汽車整體式前地板沖壓工藝設計

蔡 輝，溫業壯，龍佳泉，馬思源

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車前地板類零件，由于包含中央通道的幾字型結構，拉延深度大，材料流動多，極易產生起皺開裂缺陷，工藝設計難度大。且中央通道前端頭廢料較多，材料利用率較低，生產成本較為浪費。隨著原材料價格上漲，汽車零部件企業生產成本壓力越來越大，材料利用率的優化能直觀的降低零部件生產成本。從模具結構來看，汽車前地板沖壓件起皺，會過度磨損模具型面，模具保養頻次高，且磨損的型面會漸漸的影響零件型面的符型。在前期工藝設計階段，通過工藝分析，消除零件開裂起皺風險，從而降低量產時的報廢率，提高材料利用率，減少模具保養頻次，為公司降本增效。

1 零件信息及結構分析

前地板是我公司承接的某車型汽車內板零件（如圖1），與側圍、底盤、前圍和后地板均有搭接，型面復雜，尺寸要求較高，是汽車生產中的關鍵零件。外觀要求表面光滑，棱線過渡清晰，不允許孔變形、毛刺、鋒利的切邊、扭曲痕跡、材料皺褶、明顯可見且有輕微手感的拉傷、劃傷、碰傷等質量缺陷。外形尺寸為1 290 mm×1 398 mm×182 mm，材質為BLD，料厚0.7 mm。

如圖1，其特點是零件整體呈幾字型，中央通道部分與兩側型面高低差大，中央通道前后方向走勢急劇，中央通道部分前端Z向高度差達到182 mm，深度較大，材料流動量較大，若采用包頭工藝（如圖2），勢必降低零件材料利用率，且廢料區的材料起皺無法避免，進而使端頭模腔磨損嚴重，不利于后續調模和材料利用率的提升。

圖1 前地板產品示意圖

圖2 包頭產品示意圖

2 工藝分析

地板類零件基本上都是使用拉延（區別于直接成型）工藝[1]才能保證制件的型面質量。結合生產設備參數，該車型前地板使用單動拉延（區別于雙動拉延）工藝進行設計。

單動拉延的模具分為三個結構，即上模（凹模）、壓邊圈和下模（凸模）。板料放在壓邊圈與上模之間，由機床的氣頂桿頂在壓邊圈上提供壓料力。

為了工藝設計的需要，需對產品進行適當展開并作補充，使零件更有利于拉延成型。作補充的部分就是拉延型面的工藝補充面。工藝補充的目的是調整材料流動趨勢，使材料流動均勻平緩，把沖壓缺陷阻擋在工藝補充面上，保證制件型面的質量。

對比以往類似零件的工藝結構，采用有限元分析軟件AutoForm對零件進行工藝補充并分析。經過多輪分析，對比兩種較典型的工藝補充方案，如下圖3所示。

包頭工藝：如圖3所示，前端端頭使用包頭結構，壓邊圈成為一個封閉的環，使整張板料的材料流入都受到壓邊圈的控制，板料較大。

圖3 包頭式工具體設置

分析結果如圖4、圖5所示，大端頭幾字型凹圓角處，由于材料流動劇烈，局部范圍內材料流動不均勻，材料積聚在該處，無法展開，出現疊料風險。雖然該位置是工藝補充面，后續會切除，但考慮到起皺位置對應上模圓角，受力較大，長期生產模具磨損會比較嚴重。會造成原本已經穩定的材料流入量發生變化，影響后續模具的使用和制件的合格率，需要優化。

圖4 包頭式到底前15mm俯視圖

圖5 包頭式到底前15mm前視圖

端頭開放式：為緩解端頭材料流動不均勻造成的起皺疊料風險，將端頭的壓料面取消。如圖6所示，幾字型兩凹圓角根部之間的壓料面取消。由于不需要端頭的壓料，端頭的材料流入均勻，不會在處產生起皺疊料，且板料尺寸可以適當減小，提高材料利用率。

圖6 開放式工具體設置

分析結果如圖7所示，大端頭幾字型凹圓角處的材料流動不均已經得到緩解，整個過程中沒有材料積聚在此處，起皺疊料趨勢已經消失，效果較好。故決定采用端頭開放式結構。

圖7 開放式到底前16 mm前視圖

采用端頭開放結構，做了進一步分析，過程如圖8。

圖8 開放式成型過程

如圖8、圖9所示，零件在成型過程中，沖壓行程至到底前50 mm時，中央通道前段已部分成型，后段剛剛開始成型，周圍材料出現起伏不平。隨著沖壓過程的進行，起伏開始惡化，出現疊料趨勢。

圖9 起皺疊料區域

后段中間的型面起皺趨勢明顯，在沖壓行程到底前50 mm～16 mm之間，起皺仍不能得到緩解。雖然在后續的沖壓過程中，起皺逐步消失，但在如今機械壓力機的沖壓速率下，如分析過程出現嚴重起皺甚至疊料，后續調模基本不會像模擬分析一樣可以拉開，需盡量避免沖壓過程的嚴重起皺。故該位置還需繼續優化。

解決起皺思路：根據CAE分析過程顯示，如圖10，料品起皺趨勢在后端呈現輻射狀，需要沿著起皺趨勢垂直的方向施加扯料的力。綜合使用調整拉延筋和工藝補充面等手段進行優化。

圖10 模擬加筋扯料

結合零件特征分析，起皺是由于該處型面前后方向高度差變化劇烈，高度差達到182 mm（如圖11），材料從凹圓角處往側壁上流動不均勻，使材料積聚在材料流動差別大的地方，形成起皺。

圖11 零件高低差

為使后段材料流動得到控制，優化材料流動，首先將后段的壓料面適當降低，如圖12所示，優化后的壓料面成V字，使后段的拉延深度局部加深且向兩側平緩過度，緩和了零件后段左右兩側的材料向中間流動的趨勢。

圖12 工藝補充面優化前后

前后方向上，拉延工藝補充面做了調整如圖13。壓料面優化，使壓料面走勢與零件中央通道部分上表面走勢保持一致。拉延深度適當降低，與后端V字型的壓料面配合，調整驗證拉延筋系數（如圖14）。最終達到緩解起皺并進一步提高材料利用率的目的。

圖13 工藝補充面優化前后

圖14 前地板拉延筋分布及筋系數

優化后的沖壓過程模擬如圖15、圖16，零件成型過程基本沒有發生較嚴重起皺。整個過程中，材料流動平緩可控。在到底前63 mm～47 mm，型面有輕微的起伏不平，但之后馬上被扯平，之后的成型過程非常平穩流暢，起皺的分析結果得到認可，拉延的工藝基本定型。

圖15 零件到底狀態

圖16 工藝優化后成型過程

評估成形極限（如圖17）及Max failure（如圖18），有部分圓角區域的Max failure超過0.8，表現為開裂。

圖17 前地板Autoform分析FLD圖

圖18 Max failure

該位置開裂在制件中間的型面，距離工藝補充面較遠，通過調節沖壓參數或者工藝補充來緩解效果甚微，且會影響前面已經調整好的起皺。綜合考慮焊接工藝及零件的搭接要求，提ECR設變申請，球化開裂風險位置圓角，從而使分析結果得到認可。

3 工藝布置

（1）OP10拉深：如圖19所示，進過多輪分析，最終確定的拉延方案。使用方料，端頭開放式單動拉延。

（2）OP20切邊沖孔：本工序完成產品輪廓邊線的正修邊和所有沖孔。

（3）OP30翻邊：本工序為下置壓料芯的上翻邊，由下模壓料芯的彈簧提供壓料力和退料力。兩側翻邊全部在本工序成型。

圖19 前地板工藝DL圖

4 零件效果

在首次全工序零件出樣后，對零件外觀進行評估，前期模擬分析的風險區域都成形OK，產品面沒有起皺開裂，零件達到預期效果，如圖20所示。

圖20 前地板最終零件及局部細節

5 結束語

本文對汽車整體式前地板零件的工藝性進行了多種方案的分析和探討，選取某車型包含中央通道結構的整體式前地板進行詳細的分析和類比，總結出該車型前地板的最優方案。對后續類似零件及其他零件的沖壓工藝分析都是具有借鑒作用的。借此機會拋磚引玉，希望后續與眾多沖壓專家共同協作，攻克更加復雜的沖壓件工藝設計。