沈現(xiàn)青，黃昭明，陳森林，崔 霞

(1.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院，合肥 238000； 2.皖江工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031)

0 引言

因多工位級(jí)進(jìn)模具有生產(chǎn)率高、操作安全、能完成復(fù)雜加工工序，并適用于大批量零件的沖壓生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，時(shí)常被應(yīng)用于車身鈑金件的沖壓加工裝備[1-3]。為后續(xù)成形工位提供一定形狀的成形料片，在多工位級(jí)進(jìn)模工位設(shè)計(jì)中，前3工位一般設(shè)置沖裁工序[4-6]，而該工序的沖裁精度直接影響了后續(xù)工序的成形精度，因此，沖裁工位沖頭形狀的設(shè)計(jì)對(duì)縮短模具調(diào)試的工作量具有至關(guān)重要的影響。

目前，公開的多工位級(jí)進(jìn)模技術(shù)資料表明[7-8]，在其設(shè)計(jì)過程中通常應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)分析與優(yōu)化工藝過程和模具結(jié)構(gòu)，但由于實(shí)際沖壓過程中沖床、模具以及材料三者的微觀不確定性，導(dǎo)致了CAE技術(shù)仍無法替代試模過程而只能通過加大后期模具調(diào)試工作量來消除其不確定性因素帶來的沖壓誤差，從而延長(zhǎng)了模具的開發(fā)周期，降低了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為了解決所面臨的技術(shù)問題，本文通過CAD/CAE技術(shù)，結(jié)合實(shí)沖試驗(yàn)與試模法，提出了一種基于激光料帶試模的車身鈑金件多工位級(jí)進(jìn)模沖裁工位快速設(shè)計(jì)方法，旨在避免上述微觀不確定性因素帶來的沖壓誤差，以此縮短級(jí)進(jìn)模的開發(fā)周期。

1 多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)

1.1 多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)流程

多工位級(jí)進(jìn)模指沿著被沖原材料的直線送進(jìn)方向，具有兩個(gè)以上工位，并在壓力機(jī)的一次行程中，在不同工位上完成兩個(gè)以上沖壓工序的模具。多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)，其流程如圖1所示。

該設(shè)計(jì)流程可分為工藝設(shè)計(jì)、排樣與概要設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)4個(gè)階段。工藝設(shè)計(jì)就是對(duì)產(chǎn)品零件所包含的成形工序逐一進(jìn)行分析，確定產(chǎn)品零件的加工工藝方案。工藝設(shè)計(jì)前應(yīng)充分了解產(chǎn)品零件的要求及實(shí)際的生產(chǎn)條件。排樣與概要設(shè)計(jì)以工藝設(shè)計(jì)可行為前提，確定具體的工序方案和模具基本結(jié)構(gòu)形式，初步給出模具的估價(jià)和制造周期，確定是否繼續(xù)開展模具詳細(xì)的設(shè)計(jì)和制造。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)就是為級(jí)進(jìn)模正式投產(chǎn)而具體地開展的設(shè)計(jì)，在該階段部分模具零件的加工也將同期展開。該階段的主要成果是模具裝配圖以及需要加工的模具零件的工程圖。

1.2 多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)存在的問題

目前，在多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)中通常應(yīng)用CAE分析技術(shù)優(yōu)化工藝過程和模具結(jié)構(gòu)，但試沖的不確定性因素很多，如沖壓工藝性及形狀復(fù)雜性、沖壓工序設(shè)計(jì)及壓力機(jī)選擇的合理性、級(jí)進(jìn)模結(jié)果的合理性、加工及裝配精度的偏差、調(diào)試用壓力機(jī)選擇合理性、試沖板料是否符合設(shè)計(jì)要求以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等，所以，CAE仍無法替代試模過程，需要增加后期的模具調(diào)試來消除其不確定性因素帶來的沖壓誤差。

圖1 多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)流程

車身鈑金件通常具有復(fù)雜的形狀和嚴(yán)格的形位精度，故車身鈑金件級(jí)進(jìn)模的工位設(shè)置較多。根據(jù)車身鈑金件復(fù)雜程度的不同，級(jí)進(jìn)模工位設(shè)計(jì)中一般在前3～6工位設(shè)置沖裁工序，其目的是為后續(xù)成形工位提供一定形狀的成形料片。沖裁工位的沖壓精度直接影響后續(xù)工位的沖壓精度，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，沖裁工位的設(shè)計(jì)對(duì)縮短模具調(diào)試的工作量有至關(guān)重要的影響。

2 沖裁工位快速設(shè)計(jì)方法

本文提供一種基于激光料帶試模的車身鈑金件多工位級(jí)進(jìn)模沖裁工位快速設(shè)計(jì)方法，目的是減少級(jí)進(jìn)模中沖裁工位的修模時(shí)間，減少模具調(diào)試時(shí)間，縮短車身開發(fā)周期[9]。該方法包含3個(gè)步驟：步驟一為獲得第一次試模激光料帶；步驟二為通過實(shí)沖與檢測(cè)修正第一次激光料帶，修正上一次激光料帶，再次試模與檢測(cè)，直至試模獲得合格的制件；步驟三為快速設(shè)計(jì)多工位級(jí)進(jìn)模的沖裁工位。沖裁工位快速設(shè)計(jì)方法流程如圖2所示。

當(dāng)試模次數(shù)為多次時(shí)，在第一步中，下一次試模使用的試模激光料帶是在上一次試模使用的試模激光料帶的圖紙上進(jìn)行修正制作。試模激光料帶是由激光開料機(jī)根據(jù)圖紙?jiān)诎辶仙锨懈钋矣啥鄠€(gè)料片連接而成的，料片的數(shù)量不少于級(jí)進(jìn)模上設(shè)置的成形工位的數(shù)量，且在試模時(shí)對(duì)應(yīng)各個(gè)成形工位處分別有一個(gè)料片；試模的級(jí)進(jìn)模上未設(shè)置沖裁工位。

圖2 沖裁工位快速設(shè)計(jì)方法流程

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 制件排樣工序分析

圖3所示為一個(gè)車身鈑金件三維數(shù)模，該制件具有較復(fù)雜的外部邊線和多個(gè)內(nèi)部形孔，且外部邊線基本需要通過翻邊獲得，易知最終沖裁料片對(duì)制件的翻邊邊線和內(nèi)部形孔位置精度具有較大影響。故以該制件的多工位級(jí)進(jìn)模沖裁工位的設(shè)計(jì)為例，探討本文所提出設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性。

圖3 車身鈑金件三維數(shù)模

以圖3所示的車身鈑金件為例，通過CAE軟件AutoForm一步逆成形法，獲得制件的料片展開圖，如圖4所示，該料片1 mm厚，外形尺寸為324.73 mm×230.10 mm。所設(shè)計(jì)的12工位工序排樣圖，如圖5所示，其中a為第1沖孔工位、b為第2修邊工位，c為第3修邊工位，d為第4修邊工位，e為第5修邊工位，f為第6修邊工位，g為第7翻邊工位，h為第8翻邊工位，i為第9翻邊工位，j為第10修邊和沖孔工位，k為第11空工位，l為第12翻邊和切斷工位。顯然，該制件是將前6工序沖裁后的板料形狀用于后續(xù)翻邊成形，前6沖裁工序的形狀與位置精度決定了后續(xù)翻邊工序的成形精度，是該制件級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是縮短修模周期的主要影響因素。

圖4 料片展開圖

3.2 沖裁工位快速設(shè)計(jì)步驟

步驟一：獲得第一次試模激光料帶。將一步逆成形法獲得的制件料片展開圖導(dǎo)入CAD系統(tǒng)，并按級(jí)進(jìn)模排樣的載體形式連接8個(gè)展開料片，即形成如圖6所示的激光料帶結(jié)構(gòu)CAD圖，然后應(yīng)用激光切割機(jī)在1 700.00 mm×335.00 mm的矩形板料上切割出板料厚度為1 mm的激光料帶。將切割好的激光料帶作為試模對(duì)象，試模模具為暫未設(shè)計(jì)沖裁工位的車身鈑金件級(jí)進(jìn)模。依據(jù)排樣工位試模是從第7工位翻邊開始，經(jīng)過7～12工位沖壓后獲得第一次實(shí)沖制件。

步驟二：通過實(shí)沖與檢測(cè)修正第一次激光料帶，修正上一次激光料帶，再次試模與檢測(cè)，直至試模獲得合格的制件。對(duì)第一次實(shí)沖獲得的制件進(jìn)行檢具與三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的檢測(cè)。首先進(jìn)行檢具檢測(cè)，當(dāng)被測(cè)實(shí)沖制件的形孔與邊線位置不符合極限量規(guī)檢測(cè)要求時(shí)，可判定該被測(cè)要素不符合要求，然后應(yīng)用三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)被測(cè)要素，進(jìn)一步獲得離散誤差值，再對(duì)不符合形位公差的被檢要素進(jìn)行離散誤差修正與光滑連線。首次試模激光料帶CAD結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。按該方法進(jìn)行試模與修正，直至試模獲得的制件形位公差達(dá)到零件圖的形位公差要求為止。

對(duì)第2次試模的激光料帶中各料片上5個(gè)小孔和1處邊線進(jìn)行了修正，如圖7(a)中1所指；對(duì)第3次試模的激光料帶中每個(gè)料片上的2個(gè)小孔進(jìn)行了修正，如圖7(b)中2所指；對(duì)第4次試模的激光料帶中每個(gè)料片上的3處邊線進(jìn)行了修正，如圖7(c)中3所指，本例通過第4次試模獲得了合格的制件。

a.沖孔工位；b、c、d、e、f.修邊工位；g、h、i.翻邊工位；j.修邊和沖孔工位；k.空工位；l.翻邊和切斷工位圖5 工序排樣圖

圖6 首次試模激光料帶CAD結(jié)構(gòu)圖

圖7 激光料帶中料片的三次修正

步驟三：快速設(shè)計(jì)多工位級(jí)進(jìn)模的沖裁工位。以最后一次，即如圖7(c)所示，本例第3次修正的料片為依據(jù)，快速設(shè)計(jì)多工位級(jí)進(jìn)模的沖裁工位。筆者未按如圖1所示的設(shè)計(jì)流程對(duì)該制件進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，不能量化本文所提出方法的效果，但由于經(jīng)過了實(shí)沖驗(yàn)證，所以能夠避免用CAD/CAE技術(shù)主導(dǎo)模具設(shè)計(jì)時(shí)后期沖裁工位修模時(shí)間增大的弊端。

3.3 激光料帶形狀的確定注意事項(xiàng)

確定激光料帶形狀時(shí)要注意：1)為保證加工精度，激光料帶不宜過長(zhǎng)；2)為保證料帶的順利送進(jìn)，激光料帶上需設(shè)置導(dǎo)正孔；3)為方便級(jí)進(jìn)模研合，激光料帶必須能保證成形工序開始的每一序都有料片，故設(shè)置最小料片個(gè)數(shù)為6個(gè)；4)激光切時(shí)，料帶前后料片定位不穩(wěn)定，一般不做試模用，故最小料片數(shù)增加至8個(gè)。

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜車身鈑金件的級(jí)進(jìn)模開發(fā)過程中，沖裁工位的設(shè)計(jì)是影響其開發(fā)周期的主要因素，通過一種車身鈑金件級(jí)進(jìn)模沖裁工位快速設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了多工位級(jí)進(jìn)模沖裁工位快速設(shè)計(jì)。本文針對(duì)復(fù)雜車身鈑金件所做的具體研究，旨在幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本方法的構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解，并有助于其實(shí)施。

目前，CAD/CAE技術(shù)仍無法完全替代多工位級(jí)進(jìn)模的試模過程，但隨著板料成形計(jì)算機(jī)分析技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAE技術(shù)將能夠更準(zhǔn)確地模擬沖壓成形過程，從而能夠更高效地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。