楊玉貴，胡德智，劉彪杰

汽車覆蓋件拉延模排氣截面積研究

楊玉貴1，胡德智1，劉彪杰2

（1.四川成飛集成科技股份有限公司，四川 成都 610091；2.成都師范學院，四川 成都 610091）

針對拉延模排氣能力不佳、研配著色不好、通氣孔更改次數(shù)過多的問題進行研究，重點對以往大量拉延模通氣孔的數(shù)量進行了統(tǒng)計分析。根據(jù)理論計算與實踐經(jīng)驗的結(jié)合，從排氣截面積與排氣體積兩方面著手改進依靠經(jīng)驗設計通氣孔的方法，提出了一種拉延模通氣孔設計的理論公式，改善了傳統(tǒng)的通氣孔設計方法造成模具反復加工、制造成本高以及生產(chǎn)周期長的缺陷，為今后其他模具通氣孔的設計提供了技術(shù)參考。

排氣能力；通氣孔；截面積；理論公式

引言

在模具調(diào)試過程中，經(jīng)常反映研配著色不好、成型到底壓力大、零件被吸附而帶起[1]等問題，通常的處理辦法是反復增加通氣孔數(shù)量以提高通氣能力，當通氣孔數(shù)量無法增加時，則通過擴大通氣孔的直徑來改善通氣能力。模具排氣能力不佳問題長期困擾著模具設計員，在多次增加通氣孔數(shù)量的情況下，可能也無法滿足調(diào)試要求的通氣效果。并且，在現(xiàn)行的模具設計標準中，沒有詳細的通氣孔設計標準來指導設計通氣孔的數(shù)量，在一定程度上會直接導致設計人員的反復修改，調(diào)試人員的反復加工等情況發(fā)生，造成了模具制造成本的上升以及生產(chǎn)周期的延長[2]。因此，探究一種新的公式來指導模具通氣孔的設計具有重要的意義。

1 模具通氣孔現(xiàn)狀分析

通過對以往項目模具的通氣孔數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到了相應的凸凹模更改套數(shù)的百分比如圖1所示。

由圖1可以看出，研究的模具中通氣孔都有過更改，更改套數(shù)比例最少的模具為門內(nèi)板，占總模具數(shù)量的四分之一；更改套數(shù)比例最多的為翼子板，更改率為百分之百。門外板、側(cè)圍、發(fā)蓋、頂蓋等零件更改通氣孔的模具套數(shù)總量相對較多，更改數(shù)量的增加，將使后期補加工成本、運輸成本、工時成本等大幅上升。

圖1 通氣孔更改套數(shù)及凸凹模更改套數(shù)百分比

鑒于篇幅有限，每套模具的通氣孔數(shù)量與直徑為6 mm及直徑為4 mm的通氣孔數(shù)量此處不再列出，對凹模的通氣孔數(shù)量進行統(tǒng)計，整理得到分布圖如圖2所示。

圖2 凹模通氣孔數(shù)量

對不同項目的凹模通氣孔截面積進行統(tǒng)計，整理得到分布圖如表1和圖3所示。

表1 凹模通氣孔截面積

項目S1/mm2S2/mm2S3/mm2S4/mm2 側(cè)圍2 5122 813.443 353.522 700.4 頂蓋2 990.673 562.044 637.784 282.96 門內(nèi)板4 465.085 636.33 384.145 934.6 發(fā)蓋1 709.991 155.521 178.451 683.04 門外板2 116.363 390.262 910.782 819.72 翼子板3 108.011 318.81 356.481 406.72

由圖3可知，發(fā)蓋、門外板以及翼子板的通氣孔數(shù)量整體上明顯少于側(cè)圍、頂蓋以及門內(nèi)板通氣孔數(shù)量，結(jié)合圖1與圖3可以看出，模具排氣截面積小，更改的套數(shù)比例相應在增加，此處可以猜測造成通氣孔更次次數(shù)增加的原因是否是排氣截面積太小，影響通氣孔數(shù)量的因素是否與零件種類有關(guān)。

圖3 凹模通氣孔截面積

對不同項目、不同零件的凹模通氣孔更改次數(shù)進行統(tǒng)計，處理得到各個項目模具通氣孔更改的具體次數(shù)如圖4所示。

圖4 不同項目與不同零件凹模通氣孔更改頻次

由圖4可知，抽樣的項目中所有模具的通氣孔均有過至少一次更改，頂蓋最多出現(xiàn)過7次更改，更改6次、5次的模具也有，更改3次、4次的相對較多。同時，通過對比圖2與圖3可以看出，不管排氣截面積多或少，更改次數(shù)皆有多有少，不同零件種類通氣孔更改次數(shù)也有多有少，即零件種類和排氣截面積與更改次數(shù)無直接聯(lián)系。

2 排氣截面積公式推理

通氣孔經(jīng)歷多次的更改，主要原因在于沒有一套量化的計算公式來指導通氣孔設計，如果可以使通氣孔數(shù)量根據(jù)模具實際情況進行參數(shù)化，相信將來更改的次數(shù)將會明顯減少，整套模具的開發(fā)成本和周期也會隨之減少。本文針對通氣孔更改次數(shù)多的情況，探究了一種新的通氣孔設計方法，用參數(shù)化的公式來指導模具通氣孔的設計：通過求得型面排氣截面積與通氣孔面積1的比值來確定通氣孔數(shù)量。

其中：為排氣截面積，即型面內(nèi)所有通氣孔的截面積之和；1為通氣孔截面積；根據(jù)氣體流速＝/()，可以得出排氣截面積：

其中：為排氣總體積，即拉延時需要排出的氣體體積；為氣體排出所需的時間；氣體流速=as，氣體流速達到一定值會產(chǎn)生噪聲，可用流體流速的馬赫數(shù)a來判別產(chǎn)生噪聲的程度，當a<0.33時，噪聲小，可以忽略。表示為：a＝/s，a是衡量空氣壓縮性的最重要的參數(shù)，定義為物體速度與音速的比值，即音速的倍數(shù)。此處馬赫數(shù)a=0.3、音速s≈340 m/s；設模具行程為，滑塊行程為，沖次為P次/min，則沖壓一次時間為60/P（秒），一次沖壓過程占一次總行程的百分比為×2/×2，沖壓一次的時間占總時間的一半，則=，整理得到排氣截面積公式：

由于通氣孔截面積1=0.25π2，整理得到通氣孔數(shù)量公式：

3 排氣截面積公式應用研究

將推理的排氣截面積公式應用于所給的上述模具中進行分析，根據(jù)模具的排氣體積、壓機滑塊行程為、沖次以及工作行程，計算各零件的凹模排氣截面積。凹模排氣體積為凸模型面最高點到壓料面之間體積，側(cè)圍某項目的排氣體積示意圖如圖5所示。

圖5 凹模排氣體積示意圖

各零件的排氣體積、對應壓機的滑塊行程、模具沖次以及拉延深度如表2、表3所示。

表2 凹模排氣體積V及滑塊行程H

項目V1/mm3H1/mmV2/mm3H2/mmV3/mm3H3/mmV4/mm3H4/mm 側(cè)圍3.292×1081 2003.566×1081 1001.988×1081 3501.940×1081 300 頂蓋1.390×1081 1001.681×1081 1001.827×1081 2501.699×1081 250 門內(nèi)板1.970×1081 1002.399×1081 1001.825×1081 1003.079×1081 100 發(fā)蓋8.849×1071 2006.748×1071 2006.686×1071 4001.044×1081 400 門外板1.168×1081 1001.029×1081 4009.797×1071 4009.094×1071 400 翼子板1.385×1081 3508.308×1071 1008.761×1071 2003.982×1071 100

表3 模具沖次P及工作行程h

項目P1h1/mmP2h2/mmP3h3/mmP4h4/mm 側(cè)圍9230122601215515220 頂蓋15130161301613016130 門內(nèi)板20210202151619016190 發(fā)蓋15105151051513515135 門外板20135168016801680 翼子板1215512165915020120

將推理的公式計算得出的各零件排氣截面積整理如表4所示。

表4 凹模排氣孔截面積S

項目S1/mm2S2/mm2S3/mm2S4/mm2 側(cè)圍5 152.116 034.836 925.025 732.95 頂蓋5 882.657 583.589 368.328 711.54 門內(nèi)板6 880.698 161.365 326.649 507.23 發(fā)蓋5 056.443 854.173 466.995 414.61 門外板6 346.89 607.999 142.758 504.28 翼子板4 823.632 215.582 102.542 433.63

將通過公式計算得出的排氣截面與模具實際的排氣截面積作比，得出的比值如表5所示。

表5 排氣截面積理論值與實際值比值

項目C1C2C3C4均值C 側(cè)圍2.0512.1452.0652.1232.096 頂蓋1.9672.1292.022.0342.04 門內(nèi)板1.5411.4481.5741.6021.56 發(fā)蓋2.9573.3352.9423.2173.11 門外板2.9992.8343.1413.0163 翼子板1.5521.681.551.731.628

由表5可以看出，通過公式計算得出的排氣截面積與模具實際的排氣截面積差別比較大，比值都在1.5倍以上，發(fā)蓋和門外板達到3倍。產(chǎn)生的原因是在上述公式中，板料拉延成型的準確時間無法測量，是通過模具行程與滑塊行程的比值乘以單次沖壓過程的時間，這與實際的拉延時間存在差異。因此，對上述公式進行優(yōu)化，求取一個修正系數(shù)，用于計算排氣截面積，考慮誤差修正后的公式為：

式中：

=1.5，當零件為門內(nèi)板、翼子板；

=2，當零件為側(cè)圍、頂蓋；

=3，當零件為發(fā)蓋、門外板。

將修正后的公式應用于所給模具，得出修正后的排氣截面積如表6所示。

表6 凹模通氣孔截面積S

項目S1/mm2S2/mm2S3/mm2S4/mm2 側(cè)圍2 576.063 017.423 462.512 866.47 頂蓋2 941.333 791.794 684.164 355.77 門內(nèi)板4 587.135 456.063 551.096 338.15 發(fā)蓋1 685.481 284.721 155.661 804.87 門外板2 115.63 202.673 047.582 834.76 翼子板3 215.751 477.051 401.691 622.42

將修正后的排氣截面積按照模具實際直徑為6 mm和直徑為4 mm的通氣孔數(shù)量占比進行分配，得出模具通氣孔數(shù)量的理論計算值如表7所示。

表7 凹模通氣孔數(shù)量

項目N1N2N3N4 側(cè)圍206217274210 頂蓋242133278251 門內(nèi)板155210268213 發(fā)蓋1019692124 門外板103113106118 翼子板161109112115

將公式計算得出的通氣孔數(shù)量與模具實際的通氣孔數(shù)量作比，得到的曲線通過傅里葉函數(shù)進行三次擬合[3]，得到的曲線如圖6。

圖6 各零件通氣孔數(shù)量理論值與真實值比值

由表1、表5和圖6可以看出，通過修正后的公式計算得出的排氣截面積與模具真實的排氣截面積比較接近，因此，將來可用所推理的公式大致計算模具所需的排氣截面積。并且，各零件更改多次后最終的通氣孔數(shù)量與理論公式計算得出的通氣孔數(shù)量在數(shù)值上相當接近，除了發(fā)蓋和門內(nèi)板有個別項目差別在10%以內(nèi)，其余各項目數(shù)量差別均在5%以內(nèi)，誤差在5%以內(nèi)的比例在91%以上。由于排氣截面積與通氣孔本身數(shù)量基數(shù)較大，因此，依據(jù)此公式計算出的通氣孔數(shù)量比較可靠。

4 結(jié)論

通過對以往大量模具通氣孔數(shù)量與排氣截面積進行了統(tǒng)計分析，結(jié)合模具排氣體積、沖壓速度以及排氣截面積，提出了一種通氣孔排氣截面積理論計算公式。通過試驗研究計算出的通氣孔數(shù)量理論數(shù)值與排氣能力滿足要求的模具的真實數(shù)值比較接近，浮動范圍在5%以內(nèi)的模具套數(shù)占比在91%以上，浮動在10%以內(nèi)的占比為100%，改善了傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗設計的通氣孔數(shù)量不足而反復修改加工模具的問題，為今后通氣孔的設計起到一定的指導作用。

[1] 王新華.汽車沖壓工藝[M].北京:北京理工大學出版社,1999.

[2] 宋擁政.農(nóng)業(yè)機械工程機械沖壓件制造技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[3] 陳杰平,陳無畏,祝輝,等.基于Matlab/Simulink的隨機路面建模與不平度仿真[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2010,41(03):11-15.

Optimized Design of Drawing Mould Ventilators of Automobile Panels

YANG Yugui1, HU Dezhi1, LIU Biaojie2

( 1.Sichuan Chengfei Integrated Technology Co., Ltd., Sichuan Chengdu 610091;2.Chengdu Normal University, Sichuan Chengdu 610091 )

Poor exhausted and coloring capability, frequent changes of ventilators are discussed in this paper. Focus on formerly drawing mould, abundant ventilators’ number is analyzed. A theoretical formula about the design of ventilators is presented based on both theoretical simulation and practical experience instead of only experience. Section area and exhaust volume are both considered in this formula to improve repeated processing, high cost and long production cycle of mould, providing technical reference for future research of other mould ventilators.

Exhausted capability; Ventilators; Section area; Theoretical formula

U466

A

1671-7988(2021)20-166-04

U466

A

1671-7988(2021)20-166-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.042

楊玉貴（1991—），四川成都人，碩士研究生，四川成飛集成科技股份有限公司工程師，主要研究方向為汽車外覆蓋件冷沖壓模具精度尺寸整改工作。