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小批量汽車沖壓模具技術(shù)的研究及應(yīng)用

2023-6-29 來(lái)源：中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司作者：馬望閆彥

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，人們的生活方式也在發(fā)生著改變，一成不變的生活節(jié)奏已不能滿足人們的日常需求，私人定制的個(gè)性化生活已經(jīng)開(kāi)始被越來(lái)越多的人所接受。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)有 85% 的汽車消費(fèi)者會(huì)選擇定制化汽車，而日本也有將近80% 的消費(fèi)者會(huì)選擇個(gè)性化汽車定制。

汽車定制化可大致分為 3 個(gè)級(jí)別 : 第一個(gè)級(jí)別就是簡(jiǎn)單的對(duì)車身顏色、輪輞樣式及內(nèi)飾選材等方面進(jìn)行固有化的裝配 ; 第二個(gè)級(jí)別為大規(guī)模定制化，就是汽車供應(yīng)商進(jìn)行模塊化生產(chǎn)，用戶可以根據(jù)個(gè)人需求對(duì)車輛的動(dòng)力及車身材料等進(jìn)行自主選擇 ; 第三個(gè)級(jí)別為分散個(gè)性化生產(chǎn)，這是汽車定制服務(wù)的最高級(jí)別，其拋棄了流水線和模塊化生產(chǎn)的固有模式，可完全按照用戶的需求進(jìn)行個(gè)性化生產(chǎn)，比如勞斯萊斯車型，就是完全按照用戶的需求進(jìn)行裝配，真正做到了純手工定制化生產(chǎn)，并保證每臺(tái)勞斯萊斯車型都是獨(dú)一無(wú)二的。

我們依據(jù)以上幾種定制化級(jí)別，應(yīng)用到汽車車身外觀，就是對(duì)車身沖壓件的變更。傳統(tǒng)的沖壓模具開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，已不適合開(kāi)發(fā)周期短、批量相對(duì)較小的定制化生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)特性，這就需要尋求一種適應(yīng)多產(chǎn)品、小批量的沖壓模具技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)以上思路，我們參照汽車產(chǎn)量的不同，結(jié)合不同的模具開(kāi)發(fā)模式，細(xì)化研究小批量汽車的模具生產(chǎn)方式，不僅起到了降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的，也促進(jìn)了定制化汽車的應(yīng)用。

一、基于小批量技術(shù)研究

1．規(guī)劃與工藝

小批量模具根據(jù)生產(chǎn)總綱領(lǐng)，可大致分為試制工裝（如圖 1 所示）、半工裝（節(jié)約修沖模具）、全工裝模具（如圖 2 所示）等，半工裝模具根據(jù)產(chǎn)量的不同，又可對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同等級(jí)的劃分，達(dá)到節(jié)約工裝成本的目的。

圖 1 試制工裝

圖 2 全工裝

首先，確認(rèn)半工裝與全工裝模具的平衡點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，車型總生產(chǎn)鋼領(lǐng)在 5000 臺(tái)份以上，建議采用全工裝批量模具的開(kāi)發(fā)方式 ;對(duì)于總綱領(lǐng)低于 5000 臺(tái)份，根據(jù)車型的實(shí)際規(guī)劃鋼領(lǐng)，進(jìn)一步進(jìn)行分解，對(duì)于總綱領(lǐng)低于 100臺(tái)的，建議采用純?cè)囍乒に嚰霸囍乒ぱb的形式的進(jìn)行模具設(shè)計(jì)制造 ; 總綱領(lǐng)在 100-5000 臺(tái)之間，建議按照量產(chǎn)工藝進(jìn)行模具設(shè)計(jì)制造，而此綱領(lǐng)區(qū)間的模具結(jié)構(gòu)及工裝形式，根據(jù)零件的復(fù)雜程度和重要程度進(jìn)行差異化區(qū)分，采用半工裝與全工裝相結(jié)合的方式，而且模具結(jié)構(gòu)在大批量模具的基礎(chǔ)上進(jìn)行減配優(yōu)化。

將以上討論進(jìn)行整理，詳見(jiàn)表 1:

表 1 車型規(guī)劃與工藝工裝關(guān)系表

2.模具技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮產(chǎn)品的重要程度和難易程度，可分為三大類 : 外覆蓋件、高強(qiáng)鋼零件和其它零件。外覆蓋零件表面質(zhì)量要求較高，工藝設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)盡可能分析充分，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，將返修工時(shí)控制在合理范圍之內(nèi)。高強(qiáng)鋼零件因其屈服強(qiáng)度較高，材料成型時(shí)的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致模具磨損嚴(yán)重，因此批量大的話，要適當(dāng)提高工作部位材質(zhì)強(qiáng)度，必要時(shí)需要對(duì)模具局部進(jìn)行淬火。其它零件可依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

（1）模具材質(zhì)

一般分為鑄造模具及鋼板模具，鑄造模具需要制作泡沫實(shí)型，然后鐵水澆鑄而成，鋼板模具是在采購(gòu)型材的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工。鑄造模具的模座選用材料為 HT300，鋼板模座選用材料為 45鋼。對(duì)于模具工作部位的材質(zhì)，試制模具因批量小，一般材料采用 HT300 和 45 鋼，若生產(chǎn)綱領(lǐng)較大，需要提升模具材質(zhì)，一般材料選用 MoCr鑄鐵或 Cr12MoV。

（2）導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

模具導(dǎo)向方式大致分為導(dǎo)板或?qū)е鶅煞N方式（見(jiàn)圖 3），批量較小的模具利用模具本體加工面進(jìn)行導(dǎo)向，不需要安裝導(dǎo)板或?qū)е葘?dǎo)向。批量較大的車型可根據(jù)實(shí)際情況增加導(dǎo)板或?qū)еＭǔ８鶕?jù)零件的重要程度和復(fù)雜程度去判斷是否增加導(dǎo)向，其目的是保證零件尺寸的穩(wěn)定性和一致性。

圖 3 導(dǎo)板導(dǎo)柱示意圖

（3）側(cè)翻結(jié)構(gòu)（CAM）

側(cè)翻結(jié)構(gòu)可分為斜楔翻邊和側(cè)翻機(jī)構(gòu)翻邊。側(cè)翻機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在小批量模具中，負(fù)角翻邊的零件通常采用側(cè)翻機(jī)構(gòu)。側(cè)翻機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的批量模具的斜楔結(jié)構(gòu)不同（見(jiàn)圖 4），它一般實(shí)現(xiàn)水平方向翻邊，導(dǎo)向面與工作臺(tái)平行。用斜楔機(jī)構(gòu)翻邊的時(shí)候，要將零件旋轉(zhuǎn)到合理的角度，以滿足斜楔翻邊需求，盡量避免成型類翻邊。

圖 4 側(cè)翻機(jī)構(gòu)

（4）加強(qiáng)筋參數(shù)

正常量產(chǎn)模具對(duì)壽命、強(qiáng)度要求較高，因此型面、主筋、副筋參數(shù)較大。小批量模具因其生產(chǎn)數(shù)量少，模具壽命要求沒(méi)有批量模具那么高，因此降低模具結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是可行的。

綜合以上因素，總結(jié)歸類具體參數(shù)，模具技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表 2。

表 2 模具技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

3.支架 / 胎具的激光切割技術(shù)

小批量零件在生產(chǎn)規(guī)劃時(shí)，修邊沖孔多數(shù)采用激光切割加工工藝，應(yīng)用定位支架 / 胎具的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)切割時(shí)的定位。為規(guī)避以往的激光切割定位支架 / 胎具重復(fù)定位精度低、制作效率低、成本高、不易存放等缺點(diǎn)，可以從設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)、制作工藝三方面來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）設(shè)計(jì)技術(shù)

①基準(zhǔn)統(tǒng)一。定位工裝對(duì)零件的定位基準(zhǔn)

要與零件的 RPS（定位點(diǎn)系統(tǒng)）文件保持一致。RPS 文件中標(biāo)明了零件的定位孔和定位面，在整車的加工制造、檢測(cè)及模具、檢具、夾具設(shè)計(jì)制造中都應(yīng)按照 RPS 文件確定的定位系統(tǒng)確定基準(zhǔn)點(diǎn)，因此在激光切割定位設(shè)計(jì)時(shí)也要遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，保持定位系統(tǒng)的一致性（如圖 5 所示）。

圖 5 激光切割支架示意圖

②回彈校型。由于車身鈑金件型面比較平緩，局部強(qiáng)度低，尤其是外覆蓋件，零件本身形狀固化強(qiáng)度不足，沖壓完成后，零件型面或多或少會(huì)出現(xiàn)回彈或塌陷問(wèn)題。為保證零件在切割過(guò)程中與檢測(cè)和裝配狀態(tài)下一致，需在零件切割部位增加局部回彈校型結(jié)構(gòu)。

③支撐面選取原則。支撐截面應(yīng)考慮定位的穩(wěn)定可靠，以及支架 / 胎具的鋼性和強(qiáng)度。選取原則是盡量靠近工序件的邊緣、避免和修邊線重疊或靠近、避免選取在過(guò)度圓弧區(qū)域等（如圖 6所示）。

圖 6 支撐面選擇

（2）結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

激光切割定位支架 / 胎具采用薄鋼材插裝結(jié)構(gòu)（如圖 7 所示）, 薄鋼材厚度為 1.5mm，材料為 Q235。斷面上以 50mm 為增量 , 每隔100--200mm 設(shè)計(jì)一個(gè)插腳，底板上也相應(yīng)地設(shè)計(jì)插槽。整個(gè)結(jié)構(gòu)先進(jìn)、合理、緊湊。對(duì)于型面特殊的大型定位支架 / 胎具可以考慮設(shè)計(jì)若干個(gè)卡板來(lái)增強(qiáng)支架的強(qiáng)度和剛性。

圖 7 激光切割插裝結(jié)構(gòu)圖

（3）制作工藝

激光切割定位支架 / 胎具完全采用 CAD/CAM 一體化制造技術(shù)，使得復(fù)雜的三維零件定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了較簡(jiǎn)單的二維數(shù)控編程問(wèn)題，降低技術(shù)門檻。整個(gè)加工可實(shí)現(xiàn)單工序加工，使用激光切割機(jī)就可以完成全部的加工。激光切割支架三維圖如圖 8 所示。

圖 8 激光切割支架三維圖示

二、典型件示例

以某車型側(cè)圍外板零件的生產(chǎn)工藝為例，介紹上述標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。側(cè)圍外板總綱領(lǐng)為 200臺(tái)，采用試制工藝，規(guī)劃八工序，一序板料處理，用激光切割對(duì)板料進(jìn)行成形前預(yù)處理 ;二序拉延成形，用簡(jiǎn)易拉延模具對(duì)板料進(jìn)行成形壓件 ; 三序激光加工，采用激光切割支架定位，對(duì)拉延工序件進(jìn)行初修 ; 四序手工處理，使用通用墊鐵對(duì)工序件指定區(qū)域折彎 ; 五序翻邊整形，用簡(jiǎn)易模具對(duì)折彎工序件進(jìn)行翻邊整形處理 ; 六序翻邊，使用專用翻邊機(jī)構(gòu)對(duì)工序件擺放特定角度進(jìn)行翻邊處理 ; 七序激光加工，采用激光切割支架對(duì)工序件進(jìn)行精修 ; 八序手工處理，對(duì)前序翻邊工藝豁口進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)處理。簡(jiǎn)易模具材質(zhì)采用 HT300，局部工作部分進(jìn)行表面處理，此案例選用本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)即可滿足車型綱領(lǐng)規(guī)劃，又可減少生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，同時(shí)能達(dá)到降低工裝成本的要求。工序簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖 9。

圖 9 側(cè)圍外板工序簡(jiǎn)圖

三、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)多款小批量汽車沖壓模具的研究，得出適用于總綱領(lǐng)小于 5000 輛份的模具技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按此標(biāo)準(zhǔn)既能體現(xiàn)傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，又保證了產(chǎn)品的質(zhì)量及穩(wěn)定性，對(duì)汽車定制化的模具開(kāi)發(fā)模式起到指導(dǎo)作用。

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