大型薄板冲压模具毛坯快速制造新技术研究

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1、大型薄板冲压模具毛坯快速制造新技术研究*摘要:以大型薄板冲压模具毛坯的快速制造为研究背景，介绍了一套原理简单可靠的基于离散型面模的毛坯曲面构件快速成形技术与装置。讨论了任意复杂模具型面的毛坯模块化原则与方法，并在此基础上探讨了给定毛坯模块成形过程的设计问题，提出了相关理论与方法。这些理论方法和技术已应用到汽车新产品模具的开发中，可将开发时间缩短达50%，具有产生重大社会效益和经济效益的潜力。关键词:冲压成形模具快速制造毛坯前言薄板冲压成形是汽车和航空航天等行业十分重要的制造技术，其中汽车车身中的金属零件几乎100%为薄板冲压件，因此汽车车身的改型换代一直受到薄板冲压成形技术的影响和制约。由于薄

2、板冲压成形是一个十分复杂的力学过程，冲压工艺与模具的设计一直是很难的工程问题，常常导致模具制造和调试周期长、花费高，严重影响汽车新产品的开发进程要缩短调试时间关键是把好工艺设计关，工艺设计合理，调试时间就可以控制，否则就难以控制。随着CAE技术的不断成熟，通过应用CAE技术优化工艺方案和工艺参数是缩短调试时间的有效途径。要缩短毛坯制造时间，有多种方法可以采用。对新产品研制来说，采用低熔点合金铸造或快速原型技术等方法是行之有效的。对中小批量生产来说，不少企业采用钢板组焊模，并取得了高速度和低成本的良好综合效果。调查研究表明，钢板组焊模不仅已在实践中表现出高速度和低成本的优点，而且也具备高品质的潜

3、力，其中关键是要提高钢板组焊模设计制造中的技术含量。在国家科技部“十五”重点科技攻关课题支持下，开展了这方面技术的系统研究，并提出了一套大型覆盖件冲压模具毛坯快速制造的新技术。这里将重点讨论模具毛坯快速制造中的关键技术，即毛坯型面的快速成形技术与装备。对一个典型的汽车覆盖件的拉延工序来说，在最大并行化流程中，各阶段的相对时间可估算如下:工艺分析与设计2天，模具设计5天，毛坯制造20天，机械加工10天，组装与调试10天以上。在上述时间估算中，毛坯制造含制作泡模时间约1周，铸造时间约2周,组装与调试时间理论上没有上限，即如果工艺设计失败，调试就会耗时很长，甚至无法成功。由此可知要缩短模具的设计制造

4、总周期，缩短毛坯制造时间和调试时间是十分重要的。通过对大型覆盖件冲压成形模具的系统分析，人们不难发现其毛坯可分成平面构件和曲面构件两大类。其中平面构件可用厚钢板切割组焊而成，而曲面构件则需经过较复杂的加工方可制得。现在企业中常使用的方法包括两类，即压力机辅助的手工冷弯和手工热弯。手工冷弯适合厚度较小的钢板，如板厚小十30mm，而热弯适合于厚度大于30mm的钢板，目前的问题在于无论是热弯还是冷弯都凭工人的技巧来获取给定的构件曲面形状，误差很大，有时可大到一个板厚，使毛坯在加工时被完全铣穿，从而使毛坯报废。为解决这一问题，开发了一套离散型面模系统。模具毛坯中两类构件且上下模离散面的对应关系非常密切

5、，因此称其为离散型面模成形比多点无模成形更为贴切。其次，上下模顶杆的相互对应关系对厚板成形的精度和稳定性有重要影响，对不同的曲面构件应有不同的设计。第三，为减小回弹量，这一成形过程妇采用热成形过程，一次成形多个曲面构件。同时这种结构简单可靠，成本远低于通用的多点无模成形设备。下面对上述设备成形的基本性能作一简要分析。1.1最大理论成形梯度在下模座上定义如图4所示的坐标系，这里成形梯度指成形面在成形方向即z方向的位移随x和Y坐标的变化率，即Tx=du/dxTy=du/dy式子中：u-成型面的位移Tx、Ty-x、y方向上的成型梯度该系统包括如图3所示的上、下模总成，其中上、下模又分别由模座和顶杆组

6、成。顶杆一端为平头与模座用螺栓连接，而另一端为球头，且高度通过中间螺纹联接可以调整。上下模顶杆根据欲成形的曲面构件形状调节成一定的高度分布，其球头包络面便形成上下离散型面模腔。将调节好的模座装在压力机上便可方便地成形任意复杂的曲面构件。这一过程本质上与多点无模成形是一致的，但由于其特殊用途，因此又有其独特的性能和设计要求。首先它专为模具毛坯曲面构件的制造而设计，具有较小型面离散分辨率和特定的顶杆变化高度，本装置的最大成形梯度Txmax和Tymax与顶杆球头半径和最大调节高度有关，即Txmax=Tymax=0.5h/r式中h-最大调节高度r一一-球头半径若型面的成形梯度大于上述值，则不能直接成形

7、，而要分块成形。1.2理论成形板厚的影响因素分析最大理论成形板厚一般不受设备几何尺寸的限制，而是受其力学特性的限制，并与成形梯度有关。如图5所示，成形梯度越大，对顶杆的弯曲力矩越大，为了不使弯矩过大，应尽量使板厚减小。精确的理论成形板厚计算一般要用到有限元方法。但实践表明，对30mm至50mm厚的板加热到800℃左右后，上述装置在，30mm的条件下，可完成梯度达2.0的成形。1.3最小成形曲率半径