目前国内外轿车覆盖件冲压模具设计概况

混世魔王

前言
    近几年来，我国轿车市场发展十分迅猛，2002年在轿车销售超过100万辆的基础上，2003年则向200万辆人关迈进，达到了197万辆。然而，在轿车热迅速升温的同时，不得不尴尬地面对这样的现实—市场上热销的绝人多数车型是直接从国外引进的。由于国内轿车覆盖件模具设计制造能力从总体上看还比较薄弱，为了生产这些车型，各人汽车公司不得不耗资几亿、十几亿元采购海外模具。与国外人汽车公司相比，由于生产规模比较小，这就造成单车均摊的模具成木远高于国外车，这也是造成国产车整车制造成木居高不下的主要原因之一。
! A. L7 }- v7 q6 e+ T2 国产轿车覆盖件模具开发能力
    国内主要的轿车模具制造商有:一汽模具制造有限公司、东风汽车模具厂、天津汽车模具有限公司、成飞集成科技股份有限公司、南京模具装备有限公司、上海千缘汽车车身模具有限公司等等。作为国内最人轿车生产销售商—上海人众汽车有限公司，也有自己的模具设计制造部门((TMM部)。目前，虽然国内模具商在轿车内覆盖件模具设计制造方面已小有能力，并可承接整车厂的部分模具开发项目，但对于有很高型面精度和表面质量要求的外覆盖件，特别是中高档轿车的外覆盖件，整车厂很少会将这类模具交由国内开发。
0 ?! L' ]- X. e( X    上海人众汽车有限公司为了降低整车生产成本，同时也为了提高公司的核心技术能力，从2001年开始，涉足轿车冲压模具设计制造领域。2001年-2002年完成了POLO轿车在手动压机线上生产的10只简单零件的模具，通过了公司质保部门验收并投产。2002年开始向人型化、复杂化、自动化发展，设计制造了6000kN自动线上生产的POLO轿车备胎座模具(该零件外形尺寸人、拉深深度深、形状复杂)2003年，为进一步提高模具设计制造的能力和水平，我们涉足20000kN多工位压力机和10000kN自动线生产使用的模具设计。过去上海人众在20000kN多工位压力机上使用的模具，全部需进u,国内模具商还没有能力设计制造这样的模具。为此，我们选择了POLO轿车中柱内板的模具进行设计。20000kN多工位压力机是世界上最先进的压力机之一，集成化、自动化程度非常高，当然这对模具设计的要求也相应地提高。零件的送料高度、步距、机械手的位置有严格的要求，还要保证机械手在运动过程中与模具无干涉，这样给予模具设计的空间就小了很多。在考虑诸多因素之后，我们最终完成了整套模具的设计，其CAD装配状态如图1所示。另外，我们还完成了POLO轿车在10000kN自动线上生产的后轮罩的模具设计，在去年的基础上更进一步。这些工作的顺利完成，标志着上海人众模具设计能力已经达到了国内先进水平，从而为今后上海人众汽车模具国产化打下了坚实的基础。尽管如此，与国际先进水平比较，仍有较人差距，比如在轿车外覆盖件模具设计方面还是空自。
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    在轿车冲模中，难度最人的是外覆盖件模具设计，主要表现在以下两个方面:
* f+ P. q+ e* k    (1)克服由回弹造成的零件型面偏差
& X4 s7 B" ^3 a$ q" W    破裂、起皱、回弹是轿车冲压件成形过程中的主要缺陷，由于轿车外覆盖件外形尺寸人、拉深深度浅、塑性变形程度低，一般不易拉裂，因而回弹就成为该类零件制造过程中的主要问题，它将严重影响零件间的相互配合关系。有限元模拟软件在冲压模具设计中得到普遍应用，已经能够比较准确地预测破裂和起皱，从而有助于设计合适的工艺补充面来改善拉深过程中材料的流动状况，提高零件的成形ft。然而，迄今为}卜，人多数有限元软件还不能精确地预测冲压件从模具当中取出后的回弹变形。因此，对外覆盖件回弹问题的处理，主要还是依靠经验来修改模具型面，使冲压件过正成形，来抵消由于回弹导致的变形。
(2)冲压件的取件
5 J& W  _% r; e3 d  ]- P    由于外覆盖件(如前盖外板、车顶、翼子板)都需进行复杂的翻边整形或预卷边工艺，这就使得在模具结构设计时，必须考虑冲压件成形后的取件问题，目前，人都依靠复杂的多斜楔机构联动来实现模具工作部分对零件让位，以实现方便取件，由此造成整个模具的结构十分复杂。
: S) y0 n: g8 |8 t9 ^! z/ i" \3 国外覆盖件模具设计
    目前，国外人汽车公司为了降低模具开发、制造成本，缩短生产周期，将除轿车外覆盖件之外的人部分轿车冲压件的模具都交由专业模具公司(如Fontana Pietro.Kuka.Laepple.Schuler Cartec.Ogi-hala-Fuji Techniaca等等)设计和制造，这些公司都有很强的开发能力，并在某些零件的模具制造方面拥有独到的优势。但作为整车厂，考虑到新车型开发过程中的保密，对诸如翼子板、行李箱盖、车门、侧围、车顶、前盖等敏感零部件的模具，则都由自己的模具制造部门来设计和制造。
0 @2 S2 m- c& M3 |9 I& n3.1软件环境
    冲压模具设计，除了必要的CAD软件之外，还大量应用了有限元模拟软件，如AutoForm.PamStamp. DynaForm. Indeed等，来辅助冲压工艺设计。下面，以AutoForm为例，说明如何利用CAE软件来设计拉深工序工艺补充面。
. n- G5 Y8 t4 U( y2 N- ]9 R    AutoForm是一款由瑞士开发的专业薄板成形快速模拟软件，可以用于薄板、拼焊板的冲压成形、液压胀形等过程的模拟，配合不同的功能模块，还可以进行冲压件单步法成形模拟以及拉深工序工艺补充面((Addendum)的设计。轿车冲压件中，约有2/3可以利用AutoForm的Diedesigner Module模块设计Addendum，该模块根据由设计者指定的或由软件自动产生的压边圈型面，以及工艺补充面的多条截面线(Profile)，能够快速地生成工艺补充面，用于拉深工序的模拟，如图2所示。压边圈型面、Profile均可进行参数化式的调整。这种快速设计是建立在对Addendum曲面的粗略构造上的，即曲面面片本身以及曲面面片之间的连续并非十分光顺，尽管这种曲面不能够直接用于模具表面的机械加工，但是对于模拟精度的影响却不是很人。根据模拟结果，设计者可以很方便地对工艺补充面进行调整，直到模拟结果满足设计要求。最后，将压边圈、Addendum曲面和Profile以中性数据格式IGS或VDA输出，在CAD软件中进行曲面重构，并结合产品数模，就能够得到机加工可以使用的拉深工序模具数模。

0 `; @9 t' f# [* }- R     冲压工艺传统设计方法:首先，在经验基础上，利用CAD设计工艺补充面;其次，将CAD数模传递给AutoForm等CAE软件进行拉深过程模拟;根据模拟结果，在CAD中对工艺补充面进行调整，并将新的CAD数模传递给CAE，开始新的模拟，直到满足要求为比。这是一个从CAD到CAE再回到CAD的不断反复的过程。由于每次在CAD中构造曲面都远较在AutoForm中复杂，因此，整个过程所花费的时间就多得多。而新方法在冲压工艺设计初期，就用Diedesigner Module在AutoForm软件中设计并调整拉深工艺补充面，与传统的设计方法相比，就能够大大提高设计效率。
     由于AutoForm是一款快速模拟软件，为了在较短的时间内对复杂冲压件的成形过程进行评价，采用了膜单元来离散几何模型，必然要降低模拟精度，因此，有些汽车公司在模具设计开始之前还要利用模拟精度高的CAE软件，如德国人众就采用了Indeed软件，对拉深工序进行再次模拟((Indeed软件的计算是基于带厚度的壳单元的，能够得到更为准确的计算结果，但是其计算所花费的时间通常是AutoForm的几到十几倍，该软件比较适用于最终验证)，所有拉深工艺必须通过Indeed模拟并验证为是可行的，才可用于模具设计。
& t5 I" f! s+ g" m1 x. B7 ?    模具设计完备，应通过图纸结合泡沫模型进行验收(图3)，各道工序用不同颜色的线条标记在泡沫模型上，这样做直观而清晰。还应组织包括工艺设计者、项目规划员、模具调试人员、模具操作者等相关人员进行讨论验收。对于在冲压工艺上难以解决的成形问题，还应邀请产品开发人员一同讨论，寻求对产品进行更改设计的可能性。
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8 p; X7 s; R  X+ x8 J' e3.2  修正回弹的对策
% D- t% @7 g2 W- c2 f3 R4 Z* b0 r    由前已知，回弹是轿车外覆盖件成形过程中的主要问题，现以前盖外板为例，对此进行详细分析。
通常外覆盖件的回弹有以下两类:
+ c: d  _" I' H# g    ①大片平坦曲面由弹性回复造成的拱起或塌陷，如图4中C部放大所示，虚线表示零件从模具中取出并发生回弹后的位置。这类问题，工艺设计时通常不加以考虑，工艺数模中产品型面部分的数据与来自于产品开发部门的数据相一致，并用于模具制造。待试模之后，将试件与检具进行对比测量，根据偏差对拉深模型面进行修正。如果设计人员对于这类问题的控制拥有非常丰富经验的话，也可以事先估计出曲面弹性回复的方向以及偏移量，并将其反向叠加到产品数模上去，求得考虑回弹变形的拉深工艺曲面，这个计算过程需要由专门的计算机软件来完成，在德国大众，采用的是ICEM。
    ②翻边整形部分由弯曲变形回弹造成的折边转角变化，如图4中B部放大所示。对于这类问题，该处除拉深和剪边外，还包括翻边和斜楔整形，整形工艺需过正成形2 -3 ，以抵消弯曲回弹。该工作由工艺设计完成，并体现在工艺方案的数模中。

5 F: w# l7 [5 `* E0 v3.3 新斜楔机构在外覆盖件模具上的应用
% ~5 I: z- c, M     目前，新车型的很多外覆盖件，如翼子板(图5)前盖外板、车顶等的翻边整形工序中，采用了一种称之为“旋转斜楔”的新工艺。其工作原理见图6，旋转斜楔上的凹槽部分是冲压件需整形的区域，当整形过程完成后，气缸驱动的托架推动旋转斜楔绕滚筒转动，从而达到对零件让位的目的，方便整形后的零件从模具上取出。旋转斜楔的优点是:因整形部分与冲压件托料部分的拼接处非常光顺，故零件上无明显压痕;模具结构简单;维修保养简便且费用低。

1 N( K2 |4 N* p( o( \) ]! F: u! ^4 t4结束语
: t7 @! x/ d1 \/ s/ ?1 [5 c: J3 U    近年来，通过不懈的努力，国内轿车冲压模具的设计制造能力取得了显著的进步。但是，在轿车特别是中高档轿车外覆盖件模具的开发上，我们与国际水平仍有较人差距。不过，这种差距并非不能缩小，只要我们多加强国际交流，多吸取国外同行的设计制造经验，一定能够加快轿车覆盖件模具的国产化进程。