基于三工序的汽车翼子板翻边整形模设计

蒋磊 李十全 王龙 王大鹏

摘要：为了减少汽车翼子板冲压模具工序数量，降低汽车翼子板制造成本，以某SUV车型翼子板为研究对象，在分析产品冲压工艺的基础上，提出了一种采用工序集成技术的三工序冲压方案。通过将侧冲孔与侧翻边整形复合，并对大角度、长法兰翻边采用一次侧整形工艺，实现了翼子板侧冲孔、侧翻边、侧整形等不同工艺内容的同序化。介绍了满足翼子板三工序要求的翻边整形模结构，阐述了三种不同类型的特殊斜楔机构的结构布局和工作原理。最终完成了三工序化翼子板的工业化应用，达到了批量生产的要求。研究结果表明，三工序冲压方案能够有效缩短翼子板冲压工序，大幅削减翼子板的生产成本。

关键词：翼子板；三工序；工序集成；冲压工艺；模具结构；特殊斜楔

中图分类号：TG 385； U 466 文献标志码：A

基金项目：东风本田新车型研发项目（151N2HXNME01）

Design of Flanging-shaping Die for Automobile Fender Based on Three-process

JIANG Lei， LI Shiquan， WANG Long， WANG Dapeng（Dongfeng Honda Automobile Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： In order to reduce the number of automotive fender stamping die processes and cut the manufacturing cost of automobile fender， the fender of an SUV was taken as the research object. Based on the analysis of product stamping technology， a three-process stamping scheme using process integration technology was proposed. By combining the side punching and side flanging-shaping and adopting the primary side shaping process for large angle and long flange flanging， the same sequence of different process contents， including wing side punching， side flanging， side shaping and so on， was realized. The structure of flanging-shaping die meeting the three-process requirements of fender was introduced， and the structure layout and working principle of three different types of special-wedge mechanisms were described. Finally， the industrial application of three-process fender was completed and the requirements for mass production was achieved. The results show that the three-process stamping scheme can effectively shorten the fender stamping process， and greatly reduce the production cost of fender.

Keywords： fender； three-process； process integration； stamping process； die structure； special wedge

沖压作为目前汽车覆盖件最主要的加工方式，在整个汽车制造链中的作用不可或缺，而实现冲压加工离不开冲压模具。由于汽车覆盖件结构复杂、轮廓尺寸大、质量要求高，导致用于生产汽车覆盖件的冲压模具难以实现工序内容的高度集成化。以顶盖、地板、翼子板、侧围外板、四门两盖等汽车主机厂常规自制冲压件为例，这些汽车覆盖件的冲压模具基本以四工序为主，个别成形难度大的汽车覆盖件甚至需要五工序冲压模具来完成生产[1-3]。过多的工序不仅造成了巨额的冲压模具投资浪费，还拉长了汽车覆盖件冲压生产链，从而阻碍生产效率的提升和加工成本的控制。因此，缩短冲压模具工序数量，对于当今身处竞争白热化市场的汽车制造商，有着十分重要的意义[4]。

与其他汽车覆盖件相比，翼子板具有造型多变、曲率变化大、表面质量和尺寸精度要求高等特点。这些特点直接决定了翼子板冲压工艺和模具结构的高难度属性。作为车身上冲压工艺难度、模具结构复杂程度、模具设计制造成本仅次于侧围外板的覆盖件，翼子板冲压模具通常要比其他覆盖件多出1～2副。现阶段国内大多数汽车主机厂的翼子板，均需要四工序或五工序的冲压模具来实现生产。

为了缩短翼子板冲压模具工序数量，国内诸多学者从产品设计、冲压工艺、模具结构等方面对翼子板进行了深入的研究。陈世涛等[5]利用两种不同形式的旋转斜楔机构，使更多的工作机构在同一副模具内安装，实现了翼子板冲压模具的四工序化。谢晖等[6]基于正交试验法对翼子板产品结构进行优化，使其满足了四工序化工艺方案。赵丹等[7]借助有限元分析技术简化产品结构，解决了翼子板冲压模具四工序化结构干涉的问题。肖红波等[8]提出逆向补偿法实现了修边与冲孔的工艺复合，将翼子板冲压模具从五工序减少至四工序。李昂等[9]通过侧整形斜楔和滑车机构和活动式整形压料芯机构的联合运用，将翼子板冲压模具缩短至四工序。然而，由于未能进一步对冲压工艺进行复合，上述对于翼子板冲压模具工序集成的研究均止步于四工序。

鉴于上述现状，本文以东风本田汽车有限公司某SUV车型翼子板冲压模具开发、制造、调试全过程为例，通过对产品的成形工艺进行研究，提出工序集成优化方案，充分复合模具工序内容，介绍了一种可实现翼子板三工序化的冲压工艺方案和第三工序翻边整形模结构设计。该三工序化冲压模具的工业化应用已经在实际生产中得到了充分的验证。

1 冲压工艺分析

翼子板冲压工艺与模具结构紧密相连，冲压工艺直接决定了模具结构的布局[10]。在设计冲压工艺方案时，工序数量越少，工序之间传递的制造误差累计也就越小，制品的定位精度也就越高[11]，同时，模具制造成本和零件生产成本也就越低[12]。但是，由于工序的缩短，单工序的工艺内容也就必然会相应增加，这就进一步增大了冲压工序排布与模具结构设计的难度[13-15]。

图1为东风本田汽车有限公司某SUV车型翼子板产品几何模型，材质为JAC270D-45/45，等同于宝钢材料DC54D+ZF-45/45，板厚0.65 mm，屈服强度为120～220 MPa，抗拉强度为260～350 MPa，加工硬化指数≥0.2，厚向异性指数≥1.8，断后伸长率≥36%，产品外轮廓尺寸为1 018 mm×780 mm×212 mm。汽车翼子板由复杂的空间曲面构建而成，型面曲率半径小，相邻型面曲率起伏大，与侧围、三角窗、前门、裙边护板、轮眉饰板、前保险杠、前大灯、引擎盖等多个总成件存在装配关系。

结合产品结构特点及整车装配关系，将影响翼子板工艺方案和工序数量的特征造型进行区域划分。图1中：a～b之间为侧围配合区域，记为A；b～c之间为三角窗配合区域，记为B；c～d之间为前门配合区域，记为C；d～e之间为裙边护板配合区域，记为D；e～f之间为轮眉饰板配合区域，记为E；f～g之间为前保险杠配合区域，记为F，g～h之间为前大灯配合区域，记为G；h～a之间为引擎盖配合区域，记为H。

合理有效的工艺方案结合新型集成化构造，可实现工序内容的高度集成，从而缩短冲压模具工序数量。通过将修边、冲孔、翻边、整形等工序内容两两复合或三三复合后，该翼子板冲压工艺方案实现了三工序化，具体为：（1）OP10拉延；（2）OP20修边、冲孔、侧修边、侧冲孔；（3）OP30翻边、整形、冲孔、侧翻边、侧整形、侧冲孔。

1.1 拉延工艺

拉延筋可以调整拉延过程中材料流动速度和进料阻力，翼子板在拉延成形时各部位材料流入量不尽相同，所使用的拉延筋类型也有所差异。E、H区域在拉延过程中材料流入量较大，超过了20 mm，为保证成形过程稳定，这两处设计了半径为R6的双圆筋，内侧拉延筋高6 mm，外侧拉延筋高3 mm。C、D区域在拉延过程中，材料流入量较小或者几乎不流动。因此，这两处设计了宽度为12 mm、深度为6 mm、弯曲圆角半径为R2的锁死筋。其余部位在拉延过程中材料流入量居中，为5～15 mm，选用了半径为R6的单圆筋，拉延筋高6 mm。

以往在设计翼子板拉延工艺时，多选用梯形坯料，材料利用率普遍不高。同时，由于梯形坯料的使用，轮拱部不得不额外设计大量的工艺补充面，以改善材料的流动性。为了提高材料利用率，同时降低轮拱部开裂风险，该翼子板采用随形坯料代替传统的梯形坯料。坯料采用边线定位方式，进料方向侧为固定式定位板，出料方向侧为气缸驱动式翻转定位器，以便于自动化生产取送料。投料之前，翻转定位向外旋转90°，与水平面平齐，投料完成之后，气缸驱动翻转定位向内旋转90°，与水平面垂直，拉延成形完成之后，翻转定位再次向外旋转90°，与水平面平齊。

1.2 修边、冲孔工艺

图2（b）为翼子板OP20修边、冲孔工序，即工序2。该工序的主要工作内容为A、B、D、E、F、G5个区域的外缘垂直修边，C、 G两个区域的垂直修边与垂直冲孔复合，模具工作时，先冲孔后修边。所有垂直修边区域，修边角度均控制在15°以内，防止产生毛刺。H区域工艺补充面立壁与冲压方向近乎平行，无法直接修边，需要使用斜楔进行侧修边，斜楔工作角度为5°。

东风本田汽车有限公司冲压线废料槽入口宽度为900 mm，为保证所有修边废料均能顺畅排出，外缘修边每600～700 mm设置一处废料刀，从而使所有废料对角线长度均在900 mm以下。为避免翼子板在修边后因应力释放所导致的型面塌陷，此道工序下型避空较少，大部分型面均按照产品形状设计，因此，OP20采用制件形状及轮廓定位，无需设置定位板。

1.3 翻边、整形、冲孔工艺

图2（c）为翼子板OP30翻边、整形、冲孔工序，即工序3。该工序的主要工作内容为A区域侧翻边，使用工作角度为75°的非标斜楔；B区域垂直翻边整形与垂直冲孔复合；C区域侧翻边整形，使用工作角度为45°的非标斜楔；D区域垂直整形与垂直冲孔复合；E区域垂直翻边；F区域侧翻边整形与侧冲孔复合，使用工作角度为85°的非标斜楔；G区域前部垂直翻边，后部侧翻边，使用工作角度为30°的非标斜楔；H区域侧翻边整形与侧冲孔复合，使用工作角度为10°的非标斜楔。B、D、F、H4个区域的安装孔精度要求较高，这几处复合工艺工作顺序为先翻边整形后冲孔。翻边整形为氮气弹簧驱动成形，冲孔刃入量为2～3 mm。

传统的非标斜楔，滑块与工作刃口为异种材质分体式结构，斜楔机构需要较大的安装布局空间，模具材料与加工成本较高，加工累计误差也更大。为了保证翼子板冲压模具三工序化后，模具结构更加紧凑、轻巧，加工工艺更加简单，模具成本更加低廉，该翼子板OP30所有非标斜楔均设计成一体式结构。

此道工序下型存在多个活动凸模，紧靠型面难以保证制件定位精度及稳定性。因此，OP30在C、E、F3个区域设计了外缘定位板。

图2（a）为翼子板OP10拉延序，即工序1。为了保证翼子板成形充分，避免产生开裂、起皱以及面品缺陷，在产品沿周区域均设计了相应的工艺补充面。A、C、F、G、H5个区域在冲压方向下存在用于翼子板安装的负角结构，因此，这几处进行了过拉延设计，即将法兰或立壁绕翻边圆角旋转一定角度，使其在拉延过程中无成形负角。B、D两个区域成形较深、特征圆角较小，直接一次拉延成形存在开裂风险。因此，这两处也进行了过拉延设计，即将压料面抬高，使一部分产品形状位于压料面下方，同时增大特征圆角半径。C区域翻边为伸长类弯曲变形，翻边法兰较宽，达到了24 mm，且该部位外表面为多个曲率差异较大的曲面构成，后工序侧翻边整形时在双向拉伸应力的作用下， C区域中间部位极易出现面畸变及尺寸精度超差。为了解决这一问题，C区域工艺补充面设计了8个水滴状余肉造型，用于增大中间部位成形线长，使后工序侧翻边整形时中间部位与两端部位线长变化趋于一致。

2 模具结构设计

合理的冲压工艺方案是模具稳定生产、零件品质优良的先决条件，而模具结构是冲压工艺方案得以实现的最终载体。实现翼子板冲压模具三工序化的关键在于复合构造和特殊斜楔的设计[12]。与传统四工序模具结构相比，翼子板三工序化模具结构差异主要集中于OP30、OP10、OP20模具结构与四工序模具结构基本一致。因此，本文重点阐述三工序翼子板OP30，即翻边整形模的结构设计和工作原理。

OP30是三工序化翼子板冲压模具中结构最复杂的一道工序，此序设计了3种新型特殊斜楔机构，用于实现侧翻边、侧整形以及侧冲孔等工艺内容的复合集成。图3为翼子板OP30模具3D结构图。模具尺寸为4 380 mm×1 870 mm×1 190 mm，送料高度为950 mm。主要结构分为上模座、下模座、压料板、固定凸模、特殊斜楔C、特殊斜楔F、特殊斜楔H以及冲孔组件等。上、下模座及压料板材质为FC300，固定凸模、斜楔滑块材质均为FCD550。

为了实现翼子板引擎盖搭接部侧整形与侧冲孔的工序集成，此处设计了一种双滑块子母斜楔机构，即特殊斜楔H。而前门搭接部侧翻边的一次成形，采用了一种双滑块悬吊斜楔机构，即特殊斜楔C。前保险杠搭接部同样集成了侧整形与侧冲孔，此处应用了一种双驱动悬吊斜楔机构。3种特殊斜楔结构与工作原理具体如下。

2.1 双滑块子母斜楔机构

图4（a）为翼子板引擎盖搭接部双滑块子母斜楔机构整体结构图。翼子板引擎盖搭接部双滑块子母斜楔主要由上驱动块、外滑块、内滑块3部分组成。

双滑块子母斜楔装配关系为：斜楔复位器8安装于斜楔驱动块2之上；斜楔外滑块压板6、固定凸模9、气缸14安装于下模座3之上；驱动导板4、斜楔内滑块压板7、螺旋弹簧10、氮气弹簧15、整形凹模17、冲孔凹模21安装于斜楔外滑块5之上，气缸14的活塞杆通过开口销12及锁付螺母13与斜楔外滑块5连接成一体；整形凸模18、凸模固定板19、冲孔凸模20安装于斜楔内滑块1之上。

双滑块子母斜楔机构工作原理如图4（b）～（d）所示。其上模下行至距离下死点160 mm时，外导向导板啮合，继续下行至距离下死点130 mm时，外导向导柱啮合。当上模下行至距离下死点125 mm时，气缸14驱动外滑块5向外滑动110 mm，将其推至工作状态，使其与固定凸模9保持平齐。同时，上模驱动块2与下模座3开始接触。当上模下行至距离下死点60 mm时，压料板与制件接触，压力源对其施加成形所需压料力。在上模距离下死点45 mm时，上模驱动块2与内滑块1开始接触，并驱动内滑块1向前滑动，整形凸模镶块18在内滑块1的带动下与制件接触，开始侧整形成形。在上模距离下死点3 mm时，侧整形完成，氮气弹簧16开始压缩，此时整形凸模镶块18作为侧冲孔的压料板，冲孔凸模20与冲孔凹模21啮合，开始侧冲孔成形，直至上模最终运行至下死点。斜楔回程时，外滑块5由气缸14强制拉回，内滑块1由螺旋弹簧10及氮气弹簧15强制推回，为保证内滑块1能够快速推回至初始状态，氮气弹簧15所提供的力应大于内滑块1自重的3倍。斜楔复位器8与内滑块1导向间隙为0.5 mm，即二者处于不接触状态。当螺旋弹簧10与氮气弹簧15失效时，在上模回程过程中，斜楔复位器8可强制将内滑块1拉回，使其与外滑块5工作刃口强行分离，从而避免模具破损。

由于侧整形不完全是刚性驱动成形，与侧冲孔复合后，制件法兰面易产生褶皱。为了解决这一问题，通过理论分析和实际调试，东风本田汽车有限公司总结了两项侧整形与侧冲孔工序集成的技术要点，一是侧冲孔刃入量不能过大，一般2～3 mm即可；二是侧整形用的氮气弹簧所提供的力需要大于最终成形力的60%。通过这两项技术要点的运用，翼子板引擎盖搭接部法兰面褶皱得到改善，如图5所示。

2.2 双滑块悬吊斜楔机构

图6（a）为翼子板前门搭接部双滑块悬吊斜楔机构整体结构图。翼子板前门搭接部双滑块悬吊斜楔主要由下驱动块、上滑块、下滑块3部分组成。

双滑块悬吊斜楔机构装配关系为：螺旋弹簧2通过导向螺杆安装于上模座1之上；聚氨酯4安装于上滑块3之上，用于降低上、下滑块接触时的冲击速度和噪声；斜楔上压板18通过螺栓连接将上滑块3悬吊于上模座1之内，并使其与上模座形成滑动配合，同时，斜楔侧导板16安装于上滑块3两侧，从而保证上滑块3的导向精度；斜楔强制回程复位块8、斜楔侧导板15安装于下滑块5之上；下滑块压板13、斜楔上压板17安装于下模座9之上，用于防止下滑块5松脱；斜楔强制回程随动块6、斜楔驱动板14安装于下驱动块7之上，其驱动角度为45°；气缸12安装于下模座9之内，其活塞杆通过气缸连接块10和锁付螺母11与下驱动块7连接成一体。

双滑块悬吊斜楔工作原理如图6（b）～（d）所示，上模下行至距离下死点160 mm时外导向导板啮合，继续下行至距离下死点130 mm时外导向导柱啮合。当上模下行至距离下死点90 mm时，气缸12推动下驱动块7沿左侧45°方向滑动90 mm，同时，下驱动块7借助斜楔驱动板14将下滑块5沿右侧45°方向顶起，其滑动方向行程为20 mm。当上模下行至距离下死点75 mm时，上滑块3驱动导向面开始与下滑块5驱动导向面啮合，驱动角度为43°。由于翼子板前门搭接部外观面曲率较大，翻边法兰较长，直接一次侧翻边成形，零件面畸变难以控制。为了解决这一难题，东风本田汽車有限公司将上、下滑块工作角度进行了差异化设计，上滑块工作角度略小于下滑块工作角度，利用反向补偿手段保障零件外观品质。当上模下行至距离下死点60 mm时压料板开始与制件接触，继续下行至距离下死点35 mm时上、下滑块驱动导向面完全啮合。在上模距离下死点25 mm时上滑块3与制件接触，侧翻边开始成形，其在工作角度方向滑动30 mm后，上模到达下死点，侧翻边成形完成。上模回程时，气缸12将下驱动块7强制拉回，下滑块5在自重的作用下退回至初始状态。当下滑块5滑动配合不良，无法利用自重下落时，斜楔强制回程随动块6开始发挥作用，借助气缸12间接传递的拉力，强行将斜楔强制回程复位块8拉回，从而带动下滑块5一起强制回程。

2.3 双驱动悬吊斜楔机构

图7（a）为翼子板前保险杠搭接部双驱动悬吊斜楔整体结构图。翼子板前保险杠搭接部双驱动悬吊斜楔主要由下驱动块、上滑块、下滑块3部分组成，图7（b）为下驱动块和下滑块整体图，图7（c）～（d）为不同视角下的上滑块轴测图，图7（e）为断面图，图7（f）为时序图。

双驱动悬吊斜楔机构装配关系为斜楔上压板5通过螺栓固定于上模座1之上，用于将上滑块整体约束于上模座1之内。限位块16通过螺栓固定于上模座1之上，用于限制外滑块9的滑动行程。聚氨酯弹簧17通过导正销固定于外滑块9之上，导板8、18以及斜楔侧导板19通过螺栓固定于外滑块9之上。氮气弹簧12通过螺栓和卡板固定于外滑块9之上，用于提供整形压力源。导柱7通过过盈配合固定于外滑块9之上，导套3通过螺栓固定于下模座2之上，导柱7和导套3通过滑动配合，保证冲孔精度。凸模固定板14通过螺栓固定于外滑块9之上，冲孔凸模15利用凸模固定板14固定于外滑块9之上。导板10通过螺栓固定于内滑块13之上，使内滑块13在外滑块9内部形成滑动配合关系。L型非标导板6通过螺栓固定于外滑块9之上，与内滑块13形成滑动配合关系，并起到限位作用，防止内滑块从外滑块9中跌落。冲孔凹模通过止转销固定于下滑块4之上，下滑块4与特殊斜楔H的外滑块为整体式结构，由同一气缸驱动。

双驱动悬吊斜楔机构工作原理为：上模下行至距离下死点160 mm时外导向导板啮合，继续下行至距离下死点130 mm时外导向导柱啮合。当上模下行至距离下死点125 mm时，气缸驱动下滑块4运动至工作状态。然后上模驱动外滑块9，当上模运行至距离下死点65 mm时外滑块9开始与下模2的驱动导向面接触。当上模下行至距离下死点60 mm時压料板与制件接触，压力源对其施加成形所需压料力。在上模距离下死点40 mm时内滑块13在氮气弹簧12的驱动下与制件接触，开始侧整形成形。上模继续下行，运行至距离下死点12 mm时导柱7与导套3啮合，以保证后续侧冲孔导向间隙。当上模运行至距离下死点3 mm时侧整形完成，氮气弹簧13开始压缩，此时内滑块13作为侧冲孔的压料板，冲孔凸模15与冲孔凹模11啮合，开始侧冲孔成形，直至上模最终运行至下死点。斜楔回程时下滑块4由气缸强制拉回，从而使制件前保险杠区域立壁负角与凸模分离。内滑块13由聚氨酯弹簧17强制推回，外滑块9随上模座1向上回程，从而共同带动导柱7与导套3分离，内滑块13、冲孔凸模15与制件分离。

3 方案验证

应用三工序工艺方案之后，翼子板冲压模具减少一套。制造冲压模具所需要的铸铁、铸钢、锻钢等材料以及标准件用量削减近20%，冲压模具NC加工和拼装工时也有所下降。通过和四工序工艺方案对比和粗略核算，三工序化翼子板节约了冲压模具制造成本100余万元。经过大批量实际生产验证，三工序化冲压工艺方案完全满足翼子板规模化生产需求，量产节拍、尺寸精度以及表面质量均达到东风本田汽车有限公司相应的评价指标。图8为东风本田汽车有限公司某SUV车型三工序化翼子板OP30冲压模具实物和最终完成品零件实物。

4 结 论

（1）通过将侧翻边、侧整形与侧冲孔进行工序集成，以及采用“水滴余肉过拉延+一次侧翻边整形”的成形工艺，实现了翼子板冲压工艺方案的三工序化。

（2）运用双滑块子母斜楔机构，实现了翼子板引擎盖搭接部侧翻边整形与侧冲孔的同序成形；运用双滑块悬吊斜楔机构，实现了翼子板前门搭接部大角度、长法兰负角翻边的一次成形；运用双驱动悬吊斜楔机构，实现了翼子板前保险杠搭接部侧翻边整形与侧冲孔的同序成形；3种特殊斜楔机构的综合运用，使翼子板翻边整形模完成了更多的工艺内容，并实现了同步化。

（3）目前，基于三工序的翼子板翻边整形模已在东风本田汽车有限公司多款车型实现工业化应用，并获得了优异的质量和经济收益，对于汽车行业冲压模具工序集成技术推广和成本控制具有一定指导意义。

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