汽車后門外板腰線二次拉延技術研究應用

張淳波 陳俊偉 蔣 磊 馬培兵 李國偉

（東風本田汽車有限公司新車型中心，湖北 武漢 430056）

隨著國家對新能源汽車的政策扶持，國內汽車品牌不斷增加。各大汽車廠家為了爭奪市場銷售份額，不斷地美化汽車的外觀造型[1]。而外觀棱線是汽車美化的重要元素之一[2]，汽車的腰線更是決定汽車造型優美特征的主基調。現如今年輕消費群體信息獲取渠道豐富，在追求汽車操縱、安全、舒適等基本性能的同時，還會通過多媒體來分享汽車優美外觀帶來的快感[3]。而犀利化的汽車腰線更能體現汽車的辨識度和立體感[4]，從而增強了汽車優美外觀帶來的視覺沖擊快感。

本文以東風本田汽車有限公司某車型的后門外板為研究對象，探究門外板犀利化腰線成形工藝方案，并借助Autoform 分析軟件進行仿真分析，并優化模具結構設計來保證批量生產穩定性，最后通過現場試模驗證門外板腰線成形效果及質量，總結出門外板的制造工藝及可實施性。

1 產品信息

圖1a 所示為某車型后門外板幾何模型，詳細產品截面如圖1b 所示。產品圓角半徑為R5.2 mm，夾角為125°，棱線兩側曲率起伏變化大，在拉深成形過程中易產生應變不均勻，從而導致腰線滑移難以控制。

圖1 某車型后門外板幾何模型

產品材料選用JAC340H-45/45，材料厚度為0.7 mm，各項力學性能參數見表1。

表1 某車型后門外板材料參數

2 后門外板工藝分析

對于具有銳棱特征的后門外板零件，棱線滑移和棱線前端臺階處開裂、起皺是零件質量控制的難點。滑移線又稱線偏移，是零件在拉延成形初期，板料與凸模最高點圓角接觸后所產生的帶狀加工硬化痕跡。滑移線的形成有兩方面原因，一是成形初期凸模圓角過早與板料接觸，二是凸模圓角兩側材料流動阻力不平衡[5-6]。開裂的主要原因是材料受拉應力超過材料本身的抗拉強度，開始發生不均勻塑性變形并形成縮頸，最后出現裂開。起皺主要原因是材料受到過大壓應力時，材料會失去原有的平面狀態而出現失穩現象，零件表現為起皺狀態。一般來說，對于后門外板這種淺拉延汽車覆蓋件，通常采用一次拉延成形工藝，但是由于本文所研究的后門外板腰線圓角半徑、棱線夾角均較小，采用一次拉延成形工藝易產生滑移缺陷，如圖2a所示。腰線前端尖角整形時受到向下的拉應力，下部臺階內收整形，故腰線尖點易出現開裂缺陷，尖點下部臺階面易出現起皺缺陷，如圖2b 所示。

圖2 后門外板一次拉延產生的缺陷

為了控制銳棱化造型腰線滑移和消除整形開裂、起皺缺陷，本文研究采用二次拉延工藝及合理的模具結構設計等措施來改善成形質量。

3 后門外板工藝設計

3.1 沖壓方向設定

后門外板在工藝設計過程中常規采用左右件對拼的工藝方式。對于銳棱化的后門外板為了控制腰線的滑移量，所以需要控制棱線在接觸凸模后往兩側的移動量，即需要保證棱線兩側板料拉應力接近[7]。故沖壓方向的設定需要保證棱線兩側型面與水平的夾角滿足|α-β|≤5°，如圖3a 所示。為了實現這一要求，根據門外板設計特性，將產品沿X軸旋轉25°，如圖3b 所示。二次拉延沖壓方向保持與一次拉延方向一致，修邊工序再根據筆者公司修邊沖孔角度要求旋轉沖壓方向，整形序再根據斜楔翻邊要求旋轉沖壓方向。

圖3 某車型后門外板沖壓方向設定原則與旋轉角度

3.2 成形工藝設計

根據后門外板造型特征關系，將其劃分為A、B、C、D、E五個區域。通過截面圖（圖4）分析，對后門外板上下左右區域成形工藝進行說明。由圖4 中A-A截面圖可知，A區域水切飾條安裝結構面，其凹R為R5 mm，折邊面與沖壓方向成30°負角，所以折邊面需要在后工序側翻邊。同時保證水切凹R成形不開裂，凹R采取過拉延方案，R角由R5 mm 放大到R12 mm，水切處修邊完成后再對R角展開整形，因此A區域工藝規劃為：（OP10）過拉延 →（OP20）修邊+整形 →（OP30）側翻邊。由圖4中B-B截面圖可知，B區域為臺階整形翻邊結構，凸R為R0.5 mm，可直接在沖壓方向下垂直翻邊整形，因此B區域工藝規劃為：（OP10）拉延→（OP20）修邊 →（OP30）整形+翻邊。由圖4 中CC截面圖可知，C區域為下裙邊區域的翻邊結構，與沖壓方向夾角為負角，后續側翻邊即可，因此C區域成形規劃為：（OP10）拉延 →（OP20）修邊→（OP30）側翻邊。由圖4 中D-D截面圖可知，D區域為簡單翻邊結構，在沖壓方向夾角無負角，因此D區域工藝規劃為：（OP10）拉延 →（OP20）修邊 →（OP30）翻邊。由圖4 中E-E截面圖可知，E區域為側面造型特征的腰線區域采用了銳利化設計，為本文重點解決的棱線滑移和開裂起皺區域，其棱線圓角分別為R5.2 mm，一序拉延對腰線R角進行放大，二序在對棱線展開二次拉延到產品型面，因此E區域成形工藝為：（OP10）拉延 →（OP20）二次拉延。

圖4 某車型后門外板拉延工藝數據模型與截面圖

綜合上述后門外板上下左右各區域成形工藝規劃，并結合模具可行性分析后，后門外板全工序成形工藝方案為：①OP10 為拉延；② OP20 為二次拉延；③OP30 為修邊+沖孔；④ OP40 為垂直整形+垂直翻邊+側翻邊。

4 后門外板成形仿真

4.1 過拉延R 角分析測試

對于一次拉延將腰線R放大后再二次拉延，將腰線R成形到原產品R大小的工藝方案，R角放大量是保證棱線滑移關鍵參數。對產品進行分析發現，門把手處于腰線下部15 mm 位置。將產品R角放大到R30 mm 測試，門把手造型邊緣與腰線相交導致相交的位置出現面質量缺陷，如圖5 斑馬紋所示。所以產品造型決定腰線R角可放大范圍為5.2 mm＜R＜30 mm。

圖5 某車型后門外板產品數據截面圖與R 放大曲率結果

利用Autoform 分析軟件對棱線R角可放大范圍內的R角展開分析。為保證測試放大不同R角對滑移線、開裂和起皺的影響，其他分析參數保持一致。R角放大選取等值增量為1 展開分析測試，即分別測試R6 mm,R7 mm,···,R29 mm,R30 mm 對棱線滑移的影響。根據經驗值，第一次拉延的滑移缺陷采用Autoform 軟件的Skid Lines 功能評價準確率較高，第二次拉延的滑移缺陷由于棱線加工硬化原因，采用最大接觸壓力評價準確率較高。當R放大到R6 mm 時，由圖6b 可知，腰線區域存在明顯滑移線，最大滑移量達到5.8 mm，已滑出R5.2 mm 的棱線圓角半徑。圖6c 為后門外板腰線二次拉延最大接觸壓力分析結果，當最大接觸壓力σ與材料屈服強度Ys滿足σ≤0.15Ys時，可認為零件外表面不會出現滑移線缺陷[8-10]。由上文可知，材料最大屈服強度Ys=270 MPa，即當最大接觸應力在σ≤40.5 MPa（270×0.15=40.5）時，可判定零件不存在棱線滑移風險。根據分析結果最大接觸壓力分析結果為55 MPa，存在嚴重滑移風險。

圖6 有限元分析結果

對一次拉延和二次拉延結果展開滑移評價，第二次拉延結果包含第一次拉延產生的滑移量，統計結果如圖7 所示，可知R的放大量越小，第一次拉延產生的滑移不良風險越大；R的放大量越大，第一次拉延產生的滑移不良風險越小，第二次拉延產生的滑移風險越大。從圖7 中數據分析可知，滿足滑移標準（即滑移量＜R/2）的R放大參數為R15 mm、R16 mm、R17 mm、R18 mm、R19 mm、R20 mm、R21 mm、R22 mm、R23 mm。

圖7 有限元分析結果

4.2 開裂、起皺分析測試

將不同R角放大參數的后門外板工藝數模導入Autoform 軟件，展開全工序求解分析計算，得到最終成形仿真結果。根據經驗值，當材料減薄率在25%以上或者最大失效在0.8 以上時，可判定認為零件存在開裂風險。對于外觀面，當材料起皺因子達到0.01 或者成形過程存在幾何起皺趨勢時，可判定認為零件存在起皺風險；對于非外觀面，當材料起皺因子達到0.05，則判定零件實物起皺無法接受。其中R角放大到R15 mm 的分析結果如圖8b 所示，后門外板腰線前部尖角最大減薄率為27.4%，超出25%的材料減薄極限，存在一定開裂風險。如圖8c所示，臺階面為非外觀面，起皺因子為0.07，超出0.05 的材料起皺標準，判定實物存在起皺風險。

圖8 有限元分析結果

對不同R角放大參數的后門外板全工序仿真分析求解后零件減薄率和起皺統計結果如圖9 所示。從圖9 中數據分析可知，零件減薄風險和起皺風險均最小的R角參數為R18 mm。

圖9 有限元分析結果

最終，一次拉延工藝補充腰線R放大參數確定為R18，通過全工序模擬分析計算求解，確定后門外板分析一次拉延無滑移痕跡出現，二次拉延最大接觸壓力40.5 MPa 以下，腰線尖點減薄率為23.4%，臺階面起皺因子為0.022，最終零件無開裂、起皺和滑移缺陷，如圖10 所示。

圖10 最終零件有限元分析結果

5 模具結構設計

從上述內容可知，一序拉延工藝為常規拉延，三序為修邊工藝，四序為翻邊工藝，所以一序、三序、四序模具結構可參考過往經驗，采用常規結構設計即可。二序為棱線二次拉延工藝，雖然后門外板棱線的二次拉延工藝設計通過全工序模擬分析驗證可行，但是虛擬分析的工況穩定性與實際生產工況穩定性存在較大差異。為了使實際生產工況更加穩定，保證二次拉延后棱線清晰、無不規則滑移和波紋等缺陷，需要在模具結構設計上制定相應對策，來保證模具生產穩定。通過分析，影響棱線二次拉延質量的主要因素有棱線兩側凸凹模間隙和零件與凸凹模的相對位置。

5.1 上下模底板設計

常規二次拉延模具結構設計為上模與壓邊圈通過端頭導板導向來保證相對位置，壓邊圈再通過導板導向來保證凸模與壓邊圈之間的相對位置，導板導向間隙為0.05～0.08 mm，即上模型面與下模型面間隙公差為0.1～0.16 mm，對棱線二次拉延質量保證存在較大影響。為了提高上下型面間隙精度，需要在上模與下模之間增加導向。因此在端頭設計兩組導向，一組為上型與壓邊圈的導向，另一組為上型與下型的導向，如圖11 所示。上型與壓邊圈通過導板導向，保證上型與壓邊圈相對位置精度為0.05～0.08 mm，上型與下型通過導板預導向后再通過導柱導套導向，保證上型與下型型面相對位置精度為0.01～0.03 mm，從而保證凸凹模間隙穩定。

圖11 端頭導向結構設計

由于門外板是左右零件對拼的工藝，模具整體為長條形狀，因此在實物模具沖壓過程中，上型模具存在撓度變形。為了保證棱線處型面間隙前后方向上均勻，需要在上型棱線處設置撓度補償調節墊塊，如圖12 所示。實物階段由于撓度變形導致的上下型面棱線前后方向上間隙存在不均勻量，因此通過在墊塊底部追加墊片來補償型面間隙，保證上型的型面棱線前后方向上間隙均勻。

圖12 撓度補償結構設計及斷面

對棱線二次拉延，為了保證棱線的質量，需要在棱線兩側15～20 mm 區域進行強壓，且根據零件實物狀態來調整棱線兩側的強壓量。為了減少實物由于調整棱線兩側強壓量而對模具型面進行的焊接和打磨次數，提升模具調試效率，則在模具結構上進行改善。參考上模與壓邊圈的間隙調整是通過上模與壓邊圈之間設置平衡塊的方式來實現的，因此調整上模與下模的間隙也可以通過在上模與下模之間設置平衡塊的方式來實現。如圖13 所示，在下模型面周邊設置平衡塊安裝座面，通過立柱形式穿過壓邊圈直接作用在上模。實物調試過程中，可以通過在平衡塊上增減墊片，來調整棱線兩側凸凹模間隙，從而調整棱線兩側的強壓量，保證零件實物棱線的質量。

圖13 二次拉延模具結構設計

通過在上下模端頭設計兩組導向來保證上下型面間隙穩定、通過上模底板追加墊塊來減少模具撓度變形的影響、再通過上下模之間設置平衡塊來提升棱線兩側型面強壓量調整效率3 個方面，從模具結構上來提高實物生產穩定性和調試便利性。

5.2 零件定位設計

零件投放位置的精準度直接影響零件與模具型面的間隙。為了保證生產過程中零件投放后與型面間隙的一致性，零件定位是關鍵。定位位置設置的基本要求：首先需要保證零件前后左右方向均不能移動，同時，二次拉延的定位數量不少于一次拉延定位數量，且兩次拉延定位位置需要保持一致，才能保證零件形狀與二次拉延模具形狀位置一致。

為了達到零件定位精度要求，拉延序在零件壓料面上設置半月形定位。由于是為了保證棱線兩側的二次拉延質量，因此半月形定位增加在棱線兩側的壓料面上。在一次拉延的壓邊圈和下型上追加半月定位成形銷，壓邊圈頂起時半月定位成形銷下落到壓邊圈型面以下，當成形到底前30 mm 時，半月定位成形銷底部與下底板接觸，開始對板料壓邊圈區域成形。

二次拉延壓邊圈上設置半月定位位置與一次拉延月牙成形位置一致，起到半月定位的作用。雖然門外板采用沿周鎖死型拉延筋，壓邊圈上板料幾乎沒有流入，但是鎖死拉延筋的成形使得板料輪廓存在一定的收縮。為了減少輪廓收縮對零件投放位置一致性的影響，半月定位采用活動氣缸伸縮的方式來提高定位精度。零件投放到二序拉延壓邊圈上，首先依靠沿周的固定定位板來粗定位，然后棱線兩側半月定位氣缸伸出，對零件展開精定位。

6 試模驗證

將上述工藝方案用于模具制造調試，并用數值模擬分析結果指導實物調試，使一次拉延板料尺寸、工藝參數等與模擬分析結果一致。二次拉延后對零件棱線兩側質量進行確認和評估，并在板件棱線兩側切割出局部孔位，用于帶板件測量上下模間隙，確認棱線兩側強壓量，如圖14a 所示。根據零件實物棱線成形質量，通過在上下模之間的平衡塊中間增減墊片，來調整棱線兩側的強壓量，從而改善棱線滑移缺陷。

圖14 后門外板試模驗證結果

最終調試穩定后得到圖14c 所示的零件，零件整體成形質量良好。通過對光檢查，腰線區域外觀面未發現明顯的滑移痕跡，如圖14b 所示，可以滿足門外板A 級表面外觀面質量需求。棱線尖點減薄率為22.8%，滿足減薄基準≤25%，臺階非外觀面無可視化起皺，如圖14d 所示，證明了外板二次拉延成形工藝的可行性。

7 結語

通過對小夾角后門外板進行工藝分析、成形工藝設計以及數值模擬，準確地找到了一次拉延棱線放大R角的最優解。根據數值模擬結果驗證，本文方法解決了門外板拉延成形過程中開裂、起皺以及腰線滑移等潛在的質量缺陷。在門外板沖壓模具正式切削加工之前，提前解決了開裂、滑移等問題，提高了銳棱成形工藝一次試模合格率，并優化了模具結構設計，不僅提高了模具實物調整模間隙的效率，還提高了模具量產過程中影響棱線質量的模間隙穩定性和可靠性，使小夾角造型在后門外板上成功實現了工業化應用。對于具有銳棱化特征造型的汽車外覆蓋件的成形工藝設計、模具結構設計及實物制造調試有一定借鑒意義。