創新技術在汽車覆蓋件模具上的應用

文／程明山，王力，曲政，趙飛·一汽-大眾汽車有限公司

當前科技發展迅速，汽車覆蓋件模具傳統維修技術雖已較為成熟，但還存在諸多弊端，成本及人員浪費比較嚴重。利用現今的科技，將創新技術應用到模具上，使模具智能化，是模具未來發展的一項重要課題。

現已應用到模具上的創新技術包括氮氣缸壓力無線監控，壓邊圈溫度控制，拉延收料線視覺監控，廢料排放視覺監控，網格試驗模具裕度分析，模具型面掃描數據指導更改技術六個方面。

氮氣缸壓力無線監控技術

氮氣缸在模具上應用廣泛，氮氣缸壓力穩定性對模具安全和制件質量均有很大影響，目前模具上對于提供成形力的氣缸已配備氣壓表，需要員工定期點檢。且存在以下問題：⑴模具三層堆放(圖1)，無法查看最頂層模具，或觀察角度不同造成視覺誤差，造成點檢不準確；⑵某些氮氣缸在模具內部(圖2)，模具存放狀態下無法觀察，造成時間的浪費；⑶模具存放區間距為80cm，點檢人員長期穿梭，造成安全隱患。

圖1 三層堆垛點檢

圖2 模具內部氣缸

無線監控原理(圖3)：利用符合沖壓車間現場使用的無線壓力傳感器，開發信號接收系統和匹配軟件。

圖3 無線監控原理

在模具上每個必要的氮氣缸氣壓表上安裝無線壓力傳感器，將氮氣缸壓力顯示到終端屏幕上，在屏幕上顯示氣壓表壓力值，根據設定的壓力標準區間，在標準內顯示為綠色，高于標準顯示為黃色，低于標準顯示為紅色。員工可以根據屏幕顯示，對現場所有模具進行快速點檢。可以實現氣壓歷史數據查詢功能，實現氮氣缸精準維修，提升點檢效率。

拉延壓邊圈溫度控制技術

自動化沖壓生產節拍越來越高，某些高速生產線大型汽車覆蓋件已經達到17 ～18 次/分鐘。高速生產帶來的摩擦與沖擊問題使得模具工作溫度越來越高(圖4)，以致于模具熱脹變形對生產零件帶來不利影響，產生拉裂和縮頸的嚴重質量事故(圖5)。在北方工廠生產初始時模具溫度較低，模具會微觀冷縮，在拉延工藝時容易出現褶皺的質量缺陷。經實際生產測試，冬季模具溫度20 攝氏度左右，夏季模具溫度27 攝氏度以上(連續生產1000 件模具溫度可以達到40 攝氏度以上)，如此大的溫度差，必然會導致制件質量波動。

圖4 溫度測量

圖5 質量事故

為了保證質量的穩定，對拉延壓邊圈加裝溫度控制裝置，原理為以壓縮空氣為動力，驅動渦流管產生冷/熱氣流，對模具通過不同出口實現降溫、升溫控制，如圖6 所示。

圖6 不同出口實現溫度控制

在拉延壓料面下型腔內加裝吹氣管，減小渦流管輸出管線長度，直接將渦流管安裝在模具需要溫控區域。對需要溫控區域進行封閉，并加裝保溫層，并安裝金屬護板。以6bar 壓縮空氣為動力，驅動渦流管所產生冷氣流對模具降溫，在模具使用初始溫度低時，同樣驅動另一渦流管所產生熱氣流對模具升溫。通過嵌入模具的溫度探頭來測量溫度，對模具的溫度調節需使用溫度測量控制器驅動電磁閥控制相應功能的渦流管，進而實現數字化模具溫度控制。可以在設定的溫度區間自動切換關閉及啟動模具加熱裝置或者模具降溫裝置，保證了零件的穩定性。

拉延收料線視覺監控技術

沖壓件的成形過程會受到周圍環境變化的影響，導致沖壓模具拉延收料線出現變化，進而使沖壓件出現縮頸拉裂、尺寸變化等質量問題。而沖壓模具拉延收料線屬于微小漸變過程，且伴隨沖壓生產的噪聲振動影響，長期以來無法進行在線非接觸測量或監控，只能人工停機測量并產生停臺。

為了節約測量收料線所產生的停臺，且能準確監控制件收料線，創新了一種收料線在線監控的方法：通過相機對拉延件特征區進行拍照，開發視覺監控系統，通過特定算法軟件對收料線變化進行監控。

在壓機立柱不同位置安裝高速相機，以拉延件特征區為基準灰度值，通過特定算法調試出穩定的邊緣圖像進行存儲，通過每次行程所產生的圖片，進行圖像對比，自動查找邊緣并進行測距(圖7)，形成連續趨勢曲線進行輸出(圖8)，按設定收料線變化區間(+3mm 到-3mm)進行控制，超過區間值自動報警提示，便于及時調整。可實現連續不間斷的測量，更加精確地控制生產過程穩定性。

圖7 邊緣測距

圖8 趨勢曲線

模具廢料排放視覺監控技術

沖壓模具的廢料排放是不可避免的，一個零件模具上會有多達數十個廢料滑道。如廢料排放不暢，會造成堵廢料停機、滑道損壞、模具損壞等安全隱患。常規方法是通過巡線人員不間斷觀察，造成人員的浪費，且不能有效及時地對所有滑道進行監控，造成事故率不可避免。堵廢料問題統計如圖9 所示。

圖9 堵廢料問題統計

為了消除模具事故率，消除模具安全隱患，創新了一種監控廢料的方法：利用計算機視覺技術，通過特定編程語言和高清攝像頭，捕捉動態廢料下滑過程進行監控(圖10)。

圖10 計算機視覺監控

通過在每臺有廢料排放的壓機立柱上固定攝像頭，對模具號及所有滑道進行編號，通過前期調試將廢料下滑過程進行單獨截取并顯示到屏幕上(圖11)，通過圖像對比技術及設定的時間頻率進行灰度值對比，達到設定報警次數時，通過聲光裝置進行提示(圖12)，便于及時發現堵廢料情況，在節約人員成本的同時還提高了生產效率。

圖11 截取滑道圖像

圖12 檢測系統提示

網格試驗模具裕度分析技術

模具裕度是指模具適應鋼/鋁板機械性能、油膜厚度、設備參數變化的能力。結合拉延模擬及現生產狀態，通過網格試驗技術，測量零件成形裕度，進行網格印制時應避免整張板料的印刷，應先對板料等間距劃分塊，成形后判斷目標單元在塊中的位置，后續只在目標所在塊的位置印刷網格(圖13)，減少網格印制區域。

圖13 分區域印制網格

通過解讀報告識別模具上的縮頸拉裂風險點，區域1，材料性能區，記錄當前零件的基礎機械性能；區域2，記錄當批次生產壓機參數；區域3，具體薄弱點測量數據。成形極限裕度：體現的是監控區域的最差成形裕度，0%～5%為紅區，裕度極差，是危險區；5%～10%為黃區，屬于裕度較差，但可接受，需要監控；10%以上為綠區，是安全區。最大減薄率：體現的是監控區域最大減薄率，在裕度足夠的情況下，減薄率25%以下為綠區；25%～30%為黃區；大于30%為紅區。主次應變：測量的是兩個相互垂直方向的變形量。總體評價結果要結合成形極限裕度及最大減薄率進行評價。

成形極限圖(FLD)：通過分析不同點的應變狀態在FLD 中的位置確定成形裕度(圖14)。黑色線1 為理論極限曲線，紅色線2 為5%裕度曲線，紅色線3為10%裕度曲線，如果監控點的位置在10%的曲線以下，就是安全的。從成形極限圖看，點的位置決定了它的成形裕度，以區域4 所示位置為例，通過改變該點的主次應變，可以改變該點在FLD 位置，進而改變其成形裕度，這也為解決縮頸拉裂、提升裕度提供工作方向。

圖14 成形極限圖

模具型面掃描數據指導模具更改技術

模具型面掃描通常采用ATOS 掃描設備(圖15)分析，可分析模具和制件型面的變化趨勢(圖16)，從中確定造成制件型面尺寸超差的工序，提高尺寸問題的分析效率。可實現數據與設計數模對比，使型面缺陷分析成為具有視覺化、數據化和定量化的工作。為模具更改提供了依據，降低了模具質改時間成本。

圖15 掃描設備

圖16 變化趨勢

結束語

隨著工業的發展，各項創新技術不斷應用于模具上，會使工業母機變得越來越智能化，相信在不久的將來，模具會擁有AI 智能控制。在具備“看”“聽”“讀”“說”的能力基礎上，還具備“會想”“會做”的能力，希望本文可為共同開發智能模具提供參考。