沖壓成形表面質量控制分析及對策

張 躍，劉 帥，李 眾，饒闊林

（長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

0 引 言

汽車覆蓋件的制造是汽車生產過程的重要環節，沖壓過程存在多種復雜機理，由于汽車外觀特征在鈑金成形過程中常會產生局部應力不均，伴隨成形制件的回彈引發表面質量缺陷，主要有凹坑、翹邊、光影扭曲等現象[1]。表面質量缺陷產生機理主要與材料性能、金屬成形特性（回彈）和板材減薄相關，而回彈是引發質量缺陷的隱性因素，不同形狀和材質的沖壓件回彈的差異性較大，且回彈不易控制。

1 表面質量影響因素

誘發表面質量缺陷的主要因素為回彈，回彈在沖壓過程中無法避免，內、外覆蓋件均會發生回彈，且回彈隨著成形截面復雜程度而變化，越簡單的結構回彈規律越單一，如板材的彎曲過程只涉及彎曲點的圓角固化和側壁反撓，而復雜的拉深成形涉及多個回彈模量的疊加，針對單一模量截面的變化，回彈模量隨之變化，同時材料流動裕度也是制約回彈的主要因素。

以側圍外板為例，圖1所示為側圍外板因回彈導致表面有缺陷的重點部位。

圖1 側圍回彈發生表面質量缺陷的部位

2 表面質量缺陷產生機理

以側圍外板角窗凹坑為例進行表面質量缺陷產生機理分析及過程控制措施預防。

2.1 主要因素分析

通過魚骨刺圖（見圖2）可以看出影響角窗凹坑的主要因素為制件材料和成形模具。根據對以往車型角窗凹坑問題的統計，影響角窗凹坑的主要因素是A面形狀、角窗結構、材料流入量、著色強壓等。

圖2 側圍角窗凹坑因素分析

2.2 產生機理分析

汽車外覆蓋件A面的應力分布決定其成形穩定性，角窗附近材料成形過程直線區流入均勻，如圖3所示，拐角處材料壓縮成形，晶格應力不均且無法產生穩定的塑性變形而出現凹坑；拐角處夾角越小，扇形分布半徑越小，材料延伸率越差，角窗成形難度越大。

圖3 角窗應力分布

角窗拐角處形狀簡化為凹弧翻邊，如圖4所示，制件脫模后拐角處型面有向上翹曲（反撓）的趨勢；外觀A面的剛性不能抵抗翹曲趨勢時會引起變形，產生凹坑。

圖4 角窗A面反撓機理

3 表面質量控制措施

基于上述影響因素，在加工的不同階段采用以下方法控制表面成形質量，分別從制件造型，優化工藝控制方案、結構優化、細化補償強壓等方面進行闡述。

3.1 角窗拐角分類

側圍角窗表面質量問題主要發生在拐角部位，具體分類如表1所示，角窗形狀分為：①A類：銳角式；②B類：直角式；③C類：鈍角式；④D類：條帶式。上述分類中，銳角拐角式的角窗表面質量問題最嚴重（夾角越小，凹坑越嚴重），條帶形狀次之，鈍角形狀凹坑最容易控制。

表1 側圍角窗分類

3.2 制件造型優化

表2所示為角窗夾角對材料應力的影響，角窗夾角、半徑越小，材料流動阻力越大，A面應力分布不均勻產生凹坑；加大拐角半徑、夾角材料流動趨于一致時，A面凹坑可完全規避。

表2 角窗夾角對材料應力的影響

影響角窗凹坑主要因素為：輪廓夾角α、臺階深度h、平面半徑R。基于經驗積累分別對平面半徑R、上拐角半徑r與深度系數進行了控制，具體參數如表3所示。

表3 角窗形狀與凹坑的關系

3.3 工藝控制方案

在優化結構輪廓方面，加大圓角輪廓半徑和角部增加平衡余料可有效緩解觸料過程的應力集中問題。在結構斷面方面，經驗證反凹截面線長補償方案效果最好，可通過造型改善截面線長不一致緩解凹坑，具體控制方法如表4所示。

表4 工藝控制方案

角窗所處A面形狀對凹坑的影響如表5所示。角窗處于反凹區，A面在成形過程中為懸空成形，且處于多料狀態，應力分布不均勻；角窗尖角部位板料為自由流動狀態，無法良好塑性變形，產生較大反彈引起凹坑。

表5 A面形狀對凹坑的影響

通過實例闡述了A面形狀對凹坑的影響，結果如圖5所示。某車型角窗為凸型A面，材料流動越小，A面屈服應力分布越均勻，首次成形即獲得較高質量的制件；若角部全過程懸空成形且存在局部次應力不足，則導致材料無法拉伸充分，存在凹坑；經驗證，A面成形到底前10 mm仍處于懸空成形的工況下，無法有效保證制件的成形狀態。

圖5 實例驗證A面形狀對凹坑的影響

3.4 調試方法

成形過程中模具施加強壓，板料金屬晶格料厚方向受壓原理如圖6所示，晶格間得到穩定的排序關系且同時向塑性應變轉化，達到抑制凹坑的目的；著色強壓方案可有效緩解局部反撓回彈，抑制高棱邊的產生以達到改善凹坑的目的。

圖6 型面強壓原理

3.5 成形過程優化

成形制件時，著色不足是影響角窗凹坑的第一因素[2]，如某車型側圍研合、調試階段著色不能達到要求，經反復研合角窗仍無法著色；通過對拉深模凹模增加補償墊板使凸、凹模滿足著色要求，如圖7所示。

圖7 角窗著色不足優化實例

材料流動是影響凹坑及整車光影的第二因素，如圖8所示，某車型經現場模具整改，增加3道筋驗證后，單件凹坑未完全消除，光影有一定改善；整車光影及涂裝后效果較好。

圖8 現場增加筋方案及改進后光影效果

3.6 其他措施

根據多車型調試經驗總結還有其他措施解決隆起、排氣不暢、模具零件干涉、模具拉深未到底等問題。

（1）隆起補償措施：通過隆起改變制件成形面的曲率，提高外觀面抗凹性，考慮隆起可能會對凸模型面產生破壞且對操作鉗工水平要求高，故需謹慎實施。

（2）排氣方面：制件的內板面和外板面存在憋氣，可導致殘留的空氣使外板面變形的現象。

（3）模具零件干涉方面：壓料不到位的現象，具體措施為：①模具研合去除硬點；②研合過程數據收集。

（4）針對模具零件拉深未到底產生的問題主要措施為：①確認到底標記；②確認限位塊涂藍油，到底確認著色；③成形壓力判定。

3.7 角窗成形技術總結

制件外形特征限制因素主要為：①角窗形狀；②角窗所處A面形狀。除上述因素外，制約成形穩定性的重要因素還有材料流入量和強壓量[3]，如圖9所示。

圖9 角窗凹坑機理

4 結束語

影響表面質量的因素較多，其余位置表面缺陷的解決思路可借鑒角窗成形缺陷的解決思路。同理從制件數模、R角、臺階深度、工藝補充缺陷、拉深筋變化影響、強壓處理、隆起處理、模具零件強度、排氣不暢、模具零件干涉、模具研合率等影響因素分析表面缺陷的起因，從制件、成形工藝、結構、成形過程優化、模具狀態、調試方法6個方面控制表面成形質量。實際生產過程中，需針對具體情況制定相應的處理措施[4,5]。