汽车铰链的冲压工艺及模具设计

摘要：分析了汽车铰链的结构特点及冲压工艺，介绍了多工序零件的模具设计。分析了汽车铰链成形的主要模具结构，并对成形、冲孔、弯曲、卷圆等重要工序进行分析。利用有限元分析了零件的相对变薄率及弯曲回弹问题。通过计算机模拟和实践表明：模具结构紧凑、工作平稳、操作简便，对类似零件的模具设计有一定的借鉴和参考价值。

关键词：复合模;汽车铰链;回弹分析;变薄率分析

中图分类号：TG386.42                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0044-02

0  引言

汽车铰链作为汽车的重要连接件[1]，市场需求量大。该零件为冲压件，铰链形状较复杂，成形包括切边、冲孔、卷圆等多道工序。考虑到零件总体尺寸较小、工序多，零件宜采用单工序模+复合模成形，并采用Dynaform有限元模拟分析铰链的冲压成形效果，探讨冲压过程中是否出现裂纹、回弹、起皱等缺陷。随着CAD/CAE/CAM等辅助技术的广泛应用，极大缩短了模具设计、调试、试模周期。

1  零件的工艺分析

图1所示为铰链的零件图及其三维造型。铰链的材料为SPCC钢，零件厚度为1.6mm。零件要求表面平整，毛刺高度不得大于0.08mm。由图1可知，汽车铰链的成形主要以拉伸、弯曲、冲孔为主，其中弯曲位置多，在设计模具时需考虑弯曲的次序，合理安排弯曲的幅度、弯曲力的大小，并采取适当措施降低弯曲回弹所产生的不良影响，提高铰链的成形质量。另外零件上Φ5的键槽型侧孔（图1主视图所示）位于斜面上，位置要求较高，加工比较困难。汽车铰链成形主要工序有成形、冲孔、切边、翻边、预弯、卷圆等[2]。分析零件形状特征，采用一模两件的方案成形较合理，能有效增加材料的成形利用率、流向均匀、易于成形，同时提高冲压设备的使用效率，节约了零件的制造成本[4]。根据铰链的成形性、使用性及表面质量要求，合理选择修边余量[5]，修边余量一般应该大于5mm。经计算[5，7]，零件的坯料尺寸选170mm×80mm×1.6mm。

2  工艺方案的选择

工艺方案的选择、成形的先后顺序对零件的成形精度及模具设计的难易程度都有重要的影响[3]。分析图1结构可知，铰链制造过程中所需的冲压工序主要有弯曲成形、切边冲孔、卷圆、切断等。通过对铰链三维结构及工艺分析，该零件有3处弯曲、1处卷圆，此外还有冲孔、翻边等。最终确定以下工艺方案：成形——冲孔与切边复合——切断——成形——卷圆。

宜采用單工序模+复合模生产，共需要5副模具。其中在冲压加工中，第一道成形工序为关键工序，若成形质量达不到要求，则直接影响后续工序的进行，因此对第一道工序的成形结果应进行变薄率及回弹分析。

3  排样及剪板

采用单板单件的形式，即直接用剪板机将板料剪成毛坯大小，即采用无废料排样方式。具体计算如下[6，7]：①选用1.6mm×1600mm×2000mm规格的板料;剪切条料尺寸为80mm×2000mm。②条数n1=1600/80=20个，余0mm;③工件面积：S=[13×14×2+19×13+61×21-3.14×25/4+27×63-（7.5×7.5-3.41×7.5×7.5/4）-2×3.14×25/4]×2≈7044.1mm2。④材料利用率：η=[（7044.1×220）/（1600×2000）]×100%=48.43%。

综上，采用1.6mm×1600mm×2000mm规格的板料，材料利用率为48.43%。

4  主要模具结构设计

虽然制件成形时有一个9°的斜角，但计算时可近似看成弯曲的U形件。弯曲成形时，凸凹模间隙c的大小对汽车铰链的成形质量有直接影响。间隙过大时，导致弹复角增加;间隙过小时导致工件材料厚度的变薄。凸凹模合理的间隙值一般可按下式计算[6，7]：

式中：c—弯曲凸凹模单边间隙;t—材料厚度;Δ—材料厚度正偏差;K—根据弯曲件高度Δh和弯曲线长度b而决定的系数。

综上，由于汽车铰链精度要求较高，凸凹模间隙值应适当减少，故取c=t=1.6mm。

如图2所示为汽车铰链成形模的模具结构，该模具是下顶出件成形模。模具的工作过程是：送料时，通过导料板9来定位。将原始坯料置于凹模4上，压力机通过滑块带动成形凸模8下行，使凸模8与凹模4、顶件块11间的板料被压紧，凸模8下行到下止点时，成形工序结束。当压力机滑块上行时，下模采用顶杆10推动顶件块11进行卸料。

图3所示是利用Dynaform有限元模拟分析汽车铰链成形过程中的相对变薄率。图3中颜色条的变化，表示板料厚薄的变化程度。颜色越蓝，表示拉伸时变厚的程度越大;颜色越红，则表示变薄越多。由图3可见，最大变薄率出现在零件的底部圆形过渡区域，数值为13.59%，这是由于该部分拉伸程度较大，受成形力作用板坯变薄，易发生破裂。最小变薄率位于零件的边缘部分，数值为-27.58%，该区域变厚程度较多，但在后续的工序中会被切掉，故影响不大。对于一般板料成形而言，变薄率在30%以内都是合理的，故该成形方案是可行的。

由于汽车铰链结构上有多处弯曲，因此合理设计弯曲工序对保证零件尺寸和精度至关重要。在进行成形模结构设计时，须注意以下几点：①原始坯料既要定位可靠又要保证压弯后便于取件;②在每次冲程结束后保持数秒钟，来减少弹复;③弯曲模在结构设计时，应考虑在其制造与维修中尽量减少回弹产生的不良影响。

图4和图5是采用Dynaform[8]自带的Sing-Step Implicit（单步隐式）算法分析得到的回弹前后夹角及半径。从图中可以看出，回弹前后两线夹角之差仅为0.131°，回弹前后半径之差为0.43。比较分析可知，回弹前和回弹后的值比较接近，故回弹对成形工序在合理范围之内。材料各处的变形均匀一致，方便后续的切边、冲孔、卷圆等工序的实施。

5  结束语

在汽车铰链的模具设计中采用了单工序模+复合模组合结构，解决了多工序零件的加工问题，并利用有限元对主要工序进行变薄率分析和弯曲回弹分析，回弹前后半径之差为0.43处于合理范围。各模具间配合连续流畅衔接合理、结构紧凑，成形的汽车铰链达到使用要求，对类似零件的模具设计与调校具有一定的参考作用。

参考文献：

[1]李云.汽车门铰链加强板拉深成形模拟及模具设计[J].锻压技术，2014，39（1）：99-103.

[2]路少磊，毕大森.汽车门铰链冲压模具CAD/CAM绿色制造技术应用[J].锻压技术，2014，39（8）：86-92.

[3]杨小高，李功宇，黄志亮.铰链制造工艺改进与模具设计[J].模具工业，2010，36（7）：28-31.

[4]杨卓立，张芳顺.汽车滑轨安装座级进模设计[J].模具工业，2015，41（6）：14-18.

[5]王姝俨，夏华.深孔筒套精密成形工艺及模具设计[J].精密成形工程，2016，8（05）：147-151.

[6]郑家贤.冲压模具设计实用手册[M].北京：机械工业出版社，2007：79-445.

[7]王孝培.冲压手册[M].北京：机械工业出版社，2009：371-983.

[8]美国工程技术联合公司.eta/DYNAFORM用户手册.版本5.5.2006.

[9]夏巨谌.中国模具设计大典（第三卷）[M].江西科学技术出版社，2003.

[10]李文超，袁进.UG冲压模具设计与制造[M].北京：化学工业出版社，2008.