汽車剎車片的模具設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】

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覆蓋件模具設(shè)計(jì)制造方面已小有能力，并可承接整車廠的部分模具開發(fā)項(xiàng)目，但對(duì) 于有很高型面精度和表面質(zhì)量要求的外覆蓋件，特別是中高檔轎車的外覆蓋件，整 車廠很少會(huì)將這類模具交由國(guó)內(nèi)開發(fā)。 上海大眾汽車有限公司為了降低整車生產(chǎn)成本，同時(shí)也為了提高公司的核心 技術(shù)能力，從2001年開始，涉足轎車沖壓模具設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域。2001年～2002年完成 2 了POL0轎車在手動(dòng)壓機(jī)線上生產(chǎn)的10只簡(jiǎn)單零件的模具，通過了公司質(zhì)保部門驗(yàn)收 并投產(chǎn)。2002年開始向大型化、復(fù)雜化、自動(dòng)化發(fā)展，設(shè)計(jì)制造了6000kN自動(dòng)線上 生產(chǎn)的POLO轎車備胎座模具(該零件外形尺寸大、拉深深度深、形狀復(fù)雜)。2003年， 為進(jìn)一步提高模具設(shè)計(jì)制造的能力和水平， 他們涉足20000kN多工位壓力機(jī)和 10000kN自動(dòng)線生產(chǎn)使用的模具設(shè)計(jì)。過去上海大眾在20000kN多工位壓力機(jī)上使用 的模具，全部需進(jìn)口，國(guó)內(nèi)模具商還沒有能力設(shè)計(jì)制造這樣的模具。為此，他們選 擇了POLO轎車中柱內(nèi)板的模具進(jìn)行設(shè)計(jì)。10000kN多工位壓力機(jī)是世界上最先進(jìn)的壓 力機(jī)之一，集成化自動(dòng)化程度非常高，當(dāng)然這對(duì)模具設(shè)計(jì)的要求也相應(yīng)地提高。零 件的送料高度、步距、機(jī)械手的位置有嚴(yán)格的要求，還要保證機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中 與模具無干涉，這樣給予模具設(shè)計(jì)的空間就小了很多。在考慮諸多因素之后，他們 最終完成了整套模具的設(shè)計(jì)。另外，他們還完成了PoLo轎車在10000kN自動(dòng)線上生產(chǎn) 的后輪罩的模具設(shè)計(jì)，在去年的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步。這些工作的順利完成，標(biāo)志著上 海大眾模具設(shè)計(jì)能力已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，從而為今后上海大眾汽車模具國(guó)產(chǎn) 化 打 下 了 堅(jiān) 實(shí) 的 基 礎(chǔ) 。 盡 管 如 此 ， 與 國(guó) 際 先 進(jìn) 水 平 比 較 ， 圖1 內(nèi)板模具裝配示意圖 仍有較大差距，比如在轎車外覆蓋件具設(shè)計(jì)方面還是空白。 POLO轎車中柱內(nèi)板模 具裝配示意圖(a)上模裝配示意圖(b)下模裝配示意圖在轎車沖模中，難度最大的是外 覆蓋件模具設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： （1)克服由回彈造成的零件型面偏差破裂、起皺、回彈是轎車沖壓件成形過程中的 3 主要缺陷。 由于轎車外覆蓋件外形尺寸大、拉深深度淺、塑性變形程度低，一般不易拉裂， 因而回彈就成為該類零件制造過程中的主要問題，它將嚴(yán)重影響零件間的相互配合 關(guān)系。有限元模擬軟件在沖壓模具設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用，已經(jīng)能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè) 破裂和起皺，從而有助于設(shè)計(jì)合適的工藝補(bǔ)充面來改善拉深過程中材料的流動(dòng)狀況， 提高零件的成形性。然而，迄今為止，大多數(shù)有限元軟件還不能精確地預(yù)測(cè)沖壓件 從模具當(dāng)中取出后的回彈變形。因此，對(duì)外覆蓋件回彈問題的處理，主要還是依靠 經(jīng)驗(yàn)來修改模具型面，使沖壓件過正成形，來抵消由于回彈導(dǎo)致的變形[2]。 (2)沖壓件的取件 由于外覆蓋件(如前蓋外板、車頂、翼子板)都需進(jìn)行復(fù)雜的翻邊整形或預(yù)卷邊 工藝，這就使得在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮沖壓件成形后的取件問題，目前，大 都依靠復(fù)雜的多斜楔機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)模具工作部分對(duì)零件讓位，以實(shí)現(xiàn)方便取件， 由此造成整個(gè)模具的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[3]。 3.覆蓋件模具設(shè)計(jì)及技術(shù) 目前，國(guó)外大汽車公司為了降低模具開發(fā)、制造成本，縮短生產(chǎn)周期，將除 轎車外覆蓋件之外的大部分轎車沖壓件的模具都交由專業(yè)模具公司 (如Fontana Pietro、Kuka、Laepple、Schuler Cartec、Ogi—hala、Fuji Techniaca等等)設(shè)計(jì) 和制造，這些公司都有很強(qiáng)的開發(fā)能力，并在某些零件的模具制造方面擁有獨(dú)到的 優(yōu)勢(shì)。但作為整車廠，考慮到新車型開發(fā)過程中的保密，對(duì)諸如翼子板、行李箱蓋、 車門、側(cè)圍、車頂、前蓋等敏感零部件的模具，則都由自己的模具制造部門來設(shè)計(jì) 和制造[4]。 3．1軟件環(huán)境 沖壓模具設(shè)計(jì)，除了必要的CAD軟件之外，還大量應(yīng)用了有限元模擬軟件，如 AutoForm、PamStamp、DynaForm、Indeed等，來輔助沖壓工藝設(shè)計(jì)。下面，以AutoForm 為例，說明如何利用CAE軟件來設(shè)計(jì)拉深I(lǐng)序工藝補(bǔ)充面。AutoForm是一款由瑞士開 發(fā)的專業(yè)薄板成形快速模擬軟件，可以用于薄板、拼焊板的沖壓成形、液壓脹形等 過程的模擬，配合不同的功能模塊，還可以進(jìn)行沖壓件單步法成形模擬以及拉深工 序工藝補(bǔ)充面(Addendum)的設(shè)計(jì)。轎車沖壓件中，約有2／3可以利用AutoForm的 Diedesigner Module模塊設(shè)計(jì)Addendum，該模塊根據(jù)由設(shè)計(jì)者指定的或由軟件自動(dòng) 4 產(chǎn)生的壓邊圈型面，以及工藝補(bǔ)充面的多條截面線(Profile)，能夠快速地生成工藝 補(bǔ)充面，用于拉深工序的模擬，如圖2所示。壓邊圈型面、Profile均可進(jìn)行參數(shù)化 式的調(diào)整。這種快速設(shè)計(jì)是建立在對(duì)Addendum曲面的粗略構(gòu)造上的，即曲面面片本 身以及曲面面片之間的連續(xù)并非十分光順，盡管這種曲面不能夠直接用于模具表面 的機(jī)械加工，但是對(duì)于模擬精度的影響卻不是很大。根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)者可以很 方便地對(duì)工藝補(bǔ)充面進(jìn)行調(diào)整，直到模擬結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。最后，將壓邊圈、 Addendum曲面和Profile以中性數(shù)據(jù)格式IGS或VDA輸出，在CAD軟件中進(jìn)行曲面重構(gòu)， 并結(jié)合產(chǎn)品數(shù)模，就能夠得到機(jī)加工可以使用的拉深工序模具數(shù)模[5]。 圖2 AutoForm設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面示意 沖壓工藝傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：首先，在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用CAD設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面；其次， 將CAD數(shù)模傳遞給AutoForm等CAE軟件進(jìn)行拉深過程模擬；根據(jù)模擬結(jié)果，在CAD中對(duì) 工藝補(bǔ)充面進(jìn)行調(diào)整，并將新的CAD數(shù)模傳遞給CAE，開始新的模擬，直到滿足要求 為止。這是一個(gè)從CAD到CAE再回到CAD的不斷反復(fù)的過程。由于每次在CAD中構(gòu)造曲 5 面都遠(yuǎn)較在AutoForm中復(fù)雜，因此，整個(gè)過程所花費(fèi)的時(shí)間就多得多。而新方法在 沖壓工藝設(shè)計(jì)初期，就用Diedesigner Module在AutoForm軟件中設(shè)計(jì)并調(diào)整拉深工 藝補(bǔ)充面，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，就能夠大大提高設(shè)計(jì)效率[6]。 由于AutoForm是一款快速模擬軟件，為了在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)復(fù)雜沖壓件的成 形過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用了膜單元來離散幾何模型，必然要降低模擬精度，因此，有 些汽車公司在模具設(shè)計(jì)開始之前還要利用模擬精度高的CAE軟件，如德國(guó)大眾就采用 了Indeed軟件，對(duì)拉深工序進(jìn)行再次模擬(Indeed軟件的計(jì)算是基于帶厚度的殼單元 的，能夠得到更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但是其計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間通常是AutoForm的幾 到十幾倍，該軟件比較適用于最終驗(yàn)證 [7]，所有拉深工藝必須通過Indeed模擬并驗(yàn) 證為是可行的，才可用于模具設(shè)計(jì)。 模具設(shè)計(jì)完備，應(yīng)通過圖紙結(jié)合泡沫模型進(jìn)行驗(yàn)收(圖3)，各道工序用不同顏 色的線條標(biāo)記在泡沫模型上，這樣做直觀而清晰。還應(yīng)組織包括工藝設(shè)計(jì)者、項(xiàng)目 規(guī)劃員、模具調(diào)試人員、模具操作者等相關(guān)人員進(jìn)行討論驗(yàn)收。對(duì)于在沖壓工藝上 難以解決的成形問題，還應(yīng)邀請(qǐng)產(chǎn)品開發(fā)人員一同討論，尋求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更改設(shè)計(jì) 的n-I能性[8]。 圖 3 沖壓工藝泡沫模型 3．2 修正回彈的對(duì)策 由前已知，回彈是轎車外覆蓋件成形過程中的主要問題，現(xiàn)以前蓋外板為例， 對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)分析。 通常外覆蓋件的回彈有以下兩類： 6 ①大片平坦曲面由彈性回復(fù)造成的拱起或塌陷，如圖 4 中 C 部放大所示，虛線 表示零件從模具中取出并發(fā)生回彈后的位置。這類問題，工藝設(shè)計(jì)時(shí)通常不加以考 慮，工藝數(shù)模中產(chǎn)品型面部分的數(shù)據(jù)與來自于產(chǎn)品開發(fā)部門的數(shù)據(jù)相一致，并用于 模具制造。待試模之后，將試件與檢具進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，根據(jù)偏差對(duì)拉深模型面進(jìn)行 修正。如果設(shè)計(jì)人員對(duì)于這類問題的控制擁有非常豐富經(jīng)驗(yàn)的話，也可以事先估計(jì) 出曲面彈性回復(fù)的方向以及偏移量，并將其反向疊加到產(chǎn)品數(shù)模上去，求得考慮回 彈變形的拉深工藝曲面，這個(gè)計(jì)算過程需要由專門的計(jì)算機(jī)軟件來完成，在德國(guó)大 眾，采用的是 ICEM。 ②翻邊整形部分由彎曲變形回彈造成的折邊轉(zhuǎn) 圖 4 平坦曲面由彈性示意圖 角變化，如圖 4 中 B 部放大所示。對(duì)于這類問題，該處除拉深和剪邊外，還包括翻 邊和斜楔整形，整形工藝需過正成形 2°——3°，以抵消彎曲回彈。該工藝由工藝 設(shè)計(jì)完成，并體現(xiàn)在工藝方案的數(shù)模中[9]。 3.3 新斜楔機(jī)構(gòu)在外覆蓋件模具上的應(yīng)用 目前，新車型的很多外覆蓋件，如翼子板前蓋外板、車頂?shù)鹊姆呎喂ば? 中，采用了一種稱之為“旋轉(zhuǎn)斜楔”的新工藝[16]。其工作原理為旋轉(zhuǎn)進(jìn)程。斜楔上 的凹槽部分是沖壓件需整形的區(qū)域，當(dāng)整形過程完成后，氣缸驅(qū)動(dòng)的托架推動(dòng)旋轉(zhuǎn) 斜楔繞滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)零件讓位的目的，方便整形后的零件從模具上取出。 7 旋轉(zhuǎn)斜楔的優(yōu)點(diǎn)是：因整形部分與沖壓件托料部分的拼接處非常光順，故零件上無 明顯壓痕；模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；維修保養(yǎng)簡(jiǎn)便且費(fèi)用低。 3.4 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù) 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù)方法有很多，具體用那種方法要看汽車覆蓋 件沖壓模具的難易程度和制造精度。 3.4.1 快速成型技術(shù) 快速成型技術(shù)是基于離散、堆積成形思想的新型成形技術(shù)，即由三維 CAD 模 型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)，這是繼數(shù)字驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（CAD） 和數(shù)字驅(qū)動(dòng)制造（CAM）之后的又一項(xiàng)為制造業(yè)帶來巨大變革的數(shù)字化制造技術(shù)[10]。 快速成型技術(shù)中，三維形體在離散過程中被沿著一至三個(gè)方向分解，生成形體的各 個(gè)離散面、離散線和離散點(diǎn)，將這些離散體（面、線和點(diǎn)）轉(zhuǎn)換成實(shí)體，并將它們 依照原先的順序堆積還原成三維形體的實(shí)體形狀[15]。通過離散獲得材料堆積的路徑、 順序和方式，生成一系列二維層面數(shù)據(jù)，再將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，加入加工參 數(shù)，生成數(shù)控代碼，在數(shù)控系統(tǒng)控制下將材料逐層“迭加”起來形成三維實(shí)體，實(shí) 現(xiàn)數(shù)字化成形，構(gòu)成三維物理實(shí)體。快速成形技術(shù)的特點(diǎn)有： （1）高度柔性。不需要傳統(tǒng)的專用工具和生產(chǎn)裝備，而利用信息技術(shù)把生產(chǎn)加 工的重組集成到制造系統(tǒng)中； （2）各種先進(jìn)技術(shù)的高度集成； （3）快速性。傳統(tǒng)加工方式開發(fā)一個(gè)復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃到加 工完成，可能需要幾天、幾個(gè)月甚至上年的時(shí)間，而采用快速成形技術(shù)，從實(shí)體建 模到原型或零件加工完成，可以在幾十小時(shí)或幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成； （4）自由成形性。因此能夠制造特別復(fù)雜的實(shí)體； （5）材料的廣泛性。不同的工藝可制造樹脂、塑料、紙、石蠟、復(fù)合材料、金 屬材料、陶瓷等原型。采用分層實(shí)體制造工藝。分層實(shí)體制造將激光用于箔材（主 要是涂敷紙）的切割，逐層粘切完成后，清除被切割的廢料，就獲得了所需要的原 型。該技術(shù)可保證原型件精度；能制造出大型甚至超大型的設(shè)備，得到最大尺寸， 運(yùn)行費(fèi)用設(shè)備中為最低。 3.4.2.電磁成型技術(shù) 電磁成型技術(shù)最先起源于美國(guó)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和制造業(yè)的發(fā)展，電磁 8 成型技術(shù)逐漸發(fā)展成為制造業(yè)中一種新型的金屬塑性加工方法。它是利用瞬間的高 壓脈沖磁場(chǎng)迫使金屬產(chǎn)生塑性變形達(dá)到成型金屬零件的目的。電磁成型加工是一種 高速能的工藝，目前，電磁成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、汽車、儀器 儀表、電子以及玩具等領(lǐng)域[11]，主要是金屬板材的沖孔、壓印或壓花以及管材的脹 形、縮頸、沖孔、翻邊等。電磁成型的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)中的電磁感應(yīng)定律，在電 場(chǎng)周圍會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)在其周圍空間激發(fā)渦旋電場(chǎng)，所以 當(dāng)有導(dǎo)體處于此電場(chǎng)中時(shí)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)。在電磁成形過程中，磁場(chǎng)力是 工件成型的動(dòng)力。電磁成型是利用脈沖磁場(chǎng)力來使金屬坯料變形的，脈沖磁場(chǎng)力是 由電容器通過工作線圈瞬間放電所產(chǎn)生的。脈沖磁場(chǎng)里是磁場(chǎng)間相互排斥或相互吸 引的作用。 電磁成型加工的工藝特點(diǎn)：非機(jī)械接觸性加工，電磁力是工件變形的動(dòng)力，它 不同于一般的機(jī)械力，工件變形時(shí)施力設(shè)備無需與工件進(jìn)行直接接觸，因此工件表 面無機(jī)械擦痕，也無需添加潤(rùn)滑劑，工件表面質(zhì)量較好；工件變形源于工件內(nèi)部帶 電粒子受磁場(chǎng)力的作用[14]。因此，工件變形受力均勻，殘余應(yīng)力小，疲勞強(qiáng)度高， 使用壽命長(zhǎng)，加工后不影響零件的力學(xué)、物理、化學(xué)性能，也不需要熱處理；施力 元件(線圈)相對(duì)壓力機(jī)尺寸小，易在真空和氣保下進(jìn)行，將感應(yīng)加壓一次完成；由 電磁力的控制精度其誤差可在 0.5%以內(nèi)，因此加工精度高；加工效率高、時(shí)間短、 成本低，便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化；電磁成型設(shè)備可實(shí)現(xiàn)工件的多步、多點(diǎn)、多工位 成型，有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化；污染較輕，有利于環(huán)境的保護(hù)。電磁成型加工作 為一種新型的金屬塑性加工技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的冷鍛、溫鍛和熱鍛等加工方法，它 以其獨(dú)特的加工特點(diǎn)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿12]。 3.4.3.無模多點(diǎn)成形 無模多點(diǎn)成形就是將多點(diǎn)成形技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合為一體的先進(jìn)制造技 術(shù)。該技術(shù)利用一系列規(guī)則排列的、高度可調(diào)的基本體，通過對(duì)各基本體運(yùn)動(dòng)的實(shí) 時(shí)控制，自由地構(gòu)造出成形面，實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面成形。它是對(duì)三維曲面扳類件 傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)無模成形：取代傳統(tǒng)的整體模具，節(jié)省模具設(shè)計(jì)、 制造、調(diào)試和保存所需人力、物力和財(cái)力，顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成 本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。與模具成形法相比，不但節(jié)省巨額加工、制造模具的費(fèi)用， 而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時(shí)間，與手工成形方法相比，成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量 9 好，并且顯著提高生產(chǎn)效率。優(yōu)化變形路徑：通過基本體調(diào)整，實(shí)時(shí)控制變形曲面， 隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，提高材料成形極限，實(shí)現(xiàn)難加工材料的塑性 變形，擴(kuò)大加工范圍。實(shí)現(xiàn)無回彈成形：可采用反復(fù)成形新技術(shù)，消除材料內(nèi)部的 殘余應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)少無回彈成形、保證工件的成形精度。小設(shè)備成形大型件：采用 分段成形新技術(shù)，連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺(tái)尺寸數(shù)倍的大型工件。易于實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)化：曲面造型、工藝計(jì)算。壓力機(jī)控制、工件測(cè)試等整個(gè)過程全部采用計(jì)算機(jī)技 術(shù)，實(shí)現(xiàn) cad ／ cam ／ cat 一體化生產(chǎn)，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，極大地改善 勞動(dòng)者作業(yè)環(huán)境[13]。 3.4.4.其它技術(shù) 采用低熔點(diǎn)合金澆鑄，快速制造汽車蓋件試制模具。合金的熔點(diǎn)低至，且凝 固時(shí)幾乎沒收縮，是其兩個(gè)明顯的特點(diǎn)。提出工藝路線為：根據(jù)模型制造原型，再 將翻制為具有足夠尺寸精度的陶瓷型，對(duì)陶瓷型進(jìn)特殊處理后，在接近的溫度下， 澆鑄出低熔點(diǎn)合金汽車覆蓋件拉延模具。此拉延模具以制造件汽車覆蓋件零件，完 全滿足試制模具的需要。主要應(yīng)注意：低熔點(diǎn)合金的設(shè)計(jì)；低熔點(diǎn)合金的澆鑄工藝； 低熔點(diǎn)合金模具的試模與調(diào)試。采用等離子噴涂技術(shù)，也可快速制造汽車車身試制 模具。在電弧噴涂研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行的主要研究與開發(fā)技術(shù)為采用原型制造汽車 噴涂模具的工裝[8]；紙?jiān)团c工藝轉(zhuǎn)化原型的設(shè)計(jì)與制造；噴涂工藝參數(shù)的選擇； 噴涂型殼與紙?jiān)偷姆蛛x；噴涂模具背襯材料的選擇與制備；噴涂模具背襯的制造 及后處理；噴涂模具的試模與調(diào)試。 4.總結(jié) 近年來，通過不懈的努力，國(guó)內(nèi)轎車沖壓模具的設(shè)計(jì)制造能力取得了顯著的進(jìn) 步。但是，在轎車特別是中高檔轎車外覆蓋件模具的開發(fā)上，我們與國(guó)際水平仍有 較大差距。不過，這種差距并非不能縮小，只要我們多加強(qiáng)國(guó)際交流，多吸取國(guó)外 同行的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，一定能夠加快轎車覆蓋件模具的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。 10 5.參考文獻(xiàn) [1]陳炎嗣.郭景儀.沖壓模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù).北京：北京出版社，1991—04 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