0前（qián）言（yán）

      薄板衝壓（yā）成形是汽車和航空航天等行（háng）業十分重要的（de）製造技術,其中汽車車身中的金（jīn）屬（shǔ）零件幾乎100%為薄板衝壓件,因此汽車車身的改型換代一直受到薄板衝壓成形技術的影響（xiǎng）和製約。由於（yú）薄板衝（chōng）壓成形（xíng）是一個十分複雜的力（lì）學過程,衝壓工藝與模具的（de）設計一（yī）直是很（hěn）難的工程問題,常常（cháng）導致模具製造和調試周（zhōu）期長、花費高,嚴重影響汽車新產品的開發進（jìn）程。衝壓成形模具的設（shè）計製造一般（bān）流程如圖1所示。

      對一個典（diǎn）型的汽車覆蓋件的拉延工序來說,在最大並（bìng）行化流程中,各階段的相對（duì）時間可估算如下:工藝分析（xī）與設計2天,模具（jù）設計（jì）5天（tiān）,毛坯製造02天,機械加工       01天,組裝與（yǔ）調試（shì）10天以（yǐ）上。在上（shàng）述（shù）時間估算中,毛坯製（zhì）造含製作泡模時間約1周,鑄造時間約2周（zhōu）,組裝與調試時間理論上（shàng）沒有上（shàng）限,即如果工藝設計失敗,調試就會耗時很長,甚至無法成功。由（yóu）此可知要縮短模具的（de）設計製造總周期,縮短毛坯製造時間和調試時間是十分重要的。

      要縮短調試時間關鍵是把好（hǎo）工藝設計關,   工藝設計合（hé）理,調試時間（jiān）就可以控製,  否則就難以控製。隨（suí）著CAE技術的不斷成熟,通過（guò）應用CAE技術優化（huà）工藝方案和工藝（yì）參數是縮短調試時間的有（yǒu）效途徑。要縮短毛坯製造時間,有（yǒu）多種方（fāng）法可以采（cǎi）用。對新產品研製（zhì）來說,采用低熔點合金鑄造或快速原型技術等（děng）方（fāng）法是行之有效的。對中小批量生（shēng）產來說,不少企業采用鋼板組焊模,並取得了高速（sù）度和（hé）低成（chéng）本的良好綜合效果。調查研究表明,鋼（gāng）板（bǎn）組焊模不僅已在實（shí）踐（jiàn）中表現出（chū）高速度和（hé）低成本的優點,而且也具備高品（pǐn）質（zhì）的潛（qián）力,其中關鍵是要（yào）提高鋼板組焊模設計（jì）製造中的技術含量。在國家科技部"十（shí）五"重點科技攻關（guān）課題支持下,開展了這方麵（miàn）技（jì）術的係統研究, 並提出了一套大型覆蓋件衝壓模具毛坯快速製 造的（de）新技術。這裏將（jiāng）重點討論模具（jù）毛坯快（kuài）速製造中的關鍵技術, 即毛坯型麵的快速（sù）成形技術與裝備。

      1基於離散型麵模的毛坯曲麵構件快速（sù）成形（xíng）技術與裝置

      通過對大（dà）型覆蓋件衝壓成形模具的係（xì）統分析,人們不難發現其毛坯可分成平麵構件和曲麵（miàn）構件兩（liǎng）大類,如圖2所示。其中平麵構件可用厚（hòu）鋼板（bǎn）切割組焊而成,而曲麵構件則（zé）需經過較複雜的加工方可製得（dé）。現在企業中常使（shǐ）用的方法包括兩類,即壓力機輔助的手工冷（lěng）彎（wān）和手工（gōng）熱彎。

      手工冷彎適合厚度較小的鋼板,如板厚小十03Inln,而熱彎適合於厚度大於03mm的鋼板,目前的問題在於無論是熱（rè）彎還是冷彎都（dōu）憑工人的技巧來獲取給定的（de）構件曲麵形狀,誤差很大,有時可大到一個板厚,使毛坯在加工時被完全銑穿,從而使毛坯報廢。為解決這一問題,開發了一套（tào）離（lí）散型麵模（mó）係統,如圖3所示。

      該係統包（bāo）括如圖（tú）3所示的上、下模總成,其中上、下模（mó）又分別（bié）由模座和頂杆組成。頂杆一端為平（píng）頭與（yǔ）模（mó）座用螺栓（shuān）連接,而另一端為球頭,且高度（dù）通過中間螺紋聯接可以調整。上、下模（mó）頂杆根據欲成形的曲麵構件（jiàn）形狀調節成一定（dìng）的（de）高度分布,其球頭包絡麵便形成上下離散型（xíng）麵（miàn）模腔。將調節好的模座裝（zhuāng）在壓力機上便可方便地成形任意複雜的曲麵構件。這一過程本質上與多點無模成形（xíng）是一致的,但由於其特殊用途,因此又有其獨特的性能和設計要求。首先它專為模具毛坯曲麵構件的製造而設計,具有較小（xiǎo）型麵離散分辨率和特定的頂（dǐng）杆（gǎn）變化高度,且上下（xià）模離（lí）散麵的對（duì）應關係非常密切,因此稱其為（wéi）離（lí）散型（xíng）麵模成形（xíng）比（bǐ）多點無模成（chéng）形更為貼切。其次,上下模頂杆（gǎn）的相互對應關係（xì）對厚板成形的精度和（hé）穩定性有重要影響,對不同的曲麵構件應有不同的設計（jì）。第三,為減小回彈量,這一成形過程（chéng）婦采（cǎi）用熱成（chéng）形過程（chéng）,一次成形（xíng）多個曲麵構件。同（tóng）時這種結構簡單可靠,成本（běn）遠（yuǎn）低於通用（yòng）的多點無模成形設備。

      下麵對（duì）上（shàng）述設（shè）備成形的基本性（xìng）能作一簡要分析。

      1.1最大理論成形梯度

      在下模（mó）座上定義如圖4所示的坐標係,這裏成形梯度指成形麵在成（chéng）形方向即z方（fāng）向的位移隨x和y坐標的變（biàn）化率（lǜ）,即

      式（shì）中u-成形麵的位（wèi）移，Tx,Ty-x和y方（fāng）向的（de）成（chéng）形（xíng）梯度

      本裝置（zhì）的最大成形梯度Txmax和Tymax與頂杆球頭（tóu）半徑和最大（dà）調節高度有關,即Txmax=Tymax=0.5h/r式中h一-一最（zuì）大調節高度   r一一-球頭半徑若型麵的成形梯度大於上述值,則不能直接成形,而要分（fèn）塊成形。

      1.2理（lǐ）論成形板厚的影響因素分析

      最大理論成形板厚（hòu）一般不受設備幾何尺寸的限製,而是（shì）受其力（lì）學特性的限製,並與成形梯度有關。如圖（tú）5所示（shì）,成形梯度越大,對頂杆的彎曲力矩越大,為了不使彎矩過大,應盡量使板（bǎn）厚減小。精確的理論成形板厚計算一般（bān）要用到有限元方（fāng）法。但實踐表明,對30mrn至50rDIn厚的板加熱（rè）到800℃左右後,上述裝置（zhì）在,30mm的條件下,可完成梯度達2.0的成形。

      1. 3  最小成形曲率半徑

      假設不計成形中板厚的變化,最小成形曲率半徑對厚度小於r的板料可取（qǔ）頂杆球頭的半徑,如圖6所（suǒ）示。當板厚大於;時,曲率半徑會變（biàn）大。由於受很強的局部熱變形影響,變大的具體數值一般要通過有限元法方（fāng）能定量計算。

      以下分別（bié）討論如何基（jī）於這一專用設備對給定的複雜模具型麵進行分塊並製造出相應的分塊構件。

      2 任意複雜型麵的毛坯（pī）模塊化

      上節提到離散型麵模所能提供的成形（xíng）梯度受到一定（dìng）的限製（zhì）。同時,一次成形的型麵總尺寸和總成形深度也受設備幾何尺（chǐ）寸的限製。因此（cǐ）對於大（dà）型覆蓋件模具而言,不可能用（yòng）一塊整板通過成形來製造（zào）其型（xíng）腔毛坯表層（céng）結（jié）構,而隻能通過合理分塊來（lái）實（shí）現離散型麵模的成形。合理分塊的原則如下（xià）:a使（shǐ）總（zǒng）的分塊數量最少,分塊數量越少,表麵焊縫越少,便於型麵的數控（kòng）加工（gōng）,也便（biàn）於（yú）減少毛坯（pī）變形。b使每塊的成形梯度盡可能小,並小於最大成形梯度式枷又和界（jiè）栩囂。»使分（fèn）塊邊界線遠（yuǎn）離（lí）型麵重要（yào）工（gōng）作部分,如局部凸起部分,並使分塊邊界線盡量呈（chéng）對稱（chēng）分布。

      基於上述原則,可提出一般情況（kuàng）下拉延模型麵的分塊方案。無論汽車覆蓋件具體形狀多（duō）麽複雜,都可以用圖7來表示其拉延成形（xíng）模具的型腔構成。

      圖中ABCD表（biǎo）示的是凹模的型麵輪廓,其中B、C、D和E表（biǎo）示可（kě）能的分（fèn）塊邊（biān）界線位（wèi）置。C點和D點（diǎn）都（dōu）為凹模的凹（āo）部,為次（cì）要（yào）成形麵,故可考慮為焊縫所（suǒ）在（zài）處,B點和E點為拉延（yán）筋（jīn）位置,如有必要也可（kě）選為焊縫所在處。對壓邊圈而言,問題比較簡單,因為它一方麵型麵（miàn）較小,另一方麵也不含有太大的成形梯度。對凸模來說,其型麵輪廓IJKL在J 處和K處分塊,一般都（dōu）能滿足成形方麵（miàn）的綜合要求。

      如果焊縫處為（wéi）次要（yào）成形麵,且焊縫設計（jì）合理的話,有可（kě）能完全避免對（duì）焊縫的數控（kòng）加工和打磨,從而提高加（jiā）工效率。用於型腔表層結構的鋼板一般（bān）為25mm。以上的厚板,其焊縫坡口可按如圖8所示的形式和尺（chǐ）寸設計,   其中a大於（yú）等於10mm,   由於型腔表層結構通常有足夠多的筋板支撐,且（qiě）在焊縫處可設附加筋板,故焊縫不一定要求（qiú）滿焊。如果焊縫處有明顯的材料流動,可用高性能膠合劑填（tián）平焊縫再經打磨後用拉延油潤滑。

      3     型麵毛坯（pī）模塊的成形過程設計

      型麵（miàn）毛坯分塊後,就要對其（qí）成形過程進行設計（jì）,以（yǐ）保證成形後的毛坯模塊符合毛坯組焊的基本要求。這個設計過程要解決（jué）如下幾個方（fāng）麵主要問題。

      3.1毛坯板厚的確定

      毛坯板厚的確（què）定主要根據毛坯模塊的局部凹凸情況確定。所謂局部凹凸這裏指不能（néng）通過調節頂杆高度進行成形而獲得（dé）的凹凸形狀。由前節可知,如果型麵形狀的曲率半徑小於最小成形曲率（lǜ）半徑,那（nà）麽該部分形狀（zhuàng）屬於（yú）局部凹凸。如果不允許毛坯（pī）模塊堆焊局部（bù）凸塊,那麽毛坯（pī）的（de）最小板（bǎn）厚（hòu）應按下式計算

      由此可知,對於帶圓弧半徑小（xiǎo）於5mm的拉延筋的壓邊（biān）圈部分,用25mm厚的鋼板即可滿足型麵加（jiā）工的基本要求。

      3.2上下模相對位裏的確（què）定（dìng）

      上（shàng）、下模的相對位置主要指在垂直於衝壓方向的平（píng）麵內的相（xiàng）對位置,如（rú）圖9所示。其（qí）中圖9a表（biǎo）示上、下（xià）模頂杆中心線重合的情形,而（ér）圖（tú）9b表示上、下模頂杆中心錯開半個頂杆中心距時（shí）的情（qíng）形。盡管介於這（zhè）兩種情形之間還可有（yǒu）多種其他相對（duì）位置的選擇,但其意義並不大。

      上下模相對位置的確定主要與毛坯模塊曲麵的最小曲率半徑有關。如果毛坯模塊最小曲率（lǜ）半徑足夠大,就可直接采用第一種方案,否則就采用第二種（zhǒng）方案。

      采用第一種方案時裝模和調試較方便,而采用第二種方案時裝模和調試都相對較困難一些。斌（bīn）同一毛坯模塊的成形,既可采用第一種方案,也可采用第二種方案,但對應的頂杆高度分布是不一樣的。

      3.3頂杆高度（dù）的確定

      上下模頂杆高度的確定是最終決定毛坯模（mó）塊的關鍵因素。對於第一種上下模（mó）相對位置的選擇方案,給定型麵條件下的頂杆高度可按如下方法確定。

      為了使球頭包絡麵能精確地逼近模具型腔（qiāng）曲麵,需要獲得oxy(離散型麵（miàn）模底座平麵,後同)平麵上均勻分布頂杆的精確高度位置(z向（xiàng）坐標)。如圖10所示,曲麵S沿（yán）法向偏移一個球頭半徑得到曲麵sl,當球頭球心位於S1上任意一點時,球體必與S相切 (S的曲率半（bàn）徑應大於球頭半徑)。因此,利（lì）用s1可避開球頭與毛坯鋼板接觸點的搜索（suǒ）,頂杆（gǎn）高度計算變成（chéng）計（jì）算曲麵sl上在口砂,平麵均布的點的z向坐（zuò）標。對於求取曲麵上x,y坐標確定的點的z向坐標,有解（jiě）析法和數（shù）值法。解析法對於一些基本曲線、曲麵,計算速（sù）度快,精度很高。在CAD軟件中,曲麵（miàn）造型采用（yòng）的是複雜（zá）曲線、曲麵（miàn）表示方法,且數據結構（gòu）複雜,雖然解析法可能(有時很難求得解析解)可以獲得（dé）很高的精度,但軟件（jiàn）開（kāi）發工作量大。與解析法相比,數值解法是將曲麵（miàn）由大量的細小離散平麵構成,然後用插值的（de）方法求出對應x,夕坐標的點的z向坐標。它的計算精度取決於原始離散（sàn）精度（dù）和插值方法,離散平麵越（yuè）小,計算誤差越小,但要消耗更多的計算時間（jiān）。在本項目應用中,精度要求最大弦（xián）偏差小於（yú）.02rnr。,采用數值方法可以取得很好的效果。

      首先在CAD軟件中完成模具（jù）設計,然後將模具（jù）型腔曲麵導出轉換成（chéng）標準圖形交換格式IGES,采用有限元前處理軟件如Dynaforln、Hypermesh等從曲麵生成（chéng）網格這裏並不需（xū）要生成高（gāo）質 量元(高質量是對有限元計算而言), 故（gù）網格生成工作量很小（xiǎo）。當（dāng）頂杆直徑為60mm時, 限（xiàn）定生成網格最小尺寸為8mm,最大尺寸20mm, 最大（dà）弦偏差0.13mm.。生成網格後，將網格法向向下偏移一個（gè）球頭半徑,即可獲得下模頂杆離散球（qiú）心曲麵。輸出上下（xià）模（mó）球心離散（sàn）曲麵節點（diǎn）信息,提供給離散頂杆高度計算程序（xù）。由於獲得的這（zhè）些節點並不在頂杆球心處,各頂杆球心的z向高度是通過搜索最近的3個鄰近節點再插值求得,算法如下。

      (l)搜索鄰近節點:給球心Ci置3個初始鄰近節點(取1,2,3號節點),並按與球心的距離（xoy平麵上（shàng）)排序。然後依次讀入其（qí）餘待選節（jiē）點,計算與球心的距離,若待選節點比最遠的（de）鄰近節點更靠近球心,則用它取代該鄰近（jìn）節點,並按距離重新排序,直至搜索完所有的待選節（jiē）點,完成（chéng）一個球心的3個鄰近節（jiē）點搜索。

      (2)插值:球心C搜索到3個鄰近節點為（wéi）ni1,ni2,ni3,鄰近節點z向高（gāo）度（dù）分別（bié）為zi1,zi2,zi3,與球心ci在xoy平麵上的距離分別為di1,di2,di3,對插值函數給定如下約束:a當dij=0時, ci的高度（dù）zi=zij,1小於（yú）等於j小於等（děng）於3。b當dil=di2=di3時,

Zi=

      對於第二種上、下模相對位置的選擇方案,頂杆（gǎn）高度的計算步驟與前麵基本相同。區別在於計算上模頂杆高度位置時,將（jiāng）上（shàng）模頂杆球心在（zài）口樸,平麵上沿x、y軸平（píng）移半個球頭直徑距離,然後再搜索球心鄰近點,插值計算得到上模頂杆球心高度。

      4     應用實（shí）例

      這裏討論的快速毛（máo）坯製造技術已應用到多個汽車（chē）新產品開發和改（gǎi）型中,圖1為某汽車（chē）公司開發的車頂外覆蓋件拉延成形模。應用上述技術可使組（zǔ）焊方法製造毛坯的周期比普通的鑄（zhù）造毛（máo）坯製造周期縮短達50%,並且在采用一定的鑲塊工藝後,其壽命和品質（zhì）可以滿足（zú）中（zhōng）小批量(5一10萬（wàn）件)生產的需要。

      5     結論

      基於組焊（hàn）技術的模具毛坯快速製造技（jì）術是一（yī）種值得進一步研究和開發的模具製造技術,它以（yǐ）平麵構件和曲麵構件為基礎通過一（yī）定的優化（huà）組焊工藝完成模具毛坯的快速製（zhì）造,該快速製造（zào）方（fāng）法可以看作一種特殊的快速（sù）原型製造技術,但成本遠比（bǐ）傳統的快速原型製造技術低,且（qiě）可製造尺寸（cùn）很大的製件。這一技（jì）術的核（hé）心之一是曲麵構（gòu）件（jiàn）的快速成形,采用討論的基於離散型麵模成形技（jì）術後,可快速獲得精確的（de）曲麵構件。雖以典型拉延模為例討論了任意複雜型麵的毛坯模塊化（huà）和型麵（miàn）毛坯模塊的成形設計,但其結論同時適合於其他類的模具的毛坯設計製造。實踐表（biǎo）明這一技術（shù）可使毛坯製造時間縮短50%以上（shàng）,有（yǒu）產生重大社會效益和經濟效（xiào）益的前景。