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        汽車模具中帶角度孔沖孔尺寸精確設(shè)計

        2022-03-25 11:41:02用,金華,陳
        模具制造 2022年2期
        關(guān)鍵詞:方向

        李 用,金 華,陳 靜

        (四川成飛集成科技股份有限公司,四川成都 610091)

        1 汽車車身制件開發(fā)流程

        汽車外覆蓋件尺寸大,形狀復雜,與之匹配零件多。汽車企業(yè)車身開發(fā)部門前期一般會把造好型的整體車身分撤成一個一個零件,這些零件相互焊接,螺釘連接等方式組合成一個車身整體,汽車車身開發(fā)部門然后把這些零件3D數(shù)據(jù)分發(fā)給各個模具承制企業(yè),模具企業(yè)的開發(fā)技術(shù)員就開始進行制件成形可能性分析論證,提出各自ECR修改意見,根據(jù)反饋給汽車車身開發(fā)部門匯總意見,綜合評估后分別答復ECR具體修改情況說明,然后模具公司根據(jù)反饋的結(jié)構(gòu)再次成形分析,這樣相互交流幾次后制件基本定型,開始正式車身制件數(shù)據(jù)設(shè)計凍結(jié),發(fā)布模具開發(fā)正式啟動數(shù)據(jù),各模具公司接受數(shù)據(jù)后開始正式模具開發(fā)流程。

        2 制件數(shù)據(jù)中沖孔要素再現(xiàn)與沖壓排布規(guī)范

        車身制件數(shù)據(jù)一般通過CATIA軟件發(fā)送,打開制件數(shù)據(jù)就可以看到如圖1所示的信息,通過發(fā)布可以看到制件的各個面,各個孔的功能信息,根據(jù)孔的功能確認孔的沖壓方向,通常能夠垂直沖的孔不要側(cè)沖,而且主次定位基準孔在前面沖壓,為后序模具中制件精定位提供依據(jù)。

        打開制件數(shù)據(jù)中標注集,如圖2所示,可以看到各孔的基準、形位公差、尺寸、注釋等信息,通過這些信息了解制件在裝配過程中孔的功能,尺寸大小控制范圍,孔相對位置關(guān)系的要求等信息。設(shè)計沖壓工藝方案時就盡量滿足制件中孔的尺寸要求,在垂直沖孔能夠滿足孔的尺寸要求情況下,優(yōu)先設(shè)計垂直沖孔,在垂直沖孔不能滿足孔的尺寸要求的情況下,選擇斜楔沖孔。

        3 沖孔大小超差的判定及處理方法

        在設(shè)計沖壓方案的過程中,如果受到模具數(shù)量與模具結(jié)構(gòu)限制,在本沖壓方向下,沖孔的尺寸不能滿足孔的公差要求,即超出孔的最大與最小公差尺寸要求,這樣沖出的孔就是超差。比如圖2中所示,對于名義尺寸是?7mm,公差0~0.1mm的孔,沖壓完成后測量孔的實際尺寸是?7mm以下,或?7.1mm以上,這個孔沖壓出來就是超差。如果按照同一個沖壓方向來沖孔,對于超差孔處理辦法通常是變更沖壓方向或更改沖孔尺寸,如果要變更沖壓方向,垂直沖孔可能變?yōu)樾毙_孔,或斜楔沖孔角度發(fā)生變化,若發(fā)現(xiàn)較晚將導致模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造返工較大。那么問題就是沖壓技術(shù)人員如何快速地準確判斷沖孔是否超差,超差多少,如何快速計算出孔超差量并制定出補償尺寸,提供給后序模具設(shè)計人員與加工者數(shù)據(jù),從而避免沖孔超差不滿足裝車要求。

        4 沖孔實際尺寸確認方法

        圖1所示制件,考慮型面成形的質(zhì)量與確?;鶞士踪|(zhì)量前提下,沖壓方向按照基準孔方向沖壓確定后,獲得如圖3所示的制件局部圖,如果安排沖壓圖3中名義尺寸?10mm,公差0~0.2mm的孔,從圖3中可以看出孔的法線與沖壓方向有16°左右偏差,根據(jù)經(jīng)驗判斷可能會超差,那么沖壓此孔實際尺寸是多少,實際沖出的孔形狀如何。下面就帶料厚的數(shù)據(jù)與不帶料厚的數(shù)據(jù)情況分別介紹。

        圖1 制件數(shù)據(jù)中包含的內(nèi)容

        圖2 制件數(shù)據(jù)中孔的有關(guān)特征參數(shù)

        圖3 孔的法向矢量確定

        情況一:給出制件料厚的數(shù)據(jù)(圖3中數(shù)據(jù)料厚為0.6mm),如圖4所示,首先找出孔的圓心點或中心點,做出沖壓孔的法線方向線,抽出孔的上下兩個邊界線,然后把這些線沿作沖壓方向投影到一個平面上,然后把孔的法向線延長與孔邊界線最內(nèi)側(cè)邊界線相交,就是沖壓后孔的實際最短邊尺寸,然后把最短邊線沿作孔中心點旋轉(zhuǎn)90°后與孔的上下邊界線相交得到的線,就是沖壓后孔的實際最長尺寸。

        圖4 有料厚制件孔的實際尺寸確定法

        情況二:給出制件是單張面片,告知材料厚度的數(shù)據(jù)(圖中數(shù)據(jù)料厚為0.6mm),如圖5所示,首先找出孔的圓心點或中心點,做出沖壓孔的法線方向線,抽出孔的邊界線,然后把這兩條線沿作沖壓方向投影到一個平面上,然后把孔的法向線延長與孔邊界線相交,就是沖壓后孔的短邊線長,然后把短邊線沿作孔中心點旋轉(zhuǎn)90°后與孔的邊界線相交得到的線,就是沖壓后孔的長邊線長。

        圖5 無料厚制件孔的實際尺寸確定法

        5 孔大小實際尺寸的確認及差異原因分析

        通過上面方法得到孔的尺寸,如圖6所示。從圖6中可以看出,帶料厚與不帶料厚的兩種情況,短邊尺寸有差異,帶料厚的孔尺寸為10×9.46mm,不帶料厚的孔尺寸為10×9.62mm,從數(shù)據(jù)上看,首先沖壓出來的孔不是一個圓孔了,其次孔的一個尺寸中兩個數(shù)據(jù)相差9.62-9.46=0.16mm,說明料厚對孔的尺寸還是有很大影響,評價孔的真實大小尺寸時,需要考慮料厚的因素對沖孔的影響。根據(jù)圖6中數(shù)據(jù),孔的理論尺寸為10mm,公差0~0.2mm,意思就是該孔最小尺寸為10mm,最大尺寸為10.2mm,然而按照此沖壓方向沖出的孔的尺寸明顯遠小于10mm,在制件使用中,此孔是不能滿足裝配要求,制件就會報廢,這樣沖壓出來的制件就不合格,需要在沖壓模具上補償,保證沖出合格的制件,那么首先要解決兩種方法沖出孔的差異0.16mm是如何產(chǎn)生的,如何從理論上解釋清楚。

        圖6 有無料厚制件孔的實際尺寸

        從數(shù)模上對制件料厚及角度進行認真分析,按照三角函數(shù)關(guān)系及作圖法可以得出0.16mm差距,詳細情況見如圖7所示,帶有料厚的數(shù)據(jù),可以從最小通過尺寸作為孔的實際最小尺寸,圖6中9.46mm,如果是僅有一個數(shù)模面片基準,即不帶料厚的數(shù)據(jù),可以從數(shù)據(jù)上得出9.46+0.16=9.62mm,0.16mm的偏差就是由于料厚原因引起的,即0.6×sin15.8476=0.16mm,從這兩種數(shù)據(jù)看,這種找到偏差方法是完全正確的,只是根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)判斷是否需要補償料厚引起的偏差量。而且從圖7中可以看出,如果僅僅給出一個面片數(shù)據(jù),無論數(shù)據(jù)基準是上面還是下面,沖孔的實際尺寸均是一樣的,不會因為料厚的方向而影響最終結(jié)果。

        圖7 不同數(shù)模面制件孔的實際尺寸確定法

        6 孔短邊實際尺寸推導出一般公式

        從上面分以可以看出,數(shù)據(jù)基準對于圓孔的實際尺寸沒有影響,因此,推導出一般公式時就不考慮料厚的方向了。把沖圓孔的截面簡化成如圖8所示,根據(jù)直角三角函數(shù)關(guān)系,可以得出d=d1-A=Dcosα-Tsinα,從公式可以看出,實際沖圓孔尺寸d與理論圓孔大小D,制件料厚T,沖壓方向與沖孔面的夾角α有關(guān)。只要設(shè)計數(shù)據(jù)到來后,首先檢查沖孔尺寸是否滿足制件公差要求,只有在滿足要求的前提下設(shè)計模具,否則需要變更沖孔凸尺寸來滿足用戶制件的需要。

        圖8 孔的最小尺寸

        7 孔超差如何補償

        對于沖孔,不考慮公差帶情況下,經(jīng)過上面公式計算實際沖壓后的理論尺寸,再根據(jù)孔的公差帶確認,是否可以調(diào)整凸模大小來滿足沖孔尺寸要求。比如,制件料厚0.6mm,沖孔的沖壓角度15,8294°,直徑?10mm,公差+0.5-0.5mm的孔,如圖9所示,如果凸模尺寸為?10mm,沖出來的孔已經(jīng)超差,就必須調(diào)節(jié)沖孔凸模尺寸,保證沖孔在公差范圍內(nèi),由上面公式變形可以 得 出D=(d+Tsinα)/cosα=(10+0.6sin15.8294)/cos15.8294=?10.57mm,說明此孔最大尺寸已經(jīng)超出?10.5mm,這就充分說明無論如何變更凸模尺寸,沖孔凸模設(shè)計圓孔均無法滿足制件要求,這時只有把沖孔凸模尺寸設(shè)計成橢圓結(jié)構(gòu)來保證制件尺寸。橢圓孔尺寸就在兩個公差范圍內(nèi)調(diào)節(jié),正如圖9中凸模橢圓孔尺寸為10.3×9.7mm,可以反算在制件上的孔也是橢圓孔10.3×10.25mm,然而在沖孔角度小的情況下,通過沖孔凸模尺寸補償,是可以按照圓孔進行修正,從而沖出合格的制件孔。

        圖9 孔尺寸的補償

        8 關(guān)于沖孔角度建議

        根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗,對于料厚T<1.0mm,沖孔直徑D

        9 結(jié)束語

        通過對帶角度沖孔的分析,為設(shè)計找到解決沖孔方向及沖孔大小的辦法,以及沖孔超差如何補償?shù)拇胧?,為保證沖壓出來的制件滿足用戶需求,提供技術(shù)保障。

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