汽车覆盖件冲压工艺优化设计实例

1、.二、模具结构优化设计能力与典型实例模具结构设计程序是：先进行3D DL图设计(既冲压工艺方案设计)，DL图设计完成之后再进行模具结构设计。1、冲压工艺方案优化设计自九十年代末，我们先后设计制造了捷达A2、小红旗、红旗世纪星、大红旗，奇瑞QQ、天津夏利、捷达改形等车型的发动机罩内外板、顶盖、左/右前后门外板、左/右前后门里板、左/右前翼子板、左/右轮罩、后行李箱内外板、整体侧围等模具。取得了精度高、成本低、周期短、见效快的经济效益和社会效益。我们通过开发设计制造以上这些模具的过程中，积累了丰富的实践经验和理论数据。并总结出轿车外覆盖件工艺通常存在以下几个关键问题和解决这些问题的措施：1.1 拉

2、延冲击线问题(1)冲击线产生的原因： 进料量太多，在凹模口与板料接触时产生的冲击线爬到了制件暴露的外表面上， 从而在制件表面上留下一条明显的冲击痕迹，既使涂上油漆也能明显看到。 板料在高点接触部位由于板料在拉延过程中各处进料量、进料速度大小不等，势必造成高点接触部位相互移动出现滑移痕迹，留在制件表面上。(2)解决冲击线措施：为了避免冲击线爬到制件表面上，对拉延深度和进料量的多少进行理论分析计算即对板料在压料时和制件拉延件成形后的长度进行对比，得出进料量的多少，这个量是一个纯理论值，然后在把板料伸长率考虑进去，这样就得出一个比较近似的进料量，通过进料量设计拉延深度，反复验算调整，最后使之达到理想

3、状态。例如：我们在给天津夏利轿车设计制造的左右前翼字板就是采取这种措施，达到了预期效果。1.2滚线问题(1)滚线产生的原因：由于把拉延棱线和翻边棱线设在一条棱线上，在实际加工制造过程中，这两条完全在一个位置的棱线是不能完全重合的，这样就会在翻边工序中造成拉延棱线滚动，以至滚到制件表面上，从而使制件表面产生明显缺陷。(2)解决滚线措施：由于滚线产生的原因是两条棱不能完全重合造成的，故我们在做拉延补充设计时，采取轮廓过拉延，即拉延件的轮廓线不一定是产品的翻边线（主要取决于是否是覆盖件以及翻边处的园角半径R的大小）。 一般情况下在翻边处的园角半径R很小的情况下进行轮廓过拉延，即沿翻边线向外顺延25m

4、m进行拉延如图所示。这样做还可以把拉延R放大，对拉延成形更有利使材料塑性变形更充分，大大的改善了拉延成形条件。例如我们在给天津夏利轿车设计制造的发动机罩外板就是利用这种方法。效果非常好。1.3暗坑问题(1) 暗坑产生的原因：主要是由于板料在此处产生的变形包括塑性变形，同时也包括去掉变形力以后消失的弹性变形。这样就造成板料局部在去掉外力后，局部就会出现暗坑。(2) 解决暗坑的措施：通过工艺补充设计使材料产生足够的塑性变形。例如：我们给一汽-大众设计制造的左右前翼字板模具，在调试过程中油箱口盖处有暗坑，通过在工艺补充部分设计一处余肉，从而使油箱口盖处产生充分塑性变形，解决暗坑问题。1.4回弹问题：

5、(1) 回弹产生的原因：主要是板料在变形过程中产生的变形包括塑性变形，同时也包括去掉变形力以后消失的弹性变形。以下零件易产生回弹：梁类零件。翻边类零件。顶盖类外覆盖件。发动机罩外板类外覆盖件。通过模拟分析和以往的实践经验预测回弹量。(2) 解决回弹措施：采取矫枉过正的方法解决回弹。例如：我们给上汽-奇瑞汽车公司设计制造的QQ轿车的梁类零件，就是采取这种方法解决的回弹问题。1.5开裂问题(1) 开裂产生的原因：材料在此处的变形超过了材料的延伸率，所以产生开裂。主要产生在深长类变形部位。(2) 解决开裂措施：要根据每个拉延件开裂的部位和成形情况给出具体解决方案，如果是拉延成形产生的破裂，要采取工艺

6、措施解决。如果是胀形产生的破裂，就要适当更改产品形装解决。还可以更换材料来解决。1.6起皱问题(1) 起皱产生的原因：材料在变形过程中所受到的压应力大于拉应力，从而产生起皱现象。主要产生在压缩类变形和多料变形区及材料在变形过程中失稳区域。(2) 解决起皱措施：再工艺方案上采取措施使材料产生深长变形。在材料变形过程中增大拉应力，减小压应力。使拉应力大于压应力。保证材料在变形过程中的稳定性。 我们通过对上述问题的研讨，既找出了问题产生的原因，同时也给出了解决问题的方案。同时 也总结出轿车外覆盖件冲压工艺方案设计原则：(1)冲压方向的制定原则：在冲压方向上产品没有负角的情况下，保证拉延深度最小。(2

7、)凸模轮廓的设计原则：依据产品成形特性和冲压成形原理进行凸模轮廓设计，保证凸模轮廓最小。凸模轮廓设计的是否合理直接影响板料在拉延成形过程中进料和板料变形程度，尤其是角部的设计更为至关重要。R与拉延深度有一定的比例关系。(3)压料面的设计原则：压料面应为平面、单曲面或双曲面，以有利于降低拉延深度，保证毛坯有一定的拉延程度。压料面的展开长度和凸模形状的展开长度的关系：当凸模展开长度大于压料面的展开长度时，拉延毛坯才有拉延作用。如果小于时，拉延过程中拉延毛坯将会起皱。当凸模表面夹角小于压料面的夹角，则毛坯在拉延过程中起皱。此时材料处于拉应力状态，对毛坯有拉延作用。这使得毛坯在初压时不起皱。(4)拉延

8、工艺补充设计原则：根据以下几点要求合理的设计工艺补充：制件成形条件的要求。修边与翻边工序的要求，制件表面质量的要求。(5)压料筋的设计原则：拉延筋的作用在于：增加进料阻力，提高材料塑性变形程度；增加径向拉应力，减少切向压应力，防止起皱；调整进料阻力和进料量。根据每个制件成形条件设计相应的压料筋(6)余肉设计原则：余肉的作用就是防止起皱和破裂。在制件成形过程中容易起皱的地方和变形不充分的部位设计余肉。我们不但积累了丰富的实践经验，而且通过模拟分析软件进行更深入的理论分析，得出理论数据。2成型模拟分析在模具设计过程中的应用2.1成形性分析技术成形性分析技术对汽车的制造成本及新产品开发周期有着重要的

9、影响，是车身零件早期开发过程中不可缺少的环节，由于车身产品的成形性能对产品形状、工艺方法、材料性能都有不同的要求，因而对车身产品的成形性分析也十分复杂，目前，我公司在冲压工艺方案设计过程中，通过CAD/CAE技术的有机结合，系统地评价车身产品的合理性及可行性，并根据我公司多年来筹建的车身零件调试数据库，冲压工艺方案数据库等资料，科学地制定产品的冲压工艺，并通过CAE一步法分析技术，验证工艺方案的可行性，并结和近3年公司对多个车型的制造经验，系统地归纳、总结的CAE软件在数值分析过程中的应力、应变关系，成形极线图与试冲车间板料实际调试结果之间的差异，等效拉延筋设置参数与实际试冲拉延筋形状的对比关

10、系，摩擦条件与润滑系数同模具制造、调试过程中的形面光洁度与润滑状态之间的对应状态，通过虚拟环境代替实际的试模过程，从而探讨冲压过程各个因素对冲压品质的影响，并有效地分析两个因素（或更多因素）的综合影响，然后藉此来排除一些可能造成冲压零件、冲压工艺过程缺陷的因素，保证产品的可行性及合理性。下文将通过回弹、开裂及起皱等方面对我公司的设计流程加以阐述。2.2回弹问题的处理方法回弹现象在冲压过程中是较难处理的问题，它涉及在成形过程中板料的弹塑性变化关系，加载、卸载的状况，产品形状及材料性能等诸多因素，受CAE软件精度及不同的板成形材料的变化程度的影响，尚无法通过仿真分析得到较理想的结果。目前，主要通过

11、仿真分析与调试结果相结合的方式加以处理。例如，对车身覆盖件中轿车翼子板，由于主型面及边界形状都及不规则，且多处翻边形状均处于悬臂状态，回弹、扭曲等冲压缺欠非常容易出现，加上模具结构在处里该类问题多采用带往返机构的斜楔装置。回弹问题较难处理，我公司目前主要通过对早期模具调试数据库中的翼子板在特定区域的共性问题加以分析，总结该类零件之间的相似点，通过类比的方式加以解决。如上图，为几种不同的翼子板针对回弹部份的调试记录卡，通过分析当时设计及调试过程中出现及解决的问题情况，对新设计的产品可得到一个近似的回弹参考值，正常情况下，回弹量按参考值考虑，对有特殊要求或新产品与数据库中的已有产品形状偏差较大时，

12、可回顾CAE仿真分析报告或二次模拟已知回弹结果的产品，确定相关的仿真参数及约束条件，分析新产品的回弹量，通过乘以类比系数的方法求解新产品在实际生产中可能出现的回弹量，构建合理的工艺模型。此外，对于翻边类产品的回弹问题，通过对板料加载、卸载条件的分析，我们也在尝试使用不等间隙成形手段，对仿真分析结果中，因卸载后，应力变化较大的地方采用负间隙加工的手段，调整翻边效果，经试验检查，效果比较理想。在夏利UV轿车改型项目中，如右图示，左右翼子板与发动机罩搭接处一次成形后，回弹0.4，最大孔为偏差0.6mm，结果比较理想。2.3开裂问题的处理方法在冲压过程中，板金受材料成形极限的限制，开裂亦是常出现的主要

13、问题之一，为了保证产品在刚性、工艺性及强度等多方面的要求，非常容易导致制件在成形过程中，出现开裂现象，目前我公司通过对材料数据库及冲压模拟参数的积累，利用CAE软件成形性分析及板金成形极限图的分析，通过对板料成型过程中的料厚、材料变薄率的变化状态，已经可以较准确地评估板料在城形过程中开裂的部位及裂纹区域的应变状态。料厚1.0如左图，分别为通过仿真分析的成形性评估及料厚变化状态云图与试冲结果的比较关系。通过对与调试现场相对应的仿真分析参数的设计，在工艺过程前期，调整压料力、毛坯形状、成形园角、设置工艺缺口及改善成形材料等手段保证其成形的稳定性。开裂问题，通常是调整产品状态及成形材料，如适当放大成

14、形园角，使用延伸性更好的材料等等，对于有特殊要求的零件，则需要增加相应的工艺手段，对于上图所示情况，当产品开裂区域在制件内部，难以通过板料流动来进行补偿的情况下，根据裂纹的位置，采用过拉延手段，放大其成形R值，在利用整形工序完成产品形状，当形状裂纹在制件边缘时，可通过改变毛坯形状，增加切角工艺，调整压料筋形状等方法，解决开裂问题。2.4起皱问题的处理方法由于冲压成形是在复杂的外力条件下，通过使板料流动变形生成制件的成形方式，而成形板料的厚度尺寸同形状尺寸相比非常小，因此，极易在厚度方向上出现失稳而产生皱纹，有皱纹的零件表面形状不好，还可能引起断裂，可以说，起皱也是在薄板零件冲压成形时较常见的缺

15、欠现象，在处理起皱问题时，常伴随破裂的产生，在技术上对某一种情况采取办法，可能会引起另一种情况的发生，因此，消除皱纹的方法必须与消除裂纹的方法相适应。如图示制件的鞍形区域，在板料成形时处于最后成形区，失稳时间较长，板料在成形过程中，因材料流动引起该区域材料堆积，导致起皱现象的发生。因此须对该区域板料的流动加以控制，但在压料初期如将板料压紧后拉延，则导致反成形区破裂，利用CAE有限元技术，通过对各项工艺参数如拉延筋、压料力、板料形状在极限状态下的模拟分析，得出导致产品失稳起皱的关键因素，从而找到有针对性的解决办法。冲压成形件形状的不同，起皱的形态也不同，在产品的边界区域，可通过适当的工艺补充形状

16、，改善产品形状的突变状态，调整成形轮廓拐角部份横断面R值，控制拉延筋的约束条件等方法避免起皱现象的产生，在产品的内部形状区域，由于形状较多，可通过CAE仿真分析软件，评估产品形状在成形时料厚及应力、应变的变化状态，使其在开始成形时出现皱纹，并在成形结束时，通过形状的拉伸，消除产生的皱纹，从而提高产品的成形极限，改善产品的质量。如图，由于产品形状内部凸包形状较高，两侧又不应有较大的材料流动，起皱、开裂在同一形状区出现，通过对皱纹产生时间的控制，得到较理想的结果。2.5其它问题的处理方法在冲压成形过程中，尚有许多其它的缺欠现象，消除的方式也各有不同，如制件的冲击线，对成形时的压料面形状有较多的要求

17、，滑移线对成形中凸模高点的位置及两侧的约束条件有要求，以及滚线、局部的暗坑等现象都对工艺模型通过不同的手段加以解决。如图，为轿车左右翼子板及后行李箱盖板在成形过程中对冲击线问题所做的CAE仿真分析，通过显示云图可以直观的了解冲击线的活动范围，从而对工艺补充形状、压料面形状及约束条件加以调整，使其活动范围限制在翻边形状内，保证产品的表面质量。3模具结构优化设计几年来，通过与德国大众公司、日本丰田公司、意大利冯塔纳公司的技术合作，在借鉴和引进国外先进技术的同时，开发出多种先进的模具结构，这些结构的应用减少了模具的冲压工序，大大的降低了模具制造成本，提高生产效率。取得了良好的经济效益和社会效益。拉楔

18、侧翻结构(1)拉楔侧翻结构：采用水平拉楔（可停歇或不可停歇）可方便完成梁类零件侧面法兰的侧翻边。用此结构可与它工序混合使用，减少工序的数量。(2)浮动斜楔结构：浮动斜楔结构是一种在压料板安装斜楔，并且斜楔直接与压料板发生导向关系的特别结构。用此结构与它工序混合使用，减少了工序的数量。降低了整车工装制造成本。圆柱式导向的浮动斜楔：结构精巧实用，有多个变种，可用于大部分模具结构中。方柱式导向的浮动斜楔：结构灵活，可用于翻口，修边，翻边及多个斜楔冲孔的情况。圆柱式导向的浮动斜楔圆柱式导向的浮动斜楔空中斜楔结构(3)空中斜楔结构： 空中斜楔结构是一种在压料板安装斜楔，但是斜楔不直接与压料板发生导向关系

19、，斜楔的导向在上底板上。驱动源斜楔座安装在压料板上。此结构以广泛用于中地板、前地板、后行李箱等高低起伏很大的零件上，减少了工序的数量。斜楔可采用标准或非标斜楔机构。(4)特殊用开花停歇机构：推开花停歇机构：与一般常规的拉开花停歇机构不同，采用推驱动的方法将工作零件推至到位。两侧拉开花停歇机构：与常规的后侧拉开花停歇机构不同，此结构的驱动源来自两侧，工作部分在两斜楔座之间。减少了模具的长方向的结构尺寸，常用与窄长零件的开花使用。推开花停歇机构两侧拉开花停歇机构(5)搓板机构气缸驱动搓板机构气缸驱动搓板机构：随着汽车产量和品种的增大，有些产品通用在多个车型上，产品形状没有多大变化，或者局部形状不同

20、。采用同一套模具，利用活动凸模，采用气缸结构，完成多个产品的冲压。气缸活塞杆水平运动，带着斜楔机构（搓板机构）左右运动，斜楔机构（搓板机构）上有凸凹槽，与凸模固定板凸凹槽相对运动，凸模固定板上下运动，上下运动行程等于凸凹槽深度。垂直斜楔驱动搓板机构：利用垂直斜楔作为驱动来源，带动搓板机构左右运动，凸模上下运动，可完成上翻口，上翻边，上成型的工序内容。斜楔驱动侧搓板涨开机构：工作原理与垂直斜楔驱动搓板机构相同，但搓板机构采用侧面安装，机构再平面方向涨开。垂直斜楔驱动搓板机构斜楔驱动侧搓板涨开机构(6)斜涨开花停歇机构：将开花停歇机构与斜楔机构混合使用，完成特殊方向上的负角成型，机构变种较多。(7

21、)拉楔机构：与一般的斜楔不同，一般的斜楔驱动源为推驱动，而拉楔采用拉驱动。本结构多用与含窗口的零件的拉楔冲孔。斜涨开花停歇机构拉楔机构 (8)过桥吊楔：与一般的斜楔不同，过桥吊楔的驱动源为两个，既斜楔座为两个，吊楔的工作区在中间，可广泛用于梁类等细长零件的吊楔冲孔；修边和成型。(9)静音凸轮：汽车冲压件生产的自动化和机械化程度越来越高，如何减少冲压件生产中的冲击和噪声，改善生产环境，给模具结构设计提出了新的要求。为减少斜楔模具的冲击和噪声而采用的静音凸轮机构能较好的满足用户的要求。静音凸轮转轴机构(10)转轴机构转轴机构是模具结构的一次重大创新。对于前后翼子板、顶盖、后行李箱内外板、发罩内外板

22、等汽车冲压件，采用转轴机构代替以往的斜楔开花停歇机构，可减少冲压工序的数量，减化模具的结构，提升模具的冲压质量，提高冲压生产的工作效率。液压斜楔(11)液压斜楔：液压斜楔是近几年来发展起来的一个很重要的技术。如果此项技术能被冲压及模具厂家认识到的话，它可以引发冲压的一场革命。它可以改变传统的冲压观念。同时液压斜楔复加延时功能后在模具内可以完成多种顺序运动。上图是顶盖采用液压斜楔进行冲孔的实例：多个液压斜楔单元安装方向不同，并联安装在一个液压缸上，完成顶盖不同方向的多个冲孔。液压斜楔应用示意图4三维实体模具结构设计近年来，通过与德国大众公司的合作，借鉴先进的三维模具设计制造经验，建立三维实体设计

23、平台，全面贯彻三维实体设计理念即标准化、系列化、通用化。改变了传统的设计制造思想和生产体系，减轻了员工的脑力劳动强度。从3D DL图设计到模具结构设计，直至加工制造，始终围绕三维数学模型，逐步迈向无图化生产。4.1先进的技术手段采用德国大众先进、成熟的三维实体模具的设计技术、建模思想及造型方法，不但使设计本身结构清晰，建模高效，而且为后续的工艺编制及数控编程提供了方便。通过借鉴德方标准，制定了一整套适合自身特点的实体设计技术文件，并且在与大众公司的技术交流中，得到德方专家的肯定。4.2涉猎范围广以完成自主设计制造三维实体模具近百套，其中拉延、成形类约50套，修冲落料类约20套，斜、吊楔及其他模

24、具约20套。实体设计并制造完成德国PQ35自动化连续模和马自达激光拼焊落料模两大项目，以及解放2005型换代卡车部分模具、厚板料热压成形模具和多工位自动化连续模具；生产制造实体设计模具近300套（包括外方设计模具）。现已具备了覆盖件模具实体设计和制造的能力。4.3强大的数据库支持我们建立了多种数据库为三维实体模具结构设计提供强有力的支持。(1) 标准件数据库：创建了近300种零件，约2000种规格的标准件库，包含了ACO、MISUMI、SANKYO、DAYTON四大标准系列；开发了三大类型的标准件形式，其中普通类型标准件约80种，自动进行布尔运算的User Component类型标准件约150种，自动生成标准结构的PowerCopy类型以及斜楔、吊楔约6