缩短模具开发周期及提升冲压件质量策略

王辉 胡贺 李闯

【摘 要】汽车外覆盖件是冲压车间制造的主要汽车构件。在实际工业生产中，模具的合理性对冲压件的质量至关重要，并且冲压外覆盖件模具的开发要求在满足冲压件产品质量的前提下尽可能地缩短开发周期。文章从模具在汽车制造中的作用、汽车模具开发的工艺设计阶段/结构设计阶段/加工制造阶段、汽车冲压件尺寸控制方法、工业4.0在冲压模具中的应用4个维度概述了能够实现缩短冲压模具开发周期及提升冲压件质量的策略与方法。

【关键词】缩短周期;提升质量;CAE;工业4.0

【中图分类号】TG7TP3 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）04-0144-03

0 引言

随着社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，人们对汽车的需求愈来愈大，对汽车制造与装配技术提出的要求也越来越高。冲压是整个汽车生产过程的第一道工序[1]，外覆盖件是汽车生产厂家冲压车间制造的主要汽车构件。外覆盖件作为汽车车体的重要组成部分，具有板材薄、尺寸大、造型复杂、精度和表面质量要求高的特点，开发难度较大。与之息息相关的汽车外覆盖件模具的设计和制造同样具有难度大、周期长、质量和精度要求高的特点，模具的好坏对汽车外覆盖件的质量具有重要的影响[2]。在实际生产制造中，冲压外覆盖件模具的开发要在满足冲压件产品质量的前提下，尽可能地缩短开发周期，因此必须在模具开发的各个环节提出新思路、新工艺、新方法。

冲压模具在汽车制造中具有重要的作用，其开发一般可分为工艺设计阶段、结构设计阶段、加工制造阶段，本文针对这几个主要阶段分别介绍一些提升冲压件质量和缩短其制造周期的可行性策略与方法。

1 模具在汽车制造中的作用

模具在汽车制造业中的应用非常广泛，但它也是制约汽车开发和发展的瓶颈。随着我国现代汽车工业的快速发展，车型更换速度加快，整车项目周期缩短，这为国内模具行业带来了较大的发展机遇。从目前国内的模具制造工艺水平和科技含量来看，我国汽车模具工艺的整体情况与一些发达国家相比仍存在较大的差距，但是国内各大模具制造企业一直致力于按照汽车生产的具体要求不断提高模具的生产质量。

近年来，随着国内模具开发与制造技术的不断进步，国内市场的模具价格呈现出逐渐降低的趋势。因此，已经有众多合资品牌和国产品牌的汽车生产厂家开始使用国内开发制造的汽车冲压模具，并且这种趋势会成为未来模具发展的主流。低成本的国产模具已經对国产品牌汽车发展起到了积极的推动作用。但必须指出的是，我国的模具生产厂家一定要关注质量和价格，找到质量和成本之间的平衡点，只有这样，才能推动国产汽车不仅在中低档汽车市场持续壮大与发展，还能逐渐在中高端汽车市场上崭露头角，这就对模具生产提出了更高的要求。

总之，在现代汽车在生产制造中，既要不断缩短模具开发周期、降低模具制造成本、提高经济效益，又要提升冲压件质量、降低新产品开发的风险、提升汽车企业竞争力。只有两者兼顾，模具制造才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。

2 汽车模具的开发

2.1 工艺设计阶段

随着信息技术、力学、有限元方法的快速发展，使用计算机模拟汽车冲压成形过程已经成为新的趋势，并在现实汽车模具工业中得到了广泛的应用[3]。当前，在模具开发工艺设计阶段会借助CAE分析软件分析计算结果，然后根据分析结果反向优化设计，而不是将设计出来的工艺直接转换为实物。这样会大大减少模具整改轮次，从而缩短制造周期。常规的分析软件和分析方法不能够完全覆盖现场实际生产过程中各种工况，所以需要引入CAE软件的新功能和新的CAE分析软件。

2.1.1 常规CAE分析软件新功能

Autoform是冲压覆盖件最常用的分析软件。以往工艺设计过程中仅用Autoform软件做简单的拉延成型性分析及翻边整形分析[4]，对于内板类零件能够满足开发要求，但外板类零件对表面质量要求较高，精品车类缺陷如表面波纹、棱线不顺则无法有效识别。

（1）接触距离分析棱线不顺。棱线不顺从外观上看，是翻边或整形结束后棱线的某个部位高于其他位置，从翻边后棱线距离凸模R角的距离判断是否存在棱线不顺问题较为有效（如图1所示）。

（2）slope检查分析钣金波纹。Autoform是目前通用的板料成型有限元软件，软件自带的分析功能分析产品的缺陷不能体现现场实际零件的真实状态。通过对产品波纹的根本原因进行分析（如图2所示），进一步引入slope分析方法（如图3所示），能够使模拟结果与零件的真实状况更加接近。

2.1.2 CAE软件的创新引入

（1）Hypermesh分析零件在检具上的姿态。通过Hypermesh模拟某项目前盖内板在原有定位基础上会下沉[如图4（a）所示]，从模拟结果看，处于负值区域的面积较大，说明该盖内板表面下沉量较大。进行基准优化后重新进行模拟，处于负值区域的面积明显减小，说明盖内板的表面下沉量大大降低[如图4（b）所示]，此时结果满足要求。有了这样的模拟优化工作，大大减少了模具的更改次数，提高了模具的更改效率和准确率，也保证了产品的生产合格率。

（2）Dynaform分析零件跌落模拟生产过程。通过Dynaform模拟某项目前盖外板机械手向皮带上投料对零件变形影响时发现，零件会出现凹陷（如图5所示）。模拟结果表明，当投料距离50 mm时，零件凹陷深度达0.002 mm;当投料距离30 mm时，零件凹陷深度达0.001 2 mm。产生缺陷的原因是前盖内外板联合安装内板设计低而外板高。通过重新设计，保证外板低，便可解决该问题。

2.2 结构设计阶段

模具工艺设计结束后会进入结构设计阶段，如何优化结构确保使用过程中刀口碎屑降低是需要优先考虑的问题。

2.2.1 关节臂安装面设计

模具在量产使用过程中，最常见的就是刀口维修和打磨，传统刀口维修采用手工打磨，对操作人员的专业技术要求高，过程控制能力差，一次维修通过率低。刀口或翻边棱线更改过程中手工划线，手工打磨研配，更改精度最高控制在±0.2 mm（划线线宽）范围内，整改偏差相比数控加工偏差大。采用刀口维修关节臂，人为控制调整支架，机械基准辅助控制整改量。通过千分尺刻度调整偏离刀口基准维修量，维修刀口尺寸精确控制，实现数控加工精度，手工调节自由灵活。

在以往的维修过程中虽然用到了关节臂，但是限于固定在研配平台上研配从模具上拆除的刀块。经过创新研究，根据关节臂所能够覆盖的运动轨迹和所能够覆盖的区域，在模具不同位置设计安装平台，使其能够覆盖整个模具，就可以在模具上使用，从而大大增加了柔性，维修质量也会进一步提高。

2.2.2 新型冲压模具修边交刀结构

在现有汽车冲压外覆盖件模具修边交刀结构的应用中，修边后刃入刀的刀口擦黑磨损，挤压产生片状碎屑，不利于制件表面，所以在现场实际维修中，往往将刃入部分做避让，只剩余一条刃入线，刃入线即基准;但是刃入线磨损后，基准缺失，需要重新找交刀基准点，此过程耗时费力，交刀基准点找不准，会出现过切碎屑或者毛刺。在刀块设计时，在交刀刀口下方做15 mm×10 mm的基准面，作为刀尖基准面。刀口维修研配时，以刀口下方基准面为基准，精准找正交刀基准点（如图6所示）。

2.3 加工制造阶段

模具结构设计结束后会进入加工制造及使用阶段，在该阶段提出的新方法及新工具也会在很大程度上缩短制造周期，同时提升产品质量。

2.3.1 型面扫描减少研配量

在传统的模具制造过程中，加工装配结束后便直接进入研配状态，模具加工数据和机床机加工的累计误差会导致研配量大大增加。在研配之前采用HandySCAN3D扫描设备（精度为0.025 mm）分别对需要评估的配合面进行扫描，然后将两配合面的扫描数据拟合进行Gap分析，从分析结果就能看出实际间隙，然后重新优化机加工数模，二次加工后会大大减少钳工的研配量，也会提升研配质量。

2.3.2 物理气相沉积

零件在翻边整形过程中经常会因为翻边块硬度和光洁度不足而在零件表面产生拉毛，并且拉掉的锌粉也容易落到零件上产生压印。传统方法是在镶块表面电镀5～30 μm的镀铬层，但镀铬层容易磨损而开裂、脱落，导致翻边块使用周期缩短，使用效果较差[5]。采用物理气相沉积技术，尤其是脉冲等离子体沉积方法（Pulsed Plasma Deposition，PPD）可从翻边块表面以下获得深度为150～200μm的高质量渗透层，该渗透层具有較高的硬度和光洁度，使用寿命大大延长，并且不会出现因锌粉脱落造成的停机擦模现象。

3 汽车冲压件尺寸控制

在冲压模具项目开发过程中，冲压件尺寸控制成为精益制造、缩短制造周期的关键点。冲压件尺寸工程传统的方法是通过检具对零件尺寸进行评估进而提升尺寸的合格率。然而，冲压模具制造及冲压件尺寸提升与整车项目开发及整车尺寸匹配存在时间点不一致性，为实现冲压件尺寸提升与整车精益匹配同步工程，构建冲压件与对手件虚拟匹配项目。

3.1 对手件匹配策略

所谓对手件匹配策略，就是把冲压件、外购对手件、白车身、整车尺寸进行配对分组管理，将冲压件与对手件匹配，形成数据互联互通管理。通过对手件匹配策略保证了整车匹配窗口，提升了冲压件过程能力。冲压过程能力Cpk=（T-2ε）/6σ>1.33，其中σ越小越好（设备、模具精度保证），ε=│M-μ│（零件尺寸偏差越小越好）]，然而为了改善Cpk而盲目地改善零件尺寸μ将导致系统的资源浪费。故通过分析冲压件对手件匹配寻求最优中心值M，可以得到最小ε，从而提高冲压过程能力Cpk。

3.2 虚拟匹配技术

虚拟匹配技术是以零件数模及GD&T为标准，尺寸测量数据为基础，冲压件与整车对手件精益匹配为目标，通过旋转偏移数学基础及柔性基准理论，建立零件基准点与零件尺寸关系方程，从而解决检具测量零件尺寸与整车匹配不一致性、公差累计问题，实现冲压件与对手件虚拟。

4 冲压车间内的工业4.0：氮气弹簧无线压力检测系统

工业4.0是以智能制造为主导的第四次工业革命。工业4.0时代是利用信息化技术促进产业变革的时代，将制造业向智能化转型，也就是智能化时代[6]。作为工业之母的模具在这个时代的浪潮中也理应敢于突破。氮气弹簧在冲压模具中有着广泛应用，无论是用于给压料板提供压料力还是氮气缸回程或是OP10压边圈，均对冲压件质量有直接影响，以往通过定期检查氮气缸预防模具失效，但这种定期检查不仅工作量较大，而且单从外观检查容易判断错误。引入氮气弹簧压力检测系统，可确保精确定位压力不足的氮气缸及时更换。系统的主要结构由感应器、数据收集器及网关组成。该系统可以记录和分析氮气弹簧压力和温度，用户可自行设置极限值，超出范围可实现报警;还可以根据自动趋势分析制定预防性维修间隔;可以减少90%因氮气缸产生的停机，避免产生缺陷设置报废零件。

5 结语

面对当前激烈的汽车市场竞争，国内各大汽车企业应该将更多的精力与优质资源投入产品开发，加强对汽车模具的关注。本文介绍的缩短模具制造周期和提升冲压件质量的方式不局限于一种零件或一个模具，适用性较强。总而言之，既不能增加模具成本，又能大幅缩短新模具开发周期，达到提升冲压件产品质量的目的，就要敢于创新，不断提出新工艺、新工具、智能化方案并将其应用于模具开发的整个过程中。

参 考 文 献

[1]何智力.浅析汽车车身冲压工艺与模具技术[J].冲模技术，2017（2）：22-24.

[2]谭焓.汽车车身冲压工艺与模具关键技术[J].工艺与装备，2017（5）：115-116.

[3]阮广明.汽车车身的冲压成形技术的思考[J].建材与装饰，2018（44）：194.

[4]左治江，张宇辉，丁元才.基于AutoForm的汽车顶盖拉延工艺分析及模具设计[J].锻压技术，2019（3）：101-106.

[5]赵应多.表面镀铬在汽车冷冲压模具上的应用[J].工业指南，2018（14）：156.

[6]张曙.工业4.0和智能制造[J].机械设计与制造工程，2014（8）：1-5.