U型零件成形模具結構設計及應用

李　益 董志遠 王　永

U型零件成形模具結構設計及應用

李益1董志遠1王永2

（1.柳州市金元機械制造有限公司，廣西 柳州 545007；2.四川建安工業有限責任公司，四川 雅安 625100）

隨著汽車行業的發展，沖壓模具技術也快速發展，傳統的模具制造工藝已經難以滿足新時代發展需求，客戶的產品日益創新，結構多種多樣，對不同的結構零部件有著不同的模具設計要求，沒有結構創新就沒有模具設計的進步，針對特殊零部件結構，在模具設計時，創新地加入了旋轉軸的構思理念，并運用到實際制造中。文章利用AutoForm軟件對設計模具進行結構成型分析，避免了工藝路線錯誤，成型失敗造成的不良后果，模具旋轉軸的實踐運用不僅增加了模具壽命，節省了后期易損件的加工成本，還能保證零件成型穩定性和外觀及尺寸要求。

U型；模具；AutoForm-CAE分析

引言

當前，隨著汽車及工業技術的迅速發展，模具設計制造日益受到人們的廣泛關注，將高新技術應用于模具設計與制造已成為快速制造優質模具的有力保證。而現代制造技術生產過程中，先進的加工工藝、高效的生產設備、優質的模具是必不可少的三項重要因素。高效的全自動設備也只有裝上能自動化生產的高效的多工位及多功能級進模模具才有可能發揮其作用，產品的生產和更新都是以模具的制造和更新為前提的。由于制件品種和產量需求很大，對模具也提出了越來越高的要求。因此促進模具的不斷向前發展，近年來，模具增長十分迅速，高效率、自動化、大型、微型、精密、高壽命的模具在整個模具產量中所占的比重越來越大。模具在生產中的作用越來越重要，其地位也在不斷上升。尤其是最近幾年，沖壓模具工業的發展很快，在國民經濟中的影響地位日趨明顯，而傳統的模具制造工藝已經難以滿足新時代發展需求，特別是CAD/CAM技術在模具工業中的應用，使模具工業進入高新技術產業化的重要領域。新技術向模具工業的滲透，改變了傳統的模具設計與制造理念。此這篇文章將帶有旋轉軸功能的模具分析深U型零件成形工藝。文章結合某汽車底盤某零件的模具制造、工藝分析、模具設計和制造角度來看，模具分為以下方面。

1　零部件工藝分析

首先分析零件結構外觀，零件有較多的加強筋，型面不容易實現，零件兩側面均有安裝孔，用于裝配焊接。為了保證兩零件在焊接時能夠吻合以及焊接穩定性的提高，主機廠產品工程師均在兩個零件的底面開了工藝孔，用于焊接裝配定位。此安裝孔會影響到零件裝配精度，孔的位置度可影響其裝配質量，孔位的尺寸鏈偏離會造成零件成型尺寸偏差，因此零件安裝定位孔不能有較大的變形和錯位。所以底面的安裝定位孔需在零件成形后沖載，這樣能方便后續焊接時調節。

經過以上分析，可擬定出兩種工藝方案：A方案為落料→成形→測沖孔→沖孔→檢驗；B方案為落料沖孔→成形→沖孔→檢驗。A方案的落料我們采取人工落料方式，由于兩個零件不一樣所以設計兩套落料模具，成型工序兩個零件可以設計在一套模具上成型。側沖孔工序因為斜楔機構的存在，在結合公司設備實際情況需設計成兩套，沖孔可以設計一套。

A方案需開發模具總數量六套，經計算材料利用率80.3%；B方案的落料沖孔采取機器自動落料方式，且設計成（一落二）形式。因為把零件的測面孔放在落料工序一并沖載而出。因此可以看出B方案比A方案減少了三套模具，即B方案需開發模具總共3套，經分析計算B方案材料利用率84%，相比A方案材料利用率提高了3.7%。A方案對于零件質量來說，該方案優于B方案，但是該方案多出一道測沖孔工序，而且落料方式采取比較傳統的人工操作模式。對于高量產零件來說，勞動強度相對大，工作效率相對低。模具投入成本增加，且工序過多，后續零件制造的成本也相應增加。B方案相對于A方案工序少一道序，模具開發成本也相對減少，而且落料沖孔采取自動落料方式，零件制造成本顯著降低了不少。A方案唯一缺點是需在成型前需確定零件側面孔在落料工序時的位置，但考慮到側面孔是用于焊接，只要相對位置不超出公差范圍即可，加上設計前利用AutoForm逆向反算修邊線功能的分析輔助，可以精準計算出該孔的位置?；谝陨瞎に嚪桨傅膬炄秉c相比，綜合考慮確定工藝路線可采用B方案（如圖1所示）。

圖1　工藝流程布置示意圖

由于該深U型零件的加強筋較多，成型工序就成了工序中最重要的一環，需用Autoform軟件對成型過程進行模擬分析在鈑金成型運動中是否有拉裂、起皺等缺陷情況。在分析之前需將模具成型的大致結構確定，如圖2所示（模具凹模結構圖）。根據零件的特性，由于加強筋的存在會對模具造成大量的摩擦和零部件拉裂可能，為了避免或減少成型過程中的摩擦和模具的壽命問題，在設計中特意在模具凹模模腔內加入了可旋轉的轉動軸機構，轉動軸還需經過選用優良的模具鋼，經過真空熱處理后，再對轉動軸進行拋光，在進行TD表面處理來增加轉動軸的表面硬度和光滑度。對成型過程中板材與模腔摩擦力會大大的減少，順暢度有著很大的提升。

圖2　模具凹模結構圖

用AutoForm軟件分析成形結果后，我們可以利用FLD分布圖直觀顯示出可能發生各個成型情況分布的區域，如安全區域、開裂區域、起皺區域。如圖3為此次仿真的FLD分布圖。從該圖可以看出，板材在帶有U型旋轉軸的凹模模具內腔內成型，成型零件不會產生拉裂情況，僅有一些微小起皺，由于零部件設計使用板料比較厚，用肉眼無法看出存在微小起皺，因此不影響零件質量和零件美觀度。同時零件的側面安裝孔在仿真中也沒有出現嚴重變形。

圖3　成型分析圖

經過AutoForm軟件的分析，有效地避免了后續工序的制定和工藝流程錯誤，大大地節省了模具開發周期和不必要的試制模具、調試工作。使用AutoForm軟件分析后，最大的好處是，它能提供從產品的概念設計直至最后的模具設計的一個完整的解決方案。

2　模具結構設計

基于該深U型零部件在某主機廠需求量較大，且一臺汽車需使用4件，左右各使用2件。一年將近有36萬臺用量，如此大的需求量，生產制造次數對模具的負荷程度要求很高。因此需對模具結構有創新的思維設計理念。如果按傳統模具結構（如圖4所示）來設計，凹模⑤的圓角處磨損較快，由于凹模表面與材料表面存在相對磨擦，而材料相對于與凹模來說是比較軟的，因此模具長時間使用后必然會使工件表面留下劃痕，且隨著模具的長使用時間工件的劃痕會越來越嚴重。劃痕產生的鐵粉附著在凹模表面上，甚至掉落在浮料芯與凹模之間的間隙中。輕微時零件會有劃痕，嚴重時會造成模具的損壞。由于料片材料鐵粉附著在凹模，會造成凹模磨損速度加快，模具工作性能也相對下降，如果不及時維修或更換模具磨損件，就會產生成形零部件的質量問題。而且零件質量也會隨著模具的使用的頻次逐漸下降，影響裝配質量。因此模具維修頻率相當高，即使模具正常維修，零件質量也大不如初。因為維修時大部分方法是拋光凹模來解決問題，因此隨著維修次數的增多，凸凹模之間的間隙也會加大，導致成形品質下降。為保質保量，需優化改進當前傳統的模具結構。設計出合理的模具，以提高成形的質量。

1.凸模墊板 2.彈簧 3. 凸模 4.定位板 5.凹模 6.零件 7.頂料針 8.浮料芯 9.到底墊塊

經分析對比，兩個深U型零件的型面不完全一樣，非對稱件，但兩個零件也存在裝配關系，即兩個零件裝配起來形成一定形狀的（盒子）后再用二氧化碳氣體保護焊焊接。綜合考慮可設計成一模兩腔的結構。這樣即可以減少模具成本，又減少了因加工造成的誤差，模具整體框架結構的強度也提升不少。兩零件側面都有凹凸型面，因此在設計轉動軸時每一節段的直徑都是不一樣的，但是考慮到轉動軸能夠旋轉必須設計成所有節段都同軸。所以轉動軸壓料板與凹模鑲塊裝配后兩者之間必須形成一個與轉動軸同心的一個圓來保證轉動軸轉動自如。因此凹模鑲塊需在放置轉動軸軸芯二分之一處銑切一個直角面（即兩個基準面）用以裝配轉動軸壓料板。而轉動軸壓料板銑切一半圓的凹槽用以壓住轉動軸，防止轉動軸轉動時發生位移甚至掉出來。轉動軸壓料板與凹模鑲塊裝配后形成的圓形，直徑應大于轉動軸。其間隙應取0.3 mm±0.05的間隙配合，這樣才能更好保證轉動軸能夠旋轉。兩個零件合用一個模腔，所以把凹模分成4塊鑲塊，轉動軸也拆分成4根。這樣設計也可以避免因熱處理變形等問題出現，后期更換也方便快捷，還可以減少成本。

考慮到U形零件成形時其張開力大而導致凹模鑲塊裂開的風險，因此需增加設計一塊凹模箍板。該模具的浮料芯上有型面，浮料芯需要設計有導向，以保證零件因浮料芯晃動不定而影響其質量。用于做浮料芯的導向面可設計在凹模箍板的兩端處線切割出10 mm寬、60 mm長的導向槽。經過分析此次模具的浮料芯用4個極強載荷型氮氣彈簧（RGP500-63-P150）作為動力源，1個氮氣彈簧最大載荷為0.776噸，總最大載荷為4×0.776即約為3.1噸。相對于小型鋼板模具來說該載荷比較大，所以浮料芯有彈出模具凹模鑲塊的風險，所以在凹模箍板兩端的導向槽上表面安裝兩塊浮料芯安全擋板，以防止浮料芯彈出而發生安全事故。同時為了能讓浮料芯在彈起的過程中更好的接觸浮料芯安全擋板，在浮料芯兩端處設計出13 mm寬、60 mm長、深度10 mm的階梯。這樣就有效避免浮料芯彈起的時候與浮料芯安全擋板為點接觸。該模具直接工作面主要有傳動軸表面、凸模表面、凹模鑲塊側表面及浮料芯上表面。其中轉動軸的直徑比較小又細長，在模具工作中斷裂風險性極高。而模具的性能必須滿足以下方面：高的強度（包括高溫強度、抗冷熱疲勞性能），高的硬度（耐磨性能）和高的韌性，并且還要求有良好的機械加工性，等等。其次轉動軸、轉動軸壓料板、凹模鑲塊，浮料芯加工精度要求略高，所以這幾個主要部件需進行真空熱處理。轉動軸除了真空熱處理外增加TD處理。模具簡圖如圖5所示。

1.凸模墊板 2.彈簧 3.定位板4.轉動軸壓料板 5.傳動軸 6.工序件 7.凸模 8.凹模鑲塊 9.頂料針 10.浮料芯 11.凹模鑲塊箍板12.到底墊塊

3　模具工作過程

模具主要由凸模、凹模鑲塊、TD轉動軸、轉動軸壓板、頂料針、浮料芯，到底墊塊等組成。當模具沖載閉合前，浮料芯⑩上浮到與凹模鑲塊⑧平齊（動力源為氮氣彈簧），落料工序件⑥（此時是平料，無任何成形）放入定位塊③后，模具沖載時先由凸模⑦往下運動壓住板料（動力源為沖載設備），當落料工序件⑥與轉動軸⑤接觸后，轉動軸⑤由于跟轉動軸壓料板④之間存在間隙的原因開始轉動。此時由于浮料芯⑩在氮氣彈簧的作用下與凹模面齊平，落料工序件⑥不會發生錯位、移位等，進而落料工序件⑥先成形浮料芯⑩上表面的型面。凸模⑦繼續往下運動，落料工序件⑥由于凸模⑦與凹模鑲塊⑧之間的擠壓，落料工序件⑥的側面開始成形出型面。凸模⑦繼續往下運動一直到浮料芯⑩的底部表面與到底墊塊?的上表面完全接觸。此時，落料工序件⑥的所有型面已完全壓制成型，然后沖載設備回位，落料工序件⑥（此時已完全成形）由于回彈等因素粘附在凸模⑦上，當沖裁設備回位到一定的行程時，頂料針⑨在彈簧②的作用力下推出該道序的工序件⑥。此時一個工作循環完全結束。依次順序進行生產。

4　結束語

本文重點介紹了深U型汽車底盤件的工藝步驟在成型工藝中的模具結構，此模具結構設計具有獨特創新，結合使用AutoForm軟件分析，設計出最優的工藝、模具設計方案。模具結構設計了轉動軸，使深U型鈑金件與轉動軸的絕對滑動，大大減少深U型鈑金件與模具之間的摩擦力，使模具沖載成型時工作穩定，同時也提高的模具使用壽命，維修頻率也大幅降低，有效解決鈑金U型成形表面劃傷的質量問題。模具經過大批量生產驗證，零件外觀良好，未有明顯的刮傷現象，同時反映出模具有良好的穩定性。經過實踐證明，該方案模具設計對零件質量穩定，尺寸精度符合圖紙要求。

[1] 周均，王勇. 基于Autoform軟件的沖壓成形工藝參數優化[J]. 兵器材料科學與工程，2017，40(1): 73-76.

[2] 徐鑫，劉仁東，林利，等. 基于Autoform軟件的汽車行李箱板沖壓成形模擬[J]. 鞍鋼技術，2013(2): 29-33.

[3] 賈庚鳳. 基于AutoForm的后地板上橫梁連接板工藝優化設計[J]. 裝備制造技術，2019(5): 213-217.

Structure Design and Application of Forming Die for U-shaped Parts

With the development of the automobile industry, the stamping die technology has also developed rapidly. The traditional die manufacturing process has been difficult to meet the development needs of the new era. Customers' products are increasingly innovative and have a variety of structures. They have different die design requirements for different structural parts. Without structural innovation, there will be no progress in die design. For the structure of special parts, the concept of rotating shaft is innovatively added to the die design, And applied to practical manufacturing. In this paper, AutoForm software is used to analyze the structural forming of the designed mold, which avoids the adverse consequences caused by the wrong process route and forming failure. The practical application of the mold rotating shaft not only increases the service life of the mold and saves the processing cost of vulnerable parts in the later stage, but also ensures the forming stability, appearance and size requirements of parts.

U-shaped; mould; AutoForm-CAE analysis

U463

A

1008-1151(2022)06-0072-03

2022-03-14

李益，男，廣西柳州人，柳州市金元機械制造有限公司技術中心技術員，研究方向為汽車零部件模具設計、工藝開發、項目管理。

董志遠，男，廣西柳州人，柳州市金元機械制造有限公司技術中心主任助理，研究方向為汽車零部件設計開發與制造、項目管理、組織創新。