汽車覆蓋件模具設計

李占輝

（河源技師學院，廣東河源 517002）

0 導言

隨著我國經濟的不斷發展，人們在日常生活中對汽車的需求量也越來越大[1]。汽車除了發動機、底盤、變速箱外，最復雜的制造環節應屬于車身的沖壓工藝與模具設計。由于國內汽車行業的高速發展，汽車更新換代的速度也持續加快，尤其是汽車車身的更新速度。汽車車身零件大多數都是由沖壓形成，例如發動機箱蓋、車門護板、擋泥板、車身內護板等。沖壓件的成型質量與沖壓模具的設計密切相關，因此，有必要在了解沖壓工藝的基礎上對沖壓模具的設計進行深入的研究，保證汽車車身的質量。

1 汽車車身沖壓工藝

沖壓工藝具有以下特點：用于形狀復雜的薄壁零件，且經過沖壓工序后零件的強度提高、質量變輕、剛度增大。沖壓件表面光滑且具有較高的精度尺寸，可滿足一般互換性要求，在同一批沖壓件中可互相替換。簡化了操作，提高了自動化程度。進行大批量生產時可有效節約成本，提高生產效率[2]。

（1）沖壓材料

沖壓工藝對沖壓材料的要求極為嚴格，沖壓用材料必須具有良好的延展性、塑性、彎曲性、凸緣拉伸性等性能。如果所選的材料與零件形狀、沖壓模具設計和加工條件不相適應時，將產生斷裂、折皺、成型不完整（開裂、凸包、拉毛、波浪、回彈）等缺陷。目前，常用的沖壓材料包括冷軋鋼板、熱軋鋼板、表面處理鋼板等材料[3]。

（2）沖壓工藝方案

沖壓工藝一般包括沖裁設計、切邊設計、彎曲、翻遍等工序。各個工序階段都有嚴格的工藝要求保證沖壓的質量[4]。以汽車發動機箱蓋為例，其沖壓工藝如下：下料拉伸——切邊、沖孔——豎邊——翻邊——壓印、沖孔——檢驗；工藝流程為：拉伸——切割——整形——翻邊——沖孔——切割——檢驗。

正常工藝可能無法完成零件的加工，需要工藝補充。工藝補充的設計原則如下：內孔封閉的原則；簡化拉伸件結構形狀原則；保證良好的塑性變形條件，有些沖壓件深度較淺、曲率較小，但輪廓尺寸較大（發動機箱蓋），必須保證坯料在拉伸過程中具有足夠的塑性變形量，才能保證沖壓件滿足形狀精度要求和剛度要求；外工藝補充部分盡量小；方便后續工序加工的原則[5]。

（3）沖壓件質量控制

沖壓件一般滿足表面質量良好、復合加工要求的幾何尺寸和形狀、足夠的強度與剛度以及良好的工藝性等要求[6]。保證沖壓件沖壓質量的方法有精度檢驗與外觀檢驗兩種。根據檢驗結果對沖壓件采用如下方法進行修復：手工修整沖壓零件、修補模具，改進模具的設計與制造方法等。

（4）汽車覆蓋件沖壓關鍵工藝

汽車覆蓋件的沖壓方向，如：拉延方向、修邊方向、翻邊方向、沖孔方向、非必要負角問題、空間曲線的修邊線問題、非必要曲面孔問題、特征太密與結構突變問題、復雜曲面的圓角、轉角、球面等問題[7]。此外，翻孔的結構問題，正規孔和異型孔的翻孔結構的設計與沖壓工藝有關，分為兩序孔和三序孔，如沒有功能要求應盡量采用拉延、沖孔的翻邊結構。在覆蓋件關鍵部位采用余料吸收結構設計，在一些容易起皺和拉裂的部位設計一些反向特征，減小由于起皺和拉裂引起的材料缺失等問題。最后，覆蓋件的設計基準也影響模具的設計，模具通常根據設計基準保證基本拉延的拔模角。

2 模具設計技術

2.1 基于CAD/CAM的模具制造

沖壓件沖壓的質量不僅取決于沖壓工藝和沖壓材料，更重要的是沖壓模具的設計。隨著CAD/CAM技術的成熟，模具的設計水平得到了極大提升，且隨著五軸聯動數控加工中心加工精度的提高，沖壓模具的加工精度和復雜程度也可滿足沖壓模具設計的要求。

一般來說，模具的制造工藝可分為粗加工、精加工、裝配，其步驟如下：基準面切削加工；劃線；機械加工（通用機床加工、仿形加工、特種加工）；精加工（曲面粗加工、模具研磨）；合模；模具裝配。基于五軸加工中心的模具制造可實現復雜曲面的加工，通過CAD/CAM技術合理規劃加工路徑，結合數控加工中心的精密加工技術實現高精度模具的加工。經加工中心加工后的模具也必須通過磨削和拋光加工，最終保證模具表面的精度要求。通過高質量和高精度的模具降低后續模具制造的復雜程度，可以提高生產效率，促進沖壓工藝的發展。

圖1 基于CAD/CAM設計的汽車覆蓋件三維模型

2.2 模具表面磨損及壽命控制

模具表面磨損檢測也是困擾技術人員的難題。目前國內檢測模具磨損是根據沖壓后成品表面的質量精度判斷模具是否應該更換。但該方法不具有預測性，只能根據成品的質量判斷模具的磨損情況，無法滿足現場加工的要求。如圖2、3所示，為由于模具磨損導致的產品問題。

圖2 產品起皺

圖3 產品毛刺

對于模具磨損及壽命控制，本文提出以下措施：

（1）基于采集模具數據預測模具表面磨損和使用壽命。從新的模具安裝完成后開始記錄模具使用時間，在模具磨損超出使用范圍時，記錄模具的使用時間，通過對大量數據的記錄，根據概率統計的方法統計分析模具磨損的規律，并在計算機中設置相應的閾值，超出閾值時，提示操作人員更換模具。

（2）基于模具檢測的反饋，對模具結構的關鍵型面進行定時檢測，若檢測值超出正常值時，說明模具磨損過度。

模具磨損檢測與控制對企業節約成本、避免浪費具有重要的意義。

3 工程應用實例

上述工藝與模具磨損檢測技術已應用于某汽車企業和多家模具制造公司，并取得了良好的效果。采用模具磨損檢測技術后每個季度至少可以降低30%的不合格率，極大的降低了廢品率，提高了企業的效益。圖4為汽車模具制造現場。

圖4 沖壓工藝現場

4 結束語

汽車車身沖壓工藝與沖壓模具的設計是影響汽車行業車型更新換代的關鍵技術，它不僅影響汽車更新的周期和研發的成本，也間接促進了新的沖壓技術和模具設計技術的發展。盡管國內汽車行業發展迅速，但沖壓工藝和模具設計與國外技術仍存在較大的差距，無法生產高端的汽車沖壓件，嚴重阻礙了我國高端汽車行業的發展。對沖壓工藝與沖壓模具設計技術的研究對我國高端汽車行業的發展具有重要意義，借鑒國外先進技術，并不斷投入研發人員，可以實現高端汽車車身沖壓件的制造，打破國外技術壟斷。