冷冲压模具局部湿式润滑压边圈结构的研究和应用

阳学，韦荣发，谢迎欢，姜晓富，李德政

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545005）

汽车钣金作为整车的关键零部件，对整车的综合性能具有重要影响。在汽车钣金件冲压生产过程中，通常经过拉伸、修边、冲孔、整形及翻边等工序，其中，拉伸工序对钣金的品质具有重要影响。为确保汽车钣金的品质及成形质量，通常在拉伸工序前使用清洗机清洗板材表面，提升板材的洁净度，可有效抑制因板料表面粘附异物造成制件尤其是外覆盖件表面出现凹凸等缺陷，生产工艺流程如图1所示。此外，汽车钣金大多数由复杂的空间曲面构成，在冷冲压成形过程中应力应变复杂，模具型面与板材表面承受巨大载荷。冲压成形过程中，板料和模具间存在巨大的摩擦力，进而可能引发粘着磨损，导致模具型面或钣金表面出现拉伤或开裂等现象，俗称拉毛缺陷[1]，常见的模具与钣金表面拉伤缺陷如图2所示。拉伤缺陷不仅降低了冲压工艺的稳定性，导致废品率与模具停机率上升，增加企业的运行成本，严重时还可能降低车身覆盖件的抗腐蚀性、抗疲劳性与碰撞安全等性能。因此，针对侧围、门内板等深拉伸模具通常启用清洗机进行生产，板料表层吸附的清洗油起到一定的润滑作用，降低板材与模具型面的摩擦力，进而降低深拉伸件拉伸成形过程中出现开裂的风险，提高制件成形裕度[2～4]。

在当前工艺与冲压生产模式下，随着清洗机的老化，使用清洗机生产通常会伴随一些问题[5～6]。在批量生产中清洗油容易堆积在拉伸模压边圈的低弧面和筋槽根部，油量过大会导致降低板料的成形阻力，加剧制件起皱变异的风险，如图2a所示。但若取消清洗机或减少清洗油的喷涂量，板料表面油膜厚度不足，会导致成形过程流动阻力过大，侧围外板、前后门内板等深拉伸制件拉伸过程出现缩颈、开裂的风险显著增加，增加重大缺陷质量外溢的风险，如图2b所示。同时，随着使用年限的延长，车间板料清洗机挤干效果下降，板料清洗后表面油膜厚度过大且分布不均匀，制件积油严重，导致车身溢胶、涂装缩孔等问题频繁出现，降低整车品质，引起抱怨，如图2c所示。除此之外，清洗油残留在模具内部并渗漏至压力机工作台面上，并在机械手传送制件过程中飞散至压力机间的通道内，降低整个生产工艺过程中设备与环境的洁净度，如图3所示。而且清洗油的大量使用，增加企业运行成本。

压边圈作为拉伸模的重要组成部件，对钣金件的成形质量及品质具有重要影响[7]。本文从控制清洗机油液来源、提升门内板等深拉伸模具成形稳定性及降低油耗成本的角度出发，对某车型门内板拉伸模压边圈结构进行改进，研制一种局部湿式润滑压边圈结构，并通过工程实践验证方案的可行性与有效性，以期为汽车模具机械设计及降低冲压厂运行成本提供参考。

图1 汽车钣金生产工艺流程图

图2 模具与制件拉伤缺陷模式

图3 清洗机油量过大导致的缺陷模式

局部湿式润滑压边圈结构本体如图4所示，由储油箱、气动泵及阀体、换向阀油管、喷嘴及回油箱等部分组成。硬件部分结合压边圈形状与尺寸通过软管连接布置在压边圈内壁的外侧上，在压边圈支撑肋的根部开设通孔，通过液压管的连接实现整体布局；
在压边圈拉伸最深处的压料面外侧配钻通孔，用于布置和调整喷嘴的方位。所述喷头为扇形，通过压边圈外侧上的垂直通孔布置喷嘴方位，喷洒范围覆盖压边圈深拉伸区域型面。可调喷嘴结构如图5所述。

局部湿式润滑压边圈结构的喷油控制方案如图6所示，由喷油控制系统、液压传动系统、湿式润滑模具（模具包含上述压边圈结构）及油液回收系统等模块构成。

图4 湿式压边圈结构3D轴测图

图5 可调喷嘴结构

图6 整体方案构架

3.1 喷油控制系统

喷油控制系统采用小型集成式控制器，控制系统与模具相关的设备进行实时通讯，保证与模具的动作进行同步动作，同时进行实时故障检测，保证整个系统的故障处理及时。整个控制系统的硬件采用NI的控制器以及采集模块进行编程，通过控制系统的输出控制油泵控制流量阀的换向，实现喷油或停止供油，即压机运行至下死点前20°油路接通，实现喷油润滑，压机上行至10°时油路断开，停止喷油喷。同时，控制系统可通过控制油泵的的转速，并结合流量阀调整喷油量的大小。喷淋头的着油面则通过调整喷淋头的位置和个数进行调整。

3.2 液压传动系统

液压传动模块利用生产线的气源作为动力源，可通过压机程序控制气源的开启，进而实现润滑油的输出或切断，回路中的流量控制阀采用气动控制的形式。装置溢流阀可手动调整压力大小，通过压力的大小进一步调整喷油量的大小。

3.3 过滤系统

采用在油泵的入口端增加过滤器的方式，保证进行油泵的润滑油的品质，在喷淋头的入口端也增加一个过滤器，保证润滑油在整个管路里流动没有杂质进入模具表面。

3.4 余油回收系统

先使用过滤网对余油过滤，去除杂质后流入回收箱，然后通过回收油泵将回收油箱中的余油进行抽取，输送到油箱中进行循环利用。

系统控制逻辑如图7所示。针对门内板模具，取消清洗机生产，控制油液来源，降低油耗成本，并间接降低因钣金表面油膜厚度超标造成车身溢胶与涂装缩孔风险，提升整车品质。同时考虑深拉伸件的拉伸成形质量，通过在压边圈深拉伸区域设置局部喷油装置，喷油范围覆盖压边圈型面与拉伸槽，形成局部湿式润滑压边圈结构，通过对板料表面的润滑，降低制件缩颈开裂风险。

为验证改进方案的可行性与有效性，选择拉伸工艺相近的不同车型（以车型A、B表示）后侧门内板进行对比分析。模具材质均为GM246（球墨铸铁），板料牌号为BUFD，板料厚度均为0.7mm，冲压速率为11冲次/min。车型A拉伸模为常规的模具，采用清洗机进行生产；
车型B拉伸模采用局部湿式润滑结构，取消清洗机进行生产，批量生产过程中采用按设定逻辑定期喷油的形式。试验过程以5,000冲次为周期，以制件油膜厚度、因拉伤造成的模具停线率及单冲次油耗成本为主要评价指标。试验条件与结果如表1所示，制件结构及其表面积油、拉伤状态对比如图8所示。

图7 喷油控制逻辑

表1 试验条件与结果对比

观察试验结果可知，在相同的冲次与工况条件下，车型A、B的制件表面油膜厚度分别为2.5g/m2与0.3g/m2；
拉伤停线率均为0%；
油耗成本分别为0.27元/冲次与0.02元/冲次。试验结果表明，常规压边圈模具启用清洗机生产，可有效抑制制件拉伤，但制件表面油膜厚度超标，易造成车身包边溢胶与涂装缩孔等缺陷，且单件油耗成本超出指标0.07元/冲次。局部湿式润滑压边圈结构由于可实现取消清洗机生产，制件表面油膜厚度满足指标，油耗成本相比常规模具结构降低0.27元/冲次，且批量生产过程中采用定期喷油润滑的形式，可显著改善拉伸成形条件，未出现拉毛与缩颈、开裂等失效模式。

综上表明，针对门内板、侧围外板等深拉伸模具，采用局部湿式润滑压边圈结构可实现取消清洗机生产，通过控制油液来源以降低油耗成本，并间接降低因钣金表面油膜厚度超标造成车身溢胶与涂装缩孔风险，提升整车品质。

在高温与高冲压速率条件下，部分深拉伸模具如前、后门内板、尾门内板等仍出现粘着磨损并导致制件表面出现明显烧结与拉毛的风险。针对上述模具生产线，可在上述压边圈结构改造的基础之上优化生产线清洗机喷油程序，由实时喷油变更为间歇性喷油，进一步提升钣金油膜厚度的均匀性，减少油耗并提升整车品质[8]。清洗机喷油控制程序改动如图9所示，设定板料清洗计数，正常喷油超过5块板料后停止喷油，清洗机保持正常运行，刷辊正常运转，当板料计数达到设定值（目前设为320件）时计数清零，重新启动喷油，喷油再次超过5件后又停止喷油，如此循环间歇性喷油。

图8 车型A与B产品结构及制件表面状态对比

图9 清洗机间歇式喷油控制程序

本文针对门内板等深拉伸、成形工况较为复杂的模具压边圈结构进行改制，在压边圈深拉伸区域设置局部喷油装置，喷油范围覆盖压边圈型面与拉伸槽，通过整合液压传动与PLC电控技术，研制局部湿式润滑压边圈结构，并通过工程实践验证结构的有效性。项目实施效果显著，对提升制件品质、降低生产运营成本具有显著改善作用，同时首创并成功实践该技术在冷冲压模具上的应用，对模具结构的创新及新标准的制定具有重要参考意义。