摘要：為保證汽車車門外水切的尺寸精度，減少擠出生產(chǎn)缺陷并保證水切安裝后的穩(wěn)定性，芯金的形狀及成形精度尤為重要。對一類不對稱芯金斷面輥壓成形工藝進行研究，使用計算機輔助工程（CAE）對斷面結構進行仿真分析，在確保不影響性能的情況下，對芯金結構型式和現(xiàn)有輥壓工裝結構進行優(yōu)化，解決了一類非對稱斷面產(chǎn)品生產(chǎn)中的竄料缺陷和碾料問題，并以此為依據(jù)完成了多套輥壓工裝開發(fā)，有效提高了汽車零部件的生產(chǎn)品質。

關鍵詞：車門外水切 芯金 結構優(yōu)化 輥壓成形

中圖分類號：U463.83；TG386 "文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240061

Structure Analysis and Defect Solution of Metal Insert for Outer Belt Weather-Strip of the Door

Chen Xiuling， Wang Xiaoyun

（Qinhuangdao WKW Automotive Parts Co.， Ltd.， Qinhuangdao 066000）

Abstract： In order to ensure the dimensional accuracy of the outer belt weather-strip， reduce the extrusion production defects and ensure the stability of the outer belt weather-strip installation on the door， the shape of the metal insert and the forming accuracy are particularly important. In this paper， the roll forming process of a kind of asymmetric metal insert section is studied， the cross-section structure is simulated and analyzed by CAE method， and the metal insert structure is optimized and the structure of the existing roll-forming tooling is optimized without affecting the performance， thus solving the defects of material crossing and grinding in the production of a kind of asymmetric section products. Based on this， multiple sets of roll-forming tooling are developed， which effectively improves the production quality of auto parts.

Key words： Outer belt weather-strips， Metal insert， Structure optimization， Roll forming

1 前言

汽車車門的外水切和內水切通過卡子固定或直接壓入車門門板，與車門處的玻璃配合，保證玻璃平穩(wěn)升降運行的同時起到車門裝飾、防水、防塵、密封、減震、隔音以及玻璃導向的作用[1-2]。車門水切結構及產(chǎn)品尺寸的精度直接影響整車造型美觀性、密封性能以及噪聲舒適度。

水切卡接在車門鈑金上的部分稱為水切骨架，一般為金屬芯金與三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）、聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）或熱塑性彈性體（Thermoplastic Elastomer，TPE）共擠出成型，通過水切骨架唇邊與玻璃擠壓壓縮變形形成密封，在密封唇邊上進行植絨處理以減小運動過程中的摩擦阻力[3]。水切要與車門鈑金扣合，故其對強度要求很高，單純依靠EPDM、PVC或TPE無法形成較大的結合力，因此，在其中嵌入金屬芯金加強水切骨架，以保證水切的穩(wěn)定性。

一般的金屬芯金材質為鋼或鋁合金，為滿足汽車輕量化需求，水切大多使用鋁合金等輕質材料的金屬芯金[4]。

某斷面不對稱性較強的骨架鋁合金芯金，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了材料在輥輪中橫向滑動的問題，導致斷面長短邊竄料嚴重，并出現(xiàn)碾邊和掉鋁屑現(xiàn)象，芯金斷面進入擠出口模時出現(xiàn)刮邊缺陷，影響了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和效率。

本文對此類不對稱水切鋁合金芯金的斷面結構進行分析，在保證水切穩(wěn)定性和牢固度的前提下，優(yōu)化斷面結構。芯金斷面成形工藝方面，優(yōu)化現(xiàn)有輥壓工裝孔型設計，解決生產(chǎn)缺陷問題。繼而從產(chǎn)品結構設計和工藝開發(fā)方面總結經(jīng)驗，解決斷面不對稱性較強芯金斷面的生產(chǎn)問題，避免缺陷產(chǎn)生，提高生產(chǎn)效率。

2 產(chǎn)品斷面結構分析及設計

如圖1a所示為某轎車車門外水切密封條，安裝在車門窗外側的車門鈑金上。圖1b為產(chǎn)品斷面狀態(tài)示意。

為便于生產(chǎn)安裝，水切結構一般需滿足每100 mm長度安裝所需的插入力不高于50 N，以確保安裝效率；為保持水切裝配在車門鈑金上的牢固度和穩(wěn)定性，避免水切在使用中松動或脫落，水切一般通過兩端端蓋固定結構、其自身結構中所帶的芯金和夾持位置的彈性結構（夾持齒）固定，需滿足每100 mm長度從鈑金上拔出所需的力不低于100 N。

水切橡膠骨架類產(chǎn)品加工工藝流程為：芯金斷面成形、骨架復合擠出、硫化、冷卻、涂膠、植絨、固化、后成形、定尺切斷、端頭沖切、注塑端頭端蓋[5]。

一般的水切產(chǎn)品斷面結構中，水切金屬芯金對稱性較好，2條立邊長度相差不大，差值不超過5 mm，如圖1b所示。此類產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的尺寸穩(wěn)定性較好。

如圖2所示，某車型A產(chǎn)品斷面長短邊設計高度差為8 mm，實際成形后長立邊長度偏差約為0.7 mm，存在較大偏差及生產(chǎn)缺陷。

由于某新車型B的車門鈑金結構變化，水切芯金兩立邊長度差達到12.4 mm，圖3所示為該車型的水切數(shù)據(jù)初始結構和芯金的部分尺寸。為降低工藝開發(fā)的難度和缺陷概率，需要分析斷面結構，設計合理的斷面型式。該車型要求水切每100 mm長度插入力不高于60 N，每100 mm長度拔出力不低于80 N。

從成形工藝設計考慮，原設計斷面中部為圓弧段，在成形過程中材料在上下輥輪間的夾持穩(wěn)定性較低，因此，考慮在中部區(qū)域添加直線段，以利于產(chǎn)品成形工藝設計。

骨架與鈑金匹配接觸區(qū)域結構型式保持不變，考慮設計4種不同的產(chǎn)品芯金結構，主要區(qū)別為骨架芯金中間區(qū)域是否帶有直線段結構，芯金短邊是否帶折邊結構。如圖4所示：a型為初始結構，芯金中間區(qū)域為弧段，短邊無折邊結構；b型芯金中間區(qū)域為直線段，短邊無折邊結構；c型芯金中間區(qū)域為直線段，短邊有折邊結構；d型芯金中間區(qū)域為弧線，短邊有折邊結構。

在此基礎上設計出4種不同的水切密封條斷面結構用以進行對比分析，如圖5所示。

雖然水切芯金為線彈性材料，但水切橡膠骨架夾持部位的材料主要為硬膠和軟膠，該材料具有大變形、高彈性和高延展率的特性；在較小應力作用下可產(chǎn)生大變形，具有典型幾何非線性特征；在大應變狀態(tài)下，應力應變關系呈非線性，屬于材料非線性[6]。為驗證芯金結構對水切插入力、拔出力和夾持力的影響，得到較為理想的仿真結果，本文運用非線性有限元分析軟件Abaqus CAE進行分析研究。

3 產(chǎn)品斷面結構模擬分析

本文以車型B斷面a型為例進行模擬分析。所分析外水切密封條產(chǎn)品材料由邵氏硬度 A 80±5 EPDM硬膠、邵氏硬度 A 60±5 EPDM軟膠、芯金材料5754H44和裝飾條Al6060組成。按照平面應變問題進行建模和計算[7-8]。選用CPE4H四節(jié)點線性平面應變四邊形單元進行分析[9]。夾持部位的夾持齒與鈑金間有相對滑動，利用罰函模型精確描述切向行為，利用硬接觸模型描述法向行為[10-11]。

導入斷面數(shù)據(jù)，建立零件幾何模型，如圖6所示。

仿真結果表明：水切骨架與車門鈑金裝配時，外側上夾持齒與鈑金接觸時插入力達到最大；水切骨架從車門鈑金上拔出，右側下夾持齒與鈑金接觸時拔出力達到最大；水切骨架安裝到位時，夾持力達到最大值。圖7所示為以上3個位置的應力狀態(tài)。

表1為4種水切橡膠骨架斷面每100 mm長度插拔力和夾持力的計算結果。4種芯金結構的插入力、拔出力、夾持力和相對偏差率均滿足車型要求。

參照仿真結果，在保持水切骨架與鈑金匹配結構不變的情況下，對芯金結構進行調整，保持骨架穩(wěn)定性的力值結果均在可接受范圍內，故可在此范圍內對芯金結構進行調整，以滿足成形工藝要求。

4 芯金成形工藝設計及工裝開發(fā)

芯金產(chǎn)品為復合擠出型材前工序零件，為避免芯金材料與擠出模具發(fā)生剮蹭，后工序復合擠出工藝對此類芯金尺寸的公差要求為±0.2 mm。此類芯金采用輥壓成形工藝（Roll-Forming）成形。

輥壓成形工藝開發(fā)的基本步驟為：建立成形斷面、設定展開基準平面、計算板寬、設計輥花展開圖、建立各道次軸線、變形模擬分析材料流動、配輥設計、拆圖加工、裝配調試[12-13]。

對現(xiàn)有產(chǎn)品缺陷產(chǎn)生的原因進行分析發(fā)現(xiàn)，在成形工藝設計時，設定中間體素作為展開基準平面。由于零件的不對稱性較大，而彎曲方向為同側成形，零件成形基準兩側材料分布不均且差異較大，零件成形時兩立邊受輥輪壓力和摩擦力不均勻，長邊受力大，短邊受力小，導致材料向受力較大一側滑動，成形基準面無法保持穩(wěn)定，易出現(xiàn)成形斷面向長邊竄料的情況。

為避免此缺陷，在成形過程中需盡量保證零件基準面成形的穩(wěn)定，考慮在芯金中間基準成形區(qū)域對直段進行反向彎曲變形，增加反向變形筋，利用上下輥輪的階梯咬合增大夾緊力，壓緊材料，阻止材料在成形輥中的橫向滑動。該車型要求不允許對芯金有較大改動，故該車型芯金選用b型斷面進行開發(fā)。

根據(jù)復合擠出型材斷面成形工藝要求，需展開零件2邊作為預成形斷面，展開角度為5°，如圖8a所示。芯金材料為5754H44鋁合金，表面附著涂層，以提高與橡膠材料的附著力。

根據(jù)圓角半徑及成形角度，設定中性層系數(shù)，計算料寬，使用定長變徑法設計，根據(jù)經(jīng)驗進行角度分配，設計輥花圖如圖8b所示。成形基準面設定在中部直線段處，根據(jù)成形角度分析及雙邊展開角，共設計7組斷面成形道次，1組校直道次。

結合生產(chǎn)線結構，選擇使用35軸輥壓預成型機，道次間距為260 mm。利用COPRA RF軟件的DTM模塊對各道次成形參數(shù)進行變形模擬，結果如圖9a所示，最大縱向應變如圖9b所示，各道次最大縱向應變值均未超過材料的應變極限，滿足成形要求[14-15]。

按此成形工藝參數(shù)對各道次配輥，進行輥輪設計。上下軸速比為1∶1，初始輥輪基準直徑設計為112 mm，每道次前滑量設計為1 mm。圖10a所示為設計完成的輥輪三維結構，圖10b為加工完成的輥壓工裝。

對輥壓工裝進行調試，斷面成形形狀如圖10c所示，長邊偏差不高于0.2 mm，相比現(xiàn)有芯金產(chǎn)品（圖2中產(chǎn)品的長邊偏差約為0.7 mm）有大幅改善?？梢詽M足后工序生產(chǎn)需求，但在生產(chǎn)過程中仍有少量鋁屑出現(xiàn)，如圖10d所示。

5 產(chǎn)品成形工藝調整及產(chǎn)品結構優(yōu)化

對上述鋁屑產(chǎn)生原因進行分析，產(chǎn)品中部成形基準區(qū)域有長度為1.35 mm的直段，但直段長度尺寸仍偏小，雖可在輥輪中設計反向彎曲進行材料受力補償，但不能設計過大反向彎曲角，若變形程度過大需增加成形道次數(shù)，提高輥壓工裝開發(fā)成本。因此，在短邊處增加折邊，平衡材料受力。選用圖4c所示的斷面進行工藝優(yōu)化，修改后斷面及預成形展開斷面如圖11a所示，預成形斷面輥花設計如圖11b所示，工藝設計仍為7組斷面成形道次，1組校直道次，不增加輥輪組數(shù)。原輥壓工裝部分輥輪進行修改加工。

輥輪修改后進行成形調試，圖12為10倍投影放大圖，斷面整體公差尺寸均在±0.10 mm范圍內，完全符合要求。輥壓過程中碾出鋁屑問題完全消除。

6 現(xiàn)有產(chǎn)品缺陷問題解決

為解決現(xiàn)有產(chǎn)品缺陷，結合以上開發(fā)經(jīng)驗，本文對現(xiàn)有車型A的芯金斷面成形工藝進行優(yōu)化。由于此產(chǎn)品為量產(chǎn)車型，產(chǎn)品結構無法調整，故針對成形工藝進行優(yōu)化。

圖2所示的產(chǎn)品長短立邊長度差為8 mm，調整其成形工藝，在中部直線段區(qū)域增加反向彎曲筋，修改后斷面及預成形展開斷面如圖13a所示，輥花設計如圖13b所示，工藝設計仍為7組斷面成形道次，1組校直道次，不增加輥輪組數(shù)。原輥壓工裝部分輥輪進行修改加工。

成形工藝優(yōu)化后的產(chǎn)品斷面10倍投影如圖13c所示，斷面尺寸已在±0.15 mm公差帶內，缺陷消除。

7 新產(chǎn)品開發(fā)應用

結合以上產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗和現(xiàn)有產(chǎn)品問題解決方法，在產(chǎn)品結構設計階段時，對不對稱芯金斷面提出工藝優(yōu)化建議。如車型C芯金斷面中部區(qū)域為弧段，短邊有折邊結構，預成形斷面和輥花設計如圖14a所示；車型D芯金中部區(qū)域為直線段，短邊有折邊結構，預成形斷面和輥花設計如圖14b所示。

產(chǎn)品開發(fā)完成后的斷面10倍放大投影如圖15所示，斷面整體公差尺寸均在±0.1 mm范圍內，完全符合要求，且均無碾邊和鋁屑缺陷。

8 結束語

本文針對芯金立邊長度相差較大、不對稱性較強的車門外水切結構，運用非線性有限元分析軟件對不同型式芯金進行分析對比，從產(chǎn)品斷面結構和成形工藝2個方面進行研究，解決了生產(chǎn)過程中原材料在輥輪中橫向偏移、碾邊和掉鋁屑缺陷，并運用到新產(chǎn)品開發(fā)中，有效提高了汽車零部件的生產(chǎn)品質。經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，完全滿足此類產(chǎn)品批量生產(chǎn)要求。

總結以上開發(fā)經(jīng)驗，針對芯金立邊長度差異較大，斷面不對稱性較強的產(chǎn)品，在產(chǎn)品結構設計階段，需盡可能在短邊增加小折邊，以利于斷面成形時平衡受力。而對于受斷面寬度所限無法增加小折邊的零件，在芯金斷面中部設計直線段以利于成形工藝開發(fā)，同時降低缺陷發(fā)生概率。

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