铝翼子板翻边冲孔模具结构设计优化

为了保证铝翼子板实现1+3工序生产，避免前期工艺方案带来的外观质量风险。本文分析了神龙公司P84项目铝翼子板工艺特点及铝件冲压工艺特性，阐述了传统模具结构方案及工作原理，提出了新的优化方案，即采用翻边冲孔一序实现的工艺方案，为提升模具品质及零件质量打下了坚实基础。

问题引入

铝板冲压是促进车身轻量化的重要手段，P84项目DPCA首次应用铝板生产前翼子板零件。翼子板作为最重要车身覆盖件之一，其特点是尺寸小、搭接关系较多、模具结构复杂、外观及尺寸要求高。在前期工艺分析中要注重避免工艺方案导致外观存在质量风险的可能，在工序排布中注意翻边变形以及冲孔的精度要求。

汽车前翼子板工序过程主要有落料、拉延成形、修边、冲孔、翻边整形等。由于铝板冲压的特殊性以及工序数限制，零件局部必须实现翻边冲孔同工序完成。

铝翼子板工艺特点

目前行业内冲压生产线基本包括4台压机，所以对于前翼子板成形要求采用1+3工艺方案（不含落料），即1道拉延工序加3道后工序（含修边、翻边、冲孔等工序）。对于铝件冲压，碎屑污染是特别需要注意的问题，因为碎屑不仅会影响零件表面品质，造成零件返修成本加大，而且当铝粉达到一定浓度会引起爆炸。所以工艺上需要特别注意冲裁工艺内容的排布，原则上外覆盖件不采用废料刀，冲裁尽量在工序间错开，避免同一工序冲裁使用废料刀结构，废料刀结构是碎屑产生的重要来源。

图1所示为神龙公司P84项目铝翼子板零件，采用了一模双件的工艺方案。材料是铝板6系6016A，料厚1mm。A-A截面两侧都存在翻边及冲孔工序，对于每一侧翻边冲孔，常规工艺后工序（图2）需要3步：⑴垂直修边；⑵垂直翻边；⑶斜楔冲孔。

将零件分解为3个区域（图3），按照常规工艺来说，后3道工序，区域1及区域3需要同时修边、翻边以及冲孔。所以在拉延成形完成之后：第一步，区域1以及区域3必须同时修边。第二步，区域1及区域3同时翻边，且区域2完成修边。第三步，区域1以及区域3冲孔，区域2完成翻边。

图1 P84项目铝翼子板

图2 常规工艺后的工序

图3 零件分解后的3个区域

按此常规工艺设计，最后工序区域2处翻边与区域3处的翻边交接区域很短，大约只有10mm左右（图4），且交接区域均分布在零件角部，容易造成零件变形。此变形由于工艺造成前后序交接不顺，给后期模具试模带来了极大困难。采用强压等方式虽然可以得到优化，但不能根除。而且后期经过电泳以及油漆烘烤等，变形可能会扩大，零件最终品质存在风险。为避免此处变形，决定将区域1、2、3的翻边放在同一工序完成，故拉延完成之后的工艺定为：第一序，区域1以及区域3同时修边。第二序，区域2修边，区域1翻边。第三序，区域1斜楔冲孔，区域2以及区域3同时直翻边，区域3还要斜楔冲孔，这对最后工序的模具结构提出了更高的要求。

图4 翻边交接区域

翻边冲孔模具结构及运动过程

根据最终确定的工艺方案，翻边冲孔工艺同序实现。图5所示为翻边冲孔模具复合结构初始设计简图，采用垂直翻边和斜楔冲孔同时进行工作的结构形式。压料板2采用氮气缸作为压力源，翻边镶块3固定在上模座上，斜楔采用标准下斜楔，斜楔角度45度。冲头7固定在斜楔滑块5上并与之一同做水平运动，冲头7在运动过程中需要穿过翻边镶块3。

图5 翻边冲孔模具复合结构初始设计简图

1-上模座 2-压料板 3-翻边镶块 4-斜楔上驱动5-斜楔下滑块 6-冲头固定板 7-冲头 8-凹模套9-凸模 10-下模座

整体工作过程如下：模具工作时，上模从压机上死点随压机滑块下行，压料板2首先接触零件，压住零件后，模具继续下行，氮气缸受压提供压边力，到达一定行程后，翻边镶块3触料，开始翻边同时斜楔上驱动4接触斜楔下滑块5，驱动冲头7水平运动，冲头7穿过翻边镶块3同时完成冲孔，压机滑块到达下死点。

工作完成后模具上行，翻边镶块3随模具上行的同时，冲头7水平回退。压料板氮气缸压力释放完成后随模具一起上行到达压机上死点。如此往复。

此结构最大的特点是翻边镶块3固定在上底板上，镶块上下运动与冲头7水平运动同时进行，冲头7还要穿过翻边镶块3来完成冲孔，翻边镶块3还承担冲孔压料的作用。为了避免干涉，镶块上冲孔过孔需要开成椭圆形且需要开槽。由于结构上的特点，会造成如下缺点。

⑴冲孔变形。连翻带冲的结构中，翻边镶块同时也起到冲孔压料的作用。但是由于冲孔过程中，翻边镶块也在同时运动，且翻边镶块上开椭圆孔，导致冲孔的周围不能完全压料，容易造成冲孔变形，严重时冲头会带料造成二次变形。

⑵冲孔尺寸精度差。孔的作用有定位、安装等，对精度有一定要求。在压料不充分的情况下，冲孔变形必然会对冲孔的尺寸精度造成影响。

⑶冲孔产生碎屑，被带到零件表面形成凸点。压料不充分的情况下，冲孔容易产生碎屑，尤其铝件碎屑对零件品质影响很大。

⑷镶块自身开口，降低了翻边镶块的强度。热处理后有变形以及开裂的风险，模具维护成本增加。

综上所述，造成以上缺点的原因都是由于翻边与冲孔同时进行，翻边镶块自身需要开椭圆孔避让冲头造成冲孔周围压料不充分。所以对于此结构优化的方向是将翻边和冲孔通过时序控制分开进行，将翻边镶块设计成活动部件。翻边内容完成之后，冲头再水平运动完成冲孔。

模具结构优化

图6所示为模具优化之后的结构简图，将翻边镶块9固定在镶块固定座6上，氮气弹簧5作为压力源，导柱4和导板3导向，螺钉限位。当模具下行时，压料板8首先接触制件，氮气弹簧7被压缩，压紧板料后，翻边镶块9开始翻边。通过调整斜楔行程，此时冲头水平运动，尚未接近翻边镶块9，翻边完成后，翻边镶块9接触下模垫块16，压机继续下行，氮气弹簧5压缩，翻边镶块9相对下模静止。上模斜楔驱动斜楔下滑块14水平运动，冲头11穿过翻边镶块9完成冲孔，压机滑块到达下死点。

图6 模具优化后的结构简图

1-上模座 2-斜楔上驱动座 3-导板 4-导柱 5-氮气弹簧6-镶块固定座 7-氮气弹簧 8-压料板 9-翻边镶块10-凹模套 11-冲头 12-冲头固定板 13-下凸模14-斜楔下滑块 15-下模座 16-垫块

工作完成后，模具上行初始时，斜楔下滑块14水平回位，翻边镶块9在氮气弹簧5的作用下相对下模保持静止，氮气弹簧5开始释放压力。当冲头11退出翻边镶块9外缘之后，氮气弹簧5压力释放完成，翻边镶块9跟随上模座1一起向上运动至上死点。如此往复。

此结构最大的特点是将翻边镶块固定在活动的固定座上，在翻边工序的上下运动和冲孔工序水平运动之间设计出时间差。底垫块与水平面有3°的角度差（图7），对活动镶块产生法向力F，此力按角度分解后，有垂直向上力F1以及水平方向力F2。力F1让镶块停止运动，冲头进入时不产生干涉；力F2使得翻边镶块更靠近凸模（存在导向间隙），使得翻边镶块在冲孔前起压料作用。此结构在不影响翻边镶块强度的同时，还能最大程度减少冲孔变形以及提升翻边质量。

图7 底垫块与水平面的3°角度差

镶块结构优化简图如图8所示，翻边镶块优化镶块冲孔过孔为圆孔，保证冲孔过程中压料充分，且避让部位局部补强，保证翻边刃口的强度。通过现场实际验证，零件品质较好，冲孔无变形，尺寸精度也在公差范围之内。

图8 镶块结构优化简图

结束语

本文着重阐述一种改进的翻边冲孔模具结构的方案，为后续新车型项目开发过程中工艺方案的制定提供新的思路以及解决方案。也建议在新项目模具结构设计过程中，对于可能存在的问题及风险加强研究和分析，敢于尝试新的结构方案。

随着汽车轻量化的发展，铝板零件将会得到更广泛的应用。由于铝板冲压工艺的限制，对于模具结构提出了更高的要求。在前期设计过程中，需要不断改善以及优化，提前识别出可能出现的风险点，对于指导后期模具试模以及零件品质的改善具有实际意义。

—— 来源：《锻造与冲压》2018年第22期