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TMC侧围外板成形工艺方案研究

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2020年5月29日
文档仅供参考
TMC侧围外板成形工艺方案研究
Research about process design of TMC body sides
张香东/Zhang Xiangdong
模具中心 冲压模具北京工厂
摘要:本文主要分析了TMC对5A和6B侧围外板工艺成形方案的设计方法及工序内容的布置,研究和阐述了每序工艺设计的特点,包括工序内容的布置特点和工艺模面造型特点以及各序重难点的工艺处理方法与技巧。经过对这两个侧围外板TMC工艺成形方案设计的分析和研究总结侧围外板四序成形的工艺方案设计方法及思路以及在工艺成形方案设计中的注意事项,在此基础上也分析总结了侧围外板在四序成形的条件下对产品成形工艺性提出的要求。

【关键词】 侧围、拉延、冲压方向、压料面、拉延筋、切边、冲孔、翻边、整形 、斜楔、回弹。
Abstract:The text analyse 5A and 6B body side process design of TMC, summarize the basic method of body side preocess design and the attenttions of each operation, especially for total 4 operation process design of body sides.
【Key words】Body side、Drawing、Press direction、Pressure face、 Drawbead、Cutting、Pierce、Flange、Restrike、CAM、Springback。

引言:
侧围外板是汽车上最重要的外板件之一,质量要求非常高,模具制造成本也非常高,在国内当前采用的成形方案基本上都是5序成形,德国模具有时还会出现6序成形的方案。成形工序越多模具数量就越多,就需要更多的成形设备和操作人员来进行生产,而且由于传递工序增加也增加了零件出现缺陷的机率,成本也会同步增加。在日本很多侧围外板的成形工序都只有4序(不包括落料),相应的成形模具数量也只有4套,工序内容布置比较紧凑,TMC承接的5A和6B侧围外板也都是采用了4序成形的工艺方案,本文就是经过对TMC设计的5A和6B侧围外板的工艺方案进行分析和研究来阐述侧围外板4序成形的工艺设计方法和注意事项以及按4序成形对产品工艺性提出的要求,希望对我们设计侧围外板工艺方案时能起到参考和借鉴作用。
正文:
由于5A和6B侧围TMC成形工艺方案设计的方法和各序成形内容都基本相同,下面主要以5A侧围外板为主6B侧围外板为辅来进行分析和说明,经过对输入评审内容及工艺成形方案的研究来探讨其冲压工艺设计的思路和方法。研究顺序是先总结TMC在进行侧围外板的工艺成形方案设计之前先对设计输入进行了怎样的评估,即做了哪些设计输入评审,输入评审对任何零件的工艺设计来说都是很重要的,它能够为设计出一个合理可靠的工艺方案提供合理的输入条件,对工艺方案设计的成功与否影响很大,做好了输入评审工作往往就能规避掉很多设计输入不合理的地方,为下一步的工艺设计工作创造出良好的条件。分析完前期输入评审以后再对每一序的工艺设计内容及特点进行细致分析和研究,总结TMC工艺方案设计的特点和技巧,正是这些细节方面的设计特点和处理技巧综合起来才形成了一个高质量的成形工艺方案设计结果。
一．产品输入评审
1．产品介绍
如图1所示,5A侧围外板材质SPCEN,料厚0.8mm,零件大小长宽为3280mm*1260mm,零件的特点有:
(1)侧围下门槛处有向内凹的形状,在拉延冲压方向上有负角,如图2所示,此处为一个成形难点。
(2)加油口处为拆件结构,侧围只是翻边成形,成形较简单,尾灯座板有一半形状和侧围一体,这也是一个成形难点,后保处和侧围一体,如图3所示。

图1

图2

图3
2．TMC设计输入评审
(1)对初期产品的后流水槽处造型进行了更改反馈,指出后流水槽处侧壁形状太深,在侧翻边成形时会引起成形质量问题,建议将产品侧壁造型深度改为不超过25mm。另外在后尾处的点焊凸缘面所处的位置不好,刚好处在产品造型的拐弯处,这在侧翻边成形时会造成严重的起皱叠料,建议将凸缘的位置向下移动保证在直边位置,这样造型拐弯处就能保证侧翻边形面不至于太长,解决了侧翻边成形的起皱问题,而且对于侧翻边的直边长度也建议取8mm,如图4所示。

图4
(2)对初期产品的加油口处造型进行了更改反馈,评审认为加油口处设计为一体式,造型深度太大,在拉延成形时会发生破裂无法解决且在加油口的四个角部会发生成形缺陷,严重影响产品质量。评审建议将加油口处的造型深度缩小至10mm或者做成拆件结构,侧围处只是简单的翻边结构,成形难度就变的很小也很好保证成形质量,如图5所示。

图5
(3)对初期产品的下门槛负角形状处造型进行了更改反馈,评审认为侧围下门槛的负角造型设计会造成制件成形后的扭曲变形,给制件整改带来很大的难度,负角处需安排侧整形,整形的行程较大成形也较复杂,成形后面的质量不好保证,建议最好将负角处造型取消掉,保持传统造型方式。如果车身功能需要确实无法取消时也需要进行造型的更改解决侧整形时在有负角和无负角处的起皱问题,评审建议两者的过渡区域至少需保证150mm,如图6所示。

图6
(4)对初期产品的尾灯处形状造型进行了更改反馈,评审认为尾灯处采用半封闭结构首先在拉延成形会发生破裂需要对产品形状进行改造包括设计过拉延来解决拉延成形的破裂问题,但在随后进行的整形时材料会发生流动,尾灯处每个截面的线长度都在发生变化,整形后尾灯处容易发生扭曲变形,影响制件质量和成形稳定性,为此评审建议将尾灯处采取拆件结构,保证尾灯处只是简单的翻边内容而不是整形内容,这样有利于解决制件扭曲问题,如图7所示。

图7
(5)对初期产品的A柱侧整形处形状造型进行了更改反馈,评审认为侧围上顶框在A柱处的侧整形深度比顶框其它地方侧整形深度都要深且由浅变深过渡的很突然,侧整形时容易发生成形缺陷且凸缘面的起皱也很难解决。评审建议将A柱处的侧整形深度适当改浅,避免成形缺陷的发生,如图8所示。

图8
(6)对初期产品的后风窗与行李箱交接处产品造型进行了更改反馈,评审认为此处产品形状很复杂成形难度很大,一方面上尖点处在侧翻边成形时易受力过于集中而破裂,另一方面下面的凸缘面又容易聚料起皱,在后侧的凹形棱线又容易在侧翻边时聚料上拱影响外观棱线的光顺性。评审建议将后侧凹形棱线弧度改缓,同时将下凸缘宽度减小,改为不超过10mm,如图9所示。

图9
(7)对初期产品的后保卡扣凸台产品造型进行了更改反馈,评审认为此处产品造型将卡扣凸台直接延伸到了后保配合的侧壁上,在整形工序中上模整形模口就会出现台阶在整形入模过程中就会出现有先有后的情况,容易造成整形处材料流动的不均匀从而在制件外表面上留下凸凹不平及棱线不顺等成形缺陷。评审建议将卡扣凸台向后缩短,保证在后保配合侧壁底部的圆角没有高低之分,从而保证了整形上模入模时的同时性,解决制件成形的表面缺陷问题。如图10所示。

图10
(8)对初期产品的A柱拐角处产品造型进行了更改反馈,评审认为此处产品造型采取封闭式结构在实际成形时无法实施,产品在拉延时需将封闭处形状打开成形,后序侧整形时形状打开造成的多余材料无处可去会造成很严重的起皱叠料且根本无法解决。评审建议将产品拐角封闭处加开一个缺口,从而将封闭结构改为半封闭结构,这样两侧的材料不再连在一起便于分开成形,可有效改进此处的侧翻边起皱叠料问题,如图11所示。

图11
(9)对初期产品加油口处的产品造型进行了更改反馈,评审认为加油口上侧两个棱线圆角弧度较小,在成形时容易发生棱线不顺造成棱线对应处的产品外表面出现暗坑等缺陷改进难度很大,评审建议将棱线圆角弧度适当加大以改进成形效果,如图12所示。

图12
6B侧围外板TMC在开始工艺设计之前也进行了详细的输入评审工作,对产品上成形工艺性不好的地方进行了分析和说明并提出了改进方法,输入评审的内容点和5A侧围外板基本相同,不再详细阐述。
二．工艺方案分析
5A侧围TMC工艺方案不包括落料共有4序,下面分别从工序内容安排,工艺造型特点,重难点处理方法等方面进行分析。
1．OP10
工序内容为”拉延”,整体拉延数模造型如图13所示(拉延筋还未制作),压料面设计采用了空间曲面形状,每个截面形状都不相同充分结合了侧围在每处的产品造型深度来设计压料面,凸模造型方法上有几处与我们以前的造型方法不太一样,下面分别来进行分析和介绍。

图13
(1)如图14所示,产品在下边梁前端是个很突出的尖点,侧壁深26mm,拉延成形非常困难,TMC工艺设计的处理方法是在尖点处设计过拉延,过拉延的上圆角半径设计的很大达到R14mm,侧壁的拔模度数也进行加大,目的就是解决拉延时侧壁的成形破裂问题,解决拉延破裂问题后再在后序成形中进行整形处理将产品上的成形难点最终成形出来。

图14
(2)如图15所示,侧围下边梁是负角形面,这在我们以前的侧围产品造型上没有出现过,TMC的处理办法是将负角形面全部进行改造,变成和拉延Z向有4度开角的简单立面,这样拉延成形工序没有问题了,然后再在后序成形中进行侧整形处理,将产品上的负角形面全部成形出来,在产品造型上已经对侧整形可能会起皱的区域增加了吸料筋用于改进侧整形起皱的发生。

图15
(3)如图16所示,左侧围加油口处TMC工艺造型特点是将产品棱线圆角基本全部拉延成形出来,而不是经过翻边来成形,中间部位再设计凸台来平衡棱线圆角的受力情况解决拉延成形过程中的棱线滑移问题,这样设计的好处是利于保证加油口处棱线圆角的光顺性。另外对于后轮罩和后保接合处的工艺设计是在接合点处附件设置吸料槽,保证拉延到底时此处区域成形更充分,从而保证了后轮罩外表面的质量要求,避免了暗坑的发生

图16
(4)如图17,侧围后保处的拉延造型设计很有特点,此处是一个深度较大立面又较陡的产品造型形面,往往都是侧围拉延成形的难点之一,常见的成形缺陷是拉延立面破裂及整形后棱线圆角不顺。TMC的拉延工艺造型就较好的解决了这两个问题,一方面在产品棱线圆角处拉延造型没有进行过多的过拉延及圆角加大处理,而是基本保持了原产品的棱线位置和圆角大小,另一方面在此圆角下方设计了二层台,第二圆角设计的较大,这样造型设计的好处是第一圆角基本保持了原产品圆角的位置和大小利于在整形后保证圆角棱线的光顺,第二圆角的使用又较好的解决了拉延破裂问题。尾灯处的拉延造型也同样采取了这种方法,如图18所示。

图17

图18
(5)如图19所示,侧围拉延造型在顶框处采用了二层台的造型方式,这样能够保证在切边时不需要使用侧切边,直接用正切边就能够完成制件切边了。在顶框棱线处设计了2mm的过拉延,之后使用了R20的大圆角,这样利于拉延时解决棱线圆角处的破裂问题从而能够保证拉延件的成形刚性。二层台的立壁设计了较小的拔模角度只有3°,有利于制件后序侧翻边时减少材料聚集从而减少起皱的发生。

图19
(6)如图20所示,侧围前后门洞上边缘TMC都做了过拉延设计,过拉延量0.6mm,上圆角R6下圆角R8。此处的过拉延设计在以前我们的侧围工艺设计时没有使用过,在模具调试时容易出现的问题是此处的拉延破裂因为产品的圆角是外观圆角,往往比较小,基本是上圆角R5下圆角R4在拉延成形时下圆角特别容易开裂,为了解决破裂问题不得不将内外侧的拉延筋改浅,但这样做就会造成拉延件的成形刚性变弱不利于制件表面质量的提高。TMC在此处设计过拉延就能较好的解决这个问题,由于圆角加大了拉延成形就不容易发生破裂,后序再经过整形得到产品圆角。

图20
2．OP20
工序内容为”切边侧切边冲孔整形”,工艺数模设计如图21所示。本工序的主要内容是完成大部分的切边,工艺设计比较有特点的几个方面分别分析和介绍如下。

图21
(1)在切边设计方面力求废料能顺利排出,为了达到此要求OP20并不强求要将能切的废料全部切除,在局部位置能够适当保留一部分放在后序再切,这样本序切边布置就可完全避免废料刀背对背的情况,为切边废料的排出创造了良好的条件,如图21所示。
(2)如图22所示,OP20工艺设计在侧围前后门洞全部安排了整形,这一点以前我们用的不多,我们工艺设计时多采用局部整形的方式,TMC采用全部整形的方式就能够更好的保证前后门洞棱线圆角及配合法兰面的形状和尺寸精度,克服制件形状不良及回弹的问题。另外在整形的区域设计上还有三个特点分别是:1.如图中所示,整形镶块在A柱和翼子板配合处分模线向上进行了延伸将侧围A柱台阶处一起进行了整形,2.如图中所示,整形镶块在下门槛处分模线向下进行了延伸将下门槛和翼子板配合的台阶处一起进行了整形,3.如图中所示,分模线在B柱处没有完全延伸到顶部而是在半途进行了封闭,这样设计的目是为了保证压料块的强度,如果分模线延伸到了顶部在B柱顶部处压料块的宽度只有60mm强度很差很容易出现强度不足而断裂的问题。

图22
(3)如图23所示,在尾灯处的切边设计TMC采用的是正切和侧切交接的方式,在后尾处侧切边增加了一把废料刀,此废料刀和后保处的废料刀保持刃对刃的方式,这样在切边时后尾灯处的废料就能够向下冲裁最后滑落解决了后尾灯处切边废料排出困难的问题。

图23
(4)如图24所示,OP20在前后门洞的工艺设计上由于是连整带切的工艺布置为了避免切边上模在回程时带料,在未切边的废料上都设计了压筋,筋宽13mm深4mm,如此设计在切边过程中压料块进行压筋时切边边缘会自然内缩,从而避免了上模镶块回程时带料的发生,有利于保证制件形面的准确避免发生回带变形。

图24
3．OP30
工序内容是”切边冲孔侧翻边整形侧整形”,工艺数模设计如图25所示。本工序主要完成了剩余部分的切边内容,上顶框的侧翻边成形,下门槛的侧整形及A柱后保尾灯处的翻边整形,工序内容多以成形类为主,在工艺设计和工序内容布置上比较有特点的几个方面分别分析和介绍如下。

图25
(1)如图26所示,5A侧围外板在下门槛处存在负角形面,TMC工艺设计将此负角形面的成形安排在了OP30进行侧整形成形,侧整形分模线在A柱下端和翼子板配合处向上进行延伸将台阶处一起进行了整形处理,这样就和OP20在此处的整形区域进行对接保证了此台阶处形状的最终成形。另外在下门槛前端侧整形和正整形设计成接刀形式同时进行了A柱前端面的整形内容,工序内容布置较紧凑。

图26
(2)如图27所示,OP30在后保处的整形是将后保外观圆角棱线的整形和后保尾巴处的翻边放在一起进行处理的,后保的大部分形面也都做了整形处理,在中间部位留了约300mm*175mm的区域作为压料区域。另外尾灯处也安排在此序进行翻边整形,在侧围整个尾部的工序内容安排比较紧凑。另外在后保及后尾灯处的翻边整形工艺设计都向外做了03mm的棱线补偿量,这样有利于零件最终成形后棱线位置的准确性,避免棱线向内亏损情况的发生。

图27
(3)如图28所示,侧围顶框靠近A柱处的侧翻边采用的是工作角度-3°的非标斜楔,原因是为了保证在4序内完成侧围的最终成形,OP30冲压方向已经确定,为了完成此序的侧翻边成形非标斜楔必须使用负角度的工作方向。在B柱处侧翻边与非成形形面的过渡区域设计为150mm,同时在A柱处侧翻边的分模线向下进行了延伸,对侧围A柱和翼子板配合处的台阶面进行了整形处理,另外顶框棱线在侧翻边时做了0.7mm的棱线补偿量,侧翻边立面和底部法兰面均做了3°的回弹补偿量。

图28
(4)如图29所示,侧围顶框靠近A柱处的侧整形由于部分边界废料还没有切除,在侧整形过程中下模设计了对应的模口形状用于托住废料区域这样在成形过程中废料区域的进料就产生一定的阻力,有利于拉开和改进A柱处侧翻边凸缘的起皱叠料问题。

图29
4．OP40
工序内容是”切边侧切边冲孔侧冲孔翻边侧翻边整形”,工艺数模设计如图30所示。本工序的内容是完成剩余所有的切边内容,加油口处的翻边,上顶框B柱处的侧翻边成形及所有冲孔侧冲孔内容,从而完成侧围零件的最终成形,其工艺设计比较有特点的几个方面分别分析和介绍如下。

图30
(1)如图31所示,侧围后轮罩下端的翻边成形TMC安排在OP40进行正翻边成形而没有采取侧翻边成形的方式,之因此能够经过正翻边成形是因为在拉延造型设计时已经将产品棱线圆角拉延成形出来了一部分,这样正翻边成形的翻边成形量相对较小,虽然立壁也很陡但正翻边能够保证制件成形质量,这一点在产品条件允许时我们能够借鉴使用,减少斜楔的数量。

图31
(2)如图32所示,OP40在进行B柱处的侧翻边成形时,OP40侧翻边和OP30侧翻边的重叠区域较大达到70至80mm,重叠区域加大有助于改进两次侧翻边交接区域的成形质量包括棱线质量和凸缘面的质量。

图32
(3)如图33所示,侧围顶框处在OP20和OP30没有完成的切边内容安排在OP40进行侧切边,经过分布在三序的切边工序内容布置较好的分散了制件周边的切边内容,既为四序完成侧围成形创造了条件又使得各序的工序内容布置紧凑合理,同时局部切边废料放在最后一序切除还有助于在前序侧翻边成形时减少顶框凸缘面的起皱改进表面质量。

图33
(4)如图34所示,侧围尾部尖点处的侧翻边成形在斜楔的工作角度选择时保持侧翻边形面有4至5度的开角,虽然开角增大不利于保证侧翻边成形后圆角棱线的光顺性,但却有利于保证在侧翻边成形过程中避免内活动斜楔运动至工作位置时与制件的干涉,而这种运动斜楔与制件的干涉问题一直是我们之前侧围模具调试中经常遇到的难题,解决措施中很重要的一点就是要设计好侧翻边斜楔的工作角度,保持侧翻边形面具有一定的开角。

图34
总结:
侧围外板的成形对产品造型设计、冲压工艺设计、模具设计制造与调试都提出了很高的要求,每个环节都需要做到精益求精、力求完美,当前为了降低整车成本侧围也正逐渐从传统的五序成形转变为四序成形,这无疑更加提高了各序的成形难度。此次TMC设计的5A和6B侧围冲压工艺都是四序成形,总结其设计方法和重难点的处理技巧来看侧围四序成形条件下冲压工艺设计需注意以下几个方面。
(1)在冲压工艺设计之前充分做好设计输入评审工作,组织相关人员进行产品的成形工艺性讨论和分析,尽量将产品上工艺性不合理,不合适的地方找出来,反馈至产品设计部门与之进行沟通交流,共同找出既能满足产品功能性要求又能提高成形工艺性的产品造型方式,从设计输入开始就要做相当的评审工作为四序顺利成形零件打下良好的基础。
(2)在各工序内容布置设计时要将切边内容进行分散处理,不是传统的OP20和OP30就基本完成所有切边内容,例如侧围上顶框的切边分散至OP20,30,40三序来完成。另外必要时需较多采用正切和侧切接刀的切边方式,从而有效压缩切边工序。
(3)翻边整形工序内容设计和布置时也较多的采用了正成形和侧成形接刀的方式,将传统工艺设计需要分成两序才能完成的成形内容合并到一序完成了。
(4)侧围后保处的翻边整形传统设计方法是先完成后保外观圆角棱线的整形内容然后再在后序进行尾部末端的翻边成形,TMC则采用了在后保处单独设计小压料块同一序将后保处外观圆角棱线整形和尾部末端翻边成形一次性完成,如图27所示,虽然存在一定的成形缺陷风险但却有效节省了成形工序数量。
(5)拉延工序条件允许时将产品形状尽量多的拉延成形出来,为后序成形创造有利条件,例如后轮罩处的拉延造型设计将立壁上的产品外观圆角局部拉延成形出来,降低了后序立壁翻边成形的难度,这样原来需要使用侧翻边成形的形状特征变成了正翻边成形简单了工序成形内容。
(6)OP20前后门洞在切边的同时全部设计采用了镶块整形,虽然存在着切边无压料及上模刃口回程易带料的问题,但在同时采用了废料压筋让切边边界内缩的措施后大大简化了前后门洞的成形工序内容,缩短了成形工序长度,如图22和24所示。
(7)OP20前门洞的整形分模线在侧围和翼子板配合处的A柱上端和下门槛前端都进行延伸处理,如图22所示,将这部分形面的过拉延改造同时在OP20进行了整形,减少了后序的整形工作量。
(8)加油口处产品形状如果是整体式结构则其成形深度应控制不大于6mm,只有深度较浅才能保证成形后周边的外表面质量,否则就设计成分体结构,加油口处只是简单的翻边成形,简化此处成形的工序内容。
(9)受工序数限制前后门洞的切边分散到了各序,但受各序冲压方向的限制门上框的局部切边必要时需使用侧切边来完成而不是传统五序成形时全部正切边完成,如图35所示。

图35
(10)受工序数的限制侧围后风窗的侧翻边成形和后尾灯处的翻边整形需同时放在OP30来完成,如图36所示,由于受空间限制模具结构会比较复杂加大了设计和加工调试难度。

图36
作者简介:
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