1班 級 09機械設(shè)計制造及其自動化 （ 4） 班 姓 名 趙天星課 題名 稱 汽車摩擦片模具設(shè)計 技術(shù)3 1軟 件環(huán) 境3 2修 正回 彈的 對策3 3新 斜楔 機構(gòu) 在外 覆蓋 件模 具上 的應 覆 蓋件 沖壓 模具 的制 造技 教 師 審 批意 見 簽 名：2年 月 日汽車摩擦片沖壓模具設(shè)計 趙天星(機械設(shè)計制造及其自動化 09(4)班 我國轎車市場發(fā)展十分迅猛 ， 2002年在轎車銷售超過 100萬輛的基礎(chǔ)上 ， 2003年則向 200萬輛大關(guān)邁進 ， 達到了 197萬輛 。 然而 ， 在轎車熱迅速升溫的同時，不得不尷尬地面對這樣的現(xiàn)實 市場上熱銷的絕大多數(shù)車型是直接從國外引進的。由手國內(nèi)轎車覆蓋件模具設(shè)計制造能力從總體上看還比較薄弱，為了生產(chǎn)這些車型，各大汽車公司不得不耗資幾億、十幾億元采購海外模具。與國外大汽 車公司相比，由于生產(chǎn)規(guī)模比較小，這就造成單車均攤的模具成本遠高于國外車， 這也是造成國產(chǎn)車整車制造成本居高不下的主要原因之一 1。汽模具制造有限公司、東風汽車模具廠、天津汽車模具有限公司、成飛集成科技股份有限公司、南京模具裝備有限公司、上海 千緣汽車車身模具有限公司等等。作為國內(nèi)最大轎車生產(chǎn)銷售商 上海大眾汽車有限公司 ， 也有自己的模具設(shè)計制造部門 (。 目前 ， 雖然國內(nèi)模具商在轎車內(nèi)覆蓋件模具設(shè)計制造方面已小有能力，并可承接整車廠的部分模具開發(fā)項目，但對 于有很高型面精度和表面質(zhì)量要求的外覆蓋件，特別是中高檔轎車的外覆蓋件，整 車廠很少會將這類模具交由國內(nèi)開發(fā)。 上海大眾汽車有限公司為了降低整車生產(chǎn)成本，同時也為了提高公司的核心技術(shù)能力，從 2001年開始，涉足轎車沖壓模具設(shè)計制造領(lǐng)域。 2001年 2002年完成3了 0只簡單零件的模具，通過了公司質(zhì)保部門驗收并投產(chǎn)。 2002年開始向大型化、復雜化、自動化發(fā)展，設(shè)計制造了 6000該零件外形尺寸大 、 拉深深度深 、 形狀復雜 )。 2003年 ，為 進 一 步 提 高 模 具 設(shè) 計 制 造 的 能 力 和 水 平 ， 他 們 涉 足 20000 位 壓 力 機 和10000去上海大眾在 20000部需進口，國內(nèi)模具商還沒有能力設(shè)計制造這樣的模具。為此， 他們 選擇了 10000成化自動化程度非常高，當然這對模具設(shè)計的要求也相應地提高。零件的送料高度、步距、機械手的位置有嚴格的要求，還要保證機械手在運動過程中 與模具無干涉，這樣給予模具設(shè)計的空間就小了很多。在考慮諸多因素之后， 他們最終完成了整套模具的設(shè)計 。 另外 ， 他們 還完成了 0000去年的基礎(chǔ)上更進一步。這些工作的順利完成，標志著上海大眾模具設(shè)計能力已經(jīng)達到了國內(nèi)先進水平，從而為今后上海大眾汽車模具國產(chǎn) 化 打 下 了 堅 實 的 基 礎(chǔ) 。 盡 管 如 此 ， 與 國 際 先 進 水 平 比 較 ，圖 1內(nèi) 板模 具裝 配示 意圖仍有較大差距 ， 比如在轎車外覆蓋件具設(shè)計方面還是空白 。 a)上模裝配示意圖 (b)下模裝配示意圖在轎車沖模中 ， 難度最大的是外覆蓋件模具設(shè)計，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：（ 1)克服由回彈造成的零件型面偏差破裂、起皺、回彈是轎車沖壓件成形過程中的4主要缺陷 。由于轎車外覆蓋件外形尺寸大、拉深深度淺、塑性變形程度低，一般不易拉裂，因而回彈就成為該類零件制造過程中的主要問題，它將嚴重影響零件間的相互配合 關(guān)系。有限元模擬軟件在沖壓模具設(shè)計中得到普遍應用，已經(jīng)能夠比較準確地預測破裂和起皺 ， 從而有助于設(shè)計合適的工藝補充面來改善拉深過程中材料的流動狀況 ，提高零件的成形性。然而，迄今為止，大多數(shù)有限元軟件還不能精確地預測沖壓件 從模具當中取出后的回彈變形。因此，對外覆蓋件回彈問題的處理，主要還是依靠 經(jīng)驗來修改模具型面，使沖壓件過正成形，來抵消由于回彈導致的變形2。(2)沖壓件的取件 由 于 外 覆 蓋 件 (如 前 蓋 外 板 、 車 頂 、 翼 子 板 )都 需 進 行 復 雜 的 翻 邊 整 形 或 預 卷 邊工藝，這就使得在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須考慮沖壓件成形后的取件問題，目前，大都依靠復雜的多斜楔機構(gòu)聯(lián)動來實現(xiàn)模具工作部分對零件讓位，以實現(xiàn)方便取件， 由此造成整個模具的結(jié)構(gòu)十分復雜 3。技術(shù)目前，國外大汽車公司為了降低模具開發(fā)、制造成本，縮短生產(chǎn)周期，將除轎 車 外 覆 蓋 件 之 外 的 大 部 分 轎 車 沖 壓 件 的 模 具 都 交 由 專 業(yè) 模 具 公 司 (如 設(shè)計和制造，這些公司都有很強的開發(fā)能力，并在某些零件的模具制造方面擁有獨到的 優(yōu)勢 。 但作為整車廠 ， 考慮到新車型開發(fā)過程中的保密 ， 對諸如翼子板 、 行李箱蓋 、車門、側(cè)圍、車頂、前蓋等敏感零部件的模具，則都由自己的模具制造部門來設(shè)計 和制造 4。3 1軟件環(huán)境 沖壓模具設(shè)計，除了必要的 大量應用了有限元模擬軟件 ， 如 來輔助沖壓工藝設(shè)計 。 下面 ， 以 明如何利用 序工藝補充面。 以用于薄板、拼焊板的沖壓成形、液壓脹形等 過程的模擬，配合不同的功能模塊，還可以進行沖壓件單步法成形模擬以及拉深工序 工 藝 補 充 面 ( 設(shè) 計 。 轎 車 沖 壓 件 中 ， 約 有 2 3可 以 利 用 計 模塊根據(jù)由設(shè)計者指定的或由軟件自動5產(chǎn)生的壓邊圈型面 ， 以及工藝補充面的多條截面線 ( 能夠快速地生成工藝補充面，用于拉深工序的模擬，如圖 2所示。壓邊圈型面、 種快速設(shè)計是建立在對 曲面面片本身以及曲面面片之間的連續(xù)并非十分光順，盡管這種曲面不能夠直接用于模具表面的機械 加工 ，但是對于模擬精度的影響卻不是很大。根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)計者可以很方 便 地 對 工 藝 補 充 面 進 行 調(diào) 整 ， 直 到 模 擬 結(jié) 果 滿 足 設(shè) 計 要 求 。 最 后 ， 將 壓 邊 圈 、 在 并結(jié)合產(chǎn)品數(shù)模，就能夠得到機加工可以使用的拉深工序模具數(shù)模5。圖 2工 藝補 充面 示意沖壓工藝傳統(tǒng)設(shè)計方法 ： 首先 ， 在經(jīng)驗基礎(chǔ)上 ， 利用 其次 ，將 根據(jù)模擬結(jié)果 ， 在 將新的 始新的模擬，直到滿足要求為止。這是一個從 于每次在 此，整個過程所花費的時間就多得多。而新方法在沖壓工藝設(shè)計初期，就用 傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，就能夠大大提高設(shè)計效率 6。由于 了在較短的時間內(nèi)對復雜沖壓件的成形過程進行評價，采用了膜單元來離散幾何模型，必然要降低模擬精度，因此，有 些汽車公司在模具設(shè)計開始之前還要利用模擬精度高的 如德國大眾就采用了 對拉深工序進行再次模擬 (夠得到更為準確的計算結(jié)果，但是其計算所花費的時間通常是 幾倍，該軟件比較適用于最終驗證 7， 所有拉深工藝必須通過 并驗證為是可行的，才可用于模具設(shè)計。 模具設(shè)計完備 ， 應通過圖紙結(jié)合泡沫模型進行驗收 (圖 3)， 各道工序用不同顏色的線條標記在泡沫模型上，這樣做直觀而清晰。還應組織包括工藝設(shè)計者、項目規(guī)劃員、模具調(diào)試人員、模具操作者等相關(guān)人員進行討論驗收。對于在沖壓工藝上 難以解決的成形問題，還應邀請產(chǎn)品開發(fā)人員一同討論，尋求對產(chǎn)品進行更改設(shè)計 的 8。圖 3沖 壓工 藝泡 沫模 型3 2修正回彈的對策 由前已知 ， 回彈是轎車外覆蓋件成形過程中的主要問題 ， 現(xiàn)以前蓋外板為例 ，對此進行詳細分析。通常外覆蓋件的回彈有以下兩類：7 大片平坦曲面由彈性回復造成的拱起或塌陷，如圖 4中 線表示零件從模具中取出并發(fā)生回彈后的位置。這類問題，工藝設(shè)計時通常不加以考 慮，工藝數(shù)模中產(chǎn)品型面部分的數(shù)據(jù)與來自于產(chǎn)品開發(fā)部門的數(shù)據(jù)相一致，并用于 模具制造。待試模之后，將試件與檢具進行對比測量，根據(jù)偏差對拉深模型面進行修正。如果設(shè)計人員對于這類問題的控制擁有非常豐富經(jīng)驗的話，也可以事先估計 出曲面彈性回復的方向以及偏移量，并將其反向疊加到產(chǎn)品數(shù)模上去，求得考慮回 彈變形的拉深工藝曲面，這個計算過程需要由專門的計算機軟件來完成，在德國大 眾，采用的是 翻邊整形部分由彎曲變形回彈造成的折邊轉(zhuǎn)圖 4平 坦曲 面由 彈性 示 意圖角變化，如圖 4中 于這類問題， 該處除拉深和剪邊外，還包括翻邊和斜楔整形 ， 整形工藝需過正成形 2 3 ， 以抵消彎曲回彈 。 該工藝由工藝設(shè)計完成，并體現(xiàn)在工藝方案的數(shù)模中9。前，新車型的很多外覆蓋件，如翼子板前蓋外板、車頂?shù)鹊姆呎喂ば蛑校捎昧艘环N稱之為 “ 旋轉(zhuǎn)斜楔 ” 的新工藝16。其工作原理 為 旋轉(zhuǎn)進程。斜楔上的凹槽部分是沖壓件需整形的區(qū)域，當整形過程完成后，氣缸驅(qū)動的托架推動旋轉(zhuǎn) 斜楔繞滾筒轉(zhuǎn)動，從而達到對零件讓位的目的，方便整形后的零件從模具上取出。8旋轉(zhuǎn)斜楔的優(yōu)點是：因整形部分與沖壓件托料部分的拼接處非常光順，故零件上無 明 顯壓痕；模具結(jié)構(gòu)簡單；維修保養(yǎng)簡便且費用低。車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù)方法有很多，具體用那種方法要看汽車覆蓋件沖壓模具的難易程度和制造精度。 速成型技術(shù)是基于離散 、 堆積成形思想的新型成形技術(shù) ， 即由三維 是繼數(shù)字驅(qū)動設(shè)計（ 數(shù)字驅(qū)動制造（ 后的又一項為制造業(yè)帶來巨大變革的數(shù)字化制造技術(shù) 10?？焖俪尚图夹g(shù)中，三維形體在離散過程中被沿著一至三個方向分解，生成形體的各 個離散面、離散線和離散點，將這些離散體（面、線和點）轉(zhuǎn)換成實體，并將它們 依照原先的順序堆積還原成三維形體的實體形狀15。 通過離散獲得材料堆積的路徑 、順序和方式，生成一系列二維層面數(shù)據(jù)，再將分層后的數(shù)據(jù)進行處理，加入加工參 數(shù)，生成數(shù)控代碼，在數(shù)控系統(tǒng)控制下將材料逐層 “ 迭加 ” 起來形成三維實體，實現(xiàn)數(shù)字化成形，構(gòu)成三維物理實體?？焖俪尚渭夹g(shù)的特點有：（ 1） 高度柔性 。 不需要傳統(tǒng)的專用工具和生產(chǎn)裝備 ， 而利用信息技術(shù)把生產(chǎn)加工的重組集成到制造系統(tǒng)中； （ 2） 各種先進技術(shù)的高度集成；（ 3） 快速性 。 傳統(tǒng)加工方式開發(fā)一個復雜形狀的產(chǎn)品 ， 從設(shè)計 、 工藝規(guī)劃到加工完成，可能需要幾天、幾個月甚至上年的時間，而采用快速成形技術(shù)，從實體建 模到原型或零件加工完成，可以在幾十小時或幾個小時內(nèi)完成； （ 4） 自由成形性。因此能夠制造特別復雜的實體；（ 5）材料的廣泛性。不同的工藝可制造樹脂、塑料、紙、石蠟、復合材料 、 金屬材料、陶瓷等原型。采用分層實體制造工藝。分層實體制造將激光用于箔材（主 要是涂敷紙）的切割，逐層粘切完成后，清除被切割的廢料，就獲得了所需要的原 型。該技術(shù)可保證原型件精度；能制造出大型甚至超大型的設(shè)備，得到最大尺寸， 運行費用設(shè)備中為最低。磁成型技術(shù)最先起源于美國。隨著科學技術(shù)的進步和制造業(yè)的發(fā)展，電磁9成型技術(shù)逐漸發(fā)展成為制造業(yè)中一種新型的金屬塑性加工方法。它是利用瞬間的高 壓脈沖磁場迫使金屬產(chǎn)生塑性變形達到成型金屬零件的目的。電磁成型加工是一種 高速能的工藝，目前，電磁成型技術(shù)已廣泛應用于航空航天、原子能、汽車、儀器 儀表、電子以及玩具等領(lǐng)域11，主要是金屬板材的沖孔、壓印或壓花以及管材的脹形、縮頸、沖孔、翻邊等。電磁成型的理論基礎(chǔ)是物理學中的電磁感應定律，在電 場周圍會產(chǎn)生變化的磁場，而隨時間變化的磁場在其周圍空間激發(fā)渦旋電場，所以 當有導體處于此電場中時就會產(chǎn)生感應電流 (渦流 )。在電磁成形過程中，磁場力是工件成型的動力。電磁成型是利用脈沖磁場力來使金屬坯料變形的，脈沖磁場力是 由電容器通過工作線圈瞬間放電所產(chǎn)生的。脈沖磁場里是磁場間相互排斥或相互吸 引的作用。 電磁成型加工的工藝特點：非機械接觸性加工，電磁力是工件變形的動力，它不同于一般的機械力，工件變形時施力設(shè)備無需與工件進行直接接觸，因此工件表 面無機械擦痕，也無需添加潤滑劑，工件表面質(zhì)量較好；工件變形源于工件內(nèi)部帶 電粒子受磁場力的作用 14。因此，工件變形受力均勻，殘余應力小，疲勞強度高，使用壽命長，加工后不影響零件的力學、物理、化學性能，也不需要熱處理；施力元件 (線圈 )相對壓力機尺寸小，易在真空和氣保下進行，將感應加壓一次完成；由電磁力的控制精度其誤差可在 內(nèi)，因此加工精度高；加工效率高、時間短 、成本低，便于實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化；電磁成型設(shè)備可實現(xiàn)工件的多步、多點、多工位 成型，有助于實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化；污染較輕，有利于環(huán)境的保護。電磁成型加工作為一種新型的金屬塑性加工技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的冷鍛、溫鍛和熱鍛等加工方法，它 以其獨特的加工特點展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?12。模多點成形就是將多點成形技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合為一體的先進制造技術(shù)。該技術(shù)利用一系列規(guī)則排列的、高度可調(diào)的基本體，通過對各基本體運動的實 時控制，自由地構(gòu)造出成形面，實現(xiàn)板材的三維曲面成形。它是對三維曲面扳類件 傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。實現(xiàn)無模成形：取代傳統(tǒng)的整體模具，節(jié)省模具設(shè)計、 制造、調(diào)試和保存所需人力、物力和財力，顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本 ， 提高產(chǎn)品的競爭力 。 與模具成形法相比 ， 不但節(jié)省巨額加工 、 制造模具的費用 ，而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時間，與手工成形方法相比，成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量10好，并且顯著提高生產(chǎn)效率。優(yōu)化變形路徑：通過基本體調(diào)整，實時 控 制變 形曲 面 ，隨 意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，提高材料成形極限，實現(xiàn)難加工材料的塑性變形，擴大加工范圍。實現(xiàn)無回彈成形：可采用反復成形新技術(shù)，消除材料內(nèi)部的 殘余應力，并實現(xiàn)少無回彈成形、保證工件的成形精度。小設(shè)備成形大型件：采用分段成形新技術(shù)，連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺尺寸數(shù)倍的大型工件。易于實現(xiàn)自 動化：曲面造型、工藝計算。壓力機控制、工件測試等整個過程全部采用計算機技 術(shù) ， 實現(xiàn) 工作效率高 ， 勞動強度小 ， 極大地改善勞動者作業(yè)環(huán)境13。用低熔點合金澆鑄，快速制造汽車蓋件試制模具。合金的熔點低至，且凝固時幾乎沒收縮，是其兩個明顯的特點。提出工藝路線為：根據(jù)模型制造原型，再 將翻制為具有足夠尺寸精度的陶瓷型，對陶瓷型進特殊處理后，在接近的溫度下， 澆鑄出低熔點合金汽車覆蓋件拉延模具。此拉延模具以制造件汽車覆蓋件零件，完 全滿足試制模具的需要 。 主要應注意 ： 低熔點合金的設(shè)計 ； 低熔點合金的澆鑄工藝 ；低熔點合金模具的試模與調(diào)試。采用等離子噴涂技術(shù)，也可快速制造汽車車身試制 模具。在電弧噴涂研究的基礎(chǔ)上，進行的主要研究與開發(fā)技術(shù)為采用原型制造汽車 噴涂模具的工裝 8；紙原型與工藝轉(zhuǎn)化原型的設(shè)計與制造；噴涂工藝參數(shù)的選擇；噴涂型殼與紙原型的分離；噴涂模具背襯材料的選擇與制備；噴涂模具背襯的制造及后處理；噴涂模具的試模與調(diào)試。 年來，通過不懈的努力，國內(nèi)轎車沖壓模具的設(shè)計制造能力取得了顯著的進步。但是，在轎車特別是中高檔轎車外覆蓋件模具的開發(fā)上，我們與國際水平仍有較大差距。不過，這種差距并非不能縮小，只要我們多加強國際交流，多吸取國外 同行的設(shè)計制造經(jīng)驗，一定能夠加快轎車覆蓋件模具的國產(chǎn)化進程。陳 炎嗣 儀 模 具