汽車鉸鏈的沖壓工藝及模具設計

摘要：分析了汽車鉸鏈的結構特點及沖壓工藝，介紹了多工序零件的模具設計。分析了汽車鉸鏈成形的主要模具結構，并對成形、沖孔、彎曲、卷圓等重要工序進行分析。利用有限元分析了零件的相對變薄率及彎曲回彈問題。通過計算機模擬和實踐表明：模具結構緊湊、工作平穩(wěn)、操作簡便，對類似零件的模具設計有一定的借鑒和參考價值。

關鍵詞：復合模;汽車鉸鏈;回彈分析;變薄率分析

中圖分類號：TG386.42 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0044-02

0 ?引言

汽車鉸鏈作為汽車的重要連接件[1]，市場需求量大。該零件為沖壓件，鉸鏈形狀較復雜，成形包括切邊、沖孔、卷圓等多道工序?？紤]到零件總體尺寸較小、工序多，零件宜采用單工序模+復合模成形，并采用Dynaform有限元模擬分析鉸鏈的沖壓成形效果，探討沖壓過程中是否出現裂紋、回彈、起皺等缺陷。隨著CAD/CAE/CAM等輔助技術的廣泛應用，極大縮短了模具設計、調試、試模周期。

1 ?零件的工藝分析

圖1所示為鉸鏈的零件圖及其三維造型。鉸鏈的材料為SPCC鋼，零件厚度為1.6mm。零件要求表面平整，毛刺高度不得大于0.08mm。由圖1可知，汽車鉸鏈的成形主要以拉伸、彎曲、沖孔為主，其中彎曲位置多，在設計模具時需考慮彎曲的次序，合理安排彎曲的幅度、彎曲力的大小，并采取適當措施降低彎曲回彈所產生的不良影響，提高鉸鏈的成形質量。另外零件上Φ5的鍵槽型側孔（圖1主視圖所示）位于斜面上，位置要求較高，加工比較困難。汽車鉸鏈成形主要工序有成形、沖孔、切邊、翻邊、預彎、卷圓等[2]。分析零件形狀特征，采用一模兩件的方案成形較合理，能有效增加材料的成形利用率、流向均勻、易于成形，同時提高沖壓設備的使用效率，節(jié)約了零件的制造成本[4]。根據鉸鏈的成形性、使用性及表面質量要求，合理選擇修邊余量[5]，修邊余量一般應該大于5mm。經計算[5，7]，零件的坯料尺寸選170mm×80mm×1.6mm。

2 ?工藝方案的選擇

工藝方案的選擇、成形的先后順序對零件的成形精度及模具設計的難易程度都有重要的影響[3]。分析圖1結構可知，鉸鏈制造過程中所需的沖壓工序主要有彎曲成形、切邊沖孔、卷圓、切斷等。通過對鉸鏈三維結構及工藝分析，該零件有3處彎曲、1處卷圓，此外還有沖孔、翻邊等。最終確定以下工藝方案：成形——沖孔與切邊復合——切斷——成形——卷圓。

宜采用單工序模+復合模生產，共需要5副模具。其中在沖壓加工中，第一道成形工序為關鍵工序，若成形質量達不到要求，則直接影響后續(xù)工序的進行，因此對第一道工序的成形結果應進行變薄率及回彈分析。

3 ?排樣及剪板

采用單板單件的形式，即直接用剪板機將板料剪成毛坯大小，即采用無廢料排樣方式。具體計算如下[6，7]：①選用1.6mm×1600mm×2000mm規(guī)格的板料;剪切條料尺寸為80mm×2000mm。②條數n1=1600/80=20個，余0mm;③工件面積：S=[13×14×2+19×13+61×21-3.14×25/4+27×63-（7.5×7.5-3.41×7.5×7.5/4）-2×3.14×25/4]×2≈7044.1mm2。④材料利用率：η=[（7044.1×220）/（1600×2000）]×100%=48.43%。

綜上，采用1.6mm×1600mm×2000mm規(guī)格的板料，材料利用率為48.43%。

4 ?主要模具結構設計

雖然制件成形時有一個9°的斜角，但計算時可近似看成彎曲的U形件。彎曲成形時，凸凹模間隙c的大小對汽車鉸鏈的成形質量有直接影響。間隙過大時，導致彈復角增加;間隙過小時導致工件材料厚度的變薄。凸凹模合理的間隙值一般可按下式計算[6，7]：

式中：c—彎曲凸凹模單邊間隙;t—材料厚度;Δ—材料厚度正偏差;K—根據彎曲件高度Δh和彎曲線長度b而決定的系數。

綜上，由于汽車鉸鏈精度要求較高，凸凹模間隙值應適當減少，故取c=t=1.6mm。

如圖2所示為汽車鉸鏈成形模的模具結構，該模具是下頂出件成形模。模具的工作過程是：送料時，通過導料板9來定位。將原始坯料置于凹模4上，壓力機通過滑塊帶動成形凸模8下行，使凸模8與凹模4、頂件塊11間的板料被壓緊，凸模8下行到下止點時，成形工序結束。當壓力機滑塊上行時，下模采用頂桿10推動頂件塊11進行卸料。

圖3所示是利用Dynaform有限元模擬分析汽車鉸鏈成形過程中的相對變薄率。圖3中顏色條的變化，表示板料厚薄的變化程度。顏色越藍，表示拉伸時變厚的程度越大;顏色越紅，則表示變薄越多。由圖3可見，最大變薄率出現在零件的底部圓形過渡區(qū)域，數值為13.59%，這是由于該部分拉伸程度較大，受成形力作用板坯變薄，易發(fā)生破裂。最小變薄率位于零件的邊緣部分，數值為-27.58%，該區(qū)域變厚程度較多，但在后續(xù)的工序中會被切掉，故影響不大。對于一般板料成形而言，變薄率在30%以內都是合理的，故該成形方案是可行的。

由于汽車鉸鏈結構上有多處彎曲，因此合理設計彎曲工序對保證零件尺寸和精度至關重要。在進行成形模結構設計時，須注意以下幾點：①原始坯料既要定位可靠又要保證壓彎后便于取件;②在每次沖程結束后保持數秒鐘，來減少彈復;③彎曲模在結構設計時，應考慮在其制造與維修中盡量減少回彈產生的不良影響。

圖4和圖5是采用Dynaform[8]自帶的Sing-Step Implicit（單步隱式）算法分析得到的回彈前后夾角及半徑。從圖中可以看出，回彈前后兩線夾角之差僅為0.131°，回彈前后半徑之差為0.43。比較分析可知，回彈前和回彈后的值比較接近，故回彈對成形工序在合理范圍之內。材料各處的變形均勻一致，方便后續(xù)的切邊、沖孔、卷圓等工序的實施。

5 ?結束語

在汽車鉸鏈的模具設計中采用了單工序模+復合模組合結構，解決了多工序零件的加工問題，并利用有限元對主要工序進行變薄率分析和彎曲回彈分析，回彈前后半徑之差為0.43處于合理范圍。各模具間配合連續(xù)流暢銜接合理、結構緊湊，成形的汽車鉸鏈達到使用要求，對類似零件的模具設計與調校具有一定的參考作用。

參考文獻：

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