基于門外板水切邊開裂的理論與實際研究

王仕洪　張一飛　溫佩

關鍵詞：汽車覆蓋件；水切；開裂；差異；受力分析

中圖分類號：U463.83+4 文獻標識碼：A

0 引言

門外板作為汽車外覆蓋件中相對成熟的零件，在工藝設計中，需要兼顧材料利用率和零件成型后剛性要求[1]。在實際應用過程中，水切邊雙筋效果比單筋鎖死的效果好。從Autoform 軟件分析結果來看，兩種方案成型效果相似。實際生產調試來說，一旦出現(xiàn)問題，雙筋的設計具有更高的穩(wěn)定性和多樣調試方法。鎖死筋調試方法單一，且鎖死筋成型R 角小，調試手段不足以解決問題時，只能通過調整工藝重新加工模具型面解決。某車型后門外板及其水切邊大范圍開裂，且反復調試無果。本文以其作為案例進行研究。

1 門外板水切邊開裂

某車型門外板在回廠調試后，調試過程中水切邊一直存在開裂，且其開裂程度為整體水切邊，生產過程中只能通過增加液壓墊壓力，或者在管理面貼膠帶臨時對應。這是該零件調試生產過程中最大的一個問題，其他車型門板除了在水切整形位置有輕微暗裂之外未發(fā)生過類似問題。該問題不但使得零件無法穩(wěn)定生產，同時大大增加了零件開裂報廢的數(shù)量，嚴重阻礙了生產線質量指標和效率指標的達成。

1.1 沖壓零件信息及材料屬性

本案例中，門外板采用的材料是GX220BD+ZF ；板料尺寸（2790.00 mm ＋ 2060.00 mm）×1 030.00 mm，板厚0.70 mm。具體沖壓件數(shù)模以及GX220BD+ZF 材料的屈服強度曲線如圖1 所示。

1.2 門外板成型性分析結果

本次使用的Autoform 分析是基于全過程設計分析，因成型開裂研究集中在拉延工序，分析和計算結果計算到拉延工序。該門板采用鎖死筋拉延筋[2] 設置參數(shù)。從Autoform 成型分析結果，上門外板材料流入量為零（圖2），其成型完成后減薄失效最大部位為10.2%，遠遠小于25.0% 的成型極限值。另開裂部位靠近拉延筋，該部位在Autoform 分析結果中完全沒有開裂的風險。

1.3 調試結果與成型分析的差異

現(xiàn)場調試，將影響成型要素平衡塊著色、壓邊圈研合率以及材料定位調整到模具設計制造要求標準，水切邊開裂沒有變化。對材料性能進行檢測，檢測結果符合材料要求。

調整壓機液壓墊參數(shù)，壓機設備是濟南二機的2000T 機械伺服壓機。液壓墊壓力由四軸提供，其中軸1 軸2 為水切邊一側；液壓墊提供的最大壓力為1 000 kN，額定使用80%，即800 kN。同尺寸的門外板壓邊圈壓力為550 kN，換算頂桿壓力為220 t 左右。調試過程中，該門板在壓力增大過程后開裂得到有效控制（表1），但液壓墊參數(shù)超過額定范圍，不利于壓機的使用，單邊壓力過大不利于零件生產穩(wěn)定性。

為了找到開裂發(fā)生的時序，將液壓墊壓力調整到廠外調試壓力值附近，抬高閉合高度分段下壓，確認模具閉合到底前多少毫米就發(fā)生開裂。測試詳情如表2所示（注：220 t 是理論成型噸位）。

拉延筋對材料的控制主要受拉延筋R 角、拉延槽R 角以及筋槽的側壁間隙影響，以上參數(shù)在設計加工之后已經固定。隨著液壓墊參數(shù)的調整，水切邊的開裂情況有明顯的變化。液壓墊壓力增加導致水切邊一側作用于管理面的壓力增加，從而水切邊板料的進料阻力增加，水切邊一側的材料阻力不足是導致開裂的原因。

（1）調試方案一：增加水切一側進料阻力，適當增加材料的尺寸，同時將拉延筋外側的外管理面[3] 研合使其能夠壓料（一般情況下外管理面為虛著色），可以有效地增加板料的進料阻力。板料尺寸上下單邊各增加10.00 mm，即板料尺寸為（2 790.00 mm ＋ 2 060.00 mm）×1 030.00 mm。調試結果，板料開裂程度有一定的改善，水切邊開裂問題沒有消除。

（2）調試方案二：將液壓墊壓力降低到600 kN，在水切邊壓邊圈內管理面貼上布基膠帶，也能夠對應50 ～ 100 沖次數(shù)的生產。這說明，增加水切一側壓邊圈內管理面的壓力可以有效地消除開裂。

2 工藝優(yōu)化與對策實施

從調試方案結果來看，水切邊一側內管理面壓料力不足，材料向內竄動是導致水切邊開裂的主要原因。而開裂部位在拉延槽R 角附近，開裂的另一個因素是拉延槽R 角小，導致局部受力載荷超過材料屈服強度。

板料在成型過程中，拉延筋R 角受力情況如圖3 所示，包括零件成型所需要力的總和F_合與內管理面壓料力構成的摩擦力阻力F_f，成型力F_合根據(jù)零件成型所需的成型力確認。拉延槽R_角受到2 個力F ₁ 與F ₂ 的合力F ₃，F(xiàn) ₁是拉延槽R _角作用在板料上的力，F(xiàn) ₁與F_f 成負相關。當F_f 提供的力不滿足F_合的情況下，剩余的成型力由F₁提供。當F ₁＝ F₂；所形成的合力F₃ 與R_角接觸產生的壓強超過材料的屈服強度σ，導致材料失效開裂。F ₁的值由管理面的面積S 以及液壓墊提供的壓力Pa 確定；拉延槽R 角的大小影響局部受力載荷。

2.1 工藝方案優(yōu)化分析

根據(jù)上述的理論基礎，制定相應的改善思路。

（1）第一種思路是增加內管理面的壓力。首先保證液壓頂桿壓力不變的情況下，增加管理面的面積，減少拉延槽R 角受力；其次是可以保證現(xiàn)有的管理面寬度，增加液壓墊頂桿的壓力，減少拉延槽R 角受力。該方案在調試過程中已使用，會增加壓機使用和模具拉傷的風險。

（2）另一種思路是增加拉延筋的阻力，保證拉延筋阻力，能夠保證材料成型無異常的情況下，放大拉延槽R 角，減少拉延槽R 角處受力，從而避免R 角位置局部位置載荷超差導致開裂。

根據(jù)以上2種優(yōu)化方案思路，對比原有的工藝方案（舊工藝：拉延筋高5.00 mm，寬10.00 mm，管理面寬度8.00 mm，拉延筋R 小于1.50 mm），新增以下3 種工藝對比方案。

方案一：通過增加拉延筋高度和寬度增加其的阻力系數(shù)，同時拉延筋整體向外移動增加內管理面的寬度，拉延槽R 角與原有R 角保持一致，以便后續(xù)調試可以適當調整拉延槽R 角而不影響零件成型。拉延筋高7.00 mm，寬14.00 mm，拉延筋R 小于1.50 mm，管理寬度增加3.00 mm。

方案二：通過增加一條拉延筋，增加其整體阻力系數(shù)。原有的拉延筋高度位置保持不變，新增一條相同的拉延筋，放大拉延槽R 角，減少R 角局受力載荷。因為新增拉延筋，需要增加相應的材料尺寸，保證外側拉延筋有效。增加拉延筋和板料狀態(tài)：外筋高5.00 mm，寬10.00 mm，R2.00 mm ；內筋高5.00 mm，寬10.00 mm，R2.50 mm。

方案三：通過改變拉延筋的造型，增加其總體阻力系數(shù)，蛇形筋可以大幅度的增加拉延筋有效長度，使得拉延筋本身阻力得到大幅度增加。可適當放大拉延槽R 角，減少R 角局部受力載荷。同時因為拉延造型改變，管理面的有效面積也增加了。因為蛇形筋造型的變化，需要適當增加相應的材料尺寸，保證材料成型過程中拉延筋有效。將拉延筋改為蛇形筋，筋高5.00 mm，寬10.00 mm，R2.00 mm。

根據(jù)調整拉延筋的參數(shù)[4] 和形狀，通過Autoform 分析得出優(yōu)化調整后的3 種方案材料流入量與原方案基本一致。通過Autoform 分析得出，優(yōu)化調整后的3 種方案，拉延筋部位失效數(shù)據(jù)均在0.08 左右，與原方案基本一致。

綜合3 種調整方案實施難度以及材料成本，對比如表3 所示。根據(jù)3 個方案的調整量、調試難度和變更成本，最終選定方案一進行加工實施。

3 調試生產驗證

按照方案一拉延筋加工完成后，首次上機調試液壓墊設定壓力600 kN，零件正常出件沒有問題，水切邊無開裂；調整液壓墊壓力到上限750 kN，零件出件狀態(tài)沒有問題；調整液壓墊壓力到下限400 kN，零件出件后水切邊中部仍有開裂。

以液壓墊壓力600 kN 批量生產到80 ～ 100 沖次后，零件發(fā)生開裂。對零件管理面拉延筋做間隙測量，實測間隙數(shù)據(jù)在0.80 ～ 0.85 mm ；管理面間隙0.67 mm（圖4a），符合拉延筋以及管理設計要求[5]。管理面實測有效寬度3.00 ～ 5.00 mm，未達到設計要求的5.00 ～ 8.00 mm（圖4b）。根據(jù)上述拉延槽R角受力分析，壓料面寬度不足會使得摩擦力提供的Ff 變小，導致F₁變大，板件在拉延槽R 角受力載荷導致失效開裂。

調試對策是將上模管理面不足5.00 mm 的區(qū)域進行補焊，重新研合后使內管理面整體寬度達到5.00 ～ 8.00 mm。重新上線生產驗證，液壓墊壓力為600 kN，批量生產零件狀態(tài)沒有問題；液壓墊壓力調整到上限750 kN 以及下限400 kN，零件狀態(tài)也都沒有問題。

4 結束語

本案列門外板水切邊一側大范圍開裂問題，工藝設計分析過程中的結果無法有效地體現(xiàn)調試可能出現(xiàn)的開裂狀態(tài)，從補充面工藝設計和現(xiàn)場調試[6] 兩方面進行對比分析。由于本零件采用的是單筋鎖死的設計方案，水切邊一側的拉延筋R 角小（R ＜ 1.5mm），拉延筋R 角部位因為內管理面的寬度和研和有效壓料面不足，導致成型過程中R 角部位受力過載，超過材料本身的屈服強度而開裂。通過增大拉延筋的寬度以及壓料面內管理面的寬度，通過調試手段保證有效壓料面。減少制件在成型過程中拉延槽R角部位受力，最終解決了制件水切邊開裂的問題，保證了制件及生產穩(wěn)定性。

作者簡介：

王仕洪，本科，工程師，研究方向為汽車制造。