超薄板沖壓覆蓋件模具開發(fā)應(yīng)用

文/曹國亮，劉立飛，王兵，李麗·合眾新能源汽車股份有限公司

隨著“雙碳”目標(biāo)持續(xù)推進，汽車行業(yè)節(jié)能環(huán)保需求日益迫切，各國對汽車節(jié)能和排放環(huán)保已經(jīng)達成共識，倒逼汽車朝著輕量化的方向發(fā)展，新能源車身結(jié)構(gòu)的輕量化可謂迫在眉睫。車身重量的降低能很大程度上減少電能消耗，從而間接提升汽車續(xù)航里程。對新能源汽車來說，車身減重10%即可減少約7%的用電量、減少5%制動距離、提高7%輪胎壽命、減小6%轉(zhuǎn)向力。

目前車身輕量化開展方式有一體壓鑄、熱成形、高強鋼、復(fù)合材料、激光焊接等工藝，現(xiàn)就薄板沖壓件模具開發(fā)應(yīng)用，闡述其在車身輕量化方面的案例分享。

研制內(nèi)容

目前國內(nèi)汽車外板覆蓋件選用板料厚度最薄為0.65mm，現(xiàn)選用0.6mm 厚度板料作為開發(fā)研制對象，以造型和工藝最為復(fù)雜的零件側(cè)圍外板為例，闡述沖壓模具設(shè)計開發(fā)和模具制造過程中的技術(shù)和創(chuàng)新點，最終達成在最短的時間內(nèi)按質(zhì)量要求完成模具和零件開發(fā)工作。其側(cè)圍零件尺寸為2900mm×1200mm×370mm，零件材質(zhì)為DC06冷軋鋼，板厚0.6mm，模具尺寸為：4300mm×1980mm×1200mm，模具材質(zhì)為鑄鐵與空冷鋼俗稱鑄造模。沖壓工藝排布依次為OP10工序拉延，OP20工序修邊、整形，OP30 工序修邊、沖孔，OP40 工序修邊、整形。側(cè)圍外板開發(fā)工藝及參數(shù)見圖1。

圖1 側(cè)圍外板開發(fā)工藝及參數(shù)

技術(shù)難點及創(chuàng)新點

設(shè)計過程中遇到的難點及所要攻關(guān)的技術(shù)

⑴超薄板料側(cè)圍深拉延過程中脆裂控制技術(shù)。

⑵超薄板料側(cè)圍的流入量和減薄對棱線滑移和沖擊控制技術(shù)。

⑶超薄板側(cè)圍強壓技術(shù)。

⑷超薄板側(cè)圍零件整體和局部膨脹控制技術(shù)。⑸調(diào)試現(xiàn)場與CAE 虛擬調(diào)試無縫銜接方式。

技術(shù)難點解決方法

⑴虛擬階段尋找修正超薄板料在三角區(qū)AutoForm計算失真的邏輯，使得CAE 計算結(jié)果通過Delta 數(shù)據(jù)與實際成形性更加吻合。

⑵根據(jù)以往側(cè)圍經(jīng)驗和實際驗證，尋找理論計算對薄板料側(cè)圍強壓量和著色重區(qū)域重新修訂的量和方式，最大限度減小料厚變化給研合工作帶來的影響。

⑶根據(jù)既有側(cè)圍的經(jīng)驗和實際驗證，尋找適合薄板料側(cè)圍耦合膨脹的方式、方法、數(shù)量級，最大限度減小由料厚減小引起的膨脹失真的情況。

⑷尋找薄板料、大流入量條件下影響沖擊和滑移判據(jù)因素，找出對應(yīng)的規(guī)律。

對技術(shù)創(chuàng)新點創(chuàng)新

⑴側(cè)圍輕量化。全車身11 個外觀覆蓋件可減重4.36kg。其中本案例以側(cè)圍外板使用0.6mm 厚度板料開發(fā)沖壓件為例，重量約為8.3kg，其重量約為此白車身重量的6.15%，在國內(nèi)是首次出現(xiàn)的超薄板料，且零件特征復(fù)雜，給項目研制增加了更大的復(fù)雜性。側(cè)圍本身減重為8.33%，白車身減重約為0.48%，實現(xiàn)了從白車身單個制件最大限度減重的目的。

⑵超薄板料深拉延。使用落料后板料，通過壓邊圈與上模壓緊板料，經(jīng)凸模與凹模將板料成形出需要形狀，零件深度可達到370mm。

⑶超薄板超大零件模面處理。①有限元網(wǎng)格面轉(zhuǎn)化為沖壓工藝型面；②重新構(gòu)建工藝面，要根據(jù)試模經(jīng)驗進行；③按消除加工進行讓刀的補償型面構(gòu)建。最終生成模面工程有三方面的內(nèi)容：沖壓工藝型面的構(gòu)建、模具有效型面的重構(gòu)、消除加工缺陷。超薄板超大零件模面處理流程為：模具初始工藝型面→有限元分析→沖壓工藝型面的構(gòu)筑→模具有效型面的重構(gòu)→消除加工缺陷的型面重構(gòu)。

⑷超薄板超大零件膨脹。通過仿真軟件分析、材料成形過程和成形曲線分析，其膨脹系數(shù)滿足零件成形要求，各參數(shù)控制要求如下：

①成形限制曲線安全區(qū)20%,材料變厚可接受范圍0.01mm；

②材料過渡變薄可分析范圍0.3mm,材料拉深不足顯示范圍≤Tx 2%。

⑸超薄板超大零件的深拉延沖擊和滑移處理方式。在外覆蓋件的分析中，材料在成形的過程中一般要求棱線的R 角大于10 ～15 倍的料厚，越過棱線/型線(style line)的距離保持一致或最小，否則滑移距離關(guān)系到外覆蓋件的表面質(zhì)量，在工藝設(shè)計階段使棱線位于凸模的最高點，調(diào)整制品的旋轉(zhuǎn)角度使兩側(cè)平衡，提前規(guī)避沖擊和滑移。成形極限分析如圖2所示。

圖2 成形極限分析

模具智能化要點

⑴超薄板全工序(釋放應(yīng)力)CAE 分析：①修正超薄板料在三角區(qū)AutoForm計算失真情況，Delta數(shù)據(jù)與實際成形性情況更加吻合；②通過理論計算和實際驗證，對薄板料側(cè)圍強壓量和著色重區(qū)域重新修訂，強壓和局部膨脹控制分析見圖3，研合工作量減少73.8%。

圖3 強壓和局部膨脹控制分析

⑵CAM 膨脹數(shù)據(jù)耦合：耦合膨脹方法，薄板料外輪廓尺寸精度與內(nèi)、外輪廓一致性精度提高了36.4%。

⑶減薄率變量是沖擊和滑移判據(jù)因素之一，通過把減薄率作為沖擊和滑移判據(jù)因素，使得超大零件的深拉延沖擊和滑移與實際一致性提高了86.1%。

在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)解決的關(guān)鍵制造技術(shù)

超精密加工技術(shù)

編程Tebis 軟件原理應(yīng)用。利用Tebis 工作站對機床完整的動作(包括換刀動作和機床宏程序等)進行仿真，對機床的安全性更高。Tebis 把虛擬機床模型帶到前端的編程計算，不需要等發(fā)現(xiàn)問題再修改，同時還能幫助優(yōu)化制造工藝。Tebis CAM 除了支持包含復(fù)雜曲面的模具加工，也支持基于特征加工算法的產(chǎn)品加工，極大地提高了編程效率和加工效率。

OKUMA 機床的樣條曲線插補技術(shù)(NURBS)。傳統(tǒng)的CNC 機床的加工方法，在加工的過程中容易導(dǎo)致加工表面不光滑；在加工過程中加減速會造成加工速度不平衡，導(dǎo)致加工質(zhì)量差、時間長，大大降低加工效率。選擇使用NURBS 曲線插補技術(shù)，能夠?qū)崟r貼合加工速度和精度，減少加減速時對型面的損傷，進一步提高數(shù)控系統(tǒng)的工作效率。

刀具的金屬涂層技術(shù)(立方氮化硼CBN 涂層)。表面涂層是提高刀具壽命、降低切削成本的有效手段。在加工模具時采用CBN 涂層刀具，減少了刀具表面的摩擦系數(shù)，增加潤滑能力，提高了切削速度，減少換刀次數(shù)，提高了被加工模具的精度和表面質(zhì)量。

在線檢測技術(shù)應(yīng)用

通過雷尼紹的在線監(jiān)測(接觸或者非接觸檢測)，在虛擬檢測環(huán)境下，建立在線檢測信息的抓取，虛擬測頭的驅(qū)動，測量主程序生成模塊/通信模塊/測量宏程序模塊/數(shù)據(jù)處理模塊等。仿真系統(tǒng)以圖形化的方式再現(xiàn)數(shù)控機床在線檢測過程，可形象直觀地對檢測路徑規(guī)劃進行檢查，提前發(fā)現(xiàn)宏程序編制中的錯誤，避免在真實檢測過程中對在線檢測系統(tǒng)所造成的破壞。

加工刀具的磨損檢測和補償技術(shù)使用微米級別的光學(xué)檢測。利用在線檢測儀器對被加工工件的尺寸與預(yù)先設(shè)定的工件尺寸進行比較后，將差值反饋至CNC 系統(tǒng)，CNC 系統(tǒng)根據(jù)反饋結(jié)果對機床做出相應(yīng)的調(diào)整，達到補償?shù)毒吣p的目的，這種技術(shù)已經(jīng)達到了微米級別的光學(xué)檢測。利用這些技術(shù)大大提高了數(shù)控加工的效率，同時也大幅度改善了模具表面的加工精度。

機床在溫度變化條件下的補償技術(shù)

OKUMA BIII 系統(tǒng)的Y 向絲杠溫度補償(晝夜溫差絲杠可以通過軟件補償)。由于單件模具加工時間長，且非恒溫環(huán)境下需要克服多種熱誤差的復(fù)合影響，通過OKUMA BIII 系統(tǒng)的Y 向絲杠溫度補償，改善加工結(jié)果，提高加工效率，避免反復(fù)檢測或公差差距明顯的情況。研究鑄造模具在變溫場條件下的模擬和實際編程技術(shù)補償(溫度場擬合軟件ANSYS)，上下模具用同一臺設(shè)備加工，導(dǎo)向部位加工順序一致，加工溫度一致；研究鑄造模具在壓機受力條件下的變形補償(結(jié)構(gòu)有限元分析ANSYS)，大大提高了模具在加工過程中的效率和精度。

首件合格率

模面不等間隙的設(shè)置方法。間隙圖在成形過程中料厚會發(fā)生變化，對此進行Dynaform 的細化分析，精密網(wǎng)格計算。此種方式可以提前模擬出首件出件情況，大大提高了調(diào)試的工作效率。快速調(diào)試方法，利用3D 增材(4 種增材)進行模擬調(diào)試，大大降低了調(diào)試過程中反復(fù)補焊的成本。

結(jié)束語

通過技術(shù)難點的解決和創(chuàng)新點的實施，同時在模具制造環(huán)節(jié)解決相應(yīng)的制造技術(shù)難點，促使零件尺寸符合率及面品質(zhì)量達成預(yù)期要求，保障模具按開發(fā)計劃周期準(zhǔn)時回廠。此類超薄制件模具的成功研制，將使公司掌握超薄板復(fù)雜模具的開發(fā)技術(shù)，并達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。在贏得用戶好評的同時，可為公司后續(xù)車身輕量化制作超薄材料的大型復(fù)雜零部件提供寶貴經(jīng)驗，為后續(xù)開發(fā)此類模具提供有力的保證，提升公司品牌競爭力。希望此案例模具成功開發(fā)，日后能夠為其他公司模具開發(fā)提供參考。