谭植文， 谭文娟，王占全， 王 健

(宁波吉利汽车研究开发有限公司， 浙江 宁波 315336)

随着现代汽车工业发展，对汽车覆盖件的设计和成形要求越来越高，相应地对模具制造的要求也越来越高[1]。计算机辅助设计/ 计算机辅助分析(CAD/ CAE) 技术的发展正适应了这种客观实际的要求。在汽车模具设计中使用并行工程技术，可以避免出现工艺上的失误。在分析产品设计与制造的可行性上，可利用虚拟设计与制造技术(仿真技术)，以避免现实设计与制造中出现问题而引起的资源浪费。

为了满足市场上对汽车外观审美要求，外覆盖件外观要求特别高，导致覆盖件形状复杂、零件成形较深，增大了制造难度[2]；外覆盖件大区域的空间需要避让，材料利用率低，模具制造时容易产生回弹及扭曲现象，零件品质很难保证。

为了提高材料利用率，降低制造成本，确保覆盖件品质，以某汽车覆盖件的翼子板为研究对象，根据其翼子板的形状特征并结合生产制定较合理的工艺方案，并利用AutoForm软件进行成形性模拟，验证成形模具的工艺造型及工艺方案可行性，并优化加工型面、减少制造周期及确保外观面品质。

1 翼子板模具工艺设计

1.1 翼子板形状特征、冲压方向、工艺方案分析

1.1.1 零件形状特征分析

翼子板模型如图1所示。零件尺寸为长×宽×高=856 mm×580 mm×121 mm， 料厚为0.65 mm，从图1中可以看出零件形状特征为：整体形状细长，大部分是A级外观面；c区域与车门匹配，避开车门旋转空间，上端轮廓具有大弧度曲面，中间是大弧度内弯曲面，侧整形容易出现缺料，零件应力释放后导致大的回弹及会整体扭曲等缺陷； d区域是与车轮眉匹配，整个半圆形轮眉的侧壁都有直边，高端车需要包边，此处形成内凹形状，零件翻边后同样容易出现缺料，会导致整体扭曲等缺陷； a区域是与前保险杆匹配，安装面高低落差大，成形时上模与板料接触时间不同步，成形时极易出现拉裂、起皱等缺陷，同时匹配的侧壁面拔模角度小，成形时侧壁易出现拉裂、回弹大等缺陷； b区域是与发动机盖匹配，A级面的直线段较短，侧整形时A级面易出面凹、回弹大等缺陷。翼子板与周边匹配的零件较多，需要其有一定刚性，对形状特征、孔的尺寸精度及位置等要求较高，故对该件成形时整体回弹控制难度较大，需制作合理工艺方案。

图1 翼子板产品模型

1.1.2 冲压方向分析及确定

选用合理的冲压方向能有效地控制模具成本，并对零件的冲压可行性起着重要作用[3]。冲压方向的确定需根据零件特征及结合生产线。覆盖件材料厚度较薄易变形，大多数使用自动生产线机台抓取料，自动生产线要求各工序间旋转角度在10°以内。冲压方向的确定还需考虑冲孔和修边角度，冲孔和修边的最大冲压角度不能超过15°。冲压方向的确定还需考虑翻边角度，考虑回弹角度3°后,优先采用垂直翻边，垂直翻边有利于外观品质及R角光顺；同时需要考虑设备利用率，翼子板一般使用一模双件。结合上面阐述的要求，采用图2所示的冲压方向(X方向75°、Y方向0°、Z方向2°)，使各截面成形深度尽量浅并均匀过渡，减少成形后内应力。

图2 翼子板模拟冲压方向

1.1.3 冲压工艺方案初步分析

工艺方案制定需结合冲压设备及考虑模具结构及强度、模具制造成本和零件品质等因素。该工厂的A生产线有5台冲压设备，B生产线4台冲压设备，翼子板零件窄小，工序内容密集，确保品质的前提下选用5工序完成冲压较合理。首先拟定合理的冲压工序，根据零件的形状特征，初步拟定方案：拉延→修边、冲孔→翻边、修边→侧整形、冲孔、侧冲孔→侧修边、侧冲孔、侧整形。工序拟定是否合理需模具结构设计进一步验证。

1.2 翼子板工艺方案确定

1.2.1 拉延模的工艺方案设计

冲压件成形后会把多余的辅助材料切除，而剩下的部分就是产品，拉延的辅助工艺造型就是成形时用的辅助材料，在满足成形要求前提下辅助材料尽量能做到越少越好[4]。根据形状特征(图3)b、c区后工序修边可以选用侧冲和正冲：若选用侧冲，零件回弹小，工序数可以减少，但成形深度较深，会导致成形时进料过多，表面品质变差，同时模具结构复杂及制造成本高，故采用正修边工艺，降低成形深度，有效地控制了制造成本。

d区内凹形状容易产生回弹及扭曲，在满足修边强度情况下，翻边展开形状尽量做深拉延量，但需要考虑整条棱线滑移，在废料区域做余肉造型结合拉延筋控制滑移线，但此区域的余肉对材料利用率无影响。

a区后序对法兰面进行整形，此处需用过拉延工艺，在确保拉延不开裂情况下，过拉延值量尽量做小，控制在2～5 mm以内，过拉延量过多易导致后工序整形起皱。综合上所述建立拉延造型进行模拟分析。

图3 翼子板拉延的辅助造型

1.2.2 成形模拟分析

1) 模拟参数的设定

翼子板需要满足一定的刚度和强度要求，同时为了考虑白车身的轻量化[5]，故选用DC54D+Z的镀锌普通钢板，厚度为0.65 mm。材料参数：屈服强度σs=160 ～220 MPa，抗拉强度σb=260～350 MPa，硬化指数n90≥0.18，厚向异性指数r90≥1.6，密度ρ=7.85×105N/mm3，断后伸长率δ=36%，泊松比γ=0.3，弹性模量E=2.1×105N/mm2，摩擦因数为0.15。

2) 模拟分析的主要指标值

模拟分析主要目的是验证所作的工艺方案是否可行性，预判成形过程中各种缺陷，有效缩短模具开发周期，提高成形的精准性[6]。外覆盖件模拟分析需要关注几项指标：变薄率、主应变、次应变、滑移及冲击线、回弹、进料与拉延筋等。首先确认成形过程是否明显的起皱和开裂现象(图4)。

压料和成形过程中没有出现波纹和起皱现象，满足冲压件的质量要求。

主应变值需要大于0.02(图5)，材料才能成形充分，成形充分后零件才不会起皱。但需要结合次应变判断，若主应变很大，而次应变为负值，会容易起皱或外观缺陷，故主应变需要大于0.02，同时次应变需要大于0，这样确保成形充分。

从图5判断外观面主应变值都在0.02以上，满足冲压件的质量要求。

图4 成形过程分析

图5 主应变

次应变要求值大于0(图6)，从图6判断外观面次应变大于0，满足冲压件质量要求。

图6 次应变

变薄率是判断产品是否开裂的重要标准，不同的零件因材料及料厚不同，最大许可变薄率存在较大差异，对于本案DC54D+Z/0.65变薄率应控制在-0.03～-0.23之间较合理(图7)，同时考虑材料参数差异波动，成形性应考虑10%安全裕度，小于-0.23会有开裂的风险；大于-0.03会有起皱的风险。从图7可见产品外观区域的变薄率小于-0.03，满足冲压件的质量要求。

图7 变薄率

滑移及冲击线的痕迹不能滑移到产品外观区域如图8，棱线滑移在R角圆内，不影响外观。

图8 滑移及冲击线

坯料进料量及拉延筋阻力系数控制，尽量控制进料均匀、平滑过渡，或者不进料[7]，利用材料内部胀形成形，成形充分后材料利用率高，同时零件回弹及扭曲相对会较小，见图9。

图9 坯料进料量

满足上述模拟分析各项要求后，适当减少压料面的深度及缩小料片尺寸来提高材料利用率，通过调整拉延筋系数、增大压边力等条件，调整后的参数通过反复分析，让压料面的深度最浅，计算最终的合理的数模作拉延数模，后工序修边角度、翻边、整形质量等都可以用AutoForm分析验证。

1.2.3 修冲的工艺方案设计

外覆盖件修边需要控制毛刺、铁屑及废料滑出问题[8]。毛刺产生的主要影响因素：修冲角度及修冲间隙。修边角度最大值控制在15°之内，冲孔原则接受的角度不要超过孔径，还需要考虑材料的抗拉强度及厚度，抗拉强度越高及厚度越厚接受冲孔的角度越小(见表1)，厚度影响实际孔径，计算公式见图10。

表1 最大修冲角度

冲压过程中产生的铁屑会带到产品区域问题，造成对零件损伤，应尽量不采用废料刀，同时避免正修与侧修交刀。当然与实际冲压线设备规划台数有关，冲压线一般规划4～6台一条线，此翼子板规划在5台冲压线上生产，为了压缩工序数，使用废料刀是难免的。若用废料刀时模具结构上可采用浮动废料刀或局部使用二次切断工艺方案。

图10 孔径计算公式

废料滑出问题主要考虑：废料刀的刃口不能相对，刃口之间的距离考虑模具强度及滑道空间，同时零件平面摆放方向影响很大，翼子板的轮眉区域朝投入方向较合理。综合上述因素确定修边工艺方案(工序代号OP20，见图11)。

1.2.4 翻整的工艺方案设计

翻整主要有起皱、开裂等缺陷[9]，若翻边外轮廓是凹形状容易产生缺料现象，翻边后出现开裂问题(d区轮眉处)，反之凸轮廓形状会产生多料现象，翻边后出现起皱问题(c区与车门匹配处)。整形量大也会容易起皱，为了消除起皱(a区与前保匹配处)，进行带废料整形，废料区和在产品不整形区用压料板(即整形两侧用压料板进行压料)，废料区使用压料板的压力源为氮气弹簧，可以调整压力。若整形后开裂，废料区的外部压力适当调小，起皱就加压调大；为了保证外观A面品质及外观R角均匀，翼子板全周先进行正翻(工序代号OP30)，这样能确保R角光顺及外观面品质(如图12)。外板形状较浅，需要增加精位孔，此孔在OP20已经冲好， OP30只需要用作定位即可，但OP30全周翻边了，没有精确定位孔，利用的是型面轮眉外装饰卡扣孔，故在此工序增加冲孔，用作后工序精定位。

图11 OP20修冲工艺方案

图12 OP30修边、翻边工艺方案

后工序(代号OP40)与机盖匹配翻整需要先侧整形，侧壁上所有的冲孔是此零件在检具上定位的基准，位置、形状、尺寸度要求最高，故先侧整形后再进行冲孔，这样才能保证冲孔的位置、尺寸、形状精度，见图13。

图13 OP40修边、侧冲孔、冲孔、侧整形工艺方案

最后整形位置与车门匹配处如图14(工序代号OP50)所示，此处虽然有装配孔，但为了车身匹配，需调整面水平及拼缝间隙值，所以此处的装配孔设计成开口孔。开口孔可以在OP20调整冲完， 孔的精度在OP50整形后，也能保证装配关系。工序内容按照此思路设计。

图14 OP50侧修边、侧冲孔、侧整形工艺方案

依照设备规范把所有的工序组合起来编制工艺卡，落料使用摆剪，有自动摆剪设备，故不需要额外制造模具，摆剪落料可以有效提高材料利用率。通过上述综合分析得出精确工序：OP10拉延→OP20修边、冲孔→OP30翻边、修边、冲孔→OP40侧整形、冲孔、侧冲孔→OP50侧修边、侧冲孔、侧整形，确定工序后可以制作工艺卡，根据工艺卡指导各工序OP10～OP50进行模具结构设计。

2 翼子板的加工数据设计

模具制造周期长也是难点，可通过优化加工数据来减少钳工研合量及调试周期[10]，加工数据还影响模具型面里R角或型面避让的美观度，其研究在模具制造工艺中是不可缺少的步骤。以某翼子板拉延模具加工数据为分析对象进行研究，最后得到的翼子板拉延模具回弹补偿后加工数据如图15所示。后工序加工数据主要包括：压料芯强压、修边刀块波浪剪、整形刀块强压、各刀块与压料芯间隙等。对照AutoForm软件的分析值作参考，部分结合制造经验对型面进行优化。

图15 OP10拉延全型面补偿图

完成回弹补偿后的数据进行模面处理：拉延模设下凸模型面作为基准，仅凹R角避让，其余依照全型面制作。上模模面要求(如图16所示)：对于上模偏置料厚值， 凹R角(3 mm ≤凹R)已经让空0.5 mm处理；产品全周搭接，匹配轮廓区域和RPS面，装配孔面区域强压0.1～0.15 mm 处理；侧壁工艺补充区域空开0.2 mm,余肉工艺补充区域空开1～2 mm(非起皱部位，起皱部位不空开)；工艺补充对应压料面进料较多的区域型面紧压0.1～0.15 mm；型面以单件中心放大1.000 7处理。压机补偿0.2 mm处理，压边圈拉伸筋里面需要作强压0.1～0.15 mm 处理(如图17所示)。

图16 OP10拉伸上模间隙标色图

图17 OP10拉伸压边圈间隙标色图

坯料外面20 mm降刻0.5 mm处理，拉延筋与坯料之间型面是等料厚处理，凹筋空开0.5 mm处理，后工序加工数据压料板强压0.1 mm，整形刀块对照分析当作补偿等，此处就不全部阐述了，加工数据调整颜色改成蓝油图，指导现场钳工研合及调试。模具加工完成，首件状态及后工序状态如图18、19所示。

图18 拉伸首次出件

图19 工件局部

3 结束语

该模具工艺总体设计合理，依照零件特征OP20修边采用正修方式，降低了零件成形深度，从而降低了模具的制造难度及制造成本。在工序内容上：OP30采用全周整形确保外观R角光顺；与机盖匹配处采用OP40先整形OP50再侧冲工艺来确保基准孔定位精度。由于该制件为外观件，对表面质量要求比较高，为与前保险杠匹配，整形处模具采用带压料板的托料结构，不仅提高了进料的均匀性还降低了弹塑性的内应力。此模具工艺设计对覆盖件的实际设计体系具有重要的指导作用。