汽車(chē)覆蓋件模具研和率提升分析與研究

張 瑩，韋榮發(fā)，麥育智

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州 545005）

1 引言

汽車(chē)覆蓋件作為功能性零件，對(duì)汽車(chē)的安全、隔振降噪性能以及整車(chē)的造型風(fēng)格與靜態(tài)感知質(zhì)量等具有重要影響。隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展及國(guó)民消費(fèi)水平的增長(zhǎng)，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)鈑金的品質(zhì)要求愈發(fā)嚴(yán)苛。模具作為汽車(chē)覆蓋件制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)裝備，模具研合率很大程度決定了鈑金的尺寸合格率與面品[1]。隨著CAE 仿真技術(shù)的日臻成熟與設(shè)計(jì)制造水平的提升，如何提高模具研合率成為模具制造廠家及各主機(jī)廠面臨的重大課題之一。

2 模具研合率概述

模具研合率，指的是在一個(gè)面上存在一連串的、均勻分布的壓死點(diǎn)，這是一個(gè)良好的、必要的、均勻的壓緊，確保在拉伸過(guò)程中可以使板料在模腔中實(shí)現(xiàn)一種良好的流動(dòng)。提升模具研合率是模具調(diào)試階段的重要工作之一，是確保鈑金件尺寸精度、面品質(zhì)量及量產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的前提條件[2]。

檢查模具研合率，一般使用紅丹或者藍(lán)丹進(jìn)行輔助檢查。在工序件上，對(duì)需要研合的部位均勻刷上紅丹或藍(lán)丹，將工序件放入模腔進(jìn)行合模，檢查上下模著色狀態(tài)，即可判斷當(dāng)前模具研合情況。如圖1a 所示，某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板壓邊圈研合狀態(tài)檢查，整個(gè)壓邊圈管理面著色均勻，滿(mǎn)足拉伸過(guò)程中的均勻阻料作用。如圖1b所示，為某車(chē)型發(fā)罩外板模具壓邊圈管理面初始階段研合狀態(tài)，可以看到，管理面整體著色虛實(shí)不一，甚至出現(xiàn)未著色狀態(tài)，拉伸過(guò)程中模具管理面對(duì)板料阻料效果不佳。

3 模具研合率控制要求

模具研合是為了確保上下模型面對(duì)制件產(chǎn)生均勻一致的壓力，使制件在拉伸成形、切邊、沖孔、翻邊及整形等工藝中板材內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布的均勻性[3]。在模具型面機(jī)加工過(guò)程中，受限于設(shè)計(jì)誤差于機(jī)床精度等因素，加工出的型面與理論模面數(shù)據(jù)存在一定程度的差異，或者在沖壓受力過(guò)程中上下模出現(xiàn)一定程度的撓度變形后出現(xiàn)局部間隙不一致的問(wèn)題[4]。在上述因素綜合作用下，模具合模過(guò)程中上下模型面會(huì)出現(xiàn)局部干涉現(xiàn)象（凸起的點(diǎn)或面），即硬點(diǎn)，且可通過(guò)藍(lán)單或紅單著色情況直觀檢測(cè)模具型面的整體研合與硬點(diǎn)分布情況。研磨硬點(diǎn)的過(guò)程即不斷提升模具研合率的過(guò)程。在汽車(chē)覆蓋件模具制造和維護(hù)過(guò)程中，消除模具型面上的硬點(diǎn)，主要采用藍(lán)（紅）丹著色法進(jìn)行檢查并打磨拋光。即在工序件上均勻地刷上一層藍(lán)丹（或紅丹），將刷丹后的工序件放到模腔內(nèi)按正常的工藝參數(shù)成形到底，并根據(jù)合模后著色情況對(duì)硬點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性研磨，實(shí)現(xiàn)模具研合率的提升。

通常依托CAE 分析軟件，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，在確保鈑金尺寸與面品復(fù)合質(zhì)量要求的前提下，通過(guò)設(shè)計(jì)、NC加工及后期鉗工研配3方面制定模具研合率技術(shù)規(guī)范，如表1所示。

表1 模具研合率技術(shù)規(guī)范

3.1 模面間隙控制要求

沖壓件的品質(zhì)很大程度上取決于模具型面的精度與面積，模具型面的精度與間隙需要通過(guò)模具型面的研合率進(jìn)行控制。沖壓模具對(duì)板料（工序件）加工過(guò)程中，根據(jù)板料流動(dòng)的需求，為控制板料起皺和開(kāi)裂問(wèn)題的發(fā)生，不同部位對(duì)研合的要求存在較大的差異，并非所有型面都需要嚴(yán)格控制研合率指標(biāo)[5]。

對(duì)于OP10 工序，需要重點(diǎn)關(guān)注壓邊圈和凹模的研合率，這兩個(gè)位置主要控制板料流動(dòng)和拉伸成形。管理面研合不均，板料走料快慢不一致，容易導(dǎo)致起皺和開(kāi)裂的問(wèn)題；而凹模研合不良，板料拉伸成形不充分，制件存在反作用力的部位將會(huì)出現(xiàn)回彈，并出現(xiàn)凹印、癟塘及滑移線等面品缺陷[6]。

對(duì)于整形模，由于需要將工序件沖壓至符合數(shù)模要求的造型，精度要求較高，因此，整形區(qū)域需要有良好的研合，且特定強(qiáng)壓區(qū)域采用偏差強(qiáng)壓的形式。整形量較小時(shí)，壓料部分可布置10～40mm 寬度的研合；當(dāng)整形量大時(shí)（如側(cè)圍頂部輪廓、頂蓋尾部鉸鏈安裝面等），壓料部分需要布置150～200mm 的寬度。某車(chē)型頂蓋尾部整形壓料布置形式如圖2a、圖2b所示。

對(duì)于修邊模，要求切邊后制件不會(huì)出現(xiàn)切邊變形，一般只需要對(duì)應(yīng)壓料面有20mm的研合量，研合要求相對(duì)前面兩種沖壓工藝要求可適當(dāng)降低。

3.2 拉伸模著色控制要求

拉伸模的研合是整個(gè)模具研合過(guò)程中的關(guān)鍵部分，占整個(gè)模具研合工作的40%～60%。拉伸模著色控制的好壞，直接影響制件的尺寸精度和表面質(zhì)量，對(duì)模具運(yùn)行的穩(wěn)定性起關(guān)鍵性作用。

以某車(chē)型側(cè)圍外板OP10 研合要求為例。如圖3所示，管理面部位需著實(shí)色（重著色），且著色均勻，確保板料流動(dòng)均勻；成形部位（主要是制件部位）涉及到制件面品，要求制件有良好的表面質(zhì)量和尺寸精度，要求能夠?qū)崿F(xiàn)一般著色，確保成形到位；前門(mén)框和后側(cè)門(mén)框法蘭邊部位，要求板料能很好的流動(dòng)，且能實(shí)現(xiàn)符型，需求實(shí)現(xiàn)虛著色；輪罩廢料區(qū)、側(cè)方壓料等部位，這些部位研合率與尺寸精度無(wú)顯著相關(guān)性，過(guò)分的追求最大研合率會(huì)造成成本增加，且不利于制件的拉伸成形。

3.3 切邊模著色控制要求

對(duì)于切邊模（含沖孔），對(duì)研合率的要求，相對(duì)于拉伸、整形模有所降低，能確保切邊、沖孔后制件不出現(xiàn)倒拉變形等情況即可。一般而言，切邊、沖孔區(qū)域10～20mm 范圍內(nèi)研合均勻，要求研合達(dá)到80%以上，且沒(méi)有制件壓傷的情況。圖4為某車(chē)型制件切邊工序的研合情況，在刃口10～20mm 范圍內(nèi)，模具壓料研合良好，達(dá)到85%。生產(chǎn)過(guò)程中，即使部分刃口間隙垂直度偏低，或者部分間隙偏緊，但由于切邊刃口10～20mm 范圍內(nèi)研合良好，切出的制件沒(méi)有出現(xiàn)倒拉變形的情況，制件表面質(zhì)量良好。

4 模具研合率對(duì)制件尺寸與面品的影響

通過(guò)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，提升模具研合率可有效提升制件尺寸合格率，改善制件表面質(zhì)量，輸出高品質(zhì)的沖壓制件。以某車(chē)型頂蓋周圈法蘭邊尺寸為研究對(duì)象，如圖5所示，在調(diào)試初期，制件法蘭邊尺寸合格率僅60%，觀察整形法蘭邊的研合情況發(fā)現(xiàn)，研合著色約60%，不滿(mǎn)足≥90%指標(biāo)要求。通過(guò)藍(lán)丹著色法檢測(cè)模具硬點(diǎn)，推磨硬點(diǎn)后模具法蘭面邊的整形研合率達(dá)到90%以上，此時(shí)制件法蘭邊尺寸合格率達(dá)到95%，制件尺寸滿(mǎn)足公差要求。制件測(cè)點(diǎn)分布及整改前后尺寸狀態(tài)對(duì)比如圖6所示，由圖6可知，通過(guò)提升整形工序的研合率，可顯著提升制件法蘭邊尺寸合格率。

圖7a 為某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的拉伸研合狀態(tài)。觀察發(fā)現(xiàn)，模具整體研合不良，尤其是特征線周邊研合較差，藍(lán)丹著色顯示，制件著色不均勻。此時(shí)，制件特征線周邊出現(xiàn)一明顯凹條，如圖7b所示。通過(guò)依次使用800#和1200#的油石對(duì)模具型面進(jìn)行精研，重點(diǎn)對(duì)特征線周邊部分進(jìn)行精細(xì)打磨，將模具型面研合率提升至90%以上，該區(qū)域的制件凹印得到顯著改善，提升后模具研合狀態(tài)及對(duì)應(yīng)面品質(zhì)量見(jiàn)圖8所示。

5 模具研合率提升方法研究

模具研合率對(duì)鈑金品質(zhì)具有重要影響。本文主要從對(duì)鈑金質(zhì)量影響最大的拉伸模壓邊圈研合方法與前期設(shè)計(jì)及制造兩個(gè)維度開(kāi)展論述。

5.1 壓邊圈研合策略

由研合著色卡可知，模具不同部位對(duì)研合的要求存在差異。對(duì)于拉伸模，需要重點(diǎn)關(guān)注并確保壓邊圈壓料面與管理面的研合率滿(mǎn)足調(diào)試要求。結(jié)合制件成形特性及鈑金成形機(jī)理，壓邊圈研合通常分為內(nèi)緊外松或者內(nèi)松外緊兩種形式[7]。

在凹?？诘闹本€彎曲變形區(qū)和延長(zhǎng)變形區(qū)，板料的厚度不變或者變薄，相對(duì)壓邊間隙一致或者增大。拉伸成形過(guò)程中，壓料面對(duì)板料的擠壓作用減弱，即成形阻力降低。此時(shí)，采用里緊外松的形式，可以有效的防止壓料力減弱的問(wèn)題，有效抑制制件起皺。反之，對(duì)于壓縮變形區(qū)，材料徑向受拉應(yīng)力，切向受壓應(yīng)力。隨著板料流動(dòng)，凹?？趨^(qū)域的板料厚度有增大趨勢(shì)，壓料面間隙相對(duì)減小，導(dǎo)致板料成形阻力增加，增大制件縮頸開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)[8]。此時(shí)，采用里松外緊的形式，降低料厚增加造成的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

某車(chē)型發(fā)罩外板結(jié)構(gòu)與拉伸模結(jié)構(gòu)如圖9所示。為控制板材流入速度，壓邊圈兩側(cè)設(shè)置雙筋，用于增加拉伸成形過(guò)程的進(jìn)料阻力。觀察拉伸模結(jié)構(gòu)可知，側(cè)壁拉伸深度達(dá)210mm，側(cè)面拔模角度θ較小且拐角處制件變化急劇，造成拉伸成形過(guò)程中兩側(cè)板料流入不均勻，成形不穩(wěn)定，易出現(xiàn)局部起皺、開(kāi)裂等缺陷。此外，后端拐角區(qū)域板料在成形過(guò)程中承受徑向拉應(yīng)力與切向壓應(yīng)力，且切向壓應(yīng)力大于徑向拉應(yīng)力并出現(xiàn)壓縮變形。法蘭面板料發(fā)生褶皺后料厚增加，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)管理面間隙相對(duì)減小，拉伸阻力劇烈增大后導(dǎo)致制件開(kāi)裂。

根據(jù)制件拉伸成形特性，將內(nèi)側(cè)壓邊間隙適當(dāng)調(diào)大，形成里松外緊的形式，使壓邊間隙良好的匹配制件成形特性，使板料在凹模與壓邊圈之間按照變形區(qū)料厚變化規(guī)律順利流動(dòng)，并通過(guò)筋條與壓料面的共同作用，合理的控制板料流入與拉應(yīng)力分布，改善坯料上各處材料的成形條件，使變形趨于一致。實(shí)施該措施后，有效解決拉伸褶皺等問(wèn)題，如圖10所示。

5.2 前期設(shè)計(jì)與制造策略

（1）模具撓度補(bǔ)償。模具并非完全的剛性體，在成形受力過(guò)程中存在一定的撓度變形，借助Abaqus等軟件開(kāi)展動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)在模具上進(jìn)行撓度補(bǔ)償[9]。某車(chē)門(mén)外板OP10 凹模與壓邊圈補(bǔ)充方案如圖11所示。

（2）模具設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮對(duì)重要型面與易產(chǎn)生變形的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)壓，如拉伸模對(duì)棱線、包邊面等重要區(qū)域做強(qiáng)壓，保證其質(zhì)量和精度，即在設(shè)計(jì)模面數(shù)據(jù)與NC 加工數(shù)據(jù)時(shí)，上述區(qū)域的凹凸模間隙小于板料厚度，且不同區(qū)域會(huì)根據(jù)模具CAE 分析結(jié)果、模具受力特性與工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置不同的強(qiáng)壓量。此外，拉伸模熱處理后再進(jìn)行精加工，避免了熱處理變形而增加鉗工的研配工作量。某車(chē)型后側(cè)門(mén)外板拉伸模模面設(shè)計(jì)如圖12所示。

（3）模具設(shè)計(jì)初期，在確保制件品質(zhì)的前提下對(duì)非工作區(qū)域進(jìn)行避空處理。若非工作區(qū)域設(shè)置壓料，由于存在機(jī)加工誤差、模具撓度變形、設(shè)備精度誤差等客觀因素，盲目的追求最大面的研合率，增加鉗工研配工作量的同時(shí)會(huì)造成調(diào)試周期和造車(chē)成本的增加，且過(guò)多的型面接觸會(huì)增加制件變形或面品缺陷等風(fēng)險(xiǎn)。因此，通常在確保制件工作區(qū)域壓料足夠的情況下，盡量減少非工作區(qū)域壓料。某車(chē)型后側(cè)門(mén)外板OP20～OP40壓料布置如圖13所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)覆蓋件模具研合率對(duì)制件表面質(zhì)量和尺寸精度具有重要作用，隨著汽車(chē)工業(yè)與沖壓技術(shù)的迅猛發(fā)展，如何提升模具研合率已成為行業(yè)追求的主流。影響模具研合率的因素眾多，包含模具撓度變形、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、沖壓工藝、母線設(shè)備精度及鉗工技能等，本文結(jié)合工程案例探究了模具研合率對(duì)制件品質(zhì)的影響，并簡(jiǎn)要闡述了設(shè)計(jì)與制造前期3種模具研合率提升方案，旨在為提高汽車(chē)覆蓋件品質(zhì)、縮短模具母線調(diào)試周期、提升模具量產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性提供依據(jù)與借鑒。