汽車大型沖模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

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摘要：對于高服役強(qiáng)度的汽車大型沖壓件模具，生產(chǎn)過程和成形質(zhì)量的穩(wěn)定性尤為重要，可通過模具組件的標(biāo)準(zhǔn)化提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約模具制造成本，通過對壓料板動(dòng)力源的設(shè)置、更改斜楔及刀塊角度、斜楔限位塊、翻邊舉升器設(shè)置等關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，可縮短模具開發(fā)周期，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：服役強(qiáng)度；沖模；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；斜楔

沖壓件是構(gòu)成汽車車身的關(guān)鍵零部件，尤其是大型沖壓件，其結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、模具開發(fā)周期長，直接影響整車開發(fā)周期及開發(fā)成本。在生產(chǎn)過程中，由于沖壓件生產(chǎn)節(jié)拍快，普遍在8次/min以上，甚至達(dá)到12次/min，對模具零件材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。國外根據(jù)汽車年產(chǎn)量對模具進(jìn)行劃分，不同服役強(qiáng)度的模具結(jié)構(gòu)和材質(zhì)往往不同，達(dá)到差異化生產(chǎn)以降低模具開發(fā)成本。國內(nèi)模具尤其是汽車大型沖模技術(shù)來源主要是日本、韓國等地，因此在模具設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)使用上大都是沿用日本標(biāo)準(zhǔn)，通用性和多樣化的特點(diǎn)較明顯，一般量產(chǎn)車型的生產(chǎn)應(yīng)用較普遍。但對于年產(chǎn)量30萬輛以上的車型，其模具服役強(qiáng)度要求更高，對模具生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求，需在模具開發(fā)策略和模具結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化。

1汽車沖壓件

圖1所示為汽車覆蓋件的典型沖壓零件，一般每個(gè)車型的大型沖壓件包括PA（廠內(nèi)生產(chǎn)零件）和PB（外協(xié)生產(chǎn)零件）兩類，共約20個(gè)。當(dāng)車型切換時(shí)，其中大部分零件都需要重新開發(fā)。

2模具零件強(qiáng)度分析

汽車大型沖壓件沖模開發(fā)周期長，對于模具零件強(qiáng)度的分析尤為重要。但國內(nèi)模具企業(yè)對于模具工作過程中的受力分析涉及較少，對于肋板厚度等數(shù)據(jù)常來源于手冊或經(jīng)驗(yàn)，缺乏定量分析。現(xiàn)模具零件材料選用QT600，導(dǎo)入Workbench軟件中建立有限元模型，如圖2所示。模具設(shè)計(jì)中封閉高度和肋條高度對模具零件剛性影響較顯著。通過改變模具零件高度、型面壁厚和肋條高度3種方案，進(jìn)行數(shù)值模擬，以分析不同參數(shù)變化對模具零件剛性和受力狀態(tài)的影響，如圖3所示。2.1模具零件變形量。圖4所示為3種方案的模具零件變形量。方案1中模具零件最大變形量為0.055mm；方案2中模具零件最大變形量為0.042mm，發(fā)生在凹模側(cè)，形成長條狀肋板的部位；方案3中模具零件最大變形量為0.069mm，發(fā)生在凹模側(cè)。2.2模具零件應(yīng)力分析。圖5所示為3種方案模具零件所受的等效應(yīng)力。方案1中模具零件整體應(yīng)力在30MPa左右，模具零件等效應(yīng)力最大為62.692MPa，發(fā)生在上模外側(cè)肋板部位；方案2中模具零件等效應(yīng)力最大為48.262MPa，發(fā)生在上模外側(cè)肋板部位，模具零件整體應(yīng)力在20MPa左右；方案3中模具零件應(yīng)力最大為50.01MPa，發(fā)生在肋板處，模具零件整體應(yīng)力在20MPa左右。

3模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于汽車沖模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件多，除了對模具本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，還需進(jìn)行其他主要工作部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對于提高模具服役性能也具有重要意義。3.1模具鑲件結(jié)構(gòu)。對于輪罩等深拉深零件，由于大批量生產(chǎn)容易產(chǎn)生拉傷，為了提高模具服役性能，采用模具鋼鑲件式替代傳統(tǒng)的整體式球墨鑄鐵模具，如圖6所示。3.2壓料動(dòng)力源布置。沖壓生產(chǎn)中，切邊、翻邊、整形等工序需要采用壓料板和動(dòng)力源進(jìn)行壓料。通常在量產(chǎn)零件中，車型量產(chǎn)后一段時(shí)間會出現(xiàn)零件尺寸變異，進(jìn)行問題排查后發(fā)現(xiàn)壓料板運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定是導(dǎo)致該問題的主要原因。氮?dú)飧鬃畛醪贾萌鐖D7（a）所示，壓料氮?dú)飧讛?shù)量較少、單個(gè)氮?dú)飧讐毫Υ螅m然總壓料力滿足成形要求，但布置較為分散，一旦壓料板運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，難以壓穩(wěn)零件，容易導(dǎo)致成形過程不穩(wěn)定，影響零件量產(chǎn)質(zhì)量。采用Ansys有限元軟件對模具受力位置進(jìn)行優(yōu)化，采用多個(gè)小氮?dú)飧滋峁毫狭Γ箟毫习迨芰c(diǎn)更多、壓料更平穩(wěn)，如圖7（b）所示。3.3斜楔結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對于大批量成形沖壓件的沖模，斜楔反復(fù)運(yùn)動(dòng)，與限位塊頻繁沖擊，易導(dǎo)致限位塊磕碰損壞，對于高服役強(qiáng)度的模具尤為明顯。可在斜楔運(yùn)動(dòng)上、下止點(diǎn)分別設(shè)置鑲件限位塊，以便于維修和更換，鑲件采用耐磨耐沖擊的鋼材制造，其中上止點(diǎn)鑲件設(shè)置有橡膠或氮?dú)飧椎葟椥栽鐖D8所示。考慮斜楔刀塊成形時(shí)的受力情況，優(yōu)化斜楔刀塊與斜楔方向（運(yùn)動(dòng)或成形方向）的角度。斜楔刀塊與斜楔成形方向按同一角度布置，如圖9（a）所示的布置方式可承受較大的沖擊力。模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免圖9（b）所示的安裝方式，由于刀塊與斜楔運(yùn)動(dòng)方向平行，成形過程中受到傾覆力矩作用，易出現(xiàn)跳動(dòng)現(xiàn)象，影響生產(chǎn)和成形件質(zhì)量的穩(wěn)定性。由于模具服役強(qiáng)度高，需及時(shí)進(jìn)行模具維護(hù)保養(yǎng)以確保模具上線生產(chǎn)時(shí)能處于較好的狀態(tài)，模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保不用先拆斜楔也能取下壓料板的結(jié)構(gòu)。圖10（a）所示斜楔滑塊處于復(fù)位位置，與壓料板有間隙，一般間隙大于5mm，壓料板易于取出；圖10（b）所示斜楔滑塊在復(fù)位位置時(shí)，與壓料板無間隙，需先拆卸斜楔滑塊才能拆卸壓料板，由此導(dǎo)致模具拆裝時(shí)間長，效率低。3.4舉升器布置。沖壓翻邊時(shí)，帶曲線的區(qū)域和角落易發(fā)生零件被卡在凸模的情況，需在卡滯區(qū)域布置翻邊舉升器。（a）所示，由于沖壓件輪廓線上的翻邊高度不一致，如舉升器設(shè)置在翻邊高度變化較大的區(qū)域，則舉升器頂起零件不同步可能會導(dǎo)致零件變形。圖12（b）所示第一舉升器先頂起板料，當(dāng)零件一側(cè)被頂出凸模后第二舉升器才頂起板料，如圖12（c）所示，此時(shí)板料被頂出變形。因此，翻邊舉升器應(yīng)布置在翻邊長度基本一致的位置，每個(gè)舉升器到板料的距離之間差值不大于5mm。（a）翻邊結(jié)束（b）第一舉升器頂起板料（c）第二舉升器頂起板料1.板料2.凸模3.第二舉升器4.第一舉升器4結(jié)束語通過數(shù)值模擬，模具結(jié)構(gòu)的變化對模具剛性和受力存在相關(guān)性。模具高度增加可使模具的變形量和等效應(yīng)力同時(shí)下降，其中最大變形量減少24%，最大等效應(yīng)力下降23%。因此適當(dāng)增加模具封閉高度對提高模具剛性具有顯著效果。對模具服役強(qiáng)度進(jìn)行分析和評估，采取優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保模具持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模具用于某車型生產(chǎn)，平均月產(chǎn)量5.4萬臺，單月峰值8萬臺，日產(chǎn)量2600臺。解決措施有效，部分模具使用壽命達(dá)到200萬沖次仍在正常使用。為節(jié)省開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，持續(xù)推進(jìn)大型沖模結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，典型應(yīng)用包括導(dǎo)向組件參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、頂蓋天窗切換結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、翼子板旋轉(zhuǎn)斜楔標(biāo)準(zhǔn)化、側(cè)圍A柱側(cè)整斜楔標(biāo)準(zhǔn)化、側(cè)圍頂部側(cè)整斜楔標(biāo)準(zhǔn)化、發(fā)罩外板前端側(cè)翻斜楔的標(biāo)準(zhǔn)化等。大型沖模包含導(dǎo)向部件、存放部件和限位部件的設(shè)計(jì)和使用十分普遍，如導(dǎo)柱導(dǎo)套、氮?dú)鈴椈伞⑾尬粔K等都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，根據(jù)成形零件尺寸和大小可直接調(diào)用，節(jié)省設(shè)計(jì)和制造時(shí)間。

作者:李恒佰 李開文 韋韡 張峰 張大強(qiáng) 單位:上汽通用五菱汽車股份有限公司