沖壓自動化模具的研究與應用

彭 帥，朱煥剛，熊舸宇，牛利軍，張德斌

（東風商用車有限公司車身廠，湖北十堰442000）

1 模具自動化應用背景

隨著乖用車沖壓自動線技術的不斷發展以及沖壓無人化的趨勢日益明顯，商用車各大公司也感受到巨大壓力，紛紛投資建設沖壓自動線，希望在競爭日益激烈的卡車市場中占有一席之地。與傳統的手動沖壓線相比，自動化生產線的優勢主要體現在生產節拍的提升、沖壓件成本的降低以及沖壓件品質的提高。在沖壓自動化生產方式日趨完善的形勢下，沖壓模具的結構將極大程度地影響制件生產效率，因此對自動化生產沖壓件的工藝設計和模具結構設計提出了更高的要求[1]。

2 模具自動化的約束條件

自動化模具是一種能滿足沖壓自動線無人化生產的模具，具有快速定位，自動換模，機器人取件，自動排放廢料等功能。自動化模具在進行工藝設計和結構設計時，務必滿足相應的約束條件，即符合沖壓自動線的生產條件和沖壓自動化的先進性。沖壓自動線的生產條件主要是指自動化模具設計是否滿足沖壓工藝需要和沖壓設備的條件；沖壓自動化的先進性是指模具自動化的結構能否可靠地保證制件的質量，有效提高生產效率，并具有安全可靠，易于保養等特點。

2.1 工藝條件

自動化模具首要約束條件是模具設計尺寸不能超過工作臺的最大尺寸；其次模具設計的成形力或沖裁力應小于壓力機公稱力的60%，我司的沖壓自動線首臺壓力機為2,400t，它的正常工作噸位不能超過1,440t，倘若超出上述限值，滑塊與傳動連結部位可能產生劇烈振動受損，影響壓力機的正常使用及壽命；2,400t壓力機液壓墊的最大行程為350mm，模具設計時，壓料圈的頂起高度不能超過拉伸墊的最大行程，大于這個行程設備將無法生產。

我司的自動線2,400t壓力機的最大閉合高度為1,300mm，最小的閉合高度為750mm；滑塊的最大行程為1,200mm；模具設計時的閉合高度務必在750～1,300mm，同時為了提高自動換模效率，模具的閉合高度應盡可能的統一，切換模具高差值不能大于70mm，否則造成等待浪費。除了滿足既定的模具閉合高度外，機器人取件的通過性必須滿足以下條件：上模的輪廓高度+下模的輪廓高度+端拾器高度+制件高度+50<滑塊行程+閉合高度，如圖1所示。

圖1 端拾器通過性示意圖

2.2 模具結構

模具應具備最基本的自動化結構：電檢裝置（編碼器，接近開關，終端集線盒，插接線），存放氮氣缸，快速定位槽等。

如圖2所示，電檢裝置由接近開關①、連接電纜②③、終端集線盒（包括Harting接口）④⑤、以及編碼器⑥等部件組成，具備制件檢測、斜楔檢測、模具號設定等功能。其中編碼器安裝在哈丁插頭上，確保可準確傳遞模具編號信息給壓機PLC，實現快速換模及防錯功能。若一條沖壓自動線車型數量超過125種，建議采用10位2進制編碼器進行編碼和調整，接近開關作為制件投入的到位檢測，針對一個獨立制件設計時，模具的左右側布置一個，前后側布置一個。

圖2 電檢裝置連接圖

存放氮氣缸有3個作用：一是可靠性良好，避免彈性壓料元件長時間受力而損壞；二是操作性方便，減小上下模的導向咬合量，方便開模進行日常保養；三是安全性高，減少拿取剛性存放的動作，消除忘拿剛性存放造成模具損壞的風險，為自動換模的實現準備了條件。值得注意的是存放氮氣缸的布置需要避開鋼絲繩的起吊位置，否則會增加維修成本。

模具快速定位槽的作用是實現模具在工作臺上的快速定位，為模具自動快速夾緊提供必要條件。模具快速定位槽有2種定位方式，一種為兩端定位槽，如圖3所示；另一種為同側定位槽，如圖4所示，自動換模效率非常快，而吊模備模速度相對低下，自動化模具增加兩個快速定位槽實現快速備模，目前東風本田采用的是同側定位，東風日產采用的兩端定位。

圖3 兩端定位槽

圖4 同側定位槽

3 提高生產效率

3.1 模具相關工藝性要求

沖壓工藝排布一般采用對稱設計，這樣模具的結構多為雙拼結構或雙槽結構，也就是通常所說的一模兩件結構，這種模具結構減少了一次制件單獨生產時間和換模時間，可以將生產效率提高1.5~2.0倍。

對于左右對稱的沖壓件，采用多個（多種）制件同時成形，然后沖裁分離的設計方法，不僅可以改善板料受力狀況、使材料變形均勻，有利于沖壓成形，同時也減少模具和工序數量、減少電能消耗、減少操作工人數，提高材料利用率，從而全面降低成本。如圖5所示，左右件成雙實現的基礎上，在制件的非成品區域增加一個完全不同的制件，使該方案的工藝性、經濟性、生產性都大大提高。

圖5 一模4件

為了保證模具快速自動切換，模具的閉合高度盡量保持等高，因模具閉合高差大，我司最長換模時間為10min，最短換模時間為4min；模具送料高差盡量小，減少動作浪費，也可提高生產節拍；前后工序設計盡量保證送料方向的一致，避免因送料反向導致端拾器多余動作，造成時間浪費。

3.1.1 拉伸模帶料

拉伸模上模帶料問題是制件成形時共性問題，主要原因是板料在單動壓機上成形時，隨滑塊上升的凹模與成形后的制件貼合形成真空，制件因此被帶起。上模帶料會造成制件抓取的位置偏移，端拾器真空報警停線。

在模具結構上有以下幾個解決方案：

（1）凹模一般會加工多排直徑為φ4mm或φ6mm的排氣孔，減小帶料壓力，對于大型制件其效果一般不會太好，可以在上模成形面的非強壓區增加直徑為φ60~φ80mm以上排氣孔，數量一般為4~6個，降低帶料效果十分明顯，如圖6所示。

圖6 帶排氣孔的上模

（2）在模具結構設計時，壓料圈設計成托桿結構，液壓墊作為壓力源，可以控制壓料圈延時頂起，制件與凸模貼合形成真空，可有效防止凹模帶料，這種辦法單獨采用時，不適用于剛性較差的制件，因下模型腔內進氣不及時，致使制件上表面空氣壓力過大，從而導致制件變形，以上二種方法同時使用效果最好。

（3）二者都無法解決時，可以考慮在上模合適的位置增加強力頂料銷，如圖7所示，強力頂料銷一般設置在有一定成形剛度廢料的區域，防止制件產生缺陷。

圖7 帶頂銷的上模

3.1.2 后工序模帶料

模具結構復雜，局部型面存在負角的模具，端拾器無法正常抓取制件，可以在設計階段，將負角區域設計成推拉斜楔結構，這樣可以有效避免下模卡料；也可以在下模增加角度控制的氣動頂料機構，當滑塊上升到一定高度，壓機控制頂桿托盤頂起制件，使制件脫離模具型面，實現制件自由抓取。舊模具為了降低改造成本，也可以在局部增加直徑為φ20mm的圓形聚氨脂，高出型面1~2mm即可。

雙活翻邊模設計時，需要實現制件上翻和下翻。下模氮氣缸的行程應先行釋放，否則會造成下模頂出器瞬間彈起，制件失位，端拾器抓不住料，也可以在下模增加制件定位銷或在上模增加壓料銷，減少制件的自由度，實現端拾器自由抓取。若上模帶料，主要是上模型腔真空帶料，增加排氣孔便可解決此問題。

為了消除沖孔廢料回跳，凸模應設計成頂針式凸模，在完成沖裁后，頂料銷將沖孔廢料頂離凸模端面，防止其回跳；為了消除修邊廢料回帶，應在上模鑲塊合適位置增加頂料銷，防止其廢料回帶。

3.1.3 廢料堵塞

廢料排放是自動化模具生產中的重要問題，尤其是沖壓線效率及自動化程度越來越高的情況下，一旦發生堵廢料，輕則停機停線，影響生產效率，重則損壞模具，造成損失，所以，廢料通道設計好壞直接關系著沖壓自動線的生產效率[2]。

模具結構設計有以下幾種情況：廢料滑板角度大于30°，可以通過增加下模高度實現；小于30°可以選用慮網板減小摩擦力，提高廢料下滑速度；小于15°可以采用滾輪或滾珠導滑；工藝設計無獨立滑板的廢料可以采用打料器將廢料推進到旁側滑板上將廢料排出，前提條件壓機必須具備角度控制氣源。模具設計時，廢料排放優先考慮從壓機工作臺中洞排出，如圖8所示。

圖8 帶中洞的工作臺

3.2 新技術新結構

3.2.1 氣動固定板

氣動固定板是利用氣缸驅動固定板上下運動的一種裝置，如圖9所示，它可以實現不同制件狀態的快速切換，其主要功能是通過切換凸模行程來控制沖孔或不沖孔以實現不同的制件狀態。我司沖壓件小批量品種很多，生產50~200件的制件多達40種，若采用人工更換凸模或切換模具換件生產都會浪費大量生產時間。而采用氣動固定板切換制件狀態，其效果穩定，切換迅速。其工作原理是利用空氣壓力為氣缸提供動能，來推動斜楔的水平運動，以此來保證裝配凸模方塊頂起或落下，方塊的運動行程約為8mm，可以保證制件沖孔的無有。該結構應用需要具備兩個條件：①模具的型腔內有足夠的空間布置氣動固定板以及其氣管裝置，否則就會出現干涉而壓壞模具部件；②需要保證壓力機有兩個以上的氣源接口，且為常通狀態。

圖9 氣動固定板

3.2.2 翻倒式定位板

翻倒式定位板是利用氣缸推動定位板沿支點作旋轉運動的一種裝置，如圖10所示。該定位板在自動化模具中的應用可以有效降低端拾器的送料高度，提高端拾器傳輸速度。我司商用車頂蓋板的最大高度達到355mm，上模可穿越的高度為602mm，下模可以穿越的高度為1,213mm，端拾器抓取本身高度為420mm，4項通過性高度相加為2,590mm，已經大于壓機最大通過空間2,500mm，無法進行正常的制件傳輸，若降低定位板高度，制件無法準確定位。應用翻倒式定位板（250mm）后，通過性高度降低到2,340mm，可調空間有160mm，保證制件正常傳輸，并且提高了傳輸效率。

圖10 氣動定位板

3.2.3 廢料監控系統

目前大多數汽車主機廠采用高速沖壓自動線進行生產，整條生產線沖程數為10～17次/min，如果模具出現廢料堵塞現象，1min就會有10～17片廢料卡在模具型腔中，如未及時發現，會造成模具損壞[3]，進而影響自動線的生產效率。因此有效監控廢料堵塞，避免模具破壞而造成生產停線，以保證模具安全生產。

模具沖壓成形過程中，沖裁產生的廢料需要通過模具廢料滑道排出。傳統的廢料滑道只是一個排料的通道，沒有廢料監控系統，現有廢料監控系統可以用于對沖裁廢料的監控，在廢料通道出口的左右側、上下側各增加1組光電傳感器，用于監控廢料排放，通過PLC編程實現廢料滑道的動態監控，圖11、圖12所示分別是某車型側圍的廢料滑道的側視圖和主視圖。

圖12 廢料滑道主視圖

4 提高制件品質

4.1 沖壓工藝和模具結構

4.1.1 制件拉毛

為了更好地減少制件壓傷、拉毛等缺陷，模具在進行工藝和結構設計時應注意以下原則：模具型面可以選擇關鍵部位做強壓，非重要部位可以做弱壓或型面空開；強壓區域包括成形型面、控制材料流動的壓料面、制件搭接面等；弱壓區域包括成形過渡型面、非受力面、托料面、支撐面等；模具的強壓型面都需要進行精加工，其粗糙度值最好保證在Ra0.4μm以下。實踐證明，模具型面的粗糙度越大，摩擦力越大，模具磨損加大造成更大拉毛；間隙過小會造成制件壓痕、拉毛，間隙過大會造成制件波紋、起皺。因此，較小的粗糙度值，合理的間隙，可以有效減少拉伸件的缺陷；除了型面的加工精度與模具的間隙，模具材質的選擇也很重要，料厚大于1.0mm的覆蓋件，深度大易拉毛的部位，應設計成鑲塊結構，材料為SKD11或Cr12MoV等合金鋼，可大大提高模具耐磨性能。

4.1.2 制件壓印

制件在后工序模具沖裁中會產生鐵屑，鐵屑帶到模具型面上造成制件壓印，這直接影響制件的外觀質量，并且這種外觀缺陷很難修復，會增加生產成本。

針對鐵屑造成的制件壓印問題，各大汽車公司都自己的解決方案，但多數方案增加了模具的制造難度和制造成本，也增加了模具維護成本。目前簡單有效的方法有以下幾種：①通過減小壓料板與制件的接觸面積，從而減少鐵屑與壓料板接觸的概率[4]，模具制造時將壓料板非壓邊區做空開處理，空開深度為2.5mm以上，壓邊面保證30mm的壓邊寬度；②采用吸收裝置吸取鐵屑，吸料裝置主要由進氣管、文丘里管、固定調節支架3個部分組成，工作原理是利用壓力機PLC程序控制氣源的適時開啟與關閉，通過吸氣口與出氣口截面差形成的真空氣流，對沖模交刀周圍的鐵屑進行吸取清理，在模具修邊前接通，模具修邊后斷開，效果較好；③優化模具結構設計減少切屑生產，模具修邊刀口垂直度高，刀口側壁粗糙度小，否則修邊刃口側壁與工序件摩擦、擠壓越大，產生的切屑越多，上下刀口不能太鋒利，刀口越鋒利，上下刀口的平行度越差切屑越容易產生；④模具設計時可以采用滑切式模具結構，不過模具尺寸變大，相應的制造成本增加。現場緊急處理時，可在修邊沖孔模的廢料刀刃口處涂上黃油，產生的鐵屑被黃油粘住后很難進入模具型腔內。

4.2 先進的表面強化技術

沖壓生產中面對的難題是拉伸件外表面和凹模表面拉傷，嚴重影響制件表面質量和凹模壽命，為了有效提高制件質量，需對模具進行表面強化處理。大型拉伸模一般需要經過激光淬火處理和電鍍處理，激光處理技術一般針對模具成形型面，拉伸筋、拉伸槽等主要成形受力部位；經激光淬火處理后，其表面硬度可以達到55～58HRC，相比原來火焰淬火，具有淬火硬度均勻，型面變形量小等特點，可顯著提高拉伸模的表面本體質量，待制件調試合格穩定后，模具再進行電鍍處理，電鍍一般選擇鍍鉻層，它具有摩擦系數低，耐磨耐熱等特點。大量實踐證明，模具表面電鍍后可以生產合格件5萬以上，持續做好模具保養，生產合格件甚至高達14萬件。

針對生產板料在1.0mm以上的模具，應對成形鑲塊，翻邊鑲塊進行PVD處理，PVD具有較高硬度、低摩擦系數和抗高溫氧化能力的膜層，可明顯提高制件的表面質量，模具PVD處理后可連續生產合格件5~12萬。

5 降低成本

5.1 沖壓工藝與模具結構

根據制件生產批量來確認選擇不同等級的模具材料與模具結構，如果汽車的年產量為小批量生產，可以適當降低模具的材料級別，模具主輔筋適當減薄，這樣既可以滿足制件的正常生產和減少模具制造成本；也可以通過改進工藝設計減少模具的工序數，提高模具的復合程度，減小板料的毛壞尺寸，從而減少模具數量或減小模具的輪廓尺寸，最終達到減少模具成本目的。目前單動壓力機的液壓墊具有數字化的調節功能，4個角壓力是可調節的，我司的液壓墊調節范圍為800kN~6,000kN，液壓墊的頂起高度為0~350mm，可以滿足結構復雜的大型拉伸模的生產，不必將模具設計成結構復雜，重量較大的雙動結構，因此將拉伸模設計成單動結構。采用托桿壓料代替氮氣缸壓料，不僅從重量上減輕模具制造成本，而且每副拉伸模可以減少氮氣彈簧投入成本2~20萬元，例如我司的40C-8484模具設計成托桿頂料，可節約20個氮氣缸，共計16萬元。

5.2 材料成本

商用卡車的制件普遍較大，在設計制件時，往往會有大片材料的浪費，如：門外板的車窗、后圍外板的中間窗框和中頂蓋板的天窗區域等。為了利用這部分材料，可采用模中模技術，在這些區域加上小型制件與大制件一起沖壓制造，如圖13所示，可有效地提高材料利用率，降低材料成本[5]。

圖13 一模兩件

5.3 模具維修成本

汽車沖壓模具材質大體上分為標準件、鍛件、鑄件3大類[6]，模具在進行結構設計時，應盡可能采用標準件或通用件，這樣可以有效保證模具備件的互換性，減小模具備件的庫存品種，其中標準件需保證其在模具中的通用性和互換性。在設計前期模具的易損部位使用鑲塊結構，降低模具維修費用，同時制定合理的模具保全周期，可有效防止模具磨損或損壞產生的維修成本。

6 自動化模具的維護與保養

自動化模具的維護與保養是沖壓自動線正常生產的必要條件，其保證沖壓制件質量合格，減少甚至消除模具故障的發生、延長模具的使用壽命。

模具維護保養包括模具自主維護保養和模具計劃維護保養。模具自主維護保養以制造部門為中心的日常維護保養；模具計劃維護保養由維護保養部門為中心的定期點檢、故障修復，從專業角度解析不良和故障、改善弱點，防止再發和延長壽命，建立完善點檢、保養基準，推進維護保養費用等管理業務，確立有效率的維護保養機制。

7 結束語

本文通過分析模具在沖壓自動線中生產應用，闡述了自動化模具在進行沖壓工藝和模具結構設計時所要重點關注的可行性問題。指出了模具在實現沖壓自動化生產中的重難點問題，總結了自動化模具的關鍵設計要領，減少設計錯誤，大大提高設計效率，從而縮短設計周期，提高設計質量，保證了模具自動化的可行性，提高了沖壓自動線的生產節拍。