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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目录1.前言2.国产轿车覆盖件模具开发能力3.覆盖件模具设计及技术31 软件环境32 修正回弹的对策33 新斜楔机构在外覆盖件模具上的应用3.4 汽车覆盖件冲压模具的制造技术4.总结参考文献指导教师审批意见签名：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 B09300426)1.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。2.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(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。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2了POL0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年开始向大型化、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。过去上海大众在20000kN多工位压力机上使用的模具，全部需进口，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POLO轿车中柱内板的模具进行设计。10000kN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，他们最终完成了整套模具的设计。另外，他们还完成了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。 POLO轿车中柱内板模具装配示意图(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3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。3.覆盖件模具设计及技术目前，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FontanaPietro、Kuka、Laepple、Schuler Cartec、Ogihala、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4。31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I序工艺补充面。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23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4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、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5。图2 AutoForm设计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，直到满足要求为止。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5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6。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，如德国大众就采用了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 7，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。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n-I能性8。图 3 冲压工艺泡沫模型32 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：6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。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 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 23，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。3.3 新斜楔机构在外覆盖件模具上的应用目前，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。7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。3.4 汽车覆盖件冲压模具的制造技术汽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。3.4.1 快速成型技术快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 CAD 模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体的技术，这是继数字驱动设计（CAD）和数字驱动制造（CAM）之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。3.4.2.电磁成型技术电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8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 0.5%以内，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。3.4.3.无模多点成形无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9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 cad cam cat 一体化生产，工作效率高，劳动强度小，极大地改善劳动者作业环境13。3.4.4.其它技术采用低熔点合金浇铸，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。4.总结近年来，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。105.参考文献1陈炎嗣.郭景仪.冲压模具设计与制造技术.北京：北京出版社，1991042
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