0前言（yán）

      薄板衝壓（yā）成（chéng）形是汽車和航空（kōng）航天等行業十分重要的製造技術,其中汽車車身中的金屬零件幾乎100%為薄板衝（chōng）壓件,因此（cǐ）汽車車身（shēn）的改型換代一直受到（dào）薄板衝壓成形技術的（de）影響和製約。由於薄板衝壓成形是一個十分複雜的力學過程,衝壓工藝與模具的設計一直（zhí）是很難的工程問題,常常導致模具製造和調（diào）試周期長、花費高,嚴重影響汽車新產品的開發進（jìn）程（chéng）。衝壓成形模具的設計製造一（yī）般流程如圖（tú）1所示。

      對一個典型的汽車（chē）覆蓋件的拉延工序來說,在最大並（bìng）行化（huà）流程中,各階段的相對（duì）時間可估算（suàn）如下:工藝（yì）分析與（yǔ）設計2天,模具設計5天,毛坯製造02天,機械加工       01天,組裝與調試10天以上。在上述時間估算中,毛坯製造含製作泡（pào）模時（shí）間約1周,鑄造時間（jiān）約2周,組裝與（yǔ）調（diào）試時間理論上沒有上限,即如果工藝設計失敗,調試就會耗時（shí）很長,甚至無（wú）法（fǎ）成功。由此可知要縮短模具的設計製造總周期,縮短毛坯製造時（shí）間和調試時間是十分重要的。

      要縮短調試時間關鍵是把好工（gōng）藝設計關,   工藝設計合理,調試（shì）時間就可以控製,  否則就難以控製。隨著CAE技術的不（bú）斷成（chéng）熟,通過（guò）應用CAE技術優化工藝方案（àn）和工藝參數是縮短調（diào）試時間的有效途徑。要縮短毛坯製造時間,有多種方法可以采用（yòng）。對新產品研製來說（shuō）,采用低熔點合金鑄造或快（kuài）速原（yuán）型技術（shù）等方法是行之有效的。對（duì）中（zhōng）小批量生產來說,不少企業采用鋼板組焊模,並取得（dé）了高速（sù）度（dù）和低成本的良好綜合效果。調查研究表明,鋼（gāng）板組焊模不僅已在實踐（jiàn）中表現出高速度和低成本的優點,而（ér）且也具備高品（pǐn）質（zhì）的潛（qián）力,其中關鍵是要提高鋼板組焊模設計製造中的技術含量。在國家科技部"十五"重點科技攻關課題支持下,開展了這方麵技（jì）術的係統研究（jiū）, 並提出了一套大型覆蓋件衝壓模（mó）具（jù）毛坯快速製 造的新技術。這裏將重點討（tǎo）論（lùn）模（mó）具毛坯快（kuài）速製造中的關鍵技術, 即（jí）毛坯型麵（miàn）的快速成形技術與裝備。

      1基（jī）於離散型麵（miàn）模的毛坯曲麵構件（jiàn）快速成形技（jì）術與（yǔ）裝置

      通（tōng）過對大型（xíng）覆蓋件衝壓成（chéng）形模具的係統分析,人們不難發現其毛坯可分成平麵構件和曲麵構件兩大類,如圖2所示。其（qí）中平麵構（gòu）件（jiàn）可（kě）用厚鋼板切割組焊（hàn）而成,而（ér）曲麵構件則需經過較複雜的（de）加工方可製得。現在企業中常使用的方法包括兩類,即壓力機輔助的手工冷彎和手工熱彎。

      手工冷彎適合（hé）厚度較小的鋼板,如板厚小十（shí）03Inln,而熱彎適合於厚度大於03mm的鋼板,目前（qián）的問題在（zài）於無論是熱彎（wān）還是冷彎都憑工（gōng）人（rén）的技巧來獲取給定的構件曲麵形狀,誤差很大,有時可大到一（yī）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（wèn）題,開發了一套離散型麵模係統,如圖3所示。

      該係統包括如圖3所示的上、下模總成,其中上（shàng）、下模又分別由模座（zuò）和（hé）頂杆組成。頂杆一端為平頭與模（mó）座用螺栓連接（jiē）,而另一端為球（qiú）頭,且高度通過中間螺（luó）紋聯接可以調整。上、下模頂杆根據欲成形的曲麵構件形狀調節成一定（dìng）的高度分布,其球（qiú）頭包絡麵便形成上下離散型麵模腔。將調節好的模座裝在壓力機上便可方便（biàn）地成形（xíng）任意複雜的曲麵構件。這一過程本質（zhì）上與多點無模成形是一致的,但由於其（qí）特殊用途,因此（cǐ）又有其獨特的性能和設計要（yào）求。首先（xiān）它專為模具毛（máo）坯曲麵構件的（de）製造而設計,具有（yǒu）較（jiào）小型麵離散分（fèn）辨率和特定的頂杆（gǎn）變化高度,且上下（xià）模離散麵的對應關係非常密切,因此稱（chēng）其為離散型麵模成（chéng）形比多（duō）點無模成形更為貼切（qiē）。其次,上（shàng）下模頂（dǐng）杆的相互對應關係對厚板成形的精度和穩定性有重要影響,對不同的曲麵（miàn）構件應有（yǒu）不同的設計。第三,為減（jiǎn）小回彈量,這一成形過程（chéng）婦采用熱成形過程,一次成形多個曲麵構件。同時這種結構簡單可靠,成本遠低於通用的多點無模成形設（shè）備。

      下麵對上述設備成形的基本性能作一簡要分析（xī）。

      1.1最大理論成形梯度

      在下模座（zuò）上定（dìng）義（yì）如（rú）圖4所示的坐標係（xì）,這裏成形梯度指成形麵在成形方向即z方向的位移隨x和（hé）y坐標的變化率,即

      式中u-成形麵的位移，Tx,Ty-x和y方向的（de）成形梯度

      本（běn）裝置的最大成（chéng）形梯（tī）度Txmax和（hé）Tymax與頂杆（gǎn）球頭半徑和最大調節（jiē）高度（dù）有（yǒu）關,即Txmax=Tymax=0.5h/r式中h一-一最大調（diào）節高度   r一一-球頭半徑若型麵的成形梯（tī）度大於上述（shù）值,則不能直接（jiē）成形,而要分塊成形。

      1.2理論成形板厚的影響因（yīn）素分析

      最（zuì）大理論成形板厚（hòu）一般不受設備幾何尺寸的限製,而是受其力學特（tè）性的限製,並與成形梯度有關。如圖5所示,成形梯度越（yuè）大,對頂杆的彎曲力矩（jǔ）越大,為了不使彎矩（jǔ）過大（dà）,應盡量（liàng）使板厚減小。精確的理論（lùn）成形板厚計算一般要用到有限（xiàn）元方法。但實踐表明,對30mrn至50rDIn厚的（de）板加熱到800℃左右後,上述裝置在,30mm的條件下,可完成梯度達2.0的成形。

      1. 3  最小成形（xíng）曲率半徑

      假設不計成形中板厚的變化,最（zuì）小成形（xíng）曲率半（bàn）徑（jìng）對厚度小於r的板料可取頂杆（gǎn）球頭的半徑,如圖6所示。當板厚（hòu）大於;時,曲率半徑會（huì）變大。由於受很強的局部熱變形影響（xiǎng）,變大的具體（tǐ）數值一般要（yào）通過（guò）有限元法方（fāng）能（néng）定量（liàng）計算。

      以下分別（bié）討論如何基於這一專用設備對給定（dìng）的複雜（zá）模具（jù）型麵進（jìn）行分塊並（bìng）製造出（chū）相（xiàng）應（yīng）的分塊構件。

      2 任意（yì）複雜型麵的毛坯模塊（kuài）化

      上節提到離散型麵模所能提供的（de）成形梯（tī）度受到一（yī）定的限製。同時,一次成形的型麵總尺寸和總成形深度也受設備（bèi）幾何尺寸的限製。因此對於大型覆蓋件模具而言,不可能用一塊整板通過成形來（lái）製造其型腔毛坯表層結（jié）構,而（ér）隻能通過合理分塊來實現離散型麵（miàn）模的成形。合理分塊的原則如下:a使總的分塊數量最少,分塊數量（liàng）越少,表麵焊縫越少,便於型麵的數控加工,也便於減少毛坯變形。b使每塊的成形梯度盡可（kě）能小,並小於最大成形梯（tī）度式枷又和界栩（xǔ）囂。»使分塊邊界線遠離型麵重要（yào）工作部分,如局部（bù）凸起部分,並使分塊邊界線盡量呈對稱分布。

      基於上述原則（zé）,可提出一般情況（kuàng）下拉延模型麵（miàn）的分塊方案。無論汽車覆蓋件具體（tǐ）形（xíng）狀多麽複雜,都可以（yǐ）用圖7來（lái）表示其拉延成形模具的型腔構成。

      圖中ABCD表示的是（shì）凹模的型（xíng）麵輪廓,其中B、C、D和E表（biǎo）示可能的分塊邊界線位置。C點和D點都為凹模的凹部,為次要成（chéng）形麵,故（gù）可考慮為焊縫所（suǒ）在處,B點和E點為拉延筋位置,如有必要也可選為焊縫所在處。對壓邊圈而（ér）言,問題比較簡單,因為它（tā）一方麵型麵較（jiào）小,另一方麵也不含有太大的（de）成形梯（tī）度。對凸模來說,其型麵（miàn）輪廓IJKL在J 處和（hé）K處分塊,一般都能滿足成形方麵的綜合要求。

      如果焊縫處為次要成（chéng）形麵,且焊縫設計合（hé）理（lǐ）的（de）話,有（yǒu）可能完全避免對焊縫的數控加工和打磨,從而提高加工效率。用於型腔表層結構（gòu）的鋼板一般為25mm。以上的厚板,其焊（hàn）縫坡口可按如圖8所示的形式和尺寸（cùn）設計,   其中a大於（yú）等於10mm,   由於型腔表層結構通常有（yǒu）足夠多的（de）筋板支撐,且在焊縫處可設附加筋（jīn）板,故焊縫不一定要求滿焊。如果焊縫處有明顯的材料（liào）流動,可用高性能膠合劑填平焊縫再經（jīng）打（dǎ）磨後用（yòng）拉延油潤滑。

      3     型麵毛坯（pī）模塊的成形過程設計

      型麵毛坯分塊後（hòu）,就要對其成形過程進行設計,以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如下幾（jǐ）個方麵主要問題。

      3.1毛（máo）坯板厚（hòu）的確（què）定

      毛坯板厚的確定主要根（gēn）據毛坯模塊的局部凹凸情況確定。所謂局部凹（āo）凸這裏指不能通過調節頂杆高度進（jìn）行成（chéng）形而獲得的凹凸形狀。由前節可知,如果型麵（miàn）形狀的曲率半徑（jìng）小於最小成形曲率半徑,那麽該部分形狀屬於局部（bù）凹凸。如（rú）果不允許毛坯模塊堆焊局部凸塊,那麽毛坯的最（zuì）小板厚應按下式計算

      由此可知,對於帶圓弧半徑小（xiǎo）於5mm的拉延筋的壓邊圈部分,用25mm厚（hòu）的鋼板即可滿足型麵（miàn）加（jiā）工（gōng）的基本要求。

      3.2上（shàng）下模相對位裏的確定

      上、下模的相對位置主要指（zhǐ）在（zài）垂（chuí）直於衝壓（yā）方向的（de）平麵內的相對位置（zhì）,如圖9所示。其中圖9a表示上、下模頂杆中心線重合的情形,而圖9b表示上、下模頂杆中心錯（cuò）開（kāi）半個頂杆（gǎn）中心距時（shí）的情形。盡管（guǎn）介於這兩種情形之（zhī）間還可有多種其他相對位置的（de）選擇,但其（qí）意義並不大。

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

      采用第一種方（fāng）案時裝模和（hé）調試（shì）較方便（biàn）,而采用第二種方（fāng）案時（shí）裝模和調試都相對較（jiào）困難一些。斌同一毛坯模塊的成形,既（jì）可采用第一種方案,也可采用（yòng）第二種（zhǒng）方案,但對應的（de）頂杆高度分布是不一樣的。

      3.3頂杆（gǎn）高（gāo）度的確定

      上下模（mó）頂杆高（gāo）度的確定（dìng）是最終決定毛坯（pī）模塊（kuài）的關鍵因素（sù）。對於第一種上下模相對位置的選擇方案,給定型（xíng）麵（miàn）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曲麵,需要（yào）獲得oxy(離散型麵模底座平麵,後同)平麵上均勻分布頂杆的精（jīng）確高度位置(z向坐標)。如圖10所示,曲（qǔ）麵（miàn）S沿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（rèn）意一點時,球（qiú）體必與S相切 (S的曲（qǔ）率半徑應大於球頭半徑)。因此,利用（yòng）s1可避開球頭與毛（máo）坯鋼板接觸（chù）點的搜索,頂杆高度（dù）計算變成計算曲麵（miàn）sl上在口砂,平麵均布的點的（de）z向坐標（biāo）。對於求取曲麵（miàn）上x,y坐（zuò）標確定的點的z向（xiàng）坐標,有解析法（fǎ）和數值法。解析法對（duì）於一些基本曲線、曲（qǔ）麵,計算速度快,精度很高。在CAD軟件（jiàn）中,曲麵造型采用的是複雜（zá）曲線、曲麵表示（shì）方（fāng）法,且數據結構複雜,雖然解析法可能(有時很難求得解析（xī）解)可以獲得很高的精度,但軟件開發工作量大。與解析法相比,數值解法是將曲麵由大量（liàng）的細小離散平麵構成,然後用插值的方法求出對應x,夕坐標的點的z向坐標。它的計算精度取決於原始（shǐ）離散精度和插值方（fāng）法,離散（sàn）平麵越小,計算誤差越小,但要消耗更多的計算時間。在本項目應用中,精度要求最大弦偏差小於.02rnr。,采用數值方法可以取得很好的效果。

      首先在CAD軟件中完（wán）成模具設計,然後將模具型腔（qiāng）曲麵導出轉換成標準圖形交換格式IGES,采用有限元前處（chù）理軟件如Dynaforln、Hypermesh等從曲麵生成（chéng）網格這（zhè）裏並不需（xū）要生成高質 量元(高質量是對有限元計算而言), 故網格生成工作量（liàng）很小（xiǎo）。當頂杆直徑為60mm時, 限定生成網格最小尺（chǐ）寸為8mm,最大尺（chǐ）寸20mm, 最大弦偏差0.13mm.。生（shēng）成網格後（hòu），將網格法向向下偏移一個球頭半徑,即可獲得下模頂杆離散球心曲麵（miàn）。輸出上下模球心離散曲麵節點信息,提供給離散頂杆高（gāo）度計算程序。由（yóu）於獲（huò）得的這些節點並不在頂杆球心處,各（gè）頂杆球（qiú）心的z向高度是通過搜索最近的3個（gè）鄰近節點再插值（zhí）求（qiú）得,算（suàn）法如下。

      (l)搜索鄰近節點（diǎn）:給球心Ci置（zhì）3個初始鄰近節點(取1,2,3號節（jiē）點),並按與球心的距離（xoy平麵上)排序。然後依次讀入其餘待（dài）選節點,計算與球心的距離,若待選節（jiē）點比（bǐ）最遠的鄰近節（jiē）點更靠近球心,則用它取代該（gāi）鄰近節點,並按距離重新排序,直至搜索完所有的待選節點,完成一個球心的3個鄰（lín）近節點搜（sōu）索。

      (2)插值:球心C搜索到3個鄰近節點為ni1,ni2,ni3,鄰近節點z向高度分別為zi1,zi2,zi3,與（yǔ）球心ci在xoy平麵（miàn）上（shàng）的（de）距離分（fèn）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zi=zij,1小於等於（yú）j小於等於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,頂杆高度的計算步驟與前麵基本（běn）相同。區別在於計算（suàn）上模頂杆高度位置時,將上模頂杆球心在口樸,平麵上沿x、y軸平移半（bàn）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（yīng）用實例

      這裏討論的快速毛坯（pī）製造技術已應用到多個汽車新產品開發和改型中,圖1為某汽車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焊方法製造（zào）毛（máo）坯的周期比普通（tōng）的鑄造毛（máo）坯製造周期（qī）縮短達50%,並且在采用一定的鑲塊工藝後,其（qí）壽命和品質可以滿足中小批量(5一10萬件)生產的需要。

      5     結論

      基於組焊技術的（de）模具毛坯快速製造技（jì）術是一種值得進一步研究（jiū）和開發的模具製造技術,它以平麵構件和曲麵構件為基礎通過一定的（de）優化組焊工藝完成（chéng）模具毛坯的快速製造,該快速製造方法可以看作（zuò）一種特殊的快速原型製造技術,但成本遠比傳統的快（kuài）速原型製造技術（shù）低,且可製（zhì）造尺寸很（hěn）大的製件。這一技（jì）術（shù）的核心（xīn）之一是曲麵構件（jiàn）的快速成形,采用討論的基於離散型麵模成形技術後,可（kě）快速獲得精確的曲（qǔ）麵構件。雖以典型拉延模（mó）為例討論了任意複雜型麵的毛坯模塊化和（hé）型麵毛（máo）坯（pī）模塊的成形設（shè）計,但其結論同時（shí）適合於其他類的模具的毛坯設計製造。實踐表明這一（yī）技術可使毛坯製造時間縮短50%以上,有產生重大社會效益和經（jīng）濟效益（yì）的前景。