基于沖壓成型技術(shù)的客車造型設(shè)計

鄭　杰

（一汽客車（無錫）有限公司，江蘇無錫214177）

基于沖壓成型技術(shù)的客車造型設(shè)計

鄭杰

（一汽客車（無錫）有限公司，江蘇無錫214177）

根據(jù)客車成型特點，提出基于沖壓成型技術(shù)的造型設(shè)計理念，詳細介紹客車外覆蓋件沖壓成型的特點；以專用校車造型設(shè)計為例，闡述沖壓成型技術(shù)與造型設(shè)計相結(jié)合的具體方法。

客車；沖壓成型；造型設(shè)計

客車外覆蓋件制作成型工藝由傳統(tǒng)的手工敲制成型，正逐步被優(yōu)質(zhì)高效的沖壓模具成型代替；客車設(shè)計也開始從模擬量的尺寸傳遞方法向數(shù)字量傳遞方法轉(zhuǎn)變，實質(zhì)上客車的設(shè)計與制造過程成了產(chǎn)品數(shù)字化定義、數(shù)據(jù)傳遞、拓延和加工處理的過程，而最終形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)［1］。這個數(shù)據(jù)的第一步就是造型設(shè)計，沖壓模具的設(shè)計制造也是以造型設(shè)計為依據(jù)的。造型設(shè)計決定著沖壓模具工藝，反之，沖壓模具工藝影響著造型設(shè)計實現(xiàn)的質(zhì)量，是決定客車產(chǎn)品開發(fā)成功與否的重要步驟。

1　客車造型外覆蓋件沖壓成型特點

整車造型設(shè)計中往往是兩三個關(guān)鍵設(shè)計元素對風(fēng)格形態(tài)起決定性作用。當(dāng)這兩三個關(guān)鍵設(shè)計元素改動了，那么整車造型的風(fēng)格氣質(zhì)就完全變了，便成了形似而神不似，就不能完全實現(xiàn)造型創(chuàng)作意圖，任何細微的修改都需要付出極大的代價。因此，在造型設(shè)計階段就要考慮沖壓成型技術(shù)的特點，去設(shè)計、完善造型設(shè)計方案；避免后期因模具成型困難對造型反復(fù)修改，最終犧牲造型設(shè)計，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)失敗。

沖壓成型是塑性加工的一種方法，是利用材料的塑性變形性能，改變其幾何形狀與尺寸，從而達到?jīng)_壓成型的目的［2］。成型主要特點有［3-4］：

1）車身尺寸大。前后圍尺寸（寬×高）可達到2 360 mm×2980 mm。

2）客車外覆蓋件的深度尺寸相對平面尺寸小，一般在30～50 mm。

3）形狀復(fù)雜，多為三維曲面組成，拉伸和壓縮兩種狀態(tài)并存且分布無一定規(guī)律，隨零件形狀、尺寸的變化而不同。拉深時變形量小，容易引起剛性不足而出現(xiàn)鼓動現(xiàn)象。

4）加工精密程度高?？蛙嚱Y(jié)構(gòu)是外覆蓋件蒙皮和骨架組合的復(fù)合式車身，對沖壓件的加工精度要求很高。

5）材料種類多樣。車身材料除了鐵皮沖壓件，還有注塑件、玻璃鋼件等各種材料拼焊而成。

6）總變形程度小，但局部變形量較大。這些局部成型對整個沖壓件成型有較大的影響，甚至是決定性的影響。

客車造型外覆蓋件沖壓部件主要分為前圍蒙皮、后圍蒙皮、側(cè)圍蒙皮、頂蓋蒙皮。它具有獨自的成型特點，對這些特點的了解，有助于深入而清晰地認識沖壓成型過程的本質(zhì)和各種現(xiàn)象產(chǎn)生的機理，可以準(zhǔn)確地分析沖壓成型過程中產(chǎn)生的缺陷與不良現(xiàn)象發(fā)生的原因［2］，從而更好地指導(dǎo)造型設(shè)計。

2　客車造型及成型設(shè)計

2.1設(shè)計定位

專用校車是設(shè)計和制造上專門用于運送幼兒或?qū)W生的客車［5］。一汽客車是國內(nèi)最早研制長頭校車的企業(yè)之一。通過設(shè)計定位，公司現(xiàn)有長頭校車產(chǎn)品升級換代。

1）為了有效提高校車安全性能，采用長頭造型設(shè)計，造型元素簡潔時尚，突出一汽校車品牌特征。

2）為了提高外觀質(zhì)量、安全等級、乘坐舒適度，采用覆蓋件沖壓模具化。

3）為了優(yōu)化成本，提高生產(chǎn)效率，采用造型設(shè)計系列化，統(tǒng)一前后圍模塊、斷面尺寸、各長度段車身，零部件模塊化。

2.2造型概念設(shè)計

經(jīng)過沖壓成型特點分析，結(jié)合設(shè)計定位，進行造型的概念設(shè)計。以總布置設(shè)計的基本尺寸和設(shè)計硬點進行二維效果圖繪制，二維效果圖是造型設(shè)計概念表達展現(xiàn)的重要步驟，要求透視圖準(zhǔn)確，造型表達清楚，車型長、寬、高及主要造型硬點要準(zhǔn)確體現(xiàn)，否則設(shè)計出來的效果圖是沒有任何意義的。

在造型概念設(shè)計過程中，首先要滿足校車的新國標(biāo)要求，突出前后保險杠造型，外表不做突起、凹陷、尖角造型。其次，重點考慮沖壓成型的特點，前圍造型特征線條簡潔、流暢，以大面分割為主，曲面過渡自然，避免出現(xiàn)棱角。曲面分割合理，避免出現(xiàn)尖角。后圍整體厚度盡量薄，但要避免造型曲面急劇變化。

通過幾輪設(shè)計方案優(yōu)化，設(shè)計元素整合，確定了最終的造型概念設(shè)計方案，如圖1所示。整車造型采用美式長頭車身結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出安全需求要素；線條簡潔、流暢，造型面圓潤飽滿，塑造出憨態(tài)可掬的形象，滿足了幼兒或小學(xué)生的心理需求；前大燈采用解放J6貨車鉆石大燈，體現(xiàn)了一汽品牌的高識別性特征。

2.3創(chuàng)建造型的三維數(shù)字模型

造型的三維模型構(gòu)建是二次造型設(shè)計的過程，是造型設(shè)計的三維數(shù)字化表現(xiàn)，是造型設(shè)計更加直觀的體現(xiàn)，既用于造型驗證和定型，又用于后續(xù)開展沖壓數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計和工程分析等，所以這是非常細致重要的一步。

長頭校車是復(fù)合式的車身結(jié)構(gòu)，其特點是既有沖壓覆蓋件蒙皮，又有小方剛焊接而成的車身骨架，在設(shè)計和生產(chǎn)中是以沖壓蒙皮為基礎(chǔ)的［6］。因此，建模過程中在準(zhǔn)確表現(xiàn)出造型設(shè)計和滿足總布置設(shè)計要求的同時，重點考慮沖壓模具成型的特點，它關(guān)系到造型設(shè)計實現(xiàn)的效果，要遵循各種開孔、安裝點、工藝孔、定位臺階、定位面均要與硬點一一對應(yīng)的設(shè)計方法。在創(chuàng)建各種造型特征時，要避免非必要的負角出現(xiàn)。重點注意表面間隙縫的處理、分割部件的邊界與鏈接處的處理、造型結(jié)構(gòu)的處理。

長頭校車建模最復(fù)雜的部件集中在前后圍，側(cè)圍和頂蓋相對較簡單。前圍造型是雙曲面，兩側(cè)面逐漸向中間收縮，形成飽滿的圓頭，發(fā)動機蓋與翼子板有高低差，圓弧過渡，前端分布著進風(fēng)面罩、左右前大燈，曲面變化非常復(fù)雜。建模應(yīng)注意防止過渡臺階突變、直角過渡，拉深延面的大小、修邊線避免形成空間曲線，功能特征不要安排太密，燈框周邊拉深延面一般不超過30 mm，翻邊的結(jié)構(gòu)處理以減少工序數(shù)目為原則。

后圍造型相對簡單，主要以拉伸、開孔、翻邊為主，分布著后大燈、后開門等主要功能特征。創(chuàng)建完成造型的三維數(shù)字模型如圖2所示。

3　造型沖壓成型工藝分析及樣車試制

車身造型的成型工藝分析是沖壓模具設(shè)計的基礎(chǔ)，決定著模具開發(fā)的周期、質(zhì)量和成本。根據(jù)造型設(shè)計，從校車的外表形態(tài)、結(jié)構(gòu)尺寸、精度要求、材料選擇、車身中裝配關(guān)系、生產(chǎn)規(guī)模等方面來分析沖壓成型的工藝性。對于工藝性差的地方，反饋給造型設(shè)計，從造型設(shè)計的角度再進行優(yōu)化設(shè)計，保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量。

3.1造型分割

由于長頭校車車身尺寸大、形狀復(fù)雜，多為曲面造型，必須將其分為若干部分，將每部分單獨成型后，再進行焊接或功能件的分割處理。造型分割目的：一是滿足產(chǎn)品的使用功能；二是滿足產(chǎn)品的裝配；三是滿足產(chǎn)品沖壓成型的工藝性；四是成本考慮。

分割原則是根據(jù)整體造型設(shè)計來劃分，不要破壞造型設(shè)計。分割出的零部件應(yīng)簡單、左右對稱，便于裝配，滿足成型工藝，如圖3所示。

3.2沖壓成型主要缺陷分析

目前沖壓成型工藝分析主要有經(jīng)驗分析法和板材成型數(shù)值模擬分析法兩種。在校車造型二維設(shè)計階段和三維數(shù)模創(chuàng)建階段，主要采用經(jīng)驗分析法，三維數(shù)模確定后采用數(shù)值模擬分析法。這樣從概念設(shè)計開始就引入沖壓成型工藝分析，堅持一次建模的理念，注重細節(jié)設(shè)計，避免出現(xiàn)因成型工藝問題使造型設(shè)計無法完全實現(xiàn)的現(xiàn)象。沖壓成型可能出現(xiàn)的主要缺陷有如下幾個方面：

1）起皺。起皺是變形區(qū)局部壓應(yīng)力過大引起厚度增厚失穩(wěn)所致。根據(jù)產(chǎn)生的受力狀態(tài)和出現(xiàn)的部位，起皺可以分為壓應(yīng)力起皺、不均勻拉應(yīng)力起皺和剪應(yīng)力起皺等類型［7-8］，引起起皺的原因多種多樣。

在造型設(shè)計階段解決起皺的方法：一是產(chǎn)品數(shù)模設(shè)計的合理性；二是避免形狀急劇變化或出現(xiàn)鞍形形狀；三是轉(zhuǎn)角半徑不要太小，拉深面尺寸不要太大；四是減少平臺的部位，易起皺部位增加吸料筋，臺階部位的變化要緩慢過渡等［4］。

2）破裂。破裂主要是由于材料在拉伸過程中應(yīng)變超過其極限，而形成失穩(wěn)。類型有強度破裂和塑性破裂，對產(chǎn)品破裂原因要根據(jù)具體的部件具體分析。

在造型設(shè)計階段，要注意容易引起破裂的地方：拉深處、翻邊處、倒角處、轉(zhuǎn)角處、臺階處、缺口處等。解決的方法：凹凸模圓角不要太?。环吇蚶铋L度不易過大，不超過50 mm；曲面過渡自然，避免局部尖角出現(xiàn)；缺口處圓滑過渡造型。

3）表面畸變。表面畸變是沖壓件表面上產(chǎn)生的局部起伏。覆蓋件的模具表面設(shè)計是以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，添加工藝補充面構(gòu)成的。零件設(shè)計的好壞直接關(guān)系工藝補充面的設(shè)計和后續(xù)成型質(zhì)量的好壞，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量和外觀［9］。主要缺陷類型：沖擊線、滑移線、塌陷、暗坑、表面扭曲、回彈等，容易發(fā)生在零件形狀發(fā)生急劇變化的部位，如車輪拱形邊周圍、裝飾特征消失部位、前后頂側(cè)壁、燈具開孔周圍、窗口拐角處、裝飾線、發(fā)動機蓋平坦處、翻邊成型的角部等。

在造型設(shè)計階段解決表面畸變的方法：保證面與面之間是光順面；曲面不宜急劇變化；翻邊應(yīng)建立拔模度且斷面不易過長。

4）剛度分析。覆蓋件的剛度除了材料、厚度、曲率等因素外，其造型也是影響剛度的因素之一。在滿足造型創(chuàng)意前提下，造型設(shè)計階段可以適當(dāng)增加筋條、拉伸造型面等造型手法，可以提高覆蓋件的剛度。

通過數(shù)模和零件成型數(shù)值模擬比較全面地分析了可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題。這樣在造型設(shè)計階段最大限度地避免了沖壓成型缺陷的出現(xiàn)，減少了對造型設(shè)計實現(xiàn)效果的影響。

3.3樣車試制

通過對三維造型設(shè)計與沖壓成型工藝進行分析，確定了最終的造型設(shè)計方案。在三維造型的基礎(chǔ)上各部門完成沖壓模具設(shè)計和車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，進入了樣車試制階段。樣車試制的目的是：實物具體驗證造型設(shè)計的美觀性、沖壓模具的準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，考察整車綜合性能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。要求試制的樣車必須按照設(shè)計圖紙制造，保證與設(shè)計一致。見圖4。

4　結(jié)束語

通過樣車試制，充分驗證了在造型設(shè)計階段基于沖壓成型技術(shù)的設(shè)計是必要的，也是可行的，取得了顯著的成效，并且能滿足沖壓工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，解決了造型設(shè)計與樣車實物之間一致性的問題，使問題在造型設(shè)計階段就被發(fā)現(xiàn)并得到有效的解決。

［1］李紅，陳靖芯，徐晶，等.CATIA V5軟件環(huán)境下客車車身數(shù)字化設(shè)計技術(shù)［J］.客車技術(shù)與研究，2004，26（6）：4-6.

［2］李碩本，等.沖壓工藝理論與新技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.11.

［3］薛啟翔，等.冷沖壓實用技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.1.

［4］崔令江.汽車覆蓋件沖壓成型技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.6.

［5］GB 24407-2012，專用校車安全技術(shù)條件［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［6］申福林.2013年中國客車學(xué)術(shù)年會論文集［C］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2013.10.

［7］呂淑艷，王永飛.典型沖壓件成型性問題的CAE分析［J］.新技術(shù)新工藝，2014，（1）

［8］陳軍.基于模板的汽車覆蓋件沖壓工藝快速設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2003.7.

［9］溫莉娜.車身覆蓋件沖壓成型仿真及工藝優(yōu)化［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007.4.

修改稿日期：2014-12-05

Model Design on Bus/Coach Based on Stam ping Form ing Technology

Zheng Jie
（Faw Bus&Coach（Wuxi）Co.，Ltd，Wuxi 214177，China）

According to the forming characteristics of buses/coaches，the author proposes the model design idea of stamping forming technology，detailedly introduces characteristics of stamping forming for buses/coaches external covers.Then，he takes a special school bus as the real example to expound the specific method combining the stamping forming technologywith the model design.

bus/coach；stamping forming；model design

U466

B

1006-3331（2015）03-0037-03

鄭杰（1980-），男，工程師；研究方向：汽車造型設(shè)計、數(shù)字化設(shè)計。