探析汽车全景天窗冲压工艺优化及模具设计

赵辉

摘 要：本文首先分析介绍了汽车全景天窗的顶盖结构特点、成形工艺，并对优化汽车全景天窗回弹量及成形尺寸一致性的冲压工艺方法进行了介绍，然后对实现该工艺方法所采用的同工序旋转斜楔侧翻边和带料直翻边的模具结构进行了介绍分析，通过对汽车全景天窗冲压工艺的进一步优化，汽车车顶零件开发效率得到了有效提高，汽车车顶零件回弹和缩短模具制造周期也得到了降低与缩短，改工艺优化具有较高的参考价值。

关键词：汽车全景天窗;冲压工艺;优化

配备全景天窗顶盖的汽车不仅能够保证车内阳光充足，还能让汽车动感十足，全景天窗的汽车市场未来将更为广阔，对外观造型也提出了更多的要求，给冲压工艺和模具结构设计带来更大的挑战，故本文提出一种全景天窗车顶冲压工艺优化方法及其模具结构设计，先介绍如下。

1 汽车全景天窗成形分析與工艺优化

1.1全景天窗成形分析

全景天窗车顶相对于无天窗、小天窗的车顶，零件中部挖空多，且该区域产品弧度扁平，使材料在成形过程中难以充分变形。其难点在于大天窗区域经过天窗翻边和两侧侧翻边后，零件表面会产生轻微的凸凹塑性变形，造成回弹量难以控制以及寸一致性差的问题，最终导致成形零件质量不符合要求，增加模具整改难度和降低零件批量生产过程中的稳定性。

翻边回弹产生的机理主要是由于翻边时，压料面压力难以达到均匀及足够的压料力，翻边组件向下运行过程中会使成形零件外表面产生面变形，当压料力释放后，塑性变形使成形的零件产生回弹。控制翻边回弹的方法有很多，如过拉深，减小翻边量;增加工艺缺口，释放部分应力;型面设计回弹补偿;改变翻边镶件的刃入时序等。为了保证最终零件的成形质量，现从冲压工艺排布优化分别分析天窗内外侧分工序翻边和同工序翻边的回弹情况。

（1）分工序翻边。天窗废料尺寸较大，不能在一道工序中完全切除，只能在第2道工序中分块切除一部分废料，在第3道工序中切除所有废料及天窗全周翻边，在第4道工序中两侧侧翻边，模拟工具体设置为全型面压料，分工序模拟成形零件自由状态回弹结果如图1所示。

（2）同工序翻边。在第4道工序中两侧侧翻边及天窗全周翻边，预留2道工序修切天窗废料，在第2 道工序中第 1 次修边，在第 3 道工序中第 2 次修天窗残余废料，模拟工具体设置为全型面压料，同工序模拟成形零件自由状态回弹结果如图2所示。

对上述2种成形工艺方案的零件自由状态回弹量进行线性拟合，同工序翻边回弹量变化斜率小，回弹量上、下偏差小，有利于补偿数据以及精度的控制，减少模具调试工作量和开合模时间。

1.2 工艺优化

合理的冲压工艺取决于成形零件的质量稳定性。根据上述模拟分析结果，将全景天窗两侧及天窗区域的冲压工艺优化为：①拉深成形;②两侧正修边，二次切断废料，保留天窗中间段废料，整修上、下端面;③修切天窗残留废料，此时掉落废料空间大，结构简单;④侧翻两侧激光焊接边，下压料板正翻天窗周边。

2 模具结构设计要求

旋转斜楔相对推拉斜楔、双动斜楔等，具有空间体积小、结构紧凑、结构强度好等优点，广泛应用于空间位置紧凑的汽车覆盖件侧翻边与其他工艺组合的模具中，能有效缩小模具整体结构尺寸，降低模具制造成本。旋转斜楔分为定轴径和变轴径2种类型，其中变轴径对于车顶、侧围长轴类零件更具有设计柔性。为解决全景天窗四角翻边后的表面缺陷问题，周边成形采用下压料板带料翻边结构，正翻边刀块与下压料板夹住板料以控制翻边位置的材料流动状态，防止翻边波纹的产生，同时，翻边过程中上压料板和下压料板形成力的平衡，使翻边变形充分，达到改善A面成形质量的目的。

（1）天窗翻边。直翻边+翻边顶料器+下压料板成形天窗翻边。

（2）激光焊接面侧翻边。经对比，旋转斜楔结构为最好的方案。

激光焊接车顶内外侧翻边设计要求：①正翻翻边高度a=15 mm;②零件取料线距固定凸模分模线空间要求最小为5 mm，使零件负角区域能顺利脱模;③侧翻压料面宽度最小为15 mm;④旋转斜楔盖板厚度最小为12 mm;⑤直翻边避让空间最小为25mm。

3 模具结构设计

3.1 外侧侧翻边旋转轴摆放

旋转轴是旋转斜楔的核心，其摆放位置是最先需要确定的，一旦轴心改变，则整个斜楔结构都会随之改变。旋转轴的摆放位置由冲压零件形状及其具有冲压负角的侧翻边区域在冲压坐标系中的状态决定，按照接近设计原则，旋转轴与翻边轮廓线前后侧端点连线平行，其模具结构设计空间最优，确定摆放角度为3°。

3.2 确定旋转轴心区域

按照四向危险点确认原则，基于确定的旋转轴摆放方式，侧向视角筛选出该轴上下左右4个方向的极点位置。通过4个点作旋转轴线的法向面，求该法向面与零件的交线。分析3段交线上各段的垂直线，求出旋转轴心可行区域，如图3 所示。根据旋转轴设计标准和最高点位置压料范围，初步确定旋转轴的轴半径。

3.3 最窄区域旋转结构及带料翻边结构分析

模具结构示意图如图4所示，采用同轴心、变轴径设计方法，设计的翻边结构断面如图1中A-A所示，在最窄区域旋转半径为R155 mm;固定凸模盖板细长区域（圆圈处）宽度为14 mm;内侧翻边结构设计高度为 50 mm，包括：15 mm（零件翻边高度）+10 mm（零件结构避让空间）+15 mm+10 mm（结构避让空间）;侧翻边有效压料区为32 mm，零件取料空间大于5 mm。结合模具设计要求和现场经验，该方案符合模具结构强度、功能需求，天窗内外侧同工序翻边结构可行。

参考文献

[1]肖寿仁，李 军，周燕辉.汽车车顶天窗成形工艺及翻边回弹补偿分析[J].热加工工艺，2012（5）：41.

[2]李 贵.汽车覆盖件旋转斜楔冲压工艺优化设计[J].锻压技术，2018（3）：135-136.

[3]刘龙芬.汽车全景天窗顶盖切翻工艺与模具设计[J].模具工业，2017，43（2）：33-36，41.