汽車覆蓋件沖模平臺柔性化開發與實踐

曹 彪，徐冰鋒，覃 策，孫祖團，字 正

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

隨著汽車工業不斷發展，行業競爭日趨白熱化，車型更新迭代越來越頻繁。對于汽車覆蓋件沖模，因原材料價格和人工成本的上升，模具開發成本也越來越高，如何降低開發成本是成形類模具開發研究的重點之一。模具開發的降本方式除了減少零件成形工序數量、改良零件材質、選擇標準件以及優化自身結構設計外[1]，如何實現模具的柔性利用也是研究方向之一。傳統的模具都是按零件單獨開發，不具備柔性共用特點。當車型停產后，模具工裝只能報廢處理，再利用的可能性較低，由此造成巨大浪費。通過對門蓋類零件的工藝布置及模具結構研究發現，落料和拉深工序的工藝布置相對規則，模具結構相對簡單且存在相似的特點，具備標準化和柔性共用的可能。因此，現重點研究落料和拉深工序的模具柔性化開發。

1 落料模柔性化開發

1.1 傳統落料模特點

為了提高材料利用率，同時滿足零件成形需求，車門中尾門內板、有/無窗框后側門內板這3 類零件通常都需要開發開卷落料模[2]。圖1所示為這3種類型零件的典型落料工藝，從圖1可以看出，這些落料工藝由“工藝特征沖裁+切斷分離”兩部分組成，且最后一步均為切斷分離。

圖1 車門類零件典型開卷落料工藝

以尾門內板為例，圖2 所示為典型的開卷落料模結構，從圖2可以看出，模具包含工藝特征沖裁區和切斷分離區。由于模具需要布置緩沖機構、限位機構和起吊機構，切斷分離區的長度需要400～500 mm，增加了模具的整體尺寸和質量。

圖2 開卷落料模結構

由于車門落料模最后一步均為切斷分離工序，那么該工序存在不同類型零件共用的可能。為實現共用生產目標，不僅要求滿足不同卷寬零件的切斷分離，還要求模具吊裝和拆裝方便快捷，不能對其他傳統結構的模具生產產生影響。為此，創新設計了1 套切斷分離共用模座，將傳統開卷落料模中工藝特征沖裁和切斷分離這兩步工序設計成2副獨立的模具，同時兼顧吊裝要求，實現了不同零件切斷分離工序共用生產[2-3]。

1.2 切斷分離共用模座

1.2.1 結構說明

圖3 所示為落料模切斷分離共用模座，由切斷分離模和通用模座兩部分組成，切斷分離模通過定位孔和螺釘固定在通用模座上，與通用模座一起使用，不拆卸。工藝特征沖裁模根據不同零件單獨開發，其安裝在通用模座上，與切斷分離模一同實現零件生產。

該結構具有如下特點。

（1）切斷分離模能滿足一定卷寬范圍內的板料切斷要求，同時上模頂面設置緩沖聚氨酯，可以通過機床滑塊往復運動實現拍壓式生產。

（2）通用模座表面設計快速定位孔和T形槽，滿足不同類型車門類零件工藝特征沖模的安裝和定位需求，其安裝方式如圖4所示。

圖4 安裝方式

（3）通用模座設計快速定位孔、U 形夾緊槽和吊耳，滿足與機床工作臺的定位安裝要求以及整體吊裝要求。

1.2.2 尺寸確定

為了確定切斷分離共用模座的尺寸，通過統計學方法對14 套車門零件落料工藝中的步距和卷寬進行統計分析，零件類型涉及后側門內板和尾門內板，最后得出卷寬和步距的變化范圍分布，如圖5所示。從圖5可以看出，最大卷寬為1 540 mm，最大步距為2 120 mm，在滿足此范圍的條件下，最終確定切斷分離共用模座尺寸為3 589 mm×2 710 mm×230 mm，最大切斷長度為1 600 mm。

圖5 車門類零件落料工藝卷寬和步距分布

1.3 生產方式

該結構對傳統的生產方式進行了優化，當零件生產時，切斷分離模和工藝特征沖裁模上模均無需安裝在機床滑塊上，而是通過機床滑塊上下往復運動不斷拍壓實現板件生產，如圖6所示。

圖6 生產方式

1.4 優點分析

（1）實現了不同零件開卷落料最后一步切斷分離共用，縮減了模具在長度和高度方向的尺寸，減輕了模具質量，降低了模具開發成本。表1 所示為以往項目開發的尾門內板和后側門內板模具采用共用切斷結構設計前后的質量對比，從表1 可以看出，模具質量降幅普遍超過1/3。

表1 門內板常規設計與共用切斷結構設計對比

（2）通過拍壓式生產，上模無需安裝在機床滑塊上，可以縮短換模時間，還可以降低生產能耗[3]。

（3）模具吊裝靈活方便，依靠通用模座可以實現整體吊運，不會增加吊運次數，不影響其他傳統落料模的生產。

（4）兼容性強，適用范圍廣，可以滿足不同類型零件工藝特征沖裁模的安裝需求。

（5）減小了模具尺寸，節省了模具存放場地和空間。

2 拉深模柔性化開發

2.1 傳統拉深模結構特點

拉深工序是汽車覆蓋件生產中較為關鍵的一道工序，拉深模決定拉深工件的成形質量。目前使用最廣泛的是單動結構拉深模，而框架式結構是單動拉深模中最常見的類型。框架式結構根據壓邊圈數量可以分為單腔結構和雙腔結構，圖7 所示為典型的單腔結構和雙腔結構拉深模下模，下模座在前后方向設置圍擋形成方框腔體，壓邊圈安裝在腔體中。為方便說明，將壓邊圈“左右”方向定義為長度L，“前后”方向定義為寬度W。壓邊圈的長寬尺寸由零件尺寸決定，而模座安裝區域的尺寸又由壓邊圈尺寸決定。

圖7 拉深模結構類型

對于門蓋類零件，根據零件造型特點以及生產方式的不同可以分為左右前后側門外板（有窗框/無窗框）、尾門內/外板、左右前后側門內板（有窗框/無窗框）、發動機罩內/外板單件/合模共8種類型（其中發罩內外板根據生產方式不同分為單件和合模兩類），每種零件的模具結構類型如表2所示。

表2 門蓋類零件以及模具結構類型劃分

以左右前側門外板（有窗框）單腔結構拉深模為例，圖8 所示為傳統結構的拉深模安裝。在沖壓過程中，參與成形工作的只有凹模2、凸模鑲件3 和壓邊圈4，壓邊圈4 的尺寸與凸模鑲件3 有關，而下模座5 的作用只是為凸模鑲件3 和壓邊圈4 提供安裝位置以及為凹模2進行導向，不參與零件成形[4-5]。

圖8 拉深模安裝

傳統門蓋類零件拉深模有如下特點。

（1）下模座的安裝面根據凸模形狀進行設計，具有唯一性，不同形狀的凸模無法安裝。

（2）上模為一個整體，具有唯一性，根據具體零件設計，并且為滿足成形要求，模具零件材料采用高牌號球墨鑄鐵。

由于拉深模模座只起安裝和導向作用，不受零件造型影響，具備不同零件共用的可能，如果將傳統整體式的凹模設計成“上模座+凹模鑲件”分體式結構，上模座將和下模座一樣僅起導向和安裝固定作用而不受零件造型因素的影響，上、下模座可以形成標準模座，滿足不同形狀零件的安裝需求，實現不同零件柔性共用的可能。

2.2 拉深模標準模座

2.2.1 結構說明

標準模座包含單腔標準模座和雙腔標準模座2種，圖9所示為單腔標準模座和雙腔標準模座結構。相比單腔模座，雙腔標準模座的上、下模座中間分隔開，并設置有導向和限位裝置，2 個安裝區域尺寸完全相同，滿足2 套凹、凸模鑲件和壓邊圈安裝要求[6]，如圖10和圖11所示。

圖9 標準模座

圖10 單腔標準模座說明

圖11 雙腔標準模座說明

標準模座具有如下特點。

（1）取消下模座進出料方向的圍擋，壓邊圈寬度尺寸不受模座限制，使設計更加靈活。

（2）下模座氣墊頂桿避讓孔的孔徑統一加大，滿足不同零件壓邊圈安裝位置要求。

（3）上、下模座整個安裝區域為加工平面，滿足不同尺寸及形狀零件的凸模安裝要求，提高模座的通用性。

（4）上模采用分體式設計，上模座與凹模鑲件可以采用不同材質進行制造。

2.2.2 安裝區尺寸確定

為滿足不同零件的共用要求，標準模座在機床設備上的安裝位置需要固定，且安裝區域根據機床中心對稱布置。由于機床工作臺氣墊頂桿按照150 mm 間隔布置，且下模座需要滿足全頂桿避讓要求，安裝區域長寬尺寸需要滿足300 mm 整數倍要求進行設計。對于單腔模座安裝區尺寸要滿足：長度L=300n+50，W=300n+50；對于雙腔模座安裝區域尺寸滿足：L=150n+50，W=300n+50（其中n為正整數，50為安全余量，單位為mm）。利用統計學方法從以往開發的項目中按照不同零件類型分別選取數量不等的零件，對其拉深模壓邊圈的長度L和寬度W進行統計，根據數據分析將模座安裝區尺寸分為多個等級：單腔模座長度為L1（3 050 mm）、L2（2 750 mm）、L3（2 450 mm）、L4（2 150 mm）和L5（1 850 mm）五級，寬度為W1（1 850 mm）和W2（1 550 mm）兩級；雙腔模座長寬各分為L6（1 850 mm）/L7（1 400 mm）、W3（2 150 mm）/W4（1 950 mm）兩級。各類型零件樣本數量如表3所示，圖12和圖13所示分別是單腔和雙腔不同類型零件壓邊圈尺寸分布。

表3 各類型零件樣本數量

圖12 單腔不同類型零件壓邊圈尺寸分布

圖13 雙腔不同類型零件壓邊圈尺寸分布

將標準長寬尺寸進行組合并根據尺寸從大到小排列，統計每個組合中所包含的樣本數量以及占比率，對每種組合所包含的零件類型進行分析，在滿足零件要求的前提下通過優化選擇確定6種單腔尺寸組合和3種雙腔尺寸組合，如表4所示。

表4 不同標準尺寸組合說明

為方便區分，將單腔標準模座編為A型，雙腔標準模座編為B型，尺寸從大到小排列，最終標準模座類型明細如表5所示。

表5 拉深模標準模座明細

2.2.3 模具部分設計要求

采用標準模座設計的模具，凹模鑲件和凸模鑲件增加U 形夾緊槽，凹模鑲件和壓邊圈之間增加自潤滑外導板，解決了工作部件在壓力機上的安裝和導向問題，實現了少部分模具在人工線上簡易生產的要求。通過這種方式可以在不影響售后配件生產的條件下實現標準模座的回收再利用，如圖14所示。

圖14 模具鑲件部位

2.2.4 標準模座優點

采用標準模座具有以下優點。

（1）實現了模座標準化設計，縮短了模具結構設計時間，增加了模座鑄件時效時間，減輕后期由于殘余應力導致的鑄件輕微變形對模具零件型面研合率的影響，提高模具使用穩定性[7]。

（2）模具采用分體式結構，凸、凹模鑲件材質為球墨鑄鐵，上、下模座材質為灰鑄鐵，相比傳統的一體式上模均采用球墨鑄鐵，能降低模具材料成本。

（3）實現了模座的標準化開發，滿足同一類型不同尺寸的拉深模凸、凹模鑲件安裝要求，同時上、下模座具備后期回收再利用的功能。

表6 所示為標準模座結構與傳統結構成本對比，從表6可以看出，采用標準模座設計可以在一定程度上節省材料成本，同時具備回收效益。

表6 采用標準模座與傳統結構成本對比

2.2.5 實例應用

目前標準模座已經在實際項目中得到應用，圖15 所示為項目代號為E260 的左右后側門外板（無窗框）拉深模，該拉深模采用雙腔A3標準模座設計。通過NX 軟件有限元分析功能分別對模具整體吊運狀態下的下模座應力應變狀態以及在工作過程中上模座應變狀態進行分析，如圖16 和圖17 所示。在整體吊運狀態下，下模座最大應力為24.1 MPa，小于灰鑄鐵抗拉強度（灰鑄鐵抗拉強度安全值為152 MPa），最大應變為0.17，經過評估下模座強度滿足使用要求；在拉深到底狀態下，上模座最大應變為0.37，經過評估滿足使用要求[8]。

圖15 E260后側門外板拉深模

圖16 模具吊運狀態的下模座應力應變狀態

圖17 上模座應變狀態

3 結束語

通過對門蓋類零件開卷落料模和拉深模進行共用性研究，得出如下結論。

（1）開卷落料模通過切斷分離工序共用可以滿足不同類型零件開發要求，減小模具尺寸，降低模具開發成本。

（2）拉深模通過上、下模座標準化設計可以滿足不同類型零件開發需求，縮短設計周期，提高工作效率，同時模座具備回收再利用能力，具有推廣意義。

模具的柔性共用研究是對傳統結構不斷挖掘探索的過程，將模具工裝的價值利用達到最大化，不僅能減少企業的開發費用，還能盤活停產模具資產，更好地推動企業朝著良性軌道發展。