汽車覆蓋件沖壓模具精細(xì)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究

劉鑫 張?chǎng)稳A

【摘 要】隨著汽車用量的不斷增加，我國(guó)的汽車行業(yè)得到飛速的發(fā)展，汽車覆蓋件金屬模具的快速制造技術(shù)越來(lái)越重要。大力發(fā)展汽車覆蓋件金屬模具快速制造技術(shù)，有利于提高汽車覆蓋件的質(zhì)量，促使汽車整體性能的提升。基于此，本文主要分析汽車覆蓋件沖壓模具精細(xì)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】汽車覆蓋件；沖壓模具；精細(xì)化設(shè)計(jì)

引言

汽車覆蓋件作為汽車的一個(gè)重要組成部件，具有材料薄、樣式多等特性，成為當(dāng)前汽車制造行業(yè)的研究重點(diǎn)。覆蓋件的成形是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，覆蓋件的成形設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式和計(jì)算方法，顯然不能滿足現(xiàn)有覆蓋件成形設(shè)計(jì)的要求。

1、汽車覆蓋件金屬模具快速制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

汽車覆蓋件金屬模具的主要功能是用于生產(chǎn)汽車覆蓋件，關(guān)系著汽車覆蓋件的質(zhì)量、尺寸的精準(zhǔn)度等，所以需要保證汽車覆蓋件金屬模具的尺寸、精度、表面質(zhì)量，這樣才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的汽車覆蓋件。在汽車覆蓋件金屬模具快速制造過(guò)程中，必須要控制好每個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)精度，消除會(huì)影響精度的各種因素[2]。現(xiàn)階段，我國(guó)在對(duì)模具快速制造技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)，重點(diǎn)研究的是工藝步驟的可靠性，比較關(guān)注模具的快速制造質(zhì)量和精度。但是，沒(méi)有將模塊快速制造作為一個(gè)集成的系統(tǒng)來(lái)研究，使得研究過(guò)程缺乏全面性，沒(méi)能將不同環(huán)節(jié)的工藝精度聯(lián)系起來(lái)，不明確其相互之間存在的影響，以及系統(tǒng)累積效應(yīng)。在對(duì)汽車覆蓋件金屬模具的快速制造技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)形成一個(gè)閉環(huán)模式，在CAD三維設(shè)計(jì)中對(duì)累積誤差反饋，并利用輸入端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，通過(guò)逐次迭代的方式，制造出高精度的汽車覆蓋件金屬模具。在模具的快速制造過(guò)程中，會(huì)涉及到比較多的集成工藝環(huán)節(jié)，所以在對(duì)不同工藝環(huán)節(jié)的精度進(jìn)行控制時(shí)，難度會(huì)比較大。通過(guò)閉環(huán)精度控制模式，可將各影響工藝過(guò)程的因素累積起來(lái)進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAD數(shù)據(jù)、CAE仿真優(yōu)化參數(shù)的直接修改，使汽車模具快速制造精度得到有效的保障。

2、汽車車身沖壓工藝

沖壓工藝具有以下特點(diǎn)：用于形狀復(fù)雜的薄壁零件，且經(jīng)過(guò)沖壓工序后零件的強(qiáng)度提高、質(zhì)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(jiǎn)化了操作，提高了自動(dòng)化程度。進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)可有效節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。

沖壓材料：沖壓工藝對(duì)沖壓材料的要求極為嚴(yán)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(shè)計(jì)和加工條件不相適應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生斷裂、褶皺、成型不完整（開(kāi)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。

沖壓工藝方案：沖壓工藝一般包括沖裁設(shè)計(jì)、切邊設(shè)計(jì)、彎曲、翻邊等工序。各個(gè)工序階段都有嚴(yán)格的工藝要求保證沖壓的質(zhì)量。以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)；工藝流程為：拉伸——切割——整形——翻邊——沖孔——切割——檢驗(yàn)。正常工藝可能無(wú)法完成零件的加工，需要工藝補(bǔ)充。工藝補(bǔ)充的設(shè)計(jì)原則如下：內(nèi)孔封閉的原則；簡(jiǎn)化拉伸件結(jié)構(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)箱蓋），必須保證坯料在拉伸過(guò)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(bǔ)充部分盡量小；方便后續(xù)工序加工的原則。

汽車覆蓋件沖壓關(guān)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(fù)角問(wèn)題、空間曲線的修邊線問(wèn)題、非必要曲面孔問(wèn)題、特征太密與結(jié)構(gòu)突變問(wèn)題、復(fù)雜曲面的圓角、轉(zhuǎn)角、球面等問(wèn)題。此外，翻孔的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，正規(guī)孔和異型孔的翻孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與沖壓工藝有關(guān)，分為兩序孔和三序孔，如沒(méi)有功能要求應(yīng)盡量采用拉延、沖孔的翻邊結(jié)構(gòu)。在覆蓋件關(guān)鍵部位采用余料吸收結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在一些容易起皺和拉裂的部位設(shè)計(jì)一些反向特征，減小由于起皺和拉裂引起的材料缺失等問(wèn)題。最后，覆蓋件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)也影響模具的設(shè)計(jì)，模具通常根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)保證基本拉延的拔模角。

3、汽車覆蓋件沖壓模具精細(xì)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1、金屬電弧噴涂或電刷鍍制膜技術(shù)

金屬電弧噴涂技術(shù)需要經(jīng)歷四個(gè)階段，先對(duì)母模的噴涂進(jìn)行準(zhǔn)備，再對(duì)基體進(jìn)行處理，然后是金屬電弧的噴涂，最后再對(duì)背襯材料進(jìn)行填充。在汽車覆蓋件金屬模具的快速制造中引用此技術(shù)，最關(guān)鍵的是要確定好梯度材料的結(jié)構(gòu)，其不僅能夠保障模具的整體性能，還能簡(jiǎn)化模具的制造工藝。梯度結(jié)構(gòu)主要由五部分構(gòu)成，首先是高強(qiáng)度的水泥層；其次是金屬粉混合背襯材料層，其核心是樹(shù)脂、金屬粉和加強(qiáng)纖維；再次是玻璃鋼加強(qiáng)層；第四是電弧噴涂層；最后是刷鍍層。刷鍍層能夠提升模具表面的硬度，增強(qiáng)其耐磨性。通過(guò)構(gòu)建金屬噴涂層，則可增強(qiáng)模具的修磨性和強(qiáng)度。在對(duì)母模的噴涂進(jìn)行準(zhǔn)備時(shí)，常用的方法有三種。首先，將RP原型利用起來(lái)，或者將其原型翻制而成的石膏過(guò)渡模型利用起來(lái)，作為母模。其次，利用石膏、塑料及木材等材料進(jìn)行數(shù)控加工。最后，利用實(shí)物樣件，構(gòu)建石膏過(guò)渡模型。

3.2、超高速加工技術(shù)

超高速加工技術(shù)是指利用高自動(dòng)化、高柔性和高精度的能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的制造設(shè)備，采用超硬切削刀具或磨具，以超高切削速度來(lái)提高材料切除率，達(dá)到高加工精度和質(zhì)量的先進(jìn)加工技術(shù)。超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。通常把切削速度是常規(guī)的5～10倍以上的切削加工稱為超高速切削。超高速切削時(shí)，切屑為碎片狀而不是普通切削的帶狀，95%的切削熱被切屑帶走，切削力降低30%；此外，超高速切削時(shí)設(shè)備的激振頻率特別高，其頻率范圍遠(yuǎn)離了“機(jī)床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率，因此機(jī)床工作平穩(wěn)，加工的工件精度極高、表面質(zhì)量極好、工件表面殘余應(yīng)力極小，可直接達(dá)到精加工要求，材料切除率相應(yīng)提高若干倍。與超高速切削一樣，超高速磨削具有效率極高、磨削力極小、磨出的工件表面粗糙度值極低、砂輪壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，超高速加工可以提高加工工件質(zhì)量和生產(chǎn)率、節(jié)約能耗，是一個(gè)很好的綠色加工工藝。

3.3、干切削技術(shù)

干切削加工是指加工過(guò)程中不用或僅用微量切削液，這是一種從環(huán)境污染源頭上進(jìn)行控制的清潔環(huán)保新型綠色制造技術(shù)。干切削加工技術(shù)不僅沒(méi)有切削液對(duì)環(huán)境的污染，而且省去了與切削液有關(guān)的傳輸、過(guò)濾、回收等裝置和費(fèi)用，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)、降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，形成的切屑又干凈、清潔、無(wú)污染，便于回收和處理。干切削時(shí)沒(méi)有切削液的冷卻，刀具溫度比濕切削高得多，因此：刀具材料應(yīng)具有良好熱硬性和高溫韌性、高的耐磨性和抗粘結(jié)性能、低的摩擦系數(shù)；刀具的幾何形狀要適合干切削的特點(diǎn)，槽型應(yīng)保證排屑流暢、易于散熱。目前，干切削刀具主要使用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、立方氮化硼、聚晶金剛石、SiC晶須增韌陶瓷及納米陶瓷等材料制造。

結(jié)束語(yǔ)

盡管國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，但沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)與國(guó)外技術(shù)仍存在較大的差距，無(wú)法生產(chǎn)高端的汽車沖壓件，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)高端汽車行業(yè)的發(fā)展。對(duì)沖壓工藝與沖壓模具設(shè)計(jì)技術(shù)的研究對(duì)我國(guó)高端汽車行業(yè)的發(fā)展具有重要意義，借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，并不斷投入研發(fā)人員，可以實(shí)現(xiàn)高端汽車車身沖壓件的制造，打破國(guó)外技術(shù)壟斷。

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（作者單位：1長(zhǎng)城汽車股份有限公司天津哈弗分公司；

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