汽車大型沖模結構設計分析

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摘要：對于高服役強度的汽車大型沖壓件模具，生產過程和成形質量的穩定性尤為重要，可通過模具組件的標準化提高設計效率，節約模具制造成本，通過對壓料板動力源的設置、更改斜楔及刀塊角度、斜楔限位塊、翻邊舉升器設置等關鍵控制點進行優化，可縮短模具開發周期，提高生產穩定性。

關鍵詞：服役強度；沖模；結構設計；斜楔

沖壓件是構成汽車車身的關鍵零部件，尤其是大型沖壓件，其結構形狀復雜、模具開發周期長，直接影響整車開發周期及開發成本。在生產過程中，由于沖壓件生產節拍快，普遍在8次/min以上，甚至達到12次/min，對模具零件材料和結構設計要求較高。國外根據汽車年產量對模具進行劃分，不同服役強度的模具結構和材質往往不同，達到差異化生產以降低模具開發成本。國內模具尤其是汽車大型沖模技術來源主要是日本、韓國等地，因此在模具設計和標準使用上大都是沿用日本標準，通用性和多樣化的特點較明顯，一般量產車型的生產應用較普遍。但對于年產量30萬輛以上的車型，其模具服役強度要求更高，對模具生產和產品質量提出了更高的要求，需在模具開發策略和模具結構上進行創新和優化。

1汽車沖壓件

圖1所示為汽車覆蓋件的典型沖壓零件，一般每個車型的大型沖壓件包括PA（廠內生產零件）和PB（外協生產零件）兩類，共約20個。當車型切換時，其中大部分零件都需要重新開發。

2模具零件強度分析

汽車大型沖壓件沖模開發周期長，對于模具零件強度的分析尤為重要。但國內模具企業對于模具工作過程中的受力分析涉及較少，對于肋板厚度等數據常來源于手冊或經驗，缺乏定量分析?，F模具零件材料選用QT600，導入Workbench軟件中建立有限元模型，如圖2所示。模具設計中封閉高度和肋條高度對模具零件剛性影響較顯著。通過改變模具零件高度、型面壁厚和肋條高度3種方案，進行數值模擬，以分析不同參數變化對模具零件剛性和受力狀態的影響，如圖3所示。2.1模具零件變形量。圖4所示為3種方案的模具零件變形量。方案1中模具零件最大變形量為0.055mm；方案2中模具零件最大變形量為0.042mm，發生在凹模側，形成長條狀肋板的部位；方案3中模具零件最大變形量為0.069mm，發生在凹模側。2.2模具零件應力分析。圖5所示為3種方案模具零件所受的等效應力。方案1中模具零件整體應力在30MPa左右，模具零件等效應力最大為62.692MPa，發生在上模外側肋板部位；方案2中模具零件等效應力最大為48.262MPa，發生在上模外側肋板部位，模具零件整體應力在20MPa左右；方案3中模具零件應力最大為50.01MPa，發生在肋板處，模具零件整體應力在20MPa左右。

3模具結構優化

由于汽車沖模結構復雜，部件多，除了對模具本體結構進行分析和優化，還需進行其他主要工作部件的結構優化，對于提高模具服役性能也具有重要意義。3.1模具鑲件結構。對于輪罩等深拉深零件，由于大批量生產容易產生拉傷，為了提高模具服役性能，采用模具鋼鑲件式替代傳統的整體式球墨鑄鐵模具，如圖6所示。3.2壓料動力源布置。沖壓生產中，切邊、翻邊、整形等工序需要采用壓料板和動力源進行壓料。通常在量產零件中，車型量產后一段時間會出現零件尺寸變異，進行問題排查后發現壓料板運動不穩定是導致該問題的主要原因。氮氣缸最初布置如圖7（a）所示，壓料氮氣缸數量較少、單個氮氣缸壓力大，雖然總壓料力滿足成形要求，但布置較為分散，一旦壓料板運動不穩定，難以壓穩零件，容易導致成形過程不穩定，影響零件量產質量。采用Ansys有限元軟件對模具受力位置進行優化，采用多個小氮氣缸提供壓料力，使壓料板受力點更多、壓料更平穩，如圖7（b）所示。3.3斜楔結構優化。對于大批量成形沖壓件的沖模，斜楔反復運動，與限位塊頻繁沖擊，易導致限位塊磕碰損壞，對于高服役強度的模具尤為明顯?？稍谛毙ㄟ\動上、下止點分別設置鑲件限位塊，以便于維修和更換，鑲件采用耐磨耐沖擊的鋼材制造，其中上止點鑲件設置有橡膠或氮氣缸等彈性元件，如圖8所示?？紤]斜楔刀塊成形時的受力情況，優化斜楔刀塊與斜楔方向（運動或成形方向）的角度。斜楔刀塊與斜楔成形方向按同一角度布置，如圖9（a）所示的布置方式可承受較大的沖擊力。模具設計時應避免圖9（b）所示的安裝方式，由于刀塊與斜楔運動方向平行，成形過程中受到傾覆力矩作用，易出現跳動現象，影響生產和成形件質量的穩定性。由于模具服役強度高，需及時進行模具維護保養以確保模具上線生產時能處于較好的狀態，模具設計時應確保不用先拆斜楔也能取下壓料板的結構。圖10（a）所示斜楔滑塊處于復位位置，與壓料板有間隙，一般間隙大于5mm，壓料板易于取出；圖10（b）所示斜楔滑塊在復位位置時，與壓料板無間隙，需先拆卸斜楔滑塊才能拆卸壓料板，由此導致模具拆裝時間長，效率低。3.4舉升器布置。沖壓翻邊時，帶曲線的區域和角落易發生零件被卡在凸模的情況，需在卡滯區域布置翻邊舉升器。（a）所示，由于沖壓件輪廓線上的翻邊高度不一致，如舉升器設置在翻邊高度變化較大的區域，則舉升器頂起零件不同步可能會導致零件變形。圖12（b）所示第一舉升器先頂起板料，當零件一側被頂出凸模后第二舉升器才頂起板料，如圖12（c）所示，此時板料被頂出變形。因此，翻邊舉升器應布置在翻邊長度基本一致的位置，每個舉升器到板料的距離之間差值不大于5mm。（a）翻邊結束（b）第一舉升器頂起板料（c）第二舉升器頂起板料1.板料2.凸模3.第二舉升器4.第一舉升器4結束語通過數值模擬，模具結構的變化對模具剛性和受力存在相關性。模具高度增加可使模具的變形量和等效應力同時下降，其中最大變形量減少24%，最大等效應力下降23%。因此適當增加模具封閉高度對提高模具剛性具有顯著效果。對模具服役強度進行分析和評估，采取優化模具結構設計確保模具持續穩定生產。優化結構設計的模具用于某車型生產，平均月產量5.4萬臺，單月峰值8萬臺，日產量2600臺。解決措施有效，部分模具使用壽命達到200萬沖次仍在正常使用。為節省開發成本，提高開發效率，持續推進大型沖模結構標準化，典型應用包括導向組件參數標準化、頂蓋天窗切換結構標準化、翼子板旋轉斜楔標準化、側圍A柱側整斜楔標準化、側圍頂部側整斜楔標準化、發罩外板前端側翻斜楔的標準化等。大型沖模包含導向部件、存放部件和限位部件的設計和使用十分普遍，如導柱導套、氮氣彈簧、限位塊等都進行標準化和系列化，根據成形零件尺寸和大小可直接調用，節省設計和制造時間。

作者:李恒佰 李開文 韋韡 張峰 張大強 單位:上汽通用五菱汽車股份有限公司