柔性薄膜壓力傳感器在模具間隙測量中的應(yīng)用

文/張海寧，王永慧，孔慶杰，齊康寧·長城汽車股份有限公司技術(shù)中心

在模具使用過程中，模具上下模間隙及壓料力的大小對拉延、翻邊、整形工藝存在重要的影響，直接影響沖壓制件的品質(zhì)。在新模具交付或模具日常使用時(shí)，通過減小壓料面間隙，增大壓料力，控制制件在拉延、翻邊、整形過程中的材料流動，消除制件坑、皺及制件回彈等面品、精度缺陷。而目前在各整車廠現(xiàn)場模具實(shí)際工作中，針對上下模壓料面壓力無有效的檢測方法，僅通過對壓料面涂抹藍(lán)丹或紅丹，確認(rèn)上模壓料面著色判定壓料面是否受力均勻，通過壓件效果驗(yàn)證整改效果是否成功，過程中完全依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)判定，難以實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)壓面的監(jiān)控及預(yù)防性管理。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車更新?lián)Q代的速度極大加快，整車開發(fā)周期不斷縮短，對汽車鈑金質(zhì)量的要求也越來越高，在汽車產(chǎn)業(yè)激烈競爭的同時(shí)也促進(jìn)模具制造水平不斷提高，CAE 等各種仿真模擬軟件的使用，大大的減少了模具調(diào)試時(shí)間，但由于模具加工及裝配的誤差等因素，很難保證模具實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)保持一致，仍需要鉗工后期對模具的調(diào)整、研合來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。在模具調(diào)試問題中，由于模具間隙導(dǎo)致制件產(chǎn)生的坑、皺及制件回彈等面品、精度缺陷往往是比較棘手的問題，主要因?yàn)樵谀＞唛g隙調(diào)試過程中一般還是憑借涂色、照光以及試沖紙和壓鉛絲等方式估計(jì)間隙的分布情況，由于無法實(shí)現(xiàn)定量檢測和分析管理，因此使得模具生產(chǎn)和管理長期停留在技能要求高、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不易控制。如何快速的調(diào)整模具，快速的解決此類問題成為眾多模具廠家不斷探索、總結(jié)的問題。

間隙對制件的影響

間隙對制件品質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在：壓料面間隙直接影響板料在成形過程中所受壓力的大小，從而影響材料的流動。在控制材料流動的方案中，除使用方筋、雙筋、波浪筋等增加對板料的拉力以及增大模具壓邊力的方式控制材料流動外，通過減小模具管理面、準(zhǔn)管理面間隙，控制局部材料流動，在模具調(diào)試過程中整改制件坑、皺等面品也普遍使用。

案例一

案例二

某車型前門外板門把手部位拉延工序出現(xiàn)凹坑難以消除，依靠鉗工調(diào)試時(shí)對二序壓料芯增加型面冷補(bǔ)焊0.3mm 硅鋼片（圖4），制作30mm×50mm 的強(qiáng)壓區(qū)域，利用二序?qū)π兔娴膹?qiáng)壓，對制件坑進(jìn)行修復(fù)，緩解制件坑。

通過型面的強(qiáng)壓對于制件的面品問題能夠快速、有效的消除/緩解制件坑、皺等面品問題，但是在實(shí)際問題解決過程中，針對此類問題往往通過經(jīng)驗(yàn)豐富的鉗工在調(diào)試時(shí)通過經(jīng)驗(yàn)去嘗試性增加強(qiáng)壓，一般采用一次性補(bǔ)焊過量，通過在線調(diào)試驗(yàn)證，結(jié)合藍(lán)丹研合，得到最優(yōu)的強(qiáng)壓區(qū)域。此過程模具作業(yè)空間受限(圖5)，強(qiáng)壓區(qū)域難以使用常規(guī)壓力測量工具進(jìn)行測量記錄，導(dǎo)致無法快速的利用前期調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，因無前期經(jīng)驗(yàn)參考，此環(huán)節(jié)暴露出強(qiáng)壓區(qū)域制作時(shí)經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)、強(qiáng)壓區(qū)補(bǔ)焊高度無依據(jù)，調(diào)試周期長以及后期強(qiáng)壓區(qū)域狀態(tài)變化后難以快速地恢復(fù)。

強(qiáng)壓區(qū)域的測量

在模具設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)好模具的間隙后，因無法定量檢測間隙，只能在裝配好模具的情況下，試沖來驗(yàn)收和修正模具，這顯然是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。若可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)壓區(qū)域的測量，即可通過測量實(shí)際壓力值與理論壓力值對比，或通過仿真軟件對故障區(qū)域壓力的模擬，快速找到問題發(fā)生真因，指導(dǎo)實(shí)際調(diào)試過程中的模具調(diào)整，能夠縮短模具調(diào)試周期或復(fù)發(fā)故障的處理時(shí)間。

壓力測量工具——柔性薄膜壓力傳感器

柔性薄膜壓力傳感器可通過壓力采集板的壓阻隨壓力的變化，測量出檢測區(qū)域的壓力值，通過電流信號傳輸至顯示終端，由壓力感應(yīng)模塊，數(shù)據(jù)收集、發(fā)送模塊和壓力顯示終端3 部分組成(圖6)，其中壓力感應(yīng)模塊可承受1 ～300 PSI，厚度0.2mm（厚度可根據(jù)要求定制）厚度小于沖壓制件最小板料厚度(0.65mm)，工作時(shí)將壓力感應(yīng)模塊置于模具型面的強(qiáng)壓面中，由數(shù)據(jù)收集、發(fā)送模塊記錄數(shù)據(jù)并通過無線信號/藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)至顯示終端，顯示終端將采集的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖像，并顯示所有檢測點(diǎn)的壓力值。

柔性薄膜壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對模具上下模壓料區(qū)域壓料力的數(shù)據(jù)化、可視化，結(jié)合制件工藝設(shè)計(jì)過程中的CAE 分析(圖7)，進(jìn)行數(shù)值差異對比，便于快速查找制件面品問題真因，并進(jìn)行快速處置，通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)記錄，實(shí)現(xiàn)對模具強(qiáng)壓面的預(yù)防性管理。

柔性薄膜壓力傳感器的使用

柔性薄膜壓力傳感器壓力感應(yīng)模塊厚度0.2mm (厚度可根據(jù)要求定制)，為適應(yīng)感應(yīng)器的使用范圍，按照國內(nèi)一般汽車沖壓件板材厚度，一般可通過包覆柔性塑料的方式來制作，厚度0.6mm，測試時(shí)在依據(jù)制件的實(shí)際板料厚度對壓力感應(yīng)模塊進(jìn)行包覆，以達(dá)到與板料同厚度，提高壓力測量的準(zhǔn)確性，并且對感應(yīng)模塊進(jìn)行保護(hù)。具體使用步驟如下。

如圖8 所示，傳感器壓力感應(yīng)模塊表面包覆柔性塑料(圖9)來保護(hù)內(nèi)部線路及壓力傳感器，厚度為0.6mm，使用時(shí)在表面包覆拉延膠帶，使其厚度與測量區(qū)域板料厚度保持一致，來保證壓力測量的準(zhǔn)確性。

依據(jù)感應(yīng)模塊尺寸對制件的測量區(qū)域進(jìn)行切割(圖10)，將感應(yīng)模塊放入制件孔內(nèi)(圖11)，模擬制件受力情況，通過電流數(shù)據(jù)收集與分析，得出測量部位的壓力，并在特定的APP 軟件中顯示。

結(jié)束語

利用柔性薄膜壓力傳感器壓力感應(yīng)模塊厚度為0.2mm，小于板料厚度的特性，可置于模具內(nèi)部進(jìn)行壓料面壓料力的采集，實(shí)現(xiàn)模具實(shí)際壓料力的數(shù)據(jù)化顯示，可實(shí)現(xiàn)與CAE 等仿真模擬軟件的理論壓料力進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)對制件問題的快速解決，并且周期性測量模具強(qiáng)壓區(qū)域，方便模具制造企業(yè)收集、總結(jié)制作經(jīng)驗(yàn)，形成知識沉淀，也可使模具的生產(chǎn)企業(yè)監(jiān)測并分析過程變化，結(jié)合生產(chǎn)批次對模具全生命周期管理及模具重開復(fù)制提供大數(shù)據(jù)支持。減少模具鉗工的經(jīng)驗(yàn)作業(yè)，打造科技最前沿技術(shù)，促進(jìn)模具行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，引領(lǐng)模具行業(yè)向智能領(lǐng)域前進(jìn)。