一种多零件组合冲压工艺方案及其模具设计

一种多零件组合冲压工艺方案及其模具设计

同步项目，又称同时项目或同时项目，是一种鼓励开发人员从概念形成到整个产品生命周期的所有因素的系统方法。冲压成本控制是一项复杂且及其重要的技术工作，而进行材料利用率优化特别是车身造型和零件设计之初时的优化工作，更显得尤为突出。常用的提升材料利用率的手段包括但不限于局部调整零件形状本文以本公司开发的某商用车整车车型项目为依托，从开发的281个钣金件中甄选出某车门左右后视镜加强板和前遮阳罩中间安装板，共计为6个不同形状的单个零件，从产品设计初期进行介入，通过优化单个零件的造型，实现了6件组合成一个“整体”的多零件组合工艺设计及生产。该多零件组合的工艺及其模具结构已经在实际生产中得到良好验证，且已获得国家发明专利授权1项。1优化零件的过程1.1零件分析和工艺分析多零件组合的冲压工艺方案在甄选零件方面需要遵循以下原则：(1）对称性。白车身开发中左右件成双较多，而较大多数左右件的造型是对称或近乎对称的，因此左右件天然的满足可“组合”。(2）嵌套性。单纯的对称排列方式或并排排列方式适用于2个零件的组合，若多于2个零件的组合必然存在第3种（或第N种）零件嵌套于其中。一般而言，嵌套零件尺寸较小，能够占据被嵌套零件的废料区域。(3）组合后良好的工艺性。单一零件可以通过不同的工艺方案实现良好的工艺性，但多零件组合后成形条件变得复杂，又要受模具套数压缩的限制，因此要对组合后的工艺性加大关注。基于此，某商用车整车项目共281个钣金件，其中左右对称件97对，具备以上条件的零件经冲压同步工程人员选择后如图1所示，为某车型左车门后视镜加强板零件，右侧件与之对称。左件零件尺寸为955mm×230mm×70mm，板料材质为B210P1，板料料厚0.8mm。如图2所示为左车门后视镜加强板的有限元分析示意图。零件自身整体的成形性良好，但局部R角通过模拟软件分析有开裂风险，因此需继续跟进局部R角的造型变更。该件具有明显的C型造型，使得单个零件的材料利用率不高。常规的冲压工艺排布思路是，将左右件进行两件合并生产，以此节约板材坯料和模具套数。如图3所示为左右两件对排组合后的示意图。按照对排组合的左右车门后视镜加强板冲压方案为：第一序为拉延成形；第二序为修边、冲孔；第三序为修边、冲孔、分离。总模具套数共为3副。对排组合的左右两件有限元分析示意图如图4所示，通过分析结果表明，两件的中间区域出现较多的工艺废料，面积约为800mm×240mm，该部分材料在拉延过程中参与变形，在后工序被切掉，造成材料的浪费如图5所示为前遮阳罩中间安装板，共计4件，零件均匀安装于该车型前顶盖外板上，单车用量为一车四件。零件材质为DC01，板料料厚0.8mm。安装板1的零件尺寸为152mm×78mm×30mm，展料后坯料尺寸为155mm×81mm，其他三件与之整体造型类似，但空间曲率不同，边界尺寸也不同，展开后坯料尺寸分别为154mm×81mm、154mm×82mm、155mm×82mm。坯料的长宽最大差异1.0mm，在设计的通用化上具有可优化空间。单个的前遮阳罩中间安装板的冲压工艺方案为：第一序为落料冲孔；第二序为成形；4件的总模具套数共计为8副。1.2零件冲孔与方案对接通过对以上6个零件的初步分析，运用同步工程的原理发现，目前存在的问题有：(1)6个零件料厚相同，但材质等级不同，无法进行组合。需结合零件的功能要求、材料成形极限分析进行材质的统一。(2）左右车门后视镜加强板局部R角存在拉延开裂，需要进行必要的造型优化变更工作。(3）左右车门后视镜加强板零件合并后存在一块面积为800mm×240mm的工艺废料区，该区域宽度方向240mm远远大于前遮阳罩中间安装板零件的长度尺寸，即4个前遮阳罩中间安装板嵌套进左右车门后视镜加强板的废料区域后，仍未填满，因此该6件组合的材料利用率还有提升空间。(4)4个前遮阳罩中间安装板造型不同，尺寸不同，有必要进行通用化设计，降低模具开发成本，提升冲压零件的通用性。针对以上问题，冲压同步工程人员通过工程设计变更申请，与零件设计者进行方案对接，做出了第一次优化成果。左右车门后视镜加强板零件保持材质料厚不变，对冲压成形风险区进行R角优化，但由于产品的功能性要求，零件的造型曲面变得复杂，冲孔数量由5个增加到9个，考虑到左右件组合的废料区域较大，在原始数据宽度的基础上减少了30mm，优化后的左车门后视镜加强板尺寸为955mm×200mm×70mm，右件与之对称修改，如图6所示。前遮阳罩中间安装板经过优化做成通用零件，变更后的前遮阳罩中间安装板零件尺寸为152mm×68mm×5mm，为了能够嵌套进左右车门后视镜加强板内部，材质由DC01变更为B210P1，料厚保持0.8mm不变，零件冲孔数量由4个增加到5个，其中安装孔共计4个，两两一组，冲孔的法向由20°变更为0°。一次优化后冲压同步工程人员将变更后的前遮阳罩中间安装板嵌套进左右车门后视镜加强板后，发现中间工艺废料区域被利用上，可以实现6个零件的组合拉延，但在进行第二序的修边工序时，发现前遮阳罩中间安装板零件的止口边与拉延冲压方向平行，无法实现正修边。如图8所示。因此，在综合考虑各件之间修断刀块最小距离的情况下，冲压同步工程人员对零件再次提出变更申请。二次优化后，前遮阳罩中间安装板在原数据基础上增加了3mm的法兰边，截面图示如图9所示，可以满足零件的正修边工艺要求。经过冲压同步工程人员两个轮次的变更申请，最终的多零件组合示意图如图10所示。该多零件组合的有限元分析结果如图11所示，满足材料的成形要求。2组合工艺方案冲压工艺方案设计是影响零件最终品质的最关键的因素，工艺方案直接决定着产品的质量和使用功能，而且会影响到模具生产成本。工艺方案的确定过程也就是模具设计方案的确定过程。一般来说，在制定生产工艺方案时，冲压工序越少，零件定位精度就越高，前期模具工装开发成本及后期生产成本越低进行该多零件组合的冲压工艺规划排布时遵循的要点是：首先在充分的计算模拟基础上，保证零件在进行拉延时拉伸充分，无开裂、起皱等冲压缺陷的产生。同时由于组合排布后整形工序很难实施，务必在拉延时使得材料达到合格的材料减薄状态。相比较传统的修边模具工艺规划，拉延后要冲裁分离与修边相对应的冲孔工作内容，是加工零件上的各种安装孔、过孔、工艺连接孔等孔洞，进行冲孔分配时要兼顾模具结构的空间和受力状态，统筹考虑。将上述6件进行组合排布之后，冲压工艺方案为第一序拉延成形；第二序为修边、冲孔；第三序为修边、冲孔、分离。冲压工艺方案和模具设计是紧密相关的，合理有效的工艺方案结合可行性模具结构使用可以使冲压件生产的工序步骤减少，以该多零件组合的冲压件开发为例，通过工艺优化将11序生产降低到3序生产，减少了8副模具的开发，同时节约了生产冲次费用17.7元/次。下面重点描述该多零件组合的冲压工艺方案。2.1拉延筋的生产加工如图12所示，第一序OP10为拉延工序，该产品坯料为方料，为保证坯料充分成形，避免拉延起皱、开裂等问题发生，在其产品周圈设置工艺补充面，并在四周增加拉延筋。该拉延筋为完全封闭的周圈拉延筋，通过改变拉延筋的形状、大小来实现控制拉延成形过程中坯料流动的速度，从而达到控制拉延成形的效果。对于左右件组合生产的形式，为了生产时对零件加以区分，需要在拉延成形工序增加“L”、“R”标记，标记的位置一般选择在零件的平坦处，这样压出来的标记清晰充分。左右标记也和两处“JAC”标记一同，起到了判断零件是否成形到底的作用。模具的定位基准孔，又称为C/H孔，是模具研合时用于零件与模具之间定位的基准，设定在零件平坦不易变形且在成形过程中没有活动块的部位。在本工序的设计中，呈对角布置了两个C/H孔。由于坯料形状为规整的长方形，因此采用的定位方式：四条边定位。2.2零件冲裁处理如图13所示，第二序OP20主要工作内容为部分修边+冲孔，具体为：部分修边是指在送料方向的法向进行废料分离，而保留了送料方向上的废料，这样设置的目的是为了保证该工序压料芯有足够的结构强度，保留的废料也能对该工序完毕后的工序件的结构进行支撑，从而保证工序间流转时的稳定性。冲孔包含两部分内容，一部分针对左右车门后视镜加强板上的功能孔进行冲裁，共计18个。这样可以保证同一零件上的功能孔之间的相对距离是固定的，便于成品零件精度的管控和整改，同时由于这些功能孔均匀分布在该组合体的周圈，也有利于模具结构的空间布置和冲孔废料的排出。另一部分针对该组合体的中间区域，冲裁左右车门后视镜加强板与4个前遮阳罩中间安装板之间的异形孔，共计5个。该5个异形冲孔呈间隔式分布，方便了修边模具压料芯的布筋，保障了模具的结构强度。由于6件的产品型面比较复杂，完全满足该工序的定位要求，因此第二序OP20产品定位方式采用型面定位即可。2.3废水冲裁回收如图14所示，第三序OP30主要工作内容为部分修边+冲孔，同时将该组合体的6个单个零件进行分离。该序具体工作内容如下：部分修边是针对第二序OP20保留的废料区进行废料切断，为了使得废料的顺利滑落，废料切断的中间部位布置一处废料刀，将废料长度控制在350mm之内。冲孔包含两部分内容，一部分针对4个前遮阳罩中间安装板零件上的功能孔冲裁，共计20个。另一部分为分离目的的异形孔冲裁，共计10个。通过异形冲孔的冲裁将该组合体的6个零件完全分离，得到最终产品。第三序OP30产品定位方式依然采用型面定位即可。3模具结构与工艺设计合理的冲压工艺方案设计对模具设计及后期产品质量、生产方便性等具有指导性意义，而模具结构是工艺实现的载体，因此，如何运用模具结构等实现工艺设计也尤为重要。3.1拉延凹模及压边圈的型面部分设计如图15所示为第一序拉延模具轴测图，该拉延模具由拉延凹模、拉延凸模、压边圈、下模座四大部分组成。该工序的结构设计要点叙述如下。针对该多零件组合的材质特点，拉延凹模及压边圈的型面部分需采用了镶块式，通过不同的镶块拼装增强了模具的调试灵活性以及替换性为满足初始坯料的定位精确，压边圈上需设置有可调节的侧向定位板和法向定位板，从X向和Y向调节放料位置。拉延凸模与下模座采用分体式结构，拉延凸模通过螺销钉安装在下模座上，相比较整体式下模的结构，工装成本大大降低。3.2修边凸模镶块的利用如图16所示为第二序修冲模具轴测图，该工序的模具主要是由下模座、上模座、压料芯三部分组成。该工序模具的独特之处在于：下模座上安装的若干个分体式修边凸模镶块，组合方便，维护成本低，分体式定位修边凸模镶块如图17所示，采用单边刃口进行修边工作，型面部分采用全符型形式为零件提供定位作用，同时由于该处废料的保留，为下一工序的冲孔工作提供了零件定位支撑。预分离修边凸模镶块如图18所示，安装于下模座上，采用两边刃口的形式对6件之间的废料部分进行冲裁，实现修边的工作完成，同时保证了废料的排出空间。上模座上安装有若干个冲头组件及分体式修边刀块、预分离修边刀块，组装方便，调试简洁，有效的利用了模具空间，保证了镶块的强度。3.3修边凸模镶块安装如图19所示为第三序修冲分离模具轴测图，该工序的模具主要是由下模座、上模座、压料芯三部分组成。该工序模具的独特之处在于：下模座上安装的若干个分体式修边凸模镶块，组合方便，维护成本低，分体式分离凸模镶块如图20所示，采用双边刃口形式对上一工序遗留下的废料部分进行冲裁，实现废料和零件成品的分离，同时全符型的型面处理方式保证了前遮阳罩中间安装板的生产放置及人工流转。上模座上安装有若干个分体式修边刀块、分体式分离刀块，组装方便，调试简洁，有效的利用了模具空间，保证了镶块的强度。经三副模具的调试后，最终实现了左右车门后视镜加强板和前遮阳罩中间安装板共计6件的成品生产。如图21所示。4多零件组合的增压工艺综上所述，冲压同步工程的提前介入，不仅对冲压单一零件的工艺性有优化作用，更能运用该原理对多个零件进行组合方案规划。本文