車身翼子板沖壓工藝造型設(shè)計(jì)研究(上)

文／田卓華，田新峰·北汽福田汽車股份有限公司

劉國鑫·中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司

曹翔宇·北汽福田奧鈴汽車廠

近幾年，國內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，新技術(shù)、新材料、新工藝層出不窮、精彩紛呈。車身制造領(lǐng)域，主機(jī)廠廣泛使用機(jī)器人，以提高產(chǎn)能、穩(wěn)定質(zhì)量、節(jié)約成本。車身焊接自動(dòng)化生產(chǎn)模式，對沖壓件的尺寸精度要求很高。焊接和沖壓自動(dòng)線生產(chǎn)模式倒逼模具制造企業(yè)不斷提高模具及沖壓件質(zhì)量。為適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)之變革，滿足高精度沖壓產(chǎn)品要求，模具制造業(yè)必須賦予模具新的特性，主動(dòng)升級模具質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

車身覆蓋件模具不僅要有持續(xù)生產(chǎn)高精度產(chǎn)品的基本性能，更要具備適應(yīng)沖壓自動(dòng)線大批量、高頻次、輪番作業(yè)的特點(diǎn)。縱觀模具量產(chǎn)化的表現(xiàn)，沖壓廠關(guān)注的模具質(zhì)量特性聚焦于兩點(diǎn)，一是沖壓件產(chǎn)品合格率、不良品率；二是模具零停線維護(hù)，沖壓生產(chǎn)過程產(chǎn)品質(zhì)量平順、穩(wěn)定，每個(gè)生產(chǎn)批次，模具免維護(hù)或極少維護(hù)。欲實(shí)現(xiàn)上述性能，最終落腳點(diǎn)在于車身產(chǎn)品沖壓工藝設(shè)計(jì)及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

翼子板模具開發(fā)現(xiàn)狀

車身翼子板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兼具內(nèi)、外覆蓋件的全部質(zhì)量特性。日本、韓國等主流汽車廠，翼子板沖壓工藝設(shè)計(jì)及模具制造，都有自己專門的模具廠承接。這些專業(yè)模具廠研究翼子板工藝幾十年，經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)成熟，源于術(shù)業(yè)有專攻，只開發(fā)翼子板等關(guān)鍵復(fù)雜覆蓋件，其他門蓋類模具一般不承接。

核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的。核心技術(shù)不是單一的技術(shù)進(jìn)步和單一的設(shè)備改造，是從設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試到交付使用全價(jià)值鏈的創(chuàng)新過程，是一個(gè)完整的、連續(xù)累積的知識(shí)體系。2011 年之前，國內(nèi)主流汽車廠翼子板等模具百分之九十以上靠進(jìn)口，近幾年國內(nèi)汽車業(yè)高速發(fā)展，助推國產(chǎn)模具技術(shù)自主創(chuàng)新，技術(shù)進(jìn)步日新月異，核心技術(shù)逐點(diǎn)突破，基本具備了翼子板等復(fù)雜覆蓋件模具開發(fā)制造能力。但是，復(fù)雜覆蓋件技術(shù)開發(fā)水平依然參差不齊，不單純是整車檔次高低決定模具成本的問題，關(guān)鍵是缺少了核心技術(shù)。

如果沒有連續(xù)多年的翼子板開發(fā)實(shí)踐，如果很少關(guān)注模具量產(chǎn)化表現(xiàn)，不可能全面、系統(tǒng)地掌握核心技術(shù)，即使知道、了解一些設(shè)計(jì)概念及其理論，未必能融會(huì)貫通、變通運(yùn)用。

翼子板與白車身裝配用螺釘緊固連接，其外露表面及輪廓與車門外板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板、燈飾等匹配，其間隙與面差，取決于自身精度和白車身焊接總成精度。翼子板有許多質(zhì)量特性，諸如曲面光順性、面回彈、安裝耳及安裝孔的幾何精度，等等，這些主機(jī)廠關(guān)注的要素，業(yè)內(nèi)專家研究較多。還有一種特性，叫隱形特性，沖壓工廠最有感知、深有體會(huì)，諸如工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠佳或不良，造成量產(chǎn)不穩(wěn)定，不良品率升高，安全裕度狹窄，等等，表面是模具及壓力機(jī)問題，實(shí)為工藝造型所致。本文重點(diǎn)研究翼子板隱形特性，即沖壓過程量產(chǎn)質(zhì)量平穩(wěn)性。

質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來的，只有設(shè)計(jì)者賦予工藝及模具以特異功能，才能表現(xiàn)出卓爾不凡的稟性。沖壓生產(chǎn)過程質(zhì)量穩(wěn)定能力具有較強(qiáng)的隱蔽性，因?yàn)椋鳈C(jī)廠接收的是合格品，一般看不到任何一件不良品和廢品。翼子板調(diào)試階段及沖壓過程出現(xiàn)的破裂、吸頸等缺陷，只有制造和使用模具的技術(shù)人員及鉗工技師在關(guān)注，并孜孜不倦地探索、改良，付出很多，但收效甚微。因?yàn)椋瑳_壓工序件起皺、吸頸或破損率超標(biāo)缺陷，本質(zhì)屬于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及沖壓工藝造型設(shè)計(jì)階段的瑕疵或不足，只有在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)階段才能有效解決。

沖壓工藝要解決兩個(gè)問題，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝造型問題。工藝師在分析基礎(chǔ)上，推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變，產(chǎn)品一旦定義，沖壓工藝過程穩(wěn)定性、各工序件合格率等要由工藝設(shè)計(jì)解決。沖壓件的零廢品率、模具免維護(hù)是模具潛在的關(guān)鍵質(zhì)量特性，必須在工藝設(shè)計(jì)階段賦予。否則，模具定型、交付以后一旦出現(xiàn)廢品率超標(biāo)、頻繁停機(jī)調(diào)試，欲降低廢品率及免維護(hù)的空間非常狹小，甚至不能改變。除非重新制造，否則即便浪費(fèi)驚人，項(xiàng)目也已經(jīng)沒有時(shí)間從頭開始。

翼子板產(chǎn)品特征

翼子板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，圖1 為翼子板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其中，前上部與燈飾匹配，前部與保險(xiǎn)杠匹配，上部與發(fā)罩外板總成匹配，后部與車門外板匹配。

圖1 翼子板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

翼子板頭部安裝結(jié)構(gòu)曲面復(fù)雜，圖2 為翼子板頭部安裝結(jié)構(gòu)，四個(gè)安裝小平面相互平行，為了使安裝螺釘都在一個(gè)易操作的裝配方向，各小塊平面之間曲面過渡，見圖2(a)；翼子板頭部產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為適應(yīng)保險(xiǎn)杠匹配及橫梁安裝，設(shè)計(jì)落差較大，特征平面距離翼子板外表面，一般Y 向距離45 ～68mm，見圖2(b)。

圖2 翼子板頭部安裝結(jié)構(gòu)

翼子板沖壓工藝特性

翼子板頭部安裝面深度較深，不能一步拉延到位，如圖2(b)所示，深度為48.9 ～69.38mm。如果拉延到位，頂部棱線及側(cè)立面會(huì)破裂、吸頸。早期的翼子板深度較淺，修邊后自由整形。整形會(huì)造成安裝面起皺，皺紋被其他零件遮擋而讓步接收。

近年來，主機(jī)廠對產(chǎn)品要求很高，安裝面即使被遮擋也要符合數(shù)型且不能起皺。為適應(yīng)高標(biāo)準(zhǔn)，修邊不一次修凈，預(yù)留整形工藝面，后工序修掉。此面由夾持面和工藝面組成，整形時(shí)，整形壓件器先壓緊夾持面，整形刀下降迫使工藝面材料移動(dòng)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榘惭b面，即產(chǎn)品面。有夾持面的控制，能有效減輕或消除安裝面皺紋，但不是所有夾持面都能使整形十分安全，如圖3 所示的整形工藝面。

圖3 整形工藝面

整形工藝面的作用

預(yù)留的整形工藝面是在拉延造型時(shí)設(shè)計(jì)，一般拉延不會(huì)出問題，只是整形時(shí)容易出現(xiàn)皺紋和破裂，有時(shí)極其敏感。若整形時(shí)，工藝面易出現(xiàn)皺紋，可適當(dāng)增阻，加大夾持面壓力。如果整形工序有皺有裂，證明與夾持力大小無關(guān)，屬于工藝造型問題。一旦到模具調(diào)試階段，欲通過調(diào)試優(yōu)化解決，改善甚微，或不可改善，圖4 所示為翼子板整形后的工藝面。

在修邊線外的工藝面產(chǎn)生的皺紋，修邊可修掉。表面上似乎不影響產(chǎn)品質(zhì)量，其實(shí)風(fēng)險(xiǎn)很大。量產(chǎn)化以后，皺紋可能擴(kuò)展到產(chǎn)品部位，因?yàn)榘櫦y的產(chǎn)生不受控。如圖4(b)所示，整形鑲塊在工藝截面線處開始接料，下壓到安裝面截面線止，這一過程中工藝面移位、變形和皺紋是自由成形，理論上講，不受控過程，皺是必然的。

整形工藝面皺紋產(chǎn)生機(jī)理

翼子板預(yù)留工藝面是拉延工藝設(shè)計(jì)的一部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要考慮拉延平面無缺陷，更要兼顧整形序不裂不皺。預(yù)留工藝面形狀是可展面或接近可展面，且面積略小于整形后產(chǎn)品面積。反之，出現(xiàn)皺或破裂，CAE 分析能夠清晰地證明，如圖4(a)所示，切向堆積增厚、失穩(wěn)、起皺。

圖4 翼子板整形后的工藝面

如圖5 所示，翼子板頭部拉延造型設(shè)計(jì)，整形起皺的兩個(gè)原因，一是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較深，不能拉延到位，二是工藝面為不可展面，儲(chǔ)備的面積很大。

圖5 翼子板頭部拉延造型設(shè)計(jì)

修邊線外部造型是一個(gè)不可展開的月牙狀隆起曲面，如圖5(b)所示，整形時(shí)板料需要流動(dòng)補(bǔ)充，月牙隆起受拉失穩(wěn)、起皺。

整形皺紋的危害

整形皺紋的危害主要有5 條。

⑴模具質(zhì)量培育周期較長。

整形工序的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致模具調(diào)試工序件破裂、吸頸很敏感，反復(fù)調(diào)試降低破損率，耗時(shí)過多。

⑵產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

起皺盡管在修邊線外，但由于其不穩(wěn)定性，量產(chǎn)后極有可能擴(kuò)展到修邊線或以內(nèi)。CAE 驗(yàn)證或模具實(shí)體驗(yàn)證，只能就個(gè)別事件驗(yàn)證，難以模擬模具量產(chǎn)化整個(gè)壽命周期皺紋的變化趨勢。

⑶降低沖壓生產(chǎn)率。

批量生產(chǎn)，翼子板保險(xiǎn)杠安裝面皺紋和保險(xiǎn)杠匹配立面吸頸破裂，導(dǎo)致停線、調(diào)試維護(hù)，生產(chǎn)率下降。

⑷廢品率較高。

整形工序皺紋使進(jìn)料阻力不穩(wěn)定出現(xiàn)立面破裂或吸頸致廢。

⑸模具表面異常磨損。

整形時(shí)皺紋不受控制，皺紋面相對模面移動(dòng)，磨損模具表面，天長日久形成溝痕，模具過早損壞。