汽车模具中结构通气能力对制件影响的探索

1引言

随着国内国际汽车市场竞争的加剧，为占领市场， 赢得市场份额，各汽车公司为缩短研制周期，提高汽车 整车品质，要求汽车企业的下游供应商做到缩短制件 制造周期，提高制件品质。作为汽车模具供应商，无论 是在制件品质，还是模具加工调试等各个环节上均要 求做到技术质的突破。尤其是在智能制造发展的今 天,各个汽车公司大规模釆用自动化的无人生产，甚至 采用柔性的高速自动生产线，这些高科技设备的广泛 应用，对供应商企业提出更高模具品质要求，既要保证 模具高效、自动、可靠生产，又要要求生产制件品质精 度高。为了紧跟时代的步伐，模具设计必须在结构上 釆取强有力的措施,保证模具结构在生产过程中更快， 制件品质更高，市场竞争中更强,尤其是在模具高速生 产过程中,如何做到结构快速有效的排出在结构运动过程中产生的负压或升压对制件品质造成的不良影 响，这是模具结构设计必须优先考虑与解决的问题。 本文结合模具高速生产实际情况，提出了在模具结构 设计中如何有效提高模具结构通气能力，解决高速生 产过程中因为排气不畅造成制件品质缺陷的问题。

2影响制件品质的因素 2.1汽车白车身品质要求

汽车白车身是由许多轮廓尺寸较大且具有空间 曲面形状的制件焊接而成，因此对车身制件的尺寸精 度和表面质量有较高要求。汽车外覆盖件表面质量 要求很高，需要有经验的质保人员，借助于油石打磨 或者光照检查才能发现的缺陷,如麻点、棱线不清、圆 角不顺、凹陷、波浪、印记等。此种缺陷不会引起制件 之间的配合关系，但会影响白车身的表面质量，使人看到不舒服。存在上述缺陷的制件必须通过改善模 具表面质量或结构特征改变来消除才能进行焊装。

2.2外覆盖件成形品质

车身外覆盖件具有材料薄，形状复杂(多为立体曲 面)，结构尺寸大，尺寸精度高，表面质量要求非常高等 特点，同时要求外覆盖件要达到一定的刚度和强度，表 面不能有暗坑和划痕，并满足产品的设计要求。为了 达到上述要求，首先要考虑的问题是合理编制覆盖件 的拉伸工艺，只有设计出一个合理的、工艺性好的拉伸 工艺，才能保证在拉伸过程中不起皱、不开裂、不变 形。在设计拉伸件时不但要考虑冲压方向、压料面形 状、拉伸筋的形状及配置、工艺补充部分等可变最的设 计，还要合理地增加工艺补充部分，正确确定压料面。 各可变量设计之间又有相辅相成的关系，如何协调各 变量的关系，是成形技术的关键。在成形中一个重要 的结构要素就是提高成形模具通气能力，能够有效提 高成形制件表面质量，避免影响车身装配缺陷的产生。 2.3模具型面加工品质

模具型面加工质量需要在制定合理的工艺方案 的前提下实施，在高速铣床和高速加工中心支持下， 确定合理的刀锋值及适合的机床切削进给参数，通过 高速铣削与超精密加工、硬切削加工相结合，开辟了 以铣代磨的领域，并大大地减轻了模具的研拋工作 量，这是保证型面质S的关键。对于不同部位、不同 角度、不同功用的各种型面，均需要合理选用走刀轨 迹来提高加工效率与加工质量，无论是粗加工，还是 精加工，应尽可能选择大直径刀具，因为刀具直径越 小，加工路径就会越长，造成加工效率降低，同时刀具 的磨损会造成加工质量的明显差异。在型面凹尺避 空处理方面，可以有效避免成形过程干涉以及制件成 形力过大增长，因此需要对模具型面凹故特殊处理， 清根程序与走刀轨迹就显得特别重要,这些处理好了 可以更好保证制件成形中包裹能力，减小制件回弹。 2.4冲压机床品质

冲压设备有机械压机和液压机两种，对于那些成 批量的汽车覆盖件的加工，一般选择机械压机，它是 通过电动机驱动飞轮，并通过离合器，传动齿轮带动 曲柄连杆机构使滑块上下运动，带动拉伸模对钢板成 形。冲压设备的冲次、吨位、气垫顶出压力、气垫与滑 块平行度等要素严重影响制件成形的品质，尤其是自 动化的高速生产线，对模具结构通气能力提出更髙要求，只有满足设备正常生产节拍的前提下，模具结构 相应协调来达到结构通气顺畅，保证制件正常生产。

2.3模具结构强度

汽车冲压模具在多变的应力的状态下工作，因此 模具的疲劳强度要比静强度重要的多。釆取加强筋合 理分布及等效截面等设计措施使模具在冲压设备上满 足强度、刚度、精度、耐磨性及防腐等使用要求，对于重 要的部件，要进行强度和刚度计算，两者均与制件的材 料、受力和结构尺寸密切相关。特别要注意减少制件 的应力集中，避免表面过于粗糙或有划痕。增大接触 处的综合曲率半径，以减少接触应力的大小。随着自 动化高速冲压线广泛使用，其响应速度快成为结构设 计困扰，因为成形时模具受到高速高压气流压力，对模 具产生弹性变形，长期反复冲压容易导致模具损坏，因 此模具设计必须首先满足模具在闭气情况下结构正常 工作，模具的结构强度是否满足使用可靠要求。

3模具结构通气能力的必要性

通过上面对制件品质影响要素分析，为了生产合 格高品质制件，缩短模具的制造交付周期，减小模具 维护时间，就必须大大提高模具通气能力设计，尽可 能设计通气畅通的模具结构。对于结构设计方面，最 大限度提高模具通气能力是解决外覆盖件的表面质 量，避免制件表面质量的缺陷产生的重要手段。尤其 是在汽车模具中成形类模具的通气能力设计就显得尤 为重要了。那么通气能力设计需要考虑哪些因素，又 如何才能设计出高效通气结构满足高速生产要求？ 下面就通气能力的结构设计关键点进行归纳与总结。

4模具结构通气能力设计 4.1拉伸模具通气能力设计

(1) 拉伸模具闭气过程分析。

拉伸加工时，凹模与压边圈同步，随着凹模的下 降，板料拉伸成形,直至下死点。此时,由于凸模和板 料之间存在空气，如图1所示，使板料不能按要求成 形。从下死点开始，板料与压边圈一起上升，由于板 料贴在凸模上，此时也可能发生变形。材料和凹模之 间也是如此，冲压速度越快这种现象越明显，在这种 情况下成形制件非常容易产生缺陷和增大机床负荷， 如果在高速自动化生产线上这种情况很容易把模具 损坏，这是结构设计者不愿看到的结果。

(2) 拉伸模型面通气设计准则。

对于拉伸成形类模具，为了防止制件变形，由于 负压无法取件，降低成形力等因素，提高制件品质，要 求在凸模与凹模上设计排气孔，其设计原则如表1所 示。尽量设置在型面凹陷处(非变形面)需要排出空 气的地方，禁止设置在反成形区域或者凸起的棱线 上，凸、凹模上的通气孔应错开排列。

目前国内大多数公司标准规定，外板通气孔大小 为内板通气孔为但是从表1中反馈就 是通气孔大小是根据制件特征来选择设计，为了适当 自动化要求可以选择不同的规格来设计，如图2所 示。一个外板制件应该根据功能不同区别处理。

(3) 拉伸模立筋通气设计准则。

模具结构设计中，型面，平衡块，导向，气顶接触 面等部件均需要支撑筋传力到机床，为提高模具结构 刚度与强度，减轻孔的连接筋是必要的，为了提高模 具结构通气能力，各个筋上均需要设计排气孔，如图3 所示筋上孔就把型面排出气顺利排出模具结构外。 筋上排气孔设计一般原则是:凹模立筋上通气孔面积 占凹模型面面积的2%?4%，凸模立筋上开设凸模型 面3%以上的铸造通孔，在压边圈立筋上必须设置压 料面积3%以上的铸造通孔。其孔大小一般按照减轻 孔要求尽量设计大点，为了好铸造圆孔大小至少 <j)50mm 以上。

(4) 拉伸凸模轮廓通气设计准则。

一般标准要求凸模轮廓线处凸模与压边圈间隙 是3mm,这个标准是在以前低速生产的情况下制定 的。为了适应高速自动化生产的需要，在型面排气能 力不足的前提下,在表面开通气孔会影响制件表面质 量情况下，适当加大凸模与压边圈的间隙，有时局部 加大到5?8mm,可以有效提高模具排气能力，这个间 隙带的排气能力可以快速排掉板料与凸模间气体，如 图4所示单动拉伸模，在压边圈快速下降的过程中，图 4中封闭的气体在间隙带快速排出，保证板料与凸模 间的气体残留很少，然后残留的少部分气体再通过凸 模的通气孔排出，保证板料贴模。

(5 )拉伸压料筋通气设计准则。

拉伸筋或拉伸槛的设置对改变阻力，调整进料速 度使之均匀化。拉伸筋的调整可以非常方便、有效、 快速的在较大范围内调整压料面的作用力大小及分 布,达到汽车覆盖件冲压成形的要求。为了保证外豭 盖件制件最少3%的变薄率,保证制件充分塑性变形， 拉伸过程中拉伸筋参数及结构形式设计显得尤其重 要,常常釆用内外拉伸筋或槛与内拉伸槛和外拉伸筋等结构组合，这样结构在冲次加大时就会导致拉伸时 压料力增长明显，增大机床液压垫的负荷，降低机床 使用寿命。为了克服这个问题，通过成形过程研究， 发现在筋成形过程中，拉伸槽内会有封闭气体给板料 产生负压，导致板料压料力增加，通过拉伸结构分析 决定在槽内开孔形式来提高结构通气能力，如图5所 示，有效降低压料力，保护机床，板料流动顺畅，通过 尝试，一般在封闭拉伸筋或槛内每边增加1?3个通气 孔就能很好解决这个问题。

4.2翻边整形模通气能力设计

在外覆盖件的翻边整形模中，封闭翻边或整形， 由于成形需要的力量大，工作压料面的宽度一圈封 闭，冲压时压料器内部会聚集空气时，必需在压料器 空开的区域及侧面设置数量至少4?8处以上 的铸造通孔,快速排出空气,保证压料器快速压料是 不会对制件产生负压。如图6所示，尤其是顶盖等外 板件无刚性，在凸模型面有空开的情况下。由于压料 板与制件之间间隙存留空气会使板料变形，必须在压料板、上模座设置若干处铸造通孔。而且压料板与上 模座的铸造通孔位置平面方向上不能一致，防止模具 存放时灰尘下落，最好是在模具侧面四周开孔解决排 气和掉灰尘问题。上面处理办法同样在凸模上适用， 即使在凸模全型面的情况下，如图7所示。由于压料 器上的部件导柱在运动过程中，封闭一部分气体，在 冲压制件时这部分气体压缩，如果凸模型面不是非常 贴合或者制件有回弹就会对制件表面质量行程缺 陷。因此设计压料器结构时，尽量使用导板导向，如 果使用限位螺钉等内部制件结构需要加大彼此间隙 来避免封闭气体产生。

4.3冲裁模通气能力设计

由于冲裁模冲裁力量较小，对模具下死点要求不 高，所以模具的闭合高度可以不用严格控制，而且一 般冲裁模没有做到全型面,型面空开较多，甚至修边 镶块螺钉孔设计在型面上，这样当模具在高速自动化 机床上生产时，同样会出现封闭气体排出不畅会对制件造成表面缺陷。因此对于冲裁类模具排气能力同 样要求设计考虑，达到快速，高效排出封闭气体。如 图8所示，在结构上优先考虑侧面排出,其次是底面排 出，要求模具上每个封闭孔内开孔</>50_nlm以上的铸造 通孔，根据压机速度决定开孔数, —般每副模具的 每个制件上至少4?8处铸造通孔。

4.4模具零件装配中通气能力设计

在模具结构中，许多零件装配关系，决定了运动 间隙必要性，但是作为定位与导向的部件，为了保证 功能可靠性，其设计间隙非常小。为了保证结构正常 运行，需要设计考虑其工作时封闭气体快速高效排 出，否则就会导致模具结构在高压情况下，产生机构 或模具损坏，如图9所示，刮件器中导柱运动时，下面 往复产生高压或负压情况，反复冲压就会给模座施加 一个交变力，长久会影响铸件寿命与机构运动的不 畅。所以，设计刮件器时候必须在下方设计一个令6? 令lOnrni排气孔。图10所示模具导柱结构，在模具结 构上常常使用，导柱安装孔内如果没有设计排气孔， 同样会导致导柱安装产生高压而无法安装到位,同时 此孔也可以做打出导柱孔使用，方便维修与保养。上 面导柱与导套配合一样，导向间隙非常小，如果上面 不能设计很大排气孔,冲压时的交变气压力会让导套 拔出，或者导柱拔出，这在现实模具冲压过程中出现 过多次，为了更好保证模具正常生产，端头导向必须 设计足够排气空间,不仅可以方便维护，同时快速排 气能力更加能够保证模具机构散热，防止膨胀造成模 具损坏。

来源：青华模具学院小欢欢