大型汽車覆蓋件模具現(xiàn)階段的核心技術(shù)

文／孫崢嶸·天津汽車模具股份有限公司

大型汽車覆蓋件模具現(xiàn)階段的核心技術(shù)

文／孫崢嶸·天津汽車模具股份有限公司

孫崢嶸，總工藝師，主要從事沖壓工藝、模具設(shè)計工作，主持完成了天汽模技術(shù)標準的制訂，國產(chǎn)自主品牌華晨中華酷寶整車模具項目技術(shù)開發(fā)工作，及VOLVO，F(xiàn)IAT，IVECO，SKODA等多個國外品牌汽車模具項目技術(shù)開發(fā)工作，曾參與支持汽車模具及機床制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作的公共服務(wù)平臺開發(fā)及應(yīng)用項目(“國家十一五”科技支撐項目）。

近幾年，隨著汽車主機廠對沖壓件品質(zhì)要求的日益提高，模具開發(fā)周期的日益縮短，模具企業(yè)面臨著如何在短時間內(nèi)，生產(chǎn)出滿足客戶要求的高品質(zhì)的模具和沖壓件的嚴峻挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我公司在模面技術(shù)和沖壓全工序仿真模擬技術(shù)方面做了嘗試。

沖壓工藝設(shè)計是決定汽車沖壓件品質(zhì)和模具開發(fā)周期的關(guān)鍵因素，是模具技術(shù)的核心。為此在沖壓工藝設(shè)計方面，充分利用CAE技術(shù)，增加模面技術(shù)和沖壓全工序仿真模擬技術(shù)兩個環(huán)節(jié)。在實際生產(chǎn)中，通過這兩項技術(shù)的應(yīng)用，對提升沖壓件品質(zhì)、減少機加工和鉗工工作量、縮短制造周期、虛擬調(diào)試和指導(dǎo)模具整改方面發(fā)揮著積極作用。

模面技術(shù)

在不改變工藝成形的基礎(chǔ)上，對模具型面進行整體或局部的變形處理，從而達到制件在沖壓時，模具上下模配合型面的間隙均勻。這種對模具型面進行變形的曲面設(shè)計方法就是模面技術(shù)。

模面技術(shù)的主要工作和目的

模面的主要工作是通過改變上下模型面之間間隙，對沒有符型要求的地方間隙放大，對需要壓力成形控制的地方減小局部間隙；通過改變型面對因回彈重力、剛度等原因造成塌陷的地方，對曲面實施區(qū)域或局部的隆起。

運用模面技術(shù)主要是為了提高沖壓件的表面質(zhì)量和尺寸合格率，通過對模面的不等間隙的處理，減少模具的研合周期。

模面技術(shù)的工作綜述

⑴保證制件充分成形方面，所做的模面處理。

1）特征棱線區(qū)域的不等間隙。外板制件棱線附近因為沖壓時模具上下型面著色不實，會導(dǎo)致棱線成形不清晰，是重要的質(zhì)量問題。在模面設(shè)計時將棱線區(qū)域的上下模間隙作緊（小于制件料厚），如圖1所示。

圖1 機蓋外板的特征棱線間隙作緊區(qū)域

2）反成形特征區(qū)域的不等間隙。外板制件反成形區(qū)域在沖壓時模具上下型面著色不實，會引起制件表面質(zhì)量問題。在模面設(shè)計時將反成形特征區(qū)域的上下模間隙作緊，如圖2所示。

圖2 后背門外板的反成形特征間隙作緊區(qū)域

3）合邊面或裝車時的搭接面等重要區(qū)域的不等間隙。為了保證制件搭接面和裝車基準面等重要部位的尺寸精度，以及相應(yīng)定位孔等位置的精度，在模面設(shè)計時，將這些區(qū)域的上下模間隙作緊，如圖3所示。

圖3 機蓋內(nèi)板的搭接面間隙作緊區(qū)域

4）制件易出現(xiàn)缺陷的區(qū)域模具凹形作緊。外板制件的型面變化劇烈區(qū)域及角部等區(qū)域，在拉延后出現(xiàn)的塌陷以及局部凸起等成形缺陷，影響外板件的表面質(zhì)量。在模面設(shè)計時，將易出現(xiàn)面品問題處上下模間隙作緊，如圖4所示。

圖4 翼字板型面變化劇烈和角部區(qū)域間隙作緊區(qū)域

⑵補償模具結(jié)構(gòu)變形方面，所做的模面處理。

在實際生產(chǎn)沖壓時，由于模具結(jié)構(gòu)本身會產(chǎn)生微變形，導(dǎo)致模具上下型面間隙不均勻，模具著色率低。為了彌補這方面的缺陷，我們在作模面時，使模具微變形區(qū)域相對應(yīng)的上下模的間隙，通過不同數(shù)值，來補償模具微變形帶來的問題。

在沖壓過程中，不同區(qū)域材料的流動不均勻，會使材料的厚度不同，這決定了壓邊圈與凹模拉延面間隙必然不相同。而且在拉延模具中，壓邊圈的強度較弱，在拉延過程中變形也很明顯。為了保證在沖壓時材料按照工藝設(shè)想的結(jié)果流動，為了彌補壓邊圈變形出現(xiàn)的缺陷，我們在作模面處理時，將壓邊圈隨材料流動變化作不等間隙，如圖5所示。

圖5 機蓋外板壓邊圈

⑶拉延工序中工藝補充區(qū)域，所做的模面處理。

對拉延工序中工藝補充區(qū)域的間隙作讓空處理。如有些制件在拉延時，工藝補充部分凹形或者制件形狀非常平緩的凹形，可以不參與制件成形，也不會影響制件成形。做模面處理時，在這些區(qū)域作讓空加工，鉗工在研合模具時，不用研合該區(qū)域，可減少鉗工工作量，有效減少模具制造周期，如圖6所示。

沖壓全工序仿真模擬技術(shù)

沖壓全工序仿真模擬技術(shù)是指模擬沖壓件模具工序內(nèi)容中的成形過程和回彈狀態(tài)，并對最后的零件進行檢測的仿真，并通過調(diào)整工藝內(nèi)容，補償模具型面等方法，使零件在仿真最后達到公差要求以及其他品質(zhì)要求，也被稱為虛擬調(diào)試。

歐洲的菲亞特公司，北美的三大汽車公司率先研究使用，2005年左右技術(shù)上已經(jīng)逐漸成熟，并應(yīng)用于實際生產(chǎn)。目前全供需仿真的精度可以達到85%以上。各大沖壓仿真軟件開發(fā)商也認定了這一發(fā)展趨勢，與各大汽車公司聯(lián)合，不斷的提升自己軟件的功能，使這項技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷地被推廣和提高。

圖6 拉延工序中工藝補充區(qū)域的間隙作讓空處理

沖壓全工序仿真模擬技術(shù)的特點及意義

沖壓全工序仿真模擬的最大特點是使仿真最大程度的接近現(xiàn)場，幾乎是完全按照實際的沖壓過程進行仿真計算。這樣做的好處主要有：跟蹤調(diào)試過程中每個狀態(tài)都有參考狀態(tài)，使調(diào)試各個環(huán)節(jié)可控；預(yù)測不同工序，不同測量狀態(tài)下零件的回彈，比如不同的定位，不同的夾持方式下零件與理論上的差別，這樣可以提前調(diào)整工藝或者對模具進行補償，保證制件在各序均合格，減少模具的研合時間和不必要的整改。

沖壓全工序仿真模擬技術(shù)有兩個難點，同時也是重點，即：仿真計算的精度和現(xiàn)場調(diào)試環(huán)節(jié)的控制。首先，模擬的精度可以在模擬與實際的差別之中不斷改進，并且隨著計算機軟硬件的不斷發(fā)展，逐步解決。另外一點是調(diào)試階段的緊密跟蹤及反饋，保證仿真條件的實施，使實際與虛擬狀態(tài)一致，這樣仿真才能發(fā)揮作用。

沖壓全工序仿真模擬的意義：1）消除各工序中有關(guān)起皺和破裂等成形問題；2）檢查整個工藝中各工序功能內(nèi)容，工藝是否合理；3）使零件達到各方面尺寸公差要求；4）使零件達到外觀視覺效果方面的要求。

全工序仿真模擬的流程

⑴準備工作。

1）解讀工藝內(nèi)容，主要包括：材料牌號及厚度、工序名稱、工序內(nèi)容、毛坯形狀和尺寸、詳細查看3D數(shù)模（包括各工序數(shù)模型面，各序功能線）等；2）材料性能參數(shù)及材料模型選用；3）確定板材開卷方向；4）如果采用虛擬拉延筋，準備拉延筋中心線并確定各工序拉延筋阻力；如果采用實際拉延筋，建議采用雙層拉延筋型面；5）確定沖壓生產(chǎn)線信息；6）明確幾何尺寸與公差（Geometric Dimensioning and Tolerancing）信息。

⑵全工序仿真參數(shù)設(shè)置。

全工序沖壓仿真因為涉及多個工步的仿真計算，而每個工步的計算都是基于前一個工步的結(jié)果，由于誤差累積的原因，最后的誤差可能會被放得很大，導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。基于以上的原因，多工步仿真的精度要求要遠比普通的單工序計算要高。

⑶全工序仿真設(shè)置流程。

以轎車車門外板為例，其全工序多工步仿真設(shè)置流程為：OP10開卷落料→OP20拉延→OP30修邊→OP40修邊，整形→OP50修邊，翻邊→OP60修邊，翻邊→檢具檢驗狀態(tài)（重力狀態(tài)下的自由回彈）。

設(shè)置流程注意事項：1）仿真過程除嚴格遵守工藝設(shè)計中工序內(nèi)容和程序設(shè)置外，還需考慮實際模具工作的物理過程和仿真軟件的模擬功能。例如，沖壓件脫模之后必然回彈，而仿真軟件不會自動模擬回彈過程，需要手工添加。2）需要注意的是，仿真所需要的模具型面須嚴格按照工藝所要求的符型區(qū)域截取，模具機構(gòu)運動也須完全按照模具結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)置。

⑷全工序仿真合理性分析。

所有仿真在利用計算結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)之前都應(yīng)仔細分析仿真的合理性，及保證計算結(jié)果是正確的，符合實際的。仿真合理性分析包括以下幾點：

1）計算過程中的收斂性檢查。每個時間步中的迭代次數(shù)均不能超過40次，否則該時間步未收斂，結(jié)果可能錯誤。如果過程中出錯，則需要檢查模型，查找原因。

2）確認仿真過程每一工步的工具動作內(nèi)容正確，板料動作合理，無不良現(xiàn)象發(fā)生。

目前，我公司的全工序沖壓仿真模擬技術(shù)已經(jīng)在工藝設(shè)計中全面推廣，并且在實際生產(chǎn)中得到了認證。在這個過程中，需要仿真計算的精度和現(xiàn)場調(diào)試環(huán)節(jié)高度吻合。所以，我們正在大力推動技術(shù)、加工和調(diào)試各環(huán)節(jié)緊密配合，保證仿真條件在現(xiàn)場的實施，使實際與虛擬狀態(tài)一致，這樣才能使仿真效果發(fā)揮最大作用。

結(jié)束語

綜上所述，模面技術(shù)和全工序沖壓仿真模擬技術(shù)是我公司現(xiàn)階段的模具核心技術(shù)。這兩項技術(shù)的應(yīng)用對沖壓件品質(zhì)提升，縮短模具制造周期發(fā)揮了很大作用。我們的技術(shù)人員將繼續(xù)與現(xiàn)場鉗工緊密結(jié)合，力爭使我們的計算結(jié)果和現(xiàn)實生產(chǎn)完全一致。進一步提高我公司的模具品質(zhì)，有效減少制造周期，從而快速響應(yīng)市場變化，以提高產(chǎn)品在市場中的競爭力。