車身翼子板沖壓工藝造型設計研究(上)

文／田卓華，田新峰·北汽福田汽車股份有限公司

劉國鑫·中航西飛民用飛機有限責任公司

曹翔宇·北汽福田奧鈴汽車廠

近幾年，國內汽車工業發展突飛猛進，新技術、新材料、新工藝層出不窮、精彩紛呈。車身制造領域，主機廠廣泛使用機器人，以提高產能、穩定質量、節約成本。車身焊接自動化生產模式，對沖壓件的尺寸精度要求很高。焊接和沖壓自動線生產模式倒逼模具制造企業不斷提高模具及沖壓件質量。為適應自動化生產之變革，滿足高精度沖壓產品要求，模具制造業必須賦予模具新的特性，主動升級模具質量標準。

車身覆蓋件模具不僅要有持續生產高精度產品的基本性能，更要具備適應沖壓自動線大批量、高頻次、輪番作業的特點。縱觀模具量產化的表現，沖壓廠關注的模具質量特性聚焦于兩點，一是沖壓件產品合格率、不良品率；二是模具零停線維護，沖壓生產過程產品質量平順、穩定，每個生產批次，模具免維護或極少維護。欲實現上述性能，最終落腳點在于車身產品沖壓工藝設計及模具結構設計。

翼子板模具開發現狀

車身翼子板產品結構復雜，兼具內、外覆蓋件的全部質量特性。日本、韓國等主流汽車廠，翼子板沖壓工藝設計及模具制造，都有自己專門的模具廠承接。這些專業模具廠研究翼子板工藝幾十年，經驗豐富、技術成熟，源于術業有專攻，只開發翼子板等關鍵復雜覆蓋件，其他門蓋類模具一般不承接。

核心技術是要不來、買不來、討不來的。核心技術不是單一的技術進步和單一的設備改造，是從設計、制造、調試到交付使用全價值鏈的創新過程，是一個完整的、連續累積的知識體系。2011 年之前，國內主流汽車廠翼子板等模具百分之九十以上靠進口，近幾年國內汽車業高速發展，助推國產模具技術自主創新，技術進步日新月異，核心技術逐點突破，基本具備了翼子板等復雜覆蓋件模具開發制造能力。但是，復雜覆蓋件技術開發水平依然參差不齊，不單純是整車檔次高低決定模具成本的問題，關鍵是缺少了核心技術。

如果沒有連續多年的翼子板開發實踐，如果很少關注模具量產化表現，不可能全面、系統地掌握核心技術，即使知道、了解一些設計概念及其理論，未必能融會貫通、變通運用。

翼子板與白車身裝配用螺釘緊固連接，其外露表面及輪廓與車門外板、發動機罩外板、燈飾等匹配，其間隙與面差，取決于自身精度和白車身焊接總成精度。翼子板有許多質量特性，諸如曲面光順性、面回彈、安裝耳及安裝孔的幾何精度，等等，這些主機廠關注的要素，業內專家研究較多。還有一種特性，叫隱形特性，沖壓工廠最有感知、深有體會，諸如工藝結構設計欠佳或不良，造成量產不穩定，不良品率升高，安全裕度狹窄，等等，表面是模具及壓力機問題，實為工藝造型所致。本文重點研究翼子板隱形特性，即沖壓過程量產質量平穩性。

質量是設計出來的，只有設計者賦予工藝及模具以特異功能，才能表現出卓爾不凡的稟性。沖壓生產過程質量穩定能力具有較強的隱蔽性，因為，主機廠接收的是合格品，一般看不到任何一件不良品和廢品。翼子板調試階段及沖壓過程出現的破裂、吸頸等缺陷，只有制造和使用模具的技術人員及鉗工技師在關注，并孜孜不倦地探索、改良，付出很多，但收效甚微。因為，沖壓工序件起皺、吸頸或破損率超標缺陷，本質屬于產品結構及沖壓工藝造型設計階段的瑕疵或不足，只有在產品設計及工藝設計階段才能有效解決。

沖壓工藝要解決兩個問題，產品結構和工藝造型問題。工藝師在分析基礎上，推動產品設計結構改變，產品一旦定義，沖壓工藝過程穩定性、各工序件合格率等要由工藝設計解決。沖壓件的零廢品率、模具免維護是模具潛在的關鍵質量特性，必須在工藝設計階段賦予。否則，模具定型、交付以后一旦出現廢品率超標、頻繁停機調試，欲降低廢品率及免維護的空間非常狹小，甚至不能改變。除非重新制造，否則即便浪費驚人，項目也已經沒有時間從頭開始。

翼子板產品特征

翼子板產品結構復雜、精度要求高，圖1 為翼子板產品結構，其中，前上部與燈飾匹配，前部與保險杠匹配，上部與發罩外板總成匹配，后部與車門外板匹配。

圖1 翼子板產品結構

翼子板頭部安裝結構曲面復雜，圖2 為翼子板頭部安裝結構，四個安裝小平面相互平行，為了使安裝螺釘都在一個易操作的裝配方向，各小塊平面之間曲面過渡，見圖2(a)；翼子板頭部產品結構為適應保險杠匹配及橫梁安裝，設計落差較大，特征平面距離翼子板外表面，一般Y 向距離45 ～68mm，見圖2(b)。

圖2 翼子板頭部安裝結構

翼子板沖壓工藝特性

翼子板頭部安裝面深度較深，不能一步拉延到位，如圖2(b)所示，深度為48.9 ～69.38mm。如果拉延到位，頂部棱線及側立面會破裂、吸頸。早期的翼子板深度較淺，修邊后自由整形。整形會造成安裝面起皺，皺紋被其他零件遮擋而讓步接收。

近年來，主機廠對產品要求很高，安裝面即使被遮擋也要符合數型且不能起皺。為適應高標準，修邊不一次修凈，預留整形工藝面，后工序修掉。此面由夾持面和工藝面組成，整形時，整形壓件器先壓緊夾持面，整形刀下降迫使工藝面材料移動，最后轉變為安裝面，即產品面。有夾持面的控制，能有效減輕或消除安裝面皺紋，但不是所有夾持面都能使整形十分安全，如圖3 所示的整形工藝面。

圖3 整形工藝面

整形工藝面的作用

預留的整形工藝面是在拉延造型時設計，一般拉延不會出問題，只是整形時容易出現皺紋和破裂，有時極其敏感。若整形時，工藝面易出現皺紋，可適當增阻，加大夾持面壓力。如果整形工序有皺有裂，證明與夾持力大小無關，屬于工藝造型問題。一旦到模具調試階段，欲通過調試優化解決，改善甚微，或不可改善，圖4 所示為翼子板整形后的工藝面。

在修邊線外的工藝面產生的皺紋，修邊可修掉。表面上似乎不影響產品質量，其實風險很大。量產化以后，皺紋可能擴展到產品部位，因為皺紋的產生不受控。如圖4(b)所示，整形鑲塊在工藝截面線處開始接料，下壓到安裝面截面線止，這一過程中工藝面移位、變形和皺紋是自由成形，理論上講，不受控過程，皺是必然的。

整形工藝面皺紋產生機理

翼子板預留工藝面是拉延工藝設計的一部分，其結構設計既要考慮拉延平面無缺陷，更要兼顧整形序不裂不皺。預留工藝面形狀是可展面或接近可展面，且面積略小于整形后產品面積。反之，出現皺或破裂，CAE 分析能夠清晰地證明，如圖4(a)所示，切向堆積增厚、失穩、起皺。

圖4 翼子板整形后的工藝面

如圖5 所示，翼子板頭部拉延造型設計，整形起皺的兩個原因，一是產品結構較深，不能拉延到位，二是工藝面為不可展面，儲備的面積很大。

圖5 翼子板頭部拉延造型設計

修邊線外部造型是一個不可展開的月牙狀隆起曲面，如圖5(b)所示，整形時板料需要流動補充，月牙隆起受拉失穩、起皺。

整形皺紋的危害

整形皺紋的危害主要有5 條。

⑴模具質量培育周期較長。

整形工序的不穩定性，導致模具調試工序件破裂、吸頸很敏感，反復調試降低破損率，耗時過多。

⑵產品質量不穩定。

起皺盡管在修邊線外，但由于其不穩定性，量產后極有可能擴展到修邊線或以內。CAE 驗證或模具實體驗證，只能就個別事件驗證，難以模擬模具量產化整個壽命周期皺紋的變化趨勢。

⑶降低沖壓生產率。

批量生產，翼子板保險杠安裝面皺紋和保險杠匹配立面吸頸破裂，導致停線、調試維護，生產率下降。

⑷廢品率較高。

整形工序皺紋使進料阻力不穩定出現立面破裂或吸頸致廢。

⑸模具表面異常磨損。

整形時皺紋不受控制，皺紋面相對模面移動，磨損模具表面，天長日久形成溝痕，模具過早損壞。