基于CAE的汽车外覆盖件A面凹陷分析及解决方案

文/曹根明，艾卫东・江铃汽车股份有限公司冲压厂技术科

基于CAE的汽车外覆盖件A面凹陷分析及解决方案

文/曹根明，艾卫东・江铃汽车股份有限公司冲压厂技术科

外覆盖零件A面易产生凹陷，使用CAE软件分析其产生凹陷的塑性参数的变化过程，总结缺陷产生原因，推断出缺陷解决方案,以减少后期产品设计缺陷，提高工艺可行性，达到提高工作效率，缩短产品开发周期的目的。

随着汽车行业的飞速发展，对汽车外观的质量要求也越来越高。近年来，在CAE等模拟技术的辅助下，业内已能够在开模之前对产品的起皱、缩破、冲击线、滑移线等缺陷进行有效的分析和控制。目前，各CAE软件还没有具体的结果参数能定性、定量的判断外板件表面是否会产生凹陷或鼓包等缺陷（以下统称凹陷），也就无法从早期工艺设计阶段分析并防止凹陷的产生。给开发后期制造、调试带来了很多质量问题，影响开发周期。

本文根据外覆盖件的实际制造、调试过程中的案例，针对凹陷产生的具体位置，通过CAE模拟其成形过程，分析凹陷产生位置的各项塑性指数、材料流动过程等，总结外板件凹陷易生区域的形状特点、产生原因及常用解决方案。

凹陷产生的原因与解决方案

凹陷，是指在外板件上一种周围高中间低的面部缺陷。由于汽车外观的多样化、个性化，每个零件都有其独特的工艺特点。在模具工法设计过程中，考虑不够周全易造成零件的各种外观缺陷。

产品本身的凹陷

作为汽车外覆盖件的前期工艺人员，在得到产品数模后首先就是要在CAD软件中对产品数模进行分析。检查产品数模本身是否有曲率不连续、高低点等现象，如发现问题应首先通知产品设计人员修改产品直至合格。如图1所示，利用UG NX6.0曲面反射分析JMC某前围上部外板，结果显示图1a斑马线产生折角，此处曲率不连续必有缺陷产生，图1b处斑马线走向圆滑、顺畅，产品合格。

图1 利用UG NX6.0 曲面反射分析JMC某前围上部外板

零件拉延工艺过程产生的凹陷

汽车外板件基本都是由复杂的空间A级曲面组成，拉延工序在整个成形过程占主导地位，其成形过程中产生的凹陷，往往无法通过后序挽回，所以在拉延工序对凹陷的控制极为重要。

⑴材料成形后A面有负应变导致凹陷。对外板件拉延模的CAE模拟，在解决破裂、起皱等问题后则需立即关注A面的主副应变情况。由于冲压件对失稳十分敏感，一旦A面有负应变，则极易产生凹陷。因此必须控制好各个方向的拉伸力以避免负应变的产生。在Auto Form软件中可以通过主副应变云图和FLD查看A面的应变状况，如图2所示，在FLD中必须保证A面上的点不能出现在负应变区域。现有的判定原则是主应变＋副应变不小于3%，主应变不小于0.02，副应变大于0。有的厂家甚至要求A面的副应变必须大于某一正值。

图2 主副应变云图和FLD

⑵棱线滑移流入A面产生的凹陷。材料在成形出凸模R角后产生加工硬化，该硬化线如果随着拉延走料流入A面则很容易在A面出现凹陷。利用Auto Form软件skidimpact line 功能对某外板件模拟分析（图3），发现板料在接触凸模R角与A面的切线后继续向内流动导致凹陷。为解决此问题，将该侧拉延筋改为方筋（图4），硬化线沿着相反的方向流动，实际调试后凹陷问题得以解决。

⑶轮廓线凹入部位A面易生凹陷。如图5所示，该形状的成形已经不是简单的拉延，也伴随着伸长、弯曲、胀形等变形过程。伸长使料厚变薄，材料更易流入凸模内，A面上的材料沿着轮廓线不均匀的滑入立面。可以比较直观的看出线2相对线1缩短。因此，不均匀的应变将使凸模表面失稳产生凹陷。且随着轮廓线弯曲的程度越大、棱线圆角越小、台阶深度越深，凹陷越明显，该问题普遍产生于车门把手、侧围三角窗等部位附近，如图6所示。

图3 skidimpact line 功能对某外板件模拟分析

图4 侧拉延筋改为方筋

图5 拉延同时伴随其他缺陷产生

针对以上情况，具体解决方案为：1)如果该处台阶深度浅、棱线弯曲程度不大，则通过加大与凹陷形状垂直方向的拉伸力或从工艺上通过过拉延放大棱线R角，可以有效减小凹陷的程度；2)当台阶深度深，棱线弯曲程度大的时候，仅仅通过加大压边力并不能解决凹陷问题，此时可以在凹陷产生区域的凹模上做料厚0～0.1过渡性的强压，图7为某门把手处的强压处理；3)更改产品造型，在截面上增加一层台阶，如图8所示，从而减少对A面产生直接影响的拉延深度，并且利用台阶牵扯A面的材料以消除凹陷；4)在门把手区域，冲压方向也要充分考虑，应使门把手的上下、前后两侧尽量同时接触。在本田汽车冲压件的生产经验也表明，接触的时间不同会导致门把手区域周围应变分布不均匀，会加大门把手周围缺陷的产生概率。

图6 凹陷产生于门把手和侧围三角窗

图7 某门把手处的强压处理

图8 在截面上增加一层台阶

⑷离管理面远，并与立面相接的A面上易生凹陷。如图9所示，该类形状的特点是：离管理面即分模线比较远；图示a处圆角很小 R≤R6；b处立面拔模角很小，基本为零；c处A面基本垂直冲压方向。图10为采用Auto Form软件壳单元，对该形状类型的零件进行模拟。由于离分模线远，管理面对R角以上的材料控制力会相对削减，板料在接触R角的时候A面会产生翘曲，如图10a所示，且当上模继续成形出立面后，A面的翘曲会更加严重(图10b)，最后在下死点发生翘曲的部位无法直接拍平，残余应力将导致凹陷的产生。

图9 离管理面远并与立面相接的A面的形状

图10 板料在接触R角产生缺陷

针对板料在R角处发生翘曲而导致凹陷的成形特点，可以从两方面考虑：一是使c处材料在b立面形成前得到充分拉延，具备足够张力，以减少翘曲;二是 b处立面出现后增加材料流动性，使c处翘曲的材料得到充分延展。

根据以上思路，具体解决方案为：1)将该形状特点对应的拉延筋采用方筋或双拉延筋，以在不破裂的前提下使材料流动量降到最小；2)合理设置工艺补充和冲压方向，使该区域尽早接触板料，便于材料在立面成形前得到充分拉延；3)在零件以外的区域增加反拉延槛，强行向A面要料，使A面充分拉延消除凹陷。

零件翻边、整形工艺过程产生的凹陷

翻边整形往往是由于拉延无法直接到位而采取的补救措施，但翻边整形工序是在单向压边的情况下采用刀块将材料变形、流动。这必然使材料的应变不均匀，对于外板件而言，很容易导致A面缺陷。

⑴过拉延处错误的整形方向将导致A面凹陷。如图11所示，在整形工艺中采用侧整，该方案可以有效解决拉伤和立面回弹问题，但也必然会将材料向A面挤压导致凹陷。对于此类做了过拉延的外板件，整形工艺应尽量避免侧整，若必须采用侧整则不得做过拉延。

图11 过拉延处错误的整形方向将导致A面凹陷

⑵弧形翻边线上错误的翻边顺序容易产生凹陷。外板件在弧形翻边线上翻边且翻边深度偏深时，经常会在产品翻边线的顶部出现凹陷，或由于翻边应力释放导致零件尺寸不合格等问题。该问题的解决主要取决于工艺缺口布置的合理性和翻边的先后顺序，在工艺缺口方面，可以采用CAE软件进行精确的计算，确保翻边面不会有多料现象。

在翻边先后顺序方面则取决于刀块的形状，若采用的翻边刀块为直线（图12a），最高点先到位，在陆续往低点翻边过程刀块便无法将材料驱向顶点的工艺缺口处。多料将导致周边的料将顶点的材料向下扯动，从而导致凹陷；而当翻边刀块随形时（图12b），由于整个翻边线同时接触发生变形，材料的翻边面将整体均匀处于聚料状态，外力释放后将必然导致零件的回弹；正确的翻边顺序应当由两端先翻，中间工艺缺口处最后翻（图12c），并建议翻边的落差为一个材料的厚度。该翻边过程将促使材料由两端向中间的工艺缺口处流动，最后消失在缺口最深的地方，从而减少翻边面的聚料状况，解决了凹陷问题并保证了零件尺寸。

⑶整形立面上有凸包的存在将导致A面凹陷。对于立面上有凸包的零件，工艺上由于拉延负角等原因，凸包必须由整形实现，从而在拉延模做过拉延便于后序整形。但如果过拉延的工艺面做的不合理，仅简单的偏出一个面，在整形过程中，凸包将使材料纵向伸长，必然对A面材料产生牵扯应力，很容易导致A面的凹陷。为了消除凸包对A面的扯动，可以通过CAE计算在拉延模上先成形出与凸包具有相等材料量的轮廓。从而在整形过程中，轮廓保证了成形凸包所需的材料，便不再对A面产生影响，解决凹陷。

⑷法兰整形上有台阶易导致A面凹陷。工艺上如果需要对法兰进行整形且连接法兰与A面的立面很短，此时如若法兰上需要整形出台阶则在整形过程中台阶处的材料将进行伸展变形，该伸展将牵扯A面的材料，使台阶的正上方产生凹陷。

解决方案：为了避免牵扯力的产生，可以通过CAE计算在台阶处做相应的隆起，并使隆起量等于整形过程中材料的变形量，从而解决凹陷。

模具制造过程中的凹陷

外板件模具在制造过程中对环境、加工设备、人工都有非常严格的要求，空气中的粉尘度、加工设备的精度、钳工抛光的油石走向都可能是造成凹陷的原因。因此外板件在加工、装配过程中，工厂应进行严格的过程控制。

图12 翻边先后顺序取决于刀块的形状

结束语

本文总结了外板件在冲压加工过程中产生凹陷的形状特点及解决方案，为今后工艺设计积累经验，避免了类似问题的发生。真正完美的设计是由人脑完成，特别是靠人的经验积累。而经验的积累是要付出代价的，在模具加工装配完成之后，初次试模缺陷应该记录下来。最后的修整结果，像拉延筋、拉延圆角的变动，模面、压料面间隙的调整等，都需要进行现场测量。这些资料的整理、分析、存档，都是设计者经验的积累，并随时加入到以后的设计当中去。