某汽車翼子板模具工藝設(shè)計(jì)

譚植文， 譚文娟，王占全， 王 健

(寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司， 浙江 寧波 315336)

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展，對(duì)汽車覆蓋件的設(shè)計(jì)和成形要求越來越高，相應(yīng)地對(duì)模具制造的要求也越來越高[1]。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/ 計(jì)算機(jī)輔助分析(CAD/ CAE) 技術(shù)的發(fā)展正適應(yīng)了這種客觀實(shí)際的要求。在汽車模具設(shè)計(jì)中使用并行工程技術(shù)，可以避免出現(xiàn)工藝上的失誤。在分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的可行性上，可利用虛擬設(shè)計(jì)與制造技術(shù)(仿真技術(shù))，以避免現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)與制造中出現(xiàn)問題而引起的資源浪費(fèi)。

為了滿足市場(chǎng)上對(duì)汽車外觀審美要求，外覆蓋件外觀要求特別高，導(dǎo)致覆蓋件形狀復(fù)雜、零件成形較深，增大了制造難度[2]；外覆蓋件大區(qū)域的空間需要避讓，材料利用率低，模具制造時(shí)容易產(chǎn)生回彈及扭曲現(xiàn)象，零件品質(zhì)很難保證。

為了提高材料利用率，降低制造成本，確保覆蓋件品質(zhì)，以某汽車覆蓋件的翼子板為研究對(duì)象，根據(jù)其翼子板的形狀特征并結(jié)合生產(chǎn)制定較合理的工藝方案，并利用AutoForm軟件進(jìn)行成形性模擬，驗(yàn)證成形模具的工藝造型及工藝方案可行性，并優(yōu)化加工型面、減少制造周期及確保外觀面品質(zhì)。

1 翼子板模具工藝設(shè)計(jì)

1.1 翼子板形狀特征、沖壓方向、工藝方案分析

1.1.1 零件形狀特征分析

翼子板模型如圖1所示。零件尺寸為長(zhǎng)×寬×高=856 mm×580 mm×121 mm， 料厚為0.65 mm，從圖1中可以看出零件形狀特征為：整體形狀細(xì)長(zhǎng)，大部分是A級(jí)外觀面；c區(qū)域與車門匹配，避開車門旋轉(zhuǎn)空間，上端輪廓具有大弧度曲面，中間是大弧度內(nèi)彎曲面，側(cè)整形容易出現(xiàn)缺料，零件應(yīng)力釋放后導(dǎo)致大的回彈及會(huì)整體扭曲等缺陷； d區(qū)域是與車輪眉匹配，整個(gè)半圓形輪眉的側(cè)壁都有直邊，高端車需要包邊，此處形成內(nèi)凹形狀，零件翻邊后同樣容易出現(xiàn)缺料，會(huì)導(dǎo)致整體扭曲等缺陷； a區(qū)域是與前保險(xiǎn)桿匹配，安裝面高低落差大，成形時(shí)上模與板料接觸時(shí)間不同步，成形時(shí)極易出現(xiàn)拉裂、起皺等缺陷，同時(shí)匹配的側(cè)壁面拔模角度小，成形時(shí)側(cè)壁易出現(xiàn)拉裂、回彈大等缺陷； b區(qū)域是與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋匹配，A級(jí)面的直線段較短，側(cè)整形時(shí)A級(jí)面易出面凹、回彈大等缺陷。翼子板與周邊匹配的零件較多，需要其有一定剛性，對(duì)形狀特征、孔的尺寸精度及位置等要求較高，故對(duì)該件成形時(shí)整體回彈控制難度較大，需制作合理工藝方案。

圖1 翼子板產(chǎn)品模型

1.1.2 沖壓方向分析及確定

選用合理的沖壓方向能有效地控制模具成本，并對(duì)零件的沖壓可行性起著重要作用[3]。沖壓方向的確定需根據(jù)零件特征及結(jié)合生產(chǎn)線。覆蓋件材料厚度較薄易變形，大多數(shù)使用自動(dòng)生產(chǎn)線機(jī)臺(tái)抓取料，自動(dòng)生產(chǎn)線要求各工序間旋轉(zhuǎn)角度在10°以內(nèi)。沖壓方向的確定還需考慮沖孔和修邊角度，沖孔和修邊的最大沖壓角度不能超過15°。沖壓方向的確定還需考慮翻邊角度，考慮回彈角度3°后,優(yōu)先采用垂直翻邊，垂直翻邊有利于外觀品質(zhì)及R角光順；同時(shí)需要考慮設(shè)備利用率，翼子板一般使用一模雙件。結(jié)合上面闡述的要求，采用圖2所示的沖壓方向(X方向75°、Y方向0°、Z方向2°)，使各截面成形深度盡量淺并均勻過渡，減少成形后內(nèi)應(yīng)力。

圖2 翼子板模擬沖壓方向

1.1.3 沖壓工藝方案初步分析

工藝方案制定需結(jié)合沖壓設(shè)備及考慮模具結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度、模具制造成本和零件品質(zhì)等因素。該工廠的A生產(chǎn)線有5臺(tái)沖壓設(shè)備，B生產(chǎn)線4臺(tái)沖壓設(shè)備，翼子板零件窄小，工序內(nèi)容密集，確保品質(zhì)的前提下選用5工序完成沖壓較合理。首先擬定合理的沖壓工序，根據(jù)零件的形狀特征，初步擬定方案：拉延→修邊、沖孔→翻邊、修邊→側(cè)整形、沖孔、側(cè)沖孔→側(cè)修邊、側(cè)沖孔、側(cè)整形。工序擬定是否合理需模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步驗(yàn)證。

1.2 翼子板工藝方案確定

1.2.1 拉延模的工藝方案設(shè)計(jì)

沖壓件成形后會(huì)把多余的輔助材料切除，而剩下的部分就是產(chǎn)品，拉延的輔助工藝造型就是成形時(shí)用的輔助材料，在滿足成形要求前提下輔助材料盡量能做到越少越好[4]。根據(jù)形狀特征(圖3)b、c區(qū)后工序修邊可以選用側(cè)沖和正沖：若選用側(cè)沖，零件回彈小，工序數(shù)可以減少，但成形深度較深，會(huì)導(dǎo)致成形時(shí)進(jìn)料過多，表面品質(zhì)變差，同時(shí)模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜及制造成本高，故采用正修邊工藝，降低成形深度，有效地控制了制造成本。

d區(qū)內(nèi)凹形狀容易產(chǎn)生回彈及扭曲，在滿足修邊強(qiáng)度情況下，翻邊展開形狀盡量做深拉延量，但需要考慮整條棱線滑移，在廢料區(qū)域做余肉造型結(jié)合拉延筋控制滑移線，但此區(qū)域的余肉對(duì)材料利用率無影響。

a區(qū)后序?qū)Ψㄌm面進(jìn)行整形，此處需用過拉延工藝，在確保拉延不開裂情況下，過拉延值量盡量做小，控制在2～5 mm以內(nèi)，過拉延量過多易導(dǎo)致后工序整形起皺。綜合上所述建立拉延造型進(jìn)行模擬分析。

圖3 翼子板拉延的輔助造型

1.2.2 成形模擬分析

1) 模擬參數(shù)的設(shè)定

翼子板需要滿足一定的剛度和強(qiáng)度要求，同時(shí)為了考慮白車身的輕量化[5]，故選用DC54D+Z的鍍鋅普通鋼板，厚度為0.65 mm。材料參數(shù)：屈服強(qiáng)度σs=160 ～220 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=260～350 MPa，硬化指數(shù)n90≥0.18，厚向異性指數(shù)r90≥1.6，密度ρ=7.85×105N/mm3，斷后伸長(zhǎng)率δ=36%，泊松比γ=0.3，彈性模量E=2.1×105N/mm2，摩擦因數(shù)為0.15。

2) 模擬分析的主要指標(biāo)值

模擬分析主要目的是驗(yàn)證所作的工藝方案是否可行性，預(yù)判成形過程中各種缺陷，有效縮短模具開發(fā)周期，提高成形的精準(zhǔn)性[6]。外覆蓋件模擬分析需要關(guān)注幾項(xiàng)指標(biāo)：變薄率、主應(yīng)變、次應(yīng)變、滑移及沖擊線、回彈、進(jìn)料與拉延筋等。首先確認(rèn)成形過程是否明顯的起皺和開裂現(xiàn)象(圖4)。

壓料和成形過程中沒有出現(xiàn)波紋和起皺現(xiàn)象，滿足沖壓件的質(zhì)量要求。

主應(yīng)變值需要大于0.02(圖5)，材料才能成形充分，成形充分后零件才不會(huì)起皺。但需要結(jié)合次應(yīng)變判斷，若主應(yīng)變很大，而次應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，會(huì)容易起皺或外觀缺陷，故主應(yīng)變需要大于0.02，同時(shí)次應(yīng)變需要大于0，這樣確保成形充分。

從圖5判斷外觀面主應(yīng)變值都在0.02以上，滿足沖壓件的質(zhì)量要求。

圖4 成形過程分析

圖5 主應(yīng)變

次應(yīng)變要求值大于0(圖6)，從圖6判斷外觀面次應(yīng)變大于0，滿足沖壓件質(zhì)量要求。

圖6 次應(yīng)變

變薄率是判斷產(chǎn)品是否開裂的重要標(biāo)準(zhǔn)，不同的零件因材料及料厚不同，最大許可變薄率存在較大差異，對(duì)于本案DC54D+Z/0.65變薄率應(yīng)控制在-0.03～-0.23之間較合理(圖7)，同時(shí)考慮材料參數(shù)差異波動(dòng)，成形性應(yīng)考慮10%安全裕度，小于-0.23會(huì)有開裂的風(fēng)險(xiǎn)；大于-0.03會(huì)有起皺的風(fēng)險(xiǎn)。從圖7可見產(chǎn)品外觀區(qū)域的變薄率小于-0.03，滿足沖壓件的質(zhì)量要求。

圖7 變薄率

滑移及沖擊線的痕跡不能滑移到產(chǎn)品外觀區(qū)域如圖8，棱線滑移在R角圓內(nèi)，不影響外觀。

圖8 滑移及沖擊線

坯料進(jìn)料量及拉延筋阻力系數(shù)控制，盡量控制進(jìn)料均勻、平滑過渡，或者不進(jìn)料[7]，利用材料內(nèi)部脹形成形，成形充分后材料利用率高，同時(shí)零件回彈及扭曲相對(duì)會(huì)較小，見圖9。

圖9 坯料進(jìn)料量

滿足上述模擬分析各項(xiàng)要求后，適當(dāng)減少壓料面的深度及縮小料片尺寸來提高材料利用率，通過調(diào)整拉延筋系數(shù)、增大壓邊力等條件，調(diào)整后的參數(shù)通過反復(fù)分析，讓壓料面的深度最淺，計(jì)算最終的合理的數(shù)模作拉延數(shù)模，后工序修邊角度、翻邊、整形質(zhì)量等都可以用AutoForm分析驗(yàn)證。

1.2.3 修沖的工藝方案設(shè)計(jì)

外覆蓋件修邊需要控制毛刺、鐵屑及廢料滑出問題[8]。毛刺產(chǎn)生的主要影響因素：修沖角度及修沖間隙。修邊角度最大值控制在15°之內(nèi)，沖孔原則接受的角度不要超過孔徑，還需要考慮材料的抗拉強(qiáng)度及厚度，抗拉強(qiáng)度越高及厚度越厚接受沖孔的角度越小(見表1)，厚度影響實(shí)際孔徑，計(jì)算公式見圖10。

表1 最大修沖角度

沖壓過程中產(chǎn)生的鐵屑會(huì)帶到產(chǎn)品區(qū)域問題，造成對(duì)零件損傷，應(yīng)盡量不采用廢料刀，同時(shí)避免正修與側(cè)修交刀。當(dāng)然與實(shí)際沖壓線設(shè)備規(guī)劃臺(tái)數(shù)有關(guān)，沖壓線一般規(guī)劃4～6臺(tái)一條線，此翼子板規(guī)劃在5臺(tái)沖壓線上生產(chǎn)，為了壓縮工序數(shù)，使用廢料刀是難免的。若用廢料刀時(shí)模具結(jié)構(gòu)上可采用浮動(dòng)廢料刀或局部使用二次切斷工藝方案。

圖10 孔徑計(jì)算公式

廢料滑出問題主要考慮：廢料刀的刃口不能相對(duì)，刃口之間的距離考慮模具強(qiáng)度及滑道空間，同時(shí)零件平面擺放方向影響很大，翼子板的輪眉區(qū)域朝投入方向較合理。綜合上述因素確定修邊工藝方案(工序代號(hào)OP20，見圖11)。

1.2.4 翻整的工藝方案設(shè)計(jì)

翻整主要有起皺、開裂等缺陷[9]，若翻邊外輪廓是凹形狀容易產(chǎn)生缺料現(xiàn)象，翻邊后出現(xiàn)開裂問題(d區(qū)輪眉處)，反之凸輪廓形狀會(huì)產(chǎn)生多料現(xiàn)象，翻邊后出現(xiàn)起皺問題(c區(qū)與車門匹配處)。整形量大也會(huì)容易起皺，為了消除起皺(a區(qū)與前保匹配處)，進(jìn)行帶廢料整形，廢料區(qū)和在產(chǎn)品不整形區(qū)用壓料板(即整形兩側(cè)用壓料板進(jìn)行壓料)，廢料區(qū)使用壓料板的壓力源為氮?dú)鈴椈桑梢哉{(diào)整壓力。若整形后開裂，廢料區(qū)的外部壓力適當(dāng)調(diào)小，起皺就加壓調(diào)大；為了保證外觀A面品質(zhì)及外觀R角均勻，翼子板全周先進(jìn)行正翻(工序代號(hào)OP30)，這樣能確保R角光順及外觀面品質(zhì)(如圖12)。外板形狀較淺，需要增加精位孔，此孔在OP20已經(jīng)沖好， OP30只需要用作定位即可，但OP30全周翻邊了，沒有精確定位孔，利用的是型面輪眉外裝飾卡扣孔，故在此工序增加沖孔，用作后工序精定位。

圖11 OP20修沖工藝方案

圖12 OP30修邊、翻邊工藝方案

后工序(代號(hào)OP40)與機(jī)蓋匹配翻整需要先側(cè)整形，側(cè)壁上所有的沖孔是此零件在檢具上定位的基準(zhǔn)，位置、形狀、尺寸度要求最高，故先側(cè)整形后再進(jìn)行沖孔，這樣才能保證沖孔的位置、尺寸、形狀精度，見圖13。

圖13 OP40修邊、側(cè)沖孔、沖孔、側(cè)整形工藝方案

最后整形位置與車門匹配處如圖14(工序代號(hào)OP50)所示，此處雖然有裝配孔，但為了車身匹配，需調(diào)整面水平及拼縫間隙值，所以此處的裝配孔設(shè)計(jì)成開口孔。開口孔可以在OP20調(diào)整沖完， 孔的精度在OP50整形后，也能保證裝配關(guān)系。工序內(nèi)容按照此思路設(shè)計(jì)。

圖14 OP50側(cè)修邊、側(cè)沖孔、側(cè)整形工藝方案

依照設(shè)備規(guī)范把所有的工序組合起來編制工藝卡，落料使用擺剪，有自動(dòng)擺剪設(shè)備，故不需要額外制造模具，擺剪落料可以有效提高材料利用率。通過上述綜合分析得出精確工序：OP10拉延→OP20修邊、沖孔→OP30翻邊、修邊、沖孔→OP40側(cè)整形、沖孔、側(cè)沖孔→OP50側(cè)修邊、側(cè)沖孔、側(cè)整形，確定工序后可以制作工藝卡，根據(jù)工藝卡指導(dǎo)各工序OP10～OP50進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 翼子板的加工數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

模具制造周期長(zhǎng)也是難點(diǎn)，可通過優(yōu)化加工數(shù)據(jù)來減少鉗工研合量及調(diào)試周期[10]，加工數(shù)據(jù)還影響模具型面里R角或型面避讓的美觀度，其研究在模具制造工藝中是不可缺少的步驟。以某翼子板拉延模具加工數(shù)據(jù)為分析對(duì)象進(jìn)行研究，最后得到的翼子板拉延模具回彈補(bǔ)償后加工數(shù)據(jù)如圖15所示。后工序加工數(shù)據(jù)主要包括：壓料芯強(qiáng)壓、修邊刀塊波浪剪、整形刀塊強(qiáng)壓、各刀塊與壓料芯間隙等。對(duì)照AutoForm軟件的分析值作參考，部分結(jié)合制造經(jīng)驗(yàn)對(duì)型面進(jìn)行優(yōu)化。

圖15 OP10拉延全型面補(bǔ)償圖

完成回彈補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模面處理：拉延模設(shè)下凸模型面作為基準(zhǔn)，僅凹R角避讓，其余依照全型面制作。上模模面要求(如圖16所示)：對(duì)于上模偏置料厚值， 凹R角(3 mm ≤凹R)已經(jīng)讓空0.5 mm處理；產(chǎn)品全周搭接，匹配輪廓區(qū)域和RPS面，裝配孔面區(qū)域強(qiáng)壓0.1～0.15 mm 處理；側(cè)壁工藝補(bǔ)充區(qū)域空開0.2 mm,余肉工藝補(bǔ)充區(qū)域空開1～2 mm(非起皺部位，起皺部位不空開)；工藝補(bǔ)充對(duì)應(yīng)壓料面進(jìn)料較多的區(qū)域型面緊壓0.1～0.15 mm；型面以單件中心放大1.000 7處理。壓機(jī)補(bǔ)償0.2 mm處理，壓邊圈拉伸筋里面需要作強(qiáng)壓0.1～0.15 mm 處理(如圖17所示)。

圖16 OP10拉伸上模間隙標(biāo)色圖

圖17 OP10拉伸壓邊圈間隙標(biāo)色圖

坯料外面20 mm降刻0.5 mm處理，拉延筋與坯料之間型面是等料厚處理，凹筋空開0.5 mm處理，后工序加工數(shù)據(jù)壓料板強(qiáng)壓0.1 mm，整形刀塊對(duì)照分析當(dāng)作補(bǔ)償?shù)?，此處就不全部闡述了，加工數(shù)據(jù)調(diào)整顏色改成藍(lán)油圖，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉗工研合及調(diào)試。模具加工完成，首件狀態(tài)及后工序狀態(tài)如圖18、19所示。

圖18 拉伸首次出件

圖19 工件局部

3 結(jié)束語(yǔ)

該模具工藝總體設(shè)計(jì)合理，依照零件特征OP20修邊采用正修方式，降低了零件成形深度，從而降低了模具的制造難度及制造成本。在工序內(nèi)容上：OP30采用全周整形確保外觀R角光順；與機(jī)蓋匹配處采用OP40先整形OP50再側(cè)沖工藝來確?；鶞?zhǔn)孔定位精度。由于該制件為外觀件，對(duì)表面質(zhì)量要求比較高，為與前保險(xiǎn)杠匹配，整形處模具采用帶壓料板的托料結(jié)構(gòu)，不僅提高了進(jìn)料的均勻性還降低了彈塑性的內(nèi)應(yīng)力。此模具工藝設(shè)計(jì)對(duì)覆蓋件的實(shí)際設(shè)計(jì)體系具有重要的指導(dǎo)作用。