大型汽車覆蓋件模具現階段的核心技術

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階段的核心技術

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、模具設計工作，主持完成了天汽模技術標準的制訂，國產自主品牌華晨中華酷寶整車模具項目技術開發工作，及VOLVO，FIAT，IVECO，SKODA等多個國外品牌汽車模具項目技術開發工作，曾參與支持汽車模具及機床制造業產業鏈協作的公共服務平臺開發及應用項目(“國家十一五”科技支撐項目）。

近幾年，隨著汽車主機廠對沖壓件品質要求的日益提高，模具開發周期的日益縮短，模具企業面臨著如何在短時間內，生產出滿足客戶要求的高品質的模具和沖壓件的嚴峻挑戰。為了應對這一挑戰，我公司在模面技術和沖壓全工序仿真模擬技術方面做了嘗試。

沖壓工藝設計是決定汽車沖壓件品質和模具開發周期的關鍵因素，是模具技術的核心。為此在沖壓工藝設計方面，充分利用CAE技術，增加模面技術和沖壓全工序仿真模擬技術兩個環節。在實際生產中，通過這兩項技術的應用，對提升沖壓件品質、減少機加工和鉗工工作量、縮短制造周期、虛擬調試和指導模具整改方面發揮著積極作用。

模面技術

在不改變工藝成形的基礎上，對模具型面進行整體或局部的變形處理，從而達到制件在沖壓時，模具上下模配合型面的間隙均勻。這種對模具型面進行變形的曲面設計方法就是模面技術。

模面技術的主要工作和目的

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

運用模面技術主要是為了提高沖壓件的表面質量和尺寸合格率，通過對模面的不等間隙的處理，減少模具的研合周期。

模面技術的工作綜述

⑴保證制件充分成形方面，所做的模面處理。

1）特征棱線區域的不等間隙。外板制件棱線附近因為沖壓時模具上下型面著色不實，會導致棱線成形不清晰，是重要的質量問題。在模面設計時將棱線區域的上下模間隙作緊（小于制件料厚），如圖1所示。

圖1 機蓋外板的特征棱線間隙作緊區域

2）反成形特征區域的不等間隙。外板制件反成形區域在沖壓時模具上下型面著色不實，會引起制件表面質量問題。在模面設計時將反成形特征區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域

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

圖3 機蓋內板的搭接面間隙作緊區域

4）制件易出現缺陷的區域模具凹形作緊。外板制件的型面變化劇烈區域及角部等區域，在拉延后出現的塌陷以及局部凸起等成形缺陷，影響外板件的表面質量。在模面設計時，將易出現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域間隙作緊區域

⑵補償模具結構變形方面，所做的模面處理。

在實際生產沖壓時，由于模具結構本身會產生微變形，導致模具上下型面間隙不均勻，模具著色率低。為了彌補這方面的缺陷，我們在作模面時，使模具微變形區域相對應的上下模的間隙，通過不同數值，來補償模具微變形帶來的問題。

在沖壓過程中，不同區域材料的流動不均勻，會使材料的厚度不同，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，壓邊圈的強度較弱，在拉延過程中變形也很明顯。為了保證在沖壓時材料按照工藝設想的結果流動，為了彌補壓邊圈變形出現的缺陷，我們在作模面處理時，將壓邊圈隨材料流動變化作不等間隙，如圖5所示。

圖5 機蓋外板壓邊圈

⑶拉延工序中工藝補充區域，所做的模面處理。

對拉延工序中工藝補充區域的間隙作讓空處理。如有些制件在拉延時，工藝補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，也不會影響制件成形。做模面處理時，在這些區域作讓空加工，鉗工在研合模具時，不用研合該區域，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

沖壓全工序仿真模擬技術是指模擬沖壓件模具工序內容中的成形過程和回彈狀態，并對最后的零件進行檢測的仿真，并通過調整工藝內容，補償模具型面等方法，使零件在仿真最后達到公差要求以及其他品質要求，也被稱為虛擬調試。

歐洲的菲亞特公司，北美的三大汽車公司率先研究使用，2005年左右技術上已經逐漸成熟，并應用于實際生產。目前全供需仿真的精度可以達到85%以上。各大沖壓仿真軟件開發商也認定了這一發展趨勢，與各大汽車公司聯合，不斷的提升自己軟件的功能，使這項技術的應用范圍不斷地被推廣和提高。

圖6 拉延工序中工藝補充區域的間隙作讓空處理

沖壓全工序仿真模擬技術的特點及意義

沖壓全工序仿真模擬的最大特點是使仿真最大程度的接近現場，幾乎是完全按照實際的沖壓過程進行仿真計算。這樣做的好處主要有：跟蹤調試過程中每個狀態都有參考狀態，使調試各個環節可控；預測不同工序，不同測量狀態下零件的回彈，比如不同的定位，不同的夾持方式下零件與理論上的差別，這樣可以提前調整工藝或者對模具進行補償，保證制件在各序均合格，減少模具的研合時間和不必要的整改。

沖壓全工序仿真模擬技術有兩個難點，同時也是重點，即：仿真計算的精度和現場調試環節的控制。首先，模擬的精度可以在模擬與實際的差別之中不斷改進，并且隨著計算機軟硬件的不斷發展，逐步解決。另外一點是調試階段的緊密跟蹤及反饋，保證仿真條件的實施，使實際與虛擬狀態一致，這樣仿真才能發揮作用。

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

全工序仿真模擬的流程

⑴準備工作。

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

⑵全工序仿真參數設置。

全工序沖壓仿真因為涉及多個工步的仿真計算，而每個工步的計算都是基于前一個工步的結果，由于誤差累積的原因，最后的誤差可能會被放得很大，導致錯誤的結果?；谝陨系脑颍喙げ椒抡娴木纫笠h比普通的單工序計算要高。

⑶全工序仿真設置流程。

以轎車車門外板為例，其全工序多工步仿真設置流程為：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→檢具檢驗狀態（重力狀態下的自由回彈）。

設置流程注意事項：1）仿真過程除嚴格遵守工藝設計中工序內容和程序設置外，還需考慮實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，而仿真軟件不會自動模擬回彈過程，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格按照工藝所要求的符型區域截取，模具機構運動也須完全按照模具結構設計設置。

⑷全工序仿真合理性分析。

所有仿真在利用計算結果指導生產之前都應仔細分析仿真的合理性，及保證計算結果是正確的，符合實際的。仿真合理性分析包括以下幾點：

1）計算過程中的收斂性檢查。每個時間步中的迭代次數均不能超過40次，否則該時間步未收斂，結果可能錯誤。如果過程中出錯，則需要檢查模型，查找原因。

2）確認仿真過程每一工步的工具動作內容正確，板料動作合理，無不良現象發生。

目前，我公司的全工序沖壓仿真模擬技術已經在工藝設計中全面推廣，并且在實際生產中得到了認證。在這個過程中，需要仿真計算的精度和現場調試環節高度吻合。所以，我們正在大力推動技術、加工和調試各環節緊密配合，保證仿真條件在現場的實施，使實際與虛擬狀態一致，這樣才能使仿真效果發揮最大作用。

結束語

綜上所述，模面技術和全工序沖壓仿真模擬技術是我公司現階段的模具核心技術。這兩項技術的應用對沖壓件品質提升，縮短模具制造周期發揮了很大作用。我們的技術人員將繼續與現場鉗工緊密結合，力爭使我們的計算結果和現實生產完全一致。進一步提高我公司的模具品質，有效減少制造周期，從而快速響應市場變化，以提高產品在市場中的競爭力。