某汽车尾门内板冲压工艺方案及拉深成形模设计

2020-02-26 10:06:10 来源：锻压技术

导读： 介绍了一种尾门内板冲压工艺方案及带有双压料芯结构的拉深成形模具, 描述了零件的工艺性分析、冲压方向的选择、各工序的工艺内容及设计要点, 重点分析了尾门内板拉深成形工艺、拉深成形模的模具设计及其工作原理。拉深成形模具采用凹向拉深成形, 在模具结构中窗洞压料芯上置设计, 分阶段控制拉深成形过程中的料流状况来消除开裂起皱等质量缺陷。通过工艺优化及基于 Autoform 有限元的 CAE 模拟分析验证, 缩短了后期生产调试周期。实际生产证明, 该冲压工艺方案较好地解决了尾门内板成形中的开裂起皱质量问题, 零件精度及面品质量较好, 同时也满足了四序化自动化线冲压生产。

文：王海玲, 崔礼春, 陈世涛 (安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心）
尾门内板是重要的汽车覆盖件之一, 与外板包边后构成尾门总成, 位于车身尾部。零件具有尺寸大、材料薄、空间立体 V 形结构、型面形状起伏变化较大且具有较多的凸凹造型特征的特点, 冲压成形过程中变形规律不易被掌控, 极易出现开裂、起皱、刚性不足等成形质量缺陷。

本文以江淮某新车型尾门内板开发为研究对象, 讲述一种尾门内板成形冲压工艺方案及典型的成形模结构设计, 通过合理优化成形工艺、采用新型的拉深成形模结构并开展 CAE 模拟分析验证, 有效控制了尾门内板成形过程质量。

1 工艺设计

1. 1 零件成形工艺性分析

冲压工艺方案的设计需同步考虑生产线适应性、安全性、废料排出顺畅性及开发成本等, 根据产品结构形状和技术要求确定拉深、修边、冲孔、翻边、整形等工序的先后顺序及各工序的具体内容。合理有效的工艺方案结合可行性模具新结构使用可以使冲压件生产的工序数减少, 降低工装开发成本及后期生产成本。

图 1 为江淮某新车型尾门内板数模, 零件外形尺寸约为1480 mm × 1650 mm × 270 mm, 材质采用DC56D + ZF 镀锌板, 板件料厚为 0. 8 mm。为了保证产品品质, 减少冲压生产过程人为影响因素, 该车型尾门内板采用自动化线冲压生产。

1. 2 冲压方向定义

拉深成形冲压方向的选择对零件的工序数及零件成形质量有直接影响, 该尾门内板大致为空间 V 形结构, 拉深成形冲压方向可选择方案如下。

方案 1, 凸面朝上拉深成形: 对于带有整体趋势为凸或凹造型的零件, 通常采用凸起放置, 拉深的成形效果较好, 成形充分, 避免了中间部位起皱叠料。该车型尾门内板与尾灯、铰链等较多内饰件匹配安装, 其上存在较多的孔且不同孔的冲压方向差异较大, 周圈侧壁上的冲孔大多需要由内向外侧冲, 特别是零件宽度方向侧壁上的孔需要采用勾拉斜楔进行侧冲孔, 但在实际结构设计验证时, 后序的该侧冲孔斜楔机构会与后窗部位的产品本身造型干涉, 且冲压模具工作机构过多, 安装空间不足, 废料排除也困难, 零件宽度方向侧壁上的孔无法冲压实现。因此, 若要凸起放置拉深成形, 后序凹向放置冲压, 则需要在冲压过程中增加一个空工步并通过自动化机械手臂翻转 180°, 来实现生产过程中冲压方向的翻转调整。该方案会导致冲压工序数、工装成本、冲压设备使用数量及生产能耗增加。此外, 由于零件生产过程需要通过自动化机械手臂翻转 180°并增加空工步, 也会致使冲压生产节拍及生产效率降低, 对自动化生产线机床设备及场地空间也有一定的要求。

方案 2, 凹面朝上成形: 凹面朝上设置冲压方向拉深成形, 后序的修边、冲孔及废料排出均可达到较好的生产效果, 仅窗洞侧壁的部分孔需要采用勾拉斜楔机构侧冲孔, 该方案的最主要问题在拉深成形 V 形底部两侧容易积料导致起皱、叠料, 因此, 如何优化成形工艺模面及采用有效的模具结构是解决该问题的关键。在实际设计分析过程中, 经过成形工艺补充面的不断优化并通过基于 Autoform 的 CAE 模拟分析验证, 凹向拉深成形质量得到了有效控制, 可达到较好的成形效果。

综上分析, 该车型的尾门内板的拉深成形及所有后工序冲压方向均采用方案 2 中的凹面朝上设置, 冲压工序数少, 符合冲压自动化线设备及场地生产要求, 零件成形质量亦满足生产需求。

1. 3 冲压工艺方案

如图 2 所示, 该尾门内板成形过程主要分为 4 步: 第 1 序为拉深成形; 第 2 序主要为修边、勾修边、冲孔、整形; 第 3 序主要内容为勾修边、冲孔、侧冲孔、整形; 第 4 序主要为冲孔、侧冲孔、翻边、整形。

1.3.1落料

常规的冲压拉深成形过程中, 坯料放置在压边圈上, 然后凹模与压边圈配合将坯料周圈压紧并继续向下运动, 最终通过凸模成形。而成形过程中, 压边圈对周圈坯料的压紧程度及压料面积大小将直接影响成形过程中料流快慢。因此, 坯料大小对拉深成形结果有直接影响, 特别是尾门内板, 造型复杂且成形深度较大, 若压料过紧、进料速度慢, 很容易导致成形开裂。

为保证拉深成形过程周圈坯料进料均匀且效果较好, 该车型尾门内板坯料采用开卷落料, 周圈随形设计, 具体形状如图 3b 所示。窗洞位置轮廓大致呈 “哑铃” 状, 中间横向部分为长方形结构, 两端大致为椭圆形结构, 该种形状可以有效避免成形过程中窗洞坯料边缘撕裂。由于尾门内板尺寸较大, 造型复杂, 单一从周圈外部进料无法满足成形需求, 容易开裂, 而窗洞废料区域位置开孔可以有效促中间区域的板料快速向其它部分流动补充, 提高成形效果。

1.3.2拉深成形

冲压件的实现过程中, 成形工序零件质量直接决定产品的主要性能, 并对后续工序的安排有着重要影响, 是决定覆盖件成形成败和成形质量的关键环节, 因此, 如何有效设计成形工序的工艺内容至关重要。如图 2 所示, 第 1 序 OP10 为成形工序, 零件坯料选用上述周圈随形及窗洞哑铃孔结构, 为保证坯料充分成形, 提高零件整体刚性强度及面品质量, 以产品边缘直接向外延伸设计工艺补充面, 使产品本身直接拉深成形。为了有效控制板料成形进料速度, 在压料面上以压料面与拔模面相交的 R 角边缘线向外偏置20 mm 为中心设置周圈拉延筋。此外, 由于尾门内板上下方向及窗洞左右侧位置产品造型起伏变化较大, 拉深成形过程中料流变化量较大, 单一的周圈拉延筋无法有效达到锁紧的目的, 外侧坯料快速进入会导致成形不充分、起皱, 因此, 在周圈拉延筋外侧、以周圈拉延筋的中心向外偏置20 mm 设置第2 条拉延筋, 具体为图3a、图3b 所示的上双筋及下双筋, 其中上双筋起止范围位于窗洞的上侧及左右侧相对应的位置, 下双筋起止范围大致为下方的左右侧宽度。内侧窗洞位置同样需要设置拉延筋来控制料流, 其中, 在窗洞压料区域的上下侧分别设置两条拉延筋, 长度与窗洞压料区长度一致, 在窗洞压料面的左右侧各设置一条随形的窗洞 U 形筋。

控制零件成形质量更多的是对成形过程中料流状态的控制, 尾门周圈坯料进料速度主要依靠拉延筋及压料力大小控制, 而坯料中心窗洞位置的进料状态则可以通过拉延筋、压料力大小以及压料芯工作行程三者控制, 因此, 该车型尾门内板成形可采用工作行程可控的内外双压料成形方法。如图 3 所示, 窗洞压料芯左右方向上的宽度约为窗洞整体宽度的 2 /3, 可覆盖窗洞 “哑铃” 孔横杆区域, 该工艺方案成形过程中, 外侧压料芯先将坯料周圈压紧, 然后与压边圈共同向下运动, 窗洞内侧坯料为非压料自由状态, 直至模具闭合前 25 mm 时, 窗洞压料芯才开始接触坯料并与下方的凸模配合压料, 随后内外压料芯共同压料, 压边圈继续向下运动, 凸凹模配合成形直至模具闭合到底。该成形方法中,窗洞内侧压料芯的开始压料时间可通过拉深模结构中窗洞压料芯的工作行程参数来控制调整。

压边圈压料芯、凹模及窗洞压料芯共同构成一个整体的凹模型面, 而上模的压边圈压料芯、窗洞压料芯及下模的压边圈均为活动部件, 如图 2a 和图 3a 所示, 上压边圈分模线为压边圈压料芯与凹模的分界线, 窗洞分模线为凹模与窗洞压料芯的分界线。下模中, 下压边圈分模线为压边圈与凸模的分界线^[7]。其中, 上压边圈分模线为外侧平缓造型面与周圈立壁交线形成的上 R 角根部线, 下压边圈分模线为压料面与周圈立壁交线形成的底部 R 角根部线, 该种上压边圈分模线和下压边圈分模线的设置方式可以避免成形模具中凹模或凸模周圈位置存在薄壁结构, 从而保证凸模及凹模的结构强度。

1.3. 3 修边冲孔、整形

尾门内板的周圈法兰边为包边面, 窗框内的法兰边也为重要配合面, 这些重要的面除保证无开裂起皱等常见缺陷外, 应在拉深时尽量使其充分成形、增加其刚性, 以免修边后应力释放产生回弹造成产品精度下降^[8]。因此, 为了保证单件及包边总成精度, 尾门周圈法兰及窗洞法兰位置均需在拉深成形工序后进行整形。

如图 2b 所示, 第 2 序 OP20 主要内容为修边、勾修边、冲孔、整形。考虑自动化生产线冲压废料排出的顺畅性, 该工序中对图 2b 中产品上端的 ab 段及下方的 ef 段进行修边并通过废料刀二次切断, 对 cd 段及 gh 段通过整形镶块进行整形, 由于 ab 段修边需要周圈压料, 因此, 对 bc 段及 ha 段的未修边区域采用压料芯符形设计, 使该位置的压料芯在起到压料作用的同时也可以进行整形。另外, 由于尾门上端边缘位置造型为倾斜立面、角度较大, 且窗洞位置需要布置修边工作机构, 因此, ab 段需要采用反向勾拉斜楔机构进行勾修边, 从而保证模具结构的可实现性。

由于窗洞区域废料整体尺寸较大, 该位置的废料修切采用如图 2b 中所示的间隔分段修边的工艺处理方法, 其中对于窗洞侧壁有孔处的废料在该序中优先切除, 以保证后工序侧壁的侧冲孔斜楔机构有足够的安装空间, 而窗洞下方的内饰件安装区域废料则以冲孔的方式部分修切排出。

1.3. 4 修边冲孔、翻边整形

如图2c 所示, 第3 序 OP30 的主要内容为修边、勾修边、冲孔、整形, 具体操作为将第 2 序中剩余的 bd 段周圈废料、 ga 段周圈废料切除, 对窗洞废料及窗洞下方内饰安装区域的剩余废料进行切除; 对第 2 序中已修边的 ef 段周圈法兰边进行整形, 确保周圈法兰面精度质量, 同时综合考虑模具结构空间, 完成部分孔的冲孔工作内容。其中, 窗洞上方侧壁孔处的窗洞废料已经切除, 可以在窗洞处布置斜楔机构进行侧冲孔, 而产品上端的孔由于窗洞上方侧壁孔夹角较大, 无法同步切除, 因而需要采用勾拉斜楔进行勾冲孔。

如图 2d 所示, 第 4 序 OP40 主要内容为冲孔、侧冲孔、翻边、整形, 具体操作为对周圈剩余的产品上端 ab 段周圈法兰面进行整形。对第 2 序、第 3 序分序整形交界处的两侧尾灯搭接位置区域进行整形, 保证尾灯装配后搭接间隙均匀; 对已修边完成窗洞周圈边缘进行翻边, 同时对周圈法兰边使用压料芯镦死整形, 防止回弹, 确保窗洞区域产品精度; 对内饰安装区域的部分翻边造型进行翻边, 对剩余的部分孔冲孔或者侧冲孔。

由于尾门内板造型复杂, 对应的冲压工作内容较多, 合理的冲压工艺方案设计对模具设计及后期产品质量生产方便性等具有指导性意义, 而模具结构是工艺实现的载体, 因此, 如何运用新结构等措施实现模具结构设计也尤为重要。