文/李永坤·秦皇島燕大汽車零部件制造有限公司

典型汽車車身件的沖壓與模具技術(shù)

文/李永坤·秦皇島燕大汽車零部件制造有限公司

當今汽車制造業(yè)已進入了發(fā)展新階段，尤其是汽車車身沖壓制造工藝水平的不斷進步，在很大程度上對汽車制造質(zhì)量和成本產(chǎn)生直接而重要的影響。模塊化沖壓技術(shù)、新模具材料、先進加工制造技術(shù)，尤其是計算機輔助技術(shù)極大地促進了沖壓技術(shù)的發(fā)展。

筆者將介紹目前汽車車身沖壓工藝中的先進技術(shù)，并闡述當前沖壓工藝的發(fā)展趨勢。文章主要以汽車后視鏡安裝板（圖1）的沖壓成形為例，解析其沖壓工藝的過程。

沖壓工藝分析與模具設(shè)計

汽車后視鏡安裝板是車身上典型沖壓件，精度要求比較高，如圖1所示，零件上的孔徑（D）、孔位公差要求都比較嚴格。所以，設(shè)計初期就需要充分考慮零件尺寸的精度要求、材料機械性能、材料利用率、設(shè)備實際使用情況、模具結(jié)構(gòu)布局、模具制造維修成本等綜合因素。經(jīng)過綜合考慮以上所有問題后，最終采用的沖壓工藝整體方案為：拉延成形→修邊沖孔→翻邊整形沖孔→切邊沖孔。

圖1汽車后視鏡安裝板

拉延成形

拉延成形屬于第一道工序，先要確定工藝數(shù)模，這需綜合考慮拉延方向、拉延深度、壓料面的大小形狀、拉延筋的位置及高度等因素，經(jīng)過模擬分析，確立如圖2所示的工藝數(shù)模。

圖2拉延成形工藝數(shù)模

本道沖壓工序采用單件拉延，左右共兩套模具，均使用315t液壓機?？紤]到材料伸長率、抗拉強度等機械性能，拉延過程中材料的流動性，相比較左右件對稱拉延而言，設(shè)計人員認為單件拉延更有利于拉延成形的實現(xiàn)。同時，經(jīng)過計算，單件拉延材料利用率并不低于左右對稱拉延材料利用率?；谝陨峡紤]，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖3。這套模具采用了公司標準模塊化設(shè)計，其中除了凸模、凹模、壓邊圈等小部分模具零件需重新設(shè)計，其余如上下模座、導(dǎo)柱導(dǎo)套、限位塊、擋料塊等都可以調(diào)用設(shè)計標準庫，參數(shù)簡單修改后進行裝配即可。這種設(shè)計方式大大提高了工作效率、縮短了設(shè)計周期，同時使模具也具有良好的互換性，便于今后維修更換。

圖3拉延成形模

修邊沖孔

修邊沖孔屬于第二道工序，也要先確定工藝數(shù)模，圖4即為修邊沖孔工藝數(shù)模。

本道工序采用左右件對沖，這主要考慮到模具受力平衡情況、生產(chǎn)效率等。上道工序生產(chǎn)的工件是本道工序的毛坯，圖4中白色實線是修邊輪廓線和沖孔輪廓線，之所以加上沖孔是因為工件上的所有孔不在同一個平面上，而圖4中的白色實線孔在這道工序可以與修邊同時完成，相對減少了沖裁工序。模具結(jié)構(gòu)如圖5所示，這套模具和拉延成形模一樣，使用了大量標準件，應(yīng)用于400t沖床。

圖4修邊沖孔工藝數(shù)模

圖5修邊沖孔模

翻邊整形沖孔

翻邊整形沖孔屬于第三道工序，工藝數(shù)模如圖6所示。由于工件孔位關(guān)系，在這道工序設(shè)計人員設(shè)計在完成翻邊整形的同時預(yù)沖孔，這樣便于模具結(jié)構(gòu)的合理布局，同時將此孔作為下道工序定位的基準孔采用左右件對稱沖壓，這樣有利于模具受力平衡，同時提高生產(chǎn)效率。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7所示。這套模具依然采用大量標準件，使用標準模塊化設(shè)計，應(yīng)用于500t液壓機。

圖6翻邊整形沖孔工藝數(shù)模

圖7翻邊整形沖孔模

切邊沖孔

切邊沖孔是最后一道工序，工藝數(shù)模確定后就完成了工件的整套沖壓工序，工藝數(shù)模確定如圖8所示，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9所示。這套模具仍然采用大量標準件，左右件對稱沖壓。同時，為保證孔位精度，模具結(jié)構(gòu)采用側(cè)沖形式，應(yīng)用于400t沖床。以這套模具為例，在大批量生產(chǎn)過程中，由于沖裁模的特殊性，像沖頭、凹模、斜楔等零件屬于易損件，更換頻次較高，所以模具采用模塊化、標準化設(shè)計，非常有利于其零件的儲備、更換、維修等后續(xù)生產(chǎn)維護工作。這套模具的結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了標準化設(shè)計的優(yōu)越性，沖頭、凹模、斜楔機構(gòu)都采用了標準件設(shè)計，這樣模具零件的互換性非常好，使用壽命也比較長，同時能很好保證工件的沖裁精度。

通過這四道沖壓工序的生產(chǎn)，我們最終得到符合圖紙精度要求的合格工件，實際產(chǎn)品見圖10，該產(chǎn)品目前已經(jīng)批量投入使用，應(yīng)用于某汽車公司主打車型，累計生產(chǎn)了近50萬套，工件質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，得到了主機廠的認可。

沖壓模具技術(shù)

圖8切邊沖孔工藝數(shù)模

圖9切邊沖孔模

圖10工件實物產(chǎn)品

隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高，對模具質(zhì)量和壽命要求越來越高。而提高模具質(zhì)量和壽命最有效的辦法，就是開發(fā)和應(yīng)用模具新材料以及熱處理新工藝，摸索先進的制造技術(shù)，不斷提高模具的使用性能。

材料

制造沖壓模具的材料有鋼材、硬質(zhì)合金、鋼結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金、鋅基合金、低熔點合金、鋁青銅、高分子材料等。目前，制造沖壓模具的材料絕大部分以鋼材為主，常用的模具工作部件材料種類有碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻或中鉻工具鋼、中碳合金鋼、高速鋼、基體鋼以及硬質(zhì)合金、鋼結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金等。

模具材料的選取需要綜合成本因素，本文提到的模具，除了拉延模外，其余模具的凸凹模均采用高碳高鉻工具鋼Cr12MoV。這種材料具有較好的淬透性、淬硬性和耐磨性，熱處理變形很小，屬于高耐磨微變形模具鋼，尤其適合作為沖裁模具的刃口。拉延模具凸凹模采用鉬鉻鑄鐵，這種材料具有較好的淬硬性和耐磨性，熱處理變形較小，能夠浸入潤滑油，具有自潤滑作用，可有效地減輕拉延過程中的摩擦，且成本較低、容易加工。

熱處理工藝

合理選取模具材料及實施正確的熱處理工藝是保證模具壽命的關(guān)鍵。對用途不同的模具，應(yīng)根據(jù)其工作狀態(tài)、受力條件及被加工材料的性能、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)率等因素綜合考慮，并對上述要求的各項性能有所側(cè)重，然后做出對鋼種及熱處理工藝的相應(yīng)選擇。

本文涉及到的沖裁模具凸凹模刃口，均采用真空熱處理工藝，這種工藝具有零件變形小、淬火硬度均勻等優(yōu)點。拉延模具凸凹模材料為鉬鉻鑄鐵，選用的表面淬火空冷熱處理工藝，能實現(xiàn)較好的淬硬性、耐磨性，熱處理變形小，并且熱處理過后不用再精加工。

先進制造技術(shù)

模具制造技術(shù)的現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)等先進技術(shù)正不斷向傳統(tǒng)制造技術(shù)滲透、交叉、融合，對其實施改造，形成先進制造技術(shù)。目前，較為先進的制造技術(shù)有高速數(shù)控銑削加工、慢走絲線切割加工、電火花加工、數(shù)控磨削及拋光加工。本文模具制造過程中，均采用了高速數(shù)控銑削加工，數(shù)控機床高速銑削的主軸轉(zhuǎn)速為15000r/min，采用高轉(zhuǎn)速、小進給量、小吃刀量加工方法，這樣工件溫升小，模具表面沒有變質(zhì)層及微裂紋，熱變形也小，同時減少了后續(xù)磨削及拋光工作量。沖裁模具刃口采用慢走絲線切割加工，加工精度可達到±0.005mm，加工表面粗糙度R a為0.4～0.8μm，加工速度也非常高，不低于常用快走絲切割速度。同時，模具清根時運用電火花設(shè)備可加工出小圓角部位。

各種先進加工制造技術(shù)的應(yīng)用，最終保證了模具的加工精度和質(zhì)量，同時也大大縮短了模具制造周期，減少了研磨調(diào)試工作量。先進制造技術(shù)及制造設(shè)備的廣泛應(yīng)用，推動了模具制造業(yè)的快速發(fā)展。

汽車沖壓技術(shù)的發(fā)展趨勢

汽車沖壓工藝設(shè)計應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)、工藝性、模具制造的合理性、均衡性及成本最低化原理，來建立優(yōu)化決策機制，制定產(chǎn)品的工藝路線、任務(wù)分配及詳細工藝設(shè)計。汽車沖壓工藝設(shè)計是一個過程性設(shè)計，要通過經(jīng)驗和知識對產(chǎn)品信息不斷分析來完成，其設(shè)計結(jié)果需要檢驗評價。通過設(shè)計→評價→再設(shè)計的迭代過程來實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計，是汽車沖壓工藝設(shè)計發(fā)展的重要方向。目前，可以說CAE技術(shù)已成為沖壓件工藝設(shè)計的檢驗工具和工程人員修改工藝設(shè)計的有力依據(jù)。依靠CAE的結(jié)果來指導(dǎo)工藝設(shè)計，進而實現(xiàn)工藝的自適應(yīng)設(shè)計將是今后的重點研究領(lǐng)域。

結(jié)束語

隨著制造業(yè)、汽車工業(yè)全球化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化的不斷深入，汽車沖壓工藝技術(shù)和模具技術(shù)的發(fā)展已與先進制造技術(shù)、智能技術(shù)、電子信息及計算機集成技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉、緊密結(jié)合?；旌现悄苄录夹g(shù)將是解決該領(lǐng)域問題的一個發(fā)展途徑，如KBE技術(shù)、工藝決策推理機制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、遺傳算法（GA）、Petri網(wǎng)等智能化技術(shù)及并行工程、CIMS思想等的混合決策技術(shù)和多智能體技術(shù)基礎(chǔ)上的綜合智能體系，這也是行業(yè)技術(shù)人員今后努力研究和探索的方向。

李永坤，工裝制造部部長。主要從事沖壓、輥壓、拉彎工裝模具的設(shè)計開發(fā)與制造，同時從事輥壓、拉彎設(shè)備的創(chuàng)新與研發(fā)，主持完成了企業(yè)輥壓、拉彎等專用成形設(shè)備的自主化。