文／邓献思，金成龙，王仓，陈云，徐荣峰，方淑芬·吉利汽车集团有限公司

悬架系统直接影响着汽车的行驶平顺性和操作稳定性，是汽车结构中至关重要的组成部分。如图1所示，前下控制臂总成作为前悬架系统中的重要组成部分，起到连接前制动器总成和前副车架总成作用，也是悬架重要的传力和导向部件，故要求其必须具备足够的强度、刚度和疲劳耐久性。为了确保产品外观、尺寸、性能合格稳定，对前下控制臂的生产工艺稳健性提出了更高的要求。冲压工艺及模具结构的优劣，决定了该产品的生产成本、产品符合性以及量产稳定性。本文从冲压工艺规划、工艺分析与设计，及模具结构的关键部位进行介绍，解决产品冲压工艺开发的难点。

图1前下控制臂总成装配图

产品介绍前下控制臂总成及工艺介绍

前下控制臂总成由冲压的前下控制臂、加强板和套管焊接在一起，接着表面电泳，最后压装球头销、前衬套、后衬套而成，如图2所示。

图2前下控制臂总成图

前下控制臂介绍

前下控制臂(后续简称产品或此产品)，材料：宝钢FB，料厚4.0mm，材料力学性能如表1所示。

表1材料力学性能

从产品的使用及工艺过程控制要求，分析关键尺寸及技术要点，根据图3所示，要求如下：A区，3个基准面，每个单独基准面平面度0.2mm；主基准孔径

，副基准孔。B1区，翻孔(与加强板搭接焊接)，面轮廓度0.5mm。B2、B3、B4区，翻边(与加强板搭接焊接)，面轮廓度0.5mm。C区，安装球头销的翻孔，翻孔沿周8mm内基面区域的面轮廓度为0.6mm，孔径

，高度

，翻孔轴线相对于基准的位置度0.8mm。D区，套管焊接区，面轮廓度1mm，线轮廓度0.5mm。E区，安装后衬套的翻孔，翻孔沿周10mm内基面区域的面轮廓度0.6mm，孔径

，高度

，翻孔轴线相对于基准的位置度0.8mm。剩余的孔为非重要孔：长圆孔为减重孔，圆孔为过孔。产品的特殊要求：不允许过渡圆角应力集中，不允许边缘接口凹陷、边缘齿状裂纹等缺陷，翻孔内壁需光滑平顺。

图3前下控制臂区域划分图

冲压工艺分析与设计冲压工艺方案规划

根据此车型生产量纲，以及生产厂家的生产设备，规划出冲压生产采用手工放取件的方式。

由于产品材料为超高强度钢，回弹大，产品结构复杂。冲压工艺规划除了需要考虑产品的尺寸要求、特殊要求外，仍需要满足产品一般要求：冲压件表面要求光滑平顺，不允许开裂、颈缩、皱纹、边缘毛刺超差、材料减薄率(≤15%)超差等缺陷。结合过往产品的开发经验，在保证产品质量，冲压工艺可行的前提下，尽可能减少工序数量，降低成本，提高生产效率。依图3前下控制臂区域划分图，规划初步冲压工艺方案如下：

OP05落料冲孔；OP10拉深成形(成形大面、大面上的凸包及B4区的翻边)；OP20修边冲孔；OP30侧修边+冲孔(侧修B4区的边线；正冲E区翻孔的底孔)；OP40翻边整形；OP50侧整形(全周侧整形)；OP60翻孔；OP70冲孔；OP80翻孔(C区的翻孔)；OP90修边+侧修边(冲C区边缘轮廓线多余的废料)；OP冲孔+侧修边(侧修D区另一侧面的边线)。

冲压工艺CAE成形模拟分析

⑴规划初步冲压工艺方案，进行全工序CAE成形模拟分析。分析结果是：(a)成形过程不起皱，产品局部增厚在可接受范围内；主要风险点是最大减薄率不满足要求，B4区最大减薄率19.6%，大于15%。(b)冲压力的校核，OP10总冲压力kN，大于现有的生产压力机公称力kN，现有设备不满足。其他各工序的总冲压力小于现有生产压力机公称力的80%。

⑵根据初步的CAE成形模拟分析结果，调整冲压工序内容：把OP10工序内容进行拆分，大面上的凸包分2次成形；在产品的B4区也分2次成形(第1次加大转角预成形，第2次成形到位)，以消除减薄缺陷。

⑶工序内容调整后，再次进行全工序CAE成形模拟分析。如图4所示：(a)B4区最大减薄率5.5%；除了翻孔边缘外，产品其他部位最大减薄率13.6%，小于15%；没有开裂、颈缩现象；成形过程不起皱，产品局部增厚在可接受范围内。(b)B1区、C区、E区翻孔最大减薄率分别是16.9%、18.8%、18.1%，都大于15%；为规避边缘齿状裂纹质量缺陷，需要在翻孔底孔边缘增加压C角后再冲翻孔，或使冲翻孔底孔与冲翻孔冲压方向相反，使冲翻孔底孔的冲裁断面光亮带在翻孔外边缘。(c)冲压力的校核：把OP10工序内容进行拆分后，第1次拉深成形总冲压力kN，第2次成形整形总冲压力kN,以及其他各工序的总冲压力均小于现有生产压力机公称力的80%，现有生产设备满足要求。

图4CAE变薄率分析报告

冲压工艺方案确定

⑴如图5所示，二次修边产生的工艺接刀采用“凸刀”方式，保证模具冲头及凹模刃口的强度，同时避免工艺接刀影响产品强度。接刀位置不得设计在产品疲劳、强度热点区域。

图5工艺接刀结构尺寸图

⑵为了减少生产冲压工序，把初步规划的OP50侧整形内容拆分到其他工序中。

⑶产品的型面回弹量通过模具型面做补偿和整形工序完成，确保产品的关键尺寸满足要求。大面的回弹主要在前两工序完成回弹补偿，翻边面的回弹主要通过整形工序完成回弹补偿。

⑷最终确定的冲压工艺方案，如图6所示。工序件定位：OP10～OP30采用工艺孔定位，OP40～OP采用产品基准孔精定位。冲压工序内容为：OP05落料冲孔(需要CAE分析计算和模具调试确定毛坯尺寸)；OP10拉深成形；OP20成形整形；OP30修边冲孔；OP40修边冲孔+侧修边；OP50翻边整形+压C角；OP60翻孔+压字印；OP70冲孔；OP80翻孔+整形；OP90侧修边冲孔；OP侧修边+侧整形。

图6冲压工艺方案

模具结构设计要点

根据已确定的最终冲压工艺方案，进行模具结构设计。此产品是超高强度钢，比普通薄板冲压生产所需冲压力更大，由此产生的侧向力也更大；模具成形零件易磨损、模具修边冲孔刃口易崩裂；此产品表面积小，模具压料结构易产生受力偏载，不平衡。因此需要厚实可靠的模具结构，确保冲压生产稳定。

模具结构共同的设计要点

⑴外导向方式：成形类模具采用导板结构；修边冲孔类模具采用导板+导柱结构。

⑵工序件定位按冲压工艺方案规划的方式设计结构。

⑶模具材料选用及热处理：成形类模具工作部位零件选用Cr12MoV，热处理硬度为56～60HRC，与制件摩擦剧烈的模具零件表面TD处理；为减少冲压生产冲击的刃口崩裂，提升模具寿命，落料刃口选用Cr12MoV，上模刃口热处理硬度为55～58HRC，下模刃口热处理硬度为56～60HRC；异形修边类刃口选用Cr12Mo1V1，上模刃口热处理硬度为55～58HRC，下模刃口热处理硬度为56～60HRC；冲孔冲头选用厚板冲头，表面TiCN处理。冲孔冲头固定板材料选用45钢，调质处理硬度为28～32HRC；侧切冲头固定板材料选用45钢，淬火处理硬度为45～50HRC。

⑷快拆快换：在与制件摩擦剧烈的成形部位，在异形、尖锐、薄弱的刃口都需要小型化设计，以便量产维护维修，快速调整更换。

⑸压料板受力平衡：压料板需设计增加平衡块或锥形定位销，避免压料受力不平衡；成形类模具的压料板导向方式采用导板结构。

⑹弹性元件的选用：选用的压料元件采用氮气弹簧，确保产品质量的稳定性。

每套模具结构的设计要点

⑴OP05落料冲孔模：落料先于冲孔工作，落料刃口设计斜刃，以降低冲裁力及噪声。

⑵OP10拉深成形模及OP20成形整形模：根据CAE分析模型，采用压力机的气垫压力成形大面后，凸模再成形凸包及B4区，凸模设计防侧向力结构。凸模TD处理。压料板底部增加镦死垫块，在模具运动到底位置时，实现对产品整形。

⑶OP30修边冲孔模：冲孔的位置度影响后工序翻孔底孔边缘导角的均匀度，冲裁间隙影响冲裁断面的光亮带；而翻孔底孔边缘压C角的均匀度及冲裁断面的光亮带直接影响翻孔质量(翻孔高度均匀度、翻孔边缘的齿状裂纹及开裂缺陷)，因此压料板选用φ40mm导柱套导向，增加锥形定位销导正防倾斜；冲翻孔底孔的冲头增加衬套导向，冲头与衬套单边间隙0.02～0.04mm。冲翻孔底孔的凹模设计成镶块结构，位置可快速调整。如图7所示。

图7局部区域工作结构剖视图

⑷OP40修边冲孔+侧修边模：压料板选用φ40mm导柱套导向，设计锥形定位销导正防倾斜；冲翻孔底孔导向结构按OP30要点设计。为避免受冲压生产时的振动及侧向力影响，导致制件在侧修边处冲裁断面分层开裂，应满足以下关键点：(a)斜楔滑块设计大宽高比(大于1.2倍)保证运行的稳定性；侧修边冲头侧面、底面增加反侧块，以平衡侧向力。(b)三面包围安装侧修边凹模，并选用M12mm螺栓紧固；(c)侧修边凹模镶块两侧封闭，与正面刃口形成“门”形结构，刀背设计深度尽量浅，保证刃口强度；刃口与侧壁设计圆角过渡大于R3mm，避免热处理及冲压生产时崩裂；(d)侧修边冲头同步切入侧修边凹模。如图8所示。

图8侧修边局部工作结构

⑸OP50翻边整形+压C角模：翻边凹模镶块侧面紧固，在模具调试时，可以快速调整模面间隙，并且增加正面锁紧加大紧固力。凹模镶块TD处理。压料板底部增加镦死垫块，在模具运动到底位置时，实现对产品整形。压C角冲头先穿入底孔导正，再压C角；压C角冲头的结构，在模具调试时，方便高度上的调整，可以快速调整压C角的大小。如图9所示。

图9局部区域工作结构剖面图

⑹OP60翻孔+压字印模：翻孔冲头先穿入底孔导正，再翻孔；翻孔冲头设计成圆球形状结构，表面TD处理。翻孔凸凹模间隙影响翻孔质量(翻孔高度均匀度、翻孔壁厚的均匀度、翻孔垂直度，翻孔边缘的齿状裂纹及开裂缺陷)，因此，冲翻孔冲头导向结构按OP30要点设计；翻孔凹模口设计84.5°锥度，以缩小凸凹模间隙，保证翻孔垂直度、孔内壁表面光滑平顺。翻孔凹模结构设计成镶块结构，可快速调整凸凹模间隙。如图10所示。

图10局部区域工作结构剖视图

⑺OP70冲孔模：按OP30要点设计冲孔结构。

⑻OP80翻孔+整形模：按OP60要点设计翻孔结构。B3整形区，翻边面与冲压方向角度0°，不具备正向冲压角度来实现产品整形，因此采用摆块凹模实现整形。B4整形区，翻边面与冲压方向角度11°，具备正向冲压角度实现产品整形，因此采用正向凹模实现整形。整形凹模结构，设计成在模具调试时，可以实现快速调整凸凹模间隙。

⑼OP90侧修边冲孔模：侧修边采用吊楔结构。产品D区侧修结构，关键要点是确保冲压过程，冲头受力的平衡。采用弹性元件在侧修边冲头另一侧设计反顶，以及增加反侧块抵消侧修边时的侧向力，避免冲切时刃口咬边、崩裂。如图11所示。

图11上下模具结构图

⑽OP侧修边+侧整形模：侧修边+侧整形采用下置式斜楔结构。侧修边模具结构按照OP90要点设计。

模具制造、调试与量产注意事项模具制造注意事项

模具成形圆弧处、工作表面要光滑，镶块的拼接缝隙不大于0.05mm，不能有明显接痕。粗糙度要求：安装贴合面Ra1.6μm；与产品贴合面/滑配面Ra0.8μm；冲翻孔底孔及冲翻孔的冲头、凹模的工作部分表面粗糙度Ra0.4μm。

模具调试注意事项

首先排查模具部件之间、模具与制件之间的干涉情况；其次锁定模具闭合高度进行调试，验证每套模具的工序件定位、防错防呆的功能；调整模具零间隙贴合面(如：外限位柱、平衡块、锥形定位销、镦死块等)，使其贴合面接触良好；调整相对运动部件(如：导向结构、滑块等)，使其导向面接触良好、运动顺畅；接着研配工作部件的型面，研合率不低于85%，确保制件稳定后，方可开始修改产品回弹。在OP10及OP20模具上调试整改产品大面的回弹量，把产品大面的回弹量调试整改到1mm以内，再进行其他工序件尺寸精度的调试。另外，为确保翻孔质量，必须保证冲翻孔底孔光亮带均匀，翻孔底孔边缘压C角深度不可过大且均匀，翻孔凸凹模间隙均匀。产品调试合格后，在与制件摩擦剧烈的模具零件表面TD处理。

模具量产注意事项

模具必须安装限位柱，以确保模具每次在生产时闭合高度的一致性，确保产品稳定。模具定期维护保养。模具量产需要在相对导向、相对运动部件的导滑面涂润滑油。根据设计规划的易损备件，结合生产实际情况，完善易损备件清单，制定最低安全库存量，以便模具量产维护维修，快速调整更换。

冲压之后的焊接、压装工序调试验证

在产品冲压工序完成后，接着焊接，再电泳，最后压装球头销、前后衬套。经过压脱试验，压出力满足要求。如图12所示，产品的翻孔未造成球头销、前后衬套表面划伤，且表面接触均匀。

图12压脱试验后的零件

结束语

此产品的模具调试过程比较顺利，实际效果与CAE成形模拟分析的结果基本一致。如图13所示，模具经过小批量的生产验证，工作过程可靠稳定，冲压生产的产品尺寸合格稳定，产品壁厚、外观质量满足要求，该模具已经正式投入到批量生产。通过对该产品的冲压工艺和模具结构设计，参照模具制造、调试、量产的注意事项，有效解决了超高强度钢板拉深、成形、修边冲孔的模具强度弱、产品尺寸要求高、翻边翻孔质量要求高等问题，为后续超高强钢的底盘件开发提供了借鉴。

图13产品实物

—TheEnd—

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