文/李玉強(qiáng)，田華，張勝華，張遠(yuǎn)，董劍安，須俊華·上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司

車門外覆蓋件沖壓與CAE分析關(guān)鍵技術(shù)

文/李玉強(qiáng)，田華，張勝華，張遠(yuǎn)，董劍安，須俊華·上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司

車門外板是車身覆蓋件中最重要的零部件之一，在車身的外觀質(zhì)量中，承前啟后，前部和翼子板相連，中部和后部與側(cè)圍搭接，尺寸要求嚴(yán)格，表面質(zhì)量要求高，其成形技術(shù)復(fù)雜，目前國內(nèi)許多模具廠家都具備了車門外板的模具制作能力，但隨著客戶對產(chǎn)品精度和表面質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格，其制作的難度也在逐漸增加。本文將結(jié)合所完成的項(xiàng)目，從車門的功能性、沖壓工藝、CAE分析技術(shù)、造型技術(shù)、調(diào)試等關(guān)鍵技術(shù)方面展開論述。

車門外板功能特點(diǎn)

門外板是汽車覆蓋件中極為重要的部件之一，是車身上的活動部件，是典型的具有復(fù)雜型面的大型A級曲面沖壓件，門外板要求外表面必須光順平滑、棱線清晰、剛性良好，同時由于它與側(cè)圍、頂蓋、后地板及后車燈等零件搭接，因此壓合包邊后的四周外輪廓精度要求較高，公差要求為±0.5mm。隨著汽車設(shè)計質(zhì)量以及安全性能的逐步升級，門外板的材料也在發(fā)生著變化，其對剛性的要求逐步加強(qiáng)，目前更多的門外板開始采用烘烤硬化板，以提高產(chǎn)品的抗凹陷性。

關(guān)鍵技術(shù)分析

落料工藝

對于門外板，一般采用梯形料可以節(jié)省坯料大小。不同產(chǎn)品由于形狀不同，梯形的尺寸和大小也不同，具體需要根據(jù)產(chǎn)品形狀和工藝補(bǔ)充的大小確定。梯形料通常采用擺剪落料，注意一般設(shè)備擺剪落料角度不能超過30°。對于不能采用梯形料或擺剪超過30°的坯料形狀，可以采用無縫排樣的方式節(jié)省材料。

圖1 波浪刀節(jié)省材料的原理

為了進(jìn)一步節(jié)省材料，SGM已經(jīng)開始應(yīng)用和推廣波浪刀，已經(jīng)完成的某項(xiàng)目的后門外板落料模就是這種方式，在排布波浪刀的落料模時需要注意以下幾個事項(xiàng)。一是波浪刀首先符合客戶的標(biāo)準(zhǔn)，其波浪的高度和距離都有相應(yīng)的規(guī)定，這里簡要介紹一下波浪刀的原理和方法。以矩形料為例，如果采用25mm高的波浪刀，通過鋸齒交錯，每張料片可節(jié)約一個鋸齒25mm的寬度，因此具有重要的經(jīng)濟(jì)價值，其原理如圖1所示。

圖2 門外板的定位板

第二個需要注意一模出兩片時在對稱中心旋轉(zhuǎn)的方式，需要保證兩片料的波齒相吻合問題，如果不吻合，鋸齒在拉延模定位板處可能錯位。如圖2所示，圖中的定位板寬度有一定限制，但如果不同料片的波齒位置不同，則會導(dǎo)致定位不穩(wěn)定。同時需要注意的是落料模采用波浪刀，兩片料出料會存在負(fù)角。因此，在某些不影響材料利用率的地方可以采用直刀來做，這樣對于模具的結(jié)構(gòu)和廢料的排出將大有好處，如圖3所示。

圖3 門外板波浪刀式無廢料排樣

沖壓方向的制定

沖壓方向的制定是影響表面質(zhì)量和工序內(nèi)容的最主要因素，沖壓方向制定后原則上不再更改，否則會導(dǎo)致巨大的損失。因此，在收到產(chǎn)品數(shù)模后首先判斷沖壓方向，沖壓方向判斷的幾個原則如下：

圖4 調(diào)試中某項(xiàng)目的門把手缺陷

（1）門把手區(qū)域。車門外板最嚴(yán)重的缺陷會發(fā)生在門把手周圍，由于在成形過程和成形后，門把手凹陷的形狀會導(dǎo)致周圍的應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻，所以會產(chǎn)生通常所謂的“熊耳朵（bear ear）”缺陷，該缺陷發(fā)生于門把手的幾個形狀變化急劇的角部，如圖4所示，雖然門把手缺陷目前還沒有準(zhǔn)確的CAE預(yù)測方法，但如果在制定沖壓方向時不予以充分考慮，后期調(diào)試中將無法解決。從CAE成形過程及理論分析來看，為了保證門把手的表面質(zhì)量，門把手上下兩側(cè)接觸時間盡量相同，日本本田汽車的經(jīng)驗(yàn)中也表明，接觸時間不同會導(dǎo)致門把手區(qū)域周圍應(yīng)變分布不均勻，加大門把手周圍缺陷的產(chǎn)生概率。圖5，6反映了門把手不同時接觸將會導(dǎo)致應(yīng)力分布明顯不均勻。應(yīng)力梯度越大，在載荷釋放后的回彈引起的門把手缺陷將會越明顯。

圖5 門把手兩側(cè)接觸順序不同

圖6 門把手周圍應(yīng)力分布明顯不均

（2）滑移線原則。目前的門外板設(shè)計為了表面美觀性，棱線越來越清晰，許多門外板設(shè)計兩條特征棱線。上海通用和上海大眾逐漸開始追求棱線的零R角，這也對沖壓工藝設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。整車廠在門外板的要求上首先保證主棱線（把手附近）的滑移線在圓角以內(nèi)或小于客戶的標(biāo)準(zhǔn)。輔棱線為次要關(guān)注，應(yīng)盡可能小，通常在10mm左右，而且主棱線和輔棱線滑移方向相反。主棱線和輔棱線的滑移線如圖7所示。在滿足第一和第二原則的前提下基本上可以確定最合適的沖壓方向。

圖7 主棱線和輔棱線的滑移線

（3）closing狀態(tài)。對于CAE分析，一定要將autoform的closing設(shè)置為closing，而不是binder wrap。即在進(jìn)行合攏狀態(tài)分析時，必須采用殼單元對該狀態(tài)進(jìn)行精確分析（對于所有外板和復(fù)雜的壓料面形狀）。合攏狀態(tài)如果不好，可能會對產(chǎn)品的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。從以往的經(jīng)驗(yàn)來看，所開發(fā)的幾個項(xiàng)目中合攏狀態(tài)和拉延成形過程狀態(tài)欠佳，但表面audit并沒有產(chǎn)生問題，但這個狀態(tài)很難把握。因此，建議在沖壓方向、壓料面設(shè)計時消除closing中的缺陷，尤其對于中高檔車更加需要警惕。圖8為CAE階段對closing褶皺的虛擬調(diào)試。圖9為某項(xiàng)目在未關(guān)注褶皺的情況下實(shí)際發(fā)生的情況。

圖8 壓邊圈合攏后不同的結(jié)果

圖9 調(diào)試中某項(xiàng)目合攏的褶皺現(xiàn)象

工藝造型

在沖壓方向確定后首先需要構(gòu)建壓料面，壓料面遵循產(chǎn)品隨形的原則，為提高中間部位的剛度和拉延的延展充分性，中間拉延深度較深，到兩側(cè)逐漸降低，通過CAE分析來預(yù)測初始合模狀態(tài)，并根據(jù)CAE分析判據(jù)不斷進(jìn)行調(diào)整。壓料面形狀盡量采用單曲的型面，單曲的型面可以保證在合攏時板料可以展開，如果采用雙曲的型面，板料在合攏時周向受壓應(yīng)力，控制不好容易影響表面質(zhì)量，同時雙曲的型面不利于板料的充分延展。但若為材料利用率考慮，或由于產(chǎn)品形狀特殊、高低起伏大，為保障合攏的效果，也可以采用雙曲型面，在已經(jīng)完成的兩個項(xiàng)目中，雙曲落差30mm以上，如圖10所示為某車型門外板的雙曲壓料面造型。

圖10 某車型門外板的雙曲壓料面造型

拉延時，應(yīng)在保證表面質(zhì)量的前提下盡量拉延到位，容易開裂的區(qū)域主要為門的車窗封條處，但通常情況下可能犧牲些拉延的延展性，也盡量不要采用整形的工藝，因?yàn)樵撎幒茈y整形到位，會給總裝匹配帶來很多問題。

初始的拉延深度通常采用伸長率進(jìn)行判斷，以分模線為分界，壓邊圈和凹模型面線長設(shè)為L1和L2，采用如下模型進(jìn)行伸長率預(yù)測：

delta=（L2—L1）/L1×100％

delta值在5％～8％之間，關(guān)鍵評價指標(biāo)還是主要看減薄率和主應(yīng)變、次應(yīng)變等是否滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。斷面示意見圖11。

圖11 拉延成形過程的斷面

門外板類零件屬于淺拉延淺成形方式，即脹形工藝，拉延筋采用方筋盡量鎖死，限制材料的流動。但在采用方筋時需要注意，如果采用開放式拉延筋，其對成形過程的質(zhì)量會產(chǎn)生影響，如圖12所示。原始拉延筋采用開放式，并且不光順，壓邊圈合攏后和拉延的初期會產(chǎn)生褶皺，對拉延筋進(jìn)行光順后，有些改善但并不能消除，采用封閉式拉延筋后明顯改善。因此，在拐角處設(shè)計拉延筋時要根據(jù)產(chǎn)品、壓料面和造型等確定拉延筋的形式。

圖12 不同拉延筋形式對成形過程的影響

結(jié)束語

車門外板是典型的淺拉延覆蓋件，由于外觀表面質(zhì)量要求高，需要對板料進(jìn)行充分的塑性變形。本文結(jié)合作者多年的CAE工作經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究成果，從車門外板的功能性特點(diǎn)，沖壓工藝設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了分析，為企業(yè)開發(fā)門外板類覆蓋件，沖壓工藝工程師、CAE分析工程師在工業(yè)中應(yīng)用模擬軟件提供了幫助。

李玉強(qiáng)，博士。工藝與CAE分析科科長，負(fù)責(zé)汽車覆蓋件沖壓工藝規(guī)劃和設(shè)計，產(chǎn)品成形性的CAE預(yù)測與驗(yàn)證，模具的精細(xì)加工，數(shù)模造型以及沖壓成形技術(shù)開發(fā)等工作。