汽车大型冲模结构设计分析

摘要：对于高服役强度的汽车大型冲压件模具，生产过程和成形质量的稳定性尤为重要，可通过模具组件的标准化提高设计效率，节约模具制造成本，通过对压料板动力源的设置、更改斜楔及刀块角度、斜楔限位块、翻边举升器设置等关键控制点进行优化，可缩短模具开发周期，提高生产稳定性。

关键词：服役强度；冲模；结构设计；斜楔

冲压件是构成汽车车身的关键零部件，尤其是大型冲压件，其结构形状复杂、模具开发周期长，直接影响整车开发周期及开发成本。在生产过程中，由于冲压件生产节拍快，普遍在8次/min以上，甚至达到12次/min，对模具零件材料和结构设计要求较高。国外根据汽车年产量对模具进行划分，不同服役强度的模具结构和材质往往不同，达到差异化生产以降低模具开发成本。国内模具尤其是汽车大型冲模技术来源主要是日本、韩国等地，因此在模具设计和标准使用上大都是沿用日本标准，通用性和多样化的特点较明显，一般量产车型的生产应用较普遍。但对于年产量30万辆以上的车型，其模具服役强度要求更高，对模具生产和产品质量提出了更高的要求，需在模具开发策略和模具结构上进行创新和优化。

1汽车冲压件

图1所示为汽车覆盖件的典型冲压零件，一般每个车型的大型冲压件包括PA（厂内生产零件）和PB（外协生产零件）两类，共约20个。当车型切换时，其中大部分零件都需要重新开发。

2模具零件强度分析

汽车大型冲压件冲模开发周期长，对于模具零件强度的分析尤为重要。但国内模具企业对于模具工作过程中的受力分析涉及较少，对于肋板厚度等数据常来源于手册或经验，缺乏定量分析。现模具零件材料选用QT600，导入Workbench软件中建立有限元模型，如图2所示。模具设计中封闭高度和肋条高度对模具零件刚性影响较显著。通过改变模具零件高度、型面壁厚和肋条高度3种方案，进行数值模拟，以分析不同参数变化对模具零件刚性和受力状态的影响，如图3所示。2.1模具零件变形量。图4所示为3种方案的模具零件变形量。方案1中模具零件最大变形量为0.055mm；方案2中模具零件最大变形量为0.042mm，发生在凹模侧，形成长条状肋板的部位；方案3中模具零件最大变形量为0.069mm，发生在凹模侧。2.2模具零件应力分析。图5所示为3种方案模具零件所受的等效应力。方案1中模具零件整体应力在30MPa左右，模具零件等效应力最大为62.692MPa，发生在上模外侧肋板部位；方案2中模具零件等效应力最大为48.262MPa，发生在上模外侧肋板部位，模具零件整体应力在20MPa左右；方案3中模具零件应力最大为50.01MPa，发生在肋板处，模具零件整体应力在20MPa左右。

3模具结构优化

由于汽车冲模结构复杂，部件多，除了对模具本体结构进行分析和优化，还需进行其他主要工作部件的结构优化，对于提高模具服役性能也具有重要意义。3.1模具镶件结构。对于轮罩等深拉深零件，由于大批量生产容易产生拉伤，为了提高模具服役性能，采用模具钢镶件式替代传统的整体式球墨铸铁模具，如图6所示。3.2压料动力源布置。冲压生产中，切边、翻边、整形等工序需要采用压料板和动力源进行压料。通常在量产零件中，车型量产后一段时间会出现零件尺寸变异，进行问题排查后发现压料板运动不稳定是导致该问题的主要原因。氮气缸最初布置如图7（a）所示，压料氮气缸数量较少、单个氮气缸压力大，虽然总压料力满足成形要求，但布置较为分散，一旦压料板运动不稳定，难以压稳零件，容易导致成形过程不稳定，影响零件量产质量。采用Ansys有限元软件对模具受力位置进行优化，采用多个小氮气缸提供压料力，使压料板受力点更多、压料更平稳，如图7（b）所示。3.3斜楔结构优化。对于大批量成形冲压件的冲模，斜楔反复运动，与限位块频繁冲击，易导致限位块磕碰损坏，对于高服役强度的模具尤为明显。可在斜楔运动上、下止点分别设置镶件限位块，以便于维修和更换，镶件采用耐磨耐冲击的钢材制造，其中上止点镶件设置有橡胶或氮气缸等弹性元件，如图8所示。考虑斜楔刀块成形时的受力情况，优化斜楔刀块与斜楔方向（运动或成形方向）的角度。斜楔刀块与斜楔成形方向按同一角度布置，如图9（a）所示的布置方式可承受较大的冲击力。模具设计时应避免图9（b）所示的安装方式，由于刀块与斜楔运动方向平行，成形过程中受到倾覆力矩作用，易出现跳动现象，影响生产和成形件质量的稳定性。由于模具服役强度高，需及时进行模具维护保养以确保模具上线生产时能处于较好的状态，模具设计时应确保不用先拆斜楔也能取下压料板的结构。图10（a）所示斜楔滑块处于复位位置，与压料板有间隙，一般间隙大于5mm，压料板易于取出；图10（b）所示斜楔滑块在复位位置时，与压料板无间隙，需先拆卸斜楔滑块才能拆卸压料板，由此导致模具拆装时间长，效率低。3.4举升器布置。冲压翻边时，带曲线的区域和角落易发生零件被卡在凸模的情况，需在卡滞区域布置翻边举升器。（a）所示，由于冲压件轮廓线上的翻边高度不一致，如举升器设置在翻边高度变化较大的区域，则举升器顶起零件不同步可能会导致零件变形。图12（b）所示第一举升器先顶起板料，当零件一侧被顶出凸模后第二举升器才顶起板料，如图12（c）所示，此时板料被顶出变形。因此，翻边举升器应布置在翻边长度基本一致的位置，每个举升器到板料的距离之间差值不大于5mm。（a）翻边结束（b）第一举升器顶起板料（c）第二举升器顶起板料1.板料2.凸模3.第二举升器4.第一举升器4结束语通过数值模拟，模具结构的变化对模具刚性和受力存在相关性。模具高度增加可使模具的变形量和等效应力同时下降，其中最大变形量减少24%，最大等效应力下降23%。因此适当增加模具封闭高度对提高模具刚性具有显著效果。对模具服役强度进行分析和评估，采取优化模具结构设计确保模具持续稳定生产。优化结构设计的模具用于某车型生产，平均月产量5.4万台，单月峰值8万台，日产量2600台。解决措施有效，部分模具使用寿命达到200万冲次仍在正常使用。为节省开发成本，提高开发效率，持续推进大型冲模结构标准化，典型应用包括导向组件参数标准化、顶盖天窗切换结构标准化、翼子板旋转斜楔标准化、侧围A柱侧整斜楔标准化、侧围顶部侧整斜楔标准化、发罩外板前端侧翻斜楔的标准化等。大型冲模包含导向部件、存放部件和限位部件的设计和使用十分普遍，如导柱导套、氮气弹簧、限位块等都进行标准化和系列化，根据成形零件尺寸和大小可直接调用，节省设计和制造时间。

作者:李恒佰 李开文 韦韡 张峰 张大强 单位:上汽通用五菱汽车股份有限公司