韋榮發(fā)，蒙世瑛，麥育智，黃 棋

上汽通用五菱汽車股份有限公司（廣西柳州 545005）

1 引言

汽車覆蓋件一般由形狀復(fù)雜的空間曲面構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)尺寸大、材料厚度薄、成形難度大及質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[1]。復(fù)雜的造型使板材在拉伸成形過程中易因各區(qū)域受力不均勻、進(jìn)料速率不一致、潤滑條件不良等因素，產(chǎn)生起皺、開裂、癟塘、滑移線等表面缺陷，其中，起皺與開裂是汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)過程中最為常見的失效模式[2]。

汽車門內(nèi)板是典型的沖壓件之一，由于門內(nèi)板拉伸深度較大，特征復(fù)雜，導(dǎo)致量產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)縮頸或起皺缺陷。拉伸件出現(xiàn)起皺或開裂缺陷，降低了沖壓件的表面質(zhì)量、增加返修或報廢成本，同時也易使白車身在焊接過程中出現(xiàn)焊點(diǎn)扭曲或焊點(diǎn)開裂，嚴(yán)重影響車身焊裝質(zhì)量[3]。隨著國民消費(fèi)水平的增長及沖壓技術(shù)的高速發(fā)展，沖壓件的造型愈加復(fù)雜。因此，如何滿足造型日趨復(fù)雜的內(nèi)板制件的沖壓成形，消除量產(chǎn)過程最為常見的起皺、縮頸及開裂等缺陷，提高沖壓件的成形質(zhì)量與穩(wěn)定性，逐漸成為各大汽車模具制造廠及主機(jī)廠共同面臨的重大課題之一。

本文針對某車型前門內(nèi)板量產(chǎn)過程常出現(xiàn)起皺與開裂的問題，根據(jù)沖壓件的制件特性與模具結(jié)構(gòu)，詳細(xì)解析其起皺與開裂的成形機(jī)理，并提出了通過調(diào)整壓邊間隙與構(gòu)造變截面拉伸筋的控制措施，以期為汽車覆蓋性成形質(zhì)量的控制及冷沖模具的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

2 前門內(nèi)板結(jié)構(gòu)特性

圖1a所示為某車型前門內(nèi)板結(jié)構(gòu)，制件造型復(fù)雜，內(nèi)含過處線束孔、玻璃升降器安裝面等特征，最大深度160mm，B柱側(cè)壁處制件內(nèi)凹造型變化急劇。板料材質(zhì)為BLD，板料厚度為0.7mm。

拉伸模工藝設(shè)計(jì)上采用單動拉伸一次成形，由凸模、壓邊圈及凹模組成。凸模最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差達(dá)160mm，凸模B柱區(qū)域側(cè)壁拔模角度及凸模圓角較小，且側(cè)壁處造型及結(jié)構(gòu)面過渡急劇，模具結(jié)構(gòu)如圖1b所示。前門內(nèi)板模具采用氣墊的拉伸方式，拉伸深度230mm，封閉高度1,089.5mm，壓邊力140t，成形噸位1,315t。為控制B柱區(qū)域板材的流入速度，壓邊圈兩側(cè)設(shè)置雙筋，用于增加拉伸成形過程的進(jìn)料阻力。

該制件在模具調(diào)試及量產(chǎn)過程中狀態(tài)不穩(wěn)定，頻繁出現(xiàn)起皺或開裂問題，嚴(yán)重影響車間運(yùn)行效率與質(zhì)量輸出。經(jīng)現(xiàn)場跟蹤與排查，缺陷為OP10拉伸工序產(chǎn)生，因此，如何消除拉伸起皺與開裂缺陷并提升拉伸工序的穩(wěn)定性是問題解決的關(guān)鍵。制件縮頸及開裂狀態(tài)如圖2所示。

圖1 某車型前門內(nèi)板制件及模具結(jié)構(gòu)

圖2 制件起皺與開裂模式

3 缺陷成因分析

3.1 材料流入量測量與分析

材料流入量對制件的拉伸成形具有重要影響，可直觀、本質(zhì)的反映制件的成形質(zhì)量[4]。按材料流入量測量規(guī)范對前門內(nèi)板OP10材料流入量進(jìn)行測量，并與CAE分析值進(jìn)行對比，作為材料流入量是否滿足制件成形需求的判斷依據(jù)。由于本例僅聚焦B柱的成形狀態(tài)，故只對B柱的材料流入量進(jìn)行測量。測點(diǎn)以模具中心坐標(biāo)軸為初始點(diǎn)，并根據(jù)模具調(diào)試狀態(tài)適當(dāng)布置測點(diǎn)，測點(diǎn)的布置與測量結(jié)果分別如圖3及表1所示。

圖3 材料流入量測點(diǎn)布置

表1 流入量測量結(jié)果（mm）

由測量結(jié)果可知，實(shí)際流入量與CAE分析值存在偏差，實(shí)際流入量絕大多數(shù)大于理論值，其中，2、3、5、6四處測點(diǎn)尤為顯著，與實(shí)際制件的起皺表現(xiàn)相吻合。觀察拉伸件起皺部位可以發(fā)現(xiàn)，雖然壓邊圈上設(shè)置了兩道用于增加進(jìn)料阻力的拉伸筋槽，但由于凹模凸筋高度不足、筋槽間隙過大等潛在原因造成拉伸阻力不足，成形后板料邊緣已完全越過第一道筋條（見圖4），表明拉伸阻力不足導(dǎo)致成形過程中未能有效控制材料流動進(jìn)而造成制件產(chǎn)生起皺。

圖4 拉伸件料邊流入狀態(tài)

3.2 網(wǎng)格試驗(yàn)分析

網(wǎng)格試驗(yàn)可以快速準(zhǔn)確的判定沖壓件拉伸成形過程中板料的應(yīng)力應(yīng)變，定量檢測制件極限變形部位、評價板材的成形性能及指導(dǎo)現(xiàn)場模具調(diào)試[5]。為辨識制件的成形裕度及危險區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)，對前門內(nèi)板B柱區(qū)域開展網(wǎng)格試驗(yàn)，以獲得沖壓件成形質(zhì)量評價指標(biāo)，即等效厚度減薄率。網(wǎng)格試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中，所選測點(diǎn)均為調(diào)試過程易出現(xiàn)縮頸或開裂的圓角附近及制件立面區(qū)域。

觀察網(wǎng)格試驗(yàn)分析結(jié)果可知，危險區(qū)域F～I(xiàn)測點(diǎn)的等效厚度減薄率接近臨界值25%，與前期CAE分析的減薄率相符（CAE分析減薄率見圖6），表明制件存在縮頸開裂風(fēng)險。當(dāng)板料性能、氣墊壓力、封閉高度及壓邊間隙等沖壓條件發(fā)生變化時，容易造成縮頸開裂或起皺等變異。

3.3 筋槽間隙測量與分析

根據(jù)現(xiàn)場模具調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，造成材料流入量出現(xiàn)偏差的因素有壓邊及筋槽間隙、潤滑條件、筋條尺寸及板料材質(zhì)等，但難以精確解析上述各因素對拉伸成形的定量影響[6]，本例從相對簡單且便于現(xiàn)場操作的壓邊及筋槽間隙、筋條高度角度進(jìn)行分析。分別采用φ2mm鉛絲與紅丹檢測空壓狀態(tài)下壓邊＆amp;筋槽間隙，檢測過程及結(jié)果分別如圖7及表2所示。

圖5 網(wǎng)格試驗(yàn)結(jié)果

圖6 前門內(nèi)板CAE分析減薄率

圖7 模具間隙檢測

表2 壓邊間隙測量結(jié)果 mm

由模具間隙檢測結(jié)果可知，壓邊圈整體研合不均勻，存在較多硬點(diǎn)，研合率約30%，不滿足管理面≥90%的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；管理面、壓料面間隙0.6～0.7mm，筋槽間隙0.9～1.7mm，均偏離t+0.1mm（t為板料厚度）的技術(shù)規(guī)范。此外，制件造型內(nèi)凹，決定了成形過程中兩側(cè)材料向制件凹弧中心聚集的特性，為防止兩側(cè)材料過多向制件凹弧中心聚集造成起皺，在滿足凹弧中心有效控料的前提下兩側(cè)的阻力分布應(yīng)大于凹弧中心，即根據(jù)制件成形特性差異化分布筋條阻力?，F(xiàn)場檢查模具實(shí)物發(fā)現(xiàn)，凹模凸筋整體高度及大小一致，內(nèi)凹造型區(qū)域?qū)?yīng)的拉伸筋大小及高度并未根據(jù)制件成形特性進(jìn)行差異化布置。由此表明，當(dāng)前模具筋槽所構(gòu)成的拉伸阻力未能良好控制材料流入量以匹配制件成形需求，導(dǎo)致成形過程中材料流動失穩(wěn)并產(chǎn)生起皺或開裂缺陷。

4 工藝優(yōu)化方案與實(shí)施

大量理論研究與生產(chǎn)試驗(yàn)表明，控制拉伸件起皺開裂的方法就是要控制板料的流動，使材料流入量符合制件成形需求[7]。結(jié)合上述缺陷成因分析，本文從拉伸壓邊間隙、筋條配置方面進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 拉伸模壓邊間隙優(yōu)化

模具不是一個完全的剛性體，板材成形過程中，在機(jī)床滑動的驅(qū)動下產(chǎn)生一定的撓度變形，且模具體積與尺寸較大，當(dāng)前設(shè)備精度條件下難以將凹凸模間隙加工、研磨至恒定值[8]。為滿足各主機(jī)廠機(jī)床精度的差異及局部進(jìn)料阻力的調(diào)整，模具調(diào)試過程通常采用平衡塊墊片進(jìn)行壓邊間隙的調(diào)整，間隙越大，壓邊力越小，材料流入阻力越小，反之亦然。根據(jù)技術(shù)要求，本文以t+0.1mm（t為料厚）的壓邊間隙為目標(biāo)，并結(jié)合鉛絲與紅丹檢測結(jié)果補(bǔ)焊研配壓邊圈壓料面，通過調(diào)整平衡塊墊片將壓邊間隙由0.6mm調(diào)整為0.8mm，穩(wěn)定整體進(jìn)料阻力，使B柱區(qū)域材料在成形過程中盡量趨于均勻一致，減小起皺或開裂傾向。此外，由于板料性能、板料油膜厚度及工廠氣壓等影響制件成形的因素存在一定的波動，導(dǎo)致模具量產(chǎn)過程中存在變異，生產(chǎn)過程中常需根據(jù)拉伸件狀態(tài)調(diào)整平衡塊墊片。為對模具狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)管理與有效跟蹤，本文對該內(nèi)板拉伸模所有平衡塊進(jìn)行編號與跟蹤。壓邊圈壓料面補(bǔ)焊及平衡塊管理如圖8所示。

4.2 筋條配置優(yōu)化

拉伸筋是控制沖壓件成形質(zhì)量的重要手段，可以增大進(jìn)料阻力、調(diào)整進(jìn)料阻力的分布及材料流動的均勻性，抑制起皺開裂等缺陷，同時可以通過改變拉伸筋參數(shù)以改變成形阻力大小，滿足不同形狀制件的變形要求[9]?；谏鲜龇治龀龅慕顥l阻力分布及材料流入不匹配制件成形需求的要因，并經(jīng)過多次工程論證，本文提出了構(gòu)造變截面拉伸筋的優(yōu)化方案，即以起皺最為明顯的凹弧區(qū)域?yàn)橹行?，補(bǔ)焊加高凹弧中心對應(yīng)45°角范圍之外兩側(cè)筋條高度2～2.5mm，焊接長度各120mm，同時適當(dāng)降低起皺中心對應(yīng)的筋條高度以平衡開裂位置的減薄率。通過重構(gòu)變截面拉伸筋，實(shí)現(xiàn)需料的地方減少阻力，限料的地方增加阻力的限流功能，使材料流入匹配制件成形需求。變截面拉伸筋結(jié)構(gòu)示意圖如9a所示，筋條補(bǔ)焊過程如圖9b所示，其中，A、C代表凹弧中心的兩側(cè)，需要限流，筋條高度增加；B代表凹弧中心，需要補(bǔ)充走料，筋條高度降低，筋條截面高度A=C＞B。

圖8 拉伸模壓邊間隙調(diào)整

圖9 筋條配置優(yōu)化

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證整改方案的有效性，在實(shí)施上述優(yōu)化方案后對前門內(nèi)板進(jìn)行批量生產(chǎn)驗(yàn)證。整改后沖壓件質(zhì)量狀態(tài)如圖10所示，跟蹤并記錄整改前后的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，整改后制件起皺與開裂缺陷改善顯著，變截面拉伸筋條的阻料作用可有效根據(jù)制件的成形需求控制材料流動，制件FTQ由91.2%提升至99.8%，制件報廢率由0.6%降低至0.02%。

圖10 整改后制件質(zhì)量狀態(tài)

表3 整改前后生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)束語

拉伸件成形質(zhì)量對汽車覆蓋件的面品與尺寸合格率具有重要影響，同時也體現(xiàn)了模具廠與主機(jī)廠的設(shè)計(jì)及制造水平。本文以某車型前門內(nèi)板為研究對象，分析缺陷的成因并提出通過調(diào)整壓邊間隙與構(gòu)造變截面拉伸筋的控制措施，結(jié)合工程實(shí)踐驗(yàn)證得出如下結(jié)論：

（1）對于拉伸深度大于150mm且有內(nèi)凹造型的內(nèi)板類拉伸工藝，壓邊間隙采用t+0.1mm進(jìn)行控制（t為板料厚度），有助于獲得穩(wěn)定的進(jìn)料阻力，減小高風(fēng)險減薄區(qū)域開裂傾向。

（2）拉伸筋參數(shù)配置的調(diào)整應(yīng)結(jié)合制件的制件特性及成形需求，構(gòu)造變截面拉伸筋使阻力分布及材料流入匹配制件成形需求，需料的地方減少阻力，控料的地方減少材料流動，有效控制板料的流動速度與流入量。

（3）針對門內(nèi)板等工藝復(fù)雜的模具，需加嚴(yán)前期CAE仿真評價指標(biāo)并提升仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時結(jié)合實(shí)際調(diào)試過程影響拉伸起皺、開裂的末端因素，如凹凸模間隙、筋條結(jié)構(gòu)潤滑條件等優(yōu)化拉伸工藝，提高模具量產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。