汽車車身模具質(zhì)量控制是怎么做到的？

2016-11-16 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

汽車覆蓋件模具,凸模和凹模之間的型面間隙,是由凸模和凹模型面加工精度所決定。加工精度不僅影響鉗工的修拋效率,而且影響上下模研合率,直至影響模具最終的質(zhì)量。所以,模具的上下模型面加工到位,是“二次加工”NC加工到位的一個主要內(nèi)容。

經(jīng)過近幾年的實(shí)踐,NC加工后,研床間隙研合確認(rèn),統(tǒng)計(jì)分析,再調(diào)整數(shù)控機(jī)床刀具的加工參數(shù)。目前,一般復(fù)雜的汽車覆蓋件模具型面,上、下模型面分別經(jīng)NC加工后,經(jīng)合模研床確認(rèn),著色還比較均勻。但這僅解決了間隙不均和需鉗工大量研拋的問題。要想解決NC加工后,上、下型面料厚間隙95%~100%區(qū)間的精度問題,還相差的甚遠(yuǎn)。這個區(qū)間精度問題的解決是一個很復(fù)雜很難穩(wěn)定保持的問題,影響的因素甚多,且很敏感。如:刀具的磨損、每次對刀精度、加工的讓刀現(xiàn)象、前面說的主軸振動,另外,對于大型模具上下模加工,刀具起始點(diǎn)和走刀軌跡的編程工藝問題等,目前我廠正在實(shí)踐和探索中。

汽車覆蓋件模具數(shù)控加工的在線測量是通過統(tǒng)計(jì)、分析、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整數(shù)控加工參數(shù),是近幾年的新做法。我廠也開展了幾年,收到了很好的效果。

在此過程中,我們做了兩件事:一是定心沖頭;二是刃口輪廓間隙。前期,我們在推廣定心沖頭使用時(shí),追求上下模分別加工后合模的正確率。另外,在推廣刃口模加工精度、追求上下模分別加工后合模刃口輪廓間隙的正確率時(shí),主要用于孔位加工和輪廓加工兩個方面。目前,這種方法已成為加工過程質(zhì)量控制的一種自檢方法,但仍存在一弊病,在線測量占用機(jī)時(shí)很嚴(yán)重,影響機(jī)床的使用效率,所以,孔位要求下模逐一檢查確認(rèn),輪廓僅抽點(diǎn)檢查確認(rèn)。

常世平先生:制造精度在模具開發(fā)過程中主要有兩種作用:1、制造精度對工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起保障作用,沒有高精度加工再好的模具設(shè)計(jì)也無法實(shí)現(xiàn)。反之,沒有高精度的加工,工藝設(shè)計(jì)和模具調(diào)試之間的反饋就被切斷,也就不能實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)的提高;2、制造精度對模具的質(zhì)量起保障作用,決定模具工作的穩(wěn)定性和壽命。

采用數(shù)控加工、采用高速高精度加工是提高制造精度的第一步,相對比較容易,現(xiàn)在國內(nèi)模具企業(yè)都已經(jīng)認(rèn)識和做到了這一點(diǎn)。但要達(dá)到制造高精度,并不是自然而然的事。保持機(jī)床剛度精度的穩(wěn)定性、選用高精度高剛性刀具、刀具管理、加工參數(shù)的優(yōu)化、高精度編程、鑄件的熱處理、提高標(biāo)準(zhǔn)件精度等,都需要很高水平的技術(shù)管理工作和大量的人力、資金投入。而我們的大多數(shù)企業(yè)都還遠(yuǎn)沒有認(rèn)識到,因此也不可能做到,高制造精度還停留在愿望階段。舉個例子:大型模具的上下模配合精度要求公差在0.02~0.03mm水平,而我們的機(jī)床定位精度、刀具擺動精度、刀具幾何精度、工件找正精度甚至環(huán)境溫度變化造成的工件收縮變形都屬于同一數(shù)量級,在這些誤差的累計(jì)和疊加下,怎么保證加工精度要求?確實(shí)不是件容易的事。高制造精度又是高質(zhì)量模具的基礎(chǔ),因此,國內(nèi)企業(yè)必須下大力量首先解決這個問題。

CAE是提高沖壓件品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)

天津汽車模具有限公司總工程師常世平先生

常世平先生:關(guān)于沖壓件質(zhì)量是模具質(zhì)量的關(guān)鍵因素前面已經(jīng)說了很多,但怎樣提高沖壓件質(zhì)量?在現(xiàn)階段主要是運(yùn)用好CAE技術(shù)。目前CAE技術(shù)在國內(nèi)一流模具企業(yè)中已經(jīng)普遍得到了運(yùn)用,但不同企業(yè)對該技術(shù)的認(rèn)識和運(yùn)用水平差別很大,大多數(shù)企業(yè)還屬于被動的和作表面文章的階段,沒有把它當(dāng)成模具設(shè)計(jì)和制造的推動技術(shù)。

大多數(shù)人認(rèn)為CAE只是沖壓成形的驗(yàn)證手段,而且對其準(zhǔn)確性還將信將疑。這種認(rèn)識過時(shí)了,現(xiàn)在的CAE技術(shù)已經(jīng)非常成熟,可以達(dá)到90%甚至95%以上的精度,可以運(yùn)用于工藝設(shè)計(jì)的全過程,直接指導(dǎo)模具的調(diào)試,保證制件的內(nèi)在品質(zhì),大大提高工藝設(shè)計(jì)水平和效率。

例如:在車身設(shè)計(jì)階段,利用CAE技術(shù)可以提高車身零件設(shè)計(jì)可靠性,減少車身設(shè)計(jì)階段的失誤。這對當(dāng)前國內(nèi)車身設(shè)計(jì)尤為重要,車身設(shè)計(jì)工藝性的好壞直接影響到模具開發(fā)的進(jìn)度和成本?，F(xiàn)在的CAE軟件都在向輔助工藝設(shè)計(jì)方向發(fā)展:自動確定沖壓方向、自動產(chǎn)生工藝補(bǔ)充面、坯料的展開等,使工藝設(shè)計(jì)過程極大的自動化。同時(shí),工藝分析的內(nèi)容也大大擴(kuò)展:嚙合線分析、棱線偏移分析、修邊角度分析、成裕度分析、扭曲回彈分析等,幾乎所有的成形缺陷都能得到事先考慮,保證了沖壓件的內(nèi)在品質(zhì),這些內(nèi)容是人的經(jīng)驗(yàn)根本無法作到的。一個好的CAE報(bào)告完全可以取代現(xiàn)行的DL圖,而且做得更好更全面。同時(shí),利用CAE報(bào)告直接指導(dǎo)模具的調(diào)試可以使模具調(diào)試作到心中有數(shù),不走彎路。

目前,在那些已經(jīng)運(yùn)用了CAE軟件的模具企業(yè)中,運(yùn)用CAE技術(shù)的普遍問題是:

1、工藝方案人員沒有與CAE技術(shù)結(jié)合;

2、沒有利用CAE軟件作輔助工藝設(shè)計(jì)手段;

3、CAE計(jì)算精度不夠;

4、各種成形缺陷分析不全面;

5、沒有信心堅(jiān)持CAE下的高標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)

6、沒有標(biāo)準(zhǔn)化的高水平CAE報(bào)告;

7、調(diào)試沒有把CAE報(bào)告當(dāng)作指導(dǎo);

8、制造精度不夠,對精細(xì)模面設(shè)計(jì)不支持;

9、沒有形成調(diào)試結(jié)果與CAE分析的閉環(huán)過程等。

對那些把CAE軟件看成是很神秘的企業(yè),CAE只是少數(shù)專業(yè)人員的事,只作為成形設(shè)計(jì)的檢驗(yàn),就會讓工藝設(shè)計(jì)人員感到只添麻煩不幫忙,結(jié)果使CAE作為招牌束之高閣。

當(dāng)然,目前CAE軟件在解決回彈計(jì)算方面還遠(yuǎn)不能滿足要求,這是影響制件精度的最主要原因。同時(shí),CAE軟件只把輔助工藝曲面設(shè)計(jì)融合進(jìn)來,而沒有把解決缺陷的一些常用處理方法吸收進(jìn)來,使CAE軟件在某種程度上還是一個只挑毛病而不幫忙的角色。

總之,CAE技術(shù)的充分運(yùn)用可以可靠地保證和極大地提高制件品質(zhì),CAE水平已經(jīng)成為衡量一個模具企業(yè)技術(shù)水平高低的重要指標(biāo)。

李樹新先生:在沖壓模具方面,CAE模擬仿真幫助我們優(yōu)化設(shè)計(jì),主要體現(xiàn)在以下幾個方面:一方面是產(chǎn)品工藝性的優(yōu)化;另一方面是模具工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化再一方面是NC加工的模擬仿真。

板料CAE模擬仿真無疑是一個好幫手,它利用有限元分析理論,把板料塑性加工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和板料特性融入其中。從理論上講CAE是為了解決前期產(chǎn)品工藝性和沖壓工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化等問題,前景廣闊。CAE的美好愿景和最高境界是模具的計(jì)算機(jī)調(diào)試,解決模具的“無調(diào)試”化,實(shí)現(xiàn)模具生產(chǎn)制造質(zhì)量和效率的最佳化。

在實(shí)際中,由于CAE有限元理論和生產(chǎn)實(shí)際還有一定的差距,另外,加上應(yīng)用水平的原因,特別是要想發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝性問題和模具沖壓工藝設(shè)計(jì)問題時(shí),首先應(yīng)用CAE的前提是:產(chǎn)品數(shù)模在什么樣的沖壓工藝補(bǔ)充造型條件下模擬。優(yōu)秀的沖壓工藝補(bǔ)充需要有相當(dāng)?shù)墓に囍R和技能經(jīng)驗(yàn)作保證。經(jīng)驗(yàn)越豐富,CAE模擬所走的彎路才能越少。

另外,它還是一個反復(fù)模擬逐漸逼近的過程,每一次模擬后的解析和解析后所采取的措施,是CAE模擬技術(shù)的核心。最逼近是最好的結(jié)果,從理論上講,就是CAE有限元理論和實(shí)際之差。再加上實(shí)際中還有加工精度、壓床精度等因素的影響,所以模具的“無調(diào)試”化還是個理想。

NC加工模擬仿真主要是對編程員的程序質(zhì)量進(jìn)行模擬檢查的過程。有兩方面的內(nèi)容:一是檢查、確認(rèn)程序的走刀軌跡能否滿足質(zhì)量精度要求,評審是否有異常跳刀的可能;二是檢查、確認(rèn)程序加工過程中刀具、主軸與工件是否干涉,也就是平時(shí)常說的干涉檢查。

王正雄先生:目前,我廠CAE使用的軟件是DYNAFORM,正處在由培訓(xùn)提高向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化的階段。NC加工模擬仿真方面一直應(yīng)用美國UGS公司的軟件,加工部分帶有模擬仿真軟件,效果還比較理想。

我公司目前采用的模擬仿真工具軟件是AUTOFORM,該軟件提供了一個從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到最后模具設(shè)計(jì)的完整的解決方案,其主要模塊有User-Interface(用戶界面)、Automesher(自動網(wǎng)格劃分)、Onestep(一步成形)、Die Designer of Process(工序模面設(shè)計(jì))、Incremental(增量求解)、Trim(切邊)、 Hydro(液壓成形) 等,該軟件特別適合復(fù)雜的深拉延和拉伸成形模的設(shè)計(jì)、沖壓工藝和模面設(shè)計(jì)的驗(yàn)證、成形參數(shù)的優(yōu)化、材料消耗的最小化、新板料(如拼焊板、高強(qiáng)度板)的評估和優(yōu)化以及成型件的回彈分析等。

我公司從2001年5月引進(jìn)該軟件,經(jīng)過幾年的應(yīng)用和開發(fā),在拉延成型類零件模擬分析、沖壓零件可沖壓成形性分析、沖壓零件毛坯展開計(jì)算、零件回彈分析、工序模面設(shè)計(jì)等方面得到了廣泛的應(yīng)用,效果理想,保證了模具的最終質(zhì)量。

影響模具使用壽命的關(guān)鍵因素

王正雄先生:模具材料的選用和熱處理工藝是否適當(dāng)對模具的使用壽命有著十分重要的影響,不同材質(zhì)的模具壽命往往不同。沖壓模具工作時(shí)要承受沖擊、振動、摩擦、高壓和拉伸、彎扭等負(fù)荷,工作條件比較復(fù)雜,模具零件易發(fā)生磨損、疲勞、斷裂、變形等現(xiàn)象,因此,對模具工作零件材料的要求比普通零件要高。

沖壓模具工作零件材料有兩點(diǎn)基本要求:

一、使用性能好。具有高硬度(58~64HRC)和高強(qiáng)度,并具有高的耐磨性和足夠的韌性,熱處理變形小,有一定的熱硬性;

二、工藝性能好。具有對各種加工工藝的適應(yīng)性,如可鍛性、可切削加工性、淬硬性、淬透性、淬火裂紋敏感性和磨削加工性等。通常根據(jù)沖壓件的材料特性、生產(chǎn)批量、精度要求等,選擇性能優(yōu)良的模具材料,同時(shí)兼顧其工藝性和經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)然,不同類型的沖壓模具因工作條件不同,對模具工作零件材料的要求也有所差異。如沖裁類模具,對于薄板料沖裁模具,其工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度,而對于厚板料沖裁模具,除了要求具有高的耐磨性、抗壓屈服點(diǎn)外,還應(yīng)具有高的抗彎強(qiáng)度和韌性。又如拉深類模具,就要求模具工作零件材料具有良好的抗粘附性(抗咬合性)、高的耐磨性和硬度、一定的韌性以及較好的切削加工性能,而且熱處理時(shí)變形要小。

李樹新先生: 材質(zhì)無疑是保證模具使用壽命的首要因素,但同時(shí)還有與之相關(guān)的另一大因素——材料的熱處理。材質(zhì)方面,因國內(nèi)普及使用的材料種類少,另外,還有進(jìn)口材料價(jià)格和成本的原因,一般用戶沒有特殊要求的,仍延襲用比較傳統(tǒng)的選材習(xí)慣,僅在產(chǎn)品特征和結(jié)構(gòu)特殊的地方,才不得以選用特殊材質(zhì)或表面特殊處理。

另外,在用戶有特殊要求或國外廠家訂貨有要求時(shí),有些模具材料選用進(jìn)口材料,如:刃口材料,修沖類的焊接刃口的焊條;拉延成形的合金鑄鐵;甚至要求嚴(yán)格的連模具的上下模板一般鑄件和螺釘都要進(jìn)口。這一方面說明了影響模具壽命的首要因素是材質(zhì),另一方面也說明了國內(nèi)材料生產(chǎn)能力和水平與國外相比還有一定差距。

熱處理方面,除材質(zhì)不同外,國外一般在模具調(diào)試好之后,為了適應(yīng)大批量生產(chǎn),模具往往采要進(jìn)行表面處理,以提高模具的使用壽命,同時(shí),對沖壓件質(zhì)量也有提高和保證,如表面鍍鉻、表面滲氮、TD處理等。

常世平先生:過去國內(nèi)的鑄件品質(zhì)不高,很大地影響了模具的使用壽命,近年來這種情況已經(jīng)有了根本性的改觀,特別是國內(nèi)一流鑄造廠無論是合金鑄鐵還是球墨鑄鐵、鑄造空冷鋼已完全能達(dá)到質(zhì)量要求,不比進(jìn)口材料差,但我們的模具材料表面處理工藝還有差距,比如:拉延模的電鍍、表面滲氮、TD處理和表面高頻淬火等技術(shù)都沒有應(yīng)用或有很大不足。

應(yīng)該引起我們重視的是,模具沖壓工藝設(shè)計(jì)、模具剛度設(shè)計(jì)、模具制造精度以及模具材料的表面處理也是影響模具壽命的主要因素。一個好的設(shè)計(jì)方案,應(yīng)該使制件成形容易、模具結(jié)構(gòu)簡單,這可以降低模具工作表面的摩擦,大大地延長模具使用壽命。另一方面,模具的精度和剛度不好,常常造成模具變形,引起模具的加速磨損,是極大的縮短模具壽命的元兇。

什么是真正的模具質(zhì)量?

常世平先生:一提“產(chǎn)品質(zhì)量”,人們往往想到的是一些數(shù)字,即各種各樣的質(zhì)量指標(biāo),但對于單件生產(chǎn)的訂制產(chǎn)品來說,用戶或供應(yīng)商都很難把質(zhì)量用一組單純的數(shù)字表述。其實(shí)汽車覆蓋件模具的質(zhì)量也像其他產(chǎn)品的質(zhì)量問題一樣,滿足用戶的需求是最根本的質(zhì)量。

但模具作為工裝設(shè)備,用戶的需求可分為直接用戶需求和最終用戶需求。

直接用戶需求主要是使用要求,模具的實(shí)用性、操作性、可靠性、維護(hù)性和壽命等要求。操作性包括模具的交換調(diào)整時(shí)間、人工操作的方便程度、自動化操作的適應(yīng)和可靠性、廢料的排出、沖次/分鐘等?？煽啃园▽_床性能變化的適應(yīng)裕度、平均免維護(hù)沖次等。

維護(hù)性包括易損件的互換性、維護(hù)的簡單方便等。模具的壽命要滿足車型的整個生命周期和車型退市后的售后服務(wù)需求。

國內(nèi)以往的沖壓模具絕大多數(shù)都是人工操作的低速沖壓,如何生產(chǎn)滿足相對高速的自動化沖壓線模具就成為提高模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平面臨的桃戰(zhàn)。又比如:滿足模具自動快速更換,模具與自動化沖壓線的同步配合,沖壓20次/min以上時(shí)的廢料排出問題,自動沖壓線的動態(tài)干涉問題,大批量高速沖壓模具的穩(wěn)定性和平均無故障時(shí)間問題等,這些問題都要求我們對自動化高速沖壓特性有充分的認(rèn)識,以提高我們的模具設(shè)計(jì)水平,更好地滿足用戶的需求,進(jìn)而達(dá)到模具質(zhì)量的要求。

模具的最終用戶需求主要是產(chǎn)品性能要求。模具的最終產(chǎn)品是沖壓件,這就要求用模具生產(chǎn)出的沖壓件的成本、精度、面品、剛度等滿足要求。對大規(guī)模生產(chǎn)來說,模具設(shè)計(jì)首先要解決材料的利用率、適應(yīng)高沖次等直接關(guān)系到制件的成本問題。同時(shí),模具對不同的車型能提供不同的精度、面品、剛度要求的沖壓件。這些問題對中國的模具企業(yè)來說都是新問題,也是直接影響模具質(zhì)量的大問題。

對于模具來講,用戶還有一些特殊需求,比如:用戶的認(rèn)知水平和使用習(xí)慣,車型開發(fā)整車協(xié)調(diào)中的模具修改等。

總之,對用戶需求的了解和適應(yīng),模具設(shè)計(jì)和制造的針對性是提高質(zhì)量的關(guān)鍵,把模具的質(zhì)量問題簡單地歸為模具材料和模具精度的提高并沒有找到問題的根本。

高質(zhì)量的沖壓件是模具要實(shí)現(xiàn)的最終任務(wù)

李樹新先生:模具的最終任務(wù)是沖壓出高質(zhì)量的沖壓件。目前,在塑性加工過程中,最難解決和最棘手的就是應(yīng)力、應(yīng)變所引起的扭曲、回彈等變形現(xiàn)象,所以說板料的塑性加工,更確切地說應(yīng)該是塑性變形和彈性變形的復(fù)合體。

如何準(zhǔn)確地判斷沖壓成形板料塑性加工的應(yīng)力分布是解決應(yīng)變的重要基礎(chǔ)。在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)實(shí)踐過程中,由于沖壓件產(chǎn)品形狀復(fù)雜,不同材質(zhì)的板料在同一產(chǎn)品制件成形中所產(chǎn)生的應(yīng)力不同,因此,應(yīng)變也不同。目前,我們只是憑經(jīng)驗(yàn)作定性分析,給出一定沖壓余量,作業(yè)沖壓產(chǎn)品的缺陷預(yù)測,并制定預(yù)防措施。這些措施有些是在沖壓工藝方案上實(shí)施,有些是在模具結(jié)構(gòu)上實(shí)施,有些是在產(chǎn)品數(shù)模再設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中實(shí)施。

改變產(chǎn)品數(shù)模,局部預(yù)留沖壓余量,達(dá)到最終沖壓產(chǎn)品缺陷預(yù)防的作用,這些正是塑性加工理論難以定量解決的問題,也是模具行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域高深莫測之處。

目前,國外在此方面做法比較嚴(yán)謹(jǐn)。他們對難以把握的沖壓產(chǎn)品,在作CAE反復(fù)逼近模擬分析后,通過制作概念車進(jìn)行沖壓工藝試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)加上試驗(yàn)最后得出的修正值,也就是所說的沖壓余量才是比較準(zhǔn)確和穩(wěn)定的,也才能把該沖壓余量最后移植到正規(guī)批量生產(chǎn)的模具上。這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇o論是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā),還是在模具的工藝分析、工藝設(shè)計(jì)上,投入的人力、物力都是巨大的,這就是為什么同一產(chǎn)品開發(fā)、工藝設(shè)計(jì),國外的技術(shù)價(jià)值含量要比國內(nèi)高很多的原因。目前,我廠有一些產(chǎn)品的沖壓余量是憑經(jīng)驗(yàn)給出的,如頂蓋,也有一些產(chǎn)品則是通過調(diào)試、測量統(tǒng)計(jì)分析后,總結(jié)出不等變量的沖壓余量,最終修正模具,落實(shí)到正規(guī)批量生產(chǎn)的模具上,如轎車天窗骨架、重卡左右保險(xiǎn)杠側(cè)板。

常世平先生:國內(nèi)的汽車模具企業(yè)數(shù)量眾多,這些企業(yè)在理念、技術(shù)、工藝、管理等許多方面都有很大的差異,企業(yè)處于不同發(fā)展階段,面臨的主要模具質(zhì)量問題也各不相同,因此要針對各自特殊情況加以解決。但樹立模具制造以用戶需求為質(zhì)量要求的理念,重視利用CAE技術(shù)提高沖壓工藝水平,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造,堅(jiān)持通過高精度加工達(dá)到只裝不配少修階段,我們的模具質(zhì)量一定會有一個巨大的飛躍。

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