冲压自动化模具的研究与应用

彭 帅，朱焕刚，熊舸宇，牛利军，张德斌

（东风商用车有限公司车身厂，湖北十堰442000）

1 模具自动化应用背景

随着乖用车冲压自动线技术的不断发展以及冲压无人化的趋势日益明显，商用车各大公司也感受到巨大压力，纷纷投资建设冲压自动线，希望在竞争日益激烈的卡车市场中占有一席之地。与传统的手动冲压线相比，自动化生产线的优势主要体现在生产节拍的提升、冲压件成本的降低以及冲压件品质的提高。在冲压自动化生产方式日趋完善的形势下，冲压模具的结构将极大程度地影响制件生产效率，因此对自动化生产冲压件的工艺设计和模具结构设计提出了更高的要求[1]。

2 模具自动化的约束条件

自动化模具是一种能满足冲压自动线无人化生产的模具，具有快速定位，自动换模，机器人取件，自动排放废料等功能。自动化模具在进行工艺设计和结构设计时，务必满足相应的约束条件，即符合冲压自动线的生产条件和冲压自动化的先进性。冲压自动线的生产条件主要是指自动化模具设计是否满足冲压工艺需要和冲压设备的条件；冲压自动化的先进性是指模具自动化的结构能否可靠地保证制件的质量，有效提高生产效率，并具有安全可靠，易于保养等特点。

2.1 工艺条件

自动化模具首要约束条件是模具设计尺寸不能超过工作台的最大尺寸；其次模具设计的成形力或冲裁力应小于压力机公称力的60%，我司的冲压自动线首台压力机为2,400t，它的正常工作吨位不能超过1,440t，倘若超出上述限值，滑块与传动连结部位可能产生剧烈振动受损，影响压力机的正常使用及寿命；2,400t压力机液压垫的最大行程为350mm，模具设计时，压料圈的顶起高度不能超过拉伸垫的最大行程，大于这个行程设备将无法生产。

我司的自动线2,400t压力机的最大闭合高度为1,300mm，最小的闭合高度为750mm；滑块的最大行程为1,200mm；模具设计时的闭合高度务必在750～1,300mm，同时为了提高自动换模效率，模具的闭合高度应尽可能的统一，切换模具高差值不能大于70mm，否则造成等待浪费。除了满足既定的模具闭合高度外，机器人取件的通过性必须满足以下条件：上模的轮廓高度+下模的轮廓高度+端拾器高度+制件高度+50<滑块行程+闭合高度，如图1所示。

图1 端拾器通过性示意图

2.2 模具结构

模具应具备最基本的自动化结构：电检装置（编码器，接近开关，终端集线盒，插接线），存放氮气缸，快速定位槽等。

如图2所示，电检装置由接近开关①、连接电缆②③、终端集线盒（包括Harting接口）④⑤、以及编码器⑥等部件组成，具备制件检测、斜楔检测、模具号设定等功能。其中编码器安装在哈丁插头上，确保可准确传递模具编号信息给压机PLC，实现快速换模及防错功能。若一条冲压自动线车型数量超过125种，建议采用10位2进制编码器进行编码和调整，接近开关作为制件投入的到位检测，针对一个独立制件设计时，模具的左右侧布置一个，前后侧布置一个。

图2 电检装置连接图

存放氮气缸有3个作用：一是可靠性良好，避免弹性压料元件长时间受力而损坏；二是操作性方便，减小上下模的导向咬合量，方便开模进行日常保养；三是安全性高，减少拿取刚性存放的动作，消除忘拿刚性存放造成模具损坏的风险，为自动换模的实现准备了条件。值得注意的是存放氮气缸的布置需要避开钢丝绳的起吊位置，否则会增加维修成本。

模具快速定位槽的作用是实现模具在工作台上的快速定位，为模具自动快速夹紧提供必要条件。模具快速定位槽有2种定位方式，一种为两端定位槽，如图3所示；另一种为同侧定位槽，如图4所示，自动换模效率非常快，而吊模备模速度相对低下，自动化模具增加两个快速定位槽实现快速备模，目前东风本田采用的是同侧定位，东风日产采用的两端定位。

图3 两端定位槽

图4 同侧定位槽

3 提高生产效率

3.1 模具相关工艺性要求

冲压工艺排布一般采用对称设计，这样模具的结构多为双拼结构或双槽结构，也就是通常所说的一模两件结构，这种模具结构减少了一次制件单独生产时间和换模时间，可以将生产效率提高1.5~2.0倍。

对于左右对称的冲压件，采用多个（多种）制件同时成形，然后冲裁分离的设计方法，不仅可以改善板料受力状况、使材料变形均匀，有利于冲压成形，同时也减少模具和工序数量、减少电能消耗、减少操作工人数，提高材料利用率，从而全面降低成本。如图5所示，左右件成双实现的基础上，在制件的非成品区域增加一个完全不同的制件，使该方案的工艺性、经济性、生产性都大大提高。

图5 一模4件

为了保证模具快速自动切换，模具的闭合高度尽量保持等高，因模具闭合高差大，我司最长换模时间为10min，最短换模时间为4min；模具送料高差尽量小，减少动作浪费，也可提高生产节拍；前后工序设计尽量保证送料方向的一致，避免因送料反向导致端拾器多余动作，造成时间浪费。

3.1.1 拉伸模带料

拉伸模上模带料问题是制件成形时共性问题，主要原因是板料在单动压机上成形时，随滑块上升的凹模与成形后的制件贴合形成真空，制件因此被带起。上模带料会造成制件抓取的位置偏移，端拾器真空报警停线。

在模具结构上有以下几个解决方案：

（1）凹模一般会加工多排直径为φ4mm或φ6mm的排气孔，减小带料压力，对于大型制件其效果一般不会太好，可以在上模成形面的非强压区增加直径为φ60~φ80mm以上排气孔，数量一般为4~6个，降低带料效果十分明显，如图6所示。

图6 带排气孔的上模

（2）在模具结构设计时，压料圈设计成托杆结构，液压垫作为压力源，可以控制压料圈延时顶起，制件与凸模贴合形成真空，可有效防止凹模带料，这种办法单独采用时，不适用于刚性较差的制件，因下模型腔内进气不及时，致使制件上表面空气压力过大，从而导致制件变形，以上二种方法同时使用效果最好。

（3）二者都无法解决时，可以考虑在上模合适的位置增加强力顶料销，如图7所示，强力顶料销一般设置在有一定成形刚度废料的区域，防止制件产生缺陷。

图7 带顶销的上模

3.1.2 后工序模带料

模具结构复杂，局部型面存在负角的模具，端拾器无法正常抓取制件，可以在设计阶段，将负角区域设计成推拉斜楔结构，这样可以有效避免下模卡料；也可以在下模增加角度控制的气动顶料机构，当滑块上升到一定高度，压机控制顶杆托盘顶起制件，使制件脱离模具型面，实现制件自由抓取。旧模具为了降低改造成本，也可以在局部增加直径为φ20mm的圆形聚氨脂，高出型面1~2mm即可。

双活翻边模设计时，需要实现制件上翻和下翻。下模氮气缸的行程应先行释放，否则会造成下模顶出器瞬间弹起，制件失位，端拾器抓不住料，也可以在下模增加制件定位销或在上模增加压料销，减少制件的自由度，实现端拾器自由抓取。若上模带料，主要是上模型腔真空带料，增加排气孔便可解决此问题。

为了消除冲孔废料回跳，凸模应设计成顶针式凸模，在完成冲裁后，顶料销将冲孔废料顶离凸模端面，防止其回跳；为了消除修边废料回带，应在上模镶块合适位置增加顶料销，防止其废料回带。

3.1.3 废料堵塞

废料排放是自动化模具生产中的重要问题，尤其是冲压线效率及自动化程度越来越高的情况下，一旦发生堵废料，轻则停机停线，影响生产效率，重则损坏模具，造成损失，所以，废料通道设计好坏直接关系着冲压自动线的生产效率[2]。

模具结构设计有以下几种情况：废料滑板角度大于30°，可以通过增加下模高度实现；小于30°可以选用虑网板减小摩擦力，提高废料下滑速度；小于15°可以采用滚轮或滚珠导滑；工艺设计无独立滑板的废料可以采用打料器将废料推进到旁侧滑板上将废料排出，前提条件压机必须具备角度控制气源。模具设计时，废料排放优先考虑从压机工作台中洞排出，如图8所示。

图8 带中洞的工作台

3.2 新技术新结构

3.2.1 气动固定板

气动固定板是利用气缸驱动固定板上下运动的一种装置，如图9所示，它可以实现不同制件状态的快速切换，其主要功能是通过切换凸模行程来控制冲孔或不冲孔以实现不同的制件状态。我司冲压件小批量品种很多，生产50~200件的制件多达40种，若采用人工更换凸模或切换模具换件生产都会浪费大量生产时间。而采用气动固定板切换制件状态，其效果稳定，切换迅速。其工作原理是利用空气压力为气缸提供动能，来推动斜楔的水平运动，以此来保证装配凸模方块顶起或落下，方块的运动行程约为8mm，可以保证制件冲孔的无有。该结构应用需要具备两个条件：①模具的型腔内有足够的空间布置气动固定板以及其气管装置，否则就会出现干涉而压坏模具部件；②需要保证压力机有两个以上的气源接口，且为常通状态。

图9 气动固定板

3.2.2 翻倒式定位板

翻倒式定位板是利用气缸推动定位板沿支点作旋转运动的一种装置，如图10所示。该定位板在自动化模具中的应用可以有效降低端拾器的送料高度，提高端拾器传输速度。我司商用车顶盖板的最大高度达到355mm，上模可穿越的高度为602mm，下模可以穿越的高度为1,213mm，端拾器抓取本身高度为420mm，4项通过性高度相加为2,590mm，已经大于压机最大通过空间2,500mm，无法进行正常的制件传输，若降低定位板高度，制件无法准确定位。应用翻倒式定位板（250mm）后，通过性高度降低到2,340mm，可调空间有160mm，保证制件正常传输，并且提高了传输效率。

图10 气动定位板

3.2.3 废料监控系统

目前大多数汽车主机厂采用高速冲压自动线进行生产，整条生产线冲程数为10～17次/min，如果模具出现废料堵塞现象，1min就会有10～17片废料卡在模具型腔中，如未及时发现，会造成模具损坏[3]，进而影响自动线的生产效率。因此有效监控废料堵塞，避免模具破坏而造成生产停线，以保证模具安全生产。

模具冲压成形过程中，冲裁产生的废料需要通过模具废料滑道排出。传统的废料滑道只是一个排料的通道，没有废料监控系统，现有废料监控系统可以用于对冲裁废料的监控，在废料通道出口的左右侧、上下侧各增加1组光电传感器，用于监控废料排放，通过PLC编程实现废料滑道的动态监控，图11、图12所示分别是某车型侧围的废料滑道的侧视图和主视图。

图12 废料滑道主视图

4 提高制件品质

4.1 冲压工艺和模具结构

4.1.1 制件拉毛

为了更好地减少制件压伤、拉毛等缺陷，模具在进行工艺和结构设计时应注意以下原则：模具型面可以选择关键部位做强压，非重要部位可以做弱压或型面空开；强压区域包括成形型面、控制材料流动的压料面、制件搭接面等；弱压区域包括成形过渡型面、非受力面、托料面、支撑面等；模具的强压型面都需要进行精加工，其粗糙度值最好保证在Ra0.4μm以下。实践证明，模具型面的粗糙度越大，摩擦力越大，模具磨损加大造成更大拉毛；间隙过小会造成制件压痕、拉毛，间隙过大会造成制件波纹、起皱。因此，较小的粗糙度值，合理的间隙，可以有效减少拉伸件的缺陷；除了型面的加工精度与模具的间隙，模具材质的选择也很重要，料厚大于1.0mm的覆盖件，深度大易拉毛的部位，应设计成镶块结构，材料为SKD11或Cr12MoV等合金钢，可大大提高模具耐磨性能。

4.1.2 制件压印

制件在后工序模具冲裁中会产生铁屑，铁屑带到模具型面上造成制件压印，这直接影响制件的外观质量，并且这种外观缺陷很难修复，会增加生产成本。

针对铁屑造成的制件压印问题，各大汽车公司都自己的解决方案，但多数方案增加了模具的制造难度和制造成本，也增加了模具维护成本。目前简单有效的方法有以下几种：①通过减小压料板与制件的接触面积，从而减少铁屑与压料板接触的概率[4]，模具制造时将压料板非压边区做空开处理，空开深度为2.5mm以上，压边面保证30mm的压边宽度；②采用吸收装置吸取铁屑，吸料装置主要由进气管、文丘里管、固定调节支架3个部分组成，工作原理是利用压力机PLC程序控制气源的适时开启与关闭，通过吸气口与出气口截面差形成的真空气流，对冲模交刀周围的铁屑进行吸取清理，在模具修边前接通，模具修边后断开，效果较好；③优化模具结构设计减少切屑生产，模具修边刀口垂直度高，刀口侧壁粗糙度小，否则修边刃口侧壁与工序件摩擦、挤压越大，产生的切屑越多，上下刀口不能太锋利，刀口越锋利，上下刀口的平行度越差切屑越容易产生；④模具设计时可以采用滑切式模具结构，不过模具尺寸变大，相应的制造成本增加。现场紧急处理时，可在修边冲孔模的废料刀刃口处涂上黄油，产生的铁屑被黄油粘住后很难进入模具型腔内。

4.2 先进的表面强化技术

冲压生产中面对的难题是拉伸件外表面和凹模表面拉伤，严重影响制件表面质量和凹模寿命，为了有效提高制件质量，需对模具进行表面强化处理。大型拉伸模一般需要经过激光淬火处理和电镀处理，激光处理技术一般针对模具成形型面，拉伸筋、拉伸槽等主要成形受力部位；经激光淬火处理后，其表面硬度可以达到55～58HRC，相比原来火焰淬火，具有淬火硬度均匀，型面变形量小等特点，可显著提高拉伸模的表面本体质量，待制件调试合格稳定后，模具再进行电镀处理，电镀一般选择镀铬层，它具有摩擦系数低，耐磨耐热等特点。大量实践证明，模具表面电镀后可以生产合格件5万以上，持续做好模具保养，生产合格件甚至高达14万件。

针对生产板料在1.0mm以上的模具，应对成形镶块，翻边镶块进行PVD处理，PVD具有较高硬度、低摩擦系数和抗高温氧化能力的膜层，可明显提高制件的表面质量，模具PVD处理后可连续生产合格件5~12万。

5 降低成本

5.1 冲压工艺与模具结构

根据制件生产批量来确认选择不同等级的模具材料与模具结构，如果汽车的年产量为小批量生产，可以适当降低模具的材料级别，模具主辅筋适当减薄，这样既可以满足制件的正常生产和减少模具制造成本；也可以通过改进工艺设计减少模具的工序数，提高模具的复合程度，减小板料的毛坏尺寸，从而减少模具数量或减小模具的轮廓尺寸，最终达到减少模具成本目的。目前单动压力机的液压垫具有数字化的调节功能，4个角压力是可调节的，我司的液压垫调节范围为800kN~6,000kN，液压垫的顶起高度为0~350mm，可以满足结构复杂的大型拉伸模的生产，不必将模具设计成结构复杂，重量较大的双动结构，因此将拉伸模设计成单动结构。采用托杆压料代替氮气缸压料，不仅从重量上减轻模具制造成本，而且每副拉伸模可以减少氮气弹簧投入成本2~20万元，例如我司的40C-8484模具设计成托杆顶料，可节约20个氮气缸，共计16万元。

5.2 材料成本

商用卡车的制件普遍较大，在设计制件时，往往会有大片材料的浪费，如：门外板的车窗、后围外板的中间窗框和中顶盖板的天窗区域等。为了利用这部分材料，可采用模中模技术，在这些区域加上小型制件与大制件一起冲压制造，如图13所示，可有效地提高材料利用率，降低材料成本[5]。

图13 一模两件

5.3 模具维修成本

汽车冲压模具材质大体上分为标准件、锻件、铸件3大类[6]，模具在进行结构设计时，应尽可能采用标准件或通用件，这样可以有效保证模具备件的互换性，减小模具备件的库存品种，其中标准件需保证其在模具中的通用性和互换性。在设计前期模具的易损部位使用镶块结构，降低模具维修费用，同时制定合理的模具保全周期，可有效防止模具磨损或损坏产生的维修成本。

6 自动化模具的维护与保养

自动化模具的维护与保养是冲压自动线正常生产的必要条件，其保证冲压制件质量合格，减少甚至消除模具故障的发生、延长模具的使用寿命。

模具维护保养包括模具自主维护保养和模具计划维护保养。模具自主维护保养以制造部门为中心的日常维护保养；模具计划维护保养由维护保养部门为中心的定期点检、故障修复，从专业角度解析不良和故障、改善弱点，防止再发和延长寿命，建立完善点检、保养基准，推进维护保养费用等管理业务，确立有效率的维护保养机制。

7 结束语

本文通过分析模具在冲压自动线中生产应用，阐述了自动化模具在进行冲压工艺和模具结构设计时所要重点关注的可行性问题。指出了模具在实现冲压自动化生产中的重难点问题，总结了自动化模具的关键设计要领，减少设计错误，大大提高设计效率，从而缩短设计周期，提高设计质量，保证了模具自动化的可行性，提高了冲压自动线的生产节拍。