新技術對模具設計制造的影響

■ 諸城市義和車橋有限公司 （山東 262200） 關炳奇

1. CAE技術促進沖壓模具成本的降低

CAE軟件可以分為兩類：一類是通用CAE軟件，是可以對多種類型的工程和產品的物理、力學性能進行分析、模擬和預測、評價和優化，以實現產品技術創新的軟件；一類是針對特定類型的工程或產品所開發的、用于產品性能分析、預測和優化的軟件，如沖壓成形CAE分析軟件。目前在實際生產領域中應用最廣的沖壓成形CAE分析軟件有：Autoform軟件、Dynaform軟件和Pamstamp軟件，其中Autoform軟件的實際操作較簡單，計算精度和可以解決的沖壓工藝有一定限制，其他兩種軟件則較為全面。

在板料沖壓成形生產中，通過使用CAE分析技術，對具體沖壓零件的成形過程進行數值模擬，設計人員與計算機的交互作用，更有利于發揮人的經驗和直覺分析的能力,可以及早發現問題，為模具設計與制造提供更科學、更合理的依據，從而改進模具設計，大大縮短調模試模周期，降低制模成本，使模具設計與制造水平大大提高。

板料沖壓成形C A E軟件進行分析的一般步驟是：導入零件CAD模型→零件FEM網格劃分→定義工模具零件→定義毛坯→定義拉深筋/壓邊圈→設置成形參數→求解器計算→分析計算結果。

如圖1所示為我公司新開發的某型號縱臂產品，主要由3部分組成：臂體、襯套管和橡膠襯套。三個襯套管焊接在臂體上，橡膠襯套與襯套管過盈配合。臂體材料為SAPH370，厚度為2.5mm。以前類似臂體（見圖2）加工工藝為：落料→成形→銑中間襯套管孔→側沖修兩端→側沖八小孔，共需4套模具、5道工序，成本較高。在開發新產品時，如何利用新技術、新工藝，改進產品工藝，減少加工工序，減少模具數量，提高生產效率，成為我們必須要解決的問題。

圖1 縱臂產品

圖2 臂體

圖樣要求：8個小孔的位置度要求為0.8mm，孔圓度在0.15mm以內；襯套管與臂體的焊接間隙最大1.6mm。針對產品圖樣及技術要求，利用CAE軟件的板料尺寸計算模塊和精確模擬成形模塊對板料成形進行分析，省去修邊及沖孔3道工序，是最佳方案。在成形工序前確定3個襯管孔及8個小孔的下料尺寸，然后進行模具成形，則改進后的臂體加工工藝為：落料沖孔→成形兩道工序。這個方案的難點是：如果直接按成形后的小孔尺寸及襯套孔的尺寸來確定下料尺寸，由于板料成形時受成形力的作用，孔必將變形。利用CAE精確模擬成形模塊對板料成形進行分析（見圖3），將孔反向預變形，將小孔設計成橢圓孔，襯管孔設計成如圖4所示。經模具（見圖5）成形加工后，檢測臂體成品（見圖6b），同一孔的直徑差小于0.14mm，滿足孔圓度在0.15mm以內的要求；8個小孔的位置度0.5mm，滿足位置度0.8mm的要求；襯套管與臂體的焊接間隙最大處為1.5mm，滿足襯套管與臂體的焊接間隙最大1.6mm的要求，達到產品要求，效果理想。

利用CAE技術改進的臂體加工工藝比原工藝每件加工成本節省1.5元，此新產品還少投入兩套模具，效益非常可觀。

2. 激光切割技術對模具設計制造的影響

激光切割技術是利用經聚焦的高能量密度的激光束照射工件，使工件被照射處的溫度急劇上升，材料迅速熔化、汽化，同時借助與光束同軸的高壓氣體吹除熔融物質，形成切縫將工件割開。

激光切割技術具有非常大的優點：①激光切割是無接觸加工，工件無機械變形，激光束對非激光照射部位影響很小，其熱影響區域小，工件熱變形小。②激光切割速度快、效率高，切割速度可達10 000mm/min，整個切割過程不需要裝夾固定，既可節省工裝夾具，又可節省上下料的輔助時間。③激光切割質量好、精度高，切縫表面光潔美觀，表面粗糙度值一般控制在Ra=12.5μm，定位精度可以控制在0.05mm。④激光切割柔性好，整個切割過程全部實現數控，既可進行二維切割，又可實現三維切割，只需改變數控程序，就可適用不同形狀零件的切割，不受工件外形的影響，可以加工任意圖形。激光切割產品如圖7所示，多軸激光切割機如圖8所示。

圖3 有限元模型

圖4 落料尺寸

圖5 成形模具

圖6

圖7 激光切割產品

圖8 多軸激光切割機

我公司現有4臺大型激光切割機，激光切割的應用對我公司的模具設計制造產生了很大的影響：①對于小批量、多品種底盤件的落料，直接采用激光切割，不再投入落料模具，節省了模具開發費用。②縮短了新產品模具開發周期，落料及中間切邊、沖孔工序采用激光切割，有效縮短了模具試驗尺寸的確定時間，既滿足了產品需求，又加速了模具的定型，節省了開模時間。③對于高強鋼板的落料、空間形狀復雜產品的沖孔、切邊以及大型工件的落料等不再投入模具，由于這些模具的制造維護成本較高，采用激光切割下料可以降低成本。對于大批量中小型工件的落料沖孔，仍要制作沖壓模具，對于這類產品，采用激光切割技術成本較高。④模具制造過程中，部分零件原來采用火焰切割下料，現直接采用激光切割，外形無需再次加工；部分零件如墊板等可以直接采用激光切割為成品，節省了模具制造成本。

3. 結語

新材料特別是輕量化新材料的出現將導致新工藝的產生，必然導致新的工藝裝備和模具需求。模具制造企業應積極應用現代模具制造新技術，提高產品質量，提升生產效率，降低生產成本。

[1] 龔紅英. 板料成形性能及CAE分析[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

[2] 郭鐵良. 模具制造工藝學[M]. 北京：高等教育出版社，2014.