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          車身翼子板沖床工藝造型設計研究

          作者:大鑫機械 發布時間:2022-02-26 15:51:31點擊:

          車身翼子板產品結構復雜,兼具內、外覆蓋件的全部質量特性。日本、韓國等主流汽車廠,翼子板沖床工藝設計及模具制造,都有自己專門的模具廠承接。這些專業模具廠研究翼子板工藝幾十年,經驗豐富、技術成熟,源于術業有專攻,只開發翼子板等關鍵復雜覆蓋件,其他門蓋類模具一般不承接。


          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、發動機罩外板、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,這些主機廠關注的要素,業內專家研究較多。還有一種特性,叫隱形特性,沖床工廠最有感知、深有體會,諸如工藝結構設計欠佳或不良,造成量產不穩定,不良品率升高,安全裕度狹窄,等等,表面是模具及壓力機問題,實為工藝造型所致。本文重點研究翼子板隱形特性,即沖床過程量產質量平穩性。


          沖床生產過程質量穩定能力具有較強的隱蔽性,因為,主機廠接收的是合格品,一般看不到任何一件不良品和廢品。翼子板調試階段及沖床過程出現的破裂、吸頸等缺陷,只有制造和使用模具的技術人員及鉗工技師在關注,并孜孜不倦地探索、改良,付出很多,但收效甚微。因為,沖床工序件起皺、吸頸或破損率超標缺陷,本質屬于產品結構及沖床工藝造型設計階段的瑕疵或不足,只有在產品設計及工藝設計階段才能有效解決。


          沖床工藝要解決兩個問題,產品結構和工藝造型問題。工藝師在分析基礎上,推動產品設計結構改變,產品一旦定義,沖床工藝過程穩定性、各工序件合格率等要由工藝設計解決。沖床件的零廢品率、模具免維護是模具潛在的關鍵質量特性,必須在工藝設計階段賦予。否則,模具定型、交付以后一旦出現廢品率超標、頻繁停機調試,欲降低廢品率及免維護的空間非常狹小,甚至不能改變。除非重新制造,否則即便浪費驚人,項目也已經沒有時間從頭開始。


          翼子板產品特征


          翼子板產品結構復雜、精度要求高,圖1 為翼子板產品結構,其中,前上部與燈飾匹配,前部與保險杠匹配,上部與發罩外板總成匹配,后部與車門外板匹配。


          1 翼子板產品結構


          翼子板頭部安裝結構曲面復雜,圖2 為翼子板頭部安裝結構,四個安裝小平面相互平行,為了使安裝螺釘都在一個易操作的裝配方向,各小塊平面之間曲面過渡,見圖2(a);翼子板頭部產品結構為適應保險杠匹配及橫梁安裝,設計落差較大,特征平面距離翼子板外表面,一般Y 向距離45~68mm,見圖2(b)。


          2 翼子板頭部安裝結構


          翼子板沖床工藝特性


          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,頂部棱線及側立面會破裂、吸頸。早期的翼子板深度較淺,修邊后自由整形。整形會造成安裝面起皺,皺紋被其他零件遮擋而讓步接收。


          近年來,主機廠對產品要求很高,安裝面即使被遮擋也要符合數型且不能起皺。為適應高標準,修邊不一次修凈,預留整形工藝面,后工序修掉。此面由夾持面和工藝面組成,整形時,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,最后轉變為安裝面,即產品面。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。


          3 整形工藝面


          整形工藝面的作用


          預留的整形工藝面是在拉延造型時設計,一般拉延不會出問題,只是整形時容易出現皺紋和破裂,有時極其敏感。若整形時,工藝面易出現皺紋,可適當增阻,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,屬于工藝造型問題。一旦到模具調試階段,欲通過調試優化解決,改善甚微,或不可改善,圖4 所示為翼子板整形后的工藝面。


          4 翼子板整形后的工藝面


          在修邊線外的工藝面產生的皺紋,修邊可修掉。表面上似乎不影響產品質量,其實風險很大。量產化以后,皺紋可能擴展到產品部位,因為皺紋的產生不受控。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。


          整形工藝面皺紋產生機理


          翼子板預留工藝面是拉延工藝設計的一部分,其結構設計既要考慮拉延平面無缺陷,更要兼顧整形序不裂不皺。預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品面積。反之,出現皺或破裂,CAE 分析能夠清晰地證明,如圖4(a)所示,切向堆積增厚、失穩、起皺。


           所示,翼子板頭部拉延造型設計,整形起皺的兩個原因,一是產品結構較深,不能拉延到位,二是工藝面為不可展面,儲備的面積很大。


          5 翼子板頭部拉延造型設計


          修邊線外部造型是一個不可展開的月牙狀隆起曲面,如圖5(b)所示,整形時板料需要流動補充,月牙隆起受拉失穩、起皺。


          整形皺紋的危害


          整形皺紋的危害主要有5 條。


          1、模具質量培育周期較長


          整形工序的不穩定性,導致模具調試工序件破裂、吸頸很敏感,反復調試降低破損率,耗時過多。


          2、產品質量不穩定


          起皺盡管在修邊線外,但由于其不穩定性,量產后極有可能擴展到修邊線或以內。CAE 驗證或模具實體驗證,只能就個別事件驗證,難以模擬模具量產化整個壽命周期皺紋的變化趨勢。


          3、降低沖床生產率


          批量生產,翼子板保險杠安裝面皺紋和保險杠匹配立面吸頸破裂,導致停線、調試維護,生產率下降。


          4、廢品率較高


          整形工序皺紋使進料阻力不穩定出現立面破裂或吸頸致廢。


          5、模具表面異常磨損


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


          翼子板工藝面優化設計


          針對上述五大危害,如何采取措施消除?


          過拉延設計


          與保險杠匹配的棱線R 角,一般為R3mm,不足以支持拉延。拉延造型設計擴大到R5mm ~R6mm,側立面擴張2.0 ~2.5mm,后工序整形到產品R3mm,如圖6 所示,翼子板頭部拉延工藝設計(翼子板頭部截面圖,來源于圖5(a)中的A-A 截面),圖6(a)所示為翼子板頭部拉延工藝設計,圖6(b)所示為翼子板棱線過拉延局部放大。

          6 翼子板頭部拉延工藝設計


          可展面易于流動


          翼子板頭部安裝面結構復雜,一般預拉延成形,再整形到位。為防止安裝面整形起皺,采用夾邊整形。預留整形夾持面,整形后修去。


          整形工藝面由夾持面、補充面和過渡面三部分構成。夾持面,即拉延壓邊面的一部分;補充面,即修邊線外到拉延分型線的區域,該部分允許整形移動(流動)補充產品面,但不得起皺。過渡面,即保險杠安裝面的工藝面,整形鑲塊下壓、鐓死,形成產品面,圖7 為翼子板整形工藝面。


          7 翼子板整形工藝面


          整形工藝面的“補充面”部分在整形鑲塊作用下,是沿垂直于分型線方向和沖床方向的復合位移加流變。夾持面提供適當拉力,減緩材料過快流動,防止立面和安裝面皺紋產生。圖7(a)為修邊線和夾持面之間的補充面設計成可展面。


          拉延工藝分型線取直,基本平行于翼子板與保險杠匹配棱線。如果設計成曲線,如圖5(a)所示,則“補充面”為不可展面,不僅儲存的面積較大,更主要的是三維曲面在夾持面拉力作用下展開失穩、起皺;起皺后的材料流動阻力增大,傳遞到保險杠匹配棱線及立面,增大了吸頸和破裂風險。


          翼子板保險杠匹配棱線兩端形成兩個尖角,修邊比較困難,似乎需要側修。但由于結構過小,側修下模刃口強度很差,因此不適宜側修。為此,對產品型面進行局部改造,以適宜正修,改造的細微特征經整形改變。


          增強保險杠匹配側立面安全性


          盡管保險杠匹配棱線R 角已做過拉延設計,可阻止或減輕吸頸及破裂。但是,為了批產安全、穩健,拉延工序需要增大側立面角度,增強拉延工序安全裕度。側立面與沖床方向的角度越大越能降低棱線R 角的破裂敏感性。一般這個角度宜取35°~45°,圖8 為翼子板保險杠匹配立面拉延造型設計成斜面。


          8 翼子板安裝面拉延工藝面


          棱線R 角一定,組成棱線的兩個面的夾角增大,材料流動阻力減小,R 角切線以外附近參與塑性變形的區域面積擴大,可以承受較大的拉力;或拉力不變,能降低板料減薄率。側立面角度增大,同時也降低了保險杠安裝過渡面的拉延深度。

          降低整形風險


          保險杠安裝面部位見圖9,翼子板保險杠安裝面拉延盡可能接近產品形狀,降低整形類模具自由成形的不確定性。


          9 保險杠安裝面


          翼子板頭部拉延過渡面造型設計、保險杠安裝面盡量接近產品面形狀,會帶來一個問題,就是拉延初始,上模(凹模)型面起伏較大,低點接觸料較早,初始階段會造成板料起伏不平順,表面出現波紋,不利于產品外露面光順性。但是,翼子板拉延,產品各部位距離凸凹模分型輪廓較近,上模遠離下死點之前,過程初始產生的不光順有充分的機會拉開,不至于造成最終缺陷。實踐證明,一款翼子板頭部外露面,用油石推不出不順痕跡,圖10 為翼子板外露表面油石打磨效果,打磨痕連續,磨痕線條均勻一致。


          10 翼子板外露表面油石打磨效果


          翼子板表面拉延光順,表明外板件拉延早期出現的板料不順或皺紋,只要拉延閉合前,起皺部位型面有充分的展開機會,不至于留下“不光順痕跡”。二手沖床回收


          所以,拉延時,翼子板頭部盡可能越深越好,自由整形即使受控,依然越少越好。


          翼子板整形夾持結構設計


          一般整形模,設計夾持面壓件器為整體式,即夾持面壓件器與主壓件器設計為一體。其優點是結構設計簡單,缺點是不便于壓力調整。此結構成功案例不少,圖11 為翼子板整形整體式壓件器。


          11 翼子板整體式壓件器


          盡管CAE 分析軟件和技術日趨成熟,但是,軟件數據庫收集的失效模態及其約束條件純屬理想化,因此,虛擬驗證和現實模態有意想不到的差別。有些要素按照常理未必是主流因素,但是回到現實,次要因素可能就是設計成敗的決定因素,恰好這個要素有時被CAE 分析忽略。


          翼子板安裝面預留整形,是非常典型的沖床工藝設計。業內一直把拉延作為成敗的關鍵,因此分析一般比較到位,比如吸頸、破裂、回彈等都能夠嚴謹對待、認真分析。但是,翼子板產品結構特別,最終成功不取決于拉延,整形工序是決定產品開發成敗的關鍵要素。比如產品整形面回彈、扭曲、吸頸破裂等等。


          整形夾持面壓件器與主壓件器設計成一體,有其特殊性。個例的成功有許多要素支撐,要區別對待。如果某產品整形工藝面設計最佳,CAE 分析充分,所以待到模具調試,夾持面不是成敗的關鍵要素,因此,降低了夾持面壓力的敏感性。盡管如此,還是建議采用獨立壓件器,便于模具調試,只是結構設計稍微復雜些。


          結語

          從翼子板設計之初,通過工藝造型優化設計,解決了沖床作業過程的難點及痛點,同時也為復雜車身覆蓋件沖床不穩定性分析提供了新的解決思路,拉延及整形對于復雜高風險覆蓋件,要統籌兼顧,仔細分析,不可偏廢,即拉延較穩定,盡量多拉,整形較自由,一定少整。

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