鋁翼子板翻邊沖孔模具結構設計優化

文/王飛飛·神龍汽車有限公司技術中心

為了保證鋁翼子板實現1+3工序生產，避免前期工藝方案帶來的外觀質量風險。本文分析了神龍公司P84項目鋁翼子板工藝特點及鋁件沖壓工藝特性，闡述了傳統模具結構方案及工作原理，提出了新的優化方案，即采用翻邊沖孔一序實現的工藝方案，為提升模具品質及零件質量打下了堅實基礎。

問題引入

鋁板沖壓是促進車身輕量化的重要手段，P84項目DPCA首次應用鋁板生產前翼子板零件。翼子板作為最重要車身覆蓋件之一，其特點是尺寸小、搭接關系較多、模具結構復雜、外觀及尺寸要求高。在前期工藝分析中要注重避免工藝方案導致外觀存在質量風險的可能，在工序排布中注意翻邊變形以及沖孔的精度要求。

汽車前翼子板工序過程主要有落料、拉延成形、修邊、沖孔、翻邊整形等。由于鋁板沖壓的特殊性以及工序數限制，零件局部必須實現翻邊沖孔同工序完成。

鋁翼子板工藝特點

目前行業內沖壓生產線基本包括4臺壓機，所以對于前翼子板成形要求采用1+3工藝方案（不含落料），即1道拉延工序加3道后工序（含修邊、翻邊、沖孔等工序）。對于鋁件沖壓，碎屑污染是特別需要注意的問題，因為碎屑不僅會影響零件表面品質，造成零件返修成本加大，而且當鋁粉達到一定濃度會引起爆炸。所以工藝上需要特別注意沖裁工藝內容的排布，原則上外覆蓋件不采用廢料刀，沖裁盡量在工序間錯開，避免同一工序沖裁使用廢料刀結構，廢料刀結構是碎屑產生的重要來源。

圖1所示為神龍公司P84項目鋁翼子板零件，采用了一模雙件的工藝方案。材料是鋁板6系6016A，料厚1mm。A-A截面兩側都存在翻邊及沖孔工序，對于每一側翻邊沖孔，常規工藝后工序（圖2）需要3步：⑴垂直修邊；⑵垂直翻邊；⑶斜楔沖孔。

將零件分解為3個區域（圖3），按照常規工藝來說，后3道工序，區域1及區域3需要同時修邊、翻邊以及沖孔。所以在拉延成形完成之后：第一步，區域1以及區域3必須同時修邊。第二步，區域1及區域3同時翻邊，且區域2完成修邊。第三步，區域1以及區域3沖孔，區域2完成翻邊。

圖1 P84項目鋁翼子板

圖2 常規工藝后的工序

圖3 零件分解后的3個區域

按此常規工藝設計，最后工序區域2處翻邊與區域3處的翻邊交接區域很短，大約只有10mm左右（圖4），且交接區域均分布在零件角部，容易造成零件變形。此變形由于工藝造成前后序交接不順，給后期模具試模帶來了極大困難。采用強壓等方式雖然可以得到優化，但不能根除。而且后期經過電泳以及油漆烘烤等，變形可能會擴大，零件最終品質存在風險。為避免此處變形，決定將區域1、2、3的翻邊放在同一工序完成，故拉延完成之后的工藝定為：第一序，區域1以及區域3同時修邊。第二序，區域2修邊，區域1翻邊。第三序，區域1斜楔沖孔，區域2以及區域3同時直翻邊，區域3還要斜楔沖孔，這對最后工序的模具結構提出了更高的要求。

圖4 翻邊交接區域

翻邊沖孔模具結構及運動過程

根據最終確定的工藝方案，翻邊沖孔工藝同序實現。圖5所示為翻邊沖孔模具復合結構初始設計簡圖，采用垂直翻邊和斜楔沖孔同時進行工作的結構形式。壓料板2采用氮氣缸作為壓力源，翻邊鑲塊3固定在上模座上，斜楔采用標準下斜楔，斜楔角度45度。沖頭7固定在斜楔滑塊5上并與之一同做水平運動，沖頭7在運動過程中需要穿過翻邊鑲塊3。

圖5 翻邊沖孔模具復合結構初始設計簡圖

整體工作過程如下：模具工作時，上模從壓機上死點隨壓機滑塊下行，壓料板2首先接觸零件，壓住零件后，模具繼續下行，氮氣缸受壓提供壓邊力，到達一定行程后，翻邊鑲塊3觸料，開始翻邊同時斜楔上驅動4接觸斜楔下滑塊5，驅動沖頭7水平運動，沖頭7穿過翻邊鑲塊3同時完成沖孔，壓機滑塊到達下死點。

工作完成后模具上行，翻邊鑲塊3隨模具上行的同時，沖頭7水平回退。壓料板氮氣缸壓力釋放完成后隨模具一起上行到達壓機上死點。如此往復。

此結構最大的特點是翻邊鑲塊3固定在上底板上，鑲塊上下運動與沖頭7水平運動同時進行，沖頭7還要穿過翻邊鑲塊3來完成沖孔，翻邊鑲塊3還承擔沖孔壓料的作用。為了避免干涉，鑲塊上沖孔過孔需要開成橢圓形且需要開槽。由于結構上的特點，會造成如下缺點。

⑴沖孔變形。連翻帶沖的結構中，翻邊鑲塊同時也起到沖孔壓料的作用。但是由于沖孔過程中，翻邊鑲塊也在同時運動，且翻邊鑲塊上開橢圓孔，導致沖孔的周圍不能完全壓料，容易造成沖孔變形，嚴重時沖頭會帶料造成二次變形。

⑵沖孔尺寸精度差。孔的作用有定位、安裝等，對精度有一定要求。在壓料不充分的情況下，沖孔變形必然會對沖孔的尺寸精度造成影響。

⑶沖孔產生碎屑，被帶到零件表面形成凸點。壓料不充分的情況下，沖孔容易產生碎屑，尤其鋁件碎屑對零件品質影響很大。

⑷鑲塊自身開口，降低了翻邊鑲塊的強度。熱處理后有變形以及開裂的風險，模具維護成本增加。

綜上所述，造成以上缺點的原因都是由于翻邊與沖孔同時進行，翻邊鑲塊自身需要開橢圓孔避讓沖頭造成沖孔周圍壓料不充分。所以對于此結構優化的方向是將翻邊和沖孔通過時序控制分開進行，將翻邊鑲塊設計成活動部件。翻邊內容完成之后，沖頭再水平運動完成沖孔。

模具結構優化

圖6所示為模具優化之后的結構簡圖，將翻邊鑲塊9固定在鑲塊固定座6上，氮氣彈簧5作為壓力源，導柱4和導板3導向，螺釘限位。當模具下行時，壓料板8首先接觸制件，氮氣彈簧7被壓縮，壓緊板料后，翻邊鑲塊9開始翻邊。通過調整斜楔行程，此時沖頭水平運動，尚未接近翻邊鑲塊9，翻邊完成后，翻邊鑲塊9接觸下模墊塊16，壓機繼續下行，氮氣彈簧5壓縮，翻邊鑲塊9相對下模靜止。上模斜楔驅動斜楔下滑塊14水平運動，沖頭11穿過翻邊鑲塊9完成沖孔，壓機滑塊到達下死點。

圖6 模具優化后的結構簡圖

工作完成后，模具上行初始時，斜楔下滑塊14水平回位，翻邊鑲塊9在氮氣彈簧5的作用下相對下模保持靜止，氮氣彈簧5開始釋放壓力。當沖頭11退出翻邊鑲塊9外緣之后，氮氣彈簧5壓力釋放完成，翻邊鑲塊9跟隨上模座1一起向上運動至上死點。如此往復。

此結構最大的特點是將翻邊鑲塊固定在活動的固定座上，在翻邊工序的上下運動和沖孔工序水平運動之間設計出時間差。底墊塊與水平面有3°的角度差（圖7），對活動鑲塊產生法向力F，此力按角度分解后，有垂直向上力F1以及水平方向力F2。力F1讓鑲塊停止運動，沖頭進入時不產生干涉；力F2使得翻邊鑲塊更靠近凸模（存在導向間隙），使得翻邊鑲塊在沖孔前起壓料作用。此結構在不影響翻邊鑲塊強度的同時，還能最大程度減少沖孔變形以及提升翻邊質量。

圖7 底墊塊與水平面的3°角度差

鑲塊結構優化簡圖如圖8所示，翻邊鑲塊優化鑲塊沖孔過孔為圓孔，保證沖孔過程中壓料充分，且避讓部位局部補強，保證翻邊刃口的強度。通過現場實際驗證，零件品質較好，沖孔無變形，尺寸精度也在公差范圍之內。

結束語

本文著重闡述一種改進的翻邊沖孔模具結構的方案，為后續新車型項目開發過程中工藝方案的制定提供新的思路以及解決方案。也建議在新項目模具結構設計過程中，對于可能存在的問題及風險加強研究和分析，敢于嘗試新的結構方案。

隨著汽車輕量化的發展，鋁板零件將會得到更廣泛的應用。由于鋁板沖壓工藝的限制，對于模具結構提出了更高的要求。在前期設計過程中，需要不斷改善以及優化，提前識別出可能出現的風險點，對于指導后期模具試模以及零件品質的改善具有實際意義。

圖8 鑲塊結構優化簡圖