车身覆盖件修边模正侧交刀结构研究

互推小编 2023-05-16

文/田卓华·北汽福田汽车股份有限公司

张瑞宏·舜晟冲压技术股份有限公司

李石磊·山东潍坊福田模具有限责任公司

基于大量的修边接刀毛刺问题，详细论述、计算、分析了覆盖件修冲模具正侧交刀结构的优缺点，提出正侧交刀设计原则和正确设计交刀冲压工艺的四要素，详细列举论述三类正确交刀设计案例。正确设计交刀工艺、慎重选择正侧交刀结构，从而规避毛刺及其不合理刃带的不可再修性。精益设计、精准制造，让模具交付更快速、使用维护更容易。

曾经一段时间，国内主流模具厂流传，“没有毛刺就没有冲压件”。从某种意义来讲，修边毛刺是冲压生产主要缺陷之一，克服起来，比较困难。二十多年来，国内无数工程师孜孜不倦研究修边间隙、刃口材料、数铣程序、刀块基面、热处理、导向精度、刃带表面粗糙度等，使模具修边质量有了很大的提高。但是，对于正侧交刀来讲，结构比较复杂，交叠不慎，修边毛刺挥之不去。

车身覆盖件修冲模常用正侧交刀结构，实现一序修切干净，效率较高。为了修边线连续、光顺，正侧交刀必然设置重叠段。现实中，不知何时开始，绝大多数修边重叠带刃口棱线下虚空。刃口棱线稍有磨损，修边间隙增大，不能持续、稳定大批量修切。修边后工件修边毛刺如图1 所示。

图1 修边后工件修边毛刺

如果不解决正侧修边重叠带虚空缺陷，就不能实现正常修边。这种修边，不仅工件毛刺大，更重要的是刃带强度低，难以承受量产化修冲冲击；另外，刃带可修复性极差，难修复、修复后不可持久。

正侧交刀使用场景

近年来，为节约成本，主机厂竭力压缩冲压工序数，以降低设备台时及人工费用；再者，一些冲压生产线压机台数锁定，迫使模具开发商浓缩工序，集中一序修切。就算设计阶段实现了“合同”意图，开发前期大家似乎相安无事，实则隐藏一个不可能消除的隐患——毛刺。到了交付验收阶段，修边毛刺形影不离，以致于将就冲压生产，质量久久不被认可。

也有冲压工艺设计欠佳，且工艺初定，一成不变，导致交刀结构设计无法推动工艺进一步优化；还有为了抢首轮提样进度，拉延成形、翻边类模具设计在先，修冲模设计滞后。待修冲结构评审，需要调整冲压工艺之时，成形类已经投铸，错失了设计阶段提升优化的第一窗口。

无论商用车还是乘用车，侧围及翼子板工艺路线最长、模具结构最复杂，正侧交刀司空见惯。用多了、用久了，一些致命缺陷习惯了，不以为然。也许有典型工艺和结构如此设计，有先师引路，就有充分理由照猫画虎。但是，不知道这个虎是个病猫，还是个青葱虎。说到底还是缺乏一个长久使用的情景认识，因为，设计师压力山大，很难到冲压现场亲力亲为，许多冲压事故，听说的多，眼见的少。

有了正侧交刀，修冲分为正常修边及异常修边两类，常规正修刃带结构，上下刃带截面线均与冲压方向平行；异常正修，下模刃带截面线和冲压方向有夹角，理论上只有刃口棱线和上刃带构成修边间隙，离开刃口线，或刃带棱线磨损变钝，修切间隙增大。

这种局面迫切需要改观，否则，交付验证旷日持久。铁的事实是，凡是模具交付时间跨过一两个整年或更久的，被主机厂拒绝接收，细看产品和模具缺陷的前三，大都逃不出设计的缺陷。工艺定型、结构锁定，钳工即使使出九牛二虎之力，耗费扭转乾坤之神，改进改善也泛善可陈。

正侧交刀结构分析

车身覆盖件是复杂的三维曲面结构，许多产品修边时不可能四周全部一次正修。为规避钝口和锐口，就需要采用侧修，图2 为某发罩外板正侧交刀下模结构。如果维持现状，则模具不可顺利交付。如果交付，一定是让步接收。最痛苦的将是冲压件永远带毛刺。因为，此缺陷不属于长周期质量培育能够解决的范畴，与钳工水平高低无关。如果在模具实体基础上改造，成本很高。有专家做过统计分析，设计缺陷在图纸阶段改造和实物阶段改造费用之比为1:10000。

图2 某发罩外板正侧交刀下模结构

在分析正侧交刀之前，先搞清楚常规正修刃带结构，图3 所示为常规正修刃带截面。无论上刀还是下刀块都由r 和刃壁两段构成刃带，上、下刃壁均与冲压方向平行。理论上刃口棱线是尖锐的，比如刚数铣结束的刀块。实际棱线尖锐是短暂的，平时是圆润的。只是圆润r(暂且这样表示)大小程度不同。为便于分析计算，无论刃口棱线横截面是样条曲线、二次曲线等非圆曲线，本文简化为圆曲线，半径用r 表示。下刃一族r，表示随时间推移，寿命周期之内的磨损，使用越久，r 越大，刃口越钝。微观的修边刃带由两部分构成，一段是磨损后的r 棱线，另一段是刃壁。

图3 常规正修刃带截面

正侧交刀修切，必须有一段重叠修切。否则，修边线不易保证连续。修边有凸尖或三角尖，修边尖角、红线圈定部位(图1)是重叠段，实物接刀并未重叠，修边线留有三角尖。钳工可以改进正修上刀，延长正修刀，取消三角尖。但是下刃带虚空，锐棱间隙大、毛刺大、强度低。

重叠段下刃壁考虑侧修方向进刀，刃壁只能照顾侧修，不能兼顾正修。当正修刀切入重叠段，下刃壁不与冲压方向平行，只有刃口棱线r 最外侧切线与正修上刀刃壁构成修边间隙。此段正修为异常修边。

重叠段正修和侧修先后顺序，一般取决于产品结构。本案例正修先切，侧修后切。上刀局部结构较长，修边行程较大。因为垂直向下，下模修边线以外虚空，不易干涉。如果侧修先切，侧修上刀局部行程较长，与下模容易撞上；同时斜楔行程增大，动态刚性较差。为提高刚性，刀体底座面积增大，则斜楔滑块较大。

模具结构设计形成一个规则，原则上正侧交刀时，优先定义正先修、侧后修，利于结构紧凑。在重叠刃口段，下刃壁虚空。崭新的刀块刃口理论棱线成立。冲压数百件变钝，间隙增大；大间隙修切，挤压严重，加速磨损，图4 为异常正修刃带截面。

图4 异常正修刃带截面

正侧交刀设计原则

正侧交刀有利于一次修切干净，效率较高，但是需要遵循一个原则，正侧交刀重叠部位要共面。即无论正、侧修边，下刀刃壁与冲压方向平行。否则，不能维持量产冲压作业。

冲压工艺设计初期，布局交刀位置，由于多为2D 曲线，空间结构不十分明晰。待模具3D 结构设计完成，交刀时适应量产基本一目了然。为规避异常交刀，体现“共面”原则，一般需要调整交刀点，会引起排废料重新考量；或者改造工艺面，实现正侧修交刀段共面；或改造工艺面，取消交刀，节省一个斜楔机构，成本降低。如果不坚持正确原则，产品毛刺和频繁修理，模具不能顺利交付验收。

安排设计计划时，成形类和修冲类模具尽可能同步推进，提供全套图纸供需方评审、会签，抓住设计优化的第一窗口，实现精益设计；如果因种种原因需要有先后顺序，成形翻边类模具投铸的唯一前提条件，是修冲类模具会审结束。这一过程也许多耗费数十天，取得的成果是节省模具交付验证时间。

关于交付，亟需建立一个标准，“快速交付”，3 个月或6 个月交付完成。不一样的标准，不一样的痛点关注度，不一样的成本。标准可以逐级提升，但不能没标准、不提升。

不共面的交刀结构主要有三个痛点：

⑴产品或工序件毛刺大，翼子板正侧交刀结构(图5)；图5(a)为正侧交刀棱线下部虚空，刃尖易磨损，间隙增大较快。

图5 翼子板正侧交刀结构

⑵刃带强度低，模具交付冲压厂小批验证，难以签字接收；图2 发罩外板正侧交刀下模结构，局部下刃形成极小的锐角，约40°。

⑶可维修性差，理论上无法维修；纵使补焊、数铣，持续时间很短，造成频繁修补，浪费工时。

正侧交刀结构优化设计

正侧交刀设计标准

通常冲压工艺设计对于正侧交刀结构设计而言，需要定义必要的参数。如果定义不完整，模具结构设计可以恣意发挥，产生交刀不良，达不到量产模具的标准。

正侧交刀工艺设计要素包括：正侧交刀重叠段，侧修刃带和正修刃带共面；冲压方向、斜楔方向及方位角需要明确定义；正侧交刀重叠段，起点和终点明确交刀段长度；重叠段正修和侧修进刀次序，可以文字表述，2D 表达最佳。

冲压工艺内容调整

正侧交刀不满足上述四要素，可以分序，从而取消正侧交刀。图6 为某产品正侧交刀工艺结构。工艺评审发现正侧交刀异常，原工艺结构中OP20 修边，角部一次修净。评审此处交刀段，正侧刃带不共面，特别锐，提出更改意见。改进后的设计，角部废料分两序完成，且无需增加工序数，规避了异常正侧交刀。

图6 某产品工艺设计结构

工艺造型优化改造

有的正侧交刀不共面，重叠段属工艺面；且侧冲上刀结构受限，非常单薄，没有刚性。如果按此制造，将来模具也许只能临时提样，不能量产化。图7 为一侧围工艺优化后的模具3D 结构，角部全部正修完成。产品角部修边后翻整，修边面为工艺面，局部允许改造，不用交刀，少一个侧冲器，制造成本降低；刃口线可恢复性强。

图7 一侧围工艺优化后的3D 结构

或许有人提出，新的结构设计，刃带有立修并局部钝角。按照模具使用现场，局部范围钝角修边比锐角修边刃带寿命长，钝口可以处理一个微小平面，以降低修切侧力；立修上刃修切行程长，动态刚性和刃壁垂直度要求较高。相比正侧交刀不可交而交之，模具交付使用后，前者人力不可恢复，后者人力可恢复。

图8 所示的正侧交刀结构，重叠段棱线以下虚空，量产刃口r 易磨损，数百件过后，毛刺增高，形成撕切状。如果一序修切完成，受左侧产品结构制约，侧修上刀左右都与正修交刀，才可实现修边线连续。左右受限，侧修刀伸出部位左右方向约为20mm 厚的薄片，刚性很差，不能保证冲裁间隙。

图8 正侧交刀结构设计

调整侧冲方位角

图5(a)所示的翼子板正侧交刀下模结构，主机厂规定四序，或冲压线压机四台，模具数不可突破。但是，翼子板正侧交刀图不难看出，虽然正侧交刀不共面，但角度相差很小，大约8°以内。因为受侧冲方孔制约，似乎无法改变。

根据笔者经验，两个方孔一般为卡扣孔，决定了侧冲方向。可与主机厂协商，孔的法线方向调整角度，再调整斜楔机构方位角，有利于正侧交刀刃带共面；如果不同意改产品，两方孔的法兰边属于工艺面，后工序翻边整形。两孔法兰面改造一个小角度，完美实现正侧交刀的共面原则。

人们在处理一些疑难问题时，往往会左右为难。处理一个问题，可能带来一个新的问题而裹足不前，也许新的问题本质不是问题，但却成为前进的拦路虎、挡箭牌。在深入、广泛分析疑难杂症的基础上，在诸多不利条件下，两害之间择其轻；诸多优点兼备时，两优之间择更优。只有这样，我们才能够在精益设计、精益制造的大路上坚定前行，攻坚克难，取得更加亮眼的业绩。

如果定义了更高的标准，精益设计是自主行为，很自然的过程。如果缺乏高标准严要求，模具交付听之任之，此刻，要求精益设计，那就是“强人所难”，最终供需双方都难受。只不过煎熬的时间段不同罢了。设计者难受，成就的是低成本、高效益；开发者容易，难受的是模具使用者。

结束语

本文分析了修冲模常见的正侧交刀设计结构及其造成的毛刺、不可恢复性刃带；指出正侧交刀结构设计原则；交刀不可避免，但是工艺可以优化，不交刀、少交刀、能交刀，从而规避先天修冲毛刺缺陷。最终为快速交付模具服务，即使工艺费些心事、结构绞尽脑汁，也是值得的。因为，设计阶段和实物阶段的改进改善费用比为1:10000。

——文章选自：《锻造与冲压》2022年第2期

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