張海洋，夏迎飛，夏成飛

（鶴壁市全力模具制造有限公司，河南 鶴壁 458030）

0 引 言

汽車外覆蓋件對汽車的安全、隔振降噪性能及整車造型等具有重要作用，大多數(shù)汽車外覆蓋件是由造型復(fù)雜、尺寸較大、板料厚度偏小的自由曲面構(gòu)成，在成形過程中因受力不均勻或進料不一致導(dǎo)致起皺、開裂、凸凹、回彈翹曲等表面缺陷，其中回彈翹曲是汽車外覆蓋件沖壓成形過程中最常見、最難控制的缺陷，也是實際工藝最難克服的成形缺陷，是汽車制造業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

回彈不僅影響車身外覆蓋件的尺寸精度，還會對后期包邊總成的尺寸精度和整車間隙匹配的一致性造成影響，甚至?xí)痫棸鍩o法安裝或長期震動產(chǎn)生裂紋等問題，因此需要對外覆蓋件的回彈翹曲問題進行分析并采取有效措施保障成形制件的尺寸精度。以某SUV車型的尾門外板為例，分析尾門外板產(chǎn)生回彈的原因，結(jié)合CAE仿真結(jié)果對比，采取反復(fù)分析、結(jié)果對比及優(yōu)化拉深筋參數(shù)的方法，通過整改優(yōu)化模具使成形制件尺寸精度達(dá)到質(zhì)量驗收要求。

1 尾門外板結(jié)構(gòu)及工藝分析

圖1所示為某SUV車型的尾門外板結(jié)構(gòu)，由特征復(fù)雜的空間自由曲面構(gòu)成，曲面曲率要求平緩光順，表面質(zhì)量和尺寸精度要求高，要求制件成形充分、剛性好，表面不能有暗坑，特征棱線無滑移，同時制件上半部分整體與頂蓋、側(cè)圍有嚴(yán)格的匹配要求。其結(jié)構(gòu)難點主要有2處：①以工裝定位孔法向為沖壓方向，在沖壓方向下，側(cè)面看呈“V”形，高低差較大，尾門外板最高點和最低點的高度差達(dá)350 mm；②擾流板處外板面曲率平緩，曲面弧度近似直線且覆蓋面較大，拉深深度過深導(dǎo)致成形過程中板料流入不均勻，成形不穩(wěn)定，如圖2所示。這2種形狀特點使板料在成形過程中壓料面的材料流動劇烈，內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，塑性變形不均勻，容易產(chǎn)生缺陷問題。

圖1 尾門外板結(jié)構(gòu)

圖2 尾門外板沖壓方向上高低差

根據(jù)尾門外板的結(jié)構(gòu)特點采取一次拉深成形，板料材質(zhì)采用烘烤硬化板HC180BD+Z-FD，屈服強度為208 MPa，抗拉強度為334.7 MPa，板料尺寸為1 630 mm×1 545 mm，板厚0.7 mm。尾門外板生產(chǎn)一般在自動沖壓線上完成，沖壓工藝方案設(shè)計除了要滿足現(xiàn)有機器人自動送料取料外，還要滿足不超過4道工序的工藝流程（落料除外）。經(jīng)綜合評估，確定尾門外板的工序內(nèi)容為：①拉深；②修邊側(cè)修邊沖孔側(cè)沖孔；③翻邊整形側(cè)翻邊；④修邊側(cè)修邊側(cè)沖孔側(cè)整形。尾門外板工藝流程如圖3所示。

圖3 尾門外板工藝流程

根據(jù)確定的沖壓方向和相關(guān)參數(shù)，通過Auto-Form有限元模擬軟件對尾門外板進行CAE分析，對拉深筋和工藝補充部分進行調(diào)整，并采用雙曲面壓料面，使板料成形時材料流動盡量均勻平穩(wěn)，避免產(chǎn)生開裂和起皺等缺陷，為后期模具調(diào)試提供參考依據(jù)。

2 問題產(chǎn)生及原因分析

通過后期生產(chǎn)跟蹤，在首次全工裝成形時發(fā)現(xiàn)制件合格率僅為67%。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)問題為上部擾流板處主型面塌陷引起翻邊后輪廓回彈較大且不穩(wěn)定，局部型面最大偏差達(dá)到2.5 mm，存在表面質(zhì)量缺陷，造成制件上部形狀嚴(yán)重超差，制件在檢具上的測量值如圖4所示。

圖4 制件在檢具上檢測超差數(shù)值

針對此處制件回彈造成的表面質(zhì)量超差問題及不穩(wěn)定因素進行評估和確認(rèn)。初步采用人、機、料、法的魚刺圖進行預(yù)測和分析，如圖5所示。

圖5 魚刺圖

針對魚刺圖中分析確認(rèn)的各因素進行重構(gòu)，列表進行方案制定和結(jié)果跟蹤，如表1所示。通過逐項分析和解決方案跟蹤驗證，人、機、料均通過結(jié)果驗證，排除其對尾門外板擾流板處成形回彈問題造成的影響。

表1 逐項排查并提出方案對應(yīng)表

通過魚刺圖分析以及逐項排查解決，確認(rèn)分析方向主要集中在工藝設(shè)計與現(xiàn)場制件實際狀態(tài)的一致性方面。一般外板CAE分析主應(yīng)變理論值要求為≥0.03，查閱前期CAE分析結(jié)果，確認(rèn)此尾門外板擾流板處的主應(yīng)變值均已超過0.03，達(dá)到合格范圍，如圖6所示。副應(yīng)變的合格理論值要求一般是≥0，即不能為負(fù)值。但對前期CAE分析結(jié)果進行確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)尾門外板上部擾流板處中間及兩邊的次應(yīng)變數(shù)值均為負(fù)值，如圖7所示，且云圖形狀與回彈趨勢形狀相似，說明制件此處在拉深成形過程中并沒有被完全拉開，導(dǎo)致出現(xiàn)回彈缺陷。

圖6 前期分析主應(yīng)變分析結(jié)果

圖7 前期分析次應(yīng)變分析結(jié)果

拉深成形過程中，一般板料流動發(fā)生壓縮變形會存在壓縮失穩(wěn)問題，次應(yīng)變?yōu)樨?fù)值表示此方向的受力狀態(tài)為壓縮受力。在汽車外板拉深成形過程中，表面內(nèi)凹的部分是依靠凹模型面上的局部凸起成形，成形方向與沖壓方向相反，稱為反成形區(qū)。而該尾門外板上部兩角處為反成形區(qū)，如圖8所示A區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)材料的流動類似于脹形，承受徑向與切向拉應(yīng)力作用，外圍材料流動經(jīng)過局部凸起拉入凹模后，在切向產(chǎn)生收縮趨勢，其應(yīng)力狀態(tài)為徑向拉應(yīng)力與切向壓應(yīng)力，因此表現(xiàn)為主應(yīng)變?yōu)檎?，次?yīng)變?yōu)樨?fù)值。

圖8 兩角處反成形區(qū)及拉、壓應(yīng)力狀態(tài)

B區(qū)域的成形過程如圖9所示，由于制件此區(qū)域輪廓存在凸弧且兩角與中間存在高度差，此處工藝補充處理必然會出現(xiàn)一個凸弧過渡。拉深成形過程中，當(dāng)板料沿模具零件向內(nèi)流動時，單位長度板料經(jīng)歷了先變長后變短的拉壓過程，因此當(dāng)板料流動到B區(qū)域的中間位置時，展開長度由長變短，造成切向壓應(yīng)力增大，直接體現(xiàn)在次應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，成形后此處應(yīng)力釋放不均勻，導(dǎo)致此處塑性變形不充分，引起此處塌陷回彈。

圖9 擾流板中間區(qū)域板料流入受力趨勢

3 方案分析及整改驗證

對于拉深不充分導(dǎo)致的塌陷回彈，通常采用以下2種方法進行控制。

（1）工藝參數(shù)控制法。通過改變成形過程邊界條件，如板料形狀、壓邊力、模具零件圓角及摩擦狀態(tài)和拉深筋等因素減少回彈。

（2）實時補償法。在特定的工藝參數(shù)條件下預(yù)測或?qū)崪y回彈量大小，然后通過修正模具零件形狀使回彈的零件形狀符合設(shè)計要求。

該尾門外板輪廓曲面復(fù)雜，回彈數(shù)值偏大，采用實時補償控制調(diào)整不確定因素較大，且需要反復(fù)更改周期較長。大量理論研究和調(diào)試經(jīng)驗表明，控制材料流動是解決拉深成形不充分和控制拉深回彈最有效的方法。

根據(jù)以上問題分析，通過CAE分析逐步對整改條件進行AutoForm分序確認(rèn)，確認(rèn)是否能提高此處成形性從而減小回彈，如圖10所示。第一步對圖10所示1處的工藝補充反坎進行加大，增大此處反成形區(qū)域，進行CAE分析得到拉深和修邊后的自由回彈；第二步對圖10所示2處的拉深筋進行加強處理，采取燒焊后加高拉深筋，之后進行CAE成形分析得到拉深后的自由回彈和修邊后的自由回彈；第三步將圖10所示3處的拉深筋進行加強處理，采取燒焊后加高拉深筋，通過分析得到拉深與修邊的自由回彈。

圖10 擾流板中間區(qū)域局部調(diào)整分析及預(yù)期板料成形受力方向

按照以上方案進行反復(fù)分析調(diào)整，第一步CAE分析結(jié)果如圖11所示，拉深回彈：中間低3.7 mm，兩角高1.2 mm；修邊回彈：中間高3.5 mm，兩角高0.6 mm。第二步CAE分析結(jié)果如圖12所示，拉深回彈：中間低3.5 mm，兩角高0.5 mm；修邊回彈：中間高2.2 mm，兩角高0.5 mm。第三步CAE分析結(jié)果如圖13所示，拉深回彈：中間低1.3 mm，兩角高0.3 mm；修邊回彈：中間高0.2 mm，兩角高0.5 mm。

圖11 第一步CAE分析結(jié)果

圖12 第二步CAE分析結(jié)果

圖13 第三步CAE分析結(jié)果

根據(jù)CAE分析結(jié)果可知，增大兩側(cè)拉深筋和上部拉深筋后，有效控制了板料的流動，使此處拉深成形更充分。經(jīng)修邊后，由于工藝補充處廢料部分的約束消失，內(nèi)應(yīng)力充分釋放，修邊后的自由回彈可以反映為最終制件的回彈結(jié)果。

通過分析結(jié)果，對尾門外板上部擾流板處的塌陷回彈進行整改，按照上述方案對工藝進行優(yōu)化，將局部拉深筋加強加高處理，并對局部工藝補充面的工藝反坎加大。為確保最終制件效果，在拉深工序?qū)山翘幒椭虚g區(qū)域進行強壓處理，強壓量取0.1 mm?，F(xiàn)場通過2次調(diào)試，最終檢測成形件，尾門外板上部擾流板處全部合格，如圖14和圖15所示，整體合格率達(dá)到96%，順利通過驗收。

圖14 整改合格的制件

圖15 整改合格制件檢測表

4 結(jié)束語

由于SUV尾門外板需匹配較多功能件，其形狀復(fù)雜、尺寸精度及品質(zhì)要求高，拉深成形充分性將直接決定成品件的質(zhì)量。拉深出現(xiàn)的塌陷回彈多數(shù)情況下是因板料進料不均勻?qū)е鲁尚尾怀浞?，?yīng)從控制和調(diào)整板料的流入方向入手，通過調(diào)整拉深筋、工藝補充等邊界條件來控制板料流入，達(dá)到調(diào)整成形充分性的目的。前期的工藝分析應(yīng)以修邊后的自由回彈作為制件是否回彈的指導(dǎo)依據(jù)，盡量在前期調(diào)整各種工藝參數(shù)，讓修邊后的自由回彈符合制件最終狀態(tài)的質(zhì)量要求，可節(jié)省后期的調(diào)試時間。