張蓓， 李偉明， 胡吳松， 曾勝華

（重慶長安汽車股份有限公司 模具事業(yè)部， 重慶 401120）

0 引 言

汽車行業(yè)競爭激烈，新車型的開發(fā)除了追求性能卓越之外，造型設(shè)計(jì)更加追求極致的流暢。在沖模領(lǐng)域，精致工藝作為評價(jià)汽車覆蓋件表面質(zhì)量的重要指標(biāo)得到越來越多的關(guān)注。如何讓流暢的外觀設(shè)計(jì)、精致的棱線造型體現(xiàn)在量產(chǎn)汽車上，快速達(dá)成零件各階段精致工藝指標(biāo)，成為覆蓋件模具的重要研究方向。

近幾年，鋁合金板材在汽車內(nèi)外覆蓋件上廣泛應(yīng)用，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的，這成為新能源汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。因鋁板明顯區(qū)別于鋼板的成形性能，給模具精致工藝目標(biāo)的達(dá)成帶來了新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)從鋁板沖壓件在成形性、外觀品質(zhì)、曲面質(zhì)量等方面考慮，探討在模具設(shè)計(jì)階段預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)并提出應(yīng)對策略以提升模具精致工藝的方法，最后以某車型鋁板前罩外板模具開發(fā)為例，說明這些方法的應(yīng)用場景及效果。

1 目標(biāo)與需求

汽車覆蓋件精致工藝主要指客戶靜態(tài)感知的外觀質(zhì)量，其評價(jià)的外觀質(zhì)量缺陷包括A面（外觀面）品質(zhì)缺陷、起皺、開裂、凸凹傷、沖擊∕滑移線、圓角缺陷、壓傷等。精致工藝評價(jià)作為質(zhì)量指標(biāo)，一般是按照嚴(yán)重等級對零件缺陷進(jìn)行分區(qū)域分類扣分，以累計(jì)扣分總和不超過各階段指標(biāo)作為主要評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。除此以外，不可接受的嚴(yán)重缺陷為單獨(dú)否決項(xiàng)，如縮頸、圓角不順、目視可見的凸凹傷等A類缺陷，均為直接否決項(xiàng)。

鋁板模具與鋼板模具的精致工藝要求相同，因鋁合金材料的特殊性能，鋁板模具制造后由調(diào)試工人優(yōu)化精致工藝的難度大，且周期不可控，因此在鋁板模具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮外觀缺陷風(fēng)險(xiǎn)并采取措施控制風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。

1.1 鋁板材料特性及沖壓成形特點(diǎn)

鋁合金材料密度約為2.7 g∕cm3，而鋼材密度一般為7.8～7.9 g∕cm3，因此同尺寸鋁板質(zhì)量比鋼板輕得多，沖壓時(shí)易吸附；鋁板的楊氏彈性模量約為鋼板的1∕3，沖壓成形時(shí)彈性變形占比大，回彈敏感度高，導(dǎo)致回彈量大；鋁板伸長率也低于鋼板，約為25%，導(dǎo)致沖壓成形極限低于鋼板，易出現(xiàn)起皺、開裂、剛性不足等風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)鋁板還具有硬度低、時(shí)效硬化等特性，增加了沖壓成形的難度。

1.2 鋁板模具精致工藝提升總體需求

針對鋁合金材料特性，要達(dá)成精致工藝目標(biāo)，鋁板模具開發(fā)時(shí)需關(guān)注以下4點(diǎn)需求。

（1）零件優(yōu)化。在設(shè)計(jì)前期通過沖壓同步工程（SE）分析，提出變更需求促成零件設(shè)計(jì)優(yōu)化，如調(diào)整造型增加零件剛性、加大圓角降低成形性風(fēng)險(xiǎn)。

（2）工藝優(yōu)化。嚴(yán)格按照零件生產(chǎn)用鋁板材料參數(shù)設(shè)置CAE分析參數(shù)，并按照鋁板成形性指標(biāo)優(yōu)化工藝，包括變薄率、主∕次應(yīng)變、最大失效等，保證足夠的安全裕度；工序內(nèi)容排布、工序件定位、分工序切邊、翻邊壓料方式等均需要驗(yàn)證后確定。

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)鋁板特性，鋁板模具結(jié)構(gòu)與鋼板模具略有不同，如增加排氣與退料結(jié)構(gòu)，防止吸附；減少壓料范圍與壓料力，防止壓傷；切邊模還要注意沖裁間隙、切入量，防止切屑。

（4）制造優(yōu)化。鋁板模具需保證足夠的成形裕度，以應(yīng)對材料波動(dòng)造成的不穩(wěn)定性，因此鋁板模具零件的粗糙度、研合率、流入量控制、刃口垂直度、翻邊間隙等均需要達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)。

2 成形性缺陷預(yù)測與應(yīng)對措施

精致工藝中的成形性缺陷主要包括起皺、開裂、沖擊∕滑移線等，如圖1所示。開裂和起皺均為板材局部受壓失穩(wěn)引發(fā)，前者表現(xiàn)為應(yīng)變達(dá)到或超過極限而收縮或破裂，后者表現(xiàn)為局部材料堆積。沖擊∕滑移線則是由于成形過程中模具零件沖擊板料，在沖壓件表面形成了輪廓印痕。

圖1 成形性缺陷實(shí)例

2.1 成形性缺陷預(yù)測

模具設(shè)計(jì)階段預(yù)測成形性缺陷主要依靠CAE分析，通過全工序模擬分析，獲得零件的成形過程和理論成形結(jié)果。以AutoForm軟件為例，查看分析結(jié)果中的成形性（formability），確定起皺與開裂區(qū)域，如圖2所示。查看最大失效（max failure）和減薄率（thinning），判斷開裂風(fēng)險(xiǎn)程度，如圖3所示。查看滑移線（skid lines），確認(rèn)沖擊∕滑移線范圍，如圖4所示。

教育理念決定教育行動(dòng)，即強(qiáng)調(diào)理念先行以促進(jìn)教學(xué)行為轉(zhuǎn)變，但教育理念是指人們在理性思考和親身體驗(yàn)基礎(chǔ)之上形成的、關(guān)于教育本身及其價(jià)值以及價(jià)值實(shí)現(xiàn)途徑的根本性判斷與看法[8]，意味著先行的教育理念真正滲透到教師的日常教學(xué)行為中需要較長時(shí)間，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。相比我國長期以來的教育傳統(tǒng)，我國目前的教育改革仍舊處于初期階段，尚未達(dá)到行為與理念的高度統(tǒng)一，造成教師在翻轉(zhuǎn)實(shí)踐中教學(xué)行為仍與“學(xué)生為主體”的教學(xué)理念不相適應(yīng)的情況。

圖2 成形性分析結(jié)果

圖3 最大失效分析結(jié)果

圖4 滑移線分析結(jié)果

2.2 成形性缺陷的應(yīng)對措施

成形性缺陷一般通過優(yōu)化拉深數(shù)模來消除，可采用以下應(yīng)對措施。

（1）沖擊∕滑移線：調(diào)整沖壓角度；增加工藝補(bǔ)充面高度；調(diào)整拉深筋控制進(jìn)料等。

（2）起皺：增大工藝補(bǔ)充面高度；增加吸皺筋等工藝補(bǔ)充；調(diào)整拉深筋控制進(jìn)料等。

（3）開裂：降低工藝補(bǔ)充面高度或增大拔模角度；加大工藝補(bǔ)充面圓角；調(diào)整拉深筋增加進(jìn)料等。

對于后工序整形、翻邊等缺陷，可通過調(diào)整工序相關(guān)參數(shù)消除，也可以通過優(yōu)化拉深模成形性來保障后工序的成形狀態(tài)。

3 外觀品質(zhì)缺陷預(yù)測與應(yīng)對措施

精致工藝的外觀品質(zhì)缺陷指外覆蓋件高可見區(qū)域（A面）影響造型呈現(xiàn)效果的缺陷，包括斑馬紋扭曲、特征棱線鈍化等。斑馬紋扭曲指沖壓件在光照2000Lux的燈光棚下檢測，局部斑馬紋趨勢與零件數(shù)據(jù)不同；特征棱線鈍化是由于沖壓件棱線兩側(cè)彈性變形恢復(fù)導(dǎo)致的夾角變大，目視棱線效果衰減的現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 特征棱線鈍化缺陷

3.1 外觀品質(zhì)缺陷預(yù)測

對比沖壓件、零件數(shù)據(jù)和加工數(shù)模斑馬紋可知，最終沖壓件斑馬紋與加工數(shù)模斑馬紋一致，而加工數(shù)模來源于回彈補(bǔ)償后的工藝方案數(shù)據(jù)。因此，回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)斑馬紋影響最終零件斑馬紋，若回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)出現(xiàn)斑馬紋扭曲變形，最終將呈現(xiàn)在零件上。

特征棱線鈍化一般以面夾角為主要判斷標(biāo)準(zhǔn)，面夾角越大，衰減越明顯。特征棱線根據(jù)面夾角和弦長等標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)分為明顯特征線和不明顯特征線。不明顯特征線標(biāo)準(zhǔn)：①面夾角大于154°；②棱線圓弧弦長小于6 mm；③棱線圓弧半徑小于48 mm。

不明顯特征棱線為鈍化的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，尤其是棱線消隱區(qū)域，常出現(xiàn)棱線不清晰或提前消失的情況。

3.2 外觀品質(zhì)缺陷的應(yīng)對措施

圖6 回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)修復(fù)效果

特征棱線鈍化的應(yīng)對措施為加工數(shù)據(jù)特征棱線的銳化處理，若棱線判定為不明顯特征線，需進(jìn)行銳棱設(shè)計(jì)，如圖7所示。若棱線判定為明顯特征線，可綜合考慮搭接件棱線狀況、沖擊∕滑移線狀況進(jìn)行減弦設(shè)計(jì)或不處理。

圖7 銳棱設(shè)計(jì)

4 曲面質(zhì)量缺陷預(yù)測及應(yīng)對措施

曲面質(zhì)量缺陷指零件表面局部小范圍的曲面不光順，是精致工藝中占比較大的缺陷類型，包括凸凹傷、圓角不順、壓傷等，如圖8所示。

圖8 曲面質(zhì)量缺陷實(shí)例

凸凹傷和圓角不順均是由于沖壓成形過程中的應(yīng)力分布不均、材料流動(dòng)不均而產(chǎn)生的面品缺陷。前者表現(xiàn)為鼓包、凹陷，一般在2000Lux的光線下目視不可見，需專業(yè)檢測人員手感觸摸，甚至借助油石打磨或燈光棚斑馬紋評價(jià)才能檢測；后者表現(xiàn)為圓角突變或形狀變形，按缺陷嚴(yán)重程度可通過目視、手感觸摸、油石打磨等方式檢測。

壓傷則是因?yàn)橛须s質(zhì)附著于板料或模具零件表面，沖壓后在工序件表面產(chǎn)生缺陷。鋁板沖壓件比鋼板沖壓件更易產(chǎn)生壓傷，一是由于鋁板材料硬度低，易損傷而不易修復(fù)；二是由于鋁板輕而脆，易產(chǎn)生切屑并吸附到模具零件和工序件表面。

4.1 曲面質(zhì)量缺陷預(yù)測

曲面質(zhì)量缺陷預(yù)測可依據(jù)CAE分析、零件形狀、工序內(nèi)容和制造經(jīng)驗(yàn)綜合判斷，如圖9所示。根據(jù)凸凹傷缺陷形成的原因，該類缺陷一般出現(xiàn)在曲面形狀急劇變化的區(qū)域，如特征線兩側(cè)、A面輪廓等，尤其是轉(zhuǎn)角、棱線匯聚等應(yīng)力分布差異較大的區(qū)域。若這些區(qū)域?yàn)槌尚喂ば騼?nèi)容如拉深、翻邊、整形等，則可預(yù)判為凸凹傷缺陷的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，在查看CAE分析結(jié)果時(shí)重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域。

圖9 曲面質(zhì)量缺陷預(yù)判

圓角不順產(chǎn)生在圓角急劇變化的區(qū)域，如外板翻邊交刀處、分工序翻邊過渡位置以及圓角整形區(qū)域等，CAE分析時(shí)采用完整工具體模擬成形過程，查看結(jié)果時(shí)重點(diǎn)關(guān)注這些風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的圓角成形情況。同時(shí)鋁板后工序模具工作區(qū)域均存在壓傷風(fēng)險(xiǎn)。

另外，制造經(jīng)驗(yàn)也是重要的預(yù)測依據(jù)，對于鋁板模具，CAE模擬的準(zhǔn)確程度還未得到充分驗(yàn)證，以往項(xiàng)目的共性問題成為較為可靠的參考。

4.2 曲面質(zhì)量缺陷的應(yīng)對措施

（1）工藝方案設(shè)計(jì)階段：針對拉深模的凸凹傷缺陷，調(diào)整工藝補(bǔ)充面和拉深筋以控制材料流動(dòng)均勻，使成形充分；針對翻邊引起的圓角不順、頂面凸凹傷等缺陷，增加過渡區(qū)域長度，調(diào)整翻邊時(shí)序；針對整形造成的面品缺陷，采用優(yōu)化整形前工藝面造型或減小整形量的方法；針對壓傷風(fēng)險(xiǎn)，合理排布工序內(nèi)容，盡量不采用廢料刀、切邊交刀以及切翻等，以減少切屑的產(chǎn)生。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段：壓料器氮?dú)飧椎牟贾帽M量靠近缺陷風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，確保已成形曲面不被拖動(dòng)變形；切邊沖孔刀塊設(shè)計(jì)為同時(shí)切入，減少切屑；后工序模具僅保留足夠的工作面，其余均進(jìn)行避空處理，減少工序件與模具零件的接觸面積。

（3）加工數(shù)模設(shè)計(jì)階段：全工序模具零件曲面缺陷風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域均在上模側(cè)進(jìn)行強(qiáng)壓處理，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域可增加強(qiáng)壓量，保證上、下模貼合狀況良好；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步控制工作面寬度，非工作型面進(jìn)行避空處理，減少工序件與模具零件的接觸面積；同時(shí)零件A面區(qū)域?qū)?yīng)的強(qiáng)壓、避空處光順過渡，降低壓傷風(fēng)險(xiǎn)。

鋁板模具精致工藝的提升要在設(shè)計(jì)端充分識別潛在風(fēng)險(xiǎn)并采取相應(yīng)措施，還需要制造端從加工質(zhì)量、裝配精度、研合率、型面粗糙度、成形性相關(guān)參數(shù)控制等各環(huán)節(jié)把控，才能實(shí)現(xiàn)模具精致工藝提升的目標(biāo)。

5 應(yīng)用實(shí)例

前罩外板是汽車覆蓋件應(yīng)用鋁板的典型零件，從精度控制到精致工藝提升有較完整的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)以某車型鋁板前罩外板模具開發(fā)為例，說明提升精致工藝的方法和應(yīng)用場景。

5.1 模具基本信息

該前罩外板采用6016-T4合金鋁板，板料厚度為0.9 mm，上表面為基準(zhǔn)側(cè)。零件整體造型平緩流暢，無急劇變化的造型特征和棱線，如圖10所示。

圖10 某鋁板前罩外板

根據(jù)零件成形需求，該前罩外板的模具工藝規(guī)劃為4道工序：OP10拉深；OP20切邊+沖孔（工藝孔和定位孔）；OP30切邊；OP40翻邊+切邊，如圖11所示。完成基本的工序排布和工序數(shù)模設(shè)計(jì)后，可針對零件特點(diǎn)預(yù)判精致工藝風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用解決策略。

圖11 某鋁板前罩外板成形工藝

5.2 設(shè)計(jì)階段精致工藝提升

（1）工藝方案設(shè)計(jì)階段：調(diào)整拉深深度和風(fēng)窗處工藝補(bǔ)充凹槽，使拉深成形充分，無起皺開裂，如圖12所示。OP20、OP30模具分段切邊，無廢料刀和交刀工藝，有利于減少切屑。OP40模具采用全輪廓正翻邊，圓角一致性好，同時(shí)應(yīng)用夾料翻邊工藝，優(yōu)化翻邊質(zhì)量。

圖12 某鋁板前罩外板拉深模CAE結(jié)果

經(jīng)全工序回彈分析，該前罩外板中部下塌，最大值約2.7 mm，前后側(cè)朝車身外回彈，最大值超過5 mm，回彈補(bǔ)償后驗(yàn)證分析，尺寸精度合格?；貜椦a(bǔ)償面局部斑馬紋扭曲變形，修復(fù)優(yōu)化后使最終數(shù)模面與零件數(shù)據(jù)斑馬紋趨勢、連續(xù)性一致，如圖13所示。

圖13 某鋁板前罩外板工藝數(shù)據(jù)斑馬紋

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段：上模切邊刀塊設(shè)計(jì)為同時(shí)切入，切入量為3 mm；保留必要工作面，其余采用鑄造減輕加工量。由于該前罩外板曲面平緩，為保證足夠的支撐和定位，下模結(jié)構(gòu)保留工作面較多，如圖14所示。量產(chǎn)后可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，對多余型面進(jìn)行機(jī)加工避空。

圖14 某鋁板前罩外板模具零件結(jié)構(gòu)

（3）加工數(shù)模設(shè)計(jì)階段：全工序壓料器工作面進(jìn)行強(qiáng)壓設(shè)計(jì)，不同工序設(shè)置不同的強(qiáng)壓寬度，其中切邊強(qiáng)壓寬度為15 mm，翻邊強(qiáng)壓寬度為40 mm。非工作型面進(jìn)行避空設(shè)計(jì)，產(chǎn)品面避空為1 mm，工藝補(bǔ)充面避空為2 mm。A面處強(qiáng)壓、避空均光順過渡，如圖15所示。

圖15 某鋁板前罩外板模具零件加工數(shù)模

5.3 制造保障及效果驗(yàn)證

通過合理規(guī)劃NC編程策略、設(shè)置數(shù)控機(jī)床參數(shù)等來保障加工精度；藍(lán)光掃描各工序模具零件型面，加工精度達(dá)成流轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)；研配模具零件，粗糙度值達(dá)到Ra0.8 μm；利用藍(lán)油著色等方式檢測部件間匹配精度、模具零件型面貼合率、刃口垂直度等，同時(shí)參照CAE分析設(shè)置成形力，達(dá)到安全裕度±10%，板料流入量±5 mm的目標(biāo)。

上機(jī)驗(yàn)證成形效果，該前罩外板首壓藍(lán)油著色率75%以上，無開裂起皺問題，零件斑馬紋與零件數(shù)據(jù)一致，無A類缺陷，達(dá)成精致工藝目標(biāo)，如圖16所示。

圖16 某鋁板前罩外板沖壓件

6 結(jié)束語

以典型汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，結(jié)合鋁板材料特性，在模具設(shè)計(jì)端采用優(yōu)化工藝補(bǔ)充、回彈補(bǔ)償、銳棱設(shè)計(jì)、強(qiáng)壓避空設(shè)計(jì)等方法，達(dá)成精致工藝提升的目標(biāo)，避免了由于鋁板成形條件敏感、回彈大、易損傷等特性帶來的制造端優(yōu)化提升困難、周期不可控的風(fēng)險(xiǎn)。