某汽車翼子板模具工藝設計

譚植文， 譚文娟，王占全， 王 健

(寧波吉利汽車研究開發有限公司， 浙江 寧波 315336)

隨著現代汽車工業發展，對汽車覆蓋件的設計和成形要求越來越高，相應地對模具制造的要求也越來越高[1]。計算機輔助設計/ 計算機輔助分析(CAD/ CAE) 技術的發展正適應了這種客觀實際的要求。在汽車模具設計中使用并行工程技術，可以避免出現工藝上的失誤。在分析產品設計與制造的可行性上，可利用虛擬設計與制造技術(仿真技術)，以避免現實設計與制造中出現問題而引起的資源浪費。

為了滿足市場上對汽車外觀審美要求，外覆蓋件外觀要求特別高，導致覆蓋件形狀復雜、零件成形較深，增大了制造難度[2]；外覆蓋件大區域的空間需要避讓，材料利用率低，模具制造時容易產生回彈及扭曲現象，零件品質很難保證。

為了提高材料利用率，降低制造成本，確保覆蓋件品質，以某汽車覆蓋件的翼子板為研究對象，根據其翼子板的形狀特征并結合生產制定較合理的工藝方案，并利用AutoForm軟件進行成形性模擬，驗證成形模具的工藝造型及工藝方案可行性，并優化加工型面、減少制造周期及確保外觀面品質。

1 翼子板模具工藝設計

1.1 翼子板形狀特征、沖壓方向、工藝方案分析

1.1.1 零件形狀特征分析

翼子板模型如圖1所示。零件尺寸為長×寬×高=856 mm×580 mm×121 mm， 料厚為0.65 mm，從圖1中可以看出零件形狀特征為：整體形狀細長，大部分是A級外觀面；c區域與車門匹配，避開車門旋轉空間，上端輪廓具有大弧度曲面，中間是大弧度內彎曲面，側整形容易出現缺料，零件應力釋放后導致大的回彈及會整體扭曲等缺陷； d區域是與車輪眉匹配，整個半圓形輪眉的側壁都有直邊，高端車需要包邊，此處形成內凹形狀，零件翻邊后同樣容易出現缺料，會導致整體扭曲等缺陷； a區域是與前保險桿匹配，安裝面高低落差大，成形時上模與板料接觸時間不同步，成形時極易出現拉裂、起皺等缺陷，同時匹配的側壁面拔模角度小，成形時側壁易出現拉裂、回彈大等缺陷； b區域是與發動機蓋匹配，A級面的直線段較短，側整形時A級面易出面凹、回彈大等缺陷。翼子板與周邊匹配的零件較多，需要其有一定剛性，對形狀特征、孔的尺寸精度及位置等要求較高，故對該件成形時整體回彈控制難度較大，需制作合理工藝方案。

圖1 翼子板產品模型

1.1.2 沖壓方向分析及確定

選用合理的沖壓方向能有效地控制模具成本，并對零件的沖壓可行性起著重要作用[3]。沖壓方向的確定需根據零件特征及結合生產線。覆蓋件材料厚度較薄易變形，大多數使用自動生產線機臺抓取料，自動生產線要求各工序間旋轉角度在10°以內。沖壓方向的確定還需考慮沖孔和修邊角度，沖孔和修邊的最大沖壓角度不能超過15°。沖壓方向的確定還需考慮翻邊角度，考慮回彈角度3°后,優先采用垂直翻邊，垂直翻邊有利于外觀品質及R角光順；同時需要考慮設備利用率，翼子板一般使用一模雙件。結合上面闡述的要求，采用圖2所示的沖壓方向(X方向75°、Y方向0°、Z方向2°)，使各截面成形深度盡量淺并均勻過渡，減少成形后內應力。

圖2 翼子板模擬沖壓方向

1.1.3 沖壓工藝方案初步分析

工藝方案制定需結合沖壓設備及考慮模具結構及強度、模具制造成本和零件品質等因素。該工廠的A生產線有5臺沖壓設備，B生產線4臺沖壓設備，翼子板零件窄小，工序內容密集，確保品質的前提下選用5工序完成沖壓較合理。首先擬定合理的沖壓工序，根據零件的形狀特征，初步擬定方案：拉延→修邊、沖孔→翻邊、修邊→側整形、沖孔、側沖孔→側修邊、側沖孔、側整形。工序擬定是否合理需模具結構設計進一步驗證。

1.2 翼子板工藝方案確定

1.2.1 拉延模的工藝方案設計

沖壓件成形后會把多余的輔助材料切除，而剩下的部分就是產品，拉延的輔助工藝造型就是成形時用的輔助材料，在滿足成形要求前提下輔助材料盡量能做到越少越好[4]。根據形狀特征(圖3)b、c區后工序修邊可以選用側沖和正沖：若選用側沖，零件回彈小，工序數可以減少，但成形深度較深，會導致成形時進料過多，表面品質變差，同時模具結構復雜及制造成本高，故采用正修邊工藝，降低成形深度，有效地控制了制造成本。

d區內凹形狀容易產生回彈及扭曲，在滿足修邊強度情況下，翻邊展開形狀盡量做深拉延量，但需要考慮整條棱線滑移，在廢料區域做余肉造型結合拉延筋控制滑移線，但此區域的余肉對材料利用率無影響。

a區后序對法蘭面進行整形，此處需用過拉延工藝，在確保拉延不開裂情況下，過拉延值量盡量做小，控制在2～5 mm以內，過拉延量過多易導致后工序整形起皺。綜合上所述建立拉延造型進行模擬分析。

圖3 翼子板拉延的輔助造型

1.2.2 成形模擬分析

1) 模擬參數的設定

翼子板需要滿足一定的剛度和強度要求，同時為了考慮白車身的輕量化[5]，故選用DC54D+Z的鍍鋅普通鋼板，厚度為0.65 mm。材料參數：屈服強度σs=160 ～220 MPa，抗拉強度σb=260～350 MPa，硬化指數n90≥0.18，厚向異性指數r90≥1.6，密度ρ=7.85×105N/mm3，斷后伸長率δ=36%，泊松比γ=0.3，彈性模量E=2.1×105N/mm2，摩擦因數為0.15。

2) 模擬分析的主要指標值

模擬分析主要目的是驗證所作的工藝方案是否可行性，預判成形過程中各種缺陷，有效縮短模具開發周期，提高成形的精準性[6]。外覆蓋件模擬分析需要關注幾項指標：變薄率、主應變、次應變、滑移及沖擊線、回彈、進料與拉延筋等。首先確認成形過程是否明顯的起皺和開裂現象(圖4)。

壓料和成形過程中沒有出現波紋和起皺現象，滿足沖壓件的質量要求。

主應變值需要大于0.02(圖5)，材料才能成形充分，成形充分后零件才不會起皺。但需要結合次應變判斷，若主應變很大，而次應變為負值，會容易起皺或外觀缺陷，故主應變需要大于0.02，同時次應變需要大于0，這樣確保成形充分。

從圖5判斷外觀面主應變值都在0.02以上，滿足沖壓件的質量要求。

圖4 成形過程分析

圖5 主應變

次應變要求值大于0(圖6)，從圖6判斷外觀面次應變大于0，滿足沖壓件質量要求。

圖6 次應變

變薄率是判斷產品是否開裂的重要標準，不同的零件因材料及料厚不同，最大許可變薄率存在較大差異，對于本案DC54D+Z/0.65變薄率應控制在-0.03～-0.23之間較合理(圖7)，同時考慮材料參數差異波動，成形性應考慮10%安全裕度，小于-0.23會有開裂的風險；大于-0.03會有起皺的風險。從圖7可見產品外觀區域的變薄率小于-0.03，滿足沖壓件的質量要求。

圖7 變薄率

滑移及沖擊線的痕跡不能滑移到產品外觀區域如圖8，棱線滑移在R角圓內，不影響外觀。

圖8 滑移及沖擊線

坯料進料量及拉延筋阻力系數控制，盡量控制進料均勻、平滑過渡，或者不進料[7]，利用材料內部脹形成形，成形充分后材料利用率高，同時零件回彈及扭曲相對會較小，見圖9。

圖9 坯料進料量

滿足上述模擬分析各項要求后，適當減少壓料面的深度及縮小料片尺寸來提高材料利用率，通過調整拉延筋系數、增大壓邊力等條件，調整后的參數通過反復分析，讓壓料面的深度最淺，計算最終的合理的數模作拉延數模，后工序修邊角度、翻邊、整形質量等都可以用AutoForm分析驗證。

1.2.3 修沖的工藝方案設計

外覆蓋件修邊需要控制毛刺、鐵屑及廢料滑出問題[8]。毛刺產生的主要影響因素：修沖角度及修沖間隙。修邊角度最大值控制在15°之內，沖孔原則接受的角度不要超過孔徑，還需要考慮材料的抗拉強度及厚度，抗拉強度越高及厚度越厚接受沖孔的角度越小(見表1)，厚度影響實際孔徑，計算公式見圖10。

表1 最大修沖角度

沖壓過程中產生的鐵屑會帶到產品區域問題，造成對零件損傷，應盡量不采用廢料刀，同時避免正修與側修交刀。當然與實際沖壓線設備規劃臺數有關，沖壓線一般規劃4～6臺一條線，此翼子板規劃在5臺沖壓線上生產，為了壓縮工序數，使用廢料刀是難免的。若用廢料刀時模具結構上可采用浮動廢料刀或局部使用二次切斷工藝方案。

圖10 孔徑計算公式

廢料滑出問題主要考慮：廢料刀的刃口不能相對，刃口之間的距離考慮模具強度及滑道空間，同時零件平面擺放方向影響很大，翼子板的輪眉區域朝投入方向較合理。綜合上述因素確定修邊工藝方案(工序代號OP20，見圖11)。

1.2.4 翻整的工藝方案設計

翻整主要有起皺、開裂等缺陷[9]，若翻邊外輪廓是凹形狀容易產生缺料現象，翻邊后出現開裂問題(d區輪眉處)，反之凸輪廓形狀會產生多料現象，翻邊后出現起皺問題(c區與車門匹配處)。整形量大也會容易起皺，為了消除起皺(a區與前保匹配處)，進行帶廢料整形，廢料區和在產品不整形區用壓料板(即整形兩側用壓料板進行壓料)，廢料區使用壓料板的壓力源為氮氣彈簧，可以調整壓力。若整形后開裂，廢料區的外部壓力適當調小，起皺就加壓調大；為了保證外觀A面品質及外觀R角均勻，翼子板全周先進行正翻(工序代號OP30)，這樣能確保R角光順及外觀面品質(如圖12)。外板形狀較淺，需要增加精位孔，此孔在OP20已經沖好， OP30只需要用作定位即可，但OP30全周翻邊了，沒有精確定位孔，利用的是型面輪眉外裝飾卡扣孔，故在此工序增加沖孔，用作后工序精定位。

圖11 OP20修沖工藝方案

圖12 OP30修邊、翻邊工藝方案

后工序(代號OP40)與機蓋匹配翻整需要先側整形，側壁上所有的沖孔是此零件在檢具上定位的基準，位置、形狀、尺寸度要求最高，故先側整形后再進行沖孔，這樣才能保證沖孔的位置、尺寸、形狀精度，見圖13。

圖13 OP40修邊、側沖孔、沖孔、側整形工藝方案

最后整形位置與車門匹配處如圖14(工序代號OP50)所示，此處雖然有裝配孔，但為了車身匹配，需調整面水平及拼縫間隙值，所以此處的裝配孔設計成開口孔。開口孔可以在OP20調整沖完， 孔的精度在OP50整形后，也能保證裝配關系。工序內容按照此思路設計。

圖14 OP50側修邊、側沖孔、側整形工藝方案

依照設備規范把所有的工序組合起來編制工藝卡，落料使用擺剪，有自動擺剪設備，故不需要額外制造模具，擺剪落料可以有效提高材料利用率。通過上述綜合分析得出精確工序：OP10拉延→OP20修邊、沖孔→OP30翻邊、修邊、沖孔→OP40側整形、沖孔、側沖孔→OP50側修邊、側沖孔、側整形，確定工序后可以制作工藝卡，根據工藝卡指導各工序OP10～OP50進行模具結構設計。

2 翼子板的加工數據設計

模具制造周期長也是難點，可通過優化加工數據來減少鉗工研合量及調試周期[10]，加工數據還影響模具型面里R角或型面避讓的美觀度，其研究在模具制造工藝中是不可缺少的步驟。以某翼子板拉延模具加工數據為分析對象進行研究，最后得到的翼子板拉延模具回彈補償后加工數據如圖15所示。后工序加工數據主要包括：壓料芯強壓、修邊刀塊波浪剪、整形刀塊強壓、各刀塊與壓料芯間隙等。對照AutoForm軟件的分析值作參考，部分結合制造經驗對型面進行優化。

圖15 OP10拉延全型面補償圖

完成回彈補償后的數據進行模面處理：拉延模設下凸模型面作為基準，僅凹R角避讓，其余依照全型面制作。上模模面要求(如圖16所示)：對于上模偏置料厚值， 凹R角(3 mm ≤凹R)已經讓空0.5 mm處理；產品全周搭接，匹配輪廓區域和RPS面，裝配孔面區域強壓0.1～0.15 mm 處理；側壁工藝補充區域空開0.2 mm,余肉工藝補充區域空開1～2 mm(非起皺部位，起皺部位不空開)；工藝補充對應壓料面進料較多的區域型面緊壓0.1～0.15 mm；型面以單件中心放大1.000 7處理。壓機補償0.2 mm處理，壓邊圈拉伸筋里面需要作強壓0.1～0.15 mm 處理(如圖17所示)。

圖16 OP10拉伸上模間隙標色圖

圖17 OP10拉伸壓邊圈間隙標色圖

坯料外面20 mm降刻0.5 mm處理，拉延筋與坯料之間型面是等料厚處理，凹筋空開0.5 mm處理，后工序加工數據壓料板強壓0.1 mm，整形刀塊對照分析當作補償等，此處就不全部闡述了，加工數據調整顏色改成藍油圖，指導現場鉗工研合及調試。模具加工完成，首件狀態及后工序狀態如圖18、19所示。

圖18 拉伸首次出件

圖19 工件局部

3 結束語

該模具工藝總體設計合理，依照零件特征OP20修邊采用正修方式，降低了零件成形深度，從而降低了模具的制造難度及制造成本。在工序內容上：OP30采用全周整形確保外觀R角光順；與機蓋匹配處采用OP40先整形OP50再側沖工藝來確?；鶞士锥ㄎ痪?。由于該制件為外觀件，對表面質量要求比較高，為與前保險杠匹配，整形處模具采用帶壓料板的托料結構，不僅提高了進料的均勻性還降低了彈塑性的內應力。此模具工藝設計對覆蓋件的實際設計體系具有重要的指導作用。