汽車覆蓋件模具研和率提升分析與研究

張 瑩，韋榮發，麥育智

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545005）

1 引言

汽車覆蓋件作為功能性零件，對汽車的安全、隔振降噪性能以及整車的造型風格與靜態感知質量等具有重要影響。隨著汽車工業的快速發展及國民消費水平的增長，消費者對汽車鈑金的品質要求愈發嚴苛。模具作為汽車覆蓋件制造的關鍵基礎裝備，模具研合率很大程度決定了鈑金的尺寸合格率與面品[1]。隨著CAE 仿真技術的日臻成熟與設計制造水平的提升，如何提高模具研合率成為模具制造廠家及各主機廠面臨的重大課題之一。

2 模具研合率概述

模具研合率，指的是在一個面上存在一連串的、均勻分布的壓死點，這是一個良好的、必要的、均勻的壓緊，確保在拉伸過程中可以使板料在模腔中實現一種良好的流動。提升模具研合率是模具調試階段的重要工作之一，是確保鈑金件尺寸精度、面品質量及量產過程穩定性的前提條件[2]。

檢查模具研合率，一般使用紅丹或者藍丹進行輔助檢查。在工序件上，對需要研合的部位均勻刷上紅丹或藍丹，將工序件放入模腔進行合模，檢查上下模著色狀態，即可判斷當前模具研合情況。如圖1a 所示，某車型發動機罩外板壓邊圈研合狀態檢查，整個壓邊圈管理面著色均勻，滿足拉伸過程中的均勻阻料作用。如圖1b所示，為某車型發罩外板模具壓邊圈管理面初始階段研合狀態，可以看到，管理面整體著色虛實不一，甚至出現未著色狀態，拉伸過程中模具管理面對板料阻料效果不佳。

3 模具研合率控制要求

模具研合是為了確保上下模型面對制件產生均勻一致的壓力，使制件在拉伸成形、切邊、沖孔、翻邊及整形等工藝中板材內部應力應變分布的均勻性[3]。在模具型面機加工過程中，受限于設計誤差于機床精度等因素，加工出的型面與理論模面數據存在一定程度的差異，或者在沖壓受力過程中上下模出現一定程度的撓度變形后出現局部間隙不一致的問題[4]。在上述因素綜合作用下，模具合模過程中上下模型面會出現局部干涉現象（凸起的點或面），即硬點，且可通過藍單或紅單著色情況直觀檢測模具型面的整體研合與硬點分布情況。研磨硬點的過程即不斷提升模具研合率的過程。在汽車覆蓋件模具制造和維護過程中，消除模具型面上的硬點，主要采用藍（紅）丹著色法進行檢查并打磨拋光。即在工序件上均勻地刷上一層藍丹（或紅丹），將刷丹后的工序件放到模腔內按正常的工藝參數成形到底，并根據合模后著色情況對硬點進行針對性研磨，實現模具研合率的提升。

通常依托CAE 分析軟件，并結合工程經驗，在確保鈑金尺寸與面品復合質量要求的前提下，通過設計、NC加工及后期鉗工研配3方面制定模具研合率技術規范，如表1所示。

表1 模具研合率技術規范

3.1 模面間隙控制要求

沖壓件的品質很大程度上取決于模具型面的精度與面積，模具型面的精度與間隙需要通過模具型面的研合率進行控制。沖壓模具對板料（工序件）加工過程中，根據板料流動的需求，為控制板料起皺和開裂問題的發生，不同部位對研合的要求存在較大的差異，并非所有型面都需要嚴格控制研合率指標[5]。

對于OP10 工序，需要重點關注壓邊圈和凹模的研合率，這兩個位置主要控制板料流動和拉伸成形。管理面研合不均，板料走料快慢不一致，容易導致起皺和開裂的問題；而凹模研合不良，板料拉伸成形不充分，制件存在反作用力的部位將會出現回彈，并出現凹印、癟塘及滑移線等面品缺陷[6]。

對于整形模，由于需要將工序件沖壓至符合數模要求的造型，精度要求較高，因此，整形區域需要有良好的研合，且特定強壓區域采用偏差強壓的形式。整形量較小時，壓料部分可布置10～40mm 寬度的研合；當整形量大時（如側圍頂部輪廓、頂蓋尾部鉸鏈安裝面等），壓料部分需要布置150～200mm 的寬度。某車型頂蓋尾部整形壓料布置形式如圖2a、圖2b所示。

對于修邊模，要求切邊后制件不會出現切邊變形，一般只需要對應壓料面有20mm的研合量，研合要求相對前面兩種沖壓工藝要求可適當降低。

3.2 拉伸模著色控制要求

拉伸模的研合是整個模具研合過程中的關鍵部分，占整個模具研合工作的40%～60%。拉伸模著色控制的好壞，直接影響制件的尺寸精度和表面質量，對模具運行的穩定性起關鍵性作用。

以某車型側圍外板OP10 研合要求為例。如圖3所示，管理面部位需著實色（重著色），且著色均勻，確保板料流動均勻；成形部位（主要是制件部位）涉及到制件面品，要求制件有良好的表面質量和尺寸精度，要求能夠實現一般著色，確保成形到位；前門框和后側門框法蘭邊部位，要求板料能很好的流動，且能實現符型，需求實現虛著色；輪罩廢料區、側方壓料等部位，這些部位研合率與尺寸精度無顯著相關性，過分的追求最大研合率會造成成本增加，且不利于制件的拉伸成形。

3.3 切邊模著色控制要求

對于切邊模（含沖孔），對研合率的要求，相對于拉伸、整形模有所降低，能確保切邊、沖孔后制件不出現倒拉變形等情況即可。一般而言，切邊、沖孔區域10～20mm 范圍內研合均勻，要求研合達到80%以上，且沒有制件壓傷的情況。圖4為某車型制件切邊工序的研合情況，在刃口10～20mm 范圍內，模具壓料研合良好，達到85%。生產過程中，即使部分刃口間隙垂直度偏低，或者部分間隙偏緊，但由于切邊刃口10～20mm 范圍內研合良好，切出的制件沒有出現倒拉變形的情況，制件表面質量良好。

4 模具研合率對制件尺寸與面品的影響

通過研究對比發現，提升模具研合率可有效提升制件尺寸合格率，改善制件表面質量，輸出高品質的沖壓制件。以某車型頂蓋周圈法蘭邊尺寸為研究對象，如圖5所示，在調試初期，制件法蘭邊尺寸合格率僅60%，觀察整形法蘭邊的研合情況發現，研合著色約60%，不滿足≥90%指標要求。通過藍丹著色法檢測模具硬點，推磨硬點后模具法蘭面邊的整形研合率達到90%以上，此時制件法蘭邊尺寸合格率達到95%，制件尺寸滿足公差要求。制件測點分布及整改前后尺寸狀態對比如圖6所示，由圖6可知，通過提升整形工序的研合率，可顯著提升制件法蘭邊尺寸合格率。

圖7a 為某車型發動機罩外板的拉伸研合狀態。觀察發現，模具整體研合不良，尤其是特征線周邊研合較差，藍丹著色顯示，制件著色不均勻。此時，制件特征線周邊出現一明顯凹條，如圖7b所示。通過依次使用800#和1200#的油石對模具型面進行精研，重點對特征線周邊部分進行精細打磨，將模具型面研合率提升至90%以上，該區域的制件凹印得到顯著改善，提升后模具研合狀態及對應面品質量見圖8所示。

5 模具研合率提升方法研究

模具研合率對鈑金品質具有重要影響。本文主要從對鈑金質量影響最大的拉伸模壓邊圈研合方法與前期設計及制造兩個維度開展論述。

5.1 壓邊圈研合策略

由研合著色卡可知，模具不同部位對研合的要求存在差異。對于拉伸模，需要重點關注并確保壓邊圈壓料面與管理面的研合率滿足調試要求。結合制件成形特性及鈑金成形機理，壓邊圈研合通常分為內緊外松或者內松外緊兩種形式[7]。

在凹模口的直線彎曲變形區和延長變形區，板料的厚度不變或者變薄，相對壓邊間隙一致或者增大。拉伸成形過程中，壓料面對板料的擠壓作用減弱，即成形阻力降低。此時，采用里緊外松的形式，可以有效的防止壓料力減弱的問題，有效抑制制件起皺。反之，對于壓縮變形區，材料徑向受拉應力，切向受壓應力。隨著板料流動，凹模口區域的板料厚度有增大趨勢，壓料面間隙相對減小，導致板料成形阻力增加，增大制件縮頸開裂風險[8]。此時，采用里松外緊的形式，降低料厚增加造成的開裂風險。

某車型發罩外板結構與拉伸模結構如圖9所示。為控制板材流入速度，壓邊圈兩側設置雙筋，用于增加拉伸成形過程的進料阻力。觀察拉伸模結構可知，側壁拉伸深度達210mm，側面拔模角度θ較小且拐角處制件變化急劇，造成拉伸成形過程中兩側板料流入不均勻，成形不穩定，易出現局部起皺、開裂等缺陷。此外，后端拐角區域板料在成形過程中承受徑向拉應力與切向壓應力，且切向壓應力大于徑向拉應力并出現壓縮變形。法蘭面板料發生褶皺后料厚增加，導致內側管理面間隙相對減小，拉伸阻力劇烈增大后導致制件開裂。

根據制件拉伸成形特性，將內側壓邊間隙適當調大，形成里松外緊的形式，使壓邊間隙良好的匹配制件成形特性，使板料在凹模與壓邊圈之間按照變形區料厚變化規律順利流動，并通過筋條與壓料面的共同作用，合理的控制板料流入與拉應力分布，改善坯料上各處材料的成形條件，使變形趨于一致。實施該措施后，有效解決拉伸褶皺等問題，如圖10所示。

5.2 前期設計與制造策略

（1）模具撓度補償。模具并非完全的剛性體，在成形受力過程中存在一定的撓度變形，借助Abaqus等軟件開展動力學響應分析，并結合工程經驗在模具上進行撓度補償[9]。某車門外板OP10 凹模與壓邊圈補充方案如圖11所示。

（2）模具設計時，需要考慮對重要型面與易產生變形的區域進行強壓，如拉伸模對棱線、包邊面等重要區域做強壓，保證其質量和精度，即在設計模面數據與NC 加工數據時，上述區域的凹凸模間隙小于板料厚度，且不同區域會根據模具CAE 分析結果、模具受力特性與工程經驗設置不同的強壓量。此外，拉伸模熱處理后再進行精加工，避免了熱處理變形而增加鉗工的研配工作量。某車型后側門外板拉伸模模面設計如圖12所示。

（3）模具設計初期，在確保制件品質的前提下對非工作區域進行避空處理。若非工作區域設置壓料，由于存在機加工誤差、模具撓度變形、設備精度誤差等客觀因素，盲目的追求最大面的研合率，增加鉗工研配工作量的同時會造成調試周期和造車成本的增加，且過多的型面接觸會增加制件變形或面品缺陷等風險。因此，通常在確保制件工作區域壓料足夠的情況下，盡量減少非工作區域壓料。某車型后側門外板OP20～OP40壓料布置如圖13所示。

6 結束語

汽車覆蓋件模具研合率對制件表面質量和尺寸精度具有重要作用，隨著汽車工業與沖壓技術的迅猛發展，如何提升模具研合率已成為行業追求的主流。影響模具研合率的因素眾多，包含模具撓度變形、模具結構設計、沖壓工藝、母線設備精度及鉗工技能等，本文結合工程案例探究了模具研合率對制件品質的影響，并簡要闡述了設計與制造前期3種模具研合率提升方案，旨在為提高汽車覆蓋件品質、縮短模具母線調試周期、提升模具量產過程的穩定性提供依據與借鑒。