某車型機蓋外板調試問題分析與解決

2020-11-03 07:24:36付長江張學文

模具工業 2020年10期

王沖，付長江，張學文

（1.北京汽車集團越野車有限公司，北京 101300；2.北京新能源汽車股份有限公司，北京 102600）

0 引言

車身沖壓件的開發在汽車整車制造環節中占有重要地位，其制造周期和質量直接關系新車上市的時間和價格。隨著汽車研發與制造技術的迅速發展，對于車身沖壓件尤其是關鍵覆蓋件的表面質量和尺寸精度都提出了更高的要求，其對整車結構、裝配、外觀品質、安全性能等方面都有重要影響。

汽車覆蓋件大部分為空間曲面結構，形狀復雜，其成形過程涉及幾何非線性、材料非線性和復雜的接觸與摩擦等問題，變形規律不易被掌握。沖壓過程中的現場環境、潤滑條件、壓邊力等工藝參數也不相同，材料的流動難以精確控制，沖壓成形產生的質量問題較多。為了縮短模具開發周期，提高產品質量，一般在覆蓋件模具的設計制造中應用有限元法為理論基礎的板料成形模擬技術。借助CAE軟件對板料的沖壓成形過程進行仿真分析，可以有效預測成形缺陷，最大限度消除后期模具制造風險。

通過闡述板料在沖壓成形過程中常見的質量缺陷，并基于板料成形機理分析其產生原因。在某車型發動機蓋外板調試過程中，運用CAE技術對成形的制件質量問題進行分析，對整改措施和整改效果進行驗證，指導模具現場調試。

1 沖壓件常見缺陷及產生原因

由于車身覆蓋件形狀復雜，其沖壓成形屬于金屬板料成形非線性問題，成形過程影響因素較多，包括成形制件固有缺陷、工藝設計不合理、材料性能及現場沖壓條件等，容易產生各種質量問題，如開裂、起皺、回彈、表面質量缺陷等，如圖1所示。

圖1 沖壓件常見缺陷

從金屬板料成形機理進行分析，開裂主要是由于板料在拉深過程中，應變超過其拉深極限，發生拉深失穩造成的。起皺主要是由于板料厚度尺寸與平面上其他2個方向的尺寸相比較小，成形過程中，當平面應力達到一定程度時，厚度方向發生失穩造成，引起起皺的應力情況如圖2所示。在實際生產中，開裂和起皺本質上都是由于材料在沖壓成形時流動不均勻造成。

圖2 導致起皺的應力情況

回彈主要是因為板料在成形過程中應力不穩定，當沖壓成形后，彈性卸載、殘余應力釋放，導致成形制件局部或整體發生變形。回彈是所有金屬板料共同的特性，抗拉強度越高、厚度越薄的板料回彈量越大。板料成形過程中的應力應變曲線如圖3所示，A區間為金屬受外力作用產生變形的階段，隨著變形量增大，金屬內部應力增加；B區間為金屬通過最終張力之后，在開裂前局部區域產生暗傷的階段，因為此階段對應的應力減少引起回彈的危險降低。

圖3 應力應變變化曲線

汽車外覆蓋件表面質量缺陷主要包括表面松弛（剛性不足、凹坑、塌陷等）、表面扭曲或畸變、沖擊線和滑移線等。制件表面松弛是由于板料拉深不充分，塑性變形量較小引起；表面扭曲或畸變是由于制件局部形狀復雜，沖壓成形時材料流動不均勻造成；沖擊線和滑移線是板料與模具零件接觸后，由于應力集中摩擦，隨著材料的流動在制件表面形成的滑痕。外覆蓋件的表面質量要求高，在實際生產時不允許出現任何形式的缺陷。

2 機蓋外板案例分析

以某車型發動機蓋外板為例，模具初始調試時外板出現局部凹陷、剛性不足、角部變形等缺陷，通過分析缺陷產生原因，制定了相應的整改措施并實施，最終調試出合格的制件。

2.1 制件特征分析

某車型發動機蓋外板如圖4所示。材質為HC180BD+Z，坯料尺寸為1 880 mm×1 560 mm，材料力學性能如表1所示。制件特征分析如下：①前部凹坑在裝飾板安裝位置，成形方式為反成形，區域內材料流動類似于脹形，受切向和徑向拉應力作用，成形過程中容易出現材料流動不均；②裝飾板安裝處角部過渡區域型面復雜，容易產生缺陷；③中間有4條條狀凹筋造型，整體較為平坦，成形深度較淺，容易產生拉深不充分的問題。因此該制件的最終成形質量主要取決于拉深工序。

表1 HC180BD+Z材料力學性能

2.2 沖壓工藝設計

圖4 制件模型及凹坑剖面

根據沖壓工藝和模具結構進行拉深模零件型面設計：①以最小拉深深度原則確定沖壓方向，壓料面形狀近似于平面，僅在前風窗側中間部位隨制件形狀平緩過渡；②合理設計分模線，保證后續修邊、翻邊容易實現，并完善工藝補充型面；③根據制件形狀和進料趨勢進行拉深筋設計，分模線外25 mm周圈布置拉深筋，且制件四周除拐角過渡區域外都布置雙筋，以獲得最佳的材料流動和制件剛度，達到成形合格拉深件的目的。

拉深模零件型面如圖5所示，利用CAE軟件模擬成形過程，得到最優的仿真分析結果，如圖6所示，并確定拉深工藝參數：成形力為5 000 kN，壓邊力為1 500 kN，壓邊圈行程為120 mm，以此指導模具現場調試。

圖5 拉深模零件型面

圖6 制件成形仿真結果

2.3 沖壓質量問題

依據沖壓工藝規劃和成形仿真分析得出的工藝參數進行模具調試，制件出現如下質量問題。

（1）剛性不足，大面積表面凹陷。板料（拉深前厚度實測0.62 mm）拉深后現場測量厚度值如圖7所示，最小值為0.6 mm，局部減薄率僅有3%左右。根據外板件應變判定標準，減薄率需達到4%以上。板料拉深不充分，輕按中間筋條末端，A面不能自由彈起。

圖7 拉深件厚度測量

采用油石對拉深件進行表面打磨后，在前側左右角部區域出現大面積凹陷，如圖8所示。烘烤噴涂后凹陷更明顯。

圖8 拉深件缺陷

（2）角部區域出現面畸變，筋條末端凹陷。面畸變在外覆蓋件上表現形態較小，也不容易控制，是起皺的前期形態。面畸變的精度不良程度較小，一般起伏高度只有20～200 μm。裝飾板安裝特征角部拉深成形后出現面畸變，同時4條筋條末端產生凹陷，噴涂后更加明顯，如圖9和圖10所示。

圖9 角部變形

圖10 局部凹陷

2.4 原因分析

缺陷的產生與制件特征、工藝造型、模具結構以及現場調試參數均有關系。根據該機蓋外板的結構特征，結合CAE成形模擬結果，分析如下。

（1）4條凹筋造型拉深到底前開始成形，因端部過渡劇烈，導致拉深到底時A面筋條處和非筋條區域減薄不一致，輕按筋條末端會形成塌陷。為保證制件成形后有足夠的剛度和良好的表面質量，必須對板料在沖壓過程中的塑性變形程度進行控制，塑性變形越大,其剛性越好。

（2）裝飾板安裝處凹坑為反成形特征，板料不能充分脹形，且角部造型復雜、棱線匯集、過渡急劇，拉深成形時多料。坯料在成形結束后產生回彈，使制件局部形狀與凸模不一致，形成面畸變。為抑制面畸變的產生和發展，需要提高該區域的塑性變形，同時使塑性變形盡量保持均勻。

（3）采用AutoForm軟件分析制件成形過程，拉深到底前10 mm時，裝飾板安裝特征角部區域因多料導致變形，如圖11所示。

（4）采用CATIA軟件對制件進行光柵檢測，A級曲面不連續，如圖12所示。

圖11 成形模擬過程

（5）對比板料流入量，CAE仿真分析結果與現場調試結果不一致，需要調整相關工藝參數。板料流入量數值對比如圖13所示，調試時實際進料量更大。

圖12 光柵檢測

2.5 整改措施

為消除上述缺陷，需制定相應措施以保證板料拉深充分，優化制件特征和相關工藝參數。

（1）制件材質由HC180BD+Z（0.65 mm）更換為塑性更好的超深沖用鋼DC06（0.7 mm），2種材料的力學性能對比如表2所示，采用CAE軟件對2種材質進行成形性分析。增厚率和減薄率分析結果如圖14和圖15所示。由圖14可以看出，采用DC06鋼成形的制件后側筋條末端表面缺陷基本消除，裝飾板安裝處角部缺陷范圍及程度也有改善。

表2 HC180BD+Z與DC06材料力學性能對比

圖13 板料流入量分析對比

圖14 拉深增厚對比

圖15 拉深減薄對比

由圖15可以看出，采用HC180BD+Z鋼成形時，制件前側拉深減薄率已達到7%，此處剛性不足不是因拉深不充分造成，而是由于板料屈服應力較大，成形時厚向位移分布不均勻，且壓邊力過大，過度拉深導致材料局部失穩。經對比，采用延伸率更好的DC06材質可以改善此處剛性不足的問題，同時對更改材質后的制件數據進行了模擬分析，其抗凹性和疲勞壽命均能滿足要求。

（2）將4條特征筋前后末端過渡做長做緩，使局部板料變形更均勻。

（3）拉深工序中，補焊前側與角部區域的拉深筋，以增大進料阻力，使塑性變形更充分，同時重新研合模具零件型面與壓料面。

（4）拉深工序中，前端裝飾板安裝處兩側角部區域對應的局部型面隆起約0.25 mm。凸模增加支撐，型面強壓，具體整改措施如圖16和圖17所示。