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提高沖模研合率的方法與應用

日期: 2022-10-27  來源:  點擊數:  

沖模在汽車制造業中占有重要的地位,汽車中60%~75%的零件由沖壓工藝成形。伴隨著汽車工業的發展,市場競爭更加激烈,整車開發的周期也愈短,而沖模的開發周期約占整車開發周期的2/3,要求在保證零件形狀精度、尺寸精度及表面質量的前提下提高模具開發的效率。沖模開發過程中,模具研合率直接影響模具零件型面精度以及沖壓零件成形質量,因此模具零件型面研合率是沖模制造領域的重點問題。


研合及研合率


沖壓是通過壓力機滑塊和模具對金屬板料施加作用力使其產生塑性變形,獲得滿足形位精度零件的加工方法。沖壓工藝包括拉深、沖裁和翻邊等,其中拉深對模具零件型面質量的要求最高。


01 研合必要性


拉深模由凸模、凹模和壓邊圈構成,成形時壓邊圈和凸模先后與凹模閉合,受限于模具零件加工精度,即使按同一型面進行加工的凸凹模也會出現間隙不均勻,導致板料所受壓力不均勻,材料流動不理想,最終零件出現尺寸誤差較大、表面質量與一致性較差的問題,甚至會由于局部應力過大而產生破裂。對于大型零件的沖壓,即使凸凹模間隙均勻,也會由于模具長度較長而引起剛度問題,出現“邊緣閉合,中間架空”的現象。翻邊模由刀塊、壓料塊和凸模構成,成形時壓料塊將板料固定在凸模上,如果壓料塊與凸模的間隙不均勻,會導致翻邊位置失衡,最終零件的形狀和尺寸精度無法達到設計標準。


02 研合率


生產中為描述凸模與凹模、壓料塊與凸模之間的間隙是否均勻,提出了研合率的概念。在生產現場,使用模具對涂有色彩的板料施壓,以施壓后板料表面殘余涂色是否均勻來評價研合率。模具零件型面研合率越高,板料在成形過程中受力越均勻,使材料保持良好的流動性。研合率是評價模具是否合格的重要指標,如果模具零件型面研合率不滿足要求,會導致零件合格率降低,同一批次零件一致性較差等問題。同時模具零件型面研合會占模具調試時間的30%~50%,采用恰當的方法提高模具零件型面研合率也有助于縮短模具的開發周期。


提高模具研合率方法


模具零件型面研合的目的是修正由于模具結構設計不合理、加工精度不達標等產生的誤差,要提高模具研合率,必須從設計和加工階段控制誤差。


01 合理的模具結構


模具設計包括模具零件型面的設計和模具結構的設計,復雜的工藝曲面在制造時難以保證精度,并且在研合時也需要花費大量時間,所以在設計工藝面時應盡可能避免復雜的曲面。


模具結構設計階段,首先需要考慮模具的剛度。對于長度較長或拉深深度較深的零件,在拉深時會由于模具零件剛度不足而產生法向位移,即使上、下模型面一致,也會由于模具零件的法向位移導致研合率降低,對于該問題可以在模具設計時對易變形的區域進行反向補償,這樣可以提高研合率,減少后續鉗工研合的工作量。


此外可以通過減小研合區域面積的方法來縮短模具零件型面研合周期,設計拉深模的壓邊圈和翻邊模的壓料塊時,對壓邊區域進行工藝避料,即在保證壓料區域足夠的前提下減少壓料面積,以減少壓邊圈研合的工作量,縮短研合周期。


02 加工階段誤差控制


經過數控機床加工的模具零件型面會產生內應力,通常在機加工之后需要進行淬火以保證模具零件的硬度,而淬火會導致內應力的釋放,使模具零件產生變形。針對該情況可以將加工階段的工序調整為:粗加工→半精加工→熱處理→精加工,通過精加工將熱處理產生的變形消除,減小加工誤差以提高研合率。


03 調試階段誤差控制


調試階段主要是鉗工通過工具對模具零件型面進行打磨,直到研合率滿足要求,包括基準側選擇及預處理、壓邊圈與凹模研合、凸模與凹模研合,研合階段的誤差控制主要通過基準側的選擇以及預處理實現。


研合基準的選擇以及預處理


凹模是數控機床一次加工而成,具有較高的形位精度,所以在研合壓邊圈與凹模時應該以凹模壓料面和凸筋為基準,以保證凹模與拉深筋的精度不受研合影響。研合凸模與凹模時,由于模具的制造基準為凸模,凸模型面與數模一致,選擇凸模為基準進行凹模的研合。需要注意的是,確定基準側之后需要對基準側進行預處理,包括修正凸模型面和凹模壓料面上的機加工缺陷、打磨凸模表面及凹模凸筋以降低粗糙度值。


不同區域研合率標準的確定


研合的目的是使成形零件達到規定的尺寸及形位精度,型面不同區域的研合程度對零件精度的影響不同,因此可以根據不同區域的功能分別確定研合率標準。容易破裂的區域如果研合率太高,會導致局部應力集中,增加破裂風險,因此該區域應適當降低研合率標準;對于有起皺或變形趨勢的區域,應該提高研合率實現局部強壓,消除起皺或變形;型面簡單、無起皺或破裂風險的區域可以在保證精度的前提下降低研合率標準以縮短研合周期。成形過程中發揮作用的功能面應該以高標準進行研合,對于非功能面研合率則不作要求。


應用實例


01 模具零件易變形區域補償


尺寸較大的零件在沖壓時會由于模具零件剛度不足而導致中間區域無法完全閉合,模具設計時在凹模法向提供補償來提高研合率,現以某零件為例說明該補償法在模具制造中的應用。



圖1 空研時模具間隙



圖2 試壓后的零件


(a)凹模補償方案簡圖


(b)凹模補償方案效果



圖3 凹模補償方案



圖4 補償后試壓零件色彩分布



某零件拉深模在空研時凸凹模最大間隙值為0.05mm(見圖1),但對涂有色彩的板料進行試壓時出現了“兩端閉合,中間架空”的現象(見圖2),針對這種情況,首先測量模具中部位置架空的高度,之后對模具結構進行整體補償(見圖3),補償后通過對涂有色彩的板料進行試壓,試壓零件色彩分布如圖4所示,由圖4可知模具間隙均勻,研合率得到提高,縮短了研合周期。


02 模具結構優化


(a)壓邊圈模型


(b)凹模壓料區域


圖5 壓邊圈結構


(a)壓邊圈結構優化簡圖


(b)壓邊圈結構優化


圖6 壓邊圈結構優化方案


壓邊圈的主要作用是控制材料流動,壓邊圈結構如圖5所示,壓料面積較大,但并非全部區域均起控制材料流動的作用,如果對壓邊圈整體進行研合,研合效率低。設計壓邊圈時,在保證壓料面積足夠的情況下,對壓邊圈的外圍區域進行工藝避料(見圖6),減小壓料面積,降低研合工作量。



圖7 翻邊工序試壓零件色彩分布


(a)翻邊模壓料面結構優化簡圖


(b)壓料面結構優化后研合效果


圖8 翻邊模壓料面結構優化


此方法對翻邊模同樣適用,翻邊工序試壓零件色彩分布如圖7所示,如果對整個壓料面進行研合,工作量大且難度高。通過對模具結構進行優化,對距離翻邊位置較遠的區域進行工藝避料,研合功能壓料區,其余區域不進行研合,如圖8所示,可以縮短研合周期,提高研合質量。


03 模具零件加工工序優化



圖9 模具零件熱處理前掃描報告



圖10 模具零件熱處理后掃描報告


熱處理是模具制造中的重要工序,通常也是最后一道工序,而熱處理往往伴隨模具零件變形,變形將全部由研合工序修正,使研合周期加長,通過調整熱處理工序在模具零件加工工序中的位置可以解決。模具零件熱處理前掃描報告如圖9所示,模具零件在經過粗加工、半精加工和精加工之后,已經獲得較高的尺寸精度,但是經熱處理之后,由于內應力的釋放,模具零件發生變形(見圖10),對模具零件型面研合造成不便。在后續的模具制造中,采取先熱處理再精加工的工序安排,如圖11~圖13所示,以消除熱處理導致的誤差。(內容源自模具工業)


▍原文作者:劉進軍1,王一帆2,賀立輝1,李春成1,張賽軍2


▍作者單位:1.祥鑫科技股份有限公司;2.華南理工大學


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