「MFC推荐」车身翼子板冲压工艺造型设计研究

冲压与模具工艺 发表于江苏

翼子板模具开发现状

车身翼子板产品结构复杂，兼具内、外覆盖件的全部质量特性。日本、韩国等主流汽车厂，翼子板冲压工艺设计及模具制造，都有自己专门的模具厂承接。这些专业模具厂研究翼子板工艺几十年，经验丰富、技术成熟，源于术业有专攻，只开发翼子板等关键复杂覆盖件，其他门盖类模具一般不承接。

翼子板与白车身装配用螺钉紧固连接，其外露表面及轮廓与车门外板、发动机罩外板、灯饰等匹配，其间隙与面差，取决于自身精度和白车身焊接总成精度。翼子板有许多质量特性，诸如曲面光顺性、面回弹、安装耳及安装孔的几何精度，等等，这些主机厂关注的要素，业内专家研究较多。

还有一种特性，叫隐形特性，冲压工厂最有感知、深有体会，诸如工艺结构设计欠佳或不良，造成量产不稳定，不良品率升高，安全裕度狭窄，等等，表面是模具及压力机问题，实为工艺造型所致。本文重点研究翼子板隐形特性，即冲压过程量产质量平稳性。

冲压生产过程质量稳定能力具有较强的隐蔽性，因为，主机厂接收的是合格品，一般看不到任何一件不良品和废品。翼子板调试阶段及冲压过程出现的破裂、吸颈等缺陷，只有制造和使用模具的技术人员及钳工技师在关注，并孜孜不倦地探索、改良，付出很多，但收效甚微。

因为，冲压工序件起皱、吸颈或破损率超标缺陷，本质属于产品结构及冲压工艺造型设计阶段的瑕疵或不足，只有在产品设计及工艺设计阶段才能有效解决。

冲压工艺要解决两个问题，产品结构和工艺造型问题。工艺师在分析基础上，推动产品设计结构改变，产品一旦定义，冲压工艺过程稳定性、各工序件合格率等要由工艺设计解决。冲压件的零废品率、模具免维护是模具潜在的关键质量特性，必须在工艺设计阶段赋予。

否则，模具定型、交付以后一旦出现废品率超标、频繁停机调试，欲降低废品率及免维护的空间非常狭小，甚至不能改变。除非重新制造，否则即便浪费惊人，项目也已经没有时间从头开始。

翼子板产品特征

翼子板产品结构复杂、精度要求高，图1 为翼子板产品结构，其中，前上部与灯饰匹配，前部与保险杠匹配，上部与发罩外板总成匹配，后部与车门外板匹配。

图1 翼子板产品结构

翼子板头部安装结构曲面复杂，图2 为翼子板头部安装结构，四个安装小平面相互平行，为了使安装螺钉都在一个易操作的装配方向，各小块平面之间曲面过渡，见图2(a)；翼子板头部产品结构为适应保险杠匹配及横梁安装，设计落差较大，特征平面距离翼子板外表面，一般Y 向距离45～68mm，见图2(b)。

图2 翼子板头部安装结构

翼子板冲压工艺特性

翼子板头部安装面深度较深，不能一步拉延到位，如图2(b)所示，深度为48.9～69.38mm。如果拉延到位，顶部棱线及侧立面会破裂、吸颈。早期的翼子板深度较浅，修边后自由整形。整形会造成安装面起皱，皱纹被其他零件遮挡而让步接收。

近年来，主机厂对产品要求很高，安装面即使被遮挡也要符合数型且不能起皱。为适应高标准，修边不一次修净，预留整形工艺面，后工序修掉。此面由夹持面和工艺面组成，整形时，整形压件器先压紧夹持面，整形刀下降迫使工艺面材料移动，最后转变为安装面，即产品面。

有夹持面的控制，能有效减轻或消除安装面皱纹，但不是所有夹持面都能使整形十分安全，如图3 所示的整形工艺面。

图3 整形工艺面

整形工艺面的作用

预留的整形工艺面是在拉延造型时设计，一般拉延不会出问题，只是整形时容易出现皱纹和破裂，有时极其敏感。若整形时，工艺面易出现皱纹，可适当增阻，加大夹持面压力。如果整形工序有皱有裂，证明与夹持力大小无关，属于工艺造型问题。一旦到模具调试阶段，欲通过调试优化解决，改善甚微，或不可改善，图4 所示为翼子板整形后的工艺面。

图4 翼子板整形后的工艺面

在修边线外的工艺面产生的皱纹，修边可修掉。表面上似乎不影响产品质量，其实风险很大。量产化以后，皱纹可能扩展到产品部位，因为皱纹的产生不受控。如图4(b)所示，整形镶块在工艺截面线处开始接料，下压到安装面截面线止，这一过程中工艺面移位、变形和皱纹是自由成形，理论上讲，不受控过程，皱是必然的。

整形工艺面皱纹产生机理

翼子板预留工艺面是拉延工艺设计的一部分，其结构设计既要考虑拉延平面无缺陷，更要兼顾整形序不裂不皱。预留工艺面形状是可展面或接近可展面，且面积略小于整形后产品面积。反之，出现皱或破裂，CAE 分析能够清晰地证明，如图4(a)所示，切向堆积增厚、失稳、起皱。

如图5 所示，翼子板头部拉延造型设计，整形起皱的两个原因，一是产品结构较深，不能拉延到位，二是工艺面为不可展面，储备的面积很大。

图5 翼子板头部拉延造型设计

修边线外部造型是一个不可展开的月牙状隆起曲面，如图5(b)所示，整形时板料需要流动补充，月牙隆起受拉失稳、起皱。

整形皱纹的危害

整形皱纹的危害主要有5 条。

1、模具质量培育周期较长

整形工序的不稳定性，导致模具调试工序件破裂、吸颈很敏感，反复调试降低破损率，耗时过多。

2、产品质量不稳定

起皱尽管在修边线外，但由于其不稳定性，量产后极有可能扩展到修边线或以内。CAE 验证或模具实体验证，只能就个别事件验证，难以模拟模具量产化整个寿命周期皱纹的变化趋势。

3、降低冲压生产率

批量生产，翼子板保险杠安装面皱纹和保险杠匹配立面吸颈破裂，导致停线、调试维护，生产率下降。

4、废品率较高

整形工序皱纹使进料阻力不稳定出现立面破裂或吸颈致废。

5、模具表面异常磨损

整形时皱纹不受控制，皱纹面相对模面移动，磨损模具表面，天长日久形成沟痕，模具过早损坏。

翼子板工艺面优化设计

针对上述五大危害，如何采取措施消除？

过拉延设计

与保险杠匹配的棱线R 角，一般为R3mm，不足以支持拉延。拉延造型设计扩大到R5mm ～R6mm，侧立面扩张2.0 ～2.5mm，后工序整形到产品R3mm，如图6 所示，翼子板头部拉延工艺设计(翼子板头部截面图，来源于图5(a)中的A-A 截面)，图6(a)所示为翼子板头部拉延工艺设计，图6(b)所示为翼子板棱线过拉延局部放大。

图6 翼子板头部拉延工艺设计

可展面易于流动

翼子板头部安装面结构复杂，一般预拉延成形，再整形到位。为防止安装面整形起皱，采用夹边整形。预留整形夹持面，整形后修去。

整形工艺面由夹持面、补充面和过渡面三部分构成。夹持面，即拉延压边面的一部分；补充面，即修边线外到拉延分型线的区域，该部分允许整形移动(流动)补充产品面，但不得起皱。过渡面，即保险杠安装面的工艺面，整形镶块下压、镦死，形成产品面，图7 为翼子板整形工艺面。

图7 翼子板整形工艺面

整形工艺面的“补充面”部分在整形镶块作用下，是沿垂直于分型线方向和冲压方向的复合位移加流变。夹持面提供适当拉力，减缓材料过快流动，防止立面和安装面皱纹产生。图7(a)为修边线和夹持面之间的补充面设计成可展面。

拉延工艺分型线取直，基本平行于翼子板与保险杠匹配棱线。如果设计成曲线，如图5(a)所示，则“补充面”为不可展面，不仅储存的面积较大，更主要的是三维曲面在夹持面拉力作用下展开失稳、起皱；起皱后的材料流动阻力增大，传递到保险杠匹配棱线及立面，增大了吸颈和破裂风险。

翼子板保险杠匹配棱线两端形成两个尖角，修边比较困难，似乎需要侧修。但由于结构过小，侧修下模刃口强度很差，因此不适宜侧修。为此，对产品型面进行局部改造，以适宜正修，改造的细微特征经整形改变。

增强保险杠匹配侧立面安全性

尽管保险杠匹配棱线R 角已做过拉延设计，可阻止或减轻吸颈及破裂。但是，为了批产安全、稳健，拉延工序需要增大侧立面角度，增强拉延工序安全裕度。侧立面与冲压方向的角度越大越能降低棱线R 角的破裂敏感性。一般这个角度宜取35°～45°，图8 为翼子板保险杠匹配立面拉延造型设计成斜面。

图8 翼子板安装面拉延工艺面

棱线R 角一定，组成棱线的两个面的夹角增大，材料流动阻力减小，R 角切线以外附近参与塑性变形的区域面积扩大，可以承受较大的拉力；或拉力不变，能降低板料减薄率。侧立面角度增大，同时也降低了保险杠安装过渡面的拉延深度。

降低整形风险

保险杠安装面部位见图9，翼子板保险杠安装面拉延尽可能接近产品形状，降低整形类模具自由成形的不确定性。

图9 保险杠安装面

翼子板头部拉延过渡面造型设计、保险杠安装面尽量接近产品面形状，会带来一个问题，就是拉延初始，上模(凹模)型面起伏较大，低点接触料较早，初始阶段会造成板料起伏不平顺，表面出现波纹，不利于产品外露面光顺性。

但是，翼子板拉延，产品各部位距离凸凹模分型轮廓较近，上模远离下死点之前，过程初始产生的不光顺有充分的机会拉开，不至于造成最终缺陷。实践证明，一款翼子板头部外露面，用油石推不出不顺痕迹，图10 为翼子板外露表面油石打磨效果，打磨痕连续，磨痕线条均匀一致。

图10 翼子板外露表面油石打磨效果

翼子板表面拉延光顺，表明外板件拉延早期出现的板料不顺或皱纹，只要拉延闭合前，起皱部位型面有充分的展开机会，不至于留下“不光顺痕迹”。

所以，拉延时，翼子板头部尽可能越深越好，自由整形即使受控，依然越少越好。

翼子板整形夹持结构设计

一般整形模，设计夹持面压件器为整体式，即夹持面压件器与主压件器设计为一体。其优点是结构设计简单，缺点是不便于压力调整。此结构成功案例不少，图11 为翼子板整形整体式压件器。

图11 翼子板整体式压件器

尽管CAE 分析软件和技术日趋成熟，但是，软件数据库收集的失效模态及其约束条件纯属理想化，因此，虚拟验证和现实模态有意想不到的差别。有些要素按照常理未必是主流因素，但是回到现实，次要因素可能就是设计成败的决定因素，恰好这个要素有时被CAE 分析忽略。

翼子板安装面预留整形，是非常典型的冲压工艺设计。业内一直把拉延作为成败的关键，因此分析一般比较到位，比如吸颈、破裂、回弹等都能够严谨对待、认真分析。但是，翼子板产品结构特别，最终成功不取决于拉延，整形工序是决定产品开发成败的关键要素。比如产品整形面回弹、扭曲、吸颈破裂等等。

整形夹持面压件器与主压件器设计成一体，有其特殊性。个例的成功有许多要素支撑，要区别对待。如果某产品整形工艺面设计最佳，CAE 分析充分，所以待到模具调试，夹持面不是成败的关键要素，因此，降低了夹持面压力的敏感性。尽管如此，还是建议采用独立压件器，便于模具调试，只是结构设计稍微复杂些。

结语

从翼子板设计之初，通过工艺造型优化设计，解决了冲压作业过程的难点及痛点，同时也为复杂车身覆盖件冲压不稳定性分析提供了新的解决思路，拉延及整形对于复杂高风险覆盖件，要统筹兼顾，仔细分析，不可偏废，即拉延较稳定，尽量多拉，整形较自由，一定少整。

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