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1班 级 09机械设计制造及其自动化 （ 4） 班 姓 名 赵天星课 题名 称 汽车摩擦片模具设计 技术3 1软 件环 境3 2修 正回 弹的 对策3 3新 斜楔 机构 在外 覆盖 件模 具上 的应 覆 盖件 冲压 模具 的制 造技 教 师 审 批意 见 签 名：2年 月 日汽车摩擦片冲压模具设计 赵天星(机械设计制造及其自动化 09(4)班 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 200万辆大关迈进 ， 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 市场上热销的绝大多数车型是直接从国外引进的。由手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，各大汽车公司不得不耗资几亿、十几亿元采购海外模具。与国外大汽 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本远高于国外车， 这也是造成国产车整车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、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。作为国内最大轿车生产销售商 上海大众汽车有限公司 ， 也有自己的模具设计制造部门 (。 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。 上海大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3了 0只简单零件的模具，通过了公司质保部门验收并投产。 2002年开始向大型化、复杂化、自动化发展，设计制造了 6000该零件外形尺寸大 、 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 ， 他 们 涉 足 20000 位 压 力 机 和10000去上海大众在 20000部需进口，国内模具商还没有能力设计制造这样的模具。为此， 他们 选择了 10000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， 他们最终完成了整套模具的设计 。 另外 ， 他们 还完成了 0000去年的基础上更进一步。这些工作的顺利完成，标志着上海大众模具设计能力已经达到了国内先进水平，从而为今后上海大众汽车模具国产 化 打 下 了 坚 实 的 基 础 。 尽 管 如 此 ， 与 国 际 先 进 水 平 比 较 ，图 1内 板模 具装 配示 意图仍有较大差距 ， 比如在轿车外覆盖件具设计方面还是空白 。 a)上模装配示意图 (b)下模装配示意图在轿车冲模中 ， 难度最大的是外覆盖件模具设计，主要表现在以下两个方面：（ 1)克服由回弹造成的零件型面偏差破裂、起皱、回弹是轿车冲压件成形过程中的4主要缺陷 。由于轿车外覆盖件外形尺寸大、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 ，提高零件的成形性。然而，迄今为止，大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。(2)冲压件的取件 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，大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 3。技术目前，国外大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 大 部 分 轿 车 冲 压 件 的 模 具 都 交 由 专 业 模 具 公 司 (如 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 4。3 1软件环境 冲压模具设计，除了必要的 大量应用了有限元模拟软件 ， 如 来辅助冲压工艺设计 。 下面 ， 以 明如何利用 序工艺补充面。 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 ( 设 计 。 轿 车 冲 压 件 中 ， 约 有 2 3可 以 利 用 计 模块根据由设计者指定的或由软件自动5产生的压边圈型面 ， 以及工艺补充面的多条截面线 ( 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、 种快速设计是建立在对 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大。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 、 在 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5。图 2工 艺补 充面 示意冲压工艺传统设计方法 ： 首先 ， 在经验基础上 ， 利用 其次 ，将 根据模拟结果 ， 在 将新的 始新的模拟，直到满足要求为止。这是一个从 于每次在 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 传统的设计方法相比，就能够大大提高设计效率 6。由于 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 如德国大众就采用了 对拉深工序进行再次模拟 (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 几倍，该软件比较适用于最终验证 7， 所有拉深工艺必须通过 并验证为是可行的，才可用于模具设计。 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 8。图 3冲 压工 艺泡 沫模 型3 2修正回弹的对策 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：7 大片平坦曲面由弹性回复造成的拱起或塌陷，如图 4中 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 翻边整形部分由弯曲变形回弹造成的折边转图 4平 坦曲 面由 弹性 示 意图角变化，如图 4中 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 。 该工艺由工艺设计完成，并体现在工艺方案的数模中9。前，新车型的很多外覆盖件，如翼子板前盖外板、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16。其工作原理 为 旋转进程。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。8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。车覆盖件冲压模具的制造技术方法有很多，具体用那种方法要看汽车覆盖件冲压模具的难易程度和制造精度。 速成型技术是基于离散 、 堆积成形思想的新型成形技术 ， 即由三维 是继数字驱动设计（ 数字驱动制造（ 后的又一项为制造业带来巨大变革的数字化制造技术 10。快速成型技术中，三维形体在离散过程中被沿着一至三个方向分解，生成形体的各 个离散面、离散线和离散点，将这些离散体（面、线和点）转换成实体，并将它们 依照原先的顺序堆积还原成三维形体的实体形状15。 通过离散获得材料堆积的路径 、顺序和方式，生成一系列二维层面数据，再将分层后的数据进行处理，加入加工参 数，生成数控代码，在数控系统控制下将材料逐层 “ 迭加 ” 起来形成三维实体，实现数字化成形，构成三维物理实体。快速成形技术的特点有：（ 1） 高度柔性 。 不需要传统的专用工具和生产装备 ， 而利用信息技术把生产加工的重组集成到制造系统中； （ 2） 各种先进技术的高度集成；（ 3） 快速性 。 传统加工方式开发一个复杂形状的产品 ， 从设计 、 工艺规划到加工完成，可能需要几天、几个月甚至上年的时间，而采用快速成形技术，从实体建 模到原型或零件加工完成，可以在几十小时或几个小时内完成； （ 4） 自由成形性。因此能够制造特别复杂的实体；（ 5）材料的广泛性。不同的工艺可制造树脂、塑料、纸、石蜡、复合材料 、 金属材料、陶瓷等原型。采用分层实体制造工艺。分层实体制造将激光用于箔材（主 要是涂敷纸）的切割，逐层粘切完成后，清除被切割的废料，就获得了所需要的原 型。该技术可保证原型件精度；能制造出大型甚至超大型的设备，得到最大尺寸， 运行费用设备中为最低。磁成型技术最先起源于美国。随着科学技术的进步和制造业的发展，电磁9成型技术逐渐发展成为制造业中一种新型的金属塑性加工方法。它是利用瞬间的高 压脉冲磁场迫使金属产生塑性变形达到成型金属零件的目的。电磁成型加工是一种 高速能的工艺，目前，电磁成型技术已广泛应用于航空航天、原子能、汽车、仪器 仪表、电子以及玩具等领域11，主要是金属板材的冲孔、压印或压花以及管材的胀形、缩颈、冲孔、翻边等。电磁成型的理论基础是物理学中的电磁感应定律，在电 场周围会产生变化的磁场，而随时间变化的磁场在其周围空间激发涡旋电场，所以 当有导体处于此电场中时就会产生感应电流 (涡流 )。在电磁成形过程中，磁场力是工件成型的动力。电磁成型是利用脉冲磁场力来使金属坯料变形的，脉冲磁场力是 由电容器通过工作线圈瞬间放电所产生的。脉冲磁场里是磁场间相互排斥或相互吸 引的作用。 电磁成型加工的工艺特点：非机械接触性加工，电磁力是工件变形的动力，它不同于一般的机械力，工件变形时施力设备无需与工件进行直接接触，因此工件表 面无机械擦痕，也无需添加润滑剂，工件表面质量较好；工件变形源于工件内部带 电粒子受磁场力的作用 14。因此，工件变形受力均匀，残余应力小，疲劳强度高，使用寿命长，加工后不影响零件的力学、物理、化学性能，也不需要热处理；施力元件 (线圈 )相对压力机尺寸小，易在真空和气保下进行，将感应加压一次完成；由电磁力的控制精度其误差可在 内，因此加工精度高；加工效率高、时间短 、成本低，便于实现生产的自动化；电磁成型设备可实现工件的多步、多点、多工位 成型，有助于实现生产的柔性化；污染较轻，有利于环境的保护。电磁成型加工作为一种新型的金属塑性加工技术，不同于传统的冷锻、温锻和热锻等加工方法，它 以其独特的加工特点展现出巨大的发展潜力 12。模多点成形就是将多点成形技术和计算机技术结合为一体的先进制造技术。该技术利用一系列规则排列的、高度可调的基本体，通过对各基本体运动的实 时控制，自由地构造出成形面，实现板材的三维曲面成形。它是对三维曲面扳类件 传统生产方式的重大创新。实现无模成形：取代传统的整体模具，节省模具设计、 制造、调试和保存所需人力、物力和财力，显著地缩短产品生产周期，降低生产成本 ， 提高产品的竞争力 。 与模具成形法相比 ， 不但节省巨额加工 、 制造模具的费用 ，而且节省大量的修模与调模时间，与手工成形方法相比，成形的产品精度高、质量10好，并且显著提高生产效率。优化变形路径：通过基本体调整，实时 控 制变 形曲 面 ，随 意改变板材的变形路径和受力状态，提高材料成形极限，实现难加工材料的塑性变形，扩大加工范围。实现无回弹成形：可采用反复成形新技术，消除材料内部的 残余应力，并实现少无回弹成形、保证工件的成形精度。小设备成形大型件：采用分段成形新技术，连续逐次成形超过设备工作台尺寸数倍的大型工件。易于实现自 动化：曲面造型、工艺计算。压力机控制、工件测试等整个过程全部采用计算机技 术 ， 实现 工作效率高 ， 劳动强度小 ， 极大地改善劳动者作业环境13。用低熔点合金浇铸，快速制造汽车盖件试制模具。合金的熔点低至，且凝固时几乎没收缩，是其两个明显的特点。提出工艺路线为：根据模型制造原型，再 将翻制为具有足够尺寸精度的陶瓷型，对陶瓷型进特殊处理后，在接近的温度下， 浇铸出低熔点合金汽车覆盖件拉延模具。此拉延模具以制造件汽车覆盖件零件，完 全满足试制模具的需要 。 主要应注意 ： 低熔点合金的设计 ； 低熔点合金的浇铸工艺 ；低熔点合金模具的试模与调试。采用等离子喷涂技术，也可快速制造汽车车身试制 模具。在电弧喷涂研究的基础上，进行的主要研究与开发技术为采用原型制造汽车 喷涂模具的工装 8；纸原型与工艺转化原型的设计与制造；喷涂工艺参数的选择；喷涂型壳与纸原型的分离；喷涂模具背衬材料的选择与制备；喷涂模具背衬的制造及后处理；喷涂模具的试模与调试。 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大差距。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。陈 炎嗣 仪 模 具