發動機艙蓋板扣合模具設計

吳亞瑾

（河北長安汽車有限公司 制造工藝部， 河北 保定 073000）

0 引 言

汽車發動機艙蓋板是車身制造中的關鍵外觀部件[1]，其造型風格及制造品質影響客戶的購買意愿。近年來各車企推出多款SUV、皮卡類等新車型，其造型風格一般偏向厚重，發動機艙蓋板左、右兩側（或左、前、右三側）造型陡峭，對扣合模具的開發造成較大的難度，有些情況甚至會導致扣合模具的預翻邊無法使用標準預翻邊機構，需設計專用的斜楔（如杠桿類勾楔）以實現法向勾翻壓合的功能。

圖1所示為某車型發動機艙蓋板總成（無焊接件的空扣狀態），外形左右對稱，尺寸為1 706 mm×1 174 mm×144 mm，由內板總成和外板通過扣合模具壓合而成。成形方式為半自動生產模式，涂膠及內外板合件為手工作業，工序件放入模具、扣合成形、頂起及轉出模具為自動化作業。

圖1 發動機艙蓋板總成

1 內外板合件工藝分析

圖2所示是扣合總成的X-X截面，展示了外板翻邊面的初始狀態及完成預翻邊后的狀態。外板型面在彎曲線處的切線與水平面夾角為65°，預翻邊完成后翻邊面與水平面夾角增大到200°，翻邊面會低于胎模的基準面。外板翻邊面與內板的理論干涉量單邊為5.4 mm，雖然實際成形中外板存在一定回彈，干涉量會減少1~2 mm，但干涉量仍然較大，由于外板左右對稱，兩側都存在干涉，內板放入外板時會有難度。

圖2 X-X截面

圖3所示是扣合總成的Y-Y截面，顯示零件前部（前保險杠側）外板型面在彎曲線處的切線與水平面夾角為65o，預翻邊后翻邊面低于胎模的基準面；后部（前擋風玻璃側）夾角是10o，預翻邊完成后翻邊面高于胎模的基準面，前側干涉量較大，板料放入困難，但后側屬于開放狀態，內外板不存在干涉。

圖3 Y-Y截面

成形時操作工先將外板仰放在操作平臺上，將涂膠后的內板向前且向左傾斜從外板的后部向前/向左側送入，保證內板前端和左側先到位，如圖4所示，因為后部內外板不存在干涉，此時周邊只剩右側存在3.5 mm的干涉。外板放在平臺上，側面沒有約束，受到外力作用時會輕微變形，此時只需操作工輕擊內板，迫使外板產生輕微變形即可將內板放入外板內，完成合件。

圖4 合件操作

2 預翻邊方案設計

2.1 預翻邊刀塊分組

扣合模具的沖壓方向一般根據內外板合件中內板的定位孔軸線方向確定，這樣可以保證內板定位精準，且外板大部分型面可以在X-Y平面上，重心穩定，是最佳的定位方向，如圖5所示。

圖5 扣合沖壓方向

將發動機蓋板總成的翻邊輪廓線投影到X-Y平面，再根據投影線形狀特性進行分組，原則上將投影線曲率平緩、接近的部分分為一組，可以最大限度保證特征邊線與預翻邊機構的旋轉軸線平行，刀塊接觸板料時間差最小，預翻邊效果最好；角部及曲率變化劇烈的線段獨立分為一組，便于這些質量問題多發區域的維修。圖6所示將預翻邊刀塊分為6大組（B、D、C左右對稱），其中B、D、E、F四組刀塊曲率平緩，工藝性能良好；A段是尖角位置，C段曲線變化復雜，且在預翻邊時該段屬多料翻邊，易產生成形質量問題，為便于后期調試整改，應獨立分段處理。

2.2 預翻邊機構選擇

扣合模具主要工作部件是預翻邊機構，為解決圖2所示角度過大的問題，必須采用恰當的預翻邊斜楔機構[2]。常用的標準翻邊機構有4種，如圖7所示，分別是單動翻邊（HPSL）、角用翻邊（HPPC）、雙動平行翻邊（HPLL）、雙支點翻邊（HPPWF）。其中HPSL/HPPC價格低廉，但都是繞單一固定轉軸旋轉運動。當翻邊線是相對復雜的立體曲線時，HPSL翻邊機構在旋轉運動時，因轉軸到翻邊線不同位置的半徑值不一樣，存在2個問題：①不同位置的刀塊接觸板料時間會存在差異，如圖8所示，板料無法同時變形，會引起翻邊棱線R角不順等質量問題，整改、調試難度較大；②不同位置的刀塊接觸板料時的角度不同會導致刀塊施加在翻邊面上的力的大小及方向都存在差異，因此各位置推動翻邊面旋轉的力不一致，導致各位置向內側卷入的材料尺寸存在差異，反映在成形零件上則產生邊線不齊的質量缺陷。在零件的尖角位置，預翻邊刀塊工作部分寬度方向尺寸不大于20 mm，在該范圍翻邊線尺寸變化不大，旋轉半徑差異帶來的影響可以忽略，所以體積小、布置便利且具備防止二次連沖功能的角用翻邊機構（HPPC）適合布置在尖角位置，該扣合模具刀塊組計劃采用該類型翻邊機構。

圖7 4種不同類型的翻邊機構

圖8 HPSL翻邊機構

雙動平行翻邊機構（HPLL）根據擺臂結構角θ差異分為45°、55°、70°這3大類，不同規格的平行翻邊機構的運動數據如表1所示，其中70°翻邊機構最大工作轉角有15°和25°。該機構特點是預翻邊刀塊上任一點的運動軌跡都是半徑為R120 mm的圓弧，其圓心可通過作圖法確定，如圖9所示，無論其運動到任何位置，刀塊與下模座的角度都是固定不變的，如圖9中2個位置的刀塊型面是相互平行的，即設計者可以按翻邊面在預翻邊結束后的形狀設計刀塊的成形工作面，降低了設計難度，后期模具的保養、維護也簡單。

表1 HPLL翻邊機構技術參數

圖9 HPLL翻邊機構運動軌跡

HPLL的應用也存在一定局限性，因其旋轉軸單一且尺寸為固定值，在工作及回退時速度較慢。當零件預翻邊面低于水平面時（見圖2），如果參考零件翻邊面外形而將刀塊尺寸設計較小時，刀尖的運動軌跡與零件翻邊面會產生干涉，成形中會出現刀塊撞擊零件翻邊面的問題，如圖10中的45°翻邊機構所示。為避免碰撞問題而增加刀尖長度時，刀塊進入模具距離大于翻邊機構的回退距離，預翻邊刀塊會與主彎刀塊干涉，如圖10中的55°翻邊機構所示。參考表1中數據可知，當預翻邊面低于水平面時，只有擺臂θ=70°的翻邊機構在工作轉角達到25°時才能使用。為了避免刀尖與翻邊面碰撞，需要加大刀塊尺寸，這會導致刀塊組質量增大，使用該型號翻邊機構成形預翻邊面低于水平面零件時，需要關注彈簧回程力是否滿足工作需要。分析零件Y-Y截面（見圖3）可知，該發動機艙蓋板的后側（風窗側）預翻邊面位置是在水平面之上，且相關位置的胎模傾角大約為10°，所以刀塊組F可以選用HPLL55°翻邊機構。

圖10 3種規格HPLL翻邊機構運動軌跡

分析零件各截面（見圖2、圖3）可知，發動機艙蓋板的前側及左、右兩側翻邊面完成預翻邊后都低于水平面，且胎模角大于40°，只能考慮采用HPPWF進行預翻邊。HPPWF的運動軌跡如圖11所示，要完成預翻邊，機構需進行2次旋轉：第1次旋轉時，機構整體在彈簧的作用下保持彼此間的相對位置不變，整體繞第一轉軸旋轉7°，轉軸及旋轉半徑如圖11（b）所示，因該步驟旋轉半徑較大，便于刀塊快速接近翻邊面；第2次旋轉時，第二轉軸的位置固定不變，刀塊繞第二轉軸旋轉3°，完成對翻邊面的預翻邊。從開始運動到完成預翻邊的過程中，機構的旋轉軸及旋轉半徑均發生變化，運動軌跡相對復雜，后期的維修、整改難度較大，所以HPPWF機構應用較少，只有在其他翻邊機構無法使用時才采用。

圖11 HPPWF翻邊機構運動軌跡

在整周翻邊線中，有一段翻邊線是從后部（風窗側）到兩側面之間的過渡段，如圖12所示。這一段翻邊是較復雜的三維曲線，是典型的多料翻邊段，翻邊面易起皺，影響翻邊圓角的光順性。因為起皺后的翻邊面不能與內板均勻貼附，褶皺位置的外板和內板之間存在間隙，當零件通過涂裝線的電泳烘烤后易出現電泳流痕、溢膠等質量問題。為避免這些問題，需確保弧形曲面段預翻邊角度合理，并合理設計預翻邊刀塊工作型面，通過漸變的接觸板料順序，控制多余材料流入預留的缺口位置（翻邊面長度3~4 mm），讓多余的材料向此空間延展變形，避免材料聚集，降低切向內應力，減小起皺風險。由于該位置的胎模傾角從10°逐漸過渡到65°，使用HPLL或HPPWF機構都可行，考慮HPPL機構的刀塊型面相對模具的水平面（X-Y平面）角度恒定不變，為便于調試整改，暫定使用擺臂θ=70°的HPLL預翻邊機構，刀塊旋轉角為25°。

圖12 C組刀塊翻邊線

2.3 扣合時序設計

由于外板翻邊的高度不可能保持一致，預翻邊刀塊接觸零件的時間不同步，不均衡的推力會將內外板件推離正確的位置，導致扣合的零件質量不達標。因此為了使所有的預翻邊結構對預翻邊達到同步（同時預翻邊及退回）的效果，需要對預翻邊機構的閉合高度和保壓行程進行合理的調整，保證相對布置的預翻邊機構同步運動（同時預翻邊及退回），達到零件受力均衡的效果，能夠保證預翻邊刀退出并不與主彎刀發生干涉，這個調整過程就是扣合時序設計。

時序設計是扣合模具設計中重要的工作，決定了扣合件的質量水平，該扣合模具各預翻邊刀塊組的扣合時序設計方案如表2所示。一般角部的預翻邊先于其他部位，這樣既可以避免預翻邊時多余材料堆積在角部，也有利于提前固定內外板相對位置。

3 模具結構設計

3.1 模具主體結構

扣合模具的主體結構一般都是采用分體式結構，如圖13所示。

圖13 扣合模具結構

扣合模具的上、下模座材料采用HT300，胎模材料采用MoCr，壓料板材料采用45鋼，主翻邊/預翻邊刀塊鑲件材料使用ICD-5，其優點是淬火后變形小、焊接性能好、便于整改，缺點是硬度和耐磨性較低，模具保養周期較短。設計預翻邊刀塊組時，需注意預翻邊刀塊安裝座不能布置太高，否則易發生與驅動插刀、送料支架干涉等問題。當刀塊組質量較重時，需要做好刀塊回程拉力的校核，當斜楔機構配備的彈簧拉力不足時，需要單獨布置彈簧，避免無法有效回程而導致碰撞事故發生。

3.2 模具自動化機構

生產過程中若不采用全自動機械手取送料，則要考慮設計傳送機構實現取送料。模具自動化機構主要包括送料機構總成、氣缸頂料總成、側擋料機構總成、初始定位總成、出料機構總成、模具氣路總成、模具電路總成等。自動化機構的布置方案如圖14所示，差異點主要在于氣路、電路總成的布置會因各個企業的使用習慣有所不同，因為扣合工序沒有排廢料的需要，布置管線及接口盒可以更靈活。

圖14 自動化機構布置方案

送料/出料機構有2種形式：一種是單電機結構，電機安裝在一側皮帶輪上，另一側沒有電機的皮帶輪通過扭桿驅動，成本相對較低，缺點是兩側皮帶輪在啟動時會有時間差，成形零件會晃動；另一種是雙電機結構，兩側皮帶輪可以完全同步啟動，零件的傳輸平穩。

頂料機構及初始定位機構都使用帶電磁閥的氣缸驅動，二者的氣路彼此關聯，通過行程開關判斷零件位置后控制電磁閥進行切換，驅動不同的氣缸運動。

4 模具制造及質量保證

扣合成形常見的質量缺陷：開裂、起皺、圓角不順、爆邊、表面質量不良等。發動機艙蓋板是外觀件，表面質量要求較高，需要加強以下方面的質量把控，以保證模具具備良好的成形穩定性。

4.1 模具零部件加工

扣合模具零部件較多，加工誤差的累積會使裝配的模具整體精度降低，增加調試鉗工的工作量。沖壓成形時，扣合件尺寸精度無法達到預期的效果，給整車的裝配造成一定困難，扣合模具在加工時，盡量采用組合加工，降低基準轉換次數，減少誤差的累積。

4.2 扣合模具對內板與外板的質量要求

扣合零件的質量不僅與模具設計有關，也與前工序的內、外板單件質量有關。為了滿足扣合模具成形的零件達到質量要求，對用于扣合的內、外板零件質量有以下要求。

（1）外板質量要求：①外板件表面質量合格，與胎模接觸位置貼合良好；②翻邊面與主型面夾角不大于105°；③零件扣合邊必須保證平直、無褶皺、波浪；④翻邊圓角要求均勻一致，發動機艙蓋板內板料厚為0.7 mm，外板的翻邊圓角一般為R0.3 mm；⑤零件扣合邊高度部分為8 mm左右，角部和輪廓線起伏大的位置取3.5~4.5 mm；⑥翻邊輪廓線過翻邊量取0.5~0.7 mm，角部和輪廓起伏大處過翻邊量取0.3~0.5 mm，不扣或半扣合位置及輪廓線起伏大處無需過翻邊，與過翻部位采用過渡連接。

（2）內板質量要求：①零件法蘭邊形狀精度需滿足要求，輪廓尺寸取下偏差；②法蘭邊的毛刺高度達到相關質量標準；③扣合法蘭位置不允許有波浪、翹曲、回彈等缺陷，與胎模貼合良好。

4.3 扣合模具常見的質量問題及處理方法

扣合模具制造后因為各種因素的影響，難以一步達成設計目標，會出現各類質量缺陷，需要鉗工針對問題進行優化調整，常見的質量問題及對策如表3所示。影響扣合總成出現的質量缺陷的因素較復雜，需要綜合考慮。針對發動機艙蓋板在分析時需要考慮內板焊接變形、內外板之間涂膠的影響、總成設計結構剛性不足導致在檢具上變形等多種因素。

表3 常見的扣合質量問題及對策

實際的扣合模具局部結構如圖15所示，設計、制造、調試工作進展順利，成形的零件質量穩定，滿足了項目組的各項技術指標并通過驗收，該車型已經投放到市場中。

圖15 發動機艙蓋板扣合模具局部結構

5 結束語

扣合模具與一般的沖模有區別，它是生產車門、發動機艙蓋板、行李箱蓋內外板組合的主要裝備工具，要在1副模具中完成預翻邊和扣合工序。扣合模具的設計較復雜，因為其需要考慮的因素較多，但只要能夠理解各類型翻邊機構的工作原理，根據零件的特點選擇翻邊機構、合理規劃翻邊時序就能解決80%的技術難題。