電動轎車通道沖壓工藝及模具設(shè)計

韓耀東，韓明彥

武漢中人瑞眾汽車零部件產(chǎn)業(yè)有限公司（湖北武漢 430073）

1 引言

中國汽車工業(yè)發(fā)展的歷史雖然不是很久，但國內(nèi)汽車產(chǎn)品的品種和數(shù)量龐大，發(fā)展驚人。不斷更新和改善的動力總成、美觀大氣的外觀設(shè)計、輕量化的車身結(jié)構(gòu)，大大提升了整車的性能指標，滿足了廣大消費者的購買需求。雖然整個車身的宏觀結(jié)構(gòu)相似，但具體細節(jié)又各有不同。其中，通道的結(jié)構(gòu)也多種多樣，根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能需要，通常有整體式和分體式2種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 通道結(jié)構(gòu)圖

通道一般是由高強度板沖壓成形，它是車身骨架的一個重要構(gòu)件，其功能主要有：增加車身的強度和剛度（特別是地板的強度和剛度），提高整車性能和提供部分車輛元器件安裝空間的功能。通道的尺寸精度對整個車身焊接的幾何尺寸影響至關(guān)重要，所以對通道沖壓件的工藝進行深入的研究非常必要，其制件的質(zhì)量狀態(tài)和制造成本又與沖壓成形工藝和工藝裝備、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率等密切相關(guān)。

2 制件介紹

圖1b 所示制件是某電動汽車的通道和通道后部的制件圖，材料HC280/450DPD+Z，t=0.72mm。因為電動車的前地板總成中間有一個容納電池組的電池箱空間結(jié)構(gòu)，所以通道被分割成為2體結(jié)構(gòu)（通道和通道后部），前地板總成是由通道和通道后部等沖壓件焊接而成，如圖2所示。

通道的截面一般為U型結(jié)構(gòu)，主要是為了增加地板的強度和剛度，U型槽同時具備一定的裝配容積功能，通道屬于典型的車身結(jié)構(gòu)件。從制件的使用要求分析，制件的幾何尺寸要求很高，與兩側(cè)的座椅橫梁都有搭接關(guān)系，尺寸如果變化較大，會影響側(cè)圍的焊接尺寸，甚至直接影響整個白車身的焊裝效果。制件的剛性也非常重要，整車剛度是轎車重要性能指標之一，剛度不足會造成車身及早出現(xiàn)疲勞破壞，所以說通道總成的剛度非常重要。

圖2 前地板總成

3 工藝分析

根據(jù)制件的特點，分別對通道和通道后部分別進行了初步的工藝分析：

（1）通道的沖壓工藝為：①拉伸；②修邊；③整形；④側(cè)修邊整形沖孔；⑤沖孔側(cè)沖孔，共5道工序，具體方案如圖3所示。

（2）通道后部的沖壓工藝為：①拉伸；②修邊；③整形；④側(cè)修邊沖孔，共4道工序，具體方案如圖4所示。

（3）雖然上述工藝方案簡化可行，但考慮到2個制件均為U型結(jié)構(gòu)，且原材料規(guī)格（材料牌號和厚度）相同，為節(jié)約原材料、簡化沖壓工序和生產(chǎn)流程，決定將2個制件合并在一起沖壓，具體的合并拼接方案如圖5所示。

制件改進后的沖壓工藝如圖6所示。

圖3 通道的沖壓工序圖

圖4 通道后部的沖壓工序圖

圖5 通道和通道后部的合并拼接圖

圖6 通道和通道后部合并后的沖壓工序圖

這樣將原來的9 道工序合并為5 道工序，原材料消耗由3.2565kg 降為2.9606kg。經(jīng)過工藝改進和合理拼接優(yōu)化后，總工序減少4 序，毛坯減少0.2959kg，一次沖壓出2個制件，生產(chǎn)流程更簡化，采用多工位機械手生產(chǎn)，效率更高，大大降低了生產(chǎn)成本。

4 合并后的通道和通道后部CAE模擬分析

（1）成形性分析（分第一次拉伸和第二次拉伸2道工序分析），如圖7所示。

從分析結(jié)果顯示，產(chǎn)品最終成形性分析，評估的結(jié)果是材料成形性較好。局部有少許變薄情況，需要優(yōu)化制件的型面和圓角，制件的回彈較大，需要模具型面補償和模具側(cè)整形，以及模具拉伸筋的合理運用。

（2）材料的變薄率分析，CAE分析報告顯示，材料的最大變薄率為18.5%t（≤20%t），基本滿足拉伸要求，如圖8所示。

圖7 第一、二次拉伸CAE模擬分析報告

圖8 材料的變薄率圖

（3）制件成形的起皺分析，最大起皺量為0.027mm，基本不起皺，滿足成形要求，如圖9所示。

圖9 材料起皺分析圖

（4）制件成形時的回彈量分析顯示，最大回彈量為12.51mm 左右，整個制件的回彈量都較大，在模具設(shè)計時，需要根據(jù)回彈量修正模具的型面數(shù)模，增設(shè)雙拉伸筋，還需要利用側(cè)整形工序控制制件的回彈，以滿足制件的最終成形要求，具體回彈量如圖10 所示。

圖10 制件的回彈量分析圖

5 模具設(shè)計

根據(jù)已經(jīng)確定的沖壓工藝和優(yōu)化后的數(shù)模，進行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。具體模具結(jié)構(gòu)如圖11所示（5副模具）。

圖11 模具圖

該模具的設(shè)計是將2個制件合并在一起沖壓，在最后一序側(cè)整形側(cè)修邊分離成為通道和通道后部2個制件，通過合并生產(chǎn)，模具數(shù)量減少接近一半，生產(chǎn)工序更加濃縮和簡化，節(jié)約了原材料，沖壓過程采用多工位機械手取、放制件，滿足了快捷生產(chǎn)模式的需要。在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，注意上、下模型面對制件的脫模要求（可以考慮加內(nèi)頂銷），確保制件停在下模又不卡在下模，以方便機械手抓取制件。各工序的模具，需要考慮好制件定位的方案。定位一般分為粗定位和精定位兩種，也可以是其中的一種，具體情況根據(jù)需要選用，主要是要方便機械手取放制件和滿足制件定位的可靠性。沖壓廢料要求能自動滑出，廢料長度按模具設(shè)計標準取值，不能過長，避免地溝廢料線卡堵。

模具設(shè)計說明：圖11 中的OP10/OP20 分別是第一次拉伸模和第二次拉伸模，它們均采用導(dǎo)向腿導(dǎo)向（為適應(yīng)多工位生產(chǎn)，導(dǎo)向腿放置在上模，避免與多工位機械手的搬運曲線干涉），凹模和壓邊圈采用合金鋼鑲塊結(jié)構(gòu)，并且表面進行TD 處理。在第二次拉伸時，模具使用了延時氣缸系統(tǒng)，防止制件在開模時壓變形。模具設(shè)置了雙拉伸筋，對制件的回彈及變形控制與調(diào)整有好處。OP30 修邊整形模具，采用倒裝導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向，修邊制件的周邊及對法蘭面進行整形；OP40 側(cè)修邊沖孔模具，采用倒裝導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向，側(cè)修邊力量雙向?qū)ΨQ，理論上不存在側(cè)向力的影響，不會影響沖裁精度；OP50 側(cè)整形側(cè)修邊切斷，模具采用倒裝導(dǎo)柱導(dǎo)套和導(dǎo)向腿復(fù)合導(dǎo)向，提高和加強模具的導(dǎo)向精度，側(cè)整形模的驅(qū)動機構(gòu)（60°角的斜面）直接在模架上鑄出，模具緊湊，成本低、效果好。同時這種側(cè)整形的方式，對校整側(cè)面和法蘭面都很適用。

6 結(jié)束語

該模具從設(shè)計、制造、調(diào)試、出件整個過程都比較順利，前期的理論分析和后期的實際調(diào)試情況基本一致，最終制件滿足了設(shè)計要求，制件實物如圖12 所示。經(jīng)過量產(chǎn)初期的小批量生產(chǎn)過程驗證，模具運行狀況良好，制件的尺寸、壁厚已經(jīng)外觀質(zhì)量情況良好，現(xiàn)模具已經(jīng)進入量產(chǎn)階段。通過這2個制件的合并生產(chǎn)，前期的工藝分析及后期的模具設(shè)計、制造、調(diào)試，解決了通道和通道后部沖壓成形過程中，材料變薄、起皺折疊、翹曲回彈等問題，節(jié)約了原材料，簡化了生產(chǎn)流程，節(jié)省了模具費用，提高了生產(chǎn)效率，為類似制件的合并生產(chǎn)工藝開發(fā)提供了借鑒。

圖12 通道和通道后部的制件實物

在制定沖壓工藝的時候，對形狀類似、材料相同、裝車比例匹配的制件，盡可能的考慮制件合并開發(fā)。豐富的沖壓實踐經(jīng)驗和CAE 分析技術(shù)能為通道和通道后部等類似制件的沖壓成形工藝、模具設(shè)計提供有效的幫助，廣泛運用多工位機械手生產(chǎn)，對降低沖壓生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率起到至關(guān)重要的作用。本文通過對通道和通道后部的沖壓工藝的分析、CAE 模擬、回彈補償、模具設(shè)計要點的陳述，對類似車身結(jié)構(gòu)件的工藝分析、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考作用。