汽車前縱梁后段內(nèi)側(cè)板試制模具創(chuàng)新設(shè)計(jì)

徐明 劉東平 李軼靚 任建新

摘 要：隨著全球汽車行業(yè)競爭日益激烈，產(chǎn)品開發(fā)周期持續(xù)縮短，樣車試制時間緊、任務(wù)重。鈑金樣件快速模具的質(zhì)量和技術(shù)水平直接影響整車綜合質(zhì)量和試驗(yàn)參數(shù)，甚至關(guān)系到研發(fā)項(xiàng)目的成敗。因此，汽車企業(yè)要切實(shí)提高快速模具試制的技術(shù)創(chuàng)新能力，掌握關(guān)鍵技術(shù)，確保樣車試制工作順利完成。文章基于前縱梁后段內(nèi)側(cè)板快速模具設(shè)計(jì)的技術(shù)創(chuàng)新，模具試制由四序簡化為兩序，該種模具設(shè)計(jì)形式能提高樣件質(zhì)量、節(jié)省成本、提高效率。

關(guān)鍵詞：試制;沖壓;模具

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

前言

隨著汽車行業(yè)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(chǎn)周期，又節(jié)省成本^[1]。車身沖壓件是整車重要的組成部分，其品質(zhì)直接決定整車外觀品質(zhì)及整車產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性，因此對沖壓件品質(zhì)有較高的要求^[2]。本文所講的汽車前縱梁后段內(nèi)側(cè)板是鈑金沖壓件，其承受復(fù)雜靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力，因此樣件本身的材質(zhì)需有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證樣件及整車強(qiáng)度和剛度。綜上，本次內(nèi)側(cè)板的試制材料為B410LA。

1 傳統(tǒng)試制沖壓工藝

1.1 沖壓工藝性分析

該內(nèi)側(cè)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(zhì)為B410LA，是一種低合金高強(qiáng)度鋼，主要應(yīng)用于汽車車身件及其它結(jié)構(gòu)件，屈服強(qiáng)度為410～560MPa，抗拉強(qiáng)度不低于590 MPa，斷后延伸率不低于16%。高強(qiáng)板特殊的成形性能，如抗拉強(qiáng)度高、收縮率低、屈服強(qiáng)度高等特性卻給生產(chǎn)帶來了較大的麻煩，容易產(chǎn)生回彈、破裂等成形缺陷^[3]。因此，對于該種材質(zhì)的模具設(shè)計(jì)和制作工序要考慮充分。

首先，分析內(nèi)測板的沖壓工藝性。最初，該內(nèi)側(cè)板的設(shè)計(jì)采用四序進(jìn)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(cè)（如圖1處所示）對稱一模兩件進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，之所以采用拉延加整形工序，主要是因?yàn)樵摲N模具設(shè)計(jì)形式下零件A側(cè)和C側(cè)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(shè)計(jì)

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(chǎn)出合格沖壓件的主要因素。另外，拉延方向還是拉延模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后續(xù)工藝的重要設(shè)計(jì)依據(jù)^[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(shù)模導(dǎo)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(biāo)系Z軸中心線旋轉(zhuǎn)12°為OP10沖壓方向。OP10拉延工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)，依據(jù)多次AUTOFORM軟件模擬分析結(jié)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(qiáng)板材質(zhì)成型力大等原因。因此，抬高A側(cè)Z方向的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dǎo)入到AutoForm中，圖2為導(dǎo)入AutoForm中的拉延模擬結(jié)果，模擬時壓邊力為3.0MPa，摩擦系數(shù)為0.15，采用膜單元進(jìn)行分析，其分析結(jié)果顯示零件總體成型性良好，但在A處存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，可在沖壓過程調(diào)試時，距離下死點(diǎn)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(diào)該處所對應(yīng)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(jìn)行激光切割精切，為后續(xù)OP30擼邊整形做準(zhǔn)備。

OP30為擼邊整形，其整形方向與OP10一致，在OP20精切的基礎(chǔ)上，精切好的兩個對稱零件以型面定位的方式放在設(shè)計(jì)好的凹模上，以凸模進(jìn)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(jié)

以上為該零件傳統(tǒng)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(chǎn)生褶皺等相關(guān)問題，但基本能滿足試驗(yàn)和試制需求。但是，汽車行業(yè)競爭越來越激烈，縮短汽車研發(fā)制造周期，對提升新產(chǎn)品市場占有率至關(guān)重要^[5]。同樣，提升鈑金樣件的試制質(zhì)量和縮短制作周期也備受關(guān)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(fù)雜，急需優(yōu)化試制工藝，縮短樣件試制周期，提高樣件試制質(zhì)量。經(jīng)過不斷優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、仿真模擬、研磨調(diào)試。最終，該零件用兩序試制出來，在產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本、試制周期都優(yōu)于之前的試制工藝，具體試制工藝如下所述。

2 創(chuàng)新試制沖壓工藝

2.1 沖壓工藝性分析

該零件的創(chuàng)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(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)在整體模具輪廓和設(shè)計(jì)思路較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大區(qū)別，對模具調(diào)試和現(xiàn)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?qū)ΨQ，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(biāo)系Z軸中心線旋轉(zhuǎn)12°為OP10拉延方向。OP10拉延工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)，依據(jù)多次AUTOFORM中模面設(shè)計(jì)及CAE分析，最終確定沖壓工藝的模面設(shè)計(jì)，如圖3所示。

本次OP10拉延模面的設(shè)計(jì)如圖3所示，之后導(dǎo)入AUTOFORM中，其成型結(jié)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(xiàn)場調(diào)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(jìn)料速度，增加變形阻力，使拉延更充分^[6]。

3 現(xiàn)場調(diào)試方法及問題解決

改進(jìn)后的模具設(shè)計(jì)，因其整個成型過程中只用一序拉延工序，所以現(xiàn)場調(diào)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(qiáng)度大、材質(zhì)硬、不易成型，在進(jìn)行CAE分析時，該處同樣存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。在此種情況下，現(xiàn)場調(diào)試共分三序，第一步按展開板料形狀進(jìn)行拉延，拉延深度較下死點(diǎn)差10mm，防止一步成型到達(dá)下死點(diǎn)導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)時該處開裂，之后再將樣件拉延至下死點(diǎn)。第三步，激光切割，完成樣件試制工作。

4 結(jié)論

優(yōu)化后的沖壓工藝設(shè)計(jì)，在試制周期，研發(fā)成本等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的沖壓工藝設(shè)計(jì)，在試制工序上，較傳統(tǒng)沖壓工序少兩序，即少一套鑄造模具，節(jié)省成本。此外，優(yōu)化后的沖壓工藝對現(xiàn)場調(diào)試提出更高的技術(shù)要求，這也給我們一種啟示，現(xiàn)場調(diào)試的技術(shù)方法創(chuàng)新對樣件試制工藝同樣重要，本次現(xiàn)場研磨調(diào)試和模具設(shè)計(jì)思路值得試制快速模具設(shè)計(jì)工程師們學(xué)習(xí)借鑒。

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