基于光固化快速原型的汽车覆盖件模具开发

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基于光固化快速原型的汽车覆盖件模具开发摘要： 利用快速模具开发系统，从汽车覆盖件模具设计、制造和冲压实验出发，成功开发出了汽车发动机罩板快速模具。实际应用表明它能够提高覆盖件类冲压模具的开发效率，可以为大批量生产用钢模具设计提供良好的设计方案。
! V& x/ p# N6 X关键词：汽车覆盖件，模具，光固化，原型

4 W9 \) s/ s2 F, v8 k前言
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汽车车身开发的关键在于汽车覆盖件模具的设计和制造。在车型设计→模具设计与制造→模具调试→产品投产生产的整个周期中，模具设计与制造约占2/3的时间，成为新车型快速上市的关键因素[1]。一般汽车车身由数百个冲压件，冲压模具高达一千套以上，模具的开发成本大约在2亿美元左右。据报道，本田汽车公司由于模具开发时间滞后3天所带来的经济损失是800万美元，而丰田汽车公司滞后18天所带来的经济损失是5000万美元，为此美国通用汽车公司提出将整车模具开发周期缩短到12个月的目标[2,3]。激烈竞争的市场给汽车覆盖件模具的开发提出了高效、高质量和低成本的要求。我国“十五”规划也要求汽车制造企业要具有生产18.5万副模具的能力[4]。
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" S5 J" w- w% j" p8 I如何快速开发大型覆盖件模具以满足汽车企业的研发生产能力，已经成为现在汽车企业的当务之急。本文针对我公司某型汽车发动机盖板，采用西安交通大学先进制造技术研究所提出的快速模具开发手段，成功地开发出了用于新车型研发和试制的快速模具。
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1 快速模具开发工艺路线选择

发动机罩零件CAD模型见图1，外廓形状较为简单，曲面平坦且特征较少，拉延方向容易确定。由于曲面平缓且面积较大，模具设计时主要考虑防止拉延不足问题。模具的开发采用如下步骤：1）模具型面设计。2）RP模型制作。3）快速模具制造。4）冲压试验及模具调整。
5 r6 C0 E2 z' p" P2 模具型面设计及成形过程分析

( F7 q+ U# Q+ I% @* U4 [4 ^采用CAD和CAE相结合的方法设计模具型面。在ugII中根据设计经验直接构造模具分型面和工艺补正面，再转到板料成形分析软件DynaForm系统中进行成形分析以验证型面设计并确定其它工艺参数。图2为最终的模具型面CAD模型。
( v) E/ Q8 [- S3 x3 k: \7 F3 U/ h在UGII中输出模具型面的IGES模式，在DynaForm中检查模型的几何和拓扑完整性，设置分析参数，进行成形过程计算。计算表明初始模具型面设计基本合理，可以此为基础进一步进行快速模具制造。
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0 v7 U. Q" }# `0 U3 {3 y! d3 v, I7 C3 发动机罩拉延模RP模型制作
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根据快速模具制作工艺，仅需要制作凹模型面的RP模型。采用西安交通大学先进制造技术研究所研制的SPS600激光快速成型机制作型面RP原型。

制作前需要对RP模型进行结构设计，根据制作的需要将型面加厚为2.5mm，另外原始CAD模型上未设置拉延筋，需要根据成形计算获得的拉延筋参数在加厚过的型面实体上添加拉延筋结构。

& \  R& B: m) M8 I3 D, d凹模型面外廓尺寸为547×327mm2，在SPS600激光快速成型机上可以一次成型。在型面的背面添加抗变形的辅助筋板，筋板厚度4mm，边缘筋板高65mm，底面位于与冲压方向平行的平面上，以后可以作为翻制模具时的基准面，筋板布置见图3。
  q) i+ G- P/ i2 D8 N) Y4 发动机罩拉延模快速模具制造
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2 c; T4 g! z4 T  ~3 a5 v; v利用凹模型面RP模型依照下述步骤制造金属冷喷涂快速模具。

3 k, w  G3 x, o9 x% Q, T0 Q  S首先翻制凹模的石膏反模。然后将石膏反模放入金属模框中，用Zn-Al伪合金喷涂型面至1.5～2mm。再浇铸背衬材料，待凝固后获得凹模快速模具。

; h" H% U8 V6 [/ Q8 X( L  r  ?9 l$ C& _在凹模表面敷设铅皮，用橡皮椎轻敲使铅皮与型面贴合完好。喷涂、浇铸获得凸模成形块。凸、凹模配合翻制压边圈石膏模型（正模），同上制作反模。再喷涂、浇铸获得压边圈成形块。
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: d# |4 r8 A2 C6 X9 _在模框上焊接用于安装和运输的辅助结构，即完成了快速模具制造。制作完毕后的发动机罩拉延模具见图5，模具装配后几何尺寸700×450×250mm3。
5 冲压及试模试验
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冲压试验采用XP2CEF-100型双动压力机（见图6）。试验板材为SPECN深冲钢板，厚度0.75mm。
首先按成形CAE获得的工艺参数进行试冲压，冲压件边缘有轻微起皱现象，拉延筋以内曲面光顺性很好，拉延件与CAD模型误差较大，拉延件曲面相对于标准曲面较为平缓，原因可能是塑性变形不足导致回弹量过大。调整压边力为5.5吨，并将板料毛坯尺寸略作扩大（相当于轮廓线向外偏置了10mm），再次冲压得到光顺、无缺陷的拉延件（见图7）。
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6 结论

1 a& x" J! M5 Q, V0 j1 R' @采用西安交通大学的快速模具开发系统成功的制造了汽车发动机盖板的快速模具。冲压实验和实际应用表明覆盖件模具快速开发系统能够提高汽车覆盖件类冲压模具的开发效率，具有良好的工程应用前景。