新技术对模具设计制造的影响

■ 诸城市义和车桥有限公司 （山东 262200） 关炳奇

1. CAE技术促进冲压模具成本的降低

CAE软件可以分为两类：一类是通用CAE软件，是可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件；一类是针对特定类型的工程或产品所开发的、用于产品性能分析、预测和优化的软件，如冲压成形CAE分析软件。目前在实际生产领域中应用最广的冲压成形CAE分析软件有：Autoform软件、Dynaform软件和Pamstamp软件，其中Autoform软件的实际操作较简单，计算精度和可以解决的冲压工艺有一定限制，其他两种软件则较为全面。

在板料冲压成形生产中，通过使用CAE分析技术，对具体冲压零件的成形过程进行数值模拟，设计人员与计算机的交互作用，更有利于发挥人的经验和直觉分析的能力,可以及早发现问题，为模具设计与制造提供更科学、更合理的依据，从而改进模具设计，大大缩短调模试模周期，降低制模成本，使模具设计与制造水平大大提高。

板料冲压成形C A E软件进行分析的一般步骤是：导入零件CAD模型→零件FEM网格划分→定义工模具零件→定义毛坯→定义拉深筋/压边圈→设置成形参数→求解器计算→分析计算结果。

如图1所示为我公司新开发的某型号纵臂产品，主要由3部分组成：臂体、衬套管和橡胶衬套。三个衬套管焊接在臂体上，橡胶衬套与衬套管过盈配合。臂体材料为SAPH370，厚度为2.5mm。以前类似臂体（见图2）加工工艺为：落料→成形→铣中间衬套管孔→侧冲修两端→侧冲八小孔，共需4套模具、5道工序，成本较高。在开发新产品时，如何利用新技术、新工艺，改进产品工艺，减少加工工序，减少模具数量，提高生产效率，成为我们必须要解决的问题。

图1 纵臂产品

图2 臂体

图样要求：8个小孔的位置度要求为0.8mm，孔圆度在0.15mm以内；衬套管与臂体的焊接间隙最大1.6mm。针对产品图样及技术要求，利用CAE软件的板料尺寸计算模块和精确模拟成形模块对板料成形进行分析，省去修边及冲孔3道工序，是最佳方案。在成形工序前确定3个衬管孔及8个小孔的下料尺寸，然后进行模具成形，则改进后的臂体加工工艺为：落料冲孔→成形两道工序。这个方案的难点是：如果直接按成形后的小孔尺寸及衬套孔的尺寸来确定下料尺寸，由于板料成形时受成形力的作用，孔必将变形。利用CAE精确模拟成形模块对板料成形进行分析（见图3），将孔反向预变形，将小孔设计成椭圆孔，衬管孔设计成如图4所示。经模具（见图5）成形加工后，检测臂体成品（见图6b），同一孔的直径差小于0.14mm，满足孔圆度在0.15mm以内的要求；8个小孔的位置度0.5mm，满足位置度0.8mm的要求；衬套管与臂体的焊接间隙最大处为1.5mm，满足衬套管与臂体的焊接间隙最大1.6mm的要求，达到产品要求，效果理想。

利用CAE技术改进的臂体加工工艺比原工艺每件加工成本节省1.5元，此新产品还少投入两套模具，效益非常可观。

2. 激光切割技术对模具设计制造的影响

激光切割技术是利用经聚焦的高能量密度的激光束照射工件，使工件被照射处的温度急剧上升，材料迅速熔化、汽化，同时借助与光束同轴的高压气体吹除熔融物质，形成切缝将工件割开。

激光切割技术具有非常大的优点：①激光切割是无接触加工，工件无机械变形，激光束对非激光照射部位影响很小，其热影响区域小，工件热变形小。②激光切割速度快、效率高，切割速度可达10 000mm/min，整个切割过程不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又可节省上下料的辅助时间。③激光切割质量好、精度高，切缝表面光洁美观，表面粗糙度值一般控制在Ra=12.5μm，定位精度可以控制在0.05mm。④激光切割柔性好，整个切割过程全部实现数控，既可进行二维切割，又可实现三维切割，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，不受工件外形的影响，可以加工任意图形。激光切割产品如图7所示，多轴激光切割机如图8所示。

图3 有限元模型

图4 落料尺寸

图5 成形模具

图6

图7 激光切割产品

图8 多轴激光切割机

我公司现有4台大型激光切割机，激光切割的应用对我公司的模具设计制造产生了很大的影响：①对于小批量、多品种底盘件的落料，直接采用激光切割，不再投入落料模具，节省了模具开发费用。②缩短了新产品模具开发周期，落料及中间切边、冲孔工序采用激光切割，有效缩短了模具试验尺寸的确定时间，既满足了产品需求，又加速了模具的定型，节省了开模时间。③对于高强钢板的落料、空间形状复杂产品的冲孔、切边以及大型工件的落料等不再投入模具，由于这些模具的制造维护成本较高，采用激光切割下料可以降低成本。对于大批量中小型工件的落料冲孔，仍要制作冲压模具，对于这类产品，采用激光切割技术成本较高。④模具制造过程中，部分零件原来采用火焰切割下料，现直接采用激光切割，外形无需再次加工；部分零件如垫板等可以直接采用激光切割为成品，节省了模具制造成本。

3. 结语

新材料特别是轻量化新材料的出现将导致新工艺的产生，必然导致新的工艺装备和模具需求。模具制造企业应积极应用现代模具制造新技术，提高产品质量，提升生产效率，降低生产成本。

[1] 龚红英. 板料成形性能及CAE分析[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

[2] 郭铁良. 模具制造工艺学[M]. 北京：高等教育出版社，2014.