頂蓋外板尾部兩側褶皺的分析及對策

文/鹿勝寶，牛恒仁，程巖·中國第一汽車集團有限公司

頂蓋外板是白車身上一個重要的制件，其尾部與多個制件存在連接、匹配關系。本文針對頂蓋外板尾部兩側褶皺問題，從理論、工藝以及模擬分析出發進行了詳細的分析，并通過工藝優化提出相應的解決措施，最終在實物上驗證解決了這一問題。

頂蓋外板是白車身上一個重要的制件。其主型面為外觀A 級曲面，與側圍外板、后背門等多個外表面件存在搭接關系，其結構面也與流水槽、加強橫梁等眾多小件存在焊接、涂膠等連接關系。頂蓋外板尾部兩側區域雖然被劃分為外觀Ⅱ區(依據康采恩分區原則)，但由于與多個小件存在焊接、涂膠的連接關系，其表面要求不得有較大的波浪、褶皺問題。本文針對多個項目中頂蓋外板尾部兩側褶皺的產生原因進行分析探討，并進行了相應的工藝改善。

問題闡述

在近期兩個項目中，頂蓋外板尾部兩側均出現了大小不一的褶皺現象。經整形鑲塊強壓后仍有部分褶皺無法消除，如圖1 所示。

原因分析

理論分析

起皺是一種厚度方向上塑性失穩的表現。一般情況下，如果板料的相對厚度較小，而壓應力又較大時，在板厚方向上最容易失去塑性穩定而產生縱向彎曲，使板料在垂直方向上做微小的移動，進而出現輕微的波狀，隨高度的增加發生起皺。

圖1 頂蓋外板尾部兩側褶皺

圖2 褶皺方向上剖線的線長對比

按照引發起皺的應力情況，主要可以分為壓應力起皺(即壓應力作用下失穩，如凹模口的起皺)、不均勻拉應力起皺(即板料受到的外力是同軸平衡力，但拉應力不均勻而引起的不均勻變形，如外覆蓋件常見的表面波紋)和切應力起皺(即板料受到的外力是非同軸平衡力，產生剪切應力導致起皺)等。

在產品上沿褶皺趨勢方向大致做兩條垂直的剖線，測量從側整R 角下切點到流水槽R 角切點的距離，剖線從外向內線長在減少(圖2)。根據上文所述的起皺產生機理可以初步判定該位置存在壓應力起皺，類似于拉深成形中凹模口的起皺現象。

工藝分析

這兩個項目中，頂蓋外板的成形工藝基本一致，具體成形工藝如圖3 所示。從工藝上可以看出，頂蓋外板尾部的成形主要分為以下幾個部分：首先，OP20 尾部的直翻邊，其目的在于硬化A 面棱線R 角，盡可能減少尾部側整帶來的面品缺陷；其次，OP30進行尾部側整，尾部主要的結構面在側整形鑲塊的作用下成形；最后，OP40 進行尾部流水槽的整形及修邊，形成最終產品。受工序數限制，OP20 尾部直翻邊的同時進行了兩側的修邊工作，在OP30 整形時尾部兩側已經修邊到位，不存在整形壓料。這也就無法避免側整形時尾部兩側的走料。

圖3 頂蓋外板的成形工藝

圖4 側整工序時尾部材料的流動情況

圖5 側整工序時尾部的應力狀態

圖6 側整工序時尾部的應變狀態

CAE 模擬分析

雖然A、B 兩個產品的褶皺在位置上略有不同，但其褶皺的產生機理是一致的。下面就以A產品為例，借助CAE 軟件進行更進一步的分析。

如圖4 所示，在側整形過程中特別是接近結束時，材料主要以箭頭所示方向流動，由于其側整深度的不同以及鉸鏈面的要料，材料并非線性的流動。根據產品結構的差異，呈現出不同區域聚集的現象。圖5 所示的應力狀態分布就很好的說明了這一現象。這種非線性的材料流動也導致了應變分布上的差異性，從圖6 可以看出在鉸鏈臺過渡面及側整根部的應變較大，同時可以看到尾部兩側的型面上分布的壓應變方向基本與走料方向垂直。

綜合理論及CAE 分析結果，同時結合工藝分析的結論，可以確定該褶皺是在走料過程中由于垂直方向上多料產生的一種壓應力起皺，是一種類似于拉深成形中凹模口的起皺現象。

應對措施及驗證

由于該位置的起皺屬于壓應力起皺，而原工藝中缺乏有效的壓料，如何設置有效的整形壓料成為解決問題的關鍵。

圖7 方案1 的頂蓋成形工藝

方案1：先進行周圈整形后進行周圈修邊，具體工藝流程如圖7 所示。這也是早期常采用的一種頂蓋成形工藝。其中OP20 整形壓料情況如圖8 所示，通過在側整兩側增加側壓料的措施，抑制了側整過程中兩側材料的流動。在此工藝方案下成形的產品實物狀態如圖9 所示，可以看出頂蓋尾部兩側已經沒有明顯的褶皺。

圖8 周圈整形工藝下頂蓋兩側壓料整形工藝布置

但在該工藝方案下，制件容易在整形凸模與固定凸模接縫處產生面品缺陷。為了頂蓋外板尾部側整后能順利取件，一般采用推拉或者插刀式的活動凸模(圖10)。調試過程中，如果活動凸模與下模的固定凸模接縫研配不到位或者活動凸模工作狀態限位不穩，都將導致凸模型面分縫位置出現斷差，在斷差的端頭部位一般形成坑(圖11)，中部則多形成印痕或波浪的缺陷。在實際情況中，接縫處的裝配及研配一般很難達到完全貼合的狀態，最終都將會在棱線或主型面上形成輕微的面品缺陷。

方案2：鑒于方案1 的缺陷，考慮將周圈整形分到兩序進行，同時將整形區域避開活動凸模與固定凸模的接縫區域。據此設計工藝方案如下，周圈整形分到OP20 及OP30 兩序進行：OP20 尾部整形，其他區域進行修邊；OP30 尾部部分修邊，其他區域進行整形。

在工藝設計上，為了避免兩序整形接刀不順，需要保證正側整形的交刀量。如圖13 所示，重合區域至少在30mm 以上，最佳設置在50mm 以上，同時為了避免出現方案1 的面品缺陷，在OP20 尾部側整時，整形區域需要避開活動凸模與固定凸模接縫區域25mm 以上。

通過CAE 分析可以看出，受側整形時側壓料的影響，材料基本沿紅色箭頭方向(圖14)流動補充成形過程中的缺料，在垂直方向上很少有材料的流動。這就避免了兩側材料流動帶來的壓應力起皺。目前已按照此工藝方案出件，最終的實物狀態如圖15 所示，可以看出制件尾部兩側的褶皺已經完全解決。

圖13 正側整形交刀位置示意圖

圖14 方案2 下側整工序時尾部材料的流動情況

圖15 方案2 下的實物狀態

結論

通過將整形分散到兩序進行，對頂蓋外板尾部側整區域兩側進行有效壓料從根源上解決了頂蓋外板尾部兩側的褶皺問題。通過該問題的解決，有以下幾點總結：

⑴引起褶皺的原因有很多種，需要找到問題的根本原因才能有效解決問題。這次褶皺產生的根源在于壓應力起皺，因此，頂蓋的起皺模型就可以簡化到簡單的拉深模型上，解決措施也就可以順利制定。

⑵工藝排布極大的影響了制件的成形質量。制件各個小區域的成形工藝可以簡單模塊化，根據成形需要可以將這些分散的小區域的成形工藝合理組合形成完整的制件成形工藝。

⑶優化的工藝方案可能帶來新的面品缺陷，在不引入新缺陷的前提下解決當前問題才是最優方案。