基于冲压成型技术的客车造型设计

郑　杰

（一汽客车（无锡）有限公司，江苏无锡214177）

基于冲压成型技术的客车造型设计

郑杰

（一汽客车（无锡）有限公司，江苏无锡214177）

根据客车成型特点，提出基于冲压成型技术的造型设计理念，详细介绍客车外覆盖件冲压成型的特点；以专用校车造型设计为例，阐述冲压成型技术与造型设计相结合的具体方法。

客车；冲压成型；造型设计

客车外覆盖件制作成型工艺由传统的手工敲制成型，正逐步被优质高效的冲压模具成型代替；客车设计也开始从模拟量的尺寸传递方法向数字量传递方法转变，实质上客车的设计与制造过程成了产品数字化定义、数据传递、拓延和加工处理的过程，而最终形成的产品可以看作是数据的物质表现［1］。这个数据的第一步就是造型设计，冲压模具的设计制造也是以造型设计为依据的。造型设计决定着冲压模具工艺，反之，冲压模具工艺影响着造型设计实现的质量，是决定客车产品开发成功与否的重要步骤。

1　客车造型外覆盖件冲压成型特点

整车造型设计中往往是两三个关键设计元素对风格形态起决定性作用。当这两三个关键设计元素改动了，那么整车造型的风格气质就完全变了，便成了形似而神不似，就不能完全实现造型创作意图，任何细微的修改都需要付出极大的代价。因此，在造型设计阶段就要考虑冲压成型技术的特点，去设计、完善造型设计方案；避免后期因模具成型困难对造型反复修改，最终牺牲造型设计，导致产品开发失败。

冲压成型是塑性加工的一种方法，是利用材料的塑性变形性能，改变其几何形状与尺寸，从而达到冲压成型的目的［2］。成型主要特点有［3-4］：

1）车身尺寸大。前后围尺寸（宽×高）可达到2 360 mm×2980 mm。

2）客车外覆盖件的深度尺寸相对平面尺寸小，一般在30～50 mm。

3）形状复杂，多为三维曲面组成，拉伸和压缩两种状态并存且分布无一定规律，随零件形状、尺寸的变化而不同。拉深时变形量小，容易引起刚性不足而出现鼓动现象。

4）加工精密程度高。客车结构是外覆盖件蒙皮和骨架组合的复合式车身，对冲压件的加工精度要求很高。

5）材料种类多样。车身材料除了铁皮冲压件，还有注塑件、玻璃钢件等各种材料拼焊而成。

6）总变形程度小，但局部变形量较大。这些局部成型对整个冲压件成型有较大的影响，甚至是决定性的影响。

客车造型外覆盖件冲压部件主要分为前围蒙皮、后围蒙皮、侧围蒙皮、顶盖蒙皮。它具有独自的成型特点，对这些特点的了解，有助于深入而清晰地认识冲压成型过程的本质和各种现象产生的机理，可以准确地分析冲压成型过程中产生的缺陷与不良现象发生的原因［2］，从而更好地指导造型设计。

2　客车造型及成型设计

2.1设计定位

专用校车是设计和制造上专门用于运送幼儿或学生的客车［5］。一汽客车是国内最早研制长头校车的企业之一。通过设计定位，公司现有长头校车产品升级换代。

1）为了有效提高校车安全性能，采用长头造型设计，造型元素简洁时尚，突出一汽校车品牌特征。

2）为了提高外观质量、安全等级、乘坐舒适度，采用覆盖件冲压模具化。

3）为了优化成本，提高生产效率，采用造型设计系列化，统一前后围模块、断面尺寸、各长度段车身，零部件模块化。

2.2造型概念设计

经过冲压成型特点分析，结合设计定位，进行造型的概念设计。以总布置设计的基本尺寸和设计硬点进行二维效果图绘制，二维效果图是造型设计概念表达展现的重要步骤，要求透视图准确，造型表达清楚，车型长、宽、高及主要造型硬点要准确体现，否则设计出来的效果图是没有任何意义的。

在造型概念设计过程中，首先要满足校车的新国标要求，突出前后保险杠造型，外表不做突起、凹陷、尖角造型。其次，重点考虑冲压成型的特点，前围造型特征线条简洁、流畅，以大面分割为主，曲面过渡自然，避免出现棱角。曲面分割合理，避免出现尖角。后围整体厚度尽量薄，但要避免造型曲面急剧变化。

通过几轮设计方案优化，设计元素整合，确定了最终的造型概念设计方案，如图1所示。整车造型采用美式长头车身结构，体现出安全需求要素；线条简洁、流畅，造型面圆润饱满，塑造出憨态可掬的形象，满足了幼儿或小学生的心理需求；前大灯采用解放J6货车钻石大灯，体现了一汽品牌的高识别性特征。

2.3创建造型的三维数字模型

造型的三维模型构建是二次造型设计的过程，是造型设计的三维数字化表现，是造型设计更加直观的体现，既用于造型验证和定型，又用于后续开展冲压数值分析、结构分析与设计和工程分析等，所以这是非常细致重要的一步。

长头校车是复合式的车身结构，其特点是既有冲压覆盖件蒙皮，又有小方刚焊接而成的车身骨架，在设计和生产中是以冲压蒙皮为基础的［6］。因此，建模过程中在准确表现出造型设计和满足总布置设计要求的同时，重点考虑冲压模具成型的特点，它关系到造型设计实现的效果，要遵循各种开孔、安装点、工艺孔、定位台阶、定位面均要与硬点一一对应的设计方法。在创建各种造型特征时，要避免非必要的负角出现。重点注意表面间隙缝的处理、分割部件的边界与链接处的处理、造型结构的处理。

长头校车建模最复杂的部件集中在前后围，侧围和顶盖相对较简单。前围造型是双曲面，两侧面逐渐向中间收缩，形成饱满的圆头，发动机盖与翼子板有高低差，圆弧过渡，前端分布着进风面罩、左右前大灯，曲面变化非常复杂。建模应注意防止过渡台阶突变、直角过渡，拉深延面的大小、修边线避免形成空间曲线，功能特征不要安排太密，灯框周边拉深延面一般不超过30 mm，翻边的结构处理以减少工序数目为原则。

后围造型相对简单，主要以拉伸、开孔、翻边为主，分布着后大灯、后开门等主要功能特征。创建完成造型的三维数字模型如图2所示。

3　造型冲压成型工艺分析及样车试制

车身造型的成型工艺分析是冲压模具设计的基础，决定着模具开发的周期、质量和成本。根据造型设计，从校车的外表形态、结构尺寸、精度要求、材料选择、车身中装配关系、生产规模等方面来分析冲压成型的工艺性。对于工艺性差的地方，反馈给造型设计，从造型设计的角度再进行优化设计，保证产品的成型质量。

3.1造型分割

由于长头校车车身尺寸大、形状复杂，多为曲面造型，必须将其分为若干部分，将每部分单独成型后，再进行焊接或功能件的分割处理。造型分割目的：一是满足产品的使用功能；二是满足产品的装配；三是满足产品冲压成型的工艺性；四是成本考虑。

分割原则是根据整体造型设计来划分，不要破坏造型设计。分割出的零部件应简单、左右对称，便于装配，满足成型工艺，如图3所示。

3.2冲压成型主要缺陷分析

目前冲压成型工艺分析主要有经验分析法和板材成型数值模拟分析法两种。在校车造型二维设计阶段和三维数模创建阶段，主要采用经验分析法，三维数模确定后采用数值模拟分析法。这样从概念设计开始就引入冲压成型工艺分析，坚持一次建模的理念，注重细节设计，避免出现因成型工艺问题使造型设计无法完全实现的现象。冲压成型可能出现的主要缺陷有如下几个方面：

1）起皱。起皱是变形区局部压应力过大引起厚度增厚失稳所致。根据产生的受力状态和出现的部位，起皱可以分为压应力起皱、不均匀拉应力起皱和剪应力起皱等类型［7-8］，引起起皱的原因多种多样。

在造型设计阶段解决起皱的方法：一是产品数模设计的合理性；二是避免形状急剧变化或出现鞍形形状；三是转角半径不要太小，拉深面尺寸不要太大；四是减少平台的部位，易起皱部位增加吸料筋，台阶部位的变化要缓慢过渡等［4］。

2）破裂。破裂主要是由于材料在拉伸过程中应变超过其极限，而形成失稳。类型有强度破裂和塑性破裂，对产品破裂原因要根据具体的部件具体分析。

在造型设计阶段，要注意容易引起破裂的地方：拉深处、翻边处、倒角处、转角处、台阶处、缺口处等。解决的方法：凹凸模圆角不要太小；翻边或拉深长度不易过大，不超过50 mm；曲面过渡自然，避免局部尖角出现；缺口处圆滑过渡造型。

3）表面畸变。表面畸变是冲压件表面上产生的局部起伏。覆盖件的模具表面设计是以三维数字模型为基础，添加工艺补充面构成的。零件设计的好坏直接关系工艺补充面的设计和后续成型质量的好坏，从而影响产品质量和外观［9］。主要缺陷类型：冲击线、滑移线、塌陷、暗坑、表面扭曲、回弹等，容易发生在零件形状发生急剧变化的部位，如车轮拱形边周围、装饰特征消失部位、前后顶侧壁、灯具开孔周围、窗口拐角处、装饰线、发动机盖平坦处、翻边成型的角部等。

在造型设计阶段解决表面畸变的方法：保证面与面之间是光顺面；曲面不宜急剧变化；翻边应建立拔模度且断面不易过长。

4）刚度分析。覆盖件的刚度除了材料、厚度、曲率等因素外，其造型也是影响刚度的因素之一。在满足造型创意前提下，造型设计阶段可以适当增加筋条、拉伸造型面等造型手法，可以提高覆盖件的刚度。

通过数模和零件成型数值模拟比较全面地分析了可能出现的质量问题。这样在造型设计阶段最大限度地避免了冲压成型缺陷的出现，减少了对造型设计实现效果的影响。

3.3样车试制

通过对三维造型设计与冲压成型工艺进行分析，确定了最终的造型设计方案。在三维造型的基础上各部门完成冲压模具设计和车身结构设计，进入了样车试制阶段。样车试制的目的是：实物具体验证造型设计的美观性、冲压模具的准确性和结构设计的合理性，考察整车综合性能和关键技术指标。要求试制的样车必须按照设计图纸制造，保证与设计一致。见图4。

4　结束语

通过样车试制，充分验证了在造型设计阶段基于冲压成型技术的设计是必要的，也是可行的，取得了显著的成效，并且能满足冲压工艺和结构设计的要求，解决了造型设计与样车实物之间一致性的问题，使问题在造型设计阶段就被发现并得到有效的解决。

［1］李红，陈靖芯，徐晶，等.CATIA V5软件环境下客车车身数字化设计技术［J］.客车技术与研究，2004，26（6）：4-6.

［2］李硕本，等.冲压工艺理论与新技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.11.

［3］薛啟翔，等.冷冲压实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2006.1.

［4］崔令江.汽车覆盖件冲压成型技术［M］.北京：机械工业出版社，2003.6.

［5］GB 24407-2012，专用校车安全技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［6］申福林.2013年中国客车学术年会论文集［C］.西安：陕西科学技术出版社，2013.10.

［7］吕淑艳，王永飞.典型冲压件成型性问题的CAE分析［J］.新技术新工艺，2014，（1）

［8］陈军.基于模板的汽车覆盖件冲压工艺快速设计关键技术研究［D］.天津：天津大学，2003.7.

［9］温莉娜.车身覆盖件冲压成型仿真及工艺优化［D］.镇江：江苏大学，2007.4.

修改稿日期：2014-12-05

Model Design on Bus/Coach Based on Stam ping Form ing Technology

Zheng Jie
（Faw Bus&Coach（Wuxi）Co.，Ltd，Wuxi 214177，China）

According to the forming characteristics of buses/coaches，the author proposes the model design idea of stamping forming technology，detailedly introduces characteristics of stamping forming for buses/coaches external covers.Then，he takes a special school bus as the real example to expound the specific method combining the stamping forming technologywith the model design.

bus/coach；stamping forming；model design

U466

B

1006-3331（2015）03-0037-03

郑杰（1980-），男，工程师；研究方向：汽车造型设计、数字化设计。