李　益 董志遠 王　永

U型零件成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用

李益1董志遠1王永2

（1.柳州市金元機械制造有限公司，廣西 柳州 545007；2.四川建安工業(yè)有限責任公司，四川 雅安 625100）

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，沖壓模具技術(shù)也快速發(fā)展，傳統(tǒng)的模具制造工藝已經(jīng)難以滿足新時代發(fā)展需求，客戶的產(chǎn)品日益創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)多種多樣，對不同的結(jié)構(gòu)零部件有著不同的模具設(shè)計要求，沒有結(jié)構(gòu)創(chuàng)新就沒有模具設(shè)計的進步，針對特殊零部件結(jié)構(gòu)，在模具設(shè)計時，創(chuàng)新地加入了旋轉(zhuǎn)軸的構(gòu)思理念，并運用到實際制造中。文章利用AutoForm軟件對設(shè)計模具進行結(jié)構(gòu)成型分析，避免了工藝路線錯誤，成型失敗造成的不良后果，模具旋轉(zhuǎn)軸的實踐運用不僅增加了模具壽命，節(jié)省了后期易損件的加工成本，還能保證零件成型穩(wěn)定性和外觀及尺寸要求。

U型；模具；AutoForm-CAE分析

引言

當前，隨著汽車及工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，模具設(shè)計制造日益受到人們的廣泛關(guān)注，將高新技術(shù)應(yīng)用于模具設(shè)計與制造已成為快速制造優(yōu)質(zhì)模具的有力保證。而現(xiàn)代制造技術(shù)生產(chǎn)過程中，先進的加工工藝、高效的生產(chǎn)設(shè)備、優(yōu)質(zhì)的模具是必不可少的三項重要因素。高效的全自動設(shè)備也只有裝上能自動化生產(chǎn)的高效的多工位及多功能級進模模具才有可能發(fā)揮其作用，產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新都是以模具的制造和更新為前提的。由于制件品種和產(chǎn)量需求很大，對模具也提出了越來越高的要求。因此促進模具的不斷向前發(fā)展，近年來，模具增長十分迅速，高效率、自動化、大型、微型、精密、高壽命的模具在整個模具產(chǎn)量中所占的比重越來越大。模具在生產(chǎn)中的作用越來越重要，其地位也在不斷上升。尤其是最近幾年，沖壓模具工業(yè)的發(fā)展很快，在國民經(jīng)濟中的影響地位日趨明顯，而傳統(tǒng)的模具制造工藝已經(jīng)難以滿足新時代發(fā)展需求，特別是CAD/CAM技術(shù)在模具工業(yè)中的應(yīng)用，使模具工業(yè)進入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要領(lǐng)域。新技術(shù)向模具工業(yè)的滲透，改變了傳統(tǒng)的模具設(shè)計與制造理念。此這篇文章將帶有旋轉(zhuǎn)軸功能的模具分析深U型零件成形工藝。文章結(jié)合某汽車底盤某零件的模具制造、工藝分析、模具設(shè)計和制造角度來看，模具分為以下方面。

1　零部件工藝分析

首先分析零件結(jié)構(gòu)外觀，零件有較多的加強筋，型面不容易實現(xiàn)，零件兩側(cè)面均有安裝孔，用于裝配焊接。為了保證兩零件在焊接時能夠吻合以及焊接穩(wěn)定性的提高，主機廠產(chǎn)品工程師均在兩個零件的底面開了工藝孔，用于焊接裝配定位。此安裝孔會影響到零件裝配精度，孔的位置度可影響其裝配質(zhì)量，孔位的尺寸鏈偏離會造成零件成型尺寸偏差，因此零件安裝定位孔不能有較大的變形和錯位。所以底面的安裝定位孔需在零件成形后沖載，這樣能方便后續(xù)焊接時調(diào)節(jié)。

經(jīng)過以上分析，可擬定出兩種工藝方案：A方案為落料→成形→測沖孔→沖孔→檢驗；B方案為落料沖孔→成形→沖孔→檢驗。A方案的落料我們采取人工落料方式，由于兩個零件不一樣所以設(shè)計兩套落料模具，成型工序兩個零件可以設(shè)計在一套模具上成型。側(cè)沖孔工序因為斜楔機構(gòu)的存在，在結(jié)合公司設(shè)備實際情況需設(shè)計成兩套，沖孔可以設(shè)計一套。

A方案需開發(fā)模具總數(shù)量六套，經(jīng)計算材料利用率80.3%；B方案的落料沖孔采取機器自動落料方式，且設(shè)計成（一落二）形式。因為把零件的測面孔放在落料工序一并沖載而出。因此可以看出B方案比A方案減少了三套模具，即B方案需開發(fā)模具總共3套，經(jīng)分析計算B方案材料利用率84%，相比A方案材料利用率提高了3.7%。A方案對于零件質(zhì)量來說，該方案優(yōu)于B方案，但是該方案多出一道測沖孔工序，而且落料方式采取比較傳統(tǒng)的人工操作模式。對于高量產(chǎn)零件來說，勞動強度相對大，工作效率相對低。模具投入成本增加，且工序過多，后續(xù)零件制造的成本也相應(yīng)增加。B方案相對于A方案工序少一道序，模具開發(fā)成本也相對減少，而且落料沖孔采取自動落料方式，零件制造成本顯著降低了不少。A方案唯一缺點是需在成型前需確定零件側(cè)面孔在落料工序時的位置，但考慮到側(cè)面孔是用于焊接，只要相對位置不超出公差范圍即可，加上設(shè)計前利用AutoForm逆向反算修邊線功能的分析輔助，可以精準計算出該孔的位置。基于以上工藝方案的優(yōu)缺點相比，綜合考慮確定工藝路線可采用B方案（如圖1所示）。

圖1　工藝流程布置示意圖

由于該深U型零件的加強筋較多，成型工序就成了工序中最重要的一環(huán)，需用Autoform軟件對成型過程進行模擬分析在鈑金成型運動中是否有拉裂、起皺等缺陷情況。在分析之前需將模具成型的大致結(jié)構(gòu)確定，如圖2所示（模具凹模結(jié)構(gòu)圖）。根據(jù)零件的特性，由于加強筋的存在會對模具造成大量的摩擦和零部件拉裂可能，為了避免或減少成型過程中的摩擦和模具的壽命問題，在設(shè)計中特意在模具凹模模腔內(nèi)加入了可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動軸機構(gòu)，轉(zhuǎn)動軸還需經(jīng)過選用優(yōu)良的模具鋼，經(jīng)過真空熱處理后，再對轉(zhuǎn)動軸進行拋光，在進行TD表面處理來增加轉(zhuǎn)動軸的表面硬度和光滑度。對成型過程中板材與模腔摩擦力會大大的減少，順暢度有著很大的提升。

圖2　模具凹模結(jié)構(gòu)圖

用AutoForm軟件分析成形結(jié)果后，我們可以利用FLD分布圖直觀顯示出可能發(fā)生各個成型情況分布的區(qū)域，如安全區(qū)域、開裂區(qū)域、起皺區(qū)域。如圖3為此次仿真的FLD分布圖。從該圖可以看出，板材在帶有U型旋轉(zhuǎn)軸的凹模模具內(nèi)腔內(nèi)成型，成型零件不會產(chǎn)生拉裂情況，僅有一些微小起皺，由于零部件設(shè)計使用板料比較厚，用肉眼無法看出存在微小起皺，因此不影響零件質(zhì)量和零件美觀度。同時零件的側(cè)面安裝孔在仿真中也沒有出現(xiàn)嚴重變形。

圖3　成型分析圖

經(jīng)過AutoForm軟件的分析，有效地避免了后續(xù)工序的制定和工藝流程錯誤，大大地節(jié)省了模具開發(fā)周期和不必要的試制模具、調(diào)試工作。使用AutoForm軟件分析后，最大的好處是，它能提供從產(chǎn)品的概念設(shè)計直至最后的模具設(shè)計的一個完整的解決方案。

2　模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于該深U型零部件在某主機廠需求量較大，且一臺汽車需使用4件，左右各使用2件。一年將近有36萬臺用量，如此大的需求量，生產(chǎn)制造次數(shù)對模具的負荷程度要求很高。因此需對模具結(jié)構(gòu)有創(chuàng)新的思維設(shè)計理念。如果按傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)（如圖4所示）來設(shè)計，凹模⑤的圓角處磨損較快，由于凹模表面與材料表面存在相對磨擦，而材料相對于與凹模來說是比較軟的，因此模具長時間使用后必然會使工件表面留下劃痕，且隨著模具的長使用時間工件的劃痕會越來越嚴重。劃痕產(chǎn)生的鐵粉附著在凹模表面上，甚至掉落在浮料芯與凹模之間的間隙中。輕微時零件會有劃痕，嚴重時會造成模具的損壞。由于料片材料鐵粉附著在凹模，會造成凹模磨損速度加快，模具工作性能也相對下降，如果不及時維修或更換模具磨損件，就會產(chǎn)生成形零部件的質(zhì)量問題。而且零件質(zhì)量也會隨著模具的使用的頻次逐漸下降，影響裝配質(zhì)量。因此模具維修頻率相當高，即使模具正常維修，零件質(zhì)量也大不如初。因為維修時大部分方法是拋光凹模來解決問題，因此隨著維修次數(shù)的增多，凸凹模之間的間隙也會加大，導(dǎo)致成形品質(zhì)下降。為保質(zhì)保量，需優(yōu)化改進當前傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)。設(shè)計出合理的模具，以提高成形的質(zhì)量。

1.凸模墊板 2.彈簧 3. 凸模 4.定位板 5.凹模 6.零件 7.頂料針 8.浮料芯 9.到底墊塊

經(jīng)分析對比，兩個深U型零件的型面不完全一樣，非對稱件，但兩個零件也存在裝配關(guān)系，即兩個零件裝配起來形成一定形狀的（盒子）后再用二氧化碳氣體保護焊焊接。綜合考慮可設(shè)計成一模兩腔的結(jié)構(gòu)。這樣即可以減少模具成本，又減少了因加工造成的誤差，模具整體框架結(jié)構(gòu)的強度也提升不少。兩零件側(cè)面都有凹凸型面，因此在設(shè)計轉(zhuǎn)動軸時每一節(jié)段的直徑都是不一樣的，但是考慮到轉(zhuǎn)動軸能夠旋轉(zhuǎn)必須設(shè)計成所有節(jié)段都同軸。所以轉(zhuǎn)動軸壓料板與凹模鑲塊裝配后兩者之間必須形成一個與轉(zhuǎn)動軸同心的一個圓來保證轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動自如。因此凹模鑲塊需在放置轉(zhuǎn)動軸軸芯二分之一處銑切一個直角面（即兩個基準面）用以裝配轉(zhuǎn)動軸壓料板。而轉(zhuǎn)動軸壓料板銑切一半圓的凹槽用以壓住轉(zhuǎn)動軸，防止轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動時發(fā)生位移甚至掉出來。轉(zhuǎn)動軸壓料板與凹模鑲塊裝配后形成的圓形，直徑應(yīng)大于轉(zhuǎn)動軸。其間隙應(yīng)取0.3 mm±0.05的間隙配合，這樣才能更好保證轉(zhuǎn)動軸能夠旋轉(zhuǎn)。兩個零件合用一個模腔，所以把凹模分成4塊鑲塊，轉(zhuǎn)動軸也拆分成4根。這樣設(shè)計也可以避免因熱處理變形等問題出現(xiàn)，后期更換也方便快捷，還可以減少成本。

考慮到U形零件成形時其張開力大而導(dǎo)致凹模鑲塊裂開的風險，因此需增加設(shè)計一塊凹模箍板。該模具的浮料芯上有型面，浮料芯需要設(shè)計有導(dǎo)向，以保證零件因浮料芯晃動不定而影響其質(zhì)量。用于做浮料芯的導(dǎo)向面可設(shè)計在凹模箍板的兩端處線切割出10 mm寬、60 mm長的導(dǎo)向槽。經(jīng)過分析此次模具的浮料芯用4個極強載荷型氮氣彈簧（RGP500-63-P150）作為動力源，1個氮氣彈簧最大載荷為0.776噸，總最大載荷為4×0.776即約為3.1噸。相對于小型鋼板模具來說該載荷比較大，所以浮料芯有彈出模具凹模鑲塊的風險，所以在凹模箍板兩端的導(dǎo)向槽上表面安裝兩塊浮料芯安全擋板，以防止浮料芯彈出而發(fā)生安全事故。同時為了能讓浮料芯在彈起的過程中更好的接觸浮料芯安全擋板，在浮料芯兩端處設(shè)計出13 mm寬、60 mm長、深度10 mm的階梯。這樣就有效避免浮料芯彈起的時候與浮料芯安全擋板為點接觸。該模具直接工作面主要有傳動軸表面、凸模表面、凹模鑲塊側(cè)表面及浮料芯上表面。其中轉(zhuǎn)動軸的直徑比較小又細長，在模具工作中斷裂風險性極高。而模具的性能必須滿足以下方面：高的強度（包括高溫強度、抗冷熱疲勞性能），高的硬度（耐磨性能）和高的韌性，并且還要求有良好的機械加工性，等等。其次轉(zhuǎn)動軸、轉(zhuǎn)動軸壓料板、凹模鑲塊，浮料芯加工精度要求略高，所以這幾個主要部件需進行真空熱處理。轉(zhuǎn)動軸除了真空熱處理外增加TD處理。模具簡圖如圖5所示。

1.凸模墊板 2.彈簧 3.定位板4.轉(zhuǎn)動軸壓料板 5.傳動軸 6.工序件 7.凸模 8.凹模鑲塊 9.頂料針 10.浮料芯 11.凹模鑲塊箍板12.到底墊塊

3　模具工作過程

模具主要由凸模、凹模鑲塊、TD轉(zhuǎn)動軸、轉(zhuǎn)動軸壓板、頂料針、浮料芯，到底墊塊等組成。當模具沖載閉合前，浮料芯⑩上浮到與凹模鑲塊⑧平齊（動力源為氮氣彈簧），落料工序件⑥（此時是平料，無任何成形）放入定位塊③后，模具沖載時先由凸模⑦往下運動壓住板料（動力源為沖載設(shè)備），當落料工序件⑥與轉(zhuǎn)動軸⑤接觸后，轉(zhuǎn)動軸⑤由于跟轉(zhuǎn)動軸壓料板④之間存在間隙的原因開始轉(zhuǎn)動。此時由于浮料芯⑩在氮氣彈簧的作用下與凹模面齊平，落料工序件⑥不會發(fā)生錯位、移位等，進而落料工序件⑥先成形浮料芯⑩上表面的型面。凸模⑦繼續(xù)往下運動，落料工序件⑥由于凸模⑦與凹模鑲塊⑧之間的擠壓，落料工序件⑥的側(cè)面開始成形出型面。凸模⑦繼續(xù)往下運動一直到浮料芯⑩的底部表面與到底墊塊?的上表面完全接觸。此時，落料工序件⑥的所有型面已完全壓制成型，然后沖載設(shè)備回位，落料工序件⑥（此時已完全成形）由于回彈等因素粘附在凸模⑦上，當沖裁設(shè)備回位到一定的行程時，頂料針⑨在彈簧②的作用力下推出該道序的工序件⑥。此時一個工作循環(huán)完全結(jié)束。依次順序進行生產(chǎn)。

4　結(jié)束語

本文重點介紹了深U型汽車底盤件的工藝步驟在成型工藝中的模具結(jié)構(gòu)，此模具結(jié)構(gòu)設(shè)計具有獨特創(chuàng)新，結(jié)合使用AutoForm軟件分析，設(shè)計出最優(yōu)的工藝、模具設(shè)計方案。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計了轉(zhuǎn)動軸，使深U型鈑金件與轉(zhuǎn)動軸的絕對滑動，大大減少深U型鈑金件與模具之間的摩擦力，使模具沖載成型時工作穩(wěn)定，同時也提高的模具使用壽命，維修頻率也大幅降低，有效解決鈑金U型成形表面劃傷的質(zhì)量問題。模具經(jīng)過大批量生產(chǎn)驗證，零件外觀良好，未有明顯的刮傷現(xiàn)象，同時反映出模具有良好的穩(wěn)定性。經(jīng)過實踐證明，該方案模具設(shè)計對零件質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸精度符合圖紙要求。

[1] 周均，王勇. 基于Autoform軟件的沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 兵器材料科學(xué)與工程，2017，40(1): 73-76.

[2] 徐鑫，劉仁東，林利，等. 基于Autoform軟件的汽車行李箱板沖壓成形模擬[J]. 鞍鋼技術(shù)，2013(2): 29-33.

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Structure Design and Application of Forming Die for U-shaped Parts

With the development of the automobile industry, the stamping die technology has also developed rapidly. The traditional die manufacturing process has been difficult to meet the development needs of the new era. Customers' products are increasingly innovative and have a variety of structures. They have different die design requirements for different structural parts. Without structural innovation, there will be no progress in die design. For the structure of special parts, the concept of rotating shaft is innovatively added to the die design, And applied to practical manufacturing. In this paper, AutoForm software is used to analyze the structural forming of the designed mold, which avoids the adverse consequences caused by the wrong process route and forming failure. The practical application of the mold rotating shaft not only increases the service life of the mold and saves the processing cost of vulnerable parts in the later stage, but also ensures the forming stability, appearance and size requirements of parts.

U-shaped; mould; AutoForm-CAE analysis

U463

A

1008-1151(2022)06-0072-03

2022-03-14

李益，男，廣西柳州人，柳州市金元機械制造有限公司技術(shù)中心技術(shù)員，研究方向為汽車零部件模具設(shè)計、工藝開發(fā)、項目管理。

董志遠，男，廣西柳州人，柳州市金元機械制造有限公司技術(shù)中心主任助理，研究方向為汽車零部件設(shè)計開發(fā)與制造、項目管理、組織創(chuàng)新。