汽車前縱梁后段內側板試制模具創新設計

徐明 劉東平 李軼靚 任建新

摘 要：隨著全球汽車行業競爭日益激烈，產品開發周期持續縮短，樣車試制時間緊、任務重。鈑金樣件快速模具的質量和技術水平直接影響整車綜合質量和試驗參數，甚至關系到研發項目的成敗。因此，汽車企業要切實提高快速模具試制的技術創新能力，掌握關鍵技術，確保樣車試制工作順利完成。文章基于前縱梁后段內側板快速模具設計的技術創新，模具試制由四序簡化為兩序，該種模具設計形式能提高樣件質量、節省成本、提高效率。

關鍵詞：試制;沖壓;模具

中圖分類號：U462? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-142-03

前言

隨著汽車行業競爭日益激烈，樣車試制周期不斷縮短，樣件試制周期也隨之縮短，一般拉延成型的鈑金件只用一套拉延模具，盡量在拉延模具中將形狀拉延到位，這樣既能縮短生產周期，又節省成本^[1]。車身沖壓件是整車重要的組成部分，其品質直接決定整車外觀品質及整車產品尺寸穩定性，因此對沖壓件品質有較高的要求^[2]。本文所講的汽車前縱梁后段內側板是鈑金沖壓件，其承受復雜靜態和動態應力，因此樣件本身的材質需有足夠的強度和剛度，保證樣件及整車強度和剛度。綜上，本次內側板的試制材料為B410LA。

1 傳統試制沖壓工藝

1.1 沖壓工藝性分析

該內側板零件如圖1所示，外形尺寸為490mm×180mm ×135mm，板料厚度為1.5mm，材質為B410LA，是一種低合金高強度鋼，主要應用于汽車車身件及其它結構件，屈服強度為410～560MPa，抗拉強度不低于590 MPa，斷后延伸率不低于16%。高強板特殊的成形性能，如抗拉強度高、收縮率低、屈服強度高等特性卻給生產帶來了較大的麻煩，容易產生回彈、破裂等成形缺陷^[3]。因此，對于該種材質的模具設計和制作工序要考慮充分。

首先，分析內測板的沖壓工藝性。最初，該內側板的設計采用四序進行試制，OP10為拉延工序，OP20為激光切邊工序，OP30為整形工序，OP40為激光切孔工序。OP10沿樣件直邊A側（如圖1處所示）對稱一模兩件進行設計，具體結構形式如圖2所示，之所以采用拉延加整形工序，主要是因為該種模具設計形式下零件A側和C側整體拉延深度較深，一序拉延難以到位，因此采用拉延加整形工序。

1.2 沖壓工藝設計

OP10拉延工序中沖壓方向的確定十分重要，拉延方向能夠影響成形過程中板料的流向和流速，是決定是否可以生產出合格沖壓件的主要因素。另外，拉延方向還是拉延模具結構設計和后續工藝的重要設計依據^[4]。本次沖壓方向的判定遵循拉延深度小且各部分拉延深度分布均勻的原則。具體方法為數模導入AUTOFORM中，利用Automatic tipping 模塊中的Average normal確定沖壓方向。最終，該零件以車身坐標系Z軸中心線旋轉12°為OP10沖壓方向。OP10拉延工藝補充面的設計，依據多次AUTOFORM軟件模擬分析結果顯示，其不能一次拉延成型到位，其原因主要為拉延深度大，高強板材質成型力大等原因。因此，抬高A側Z方向的設計型面，減小拉延深度，剩余成型由OP30擼邊整形。零件拉延面在CATIA軟件曲面設計模塊中完成，然后分別以凸模面、凹模面和壓料面的工具體形式導入到AutoForm中，圖2為導入AutoForm中的拉延模擬結果，模擬時壓邊力為3.0MPa，摩擦系數為0.15，采用膜單元進行分析，其分析結果顯示零件總體成型性良好，但在A處存在開裂風險，可在沖壓過程調試時，距離下死點一定距離時利用人工在B處對稱開口和C處刺破等措施減少壓邊力和增加板料流動來控制A處開裂。此外，存在部分拉延不充分的位置，可微調該處所對應的拉延筋，增加拉延阻力，使成型更加充分。

OP20反零件的切邊線，利用CATIA軟件插件直接反零件的輪廓邊線到OPO10的拉延面上，進行激光切割精切，為后續OP30擼邊整形做準備。

OP30為擼邊整形，其整形方向與OP10一致，在OP20精切的基礎上，精切好的兩個對稱零件以型面定位的方式放在設計好的凹模上，以凸模進行擼邊整形。OP40為激光切孔工序，零件上的所有孔需激光切割。

通過以上分析，該零件試制階段沖壓工藝分為4序，即（1）OP10拉延，拉延成形零件大部分型面;（2）OP20精切邊;（3）OP30擼邊整形，拉延不到位的位置采用擼邊整形;OP40為激光切孔工序。

1.3 沖壓工藝總結

以上為該零件傳統的試制方法，零件試制階段存在較多問題，如零件回彈，零件輪廓邊線有偏差，擼邊整形產生褶皺等相關問題，但基本能滿足試驗和試制需求。但是，汽車行業競爭越來越激烈，縮短汽車研發制造周期，對提升新產品市場占有率至關重要^[5]。同樣，提升鈑金樣件的試制質量和縮短制作周期也備受關注。該零件試制分為4序，且1序和3序都需要鑄造開模，制作周期長、成本高、工藝復雜，急需優化試制工藝，縮短樣件試制周期，提高樣件試制質量。經過不斷優化工藝設計、仿真模擬、研磨調試。最終，該零件用兩序試制出來，在產品質量、制造成本、試制周期都優于之前的試制工藝，具體試制工藝如下所述。

2 創新試制沖壓工藝

2.1 沖壓工藝性分析

該零件的創新試制沖壓工藝只分為兩序，OP10為拉延工序，OP20為激光切割工序。其模具具體設計形式如圖3所示，沿著匹配前橋安裝底座短邊B處（如圖1所示）相對稱一模兩件進行設計，相比于傳統模具設計形式，沒有急劇的中間凹陷要料，零件各方向走料較均勻，利于零件沖壓成型，本次沖壓模具的設計在整體模具輪廓和設計思路較傳統設計有較大區別，對模具調試和現場解決問題的能力提出較高要求。

2.2 沖壓工藝性分析

本次沖壓方向的判定同樣遵循拉延深度小且各部分拉延深度分布均勻的原則，具體方法為在AUTOFORM中，沿著零件短邊方向對稱，之后利用Automatic tipping 模塊中的Average normal確定沖壓方向。最終，該零件以車身坐標系Z軸中心線旋轉12°為OP10拉延方向。OP10拉延工藝補充面的設計，依據多次AUTOFORM中模面設計及CAE分析，最終確定沖壓工藝的模面設計，如圖3所示。

本次OP10拉延模面的設計如圖3所示，之后導入AUTOFORM中，其成型結果如圖4所示，總體成型性良好，剪薄率合格，在尖角紅色部位C處有開裂傾向，可放大圓角和現場調試，均可處理。在A，B處部分拉延不充分，可加深拉延筋，其作用主要是用來控制板材的塑性流動方向和拉深時的進料速度，增加變形阻力，使拉延更充分^[6]。

3 現場調試方法及問題解決

改進后的模具設計，因其整個成型過程中只用一序拉延工序，所以現場調試會有一定的難度，在C處（如圖所示1處）容易起皺，同時也易開裂，且板料的強度大、材質硬、不易成型，在進行CAE分析時，該處同樣存在開裂風險。在此種情況下，現場調試共分三序，第一步按展開板料形狀進行拉延，拉延深度較下死點差10mm，防止一步成型到達下死點導致零件C處（如圖所示1）處直接開裂。第二步，將存在開裂和起皺風險C處的壓料面手工切掉部分，如圖5所示，減小此處壓邊力，防止下一步拉延到下死點時該處開裂，之后再將樣件拉延至下死點。第三步，激光切割，完成樣件試制工作。

4 結論

優化后的沖壓工藝設計，在試制周期，研發成本等方面都優于傳統的沖壓工藝設計，在試制工序上，較傳統沖壓工序少兩序，即少一套鑄造模具，節省成本。此外，優化后的沖壓工藝對現場調試提出更高的技術要求，這也給我們一種啟示，現場調試的技術方法創新對樣件試制工藝同樣重要，本次現場研磨調試和模具設計思路值得試制快速模具設計工程師們學習借鑒。

參考文獻

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