轎車柱類制件多步加工沖模設計與應用

胡 慧，任龍軍

（1.合肥經濟學院工學院，安徽 合肥 230011；
2.馬鞍山市汽車沖壓模具先進設計工程技術研究中心，安徽 馬鞍山 243031）

多步加工沖模是在普通沖模的基礎上發展起來的一種高精度、高效率、長壽命的模具，是技術密集型模具的重要代表，亦是沖模的發展方向之一［1］。近年來，針對CAD/CAE技術對多步加工沖模的設計開展的大量研究工作均按照工藝設計、排樣與概要設計、結構設計、零件設計 4個階段展開［2］。（1）工藝設計階段，通過分段等效拉延筋設置與優化，獲得了合格的轎車散熱器橫梁［3］和轎車座椅座盆［4］拉延成形模擬結果；
王利等［5］通過半盒形特征件的產品造型及其切邊線優化，消除了制件的開裂現象與縮小了制件輪廓邊界誤差。（2）排樣與概要設計階段，羅林等［6］以1個高復雜度轎車橫梁為研究對象，分析了制件的基本成形工序，并設計了可行的排樣方案；
羅林等［7］為級進沖壓成形全類型載體排樣設計提供思路，又設計了5類車身結構件的排樣。（3）結構設計和零件設計階段，趙殿明等［8］完成了1套8工位發動機油底殼多工位自動線傳遞模的設計并成功試制出合格的零件產品；
薛飛等［9］運用相關軟件優化了機械手送料周期與運動軌跡，確保了送料過程中機械手與模具體不發生干涉。

上述研究雖然按照多步加工沖模設計的流程開展，但在研究中并未報道。另外，加工沖模設計中的制件形狀各異，實施CAD/CAE技術中的要點不盡相同，造成了每項具體研究各有開發側重點。因此，導致制件多步加工沖模開發流程難度較大且現有報道也較少［10-11］。因此，本研究按照多步加工沖模4步法開發流程，應用UG軟件結合AutoForm軟件實施復雜轎車D柱多步加工沖模的CAD/CAE開發，旨在提高開發效率并縮短其開發周期，為相關技術人員提供參考。

多步加工沖模設計是在普通沖?；A上發展而來的一項系統工程。經過多年發展，已形成了一套標準的設計流程，具體如圖1所示［12］。圖1中工藝設計階段、排樣與概要設計階段具有對其設計結果的閉環反饋功能，所以可以成為獨立的一環，同時又是整個流程的核心一環，與其他設計階段環環相扣、層層遞進。

筆者結合工程經驗，對圖1做如下分析：多步加工沖模設計流程一般可分為工藝設計、排樣與概要設計、結構設計、零件設計4個階段。其中第1階段就是通過分析零件的成形工序與成形要點，確定制件的沖壓加工工藝方案，并通過仿真驗證方案的可行性；
第2階段以前期合理的工藝方案為基礎，確定具體的工藝排樣、多步加工沖模分模規劃與各分模的概要設計，確定能否進一步開展分模設計和制造；
第3、4階段就是為了多步加工沖模正式投產而開展的具體設計工作，在該階段也會同期展開部分模具零件的加工。隨著計算機技術的進一步發展，深度智能化的CAD、CAE、CAM和NC加工技術能夠為多步加工沖模提供全新的設計手段，屆時上述設計流程一定會被改造。

圖1 多步加工沖模設計流程

2.1 工藝設計

2.1.1 沖壓工藝分析

轎車D柱外板加強板UG數模如圖2所示，該制件形狀復雜，屬于車身大型柱類制件。該制件包含1處拉延、3處沖孔以及多處切邊，其最大外形尺寸為579 mm×180 mm，所用材料為DX53D，板料厚度為1.2 mm，屬于典型的復雜薄板左右對稱件。

圖2 轎車D柱外板加強板UG數模

從外形上看，制件的兩端帶有開口，成形時需要考慮回彈變形。另外，柱類制件成形的關鍵是實施拉延工藝，制件兩端的開口有利于拉延成形時的材料流入，故為避免成形起皺應增設拉延筋調節材料流入量。該制件拉延深度較大且外形復雜，在調整拉延方向時應確保不存在拔模負角。由于制件外邊界復雜，應對拉延后的制件進行分步切邊。因此，為了制件成形穩健，綜合考慮確定零件的成形方案為：拉延→切邊、切邊→整形→切邊、沖孔。鑒于各工序制件形狀大小和廠家設備情況，根據所確定的成形方案，需要通過分模方式實施制件。

2.1.2 沖壓仿真分析

DX53D材料由Autoform材料庫導入軟件中進行有限元數值模擬，材料的主要性能參數如下：楊氏模量為2.1×10-5N/mm2，泊松比為0.3，比重為7.8×10-5N/mm3，屈服面擬合模型為Hill，雙軸應力因子為1.0，雙軸點處的初始屈服應力為224.8 MPa，各向異性系數平均值為0.767。

拉延坯料的設計是應用一步法對制件粗略展開后，繪制外界包絡矩形，再向外拓展100 mm，得到矩形坯料的形狀為669 mm×275 mm。以不影響仿真結果為前提，對上述工藝方案簡化為：拉延→切邊→整形。依次建立制件的沖壓加工三維有限元模型，設計運動過程后仿真計算對應簡化工藝的仿真結果，如圖3a、3b、3c所示。圖3c中灰色區域表示該處材料成形不充分，黃色區域表示該處材料存在開裂風險，藍色區域表示該處材料存在起皺趨勢，綜上可知其成形性良好。從圖3d厚度分析可知，制件最大厚度為1.193 484 mm，最小厚度為0.936 578 mm。由此極限厚度可知，通過適當調試模具可以保證制件的沖壓質量。

圖3 轎車D柱外板加強板仿真結果

2.2 排樣與概要設計

以通過沖壓成形分析確定的工藝方案為基礎，最終確定工序排樣為：拉延→切邊、切邊→整形→切邊、沖孔。充分考慮工序件尺寸，應用該工藝排樣確定模具設計方案規劃和分模的正倒裝方式、導向方式和卸料方式等基本結構框架。多步加工沖模的分模方案規劃為OP10為第1套拉延分模、OP20-30為第2套分步切邊分模、OP40為第3套整形分模、OP50為第4套分步切邊沖孔分模，4套分模對應的整體裝配模型，如圖4所示。分模均采用凹模上置，切邊刀、沖頭或凸模下置的正裝方式；
均采用前后兩端導腿導向模架；
分模的卸料方式均應用卸料板配合周布氮氣缸提供的彈壓力實施卸料，同時彈壓卸料板由模架內部工作面提供導向，用以提高模具的使用壽命。

圖4 多步加工沖模4套分模整體裝配模型

2.3 結構與零件設計

拉延是多工序沖壓成形中的關鍵工序，拉延件精度決定后續工序件的形面精度，是多步加工沖模設計的關鍵。因此，本節僅對所設計的OP10分模的結構進行分析。OP10分模上下模組件三維模型，如圖5所示。作為工作部件的骨架上模座和下模座采用整體鑄造模座，上下模組件導向采用兩端雙導腿，雙導腿和導槽內側各設有2塊導板配合精加工的導向面導向，矩形料片由安裝在下模座上平面的7個定位器定位。OP10分模具采用單動拉延方法設計，凹模采用分塊鑲拼結構安裝在上模座內腔，凸模亦采用分塊鑲拼結構安裝在下模座的中心并由壓邊圈內側定位，壓邊圈外側有導板與下模座內側精加工面配合定位并導向，壓邊圈通過底部氮氣缸連接在下模座底部。12個調整墊塊用于調整壓邊圈和凹模之間的壓邊面間隙。

圖5 OP10上下模組件三維模型

用1.2 mm厚的上海凱冶金屬制品有限公司生產的可深沖冷軋基板DX53D，在沖壓生產線上手動傳遞試模，試模沖床為4臺龍門閉式雙點600 T沖床，所獲轎車D柱外板加強板產品，如圖6所示。通過實沖試驗驗證了多步加工沖模的沖壓生產情況，獲得轎車D柱外板加強板左右件。最后需要評估對產品零件的外觀質量和形位精度，以驗證反饋產品設計過程的有效性。外觀質量方面，表面光滑、無起皺與破裂等成形性問題；
形位精度方面，應用思瑞三維坐標測量機分別測量了產品零件左、右件形面與邊界上157個點，檢測點均勻分布與產品零件上，能夠反映三維產品零件上的形面與內外邊界及其形孔尺寸是合格的。

圖6 轎車D柱外板加強板產品

圖7為轎車D柱外板加強板左右件部分檢測點所生成的檢測點位置，表1為所整理出的15個檢測點的綜合偏差，表1中檢測點3個方向上的綜合偏差依次用T1～T15表示。各檢測點的偏差值基本能夠被控制在所要求的±0.3 mm或±0.5 mm范圍之內，極少部分超差的檢測點偏差也都在±0.8 mm左右，這些超差點通過適當調整模具也能夠被修正合格。另外受沖床、模具以及材料三者的微觀不確定性因素會帶來誤差，所以三維坐標測量值沒必要完全被控制在要求的公差范圍內，在最嚴格的汽車鈑金件商品模開發行業中也是被允許部分檢測點小范圍超差的。

表1 左右件檢測點的綜合偏差

圖7 部分三維坐標檢測點位置

本研究總結了多步加工沖模設計4個階段的流程，按照該設計流程設計制造了由4套獨立分模組成的轎車D柱外板加強板多步加工沖模，配合沖壓生產線沖制出了合格的產品。

具體通過對制件的工藝分析確定了沖壓成形要點，初步確定了制件的多步沖壓排樣工藝；
通過有限元仿真驗證了初步沖壓工藝的合理性，確定了最終多步沖壓排樣工序；
按照最終多步沖壓排樣工序規劃了分模方案，并對分模進行了概要設計；
重點分析了所設計的第1套分模OP10拉延模的具體結構與零件設計；
最后應用設計制造的多步加工沖模進行了實沖試驗，驗證了所設計的多步加工沖模的合理性。

本研究按照規范的設計流程，展現了多步沖模開發的規律性。針對復雜柱類制件的轎車D柱外板加強板，重點分析了每個階段的設計內容與要點，完成了大量的工程設計與實沖試驗工作，這些工作對轎車柱類制件多步加工沖模開發卓有成效。我國汽車工業的快速發展，對汽車車身的制造提出了更高的要求，涉及汽車沖模開發的先進的板料沖壓成形計算機仿真技術（單元技術、接觸力計算方法、回彈模擬技術等），板料沖壓工藝優化設計內容與要點（試驗設計方法、并行優化技術），基于CAE技術的沖壓工藝與模具的拉延筋技術、熱成形技術和整體壓鑄技術3個方面尚待相關技術與科研人員全面而深入地研究。