整体侧围三动拉延模的设计

178 整体侧围三动拉延模的设计 林琼，祁淑香，李悦 （一汽模具制造有限公司 吉林长春 130011） 摘要：通过对整体侧围外板的产品特点及其成形性的分析，系统介绍了整体侧围外板三动拉延模的工作原理、结构 特点，为将来开发设计轿车体侧围外板三动拉延模提供经验。 关键词：整体侧围 三动拉延模 充气式氮气缸连接系统 1．引言 整体侧围是轿车外覆盖件的重中之重，其质 量的好坏直接影响着轿车的品质及外观形象。而 侧围外板的拉延模对保证整体侧围的质量至关重 要。 目前在国内模具行业中，侧围外板模具还处 于刚刚起步阶段，国内轿车整体侧围几乎全部依 靠国外进口。国外整体侧围生产现已成专业化生 产趋势，由专门的厂家、专门的工艺来完成。2002 年，我公司承接了整车模具的设计制造任务，包 括整体侧围这一重要产品。设计过程中，我们调 研了一汽大众侧围生产现场，研制开发了符合我 厂生产能力的#设计#。产出了完全达到整车要 求的高质量侧围产品。 2．模具设计 模具的设计需要结合模具结构概念对产品进 行深入分析，了解具体冲压工艺方案的布置，深 刻体会本套成形类模具中制件的成形过程，最后 进行具体结构的设计，以满足成形过程的需要。 2.1 产品分析： 轿车整体侧围是轿车外覆盖件的重中之重， 堪称冲压件之“最”, 原因在于： ⑴ 它是整车冷冲模冲压件中最大的。 该车型的轮廓尺寸：长 3.55 米，宽 1.508 米， 高 1.49 米 侧围产品尺寸：长 2.48 米，宽 1.27 米， 料厚 0.8，材料：ST16 ⑵ 它与其他诸多制件匹配关系最多，且要求极 其严格。 匹配关系：前与翼子板；后于行李箱；上有 顶盖；下有轮罩；前上侧有风窗；中有前、后门 等众多重要冲压件搭接、匹配。（见图 1） 它需要面光顺平滑；棱线清晰；周边尺寸 精度不能大于 0.7mm 。 ⑶ 轿车的安全性及噪音直接决定拉延的塑性变 形必须充分，无裂纹、不起皱，以保证具有足够 的强度。 ⑷ 车的美观要求侧围外板表面光照检查没有一 点划伤，触感检查无凸包、暗坑。 由此可见，整体侧围质量的好坏直接影响着 轿车的品质及外观形象。而侧围外板拉延模对保 证整体侧围的质量至关重要。 3． 冲压工艺方案及成形工艺： 3.1 工艺方案 本 侧 围 外板共分6道 工序完成： ⑴ 落料、 冲孔（2 个大 门 洞 ） ⑵ 三动拉延 ⑶ 修边、冲孔、整形 ⑷ 修 边、冲孔、翻口、翻边、成形、整形 ⑸ 侧成形、侧冲孔、翻孔、翻边 ⑹ 侧 成形、整形、冲孔、侧冲孔 拉延成形工序在模具制造中是一道关键工 序，它的成功与否决定了冲压工艺是否合理，该 零件能否冲压出来。 3.2 成形工艺 该产品是由造型复杂的工艺曲面构成的，形 如面包圈 似的框架 形式。产 品汽车位 置后部为 大 的 凸 包，是产 品 最 深 处；前部与中部宽窄明显，高低起伏大；上部狭 图 2 图 1 179 窄，相对深度大，边缘里扣；下部形状规整；两 个门口形成阶梯变化，层次明显。产品棱线清晰， R值最小不到 3mm。（见图 2） 该产品拉延件的工艺补充设计非常复杂（见 图 3），主要考虑了以下内容： ⑴ 产品的基准点、冲模中心线、冲压方向和送 料方向 外覆盖件拉延模冲压方向至关重要，本侧围 拉延沿 Z轴旋转 6°，能确保： 凸模顺利进入凹模、无负角产生。 拉延深度均匀，进料阻力均匀。 凸模开始拉延时与拉延毛坯的接触面积尽量 大，拉延进料均匀，不会出现毛坯窜动情况。 ⑵ 产品的改造 在这一次拉延过程中，尽量使件大部分形状 拉出，以减少以后的工作量及再次加工的困难。 局部改变了产品的形状，以方便拉延。 ⑶ 压料面的形状 本产品内、外压料面的造型光顺、平滑，尽 可能减少了拉延深度，确保了拉延成形的稳定性， 及拉延件的质量。 ⑷ 拉延筋的布置 本产品的拉延筋设计合理，起到了调节拉延 件在压料面上各部份的进料阻力的作用，使相应 各部位变形趋于一致，防止了拉延过程中产生皱 纹，又保证了后序修边及翻边的要求。 ⑸ 凸模外轮廓线与凹模口 凸模外轮廓线的确定取决于修边线的位置。 凹模口与凸模顶部的圆角一般在设计时不取得太 大，以便将来调试时的调节。 ⑹ 拉延毛坯 它是在拉延补充完成之后，将比较有影响的 断面展开至半个筋的位置，所得的板料尺寸经过 圆整和过渡而得。本产品由于需要内外压料面走 料，两个门口需冲大的工艺孔，工艺孔的大小与 拉延需要的进料多少有关。 3.3 CAE 分析 工艺补充结束，三维工艺模型建立后，经过 CAE 有限元分析模拟板料的拉延成形过程，验证工 艺模型补充的合 理性。根据分析 结果，分析零件 起皱和开裂原 因，再修改工艺 模型，直到成形 性达到满意为 止。验证可获得较 好的拉延制件，便 可以进行结构设 计。 4．三动拉延结 构的确定 一般的产品都通过单动或双动拉延模的结构 实现拉延成形。（见图 4） 整体侧围外板的产品特点要求结构上保证拉 延过程中板料除在板料的外圈向里进料外，在板 料的两个不同形状门口内的板料向外走料。这一 成形过程无法通过单动或双动拉延模的结构来实 现，只有通过三动拉延的结构来实现。 产品复杂的形状、拉延深度的变化要求模具 不仅外圈板料与两个不同门口内的板料进行压 料，而且两个门口内的压料力可调，以应付复杂 的变化。 为此，整体侧围外板决定采用外圈板料通过 压床的外滑块压料，两个不同形状门口内的板料 通过两个独立的充气式氮气缸管路连接系统来实 现，并且压力可调。并保证观察压力随机方便， 调整压力简捷便利。 5． 模具的工作原理 图 5 图 3 图 4 180 模具的工作原理：（见图 5） 顶件器气缸放气，手工放入坯料，外滑块下行， 外压边圈压紧坯料，内滑块下行，凸模两门洞 的左右小活动压料圈在氮气缸作用下，压紧两 门洞毛坯，内滑块继续下行 10mm，拉延开始， 内、外压料面的材料各自向拉应力方向移动， 凸模下行 145，内滑块到下死点，拉延结束， 拉延后凸模上行，左右活动压料圈脱开产品， 外滑块上行，气缸充气，顶起制件，在滚轮协 助下，手工移至传送带上。 6.具体结构设计 6.1 定位方式的选取 板料在模具中采用封闭定位。其中，前后送、 取料为避免划伤制件，便于板料推进、取出，采 用导轮挡料板。板料落入凹模后会自然弯曲，部 分随凹模形，使得设计时挡料板的准确位置难以 确定，为此，挡料板均采用可调式。 6.2 托料方式的设计 拉延顶件装置采用气缸带动顶料块进行托 料。由于顶料块布置于压料面上，为此设计上注 意以下几点：（见图 6） ⑴ 位置保证托料均衡，气缸便于安装。 ⑵ 顶料块靠近凸模方向的轮廓选在第一根拉延 筋中间附近，保证托料及不划伤制件。 ⑶ 顶料块进料方向上的轮廓与进料方向成 10°， 避免在压应力作用下材料变厚挤入缝隙中，影响 制件 质量。 ⑷ 顶料块的上表面形状与压料面完全重合。 顶料块与气缸通过导向杆连接，衬套导向， 图 6 保证精度。 6 个气缸通过管接头、软管以进气口串连、出 气口串连的方式连接，以调节阀保证同步。 6.3 压料设计中充气式氮气缸系统的应用 ⑴ 弹性元件的选取： 拉延过程进料要求压料力具有： a.初压要大。 b.随行程的变化，压料力保持基本恒定。 目前，模具中使用的弹性元件有： 聚胺脂，弹簧、压力机气垫、氮气缸四种。 它们的特性曲线如图：（见图 7）从图中可见， 能满足拉延压料要求的弹性元件只有气垫和氮气 缸。 其中，压力机气垫的压力调整不准确，设计 时结构受托杆位置的限制。 ⑵ 氮气缸的特性： 氮气缸是以高压氮气为充填气体的弹性部 件。 氮气缸弹压力= 缸内压强×活塞截面 积 氮气缸特点： a. 初始压力大 b. 压力曲线基 本恒定 图 7 c. 压力可调 d. 体积小、行程长 e. 寿命长、效率高 ⑶ 氮气缸的使用形式的选择： 氮气缸的使用形式及特点： ① 独立式的氮气缸：压力不易调整。 ② 高压软管连接的氮气缸系统：压力可调， 取用有一定的灵活性，可自行设计。 ③ 座板连接的氮气缸系统：压力可调，专项 专用，更安全可靠，造价高，需要氮气缸厂家 协助设计。 氮气缸连接成为一个系统环路后，每个氮气 缸都是具有相同的压力。氮气缸管路系统的充气 采用专门的充气装置，充气时将快换接头与压力 控制表对接，便可对管路系统中的各个氮缸同时 充气。 目前，国际市场上氮气缸的品牌很多，我们 使用过 Hyson、KALLER、BESTEC（韩国）。此 次设计选用了 KALLER，TU型，高压软管连接的 氮气缸系统。软管连接的氮气缸系统分为 JIC 和 EZ管路系统。如果在系统中采用压力储气罐，一 般采用 JIC管路系统。本次设计采用 EZ管路系统， 即由高压管将独立氮气缸连接为一体，再安装一 6 181 个控制表，以便进行压力调控。 ⑷ 氮气缸系统的具体设计： ① 氮气缸行程的确定： 由于板料放于凹模上会自然弯曲，弯曲后的 形状与拉延件形状在冲压方向上的最大差值约为 145，即拉延深度为 145。 氮气缸的行程系列为：25、38.1、50、63.5、 80、100、125、160 所以取 160 行程的氮气缸进行压件，而 160 的行程实际取用到 155，此为安全行程。这与氮气 的结构有关。 ② 氮气缸直径与数量的确定： 压料力计算： Q=K·F·q F：毛坯压料面积 Q=0.65×F×0.1 我们设计资料 K 取 1.1--1.4, 但以往按 此系数计算出的压料力大， 为此，此次 K取 0.65。 左 侧 小 压 料 圈 732378.2-433573.9=298804.3mm2 右 侧 小 压 料 压 料 面 积 ： 547340.2-260359.7=286980.5mm2 左 侧 压 料 力 Q 左 =0.65 × 298804.3 × 0.1=19422kg 右 侧 压 料 力 Q 右 =0.65 × 286980.5 × 0.1=18654kg 氮气缸直径的选取：在模具设计有效空间内， 选取较大直径的氮气缸，有 利于减少氮气缸的数量。为 此选取Φ75.2 缸径的氮气 缸，其活塞直径 3.6cm。 氮 气 缸 的 初 始 压 力 15000N, 最大压力 23000N。 （见图 8） 目前，受专门的充气装 置氮瓶充气压强的限制，可 获得的最大充气压强为 130bar。因此，系统中单个 氮气缸的初始压力为： 图 8 F 初= 2 4 130 Dπ× =130×10N/cm2×3.62/4× π cm2=13225.68N 行程为 155 后的终压为： F 终 = F 初 + （ 23000-15000 ） × 155 /160=20975.68N 左压料圈氮气缸数量=Q 左/F 终=19422× 9.8/20975.68N =10(9.074) 右压料圈氮气缸数量=Q 右/ F 终=18654× 9.8/20975.68N =9(8.715) 实际调试后的左压料圈控制表读数约 100，左 压料圈控制表读数约 110。 ③ 氮气缸位置的确定 在拉延过程中圆角部 是 多料区，也是拉延容易起 皱的区域，需要加大压料 力，防止起皱，故在角部 优先布置氮气缸，其余均 匀布置保证压料圈受力平 衡。 ④ 氮气缸的连线： 由于成形需要，左右门口的两个小压料圈均 要保证压力可调，故选取2个单独的连接系统。（见 图 9） 连线设计以管接头最少，走线长度最短为原 则，保证弯曲半径不应小于 R20。 ⑤ 氮气缸安装的设计 由于拉延深度深，氮气缸需安置于凸模两门 口深处，填加安装板有利于装配。高压软管连接 好后的氮气缸采用缸底螺孔安装于安装板上，氮 气缸倒置使用，软管可经过管夹固定在安装板上。 这样除压力控制表外的管路系统与安装板一起落 入凸模腔内，而压力表需要安装在凸模腔外，同 时，压料圈上开操作孔， 便于压力控制。（见图 10）。 6.4 限位结构、安全装置的设计 中大型模具的限位结构一般都采用侧销与安 材 料 q 钢 0.25 黄 铜 0.20 铜 0.15 铝 0.10 压料单位压力 q 图 9 182 全销并用，如空间所限，也可采用侧销与安全螺 钉并用。 此次设计采用了聚胺脂缓冲弹性限位结构、 刚性限位结构及侧销并用的方式，分别保证无噪 音、行程准确及安全可靠。（见图 11） 拉延结束，凸模升起，小压料圈在氮气缸的 作用下走完 155 行程后，由于自身重力与惯性继 续下行，如果直接作用在刚性限位结构上，将产 生大的冲击力与噪音；先作用在弹性限位结构上， 力量得以缓冲，再作用在刚性限位结构上，保证 小压料圈的行程 165。因此，弹性限位结构的行程 取 155，刚性限位结构的行程取 165。 为了防止限位结 构失灵，出现小压料 圈脱落，增加侧销限 位，行程取 170。为了 防止凸模脱落，加防 脱限位块。（见图 11） 图 10 6.5 模具的导向、平衡、反侧、起吊 导向：外压料圈与凹模采用导柱加导向腿导 向；凸模与外压料圈、凸模与小压料圈采用导板 导向，确保了导柱精度。 平衡：外压料圈采用矩形平衡块；小压料圈 采用锥形平衡块保证了压料的稳定、平衡。具体 布置。 反侧：拉延成形过程中有侧向力存在，为此， 压料圈与凹模间采用导向键与导向腿进行反侧。 6.6 铸件结构设计 铸件结构直接影响着模具的使用性能、外观 及模具的价格。此次设计特别注意了以下几点： ① 受力处设筋。如压料成形面下、平衡块下、 氮气缸下等。保证了模具的使用性能。 ② 保证氮气缸系统、气缸系统的走线要求、 保证起吊处的强度要求、保证易被遗忘的 型面加工时的夹持要求，从而保证了模具 的使用、强度、加工。 加工面与非加工面分界明显，并尽量减少加工 面。保证了模具外观的清晰美观及降低模具价 格。 铸件壁厚尽量均匀，避免铸造缺陷的产生。 凸模（钼铸铁）分体结构，增加垫板（HT250）, 提高材料利用率，降低成本。 总之，灵活的铸件设计保证优良的铸件结构。 7．模具的应用状况 由于工艺补充及模具结构设计合理，使得模 具的制造、调试过程比较顺利，全部加工都能满 足我厂设备能力。应用情况： ① 目前模具已投入大批量生产，工作无噪 音，安全可靠，使用效果良好。 ② 充气式氮气缸系统的使用状态正常，观察 压力随机方便，调整压力简捷便利。 ③ 生产的整体侧围拉延制件，无波纹、 无暗 坑，触感检查光顺、平滑，完全符合轿车 质量。 该模具受到厂家好评。实践证明，该模 具设计并制造得比较成功 图 11