淺談模面工程

文/王瑜·天津汽車模具股份有限公司

淺談模面工程

文/王瑜·天津汽車模具股份有限公司

當前汽車產業迅猛發展，汽車廠商為了贏得市場，吸引消費者眼球，必須不斷調整自己現有的汽車造型，甚至是開發新車型。汽車廠商通常會在自己的外覆蓋件上做出獨特的造型，尤其會在外板制件做一些漂亮、復雜的腰線或者特征，來打動不同的購買人群。汽車需要批量生產，制件需要模具成形。模具廠商需要快速生產出符合標準的模具，并且要保證模具能生產出高質量的制件。模面工程通過改變模具凸凹模的不等間隙，使得機械加工后的模具減少研合甚至不用研合，從而縮短了研合周期。模面工程通過對局部特征型面進行特殊處理，從而優化成形過程中的型面畸變問題，確保了制件的質量。

模面工程產生的背景

研配是模具生產的一個重要環節，其目的是保證批量生產的制件成形穩定、尺寸一致。研配的主要工作內容為研合著色。即使用壓力機反復閉合模具，找出模具型面硬點，去除硬點，最終保證凸凹模型面間隙均勻。研配通常使用風把、角向（表面是砂輪）研合模具（型面通常為球鐵或合金鑄鐵），一個班時的去除量大約為0.1mm，因此是一個比較細致且費時費力的工作。

著色不是一個過程，而是一個結果，它所反映出來的是凸模產品型面和凹模產品型面之間的間隙。著色產生過程是凸凹模在模具閉合到底的一瞬間，制件上粘附的藍油被凸凹型面粘走，模具再次打開，取出制件，制件上藍油較薄的地方說明型面間隙較小，相反藍油較厚的地方則說明型面間隙較大。

圖1為研配一段時間后的機蓋外板藍油著色。圖2為理論著色單。

圖1 機蓋外板藍油著色

圖2 理論著色單

模面工程出現之前，整個制件著色全部需要鉗工去研合。研合大型模具的時候，模具變形嚴重，為了要達到理論著色單的要求，需要從外向內一圈一圈的進行研合。一個標準側圍外板的研合周期需要一個月之久甚至更長。另外在研合過程中，研配型面的質量需要靠鉗工師傅手動保證，研合工作對鉗工的技術能力及經驗要求很高。如果工作過程中手稍微一抖，A級曲面出現凸凹不平，那就需要更多的時間去彌補，甚至是重新加工。

模面工程的含義

模面工程誕生于車間，起初目的是減少現場研合工作量，縮短模具制造周期。模面初期的定義為：在不改變工藝成形的基礎上，對模具型面進行整體或局部的變形處理，從而達到在制件成形噸位下模具配合型面的間隙均勻，這種對模具型面進行變形的曲面設計方法就是模面工程。近兩年模面工程與CAE成形性分析充分融合，引申出模面新的定義即工藝的延伸。模面工程是采用強壓、讓空等手段，微觀上通過改變型面間隙，優化制件成形過程。

模面工程的理論基礎

壓機變形

模面工程目前采用ANSYS對模具在機床上受力變形過程進行模擬。模型組成由機械滑塊，模具上模，模具下模，下模本體幾部分組成，其中下模本體底面固定，下模與下模本體之間綁定，上模壓板槽與滑塊之間綁定，機械滑塊立柱表面載荷為1600t。接觸定義為機械滑塊與滑軌間隙接觸，摩擦系數0.12，間隙0.3mm；模具上模與滑塊之間接觸，摩擦系數0.12；上模產品面與下模產品面之間為標準接觸，摩擦系數0.12。仿真類型采用ANSYS靜力分析。

產品面接觸壓力（kPa）分布計算結果如圖3所示。產品面接觸壓力分布表明，隨型筋的布置會影響接觸壓力，模具外圈接觸壓力更大一些。

圖3 產品面接觸壓力分布

產品面接觸狀態計算結果如圖4所示。產品面接觸狀態表明，隨型筋的布置會影響接觸狀態。

圖4 產品面接觸狀態

上下模VON-MISES應力分布（kPa）計算結果如圖5所示。圖5表明，上下模應力分布狀態趨勢相同，上模應力大于下模應力。

圖5 上下模VON-MISES應力分布

上下模產品面Z向位移(mm)分布計算結果如圖6所示。圖6表明，上下模產品面Z向位移分布趨勢相同，上模位移大于下模位移。

圖6 上下模產品面Z向位移分布

通過對此皮卡側圍外板建型、模擬計算分析，得出以下結論：

⑴模具在較大壓力下會產生變型，模具產品面周圈區域通常位移大、應力大，接觸狀態好，模具產品面中心區域通常位移小、應力小，接觸狀態差。

⑵模具結構設計中的隨型筋傳導力源效果較好。主棱線、門把手處、輪旋等關鍵部位需要布置隨型筋，保證型面有較充足的壓力，有利于縮小成形缺陷，優化面品。

⑶上模與下模變形趨勢相同，下模被動根據上模變形而變形。

通過對不同模具及制件進行若干次模擬分析，結合現場，得出以下結論：

⑴模具變形跟壓力機床有關，機械機床和油壓機床產生的效果不同；與機床滑塊剛度有關；與機床的滑塊載荷接觸面有關；與機床的臺面精度有關。模具在機床上的擺放位置也會影響模具變形趨勢。

⑵模具變形跟模具尺寸有關，一般2.5m以下的模具不會產生壓機變形，隨著模具的長度增加，模具變形會逐漸增大。機床X向變形要比Y向變形要大。

⑶模具變形與模具強度有關。

制件成形

使用Auto form對制件成形過程進行模擬，分析模擬結果，判斷制件面品缺陷。圖7為通過Auto form分析的油石檢測結果，根據經驗判斷，車門門把手處及窗框處型面存在缺陷，需要對此區域進行模面補償。

圖8為通過Auto form分析的減薄結果，模擬出后背門外板轉向燈處減薄較大，如補償不到位，此處容易出現面品缺陷。

機械加工

圖7 油石檢測結果分析

模具機械加工過程中會產生若干問題，需要模面工程進行彌補。例如圓角清根不到位、立面加工出現讓刀。

模面工程的操作內容

補償壓機變形

處理過程包括以下幾個方面：

⑴根據結構強度分析報告以及以往的研合經驗做出規劃，確定相應變形數值，壓機變形量一般處理在凹模上。

⑵使用CATIA軟件，按照規劃找出相應的變形點，作為原始點，使用偏置命令，偏置對應的變形數值，得到目標點。

圖8 減薄結果分析

⑶在think3中輸入數值、原始點、目標點，然后使用高級曲面變形命令，將原始型面按照原始點和目標點的映射法則進行變形，得到新的補償后的型面。

⑷模具產品型面角度不同，因此需要對壓機變形補償后的型面再一次進行斜度補償，例如側圍門洞內的鎖孔及鉸鏈孔，型面幾乎成90°角，需要加量補償。

⑸拉延補充面不需要著色，讓空處理，考慮到二序修邊符型，因此通過旋轉的方法，保證產品著色面和補充面差量在0.2mm左右。范圍一般是產品面向外保留5～10mm。一些特殊制件的補充面不進行讓空處理，例如翼子板月亮彎區域，該處補充立壁保留原始，消除型面缺陷。

補償成形過程中的缺陷問題

⑴下垂和隆起處理。為了保證型面面品質量，克服制件翹邊，及局部暗坑，模面會進行隆起處理和下垂處理。下垂具體方法如圖9所示，范圍30mm下垂0.15mm。型面注意需要保證曲率連續。

圖9 下垂處理方法

⑵強壓處理。對產品型面局部減小間隙，范圍一般根據現場經驗和模擬計算結果，目的是優化型面質量。

⑶補償機械加工。①機械加工過程中，凹角清根不到位，需要做讓空處理，讓空量一般在0.5～1mm，讓空量在0.8mm最好；②機械加工過程中，較高的立面加工不到位，出現讓刀的情況，所以不著色的立面讓空處理，讓空量一般在0.2～0.5mm。

模面工程的意義

⑴模面工程可以有效地縮短生產周期，降低模具生產成本，保證模具表面的質量，排除了人為研合等不穩定因素。經過模面處理的側圍外板，研合大約需要3～5天，相比未做模面處理的一個月研合周期，整整縮短了20多天。同時也有效的降低了研合機床使用時間，同樣也降低了人力成本。

⑵模面處理可以確保流料的均勻，保證成形穩定，同時可以延長模具的使用壽命。例如壓邊圈，在間隙不均勻的狀態下，管理面對料流入的阻力不相同，會造成進料不均，形成褶皺。批量生產后，模具表面劃出凹痕，造成損壞模具。經過模面處理后，壓邊圈間隙均勻，著色穩定，褶皺就會明顯減少。模面處理前后板料褶皺對比如圖10所示。

⑶模面處理是解決面品問題的基礎。外板A級曲面往往會出現凹陷、斷線等面品缺陷。解決這些問題著色是根本，如果一個制件的特征附近沒有著色，那此處間隙一定過大，此處面品一定得不到保證。通過模面強壓處理或隆起處理后，外板件型面面品得到改善，凹陷區域得到減少。另外也可以通過模擬分析軟件提前預測和判斷面品區域以及范圍，提前做出補償。

⑷模面處理也可以保證公差、沖孔尺寸、檢測點和夾持點的位置。將重要的型面規定為高著色，并且全序符型進行緊壓。

模面工程與模具制造的整體關系

圖10 模面處理前后板料褶皺對比

⑴模面工程與車間現場相結合。成熟的模面工程團隊有能力針對不同工廠進行總結積累計算，幫助車間制定一套高效的研合思路。大部分模具廠都會把生產周期和生產成本，當作是自己的生命線。通過引入模面工程，可以有效降低研合時間，降低模具研合消耗，降低人員成本。

⑵模面工程與工藝相結合。目前模面人員已經深入了解工藝成形性分析，了解更多工藝成形中的細節問題。通過和工藝分析人員討論、預判，在模具制造前期，利用模面處理輔助成形；制件回彈也是目前模具廠商最為頭疼的問題，模面通過對產品進行強壓及保壓處理，可以有效的抑制一部分回彈。

⑶模面工程與結構設計相結合。模面人員更了解模具車間現場的需求，可以告知設計者模具哪些區域更需要強壓，哪些區域需要布置力源；同時也可以對模具符型區重新定義，幫助結構減少鑄件重量。

⑷回彈處理、點云逆向、工程模具強度校核。A級曲面的回彈處理是模面未來的一個主要發展方向。制件成形后不可避免的要發生回彈，當回彈較大的時候，就要考慮根據回彈趨勢重新制作產品型面。由于A級曲面受到光柵、曲率等因素制約，不可能跟計算結果保持一致。因此模面工程需要在這個領域繼續研究發展，盡可能將制作出來的型面貼和現場結果相符。復制模具，最好的方法就是掃描模具，逆向制作。傳統的方法是將點云轉化成型面，用于編程加工。模面工程目前正在優化點云，處理點云，將點云用于編程。工程模具強度校核也是模具的一個發展方向，模面工程可以模擬現場狀態下的模具強度，預防模具強度不足等失效。

結束語

模面工程目前處在一個相對成熟的時期，對于著色方面已經得心應手，已經為車間降低了生產時間，節省了生產成本，縮短了生產周期。在回彈方面和面品處理方面也擁有了自己獨特的解決方法。