727 殼體側(cè)抽芯注塑模設(shè)計（有cad圖）,727,殼體側(cè)抽芯注塑模設(shè)計（有cad圖）,殼體,側(cè)抽芯,注塑,設(shè)計,cad 國內(nèi)外轎車覆蓋件模具設(shè)計概況 A.S. Pouzada, E.C. Ferreira and A.J. Pontes 摘要: 在介紹目前國內(nèi)轎車沖壓模具設(shè)計制造情況的基礎(chǔ)上，闡述了國外汽車公司轎車覆蓋件特別是外覆蓋件的沖壓工藝設(shè)計現(xiàn)狀及模具新技術(shù)應(yīng)用情況。 關(guān)鍵詞: 機械制造;轎車覆蓋件;沖壓工藝;模具設(shè)計 1前言 近幾年來，我國轎車市場發(fā)展十分迅猛，2002年在轎車銷售超過100萬輛的基礎(chǔ)上，2003年則向200萬輛大關(guān)邁進，達到了197萬輛。然而，在轎車熱迅速升溫的同時，不得不尷尬地面對這樣的現(xiàn)實—市場上熱銷的絕大多數(shù)車型是直接從國外引進的。由于國內(nèi)轎車覆蓋件模具設(shè)計制造能力從總體上看還比較薄弱，為了生產(chǎn)這些車型，各大汽車公司不得不耗資幾億、十幾億元采購海外模具。與國外大汽車公司相比，由于生產(chǎn)規(guī)模比較小，這就造成單車均攤的模具成本遠高于國外車，這也是造成國產(chǎn)車整車制造成木居高不下的主要原因之一。 2 國產(chǎn)轎車覆蓋件模具開發(fā)能力 國內(nèi)主要的轎車模具制造商有:一汽模具制造有限公司、東風汽車模具廠、天津汽車模具有限公司、成飛集成科技股份有限公司、南京模具裝備有限公司、上海千緣汽車車身模具有限公司等等。作為國內(nèi)最大轎車生產(chǎn)銷售商—上海大眾汽車有限公司，也有自己的模具設(shè)計制造部門((TMM部)。目前，雖然國內(nèi)模具商在轎車內(nèi)覆蓋件模具設(shè)計制造方面已小有能力，并可承接整車廠的部分模具開發(fā)項目，但對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，整車廠很少會將這類模具交由國內(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)計制造領(lǐng)域。2001年-2002 年完成了POLO轎車在手動壓機線上生產(chǎn)的10只簡單零件的模具，通過了公司質(zhì)保部門驗收并投產(chǎn)。2002年開始向大型化、復雜化、自動化發(fā)展，設(shè)計制造了6000kN自動線上生產(chǎn)的POLO轎車備胎座模具(該零件外形尺寸大、拉深深度深、形狀復雜)2003年，為進一步提高模具設(shè)計制造的能力和水平，我們涉足20000kN多工位壓力機和10000kN自動線生產(chǎn)使用的模具設(shè)計。過去上海大眾在20000kN多工位壓力機上使用的模具，全部需進u,國內(nèi)模具商還沒有能力設(shè)計制造這樣的模具。為此，我們選擇了POLO轎車中柱內(nèi)板的模具進行設(shè)計。20000kN多工位壓力機是世界上最先進的壓力機之一，集成化、自動化程度非常高，當然這對模具設(shè)計的要求也相應(yīng)地提高。零件的送料高度、步距、機械手的位置有嚴格的要求，還要保證機械手在運動過程中與模具無干涉，這樣給予模具設(shè)計的空間就小了很多。在考慮諸多因素之后，我們最終完成了整套模具的設(shè)計，其CAD裝配狀態(tài)如圖1所示。另外，我們還完成了POLO轎車在10000kN自動線上生產(chǎn)的后輪罩的模具設(shè)計，在去年的基礎(chǔ)上更進一步。這些工作的順利完成，標志著上海大眾模具設(shè)計能力已經(jīng)達到了國內(nèi)先進水平，從而為今后上海大眾汽車模具國產(chǎn)化打下了堅實的基礎(chǔ)。盡管如此，與國際先進水平比較，仍有較大差距，比如在轎車外覆蓋件模具設(shè)計方面還是空自。 在轎車沖模中，難度最大的是外覆蓋件模具設(shè)計，主要表現(xiàn)在以下兩個方面: (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)計中得到普遍應(yīng)用，已經(jīng)能夠比較準確地預測破裂和起皺，從而有助于設(shè)計合適的工藝補充面來改善拉深過程中材料的流動狀況，提高零件的成形ft。然而，迄今為止，大多數(shù)有限元軟件還不能精確地預測沖壓件從模具當中取出后的回彈變形。因此，對外覆蓋件回彈問題的處理，主要還是依靠經(jīng)驗來修改模具型面，使沖壓件過正成形，來抵消由于回彈導致的變形。 (2)沖壓件的取件 由于外覆蓋件(如前蓋外板、車頂、翼子板)都需進行復雜的翻邊整形或預卷邊工藝，這就使得在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須考慮沖壓件成形后的取件問題，目前，大都依靠復雜的多斜楔機構(gòu)聯(lián)動來實現(xiàn)模具工作部分對零件讓位，以實現(xiàn)方便取件，由此造成整個模具的結(jié)構(gòu)十分復雜。 3 國外覆蓋件模具設(shè)計 目前，國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)計和制造，這些公司都有很強的開發(fā)能力，并在某些零件的模具制造方面擁有獨到的優(yōu)勢。但作為整車廠，考慮到新車型開發(fā)過程中的保密，對諸如翼子板、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)計和制造。 3.1軟件環(huán)境 沖壓模具設(shè)計，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。下面，以AutoForm為例，說明如何利用CAE軟件來設(shè)計拉深工序工藝補充面。 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，還可以進行沖壓件單步法成形模擬以及拉深工序工藝補充面((Addendum)的設(shè)計。轎車沖壓件中，約有2/3可以利用AutoForm的Diedesigner Module模塊設(shè)計Addendum，該模塊根據(jù)由設(shè)計者指定的或由軟件自動產(chǎn)生的壓邊圈型面，以及工藝補充面的多條截面線(Profile)，能夠快速地生成工藝補充面，用于拉深工序的模擬，如圖2所示。壓邊圈型面、Profile均可進行參數(shù)化式的調(diào)整。這種快速設(shè)計是建立在對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械加工，但是對于模擬精度的影響卻不是很大。根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)計者可以很方便地對工藝補充面進行調(diào)整，直到模擬結(jié)果滿足設(shè)計要求。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軟件中進行曲面重構(gòu)，并結(jié)合產(chǎn)品數(shù)模，就能夠得到機加工可以使用的拉深工序模具數(shù)模。 沖壓工藝傳統(tǒng)設(shè)計方法:首先，在經(jīng)驗基礎(chǔ)上，利用CAD設(shè)計工藝補充面;其次，將CAD數(shù)模傳遞給AutoForm等CAE軟件進行拉深過程模擬;根據(jù)模擬結(jié)果，在CAD中對工藝補充面進行調(diào)整，并將新的CAD數(shù)模傳遞給CAE，開始新的模擬，直到滿足要求為比。這是一個從CAD到CAE再回到CAD的不斷反復的過程。由于每次在CAD中構(gòu)造曲面都遠較在AutoForm中復雜，因此，整個過程所花費的時間就多得多。而新方法在沖壓工藝設(shè)計初期，就用 Diedesigner Module在AutoForm軟件中設(shè)計并調(diào)整拉深工藝補充面，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，就能夠大大提高設(shè)計效率。 由于AutoForm是一款快速模擬軟件，為了在較短的時間內(nèi)對復雜沖壓件的成形過程進行評價，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)計開始之前還要利用模擬精度高的CAE軟件，如德國大眾就采用了Indeed軟件，對拉深工序進行再次模擬((Indeed軟件的計算是基于帶厚度的殼單元的，能夠得到更為準確的計算結(jié)果，但是其計算所花費的時間通常是AutoForm的幾到十幾倍，該軟件比較適用于最終驗證)，所有拉深工藝必須通過Indeed模擬并驗證為是可行的，才可用于模具設(shè)計。 模具設(shè)計完備，應(yīng)通過圖紙結(jié)合泡沫模型進行驗收(圖3)，各道工序用不同顏色的線條標記在泡沫模型上，這樣做直觀而清晰。還應(yīng)組織包括工藝設(shè)計者、項目規(guī)劃員、模具調(diào)試人員、模具操作者等相關(guān)人員進行討論驗收。對于在沖壓工藝上難以解決的成形問題，還應(yīng)邀請產(chǎn)品開發(fā)人員一同討論，尋求對產(chǎn)品進行更改設(shè)計的可能性。 3.2 修正回彈的對策 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，對此進行詳細分析。 通常外覆蓋件的回彈有以下兩類: ①大片平坦曲面由彈性回復造成的拱起或塌陷，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)計時通常不加以考慮，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，將試件與檢具進行對比測量，根據(jù)偏差對拉深模型面進行修正。如果設(shè)計人員對于這類問題的控制擁有非常豐富經(jīng)驗的話，也可以事先估計出曲面彈性回復的方向以及偏移量，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，這個計算過程需要由專門的計算機軟件來完成，在德國大眾，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)角變化，如圖4中B部放大所示。對于這類問題，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。該工作由工藝設(shè)計完成，并體現(xiàn)在工藝方案的數(shù)模中。 3.3 新斜楔機構(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(圖5)前蓋外板、車頂?shù)鹊姆呎喂ば蛑?，采用了一種稱之為“旋轉(zhuǎn)斜楔”的新工藝。其工作原理見圖6，旋轉(zhuǎn)斜楔上的凹槽部分是沖壓件需整形的區(qū)域，當整形過程完成后，氣缸驅(qū)動的托架推動旋轉(zhuǎn)斜楔繞滾筒轉(zhuǎn)動，從而達到對零件讓位的目的，方便整形后的零件從模具上取出。旋轉(zhuǎn)斜楔的優(yōu)點是: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)簡單;維修保養(yǎng)簡便且費用低。 4結(jié)束語 近年來，通過不懈的努力，國內(nèi)轎車沖壓模具的設(shè)計制造能力取得了顯著的進步。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，只要我們多加強國際交流，多吸取國外同行的設(shè)計制造經(jīng)驗，一定能夠加快轎車覆蓋件模具的國產(chǎn)化進程。 參考文獻 [1] C. Burke and R. Malloy, An experimental study of the ejection forces encountered during injection molding, SPE ANTEC Tech. Pap. 37 (1991). [2] R. Balsamo, D. Hayward and R. Malloy, An experimental evaluation of ejection forces: frictional effects, SPE ANTEC Tech. Pap. 39 (1993). [3] A.J. Pontes and A.S. Pouzada, Ejection force in tubular injection moldings. Part I: Effect of processing conditions, Polym. Eng. Sci. 44 (2004), p. 891. [4] G. Menges and H. Bangert, Measurement of coefficients of static friction as a means of determinating opening and demoulding forces in injection moulds, Kunstst. Ger. Plast. 71 (1981), p. 552. [5] B.J. Araújo and A.S. Pouzada, Design of ejection systems for injection moulds, O Molde 54 (2002), p. 36. [6] A.J. Pontes, A.M. Pinho, A.S. Miranda and A.S. Pouzada, Effect of processing conditions on ejection forces in injection moulds, O Molde 34 (1997), p. 25. [7] P. Collins, E.M.A. Harkin-Jones and P.J. Martin, The role of tool/sheet contact in plug-assisted thermoforming, Intern. Polym. Process. 17 (2002), p. 361. [8] P. Blau (Ed.), Friction, Lubrication and Wear Technology, ASM Handbook, vol. 18, ASM International, Ohio, 1992, p. 8. [9] N.A. Waterman and M.F. Ashby, The Materials Selector vol. 3, Chapman & Hall (1997). [10] D.I. James and W.G. Newell, A new concept in friction testing, Polym. Test. 1 (1980), p. 9. [11] M. Vaziri, F.H. Stott and R.T. Spurr, Studies of the friction of polymeric materials, Wear 122 (1988), p. 313. [12] R. Malloy and P. Majeski, Design of pin ejector systems for injection molds, SPE ANTEC Tech. Pap. 47 (1989). [13] P.A. Dearnley, Low friction surfaces for plastic injection moulding dies—an experimental case study, Wear 229 (1999), p. 1109. [14] T. Sasaki, N. Koga, K. Shirai, Y. Kobayashi and A. Toyoshima, An experimental study on ejection force of injection molding, J. Precis. Eng. 24 (2000), p. 270. [15] A.J. Pontes, R. Pantani, G. Titomanlio and A.S. Pouzada, Ejection force in tubular injection moldings. Part II: A prediction model, Polym. Eng. Sci. 45 (2005), p. 325. [16] Friction and Wear Testing Source Book, ASM International, Ohio, 1997. [17] ISO 8295, Plastics—Film and Sheeting—Determination of the Coefficients of Friction, 1995.