一种3工序顶盖翻边模具典型结构设计

田仁鑫 寇彦方

（一汽模具制造有限公司，长春130013）

1 前言

随着现代汽车工业的发展，各汽车品牌对整车周期和工装成本的要求更是精益求精，顶盖外板产品造型和冲压工艺越来越倾向于减少到3 工序（拉延→修边→翻边），传统的5 工序（拉延→二次修边→二次翻边）工艺设计逐渐减少。同时，为了满足消费者的个性化需求、降低生产成本，越来越多的汽车在开发时，同一车型都会衍生出带天窗和不带天窗的不同配置。而天窗切换机构的应用可以节省2 副模具（拉延模具共用），节约成本200 万元人民币以上（顶盖模具单套质量约20 t，平均制造成本5 万/t[1]）。本研究通过一副典型的3 工序顶盖翻边模设计流程总结，试图为此类模具结构设计提炼思路，同时规避调试、生产过程中出现的一些问题。

2 工艺概述

2.1 拉延

本研究中的顶盖产品料厚为0.6 mm，拉延序工艺排布如图1所示，压料力为1 300 kN，结构上采用单排托杆，对角布置了标记销和检测孔（DCH孔）。

图1 OP10拉延

2.2 修边整形冲孔

OP20修边序工艺排布如图2所示，顶盖周圈直修边，四角废料刀将外圈料片分为4片，滑出一定距离后二次切断成小块。此种工艺可在保证废料尺寸小方便收集的前提下，避免废料刀工艺造成的毛刺缺陷。天窗区域整形加修边，且天窗处料片可通过工位器具收集后用于冲压其他小制件，这种工艺可显著增加板料利用率，满足客户对节约成本的追求。

图2 OP20修边整形冲孔

2.3 斜翻边

OP30 翻边序工艺排布如图3 所示，顶盖周圈斜楔翻边，翻边后产生负角导致制件无法直接取出，故下模周圈设计为开花机构，其中车头一侧采用了转轴开花机构，另外3 个方向采用0°填充滑块机构。天窗区域有两处角部斜翻边，且斜翻边后产生负角导致产品无法直接取出，故此位置结构设计为工作斜楔随填充滑块斜楔运动；受空间限制，窗口翻边的斜楔组件（工作斜楔+填充滑块斜楔）设计在顶盖两侧的填充滑块上，通过上模的刚性驱动升降达到切换效果，下文将重点叙述此处结构。

图3 OP30斜翻边

3 主要结构工作原理详述

3.1 车头侧转轴机构

转轴/旋转凸轮机构相对填充凸模结构更加紧凑，本工序前后两侧的翻边区域距离车头处翻边区域太近，无法满足设计填充凸模的空间要求，故工艺排布上选择了转轴机构。工艺给定的转轴直径为260 mm，回程角度为10°，将工艺内容覆盖后转轴长设计为1 130 mm，测量质量约240 kg，充气气压为0.5 MPa、气缸负载率为50%时，缸径100 mm 的气缸输出力为197 kg，可满足生产需求。本次选用的气缸安装结构是后部U 型夹轴销固定的形式，适合纵向有空间横向紧凑的情况，如横向空间充足则可以选用中部轴套的形式。转轴工作楔的工作角度为70°，上模驱动方向水平设计，按照一般的设计原则，斜楔得驱动角度即上下模工作方向夹角应不小于55°。

图4 中右侧可见一块凸模镶块，此结构可增加转轴与固定部件接触、导滑的长度，增加运动稳定性。注意此镶块的安装面一定要设计的低于转轴轴心。转轴单件加工完成后是正公差，初组装时如果安装面高于或与轴心一平，很难配入研配量大，而低于轴心时，转轴需要配合的仅是一段劣弧，工作更方便。整个转轴侧面可以不全设计成配合面，适当采用铸造空开可以减小加工量并进一步减小初组装研配工时。

图4 转轴机构截面

转轴上有四块限位板如图5 所示，在转轴到位后同时起到对工作斜楔导向的作用，限位板与下方限位镶块之间也设计了一个螺纹孔，用于组装加工阶段将转轴固定保证数控精度。转轴驱动气缸要有足够的充放气速度，保证限位板先到位工作斜楔后接触到导滑面，若工作楔接触到悬空状态的限位板将其下压到位，则气缸杆会因为运动不畅受到剪切力，大批量压件后最终会导致气缸活塞杆断裂。

图5 转轴机构

3.2 车尾侧斜楔机构

车尾侧的斜楔结构比较经典，工作角度67°，上模工作方向也设计为水平。与转轴机构的工作楔一致，此工作楔也为一体式，工作部分没有分成镶块，结构尽量紧凑，最终设计长度1 m，质量为250 kg。工作楔的起吊翻转均采用了铸入螺母结构，这种结构相较于机加式起吊的优点是铸件返厂即可使用，机加式起吊结构则需要额外增加工艺起重柄，并在粗加工后切去。

工作楔的回程动力元件一般选择氮气弹簧或螺旋弹簧，本次设计采用的是螺旋弹簧，造价更低廉节约成本，但选型略为复杂。弹簧的输出力不是稳定值而与压缩量有关，需要同时考虑弹簧常数保证有足够的力保证工作楔回程，且挠曲量不能超限防止影响寿命。斜楔质量约250 kg，水平运动摩擦力F为750 N。先根据此次工艺内容确定翻边需要的最小行程，根据之前确定的上模工作方向确定最终的回程行程为25 mm，然后考虑弹簧的预压，考虑30 万次寿命可用挠曲量大于30 mm 的规格，最终综合选取中型负载直径为60 mm 的弹簧，可用挠曲量为32 mm，弹簧刚度为220 N/mm。

由图6～图7 可见，由于尺寸质量较小，本次设计的工作楔选用的是安全螺钉防脱，一般安全螺钉许用应力按σ=80 MPa 考虑，M20 规格的安全螺钉每个可以承受约16.7 kN，2 个足以满足需求。更大尺寸的自制斜楔除安全螺钉可以考虑使用防脱落盖板，螺钉数量更多接触面积也更大。本次模具内4 个方向的斜翻边内容主要差异在填充凸模/转轴一侧，工作斜楔部分的设计思路基本一致。

图6 工作楔&填充凸模左视

图7 工作楔&填充凸模俯视

3.3 前后侧的组合斜楔机构

如图8～图9 所示，用于实现有天窗制件两角部翻边的组合斜楔机构是3 段结构，有驱动楔与上模刚性到位。此驱动楔与填充凸模不具有切换功能，无天窗制件与填充凸模型面无干涉，在生产无天窗制件时正常空走。填充凸模与工作楔工作角是10°，且与驱动楔水平方向有45°夹角，无法保证填充凸模与驱动楔行程都是整数，一般取与上模刚性到位的工作楔行程为整数，调整到填充凸模回程行程满足工作需求。

图8 组合斜楔到位状态俯视

图9 组合斜楔回程状态俯视

图10 所示为拆去驱动楔的到位块，退回到极限位置的状态，在此状态下驱动楔仍位于型面下方，故此驱动楔是无法竖直起吊的，需要在吊运过程中由操作人员手扶调节角度，型面下方承重立筋的躲避空间不能仅考虑驱动楔平动的空间，需要考虑初装入时的旋转空间，但又不能空开过多影响斜翻边强度。驱动楔需要手扶质量不能过大，尺寸过大又需要更大旋转空间，故此结构需要尽可能紧凑。

图10 驱动楔初组装状态

本次设计的组合斜楔机构均采用螺旋弹簧提供回程动力，需要注意使用长规格弹簧时需要增加芯杆保证稳定防止侧弯，图11 中驱动工作楔的125 长弹簧就在工作楔一侧设计了芯杆，因为该侧是凹入结构，拆装时更加安全，如将芯杆设计在填充凸模一侧拆装时可能碰撞，紧固螺纹长度也很难保证。驱动填充凸模的弹簧直接顶在填充凸模的刚性到位块上，实现了结构最大可能的紧凑。另一个需要关注的点是工作楔的限位，由上图可见该结构是一个L 型的可拆卸板，若此处完全铸出，由于10°工作角的关系会产生一个倒勾的结构给拆装带来很大困难。L 型板安装位置完全低于工作楔下底面，这样拆下此板后工作楔可以完全平推出填充凸模再起吊，减小各种干涉风险。

图11 工作楔/填充凸模驱动关系截面

3.4 切换机构

与生产无天窗制件时可以正常空走的组合斜楔填充凸模不同，上模的驱动机构必须有较大的切换行程，才能保证生产无天窗制件时不发生干涉，切换结构的设计可说是本套模具的重中之重。为了实现切换功能，本套模具设计了两个压料板，仅靠主压料板即可完成无天窗制件全部工艺，副压料板负责天窗两角工艺的压料，同时承载天窗角部组合斜楔的浮动驱动块。

如图12～图13 所示，副压料板中部有三处限位块用于调节间隙，主副压料板之间设计有螺旋弹簧，该弹簧行程需要保证限位面缩回型面以上，力量需满足副压料板自重，若力量过大则需要相应增加压料氮缸的力量。组合斜楔的浮动驱动块超出型面的量值大于三处限位面，故浮动驱动块除副压料板的浮动行程外，还有一个独立浮动行程，通过弹簧盖板机构实现，初组装时弹簧轴芯连接在浮动驱动块上，穿过副压料板，在反面压紧弹簧，将盖板旋紧在轴芯上，弹簧自由状态时浮动驱动块底面应与副压料板墩死。压机力量通过轴芯传递给浮动驱动块保证组合斜楔工作，且切换成无天窗制件时弹簧力释放浮动驱动块缩回轴芯会与副压料板产生一定冲击，为防止挠曲轴芯需要有足够高的强度。

图12 双压料板俯视

图13 双压料板剖面

图14 为控制副压料板升降的切换钢板机构俯视图，中部的大空开是为了安装导向芯。图15为副压料板机构俯视图，由于副压料板完全藏在主压料板之下，没有空间布置外圈导向，故将导滑面设置在了内侧，上底板上设计了一块可拆的导向芯安装导板，此结构非常近似正方形，需要通过螺钉孔和暗键保证不可旋转后错装。导向芯同时安装了副压料板的盖板，上模安装在压床上时主压料板行程80 mm 完全释放，副压料板行程40 mm 限制在导向芯盖板处。切换钢板尺寸较大，本次成品尺寸达到520 mm×660 mm，需要非常注意加工精度，如热处理后发生翘曲会导致导向盖板处间隙发生问题。驱动切换钢板的是一个单动气路，需要设计传感器，用于将窗口切换的两个信号传递到压机。同时在模具外侧显眼位置设置N/S 指示牌，如下图16 所示，与指示杆配合，用于操作工在生产线工作前确认模具状态，即是否生产带天窗顶盖。

图14 切换钢板俯视图

图15 副压料板俯视图

图16 切换钢板指示杆示意

图17 ～图18 展示了切换钢板2 种状态下副压料板和浮动驱动块的不同工作状态，注意副压料板反面的压料氮缸和浮动驱动块的轴芯的状态，生产有天窗制件时氮缸和轴芯与切换钢板接触，生产无天窗制件时钢板被拉动到空位处，氮缸和轴芯悬空。轴芯位置由于弹簧选型的原因压紧状态无法直接接触到切换钢板，单独设计了两个顶块。副压料板与主压料板之间的弹簧行程20 mm，保证副压料板的三处限制面缩回型面以上，浮动驱动块弹簧浮动行程50 mm，合计70 mm，保证驱动块缩回型面以上，不再参与工作，冲出无天窗的制件[2]。

图17 有天窗时的工作状态

图18 无天窗时的工作状态

图19 是模具在压床上释放行程的状态，主副压料板行程分别为80 mm和40 mm，行程差40 mm，大于主压料板上的弹簧行程20 mm，自由状态弹簧不受力。由图19 可见此状态副压料板的最低点即压料氮缸顶面是高于切换钢板的，此时钢板可以自由移动，通过气路控制切换。这一点需要特别注意，不可在上模打开单独放置时触发切换气路，上模倒放时切换钢板会与副压料板氮缸干涉，仅可在装于压床上时进行状态切换。

图19 自由状态

3.5 制件的摆放与定位

本套模具下模4 个方向都是填充凸模和转轴，挤占了大量空间，故可以用于摆放制件的面积有限，最终仅与下模中部设计了一段型面，转轴侧有一块凸模镶块，另有一处镶块用于放置精定位销，其余区域全部空开，仅设计了4 个托件用的顶料缓冲器。这4 个顶料缓冲器设置方向为型面法向，可根据需求调节高低。如图20 所示，模具前后侧设置了定位板限制制件自由度防止转动后，配合精定位销与填充凸模型面可以满足之间的摆放与定位需求。

图20 制件摆放与定位示意

本套模具的定位布置形式和型面布置借鉴了以往项目的成功经验，但在未来的项目中随着产品工艺的调整需要灵活改良，以3 个方向上的填充凸模翻边为例，若未来产品造型更改令填充凸模的回退行程缩小，则中部的型面与皮碗可以酌情增加，优化托件的稳定性。但增加托件的面积指的是型面区域包围的面积，整个型面区域可以在保证沿周宽度40 mm 以上后在中间做铸造空开，或由加工数模控制做2 mm 加工空开，全部型面均做到与制件贴合会增大加工和调试成本。需要注意的是本次设计的顶盖的轮廓呈梯形，车头车尾侧的定位板不在同一直线上，与定位销配合可保证制件不沿长方向滑动。如产品呈较为规则的长方形，靠此4 处定位板定位无法限制长方向上的自由度，必须增加端头方向的定位。若与本套模具类似，此两方向为全贯通的斜翻边，需要使用较细的铁棒制作非标准定位杆，尽量减小斜翻边镶块上的空开，保证完成翻边工艺。

3.6 小结

2.1 ～2.5 节介绍的机构虽然均较为常见，但集中在同一模具中的情况不多，随着精益生产成本控制这一原则的不断推进，可以预见类似的设计在未来会更加常见，为此新产生的一些工作需要在项目前期策划和报价阶段即进行。例如本次的组合斜楔机构与双压料板，虽然在结构设计阶段已尽量增加强度，但为满足工艺需求最终成品还是呈相对镂空的状态，会一定程度上缩短模具的使用寿命。此设计方案的确定依据是客户给出的生产纲领，如果生产周期长，规划产量大，需要告知客户风险，调整工艺、增加工序来避免这种结构，产量与周期适当时则可以物尽其用，利用此方案降低工装成本。

此外，本套模具较为复杂的结构增加了装配与调试难度，在结构设计时可以注意两个要点来进行优化。第一点是起吊孔位设计，小型铸件往往仅可设计一至两处起吊孔，孔位应尽量靠近铸件重心，孔的方向优选模具冲压方向，次选部件底面的法向合理设计起吊位置能大大方便装配阶段钳工的操作，提高效率。第二点是设计斜楔锁死孔，调试阶段研配填充凸模与转轴的型面时，需要将斜楔固定在工作位置，增加转轴与填充凸模的锁死孔，如下图21 所示，通过螺钉紧固，便于调试研配。相对于常态即为工作位置的转轴，填充凸模的回程相对困难，一般需要由钳工撬动，锁死孔位置除用于固定还可以引出长螺钉，增加额外的牵引机构，更加节约人力。一套模具的最终结构是工艺、成本、加工能力等多方面条件制约妥协后的折中状态，装配与调试的困难客观存在，无法完全规避，但好的结构设计可以将困难尽量减小，方便后续工作的进行与交付客户后的维护。

图21 转轴与填充凸模的锁死孔

4 模具制造过程中的问题解决

本套模具出图后笔者对制造与发运过程进行了跟踪，在前文也提到了一些在现场发现的可以通过先期处理规避的问题和操作要点，这里着重介绍一下模具发运到客户厂家试生产阶段发现的一个问题与解决过程，以避免后期类似顶盖冲压过程中重现此问题。

4.1 问题描述

问题发生于11 次以上的高节拍生产无天窗制件的时候，由于上模运动速度过快，副压料板相对于主压料板的冲击力较大，浮动驱动块在惯性下继续运动，导致浮动驱动块冲出空开距离把制件磕伤，如图22 所示。由于调试过程中并没有进行这种速度的冲压实验，这个问题没有暴露出来，而自动化的模拟着眼与模具与机械手的取放件路径是否干涉，将模具上下部视为两个整体，发现不了这种内部问题。

图22 问题原因示意

4.2 解决措施

现场在发现此问题后对浮动驱动块进行了手工修整，但是效果并不明显，经过方案研讨最终在主压料板与副压料板之间增加了4 处ACE 标准的阻尼器，如图23 所示。阻尼器通过缓冲吸能减小浮动驱动块对弹簧的冲击，让浮动驱动块的惯性行程减小防止磕伤制件。此次选择的阻尼器规格为63-43，即直径63 mm 最大压缩量43 mm，预计压缩量是20 mm。

图23 主压料板增加阻尼器

第一轮措施实施后模具再次进行了高节拍生产实验，磕伤现象明显好转，但未完全消除，分析原因是对压料板冲击力的预估小了，导致ACE 阻尼器的吸能效果未满足要求。如图24 所示，阻尼器的吸能量值为曲线下方的积分，随着行程加大同样压缩量的吸能能力是大幅提升的，出于节约周期的考虑，第二轮的更改方案定为利用现有的标准件调节阻尼器行程提高吸能能力。

图24 ACE阻尼器的吸能曲线

如图25 所示，副压料板上的阻尼器对应位置增加了20 mm 垫块之后，将阻尼器的吸能能力近似提升了3 倍，实施后成功消除了高节拍生产是磕伤制件的问题。但此方案很大程度上是基于模具现有状态和现有标准件制定的，如果在设计阶段考虑到此问题，可以直接选用直径更大行程更大的阻尼器，防患于未然。

图25 阻尼器位置增加垫块

本次的问题很难在调试压机上暴露出来，现阶段也缺乏精确模拟高速运动部件与弹性元件交互状态的手段，除参考本次的解决手段进行预防外，应由项目的负责人做好统筹，保证模具交付前留出足够的周期进行实际生产线试模，实地实物实验将问题尽早暴露出来。高速线生产时除了本次发生的弹性元件无法满足冲击载荷的问题外，还可能有取放件不顺，气路响应慢无法满足高节拍生产等状况产生，作为合格的模具设计者，需要保证问题不发生在实际生产阶段，造成生产节拍不满足需求，甚至冲压线停台等更加严重的后果。

5 结束语

本研究介绍了一套典型的3 工序顶盖翻边模具在结构设计过程中的难点结构设计方案，今后相似工艺的顶盖模具可以在此模具的基础上进行总结迭代，提供基础思路，提高设计效率，规避一些实际生产过程中的已发问题。