汽车覆盖件模具研和率提升分析与研究

张 莹，韦荣发，麦育智

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545005）

1 引言

汽车覆盖件作为功能性零件，对汽车的安全、隔振降噪性能以及整车的造型风格与静态感知质量等具有重要影响。随着汽车工业的快速发展及国民消费水平的增长，消费者对汽车钣金的品质要求愈发严苛。模具作为汽车覆盖件制造的关键基础装备，模具研合率很大程度决定了钣金的尺寸合格率与面品[1]。随着CAE 仿真技术的日臻成熟与设计制造水平的提升，如何提高模具研合率成为模具制造厂家及各主机厂面临的重大课题之一。

2 模具研合率概述

模具研合率，指的是在一个面上存在一连串的、均匀分布的压死点，这是一个良好的、必要的、均匀的压紧，确保在拉伸过程中可以使板料在模腔中实现一种良好的流动。提升模具研合率是模具调试阶段的重要工作之一，是确保钣金件尺寸精度、面品质量及量产过程稳定性的前提条件[2]。

检查模具研合率，一般使用红丹或者蓝丹进行辅助检查。在工序件上，对需要研合的部位均匀刷上红丹或蓝丹，将工序件放入模腔进行合模，检查上下模着色状态，即可判断当前模具研合情况。如图1a 所示，某车型发动机罩外板压边圈研合状态检查，整个压边圈管理面着色均匀，满足拉伸过程中的均匀阻料作用。如图1b所示，为某车型发罩外板模具压边圈管理面初始阶段研合状态，可以看到，管理面整体着色虚实不一，甚至出现未着色状态，拉伸过程中模具管理面对板料阻料效果不佳。

3 模具研合率控制要求

模具研合是为了确保上下模型面对制件产生均匀一致的压力，使制件在拉伸成形、切边、冲孔、翻边及整形等工艺中板材内部应力应变分布的均匀性[3]。在模具型面机加工过程中，受限于设计误差于机床精度等因素，加工出的型面与理论模面数据存在一定程度的差异，或者在冲压受力过程中上下模出现一定程度的挠度变形后出现局部间隙不一致的问题[4]。在上述因素综合作用下，模具合模过程中上下模型面会出现局部干涉现象（凸起的点或面），即硬点，且可通过蓝单或红单着色情况直观检测模具型面的整体研合与硬点分布情况。研磨硬点的过程即不断提升模具研合率的过程。在汽车覆盖件模具制造和维护过程中，消除模具型面上的硬点，主要采用蓝（红）丹着色法进行检查并打磨抛光。即在工序件上均匀地刷上一层蓝丹（或红丹），将刷丹后的工序件放到模腔内按正常的工艺参数成形到底，并根据合模后着色情况对硬点进行针对性研磨，实现模具研合率的提升。

通常依托CAE 分析软件，并结合工程经验，在确保钣金尺寸与面品复合质量要求的前提下，通过设计、NC加工及后期钳工研配3方面制定模具研合率技术规范，如表1所示。

表1 模具研合率技术规范

3.1 模面间隙控制要求

冲压件的品质很大程度上取决于模具型面的精度与面积，模具型面的精度与间隙需要通过模具型面的研合率进行控制。冲压模具对板料（工序件）加工过程中，根据板料流动的需求，为控制板料起皱和开裂问题的发生，不同部位对研合的要求存在较大的差异，并非所有型面都需要严格控制研合率指标[5]。

对于OP10 工序，需要重点关注压边圈和凹模的研合率，这两个位置主要控制板料流动和拉伸成形。管理面研合不均，板料走料快慢不一致，容易导致起皱和开裂的问题；而凹模研合不良，板料拉伸成形不充分，制件存在反作用力的部位将会出现回弹，并出现凹印、瘪塘及滑移线等面品缺陷[6]。

对于整形模，由于需要将工序件冲压至符合数模要求的造型，精度要求较高，因此，整形区域需要有良好的研合，且特定强压区域采用偏差强压的形式。整形量较小时，压料部分可布置10～40mm 宽度的研合；当整形量大时（如侧围顶部轮廓、顶盖尾部铰链安装面等），压料部分需要布置150～200mm 的宽度。某车型顶盖尾部整形压料布置形式如图2a、图2b所示。

对于修边模，要求切边后制件不会出现切边变形，一般只需要对应压料面有20mm的研合量，研合要求相对前面两种冲压工艺要求可适当降低。

3.2 拉伸模着色控制要求

拉伸模的研合是整个模具研合过程中的关键部分，占整个模具研合工作的40%～60%。拉伸模着色控制的好坏，直接影响制件的尺寸精度和表面质量，对模具运行的稳定性起关键性作用。

以某车型侧围外板OP10 研合要求为例。如图3所示，管理面部位需着实色（重着色），且着色均匀，确保板料流动均匀；成形部位（主要是制件部位）涉及到制件面品，要求制件有良好的表面质量和尺寸精度，要求能够实现一般着色，确保成形到位；前门框和后侧门框法兰边部位，要求板料能很好的流动，且能实现符型，需求实现虚着色；轮罩废料区、侧方压料等部位，这些部位研合率与尺寸精度无显著相关性，过分的追求最大研合率会造成成本增加，且不利于制件的拉伸成形。

3.3 切边模着色控制要求

对于切边模（含冲孔），对研合率的要求，相对于拉伸、整形模有所降低，能确保切边、冲孔后制件不出现倒拉变形等情况即可。一般而言，切边、冲孔区域10～20mm 范围内研合均匀，要求研合达到80%以上，且没有制件压伤的情况。图4为某车型制件切边工序的研合情况，在刃口10～20mm 范围内，模具压料研合良好，达到85%。生产过程中，即使部分刃口间隙垂直度偏低，或者部分间隙偏紧，但由于切边刃口10～20mm 范围内研合良好，切出的制件没有出现倒拉变形的情况，制件表面质量良好。

4 模具研合率对制件尺寸与面品的影响

通过研究对比发现，提升模具研合率可有效提升制件尺寸合格率，改善制件表面质量，输出高品质的冲压制件。以某车型顶盖周圈法兰边尺寸为研究对象，如图5所示，在调试初期，制件法兰边尺寸合格率仅60%，观察整形法兰边的研合情况发现，研合着色约60%，不满足≥90%指标要求。通过蓝丹着色法检测模具硬点，推磨硬点后模具法兰面边的整形研合率达到90%以上，此时制件法兰边尺寸合格率达到95%，制件尺寸满足公差要求。制件测点分布及整改前后尺寸状态对比如图6所示，由图6可知，通过提升整形工序的研合率，可显著提升制件法兰边尺寸合格率。

图7a 为某车型发动机罩外板的拉伸研合状态。观察发现，模具整体研合不良，尤其是特征线周边研合较差，蓝丹着色显示，制件着色不均匀。此时，制件特征线周边出现一明显凹条，如图7b所示。通过依次使用800#和1200#的油石对模具型面进行精研，重点对特征线周边部分进行精细打磨，将模具型面研合率提升至90%以上，该区域的制件凹印得到显著改善，提升后模具研合状态及对应面品质量见图8所示。

5 模具研合率提升方法研究

模具研合率对钣金品质具有重要影响。本文主要从对钣金质量影响最大的拉伸模压边圈研合方法与前期设计及制造两个维度开展论述。

5.1 压边圈研合策略

由研合着色卡可知，模具不同部位对研合的要求存在差异。对于拉伸模，需要重点关注并确保压边圈压料面与管理面的研合率满足调试要求。结合制件成形特性及钣金成形机理，压边圈研合通常分为内紧外松或者内松外紧两种形式[7]。

在凹模口的直线弯曲变形区和延长变形区，板料的厚度不变或者变薄，相对压边间隙一致或者增大。拉伸成形过程中，压料面对板料的挤压作用减弱，即成形阻力降低。此时，采用里紧外松的形式，可以有效的防止压料力减弱的问题，有效抑制制件起皱。反之，对于压缩变形区，材料径向受拉应力，切向受压应力。随着板料流动，凹模口区域的板料厚度有增大趋势，压料面间隙相对减小，导致板料成形阻力增加，增大制件缩颈开裂风险[8]。此时，采用里松外紧的形式，降低料厚增加造成的开裂风险。

某车型发罩外板结构与拉伸模结构如图9所示。为控制板材流入速度，压边圈两侧设置双筋，用于增加拉伸成形过程的进料阻力。观察拉伸模结构可知，侧壁拉伸深度达210mm，侧面拔模角度θ较小且拐角处制件变化急剧，造成拉伸成形过程中两侧板料流入不均匀，成形不稳定，易出现局部起皱、开裂等缺陷。此外，后端拐角区域板料在成形过程中承受径向拉应力与切向压应力，且切向压应力大于径向拉应力并出现压缩变形。法兰面板料发生褶皱后料厚增加，导致内侧管理面间隙相对减小，拉伸阻力剧烈增大后导致制件开裂。

根据制件拉伸成形特性，将内侧压边间隙适当调大，形成里松外紧的形式，使压边间隙良好的匹配制件成形特性，使板料在凹模与压边圈之间按照变形区料厚变化规律顺利流动，并通过筋条与压料面的共同作用，合理的控制板料流入与拉应力分布，改善坯料上各处材料的成形条件，使变形趋于一致。实施该措施后，有效解决拉伸褶皱等问题，如图10所示。

5.2 前期设计与制造策略

（1）模具挠度补偿。模具并非完全的刚性体，在成形受力过程中存在一定的挠度变形，借助Abaqus等软件开展动力学响应分析，并结合工程经验在模具上进行挠度补偿[9]。某车门外板OP10 凹模与压边圈补充方案如图11所示。

（2）模具设计时，需要考虑对重要型面与易产生变形的区域进行强压，如拉伸模对棱线、包边面等重要区域做强压，保证其质量和精度，即在设计模面数据与NC 加工数据时，上述区域的凹凸模间隙小于板料厚度，且不同区域会根据模具CAE 分析结果、模具受力特性与工程经验设置不同的强压量。此外，拉伸模热处理后再进行精加工，避免了热处理变形而增加钳工的研配工作量。某车型后侧门外板拉伸模模面设计如图12所示。

（3）模具设计初期，在确保制件品质的前提下对非工作区域进行避空处理。若非工作区域设置压料，由于存在机加工误差、模具挠度变形、设备精度误差等客观因素，盲目的追求最大面的研合率，增加钳工研配工作量的同时会造成调试周期和造车成本的增加，且过多的型面接触会增加制件变形或面品缺陷等风险。因此，通常在确保制件工作区域压料足够的情况下，尽量减少非工作区域压料。某车型后侧门外板OP20～OP40压料布置如图13所示。

6 结束语

汽车覆盖件模具研合率对制件表面质量和尺寸精度具有重要作用，随着汽车工业与冲压技术的迅猛发展，如何提升模具研合率已成为行业追求的主流。影响模具研合率的因素众多，包含模具挠度变形、模具结构设计、冲压工艺、母线设备精度及钳工技能等，本文结合工程案例探究了模具研合率对制件品质的影响，并简要阐述了设计与制造前期3种模具研合率提升方案，旨在为提高汽车覆盖件品质、缩短模具母线调试周期、提升模具量产过程的稳定性提供依据与借鉴。