汽車車門內板沖壓成形及工藝分析

劉洪俊

（上汽集團 商用車技術中心，上海 200438）

汽車車門內板作為關鍵的覆蓋件零件，具有尺寸較大、結構形式復雜、成形深度較深等特點，這些都將增大其成形的難度。在車身的設計階段，采用沖壓成形仿真軟件，同步模擬分析零件的成型過程，預測并識別零件開裂、起皺等成形問題，并針對零件自身特點提出整改方案，滿足CAE分析要求。通過分析車門內板產品的特點，并結合生產設備的工序需求，對產品進行合理的工序排布規劃，根據此零件產品的結構形式，通過拉延、修邊沖孔、翻邊整形等工序的合理優化，能夠實現車門內板的結構功能需求并滿足產品的可制造性。

1 車門內板的拉伸成形建模和仿真分析

1.1 零件尺寸及結構分析

車門內板零件如圖1所示，零件輪廓尺寸1070mm×1530mm×220mm，材質 DC04，為厚度1.2mm/0.7mm的激光拼焊板，拉伸深度約150mm。由圖可見，門內板零件表面具有多處造型特征，并且高低起伏較大，鉸鏈孔一側型面的立壁拔模角度約4°，并且僅僅具有5mm寬的二級臺階結構；門鎖孔一側型面的立壁拔模角度較小，約為3°，并具有30mm寬的二級臺階結構，第二級臺階高約80mm，門內板側壁的拔模角度總體較小，并且四周的二級臺階結構增加了拉延過程中料片的流入的阻力，零件成型深度又較大，總體而言，門內板成形難度相對較大。

圖1 車門內板零件示意圖

1.2 確定沖壓方向

門內板零件沖壓方向的合理選擇對成形結果的影響較大，需要對模具的閉合高度，零件的拉延深度、側壁的拔模角度、工序間的旋轉角度等因素進行綜合考慮，此零件的沖壓方向如圖2所示。

圖2 車門內板零件沖壓方向

1.3 壓料面和工藝補充面的設計

壓料面和工藝補充面是否合理對拉延過程及結果的影響較大，壓料面盡量設計為平面，但綜合考慮拉延深度和產品的造型特征，門內板拉延壓料面時常為曲面，并且曲率偏大，避免使用雙曲面造型設計。

產品的最低點應高于壓料面，否則在上模與壓邊圈閉合前，上模將最先接觸到板料，導致板料定位不穩定，并且在閉合前板料可能起皺。

在零件本體和壓料面之間，需要由工藝延伸面進行過渡，且零件的翻邊、負角等型面特征可在工藝延伸面進行展開，工藝延伸面的立壁需要具有一定的拔模角度，以便成形過程中料片的合理流入，工藝補充面經過1～2次修邊工序后，將被完全切除，在滿足零件成形性的前提下，為了能夠提高零件的材料利用，需要盡量減小工藝延伸面的尺寸和寬度。

通常，將壓料面和工藝延伸面合稱為工藝補充面，兩者位于凸模輪廓線的兩側，本文中車門內板零件的工藝補充面如圖3所示。

圖3 車門內板零件工藝補充面

1.4 拉伸分析結果及產品優化

車門內板的CAE分析結果，如圖4所示。

由于在拉延過程中，增加刺破刀將產生切屑，積累到一定程度將附著在零件產品表面之上，進而產生壓痕等表面缺陷，因此，在分析過程中，針對容易開裂區域，采用落料孔的方式，減小開裂的風險。零件的理論成形力約為9.5MN，壓邊力為0.8MN。

圖4 車門內板零件CAE分析

車門內板在分析過程中，存在開裂、起皺等缺陷，經過產品的設計優化，成形問題得到根本解決，下面以門內板幾處關鍵區域進行優化。

如圖5a所示位置，存在開裂的風險，通過對各級型面臺階圓角的放大，減小局部型面的斷面線長，開裂風險得以消除。

如圖5b所示位置，由于產品型面較深，拉延到底后開裂，通過放大產品的圓角和在產品局部位置增加三角型面特征，減小了拉延過程中局部應力集中，開裂問題得以解決。

如圖5c所示位置，產品型面設計平坦，在拉延過程中，拉伸不充分，產品型面精度難以保證，因此，通過增加凹臺特征，使得產品局部充分拉伸，風險得以消除。

產品經過優化后，成形分析結果較好，無明顯起皺，開裂問題基本解決。

2 車門內板的工藝方案分析

2.1 工藝方案的制定

門內板工藝方案的規劃，需要在綜合考慮沖壓設備參數、操作便捷性、模具結構合理、零件的取放和傳遞、廢料排出合理等因素的基礎上，并結合產品的造型特征、尺寸要求、功能孔的精度需求，進而確定拉延、修邊沖孔、翻邊整形等工序的順序和每序的具體內容。

圖5 車門內板零件分析問題及優化

如前文中圖1所示，零件產品特征存在較多功能孔，且孔的方向各異，結合產品輪廓修邊，需要至少規劃2～3工序；產品主型面異形孔存在翻邊，車門內板窗框上側產品邊沿存在上翻造型特征，經過修邊檢查，發現修邊超差，需要將此局部特征在拉延型面展平，經過修邊后，采取上翻邊形式；產品深度較大，且法蘭面有多處臺階特征，需要放大圓角后，進行后續整形處理，綜合考慮以上因素及其他細節分析，此車門內板共需要5工序（含落料工序），如圖6所示，分別為：OP10拉延；OP20修邊、沖孔、側沖孔；OP30修邊、翻邊、整形；OP40側沖孔、正沖孔、上翻邊。

2.2 OP10拉延工序

在零件拉延的過程中，主要通過拉延筋的形狀、拉延筋的數量來實現對板料變形和流動的控制，對于產品無法拉伸充分的區域，可以采取雙拉延筋的形式，限制成型過程中料片的流入，對于窗口的四角位置，由于局部造型圓角較小，成型過程中減薄偏大，甚至開裂，可以通過采用落料孔的形式，增大料片的流動，提高局部的成形性能。

2.3 OP20修邊、沖孔工序

第2序的工作內容為修邊、沖孔。由圖6可知，主要對門內板四周進行修邊，并采用多段廢料切刀對廢料進行分塊，使廢料的最長尺寸能夠滿足機床廢料收集孔的尺寸要求，由于側壁2處局部位置存有多個方向的功能孔，經過工序分析，需要在OP20先側沖其中一部分功能孔，因此，修邊進行了局部避讓，經過OP20工序，仍存在2處廢料需留到后工序進行切除；在此工序中，窗口位置的廢料需要切除一部分，其余部分在后工序進行切斷；由于本工序的沖壓方向，能夠滿足產品主型面上的多個功能孔的沖孔的角度要求，因此，本工序也正沖了多個主型面的功能孔，圖6中僅示意部分功能孔的沖孔。

2.4 OP30修邊、翻邊、整形工序

第3序的工作內容為修邊、翻邊、整形。由圖6可知，主要對門內板主型面的法蘭面進行了整形，由于產品主型面以外部分進行了過拉延處理，且在產品的立壁型面上存在多個密封條安裝孔，為了不影響孔的尺寸精度，需要在本工序先對產品主型面以外部分進行整形；在本工序中，對上工序保留的2處產品外沿廢料和窗框內部的廢料進行修邊，去除廢料，并對局部有翻邊的功能孔進行了翻邊。

2.5 OP40側沖孔、正沖孔、上翻邊工序

圖6 車門內板零件工序排布

第4序的工作內容為側沖孔、正沖孔、上翻邊。由圖6可知，主要對門內板側壁的密封條安裝孔進行了側沖孔，以及門鎖孔進行了剩余部分的側沖孔；門框上沿由于產品造型存在向上的翻邊，在OP10中需要展開到拉延型面上，經過前工序的修邊，去除多余廢料后，在本工序進行上翻邊；門框內部的法蘭面，由于和玻璃面有匹配關系，其型面的面差精度要求較高，因此，在本工序對其進行進一步整形處理。

2.6 對影響工序規劃的孔位的調整

如圖7所示，在門內板水切附近兩個安裝功能孔的沖孔方向互相干涉，而下方孔所在平面由于進行了過拉延處理，需要在修邊后進行整形，而此孔需要在所在平面整形后進行沖孔，以保證孔的位置度，因此，無法在4工序內完成所有孔的沖孔，需要提出工程更改申請，將孔位進行調整，滿足目前4工序生產要求。

圖7 車門內板孔位調整

經過實際生產檢驗和驗證，如圖8所示，此車門內板的尺寸精度，表面質量均達到生產要求，質量比較穩定，達到了良好的裝車使用效果。

3 結束語

圖8 車門內板零件實物圖

通過對車門內板進行合理的拉伸建模，并使用CAE仿真軟件進行成型的模擬分析，能夠有效的識別零件成型的風險，通過放大產品圓角、增加“三角面”特征，降低產品開裂風險；通過增加凹臺特征，提高產品局部剛度，降低產品回彈，對產品局部位置造型進行優化，滿足零件設計的成型合理性。

門內板產品一般可通過4工序完成生產，對于可能增加工序的特征，例如孔位干涉等，建議申請工程更改，進行孔位調整，以滿足生產設備的需求和降低工序和生產成本。

目前此零件已批量生產，通過前期CAE分析和工藝規劃，產品能夠滿足精度和面品質量要求，零件平均合格率在95%以上，滿足裝車匹配和精度要求。