文/葉夢彬·廣州汽車集團乘用車有限公司

《基于模具設(shè)計的降成本方法——汽車沖壓模具設(shè)計的SSC》(上)見《鍛造與沖壓》2023 年第12 期

模具小型化Small

模具小型化包括壓縮模具結(jié)構(gòu)尺寸、減小模具重量、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面。

壓縮模具結(jié)構(gòu)尺寸

拉延?？梢圆捎煤唵蔚膲哼吶μ淄鼓５男⌒突Y(jié)構(gòu)設(shè)計(圖18 左)來壓縮模具結(jié)構(gòu)尺寸。拉延模采用圖中結(jié)構(gòu)設(shè)計，可明顯減小模具尺寸，降低模具重量。圖18 右的拉延模設(shè)計方式模具就要大出一圈，預(yù)計模具重量相對增加不少于10%。

圖18 拉延模的簡單設(shè)計結(jié)構(gòu)與復(fù)雜設(shè)計結(jié)構(gòu)

模具還可在保證強度的前提下適度降低模座設(shè)計高度。模具周圈模架高度在250 ～300mm 蛤就可以保證強度，沒必要設(shè)計的很高，把切邊、翻邊鑲塊完全包裹起來。如圖19 所示，畫剖面線部分面的高度都可以設(shè)計低一些。拉延模除模芯和導(dǎo)向部分外，其他地方也可以稍微設(shè)計低一些(圖19 下)。在保證功能、強度的前提下，CAM 滑塊、斜楔也要設(shè)計的盡量偏小偏矮一些。

圖19 降低模座設(shè)計高度示意

要有意識地在設(shè)計中壓縮模具長寬尺寸。不管是拉延還是后序，作為模具設(shè)計者，都要有意識地在設(shè)計中壓縮模具長寬尺寸，適度壓縮模座高度，達(dá)到模具小型化的目的。圖20 模具設(shè)計過大，預(yù)計長寬減小400 ～500mm 完全沒有問題。如圖21 所示，同樣的主體，我們可以設(shè)計成左圖，也可以設(shè)計成右圖。右圖設(shè)計的模具就可以小很多，輕很多。實際上很多模具設(shè)計的比左圖還夸張。

圖20 過大的模具設(shè)計

圖21 同一模具不同設(shè)計的對比

減小模具重量

要注意控制筋板間距。當(dāng)前國內(nèi)設(shè)計的模具普遍存在筋板過密的現(xiàn)象，增加了模具重量。如圖22 所示，絕大多數(shù)筋板間距都不夠300mm，筋板設(shè)計明顯過密。過密的筋板除了增加不必要的重量，還可能影響到鑄造工藝性，增加缺陷風(fēng)險，造成鑄件報廢多發(fā)。筋板設(shè)計過多除了設(shè)計習(xí)慣喜歡設(shè)計密一些，設(shè)計中還會對一些需要支撐的部位、機構(gòu)補充支撐筋，模具加上這些支撐筋后筋板就會過密，增加了模具重量。設(shè)計應(yīng)盡量按300 ～500mm 的筋板間距進行設(shè)計，多采用半筋或三角筋，不設(shè)過大、過多支撐?？梢詫⒉糠种瘟π枨蟛皇翘貏e大的支撐筋(導(dǎo)板、斜沖、廢料刀、沖孔等)改成半筋或者三角筋(圖23)，支撐力需求特別大的支撐筋(如支撐整形的)才設(shè)計成到底筋。采用三角筋時壁厚取40mm 以提高疲勞強度。這樣優(yōu)化，就可以減少過多的筋板，要適當(dāng)提高部分筋板強度，使整個模具結(jié)構(gòu)更加合理。

圖22 過密的筋板設(shè)計

圖23 支撐改成半筋的設(shè)計

不要設(shè)計過多的輻板。國內(nèi)模具普遍設(shè)計過多的輻板，尤其在拉延凸模設(shè)計上。這些輻板起不到加強強度的作用，反而增加了開裂的風(fēng)險，增加了模具重量，如圖24 所示。減少不必要的輻板，不僅可以降低模具重量，還可以減少斷裂的風(fēng)險，避免斷裂多發(fā)。

圖24 多余的輻板設(shè)計反而造成了開裂多發(fā)

要重視減重孔、鑄空孔等孔、洞的設(shè)計。由于國內(nèi)模具廠對設(shè)計人員普遍采用計件的方式進行績效管理，設(shè)計人員普遍不重視減重孔、鑄空孔的設(shè)計，認(rèn)為這些屬于優(yōu)化，可做可不做就不做，免得影響績效。這些孔有減重孔(僅僅為減少重量設(shè)計)、鑄空孔，鑄造工藝孔(提高鑄造性)、通過孔(氣、電路)、避空(型面避空)孔、排氣孔、排水孔、檢查窺視孔等，如圖25 所示。這些孔不僅減重，還能減少鑄造缺陷，降低生產(chǎn)返修率，減少機加工量和機加工時間，降低制造成本。

圖25 模具上的各種孔

另外，要注意斜沖機構(gòu)導(dǎo)向、導(dǎo)板數(shù)量不要設(shè)計過多，也不要過少。要結(jié)合受力分析壓強，確定需要多大的支承面。標(biāo)準(zhǔn)件的選用也不要過多過大，要合理。如導(dǎo)柱導(dǎo)套、側(cè)銷，選用過大不僅增加了標(biāo)件成本，模具結(jié)構(gòu)也得增大，模具重量增加。

優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計包括提高工藝性減少鑄造缺陷，完善設(shè)計細(xì)節(jié)優(yōu)化消除應(yīng)力集中，加強受力分析確保強度、剛性，優(yōu)化壓邊圈設(shè)計避免壓不緊等方面。

設(shè)計要注意提高鑄造工藝性。結(jié)構(gòu)的鑄造性不良(圖26)會造成鑄造缺陷，容易開裂，造成鑄件報廢。要優(yōu)化結(jié)構(gòu)工藝性，減少鑄造缺陷。

圖26 鑄造工藝性不良的結(jié)構(gòu)設(shè)計

要注意避免應(yīng)力集中。發(fā)生應(yīng)力集中的地方不一定會很快損壞，但一定會降低疲勞強度，時間長了不可避免地會產(chǎn)生疲勞損壞(圖27)，影響使用壽命。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前模具損壞的30%以上跟倒角沒倒好造成應(yīng)力集中有關(guān)，典型的沒完善小細(xì)節(jié)造成了大的后果。模具設(shè)計應(yīng)完善倒角，避免有應(yīng)力集中的設(shè)計出現(xiàn)(圖28)。倒角按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定該設(shè)計多大，完成設(shè)計。不要希望依賴FMC 加工來實現(xiàn)自動倒角，那是靠不住的。

圖27 應(yīng)力集中造成的開裂

圖28 有應(yīng)力集中的不良設(shè)計

加強受力分析確保強度。存在強度不足風(fēng)險的部件、部位要進行加強，避免出現(xiàn)疲勞損壞。如圖29 所示，側(cè)圍模具壓料板的中立柱上部普遍設(shè)計成這種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)不良，存在強度不足，造成開裂多發(fā)。經(jīng)修改設(shè)計結(jié)構(gòu)加強局部強度，后續(xù)車型模具才避免了發(fā)生這樣的損壞。

圖29 設(shè)計強度不足的模具結(jié)構(gòu)

要重視提高模具的剛性。存在剛性不足風(fēng)險的部件、部位要進行加強。模具常見的剛性不良有兩種情況：

⑴壓邊圈剛性不足。在沖壓時因氣墊頂桿、沖壓壓邊力的不平衡作用，壓邊圈發(fā)生扭曲形變，影響壓邊圈壓邊效果。最常見的壓邊圈扭曲變形是側(cè)圍壓邊圈。為了保證壓邊圈具有足夠剛性，壓邊圈需要做成框架式結(jié)構(gòu)，尺寸滿足圖30 要求。

圖30 保證壓邊圈足夠剛性的設(shè)計要求

⑵上、下模座局部厚度不足造成剛性不足。如圖31所示尾門的后序模具，當(dāng)圖示厚度過小時模座剛性不足、強度不足。類似的還有頂棚后序側(cè)整模下模座，剛性不足造成CAM 動作不良。

圖31 容易出模座剛性不足的位置

要注意防止壓料不緊。壓邊圈局部壓不緊會造成起皺、變形，調(diào)試中優(yōu)化困難，設(shè)計時必須充分重視，避免壓邊圈壓不緊料。如圖32 左所示，側(cè)圍壓邊圈由于頂桿布局和壓邊圈的不匹配造成壓不緊，前立柱在模具調(diào)試中出現(xiàn)起皺曾經(jīng)無法長期改善。如圖32 右所示，由于側(cè)圍后門洞氣墊頂桿設(shè)計少用一個，導(dǎo)致出現(xiàn)局部壓料壓不緊，造成側(cè)圍局部變形難以解決。要重視類似的壓邊設(shè)計不良。

圖32 壓邊出現(xiàn)壓料不緊

要學(xué)習(xí)采用堆焊刀口。模具除了一些特別要加強的部位需要鑲塊，其他部位都可以采用堆焊刀口(圖33)，采用堆焊刀口模具結(jié)構(gòu)簡單鑲塊少，可以降低模具成本和簡化模具結(jié)構(gòu)，減小模具尺寸。壽命產(chǎn)量不超過30 萬臺的車型完全沒有采用鑲塊刀口的必要。

圖33 堆焊刀口

要敢于利用鑄鐵本體進行翻邊減少鑲塊。并不是所有的翻邊部位都易出現(xiàn)拉傷，對于比較平直、不容易出現(xiàn)拉傷的翻邊段，沒有做鑲塊的必要。減少鑲塊結(jié)構(gòu)可以減少模具重量，降低模具制造成本。

模具設(shè)計SSC 的效果對比總結(jié)

模具設(shè)計SSC 的對策總結(jié)

為了使SSC 的開展方法顯得簡潔和有條理一些，便于記憶，筆者對模具設(shè)計SSC 的方法進行了總結(jié)，如圖34 所示。

圖34 模具SSC 的方法

模具設(shè)計開展SSC 的效果對比

這是同一零件不同模具設(shè)計的各工序模具重量對比。一組屬于常規(guī)設(shè)計，一組進行了SSC(圖35)。

圖35 開展模具設(shè)計SSC 的效果對比

SSC 后模具設(shè)計總重由67.1t 減少為58.7t，減重12.5%，取得了非常好的減重效果。如果SSC 開展的好，模具重量可實現(xiàn)減少10%～20%。

結(jié)束語

模具設(shè)計SSC 是一套并不復(fù)雜的模具技術(shù)管理方法，模具設(shè)計的SSC 就是通過工藝的簡單化(Simple)、機構(gòu)的緊湊化(Compact)、模具的小型化(Small)，實現(xiàn)生產(chǎn)的快速、順暢化(Smart)。SSC 的方法基本都是我們當(dāng)前具備的能力和成熟的技術(shù)，只是設(shè)計者沒有SSC的意識，管理者沒有進行管理細(xì)化，沒有好好進行總結(jié)和提升。開展模具設(shè)計SSC 能減小模具尺寸重量，提高模具強度，提高鑄造質(zhì)量減少缺陷，減少模具制造成本，對于汽車沖壓模具廠，能降成本、提效益，有重要的意義。對于汽車整車廠，模具質(zhì)量的提升對于降低模具故障率，提高生產(chǎn)運轉(zhuǎn)率，減少維修維保，模具重量的減小能減少模具存放面積和能源消耗，降低汽車整車廠的生產(chǎn)成本，減少廠房、設(shè)備和模具的投資，提高生產(chǎn)安全性，提高土地利用率和工廠產(chǎn)出。從國家和社會的層面，SSC 能提升環(huán)保水平，節(jié)約社會資源，避免浪費。