试谈汽车模具开发

试谈汽车模具开发
向小汉
【摘要】阐述了汽车冲压模具的特点和开发流程，强调了模具设计与制造过程中的特殊要求和技术发展方向。

以汽车拉延件CAE分析为例，明确CAE技术在汽车模具开发流程中的关键作用，通过CAE分析模拟，同时将分析结果与车间调试相结合，进一步优化产品。

以全三维CAD/CAE/CAM集成技术为研究对象，重点介绍了集成技术在模具企业设计开发中取得的技术突破和积极作用。

%This paper mainly describes the character and the planning process of the automobile stamping diedevelopment and for the design of stamping process and stamping die development cycle, thespecialrequirements and the technical trend of the development process were emphasized including die design and manufacture.Taking automotive CAE analysis of drawing process for an example, clearly CAE technology in the automotive die a key role in the development process, through CAEanalysis simulation, and workshops with the results of the analysis and debugging combined tofurther optimize the product. Based on the integrated 3D CAD/CAE/CAM technology as the research object,focuses on the integrated technique in die design and development company in thetechnological breakthroughs and positive effect, has certain reference function to thedevelopment practice of automobile stamping die.
【期刊名称】《柳州职业技术学院学报》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】5页(P2-6)
【关键词】模具开发;CAD/C AE/CAM;模具设计;模具制造
【作者】向小汉
【作者单位】柳州职业技术学院机电工程系，广西柳州 545006
【正文语种】中文
【中图分类】TG385.2
模具是汽车工业的基础工艺装备。

近几年来，国内汽车工业从快速增长转到微增长，企业间竞争激烈，汽车产品更新换代加速，汽车模具产业也得到了相应高速发展。

国内外合作不断深入，高素质人才不断涌向企业，模具新技术、新材料、新工艺不断涌现，大型龙门数控加工中心等高端加工设备进入平常企业中，不少汽车模具企业正在加紧扩建、追加投资，有的还增加了冲压、焊接车间，兼营生产汽车零部件制造。

总的说来，汽车模具行业在转型升级中呈现出一片生机勃勃的景象。

汽车模具开发是汽车新产品开发中一项重要的工作。

一般来说，它有以下特点：1.1 数据变更多
汽车整车数据量大，各部件或零件间的协调工作量大。

在模具开发阶段，车身试验、修改、定型与模具开发是同步的，主机厂会经常更改汽车产品数据。

这会涉及到模具企业的开发计划变更、设计变更、制造变更，在不改变交货期的前提下，这无疑增加了模具企业的工作量。

1.2 质量要求高
模具质量的好坏直接影响到产品的质量。

随着国内制造技术水平不断提高，用户对产品质量的要求是永无止境的，主机厂对整车质量的要求也是越来越高。

对零件尺寸公差、面品、材料利用率、模具结构的复杂程度、模具操作性和模具寿命的要求
正逐步与国际先进技术标准接轨。

1.3 交货期短
主机厂为在市场竞争中占得先机，都会缩短模具开发周期。

现在不少主机厂要求8个月就要交模，这对模具企业来说，如何在短时间内确保模具开发水平和质量，确实是一个严峻的挑战，不能简单地认为工人多加班、机器不停歇就可以解决的，而是严格依照项目计划对各节点进行生产管理和质量管控。

汽车模具开发是主机厂生产准备的重要组成部分，它的开发进度影响整车项目的进度。

主机厂用原始数模进行工艺分析，对冲压工艺有一个初步方案，然后进行模具的招标，定标后，双方签订技术协议等，发包后，主机厂对模具企业的进度和质量情况进行监控。

模具开发流程有一定的规律性，其开发流程一般可归纳如下：
从主机厂接收原始工艺数模、技术要求、冲压设备等资料→对汽车产品数模进行冲压可行性分析并反馈修改意见→设计、修订、会签冲压工艺图（即DL图）→设计、修改、会签模具结构图→泡沫实型制作→泡沫实型评审、修改及铸件工艺数模的确认→模具送铸→NC数模发布后铸件、自制件的加工及标准件采购→模具钳工组装与研配→模具调试、手工取样→调整及全模取样→模具预验收→模具送到主机厂进行终验收（走线验收）→模具企业在主量产地进行现场服务→项目结束并总结。

汽车模具制造属于典型的单件生产类型，每副模具都需创造性地设计、生产准备、数控编程、机加工、装配与调试，部分零件需委外加工或外购，特殊工序需委外，这大大增加了企业生产管理的复杂性和难度。

在激烈的市场竞争中，如何缩短交货期、保证质量和降低成本，一直是模具企业面对和思考的问题。

下面对设计、制造等环节进行简要分析［1］。

模具设计是模具开发的核心，它直接决定了模具成本和品质，甚至决定模具开发的成败。

可以说，好的模具是设计出来的，不是依靠钳工调试出来的。

模具设计主要
包括冲压工艺设计（即DL图）和模具结构图设计，根据DL图绘制模具结构图。

3.1 了解冲压技术发展特点和主机厂要求
模具设计前期，设计员应熟知主机厂对项目模具的要求，读懂技术协议和产品图，充分了解车型的冲压生产设备和冲压技术要求。

特别是要了解主机厂的生产方式，如果属于大批量生产，大型零件多在自动线上生产，以机器人送料；中小型零件则会考虑顺送或模内搬运的自动送料形式。

工艺设计时应尽量减少冲压工序，以减少模具投资、冲压设备数量、操作工人。

对成线生产的零件来说，一般不超过四道工序。

目前，不包括拉延前的落料工序，侧围、翼子板这些复杂零件一般按四道工序布置。

多年前，类似零件有做过五、六道工序的。

3.2 借鉴别人的知识经验，同时不断创新
模具设计不是一个人的事情，它需要团队合作。

设计工作需要拆解，有明确的分工，至少有校对、审核等分工。

集思广益、融合团队智慧的模具设计才是一个完整的设计。

模具设计时需要对标，结合现场，输入企业已有的经验、教训。

别人走通的路子直接跟进，别人遇到的问题及时避免。

重视冲压工艺、模具结构图内审，企业里的资深设计师、钳工有丰富的工作经验，要多请教他们。

遇到相似件的模具设计时，要多听听现场工艺、质检、钳工人员的意见，主动沟通，并整合各方面的信息，参考同类企业中成熟的工艺和结构，在此基础上进行创新。

3.3 CAE软件广泛应用
冲压工艺设计是模具开发的核心技术，包括工序安排、工艺面设计、工作部分刃口设计等，以往全凭设计者工作经验来完成冲压工艺设计。

近年来，塑性变形理论在板材成形技术中得到了很好的发展，CAE技术在汽车模具中的应用日趋专业、实用。

现在以有限元模拟分析软件DynaForm、AutoForm、Pam-Stamp为代表的
CAE技术已深入到冲压工艺设计中。

通过CAE软件，能确定冲裁角度、工艺面形状、棱线偏移、冲击线、压边力、成型力等，对工艺方案进行优化，几乎涵盖冲压工艺的全过程［2-3］。

图1为行李箱外板拉延模结构分析和实物对比图。

在模面设计中运用结构分析，
应用计算凸凹模接触曲面，使用液压机床的加载方式模拟现场模具的工作状态。

图1a为拉延凹模等效应力图，图1b为行李箱外板拉延件实物。

3.4 冲压工艺设计要充分考虑材料成本
汽车零件冲压生产属于批量生产，汽车材料在整车成本中占有较大的比例，各主机厂非常重视材料利用率的持续提升。

如翼子板在拉延前采用卷落料，经过优化排样技术，实现无废料排样，最终材料利用率可达到40%左右；如车门内板采用端头
切角的开卷落料线以节省材料成本；有的车门内板采用激光拼焊形式，把车门内板毛坯分成两个矩形块，并使用不同厚度、性能的材料，以降低材料成本。

降低材料成本的工艺措施还有很多，如左右件如左右车门外板可以合并生产，一模出两件；对梁类零件采用开口拉延；对外板件采用浅拉延形式，保证压料面、拉延筋到零件修边线距离最小，减少工艺补充部分；在工艺、产品质量能满足的前提下，以成形工艺代替拉延工艺；采用复合成形工艺（即“模套模”技术），在大件大孔部分一并冲压出小件［4］。

3.5 三维模具设计成为主流，不少企业开始参数化设计
目前，汽车模具企业已由三维实体设计取代二维CAD设计。

实体设计的图纸直观性强，利于加工者识图，可以用来直接进行数控加工，减少编程工作量。

实体设计还便于模具静态和动态干涉检查、模具强度分析、成本核算、工时核算等。

实体设计可使企业走向无纸化生产，实现数字化设计与制造。

实体设计的模型可以直接支持泡沫实型整体数控加工，取代传统的手工制作实型的生产方式，能缩短工期，减少制造误差。

图2分别展示了前门外板翻边整形模和前门内板修边冲孔翻
边侧冲孔模的结构图［5］。

不少企业正着手研究参数化与模块化技术在汽车模具设计中的应用。

以UG或CATIA软件为载体，采用参数化造型方法，创建基于特征的三维模型。

根据项目技术标准和协议，利用知识工程建立汽车模具标准零件库。

知识工程是建立设计知识的模型，用户可将企业知识元素、设计标准以及已有的设计经验嵌入到三维模型中。

这种简单的类似于面向对象的操作，使得设计人员只需正确设置参数，按部就班，就可以得到想要的模型，不需要关注实体建模的具体过程，让更多的精力投入到设计及结构创新中。

通过调用库中模具零件，减少了标准零件、常用件的重复建模工作，降低了模型数据的冗余度，提高了模具设计的效率、质量和标准化，缩短新手的培训与学习时间。

各种复杂模具结构的巧用集成了设计者多年的经验和睿智。

如侧冲多孔时在凸轮上设计自制压料板，修边冲孔模上的废料在二次动作后再切断，侧围外板内窗框部位整形与修边同时进行，局部修边与侧冲孔同时进行，天窗顶盖与无天窗顶盖共模生产，侧围外板上部复动斜楔整形等等［5］。

4.1 模具数控加工技术
目前数控加工正由单纯的型面加工发展到全面数控加工，减少机加工工序，提高产品的稳定性、一致性。

随着机床、刀具水平提高，高速高精度加工已在先进制造企业开始采用，通过高速实现小步距、低残留的高精度加工，如刃口间隙可以直接加工到位，拉延模型面具备很高的光顺性、无接刀痕迹。

一台适用于汽车模具的高速数控铣，应具有高刚度、高精度、高转速、优良的动态性能等。

当前发展的模具加工技术还有少人无人化加工技术、泡沫实型全数控加工等［6］。

4.2 钳工制造的只装不配少修
提高模具加工技术的主要目的是在钳工制造环节做到只装不配少修，减少钳工的工作量。

目前汽车模具企业重视提升冲压工艺、复杂模具结构设计和制造技术水平，
即CAD/CAM/CAE技术，实现全数字化制造，实现装配、研合、打磨等钳工制作的高效，减少模具调试时间，实现时间、成本、质量的三赢。

模具质量是主机厂和模具企业共同促成的，它需要模具企业各环节的管控到位，细节决定质量。

好的冲压工艺应是整合CAE和经验的同步工程，在提升CAE准确率的情况下，对多方案比较，得出最佳选择。

一副好的模具应结构轻巧、强度合适、结构合理，便于机加工和钳工调试。

产品稳定性、一致性高的前提是模具加工精度和研合率高，说明制造环节也同样重要。

5.1 质量提升工具
质量提升工具是单一问题清单的编制、管理和总结，解决流程有质量问题解决六步法，每一个问题的解决都要严谨遵循六步法。

六步法见图3所示。

模具是否合格
最终要由主机厂来判定。

5.2 外板件的质量控制
钳工作业前需要看懂图纸，理解冲压工艺，调试时需参考CAE分析报告。

外板件
的表面质量要求高，它的设计、加工、调试相对内板都有较高的要求。

对外板件除了成形性检查、失效模式和影响分析（FMEA）、尺寸回弹分析，还要对其进行冲击线、斑马线、表面抗凹陷性能检查等。

图4为以检具检查机罩外板质量。

图5
为在荧光灯下检查翼子板斑马线，观察是否其间断和错位情况，同时还可以检查零件表面是否存有麻点、凸包、凹陷、划伤、压痕、波浪、变形、暗伤、开裂等内容。

制造阶段决定外板件面品的三大基石是：
1）拉延件的质量其好坏对面品有决定性影响，拉延工序钳工工作量约占模具总工作量的一半以上。

拉延判定合格的标准有：与CAE分析报告是否吻合；零件的成
形稳定性；表面是否有缺陷；是否满足功能性要求（如型面研合率、冲压力等）。

2）型面研合率拉延之后各工序模具的研合质量对最终的面品有重大影响，制作前期必须确保有效工作型面的研合，后期即提升面品阶段基本上是优化研合。

3）基准下模工作型面、刃口基准及组装的活动凸模基准的质量是面品的基本保证，其装配精度必须给予高度重视。

综合以上分析，汽车模具开发集成了CAD/CAE/CAM技术。

模具企业以三维
CAD设计代替二维设计，实现了设计、制造、检验的一体化。

CAE技术已深入到汽车模具开发中，用于成形缺陷预判、冲压工艺分析和模具结构设计，模具设计正由经验设计变为科学设计。

模具制造是信息化、数字化的集成，自动换刀装置、工件在线测量系统等装备促进了模具的高速高精加工技术的较快发展，模具加工自动化、精细化已成为趋势。

汽车模具开发的管控是对企业执行力的考验，它需要统筹各方资源进行高效项目管理与沟通，突出管理的科学化与信息化。

汽车模具开发实际上是模具设计、制造和管理技术的有机结合，最终目标是实现好品质、高效率、低成本的模具开发。

【相关文献】
［1］李东君.浅谈现代汽车模具开发［J］.模具制造，2011，（6）：11-14.
［2］庞勇.汽车侧围冲压成型技术仿真与应用［J］.农机化研究，2006，（7）：221-222.
［3］向小汉.侧围外板冲压工艺分析［J］.热加工工艺，2013，42（1）：78-81.
［4］向小汉，汤耀年.汽车冲压零件材料成本控制的应用与探索［J］.模具工业，2012，38（1）：45-49.
［5］李用.汽车左右侧围外板成形方案及斜楔结构设计［J］.模具制造，2011，（1）：24-31. ［6］王义华，贺传军.全三维CAD/CAE/CAM集成技术在模具开发中的应用［J］.模具制造，2013，（1）：9-12.。