汽車覆蓋件模具的模面工程

王本日， 沈 杰

（上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

汽車覆蓋件模具屬于大型的冷沖模具。覆蓋件模具的制造周期長，一般為10個月左右，并且制造的技術難度也很大，一般需要設計、加工、裝配、試模等4個環節。由于成型件超高的技術要求，模具型面需要精細化設計，加工也要高精度加工，通過試模對實際模具不斷優化。覆蓋件模具的試模一般需要4～5個月的時間，接近整個模具制造周期的50%，試模周期的縮短將會直接縮短整個模具的制造周期。

模具的設計包括沖壓工藝設計和模具結構設計，沖壓工藝設計是模具設計的核心。而沖壓工藝設計的主要任務之一就是設計出合理的工序件［1］。沖壓模具型面是在零件模型的幾何數據基礎上，通過模型修復和編輯、補孔、法蘭展開、邊界光順和工藝補充等工序完成的，在零件幾何模型基礎上生成沖壓模具的過程成稱之為模面設計過程；因此，沖壓模具型面設計的關鍵就是模面設計［2］。而一般的模面工程是模具型面實現的工程，是模面設計在沖壓工藝模擬后通過計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）有限元分析的網格面構建模具型面計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）數據的技術。這樣的模具型面與沖壓工藝型面完全相同。加工后的模具型面，為了達到規定的貼合率，模具鉗工通常要手動對凹模進行處理［3］，進而不斷的試模優化，才能完成模具的制造。經過鉗工試模優化的實際模具型面與設計的模具型面差別已經非常大。若鉗工的優化工作能通過數據處理實現，鉗工的試模工作量就會減少，模具的試模周期也就會相應縮短。對設計型面進行類似鉗工優化的處理已發展為模面工程的重要內容，模面工程中對模具設計型面的處理在一定程度上相當于鉗工試模經驗向CAD數據的轉化。鉗工經驗數據轉化的越多，鉗工試模的工作量也就會越少，模面工程技術也越成熟。模面工程技術的提高也必然會降低試模的難度，減少試模時間，對整個覆蓋件模具制造的成本降低和周期縮短，都有重要意義。

1 模面工程的內容

模面工程是建立模具初始工藝型面后不斷優化的過程。模面工程首先實現的是有限元網格面轉化為沖壓工藝型面，其次根據試模經驗進行重新構建，最后進行消除加工讓刀的補償型面構建。因而模面工程包括沖壓工藝型面的構建，模具有效型面的重構，及消除加工缺陷的重構3方面的內容。模面工程的流程如圖1所示。

圖1 模面工程流程圖

1.1 沖壓工藝型面的構建

模具的初始工藝型面經過沖壓工藝軟件（如Autoform或Dynaform）的有限元分析后輸出的是有限元網格面，雖然也可以輸出CAD數據面，但是往往面的質量較差，因而無論輸出的是網格面，還是CAD數據面，都需要進行模具型面的構建與優化。

1.1.1 沖壓工藝型面的重構區域 覆蓋件模具的沖壓工序一般分為拉延、切邊、翻邊、整形等工序。沖壓工藝型面的重構因沖壓工序的不同，其重構內容也會有差別，但總的規律是：根據沖壓零件成型的功能需要，某些面壓緊，某些面放松，然后再進行周圍面的過渡處理。

（1）拉延模的型面處理。沖壓工藝型面分為產品區域、延展區域和壓料區域。產品區域是產品型面經過修補而來，一般不需要再次構建。延展區域是為了產品的成型需要而構建的型面，其優化一般在實際模具試模后，根據零件的成型狀況進行改型優化。對于拉延模來說，壓料區域是沖壓工藝型面重構的主要部分。

壓邊圈型面即壓料區域型面，其功能就是在零件拉延時，通過與凹模的壓緊力，控制料片的流動。壓邊圈的型面大而且平坦。鉗工需付出很大的工作量進行研配。而實際上起作用的只是壓料筋附近的型面，因而壓邊圈的模面處理一般有圖2所示（a）、（b）兩種處理方法。

圖2 壓邊圏的模面處理

a方法為圖2（a）所示的綠色壓料筋以內橘黃色的型面，做型面余量補償（Offset）0.2mm壓緊處理，壓料筋根部圓角做過渡處理。這種方案的壓料工作面，寬只有20～30mm左右，減小為原來的1／5左右，研配工作量相應大幅度減少。但是這時的壓料筋的調節，變得非常敏感，模具調試的控制難度有一定的增長。

b方法為圖2（b）所示的綠色壓料筋20mm以外的區域，做過渡與讓空。圖示藍色區域為Offset－0.5mm讓空區域，紫色區域為橘黃色不動區域與藍色讓空區域的過渡區域。這種方案減少了60%左右的研配工作量，并且壓料筋的調節敏感性與不做模面處理相比改變不大，屬于比較安全有效的方案。

壓邊圈模面處理的另一項重要內容是壓料筋的重構。由于設計拉延筋模型和實際筋之間存在誤差，經常會為避免在試模過程因拉延筋阻力系數過小而對拉延筋進行堆焊，所以拉延筋阻力系數根據實際需要增加10%～15%。這需要通過型面重構減小凹筋的入模圓角來調整拉延筋阻力系數，比如凹筋入模圓角由3.0mm改為2.6mm。鉗工試模時，只需調整凹筋的入模圓角即可控制材料成型時的流動阻力。另外為避免凸筋和凹筋之間發生干涉，保證幾何筋和虛擬筋的阻力系數一致，凸筋和凹筋間隙應大于0.3mm或者0.5t（t為沖壓料片厚度）。

（2）切邊模、翻邊模及整形模等的模面處理。切邊模、翻邊模及整形模等的模面處理主要是對其卸料板的型面進行處理，如圖3所示。切邊或翻邊時，卸料板的壓料區域需大于30mm。在30mm壓料寬度的范圍內，切邊線或翻邊線附近寬大約15mm（視型面特征而定）的范圍內模面做強壓處理，即卸料板型面做負間隙0.1～0.2mm，相鄰的圓角進行過渡接順。除去壓料區域的卸料板型面做0.5mm讓位處理。以上的卸料板型面處理，既保證了切邊及翻邊時的功能需要，又避免了零件在合模過程中發生額外的塑性變形。

圖3 缷料板的模面處理

圖4所示為整形模的卸料板型面，藍色的功能面部分同樣需做強壓處理，黃色的型面做讓空處理。對于非功能要求的凸臺，如圖4所示的三角形凸臺，做抹平處理，凸臺凹模面Offset放大1mm，凹模口處圓角過渡，從而避免沖壓件與實際模具型面產生干涉。

圖4 整形模卸料板的模面處理

1.1.2 重構型面的質量標準及面的A級優化 重構的型面要求面內達到C2標準（面內曲率連續，無縫隙），并且無扭曲波浪等缺陷。重構的原則是：先大面后小面，先平坦面后過渡面。面與面之間的拼接要求達到G1標準（面與面之間相切連續），拼縫（Gap）≤0.02mm，面片的最小邊長（Length）≥1mm，不存在非自然邊界（Nonatural Edge）等。

在某些情況下，如型面因成型需要進行部分更改，以及為消除彈性變形而進行的反彈補償等，產品的關鍵型面產生變化。外覆蓋件外板及外覆蓋件內板與其外板配合的部分就需要進行A級曲面優化。優化后的面與原來面的變形量（Reference）≤0.1mm，面內曲率梳需在面的同側，并且梳齒的長短變化平緩連續。A級面之間的拼接需保證G2連續即曲率連續，A級曲面優化的邊界要求Gap≤0.01mm，兩面的法向夾角（Kink）≤0.5rad。

1.2 零件變形補償的型面重構

汽車外覆蓋件是一種具有復雜曲面、要求精度高的大型淺拉延件，在其成型過程中，回彈對其形狀精度影響很大［4］。料片在沖壓成形過程中，先發生彈性變形，變形力超過屈服極限時變為塑性變形，從而工序件成形。由于并不是所有的彈性變形都轉化成了塑性變形，因而隨著沖壓結束后模具壓力的消失，工序件零件產生彈性恢復，導致實際工序件與理論形狀差別較大，這種沖壓過程中工序件彈性恢復的變形稱為零件的回彈變形。模具的型面必須進行與零件回彈變形方向相反的等量形狀改變，才能得到合格的零件。這種方向相反的等量形狀改變稱為模具型面的回彈補償。

1.2.1 回彈變形的分類 零件的彈性變形不僅表現在形狀上彈性恢復，也表現在大小上的收縮，因而零件的回彈變形主要有兩類：① 料片彎曲產生的彈性恢復變形；② 料片拉伸恢復產生的收縮變形。

1.2.1.1 彎曲回彈變形 彎曲回彈變形在覆蓋件外板及內板上都是很普遍的。圖5所示的前蓋外板零件的O處，多數情況下都會低2～3mm，導致因與前蓋內板的涂膠面間隙太小而拼裝困難。前蓋外板的這種塌陷變形，在車頂、翼子板等外覆蓋件外板零件中也都是存在的。圖6所示的后蓋內板一般也發生箭頭所示的張開變形，與外板拼裝后，下部（圖6所示P邊）尺寸會超差2mm左右。汽車覆蓋件的這種彎曲回彈變形極大地影響了覆蓋件零件的形狀質量。零件的彎曲回彈變形受零件形狀的影響很大，零件越平坦，塌陷變形就會越明顯，類似加強筋的形狀越多，零件的變形也相應會越少。

圖5 前蓋外板的中部變形（圓圈為等誤差緯線，線越粗誤差越大）

圖6 后蓋內板的張開變形標明圖中各顏色含義

1.2.1.2 拉伸收縮變形 料片在拉延成形時會被拉開，工序件的面積比原來料片的面積會變大很多。料片被拉大塑性變形后會產生微量的收縮。零件的這種微量的收縮對于小型零件影響微乎其微，可以忽略不計。但是如側圍這種大型的外覆蓋件，這種收縮會積累到2mm以上，嚴重影響了零件的尺寸精度。零件的這種收縮變形與材料的特性有關。側圍零件整體形狀比較復雜，整體會按大約0.07%的比率收縮。而圖7所示的車頂零件，在X方向會有1.5mm的收縮，Y方向也會有0.3mm左右的收縮，換算成比率X向為0.12%，Y向為0.09%。另外，有些板料縱向與橫向的拉伸特性有很大差異，導致同一產品零件的料片縱橫擺放方向不同，零件的收縮也會有差異。

圖7 車頂零件的收縮變形

1.2.2 零件回彈變形的補償方法 零件拉伸收縮變形的補償很簡單，是在料片穩定的前提下，通過經驗積累，適當放大模具型面的尺寸就可以實現。

零件的彎曲回彈變形補償雖然內部運算比較復雜，在一定程度上是對整個模具型面的重新構造，但是某些專業軟件如Tebis（CAD／CAM軟件）的曲面重構模塊（Morpher）功能及數據建模軟件（Think Design）的基于有限元網格的回彈補償修改（Computational Fluid Dynamics，CFD）功能等已實現了這種補償的自動處理，其補償過程如圖8所示。首先需根據零件的補償量，進行有限元計算模具型面的初始曲面網格和回彈補償網格；其次在回彈補償軟件中獲取這兩個網格面的節點信息，兩種網格面節點數量與序號需保持一致，相同序號節點的位移決定了CAD數據型面在其法相投影位置的補償量，通過輸入初始曲面CAD數據及初始曲面網格與回彈補償網格，曲面重構模塊或CFD自動重構回彈補償的CAD數據型面。

圖8 零件彎曲回彈變形的補償

回彈補償面的自動重構是在軟件的內部建面規則下進行的，因而進行回彈補償前，初始曲面必須進行符合軟件建面規則的優化，如去除小面片和三角面片，理順建面順序等。為得到理想的回彈補償面，自動補償后的面還必須進行消除型面間隙，重構扭曲面，達到A級曲面調整等優化。模具型面的自動補償雖然比較快捷，但是前期數據的準備與結尾的數據優化，工作量都是巨大的。

在零件的回彈變形補償中，補償量的確定是最為關鍵的。補償量偏差太大，零件的補償將失去意義。對于形狀簡單且經驗成熟的零件（如車頂），一般直接根據經驗數據進行補償；對于經驗欠缺或形狀復雜的零件（如翼子板），需先制作試制模，進行實際拉延成形，再經過零件尺寸測量對比才能確定最終的補償量。

1.3 消除加工缺陷的模具型面重構

模具型面精加工時，刀具受到工件的反作用力F，如圖9所示。F可分解為刀具軸向的作用力及刀具徑向的作用力F′。若F恒定，則F′＝Fsinθ會隨著θ的增大而變大，即模具型面越陡峭，刀具受到的徑向作用力會越大。這種徑向作用力會使刀具產生彎曲變形，導致實際的加工不到位，這種現象稱為讓刀現象。刀具的讓刀現象是無法消除的，只能通過減小切削深度而減小切削力，或減小刀具長度而相應減少。在實際的模具型面加工過程中，盡管已經盡量減少切削深度，使用盡可能短的刀具，加工讓刀仍然能產生最大至0.15mm的誤差。為了獲得更高的型面加工精度，讓刀現象嚴重的區域需通過模面處理，進行刀具讓刀的型面補償。

圖9 讓刀現象示意圖

刀具讓刀最大的區域也是模具型面最陡峭的區域。讓刀補償的型面重構一般是對陡峭且平緩簡單的型面進行重構，如圖10所示粉紅色區域。大的面片進行Offset－0.2mm，上下圓角接順，兩邊20mm區域內與非補償面進行過渡。

圖10 讓刀補償區域

模具型面的凹圓角通常也是加工不到位的部分。模具合模時，非工作圓角（即凹圓角）與工作圓角（即凸圓角）會發生干涉，鉗工需要付出大量的精力進行圓角清根。模面重構時，凹圓角半徑減小一半，如圖10所示的凹模非工作圓角與凸模非工作圓角，使上下模型面的凹圓角與凸圓角配合存在一定間隙，從而消除圓角加工不到位造成的模具型面干涉。

2 結 語

近年來，模具制造業在我國迅速發展。在生產規模擴大的同時，行業競爭越來越激烈，模具行業呈現高精度、低成本、短周期的發展趨勢［5］。在最近的模具制造項目中，模具型面經過模面工程的處理，最后的試模時間較以前相似零件減少了30%，并且解決了零件回彈變形的技術難題。通過模面工程，模具制造的質量與效率都有很大的提高。目前模面工程還處在初級階段，僅僅是小部分的模具制造與試模經驗的轉化。隨著模面工程技術的不斷發展和更多模具制造經驗的數據轉化，試模周期會隨之縮短，模具制造的質量必然會有更大提高，制造的難度也會不斷降低。若模面工程技術發展到極致，加工裝配后就能生產沖壓件。模面工程對于提高模具制造質量，縮短模具制造周期將會發揮越來越大的作用。

［1］孫玉，王義林.汽車覆蓋件模具型面設計方法的研究［J］.鍛壓裝備與制造技術，2007（1）：83－86.

［2］劉志國.車身覆蓋件沖壓模型面參數化設計關鍵技術研究［D］.長春：吉林大學，2011：4－6.

［3］竇錦文，苗德華，蔡玉俊.基于拉延減薄的汽車覆蓋件模具型面補償研究［J］.模具制造，2011（3）：7－10.

［4］龔志輝，鐘志華.基于逆向工程技術實現汽車覆蓋件回彈評測［J］.湖南大學學報：自然科學版，2007（01）：22－25.

［5］馬賀威，姜偉.汽車覆蓋件模具數控加工工藝［J］.金屬加工：冷加工，2011（4）：46－47.