轎車車門外板門把手成形研究

文/冉英超·保定市精工汽車模具技術(shù)有限公司

轎車車門外板門把手成形研究

文/冉英超·保定市精工汽車模具技術(shù)有限公司

作者：冉英超

車門外板是車身的重要外覆蓋件，對(duì)沖壓成形后的外觀質(zhì)量有十分嚴(yán)格的要求。然而車門外板在成形過(guò)程中，因凸凹模間的壓力不均，造成鋼板在模具型腔內(nèi)異向流動(dòng)，外力卸載后或后工序加工后造成制件局部輕微回彈，尤其是門把手部位，鋼板回彈對(duì)制件造成了較大的表面質(zhì)量缺陷。研究車門外板門把手的成形過(guò)程，拉伸成形時(shí)壓力不足或不均，是造成車門把手處表面質(zhì)量缺陷的重要原因之一。

筆者根據(jù)門把手周圍的材料成形變化，確定門把手周圍的凸凹模間隙，并通過(guò)少量研合實(shí)現(xiàn)模面局部強(qiáng)壓，完成對(duì)鋼板形狀的最終塑造，減輕了鋼板塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生的回彈及拉伸不均導(dǎo)致的表面質(zhì)量缺陷，提升了制件表面質(zhì)量。最后結(jié)合工程實(shí)例，驗(yàn)證了此工藝方法在提高轎車車門外板門把手部位表面質(zhì)量的可行性，為其他轎車車門外板門把手部位的品質(zhì)提升提供了借鑒。

回彈缺陷產(chǎn)生

車門外板是一種平坦的淺拉伸件，裙線以上全部要求達(dá)到A級(jí)曲面質(zhì)量，外表面要求光順平滑，棱線清晰，無(wú)凹坑、凸起，無(wú)不良漫反射，無(wú)變形等表面質(zhì)量缺陷。車門外板門把手部位制件形狀復(fù)雜、棱線豐富，棱線R角一般較小，成形時(shí)容易造成應(yīng)力分布不均導(dǎo)致鋼板拉伸時(shí)受力失衡，在外力卸載后制件局部回彈，產(chǎn)生表面質(zhì)量缺陷。經(jīng)油石檢查，如圖1所示，回彈的產(chǎn)生嚴(yán)重影響車身表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率，是車門外板表面質(zhì)量控制的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

圖1 門把手周圍缺陷

回彈缺陷分析

本公司開發(fā)制造的某轎車車門外板，材質(zhì)為B180H1FD，料厚為0.7mm，門把手部位成形深度達(dá)18mm，鋼板在模具內(nèi)成形時(shí)門把手部位先行觸料，此時(shí)鋼板處于半自由狀態(tài)。在拉應(yīng)力的作用下，鋼板的料厚方向受到外力的壓縮作用及凸緣部分的切向壓應(yīng)力作用，鋼板局部變化劇烈，在成形過(guò)程中因產(chǎn)品形狀的限制很難做到拉應(yīng)力的均勻?qū)ΨQ分布，在R角部位出現(xiàn)翹曲造成門把手周圍材料變化不均，在材料厚度減薄的部分形成了更大的間隙，材料處于微自由狀態(tài)。外力去除后破壞了成形時(shí)的基本應(yīng)力平衡，鋼板成形受到的內(nèi)應(yīng)力開始釋放，經(jīng)后工序加工后更加劇了制件表面的微小回彈。一般而言，材料變形引起的起伏變化超過(guò)0.03mm時(shí)就能夠被人手感知，形成表面質(zhì)量缺陷。由此可見，除必要的沖壓工藝設(shè)計(jì)外，回彈是造成門把手處表面質(zhì)量缺陷的主要原因之一。

完善的沖壓工藝對(duì)提升車門外板的表面質(zhì)量具有十分重要的作用，車門外板的沖壓工藝相關(guān)的文章很多，本文不再贅述，只分析門把手處成形的鋼板變形過(guò)程。薄鋼板在模具中成形主要是靠模具型腔的凸特征成形，薄鋼板的等效應(yīng)力－應(yīng)變曲線遵循Hosford屈服準(zhǔn)則。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定薄鋼板在不同加載比例下的等效應(yīng)力－等效應(yīng)變曲線。在外力卸載后，成形過(guò)程中存儲(chǔ)的彈性變形能釋放出來(lái)，引發(fā)內(nèi)應(yīng)力的重組，進(jìn)而導(dǎo)致零件整體形狀或微形狀的改變，形成回彈，如圖2所示。

圖2 回彈模型

圖3 各次調(diào)試對(duì)比

回彈是彎曲卸載過(guò)程產(chǎn)生的反向彈性變形，產(chǎn)生回彈的主要原因有板厚方向應(yīng)力差、塑性變形太小、縱斷面的剪切應(yīng)力和殘余應(yīng)力等。影響回彈的因素還有變形性質(zhì)與變形分布、沖壓件結(jié)構(gòu)、材料性能、模具凸凹模間隙、壓邊力、潤(rùn)滑等。一般來(lái)說(shuō)，回彈變形隨著板料厚度t以及屈服極限的增大而增大，隨著彈性模量和塑性模量、硬化指數(shù)n的增大而減小。板材回彈的經(jīng)典計(jì)算公式為：

Δk=1/R-1/Rs=12M（1-υ2）/（Et3）

式中，Δk——曲率變化量；

R——回彈前中面半徑；

Rs——回彈后中面半徑；

E——彈性模量；

υ——泊松比；

t——回彈前板材厚度；

M——回彈前板內(nèi)彎矩，由截面縱向應(yīng)力分布確定。

在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于沖壓件結(jié)構(gòu)、材料等由整車廠選定，作為模具供應(yīng)商除合理的沖壓工藝設(shè)計(jì)外，一般采用改善模具凸凹模間隙、壓邊力、潤(rùn)滑等條件來(lái)實(shí)現(xiàn)回彈的控制，本文將重點(diǎn)放在較難控制的凸凹模間隙上。

缺陷的解決措施與驗(yàn)證

從20世紀(jì)70年代，有限元分析方法開始應(yīng)用于板料成形領(lǐng)域到現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用了40多年時(shí)間，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)及沖壓技術(shù)的快速發(fā)展，有限元模擬分析已經(jīng)能夠?qū)?shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)計(jì)算依據(jù)。

根據(jù)CAE模擬分析結(jié)果并結(jié)合制件實(shí)際狀況，確定補(bǔ)償模型和調(diào)整凹模局部間隙，實(shí)現(xiàn)鋼板在模具型腔內(nèi)成形時(shí)的合理間隙及局部強(qiáng)壓，控制材料流動(dòng)及回彈的方向與位置。為保證實(shí)驗(yàn)的有效性，每次間隙調(diào)整全部用高精尖的數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行加工，再由經(jīng)驗(yàn)豐富的鉗工進(jìn)行推光、研合后上壓力機(jī)驗(yàn)證。經(jīng)多次間隙及位置調(diào)整，調(diào)試驗(yàn)證后制件的實(shí)際效果如圖3a、b、c、d所示，比較可見模面間隙的調(diào)整對(duì)抑制回彈、改善制件表面質(zhì)量缺陷起到積極作用。其中圖3d制件表面質(zhì)量缺陷得到了顯著改觀，基本消除了涂裝刮灰等后序處理，其補(bǔ)償方案如圖4所示。

圖4 最終補(bǔ)償方案

結(jié)束語(yǔ)

鋼板在模具中成形是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，本文通過(guò)調(diào)整車門外板門把手周圍凸凹模間隙控制板料在模具型腔成形過(guò)程中的局部壓力，實(shí)現(xiàn)材料的合理流動(dòng)，減輕回彈的方法，為提高車門外板的表面質(zhì)量開辟了一條很好的道路。并且，通過(guò)數(shù)控加工降低對(duì)鉗工技能的依賴，有利于總結(jié)車門外板的成形技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，顯著地提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省成本。實(shí)踐證明，該車門外板模具投入生產(chǎn)一年多來(lái)制件品質(zhì)穩(wěn)定，通過(guò)光照檢測(cè)和油石打磨的檢測(cè)方法，門把手部位表面質(zhì)量缺陷出現(xiàn)明顯的改觀，省去了刮灰工序，達(dá)到了預(yù)期目的，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。