冲模首次研合率的影响因素及优化方法

文／陈功宝，韩海博，张荣宽，曾世耀，黄必志·上汽通用五菱汽车股份有限公司

本文介绍了影响冷冲模具型面首次研和率的主要因素和优化方案，涉及模具结构设计的合理性、加工工艺、机床挠度补偿和模面不等间隙处理等诸多环节，能够给前期模具工艺结构优化设计提供一定的参考。

目前，汽车外覆盖件的生产方式仍以冷冲压为主。汽车覆盖件的尺寸和表面质量很大程度上取决于冲模的型面研合率，如何提升模具型面研合率也成了模具制造和调试过程中的重要环节，模具的初次研合率直接体现了模具型面精度，并且决定后续研合工作量的大小。

模具型面首次研合率

在模具加工装配完成后，其型面的第一次调试到底后确认的型面研合率即为首次研合率。模具拉延工序和后工序确认首次研合率的条件亦不相同：

⑴拉延模是在压边圈研合完成，研合率达到要求后(一般要求管理面为100%，压料面为90%)，使用CAE 分析确定的调试参数和板料(板料材质，尺寸和料厚等参数必须相符)来开展拉延调试出件。通过对平衡块和压边圈各区域间隙及阻力的优化调整，调试出材料流入量符合CAE 模拟分析的要求。通过对调试出的合格的拉延件刷蓝油(或红丹)，才能检查模具型面的首次研和率；

⑵后工序模具首先要使用合格的前工序零件进行排干涉，去掉影响零件符型和模具到底的干涉区域，干涉排完后再用合格的前工序零件刷蓝油(或红丹)确认首次研合率。

影响因素

模具结构

对于一些大型覆盖件(如侧围外板)和左右件合模的模具(如：左右翼子板，侧门内外板和发盖内外板)，如图1 所示。模具尺寸都比较大，模具本体在受到机床压力作用时会存在一定的变形，加上模具也有一定的塑性变形，导致模具闭合到底后存在成形不到位的情况和型面着色差，如图2 所示。

图1 一模双腔拉延模

图2 型面成形不到位

机床挠度

模具是在标准理论工况下设计的，即按照理论的产品数据，包括理论的压机生产参数以及不考虑模具受力的纯静态情况。然而在实际生产中模具会受到压边力以及零件成形过程中的反成形力，造成机床产生变形，这就是机台挠度变形。

机台的挠度变形通过模具上下模传导至模具型面，从而引起上下模型面间隙的变化。理论上说，机台工作台面只要强度足够大，受力变形就会减小，但是压力机工作台面受限于机台的厚度，以及为预留气垫顶杆上下运动做了部分避空，机台在受到较大的力时靠近中间部位会出现凹陷，如图3 所示。汽车外覆盖件零件尺寸较大，模具尺寸较大，拉延用的机台工作台面较大(一般为4600mm×2400mm)，吨位一般在2000 吨左右，机台挠度变形对模具调试过程中闭合到位状态有较大的影响。

图3 机台挠度变形状态示意图

加工工艺和精度

⑴加工工艺。

为了使模具型面的工作区域达到更高的硬度和增加耐磨性，从而提高使用性能和寿命，需要对模具的工作区域进行淬火处理。拉延模型面处理的主要方式有火焰淬火、高频淬火和激光淬火等几种，淬火处理后模具型面会存在一定的变形。淬火工艺变形量也各不相同，总体而言：高频淬火变形量＞火焰淬火变形量＞激光淬火变形量，由于淬火后模具变形无法避免，只能通过后续加工来消除。因此，对于采用火焰和高频淬火的模具，要在淬火完成后进行型面3D 精加工，而对于激光淬火可在3D 精加工完成后进行。

⑵加工精度。

目前，模具的加工都是采用数控机床完成，如图4(a)所示。机床的加工误差会造成模具上下模型面出现错位，模具闭合到位时有些区域顶兑，有些区域又出现离空，如图4(b)所示。影响模具加工精度的主要因素有以下几点：

图4 模具加工和型面错位示意图

①数控机床本身即存在误差。

②数控加工刀具的磨损。机床加工时，一般为0.2 ～0.5mm 步距走刀且大型模具加工时间较长，在整个加工过程中刀具一直会有磨损，尤其是最先加工完成的区域和最后完成的区域，往往存在因为刀具磨损而造成的加工误差。

③加工基准拟合的误差。在模具主体加工前，先加工出加工基准面，后续每次数控机床加工都要在拟合完基准后才能开始，基准面的加工和基准拟合的过程中都会存在一定的误差，且不同数控机床误差值不同。因此为了减小加工误差，一般同一套拉延模具的上下模型面精加工要在同一台数控机床上完成。加工误差不可避免，一般只能通过手工研合来解决，从而在一定程度上增加了研合的工作量。

机床精度

冲压机床的精度，主要是指机床上滑块和下工作台的平行度、垂直度、拉延用机床气垫的平整度和气垫顶杆高度的一致性等因素，这些都会影响到模具着色状态甚至模具生产的稳定性。生产车间都会有机修人员，会定期对机床进行检测保养和维修来确保机床的精度。

优化方法

模具结构设计

在模具设计阶段，对模具型面的关键区域加强设计，确保在模具闭合到底时尽可能小地产生形变，主要优化设计方案如下：

⑴模具(尤其是拉延模)各部件的高度要确保模具最基本的强度要求，设计要求见图5；

图5 大型拉延模各部件设计高度要求

⑵在模具型面零件楞线下方设计随形到底的筋条，如图6(a)所示；在易变形区域(门外板门把手、侧围加油口和后蝶窗拐角)设计筋条，且在上模底面设计可调式强压调整块，可根据现场调试情况调整垫块确保强压区域着色，如图6(b)所示。

图6 易变形区域结构优化设计

挠度补偿

为减小机床挠度造成的模具型面间隙的影响，在做模具加工数据时会依据累计的经验数据做相应的挠度补偿。以某项目顶盖为例，前期通过软件分析和偏差测量，分析出机床挠度变形的区域和变形量，从图7(a)可以看出，模具中间区域挠度变形明显，中心位置达到0.3mm。根据偏差值，对上模型面作相应的挠度补偿数值，如图7(b)所示。

图7 挠度补偿示意图

加工工艺优化

传统的加工工艺是首先进行精加工，然后进行火焰淬火，这样既无法消除淬火引起的变形，又增加了现场钳工的研合工作量。为消除型面热变形，决定调整加工工艺为：半精加工→火焰淬火/高频淬火→精加工，由于激光淬火热变形量较小，也可以在精加工完成后直接激光淬火。

模面不等间隙处理

根据冲压模具凸模成形的特性和冲压件各区域的质量要求，对上下模面间隙做相应的偏差处理：间隙做小(体现为强着色)、正常间隙(正常着色)、间隙做大(虚着色)和直接避空(不着色)，如图8 所示。这样处理既能保证产品特殊区域的质量要求，也能减少非关键区域的质量风险，同时能减少现场研合量。模面不等间隙处理是在满足产品质量要求的前提下尽可能减小非关键区域的型面接触，可大大减少全型面接触时非关键区域型面偏差影响整个型面着色的问题。

图8 模面不等间隙处理示意图

结束语

通过具体实践可知，上述的优化方案处理确实可大大提高模具型面的初始着色率，也大大降低了现场钳工的研合工作量，对缩短模具的整体制造周期也有着巨大的贡献。随着模面处理技术的进步和加工精度的不断提高，通过前期模面优化和加工来保证型面研合的思路正在得到业内的普遍认可，研合对钳工的依赖度也越来越低。但是到目前为止，机床挠度补偿基本上还依靠经验且每个厂家经验值均不同，如何准确的进行挠度补偿仍需要不断的经验积累和探索。