吳亞瑾

（河北長安汽車有限公司 制造工藝部， 河北 保定 073000）

0 引 言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板是車身制造中的關(guān)鍵外觀部件[1]，其造型風(fēng)格及制造品質(zhì)影響客戶的購買意愿。近年來各車企推出多款SUV、皮卡類等新車型，其造型風(fēng)格一般偏向厚重，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板左、右兩側(cè)（或左、前、右三側(cè)）造型陡峭，對扣合模具的開發(fā)造成較大的難度，有些情況甚至?xí)?dǎo)致扣合模具的預(yù)翻邊無法使用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)翻邊機(jī)構(gòu)，需設(shè)計(jì)專用的斜楔（如杠桿類勾楔）以實(shí)現(xiàn)法向勾翻壓合的功能。

圖1所示為某車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板總成（無焊接件的空扣狀態(tài)），外形左右對稱，尺寸為1 706 mm×1 174 mm×144 mm，由內(nèi)板總成和外板通過扣合模具壓合而成。成形方式為半自動(dòng)生產(chǎn)模式，涂膠及內(nèi)外板合件為手工作業(yè)，工序件放入模具、扣合成形、頂起及轉(zhuǎn)出模具為自動(dòng)化作業(yè)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板總成

1 內(nèi)外板合件工藝分析

圖2所示是扣合總成的X-X截面，展示了外板翻邊面的初始狀態(tài)及完成預(yù)翻邊后的狀態(tài)。外板型面在彎曲線處的切線與水平面夾角為65°，預(yù)翻邊完成后翻邊面與水平面夾角增大到200°，翻邊面會(huì)低于胎模的基準(zhǔn)面。外板翻邊面與內(nèi)板的理論干涉量單邊為5.4 mm，雖然實(shí)際成形中外板存在一定回彈，干涉量會(huì)減少1~2 mm，但干涉量仍然較大，由于外板左右對稱，兩側(cè)都存在干涉，內(nèi)板放入外板時(shí)會(huì)有難度。

圖2 X-X截面

圖3所示是扣合總成的Y-Y截面，顯示零件前部（前保險(xiǎn)杠側(cè)）外板型面在彎曲線處的切線與水平面夾角為65o，預(yù)翻邊后翻邊面低于胎模的基準(zhǔn)面；后部（前擋風(fēng)玻璃側(cè)）夾角是10o，預(yù)翻邊完成后翻邊面高于胎模的基準(zhǔn)面，前側(cè)干涉量較大，板料放入困難，但后側(cè)屬于開放狀態(tài)，內(nèi)外板不存在干涉。

圖3 Y-Y截面

成形時(shí)操作工先將外板仰放在操作平臺上，將涂膠后的內(nèi)板向前且向左傾斜從外板的后部向前/向左側(cè)送入，保證內(nèi)板前端和左側(cè)先到位，如圖4所示，因?yàn)楹蟛績?nèi)外板不存在干涉，此時(shí)周邊只剩右側(cè)存在3.5 mm的干涉。外板放在平臺上，側(cè)面沒有約束，受到外力作用時(shí)會(huì)輕微變形，此時(shí)只需操作工輕擊內(nèi)板，迫使外板產(chǎn)生輕微變形即可將內(nèi)板放入外板內(nèi)，完成合件。

圖4 合件操作

2 預(yù)翻邊方案設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)翻邊刀塊分組

扣合模具的沖壓方向一般根據(jù)內(nèi)外板合件中內(nèi)板的定位孔軸線方向確定，這樣可以保證內(nèi)板定位精準(zhǔn)，且外板大部分型面可以在X-Y平面上，重心穩(wěn)定，是最佳的定位方向，如圖5所示。

圖5 扣合沖壓方向

將發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板總成的翻邊輪廓線投影到X-Y平面，再根據(jù)投影線形狀特性進(jìn)行分組，原則上將投影線曲率平緩、接近的部分分為一組，可以最大限度保證特征邊線與預(yù)翻邊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線平行，刀塊接觸板料時(shí)間差最小，預(yù)翻邊效果最好；角部及曲率變化劇烈的線段獨(dú)立分為一組，便于這些質(zhì)量問題多發(fā)區(qū)域的維修。圖6所示將預(yù)翻邊刀塊分為6大組（B、D、C左右對稱），其中B、D、E、F四組刀塊曲率平緩，工藝性能良好；A段是尖角位置，C段曲線變化復(fù)雜，且在預(yù)翻邊時(shí)該段屬多料翻邊，易產(chǎn)生成形質(zhì)量問題，為便于后期調(diào)試整改，應(yīng)獨(dú)立分段處理。

2.2 預(yù)翻邊機(jī)構(gòu)選擇

扣合模具主要工作部件是預(yù)翻邊機(jī)構(gòu)，為解決圖2所示角度過大的問題，必須采用恰當(dāng)?shù)念A(yù)翻邊斜楔機(jī)構(gòu)[2]。常用的標(biāo)準(zhǔn)翻邊機(jī)構(gòu)有4種，如圖7所示，分別是單動(dòng)翻邊（HPSL）、角用翻邊（HPPC）、雙動(dòng)平行翻邊（HPLL）、雙支點(diǎn)翻邊（HPPWF）。其中HPSL/HPPC價(jià)格低廉，但都是繞單一固定轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)翻邊線是相對復(fù)雜的立體曲線時(shí)，HPSL翻邊機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因轉(zhuǎn)軸到翻邊線不同位置的半徑值不一樣，存在2個(gè)問題：①不同位置的刀塊接觸板料時(shí)間會(huì)存在差異，如圖8所示，板料無法同時(shí)變形，會(huì)引起翻邊棱線R角不順等質(zhì)量問題，整改、調(diào)試難度較大；②不同位置的刀塊接觸板料時(shí)的角度不同會(huì)導(dǎo)致刀塊施加在翻邊面上的力的大小及方向都存在差異，因此各位置推動(dòng)翻邊面旋轉(zhuǎn)的力不一致，導(dǎo)致各位置向內(nèi)側(cè)卷入的材料尺寸存在差異，反映在成形零件上則產(chǎn)生邊線不齊的質(zhì)量缺陷。在零件的尖角位置，預(yù)翻邊刀塊工作部分寬度方向尺寸不大于20 mm，在該范圍翻邊線尺寸變化不大，旋轉(zhuǎn)半徑差異帶來的影響可以忽略，所以體積小、布置便利且具備防止二次連沖功能的角用翻邊機(jī)構(gòu)（HPPC）適合布置在尖角位置，該扣合模具刀塊組計(jì)劃采用該類型翻邊機(jī)構(gòu)。

圖7 4種不同類型的翻邊機(jī)構(gòu)

圖8 HPSL翻邊機(jī)構(gòu)

雙動(dòng)平行翻邊機(jī)構(gòu)（HPLL）根據(jù)擺臂結(jié)構(gòu)角θ差異分為45°、55°、70°這3大類，不同規(guī)格的平行翻邊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示，其中70°翻邊機(jī)構(gòu)最大工作轉(zhuǎn)角有15°和25°。該機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是預(yù)翻邊刀塊上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都是半徑為R120 mm的圓弧，其圓心可通過作圖法確定，如圖9所示，無論其運(yùn)動(dòng)到任何位置，刀塊與下模座的角度都是固定不變的，如圖9中2個(gè)位置的刀塊型面是相互平行的，即設(shè)計(jì)者可以按翻邊面在預(yù)翻邊結(jié)束后的形狀設(shè)計(jì)刀塊的成形工作面，降低了設(shè)計(jì)難度，后期模具的保養(yǎng)、維護(hù)也簡單。

表1 HPLL翻邊機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

圖9 HPLL翻邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡

HPLL的應(yīng)用也存在一定局限性，因其旋轉(zhuǎn)軸單一且尺寸為固定值，在工作及回退時(shí)速度較慢。當(dāng)零件預(yù)翻邊面低于水平面時(shí)（見圖2），如果參考零件翻邊面外形而將刀塊尺寸設(shè)計(jì)較小時(shí)，刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡與零件翻邊面會(huì)產(chǎn)生干涉，成形中會(huì)出現(xiàn)刀塊撞擊零件翻邊面的問題，如圖10中的45°翻邊機(jī)構(gòu)所示。為避免碰撞問題而增加刀尖長度時(shí)，刀塊進(jìn)入模具距離大于翻邊機(jī)構(gòu)的回退距離，預(yù)翻邊刀塊會(huì)與主彎刀塊干涉，如圖10中的55°翻邊機(jī)構(gòu)所示。參考表1中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)預(yù)翻邊面低于水平面時(shí)，只有擺臂θ=70°的翻邊機(jī)構(gòu)在工作轉(zhuǎn)角達(dá)到25°時(shí)才能使用。為了避免刀尖與翻邊面碰撞，需要加大刀塊尺寸，這會(huì)導(dǎo)致刀塊組質(zhì)量增大，使用該型號翻邊機(jī)構(gòu)成形預(yù)翻邊面低于水平面零件時(shí)，需要關(guān)注彈簧回程力是否滿足工作需要。分析零件Y-Y截面（見圖3）可知，該發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板的后側(cè)（風(fēng)窗側(cè)）預(yù)翻邊面位置是在水平面之上，且相關(guān)位置的胎模傾角大約為10°，所以刀塊組F可以選用HPLL55°翻邊機(jī)構(gòu)。

圖10 3種規(guī)格HPLL翻邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡

分析零件各截面（見圖2、圖3）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板的前側(cè)及左、右兩側(cè)翻邊面完成預(yù)翻邊后都低于水平面，且胎模角大于40°，只能考慮采用HPPWF進(jìn)行預(yù)翻邊。HPPWF的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示，要完成預(yù)翻邊，機(jī)構(gòu)需進(jìn)行2次旋轉(zhuǎn)：第1次旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)構(gòu)整體在彈簧的作用下保持彼此間的相對位置不變，整體繞第一轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)7°，轉(zhuǎn)軸及旋轉(zhuǎn)半徑如圖11（b）所示，因該步驟旋轉(zhuǎn)半徑較大，便于刀塊快速接近翻邊面；第2次旋轉(zhuǎn)時(shí)，第二轉(zhuǎn)軸的位置固定不變，刀塊繞第二轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)3°，完成對翻邊面的預(yù)翻邊。從開始運(yùn)動(dòng)到完成預(yù)翻邊的過程中，機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸及旋轉(zhuǎn)半徑均發(fā)生變化，運(yùn)動(dòng)軌跡相對復(fù)雜，后期的維修、整改難度較大，所以HPPWF機(jī)構(gòu)應(yīng)用較少，只有在其他翻邊機(jī)構(gòu)無法使用時(shí)才采用。

圖11 HPPWF翻邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡

在整周翻邊線中，有一段翻邊線是從后部（風(fēng)窗側(cè)）到兩側(cè)面之間的過渡段，如圖12所示。這一段翻邊是較復(fù)雜的三維曲線，是典型的多料翻邊段，翻邊面易起皺，影響翻邊圓角的光順性。因?yàn)槠鸢櫤蟮姆吤娌荒芘c內(nèi)板均勻貼附，褶皺位置的外板和內(nèi)板之間存在間隙，當(dāng)零件通過涂裝線的電泳烘烤后易出現(xiàn)電泳流痕、溢膠等質(zhì)量問題。為避免這些問題，需確?；⌒吻娑晤A(yù)翻邊角度合理，并合理設(shè)計(jì)預(yù)翻邊刀塊工作型面，通過漸變的接觸板料順序，控制多余材料流入預(yù)留的缺口位置（翻邊面長度3~4 mm），讓多余的材料向此空間延展變形，避免材料聚集，降低切向內(nèi)應(yīng)力，減小起皺風(fēng)險(xiǎn)。由于該位置的胎模傾角從10°逐漸過渡到65°，使用HPLL或HPPWF機(jī)構(gòu)都可行，考慮HPPL機(jī)構(gòu)的刀塊型面相對模具的水平面（X-Y平面）角度恒定不變，為便于調(diào)試整改，暫定使用擺臂θ=70°的HPLL預(yù)翻邊機(jī)構(gòu)，刀塊旋轉(zhuǎn)角為25°。

圖12 C組刀塊翻邊線

2.3 扣合時(shí)序設(shè)計(jì)

由于外板翻邊的高度不可能保持一致，預(yù)翻邊刀塊接觸零件的時(shí)間不同步，不均衡的推力會(huì)將內(nèi)外板件推離正確的位置，導(dǎo)致扣合的零件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。因此為了使所有的預(yù)翻邊結(jié)構(gòu)對預(yù)翻邊達(dá)到同步（同時(shí)預(yù)翻邊及退回）的效果，需要對預(yù)翻邊機(jī)構(gòu)的閉合高度和保壓行程進(jìn)行合理的調(diào)整，保證相對布置的預(yù)翻邊機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)（同時(shí)預(yù)翻邊及退回），達(dá)到零件受力均衡的效果，能夠保證預(yù)翻邊刀退出并不與主彎刀發(fā)生干涉，這個(gè)調(diào)整過程就是扣合時(shí)序設(shè)計(jì)。

時(shí)序設(shè)計(jì)是扣合模具設(shè)計(jì)中重要的工作，決定了扣合件的質(zhì)量水平，該扣合模具各預(yù)翻邊刀塊組的扣合時(shí)序設(shè)計(jì)方案如表2所示。一般角部的預(yù)翻邊先于其他部位，這樣既可以避免預(yù)翻邊時(shí)多余材料堆積在角部，也有利于提前固定內(nèi)外板相對位置。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 模具主體結(jié)構(gòu)

扣合模具的主體結(jié)構(gòu)一般都是采用分體式結(jié)構(gòu)，如圖13所示。

圖13 扣合模具結(jié)構(gòu)

扣合模具的上、下模座材料采用HT300，胎模材料采用MoCr，壓料板材料采用45鋼，主翻邊/預(yù)翻邊刀塊鑲件材料使用ICD-5，其優(yōu)點(diǎn)是淬火后變形小、焊接性能好、便于整改，缺點(diǎn)是硬度和耐磨性較低，模具保養(yǎng)周期較短。設(shè)計(jì)預(yù)翻邊刀塊組時(shí)，需注意預(yù)翻邊刀塊安裝座不能布置太高，否則易發(fā)生與驅(qū)動(dòng)插刀、送料支架干涉等問題。當(dāng)?shù)秹K組質(zhì)量較重時(shí)，需要做好刀塊回程拉力的校核，當(dāng)斜楔機(jī)構(gòu)配備的彈簧拉力不足時(shí)，需要單獨(dú)布置彈簧，避免無法有效回程而導(dǎo)致碰撞事故發(fā)生。

3.2 模具自動(dòng)化機(jī)構(gòu)

生產(chǎn)過程中若不采用全自動(dòng)機(jī)械手取送料，則要考慮設(shè)計(jì)傳送機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)取送料。模具自動(dòng)化機(jī)構(gòu)主要包括送料機(jī)構(gòu)總成、氣缸頂料總成、側(cè)擋料機(jī)構(gòu)總成、初始定位總成、出料機(jī)構(gòu)總成、模具氣路總成、模具電路總成等。自動(dòng)化機(jī)構(gòu)的布置方案如圖14所示，差異點(diǎn)主要在于氣路、電路總成的布置會(huì)因各個(gè)企業(yè)的使用習(xí)慣有所不同，因?yàn)榭酆瞎ば驔]有排廢料的需要，布置管線及接口盒可以更靈活。

圖14 自動(dòng)化機(jī)構(gòu)布置方案

送料/出料機(jī)構(gòu)有2種形式：一種是單電機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)安裝在一側(cè)皮帶輪上，另一側(cè)沒有電機(jī)的皮帶輪通過扭桿驅(qū)動(dòng)，成本相對較低，缺點(diǎn)是兩側(cè)皮帶輪在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有時(shí)間差，成形零件會(huì)晃動(dòng)；另一種是雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，兩側(cè)皮帶輪可以完全同步啟動(dòng)，零件的傳輸平穩(wěn)。

頂料機(jī)構(gòu)及初始定位機(jī)構(gòu)都使用帶電磁閥的氣缸驅(qū)動(dòng)，二者的氣路彼此關(guān)聯(lián)，通過行程開關(guān)判斷零件位置后控制電磁閥進(jìn)行切換，驅(qū)動(dòng)不同的氣缸運(yùn)動(dòng)。

4 模具制造及質(zhì)量保證

扣合成形常見的質(zhì)量缺陷：開裂、起皺、圓角不順、爆邊、表面質(zhì)量不良等。發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板是外觀件，表面質(zhì)量要求較高，需要加強(qiáng)以下方面的質(zhì)量把控，以保證模具具備良好的成形穩(wěn)定性。

4.1 模具零部件加工

扣合模具零部件較多，加工誤差的累積會(huì)使裝配的模具整體精度降低，增加調(diào)試鉗工的工作量。沖壓成形時(shí)，扣合件尺寸精度無法達(dá)到預(yù)期的效果，給整車的裝配造成一定困難，扣合模具在加工時(shí)，盡量采用組合加工，降低基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換次數(shù)，減少誤差的累積。

4.2 扣合模具對內(nèi)板與外板的質(zhì)量要求

扣合零件的質(zhì)量不僅與模具設(shè)計(jì)有關(guān)，也與前工序的內(nèi)、外板單件質(zhì)量有關(guān)。為了滿足扣合模具成形的零件達(dá)到質(zhì)量要求，對用于扣合的內(nèi)、外板零件質(zhì)量有以下要求。

（1）外板質(zhì)量要求：①外板件表面質(zhì)量合格，與胎模接觸位置貼合良好；②翻邊面與主型面夾角不大于105°；③零件扣合邊必須保證平直、無褶皺、波浪；④翻邊圓角要求均勻一致，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板內(nèi)板料厚為0.7 mm，外板的翻邊圓角一般為R0.3 mm；⑤零件扣合邊高度部分為8 mm左右，角部和輪廓線起伏大的位置取3.5~4.5 mm；⑥翻邊輪廓線過翻邊量取0.5~0.7 mm，角部和輪廓起伏大處過翻邊量取0.3~0.5 mm，不扣或半扣合位置及輪廓線起伏大處無需過翻邊，與過翻部位采用過渡連接。

（2）內(nèi)板質(zhì)量要求：①零件法蘭邊形狀精度需滿足要求，輪廓尺寸取下偏差；②法蘭邊的毛刺高度達(dá)到相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；③扣合法蘭位置不允許有波浪、翹曲、回彈等缺陷，與胎模貼合良好。

4.3 扣合模具常見的質(zhì)量問題及處理方法

扣合模具制造后因?yàn)楦鞣N因素的影響，難以一步達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)各類質(zhì)量缺陷，需要鉗工針對問題進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，常見的質(zhì)量問題及對策如表3所示。影響扣合總成出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷的因素較復(fù)雜，需要綜合考慮。針對發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板在分析時(shí)需要考慮內(nèi)板焊接變形、內(nèi)外板之間涂膠的影響、總成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)剛性不足導(dǎo)致在檢具上變形等多種因素。

表3 常見的扣合質(zhì)量問題及對策

實(shí)際的扣合模具局部結(jié)構(gòu)如圖15所示，設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試工作進(jìn)展順利，成形的零件質(zhì)量穩(wěn)定，滿足了項(xiàng)目組的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)并通過驗(yàn)收，該車型已經(jīng)投放到市場中。

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板扣合模具局部結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

扣合模具與一般的沖模有區(qū)別，它是生產(chǎn)車門、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板、行李箱蓋內(nèi)外板組合的主要裝備工具，要在1副模具中完成預(yù)翻邊和扣合工序。扣合模具的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，因?yàn)槠湫枰紤]的因素較多，但只要能夠理解各類型翻邊機(jī)構(gòu)的工作原理，根據(jù)零件的特點(diǎn)選擇翻邊機(jī)構(gòu)、合理規(guī)劃翻邊時(shí)序就能解決80%的技術(shù)難題。