汽车覆盖件冲压模具精细化设计的关键技术研究

刘鑫 张鑫华

【摘 要】随着汽车用量的不断增加，我国的汽车行业得到飞速的发展，汽车覆盖件金属模具的快速制造技术越来越重要。大力发展汽车覆盖件金属模具快速制造技术，有利于提高汽车覆盖件的质量，促使汽车整体性能的提升。基于此，本文主要分析汽车覆盖件冲压模具精细化设计的关键技术。

【关键词】汽车覆盖件；冲压模具；精细化设计

引言

汽车覆盖件作为汽车的一个重要组成部件，具有材料薄、样式多等特性，成为当前汽车制造行业的研究重点。覆盖件的成形是一个非常复杂的力学过程，覆盖件的成形设计是一个难点。采用传统的设计方式和计算方法，显然不能满足现有覆盖件成形设计的要求。

1、汽车覆盖件金属模具快速制造技术实现途径

汽车覆盖件金属模具的主要功能是用于生产汽车覆盖件，关系着汽车覆盖件的质量、尺寸的精准度等，所以需要保证汽车覆盖件金属模具的尺寸、精度、表面质量，这样才能生产出高质量的汽车覆盖件。在汽车覆盖件金属模具快速制造过程中，必须要控制好每个环节的生产精度，消除会影响精度的各种因素[2]。现阶段，我国在对模具快速制造技术进行研究时，重点研究的是工艺步骤的可靠性，比较关注模具的快速制造质量和精度。但是，没有将模块快速制造作为一个集成的系统来研究，使得研究过程缺乏全面性，没能将不同环节的工艺精度联系起来，不明确其相互之间存在的影响，以及系统累积效应。在对汽车覆盖件金属模具的快速制造技术进行研究时，应形成一个闭环模式，在CAD三维设计中对累积误差反馈，并利用输入端对数据进行修改，通过逐次迭代的方式，制造出高精度的汽车覆盖件金属模具。在模具的快速制造过程中，会涉及到比较多的集成工艺环节，所以在对不同工艺环节的精度进行控制时，难度会比较大。通过闭环精度控制模式，可将各影响工艺过程的因素累积起来进行集中控制，实现对CAD数据、CAE仿真优化参数的直接修改，使汽车模具快速制造精度得到有效的保障。

2、汽车车身冲压工艺

冲压工艺具有以下特点：用于形状复杂的薄壁零件，且经过冲压工序后零件的强度提高、质量变轻、刚度增大。冲压件表面光滑且具有较高的精度尺寸，可满足一般互换性要求，在同一批冲压件中可互相替换。简化了操作，提高了自动化程度。进行大批量生产时可有效节约成本，提高生产效率。

冲压材料：冲压工艺对冲压材料的要求极为严格，冲压用材料必须具有良好的延展性、塑性、弯曲性、凸缘拉伸性等性能。如果所选的材料与零件形状、冲压模具设计和加工条件不相适应时，将产生断裂、褶皱、成型不完整（开裂、凸包、拉毛、波浪、回弹）等缺陷。目前，常用的冲压材料包括冷轧钢板、热轧钢板、表面处理钢板等材料。

冲压工艺方案：冲压工艺一般包括冲裁设计、切边设计、弯曲、翻边等工序。各个工序阶段都有严格的工艺要求保证冲压的质量。以汽车发动机箱盖为例，其冲压工艺如下：下料拉伸——切边、冲孔——竖边——翻边——压印、冲孔——检验；工艺流程为：拉伸——切割——整形——翻边——冲孔——切割——检验。正常工艺可能无法完成零件的加工，需要工艺补充。工艺补充的设计原则如下：内孔封闭的原则；简化拉伸件结构形状原则；保证良好的塑性变形条件，有些冲压件深度较浅、曲率较小，但轮廓尺寸较大（发动机箱盖），必须保证坯料在拉伸过程中具有足够的塑性变形量，才能保证冲压件满足形状精度要求和刚度要求；外工艺补充部分尽量小；方便后续工序加工的原则。

汽车覆盖件冲压关键工艺：汽车覆盖件的冲压方向，如：拉延方向、修边方向、翻边方向、冲孔方向、非必要负角问题、空间曲线的修边线问题、非必要曲面孔问题、特征太密与结构突变问题、复杂曲面的圆角、转角、球面等问题。此外，翻孔的结构问题，正规孔和异型孔的翻孔结构的设计与冲压工艺有关，分为两序孔和三序孔，如没有功能要求应尽量采用拉延、冲孔的翻边结构。在覆盖件关键部位采用余料吸收结构设计，在一些容易起皱和拉裂的部位设计一些反向特征，减小由于起皱和拉裂引起的材料缺失等问题。最后，覆盖件的设计基准也影响模具的设计，模具通常根据设计基准保证基本拉延的拔模角。

3、汽车覆盖件冲压模具精细化设计的关键技术

3.1、金属电弧喷涂或电刷镀制膜技术

金属电弧喷涂技术需要经历四个阶段，先对母模的喷涂进行准备，再对基体进行处理，然后是金属电弧的喷涂，最后再对背衬材料进行填充。在汽车覆盖件金属模具的快速制造中引用此技术，最关键的是要确定好梯度材料的结构，其不仅能够保障模具的整体性能，还能简化模具的制造工艺。梯度结构主要由五部分构成，首先是高强度的水泥层；其次是金属粉混合背衬材料层，其核心是树脂、金属粉和加强纤维；再次是玻璃钢加强层；第四是电弧喷涂层；最后是刷镀层。刷镀层能够提升模具表面的硬度，增强其耐磨性。通过构建金属喷涂层，则可增强模具的修磨性和强度。在对母模的喷涂进行准备时，常用的方法有三种。首先，将RP原型利用起来，或者将其原型翻制而成的石膏过渡模型利用起来，作为母模。其次，利用石膏、塑料及木材等材料进行数控加工。最后，利用实物样件，构建石膏过渡模型。

3.2、超高速加工技术

超高速加工技术是指利用高自动化、高柔性和高精度的能实现高速运动的制造设备，采用超硬切削刀具或磨具，以超高切削速度来提高材料切除率，达到高加工精度和质量的先进加工技术。超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。通常把切削速度是常规的5～10倍以上的切削加工称为超高速切削。超高速切削时，切屑为碎片状而不是普通切削的带状，95%的切削热被切屑带走，切削力降低30%；此外，超高速切削时设备的激振频率特别高，其频率范围远离了“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率，因此机床工作平稳，加工的工件精度极高、表面质量极好、工件表面残余应力极小，可直接达到精加工要求，材料切除率相应提高若干倍。与超高速切削一样，超高速磨削具有效率极高、磨削力极小、磨出的工件表面粗糙度值极低、砂轮寿命长等优点。因此，超高速加工可以提高加工工件质量和生产率、节约能耗，是一个很好的绿色加工工艺。

3.3、干切削技术

干切削加工是指加工过程中不用或仅用微量切削液，这是一种从环境污染源头上进行控制的清洁环保新型绿色制造技术。干切削加工技术不仅没有切削液对环境的污染，而且省去了与切削液有关的传输、过滤、回收等装置和费用，简化了生产系统、降低了产品生产成本，形成的切屑又干净、清洁、无污染，便于回收和处理。干切削时没有切削液的冷却，刀具温度比湿切削高得多，因此：刀具材料应具有良好热硬性和高温韧性、高的耐磨性和抗粘结性能、低的摩擦系数；刀具的几何形状要适合干切削的特点，槽型应保证排屑流畅、易于散热。目前，干切削刀具主要使用超细颗粒硬质合金、立方氮化硼、聚晶金刚石、SiC晶须增韧陶瓷及纳米陶瓷等材料制造。

结束语

尽管国内汽车行业发展迅速，但冲压工艺和模具设计与国外技术仍存在较大的差距，无法生产高端的汽车冲压件，严重阻碍了我国高端汽车行业的发展。对冲压工艺与冲压模具设计技术的研究对我国高端汽车行业的发展具有重要意义，借鉴国外先进技术，并不断投入研发人员，可以实现高端汽车车身冲压件的制造，打破国外技术垄断。

参考文献：

[1] 韦荣发，黄峥松，麦育智，黄文平.汽车覆盖件激光拼焊门内板成形缺陷研究[J].模具制造，2018，18（06）：1-5.

[2] 杨灿.汽车覆盖件金属模具的快速制造技术的研究[J].世界有色金屬，2018（06）：277+279.

[3] 周多营，廖龙.汽车模具结构与设计中的常见问题及对策研究[J].中国设备工程，2018（09）：47-48.

[4] 韩佳，马艳.汽车覆盖件冲压模具设计研究[J].小型内燃机与车辆技术，2018，47（02）：57-60.

（作者单位：1长城汽车股份有限公司天津哈弗分公司；

2天津清源电动车辆有限责任公司）