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淺談基于沖壓成型技術(shù)的客車造型設(shè)計(jì)論文
客車外覆蓋件制作成型工藝由傳統(tǒng)的手工敲制成型，正逐步被優(yōu)質(zhì)高效的沖壓模具成型代替;客車設(shè)計(jì)也開始從模擬量的尺寸傳遞方法向數(shù)字量傳遞方法轉(zhuǎn)變，實(shí)質(zhì)上客車的設(shè)計(jì)與制造過程成了產(chǎn)品數(shù)字化定義、數(shù)據(jù)傳遞、拓延和加工處理的過程，而最終形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。這個(gè)數(shù)據(jù)的第一步就是造型設(shè)計(jì)，沖壓模具的設(shè)計(jì)制造也是以造型設(shè)計(jì)為依據(jù)的。造型設(shè)計(jì)決定著沖壓模具工藝，反之，沖壓模具工藝影響著造型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量，是決定客車產(chǎn)品開發(fā)成功與否的重要步驟。
1 客車造型外覆蓋件沖壓成型特點(diǎn)
整車造型設(shè)計(jì)中往往是兩三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素對(duì)風(fēng)格形態(tài)起決定性作用。當(dāng)這兩三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素改動(dòng)了，那么整車造型的風(fēng)格氣質(zhì)就完全變了，便成了形似而神不似，就不能完全實(shí)現(xiàn)造型創(chuàng)作意圖，任何細(xì)微的修改都需要付出極大的代價(jià)。因此，在造型設(shè)計(jì)階段就要考慮沖壓成型技術(shù)的特點(diǎn)，去設(shè)計(jì)、完善造型設(shè)計(jì)方案;避免后期因模具成型困難對(duì)造型反復(fù)修改，最終犧牲造型設(shè)計(jì)，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)失敗。
沖壓成型是塑性加工的一種方法，是利用材料的塑性變形性能，改變其幾何形狀與尺寸，從而達(dá)到?jīng)_壓成型的目的。成型主要特點(diǎn)有：
1)車身尺寸大。前后圍尺寸(寬×高)可達(dá)到2 360mm×2 980 mm。
2)客車外覆蓋件的深度尺寸相對(duì)平面尺寸小，一般在30~50 mm。
3)形狀復(fù)雜，多為三維曲面組成，拉伸和壓縮兩種狀態(tài)并存且分布無一定規(guī)律，隨零件形狀、尺寸的變化而不同。拉深時(shí)變形量小，容易引起剛性不足而出現(xiàn)鼓動(dòng)現(xiàn)象。
4)加工精密程度高�？蛙嚱Y(jié)構(gòu)是外覆蓋件蒙皮和骨架組合的復(fù)合式車身，對(duì)沖壓件的加工精度要求很高。
5)材料種類多樣。車身材料除了鐵皮沖壓件，還有注塑件、玻璃鋼件等各種材料拼焊而成。
6)總變形程度小，但局部變形量較大。這些局部成型對(duì)整個(gè)沖壓件成型有較大的影響，甚至是決定性的影響。客車造型外覆蓋件沖壓部件主要分為前圍蒙皮、后圍蒙皮、側(cè)圍蒙皮、頂蓋蒙皮。它具有獨(dú)自的成型特點(diǎn)，對(duì)這些特點(diǎn)的了解，有助于深入而清晰地認(rèn)識(shí)沖壓成型過程的本質(zhì)和各種現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，可以準(zhǔn)確地分析沖壓成型過程中產(chǎn)生的缺陷與不良現(xiàn)象發(fā)生的原因，從而更好地指導(dǎo)造型設(shè)計(jì)。
2 客車造型及成型設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)定位
專用校車是設(shè)計(jì)和制造上專門用于運(yùn)送幼兒或?qū)W生的客車。一汽客車是國內(nèi)最早研制長頭校車的企業(yè)之一。通過設(shè)計(jì)定位，公司現(xiàn)有長頭校車產(chǎn)品升級(jí)換代。
1)為了有效提高校車安全性能，采用長頭造型設(shè)計(jì)，造型元素簡潔時(shí)尚，突出一汽校車品牌特征。
2)為了提高外觀質(zhì)量、安全等級(jí)、乘坐舒適度，采用覆蓋件沖壓模具化。
3)為了優(yōu)化成本，提高生產(chǎn)效率，采用造型設(shè)計(jì)系列化，統(tǒng)一前后圍模塊、斷面尺寸、各長度段車身，零部件模塊化。
2.2 造型概念設(shè)計(jì)
經(jīng)過沖壓成型特點(diǎn)分析，結(jié)合設(shè)計(jì)定位，進(jìn)行造型的概念設(shè)計(jì)。以總布置設(shè)計(jì)的基本尺寸和設(shè)計(jì)硬點(diǎn)進(jìn)行二維效果圖繪制，二維效果圖是造型設(shè)計(jì)概念表達(dá)展現(xiàn)的重要步驟，要求透視圖準(zhǔn)確，造型表達(dá)清楚，車型長、寬、高及主要造型硬點(diǎn)要準(zhǔn)確體現(xiàn)，否則設(shè)計(jì)出來的效果圖是沒有任何意義的。
在造型概念設(shè)計(jì)過程中，首先要滿足校車的新國標(biāo)要求，突出前后保險(xiǎn)杠造型，外表不做突起、凹陷、尖角造型。其次，重點(diǎn)考慮沖壓成型的特點(diǎn)，前圍造型特征線條簡潔、流暢，以大面分割為主，曲面過渡自然，避免出現(xiàn)棱角。曲面分割合理，避免出現(xiàn)尖角。后圍整體厚度盡量薄，但要避免造型曲面急劇變化。
通過幾輪設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，設(shè)計(jì)元素整合，確定了最終的造型概念設(shè)計(jì)方案。整車造型采用美式長頭車身結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出安全需求要素;線條簡潔、流暢，造型面圓潤飽滿，塑造出憨態(tài)可掬的形象，滿足了幼兒或小學(xué)生的心理需求;前大燈采用解放J6 貨車鉆石大燈，體現(xiàn)了一汽品牌的高識(shí)別性特征。
2.3 創(chuàng)建造型的三維數(shù)字模型
造型的三維模型構(gòu)建是二次造型設(shè)計(jì)的過程，是造型設(shè)計(jì)的三維數(shù)字化表現(xiàn)，是造型設(shè)計(jì)更加直觀的體現(xiàn)，既用于造型驗(yàn)證和定型，又用于后續(xù)開展沖壓數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)和工程分析等，所以這是非常細(xì)致重要的一步。
長頭校車是復(fù)合式的車身結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是既有沖壓覆蓋件蒙皮，又有小方剛焊接而成的車身骨架，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中是以沖壓蒙皮為基礎(chǔ)的。因此，建模過程中在準(zhǔn)確表現(xiàn)出造型設(shè)計(jì)和滿足總布置設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，重點(diǎn)考慮沖壓模具成型的特點(diǎn)，它關(guān)系到造型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的效果，要遵循各種開孔、安裝點(diǎn)、工藝孔、定位臺(tái)階、定位面均要與硬點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。在創(chuàng)建各種造型特征時(shí)，要避免非必要的負(fù)角出現(xiàn)。重點(diǎn)注意表面間隙縫的處理、分割部件的邊界與鏈接處的處理、造型結(jié)構(gòu)的處理。
長頭校車建模最復(fù)雜的部件集中在前后圍，側(cè)圍和頂蓋相對(duì)較簡單。前圍造型是雙曲面，兩側(cè)面逐漸向中間收縮，形成飽滿的圓頭，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與翼子板有高低差，圓弧過渡，前端分布著進(jìn)風(fēng)面罩、左右前大燈，曲面變化非常復(fù)雜。建模應(yīng)注意防止過渡臺(tái)階突變、直角過渡，拉深延面的大小、修邊線避免形成空間曲線，功能特征不要安排太密，燈框周邊拉深延面一般不超過30 mm，翻邊的結(jié)構(gòu)處理以減少工序數(shù)目為原則。
后圍造型相對(duì)簡單，主要以拉伸、開孔、翻邊為主，分布著后大燈、后開門等主要功能特征。
3 造型沖壓成型工藝分析及樣車試制
車身造型的成型工藝分析是沖壓模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，決定著模具開發(fā)的周期、質(zhì)量和成本。根據(jù)造型設(shè)計(jì)，從校車的外表形態(tài)、結(jié)構(gòu)尺寸、精度要求、材料選擇、車身中裝配關(guān)系、生產(chǎn)規(guī)模等方面來分析沖壓成型的工藝性。對(duì)于工藝性差的地方，反饋給造型設(shè)計(jì)，從造型設(shè)計(jì)的角度再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量。
3.1 造型分割
由于長頭校車車身尺寸大、形狀復(fù)雜，多為曲面造型，必須將其分為若干部分，將每部分單獨(dú)成型后，再進(jìn)行焊接或功能件的分割處理。造型分割目的：一是滿足產(chǎn)品的使用功能;二是滿足產(chǎn)品的裝配;三是滿足產(chǎn)品沖壓成型的工藝性;四是成本考慮。
分割原則是根據(jù)整體造型設(shè)計(jì)來劃分，不要破壞造型設(shè)計(jì)。分割出的零部件應(yīng)簡單、左右對(duì)稱，便于裝配，滿足成型工藝。
3.2 沖壓成型主要缺陷分析
目前沖壓成型工藝分析主要有經(jīng)驗(yàn)分析法和板材成型數(shù)值模擬分析法兩種。在校車造型二維設(shè)計(jì)階段和三維數(shù)模創(chuàng)建階段，主要采用經(jīng)驗(yàn)分析法，三維數(shù)模確定后采用數(shù)值模擬分析法。這樣從概念設(shè)計(jì)開始就引入沖壓成型工藝分析，堅(jiān)持一次建模的理念，注重細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)因成型工藝問題使造型設(shè)計(jì)無法完全實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象。沖壓成型可能出現(xiàn)的主要缺陷有如下幾個(gè)方面：
1)起皺。起皺是變形區(qū)局部壓應(yīng)力過大引起厚度增厚失穩(wěn)所致。根據(jù)產(chǎn)生的受力狀態(tài)和出現(xiàn)的部位，起皺可以分為壓應(yīng)力起皺、不均勻拉應(yīng)力起皺和剪應(yīng)力起皺等類型，引起起皺的原因多種多樣。
在造型設(shè)計(jì)階段解決起皺的方法：一是產(chǎn)品數(shù)模設(shè)計(jì)的合理性;二是避免形狀急劇變化或出現(xiàn)鞍形形狀;三是轉(zhuǎn)角半徑不要太小，拉深面尺寸不要太大;四是減少平臺(tái)的部位，易起皺部位增加吸料筋，臺(tái)階部位的變化要緩慢過渡等。
2)破裂。破裂主要是由于材料在拉伸過程中應(yīng)變超過其極限，而形成失穩(wěn)。類型有強(qiáng)度破裂和塑性破裂，對(duì)產(chǎn)品破裂原因要根據(jù)具體的部件具體分析。
在造型設(shè)計(jì)階段，要注意容易引起破裂的地方：拉深處、翻邊處、倒角處、轉(zhuǎn)角處、臺(tái)階處、缺口處等。解決的方法：凹凸模圓角不要太小;翻邊或拉深長度不易過大，不超過50 mm;曲面過渡自然，避免局部尖角出現(xiàn);缺口處圓滑過渡造型。
3)表面畸變。表面畸變是沖壓件表面上產(chǎn)生的局部起伏。覆蓋件的模具表面設(shè)計(jì)是以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，添加工藝補(bǔ)充面構(gòu)成的。零件設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)和后續(xù)成型質(zhì)量的好壞，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量和外觀。主要缺陷類型：沖擊線、滑移線、塌陷、暗坑、表面扭曲、回彈等，容易發(fā)生在零件形狀發(fā)生急劇變化的部位，如車輪拱形邊周圍、裝飾特征消失部位、前后頂側(cè)壁、燈具開孔周圍、窗口拐角處、裝飾線、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋平坦處、翻邊成型的角部等。
在造型設(shè)計(jì)階段解決表面畸變的方法：保證面與面之間是光順面;曲面不宜急劇變化;翻邊應(yīng)建立拔模度且斷面不易過長。
4)剛度分析。覆蓋件的剛度除了材料、厚度、曲率等因素外，其造型也是影響剛度的因素之一。在滿足造型創(chuàng)意前提下，造型設(shè)計(jì)階段可以適當(dāng)增加筋條、拉伸造型面等造型手法，可以提高覆蓋件的剛度。
通過數(shù)模和零件成型數(shù)值模擬比較全面地分析了可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題。這樣在造型設(shè)計(jì)階段最大限度地避免了沖壓成型缺陷的出現(xiàn)，減少了對(duì)造型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效果的影響。
3.3 樣車試制
通過對(duì)三維造型設(shè)計(jì)與沖壓成型工藝進(jìn)行分析，確定了最終的造型設(shè)計(jì)方案。在三維造型的基礎(chǔ)上各部門完成沖壓模具設(shè)計(jì)和車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)入了樣車試制階段。樣車試制的目的是：實(shí)物具體驗(yàn)證造型設(shè)計(jì)的美觀性、沖壓模具的準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，考察整車綜合性能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。
要求試制的樣車必須按照設(shè)計(jì)圖紙制造，保證與設(shè)計(jì)一致。
4 結(jié)束語
通過樣車試制，充分驗(yàn)證了在造型設(shè)計(jì)階段基于沖壓成型技術(shù)的設(shè)計(jì)是必要的，也是可行的，取得了顯著的成效，并且能滿足沖壓工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，解決了造型設(shè)計(jì)與樣車實(shí)物之間一致性的問題，使問題在造型設(shè)計(jì)階段就被發(fā)現(xiàn)并得到有效的解決。
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