大型汽車覆蓋件模具現(xiàn)階段的核心技術(shù)

文／孫崢嶸·天津汽車模具股份有限公司

大型汽車覆蓋件模具現(xiàn)階段的核心技術(shù)

文／孫崢嶸·天津汽車模具股份有限公司

孫崢嶸，總工藝師，主要從事沖壓工藝、模具設(shè)計(jì)工作，主持完成了天汽模技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂，國(guó)產(chǎn)自主品牌華晨中華酷寶整車模具項(xiàng)目技術(shù)開發(fā)工作，及VOLVO，F(xiàn)IAT，IVECO，SKODA等多個(gè)國(guó)外品牌汽車模具項(xiàng)目技術(shù)開發(fā)工作，曾參與支持汽車模具及機(jī)床制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作的公共服務(wù)平臺(tái)開發(fā)及應(yīng)用項(xiàng)目(“國(guó)家十一五”科技支撐項(xiàng)目）。

近幾年，隨著汽車主機(jī)廠對(duì)沖壓件品質(zhì)要求的日益提高，模具開發(fā)周期的日益縮短，模具企業(yè)面臨著如何在短時(shí)間內(nèi)，生產(chǎn)出滿足客戶要求的高品質(zhì)的模具和沖壓件的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，我公司在模面技術(shù)和沖壓全工序仿真模擬技術(shù)方面做了嘗試。

沖壓工藝設(shè)計(jì)是決定汽車沖壓件品質(zhì)和模具開發(fā)周期的關(guān)鍵因素，是模具技術(shù)的核心。為此在沖壓工藝設(shè)計(jì)方面，充分利用CAE技術(shù)，增加模面技術(shù)和沖壓全工序仿真模擬技術(shù)兩個(gè)環(huán)節(jié)。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)提升沖壓件品質(zhì)、減少機(jī)加工和鉗工工作量、縮短制造周期、虛擬調(diào)試和指導(dǎo)模具整改方面發(fā)揮著積極作用。

模面技術(shù)

在不改變工藝成形的基礎(chǔ)上，對(duì)模具型面進(jìn)行整體或局部的變形處理，從而達(dá)到制件在沖壓時(shí)，模具上下模配合型面的間隙均勻。這種對(duì)模具型面進(jìn)行變形的曲面設(shè)計(jì)方法就是模面技術(shù)。

模面技術(shù)的主要工作和目的

模面的主要工作是通過改變上下模型面之間間隙，對(duì)沒有符型要求的地方間隙放大，對(duì)需要壓力成形控制的地方減小局部間隙；通過改變型面對(duì)因回彈重力、剛度等原因造成塌陷的地方，對(duì)曲面實(shí)施區(qū)域或局部的隆起。

運(yùn)用模面技術(shù)主要是為了提高沖壓件的表面質(zhì)量和尺寸合格率，通過對(duì)模面的不等間隙的處理，減少模具的研合周期。

模面技術(shù)的工作綜述

⑴保證制件充分成形方面，所做的模面處理。

1）特征棱線區(qū)域的不等間隙。外板制件棱線附近因?yàn)闆_壓時(shí)模具上下型面著色不實(shí)，會(huì)導(dǎo)致棱線成形不清晰，是重要的質(zhì)量問題。在模面設(shè)計(jì)時(shí)將棱線區(qū)域的上下模間隙作緊（小于制件料厚），如圖1所示。

圖1 機(jī)蓋外板的特征棱線間隙作緊區(qū)域

2）反成形特征區(qū)域的不等間隙。外板制件反成形區(qū)域在沖壓時(shí)模具上下型面著色不實(shí)，會(huì)引起制件表面質(zhì)量問題。在模面設(shè)計(jì)時(shí)將反成形特征區(qū)域的上下模間隙作緊，如圖2所示。

圖2 后背門外板的反成形特征間隙作緊區(qū)域

3）合邊面或裝車時(shí)的搭接面等重要區(qū)域的不等間隙。為了保證制件搭接面和裝車基準(zhǔn)面等重要部位的尺寸精度，以及相應(yīng)定位孔等位置的精度，在模面設(shè)計(jì)時(shí)，將這些區(qū)域的上下模間隙作緊，如圖3所示。

圖3 機(jī)蓋內(nèi)板的搭接面間隙作緊區(qū)域

4）制件易出現(xiàn)缺陷的區(qū)域模具凹形作緊。外板制件的型面變化劇烈區(qū)域及角部等區(qū)域，在拉延后出現(xiàn)的塌陷以及局部凸起等成形缺陷，影響外板件的表面質(zhì)量。在模面設(shè)計(jì)時(shí)，將易出現(xiàn)面品問題處上下模間隙作緊，如圖4所示。

圖4 翼字板型面變化劇烈和角部區(qū)域間隙作緊區(qū)域

⑵補(bǔ)償模具結(jié)構(gòu)變形方面，所做的模面處理。

在實(shí)際生產(chǎn)沖壓時(shí)，由于模具結(jié)構(gòu)本身會(huì)產(chǎn)生微變形，導(dǎo)致模具上下型面間隙不均勻，模具著色率低。為了彌補(bǔ)這方面的缺陷，我們?cè)谧髂Ｃ鏁r(shí)，使模具微變形區(qū)域相對(duì)應(yīng)的上下模的間隙，通過不同數(shù)值，來(lái)補(bǔ)償模具微變形帶來(lái)的問題。

在沖壓過程中，不同區(qū)域材料的流動(dòng)不均勻，會(huì)使材料的厚度不同，這決定了壓邊圈與凹模拉延面間隙必然不相同。而且在拉延模具中，壓邊圈的強(qiáng)度較弱，在拉延過程中變形也很明顯。為了保證在沖壓時(shí)材料按照工藝設(shè)想的結(jié)果流動(dòng)，為了彌補(bǔ)壓邊圈變形出現(xiàn)的缺陷，我們?cè)谧髂Ｃ嫣幚頃r(shí)，將壓邊圈隨材料流動(dòng)變化作不等間隙，如圖5所示。

圖5 機(jī)蓋外板壓邊圈

⑶拉延工序中工藝補(bǔ)充區(qū)域，所做的模面處理。

對(duì)拉延工序中工藝補(bǔ)充區(qū)域的間隙作讓空處理。如有些制件在拉延時(shí)，工藝補(bǔ)充部分凹形或者制件形狀非常平緩的凹形，可以不參與制件成形，也不會(huì)影響制件成形。做模面處理時(shí)，在這些區(qū)域作讓空加工，鉗工在研合模具時(shí)，不用研合該區(qū)域，可減少鉗工工作量，有效減少模具制造周期，如圖6所示。

沖壓全工序仿真模擬技術(shù)

沖壓全工序仿真模擬技術(shù)是指模擬沖壓件模具工序內(nèi)容中的成形過程和回彈狀態(tài)，并對(duì)最后的零件進(jìn)行檢測(cè)的仿真，并通過調(diào)整工藝內(nèi)容，補(bǔ)償模具型面等方法，使零件在仿真最后達(dá)到公差要求以及其他品質(zhì)要求，也被稱為虛擬調(diào)試。

歐洲的菲亞特公司，北美的三大汽車公司率先研究使用，2005年左右技術(shù)上已經(jīng)逐漸成熟，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。目前全供需仿真的精度可以達(dá)到85%以上。各大沖壓仿真軟件開發(fā)商也認(rèn)定了這一發(fā)展趨勢(shì)，與各大汽車公司聯(lián)合，不斷的提升自己軟件的功能，使這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷地被推廣和提高。

圖6 拉延工序中工藝補(bǔ)充區(qū)域的間隙作讓空處理

沖壓全工序仿真模擬技術(shù)的特點(diǎn)及意義

沖壓全工序仿真模擬的最大特點(diǎn)是使仿真最大程度的接近現(xiàn)場(chǎng)，幾乎是完全按照實(shí)際的沖壓過程進(jìn)行仿真計(jì)算。這樣做的好處主要有：跟蹤調(diào)試過程中每個(gè)狀態(tài)都有參考狀態(tài)，使調(diào)試各個(gè)環(huán)節(jié)可控；預(yù)測(cè)不同工序，不同測(cè)量狀態(tài)下零件的回彈，比如不同的定位，不同的夾持方式下零件與理論上的差別，這樣可以提前調(diào)整工藝或者對(duì)模具進(jìn)行補(bǔ)償，保證制件在各序均合格，減少模具的研合時(shí)間和不必要的整改。

沖壓全工序仿真模擬技術(shù)有兩個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)也是重點(diǎn)，即：仿真計(jì)算的精度和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試環(huán)節(jié)的控制。首先，模擬的精度可以在模擬與實(shí)際的差別之中不斷改進(jìn)，并且隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展，逐步解決。另外一點(diǎn)是調(diào)試階段的緊密跟蹤及反饋，保證仿真條件的實(shí)施，使實(shí)際與虛擬狀態(tài)一致，這樣仿真才能發(fā)揮作用。

沖壓全工序仿真模擬的意義：1）消除各工序中有關(guān)起皺和破裂等成形問題；2）檢查整個(gè)工藝中各工序功能內(nèi)容，工藝是否合理；3）使零件達(dá)到各方面尺寸公差要求；4）使零件達(dá)到外觀視覺效果方面的要求。

全工序仿真模擬的流程

⑴準(zhǔn)備工作。

1）解讀工藝內(nèi)容，主要包括：材料牌號(hào)及厚度、工序名稱、工序內(nèi)容、毛坯形狀和尺寸、詳細(xì)查看3D數(shù)模（包括各工序數(shù)模型面，各序功能線）等；2）材料性能參數(shù)及材料模型選用；3）確定板材開卷方向；4）如果采用虛擬拉延筋，準(zhǔn)備拉延筋中心線并確定各工序拉延筋阻力；如果采用實(shí)際拉延筋，建議采用雙層拉延筋型面；5）確定沖壓生產(chǎn)線信息；6）明確幾何尺寸與公差（Geometric Dimensioning and Tolerancing）信息。

⑵全工序仿真參數(shù)設(shè)置。

全工序沖壓仿真因?yàn)樯婕岸鄠€(gè)工步的仿真計(jì)算，而每個(gè)工步的計(jì)算都是基于前一個(gè)工步的結(jié)果，由于誤差累積的原因，最后的誤差可能會(huì)被放得很大，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果?；谝陨系脑?，多工步仿真的精度要求要遠(yuǎn)比普通的單工序計(jì)算要高。

⑶全工序仿真設(shè)置流程。

以轎車車門外板為例，其全工序多工步仿真設(shè)置流程為：OP10開卷落料→OP20拉延→OP30修邊→OP40修邊，整形→OP50修邊，翻邊→OP60修邊，翻邊→檢具檢驗(yàn)狀態(tài)（重力狀態(tài)下的自由回彈）。

設(shè)置流程注意事項(xiàng)：1）仿真過程除嚴(yán)格遵守工藝設(shè)計(jì)中工序內(nèi)容和程序設(shè)置外，還需考慮實(shí)際模具工作的物理過程和仿真軟件的模擬功能。例如，沖壓件脫模之后必然回彈，而仿真軟件不會(huì)自動(dòng)模擬回彈過程，需要手工添加。2）需要注意的是，仿真所需要的模具型面須嚴(yán)格按照工藝所要求的符型區(qū)域截取，模具機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)也須完全按照模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)置。

⑷全工序仿真合理性分析。

所有仿真在利用計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)之前都應(yīng)仔細(xì)分析仿真的合理性，及保證計(jì)算結(jié)果是正確的，符合實(shí)際的。仿真合理性分析包括以下幾點(diǎn)：

1）計(jì)算過程中的收斂性檢查。每個(gè)時(shí)間步中的迭代次數(shù)均不能超過40次，否則該時(shí)間步未收斂，結(jié)果可能錯(cuò)誤。如果過程中出錯(cuò)，則需要檢查模型，查找原因。

2）確認(rèn)仿真過程每一工步的工具動(dòng)作內(nèi)容正確，板料動(dòng)作合理，無(wú)不良現(xiàn)象發(fā)生。

目前，我公司的全工序沖壓仿真模擬技術(shù)已經(jīng)在工藝設(shè)計(jì)中全面推廣，并且在實(shí)際生產(chǎn)中得到了認(rèn)證。在這個(gè)過程中，需要仿真計(jì)算的精度和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試環(huán)節(jié)高度吻合。所以，我們正在大力推動(dòng)技術(shù)、加工和調(diào)試各環(huán)節(jié)緊密配合，保證仿真條件在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施，使實(shí)際與虛擬狀態(tài)一致，這樣才能使仿真效果發(fā)揮最大作用。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，模面技術(shù)和全工序沖壓仿真模擬技術(shù)是我公司現(xiàn)階段的模具核心技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)沖壓件品質(zhì)提升，縮短模具制造周期發(fā)揮了很大作用。我們的技術(shù)人員將繼續(xù)與現(xiàn)場(chǎng)鉗工緊密結(jié)合，力爭(zhēng)使我們的計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)完全一致。進(jìn)一步提高我公司的模具品質(zhì)，有效減少制造周期，從而快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，以提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。