铝制车门外板冲压成形模具及回弹控制方法与流程

本发明涉及金属塑性加工及模具技术领域，尤其涉及一种有效控制铝制车门外板冲压成形回弹的方法及模具，可以大幅降低铝制覆盖件的回弹量，实现铝制覆盖件冲压生产的尺寸精度控制。

背景技术：

当今汽车行业越来越注重舒适、耐用、轻量化以及节能环保等整车性能的考量，铝板材料以其密度小、利于吸能、防腐性能好等优点使其在汽车工业范围内能替代传统钢铁材料。铝板与钢板相比成形性差，弹性模量仅为钢板的三分之一，回弹量约为钢板的3倍，导致铝板成形过程面临着更大的开裂风险和回弹量。

以发动机罩外板、门外板等为代表的车身覆盖件，具有轮廓尺寸大、外形平坦、表面质量要求高等特点，这类零件在变形过程中的塑性变形量较小，变形分布不均匀，会导致回弹的发生。以铝代钢，回弹量成倍增大，因此回弹控制是铝质车身覆盖件模具开发中最为关键的一点。

目前，常见的回弹控制方法可以归结为两类：一是制定合理工艺，改变应力状态，使板料发生充分塑性变形，抑制回弹变形的发生；二是模具补偿，利用回弹规律，通过修正型面或模具结构使其形状与期望形状相符或相近。其中，回弹补偿法在实际生产中应用最为广泛。但铝板的大回弹量会加大实际回弹补偿的难度，通过制定合理的工艺方案来改善板料成形过程的应力状态，控制铝板回弹在可补偿的范围内，方能保证铝制覆盖件的尺寸精度。

对现有专利技术文献检索发现，已有很多实现板料回弹控制的方法及模具。

申请号为cn200810035574.7的发明，专利名称为车顶顶部型面回弹控制方法，该发明专利中，满车顶和带天窗车顶共用具有同一补偿型面的一套模具，仅在最后工序更换共用模具的部分模芯和卸料板，以实现两种状态车顶形状的回弹补偿。该发明旨在提供型面补偿方法，并不对零件冲压过程进行工艺控制。

申请号为cn201210135523.8的发明，专利名称为先进高强钢冲压件侧壁卷曲回弹控制方法，该发明专利通过将凸凹模侧壁加工成圆弧型面，将与法兰边接触的凹模模面加工成斜面，使材料预先产生反向变形，来补偿侧壁卷曲回弹，该发明不适用于车门的冲压成形。

申请号为cn201110287803.6的发明，专利名称为一种加工高张力板零件的成型模具，该发明专利通过在压料板和上模刀块上制造锁死单元，使压料芯和锁死单元之间的板料发生充分的拉伸塑性变形，从而克服成形后的大回弹量，该发明并不适用于铝板。

综上所述，现有技术大多是针对钢板或高强钢板开发的零件回弹控制方法，主要通过对模具型面进行补偿或者更改模具结构的方式来控制零件的回弹，而基于拉形原理改变零件的变形应力状态，从而控制铝制覆盖件大回弹的方法则未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种汽车铝制车门外板冲压成形过程中的回弹控制方法，通过在翻边工序引入拉形，对车门产品区材料进行二次拉伸，从而有效控制产品区的回弹；本发明的另一目的在于提供一种实现该方法的模具，可以实现拉形的夹持与加载。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种铝制车门外板冲压成形模具，其包括上模部分和下模部分，所述上模部分包括上模座、翻边镶块和压料芯，所述翻边镶块和上模座固定连接，所述压料芯与上模座弹性连接，所述下模部分包括下模座、翻边凸模和托料芯，所述翻边凸模和下模座固定连接，所述托料芯与下模座弹性连接。

作为优选方案，所述压料芯与上模座之间、托料芯与下模座之间均由氮气缸连接。

一种基于前述的铝制车门外板冲压成形模具的回弹控制方法，其包括如下步骤：

a)固定铝制车门外板冲压成形模具，并使所述铝制车门外板冲压成形模具处于开启状态；

b)进行制件定位；

c)控制压料芯和翻边镶块向下运动，直至上模座、下模座相接触，完成模具闭合；

d)对制件的型面实施拉形；

e)控制镶边模块继续向下运动至翻边镶块的最大行程，进行制件的二次拉伸；

f)控制翻边镶块回程，先后带动托料芯和压料芯回程；

g)模具复位开启，取出制件。

作为优选方案，步骤b具体包括如下操作：

将修边序制件置于翻边凸模上方，通过制件上的孔位与安装在翻边凸模对应位置的销钉配合，完成制件定位。

作为优选方案，步骤d具体包括如下操作：

控制压料芯不动，使翻边镶块继续向下运动，翻边镶块与托料芯夹持住制件同步向下运动。

本发明是基于如下原理实现的：

回弹的产生机理

板料在外载荷作用下发生任何一种塑性变形时，其变形都是由弹性变形和塑性变形两部分组成，图1为钢板和铝板两种材料的应力应变曲线示意图。如果将试件拉伸超过屈服点a，到达某点b时卸载，应力应变的关系就按照一条直线逐渐降低至载荷为零，卸载直线bc与加载直线oa平行。卸载后重新加载，直到b点应力达到σ1(或σ2)，材料再次屈服，应力应变关系继续沿着加载曲线变化。

当外载去除时，加载时的总应变会由于板料弹性恢复而部分消失，板料发生回弹，塑性变形区的材料保存残余变形而使零件成形。板料卸载后的弹性恢复应变量与卸载曲线的斜率有关，即板料回弹量δε与材料的弹性模量相关，弹性模量越小，板料回弹越严重，这也说明铝板回弹的控制难度很大。

拉形降低回弹的机理

拉形一般用于大尺寸双曲率的零件，拉形过程示意图如图2所示，以拉形模固定，夹钳夹紧板料两端，在工作缸的拉力作用下逐步与拉形模贴合成形。其中，预拉伸的目的是为了消除淬火产生的变形，使零件更加平直，保证后续成形零件两侧变形均匀；弯曲变形过程，零件在切向拉力的作用下逐步贴模成形；最后进行补拉伸，将更多的弹性变形转换为塑性变形，减少拉形后的回弹，从而保证零件的型面精度。

拉形回弹控制的关键，一方面是通过拉弯变形减少弯曲回弹，另一方面是通过二次拉伸减少拉形回弹。板料拉弯变形的受力状态和截面应力分布如图3所示，其中，f为切向拉力，m为弯矩，t为板料厚度，rm为初始中性面曲率半径，rn为偏移后中性面曲率半径。拉弯变形控制回弹的原理是在板料弯曲的同时加以切向拉力，致使板料中性层内移，截面内的应力分布全部变为拉应力，以达到减少回弹，提高零件成形精度的目的。

引入拉形实现车门零件冲压成形回弹控制的方法

车门外板是典型的浅拉深小曲率零件，成形特征区主要包括产品面区、四周翻边区及法兰区，如图4所示，针对此类零件的轮廓特征，冲压成形过程一般包括拉延、切边、翻边和整形四道工序，拉延序制得零件绝大部分产品面区的轮廓形状；修边序切除为保证零件拉深成形而在冲压零件周围和内部添加的工艺补充部分和压料凸缘的多余料；翻边序将半成品工件的一部分材料相对于另一部分材料发生翻转，制得零件侧壁局部轮廓形状；整形序修复零件的局部変形，保证最终产品尺寸精度，典型工序实施如图5所示。

铝制车门外板零件在拉延序的绝大多数产品面区的塑性变形量仅2％左右，因此制件在修边序会产生很大的回弹。车门外板零件周边有不同形式的翻边及法兰结构，翻边结构成形过程需要布置翻边刀块，法兰结构成形过程需要布置整形刀块。鉴于车门外板翻边成形过程四周力学状态近似对称，提出在翻边工序引入拉形，车门外板零件的力学状态如图6所示。对车门产品面区材料进行二次拉伸，增大塑性变形量，抑制产品型面回弹；对车门翻边区材料进行拉弯变形，改变截面应力分布，抑制翻边区回弹。

拉形在车门覆盖件冲压成形回弹控制的实现途径如下：

(1)工件夹持。引入拉形的翻边模具工件夹持设计如图7所示。在产品翻边区添加托料芯模块，翻边镶块同托料芯相互作用夹紧制件端部，实现夹钳对修边序制件两端的夹持。翻边镶块与托料芯的夹持型面应与车门型面相同，保证工件夹持的稳定性。

(2)拉力加载。翻边动作过程中，压料芯与翻边凸模不动，翻边镶块、托料芯夹紧修边序制件端部，随着上模座的下行同步向下运动。制件端部翻边区材料随着模具下行逐渐从翻边镶块与托料芯之间滑出，实现翻边，材料流动过程需要克服模具间的流动阻力，相应地，夹持段的摩擦阻力为制件产品型面区域的二次变形提供拉力。这样，修边序制件在实现翻边的同时，产品面区域得到二次拉伸，图8为制件两端均带有翻边结构的拉力加载状态，图9为制件一端带有法兰结构一端带有翻边结构的拉力加载状态。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的回弹控制方法，通过在翻边工序引入拉形，对车门产品区材料进行二次拉伸，从而有效控制产品区的回弹；

2、本发明提供的回弹控制方法，通过添加托料芯模块，同翻边镶块共同作用，实现对工件端部的拉形夹持；

3、本发明提供的回弹控制方法，通过工件夹持段的材料流动阻力为制件产品区材料的变形提供拉力，以实现拉形的拉力加载；

4、本发明提供的模具，结构简单，托料芯拆卸方便，一套模具可以同时实现传统翻边以及引入拉形的翻边，有效降低模具成本；

5、本发明提供的回弹控制方法及模具，适用于外形上左右两边或前后两边同时具有法兰结构的零件，不局限于车门零件。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为板料回弹机理分析图；

图2为拉形过程示意图；

图3为板料拉弯变形的截面应力分布图；

图4为车门零件及特征区域示意图；

图5为板料冲压成形典型工序；

图6为车门零件力学状态示意图；

图7为工件两端的夹持状态；

图8为工件左右两端翻边的拉力加载状态；

图9为工件一端整形一端翻边的拉力加载状态；

图10为本发明中翻边模具的结构示意图；

图11为本发明中的翻边工作模具的上模部分结构示意图；

图12为本发明中的翻边工作模具的下模部分结构示意图；

图13零件型面回弹量对比；

图中：1、上模座；2、氮气缸；3、压料芯；4、翻边模块；5、下模座；6、翻边凸模；7、托料芯；8、导板；9、限位螺钉。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明涉及的铝制车门外板冲压成形模具的结构如图10～12所示，包括上模部分和下模部分，上模部分由上模座1、翻边镶块4和压料芯3组成，其中翻边镶块4通过螺钉、销钉或销块同上模座1固定连接，本实施方式中为限位螺钉9，压料芯3通过氮气缸2同上模座1弹性连接；下模部分由下模座5、翻边凸模6和托料芯7组成，其中翻边凸模6通过螺钉、销钉和销块同下模座5固定连接，托料芯7通过氮气缸2同下模座5弹性连接。托料芯模块是区别于传统翻边模具的翻边工具体。工作过程中，上模部分的氮气缸作用于压料芯为制件提供压边力，下模部分的氮气缸作用于托料芯为制件法兰区提供夹持力，上下模座同压料芯、托料芯的相对运动依靠导板导向完成。

翻边镶块通过螺钉和销钉同上模座固定连接，压料芯通过氮气缸同上模座弹性连接，翻边凸模通过螺钉、销钉和销块同下模座固定连接，托料芯通过氮气缸同下模座弹性连接，上模座与压料芯之间、下模座与托料芯之间设有限位机构，防止活动部件超出安全行程。

工作过程中，翻边镶块同托料芯共同作用为修边序制件端部提供夹持，翻边动作导致制件端部材料向里收缩，受翻边镶块同托料芯的摩擦阻力作用，该摩擦阻力为车门产品面区材料的变形提供拉力，实现车门零件产品面的二次拉伸。

利用起吊螺钉将下模座置于压机工作台面上，在导腿的安装面上固定安装上导板8，通过螺钉和销钉将翻边凸模固定在下模座上，通过垫板和螺钉将氮气缸固定安装在下模座上，在托料芯的内外侧的安装面上安装上导板，在托料芯的四个拐角处的安装台面安装上翻边顶出器，然后将托料芯置于下模座上，并安装退料螺栓，下模部分安装完毕。

利用起吊螺钉将上模座倒置于压机工作台面上，在凸台安装面上固定安装上导板8，通过螺钉和销钉将翻边镶块固定于上模座上，通过垫板和螺钉将氮气缸固定安装在上模座上，在压料芯侧面的安装面上安装上导板，将其置于上模座上，并安装退料螺栓，上模部分安装完毕。

工作时，将上模座固定于压机上横梁上，下模座固定于压机工作台面上。固定于压机横梁的上模部分下行，依靠导板与下模部分完成导向运动，直至压料芯与翻边凸模相距1.1倍的制件料厚。上模座带动翻边镶块继续下行，导致连接托料芯的氮气缸气体压缩，为制件端部提供夹持力。翻边动作时，制件端部材料流动受到夹持工具体的阻力作用，该摩擦阻力为制件产品面拉形提供拉力，制件翻边的同时实现拉形。翻边结束后，压机带动上模部分回程，氮气缸释放弹性势能，带动压料芯、托料芯同步上行复位。翻边顶出器由弹性元件释放的弹性势能带动上行，顶出制件。

基于某牌号铝板，采用本方法及传统方法制成的车门外板零件型面的三坐标测量结果如图13a和图13b所示。根据零件设计要求，冲压成形型面偏差为要求为±0.5mm以内，图中无框文字为达标回弹量，有框文字为不达标回弹量。采用本方法的零件的总体回弹量较小，产品型面尺寸合格率达到85.5％，相比于传统翻边的零件47.3％的型面尺寸合格率，尺寸精度提升了80％。这极大降低零件后续的模具回弹补偿难度，在保证产品尺寸精度的前提下缩短了产品的生产周期。

采用拟申请专利的方法制造铝制车门外板，可有效降低回弹量。对于外形上左右或前后同时具有法兰结构的零件，本方法均可适用，因此在铝制发动机罩外板、行李箱盖外板等外形相似零件的推广应用具有重要意义。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。