柔性薄膜壓力傳感器在模具間隙測量中的應用

文/張海寧，王永慧，孔慶杰，齊康寧·長城汽車股份有限公司技術中心

在模具使用過程中，模具上下模間隙及壓料力的大小對拉延、翻邊、整形工藝存在重要的影響，直接影響沖壓制件的品質。在新模具交付或模具日常使用時，通過減小壓料面間隙，增大壓料力，控制制件在拉延、翻邊、整形過程中的材料流動，消除制件坑、皺及制件回彈等面品、精度缺陷。而目前在各整車廠現場模具實際工作中，針對上下模壓料面壓力無有效的檢測方法，僅通過對壓料面涂抹藍丹或紅丹，確認上模壓料面著色判定壓料面是否受力均勻，通過壓件效果驗證整改效果是否成功，過程中完全依靠工作人員的經驗判定，難以實現對強壓面的監控及預防性管理。

隨著汽車產業的快速發展，汽車更新換代的速度極大加快，整車開發周期不斷縮短，對汽車鈑金質量的要求也越來越高，在汽車產業激烈競爭的同時也促進模具制造水平不斷提高，CAE 等各種仿真模擬軟件的使用，大大的減少了模具調試時間，但由于模具加工及裝配的誤差等因素，很難保證模具實際狀態與設計狀態保持一致，仍需要鉗工后期對模具的調整、研合來保證產品的質量。在模具調試問題中，由于模具間隙導致制件產生的坑、皺及制件回彈等面品、精度缺陷往往是比較棘手的問題，主要因為在模具間隙調試過程中一般還是憑借涂色、照光以及試沖紙和壓鉛絲等方式估計間隙的分布情況，由于無法實現定量檢測和分析管理，因此使得模具生產和管理長期停留在技能要求高、生產效率低、質量不易控制。如何快速的調整模具，快速的解決此類問題成為眾多模具廠家不斷探索、總結的問題。

間隙對制件的影響

間隙對制件品質的影響主要體現在：壓料面間隙直接影響板料在成形過程中所受壓力的大小，從而影響材料的流動。在控制材料流動的方案中，除使用方筋、雙筋、波浪筋等增加對板料的拉力以及增大模具壓邊力的方式控制材料流動外，通過減小模具管理面、準管理面間隙，控制局部材料流動，在模具調試過程中整改制件坑、皺等面品也普遍使用。

案例一

案例二

某車型前門外板門把手部位拉延工序出現凹坑難以消除，依靠鉗工調試時對二序壓料芯增加型面冷補焊0.3mm 硅鋼片（圖4），制作30mm×50mm 的強壓區域，利用二序對型面的強壓，對制件坑進行修復，緩解制件坑。

通過型面的強壓對于制件的面品問題能夠快速、有效的消除/緩解制件坑、皺等面品問題，但是在實際問題解決過程中，針對此類問題往往通過經驗豐富的鉗工在調試時通過經驗去嘗試性增加強壓，一般采用一次性補焊過量，通過在線調試驗證，結合藍丹研合，得到最優的強壓區域。此過程模具作業空間受限(圖5)，強壓區域難以使用常規壓力測量工具進行測量記錄，導致無法快速的利用前期調試經驗，因無前期經驗參考，此環節暴露出強壓區域制作時經驗性強、強壓區補焊高度無依據，調試周期長以及后期強壓區域狀態變化后難以快速地恢復。

強壓區域的測量

在模具設計人員設計好模具的間隙后，因無法定量檢測間隙，只能在裝配好模具的情況下，試沖來驗收和修正模具，這顯然是以經驗為基礎。若可實現強壓區域的測量，即可通過測量實際壓力值與理論壓力值對比，或通過仿真軟件對故障區域壓力的模擬，快速找到問題發生真因，指導實際調試過程中的模具調整，能夠縮短模具調試周期或復發故障的處理時間。

壓力測量工具——柔性薄膜壓力傳感器

柔性薄膜壓力傳感器可通過壓力采集板的壓阻隨壓力的變化，測量出檢測區域的壓力值，通過電流信號傳輸至顯示終端，由壓力感應模塊，數據收集、發送模塊和壓力顯示終端3 部分組成(圖6)，其中壓力感應模塊可承受1 ～300 PSI，厚度0.2mm（厚度可根據要求定制）厚度小于沖壓制件最小板料厚度(0.65mm)，工作時將壓力感應模塊置于模具型面的強壓面中，由數據收集、發送模塊記錄數據并通過無線信號/藍牙將數據發至顯示終端，顯示終端將采集的壓力數據轉化成圖像，并顯示所有檢測點的壓力值。

柔性薄膜壓力傳感器實現對模具上下模壓料區域壓料力的數據化、可視化，結合制件工藝設計過程中的CAE 分析(圖7)，進行數值差異對比，便于快速查找制件面品問題真因，并進行快速處置，通過數據的統計記錄，實現對模具強壓面的預防性管理。

柔性薄膜壓力傳感器的使用

柔性薄膜壓力傳感器壓力感應模塊厚度0.2mm (厚度可根據要求定制)，為適應感應器的使用范圍，按照國內一般汽車沖壓件板材厚度，一般可通過包覆柔性塑料的方式來制作，厚度0.6mm，測試時在依據制件的實際板料厚度對壓力感應模塊進行包覆，以達到與板料同厚度，提高壓力測量的準確性，并且對感應模塊進行保護。具體使用步驟如下。

如圖8 所示，傳感器壓力感應模塊表面包覆柔性塑料(圖9)來保護內部線路及壓力傳感器，厚度為0.6mm，使用時在表面包覆拉延膠帶，使其厚度與測量區域板料厚度保持一致，來保證壓力測量的準確性。

依據感應模塊尺寸對制件的測量區域進行切割(圖10)，將感應模塊放入制件孔內(圖11)，模擬制件受力情況，通過電流數據收集與分析，得出測量部位的壓力，并在特定的APP 軟件中顯示。

結束語

利用柔性薄膜壓力傳感器壓力感應模塊厚度為0.2mm，小于板料厚度的特性，可置于模具內部進行壓料面壓料力的采集，實現模具實際壓料力的數據化顯示，可實現與CAE 等仿真模擬軟件的理論壓料力進行對比，實現對制件問題的快速解決，并且周期性測量模具強壓區域，方便模具制造企業收集、總結制作經驗，形成知識沉淀，也可使模具的生產企業監測并分析過程變化，結合生產批次對模具全生命周期管理及模具重開復制提供大數據支持。減少模具鉗工的經驗作業，打造科技最前沿技術，促進模具行業的進一步發展，引領模具行業向智能領域前進。