新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 汽车车身冲压的新技术和发展趋势

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发表于 2013-7-12 15:59:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1.前言
当今世界汽车行业普遍认为,汽车车身冲压成形技术是汽车制造技术的重要组成部分,每一次汽车车身的更新换代都需要开发相应的专用模具和增加必要的生产线。因此在冲压生产中,如何提高冲压生产效率、降低生产成本,正确选取和采用新设备、新材料、新工艺等是冲压技术中的主要课题
众所周知,汽车车身的金属件几乎100%为冲压件,而且汽车车身的更新换代速度快。这就决定了冲压成形技术在汽车产品的开发中不仅影响制造周期,还直接影响成本和产品品质。汽车车身冲压成形技术的关键是冲压工艺与模具技术。冲压工艺的合理与否决定了模具调试的难易程度;模具设计决定了模具制造的难易程度及制造管理过程,因而直接影响模具制造成本和周期。
尽管国内外已通过长期的实践积累了大量的经验,形成了较系统的设计制造规则和方法,但新技术的出现仍可能为冲压工艺和模具技术的重大变革带来机遇。特别指出的是,以CAD/CAE/CAM 为特征的计算机技术在冲压成形中的应用不仅能引起传统工艺流程在周期、成本和品质方面的变化,而且使一些以前难以实现的工艺设想可能成为现实,根据目前国际汽车冲压和模具技术的发展趋势,已经形成了包括模具设计和冲压技术模块化、新材料及复合材料冲压加工工艺、计算机模拟冲压成形及虚拟试模技术、特种成形技术和模具制造技术等重大课题。因此,我国汽车业要想在新的国际变革中站稳脚跟,就必须对此认真加以研究。
2.模具设计和冲压技术模块化
2.1模块化模具设计
汽车车身零件虽然千差万别, 但同类零件在尺寸大小和结构特征上一般是相近的,同一类模具的结构特征也是类似的。通过分析模具的结构特征,模块化模具设计将模具划分为模具模架、成形工作部件和基础件等模块,根据其复杂程度采用不同的制造方法,通过并行工程加快设计制造速度。模块化模具设计考虑到模架的通用性,建立常用汽车车身件模具模架库,将常用的汽车车身模具的模架按照规格型号的大小分为大、中和小三个等级,一个车型的大部分大型模具,只要有这三种类型的模架即可。这样不仅可大大减少设计制造的工作量,还可降低设计制造成本。
2.2模块式冲压技术
模块式冲压是最近几年发展起来的新兴技术,一般模块式冲压加工系统由一台带有控制功能模块式冷冲压的压力机、卷材带材送进装轩、带材矫正机及可编程进给装置等构成。系统在运行时可进行冲模横向位移、带材进给定位、冲模重复运行及自动调整下工步等多项功能。由于在冲压过程中进行可编程冲压,使这种模块式冲压系统能柔性地适应生产需求,在相同带材上进行不同工件及批次的混合生产,实现串接式加工,还同时在工件两面冲压加工,极大地提高了工作效率。
模块式冲压的突出优点在于能把冲压加工系统的柔性与高效生产统一起来。概括而言,模块式冲压的特点包括:(1)在冲压成形过程中快速更换组合模具以提高生产效率;(2)由于具有带材的供带和矫带装置,可省却另设上料下料工序;(3)实现了大工件的不停机加工;(4)既能独立又能成系列的控制组合冲模动作,能连续进行冲压加工;(5)冲模具有可编和的柔性特点。
3.车身模具新材料和先进制造技术
目前汽车行业的研发热点是车身轻量化成形工艺,欧洲汽车专家预测。在未来1O年里轿车自身重量还将比现在减轻20% 。
当前,发达国家在材料和成形技术开发与应用方面正方兴未艾。使用铝合金镁合金代替钢铁是目前各国汽车制造商主要的减重措施。据不完全统计。2001年全世界消费铝约3O MT。其中汽车工业的用量为6.5 MT,约占总消费的22%,使用铝合金代替钢铁是目前各国汽车制造商主要的减重措施,另外,在承受冲击时铝板比钢板多吸收冲击能50%。
我国的镁矿资源丰富,占全世界的50%左右。镁合金由于除了能满足汽车轻量化的要求外,还具有易加工、易回收、环保好等优点。因而在现代汽车上也得到了愈来愈多的应用。可以预计,随着这些高强、轻质材料的广泛应用和汽车结构的进一步改善,汽车的自质量有可能下降1/2以上。预计到2010年,适合于铝、镁等各种不同轻质材料的汽车车身冲压工艺CAD (CAPP)和冲压件成形技术会得到进一步完善。
对于轻量化车身成形工艺与模具技术的探索,在理论研究方面,要进一步探讨新一代铝、镁合金等轻金属的大幅度弹塑性变形本构关系及参数获取,表面摩擦特性的机理;在工艺技术方面,要研究铝、镁合金的冲压回弹、起皱、拉裂规律和毛坯反求等问题;在模具制造方面,要研究模具毛坯快速制造方法,开发快速精密加工与精密测量技术和装备,同时,还要研究与之配套的铝、镁合金冲压工艺试验技术与装备。
另一方面,最近几年,“亚毫米冲压”概念逐渐深入人心。亚毫米冲压是指汽车车身冲压件的精度控制在0-1.0mm的范围内,与过去制造业通行的误差2mm 相比,是个非常大的提高。亚毫米冲压的中心是冲压件的精度与敏捷度两个目标,精度就是使冲压件尺寸准确度控制在0毫米或亚毫米的水平,其关键是控制车身支架、立柱等结构件的尺变动,并使汽车覆盖件分块度大,如采用整体左右侧板和顶盖板等。敏捷度含义则是指减少冲压件的生主准备时间达30%,包括模具设计、试样制造和工装准备时间,以达到极大缩短新车型制造周期的目的。
通过亚毫米冲压项目的研究,使冲压过程和部件装配工艺的设计不仅由基于经验和传统工艺向科学和数据过程的转化,而且向CAD和模拟试模转化,同时实现了过程监测和设备维护由被动响应向科学预测式转变。
4.特种冲压成形技术
现代汽车冲压件的技术要求正朝着结构复杂、分块尺寸增大、承载能力变大和内应力限制严格等方向发展,传统的汽车冲压件成形工艺已经不能满足目前车身制造的要求,一些有条件的企业开始广泛研究和开发板材成形新技术,促进了特种冲压成形技术发展。这里简要介绍液力拉深、内高压成形和电磁成形等几种新工艺在汽车冲压件成形中的应用。
4.1 液力拉深技术
传统的拉深模具由刚性凸模、压边圈和凹模构成。拉深过程中,凸模底部材料几乎不发生塑性变形,坯料的主要变形区是凸缘区。该区材料在周向压应力和径向拉应力作用下发生塑性变形并被逐渐拉入凹模内,转化形成筒壁。液力拉深技术是在原理和方法上不同于传统拉深方法的一种新技术,包括液力深拉深和液力正拉深两种。
液力深拉深利用压力介质(大多是油水乳剂)进行成形,主要在双动液压机上完成。液体介质一般为油或水。由于成形过程中拉深凸模压入液压腔而产生向各个方向起作用的反压力,并将要成形的坯料始终紧压在凸模表面上,因此加大了凸模与坯料之间的附着摩擦,不仅使拉深力大大提高,而且成形件的精度很高,也利于减少回弹;此外,由于板材不是在刚性圆角上进行拉深,而是通过液体间隙的压力被拉深,因而成形件应力分布均匀,表面质量高。
液力正拉深是利用压力介质(大多是油水乳剂)进行成形的。由于板坯不与凸模或者凹模摩擦,而是通过液压乳剂将板坯挤压到凸模上,因此不仅模具磨损度小,模具的耐用度高,而且工件可达到较理想的表面质量。此外,由于使用液力正拉深工艺费用低于传统工艺,用一套模具可以加工各种材料和任何厚度的板材,模具费用大为降低。
4.2 内高压成形
液压式内高压成形技术与其他冲压成形技术相比,有几项明显优点:(1)在成形过程中可一次加工出顶盖板、门框等大型复杂几何形状的工件;(2)因为液体在成形过程中冷却作用,使工件被"冷作强化",从而获得比一般冲压加工更高的工件强度,这使得允许采用更薄的板材,使工件更轻量化;(3)工件外表板面只与压力液体接触,加压过程较平缓,零部件成形变化均匀,可获得匀称的压力分布,获得更好的平滑外表面;(4)冲模和工具费用可下降40%,特别可降低凸型零件加工的节拍时间,约为0.1-0.5MIN,这在特种成形工艺中是较短的,可实现批量生产。目前,宝马汽车公司的仪表板支撑梁以及大众汽车公司2,O1 —16V_4汽油发动机排气系统的制造都采用了内高压成形技术。
4.3 电磁成形
利用通电线圈产生的电磁力的电磁成形工艺,是目前颇有前途的另一种新型加工手段。当线圈通入交流电时。数微秒内建立起磁场,使金属工件尤其是导电率强的铜铝材质感生出电流 ,感生出电流,感生电流又将受到磁场力作用,使工件产生张力与凹模吻合而迅速成形。当线圈在工件内时,电磁力将使工件外张成形;当线圈平面平行于板件放置时,电磁力将使工件拉伸成形。其突出优点一是加工成形迅速、工效高,二是常用于金属与非金属的连接,可取代粘接或焊接;其三是不消耗辅助材料如润滑油脂等,有利于环保。
5.冲压工艺改进和计算机辅助技术
汽车覆盖件冲压工艺设计,是在考虑冲压操作方便、安全、模具结构合理、工件及废料排出顺畅等要求的基础上,根据产品结构形状和技术要求确定拉延、修边、冲孔、翻边等工序的先后顺序及各工序的具体内容。国外汽车车身覆盖件冲压工艺CAD和冲压件成形过程的计算机模拟技术应用较早,如美国三大公司,德国大众和宝马以及法国雷诺等公司。
汽车覆盖件冲压工艺问题主要集中在以下三方面:
1 冲压方向的选择
不同类型的模具冲压方向的选择具有不同的准则。对于拉延模具而言,冲压方向的选择要求模具型面无闭角,开始拉延时凸模与毛坯的接触面积尽可能大,位置尽可能居中,且接触部位要多而分散。这些经验的判定准则,主要从几何方面进行考虑,比较容易进行数学描述和分析计算,一般可借助几何CAD系统进行冲压方向优选,如Pro/DIEFACE直接借助其CAD系统的几何处理功能,对人工确定的一系列冲压方向进行几何计算,将结果以拉深等高线的方式反馈给用户,最后由设计人员确定适当的冲压方向。随着建模技术和优化设计的发展,国内不少研究机构建立了基于优化模型的冲压方向优化计算法,如根据确定汽车覆盖件冲压方向的原则,建立冲压方向的优化模型和评价函数,通过截面线将复杂的三维空间问题转化为二维问题,求出可行域,再将二维问题的分析结果综合起来得到三维问题的结果,然后进行优化并最终求得最佳冲压方向。
2 覆盖件拉延工艺补充面和压料面的设计
覆盖件大多形状不规则,很难满足拉延成形工艺的要求,其形状多半也是复杂的空间曲面,不仅需要确定型面补充走向、型面补充范围等,还需要描述其空间几何形状,是一个涉及边界条件以确保成形顺利实现的创造性过程。目前这一问题通过对零件几何的定性分析来确定,借助于曲面造型功能软件来完成。如借助于UG NX2提供的丰富曲面构造功能,根据典型截面线的形状,灵活运用各种曲面构造方法,完成各个曲面片,再对曲面之间的过渡进行处理,完成工艺补充面和压料面的设计。UG NX2的Die Engineering模块在确定压料面和修整零件边界后,根据工艺补充典型截面线和相应规则,采用参变量的方法来控制与设计工艺补充面,最后形成压料面与工艺补充面的整体型面。国内在借助图形软件的基础上也对此有不少研究,如利用工艺补充典型截面线,采用二维截面特征,利用多种曲面造型混合的方法实现参数化工艺补充面的交互设计和基于变量化技术的工艺补充面和压料面设计法。
3 覆盖件拉延筋的设计
拉延筋是冲压成形过程中拉延张力的主要提供者。传统设计中,拉延筋与凹模圆角的尺寸都是固定数值,根据经验来设计,然后在模具调整过程中通过打磨调整拉延筋几何参数以使零件顺利成形。随着计算机技术、模拟技术和成形理论的发展与应用,建立拉延筋阻力模型,通过有限元分析、模拟来优化拉延筋设计的方法得到了广泛研究和应用。
目前,拉延筋的设计主要通过改进拉延筋模型和引入优化算法来完成。在拉延筋阻力模型的建立上,出现了考虑拉延筋约束阻力、厚向应变和约束保持力的等截面三维等效拉延筋模型,其应用是将拉延筋模型抽取出来,根据其几何参数、受力情况和金属流动建立数据模型,再嵌入冲压成形型面模型中,用有限元法模拟拉延筋在拉延成形中的过程和作用,分析拉延筋主要几何参数对压边力和拉延筋约束阻力
的影响。
可以说,汽车覆盖件工艺设计是产品设计与产品制造之间传递和管理信息的桥梁和纽带,覆盖件冲压工艺设计与工艺管理的一体化是适应资源快速配置,优化产品制造过程,实现产品开发过程的关联性、全球化和网络化要求的。目前计算机辅助覆盖件工艺设计是以交互式为主流,以智能化为研究热点。采用混合决策方式和基于知识的设计方法将是当前研究的趋势。但工艺设计是一个有序而又需要多次检验和往复修改的设计过程,工艺设计与工艺管理的一体化的实现仍有不少地方需要研究,目前还只是实现了初步信息的传递、关联性设计和一些简单管理。
6.冲压工艺发展趋势
汽车冲压工艺设计是一个过程性设计,要通过经验、知识对产品信息不断分析来完成,其设计结果需要检验评价。通过设计—评价—再设计的迭代过程来实现最优设计,是汽车工艺设计发展的重要方向。目前可以说CAE技术已成为覆盖件工艺设计的检验工具和工程人员修改工艺设计的有力依据。用CAE的结果来指导工艺设计,进而实现工艺的自适应设计将是今后的又一研究方向。
另一方向,汽车车身覆盖件工艺设计应根据产品形状结构、工艺性、模具制造的合理性、均衡性及成本最低化原理,来建立优化决策机制,制定产品的工艺路线、任务分配及详细工艺设计。混合智能新技术将是解决该领域问题的一个发展途径。如KBE技术、工艺决策推理机制、人工神经网络(ANN)、遗传算法(GA)、 Petri网等智能化技术及并行工程、CIMS思想等的混合决策技术和多智能体技术的综合智能体系。
7.结束语
进入WTO后我国汽车工业成为中国国民经济的支柱产业,汽车总产量在世界排位已由去年的第六名升至第五名,预计"十五"期末中国的汽车总需求量为600万辆,相关装备的需求预计超过1000亿元,到2010年,中国的汽车生产量和消费量可能位居世界第二位,仅次于美国。随着汽车制造工业全球化、网络化和虚拟化的发展与应用,汽车冲压工艺技术和模具技术的发展应与先进制造技术、智能技术、电子信息及计算机集成技术等众多学科相互交叉、紧密结合。实现覆盖件工艺设计与工艺管理的一体化,实现对制造资源的快速配置和关联工艺设计,优化设计制造过程,并对产品制造合作伙伴的工艺设计及管理工作流程进行控制,是时代发展的要求和必由之路。
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