文／邓献思，金成龙，王仓，陈云，徐荣峰，方淑芬·吉利汽车集团有限公司 悬架系统直接影响着汽车的行驶平顺性和操作稳定性，是汽车结构中至关重要的组成部分。如图1所示，前下控制臂总成作为前悬架系统中的重要组成部分，起到连接前制动器总成和前副车架总成作用，也是悬架重要的传力和导向部件，故要求其必须具备足够的强度、刚度和疲劳耐久性。为了确保产品外观、尺寸、性能合格稳定，对前下控制臂的生产工艺稳健性提出了更高的要求。冲压工艺及模具结构的优劣，决定了该产品的生产成本、产品符合性以及量产稳定性。本文从冲压工艺规划、工艺分析与设计，及模具结构的关键部位进行介绍，解决产品冲压工艺开发的难点。
图1 前下控制臂总成装配图 产品介绍前下控制臂总成及工艺介绍前下控制臂总成由冲压的前下控制臂、加强板和套管焊接在一起，接着表面电泳，最后压装球头销、前衬套、后衬套而成，如图2所示。
图2 前下控制臂总成图 前下控制臂介绍前下控制臂(后续简称产品或此产品)，材料：宝钢FB780，料厚4.0mm，材料力学性能如表1所示。
从产品的使用及工艺过程控制要求，分析关键尺寸及技术要点，根据图3所示，要求如下：A区，3个基准面，每个单独基准面平面度0.2mm；主基准孔径 ，副基准孔 。B1区，翻孔(与加强板搭接焊接)，面轮廓度0.5mm。B2、B3、B4区，翻边(与加强板搭接焊接)，面轮廓度0.5mm。C区，安装球头销的翻孔，翻孔沿周8mm内基面区域的面轮廓度为0.6mm，孔径 ，高度 ，翻孔轴线相对于基准的位置度0.8mm。D区，套管焊接区，面轮廓度1mm，线轮廓度0.5mm。E区，安装后衬套的翻孔，翻孔沿周10mm内基面区域的面轮廓度0.6mm，孔径 ，高度 ，翻孔轴线相对于基准的位置度0.8mm。剩余的孔为非重要孔：长圆孔为减重孔，圆孔为过孔。产品的特殊要求：不允许过渡圆角应力集中，不允许边缘接口凹陷、边缘齿状裂纹等缺陷，翻孔内壁需光滑平顺。
图3 前下控制臂区域划分图 冲压工艺分析与设计冲压工艺方案规划根据此车型生产量纲，以及生产厂家的生产设备，规划出冲压生产采用手工放取件的方式。由于产品材料为超高强度钢，回弹大，产品结构复杂。冲压工艺规划除了需要考虑产品的尺寸要求、特殊要求外，仍需要满足产品一般要求：冲压件表面要求光滑平顺，不允许开裂、颈缩、皱纹、边缘毛刺超差、材料减薄率(≤15%)超差等缺陷。结合过往产品的开发经验，在保证产品质量，冲压工艺可行的前提下，尽可能减少工序数量，降低成本，提高生产效率。依图3前下控制臂区域划分图，规划初步冲压工艺方案如下：OP05落料冲孔；OP10拉深成形(成形大面、大面上的凸包及B4区的翻边)；OP20修边冲孔；OP30侧修边+冲孔(侧修B4区的边线；正冲E区翻孔的底孔)；OP40翻边整形；OP50侧整形(全周侧整形)；OP60翻孔；OP70冲孔；OP80翻孔(C区的翻孔)；OP90修边+侧修边(冲C区边缘轮廓线多余的废料)；OP100冲孔+侧修边(侧修D区另一侧面的边线)。冲压工艺CAE成形模拟分析⑴规划初步冲压工艺方案，进行全工序CAE成形模拟分析。分析结果是：(a)成形过程不起皱，产品局部增厚在可接受范围内；主要风险点是最大减薄率不满足要求，B4区最大减薄率19.6%，大于15%。(b)冲压力的校核，OP10总冲压力6394kN，大于现有的生产压力机公称力6300kN，现有设备不满足。其他各工序的总冲压力小于现有生产压力机公称力的80%。⑵根据初步的CAE成形模拟分析结果，调整冲压工序内容：把OP10工序内容进行拆分，大面上的凸包分2次成形；在产品的B4区也分2次成形(第1次加大转角预成形，第2次成形到位)，以消除减薄缺陷。⑶工序内容调整后，再次进行全工序CAE成形模拟分析。如图4所示：(a)B4区最大减薄率5.5%；除了翻孔边缘外，产品其他部位最大减薄率13.6%，小于15%；没有开裂、颈缩现象；成形过程不起皱，产品局部增厚在可接受范围内。(b)B1区、C区、E区翻孔最大减薄率分别是16.9%、18.8%、18.1%，都大于15%；为规避边缘齿状裂纹质量缺陷，需要在翻孔底孔边缘增加压C角后再冲翻孔，或使冲翻孔底孔与冲翻孔冲压方向相反，使冲翻孔底孔的冲裁断面光亮带在翻孔外边缘。(c)冲压力的校核：把OP10工序内容进行拆分后，第1次拉深成形总冲压力2570kN，第2次成形整形总冲压力4822kN, 以及其他各工序的总冲压力均小于现有生产压力机公称力的80%，现有生产设备满足要求。
图4 CAE变薄率分析报告 冲压工艺方案确定⑴如图5所示，二次修边产生的工艺接刀采用“凸刀”方式，保证模具冲头及凹模刃口的强度，同时避免工艺接刀影响产品强度。接刀位置不得设计在产品疲劳、强度热点区域。
图5 工艺接刀结构尺寸图 ⑵为了减少生产冲压工序，把初步规划的OP50侧整形内容拆分到其他工序中。⑶产品的型面回弹量通过模具型面做补偿和整形工序完成，确保产品的关键尺寸满足要求。大面的回弹主要在前两工序完成回弹补偿，翻边面的回弹主要通过整形工序完成回弹补偿。⑷最终确定的冲压工艺方案，如图6所示。工序件定位：OP10～OP30采用工艺孔定位，OP40～OP100采用产品基准孔精定位。冲压工序内容为：OP05落料冲孔(需要CAE分析计算和模具调试确定毛坯尺寸)；OP10拉深成形；OP20成形整形；OP30修边冲孔；OP40修边冲孔+侧修边；OP50翻边整形+压C角；OP60翻孔+压字印；OP70冲孔；OP80翻孔+整形；OP90侧修边冲孔；OP100侧修边+侧整形。
图6 冲压工艺方案 模具结构设计要点根据已确定的最终冲压工艺方案，进行模具结构设计。此产品是超高强度钢，比普通薄板冲压生产所需冲压力更大，由此产生的侧向力也更大；模具成形零件易磨损、模具修边冲孔刃口易崩裂；此产品表面积小，模具压料结构易产生受力偏载，不平衡。因此需要厚实可靠的模具结构，确保冲压生产稳定。模具结构共同的设计要点⑴外导向方式：成形类模具采用导板结构；修边冲孔类模具采用导板+导柱结构。⑶模具材料选用及热处理：成形类模具工作部位零件选用Cr12MoV，热处理硬度为56～60HRC，与制件摩擦剧烈的模具零件表面TD处理；为减少冲压生产冲击的刃口崩裂，提升模具寿命，落料刃口选用Cr12MoV，上模刃口热处理硬度为55～58HRC，下模刃口热处理硬度为56～60HRC；异形修边类刃口选用Cr12Mo1V1，上模刃口热处理硬度为55～58HRC，下模刃口热处理硬度为56～60HRC；冲孔冲头选用厚板冲头，表面TiCN处理。冲孔冲头固定板材料选用45钢，调质处理硬度为28～32HRC；侧切冲头固定板材料选用45钢，淬火处理硬度为45～50HRC。⑷快拆快换：在与制件摩擦剧烈的成形部位，在异形、尖锐、薄弱的刃口都需要小型化设计，以便量产维护维修，快速调整更换。⑸压料板受力平衡：压料板需设计增加平衡块或锥形定位销，避免压料受力不平衡；成形类模具的压料板导向方式采用导板结构。⑹弹性元件的选用：选用的压料元件采用氮气弹簧，确保产品质量的稳定性。每套模具结构的设计要点⑴OP05落料冲孔模：落料先于冲孔工作，落料刃口设计斜刃，以降低冲裁力及噪声。⑵OP10拉深成形模及OP20成形整形模：根据CAE分析模型，采用压力机的气垫压力成形大面后，凸模再成形凸包及B4区，凸模设计防侧向力结构。凸模TD处理。压料板底部增加镦死垫块，在模具运动到底位置时，实现对产品整形。⑶OP30修边冲孔模：冲孔的位置度影响后工序翻孔底孔边缘导角的均匀度，冲裁间隙影响冲裁断面的光亮带；而翻孔底孔边缘压C角的均匀度及冲裁断面的光亮带直接影响翻孔质量(翻孔高度均匀度、翻孔边缘的齿状裂纹及开裂缺陷)，因此压料板选用φ40mm导柱套导向，增加锥形定位销导正防倾斜；冲翻孔底孔的冲头增加衬套导向，冲头与衬套单边间隙0.02～0.04mm。冲翻孔底孔的凹模设计成镶块结构，位置可快速调整。如图7所示。
图7 局部区域工作结构剖视图 ⑷OP40修边冲孔+侧修边模：压料板选用φ40mm导柱套导向，设计锥形定位销导正防倾斜；冲翻孔底孔导向结构按OP30要点设计。为避免受冲压生产时的振动及侧向力影响，导致制件在侧修边处冲裁断面分层开裂，应满足以下关键点：(a) 斜楔滑块设计大宽高比(大于1.2倍)保证运行的稳定性；侧修边冲头侧面、底面增加反侧块，以平衡侧向力。(b)三面包围安装侧修边凹模，并选用M12mm螺栓紧固；(c) 侧修边凹模镶块两侧封闭，与正面刃口形成“门”形结构，刀背设计深度尽量浅，保证刃口强度；刃口与侧壁设计圆角过渡大于R3mm，避免热处理及冲压生产时崩裂；(d) 侧修边冲头同步切入侧修边凹模。如图8所示。
图8 侧修边局部工作结构 ⑸OP50翻边整形+压C角模：翻边凹模镶块侧面紧固，在模具调试时，可以快速调整模面间隙，并且增加正面锁紧加大紧固力。凹模镶块TD处理。压料板底部增加镦死垫块，在模具运动到底位置时，实现对产品整形。压C角冲头先穿入底孔导正，再压C角；压C角冲头的结构，在模具调试时，方便高度上的调整，可以快速调整压C角的大小。如图9所示。
图9 局部区域工作结构剖面图 ⑹OP60翻孔+压字印模：翻孔冲头先穿入底孔导正，再翻孔；翻孔冲头设计成圆球形状结构，表面TD处理。翻孔凸凹模间隙影响翻孔质量(翻孔高度均匀度、翻孔壁厚的均匀度、翻孔垂直度，翻孔边缘的齿状裂纹及开裂缺陷)，因此，冲翻孔冲头导向结构按OP30要点设计；翻孔凹模口设计84.5°锥度，以缩小凸凹模间隙，保证翻孔垂直度、孔内壁表面光滑平顺。翻孔凹模结构设计成镶块结构，可快速调整凸凹模间隙。如图10所示。
图10 局部区域工作结构剖视图 ⑻OP80翻孔+整形模：按OP60要点设计翻孔结构。B3整形区，翻边面与冲压方向角度0°，不具备正向冲压角度来实现产品整形，因此采用摆块凹模实现整形。B4整形区，翻边面与冲压方向角度11°，具备正向冲压角度实现产品整形，因此采用正向凹模实现整形。整形凹模结构，设计成在模具调试时，可以实现快速调整凸凹模间隙。⑼OP90侧修边冲孔模：侧修边采用吊楔结构。产品D区侧修结构，关键要点是确保冲压过程，冲头受力的平衡。采用弹性元件在侧修边冲头另一侧设计反顶，以及增加反侧块抵消侧修边时的侧向力，避免冲切时刃口咬边、崩裂。如图11所示。
图11 上下模具结构图 ⑽OP100侧修边+侧整形模：侧修边+侧整形采用下置式斜楔结构。侧修边模具结构按照OP90要点设计。模具制造、调试与量产注意事项模具制造注意事项模具成形圆弧处、工作表面要光滑，镶块的拼接缝隙不大于0.05mm，不能有明显接痕。粗糙度要求：安装贴合面Ra1.6μm；与产品贴合面/滑配面Ra0.8μm；冲翻孔底孔及冲翻孔的冲头、凹模的工作部分表面粗糙度Ra0.4μm。模具调试注意事项首先排查模具部件之间、模具与制件之间的干涉情况；其次锁定模具闭合高度进行调试，验证每套模具的工序件定位、防错防呆的功能；调整模具零间隙贴合面(如：外限位柱、平衡块、锥形定位销、镦死块等)，使其贴合面接触良好；调整相对运动部件(如：导向结构、滑块等)，使其导向面接触良好、运动顺畅；接着研配工作部件的型面，研合率不低于85%，确保制件稳定后，方可开始修改产品回弹。在OP10及OP20模具上调试整改产品大面的回弹量，把产品大面的回弹量调试整改到1mm以内，再进行其他工序件尺寸精度的调试。另外，为确保翻孔质量，必须保证冲翻孔底孔光亮带均匀，翻孔底孔边缘压C角深度不可过大且均匀，翻孔凸凹模间隙均匀。产品调试合格后，在与制件摩擦剧烈的模具零件表面TD处理。模具量产注意事项模具必须安装限位柱，以确保模具每次在生产时闭合高度的一致性，确保产品稳定。模具定期维护保养。模具量产需要在相对导向、相对运动部件的导滑面涂润滑油。根据设计规划的易损备件，结合生产实际情况，完善易损备件清单，制定最低安全库存量，以便模具量产维护维修，快速调整更换。冲压之后的焊接、压装工序调试验证在产品冲压工序完成后，接着焊接，再电泳，最后压装球头销、前后衬套。经过压脱试验，压出力满足要求。如图12所示，产品的翻孔未造成球头销、前后衬套表面划伤，且表面接触均匀。
图12 压脱试验后的零件 结束语此产品的模具调试过程比较顺利，实际效果与CAE成形模拟分析的结果基本一致。如图13所示，模具经过小批量的生产验证，工作过程可靠稳定，冲压生产的产品尺寸合格稳定，产品壁厚、外观质量满足要求，该模具已经正式投入到批量生产。通过对该产品的冲压工艺和模具结构设计，参照模具制造、调试、量产的注意事项，有效解决了超高强度钢板拉深、成形、修边冲孔的模具强度弱、产品尺寸要求高、翻边翻孔质量要求高等问题，为后续超高强钢的底盘件开发提供了借鉴。
图13 产品实物
邓献思 模检具开发管理主任，工程师，主要从事汽车零部件工艺设计开发及质量管理，拥有10项专利。 —文章选自：《锻造与冲压》2022年第8期
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