解決整體車門內(nèi)板窗框起皺的工藝優(yōu)化方案

康春華

（泊頭市興達(dá)汽車模具制造有限公司，河北泊頭 062150）

1 引言

隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，消費者的選擇范圍也越來越大。汽車的性能、顏值和價格都是吸引消費者的重要因素。車門的造型影響著整車的美觀度，車門的制造和裝配流程影響著整車的成本。整體式車門作為一種常規(guī)的汽車造型設(shè)計，不但可以滿足造型美觀的要求，又因其制造和裝配流程簡單而節(jié)省成本。

在整體式車門總成中，車門內(nèi)板雖然產(chǎn)品定性為內(nèi)覆蓋件，但是它有較大部分區(qū)域?qū)儆诖蜷_車門可視，所以對沖壓單品的要求也會相應(yīng)提高。在沖壓過程中，車門內(nèi)板的窗框角部位置存在起皺問題，這一直是同類零件的頑疾。缺陷位置如圖1中所示，該區(qū)域是消費者打開車門可直視的位置，單品的質(zhì)量直接影響消費者對車輛品質(zhì)的感知。

圖1 問題區(qū)域示意圖

本文以某整體式車門內(nèi)板為例，針對該區(qū)域在沖壓過程中存在起皺的問題，對其起皺原因進(jìn)行詳細(xì)分析，對解決此問題的工藝優(yōu)化方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 缺陷產(chǎn)生原因分析

由于相關(guān)件匹配度的功能性要求，窗框內(nèi)側(cè)角部的立圓角R較小（見圖2），造型特征的深度h較深，立圓角R相切的兩個立壁拔模角α和β也很小，此位置屬于造型急劇變化的內(nèi)凹特征區(qū)。在成形過程中，沖壓材料自身的延展率不滿足此區(qū)域的成形需求，出現(xiàn)制件開裂問題。沖壓工藝方案設(shè)計時，為解決此區(qū)域的開裂，需要在窗框內(nèi)非產(chǎn)品區(qū)域安排落料孔，使窗框內(nèi)的材料可以充分的流動，來彌補(bǔ)材料延展率的不足。

圖2 窗框角部區(qū)域放大圖

眾所周知，沖壓材料是具有較強(qiáng)的延展性能，但它的壓縮性能幾乎為零。合理的成形狀態(tài)（見圖3b），應(yīng)該是材料得到各方向的充分拉伸延展。如圖3a所示，拉伸應(yīng)力方向可以通過拉伸筋和壓邊力控制材料的延展和流動，而壓縮應(yīng)力方向無法對材料的流動狀態(tài)進(jìn)行有效的控制，這是導(dǎo)致窗框角部起皺的主要因素（見圖3c）。對于整體式車門內(nèi)板來說，拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力是相互制約的，且必須同時存在的，這是窗框角部起皺問題一直成為沖壓工藝難題的根本原因。

圖3 造成起皺原因的應(yīng)力圖

3 以往解決方式

以往工藝思路中，對于這個地方的缺陷處理有3種方式，如表1所示。

表1 缺陷處理的3種方式

圖4 常規(guī)拉伸結(jié)構(gòu)和增加壓料裝置拉伸結(jié)構(gòu)對比圖

4 優(yōu)化方案

充分剖析這個區(qū)域產(chǎn)生缺陷的原因，充分吸收傳統(tǒng)沖壓工藝的處理思路。通過優(yōu)化工藝補(bǔ)充，既不增加模具壓料裝置，又可以實現(xiàn)提前控制材料流動的優(yōu)化方案。

4.1 優(yōu)化方案可行性

優(yōu)化方案的思路來源：成形過程中拉伸筋的作用。拉伸筋是在拉伸過程中，對材料進(jìn)行流速和流向控制的最有效因素。

充分利用車門內(nèi)板窗框內(nèi)部的非產(chǎn)品空間，在落料孔和產(chǎn)品邊界之間的區(qū)域（見圖5陰影位置），增設(shè)類似拉伸筋性質(zhì)的工藝補(bǔ)充特征來控制材料流動。通過對工藝補(bǔ)充特征的調(diào)整，實現(xiàn)在指定時間對材料流速和流向進(jìn)行控制。既保證了材料的足夠流動消除開裂，又保證在即將起皺時對材料進(jìn)行有效的控制消除褶皺。

4.2 優(yōu)化方案說明

優(yōu)化方案是在圖5所示意位置增設(shè)類似矩形拉伸筋條形式的補(bǔ)充特征，通過拉伸筋的觸料圓角和立壁角度來控制材料的流速和流向。

圖5 增加工藝補(bǔ)充位置示意圖

優(yōu)化后的工藝補(bǔ)充方案如圖6所示，將制件邊界在沖壓方向下進(jìn)行平行移動，得到補(bǔ)充特征的邊界位置。制件邊界到特征邊界的水平距離為產(chǎn)品角部立壁高度h的3～5倍。保證L距離不小于15mm。

圖6 優(yōu)化工藝補(bǔ)充圖

補(bǔ)充特征立壁的拔模角α決定著材料的流動速度，參照矩形拉伸筋標(biāo)準(zhǔn)，α值在0°～5°；根據(jù)控制材料的時間，確定工藝補(bǔ)充特征的高度H，H值設(shè)定為：控制時間+5mm；工藝補(bǔ)充特征的圓角Ra和Rb都是控制材料流速的重要因素，參照矩形拉伸筋的標(biāo)準(zhǔn)，Ra取值在R1.5～R2.5mm，Rb圓角可根據(jù)成形性模擬的情況，取值在R2～R5mm；工藝補(bǔ)充特征轉(zhuǎn)角處的立圓角R，根據(jù)成形性模擬中開裂的情況調(diào)整，通常R值為R50～R100mm；工藝補(bǔ)充特征的高度H不得大于制件的高度h。靠近落料孔側(cè)的補(bǔ)充特征，可以做的緩一些，便于成形前期的材料流動。

優(yōu)化后的工藝補(bǔ)充方案工作過程：在前期拉伸成形過程中，優(yōu)化的特征未參與成形，窗框內(nèi)的落料孔，可以使材料實現(xiàn)充分的流動，消除窗框角部位置的開裂；當(dāng)成形過程到達(dá)指定控制材料流動的時間節(jié)點，拉伸上模的補(bǔ)充特征Ra角和拉伸下模的補(bǔ)充特征Rb角接觸，對材料進(jìn)行有效的控制，抑制住壓縮應(yīng)力；隨著成形工作的繼續(xù)，補(bǔ)充特征的拔模角α、控制圓角Ra和Rb充分介入，對材料進(jìn)行鎖緊控制。如圖7所示，工藝補(bǔ)充特征初始參與成形時，窗框角部X區(qū)域的材料長度為L1；成形結(jié)束，材料由長度L1被拉伸至長度L2。優(yōu)化的工藝補(bǔ)充方法，使造成缺陷的壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)變成合理的拉伸應(yīng)力，不僅對流動的材料進(jìn)行控制消除了窗框角部的起皺問題，還使得材料得到很好的拉伸延展效果。

圖7 優(yōu)化方案對材料展開長度示意圖

4.3 優(yōu)化方案驗證

通過CAE的成形模擬結(jié)果對比，增加工藝補(bǔ)充特征的優(yōu)化方案，無論是FLD成形性還是起皺風(fēng)險選項的研判，窗框角部的起皺問題都得到了有效控制，效果明顯。詳見對比如表1所示。

5 結(jié)束語

在非產(chǎn)品區(qū)域增加工藝補(bǔ)充特征的優(yōu)化方案，在上模不增設(shè)壓料裝置的情況下，實現(xiàn)了在指定時間對材料的流動狀態(tài)進(jìn)行控制，不僅有效的消除了窗框角部的起皺，還對窗框角部的材料進(jìn)行了充分的拉伸。

表1 CAE模擬起皺狀態(tài)對比

優(yōu)化后的工藝補(bǔ)充方案，在良好的解決了車門內(nèi)板窗框角部起皺的前提下，最大化的節(jié)約了模具制造成本和調(diào)試成本，最大化的降低了生產(chǎn)穩(wěn)定性帶來的廢品率問題。無論是前期模具制造還是后期批量生產(chǎn)，在成形效果、模具制造難度、調(diào)試便捷和生產(chǎn)維護(hù)等各方面，效果都是很明顯。這種方法同時可以應(yīng)用于其他類似特征的內(nèi)板件，具有一定的適用性和推廣價值。