1 零件合模及套冲工艺分析
1.1 零件结构特点
某车型为紧凑级SUV, 其背门外板上段轮廓尺寸为1 282 mm×944 mm×135 mm，下段轮廓尺寸为 1 277 mm×328 mm×123 mm，后门外板中横梁加强件（左/右）轮廓尺寸均为890 mm×116 mm×20 mm，零件结构如图1所示。从图1可知，背门外板上段无钣金扰流板，型面均为B级面，中间有一个987 mm×467 mm窗框洞；背门外板下段型面均为A级面，零件结构起伏较大；后门外板中横梁加强件（左/右）结构较平坦，仅两侧有焊接搭接边，中部有少量焊接膨胀胶挤胶支撑点，工艺相对简单、尺寸精度要求不高且较易控制。
图1 背门外板上段与下段及后门外板中横梁加强件
1.2 冲压方向确定
冲压方向确定一般遵循通用设计原则，上述零件冲压方向确定应注意3点：①自动化机械手抓取放置零件时尽量避免与线尾传输皮带点接触，零件落差控制在70 mm以内，如图2（a）中Ⅰ与Ⅱ冲压方向高度差所示，避免机械手放置零件时变形影响其精度；②冲压工序为4道，冲压方向选择应考虑后工序冲孔方向及角度（尽量正冲）、切边角度、结构布置空间等；③背门总成包边工艺采用扣合，背门总成分块线外板翻边角度均需满足95°~105°。综合以上因素，最终确定冲压方向如图2（a）所示。
1.3 合模生产方式确定
模具常见合模生产方式有一机双模、一模双腔、左右合模。为了尽可能提升材料利用率、降低模具制造成本，采取类似左右合模方式成形，即背门外板上、下段合模，共用1块板料成形。通过造型及同步工程（simultaneous engineering，SE）分析，在不影响造型的前提下，调整扣合边零件局部角度，使背门总成上部、下部外板扣合角度在冲压方向下，如图2（a）所示，正翻边外板即能达到扣合角度需求，如图2（b）中Ⅲ、Ⅳ翻边后角度所示。考虑背门外板上、下段形式，后续需采用点焊工艺焊接为背门外板分总成，故上、下段焊接搭接边精度要求较高，需考虑整形工艺，将此部分布置在两侧，如图2（b）中Ⅴ、Ⅵ所示。综合以上因素最终确定合模方式、背门外板上、下段合模区域，如图2（b）所示。
图2 冲压方向和合模套冲方式
1.4 套冲工艺分析
套冲工艺能有效提升材料利用率，其实现关键在于造型及协同SE分析，需在零件开发初期规划，重点应考虑以下关键要素。
（1）所有成形的零件料厚、牌号一致，料厚均为0.6 mm，开发的车型材料牌号为HY180。
（2）后门外板中横梁加强件（左/右）尺寸小于背门外板上段窗框尺寸，能将小件布置在大件内，小件长度方向小于大件窗框97 mm，宽度方向小于大件窗框351 mm，将此左右件并排布置在背门外板上段窗框内。
（3）后门外板中横梁加强件（左/右）零件结构相对简单，成形性、工序、模具结构布置能实现且精度易控制，废料易排出，不会增加整体工序。
（4）后门外板中横梁加强件（左/右）传输及放件满足自动化生产需求，每个小件设置2个自动化吸盘位置、1个模具感应器。
（5）成形的零件数据和样件交付计划一致，所有零件同时发布模具设计、铸造、加工数据，样件交付时间及数量一致，保持开发节奏一致。
通过以上措施最终实现了套冲工艺，套冲方式如图2（b）中Ⅶ所示。
1.5 冲压工艺布局
成形零件合模及套冲生产共4道工序，各工序内容如图3所示。
图3 合模及套冲工艺
（1）OP10拉深，外板翻边区域采用板料摊平后拉深，局部设计过拉深处理。
（2）OP20切边+冲孔+侧切边，背门外板下段局部采用侧切方式，其余区域均正切。
（3）OP30切边+冲孔+侧切边+侧冲孔+整形，背门外板上段下部焊接搭接边布置整形工艺，以保证零件成形精度，便于后期调试整改；背门外板下段局部采用侧切方式，背门外板上、下段在该工序切边分离。
（4）OP40侧冲孔+翻边+侧翻边+整形，为了生产线尾自动化机械手放置零件的姿态和位置能满足线尾皮带位置需求，利用机械手对中距离分张功能将背门外板上、下段2个零件间对中距离加大150 mm；背门外板上段上分块线、下段下分块线采用正翻边工艺，背门外板下段两侧分块线采用侧翻边工艺，在过转角区域直线段与正翻边交刀；背门外板上段内窗框两侧、后门外板中横梁加强件（左/右）焊接搭接边布置整形工艺，便于后续成形零件精度整改提升。
2 有限元模拟分析
基于有限元理论采用AutoForm软件对背门外板上、下段合模及套冲方案进行数值仿真分析，边界条件参数设置如表1所示。
表1 边界条件参数
成形过程及材料流入量如图4所示，整个成形过程无异常，材料流入量最大约为39 mm。
图4 AutoForm成形过程及材料流入量
图5所示为成形性及刚性指标情况，4个零件整体成形良好，无开裂、无起皱，板料变薄率在3.8%以上，主应变在3%以上，次应变大于0，说明零件变形充分。
图5 成形性及刚性指标
图6所示为滑移线及反弯曲应变情况，为了保证装车后棱线效果，背门外板下段主棱线弦长进行减少处理。从图6分析结果可知，反弯曲应变满足要求，局部滑出棱线外距离约1.4 mm，整体满足要求，风险可控。
图6 反弯曲应变及滑移线
3 合模套冲工艺的优点及缺点
3.1 合模套冲工艺的优点
背门外板上、下段合模及套冲方案的优点如下。
（1）降低制造成本。后门外板中横梁加强件（左/右）开发初期规划为外购件，套冲方案实施后该车型单车成本降低约10元/车。
（2）提高自制件材料利用率。背门外板上、下段开发初期规划为单模单件成形，采用合模套冲方案后，不计算套冲2个小件前提下材料利用率提升4.5%（由前期综合46.7%提升到51.2%）。
（3）提高冲压车间生产效率，降低运营成本。合模后模具整线冲次数由2个减少至1个，可以有效减少换模频次。模具数量由8副减少至4副，可以减少单压力机4个冲次。按照年产10万台计算，1年可以减少40万个单压力机冲次，节省了制造成本。
（4）模具质量减轻。背门外板上、下段合模后，模具数量由8副减少至4副，合模设计比单模设计模具质量减轻约12.43×103 kg，如果模具价格按3.5万元/1000 kg计算，则能节省成本约43.5万元。
（5）冲压车间模具存放库位空间减少。冲压车间成形车型的零件越来越多，车型停产后仍需生产售后件，长此以往导致车间模具数量越来越多，库位资源紧缺。由此可见合模工艺有助于缓解模具存放库位紧张的问题。
3.2 合模套冲工艺的缺点
合模及套冲方案的缺点如下。
（1）后门外板中横梁加强件（左/右）局部精度问题。后门外板中横梁加强件（左/右）中间区域法兰检测点P4~P7、P20~P24，公差要求±0.5 mm，实际测量为-0.9~-0.6 mm，如图7所示，处于下塌状态，通过工艺排查，主要原因为窗框中间变形程度不充分、料厚薄、强度不足。原计划对拉深型面补偿进行精度提升，但设计初期该区域无匹配关系，仅进行挤膨胀胶处理，通过与焊接、匹配零件及尺寸工程对接后，评估该区域对装车无影响，考虑模具调试及量产节奏，最终确定该区域暂不整改。
图7 后门外板加强件（左/右）三坐标测量点
（2）调试难度增加及周期延长。在背门外板上、下段合模及套冲工艺调试过程中，同时兼顾4个零件质量及合格率，特别要考虑背门外板下段A面品质、滑移线问题，技术难度增加，调试周期延长，在保证相同品质的情况下，与单件模具相比，调试周期会延长0.5~1个月。
4 实物结果
模具全工序研配到位后，首轮全工装全尺寸合格率：背门外板下段94%，背门外板上段93.2%，后门外板中横梁加强件右件87.6%、左件87%，达到了目标。
通过生产验证，背门外板上、下段、后门外板中横梁加强件（左/右）成形后，零件无开裂、起皱、冲击线、滑移线等问题，斑马线、精致工艺评价扣分达标，如图8所示。
图8 零件实物
▍原文作者:黄旭东，赵凌云，李长莲，贾信朝，江明洁
▍作者单位：重庆长安汽车股份有限公司
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