汽車車身沖壓零件多工位級進模設計與應用

文/張國兵、陳文琳、徐迎強、趙烈偉、崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司

汽車車身沖壓零件多工位級進模設計與應用

文/張國兵、陳文琳、徐迎強、趙烈偉、崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司

張國兵，沖壓工藝主管，工程師，主要從事車身沖壓工藝文件編制、工藝驗證、品質基準書編制及公差分析工作，參與調試的瑞風S5項目獲得公司年度“管理、創新、成果”項目匯報評比一等獎，主持完成調試的瑞風M3項目獲得安徽省省級科技成果獎，擁有3項專利。

本文分析了汽車支架零件的外形結構特點，制定了該零件的成形工藝，并通過排樣分析給出了零件排樣圖。利用有限元分析軟件對其沖壓成形過程進行數值模擬，根據模擬結果（成形極限圖及材料變薄率）對成形工藝及工藝參數進行優化，將優化結果用于指導模具設計工作。

多工位沖壓具有效率高、質量好、安全性高等優點，是制造業經常采用的冷沖壓工藝，但多工位沖壓模具與普通單工位模具有許多不同。

多工位級進模又稱連續模、跳步模，它是在一副模具中，按所加工的工件分為若干等距離的工位，在每個工位設置一個或幾個基本沖壓工序來完成沖壓件某部分的加工，它是在單工位沖壓模具基礎上發展起來的多工序集成模具，是沖壓工藝的發展方向之一。隨著我國汽車行業的迅速發展，企業之間競爭激烈程度的持續加劇，零件質量和成本控制顯得尤為突出重要，級進模將成為該行業沖壓模具的重點發展方向。

零件工藝性分析

圖1為支架零件圖。單車型多處使用且多車型共用，現有沖壓件模具使用年限較長，無法繼續滿足新老車型的大量使用，故在新車型開發階段考慮能夠滿足大批量生產的級進模設計。該零件比較簡單，僅有一處沖孔和一處彎曲，但零件彎曲為90°，對沖孔位置精度要求較高。

圖1 支架零件圖

零件排樣分析

多工位較普通單工位一個明顯的特點就是排樣設計，排樣設計的原則除了遵循普通沖壓排樣的原則外，還要考慮以下內容：

1）工序安排。沖裁工序盡量避免采用復雜形狀的凸模，如果形狀復雜，寧可多加一個工序用來簡化凸模形狀。為了保證模具強度和設變需求，料帶上應視情況適當預留空工位，空工位就是不做任何沖壓工序的一個工位。

對于彎曲類零件，應在切除彎曲部位周邊的廢料后進行彎曲，然后再切除其余廢料。對于有沖孔的彎曲件，如果彎曲工序可能影響孔的位置精度或形狀時，應考慮先折彎后沖孔或者在折彎處壓線以減少折彎對沖孔的影響。對于不對稱的彎曲，工件易于滑動，因此可以對零件進行對稱彎曲，然后將用于彎曲的一邊切除，如果零件較小，也可考慮用對排保證料帶及零件的穩定。

2）導正孔的設計。級進模中導正銷是非常重要的，導正銷孔用來做級進模中的精定位，一般在第一步就要沖出導正銷孔，從第二工位開始使用導正銷。導正銷孔一般開在廢料上，如用零件上的孔做導正銷孔的話，應注意孔與定位銷之間的精度，同時還應注意，被借用的孔經導正后，會損壞孔的精度甚至變形，應考慮后序精沖。

3）料帶的連料。在級進模中，為了保證級進沖裁的流暢性，料帶必須要有足夠的強度和剛度，這主要決定于料帶連料部分的強度和剛度。限于工件形狀和工序的要求，連料的形式也各不相同，有雙側連料、中間連料、單側連料等。最理想的是雙側連料，因為這樣對零件的送料、導正和定位來說都是有利的；單側連料對零件最不利。

根據該支架零件的外形特點，單件為不對稱彎曲，成形時工件易滑動質量無法保證，又因該零件較小，考慮采用對排保證零件及料帶的穩定。由于該零件料厚為1.5mm，對排后中間連料方案料帶的剛性可以滿足送料要求。綜上考慮，選定的排樣方案為10個工位（圖2），各工位依次為：沖導正銷孔、切邊、切邊、切邊、翻邊、切邊、空位、成形、精沖孔、切斷。

圖2 排樣工藝圖

支架有限元模型建立與沖壓成形仿真

參數設定

該支架的材料為SPCC，料厚為1.5mm，其材料的物理性能見表1。

表1 材料的物理性能

有限元建模

有限元模型如圖3所示，模具采用正裝結構，凸模、凹模選為剛性材料，模具運動類型為single action，自適應網格重劃次數為4，時間步為15，板料單元厚向積分點數為6。板料采用等向強化模型。

圖3 模擬成形有限元模型

模擬結果及分析

模擬結果如圖4所示，零件R角中間位置存在凹凸造型，變形充分，未出現工藝缺陷，圖中safe所在位置；零件兩側中間位置型面整個過程保持平整，未產生變形，圖中Insuff stretch所在位置；但零件R角處兩側位置在第二序成形過程中，存在多料問題，成形后產生起皺缺陷，圖中thicking所在位置。因此在該位置前序落料時增加工藝缺口，使該處成形得到改善，起皺缺陷消除。

圖4 模擬結果

模具結構設計

根據AUTOFORM分析，在排樣的基礎上，模具結構如圖5所示。該支架多工位級進模采用獨立式對角導柱模架，導向精度較高。各工位凸凹模通過固定板分別安裝在上下模部分，在模座與固定板之間加裝墊板，材料為45鋼調制處理，起緩沖作用及防止模座變形。

導向裝置

該支架單邊沖裁間隙為0.045～0.075 mm，其中料厚為1.5mm，取沖裁間隙為0.06 mm。為保證沖裁工位始終具有合理而均勻的間隙，需要提高模具的導向精度，為此選用高精度等級的獨立式滾珠導柱對角布置。由于支架尺寸小，沖導正孔、沖廢料邊等刀塊尺寸較小，為防止刀塊工作時因強度和剛度不足而變形甚至折斷，設計了輔助導向裝置，即壓料板和凹模固定板導向裝置。在固定板上安裝了四對內導柱、導套，模具工作過程中，對凸、凹模進行導向，確保上、下模對中，凸、凹模間隙均勻，提高了模具的導向精度，從而提高了零件的尺寸精度。

圖5 模具結構圖

定位裝置

帶料采用浮動導料桿與導正銷相結合的定位方式。帶料送進時由兩邊浮動導料桿進行粗定位，經工位1沖出導正孔，而后由兩邊均布的導正銷進行精確定位，從而保證每沖裁一次帶料送進一個步距。這種定位方式結構簡單，定位精確且生產效率高。

卸料裝置

沖壓后帶料會卡在凸模上，為保證上模順利回程進行下一次沖壓，帶料需從凸模上卸下使其留在下模。模具設計了卸料裝置，由彈簧和卸料板組成，模具閉合時，彈簧壓縮；當模具打開上模回程時，彈簧恢復使卸料板相對于上模向下運動將帶料從凸模上卸下。沖壓前卸料板與凹模先行壓緊條料，又有壓料作用，可使零件和帶料平直，保證零件尺寸精度。

工作部件

各沖裁、成形凸模均以過盈配合加底部凸肩方式固定于上模，模具加工簡單、裝配方便，且便于調整和修配。凹模均采用鑲塊結構，將易磨損或難以加工部分以鑲件形式嵌入，降低加工難度，便于刃磨和維修，節省生產成本。

實物及生產驗證

模具實物如圖6所示，利用該模具進行了零件試制，試制零件如圖7所示。將試制件與仿真結果進行比較，表明仿真結果與模具生產的零件吻合程度較高，如實反映了零件成形過程中板料的變形情況。

圖6 模具實物圖

圖7 生產實物圖

結束語

(1)應用AUTOFORM對支架的沖壓成形過程進行了成形仿真分析，以直觀的圖像反映了該零件成形過程中厚度的變化情況，為模具設計提供了參考。

(2)AUTOFORM同步計算坯料展開尺寸，提高了坯料尺寸精度，得到了合理的坯料形狀。

(3)根據成形仿真分析所確定的成形工藝參數，進行了級進模設計與制造，并對零件進行了試制，進一步驗證了分析結果，利用該成形工藝能夠順利獲得符合設計要求的零件。

(4)該級進模經實際使用證明，模具結構合理可靠，安全性好，維修方便，使用壽命長，完全滿足了大批量生產的需求。對相似零件的模具設計，具有較好的參考價值。

綜上所述，在模具設計過程中，基于有限元法的數值仿真技術，可以確定合理的沖壓工藝和參數，避免反復試模和修模，縮短模具開發周期，提高零件成形質量。