汽車整體式前地板沖壓工藝設(shè)計

蔡 輝，溫業(yè)壯，龍佳泉，馬思源

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車前地板類零件，由于包含中央通道的幾字型結(jié)構(gòu)，拉延深度大，材料流動多，極易產(chǎn)生起皺開裂缺陷，工藝設(shè)計難度大。且中央通道前端頭廢料較多，材料利用率較低，生產(chǎn)成本較為浪費。隨著原材料價格上漲，汽車零部件企業(yè)生產(chǎn)成本壓力越來越大，材料利用率的優(yōu)化能直觀的降低零部件生產(chǎn)成本。從模具結(jié)構(gòu)來看，汽車前地板沖壓件起皺，會過度磨損模具型面，模具保養(yǎng)頻次高，且磨損的型面會漸漸的影響零件型面的符型。在前期工藝設(shè)計階段，通過工藝分析，消除零件開裂起皺風(fēng)險，從而降低量產(chǎn)時的報廢率，提高材料利用率，減少模具保養(yǎng)頻次，為公司降本增效。

1 零件信息及結(jié)構(gòu)分析

前地板是我公司承接的某車型汽車內(nèi)板零件（如圖1），與側(cè)圍、底盤、前圍和后地板均有搭接，型面復(fù)雜，尺寸要求較高，是汽車生產(chǎn)中的關(guān)鍵零件。外觀要求表面光滑，棱線過渡清晰，不允許孔變形、毛刺、鋒利的切邊、扭曲痕跡、材料皺褶、明顯可見且有輕微手感的拉傷、劃傷、碰傷等質(zhì)量缺陷。外形尺寸為1 290 mm×1 398 mm×182 mm，材質(zhì)為BLD，料厚0.7 mm。

如圖1，其特點是零件整體呈幾字型，中央通道部分與兩側(cè)型面高低差大，中央通道前后方向走勢急劇，中央通道部分前端Z向高度差達(dá)到182 mm，深度較大，材料流動量較大，若采用包頭工藝（如圖2），勢必降低零件材料利用率，且廢料區(qū)的材料起皺無法避免，進(jìn)而使端頭模腔磨損嚴(yán)重，不利于后續(xù)調(diào)模和材料利用率的提升。

圖1 前地板產(chǎn)品示意圖

圖2 包頭產(chǎn)品示意圖

2 工藝分析

地板類零件基本上都是使用拉延（區(qū)別于直接成型）工藝[1]才能保證制件的型面質(zhì)量。結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)，該車型前地板使用單動拉延（區(qū)別于雙動拉延）工藝進(jìn)行設(shè)計。

單動拉延的模具分為三個結(jié)構(gòu)，即上模（凹模）、壓邊圈和下模（凸模）。板料放在壓邊圈與上模之間，由機(jī)床的氣頂桿頂在壓邊圈上提供壓料力。

為了工藝設(shè)計的需要，需對產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)展開并作補充，使零件更有利于拉延成型。作補充的部分就是拉延型面的工藝補充面。工藝補充的目的是調(diào)整材料流動趨勢，使材料流動均勻平緩，把沖壓缺陷阻擋在工藝補充面上，保證制件型面的質(zhì)量。

對比以往類似零件的工藝結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件AutoForm對零件進(jìn)行工藝補充并分析。經(jīng)過多輪分析，對比兩種較典型的工藝補充方案，如下圖3所示。

包頭工藝：如圖3所示，前端端頭使用包頭結(jié)構(gòu)，壓邊圈成為一個封閉的環(huán)，使整張板料的材料流入都受到壓邊圈的控制，板料較大。

圖3 包頭式工具體設(shè)置

分析結(jié)果如圖4、圖5所示，大端頭幾字型凹圓角處，由于材料流動劇烈，局部范圍內(nèi)材料流動不均勻，材料積聚在該處，無法展開，出現(xiàn)疊料風(fēng)險。雖然該位置是工藝補充面，后續(xù)會切除，但考慮到起皺位置對應(yīng)上模圓角，受力較大，長期生產(chǎn)模具磨損會比較嚴(yán)重。會造成原本已經(jīng)穩(wěn)定的材料流入量發(fā)生變化，影響后續(xù)模具的使用和制件的合格率，需要優(yōu)化。

圖4 包頭式到底前15mm俯視圖

圖5 包頭式到底前15mm前視圖

端頭開放式：為緩解端頭材料流動不均勻造成的起皺疊料風(fēng)險，將端頭的壓料面取消。如圖6所示，幾字型兩凹圓角根部之間的壓料面取消。由于不需要端頭的壓料，端頭的材料流入均勻，不會在處產(chǎn)生起皺疊料，且板料尺寸可以適當(dāng)減小，提高材料利用率。

圖6 開放式工具體設(shè)置

分析結(jié)果如圖7所示，大端頭幾字型凹圓角處的材料流動不均已經(jīng)得到緩解，整個過程中沒有材料積聚在此處，起皺疊料趨勢已經(jīng)消失，效果較好。故決定采用端頭開放式結(jié)構(gòu)。

圖7 開放式到底前16 mm前視圖

采用端頭開放結(jié)構(gòu)，做了進(jìn)一步分析，過程如圖8。

圖8 開放式成型過程

如圖8、圖9所示，零件在成型過程中，沖壓行程至到底前50 mm時，中央通道前段已部分成型，后段剛剛開始成型，周圍材料出現(xiàn)起伏不平。隨著沖壓過程的進(jìn)行，起伏開始惡化，出現(xiàn)疊料趨勢。

圖9 起皺疊料區(qū)域

后段中間的型面起皺趨勢明顯，在沖壓行程到底前50 mm～16 mm之間，起皺仍不能得到緩解。雖然在后續(xù)的沖壓過程中，起皺逐步消失，但在如今機(jī)械壓力機(jī)的沖壓速率下，如分析過程出現(xiàn)嚴(yán)重起皺甚至疊料，后續(xù)調(diào)?；静粫衲M分析一樣可以拉開，需盡量避免沖壓過程的嚴(yán)重起皺。故該位置還需繼續(xù)優(yōu)化。

解決起皺思路：根據(jù)CAE分析過程顯示，如圖10，料品起皺趨勢在后端呈現(xiàn)輻射狀，需要沿著起皺趨勢垂直的方向施加扯料的力。綜合使用調(diào)整拉延筋和工藝補充面等手段進(jìn)行優(yōu)化。

圖10 模擬加筋扯料

結(jié)合零件特征分析，起皺是由于該處型面前后方向高度差變化劇烈，高度差達(dá)到182 mm（如圖11），材料從凹圓角處往側(cè)壁上流動不均勻，使材料積聚在材料流動差別大的地方，形成起皺。

圖11 零件高低差

為使后段材料流動得到控制，優(yōu)化材料流動，首先將后段的壓料面適當(dāng)降低，如圖12所示，優(yōu)化后的壓料面成V字，使后段的拉延深度局部加深且向兩側(cè)平緩過度，緩和了零件后段左右兩側(cè)的材料向中間流動的趨勢。

圖12 工藝補充面優(yōu)化前后

前后方向上，拉延工藝補充面做了調(diào)整如圖13。壓料面優(yōu)化，使壓料面走勢與零件中央通道部分上表面走勢保持一致。拉延深度適當(dāng)降低，與后端V字型的壓料面配合，調(diào)整驗證拉延筋系數(shù)（如圖14）。最終達(dá)到緩解起皺并進(jìn)一步提高材料利用率的目的。

圖13 工藝補充面優(yōu)化前后

圖14 前地板拉延筋分布及筋系數(shù)

優(yōu)化后的沖壓過程模擬如圖15、圖16，零件成型過程基本沒有發(fā)生較嚴(yán)重起皺。整個過程中，材料流動平緩可控。在到底前63 mm～47 mm，型面有輕微的起伏不平，但之后馬上被扯平，之后的成型過程非常平穩(wěn)流暢，起皺的分析結(jié)果得到認(rèn)可，拉延的工藝基本定型。

圖15 零件到底狀態(tài)

圖16 工藝優(yōu)化后成型過程

評估成形極限（如圖17）及Max failure（如圖18），有部分圓角區(qū)域的Max failure超過0.8，表現(xiàn)為開裂。

圖17 前地板Autoform分析FLD圖

圖18 Max failure

該位置開裂在制件中間的型面，距離工藝補充面較遠(yuǎn)，通過調(diào)節(jié)沖壓參數(shù)或者工藝補充來緩解效果甚微，且會影響前面已經(jīng)調(diào)整好的起皺。綜合考慮焊接工藝及零件的搭接要求，提ECR設(shè)變申請，球化開裂風(fēng)險位置圓角，從而使分析結(jié)果得到認(rèn)可。

3 工藝布置

（1）OP10拉深：如圖19所示，進(jìn)過多輪分析，最終確定的拉延方案。使用方料，端頭開放式單動拉延。

（2）OP20切邊沖孔：本工序完成產(chǎn)品輪廓邊線的正修邊和所有沖孔。

（3）OP30翻邊：本工序為下置壓料芯的上翻邊，由下模壓料芯的彈簧提供壓料力和退料力。兩側(cè)翻邊全部在本工序成型。

圖19 前地板工藝DL圖

4 零件效果

在首次全工序零件出樣后，對零件外觀進(jìn)行評估，前期模擬分析的風(fēng)險區(qū)域都成形OK，產(chǎn)品面沒有起皺開裂，零件達(dá)到預(yù)期效果，如圖20所示。

圖20 前地板最終零件及局部細(xì)節(jié)

5 結(jié)束語

本文對汽車整體式前地板零件的工藝性進(jìn)行了多種方案的分析和探討，選取某車型包含中央通道結(jié)構(gòu)的整體式前地板進(jìn)行詳細(xì)的分析和類比，總結(jié)出該車型前地板的最優(yōu)方案。對后續(xù)類似零件及其他零件的沖壓工藝分析都是具有借鑒作用的。借此機(jī)會拋磚引玉，希望后續(xù)與眾多沖壓專家共同協(xié)作，攻克更加復(fù)雜的沖壓件工藝設(shè)計。