车门外覆盖件冲压与CAE分析关键技术

2012-09-14李玉强田华张胜华张远董剑安须俊华上海赛科利汽车模具技术应用有限公司

锻造与冲压 2012年2期

文/李玉强，田华，张胜华，张远，董剑安，须俊华·上海赛科利汽车模具技术应用有限公司

车门外覆盖件冲压与CAE分析关键技术

文/李玉强，田华，张胜华，张远，董剑安，须俊华·上海赛科利汽车模具技术应用有限公司

车门外板是车身覆盖件中最重要的零部件之一，在车身的外观质量中，承前启后，前部和翼子板相连，中部和后部与侧围搭接，尺寸要求严格，表面质量要求高，其成形技术复杂，目前国内许多模具厂家都具备了车门外板的模具制作能力，但随着客户对产品精度和表面质量的要求越来越严格，其制作的难度也在逐渐增加。本文将结合所完成的项目，从车门的功能性、冲压工艺、CAE分析技术、造型技术、调试等关键技术方面展开论述。

车门外板功能特点

门外板是汽车覆盖件中极为重要的部件之一，是车身上的活动部件，是典型的具有复杂型面的大型A级曲面冲压件，门外板要求外表面必须光顺平滑、棱线清晰、刚性良好，同时由于它与侧围、顶盖、后地板及后车灯等零件搭接，因此压合包边后的四周外轮廓精度要求较高，公差要求为±0.5mm。随着汽车设计质量以及安全性能的逐步升级，门外板的材料也在发生着变化，其对刚性的要求逐步加强，目前更多的门外板开始采用烘烤硬化板，以提高产品的抗凹陷性。

关键技术分析

落料工艺

对于门外板，一般采用梯形料可以节省坯料大小。不同产品由于形状不同，梯形的尺寸和大小也不同，具体需要根据产品形状和工艺补充的大小确定。梯形料通常采用摆剪落料，注意一般设备摆剪落料角度不能超过30°。对于不能采用梯形料或摆剪超过30°的坯料形状，可以采用无缝排样的方式节省材料。

图1 波浪刀节省材料的原理

为了进一步节省材料，SGM已经开始应用和推广波浪刀，已经完成的某项目的后门外板落料模就是这种方式，在排布波浪刀的落料模时需要注意以下几个事项。一是波浪刀首先符合客户的标准，其波浪的高度和距离都有相应的规定，这里简要介绍一下波浪刀的原理和方法。以矩形料为例，如果采用25mm高的波浪刀，通过锯齿交错，每张料片可节约一个锯齿25mm的宽度，因此具有重要的经济价值，其原理如图1所示。

图2 门外板的定位板

第二个需要注意一模出两片时在对称中心旋转的方式，需要保证两片料的波齿相吻合问题，如果不吻合，锯齿在拉延模定位板处可能错位。如图2所示，图中的定位板宽度有一定限制，但如果不同料片的波齿位置不同，则会导致定位不稳定。同时需要注意的是落料模采用波浪刀，两片料出料会存在负角。因此，在某些不影响材料利用率的地方可以采用直刀来做，这样对于模具的结构和废料的排出将大有好处，如图3所示。

图3 门外板波浪刀式无废料排样

冲压方向的制定

冲压方向的制定是影响表面质量和工序内容的最主要因素，冲压方向制定后原则上不再更改，否则会导致巨大的损失。因此，在收到产品数模后首先判断冲压方向，冲压方向判断的几个原则如下：

图4 调试中某项目的门把手缺陷

（1）门把手区域。车门外板最严重的缺陷会发生在门把手周围，由于在成形过程和成形后，门把手凹陷的形状会导致周围的应力应变分布不均匀，所以会产生通常所谓的“熊耳朵（bear ear）”缺陷，该缺陷发生于门把手的几个形状变化急剧的角部，如图4所示，虽然门把手缺陷目前还没有准确的CAE预测方法，但如果在制定冲压方向时不予以充分考虑，后期调试中将无法解决。从CAE成形过程及理论分析来看，为了保证门把手的表面质量，门把手上下两侧接触时间尽量相同，日本本田汽车的经验中也表明，接触时间不同会导致门把手区域周围应变分布不均匀，加大门把手周围缺陷的产生概率。图5，6反映了门把手不同时接触将会导致应力分布明显不均匀。应力梯度越大，在载荷释放后的回弹引起的门把手缺陷将会越明显。

图5 门把手两侧接触顺序不同

图6 门把手周围应力分布明显不均

（2）滑移线原则。目前的门外板设计为了表面美观性，棱线越来越清晰，许多门外板设计两条特征棱线。上海通用和上海大众逐渐开始追求棱线的零R角，这也对冲压工艺设计带来挑战。整车厂在门外板的要求上首先保证主棱线（把手附近）的滑移线在圆角以内或小于客户的标准。辅棱线为次要关注，应尽可能小，通常在10mm左右，而且主棱线和辅棱线滑移方向相反。主棱线和辅棱线的滑移线如图7所示。在满足第一和第二原则的前提下基本上可以确定最合适的冲压方向。

图7 主棱线和辅棱线的滑移线

（3）closing状态。对于CAE分析，一定要将autoform的closing设置为closing，而不是binder wrap。即在进行合拢状态分析时，必须采用壳单元对该状态进行精确分析（对于所有外板和复杂的压料面形状）。合拢状态如果不好，可能会对产品的表面质量产生影响。从以往的经验来看，所开发的几个项目中合拢状态和拉延成形过程状态欠佳，但表面audit并没有产生问题，但这个状态很难把握。因此，建议在冲压方向、压料面设计时消除closing中的缺陷，尤其对于中高档车更加需要警惕。图8为CAE阶段对closing褶皱的虚拟调试。图9为某项目在未关注褶皱的情况下实际发生的情况。

图8 压边圈合拢后不同的结果

图9 调试中某项目合拢的褶皱现象

工艺造型

在冲压方向确定后首先需要构建压料面，压料面遵循产品随形的原则，为提高中间部位的刚度和拉延的延展充分性，中间拉延深度较深，到两侧逐渐降低，通过CAE分析来预测初始合模状态，并根据CAE分析判据不断进行调整。压料面形状尽量采用单曲的型面，单曲的型面可以保证在合拢时板料可以展开，如果采用双曲的型面，板料在合拢时周向受压应力，控制不好容易影响表面质量，同时双曲的型面不利于板料的充分延展。但若为材料利用率考虑，或由于产品形状特殊、高低起伏大，为保障合拢的效果，也可以采用双曲型面，在已经完成的两个项目中，双曲落差30mm以上，如图10所示为某车型门外板的双曲压料面造型。

图10 某车型门外板的双曲压料面造型

拉延时，应在保证表面质量的前提下尽量拉延到位，容易开裂的区域主要为门的车窗封条处，但通常情况下可能牺牲些拉延的延展性，也尽量不要采用整形的工艺，因为该处很难整形到位，会给总装匹配带来很多问题。

初始的拉延深度通常采用伸长率进行判断，以分模线为分界，压边圈和凹模型面线长设为L1和L2，采用如下模型进行伸长率预测：

delta=（L2—L1）/L1×100％

delta值在5％～8％之间，关键评价指标还是主要看减薄率和主应变、次应变等是否满足设计标准。断面示意见图11。

图11 拉延成形过程的断面

门外板类零件属于浅拉延浅成形方式，即胀形工艺，拉延筋采用方筋尽量锁死，限制材料的流动。但在采用方筋时需要注意，如果采用开放式拉延筋，其对成形过程的质量会产生影响，如图12所示。原始拉延筋采用开放式，并且不光顺，压边圈合拢后和拉延的初期会产生褶皱，对拉延筋进行光顺后，有些改善但并不能消除，采用封闭式拉延筋后明显改善。因此，在拐角处设计拉延筋时要根据产品、压料面和造型等确定拉延筋的形式。