POLO后門內板的工藝性改造

文/邵傳捷，徐敏·上汽大眾汽車有限公司

本文從沖壓工藝角度出發，分析了后門內板傷碎產生的原因。并運用AUTOFORM軟件分析零件在成形時的走料趨勢，計算出工藝孔合理的大小。并結合OP20模具上的R角與閉合高度的調整，最終解決了零件傷碎的生產問題。

項目背景

汽車覆蓋件具有尺寸大、材料薄、形狀復雜、表面質量要求高等特點，決定了在沖壓成形中板料變形的復雜性，變形規律不易被掌握，不能定量地對主要工藝參數和模具參數進行計算，在工程實踐中主要運用經驗類比來進行沖壓工藝設計。

NEW POLO后門內板在生產過程中，由于OP20拉伸后音響孔開裂至切邊線后，導致音響孔翻邊后邊緣開裂（圖1）。每批生產有80～120件不等的零件報廢，達到報廢總量的85%左右，影響了生產質量與報廢率。且該位置開裂不明顯，需現場對每個零件進行目視檢查，增加了工人的工作強度。因此展開對制件開裂與起皺現象進行分析，找出原因，并給出具體的整改措施。這不僅能解決制件開裂、起皺問題，還可以提高制件品質、降低制件報廢率節約成本、降低目視檢查的人工成本等。

圖1 音響孔翻邊后邊緣開裂

成果簡介

原因分析

NEW POLO的門內板零件形狀復雜，高差較大，局部成形較多，板料的變形不是單純的拉延成形，而是存在一定程度的脹形變形，是典型的汽車覆蓋件。這種零件不僅有復雜外形空間曲面，而且成形后對零件還有外觀和剛度的特殊要求。在零件的成形過程中，零件經常會出現起皺、拉裂及表面劃痕等質量缺陷。為了防止零件出現拉裂并且提高材料的流動性，對于這種拉伸深度深的零件在模具工藝設計時，我們往往會在落料模上增加工藝孔或工藝缺口。工藝孔的數量，大小和位置，則是依靠設計員的經驗與軟件模擬分析得出的。圖2所示為NEW POLO的OP10落料零件圖。

工藝孔的作用：當需要在零件中間部位上沖出某些深度較大的局部凸起或鼓包時，在一次拉伸中，往往不能從毛坯的外部得到材料的補充而導致零件局部破裂。這時可考慮在局部凸起變形區的適當部位沖出工藝切口或工藝孔，使容易破裂的區域從變形區內部得到材料的補充。

圖2 NEW POLO的OP10落料零件圖

工藝切口的條件：必須在容易破裂的區域附近設置工藝切口，而這個切口又必須處在拉伸件的修邊線以外，以便在修邊工序中切除，而不影響零件形體。例如里、外門板和上后圍的玻璃窗口部位。

工藝切口的制法：⑴落料時沖出——用于局部成形深度較淺的場合。⑵拉伸過程中切出。這是常用的方法，它可充分利用材料的塑性，即在拉伸開始階段利用材料徑向延伸，然后切出工藝切口，利用材料切向延伸。這樣成形深度可以深一些。

圖3所示為NEW POLO后門內板的零件圖，料片牌號為EN10327-DX57D+Z100MB，材料厚度最厚達7mm，屈服強度140～160MPa，抗拉強度270～290MPa，延伸率45%。屈服點σs是指板料在由彈性變形開始進入塑性變形時的應力，其數值為拉伸曲線上的屈服平臺的力。屈服點σs的度量單位為MPa或N/mm2。抗拉強度σb是指板料拉伸時的最大應力，其數值為最大拉伸力Fmax與試樣原始截面積A0(b0×t0）之比。屈服點σb的度量單位為MPa或N/mm2。屈強比σs/σb是指屈服強度和抗拉強度的比值，屈強比σs/σb小、延伸率大的材料，拉伸性能好，拉伸系數低。該零件屈強比范圍為0.57～0.97，由于材料的不穩定性，當到偏大的屈強比時，深拉伸就容易出現隱傷。零件開裂的根本原因就在于拉伸變形抗力大于制件破裂處材料的實際有效抗拉強度。

圖3 NEW POLO后門內板零件圖

后門內板在落料時沖制工藝孔是為了提早釋放材料內部的應力，降低材料的抗拉伸強度，防止深度拉伸時的起皺和傷碎。工藝孔的直徑越大，拉伸時材料更容易產生塑性變形，強度也就越低。落料工藝孔直徑為70mm，拉伸后最大直徑為120mm，拉伸變形量為70%。拉伸成形時，凸模底面受雙向拉應力作用，當凸模側壁軸向拉應力大于材料底部的屈服強度時就會發生破裂。音響圓筒形件拉伸的主要問題是凸緣區壓縮失穩產生起皺和零件底部圓角與筒壁連接處破裂。起皺可用壓邊圈或其他工藝措施避免。

圖4所示為拉伸件沿高度方向硬度和壁厚的變化?？梢钥吹酵鼓５撞坎牧蠝p薄而側壁的頂部增厚，傷碎位置就在危險斷面區域。此處由于經歷了兩次彎曲，受到凸模圓角的頂壓和成形力的拉伸作用，板厚減薄嚴重，是整個拉伸成形過程中材料變薄最嚴重的區域，一旦拉伸強度超過材料的承載極限就容易出現傷碎。

圖4 拉伸件沿高度方向硬度和壁厚的變化

實施過程

⑴調整模具限位塊。通過調整限位塊的高低，可以增加或減少局部壓邊圈的間隙，從而調整壓邊力。拉伸模的模架限位塊調整影響壓邊圈的范圍較大，壓邊圈限位塊的調整對壓邊圈的影響范圍較小。調整限位塊對局部減少壓邊力較為有效，特別在模具兩邊壓力不均勻時，效果較為明顯，但要增加局部壓邊力難度較大，往往需要調整一組限位塊才能實現。調整限位塊實際上利用了上、下存在的間隙及模板的剛性，過度調整會影響模具導向件的壽命及模板的剛度。因此只能作微量調整，而不能過量。若單側限位調整量過大，則應當檢查模具狀況。通過修模方法加以進行改善，但不能作為長期使用的方法。限位塊調整時鋼皮應與限位塊面積相同，確保不損壞模具。我們將模具壓邊圈平衡塊高度墊高以減小壓邊力（圖5），使模芯內部拉伸時所承受的拉應力降低。而后開裂有所好轉，但是零件的凸臺部位起皺嚴重。

⑵改變落料模工藝缺口。由于SOP期間落料模已經穩定并批量生產落料，如果更改工藝孔的位置可能會增加工作量影響供料，優化工藝孔結構最簡單有效的方式就是更改工藝孔的形狀或大小。我們嘗試通過改變料片尺寸或形狀（即音響孔工藝孔的直徑）來增加零件的內部應力，防止零件成形初期內部材料流動過快導致開裂。由于NEW POLO后門內板的產量高，每周要2000件左右，所以在實施前我們先用AUTOFORM軟件模擬不同尺寸工藝孔的拉伸性能。模具設計于2009年，AUTOFORM版本較早，且在調試和生產過程中拉延筋也有所變化，采用模具供應商原有的設置參數計算差別太大，只能調整模型參數，保證與之前的效果基本一致。圖6(a）、(b）、(c）中的左圖為供應商提供的拉延工序仿真結果，右圖為調整后的仿真結果。

圖5 墊高模具壓邊圈平衡塊高度

圖6 仿真調整后的對比圖

在計算的直徑范圍45～65mm內，直徑越大，音響孔周圍危險區域的范圍也隨之增大，且會增加角壁處的開裂風險，但側壁開裂危險區域會有所減小，直徑較小時需要小心上部圓弧處發生起皺。改變孔的位置在一定程度上也能夠減小甚至消除音響孔周圍危險區域，但仍需擔心上部圓弧處的起皺和側壁開裂區域變大。圖7中，在現工藝孔為70mm時黃色標識的危險區域最大，60～55mm時危險區域逐漸減小，50mm時危險區域降至可控范圍之內，45mm時雖然危險區域消失，但是側壁的危險區域增大，可能出現開裂風險且凸臺位置出現起皺現象。

圖7 工藝孔黃色標識處

在確定整改落料模前，我們將落料模的沖頭凹刀拆除沖制一批沒有工藝孔的料片，將工藝孔分為0mm即無孔、40mm、50mm、60mm四組人工打磨制作手工樣件。在零件用正常料片生產至出現開裂時，換上手工樣件進行沖壓。實際結果與AUTOFORM仿真結果基本一致，無孔的料片拉伸時直接撕裂，60mm工藝孔的料片音響孔成形后依舊開裂，40mm與50mm的料片無開裂，但是表面質量有變化需后續調整，故決定將工藝孔改成50mm。

OP10沖頭凹刀更改：將原凹刀拆除后進行測繪，在保證原先底座孔位不變的情況下，將沖頭尺寸改至50mm，凹刀尺寸改至50.2mm。以沖頭，凹刀中心為基準，用三坐標測量出螺栓沉孔與銷孔的中心位置。機加工直接做準孔位，切換沖頭凹刀狀態，上線試模調整沖孔間隙，落新料片。

模具調試

沖制500張小孔料片和正常料片一起進行零件生產，待正常料片生產至開裂后，在不調整壓機參數及模具的情況下，切換成新的料片。音響孔的開裂消除，但是表面質量產生了變化。主要的缺陷有以下幾種。

⑴C柱輪罩處側面出現起皺。我們將閉合高度向上調整（圖8），發現當模芯還未全部拉伸到位時起皺就已產生。這是由于材料內部的抗拉強度增加后，壓邊圈的壓邊力就相對減小了。當拉伸開始時大部分材料處于懸空狀態，容易產生起皺。此處位置的起皺方向為45°斜向，料從角上兩側流入。我們通過調整模具壓邊圈的平衡塊高度（圖9），并不能完全解除此缺陷，過度依靠墊平衡塊只會造成壓邊面的不均勻。唯有在下底邊拉延筋上燒焊并研配減小R角，讓它在最后成形時拉一把料，消除了起皺。

⑵在靠近音響孔的臺階側面出現了隱傷(圖10）。

圖8 閉合高度向上調整

圖9 調整模具壓邊圈的平衡塊高度

圖10 隱傷出現

在凸模圓角區域中，該區材料經歷了徑向和切向兩次彎曲。該區域受到凸模圓角的頂壓和成形力的拉伸作用，板厚減薄嚴重?？梢哉f是整個拉伸件變薄最嚴重的地方，因而此處被稱為拉伸件的“危險”斷面。在材料底部應力增加后，底部材料向側壁流動緩慢，凸模圓角部分所承受的筒底拉應力和壓力變大，產生隱傷。線上在發現隱傷后抬高壓邊圈高度來減少壓邊力，只能減少筒壁傳來的拉應力，而這部分應力傳遞的深度已經很小了，遠小于底部對它的拉應力，所以沒有起到作用。將凸模圓角R由原來的R10放大到R20，增加由底部圓角到側壁的流動量。

同時拉延筋的形狀對隱傷的影響也很大。拉延筋是板料拉伸成形中的主要控制手段之一，較之其他控制手段具有簡單方便、易于實現等優點。隨著沖壓制件的復雜程度和難度不斷增加，拉延筋的設置和調整已成為拉伸模具設計及試模過程中的關鍵技術。拉延筋的剖面是半圓形狀，不同圓角的阻力大小直接決定板料的最小彎曲曲率半徑，對板料的變形及力能參數具有重要的影響。適當放大B柱直邊的拉延筋R角也可以減少隱傷的情況。

取得效果和效益

車門內板作為外覆蓋件的重要組成部分，具有尺寸大、要求嚴格、成形困難的特點。拉延工序是覆蓋件沖壓成形的關鍵工序，覆蓋件的大部分形狀是在此工序形成的，拉延成形的好壞將直接影響覆蓋件質量。該工序一方面將成形出零件的大部分形狀，同時在拉延過程中還將對坯料進行切角，減少落料模具，降低成本。而通過工藝孔的設置可以幫助零件更好的拉延成形，加快材料流動性。本項目的經驗積累可以更好的將此方法運用于其他車型零件，并且對以后新車型開發時的模具工藝設計提供指導，有效降低了設計和制造成本，縮短生產周期，提高零件質量。

在項目改造前報廢率為5%，改造后報廢率降為0.3%，以每周生產左右后門內板單件共6600件，每件90元計算。取得效益根據如下公式計算：減少廢品節約價值＝成品或半成品單件價值×(改進前平均廢品率－改進后平均廢品率）×1年產量－工藝改革費用=90×(5%－0.3%）×(52×3300×2）-10000=1451736元。故1年可節省費用1451736元。