汽車前門內板起皺分析與優化

唐浩興，洪杰偉，溫彤

（1.重慶郵電大學 先進制造工程學院，重慶 400065；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；3.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044）

0 引 言

汽車覆蓋件由于形狀復雜、結構尺寸大、相對厚度小、表面質量要求高等特點，且輪廓內部帶有局部形狀、成形工序多，是車身制造生產的關鍵環節。但沖壓成形過程中常會出現開裂、起皺、擦傷、凹痕等缺陷[1-3]。尤其是起皺，不僅降低成形產品表面質量、影響裝配工藝，嚴重時會損傷模具，對生產造成損失。關于材料抗皺性能的測試，方板對角拉伸試驗（Yoshida buckling test，YBT）方法因試樣簡單、操作方便而被廣泛應用[4-6]。在此基礎上，學者們進行了一系列的改進，旨在獲取板材復雜的應力狀態[7-11]，如在方板或矩形板中心開圓孔的方法[12]，對于研究材料的起皺性能具有重要意義。

針對某車型前門內板，經過一段時間的停產和設備維護后，重新生產時出現了較嚴重的起皺現象，如圖1（a）所示。經生產現場鑒定，一方面是由于設備保養等僅是常規清潔，模具整體狀態可視為不變；另一方面，在此期間廠家提供的材料批次也不一致，為避免反復試錯和節約成本[13]，結合有限元技術，將后一批次材料的力學性能參數導入Auto-Form進行全工序（包括落料、拉深、修邊、沖孔、翻邊、整形等）分析，對應的起皺結果如圖1（b）所示。

由圖1可知，模擬起皺的位置及起皺程度與實際匹配度較好，說明利用AutoForm仿真板料實際沖壓過程的方法可靠。基于此，首先從材料的角度，在測試相同牌號、不同批次板材的基本力學性能后，根據帶夾持端的開孔方板和開孔矩形板單向拉伸方法對比2種材料的抗皺性，并結合車門起皺模擬進行驗證，為后續選材提供參考。其次從工藝的角度，分別在拉深筋的參數設計與布局兩方面對門板的起皺缺陷進行優化。

圖1 前門內板成形起皺

1 材料抗皺性能測試與驗證

針對A和B兩個不同批次生產的厚度為0.7 mm的DC05鋼板（以下簡稱A/B材料），為獲得其基本力學性能并對比二者抗皺性，采用的標準拉伸試樣和開孔試樣的尺寸與實物如圖2所示。

圖3所示分別是A、B材料標準拉伸試樣的力-位移和真實應力-應變曲線，再將后者對應的數據按照公式（1）所表示的Ludwig本構方程擬合，其他參數如表1所示。由表1可以看出，A的屈服強度、強度系數、最大承載能力等都略高于B，但二者的加工硬化指數卻相同。因此，根據Szacinski的研究結論[5]，即屈服強度越高，起皺傾向越大，初步判斷B的抗皺性優于A。

圖3 材料力學性能

其中，σtrue為真實應力，MPa；σ0為屈服強度，MPa；ε為真實塑性應變；K為強度系數，MPa；n為硬化指數。

由圖2可知，開孔方板夾持端的長、寬均為40 mm，開孔矩形板夾持端的長、寬分別為30、70 mm，一端固定，另一端將開孔的方板和矩形板分別拉伸至5、10 mm，速度均為0.1 mm/s。由圖4可知，在相同條件下A材料的拉伸載荷略高。若A/B試樣均起皺，則起皺高度較高的材料抗皺性能較差。因此將表1中的數據導入到有限元模型中，并結合試驗結果對比試樣的起皺高度。

圖2 試樣尺寸與實物

圖4 開孔方板和矩形板的載荷-位移曲線

圖5所示為開孔板的試驗結果與利用Abaqus軟件模擬得到的最大起皺高度（即面外位移U3）對比。由圖5可以看出，在相同加載位移下，均出現明顯的起皺現象。雖然A的屈服強度和強度系數均高于B，但A在承受較大載荷時，其起皺高度仍低于B；且A對應的開孔方板試樣兩側對角反向翹起的高度、開孔矩形板試樣水平中心軸線的外邊界處向內折疊的位移都低于B。因此A的抗皺性能優于B，這與參考文獻[5]中的結論相反，說明板材的抗皺性與屈服強度無直接關系，與參考文獻[14]中的結論一致。此外，有限元模擬結果與試驗的平均誤差約為5.6%，具有較高的精度和參考價值。

圖5 試驗與模擬的起皺結果對比

為驗證該結果，將表1中的參數導入門板模型，利用AutoForm模擬第一道次沖壓及回彈結束后的成形效果。

表1 材料性能參數

圖6所示為A/B材料的門板起皺云圖，并對比3個相同參考點的Wrinkles值。由圖6可以看出，A板起皺的分布相對均勻、數值較?。欢鳥板在左下側靠近鉸鏈連接處的數值較大。因此A板的起皺程度略小于B板，其抗皺性比B板高約12.4%。

圖6 模擬的門板起皺結果對比

綜上分析，A材料的抗起皺性能優于B材料，該方法可為汽車主機廠選擇材料供應商提供參考。

2 拉深筋布局及參數優化

起皺位置的應變如圖7所示，①、③區域的主應變為正、次應變為負，起皺現象由面內壓應力引起；而②區域的主、次應變均為正，說明起皺并非由壓應力超過板材的穩定極限導致，而是因為該處圓角偏小，板材在成形過程中與模具零件接觸時，受模具零件“擠壓”的速度較大，材料來不及向周圍流動而受限于一個較為狹小的區域內，造成局部堆積而表現為起皺。因此，在模具零件設計時應適當增大該區域的過渡圓角，或在生產時減小沖壓速度、增大壓邊力等措施來緩解該缺陷。

圖7 典型起皺位置的主應變與次應變

通常在板材周圍設置拉深筋以調節材料流動，避免起皺，獲得變形均勻的產品。板材在流經筋槽及過渡圓角時，會發生反復的彎曲與反彎曲變形，同時造成較強的應變硬化效應以及接觸產生的摩擦，這三部分共同組成了拉深筋的阻力。

選取AutoForm自適應圓形截面線型筋，并在局部設置雙筋，布局如圖8（a）所示，由于產品對稱，僅對左半邊拉深筋編號進行研究，對①區域的材料流動起主要作用的是9～12以及18號筋；影響②/③區域的則是14和19號筋。

因此，針對①位置的起皺，9/11/12號筋的進料阻力需增大，由于10號筋鄰近較高的工藝吸皺筋，繼續增加阻力可能會將材料局部阻擋在外，增大了①區域上方焊接線處的開裂風險，故其阻力系數可保持不變或適當減小；12號筋對應的吸皺筋與模型的高度差較平緩，需將18號筋向產品內側靠攏，與12號形成近平行的雙筋并降低材料從11號筋與12號筋間隙流入的幾率。

由于②/③位置臨近且圓角和拔模斜度均較小，若持續增大14號筋阻力，雖然可改善起皺，但易導致焊接線在④處開裂。因此，將14號筋拆分為14-1（左，對應②）和14-2（右，對應③）兩段，結合上述分析，需增加14-1的阻力系數以減少材料流入、提高對該處材料的拉應力；將14-2號筋阻力設為零。同時旋轉19號筋，與14-1外側形成雙筋以增大局部阻力的同時，使其余材料更容易流進14-2區域，降低④位置焊接線的開裂風險。優化后的拉深筋布局與編號如圖8（b）所示。

根據Stoughton拉深筋阻力模型[15]可知，筋的阻力隨著筋高度的增大、筋（和筋槽）圓角半徑的減小而增大，參考實際生產，設置筋寬為15 mm，可得圖8（b）中各筋及溝槽的尺寸，如表2所示。優化前、后的拉深筋阻力參數如表3所示。

表3 優化前、后拉深筋阻力相關參數

圖8 拉深筋布局及編號

表2 圓形筋及對應筋槽的尺寸 mm

經全工序模擬得到的最終起皺結果對比如圖9所示，①/②區域起皺的最大值已由0.065/0.095 mm減小到0.016/0.049 mm，質量分別提升了75.4%和48.4%。結合圖1可知，實際生產中①區域的起皺最嚴重，從優化后的結果可以看出，起皺缺陷基本消除。

圖9 拉深筋優化前與優化后后門板的起皺結果對比

③區域的起皺優化結果不明顯，這是由于一方面稍增大壓邊力或對應拉深筋的進料阻力會造成焊接線在④位置開裂；另一方面起皺分布在底部的小圓角處，與凹模接觸時產生應力集中，導致材料表面局部硬化形成沖擊痕跡，在沖壓過程中隨著材料流動而顯現。

圖10所示為優化前后的成形性對比，優化后拉深不充分的區域減少，板材變形更加均勻，無過度減薄或開裂，受壓應力作用出現起皺缺陷的范圍減小和風險大幅度降低，尤其是①區域。因此，優化拉深筋后前門內板的成形效果更好。

圖10 門板成形性

3 結束語

根據實際生產中某車型前門內板沖壓起皺的實例，從材料和工藝2個方面考慮，對比了板材抗皺性、優化了拉深筋，并結合數值模擬驗證，得到的主要結論如下。

（1）同牌號不同批次的材料性能存在差異，通過開孔矩形板和開孔方板，對比起皺高度可知，A材料的抗皺性優于B材料，并利用門板沖壓的起皺模擬結果驗證，該方法可為主機廠評估原材料提供技術支撐。

（2）①、③區域起皺是受壓應力失穩而導致，而②區域起皺則是由局部材料堆積形成?；诖耍倪M了拉深筋布局并調整了筋與筋槽的尺寸及相關阻力參數。

（3）優化拉深筋后，起皺趨勢下降，焊接線處無開裂風險，產品整體成形性良好。