車門外覆蓋件沖壓與CAE分析關鍵技術

文/李玉強，田華，張勝華，張遠，董劍安，須俊華·上海賽科利汽車模具技術應用有限公司

車門外覆蓋件沖壓與CAE分析關鍵技術

文/李玉強，田華，張勝華，張遠，董劍安，須俊華·上海賽科利汽車模具技術應用有限公司

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

車門外板功能特點

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。隨著汽車設計質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，目前更多的門外板開始采用烘烤硬化板，以提高產品的抗凹陷性。

關鍵技術分析

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)產品形狀和工藝補充的大小確定。梯形料通常采用擺剪落料，注意一般設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

為了進一步節(jié)省材料，SGM已經開始應用和推廣波浪刀，已經完成的某項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。一是波浪刀首先符合客戶的標準，其波浪的高度和距離都有相應的規(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，因此具有重要的經濟價值，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，這樣對于模具的結構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量和工序內容的最主要因素，沖壓方向制定后原則上不再更改，否則會導致巨大的損失。因此，在收到產品數(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 調試中某項目的門把手缺陷

（1）門把手區(qū)域。車門外板最嚴重的缺陷會發(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致周圍的應力應變分布不均勻，所以會產生通常所謂的“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確的CAE預測方法，但如果在制定沖壓方向時不予以充分考慮，后期調試中將無法解決。從CAE成形過程及理論分析來看，為了保證門把手的表面質量，門把手上下兩側接觸時間盡量相同，日本本田汽車的經驗中也表明，接觸時間不同會導致門把手區(qū)域周圍應變分布不均勻，加大門把手周圍缺陷的產生概率。圖5，6反映了門把手不同時接觸將會導致應力分布明顯不均勻。應力梯度越大，在載荷釋放后的回彈引起的門把手缺陷將會越明顯。

圖5 門把手兩側接觸順序不同

圖6 門把手周圍應力分布明顯不均

（2）滑移線原則。目前的門外板設計為了表面美觀性，棱線越來越清晰，許多門外板設計兩條特征棱線。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或小于客戶的標準。輔棱線為次要關注，應盡可能小，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設置為closing，而不是binder wrap。即在進行合攏狀態(tài)分析時，必須采用殼單元對該狀態(tài)進行精確分析（對于所有外板和復雜的壓料面形狀）。合攏狀態(tài)如果不好，可能會對產品的表面質量產生影響。從以往的經驗來看，所開發(fā)的幾個項目中合攏狀態(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褶皺的虛擬調試。圖9為某項目在未關注褶皺的情況下實際發(fā)生的情況。

圖8 壓邊圈合攏后不同的結果

圖9 調試中某項目合攏的褶皺現(xiàn)象

工藝造型

在沖壓方向確定后首先需要構建壓料面，壓料面遵循產品隨形的原則，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，到兩側逐漸降低，通過CAE分析來預測初始合模狀態(tài)，并根據(jù)CAE分析判據(jù)不斷進行調整。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力，控制不好容易影響表面質量，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，在已經完成的兩個項目中，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，應在保證表面質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，因為該處很難整形到位，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行判斷，以分模線為分界，壓邊圈和凹模型面線長設為L1和L2，采用如下模型進行伸長率預測：

delta=（L2—L1）/L1×100％

delta值在5％～8％之間，關鍵評價指標還是主要看減薄率和主應變、次應變等是否滿足設計標準。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，其對成形過程的質量會產生影響，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生褶皺，對拉延筋進行光順后，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，在拐角處設計拉延筋時要根據(jù)產品、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

結束語

車門外板是典型的淺拉延覆蓋件，由于外觀表面質量要求高，需要對板料進行充分的塑性變形。本文結合作者多年的CAE工作經驗和國內外相關技術研究成果，從車門外板的功能性特點，沖壓工藝設計的關鍵技術方面進行了分析，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)中應用模擬軟件提供了幫助。

李玉強，博士。工藝與CAE分析科科長，負責汽車覆蓋件沖壓工藝規(guī)劃和設計，產品成形性的CAE預測與驗證，模具的精細加工，數(shù)模造型以及沖壓成形技術開發(fā)等工作。