尾門外板上部擾流板處回彈翹曲分析及解決方案

張海洋，夏迎飛，夏成飛

（鶴壁市全力模具制造有限公司，河南 鶴壁 458030）

0 引 言

汽車外覆蓋件對(duì)汽車的安全、隔振降噪性能及整車造型等具有重要作用，大多數(shù)汽車外覆蓋件是由造型復(fù)雜、尺寸較大、板料厚度偏小的自由曲面構(gòu)成，在成形過程中因受力不均勻或進(jìn)料不一致導(dǎo)致起皺、開裂、凸凹、回彈翹曲等表面缺陷，其中回彈翹曲是汽車外覆蓋件沖壓成形過程中最常見、最難控制的缺陷，也是實(shí)際工藝最難克服的成形缺陷，是汽車制造業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

回彈不僅影響車身外覆蓋件的尺寸精度，還會(huì)對(duì)后期包邊總成的尺寸精度和整車間隙匹配的一致性造成影響，甚至?xí)痫棸鍩o法安裝或長(zhǎng)期震動(dòng)產(chǎn)生裂紋等問題，因此需要對(duì)外覆蓋件的回彈翹曲問題進(jìn)行分析并采取有效措施保障成形制件的尺寸精度。以某SUV車型的尾門外板為例，分析尾門外板產(chǎn)生回彈的原因，結(jié)合CAE仿真結(jié)果對(duì)比，采取反復(fù)分析、結(jié)果對(duì)比及優(yōu)化拉深筋參數(shù)的方法，通過整改優(yōu)化模具使成形制件尺寸精度達(dá)到質(zhì)量驗(yàn)收要求。

1 尾門外板結(jié)構(gòu)及工藝分析

圖1所示為某SUV車型的尾門外板結(jié)構(gòu)，由特征復(fù)雜的空間自由曲面構(gòu)成，曲面曲率要求平緩光順，表面質(zhì)量和尺寸精度要求高，要求制件成形充分、剛性好，表面不能有暗坑，特征棱線無滑移，同時(shí)制件上半部分整體與頂蓋、側(cè)圍有嚴(yán)格的匹配要求。其結(jié)構(gòu)難點(diǎn)主要有2處：①以工裝定位孔法向?yàn)闆_壓方向，在沖壓方向下，側(cè)面看呈“V”形，高低差較大，尾門外板最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高度差達(dá)350 mm；②擾流板處外板面曲率平緩，曲面弧度近似直線且覆蓋面較大，拉深深度過深導(dǎo)致成形過程中板料流入不均勻，成形不穩(wěn)定，如圖2所示。這2種形狀特點(diǎn)使板料在成形過程中壓料面的材料流動(dòng)劇烈，內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，塑性變形不均勻，容易產(chǎn)生缺陷問題。

圖1 尾門外板結(jié)構(gòu)

圖2 尾門外板沖壓方向上高低差

根據(jù)尾門外板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取一次拉深成形，板料材質(zhì)采用烘烤硬化板HC180BD+Z-FD，屈服強(qiáng)度為208 MPa，抗拉強(qiáng)度為334.7 MPa，板料尺寸為1 630 mm×1 545 mm，板厚0.7 mm。尾門外板生產(chǎn)一般在自動(dòng)沖壓線上完成，沖壓工藝方案設(shè)計(jì)除了要滿足現(xiàn)有機(jī)器人自動(dòng)送料取料外，還要滿足不超過4道工序的工藝流程（落料除外）。經(jīng)綜合評(píng)估，確定尾門外板的工序內(nèi)容為：①拉深；②修邊側(cè)修邊沖孔側(cè)沖孔；③翻邊整形側(cè)翻邊；④修邊側(cè)修邊側(cè)沖孔側(cè)整形。尾門外板工藝流程如圖3所示。

圖3 尾門外板工藝流程

根據(jù)確定的沖壓方向和相關(guān)參數(shù)，通過Auto-Form有限元模擬軟件對(duì)尾門外板進(jìn)行CAE分析，對(duì)拉深筋和工藝補(bǔ)充部分進(jìn)行調(diào)整，并采用雙曲面壓料面，使板料成形時(shí)材料流動(dòng)盡量均勻平穩(wěn)，避免產(chǎn)生開裂和起皺等缺陷，為后期模具調(diào)試提供參考依據(jù)。

2 問題產(chǎn)生及原因分析

通過后期生產(chǎn)跟蹤，在首次全工裝成形時(shí)發(fā)現(xiàn)制件合格率僅為67%。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)問題為上部擾流板處主型面塌陷引起翻邊后輪廓回彈較大且不穩(wěn)定，局部型面最大偏差達(dá)到2.5 mm，存在表面質(zhì)量缺陷，造成制件上部形狀嚴(yán)重超差，制件在檢具上的測(cè)量值如圖4所示。

圖4 制件在檢具上檢測(cè)超差數(shù)值

針對(duì)此處制件回彈造成的表面質(zhì)量超差問題及不穩(wěn)定因素進(jìn)行評(píng)估和確認(rèn)。初步采用人、機(jī)、料、法的魚刺圖進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，如圖5所示。

圖5 魚刺圖

針對(duì)魚刺圖中分析確認(rèn)的各因素進(jìn)行重構(gòu)，列表進(jìn)行方案制定和結(jié)果跟蹤，如表1所示。通過逐項(xiàng)分析和解決方案跟蹤驗(yàn)證，人、機(jī)、料均通過結(jié)果驗(yàn)證，排除其對(duì)尾門外板擾流板處成形回彈問題造成的影響。

表1 逐項(xiàng)排查并提出方案對(duì)應(yīng)表

通過魚刺圖分析以及逐項(xiàng)排查解決，確認(rèn)分析方向主要集中在工藝設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)制件實(shí)際狀態(tài)的一致性方面。一般外板CAE分析主應(yīng)變理論值要求為≥0.03，查閱前期CAE分析結(jié)果，確認(rèn)此尾門外板擾流板處的主應(yīng)變值均已超過0.03，達(dá)到合格范圍，如圖6所示。副應(yīng)變的合格理論值要求一般是≥0，即不能為負(fù)值。但對(duì)前期CAE分析結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)尾門外板上部擾流板處中間及兩邊的次應(yīng)變數(shù)值均為負(fù)值，如圖7所示，且云圖形狀與回彈趨勢(shì)形狀相似，說明制件此處在拉深成形過程中并沒有被完全拉開，導(dǎo)致出現(xiàn)回彈缺陷。

圖6 前期分析主應(yīng)變分析結(jié)果

圖7 前期分析次應(yīng)變分析結(jié)果

拉深成形過程中，一般板料流動(dòng)發(fā)生壓縮變形會(huì)存在壓縮失穩(wěn)問題，次應(yīng)變?yōu)樨?fù)值表示此方向的受力狀態(tài)為壓縮受力。在汽車外板拉深成形過程中，表面內(nèi)凹的部分是依靠凹模型面上的局部凸起成形，成形方向與沖壓方向相反，稱為反成形區(qū)。而該尾門外板上部?jī)山翘帪榉闯尚螀^(qū)，如圖8所示A區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)材料的流動(dòng)類似于脹形，承受徑向與切向拉應(yīng)力作用，外圍材料流動(dòng)經(jīng)過局部凸起拉入凹模后，在切向產(chǎn)生收縮趨勢(shì)，其應(yīng)力狀態(tài)為徑向拉應(yīng)力與切向壓應(yīng)力，因此表現(xiàn)為主應(yīng)變?yōu)檎担螒?yīng)變?yōu)樨?fù)值。

圖8 兩角處反成形區(qū)及拉、壓應(yīng)力狀態(tài)

B區(qū)域的成形過程如圖9所示，由于制件此區(qū)域輪廓存在凸弧且兩角與中間存在高度差，此處工藝補(bǔ)充處理必然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凸弧過渡。拉深成形過程中，當(dāng)板料沿模具零件向內(nèi)流動(dòng)時(shí)，單位長(zhǎng)度板料經(jīng)歷了先變長(zhǎng)后變短的拉壓過程，因此當(dāng)板料流動(dòng)到B區(qū)域的中間位置時(shí)，展開長(zhǎng)度由長(zhǎng)變短，造成切向壓應(yīng)力增大，直接體現(xiàn)在次應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，成形后此處應(yīng)力釋放不均勻，導(dǎo)致此處塑性變形不充分，引起此處塌陷回彈。

圖9 擾流板中間區(qū)域板料流入受力趨勢(shì)

3 方案分析及整改驗(yàn)證

對(duì)于拉深不充分導(dǎo)致的塌陷回彈，通常采用以下2種方法進(jìn)行控制。

（1）工藝參數(shù)控制法。通過改變成形過程邊界條件，如板料形狀、壓邊力、模具零件圓角及摩擦狀態(tài)和拉深筋等因素減少回彈。

（2）實(shí)時(shí)補(bǔ)償法。在特定的工藝參數(shù)條件下預(yù)測(cè)或?qū)崪y(cè)回彈量大小，然后通過修正模具零件形狀使回彈的零件形狀符合設(shè)計(jì)要求。

該尾門外板輪廓曲面復(fù)雜，回彈數(shù)值偏大，采用實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制調(diào)整不確定因素較大，且需要反復(fù)更改周期較長(zhǎng)。大量理論研究和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)表明，控制材料流動(dòng)是解決拉深成形不充分和控制拉深回彈最有效的方法。

根據(jù)以上問題分析，通過CAE分析逐步對(duì)整改條件進(jìn)行AutoForm分序確認(rèn)，確認(rèn)是否能提高此處成形性從而減小回彈，如圖10所示。第一步對(duì)圖10所示1處的工藝補(bǔ)充反坎進(jìn)行加大，增大此處反成形區(qū)域，進(jìn)行CAE分析得到拉深和修邊后的自由回彈；第二步對(duì)圖10所示2處的拉深筋進(jìn)行加強(qiáng)處理，采取燒焊后加高拉深筋，之后進(jìn)行CAE成形分析得到拉深后的自由回彈和修邊后的自由回彈；第三步將圖10所示3處的拉深筋進(jìn)行加強(qiáng)處理，采取燒焊后加高拉深筋，通過分析得到拉深與修邊的自由回彈。

圖10 擾流板中間區(qū)域局部調(diào)整分析及預(yù)期板料成形受力方向

按照以上方案進(jìn)行反復(fù)分析調(diào)整，第一步CAE分析結(jié)果如圖11所示，拉深回彈：中間低3.7 mm，兩角高1.2 mm；修邊回彈：中間高3.5 mm，兩角高0.6 mm。第二步CAE分析結(jié)果如圖12所示，拉深回彈：中間低3.5 mm，兩角高0.5 mm；修邊回彈：中間高2.2 mm，兩角高0.5 mm。第三步CAE分析結(jié)果如圖13所示，拉深回彈：中間低1.3 mm，兩角高0.3 mm；修邊回彈：中間高0.2 mm，兩角高0.5 mm。

圖11 第一步CAE分析結(jié)果

圖12 第二步CAE分析結(jié)果

圖13 第三步CAE分析結(jié)果

根據(jù)CAE分析結(jié)果可知，增大兩側(cè)拉深筋和上部拉深筋后，有效控制了板料的流動(dòng)，使此處拉深成形更充分。經(jīng)修邊后，由于工藝補(bǔ)充處廢料部分的約束消失，內(nèi)應(yīng)力充分釋放，修邊后的自由回彈可以反映為最終制件的回彈結(jié)果。

通過分析結(jié)果，對(duì)尾門外板上部擾流板處的塌陷回彈進(jìn)行整改，按照上述方案對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，將局部拉深筋加強(qiáng)加高處理，并對(duì)局部工藝補(bǔ)充面的工藝反坎加大。為確保最終制件效果，在拉深工序?qū)山翘幒椭虚g區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)壓處理，強(qiáng)壓量取0.1 mm。現(xiàn)場(chǎng)通過2次調(diào)試，最終檢測(cè)成形件，尾門外板上部擾流板處全部合格，如圖14和圖15所示，整體合格率達(dá)到96%，順利通過驗(yàn)收。

圖14 整改合格的制件

圖15 整改合格制件檢測(cè)表

4 結(jié)束語

由于SUV尾門外板需匹配較多功能件，其形狀復(fù)雜、尺寸精度及品質(zhì)要求高，拉深成形充分性將直接決定成品件的質(zhì)量。拉深出現(xiàn)的塌陷回彈多數(shù)情況下是因板料進(jìn)料不均勻?qū)е鲁尚尾怀浞郑瑧?yīng)從控制和調(diào)整板料的流入方向入手，通過調(diào)整拉深筋、工藝補(bǔ)充等邊界條件來控制板料流入，達(dá)到調(diào)整成形充分性的目的。前期的工藝分析應(yīng)以修邊后的自由回彈作為制件是否回彈的指導(dǎo)依據(jù)，盡量在前期調(diào)整各種工藝參數(shù)，讓修邊后的自由回彈符合制件最終狀態(tài)的質(zhì)量要求，可節(jié)省后期的調(diào)試時(shí)間。