馬德松， 鄧?yán)^梅

（河鋼集團(tuán)邯鄲分公司， 河北 邯鄲 056015）

0 引 言

某車型穩(wěn)定桿加強(qiáng)板（簡(jiǎn)稱A板）材質(zhì)為SAPH440的酸洗板，在汽車行駛過(guò)程中因與套管產(chǎn)生干涉而發(fā)出異響，為此主機(jī)廠決定改進(jìn)A板結(jié)構(gòu)，在干涉區(qū)域加大避讓空間。在驗(yàn)證階段，嘗試用數(shù)控銑床加工帶避讓形狀的簡(jiǎn)易胎具，用胎具在原沖壓件上進(jìn)行避讓形狀的成形，但成形的零件質(zhì)量未能滿足技術(shù)要求，隨后進(jìn)行了零件結(jié)構(gòu)和沖壓成形工藝的同步設(shè)計(jì)，并采用簡(jiǎn)易成形模成形零件，成形50套裝車后異響消除。由于簡(jiǎn)易模成形零件時(shí)的沖壓方向及變形方式與之后的量產(chǎn)模具不一致，而且避讓形狀處于零件中間部位，量產(chǎn)模具成形時(shí)材料補(bǔ)充困難，有產(chǎn)生局部過(guò)渡變薄甚至開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，因而驗(yàn)證零件結(jié)構(gòu)滿足裝車要求后，還需要考慮零件的沖壓成形性。

沖壓仿真分析驗(yàn)證了零件新增的避讓形狀可以采用原有的拉深與整形工序分步成形，通過(guò)修改A板的拉深模和整形模結(jié)構(gòu)，在其它工序模中增加避讓槽，完成了A板改進(jìn)結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱A1板）的模具改制。隨后汽車主機(jī)廠提供一款新車型具有相似結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定桿加強(qiáng)板（簡(jiǎn)稱B板）給模具企業(yè)開(kāi)發(fā)。模具企業(yè)借鑒A板改至A1板的經(jīng)驗(yàn)，在B板沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，采用過(guò)拉深的工藝方法，在拉深工序放大立壁斜度和上下部的成形圓角以保證其成形性；以平緩角度修邊后再將零件整形到位，避免陡峭的立切；優(yōu)化修邊工序的沖壓方向以改善零件的沖裁性；把立壁整形與邊緣翻邊工序復(fù)合，省去了A板及A1板沖壓工序中的局部修邊工序，獲得了優(yōu)良的零件質(zhì)量和更高的生產(chǎn)效益。A板、A1板及B板零件形狀及差異如表1所示。

表1 零件形狀及差異

1 A板結(jié)構(gòu)及模具改制

1.1 A板結(jié)構(gòu)改制

A板材質(zhì)為SAPH440, 料厚為2.0 mm，零件原結(jié)構(gòu)如圖1所示，成形高度約80 mm,拉深時(shí)高度尺寸相對(duì)凸模分模線的輪廓尺寸較大，成形困難。在立壁上增加避讓形狀后，由于避讓形狀的成形屬于局部成形，在臨近模具完全閉合時(shí)，該區(qū)域材料難以從已經(jīng)產(chǎn)生大變形的立壁周邊得到材料補(bǔ)充，局部變薄甚至開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)加大，因而如何在原有工序中成形避讓形狀是沖壓工藝的關(guān)鍵。

圖1 A板零件結(jié)構(gòu)

為了論證零件結(jié)構(gòu)變化方案的可靠性，需要將零件結(jié)構(gòu)變化和沖壓可行性認(rèn)證關(guān)聯(lián)考慮。汽車主機(jī)廠提供了干涉件軸套的極限位置以供模具企業(yè)作為設(shè)計(jì)約束，如圖2所示，軸套與A板的干涉位置在陡峭立壁附近，原零件的空間安全裕度約為4 mm，考慮行駛時(shí)穩(wěn)定桿姿態(tài)的不同，該空間安全裕度不足。由于在A板立壁上進(jìn)行避空設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮空間安全裕度和成形性關(guān)系，在保證成形可行的前提下盡可能加大避空尺寸。零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證汽車主機(jī)廠提出的最小安全裕度為10 mm的要求，先將軸套外表面向外偏置5 mm作為極限位置，然后垂直向下延伸偏置面與零件底部面相交，以該相交線作為拉深面的截面線，按照與拉深方向成8°～10°的拔模角，設(shè)計(jì)拉深面作為避讓形狀的主體面，再與周邊形狀匹配連接，倒圓角后零件的形狀如圖3、圖4所示，最終使零件避讓空間安全裕度增加到13 mm左右。

圖2 A板的安全裕度

圖3 避讓面設(shè)計(jì)

圖4 A1板安全裕度

1.2 A1板裝車驗(yàn)證

在零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)最終確定前，需要對(duì)零件結(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。為了得到穩(wěn)定的樣件，模具企業(yè)采用簡(jiǎn)易成形模成形避讓形狀。由于是在A板沖壓件上壓制避讓形狀，為了保證簡(jiǎn)易成形模的壓料效果及成形的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)易成形模采用圖5所示的沖壓角度，成形角度為敞開(kāi)的“V”形，相對(duì)原工藝成形角度更為平坦，但無(wú)法與原量產(chǎn)模具的成形角度一致，因而簡(jiǎn)易成形模成形的樣件只能驗(yàn)證零件改動(dòng)后的結(jié)構(gòu)是否滿足裝車需求。簡(jiǎn)易成形模壓制50套樣件，裝車后沒(méi)有發(fā)生異響，確認(rèn)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的零件結(jié)構(gòu)可以滿足裝車要求。樣件成形時(shí)沒(méi)有考慮量產(chǎn)零件的沖壓工藝性，以下將分析量產(chǎn)沖壓成形的可行性。

圖5 A1板簡(jiǎn)易成形模

1.3 A板沖壓工藝分析及模具結(jié)構(gòu)改制

由于A板已有模具量產(chǎn)，為了節(jié)約成本，工藝設(shè)計(jì)時(shí)保持了A板原有的沖壓工序，如表2所示。為了分析模具改進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)，需要考慮如何把避讓形狀分解到原沖壓工序中。一種方案是在一道工序內(nèi)完成避讓形狀的成形，且盡可能安排在靠后的工序，考慮模具改進(jìn)的方便性，嘗試把避讓形狀全部放在工序③整形完成，拉深模不用改進(jìn)，工序③以后的模具增加避讓空間即可，這樣模具的改進(jìn)工作量最小；另一種方案是把避讓形狀全部放在拉深工序完成，其它后續(xù)工序模具增加避讓空間即可，模具改進(jìn)的工作量也相對(duì)較小。對(duì)這2種方案進(jìn)行沖壓仿真分析，都產(chǎn)生圖6所示的成形開(kāi)裂。嘗試將避讓形狀分解在工序②拉深和工序③整形中分步成形，由拉深工序預(yù)成形一部分形狀，在整形工序中實(shí)現(xiàn)最終成形，經(jīng)過(guò)分配成形量的嘗試，借助沖壓成形仿真分析，優(yōu)化的分步成形方案消除了成形開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，工藝優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖7所示。確認(rèn)改進(jìn)的零件結(jié)構(gòu)和成形性可行后，汽車主機(jī)廠將A板的改進(jìn)形狀做了最后的確認(rèn)，相應(yīng)的模具企業(yè)對(duì)A板的原拉深模、整形模的型面進(jìn)行了修改，在后工序模具設(shè)計(jì)避讓空間，修改后的模具能夠滿足批量生產(chǎn)。

續(xù) 表

表2 A板與A1板及B板成形工序

圖7 避讓形狀分步成形仿真結(jié)果

A板改成A1板形狀也考慮了高強(qiáng)板的成形性和沖裁性，如圖8所示，拉深工序在區(qū)域1的立壁進(jìn)行過(guò)拉深處理，拉深立壁向外移動(dòng)并加大拔模角度，拉深凸模圓角相對(duì)零件放大，先成形零件的主體形狀，再經(jīng)整形及翻邊工序得到最終形狀，改善了拉深的成形性及修邊的工藝性；左右件拼接區(qū)域4平緩連接以加大修邊的平緩性。原A板的沖壓工藝存在優(yōu)化空間，成形性可以通過(guò)拉深毛坯工藝孔的設(shè)置來(lái)改善，拉深立壁修邊角度可以通過(guò)調(diào)整成形工序和優(yōu)化成形型面進(jìn)一步優(yōu)化，并可以減少修邊工序。模具的改進(jìn)都是基于原有的工藝和模具，除了避讓形狀的差異，A板和A1板的沖壓工序及工序內(nèi)容相同，A1板采用分步成形實(shí)現(xiàn)了避讓形狀的安全成形。

（1）工序①落料沖孔。A板與A1板拉深毛坯相同，毛坯設(shè)置3個(gè)異形工藝孔，有利于中間材料向兩側(cè)流動(dòng)，減小開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工藝驗(yàn)證，帶工藝孔的板料比不帶工藝孔的板料在對(duì)稱方向上能節(jié)省材料，有利于材料利用率的提升?？紤]A1板上增加了避讓形狀，毛坯大端的最大工藝孔的孔形及位置有優(yōu)化的空間，但需要改動(dòng)現(xiàn)有的落料沖孔模結(jié)構(gòu)，致使修改成本高，故對(duì)拉深毛坯不做修改。

（2）工序②拉深。該工序采用成對(duì)拉深，對(duì)稱區(qū)域4以平緩的型面拼接，區(qū)域1所在立壁由中心向外擴(kuò)并放大上下圓角（過(guò)拉深方式）成形A板及A1板的大致形狀，然后通過(guò)整形翻邊工序使其成形到位；拉深工藝的修邊線都在有利于修邊的平緩型面上，以避免陡峭角度的沖切。A1板成形避讓形狀時(shí)，采用分步成形，在該工序預(yù)成形避讓形狀的部分形狀，在工序⑤整形翻邊中再成形到位。

（3）工序③整形。該工序中區(qū)域2、3所示的2處翻邊的附著面整形到位，有利于工序⑤整形翻邊能夠在附著面成形完畢并在穩(wěn)定壓料的狀態(tài)下成形。

（4）工序④修邊切開(kāi)。采用2組封閉的修邊刀口分切得出獨(dú)立的左右工序件，該工序不足之處在于拉深立壁區(qū)域被整形到零件形狀，使得產(chǎn)生陡峭的立壁修邊。經(jīng)分析該工序的沖壓方向可以按沖切規(guī)范放緩6°～10°以改善沖裁質(zhì)量，并延長(zhǎng)模具使用壽命。

（5）工序⑤整形翻邊。該工序完成圖8所示區(qū)域2、3的2處翻邊及區(qū)域4（左右零件的對(duì)接部位）的整形，2處翻邊的附著面已經(jīng)在工序③完成，成形比較穩(wěn)定。區(qū)域4左右零件的對(duì)接部位的整形在工序⑤整形中完成，是為了減緩工序④該部位的斜切角度，區(qū)域1立壁區(qū)域在工序③已完成整形。

圖8 A1板沖壓成形工序

（6）工序⑥修邊。完成A板及A1板區(qū)域1的精修邊，該工序設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化，可以取消該工序或是將該工序與工序⑦沖孔復(fù)合，但修邊需要采用斜楔，另外該工序?yàn)榱艘云骄徑嵌葲_切，將沖壓角度作了接近90°的旋轉(zhuǎn)，但這不利于自動(dòng)化生產(chǎn)。

（7）工序⑦沖孔。完成A板及A1板的所有孔的加工，沖孔凹模除2個(gè)孔共用一個(gè)凹模鑲件外，其余都采用標(biāo)準(zhǔn)的凹模鑲件，便于快換。參考工序⑥修邊的工藝分析，可以考慮將工序⑥及工序⑦合并，但須使用斜楔修邊，且斜楔修邊處因空間有限無(wú)法采用標(biāo)準(zhǔn)凹模鑲件。

2 B板沖壓工藝及模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

汽車主機(jī)廠在另一款車型開(kāi)發(fā)中，參照A1板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了新款穩(wěn)定桿加強(qiáng)板（B板）（見(jiàn)表1），B板與A1板結(jié)構(gòu)相似，采用了相同的避讓形狀。由于模具是新開(kāi)發(fā)，B板的沖壓工藝及模具開(kāi)發(fā)借鑒A1板的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)工藝研討及沖壓仿真分析驗(yàn)證，確定了B板的沖壓工序?yàn)?道（見(jiàn)表2），B板沖壓工藝要點(diǎn)如圖9所示。

（1）工序①落料沖孔。通過(guò)沖壓成形模擬對(duì)工藝孔的個(gè)數(shù)、大小及位置進(jìn)行了優(yōu)化，將原拉深毛坯上直排的3個(gè)工藝孔改為4個(gè)，其中2個(gè)側(cè)向孔的位置更靠近圖9所示的區(qū)域1，使材料更容易流向避讓形狀附近及大端頭立壁圓角區(qū)域，減少開(kāi)裂和過(guò)渡變薄風(fēng)險(xiǎn)。

（2）工序②拉深。拉深工序繼承了原工藝方法，以過(guò)拉深方式放緩型面及放大圓角來(lái)成形B板的基本形狀，避讓形狀在拉深工序完成部分形狀，為工序③整形及工序⑤整形翻邊留有整形余量，目的是使大變形量分解在工序②拉深與工序③整形實(shí)現(xiàn)，同時(shí)滿足修邊線在有利于修邊的平緩型面上，避免了陡峭沖切。

（3）工序③整形。完成除標(biāo)識(shí)的區(qū)域1、4外的其它標(biāo)識(shí)區(qū)域的零件形狀，包括避讓形狀加工到零件位置，與A1板不同的是，區(qū)域1所示的立壁形狀在該工序不整形到零件形狀，給工序④修邊提供更平緩的沖切角度，修邊完成后在工序⑤整形翻邊成形到位，但需要在該工序型面區(qū)域1附近抓取工序④的修邊線，修邊線由沖壓成形仿真逆向計(jì)算確定并在調(diào)試中修正。

（4）工序④修邊切開(kāi)。采用2組封閉的修邊刀分切出左右工序件，與A1板不同的是，B板該工序的沖壓方向比工序②、③、⑤的沖壓位置向沖切角度放緩了8°左右，區(qū)域1所示的立切部位沒(méi)有整形到零件位置，以利于改善修邊條件，該工序不留精修邊量給后工序，這樣使惡劣的修邊角度由A1板的20°左右改善到30°左右，節(jié)省了A1板的精修邊工序。經(jīng)過(guò)修邊線優(yōu)化反算，在工序③整形的型面的區(qū)域1附近抓取修邊線，如圖9所示。

圖9 B板沖壓工藝要點(diǎn)

（5）工序⑤整形翻邊。該工序完成4個(gè)標(biāo)識(shí)區(qū)域的整形和翻邊，常規(guī)的翻邊工藝一般是將翻邊的附著面先成形到位后再進(jìn)行翻邊，即附著面成形與基于該面上的翻邊一般不安排在同一工序成形。與A1板不同的是B板區(qū)域1的立壁是在該工序整形到零件形狀，成形過(guò)程中會(huì)使區(qū)域2的翻邊附著面的材料處于流動(dòng)狀態(tài)，需要對(duì)壓料及翻邊的穩(wěn)定性進(jìn)行研討，同時(shí)也需要抓取修邊線的位置。經(jīng)沖壓成形模擬，這2個(gè)區(qū)域的整形和翻邊可以復(fù)合在同一工序成形，復(fù)合成形的過(guò)程如圖10所示，復(fù)合成形區(qū)域的修邊線通過(guò)沖壓模擬反求得到，并滿足成形零件的尺寸精度。

圖10 B板工序⑤整形翻邊復(fù)合成形

（6）工序⑥沖孔。在該工序完成所有的沖孔以保證零件的孔位精度，也考慮把B板區(qū)域1對(duì)應(yīng)A1板工序⑥的局部精修與沖孔復(fù)合，這樣B板工序④此區(qū)域修邊只需粗修邊即可（不需要抓取修邊線）。但考慮局部修邊需要采用斜楔，且修邊刀口與沖孔刀口較近，無(wú)法采用快換式的凹模鑲件，不便于模具的制造與維修，另外采用斜楔會(huì)帶來(lái)定位和取件的不方便，采用的壓力機(jī)臺(tái)面尺寸和模具尺寸都會(huì)加大，因而將工序⑥定為單工序沖孔更為合適。

3 結(jié)束語(yǔ)

穩(wěn)定桿加強(qiáng)板沖壓工藝及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化涉及的一些工藝方法，如過(guò)拉深、分步成形、整形與翻邊復(fù)合成形和工序間的銜接方法對(duì)高強(qiáng)酸洗板零件的沖壓工藝開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒作用，上述案例還應(yīng)用了同步開(kāi)發(fā)的方法，把零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化同沖壓工藝及模具的優(yōu)化有機(jī)關(guān)聯(lián)，提高了零件的開(kāi)發(fā)速度和質(zhì)量，這種模具制造商與主機(jī)廠緊密合作的同步開(kāi)發(fā)工作模式也值得在行業(yè)內(nèi)推廣。