上汽：汽車覆蓋件沖模平台柔性化開發與實務

4月 25, 2024

1落料模柔性化開發

1.1 傳統落料模特兒點

為了提高材料利用率，同時滿足零件成形需求，車門中尾門內板、有/無窗框後側門內板這3類零件通常都需要開發開卷落料模。圖1所示為這3種類型零件的典型落料工藝，從圖1可以看出，這些落料工藝由「工藝特徵沖裁+切割分離」兩部分組成，且最後一步均為切斷分離。

圖1 車門類零件典型開捲落料工藝

以尾門內板為例，圖2所示為典型的開捲落料模結構，由圖2可以看出，模具包含製程特徵沖裁區與切割分離區。由於模具需要佈置緩衝機構、限位機構和起吊機構，切斷分離區的長度需要400~500 mm，增加了模具的整體尺寸和品質。

圖2 開卷落料模結構

由於車門落料模最後一步均為切斷分離工序，那麼此工序存在不同類型零件共用的可能。為實現共用生產目標，不僅要求滿足不同卷寬零件的切割分離，還要求模具吊裝和拆裝方便快捷，不能對其他傳統結構的模俱生產產生影響。為此，創新設計了1套切割分離共用模座，將傳統開卷落料模中工藝特徵沖裁和切斷分離這兩步工序設計成2副獨立的模具，同時兼顧吊裝要求，實現了不同零件切斷分離工序共用生產。

1.2 切斷分離共用模座

1.2.1 結構說明

圖3所示為落料模切斷分離共用模座，由切斷分離模和通用模座兩部分組成，切斷分離模透過定位孔和螺絲固定在通用模座上，與通用模座一起使用，不拆卸。製程特徵沖裁模依不同零件單獨開發，其安裝在通用模座上，與切斷分離模一同實現零件生產。

圖3 切斷共用結構

該結構具有如下特點。

（1）切斷分離模能滿足一定卷寬範圍內的板料切斷要求，同時上模頂面設置緩衝聚氨酯，可透過機床滑塊往復運動實現拍壓式生產。

（2）通用模座表面設計快速定位孔與T形槽，滿足不同型車門類零件製程特徵沖模的安裝與定位需求，其安裝方式如圖4所示。

圖4 安裝方式

（3）通用模座設計快速定位孔、U形夾緊槽和吊耳，滿足與工具機工作台的定位安裝要求以及整體吊裝要求。

1.2.2 尺寸確定

為了確定切斷分離共用模座的尺寸，透過統計學方法對14套車門零件落料製程中的步距和卷寬進行統計分析，零件類型涉及後側門內板和尾門內板，最後得出卷寬度和步距的變化範圍分佈，如圖5所示。由圖5可以看出，最大卷寬為1 540 mm，最大步距為2 120 mm，在滿足此範圍的條件下，最終確定切斷分離共用模座尺寸為3 589 mm×2 710 mm×230 mm ，最大切斷長度為1 600 mm。

圖5 車門類零件落料製程卷寬與步距分佈

1.3 生產方式

該結構對傳統的生產方式進行了優化，當零件生產時，切斷分離模和工藝特徵沖裁模上模均無需安裝在機床滑塊上，而是通過機床滑塊上下往復運動不斷拍壓實現板件生產，如圖6所示。

圖6 生產方式

1.4 優點分析

（1）實現了不同零件開卷落料最後一步切斷分離共用，縮減了模具在長度和高度方向的尺寸，減輕了模具質量，降低了模具開發成本。表1所示為以往專案所開發的尾門內板和後側門內板模具採用共用切割結構設計前後的品質對比，從表1可以看出，模具品質降幅普遍超過1/3。

表1 門內板常規設計與共用切割結構設計對比

（2）透過拍壓式生產，上模無需安裝在工具機滑塊上，可以縮短換模時間，還可以降低生產能耗。

（3）模具吊掛靈活方便，依賴通用模座可以實現整體吊運，不會增加吊運次數，不影響其他傳統落料模的生產。

（4）相容性強，適用範圍廣，可滿足不同類型零件製程特徵沖裁模的安裝需求。

（5）縮小了模具尺寸，節省了模具存放場地和空間。

2拉深模柔性化開發

2.1 傳統拉深模結構特點

拉深工序是汽車覆蓋件生產中較為關鍵的一道工序，拉深模決定拉深工件的成形品質。目前使用最廣泛的是單動結構拉深模，而框架式結構是單動拉深模中最常見的類型。框架式結構依壓邊圈數量可分為單腔結構和雙腔結構，圖7所示為典型的單腔結構和雙腔結構拉深模下模，下模座在前後方向設置圍擋形成方框腔體，壓邊圈安裝在腔體中。為方便說明，將壓邊圈「左右」方向定義為長度L ，「前後」方向定義為寬度W 。壓邊圈的長寬尺寸由零件尺寸決定，而模座安裝區域的尺寸又由壓邊圈尺寸決定。

圖7 拉深模結構類型

對於門蓋類零件，根據零件造型特徵以及生產方式的不同可以分為左右前後側門外板（有窗框/無窗框）、尾門內/外板、左右前後側門內板（有窗框/無窗框）、引擎罩內/外板單件/合模共8種類型（其中髮罩內外板依生產方式不同分為單件和合模兩類），每種零件的模具結構類型如表2所示。

表2 門蓋類零件以及模具結構類型劃分

以左右前側門外板（有窗框）單腔結構拉深模為例，圖8所示為傳統結構的拉深模安裝。在沖壓過程中，參與成形工作的只有凹模2、凸模鑲件3和壓邊圈4，壓邊圈4的尺寸與凸模鑲件3有關，而下模座5的作用只是為凸模鑲件3和壓邊圈4提供安裝位置以及為凹模2進行導向，不參與零件成形。

圖8 拉深模安裝

1.壓力機滑塊2.凹模3.凸模鑲件4.壓邊圈5.下模座6.壓力機工作台7.氣墊頂桿

傳統門蓋類零件拉深模有下列特點。

（1）下模座的安裝面依凸模形狀設計，具有唯一性，不同形狀的凸模無法安裝。

（2）上模為一個整體，具有唯一性，根據特定零件設計，並且為滿足成形要求，模具零件材料採用高牌號球墨鑄鐵。

由於拉深模模座只起安裝和導引作用，不受零件造型影響，具備不同零件共用的可能，如果將傳統整體式的凹模設計成「上模座+凹模鑲件」分離式結構，上模座將和下模座一樣僅起導向和安裝固定作用而不受零件造型因素的影響，上、下模座可以形成標準模座，滿足不同形狀零件的安裝需求，實現不同零件柔性共用的可能。

2.2 拉深模標準模座

2.2.1 結構說明

標準模座包含單腔標準模座和雙腔標準模座2種，圖9所示為單腔標準模座及雙腔標準模座結構。相較於單腔模座，雙腔標準模座的上、下模座中間分隔開，並設置有導引和限位裝置，2個安裝區域尺寸完全相同，滿足2套凹、凸模鑲件和壓邊圈安裝要求，如圖10、圖11所示。

圖9 標準模座

圖10 單腔標準模座說明

圖11 雙腔室標準模座說明

標準模座具有以下特點。

（1）取消下模座進出料方向的圍擋，壓邊圈寬度尺寸不受模座限制，使設計更具彈性。

（2）下模座氣墊頂桿避讓孔的孔徑統一加大，滿足不同零件壓邊圈安裝位置要求。

（3）上、下模座整個安裝區域為加工平面，滿足不同尺寸及形狀零件的凸模安裝要求，提升模座的通用性。

（4）上模採用分離式設計，上模座與凹模鑲件可採用不同材質進行製造。

2.2.2 安裝區尺寸確定

為滿足不同零件的共用要求，標準模座在工具機設備上的安裝位置需要固定，且安裝區域根據工具機中心對稱佈置。由於工具機工作台氣墊頂桿依照150 mm間隔佈置，且下模座需滿足全頂桿避讓要求，安裝區域長寬尺寸需符合300 mm整數倍要求進行設計。對於單腔模座安裝區尺寸要滿足：長度L =300 n +50， W =300 n +50；對於雙腔模座安裝區域尺寸滿足： L =150 n +50， W =300 n +50（其中n為正整數，50為安全餘裕，單位為mm）。利用統計學方法從以往開發的專案中依照不同零件類型分別選取數量不等的零件，對其拉深模壓邊圈的長度L和寬度W進行統計，根據資料分析將模座安裝區尺寸分為多各等級：單腔模座長度為L 1（3 050 mm）、 L 2（2 750 mm）、 L 3（2 450 mm）、 L 4（2 150 mm）及L 5（1 850 mm）五級，寬度為W 1（1 850 mm）及W 2（1 550 mm）兩級；雙腔模座長寬各分為L 6（1 850 mm）/ L7（1 400 mm）、 W 3（2 150 mm）/ W 4（1 950 mm）兩級。各型零件樣本數如表3所示，圖12和圖13所示分別為單腔與雙腔不同類型零件壓邊圈尺寸分佈。

表3 各類型零件樣本數量

圖12 單腔不同類型零件壓邊圈尺寸分佈

圖13 雙腔不同類型零件壓邊圈尺寸分佈

將標準長寬尺寸進行組合併根據尺寸從大到小排列，統計每個組合中所包含的樣本數量以及佔比率，對每種組合所包含的零件類型進行分析，在滿足零件要求的前提下通過最佳化選擇確定6種單腔尺寸組合和3種雙腔尺寸組合，如表4所示。

表4 不同標準尺寸組合說明

為方便區分，將單腔標準模座編為A型，雙腔標準模座編為B型，尺寸由大到小排列，最終標準模座類型明細如表5所示。

表5 拉深模標準模座明細

2.2.3 模具部分設計要求

採用標準模座設計的模具，凹模鑲件和凸模鑲件增加U形夾緊槽，凹模鑲件和壓邊圈之間增加自潤滑外導板，解決了工作部件在壓力機上的安裝和導向問題，實現了少數模具在人工線上簡易生產的要求。透過這種方式可以在不影響售後配件生產的條件下實現標準模座的回收再利用，如圖14所示。

圖14 模具鑲件部位

1.凹模鑲件2.U形夾緊槽3.自潤滑外導板4.壓邊圈5.凸模鑲件6.U形夾緊槽

2.2.4 標準模座優點

採用標準模座具有以下優點。

（1）實現了模座標準化設計，縮短了模具結構設計時間，增加了模座鑄件時效時間，減輕後期因殘餘應力導致的鑄件輕微變形對模具零件型面研合率的影響，提高模具使用穩定性。

（2）模具採分離式結構，凸、凹模鑲件材質為球墨鑄鐵，上、下模座材質為灰鑄鐵，相較於傳統的一體式上模均採用球墨鑄鐵，能降低模具材料成本。

（3）實現了模座的標準化開發，滿足同一類型不同尺寸的拉深模凸、凹模鑲件安裝要求，同時上、下模座具備後期回收再利用的功能。

表6所示為標準模座結構與傳統結構成本比較，從表6可以看出，採用標準模座設計可在一定程度上節省材料成本，同時具備回收效益。

表6 採用標準模座與傳統結構成本對比

註： 1.前門內板球墨鑄鐵材質為GM246，其餘零件球鑄鐵材質為QT600-3A，上、下模座材質為灰鑄鐵HT300；2、灰鑄鐵HT300參考價0.8萬元/1 000 kg；球墨鑄鐵QT600-3A參考價格1.3萬元/1 000 kg；GM246參考價格1.5萬元/1 000 kg。

2.2.5 實例應用

目前標準模座已在實際專案中得到應用，圖15所示為專案代號為E260的左右後側門外板（無窗框）拉深模，該拉深模採用雙腔A3標準模座設計。透過NX軟體有限元素分析功能分別對模具整體吊運狀態下的下模座應力應變狀態以及在工作過程中上模座應變狀態進行分析，如圖16和圖17所示。在整體吊運狀態下，下模座最大應力為24.1 MPa，小於灰鑄鐵抗拉強度（灰鑄鐵抗拉強度安全值為152 MPa），最大應變為0.17，經過評估下模座強度符合使用要求；在拉深到底狀態下，上模座最大應變為0.37，經過評估滿足使用要求。