汽車模具中帶角度孔沖孔尺寸精確設(shè)計(jì)

李 用，金 華，陳 靜

（四川成飛集成科技股份有限公司，四川成都 610091）

1 汽車車身制件開發(fā)流程

汽車外覆蓋件尺寸大，形狀復(fù)雜，與之匹配零件多。汽車企業(yè)車身開發(fā)部門前期一般會(huì)把造好型的整體車身分撤成一個(gè)一個(gè)零件，這些零件相互焊接，螺釘連接等方式組合成一個(gè)車身整體，汽車車身開發(fā)部門然后把這些零件3D數(shù)據(jù)分發(fā)給各個(gè)模具承制企業(yè)，模具企業(yè)的開發(fā)技術(shù)員就開始進(jìn)行制件成形可能性分析論證，提出各自ECR修改意見，根據(jù)反饋給汽車車身開發(fā)部門匯總意見，綜合評(píng)估后分別答復(fù)ECR具體修改情況說明，然后模具公司根據(jù)反饋的結(jié)構(gòu)再次成形分析，這樣相互交流幾次后制件基本定型，開始正式車身制件數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)凍結(jié)，發(fā)布模具開發(fā)正式啟動(dòng)數(shù)據(jù)，各模具公司接受數(shù)據(jù)后開始正式模具開發(fā)流程。

2 制件數(shù)據(jù)中沖孔要素再現(xiàn)與沖壓排布規(guī)范

車身制件數(shù)據(jù)一般通過CATIA軟件發(fā)送，打開制件數(shù)據(jù)就可以看到如圖1所示的信息，通過發(fā)布可以看到制件的各個(gè)面，各個(gè)孔的功能信息，根據(jù)孔的功能確認(rèn)孔的沖壓方向，通常能夠垂直沖的孔不要側(cè)沖，而且主次定位基準(zhǔn)孔在前面沖壓，為后序模具中制件精定位提供依據(jù)。

打開制件數(shù)據(jù)中標(biāo)注集，如圖2所示，可以看到各孔的基準(zhǔn)、形位公差、尺寸、注釋等信息，通過這些信息了解制件在裝配過程中孔的功能，尺寸大小控制范圍，孔相對(duì)位置關(guān)系的要求等信息。設(shè)計(jì)沖壓工藝方案時(shí)就盡量滿足制件中孔的尺寸要求，在垂直沖孔能夠滿足孔的尺寸要求情況下，優(yōu)先設(shè)計(jì)垂直沖孔，在垂直沖孔不能滿足孔的尺寸要求的情況下，選擇斜楔沖孔。

3 沖孔大小超差的判定及處理方法

在設(shè)計(jì)沖壓方案的過程中，如果受到模具數(shù)量與模具結(jié)構(gòu)限制，在本沖壓方向下，沖孔的尺寸不能滿足孔的公差要求，即超出孔的最大與最小公差尺寸要求，這樣沖出的孔就是超差。比如圖2中所示，對(duì)于名義尺寸是?7mm，公差0～0.1mm的孔，沖壓完成后測(cè)量孔的實(shí)際尺寸是?7mm以下，或?7.1mm以上，這個(gè)孔沖壓出來就是超差。如果按照同一個(gè)沖壓方向來沖孔，對(duì)于超差孔處理辦法通常是變更沖壓方向或更改沖孔尺寸，如果要變更沖壓方向，垂直沖孔可能變?yōu)樾毙_孔，或斜楔沖孔角度發(fā)生變化，若發(fā)現(xiàn)較晚將導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造返工較大。那么問題就是沖壓技術(shù)人員如何快速地準(zhǔn)確判斷沖孔是否超差，超差多少，如何快速計(jì)算出孔超差量并制定出補(bǔ)償尺寸，提供給后序模具設(shè)計(jì)人員與加工者數(shù)據(jù)，從而避免沖孔超差不滿足裝車要求。

4 沖孔實(shí)際尺寸確認(rèn)方法

圖1所示制件，考慮型面成形的質(zhì)量與確?；鶞?zhǔn)孔質(zhì)量前提下，沖壓方向按照基準(zhǔn)孔方向沖壓確定后，獲得如圖3所示的制件局部圖，如果安排沖壓圖3中名義尺寸?10mm，公差0～0.2mm的孔，從圖3中可以看出孔的法線與沖壓方向有16°左右偏差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷可能會(huì)超差，那么沖壓此孔實(shí)際尺寸是多少，實(shí)際沖出的孔形狀如何。下面就帶料厚的數(shù)據(jù)與不帶料厚的數(shù)據(jù)情況分別介紹。

圖1 制件數(shù)據(jù)中包含的內(nèi)容

圖2 制件數(shù)據(jù)中孔的有關(guān)特征參數(shù)

圖3 孔的法向矢量確定

情況一：給出制件料厚的數(shù)據(jù)（圖3中數(shù)據(jù)料厚為0.6mm），如圖4所示，首先找出孔的圓心點(diǎn)或中心點(diǎn)，做出沖壓孔的法線方向線，抽出孔的上下兩個(gè)邊界線，然后把這些線沿作沖壓方向投影到一個(gè)平面上，然后把孔的法向線延長(zhǎng)與孔邊界線最內(nèi)側(cè)邊界線相交，就是沖壓后孔的實(shí)際最短邊尺寸，然后把最短邊線沿作孔中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90°后與孔的上下邊界線相交得到的線，就是沖壓后孔的實(shí)際最長(zhǎng)尺寸。

圖4 有料厚制件孔的實(shí)際尺寸確定法

情況二：給出制件是單張面片，告知材料厚度的數(shù)據(jù)（圖中數(shù)據(jù)料厚為0.6mm），如圖5所示，首先找出孔的圓心點(diǎn)或中心點(diǎn)，做出沖壓孔的法線方向線，抽出孔的邊界線，然后把這兩條線沿作沖壓方向投影到一個(gè)平面上，然后把孔的法向線延長(zhǎng)與孔邊界線相交，就是沖壓后孔的短邊線長(zhǎng)，然后把短邊線沿作孔中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90°后與孔的邊界線相交得到的線，就是沖壓后孔的長(zhǎng)邊線長(zhǎng)。

圖5 無料厚制件孔的實(shí)際尺寸確定法

5 孔大小實(shí)際尺寸的確認(rèn)及差異原因分析

通過上面方法得到孔的尺寸，如圖6所示。從圖6中可以看出，帶料厚與不帶料厚的兩種情況，短邊尺寸有差異，帶料厚的孔尺寸為10×9.46mm，不帶料厚的孔尺寸為10×9.62mm，從數(shù)據(jù)上看，首先沖壓出來的孔不是一個(gè)圓孔了，其次孔的一個(gè)尺寸中兩個(gè)數(shù)據(jù)相差9.62-9.46=0.16mm，說明料厚對(duì)孔的尺寸還是有很大影響，評(píng)價(jià)孔的真實(shí)大小尺寸時(shí)，需要考慮料厚的因素對(duì)沖孔的影響。根據(jù)圖6中數(shù)據(jù)，孔的理論尺寸為10mm，公差0～0.2mm，意思就是該孔最小尺寸為10mm，最大尺寸為10.2mm，然而按照此沖壓方向沖出的孔的尺寸明顯遠(yuǎn)小于10mm，在制件使用中，此孔是不能滿足裝配要求，制件就會(huì)報(bào)廢，這樣沖壓出來的制件就不合格，需要在沖壓模具上補(bǔ)償，保證沖出合格的制件，那么首先要解決兩種方法沖出孔的差異0.16mm是如何產(chǎn)生的，如何從理論上解釋清楚。

圖6 有無料厚制件孔的實(shí)際尺寸

從數(shù)模上對(duì)制件料厚及角度進(jìn)行認(rèn)真分析，按照三角函數(shù)關(guān)系及作圖法可以得出0.16mm差距，詳細(xì)情況見如圖7所示，帶有料厚的數(shù)據(jù)，可以從最小通過尺寸作為孔的實(shí)際最小尺寸，圖6中9.46mm，如果是僅有一個(gè)數(shù)模面片基準(zhǔn)，即不帶料厚的數(shù)據(jù)，可以從數(shù)據(jù)上得出9.46+0.16=9.62mm，0.16mm的偏差就是由于料厚原因引起的，即0.6×sin15.8476=0.16mm，從這兩種數(shù)據(jù)看，這種找到偏差方法是完全正確的，只是根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)判斷是否需要補(bǔ)償料厚引起的偏差量。而且從圖7中可以看出，如果僅僅給出一個(gè)面片數(shù)據(jù)，無論數(shù)據(jù)基準(zhǔn)是上面還是下面，沖孔的實(shí)際尺寸均是一樣的，不會(huì)因?yàn)榱虾竦姆较蚨绊懽罱K結(jié)果。

圖7 不同數(shù)模面制件孔的實(shí)際尺寸確定法

6 孔短邊實(shí)際尺寸推導(dǎo)出一般公式

從上面分以可以看出，數(shù)據(jù)基準(zhǔn)對(duì)于圓孔的實(shí)際尺寸沒有影響，因此，推導(dǎo)出一般公式時(shí)就不考慮料厚的方向了。把沖圓孔的截面簡(jiǎn)化成如圖8所示，根據(jù)直角三角函數(shù)關(guān)系，可以得出d=d1-A=Dcosα-Tsinα，從公式可以看出，實(shí)際沖圓孔尺寸d與理論圓孔大小D，制件料厚T，沖壓方向與沖孔面的夾角α有關(guān)。只要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)到來后，首先檢查沖孔尺寸是否滿足制件公差要求，只有在滿足要求的前提下設(shè)計(jì)模具，否則需要變更沖孔凸尺寸來滿足用戶制件的需要。

圖8 孔的最小尺寸

7 孔超差如何補(bǔ)償

對(duì)于沖孔，不考慮公差帶情況下，經(jīng)過上面公式計(jì)算實(shí)際沖壓后的理論尺寸，再根據(jù)孔的公差帶確認(rèn)，是否可以調(diào)整凸模大小來滿足沖孔尺寸要求。比如，制件料厚0.6mm，沖孔的沖壓角度15,8294°，直徑?10mm，公差+0.5-0.5mm的孔，如圖9所示，如果凸模尺寸為?10mm，沖出來的孔已經(jīng)超差，就必須調(diào)節(jié)沖孔凸模尺寸，保證沖孔在公差范圍內(nèi)，由上面公式變形可以 得 出D=（d+Tsinα）/cosα=（10+0.6sin15.8294）/cos15.8294=?10.57mm，說明此孔最大尺寸已經(jīng)超出?10.5mm，這就充分說明無論如何變更凸模尺寸，沖孔凸模設(shè)計(jì)圓孔均無法滿足制件要求，這時(shí)只有把沖孔凸模尺寸設(shè)計(jì)成橢圓結(jié)構(gòu)來保證制件尺寸。橢圓孔尺寸就在兩個(gè)公差范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，正如圖9中凸模橢圓孔尺寸為10.3×9.7mm，可以反算在制件上的孔也是橢圓孔10.3×10.25mm，然而在沖孔角度小的情況下，通過沖孔凸模尺寸補(bǔ)償，是可以按照?qǐng)A孔進(jìn)行修正，從而沖出合格的制件孔。

圖9 孔尺寸的補(bǔ)償

8 關(guān)于沖孔角度建議

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于料厚T<1.0mm，沖孔直徑D

9 結(jié)束語

通過對(duì)帶角度沖孔的分析，為設(shè)計(jì)找到解決沖孔方向及沖孔大小的辦法，以及沖孔超差如何補(bǔ)償?shù)拇胧?，為保證沖壓出來的制件滿足用戶需求，提供技術(shù)保障。