轿车后轮罩内板成形工艺与模具开发，值得借鉴学习

优胜周平老师

轿车后轮罩是拉深深度深且不规则的弧形零件，材料厚度在0.8~1.2mm，一般采用拉深性能较好的镀锌材料（如DC56D+Z、SP783等）成形该零件。轮罩与悬架安装支架焊接，需要有一定刚性，在进行零件设计时，均会设计拉深筋以提高零件的结构强度。



（a）左件



（b）右件

图1 零件结构

图1所示为某轿车后轮罩内板，零件尺寸大，拉深深度深，接近220mm，所用材料为SP783BQT0.8。零件四周均为焊接面，型面尺寸精度要求较高。

2

生产工艺对比分析

01

原生产工艺分析

按零件原来的开发设计，后轮罩是左右形状较接近的弧形零件，一般采用左右共用的开卷落料，后工序为左右件分开拉深的工艺，以提高材料利用率。

采用此类工艺方案有3个优点

1 左右件工序分开编排，冲压方向可根据需要任意调整，不会受左右件共模的影响，冲孔翻边方向也可调整，可根据需要进行一些工艺补充；

2 单个拉深使模具尺寸较小，降低了模具整体开发难度，同时可采用吨位小、工作台尺寸较小的设备进行生产，且工序件质量轻，对手工作业的操作性有所改善；

3 材料利用率高。

02

现生产工艺分析

现开发的轮罩左右件形状差异较大，但从总体尺寸看，产品结构较接近，特别是长度方向尺寸均为1041mm，而宽度方向上相差较大。如果按照原来的工艺编排，采用左右件分开拉深，很难做到左右件落料尺寸一致，将增加落料模开发成本和生产成本。即使在零件形状之外的废料区域采取工艺补充的方法使左右件开卷模共用，也会导致材料利用率低。

该左件尺寸宽度方向较右件宽约200mm，采用左右件分开拉深，共用落料模，那么生产右件时材料在宽度方向必须较实际用材宽200mm以上，材料投入成本明显增加。如果采用左右件落料模分开开发，此零件相对尺寸较大，落料模开发成本也不低。

经过分析，该车型轮罩零件不适合左右件分开生产，故采用左右件共模方案。

为提高材料利用率，左右件拼接处废料尽可能小，但废料过小容易在拉深过程中出现开裂现象，且此零件拉深深度达到220mm，零件四周存在焊接组装法兰面，如果工艺补充及零件拼接方式处理不当，在拉深过程中，容易出现开裂和起皱。通过CAE分析并结合各工序模具结构设计、废料排出等因素综合考虑，左右件中间拼接处宽度取25mm较合适。



图2 落料轮廓

零件左右组合拼接后成圆盘形状，为改善其拉深性能，此类零件一般采用近似于圆形材料拉深，可根据零件的形状要求设计落料工序，如图2所示。此左右件共模拉深，中间均为废料区，在拉深和落料时可对此废料区进行设计，如在落料时在板料中间冲一个孔，将落料孔中的废料再利用到该车型其他零件上，可充分利用材料。同时板料中间开孔后可调整内部材料在成形过程中的流动，改善产品成形性能。

3

工艺设计与CAE分析

经过上述分析，零件成形工艺设计为：落料→拉深→修边、冲孔、整形→分离、侧修边、翻边、整形。绘制出零件拉深工艺数字模型如图3所示。



图3 轮罩拉深工序数字模型

采用材料成型CAE分析软件AutoForm对零件拉深工艺进行成形性分析，分析采用材料为DX56D T0.8（此材料与SP783BQ T0.8力学性能相近）。由于坯料中间存在一个落料孔，为了控制材料在成形过程中的流动方向，除了在外圈设定压边圈压料外，还在中间采用氮气缸压料。经过CAE分析，此工艺方案可行。CAE分析几何模型和分析结果如图4、图5所示。



图4 CAE分析几何模型




图5 CAE分析结果

对零件进行工艺分析时，提到为提高材料利用率及改善零件成形性能，落料时在零件中间冲一个孔以改善产品品质，为此对其进行验证，在零件中间不开孔进行CAE模拟分析，结果如图6所示，零件存在多处开裂，且开裂部位在零件型面上。




图6 零件不开孔的CAE分析结果

4

模具结构设计与调试

01

模具结构设计

在拉深工序中，零件材料内外均存在压料，将内圈压料芯设计在凹模。在拉深完成取件时，如果不能控制内外压料运动的先后顺序，容易将零件压坏。

为解决此问题，通常有3种解决方案：

1 凹模中压料芯采用延时氮气弹簧，此方案生产方便；

2 设备上安装延时结构，零件拉深到底后，压边圈延时与上滑块上行一起运动；

3 下模压边圈与凹模压料芯中间设计限位机构，实现零件随压边圈顶出过程中凹模压料芯不产生相对运动，确保零件不会变形。

在此设计中采用机械冲压设备进行冲压，由于已有气垫不具备延时功能，延时氮气弹簧价格非常高，如果采用上述方案③，在模具上设计限位结构，结构复杂且容易误操作。最后综合考虑成本及实际可行性，确定对已有气垫改造成带延时功能的气垫。拉深模结构如图7所示。

图7 拉深模结构



1.凹模 2.凹模镶件 3.导板 4.盖板 5.氮气弹簧 6.上压料芯 7.下模座 8.导板 9.压边圈镶件 10.压边圈 11.凸模 12.顶杆支撑块 13.平衡块

02

模具调试

该模具的调试工作主要针对拉深与整形工序。以前采取的调试方法是对存在起皱的部位加大压边圈压力或设置阻力较大的拉深筋，将材料压紧，使材料在成形过程中流动速度减慢；对于存在开裂的部位，则通过提高模具零件粗糙度或增大局部圆角，或加大开裂部位压边圈与凹模间隙，改善材料流动性，以解决开裂问题。零件在调试过程中也出现过起皱和开裂，如图8所示。



图8 零件拉深起皱开裂现象

为此，通过加大压边圈压力并增大凹模圆角，拉深成形出质量相对稳定、外观有所改善的零件。但所需压边圈压力和气垫压边力都很大，达到生产设备气垫极限压力，按此状态生产对设备不利。另外，此状态的拉深件成形后，检查发现零件整形分离后的开口尺寸明显内缩，与理论数据相差达到6mm以上。

针对此问题进行研究，发现调试过程中存在以下2个问题。

1 调试中出现拉深起皱与开裂，并非压边圈压力和圆角问题，主要原因在于没有找到内外材料流动平衡点。经试验证明，将内压料力减小，零件内部出现开裂，而外压边圈材料流入较少，外部起皱较小。如将内部材料压紧，减小外压边圈的压力，外部材料流入凹模较多，压边圈上的材料起皱严重，且零件靠近凹模圆角部位存在开裂。经过现场调试并结合CAE分析内外材料流入量，最终找到零件内外材料流动平衡点，调试出质量稳定、外观符合要求的拉深件。

2 调试中为避免开裂，增大凹模圆角，而零件圆角区域之外还有用于焊接的法兰面，虽然后序整形工序可将圆角修改到要求的尺寸，但在整形时将圆角改小，零件弧长发生变化，又因材料冷作硬化等因素影响零件的形状尺寸。在整形过程中零件内部存在应力，分离后应力释放，零件在应力作用下严重内缩。经分析，判定在拉深调试时不能修改凹模圆角。为改善材料流动，在拉深工序将外圈法兰面上凸包形状进行模糊处理，同时降低压边圈粗糙度值。在后工序将模糊化的凸包形状整形，可提高零件刚性同时释放局部内应力，有利于改善零件的形状尺寸。经验证，分析判断与实际结果一致，零件的尺寸精度有所提高。

由于零件外形较大、材料较薄，局部尺寸仍然存在超差，主要是零件在拉深过程中不同部位受到的应力不一致，分离后零件局部存在应力释放导致扭曲和变形。



图9 拉深件

为此，根据零件局部形状在拉深工序进行工艺补偿，成形的拉深件如图9所示，最终零件符合装配使用要求。