彭 帥，朱煥剛，熊舸宇，牛利軍，張德斌

（東風(fēng)商用車有限公司車身廠，湖北十堰442000）

1 模具自動化應(yīng)用背景

隨著乖用車沖壓自動線技術(shù)的不斷發(fā)展以及沖壓無人化的趨勢日益明顯，商用車各大公司也感受到巨大壓力，紛紛投資建設(shè)沖壓自動線，希望在競爭日益激烈的卡車市場中占有一席之地。與傳統(tǒng)的手動沖壓線相比，自動化生產(chǎn)線的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在生產(chǎn)節(jié)拍的提升、沖壓件成本的降低以及沖壓件品質(zhì)的提高。在沖壓自動化生產(chǎn)方式日趨完善的形勢下，沖壓模具的結(jié)構(gòu)將極大程度地影響制件生產(chǎn)效率，因此對自動化生產(chǎn)沖壓件的工藝設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1]。

2 模具自動化的約束條件

自動化模具是一種能滿足沖壓自動線無人化生產(chǎn)的模具，具有快速定位，自動換模，機(jī)器人取件，自動排放廢料等功能。自動化模具在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，務(wù)必滿足相應(yīng)的約束條件，即符合沖壓自動線的生產(chǎn)條件和沖壓自動化的先進(jìn)性。沖壓自動線的生產(chǎn)條件主要是指自動化模具設(shè)計(jì)是否滿足沖壓工藝需要和沖壓設(shè)備的條件；沖壓自動化的先進(jìn)性是指模具自動化的結(jié)構(gòu)能否可靠地保證制件的質(zhì)量，有效提高生產(chǎn)效率，并具有安全可靠，易于保養(yǎng)等特點(diǎn)。

2.1 工藝條件

自動化模具首要約束條件是模具設(shè)計(jì)尺寸不能超過工作臺的最大尺寸；其次模具設(shè)計(jì)的成形力或沖裁力應(yīng)小于壓力機(jī)公稱力的60%，我司的沖壓自動線首臺壓力機(jī)為2,400t，它的正常工作噸位不能超過1,440t，倘若超出上述限值，滑塊與傳動連結(jié)部位可能產(chǎn)生劇烈振動受損，影響壓力機(jī)的正常使用及壽命；2,400t壓力機(jī)液壓墊的最大行程為350mm，模具設(shè)計(jì)時，壓料圈的頂起高度不能超過拉伸墊的最大行程，大于這個行程設(shè)備將無法生產(chǎn)。

我司的自動線2,400t壓力機(jī)的最大閉合高度為1,300mm，最小的閉合高度為750mm；滑塊的最大行程為1,200mm；模具設(shè)計(jì)時的閉合高度務(wù)必在750～1,300mm，同時為了提高自動換模效率，模具的閉合高度應(yīng)盡可能的統(tǒng)一，切換模具高差值不能大于70mm，否則造成等待浪費(fèi)。除了滿足既定的模具閉合高度外，機(jī)器人取件的通過性必須滿足以下條件：上模的輪廓高度+下模的輪廓高度+端拾器高度+制件高度+50<滑塊行程+閉合高度，如圖1所示。

圖1 端拾器通過性示意圖

2.2 模具結(jié)構(gòu)

模具應(yīng)具備最基本的自動化結(jié)構(gòu)：電檢裝置（編碼器，接近開關(guān)，終端集線盒，插接線），存放氮?dú)飧?，快速定位槽等?/p>

如圖2所示，電檢裝置由接近開關(guān)①、連接電纜②③、終端集線盒（包括Harting接口）④⑤、以及編碼器⑥等部件組成，具備制件檢測、斜楔檢測、模具號設(shè)定等功能。其中編碼器安裝在哈丁插頭上，確?？蓽?zhǔn)確傳遞模具編號信息給壓機(jī)PLC，實(shí)現(xiàn)快速換模及防錯功能。若一條沖壓自動線車型數(shù)量超過125種，建議采用10位2進(jìn)制編碼器進(jìn)行編碼和調(diào)整，接近開關(guān)作為制件投入的到位檢測，針對一個獨(dú)立制件設(shè)計(jì)時，模具的左右側(cè)布置一個，前后側(cè)布置一個。

圖2 電檢裝置連接圖

存放氮?dú)飧子?個作用：一是可靠性良好，避免彈性壓料元件長時間受力而損壞；二是操作性方便，減小上下模的導(dǎo)向咬合量，方便開模進(jìn)行日常保養(yǎng)；三是安全性高，減少拿取剛性存放的動作，消除忘拿剛性存放造成模具損壞的風(fēng)險(xiǎn)，為自動換模的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備了條件。值得注意的是存放氮?dú)飧椎牟贾眯枰荛_鋼絲繩的起吊位置，否則會增加維修成本。

模具快速定位槽的作用是實(shí)現(xiàn)模具在工作臺上的快速定位，為模具自動快速夾緊提供必要條件。模具快速定位槽有2種定位方式，一種為兩端定位槽，如圖3所示；另一種為同側(cè)定位槽，如圖4所示，自動換模效率非?？?，而吊模備模速度相對低下，自動化模具增加兩個快速定位槽實(shí)現(xiàn)快速備模，目前東風(fēng)本田采用的是同側(cè)定位，東風(fēng)日產(chǎn)采用的兩端定位。

圖3 兩端定位槽

圖4 同側(cè)定位槽

3 提高生產(chǎn)效率

3.1 模具相關(guān)工藝性要求

沖壓工藝排布一般采用對稱設(shè)計(jì)，這樣模具的結(jié)構(gòu)多為雙拼結(jié)構(gòu)或雙槽結(jié)構(gòu)，也就是通常所說的一模兩件結(jié)構(gòu)，這種模具結(jié)構(gòu)減少了一次制件單獨(dú)生產(chǎn)時間和換模時間，可以將生產(chǎn)效率提高1.5~2.0倍。

對于左右對稱的沖壓件，采用多個（多種）制件同時成形，然后沖裁分離的設(shè)計(jì)方法，不僅可以改善板料受力狀況、使材料變形均勻，有利于沖壓成形，同時也減少模具和工序數(shù)量、減少電能消耗、減少操作工人數(shù)，提高材料利用率，從而全面降低成本。如圖5所示，左右件成雙實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，在制件的非成品區(qū)域增加一個完全不同的制件，使該方案的工藝性、經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)性都大大提高。

圖5 一模4件

為了保證模具快速自動切換，模具的閉合高度盡量保持等高，因模具閉合高差大，我司最長換模時間為10min，最短換模時間為4min；模具送料高差盡量小，減少動作浪費(fèi)，也可提高生產(chǎn)節(jié)拍；前后工序設(shè)計(jì)盡量保證送料方向的一致，避免因送料反向?qū)е露耸捌鞫嘤鄤幼鳎斐蓵r間浪費(fèi)。

3.1.1 拉伸模帶料

拉伸模上模帶料問題是制件成形時共性問題，主要原因是板料在單動壓機(jī)上成形時，隨滑塊上升的凹模與成形后的制件貼合形成真空，制件因此被帶起。上模帶料會造成制件抓取的位置偏移，端拾器真空報(bào)警停線。

在模具結(jié)構(gòu)上有以下幾個解決方案：

（1）凹模一般會加工多排直徑為φ4mm或φ6mm的排氣孔，減小帶料壓力，對于大型制件其效果一般不會太好，可以在上模成形面的非強(qiáng)壓區(qū)增加直徑為φ60~φ80mm以上排氣孔，數(shù)量一般為4~6個，降低帶料效果十分明顯，如圖6所示。

圖6 帶排氣孔的上模

（2）在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，壓料圈設(shè)計(jì)成托桿結(jié)構(gòu)，液壓墊作為壓力源，可以控制壓料圈延時頂起，制件與凸模貼合形成真空，可有效防止凹模帶料，這種辦法單獨(dú)采用時，不適用于剛性較差的制件，因下模型腔內(nèi)進(jìn)氣不及時，致使制件上表面空氣壓力過大，從而導(dǎo)致制件變形，以上二種方法同時使用效果最好。

（3）二者都無法解決時，可以考慮在上模合適的位置增加強(qiáng)力頂料銷，如圖7所示，強(qiáng)力頂料銷一般設(shè)置在有一定成形剛度廢料的區(qū)域，防止制件產(chǎn)生缺陷。

圖7 帶頂銷的上模

3.1.2 后工序模帶料

模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部型面存在負(fù)角的模具，端拾器無法正常抓取制件，可以在設(shè)計(jì)階段，將負(fù)角區(qū)域設(shè)計(jì)成推拉斜楔結(jié)構(gòu)，這樣可以有效避免下模卡料；也可以在下模增加角度控制的氣動頂料機(jī)構(gòu)，當(dāng)滑塊上升到一定高度，壓機(jī)控制頂桿托盤頂起制件，使制件脫離模具型面，實(shí)現(xiàn)制件自由抓取。舊模具為了降低改造成本，也可以在局部增加直徑為φ20mm的圓形聚氨脂，高出型面1~2mm即可。

雙活翻邊模設(shè)計(jì)時，需要實(shí)現(xiàn)制件上翻和下翻。下模氮?dú)飧椎男谐虘?yīng)先行釋放，否則會造成下模頂出器瞬間彈起，制件失位，端拾器抓不住料，也可以在下模增加制件定位銷或在上模增加壓料銷，減少制件的自由度，實(shí)現(xiàn)端拾器自由抓取。若上模帶料，主要是上模型腔真空帶料，增加排氣孔便可解決此問題。

為了消除沖孔廢料回跳，凸模應(yīng)設(shè)計(jì)成頂針式凸模，在完成沖裁后，頂料銷將沖孔廢料頂離凸模端面，防止其回跳；為了消除修邊廢料回帶，應(yīng)在上模鑲塊合適位置增加頂料銷，防止其廢料回帶。

3.1.3 廢料堵塞

廢料排放是自動化模具生產(chǎn)中的重要問題，尤其是沖壓線效率及自動化程度越來越高的情況下，一旦發(fā)生堵廢料，輕則停機(jī)停線，影響生產(chǎn)效率，重則損壞模具，造成損失，所以，廢料通道設(shè)計(jì)好壞直接關(guān)系著沖壓自動線的生產(chǎn)效率[2]。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾種情況：廢料滑板角度大于30°，可以通過增加下模高度實(shí)現(xiàn)；小于30°可以選用慮網(wǎng)板減小摩擦力，提高廢料下滑速度；小于15°可以采用滾輪或滾珠導(dǎo)滑；工藝設(shè)計(jì)無獨(dú)立滑板的廢料可以采用打料器將廢料推進(jìn)到旁側(cè)滑板上將廢料排出，前提條件壓機(jī)必須具備角度控制氣源。模具設(shè)計(jì)時，廢料排放優(yōu)先考慮從壓機(jī)工作臺中洞排出，如圖8所示。

圖8 帶中洞的工作臺

3.2 新技術(shù)新結(jié)構(gòu)

3.2.1 氣動固定板

氣動固定板是利用氣缸驅(qū)動固定板上下運(yùn)動的一種裝置，如圖9所示，它可以實(shí)現(xiàn)不同制件狀態(tài)的快速切換，其主要功能是通過切換凸模行程來控制沖孔或不沖孔以實(shí)現(xiàn)不同的制件狀態(tài)。我司沖壓件小批量品種很多，生產(chǎn)50~200件的制件多達(dá)40種，若采用人工更換凸?；蚯袚Q模具換件生產(chǎn)都會浪費(fèi)大量生產(chǎn)時間。而采用氣動固定板切換制件狀態(tài)，其效果穩(wěn)定，切換迅速。其工作原理是利用空氣壓力為氣缸提供動能，來推動斜楔的水平運(yùn)動，以此來保證裝配凸模方塊頂起或落下，方塊的運(yùn)動行程約為8mm，可以保證制件沖孔的無有。該結(jié)構(gòu)應(yīng)用需要具備兩個條件：①模具的型腔內(nèi)有足夠的空間布置氣動固定板以及其氣管裝置，否則就會出現(xiàn)干涉而壓壞模具部件；②需要保證壓力機(jī)有兩個以上的氣源接口，且為常通狀態(tài)。

圖9 氣動固定板

3.2.2 翻倒式定位板

翻倒式定位板是利用氣缸推動定位板沿支點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的一種裝置，如圖10所示。該定位板在自動化模具中的應(yīng)用可以有效降低端拾器的送料高度，提高端拾器傳輸速度。我司商用車頂蓋板的最大高度達(dá)到355mm，上?？纱┰降母叨葹?02mm，下?？梢源┰降母叨葹?,213mm，端拾器抓取本身高度為420mm，4項(xiàng)通過性高度相加為2,590mm，已經(jīng)大于壓機(jī)最大通過空間2,500mm，無法進(jìn)行正常的制件傳輸，若降低定位板高度，制件無法準(zhǔn)確定位。應(yīng)用翻倒式定位板（250mm）后，通過性高度降低到2,340mm，可調(diào)空間有160mm，保證制件正常傳輸，并且提高了傳輸效率。

圖10 氣動定位板

3.2.3 廢料監(jiān)控系統(tǒng)

目前大多數(shù)汽車主機(jī)廠采用高速沖壓自動線進(jìn)行生產(chǎn)，整條生產(chǎn)線沖程數(shù)為10～17次/min，如果模具出現(xiàn)廢料堵塞現(xiàn)象，1min就會有10～17片廢料卡在模具型腔中，如未及時發(fā)現(xiàn)，會造成模具損壞[3]，進(jìn)而影響自動線的生產(chǎn)效率。因此有效監(jiān)控廢料堵塞，避免模具破壞而造成生產(chǎn)停線，以保證模具安全生產(chǎn)。

模具沖壓成形過程中，沖裁產(chǎn)生的廢料需要通過模具廢料滑道排出。傳統(tǒng)的廢料滑道只是一個排料的通道，沒有廢料監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)有廢料監(jiān)控系統(tǒng)可以用于對沖裁廢料的監(jiān)控，在廢料通道出口的左右側(cè)、上下側(cè)各增加1組光電傳感器，用于監(jiān)控廢料排放，通過PLC編程實(shí)現(xiàn)廢料滑道的動態(tài)監(jiān)控，圖11、圖12所示分別是某車型側(cè)圍的廢料滑道的側(cè)視圖和主視圖。

圖12 廢料滑道主視圖

4 提高制件品質(zhì)

4.1 沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)

4.1.1 制件拉毛

為了更好地減少制件壓傷、拉毛等缺陷，模具在進(jìn)行工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)注意以下原則：模具型面可以選擇關(guān)鍵部位做強(qiáng)壓，非重要部位可以做弱壓或型面空開；強(qiáng)壓區(qū)域包括成形型面、控制材料流動的壓料面、制件搭接面等；弱壓區(qū)域包括成形過渡型面、非受力面、托料面、支撐面等；模具的強(qiáng)壓型面都需要進(jìn)行精加工，其粗糙度值最好保證在Ra0.4μm以下。實(shí)踐證明，模具型面的粗糙度越大，摩擦力越大，模具磨損加大造成更大拉毛；間隙過小會造成制件壓痕、拉毛，間隙過大會造成制件波紋、起皺。因此，較小的粗糙度值，合理的間隙，可以有效減少拉伸件的缺陷；除了型面的加工精度與模具的間隙，模具材質(zhì)的選擇也很重要，料厚大于1.0mm的覆蓋件，深度大易拉毛的部位，應(yīng)設(shè)計(jì)成鑲塊結(jié)構(gòu)，材料為SKD11或Cr12MoV等合金鋼，可大大提高模具耐磨性能。

4.1.2 制件壓印

制件在后工序模具沖裁中會產(chǎn)生鐵屑，鐵屑帶到模具型面上造成制件壓印，這直接影響制件的外觀質(zhì)量，并且這種外觀缺陷很難修復(fù)，會增加生產(chǎn)成本。

針對鐵屑造成的制件壓印問題，各大汽車公司都自己的解決方案，但多數(shù)方案增加了模具的制造難度和制造成本，也增加了模具維護(hù)成本。目前簡單有效的方法有以下幾種：①通過減小壓料板與制件的接觸面積，從而減少鐵屑與壓料板接觸的概率[4]，模具制造時將壓料板非壓邊區(qū)做空開處理，空開深度為2.5mm以上，壓邊面保證30mm的壓邊寬度；②采用吸收裝置吸取鐵屑，吸料裝置主要由進(jìn)氣管、文丘里管、固定調(diào)節(jié)支架3個部分組成，工作原理是利用壓力機(jī)PLC程序控制氣源的適時開啟與關(guān)閉，通過吸氣口與出氣口截面差形成的真空氣流，對沖模交刀周圍的鐵屑進(jìn)行吸取清理，在模具修邊前接通，模具修邊后斷開，效果較好；③優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少切屑生產(chǎn)，模具修邊刀口垂直度高，刀口側(cè)壁粗糙度小，否則修邊刃口側(cè)壁與工序件摩擦、擠壓越大，產(chǎn)生的切屑越多，上下刀口不能太鋒利，刀口越鋒利，上下刀口的平行度越差切屑越容易產(chǎn)生；④模具設(shè)計(jì)時可以采用滑切式模具結(jié)構(gòu)，不過模具尺寸變大，相應(yīng)的制造成本增加?，F(xiàn)場緊急處理時，可在修邊沖孔模的廢料刀刃口處涂上黃油，產(chǎn)生的鐵屑被黃油粘住后很難進(jìn)入模具型腔內(nèi)。

4.2 先進(jìn)的表面強(qiáng)化技術(shù)

沖壓生產(chǎn)中面對的難題是拉伸件外表面和凹模表面拉傷，嚴(yán)重影響制件表面質(zhì)量和凹模壽命，為了有效提高制件質(zhì)量，需對模具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。大型拉伸模一般需要經(jīng)過激光淬火處理和電鍍處理，激光處理技術(shù)一般針對模具成形型面，拉伸筋、拉伸槽等主要成形受力部位；經(jīng)激光淬火處理后，其表面硬度可以達(dá)到55～58HRC，相比原來火焰淬火，具有淬火硬度均勻，型面變形量小等特點(diǎn)，可顯著提高拉伸模的表面本體質(zhì)量，待制件調(diào)試合格穩(wěn)定后，模具再進(jìn)行電鍍處理，電鍍一般選擇鍍鉻層，它具有摩擦系數(shù)低，耐磨耐熱等特點(diǎn)。大量實(shí)踐證明，模具表面電鍍后可以生產(chǎn)合格件5萬以上，持續(xù)做好模具保養(yǎng)，生產(chǎn)合格件甚至高達(dá)14萬件。

針對生產(chǎn)板料在1.0mm以上的模具，應(yīng)對成形鑲塊，翻邊鑲塊進(jìn)行PVD處理，PVD具有較高硬度、低摩擦系數(shù)和抗高溫氧化能力的膜層，可明顯提高制件的表面質(zhì)量，模具PVD處理后可連續(xù)生產(chǎn)合格件5~12萬。

5 降低成本

5.1 沖壓工藝與模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)制件生產(chǎn)批量來確認(rèn)選擇不同等級的模具材料與模具結(jié)構(gòu)，如果汽車的年產(chǎn)量為小批量生產(chǎn)，可以適當(dāng)降低模具的材料級別，模具主輔筋適當(dāng)減薄，這樣既可以滿足制件的正常生產(chǎn)和減少模具制造成本；也可以通過改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)減少模具的工序數(shù)，提高模具的復(fù)合程度，減小板料的毛壞尺寸，從而減少模具數(shù)量或減小模具的輪廓尺寸，最終達(dá)到減少模具成本目的。目前單動壓力機(jī)的液壓墊具有數(shù)字化的調(diào)節(jié)功能，4個角壓力是可調(diào)節(jié)的，我司的液壓墊調(diào)節(jié)范圍為800kN~6,000kN，液壓墊的頂起高度為0~350mm，可以滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型拉伸模的生產(chǎn)，不必將模具設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大的雙動結(jié)構(gòu)，因此將拉伸模設(shè)計(jì)成單動結(jié)構(gòu)。采用托桿壓料代替氮?dú)飧讐毫希粌H從重量上減輕模具制造成本，而且每副拉伸模可以減少氮?dú)鈴椈赏度氤杀?~20萬元，例如我司的40C-8484模具設(shè)計(jì)成托桿頂料，可節(jié)約20個氮?dú)飧祝灿?jì)16萬元。

5.2 材料成本

商用卡車的制件普遍較大，在設(shè)計(jì)制件時，往往會有大片材料的浪費(fèi)，如：門外板的車窗、后圍外板的中間窗框和中頂蓋板的天窗區(qū)域等。為了利用這部分材料，可采用模中模技術(shù)，在這些區(qū)域加上小型制件與大制件一起沖壓制造，如圖13所示，可有效地提高材料利用率，降低材料成本[5]。

圖13 一模兩件

5.3 模具維修成本

汽車沖壓模具材質(zhì)大體上分為標(biāo)準(zhǔn)件、鍛件、鑄件3大類[6]，模具在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件或通用件，這樣可以有效保證模具備件的互換性，減小模具備件的庫存品種，其中標(biāo)準(zhǔn)件需保證其在模具中的通用性和互換性。在設(shè)計(jì)前期模具的易損部位使用鑲塊結(jié)構(gòu)，降低模具維修費(fèi)用，同時制定合理的模具保全周期，可有效防止模具磨損或損壞產(chǎn)生的維修成本。

6 自動化模具的維護(hù)與保養(yǎng)

自動化模具的維護(hù)與保養(yǎng)是沖壓自動線正常生產(chǎn)的必要條件，其保證沖壓制件質(zhì)量合格，減少甚至消除模具故障的發(fā)生、延長模具的使用壽命。

模具維護(hù)保養(yǎng)包括模具自主維護(hù)保養(yǎng)和模具計(jì)劃維護(hù)保養(yǎng)。模具自主維護(hù)保養(yǎng)以制造部門為中心的日常維護(hù)保養(yǎng)；模具計(jì)劃維護(hù)保養(yǎng)由維護(hù)保養(yǎng)部門為中心的定期點(diǎn)檢、故障修復(fù)，從專業(yè)角度解析不良和故障、改善弱點(diǎn)，防止再發(fā)和延長壽命，建立完善點(diǎn)檢、保養(yǎng)基準(zhǔn)，推進(jìn)維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用等管理業(yè)務(wù)，確立有效率的維護(hù)保養(yǎng)機(jī)制。

7 結(jié)束語

本文通過分析模具在沖壓自動線中生產(chǎn)應(yīng)用，闡述了自動化模具在進(jìn)行沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時所要重點(diǎn)關(guān)注的可行性問題。指出了模具在實(shí)現(xiàn)沖壓自動化生產(chǎn)中的重難點(diǎn)問題，總結(jié)了自動化模具的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要領(lǐng)，減少設(shè)計(jì)錯誤，大大提高設(shè)計(jì)效率，從而縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證了模具自動化的可行性，提高了沖壓自動線的生產(chǎn)節(jié)拍。