沖模首次研合率的影響因素及優化方法

文／陳功寶，韓海博，張榮寬，曾世耀，黃必志·上汽通用五菱汽車股份有限公司

本文介紹了影響冷沖模具型面首次研和率的主要因素和優化方案，涉及模具結構設計的合理性、加工工藝、機床撓度補償和模面不等間隙處理等諸多環節，能夠給前期模具工藝結構優化設計提供一定的參考。

目前，汽車外覆蓋件的生產方式仍以冷沖壓為主。汽車覆蓋件的尺寸和表面質量很大程度上取決于沖模的型面研合率，如何提升模具型面研合率也成了模具制造和調試過程中的重要環節，模具的初次研合率直接體現了模具型面精度，并且決定后續研合工作量的大小。

模具型面首次研合率

在模具加工裝配完成后，其型面的第一次調試到底后確認的型面研合率即為首次研合率。模具拉延工序和后工序確認首次研合率的條件亦不相同：

⑴拉延模是在壓邊圈研合完成，研合率達到要求后(一般要求管理面為100%，壓料面為90%)，使用CAE 分析確定的調試參數和板料(板料材質，尺寸和料厚等參數必須相符)來開展拉延調試出件。通過對平衡塊和壓邊圈各區域間隙及阻力的優化調整，調試出材料流入量符合CAE 模擬分析的要求。通過對調試出的合格的拉延件刷藍油(或紅丹)，才能檢查模具型面的首次研和率；

⑵后工序模具首先要使用合格的前工序零件進行排干涉，去掉影響零件符型和模具到底的干涉區域，干涉排完后再用合格的前工序零件刷藍油(或紅丹)確認首次研合率。

影響因素

模具結構

對于一些大型覆蓋件(如側圍外板)和左右件合模的模具(如：左右翼子板，側門內外板和發蓋內外板)，如圖1 所示。模具尺寸都比較大，模具本體在受到機床壓力作用時會存在一定的變形，加上模具也有一定的塑性變形，導致模具閉合到底后存在成形不到位的情況和型面著色差，如圖2 所示。

圖1 一模雙腔拉延模

圖2 型面成形不到位

機床撓度

模具是在標準理論工況下設計的，即按照理論的產品數據，包括理論的壓機生產參數以及不考慮模具受力的純靜態情況。然而在實際生產中模具會受到壓邊力以及零件成形過程中的反成形力，造成機床產生變形，這就是機臺撓度變形。

機臺的撓度變形通過模具上下模傳導至模具型面，從而引起上下模型面間隙的變化。理論上說，機臺工作臺面只要強度足夠大，受力變形就會減小，但是壓力機工作臺面受限于機臺的厚度，以及為預留氣墊頂桿上下運動做了部分避空，機臺在受到較大的力時靠近中間部位會出現凹陷，如圖3 所示。汽車外覆蓋件零件尺寸較大，模具尺寸較大，拉延用的機臺工作臺面較大(一般為4600mm×2400mm)，噸位一般在2000 噸左右，機臺撓度變形對模具調試過程中閉合到位狀態有較大的影響。

圖3 機臺撓度變形狀態示意圖

加工工藝和精度

⑴加工工藝。

為了使模具型面的工作區域達到更高的硬度和增加耐磨性，從而提高使用性能和壽命，需要對模具的工作區域進行淬火處理。拉延模型面處理的主要方式有火焰淬火、高頻淬火和激光淬火等幾種，淬火處理后模具型面會存在一定的變形。淬火工藝變形量也各不相同，總體而言：高頻淬火變形量＞火焰淬火變形量＞激光淬火變形量，由于淬火后模具變形無法避免，只能通過后續加工來消除。因此，對于采用火焰和高頻淬火的模具，要在淬火完成后進行型面3D 精加工，而對于激光淬火可在3D 精加工完成后進行。

⑵加工精度。

目前，模具的加工都是采用數控機床完成，如圖4(a)所示。機床的加工誤差會造成模具上下模型面出現錯位，模具閉合到位時有些區域頂兌，有些區域又出現離空，如圖4(b)所示。影響模具加工精度的主要因素有以下幾點：

圖4 模具加工和型面錯位示意圖

①數控機床本身即存在誤差。

②數控加工刀具的磨損。機床加工時，一般為0.2 ～0.5mm 步距走刀且大型模具加工時間較長，在整個加工過程中刀具一直會有磨損，尤其是最先加工完成的區域和最后完成的區域，往往存在因為刀具磨損而造成的加工誤差。

③加工基準擬合的誤差。在模具主體加工前，先加工出加工基準面，后續每次數控機床加工都要在擬合完基準后才能開始，基準面的加工和基準擬合的過程中都會存在一定的誤差，且不同數控機床誤差值不同。因此為了減小加工誤差，一般同一套拉延模具的上下模型面精加工要在同一臺數控機床上完成。加工誤差不可避免，一般只能通過手工研合來解決，從而在一定程度上增加了研合的工作量。

機床精度

沖壓機床的精度，主要是指機床上滑塊和下工作臺的平行度、垂直度、拉延用機床氣墊的平整度和氣墊頂桿高度的一致性等因素，這些都會影響到模具著色狀態甚至模具生產的穩定性。生產車間都會有機修人員，會定期對機床進行檢測保養和維修來確保機床的精度。

優化方法

模具結構設計

在模具設計階段，對模具型面的關鍵區域加強設計，確保在模具閉合到底時盡可能小地產生形變，主要優化設計方案如下：

⑴模具(尤其是拉延模)各部件的高度要確保模具最基本的強度要求，設計要求見圖5；

圖5 大型拉延模各部件設計高度要求

⑵在模具型面零件楞線下方設計隨形到底的筋條，如圖6(a)所示；在易變形區域(門外板門把手、側圍加油口和后蝶窗拐角)設計筋條，且在上模底面設計可調式強壓調整塊，可根據現場調試情況調整墊塊確保強壓區域著色，如圖6(b)所示。

圖6 易變形區域結構優化設計

撓度補償

為減小機床撓度造成的模具型面間隙的影響，在做模具加工數據時會依據累計的經驗數據做相應的撓度補償。以某項目頂蓋為例，前期通過軟件分析和偏差測量，分析出機床撓度變形的區域和變形量，從圖7(a)可以看出，模具中間區域撓度變形明顯，中心位置達到0.3mm。根據偏差值，對上模型面作相應的撓度補償數值，如圖7(b)所示。

圖7 撓度補償示意圖

加工工藝優化

傳統的加工工藝是首先進行精加工，然后進行火焰淬火，這樣既無法消除淬火引起的變形，又增加了現場鉗工的研合工作量。為消除型面熱變形，決定調整加工工藝為：半精加工→火焰淬火/高頻淬火→精加工，由于激光淬火熱變形量較小，也可以在精加工完成后直接激光淬火。

模面不等間隙處理

根據沖壓模具凸模成形的特性和沖壓件各區域的質量要求，對上下模面間隙做相應的偏差處理：間隙做小(體現為強著色)、正常間隙(正常著色)、間隙做大(虛著色)和直接避空(不著色)，如圖8 所示。這樣處理既能保證產品特殊區域的質量要求，也能減少非關鍵區域的質量風險，同時能減少現場研合量。模面不等間隙處理是在滿足產品質量要求的前提下盡可能減小非關鍵區域的型面接觸，可大大減少全型面接觸時非關鍵區域型面偏差影響整個型面著色的問題。

圖8 模面不等間隙處理示意圖

結束語

通過具體實踐可知，上述的優化方案處理確實可大大提高模具型面的初始著色率，也大大降低了現場鉗工的研合工作量，對縮短模具的整體制造周期也有著巨大的貢獻。隨著模面處理技術的進步和加工精度的不斷提高，通過前期模面優化和加工來保證型面研合的思路正在得到業內的普遍認可，研合對鉗工的依賴度也越來越低。但是到目前為止，機床撓度補償基本上還依靠經驗且每個廠家經驗值均不同，如何準確的進行撓度補償仍需要不斷的經驗積累和探索。