汽車覆蓋件模具設計

李占輝

（河源技師學院，廣東河源 517002）

0 導言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們在日常生活中對汽車的需求量也越來越大[1]。汽車除了發(fā)動機、底盤、變速箱外，最復雜的制造環(huán)節(jié)應屬于車身的沖壓工藝與模具設計。由于國內(nèi)汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車更新?lián)Q代的速度也持續(xù)加快，尤其是汽車車身的更新速度。汽車車身零件大多數(shù)都是由沖壓形成，例如發(fā)動機箱蓋、車門護板、擋泥板、車身內(nèi)護板等。沖壓件的成型質(zhì)量與沖壓模具的設計密切相關，因此，有必要在了解沖壓工藝的基礎上對沖壓模具的設計進行深入的研究，保證汽車車身的質(zhì)量。

1 汽車車身沖壓工藝

沖壓工藝具有以下特點：用于形狀復雜的薄壁零件，且經(jīng)過沖壓工序后零件的強度提高、質(zhì)量變輕、剛度增大。沖壓件表面光滑且具有較高的精度尺寸，可滿足一般互換性要求，在同一批沖壓件中可互相替換。簡化了操作，提高了自動化程度。進行大批量生產(chǎn)時可有效節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率[2]。

（1）沖壓材料

沖壓工藝對沖壓材料的要求極為嚴格，沖壓用材料必須具有良好的延展性、塑性、彎曲性、凸緣拉伸性等性能。如果所選的材料與零件形狀、沖壓模具設計和加工條件不相適應時，將產(chǎn)生斷裂、折皺、成型不完整（開裂、凸包、拉毛、波浪、回彈）等缺陷。目前，常用的沖壓材料包括冷軋鋼板、熱軋鋼板、表面處理鋼板等材料[3]。

（2）沖壓工藝方案

沖壓工藝一般包括沖裁設計、切邊設計、彎曲、翻遍等工序。各個工序階段都有嚴格的工藝要求保證沖壓的質(zhì)量[4]。以汽車發(fā)動機箱蓋為例，其沖壓工藝如下：下料拉伸——切邊、沖孔——豎邊——翻邊——壓印、沖孔——檢驗；工藝流程為：拉伸——切割——整形——翻邊——沖孔——切割——檢驗。

正常工藝可能無法完成零件的加工，需要工藝補充。工藝補充的設計原則如下：內(nèi)孔封閉的原則；簡化拉伸件結構形狀原則；保證良好的塑性變形條件，有些沖壓件深度較淺、曲率較小，但輪廓尺寸較大（發(fā)動機箱蓋），必須保證坯料在拉伸過程中具有足夠的塑性變形量，才能保證沖壓件滿足形狀精度要求和剛度要求；外工藝補充部分盡量小；方便后續(xù)工序加工的原則[5]。

（3）沖壓件質(zhì)量控制

沖壓件一般滿足表面質(zhì)量良好、復合加工要求的幾何尺寸和形狀、足夠的強度與剛度以及良好的工藝性等要求[6]。保證沖壓件沖壓質(zhì)量的方法有精度檢驗與外觀檢驗兩種。根據(jù)檢驗結果對沖壓件采用如下方法進行修復：手工修整沖壓零件、修補模具，改進模具的設計與制造方法等。

（4）汽車覆蓋件沖壓關鍵工藝

汽車覆蓋件的沖壓方向，如：拉延方向、修邊方向、翻邊方向、沖孔方向、非必要負角問題、空間曲線的修邊線問題、非必要曲面孔問題、特征太密與結構突變問題、復雜曲面的圓角、轉角、球面等問題[7]。此外，翻孔的結構問題，正規(guī)孔和異型孔的翻孔結構的設計與沖壓工藝有關，分為兩序孔和三序孔，如沒有功能要求應盡量采用拉延、沖孔的翻邊結構。在覆蓋件關鍵部位采用余料吸收結構設計，在一些容易起皺和拉裂的部位設計一些反向特征，減小由于起皺和拉裂引起的材料缺失等問題。最后，覆蓋件的設計基準也影響模具的設計，模具通常根據(jù)設計基準保證基本拉延的拔模角。

2 模具設計技術

2.1 基于CAD/CAM的模具制造

沖壓件沖壓的質(zhì)量不僅取決于沖壓工藝和沖壓材料，更重要的是沖壓模具的設計。隨著CAD/CAM技術的成熟，模具的設計水平得到了極大提升，且隨著五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心加工精度的提高，沖壓模具的加工精度和復雜程度也可滿足沖壓模具設計的要求。

一般來說，模具的制造工藝可分為粗加工、精加工、裝配，其步驟如下：基準面切削加工；劃線；機械加工（通用機床加工、仿形加工、特種加工）；精加工（曲面粗加工、模具研磨）；合模；模具裝配。基于五軸加工中心的模具制造可實現(xiàn)復雜曲面的加工，通過CAD/CAM技術合理規(guī)劃加工路徑，結合數(shù)控加工中心的精密加工技術實現(xiàn)高精度模具的加工。經(jīng)加工中心加工后的模具也必須通過磨削和拋光加工，最終保證模具表面的精度要求。通過高質(zhì)量和高精度的模具降低后續(xù)模具制造的復雜程度，可以提高生產(chǎn)效率，促進沖壓工藝的發(fā)展。

圖1 基于CAD/CAM設計的汽車覆蓋件三維模型

2.2 模具表面磨損及壽命控制

模具表面磨損檢測也是困擾技術人員的難題。目前國內(nèi)檢測模具磨損是根據(jù)沖壓后成品表面的質(zhì)量精度判斷模具是否應該更換。但該方法不具有預測性，只能根據(jù)成品的質(zhì)量判斷模具的磨損情況，無法滿足現(xiàn)場加工的要求。如圖2、3所示，為由于模具磨損導致的產(chǎn)品問題。

圖2 產(chǎn)品起皺

圖3 產(chǎn)品毛刺

對于模具磨損及壽命控制，本文提出以下措施：

（1）基于采集模具數(shù)據(jù)預測模具表面磨損和使用壽命。從新的模具安裝完成后開始記錄模具使用時間，在模具磨損超出使用范圍時，記錄模具的使用時間，通過對大量數(shù)據(jù)的記錄，根據(jù)概率統(tǒng)計的方法統(tǒng)計分析模具磨損的規(guī)律，并在計算機中設置相應的閾值，超出閾值時，提示操作人員更換模具。

（2）基于模具檢測的反饋，對模具結構的關鍵型面進行定時檢測，若檢測值超出正常值時，說明模具磨損過度。

模具磨損檢測與控制對企業(yè)節(jié)約成本、避免浪費具有重要的意義。

3 工程應用實例

上述工藝與模具磨損檢測技術已應用于某汽車企業(yè)和多家模具制造公司，并取得了良好的效果。采用模具磨損檢測技術后每個季度至少可以降低30%的不合格率，極大的降低了廢品率，提高了企業(yè)的效益。圖4為汽車模具制造現(xiàn)場。

圖4 沖壓工藝現(xiàn)場

4 結束語

汽車車身沖壓工藝與沖壓模具的設計是影響汽車行業(yè)車型更新?lián)Q代的關鍵技術，它不僅影響汽車更新的周期和研發(fā)的成本，也間接促進了新的沖壓技術和模具設計技術的發(fā)展。盡管國內(nèi)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，但沖壓工藝和模具設計與國外技術仍存在較大的差距，無法生產(chǎn)高端的汽車沖壓件，嚴重阻礙了我國高端汽車行業(yè)的發(fā)展。對沖壓工藝與沖壓模具設計技術的研究對我國高端汽車行業(yè)的發(fā)展具有重要意義，借鑒國外先進技術，并不斷投入研發(fā)人員，可以實現(xiàn)高端汽車車身沖壓件的制造，打破國外技術壟斷。