汽车加油口支架冲压成形工艺分析探讨

文：张瑜，邱艺琪 （一汽轿车股份有限公司）

1 引言 

加油口支架属于典型的异形难成形件，同一般冲压件相比， 具有材料薄、形状变化复杂、表面质量要求高等特点，这些特点决定了其冲压过程中影响材料流动的因素较多，如材料性能和质量、冲压设备性能、坯料形状、冲模结构和参数等等。本文针对加油口支架，使用板料成形数值模拟软件 Autoform 对其成形过程进行了数值模拟，并对主要工艺参数进行了优化。 

2 加油口冲压成形数值模拟

加油口是典型的异形复杂件。顶部左边面积小，右边长而窄，且偏离中心，高度差大，周界轮廓右大左小，法兰面是空间曲面。其成形工艺有两种方案：一次成形，模具少，工序集中，但成形时自由悬空区大，易起皱、开裂； 分二次成形，多一道工序，但成形可靠性强。不管哪种方案，关键与难点都在第一道工序中。下面分别就第一道工序进行模拟。

2.1 模拟基本参数

（1） 材料特性 

厚度 0.7mm（宝钢的 BUFD；杨氏模量 E=206MPa； 

（2） 工艺条件 

摩擦系数 f=0.15；压边力 p=2.5MPa；冲压速度 v=8m/s；凸凹模间隙 C=1.1t（t 为材料厚度）。 

（3） 有限元模型 

为尽量减少可能产生的数据错误和丢失，在 UG 软件中抽取数据并导出.iges 格式文件，通过标准的 iges 数据转换接

口导 AutoForm 软件中，采用 BT 壳单元对几何模型进行离散划分网格，建立零件的有限元网格模型。 

2.2 模拟过程

（1） 选择拉深类型：本零件的拉延过程采用单动拉深。 

（2） 选择冲压方向：选择冲压方向，既可根据用户的经验和设备情况进行确定，也可根据最小拉延深度、最小过切

（UnderCut）等准则自动确定。 

（3） 创建压料面与工艺补充：如果是已经设计好的模具型面，可跳过压料面和工艺补充面设计环节，制定冲压方向，确定工艺参数进行有限元分析。如果输入的仅仅是零件模型，在工件修改完成后，要进行压料面和工艺补充面的设计。用户可让系统生成参数化的压料面和工艺补充面，然后制定冲压方向，确定工艺参数，在前在前处理中可完成多道工序模具和工艺参数的设定，一次性地进行有限元模拟。 

（4） 参数修改：在有限元分析后，可根据需要对自动生成的参数进行修改，避免了返回通用 CAD 软件进行重新设计，缩短了设计周期，降低了设计工作量。经过若干次有限元模拟后，可获得工艺性比较满意的工件。 

（5） 最后通过修边（Trim）模块和优化模块对工艺参数进行优化。 

2.3 模拟结果及工艺改进

（1） 一次成形工艺成形工序模拟结果 

图 1 为加油口一次成形工艺成形完成后的网格图及 FLD 图。一次成形自由悬空区大，在到底 7mm 左右步已产生内皱，以后随冲压的进行，这种皱纹进一步加剧，在最后到底前 5mm 左右步已出现严重的折皱（有了第一次成型开裂的数据，我们可以方便做出第一次成型的工艺面与第二次成型的工艺面的成型高度差），同时最薄弱的区域已破裂。这里破裂的产生一方面是由于这些区域产品形状变化急剧，造成应力集中；另一方面是由于因起皱而造成的局部拉应力。过大。若起皱不消除，破裂就很难消除。因此，这种方案冲压成形是很困难的。 

（2） 二次成形工艺成形工序模拟结果 

（3） 成形工艺改进 

成形中，一旦产生了皱纹，并残留在制件上，不仅使制件的尺寸精度、表面质量等降低，而且也造成后续成形产生破裂。因此，在零件成形过程中，如何防止和消除皱纹，即成功的解决起皱问题，对获得高质量的产品至关重要。加油口起皱主要原因：坯料形状不合理，冲件法兰边不均匀；产品局部形状过渡剧烈；周边因产品形状不同，导致材料流动不均匀。加油口的破裂既有塑性破裂，又有强度破裂。产品颈部的破裂是强度破裂，其他主要是在角部，是变形超过塑性而产生的塑性破裂。针对成形缺陷，主要采取如下措施： ① 确定合理的坯料，实际生产中，为剪料的方便，常采用形状料或者矩形件截角；②选择合适的凹模圆角。前述工艺中，模具凹模圆角径沿周边取相同值，但由于成形形状的不均匀性引起起皱。因此，模具凹模圆角半径在材料流动较慢的区域应加大；③调整产品局部形状。产品局部半径需作调整，适当加大。变动的形状在二序工序中整形回来。可是由于有些产品的特殊性，本例子为例，看图纸发现涂胶面与安装孔相对要求比较高以外，其他面要求不高，可以与主机厂提 “ECR”可以适当优化容易开裂地方，整改圆角与零件的拔模面。 

（4） 最后工艺改进后模拟结果 

图 3 是工艺参数优化后模拟的网格图及 FLD。除了局部料最小厚度为 0.435mm，比原始厚度 0.7mm 薄 25.6%，在许可范围内。其他单元对应变形点都在安全区内。到实际生产的时候，钳工修磨局部圆角及模具表面的热处理，方可以解决此类问题。 

3 不同的喷漆方式对工装挂具的设计要求 

塑料件的工装利用率及通用性是决定生产线效率的主要因素，不同工件定位装挂位置不同，部分件要提前装定位螺栓等辅助定位件，工装挂具的设计需要根据喷涂方式来确定，并结合生产线实际管理水平，设计原则为满足所有塑料件全部混流生产的柔性设计。 

对于人工喷涂的生产线，挂具可以设计为一种通用；实现按颜色组挂，同一挂点上可以组挂不同材质，通过对零件材质、部位、状态的识别，控制不同喷涂工艺，保证外观质量均匀一致。 

对于机器人喷涂的生产线，在满足按颜色组挂的前提下，还要同时满足按照相同的外形尺寸进行组挂，以满足机器人仿形轨迹，需根据零件形状设计多种不同的组合挂具，在实际生产过程中会同时存在几百种挂具，在挂具设计及投产后的使用、流转等环节存在管理难度。 

4 结论 

目前乘用车塑料件多采用机器人喷涂，生产线自动化水平较高，可提高涂料利用率 30%以上。但商用车塑料件因种类多、形状复杂、不同材质混线生产 ，不同材质的塑料件喷涂工艺不同，同一塑料件不同部位喷涂操作要领不同，在这种现状下，采用机器人喷涂在组挂方式、工件状态及特殊部位的自动识别、质量控制等方面存在较大难度，无法体现出机器人喷涂优势。因此，现阶段商用车车塑料件大多仍采用人工喷涂。

5 结束语

一汽解放青岛汽车有限公司新工厂建设中，塑料件生产线暂采用了人工喷涂，虽然机器人喷涂存在较多难点，但我们会继续研究商用车塑料件采用机器人喷涂的可行性，在实现绿色涂装的道路上不断探索。