全景天窗顶盖侧整形模设计

2021-08-30李十全王大鹏

模具工业 2021年8期

蒋磊，李十全，王龙，王大鹏，张明，袁璐

（东风本田汽车有限公司，湖北武汉 430056）

0 引言

近年来随着汽车工业的迅速发展，消费者对个性化配置的需求逐渐增多，汽车全景天窗也受到越来越多的消费者青睐。带全景天窗的顶盖，由于天窗开口尺寸大，周边与玻璃面相接，尺寸精度及外观质量要求较高，导致其冲模的设计与制造成为难题[1-5]。

目前用于成形全景天窗顶盖的冲模多为4道工序，模具结构设计难点一般为天窗口部侧整形，即第4道工序。为了降低全景天窗顶盖天窗口部侧整形模结构设计的难度，许多学者对全景天窗顶盖模具结构进行了研究，王建衡等[6]采用同轴变径设计方案，实现了全景天窗顶盖天窗口部的垂直翻边；刘龙芬[7]通过整合修边、翻边工序，使全景天窗顶盖天窗口部修边与翻边同工序完成；刘莉等[8]利用二次切断工艺，完成了天窗口部修边废料的单工序处理，使后工序的垂直翻边一次成形成为可能。由于未能对模具结构进一步集成，上述研究全部聚焦于4道工序全景天窗顶盖侧翻边模结构研究，而对于3道工序的全景天窗顶盖的侧翻边模结构研究较少。现介绍一种可实现全景天窗顶盖成形的3道工序集成的方案，即在第3道工序运用2种双动斜楔机构，完成天窗口部沿周负角法兰同步成形。

1 冲压工艺分析

顶盖是汽车上最大的覆盖件之一，其成形质量的好坏直接决定整车外观的优劣[9,10]。图1所示为某车型全景天窗顶盖的几何模型，a～b为前挡风玻璃搭接部，记为A；b～c为右侧流水槽搭接部，记为B；c～d为尾门配合部，记为C；d～a为左侧流水槽搭接部，记为D；e～e为全景天窗配合部，记为E。A、B、D、E四处冲压方向均存在负角，需要使用斜楔机构进行侧翻边或侧整形；C处存在向上翻边结构，也需要使用斜楔结构实现成形。

图1 某车型全景天窗顶盖几何模型

综合分析，全景天窗顶盖3道工序成形方案为：①拉深；②沿周修边，A处侧整形，B、D处侧修边、侧整形复合，C处整形，E处修边、翻边复合；③A处侧修边，B、D处冲孔，C处向上翻边、侧冲孔复合，E处侧整形，工序排布如图2所示。

图2 某车型全景天窗顶盖工序排布

为了提高成形效率，降低制造成本，全景天窗顶盖需要与无天窗顶盖共用模具，通过在上模设计气动切换机构，可以实现全景天窗顶盖与无天窗顶盖冲压的实时切换。由于3道工序成形的全景天窗顶盖需要在最后一道工序即侧整形工序完成全景天窗口部沿周负角法兰的同步成形，侧整形模的设计是全景天窗顶盖模具结构设计的难点。

2 全景天窗侧整形模设计

如图1所示，全景天窗口部沿周均存在负角，前、后、左、右翻边法兰的整形都需要使用斜楔机构。翻边法兰成形后，侧整形凹模必须后退一段距离，成形零件才能取出。由于成形零件前、后侧整形凸、凹模均需要滑动，采用双动斜楔机构。天窗口部负角翻边法兰的成形应用了凹模扩张斜楔机构和凹模收缩斜楔机构，以下分别进行介绍。

2.1 凹模扩张斜楔机构

天窗口部左、右两侧采用凹模扩张斜楔机构，如图3所示。凹模扩张斜楔机构各部件装配关系为：侧整形凸模驱动块1与上模座为一体式结构，侧整形凹模驱动块2通过螺钉与圆柱销固定于上模座上，导板3与斜楔驱动板4通过螺钉固定于侧整形凹模驱动块2上。斜楔驱动板5与导板10通过螺钉固定于侧整形凹模滑块6上，侧整形凹模滑块6通过导板10与下模座8形成滑动配合关系，其运动方向与水平面呈10°。斜楔限位块9通过螺钉固定于下模座8上，用于限制侧整形凹模滑块6的回退行程，防止滑块脱落。导板13、14通过螺钉固定于侧整形凸模滑块7上，侧整形凸模滑块7通过导板13与下模座8形成滑动配合关系，其运动方向与水平面平行。回程氮气弹簧11通过固定板及螺钉与侧整形凹模滑块6连接成一体，回程螺旋弹簧12通过导向杆及限位环与侧整形凸模滑块7连接成一体。斜楔上压板15、16通过螺钉连接固定于下模座8上，分别用于约束侧整形凹模滑块6、侧整形凸模滑块7的运动方向，防止滑块向上窜动。斜楔侧导板17通过螺钉固定于侧整形凹模滑块6上，斜楔侧导板18通过螺钉固定于侧整形凸模滑块7上。斜楔侧导板17、18顶面分别与斜楔上压板15、16形成滑动配合关系，侧面均与下模座8形成滑动配合关系，保证侧整形凹模滑块6和侧整形凸模滑块7在斜楔工作方向稳定运行。

图3 凹模扩张斜楔机构

凹模扩张斜楔机构工作原理如下。

（1）成形过程。上模下行，固定于侧整形凹模驱动块2上的导板3、斜楔驱动板4分别与下模座8导向面、固定于侧整形凹模滑块6上的斜楔驱动板5啮合，驱动侧整形凹模滑块6向外扩张，回程氮气弹簧11随之压缩，直到侧整形凹模滑块6运动至工作状态。上模继续下行，侧整形凸模驱动块1导向面与固定于侧整形凸模滑块7上的导板14啮合，并驱动侧整形凸模滑块7沿斜楔工作方向向前运动，在此过程中回程螺旋弹簧12随之压缩。上模进一步下行，侧整形凸模滑块7成形面与待成形零件接触，并开始成形负角翻边法兰，直至上模运行至下止点，零件侧整形完成。

（2）回退过程。上模上行，侧整形凸模驱动块1导向面与固定于侧整形凸模滑块7上的导板14脱离，侧整形凸模滑块7在回程螺旋弹簧12的驱动下开始回程，直到运动至初始状态。上模继续上行，固定于侧整形凹模驱动块2上的导板3、斜楔驱动板4分别与下模座8导向面、固定于侧整形凹模滑块6上的斜楔驱动板5脱离，侧整形凹模滑块6在回程氮气弹簧11的驱动下开始回程，同时成形零件逐渐与侧整形凹模滑块6分离，直至侧整形凹模滑块6回退至初始状态，并与斜楔限位块9接触。此时零件负角翻边法兰与侧整形凹模滑块6成形面完全分离，即可将成形零件从模具内取出。

2.2 凹模收缩斜楔机构

天窗口部前、后两侧采用凹模收缩斜楔机构成形，由于该部位侧整形凹模滑块尺寸较大，单向驱动存在力源不足、动作慢等问题，此处采用上、下双驱动块结构，以保证侧整形凹模滑块获得足够的滑动力源，上驱动块为刚性驱动，下驱动块为气缸驱动，如图4所示。

图4 凹模收缩斜楔机构

凹模收缩斜楔机构各部件装配关系为：侧整形凸模驱动块1与上模座为一体式结构，侧整形凹模上驱动块6通过螺钉与圆柱销固定于上模座上。斜楔驱动板5和导板17通过螺钉固定于侧整形凹模上驱动块6上。斜楔驱动板8、10和导板17通过螺钉固定于侧整形凹模滑块3上，侧整形凹模滑块3通过导板17与下模座4形成滑动配合关系，其运动方向与水平面平行。导板18、19通过螺钉固定于侧整形凸模滑块2上，侧整形凸模滑块2通过导板19与下模座4形成滑动配合关系，其运动方向与水平面平行。气缸11通过螺钉固定于下模座4上，并通过螺母21及开口销22与侧整形凹模下驱动块9连接成一体，回程螺旋弹簧20通过导向杆及限位环分别与侧整形凸模滑块2连接成一体。回程氮气弹簧23通过固定板及螺钉与侧整形凹模滑块3连接成一体。斜楔上压板13、15通过螺钉固定于下模座4上，分别用于约束侧整形凹模滑块3、侧整形凸模滑块2的运动方向，防止滑块向上窜动。斜楔侧导板12通过螺钉固定于侧整形凹模滑块3上，斜楔侧导板14通过螺钉固定于侧整形凸模滑块2上。斜楔侧导板12、14顶面分别与斜楔上压板13、15形成滑动配合关系，侧面均与下模座4形成滑动配合关系，保证侧整形凹模滑块3和侧整形凸模滑块2在斜楔工作方向稳定运行。

凹模收缩斜楔机构工作原理如下。

（1）成形过程。上模下行，固定于侧整形凹模上驱动块6上的导板7、斜楔驱动板5分别与下模座4导向面、固定于侧整形凹模滑块3上的斜楔驱动板8啮合。同时，气缸11活塞杆驱动侧整形凹模下驱动块9向上运动，固定于侧整形凹模下驱动块9上的斜楔驱动板16与固定于侧整形凹模滑块3上的斜楔驱动板10啮合。在侧整形凹模上、下双驱动块的作用下，侧整形凹模滑块3向内收缩，回程氮气弹簧23随之压缩，直到侧整形凹模滑块3运动至工作状态。上模继续下行，侧整形凸模驱动块1导向面与固定于侧整形凸模滑块2上的导板18啮合，并驱动侧整形凸模滑块2沿斜楔工作方向向前运动，在此过程中回程螺旋弹簧20随之压缩。上模继续下行，侧整形凸模滑块2成形面与待成形零件接触，并开始成形负角翻边法兰，直至上模运行至下止点，零件侧整形完成。

（2）回退过程。上模上行，侧整形凸模驱动块1导向面与固定于侧整形凸模滑块2上的导板18脱离，侧整形凸模滑块2在回程螺旋弹簧20的驱动下开始回程，直到运动至初始状态。上模继续上行，固定于侧整形凹模驱动块6上的导板7、斜楔驱动板5分别与下模座4导向面、固定于侧整形凹模滑块3上的斜楔驱动板10脱离，与此同时，侧整形凹模下驱动块9在气缸11活塞杆的带动下退回至初始状态，固定于侧整形凹模下驱动块9上的斜楔驱动板16与固定于侧整形凹模滑块3上的斜楔驱动板10脱离，侧整形凹模滑块3在回程氮气弹簧23的驱动下开始回程，使成形零件逐渐与侧整形凹模滑块3分离，直至侧整形凹模滑块3回退至初始状态，并与下模座限位面接触。此时，零件负角翻边法兰与侧整形凹模滑块3成形面完全分离，即可将成形零件从模具内取出。

3 方案验证

运用凹模扩张斜楔机构和凹模收缩斜楔机构，全景天窗顶盖实现了3道工序成形。由于减少1副冲模，模具结构设计与机械加工周期缩短，3道工序成形全景天窗顶盖可节约模具开发制造成本近50万元。经过大批量实际生产验证，凹模扩张斜楔机构和凹模收缩斜楔机构联合运用的模具结构方案满足全景天窗顶盖规模化生产需求，模具结构稳定可靠，量产节拍、尺寸精度及外观品质均达到相应的评价指标。图5所示为某SUV车型3道工序全景天窗顶盖侧整形模下模和最终成形零件实物。