文/冉英超·保定市精工汽車模具技術有限公司

轎車車門外板門把手成形研究

文/冉英超·保定市精工汽車模具技術有限公司

作者：冉英超

車門外板是車身的重要外覆蓋件，對沖壓成形后的外觀質量有十分嚴格的要求。然而車門外板在成形過程中，因凸凹模間的壓力不均，造成鋼板在模具型腔內異向流動，外力卸載后或后工序加工后造成制件局部輕微回彈，尤其是門把手部位，鋼板回彈對制件造成了較大的表面質量缺陷。研究車門外板門把手的成形過程，拉伸成形時壓力不足或不均，是造成車門把手處表面質量缺陷的重要原因之一。

筆者根據門把手周圍的材料成形變化，確定門把手周圍的凸凹模間隙，并通過少量研合實現模面局部強壓，完成對鋼板形狀的最終塑造，減輕了鋼板塑性變形過程中產生的回彈及拉伸不均導致的表面質量缺陷，提升了制件表面質量。最后結合工程實例，驗證了此工藝方法在提高轎車車門外板門把手部位表面質量的可行性，為其他轎車車門外板門把手部位的品質提升提供了借鑒。

回彈缺陷產生

車門外板是一種平坦的淺拉伸件，裙線以上全部要求達到A級曲面質量，外表面要求光順平滑，棱線清晰，無凹坑、凸起，無不良漫反射，無變形等表面質量缺陷。車門外板門把手部位制件形狀復雜、棱線豐富，棱線R角一般較小，成形時容易造成應力分布不均導致鋼板拉伸時受力失衡，在外力卸載后制件局部回彈，產生表面質量缺陷。經油石檢查，如圖1所示，回彈的產生嚴重影響車身表面質量及生產效率，是車門外板表面質量控制的重點與難點。

圖1 門把手周圍缺陷

回彈缺陷分析

本公司開發(fā)制造的某轎車車門外板，材質為B180H1FD，料厚為0.7mm，門把手部位成形深度達18mm，鋼板在模具內成形時門把手部位先行觸料，此時鋼板處于半自由狀態(tài)。在拉應力的作用下，鋼板的料厚方向受到外力的壓縮作用及凸緣部分的切向壓應力作用，鋼板局部變化劇烈，在成形過程中因產品形狀的限制很難做到拉應力的均勻對稱分布，在R角部位出現翹曲造成門把手周圍材料變化不均，在材料厚度減薄的部分形成了更大的間隙，材料處于微自由狀態(tài)。外力去除后破壞了成形時的基本應力平衡，鋼板成形受到的內應力開始釋放，經后工序加工后更加劇了制件表面的微小回彈。一般而言，材料變形引起的起伏變化超過0.03mm時就能夠被人手感知，形成表面質量缺陷。由此可見，除必要的沖壓工藝設計外，回彈是造成門把手處表面質量缺陷的主要原因之一。

完善的沖壓工藝對提升車門外板的表面質量具有十分重要的作用，車門外板的沖壓工藝相關的文章很多，本文不再贅述，只分析門把手處成形的鋼板變形過程。薄鋼板在模具中成形主要是靠模具型腔的凸特征成形，薄鋼板的等效應力－應變曲線遵循Hosford屈服準則。

通過實驗確定薄鋼板在不同加載比例下的等效應力－等效應變曲線。在外力卸載后，成形過程中存儲的彈性變形能釋放出來，引發(fā)內應力的重組，進而導致零件整體形狀或微形狀的改變，形成回彈，如圖2所示。

圖2 回彈模型

圖3 各次調試對比

回彈是彎曲卸載過程產生的反向彈性變形，產生回彈的主要原因有板厚方向應力差、塑性變形太小、縱斷面的剪切應力和殘余應力等。影響回彈的因素還有變形性質與變形分布、沖壓件結構、材料性能、模具凸凹模間隙、壓邊力、潤滑等。一般來說，回彈變形隨著板料厚度t以及屈服極限的增大而增大，隨著彈性模量和塑性模量、硬化指數n的增大而減小。板材回彈的經典計算公式為：

Δk=1/R-1/Rs=12M（1-υ2）/（Et3）

式中，Δk——曲率變化量；

R——回彈前中面半徑；

Rs——回彈后中面半徑；

E——彈性模量；

υ——泊松比；

t——回彈前板材厚度；

M——回彈前板內彎矩，由截面縱向應力分布確定。

在模具設計過程中，由于沖壓件結構、材料等由整車廠選定，作為模具供應商除合理的沖壓工藝設計外，一般采用改善模具凸凹模間隙、壓邊力、潤滑等條件來實現回彈的控制，本文將重點放在較難控制的凸凹模間隙上。

缺陷的解決措施與驗證

從20世紀70年代，有限元分析方法開始應用于板料成形領域到現在已經應用了40多年時間，隨著計算機模擬技術及沖壓技術的快速發(fā)展，有限元模擬分析已經能夠對實際生產提供科學計算依據。

根據CAE模擬分析結果并結合制件實際狀況，確定補償模型和調整凹模局部間隙，實現鋼板在模具型腔內成形時的合理間隙及局部強壓，控制材料流動及回彈的方向與位置。為保證實驗的有效性，每次間隙調整全部用高精尖的數控加工設備進行加工，再由經驗豐富的鉗工進行推光、研合后上壓力機驗證。經多次間隙及位置調整，調試驗證后制件的實際效果如圖3a、b、c、d所示，比較可見模面間隙的調整對抑制回彈、改善制件表面質量缺陷起到積極作用。其中圖3d制件表面質量缺陷得到了顯著改觀，基本消除了涂裝刮灰等后序處理，其補償方案如圖4所示。

圖4 最終補償方案

結束語

鋼板在模具中成形是一個極其復雜的過程，本文通過調整車門外板門把手周圍凸凹模間隙控制板料在模具型腔成形過程中的局部壓力，實現材料的合理流動，減輕回彈的方法，為提高車門外板的表面質量開辟了一條很好的道路。并且，通過數控加工降低對鉗工技能的依賴，有利于總結車門外板的成形技術及經驗，顯著地提高生產效率及產品質量，節(jié)省成本。實踐證明，該車門外板模具投入生產一年多來制件品質穩(wěn)定，通過光照檢測和油石打磨的檢測方法，門把手部位表面質量缺陷出現明顯的改觀，省去了刮灰工序，達到了預期目的，取得了良好的經濟效益。