图1  右侧围外板汽车坐标方向的产品设计

目前在国内模具行业中，侧围外板模具的开发还处于起步阶段，国内轿车整体侧围大部分依靠国外进口。国外整体侧围生产现已成专业化生产趋势，由专门的厂家、专门的工艺来完成。两年前，一汽模具制造有限公司承接了一汽大众的一个整车模具的设计制造任务，包括整体侧围这一重要产品。设计过程中，我们调研了一汽大众的侧围生产现场后，研制开发了符合我公司生产能力的设计方案，生产出了完全达到整车要求的高质量侧围模具产品。

模具设计前的产品分析

模具的设计工作需要结合模具结构对产品进行深入分析，了解具体冲压工艺方案的布置，深刻体会该套成形类模具中制件的成形过程，之后再进行具体结构的设计，以满足成形过程的需要。

轿车整体侧围是轿车外覆盖件的重中之重，堪称冲压件之“最”——它是整车冷冲模冲压件中最大的冲压件，它与其他诸多制件的匹配关系最多且要求极其严格。

轿车整体侧围质量的好坏直接影响着轿车的品质及外观形象，因此，它的生产要求非常严格，具体如下：

□ 要与其他部件合理匹配，即需要与前面的翼子板、后面的行李箱、上面的顶盖、下面的轮罩、前上侧的风窗、中间的前/后门等众多重要冲压件搭接和匹配；

□ 表面光顺平滑，棱线清晰，周边尺寸精度不能大于0.7mm；

□ 轿车的安全性及噪音直接决定拉延的塑性变形必须充分、无裂纹、不起皱，以保证足够的强度；

□ 车的美观要求侧围外板表面光照检查没有一点划伤，触感检查无凸包、暗坑。

冲压工艺方案及成形工艺

1、工艺方案

我们研制开发的整体侧围外板共分6道工序完成：落料、冲孔（2个大门洞）；三动拉延；修边、冲孔、整形；修边、冲孔、翻口、翻边、成形、整形；侧成形、侧冲孔、翻孔、翻边；侧成形、整形、冲孔、侧冲孔。其中，拉延成形工序在模具制造中是一道关键工序，它的成功与否决定了冲压工艺是否合理，该零件能否冲压出来。

2、成形工艺

该产品是由造型复杂的工艺曲面构成的，形如面包圈似的框架形式，产品后部为大的凸包，是产品的最深处，前部与中部宽窄明显，高低起伏大，上部狭窄，相对深度大，边缘里扣，下部形状规整，两个门口形成阶梯变化，层次明显，产品整体棱线清晰，R值最小不到3mm。

该产品拉延件的工艺补充设计非常复杂（见图1、图2），主要考虑了以下内容：产品的基准点、冲模中心线、冲压方向和送料方向、产品的改造、压料面的形状、拉延筋的布置、凸模外轮廓线与凹模口、拉延毛坯。

3、CAE分析

工艺补充结束，三维工艺模型建立后，经过CAE有限元分析模拟板料的拉延成形过程可以验证工艺模型补充的合理性。根据结果分析零件起皱和开裂的原因，再修改工艺模型，直到成形性达到满意为止。验证获得较好的拉延制件后便可以进行结构设计了。

三动拉延结构的确定

一般的产品都通过单动或双动拉延模的结构实现拉延成形，但整体侧围外板的产品特点要求在结构上要保证拉延过程中板料除在板料的外圈向里进料外，还要保证在板料的两个不同形状门口内的板料向外走料，这样的运动无法通过单动或双动拉延模的结构（见图3）来实现，只有通过三动拉延的结构来实现。另外，该产品复杂的形状、拉延深度的变化不仅要求模具的外圈板料与两个不同门口内的板料可以进行压料，而且两个门口内的压料力可调，以应对复杂的变化。为此，对于整体侧围外板，我们决定采用外圈板料通过压床的外滑块压料，两个不同形状门口内的板料通过两个独立的充气式氮气缸管路连接系统来实现。

图3  三动拉延

模具的工作过程

模具的工作过程是：顶件器气缸放气，手工放入坯料，外滑块下行，外压边圈压紧坯料，内滑块下行，凸模两门洞的左右小活动压料圈在氮气缸作用下，压紧两门洞毛坯，内滑块继续下行10mm，拉延开始，内、外压料面的材料各自向拉应力方向移动，凸模下行145mm，内滑块到下死点，拉延结束，拉延后凸模上行，左右活动压料圈脱开产品，外滑块上行，气缸充气，顶起制件，在滚轮协助下，手工移至传送带上。

具体结构设计

1、定位方式的选取

板料在模具中采用封闭定位，另外，为避免划伤制件，便于板料推进、取出，前后送、取料采用导轮挡料板。

2、托料方式的设计

拉延顶件装置采用气缸带动顶料块进行托料。由于顶料块布置于压料面上，为此，设计上应注意以下几点：保证托料位置均衡，气缸安装方便；保证托料块不划伤制件；顶料块的上表面形状与压料面完全重合；顶料块与气缸通过导向杆连接，衬套导向，保证精度。

6个气缸通过管接头、软管以进气口串连、出气口串连的方式连接，与调节阀保证同步。

3、压料设计中充气式氮气缸系统的应用

（1）弹性元件的选取

拉延过程进料要求压料力初压要大，之后，随行程的变化，压料力要基本保持恒定。

目前，模具中使用的弹性元件有聚胺脂、弹簧、压力机气垫、氮气缸四种，它们的特性曲线如图4。从图中可知，能满足拉延压料要求的弹性元件只有气垫和氮气缸，而压力机气垫的压力调整不准确，设计时结构会受到托杆位置的限制，所以只有氮气缸是最合适的选择，它具有初始压力大、压力曲线基本恒定、压力可调、体积小、行程长、寿命长、效率高等特点。

图4  弹性元件的特性曲线

（2） 氮气缸使用形式的选择

氮气缸有独立式、高压软管连接以及座板连接三种使用形式，其中高压软管连接的氮气缸系统压力可调，取用有一定的灵活性，可自行设计。此次设计中我们选用了KALLER TU型高压软管连接的EZ管路系统，即由高压管将独立氮气缸连接为一体，再安装一个控制表，以便进行压力调控。

氮气缸连接成为一个系统环路后，每个氮气缸都具有相同的压力。氮气缸管路系统的充气采用专门的充气装置，充气时将快换接头与压力控制表对接，便可对管路系统中的各个氮缸同时充气。

（3）氮气缸系统的具体设计

 ① 氮气缸行程的确定

由于板料放于凹模上会自然弯曲，弯曲后的形状与拉延件形状在冲压方向上的最大差值约为145mm，即拉延深度为145mm，所以取160mm行程的氮气缸进行压件，而160mm的行程实际取用到155mm。

② 氮气缸直径与数量的确定

压料力：Q=K·F·q（F为毛坯压料面积，q为压料单位压力，钢为0.25，黄铜为0.20，铜为0.15，铝为0.10），我们的设计资料规定K取1.1～1.4, 但以往按此系数计算出的压料力偏大，为此，此次K取0.65，计算结果：左侧压料力Q左为19422kg，右侧压料力Q右为18654kg。

氮气缸直径的选取：在模具设计有效空间内，选取较大直径的氮气缸有利于减少氮气缸的数量，为此，我们选取直径75.2mm缸径的氮气缸，其活塞直径3.6cm。氮气缸的初始压力为15000N, 最大压力为23000N。

目前，受专门的充气装置氮瓶充气压强的限制，可获得的最大充气压强为130bar，因此，系统中单个氮气缸的初始压力F初为13225.68N，行程为155后的终压F终为20975.68N，因此，左压料圈氮气缸数量Q左/F终=10(9.074)，右压料圈氮气缸数量Q右/F终=9(8.715)。

③ 氮气缸位置的确定

在拉延过程中，圆角部是多料区，也是拉延过程中容易起皱的区域，需要加大压料力，防止起皱，故应在角部优先布置氮气缸，其余均匀布置保证压料圈受力平衡。

④ 氮气缸的连线

由于成形需要，左右门口的两个小压料圈均要保证压力可调，故选取2个单独的连接系统（见图5），且连线设计以管接头最少、走线长度最短为原则，保证弯曲半径不应小于R20。

图5  氮气缸连线圈

⑤ 氮气缸安装的设计

由于拉延深度深，氮气缸需安置于凸模两门口深处，且需添加安装板以利于装配。

除压力控制表外的管路系统与安装板一起落入凸模腔内，而压力表需要安装在凸模腔外，同时，压料圈上开操作孔，便于压力控制。

4、限位结构、安全装置的设计

大中型模具的限位结构一般都采用侧销与安全销并用的方式，如果空间有限，也可采用侧销与安全螺钉并用的方式。此次设计中我们采用了聚胺脂缓冲弹性限位结构、刚性限位结构及侧销并用的方式（见图6），分别保证无噪音、行程准确及安全可靠。

图6  大中型模具的限位结构

拉延结束，凸模升起，小压料圈在氮气缸的作用下走完155mm行程后，由于自身重力与惯性继续下行，如果直接作用在刚性限位结构上，将产生大的冲击力与噪音，如果先作用在弹性限位结构上，力量可得以缓冲，再作用在刚性限位结构上，保证小压料圈的行程165mm。因此，弹性限位结构的行程取155mm，刚性限位结构的行程取165mm。

为了防止限位结构失灵而出现小压料圈脱落的风险，我们增加了侧销限位，行程取170mm。为了防止凸模脱落，加防脱限位块。

5、模具的导向、平衡、反侧、起吊

□ 导向：外压料圈与凹模采用导柱加导向腿导向；凸模与外压料圈、凸模与小压料圈采用导板导向。

□ 平衡：外压料圈采用矩形平衡块；小压料圈采用锥形平衡块保证压料的稳定、平衡。

□ 反侧：拉延成形过程中有侧向力存在，为此，压料圈与凹模间采用导向键与导向腿进行反侧。

6、铸件结构设计

铸件结构直接影响着模具的使用性能、外观及模具的价格。此次设计中我们特别注意了以下几点：

□ 受力处设筋，如压料成形面下、平衡块下、氮气缸下等，保证了模具的使用性能。

□ 保证氮气缸系统、气缸系统的走线要求，保证起吊处的强度要求，保证易被遗忘的型面加工时的夹持要求，从而保证了模具的使用、强度和加工质量。

□ 加工面与非加工面分界明显，并尽量减少加工面，保证了模具外观的美观并降低了模具价格。

□ 铸件壁厚尽量均匀，避免铸造缺陷的产生。

通过以上灵活的铸件设计可以保证优良的铸件结构。

应用情况

由于工艺补充及模具结构的合理设计，该模具的制造、调试过程都比较顺利，全部加工都符合我公司设备能力。

目前，该模具已投入大批量生产，工作无噪音，安全可靠，使用效果良好。充气式氮气缸系统的使用状态正常，观察压力随机方便，调整压力简捷便利。生产的整体侧围拉延制件无波纹、无暗坑，触感检查光顺、平滑，完全符合轿车生产的质量要求。经过实践的检验，该模具的设计和制造受到了厂家的好评。