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(guò)程中易因各區(qū)域受力不均勻、進(jìn)料速率不一致、潤(rùn)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(guò)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(guò)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(bào)廢成本，同時(shí)也易使白車身在焊接過(guò)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(guó)民消費(fèi)水平的增長(zhǎng)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(guò)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(duì)某車型前門內(nèi)板量產(chǎn)過(guò)程常出現(xiàn)起皺與開裂的問(wèn)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(guò)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(guò)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(dòng)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(guò)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(guò)程的進(jìn)料阻力。

該制件在模具調(diào)試及量產(chǎn)過(guò)程中狀態(tài)不穩(wěn)定，頻繁出現(xiàn)起皺或開裂問(wèn)題，嚴(yán)重影響車間運(yùn)行效率與質(zhì)量輸出。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)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(cè)量與分析

材料流入量對(duì)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(cè)量規(guī)范對(duì)前門內(nèi)板OP10材料流入量進(jìn)行測(cè)量，并與CAE分析值進(jìn)行對(duì)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(duì)B柱的材料流入量進(jìn)行測(cè)量。測(cè)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(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的布置與測(cè)量結(jié)果分別如圖3及表1所示。

圖3 材料流入量測(cè)點(diǎn)布置

表1 流入量測(cè)量結(jié)果（mm）

由測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)第一道筋條（見圖4），表明拉伸阻力不足導(dǎo)致成形過(guò)程中未能有效控制材料流動(dòng)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(guò)程中板料的應(yīng)力應(yīng)變，定量檢測(cè)制件極限變形部位、評(píng)價(jià)板材的成形性能及指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)模具調(diào)試[5]。為辨識(shí)制件的成形裕度及危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)，對(duì)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(píng)價(jià)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(cè)點(diǎn)均為調(diào)試過(guò)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(xiǎn)區(qū)域F～I(xiàn)測(cè)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(xiǎn)。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(shí)，容易造成縮頸開裂或起皺等變異。

3.3 筋槽間隙測(cè)量與分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(rùn)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(duì)拉伸成形的定量影響[6]，本例從相對(duì)簡(jiǎn)單且便于現(xiàn)場(chǎng)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(cè)空壓狀態(tài)下壓邊＆amp;筋槽間隙，檢測(cè)過(guò)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(cè)

表2 壓邊間隙測(cè)量結(jié)果 mm

由模具間隙檢測(cè)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(guò)程中材料流動(dòng)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(dòng)，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(gè)完全的剛性體，板材成形過(guò)程中，在機(jī)床滑動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(guò)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(cè)結(jié)果補(bǔ)焊研配壓邊圈壓料面，通過(guò)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(guò)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(dòng)，導(dǎo)致模具量產(chǎn)過(guò)程中存在變異，生產(chǎn)過(guò)程中常需根據(jù)拉伸件狀態(tài)調(diào)整平衡塊墊片。為對(duì)模具狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)管理與有效跟蹤，本文對(duì)該內(nèi)板拉伸模所有平衡塊進(jìn)行編號(hào)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(dòng)的均勻性，抑制起皺開裂等缺陷，同時(shí)可以通過(guò)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]。基于上述分析出的筋條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(guò)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)橹行模a(bǔ)焊加高凹弧中心對(duì)應(yīng)45°角范圍之外兩側(cè)筋條高度2～2.5mm，焊接長(zhǎng)度各120mm，同時(shí)適當(dāng)降低起皺中心對(duì)應(yīng)的筋條高度以平衡開裂位置的減薄率。通過(guò)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(guò)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(duì)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(dòng)，制件FTQ由91.2%提升至99.8%，制件報(bào)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(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

拉伸件成形質(zhì)量對(duì)汽車覆蓋件的面品與尺寸合格率具有重要影響，同時(shí)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(duì)象，分析缺陷的成因并提出通過(guò)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(duì)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(xiǎn)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(dòng)，有效控制板料的流動(dòng)速度與流入量。

（3）針對(duì)門內(nèi)板等工藝復(fù)雜的模具，需加嚴(yán)前期CAE仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)并提升仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)結(jié)合實(shí)際調(diào)試過(guò)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(rùn)滑條件等優(yōu)化拉伸工藝，提高模具量產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性。