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淺談基于沖壓成型技術的客車造型設計論文
客車外覆蓋件制作成型工藝由傳統的手工敲制成型，正逐步被優質高效的沖壓模具成型代替;客車設計也開始從模擬量的尺寸傳遞方法向數字量傳遞方法轉變，實質上客車的設計與制造過程成了產品數字化定義、數據傳遞、拓延和加工處理的過程，而最終形成的產品可以看作是數據的物質表現。這個數據的第一步就是造型設計，沖壓模具的設計制造也是以造型設計為依據的。造型設計決定著沖壓模具工藝，反之，沖壓模具工藝影響著造型設計實現的質量，是決定客車產品開發成功與否的重要步驟。
1 客車造型外覆蓋件沖壓成型特點
整車造型設計中往往是兩三個關鍵設計元素對風格形態起決定性作用。當這兩三個關鍵設計元素改動了，那么整車造型的風格氣質就完全變了，便成了形似而神不似，就不能完全實現造型創作意圖，任何細微的修改都需要付出極大的代價。因此，在造型設計階段就要考慮沖壓成型技術的特點，去設計、完善造型設計方案;避免后期因模具成型困難對造型反復修改，最終犧牲造型設計，導致產品開發失敗。
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，從而達到沖壓成型的目的。成型主要特點有：
1)車身尺寸大。前后圍尺寸(寬×高)可達到2 360mm×2 980 mm。
2)客車外覆蓋件的深度尺寸相對平面尺寸小，一般在30~50 mm。
3)形狀復雜，多為三維曲面組成，拉伸和壓縮兩種狀態并存且分布無一定規律，隨零件形狀、尺寸的變化而不同。拉深時變形量小，容易引起剛性不足而出現鼓動現象。
4)加工精密程度高。客車結構是外覆蓋件蒙皮和骨架組合的復合式車身，對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。這些局部成型對整個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、側圍蒙皮、頂蓋蒙皮。它具有獨自的成型特點，對這些特點的了解，有助于深入而清晰地認識沖壓成型過程的本質和各種現象產生的機理，可以準確地分析沖壓成型過程中產生的缺陷與不良現象發生的原因，從而更好地指導造型設計。
2 客車造型及成型設計
2.1 設計定位
專用校車是設計和制造上專門用于運送幼兒或學生的客車。一汽客車是國內最早研制長頭校車的企業之一。通過設計定位，公司現有長頭校車產品升級換代。
1)為了有效提高校車安全性能，采用長頭造型設計，造型元素簡潔時尚，突出一汽校車品牌特征。
2)為了提高外觀質量、安全等級、乘坐舒適度，采用覆蓋件沖壓模具化。
3)為了優化成本，提高生產效率，采用造型設計系列化，統一前后圍模塊、斷面尺寸、各長度段車身，零部件模塊化。
2.2 造型概念設計
經過沖壓成型特點分析，結合設計定位，進行造型的概念設計。以總布置設計的基本尺寸和設計硬點進行二維效果圖繪制，二維效果圖是造型設計概念表達展現的重要步驟，要求透視圖準確，造型表達清楚，車型長、寬、高及主要造型硬點要準確體現，否則設計出來的效果圖是沒有任何意義的。
在造型概念設計過程中，首先要滿足校車的新國標要求，突出前后保險杠造型，外表不做突起、凹陷、尖角造型。其次，重點考慮沖壓成型的特點，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，避免出現棱角。曲面分割合理，避免出現尖角。后圍整體厚度盡量薄，但要避免造型曲面急劇變化。
通過幾輪設計方案優化，設計元素整合，確定了最終的造型概念設計方案。整車造型采用美式長頭車身結構，體現出安全需求要素;線條簡潔、流暢，造型面圓潤飽滿，塑造出憨態可掬的形象，滿足了幼兒或小學生的心理需求;前大燈采用解放J6 貨車鉆石大燈，體現了一汽品牌的高識別性特征。
2.3 創建造型的三維數字模型
造型的三維模型構建是二次造型設計的過程，是造型設計的三維數字化表現，是造型設計更加直觀的體現，既用于造型驗證和定型，又用于后續開展沖壓數值分析、結構分析與設計和工程分析等，所以這是非常細致重要的一步。
長頭校車是復合式的車身結構，其特點是既有沖壓覆蓋件蒙皮，又有小方剛焊接而成的車身骨架，在設計和生產中是以沖壓蒙皮為基礎的。因此，建模過程中在準確表現出造型設計和滿足總布置設計要求的同時，重點考慮沖壓模具成型的特點，它關系到造型設計實現的效果，要遵循各種開孔、安裝點、工藝孔、定位臺階、定位面均要與硬點一一對應的設計方法。在創建各種造型特征時，要避免非必要的負角出現。重點注意表面間隙縫的處理、分割部件的邊界與鏈接處的處理、造型結構的處理。
長頭校車建模最復雜的部件集中在前后圍，側圍和頂蓋相對較簡單。前圍造型是雙曲面，兩側面逐漸向中間收縮，形成飽滿的圓頭，發動機蓋與翼子板有高低差，圓弧過渡，前端分布著進風面罩、左右前大燈，曲面變化非常復雜。建模應注意防止過渡臺階突變、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，翻邊的結構處理以減少工序數目為原則。
后圍造型相對簡單，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計的基礎，決定著模具開發的周期、質量和成本。根據造型設計，從校車的外表形態、結構尺寸、精度要求、材料選擇、車身中裝配關系、生產規模等方面來分析沖壓成型的工藝性。對于工藝性差的地方，反饋給造型設計，從造型設計的角度再進行優化設計，保證產品的成型質量。
3.1 造型分割
由于長頭校車車身尺寸大、形狀復雜，多為曲面造型，必須將其分為若干部分，將每部分單獨成型后，再進行焊接或功能件的分割處理。造型分割目的：一是滿足產品的使用功能;二是滿足產品的裝配;三是滿足產品沖壓成型的工藝性;四是成本考慮。
分割原則是根據整體造型設計來劃分，不要破壞造型設計。分割出的零部件應簡單、左右對稱，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驗分析法和板材成型數值模擬分析法兩種。在校車造型二維設計階段和三維數模創建階段，主要采用經驗分析法，三維數模確定后采用數值模擬分析法。這樣從概念設計開始就引入沖壓成型工藝分析，堅持一次建模的理念，注重細節設計，避免出現因成型工藝問題使造型設計無法完全實現的現象。沖壓成型可能出現的主要缺陷有如下幾個方面：
1)起皺。起皺是變形區局部壓應力過大引起厚度增厚失穩所致。根據產生的受力狀態和出現的部位，起皺可以分為壓應力起皺、不均勻拉應力起皺和剪應力起皺等類型，引起起皺的原因多種多樣。
在造型設計階段解決起皺的方法：一是產品數模設計的合理性;二是避免形狀急劇變化或出現鞍形形狀;三是轉角半徑不要太小，拉深面尺寸不要太大;四是減少平臺的部位，易起皺部位增加吸料筋，臺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變超過其極限，而形成失穩。類型有強度破裂和塑性破裂，對產品破裂原因要根據具體的部件具體分析。
在造型設計階段，要注意容易引起破裂的地方：拉深處、翻邊處、倒角處、轉角處、臺階處、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;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生的局部起伏。覆蓋件的模具表面設計是以三維數字模型為基礎，添加工藝補充面構成的。零件設計的好壞直接關系工藝補充面的設計和后續成型質量的好壞，從而影響產品質量和外觀。主要缺陷類型：沖擊線、滑移線、塌陷、暗坑、表面扭曲、回彈等，容易發生在零件形狀發生急劇變化的部位，如車輪拱形邊周圍、裝飾特征消失部位、前后頂側壁、燈具開孔周圍、窗口拐角處、裝飾線、發動機蓋平坦處、翻邊成型的角部等。
在造型設計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。在滿足造型創意前提下，造型設計階段可以適當增加筋條、拉伸造型面等造型手法，可以提高覆蓋件的剛度。
通過數模和零件成型數值模擬比較全面地分析了可能出現的質量問題。這樣在造型設計階段最大限度地避免了沖壓成型缺陷的出現，減少了對造型設計實現效果的影響。
3.3 樣車試制
通過對三維造型設計與沖壓成型工藝進行分析，確定了最終的造型設計方案。在三維造型的基礎上各部門完成沖壓模具設計和車身結構設計，進入了樣車試制階段。樣車試制的目的是：實物具體驗證造型設計的美觀性、沖壓模具的準確性和結構設計的合理性，考察整車綜合性能和關鍵技術指標。
要求試制的樣車必須按照設計圖紙制造，保證與設計一致。
4 結束語
通過樣車試制，充分驗證了在造型設計階段基于沖壓成型技術的設計是必要的，也是可行的，取得了顯著的成效，并且能滿足沖壓工藝和結構設計的要求，解決了造型設計與樣車實物之間一致性的問題，使問題在造型設計階段就被發現并得到有效的解決。
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