一種基于清潔生產(chǎn)的覆蓋件模具工裝開發(fā)技術(shù)

文/黃祥坤，彭本棟·奇瑞汽車股份有限公司

本文從CAE 仿真模擬、沖壓工藝排布、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，從生產(chǎn)源頭消除碎屑、粉塵，減少模具工裝各部件剛性撞擊兩個(gè)維度，總結(jié)出一種基于清潔生產(chǎn)的汽車覆蓋件模具工裝開發(fā)技術(shù)，并在奇瑞高端SUV 星途TX/TXL 車型所有覆蓋件中應(yīng)用，如左右側(cè)圍外板、左右翼子板、四門兩蓋等零件并取得非常好的應(yīng)用效果。

近幾年，在國家對環(huán)境保護(hù)要求越來越嚴(yán)格的大環(huán)境下，對污染治理與控制的要求也越來越高，為達(dá)到排放要求，企業(yè)要花費(fèi)大量的資金，提高了治理費(fèi)用，即使如此，一些要求還是難以達(dá)到，只著眼于末端處理的辦法，不僅需要巨大的投資，致使企業(yè)消耗增高，產(chǎn)品成本增加，經(jīng)濟(jì)效益下降。作為工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)如何提升清潔生產(chǎn)，減少或消除生產(chǎn)過程對人類及環(huán)境的可能危害，使社會經(jīng)濟(jì)效益最大化，是企業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重大課題，因此基于清潔生產(chǎn)的汽車覆蓋件模具工裝開發(fā)技術(shù)也是各主機(jī)廠重點(diǎn)攻關(guān)的難題。

清潔生產(chǎn)模具工裝技術(shù)問題分析

本文基于清潔生產(chǎn)的模具工裝開發(fā)難點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：

⑴在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碎屑、粉塵嚴(yán)重影響外覆蓋件表面質(zhì)量，特別是鋁板在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的碎屑和粉塵嚴(yán)重危害到生產(chǎn)安全。

⑵高速自動化生產(chǎn)線節(jié)拍越來越快，一般沖壓車間操作崗位的噪聲平均都在90dB(A)以上，部分區(qū)域甚至達(dá)到100dB(A)以上，嚴(yán)重危害生產(chǎn)工人的聽力和健康。

⑶高速線批量生產(chǎn)時(shí)，模具疲勞極限要求也越來越高，模具材料等級不斷提升，大大增加了模具開發(fā)成本。

表面凹陷變形問題是沖壓生產(chǎn)中的難點(diǎn)，汽車覆蓋件因表面凹陷變形問題造成的返修率超過30%，其中碎屑、粉塵是造成汽車覆蓋件在沖壓生產(chǎn)中表面出現(xiàn)凹陷變形麻點(diǎn)的最主要原因之一，碎屑、粉塵導(dǎo)致板件凹陷變形、麻點(diǎn)的過程如圖1 所示。粉塵主要產(chǎn)生在拉延工序，為了提升汽車車身鈑金件防銹蝕能力，覆蓋件采用了鍍鋅鋼板，鍍鋅鋼板在拉延材料流動過程中，材料表面鍍鋅層與模具摩擦出現(xiàn)鍍鋅層部分脫落而形成粉塵。碎屑主要在沖壓修邊沖孔模具將零件材料進(jìn)行分離時(shí)，材料在刃口的剪切力作用下發(fā)生分離的同時(shí)會產(chǎn)生大量金屬粉末和切屑，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，修邊工序碎屑絕大部分在廢料刀部位。金屬粉末和切屑留在模具中或粘附在零件表面，再進(jìn)行沖壓生產(chǎn)時(shí)會造成零件表面出現(xiàn)凹陷變形、麻點(diǎn)，因粉塵和碎屑造成的不良問題占60%以上，如何控制沖壓過程中的粉塵和碎屑，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)覆蓋件鈑金件亟待解決的課題。

圖1 碎屑、粉塵導(dǎo)致板件凹陷變形、麻點(diǎn)示意圖

圖2 拉延現(xiàn)場出現(xiàn)粉塵

清潔生產(chǎn)模具工裝技術(shù)方案分析及現(xiàn)場應(yīng)用

拉延工序粉塵問題

板件在拉延成形過程中，材料要經(jīng)過壓料面區(qū)域流動到達(dá)凸模成形區(qū)域再經(jīng)過拉延達(dá)到塑性變形，在材料流動過程中，鍍鋅層與鈑金層流動速度存在差異時(shí)，鍍層鋅就會脫落留在模具型面上，在板件成形到底時(shí)，型面上產(chǎn)生凹陷變形與麻點(diǎn)缺陷。圖2 為鍍鋅板在模具上掉脫落的大量粉塵。

由于鍍鋅層板料的特性，在拉延過程中出現(xiàn)鍍鋅層脫落的問題無法規(guī)避，如果不在模具結(jié)構(gòu)上有好的規(guī)避措施，拉延過程中產(chǎn)生的粉塵導(dǎo)致板件出現(xiàn)凹陷變形、麻點(diǎn)的缺陷也是無法規(guī)避的。經(jīng)過分析，如果在成形凸模上加工一些規(guī)則的小凹槽，既不破壞凸模的成形功能，小凹槽又能容納拉延過程中產(chǎn)生的粉塵，就可以解決拉延過程中粉塵導(dǎo)致板件缺陷問題。如果在成形凸模上加工小凹槽，小凹槽是否會在板件上出現(xiàn)成形痕跡，影響外覆蓋件的外觀品質(zhì)，為了方案穩(wěn)妥，試驗(yàn)制作了一套門外板等比例1/2 縮小拉延模，驗(yàn)證凸模規(guī)則網(wǎng)格化是否對外覆蓋件表面成形質(zhì)量存在影響，拉延模具凸模網(wǎng)格化試驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D3 所示。

圖3 拉延模具凸模網(wǎng)格化試驗(yàn)?zāi)＞?/p>

在經(jīng)過凸模網(wǎng)格化處理的試驗(yàn)?zāi)＞呱洗蚣?yàn)證評估，板件與模具接觸面與外觀面?zhèn)韧ㄟ^油石打磨確認(rèn)，如圖4 所示，板件與模具接觸面?zhèn)扔休p微凸模網(wǎng)格化處理的網(wǎng)格痕跡，板件外觀面?zhèn)葻o影響，經(jīng)評估判斷，只要可視面?zhèn)葻o影響，凸模網(wǎng)格化處理對板件的影響在板件油漆后不會出現(xiàn)缺陷，該方案可以實(shí)施。

圖4 凸模網(wǎng)格化試驗(yàn)?zāi)＞叽蚣?yàn)證

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證后，在門外板、發(fā)蓋外板、頂蓋、翼子板等外覆蓋件上批量應(yīng)用，模具按常規(guī)要求進(jìn)行保養(yǎng)清潔，因拉延過程中產(chǎn)生粉塵導(dǎo)致板件出現(xiàn)凹陷變形、麻點(diǎn)的問題已完全消除，方案是成功有效的，批量生產(chǎn)模具凸模網(wǎng)格化處理和處理后打件的狀態(tài)如圖5 所示。

修邊工序碎屑問題

在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，修邊工序廢料刀部位的剪切鐵屑非常嚴(yán)重，鐵屑在生產(chǎn)過程中帶到模具型面中，導(dǎo)致板件出現(xiàn)凹陷變形、壓傷缺陷非常棘手，主要原因是傳統(tǒng)切邊模具主刃口切斷時(shí)，板件部位壓料芯壓住板料，主刃口部位的修邊是可控的，廢料是在自由狀態(tài)下被切斷，在廢料切刃與主刃口交匯點(diǎn)部位，廢料撕裂是導(dǎo)致鐵屑的主要原因，廢料刀切斷過程原理及現(xiàn)場出現(xiàn)剪切鐵屑如圖6 所示。

針對現(xiàn)場難題，創(chuàng)新性提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化活動廢料刀如圖7 所示， 標(biāo)準(zhǔn)化活動廢料刀的活動上模刃設(shè)置在上模主刃口與上模廢料切刃交匯的部位，上模主刃口切邊時(shí)，活動上模刃共同參與切邊，主刃口切邊完成后，活動上模刃隨上模主刃口和上模廢料切刃繼續(xù)向下，當(dāng)廢料刀開始切斷時(shí)，活動上模刃壓住接觸部位即上模廢料切刃和上模主刃口交匯點(diǎn)部位的廢料，活動上模刃收縮壓住廢料，此時(shí)活動刃口起到壓料作用，避免廢料切刃與主刃口交匯點(diǎn)部位廢料自由撕裂產(chǎn)生鐵屑。

圖5 凸模網(wǎng)格化處理批量生產(chǎn)情況

圖6 廢料刀剪切原理及現(xiàn)場情況

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化活動廢料刀圖示及實(shí)物

利用施邁茨真空發(fā)生器技術(shù)在模具中吸塵。在碎屑、粉塵產(chǎn)生的切邊刃口部位，安裝施邁茨真空發(fā)生器，將修邊過程產(chǎn)生的碎屑粉塵集中收集，在生產(chǎn)過程中吸入模具中暫時(shí)存儲，在生產(chǎn)結(jié)束后集中處理，避免碎屑、粉塵飄入到生產(chǎn)車間空氣中。

通過活動廢料刀及真空發(fā)生器吸塵組合在覆蓋件模具中的應(yīng)用，現(xiàn)場模具按要求進(jìn)行每批次生產(chǎn)清潔保養(yǎng)消除了廢料刀剪切碎屑對模具和板件的影響，圖9 是改進(jìn)后生產(chǎn)現(xiàn)場情況，在該技術(shù)應(yīng)用前，由于碎屑、粉塵導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī)高達(dá)3.2%，占模具停機(jī)率41%，該技術(shù)應(yīng)用后，由于碎屑、粉塵停機(jī)完全消除。

模具工裝生產(chǎn)的靜音控制技術(shù)

圖8 施邁茨真空發(fā)生器吸收碎屑裝置

圖9 改進(jìn)后生產(chǎn)現(xiàn)狀情況

圖10 剛性、柔性混合驅(qū)動模具結(jié)構(gòu)

利用氣缸或液壓缸技術(shù)，在模具斜楔中作為驅(qū)動利用，避免模具中斜楔部件剛性撞擊，同時(shí)又能滿足高速自動化生產(chǎn)節(jié)拍要求，針對該問題提出了剛性導(dǎo)板驅(qū)動與氣缸柔性驅(qū)動混合的側(cè)整形模具結(jié)構(gòu)，如圖10 所示，降低模具工作過程斜楔部件撞擊生產(chǎn)的噪聲。

通過CAE 模擬分析技術(shù)，對于覆蓋件大型側(cè)整形斜楔，剛?cè)峄旌向?qū)動較剛性驅(qū)動，模具部件的沖擊載荷降低70%，可以有效解決模具斜楔部件的沖擊載荷，CAE 對比分析驅(qū)動沖擊載荷如圖11 所示。

圖11 CAE 對比分析驅(qū)動沖擊載荷

圖12 柔性側(cè)銷限位結(jié)構(gòu)

利用復(fù)合材料吸能降噪技術(shù)，在模具工裝活動部件限位中應(yīng)用，為了降低活動部件剛性撞擊，提出來了利用復(fù)合材料吸能降噪壓芯的限位結(jié)構(gòu)如圖12所示。

上述靜音技術(shù)在奇瑞公司星途TX/TXL 車型應(yīng)用，沖壓線噪聲從應(yīng)用前90dB(A)降低至80dB(A)，達(dá)到國家環(huán)保等級要求，改善技術(shù)應(yīng)用前，模具斜楔部件材質(zhì)采用FCD600，疲勞極限還不能滿足綱領(lǐng)要求，技術(shù)改進(jìn)后，模具材質(zhì)由FCD600 降至FC300，斜楔疲勞極限滿足綱領(lǐng)要求。

結(jié)束語

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車對覆蓋件的質(zhì)量要求越來越高，在汽車覆蓋件生產(chǎn)過程中，修邊工序廢料刀掉鐵屑，鐵屑落到模具工作型面，導(dǎo)致在板件上出現(xiàn)麻點(diǎn)、凹陷變形等缺陷，是沖壓行業(yè)面臨的一個(gè)難題。購車用戶在選擇汽車時(shí)不僅關(guān)注核心部件，高質(zhì)量的外觀已經(jīng)成為客戶選擇的重要因素之一，本文通過凸模網(wǎng)格化處理技術(shù)在車身覆蓋件模具上的應(yīng)用，消除了拉延工序粉塵對覆蓋件外觀質(zhì)量的影響，活動廢料刀及真空發(fā)生器吸塵裝置組合應(yīng)用，解決了修邊廢料刀部位粉塵、碎屑問題 ，消除了碎屑、粉塵導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī)，利用氣缸或液壓缸技術(shù)以及復(fù)合材吸能降噪技術(shù)在模具中的應(yīng)用，在減小沖壓線噪聲的同時(shí)，還降低了模具對材料等級的要求，大大提升了沖壓線生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)沖壓車間清潔生產(chǎn)。