著汽車(chē)行業(yè)不斷發(fā)展，不同品牌汽車(chē)之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化，車(chē)型更新迭代越來(lái)越頻繁，單個(gè)車(chē)型的生命周期逐漸縮短。對(duì)于外覆蓋件沖模，隨著原材料價(jià)格和人工成本的上升，模具開(kāi)發(fā)成本也越來(lái)越高，而模具材料費(fèi)用是模具開(kāi)發(fā)成本中的重要因素之一[1]。由于沖模具有唯一性，車(chē)型不斷更新?lián)Q代造成已經(jīng)停產(chǎn)或閑置的模具越來(lái)越多，這些模具大多結(jié)構(gòu)完好，但無(wú)法回收使用，造成浪費(fèi)。

在覆蓋件生產(chǎn)中，拉深成形是一道關(guān)鍵的工序，拉深模決定拉深成敗和工件的成形質(zhì)量。拉深模有單動(dòng)（倒裝）拉深模和雙動(dòng)（正裝）拉深模2種形式[2]，現(xiàn)針對(duì)常用的單動(dòng)拉深模進(jìn)行研究。圖1所示為典型的單動(dòng)拉深模結(jié)構(gòu)。凸模3和凸模座5安裝在機(jī)床工作臺(tái)6上，凹模2安裝在壓力機(jī)滑塊1上，壓邊圈4通過(guò)機(jī)床工作臺(tái)上的氣墊頂桿7頂?shù)街付ㄎ恢谩Ｉa(chǎn)時(shí)板料放置在壓邊圈4上，凹模2隨滑塊向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)凹模2與壓邊圈4接觸時(shí)，凹模2克服氣墊頂桿7的作用力后帶動(dòng)壓邊圈4向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)凹模2與凸模3接觸時(shí)，壓力機(jī)滑塊位于最低點(diǎn)，之后凹模2與壓邊圈4向上運(yùn)動(dòng)，完成拉深過(guò)程，板料最終成形為所需形狀的零件。

圖1 拉深模結(jié)構(gòu)

相比其他工序模具，拉深模結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。在整個(gè)沖壓過(guò)程中，參與成形的只有凹模、凸模和壓邊圈，凸模座作用是為凸模提供安裝位置及為壓邊圈和凹模提供導(dǎo)向，并且壓邊圈的大小和形狀主要由凸模決定。為了實(shí)現(xiàn)模具的回收利用，可以將凹模參照凸模設(shè)計(jì)成凹模和凹模座兩部分結(jié)構(gòu)，同時(shí)將上、下模座設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)模座，這樣可以滿(mǎn)足不同形狀零件的安裝需求。

1 標(biāo)準(zhǔn)模座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)模座包含上模座（凹模座）和下模座（凸模座）兩部分。由于上、下模座分別固定在壓力機(jī)的滑塊和工作臺(tái)上，標(biāo)準(zhǔn)模座設(shè)計(jì)既要滿(mǎn)足不同尺寸和形狀零件的生產(chǎn)要求，又要符合機(jī)床設(shè)備的安裝要求。根據(jù)尺寸不同，標(biāo)準(zhǔn)模座分為A、B1、B2、C1、C2和C3六種類(lèi)型，如圖2所示。其中A、B1和B2標(biāo)準(zhǔn)模座只有一個(gè)內(nèi)腔，適用于1個(gè)壓邊圈的零件；C1、C2和C3標(biāo)準(zhǔn)模座包含2個(gè)內(nèi)腔，適用于含2個(gè)獨(dú)立壓邊圈的零件。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)模座類(lèi)型

1.1 模座導(dǎo)向

導(dǎo)向是保證模具精度和穩(wěn)定性的基本要求[3]。在標(biāo)準(zhǔn)模座中，上、下模座通過(guò)端頭導(dǎo)板導(dǎo)向，導(dǎo)板尺寸規(guī)格為200 mm×150 mm。壓邊圈與凸模的導(dǎo)向方式由原來(lái)的外導(dǎo)向（即壓邊圈與下模座導(dǎo)向）統(tǒng)一更改為內(nèi)導(dǎo)向（即壓邊圈與凸模導(dǎo)向），如圖3所示。采用內(nèi)導(dǎo)向不僅壓邊圈尺寸能夠根據(jù)凸模靈活調(diào)整，同時(shí)由于導(dǎo)向位置靠近分模線，壓邊圈在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)向更加穩(wěn)定，有利于零件成形。

圖3 壓邊圈與凸模導(dǎo)向方式

1.2 模座安裝

生產(chǎn)線壓力機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)工作臺(tái)，尺寸為4 600 mm×2 400 mm。在滑塊上長(zhǎng)度方向按照與中心線間距525、825、1 125、1 725 mm對(duì)稱(chēng)布置8組自動(dòng)夾緊器，從左往右編號(hào)分別為①～⑧，如圖4所示。模座上U形夾緊槽的位置與自動(dòng)夾緊器相對(duì)應(yīng)，并且上、下模座U形夾緊槽對(duì)齊。凸、凹模在模座中采用定位鍵和φ20 mm的銷(xiāo)釘進(jìn)行定位，并采用M20 mm螺釘進(jìn)行緊固。另外為滿(mǎn)足全頂桿頂出要求，下模座安裝面在氣墊頂桿位置開(kāi)設(shè)φ110 mm的避讓孔，如圖5所示。

圖4 機(jī)床工作臺(tái)規(guī)格

圖5 下模座

1.3 模座尺寸與壁厚

為滿(mǎn)足不同零件尺寸的需求，標(biāo)準(zhǔn)模座在寬度方向上統(tǒng)一與機(jī)床工作臺(tái)齊平；在長(zhǎng)度方向上，通過(guò)對(duì)比以往項(xiàng)目不同零件的尺寸，同時(shí)考慮機(jī)床工作臺(tái)尺寸和快速夾緊器的位置，6種標(biāo)準(zhǔn)模座具體尺寸如表1所示，其中凸、凹模和壓邊圈的尺寸要滿(mǎn)足內(nèi)腔尺寸要求。

表1 標(biāo)準(zhǔn)模座尺寸

標(biāo)準(zhǔn)模座截面結(jié)構(gòu)如圖6所示，各部位壁厚尺寸如表2所示[4]。

表2 標(biāo)準(zhǔn)模座各部位壁厚尺寸 mm

圖6 標(biāo)準(zhǔn)模座結(jié)構(gòu)

1.4 模座材質(zhì)

標(biāo)準(zhǔn)模座由于不直接與板料接觸參與成形，只是起到凸、凹模的安裝和導(dǎo)向作用，材質(zhì)選擇灰鐵HT300/GM238即可滿(mǎn)足要求。

1.5 模座適用范圍

標(biāo)準(zhǔn)模座可涵蓋大多數(shù)汽車(chē)外覆蓋件零件的模具開(kāi)發(fā)，具體適用范圍如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)模座適用范圍

1.6 模座回收利用

當(dāng)某車(chē)型停產(chǎn)后，按照要求需要滿(mǎn)足一定年限的售后配件生產(chǎn)要求，這直接影響模座的回收。由于售后配件生產(chǎn)具有數(shù)量少、頻次低的特點(diǎn)，為此在模具設(shè)計(jì)階段，凹模和凸模上增加U形夾緊槽，凹模與壓邊圈之間增加自潤(rùn)滑外導(dǎo)板，這樣解決了凸、凹模在壓力機(jī)上的安裝問(wèn)題和凹模與壓邊圈的導(dǎo)向問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)凸、凹模在人工線上手動(dòng)生產(chǎn)要求，如圖7所示。

圖7 凸、凹模安裝

2 標(biāo)準(zhǔn)模座的優(yōu)點(diǎn)

采用標(biāo)準(zhǔn)模座具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）實(shí)現(xiàn)模座的回收利用，降低模具開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)不影響售后配件的生產(chǎn)。由于原材料價(jià)格不斷上漲，鑄件價(jià)格也越來(lái)越高，采用標(biāo)準(zhǔn)模座設(shè)計(jì)，對(duì)于已經(jīng)停產(chǎn)的車(chē)型或因故終止開(kāi)發(fā)的車(chē)型，其拉深模上、下模座可以回收利用在新開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目中，既減少報(bào)廢又降低新項(xiàng)目的模具開(kāi)發(fā)成本。另外對(duì)凸、凹模結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)在不影響售后配件供應(yīng)的前提下回收模座。

（2）縮短模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間，增加模座鑄件時(shí)效時(shí)間，提高模座使用的穩(wěn)定性。目前模具開(kāi)發(fā)周期逐漸被壓縮，鑄件剛制作完成后就開(kāi)始加工，鑄件時(shí)效時(shí)間不足，內(nèi)部殘余應(yīng)力沒(méi)有完全釋放會(huì)導(dǎo)致后期鑄件發(fā)生輕微變形，影響模具使用穩(wěn)定性。采用標(biāo)準(zhǔn)模座后，拉深模上、下模座不受零件形狀的影響，可以在模具招標(biāo)定點(diǎn)后開(kāi)始設(shè)計(jì)并鑄造，凸、凹模和壓邊圈則可以在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段根據(jù)最終的零件進(jìn)行調(diào)整。這樣不但可以縮短設(shè)計(jì)周期，而且由于上、下模座提前鑄造，可以預(yù)留充足時(shí)間對(duì)鑄件進(jìn)行時(shí)效處理，盡量減少殘余應(yīng)力，減輕后期由于鑄件輕微變形導(dǎo)致的模具零件型面研合率變差甚至狀態(tài)變異的現(xiàn)象。

（3）上模采用分體式結(jié)構(gòu)，降低模具開(kāi)發(fā)成本。采用標(biāo)準(zhǔn)模座，凹模采用凹模鑲件+模座的分體式設(shè)計(jì)，凹模鑲件材質(zhì)為球墨鑄鐵，模座材質(zhì)為灰鐵，相比傳統(tǒng)的凹模采用整體式球墨鑄鐵，能降低單副模具開(kāi)發(fā)成本。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 應(yīng)用實(shí)例

圖8所示為某車(chē)型左、右前門(mén)外板拉深模結(jié)構(gòu)，其采用B1標(biāo)準(zhǔn)模座設(shè)計(jì)，凸、凹模材質(zhì)為QT600-3A，模座材質(zhì)為HT300.

圖8 左、右前門(mén)外板拉深模

3.2 凹模強(qiáng)度分析

相比傳統(tǒng)一體式的結(jié)構(gòu)，上模采用分體式設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)過(guò)程中凹模受力并傳導(dǎo)到上模座上。凹模受到2個(gè)作用力，一是與壓邊圈接觸時(shí)壓邊圈對(duì)其豎直向上的力F1（作用于周圈壓料面）為2 500 kN，另一個(gè)是模具成形到底時(shí)凸模對(duì)其沖擊力F2（作用于凹模型面）為11 500 kN，如圖9所示。利用NASTRAN軟件分析，如圖10所示，凹模受到的最大應(yīng)力89.2 MPa，凹模座受到的最大應(yīng)力103.2 MPa，凹模和上模座最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度（QT600-3A屈服強(qiáng)度≥370 MPa；HT300屈服強(qiáng)度范圍為195～260 MPa），強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。凹模最大變形量為0.775 mm，凹模座最大變形量為0.753 mm，變形量均小于1.0 mm，如圖11所示，經(jīng)過(guò)評(píng)估滿(mǎn)足使用要求。

圖9 凹模載荷分布

圖10 凹模應(yīng)力變化分布

圖11 變形量分析

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)覆蓋件拉深模模座無(wú)法回收利用的缺點(diǎn)，既研究了可用于多種覆蓋件拉深模的標(biāo)準(zhǔn)模座，分析了這些模座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍，列出了模座的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)凸、凹模部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決售后配件生產(chǎn)問(wèn)題。該標(biāo)準(zhǔn)模座已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目中，取得了滿(mǎn)意的效果。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，采用標(biāo)準(zhǔn)模座能夠降低新項(xiàng)目模具開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提高模具后期使用的穩(wěn)定性。