孫剛 王憲峰 白朋鵬 廉桂芹 韓冬

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130013）

1 前言

板材沖壓工藝，以其生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)穩(wěn)定性好、制件質(zhì)量優(yōu)良、工藝適用范圍廣等特點，長期以來在汽車外覆蓋件生產(chǎn)領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位。盡管近年來隨著新工藝新材料的發(fā)展，出現(xiàn)了材料增材制造、大型壓鑄等新工藝，但在可以預(yù)見的相當長的一段時間內(nèi)，板材沖壓仍然是車身覆蓋件的主要生產(chǎn)方式。沖壓模具作為沖壓成型的主要裝備，其本身的工藝設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工制造調(diào)試水平直接決定了沖壓件質(zhì)量的穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及企業(yè)用工成本的日漸升高，汽車生產(chǎn)企業(yè)對板材沖壓的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)穩(wěn)定性提出了更高的需求。特別是隨著工業(yè)4.0、中國制造2025概念的提出，制造業(yè)對智能化、數(shù)字化的需求日益增長，傳統(tǒng)沖壓行業(yè)在接受智能化賦能后煥發(fā)出更強的活力。在已經(jīng)成熟的自動化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，零件在線質(zhì)檢、不良品分揀、自動裝箱、自動轉(zhuǎn)運等全生產(chǎn)鏈條自動化趨勢日漸明晰，這將大大減少生產(chǎn)線人員數(shù)量，也對沖壓模具結(jié)構(gòu)和模具材料提出了更高的要求，不僅要求模具有更長的使用壽命，而且在結(jié)構(gòu)精度和性能上具有更強的穩(wěn)定性和適應(yīng)不同生產(chǎn)環(huán)境的裕度。

在冷沖壓的拉伸成形過程中，由于板料流動時與模具之間摩擦產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量的一部分散失至周圍環(huán)境，另有部分會傳遞至模具，導(dǎo)致模具的溫度升高。在批量生產(chǎn)過程中，隨著沖壓次數(shù)的增加能量逐漸在模具中累積，由于熱膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致模具型面變形，造成開始沖壓的一批零件質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)到一定數(shù)量后則產(chǎn)生零件縮頸、拉裂等諸多問題，深拉延零件更為明顯。面對這一問題，傳統(tǒng)的做法是停線由鉗工對模具進行局部調(diào)整，此方法給現(xiàn)場工人帶來了額外的工作負擔(dān)，降低了生產(chǎn)效率。隨著汽車廠對生產(chǎn)效率和人員效率的不懈追求，汽車生產(chǎn)企業(yè)對如何降低甚至消除熱效應(yīng)、提高批量生產(chǎn)穩(wěn)定性提出了新的需求，模具冷卻自然而然的成為選項之一。本文針對流入量較大的深拉延零件，以其批量沖壓生產(chǎn)中的沖壓穩(wěn)定性作為研究對象，通過改變模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加模具冷卻、減輕模具受熱膨脹提高大線生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

2 渦流管冷卻原理及熱量計算

2.1 冷卻方式選擇及渦流管冷卻原理

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量的總值保持不變，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方。使用冷卻系統(tǒng)的目的是將沖壓模具這一熱力學(xué)系統(tǒng)中由機械能產(chǎn)生的熱能傳導(dǎo)到系統(tǒng)以外，保持系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定。

水冷系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)是水或其他種類的冷卻液，冷卻介質(zhì)在冷卻水道流動過程中與模具完成熱交換，達到冷卻模具的目的。水冷系統(tǒng)具有優(yōu)良的熱效率，是一種的很好冷卻方式，但其水道系統(tǒng)要求具備良好的密封性，需要外接循環(huán)泵體，使冷卻系統(tǒng)變得復(fù)雜，生產(chǎn)準備時間長、成本較高。水冷系統(tǒng)更加適合熱成型、壓鑄、注塑等有大量外部能量注入，對冷卻效率要求較高的模具和工作環(huán)境。

空氣冷卻使用的介質(zhì)是壓縮空氣，此介質(zhì)安全易得并且不需要外接泵體，管路系統(tǒng)不要求嚴格密封，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。對于冷沖壓模具來說，熱量來源僅僅是板料流動產(chǎn)生的摩擦生熱，來源單一且有限，空氣冷卻的熱效率足以勝任這種工作環(huán)境。

渦流管現(xiàn)象是1930年法國物理學(xué)家喬治·朗格發(fā)現(xiàn)的，1960年以后開始商業(yè)應(yīng)用。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展以及工程師的不懈努力，渦流管技術(shù)已經(jīng)十分成熟。其工作原理（圖1）是壓縮空氣噴射進渦流管的渦旋室之后，氣流以高達100×104r/min的速度旋轉(zhuǎn)著流向渦流管的熱氣端出口，一部分氣流通過控制閥流出，剩余的氣體被阻擋后返回在原氣流內(nèi)圈以同樣的速度反向旋轉(zhuǎn)著流向冷氣端，在此過程中，兩股氣流發(fā)生熱交換，內(nèi)環(huán)氣流逐漸降溫，從渦流管冷氣端排出，外環(huán)氣流逐漸升高，從渦流管熱氣端排出。渦流管可以高效產(chǎn)生低溫氣體，冷氣流的溫度和流量大小可通過調(diào)節(jié)渦流管熱氣端的閥門控制。渦流管熱氣端的出氣比例越高，冷氣端排出的氣流溫度越低，流量也相應(yīng)減少。

圖1 渦流管工作原理

渦流管特點如下。

a.經(jīng)過調(diào)節(jié)后渦流管可產(chǎn)生溫度為-40～110℃的氣流；

b.結(jié)構(gòu)簡單，單價低廉，運行可靠，基本免維護；

c.無需用電和制冷劑，僅用經(jīng)過過濾的工業(yè)壓縮空氣即可制冷，安全環(huán)保。

正是由于渦流管的這些特點，非常適合在沖壓車間用于沖壓模具冷卻。基于以上因素本文中采用以渦流管為核心部件的空氣冷卻作為冷卻方式。

2.2 熱量計算

在進行具體的冷卻設(shè)計之前，首先對批量生產(chǎn)過程中因摩擦產(chǎn)生的熱量進行預(yù)估。按照庫倫摩擦定律，摩擦力與正壓力成線性比例關(guān)系，見公式（1）。

式中，F(xiàn)R為摩擦力；FN為正壓力；μ為摩擦因數(shù)，此因子在大眾汽車標準VW 01170中根據(jù)板料類別進行選取，如表1所示。

表1 VW 01170中摩擦系數(shù)的設(shè)定

參照大眾汽車標準VW 01170，本項目中使用板料為鍍鋅板，μ取值為0.15。

壓力計算公式見公式（2）。

式中，P為壓強，此因子在沖壓工藝數(shù)值模擬中均值按照3 MPa進行設(shè)定；S為受力面積，本項目中對壓邊圈實際壓料面積進行測量，取值為0.355 m2。

經(jīng)計算，F(xiàn)N=1.065×106N，F(xiàn)R=159 750 N。

功的計算公式見公式（3）。

式中，W為摩擦做功；F為摩擦力，F(xiàn)=FR；S為流入量，此項目數(shù)值模擬中板料的最大流入量為0.04 m。

經(jīng)計算，W=6 390 J。批量生產(chǎn)的頻次SPM=12次/min，每小時累計的摩擦功Wtotal=4 601 kJ。

按照摩擦生熱公式見公式（4）。

式中，S1為板料的位移；S2為壓邊圈的位移；Q為熱量；F為摩擦力，F(xiàn)=FR。

由于壓邊圈并未在摩擦力方向上產(chǎn)生位移，所以S2=0，S1=S，經(jīng)計算，Q=4 601 kJ。

經(jīng)過1 h累計的熱量約為4 601 kJ。

基于計算假設(shè)所有的熱量均需要被渦流管產(chǎn)生的冷空氣通過熱交換帶走，所以所用渦流管的總功率應(yīng)>4 601 kJ/h。基于以上計算以及附圖2中渦流管功率列表，選擇使用2套SMVT10020M渦流管進行冷卻系統(tǒng)設(shè)計。

圖2 某品牌渦流管外形尺寸

表2 某品牌渦流管型號及參數(shù)

3 拉延模具結(jié)構(gòu)簡介

拉延模具作為汽車沖壓模具的主要成型模具是整個生產(chǎn)鏈條上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。沖壓模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)百個零件按照安裝位置，大體可以分成2個部分，分別是安裝在上滑塊的上模和安裝在下機臺的下模（圖3）。拉延模具結(jié)構(gòu)看似簡單但對結(jié)構(gòu)設(shè)計細節(jié)、受力狀態(tài)要求很高。良好的受力狀態(tài)和壓力分布能夠提高板料的成型性、尺寸穩(wěn)定性和模具的使用壽命。凸模、凹模、壓邊圈作為拉延模具的主要成型部件，是決定拉延成型穩(wěn)定性和質(zhì)量的核心部件。

圖3 拉延模具簡要結(jié)構(gòu)

壓邊圈（圖4）的結(jié)構(gòu)是整個拉延模設(shè)計的重點和難點，壓邊圈總體上是圍繞著凸模的環(huán)周結(jié)構(gòu)，依靠和下模之間的導(dǎo)板導(dǎo)向保持和凸模的位置關(guān)系，隨著壓機行程進行Z軸方向的往復(fù)運動。壓邊圈結(jié)構(gòu)要有足夠的強度和受力傳導(dǎo)設(shè)計，能夠?qū)⑾職鈮|提供的壓邊力通過下打桿直接傳導(dǎo)至板材，利用壓料面和拉延筋控制板料流動。在整個拉延過程中壓料面和拉延筋始終與板料緊密接觸，是批量生產(chǎn)熱效應(yīng)影響的主要區(qū)域，是本項目中冷卻系統(tǒng)設(shè)計的主要工作區(qū)域。

圖4 壓邊圈簡要結(jié)構(gòu)

4 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 渦流管冷卻系統(tǒng)設(shè)計

在凸模、凹模、壓邊圈3大部件中，壓邊圈是受熱效應(yīng)影響最大的零件。本項目將以后蓋內(nèi)板拉延模具壓邊圈作為工作對象，增加基于渦流管制冷的冷卻系統(tǒng)。

冷卻系統(tǒng)（圖5）使用的能源介質(zhì)是過濾后的壓縮空氣，沖壓車間可以提供0.5～0.6 MPa的壓縮空氣，使用氣路接頭1與壓機可控氣源接口連接，將壓縮空氣導(dǎo)入冷卻系統(tǒng)內(nèi)部。常溫的壓縮空氣通過渦流管轉(zhuǎn)化為高溫、低溫2種氣體，高溫氣體直接向下從熱氣端排出并通過消聲器降低排出氣體時的噪音。低溫氣體流入金屬管道內(nèi)部，利用金屬管路是熱的良導(dǎo)體的特點與壓邊圈進行熱交換，達到冷卻壓邊圈的目的。最后在管路末端設(shè)置氣體排出口并安裝消音器。

圖5 渦流管冷卻系統(tǒng)

4.2 冷卻管路

預(yù)埋金屬管材質(zhì)選擇：壓邊圈材料為GGG70L，澆注時的溫度為1 450～1 500℃[1]，金屬管的熔點（表3）和壁厚應(yīng)在一個合適的范圍內(nèi)使?jié)沧r金屬管外表面溫度達到熔點出現(xiàn)熔融狀態(tài)，使鑄件冷卻后金屬管與壓邊圈本體呈現(xiàn)出一個比較好的結(jié)合狀態(tài)，以便冷熱交換的順暢進行，內(nèi)表面溫度低于熔點不會發(fā)生熔穿，以免影響甚至堵塞空氣在管路中的運行?；诖朔治鲈诒卷椖恐羞x擇10 mm厚的鋼管作為預(yù)埋管材。

表3 冷卻金屬管套幾種常用材質(zhì)的力學(xué)、物理和導(dǎo)熱性能[2]

輔助支撐設(shè)計：鋼管安裝到泡沫型以后，除去泡沫型前后端面芯頭支撐外，沿著管路如果沒有支撐，鋼管因自重向下彎曲，澆注時因浮力向上彎曲，都會造成壓邊圈鑄造壁厚與設(shè)計不符，因此支撐的設(shè)計和固定很關(guān)鍵。如圖6所示，支撐部件由固定環(huán)、支撐桿、底座3部分焊接而成。將固定環(huán)套在冷卻管路上與管路一起預(yù)埋入泡沫型內(nèi)。支撐桿和底座埋在砂型里，被鑄造砂緊密包圍固定，澆注過程中泡沫型遇熱消融，冷卻管路因為受到支撐部件的固定，能夠保持在相對穩(wěn)定的位置。

圖6 冷卻管路總成

冷卻鋼管設(shè)計：冷卻鋼管按照壓料面進行隨型設(shè)計，使沿著管路各個點位和壓料面的距離保持一致。按照圖紙對鋼管彎折后，使用正火消除應(yīng)力，減少澆注過程中鋼管本身的應(yīng)力變形。在澆注過程中，鋼管在高溫鐵水的包圍下，鋼管會自然膨脹，在徑向方向上的膨脹由于徑向尺寸較小可以忽略不計。在軸向方向上，鋼的線漲系數(shù)是10×10-6/℃[3]，在本項目中1根鋼管的長度是3 m，在澆注溫度是1 500℃時的伸長量是45 mm。澆注過程中如果兩端固定，鋼管中心將會拱起。為保證鋼管的自由收縮，將冷卻鋼管在原長度上加長2 000 mm，使之伸長到砂箱以外，鋼管兩端在軸向方向保持自由，僅僅增加徑向約束。

4.3 冷卻系統(tǒng)周圍壁厚設(shè)計

傅力葉方程式見公式（5）。

式中，Q為熱量；K為導(dǎo)熱率；A為接觸面積；d為熱量傳遞距離；ΔT為溫度差。

熱量的傳導(dǎo)效率與壁厚成反比，壁厚越厚熱量傳遞效率越低，所以在滿足壓邊圈強度的前提下應(yīng)盡量減少冷卻管路距離壓料面的壁厚。壓邊圈型面的標準厚度是60 mm，考慮到后期整改的可能性，本項目中將之減少到50 mm，如圖7所示。

圖7 壓邊圈剖面

4.4 泡沫型制作

消失模鑄造是把涂有耐火材料涂層的泡沫型放入砂箱，泡沫型四周用鑄造砂充填緊實，澆注時高溫金屬液使其熱解消失并占據(jù)泡沫型所退出的空間，所有的埋入件也被高溫鐵水環(huán)繞，待鐵水冷卻后與鑄件結(jié)合為一體。本項目中預(yù)制的冷卻管形狀復(fù)雜，經(jīng)過加工工藝分析，將蓋在冷卻管上方的泡沫型和壓邊圈本體分型加工，待冷卻管放入實型后再把缺口使用蓋子進行封閉（圖8）。

圖8 壓邊圈泡沫型

5 結(jié)論

設(shè)計要點如下。

a.通過熱量計算確定渦流管功率并以此為基礎(chǔ)進行冷卻系統(tǒng)設(shè)計；

b.在整體式壓邊圈使用預(yù)埋冷卻管工藝，根據(jù)澆注溫度選擇合適的冷卻管材質(zhì)，提高熔合狀態(tài)；

c.經(jīng)過預(yù)處理并加長預(yù)埋鋼管，自由端伸出砂型之外，中間每隔300 mm左右增加支撐可以提高冷卻管在鑄造過程中的位置精度；

d.壓邊圈壁厚在滿足強度要求及整改可能后應(yīng)盡量的薄。

通過使用該系統(tǒng)成功降低爬產(chǎn)階段廢品率1%，減少停臺時間10 min/千件，預(yù)計整個生命周期將產(chǎn)生效益120萬元。此冷卻系統(tǒng)對于流入量大的深拉延件具有良好效果，如后地板、后輪罩、后蓋內(nèi)板、后蓋外板。