基于CAE的汽車外覆蓋件A面凹陷分析及解決方案

文/曹根明，艾衛(wèi)東?江鈴汽車股份有限公司沖壓廠技術(shù)科

基于CAE的汽車外覆蓋件A面凹陷分析及解決方案

文/曹根明，艾衛(wèi)東?江鈴汽車股份有限公司沖壓廠技術(shù)科

外覆蓋零件A面易產(chǎn)生凹陷，使用CAE軟件分析其產(chǎn)生凹陷的塑性參數(shù)的變化過(guò)程，總結(jié)缺陷產(chǎn)生原因，推斷出缺陷解決方案,以減少后期產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，提高工藝可行性，達(dá)到提高工作效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的目的。

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)汽車外觀的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，在CAE等模擬技術(shù)的輔助下，業(yè)內(nèi)已能夠在開(kāi)模之前對(duì)產(chǎn)品的起皺、縮破、沖擊線、滑移線等缺陷進(jìn)行有效的分析和控制。目前，各CAE軟件還沒(méi)有具體的結(jié)果參數(shù)能定性、定量的判斷外板件表面是否會(huì)產(chǎn)生凹陷或鼓包等缺陷（以下統(tǒng)稱凹陷），也就無(wú)法從早期工藝設(shè)計(jì)階段分析并防止凹陷的產(chǎn)生。給開(kāi)發(fā)后期制造、調(diào)試帶來(lái)了很多質(zhì)量問(wèn)題，影響開(kāi)發(fā)周期。

本文根據(jù)外覆蓋件的實(shí)際制造、調(diào)試過(guò)程中的案例，針對(duì)凹陷產(chǎn)生的具體位置，通過(guò)CAE模擬其成形過(guò)程，分析凹陷產(chǎn)生位置的各項(xiàng)塑性指數(shù)、材料流動(dòng)過(guò)程等，總結(jié)外板件凹陷易生區(qū)域的形狀特點(diǎn)、產(chǎn)生原因及常用解決方案。

凹陷產(chǎn)生的原因與解決方案

凹陷，是指在外板件上一種周圍高中間低的面部缺陷。由于汽車外觀的多樣化、個(gè)性化，每個(gè)零件都有其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)。在模具工法設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮不夠周全易造成零件的各種外觀缺陷。

產(chǎn)品本身的凹陷

作為汽車外覆蓋件的前期工藝人員，在得到產(chǎn)品數(shù)模后首先就是要在CAD軟件中對(duì)產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行分析。檢查產(chǎn)品數(shù)模本身是否有曲率不連續(xù)、高低點(diǎn)等現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)首先通知產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員修改產(chǎn)品直至合格。如圖1所示，利用UG NX6.0曲面反射分析JMC某前圍上部外板，結(jié)果顯示圖1a斑馬線產(chǎn)生折角，此處曲率不連續(xù)必有缺陷產(chǎn)生，圖1b處斑馬線走向圓滑、順暢，產(chǎn)品合格。

圖1 利用UG NX6.0 曲面反射分析JMC某前圍上部外板

零件拉延工藝過(guò)程產(chǎn)生的凹陷

汽車外板件基本都是由復(fù)雜的空間A級(jí)曲面組成，拉延工序在整個(gè)成形過(guò)程占主導(dǎo)地位，其成形過(guò)程中產(chǎn)生的凹陷，往往無(wú)法通過(guò)后序挽回，所以在拉延工序?qū)Π枷莸目刂茦O為重要。

⑴材料成形后A面有負(fù)應(yīng)變導(dǎo)致凹陷。對(duì)外板件拉延模的CAE模擬，在解決破裂、起皺等問(wèn)題后則需立即關(guān)注A面的主副應(yīng)變情況。由于沖壓件對(duì)失穩(wěn)十分敏感，一旦A面有負(fù)應(yīng)變，則極易產(chǎn)生凹陷。因此必須控制好各個(gè)方向的拉伸力以避免負(fù)應(yīng)變的產(chǎn)生。在Auto Form軟件中可以通過(guò)主副應(yīng)變?cè)茍D和FLD查看A面的應(yīng)變狀況，如圖2所示，在FLD中必須保證A面上的點(diǎn)不能出現(xiàn)在負(fù)應(yīng)變區(qū)域?，F(xiàn)有的判定原則是主應(yīng)變＋副應(yīng)變不小于3%，主應(yīng)變不小于0.02，副應(yīng)變大于0。有的廠家甚至要求A面的副應(yīng)變必須大于某一正值。

圖2 主副應(yīng)變?cè)茍D和FLD

⑵棱線滑移流入A面產(chǎn)生的凹陷。材料在成形出凸模R角后產(chǎn)生加工硬化，該硬化線如果隨著拉延走料流入A面則很容易在A面出現(xiàn)凹陷。利用Auto Form軟件skidimpact line 功能對(duì)某外板件模擬分析（圖3），發(fā)現(xiàn)板料在接觸凸模R角與A面的切線后繼續(xù)向內(nèi)流動(dòng)導(dǎo)致凹陷。為解決此問(wèn)題，將該側(cè)拉延筋改為方筋（圖4），硬化線沿著相反的方向流動(dòng)，實(shí)際調(diào)試后凹陷問(wèn)題得以解決。

⑶輪廓線凹入部位A面易生凹陷。如圖5所示，該形狀的成形已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的拉延，也伴隨著伸長(zhǎng)、彎曲、脹形等變形過(guò)程。伸長(zhǎng)使料厚變薄，材料更易流入凸模內(nèi)，A面上的材料沿著輪廓線不均勻的滑入立面?？梢员容^直觀的看出線2相對(duì)線1縮短。因此，不均勻的應(yīng)變將使凸模表面失穩(wěn)產(chǎn)生凹陷。且隨著輪廓線彎曲的程度越大、棱線圓角越小、臺(tái)階深度越深，凹陷越明顯，該問(wèn)題普遍產(chǎn)生于車門把手、側(cè)圍三角窗等部位附近，如圖6所示。

圖3 skidimpact line 功能對(duì)某外板件模擬分析

圖4 側(cè)拉延筋改為方筋

圖5 拉延同時(shí)伴隨其他缺陷產(chǎn)生

針對(duì)以上情況，具體解決方案為：1)如果該處臺(tái)階深度淺、棱線彎曲程度不大，則通過(guò)加大與凹陷形狀垂直方向的拉伸力或從工藝上通過(guò)過(guò)拉延放大棱線R角，可以有效減小凹陷的程度；2)當(dāng)臺(tái)階深度深，棱線彎曲程度大的時(shí)候，僅僅通過(guò)加大壓邊力并不能解決凹陷問(wèn)題，此時(shí)可以在凹陷產(chǎn)生區(qū)域的凹模上做料厚0～0.1過(guò)渡性的強(qiáng)壓，圖7為某門把手處的強(qiáng)壓處理；3)更改產(chǎn)品造型，在截面上增加一層臺(tái)階，如圖8所示，從而減少對(duì)A面產(chǎn)生直接影響的拉延深度，并且利用臺(tái)階牽扯A面的材料以消除凹陷；4)在門把手區(qū)域，沖壓方向也要充分考慮，應(yīng)使門把手的上下、前后兩側(cè)盡量同時(shí)接觸。在本田汽車沖壓件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)也表明，接觸的時(shí)間不同會(huì)導(dǎo)致門把手區(qū)域周圍應(yīng)變分布不均勻，會(huì)加大門把手周圍缺陷的產(chǎn)生概率。

圖6 凹陷產(chǎn)生于門把手和側(cè)圍三角窗

圖7 某門把手處的強(qiáng)壓處理

圖8 在截面上增加一層臺(tái)階

⑷離管理面遠(yuǎn)，并與立面相接的A面上易生凹陷。如圖9所示，該類形狀的特點(diǎn)是：離管理面即分模線比較遠(yuǎn)；圖示a處圓角很小 R≤R6；b處立面拔模角很小，基本為零；c處A面基本垂直沖壓方向。圖10為采用Auto Form軟件殼單元，對(duì)該形狀類型的零件進(jìn)行模擬。由于離分模線遠(yuǎn)，管理面對(duì)R角以上的材料控制力會(huì)相對(duì)削減，板料在接觸R角的時(shí)候A面會(huì)產(chǎn)生翹曲，如圖10a所示，且當(dāng)上模繼續(xù)成形出立面后，A面的翹曲會(huì)更加嚴(yán)重(圖10b)，最后在下死點(diǎn)發(fā)生翹曲的部位無(wú)法直接拍平，殘余應(yīng)力將導(dǎo)致凹陷的產(chǎn)生。

圖9 離管理面遠(yuǎn)并與立面相接的A面的形狀

圖10 板料在接觸R角產(chǎn)生缺陷

針對(duì)板料在R角處發(fā)生翹曲而導(dǎo)致凹陷的成形特點(diǎn)，可以從兩方面考慮：一是使c處材料在b立面形成前得到充分拉延，具備足夠張力，以減少翹曲;二是 b處立面出現(xiàn)后增加材料流動(dòng)性，使c處翹曲的材料得到充分延展。

根據(jù)以上思路，具體解決方案為：1)將該形狀特點(diǎn)對(duì)應(yīng)的拉延筋采用方筋或雙拉延筋，以在不破裂的前提下使材料流動(dòng)量降到最??；2)合理設(shè)置工藝補(bǔ)充和沖壓方向，使該區(qū)域盡早接觸板料，便于材料在立面成形前得到充分拉延；3)在零件以外的區(qū)域增加反拉延檻，強(qiáng)行向A面要料，使A面充分拉延消除凹陷。

零件翻邊、整形工藝過(guò)程產(chǎn)生的凹陷

翻邊整形往往是由于拉延無(wú)法直接到位而采取的補(bǔ)救措施，但翻邊整形工序是在單向壓邊的情況下采用刀塊將材料變形、流動(dòng)。這必然使材料的應(yīng)變不均勻，對(duì)于外板件而言，很容易導(dǎo)致A面缺陷。

⑴過(guò)拉延處錯(cuò)誤的整形方向?qū)?dǎo)致A面凹陷。如圖11所示，在整形工藝中采用側(cè)整，該方案可以有效解決拉傷和立面回彈問(wèn)題，但也必然會(huì)將材料向A面擠壓導(dǎo)致凹陷。對(duì)于此類做了過(guò)拉延的外板件，整形工藝應(yīng)盡量避免側(cè)整，若必須采用側(cè)整則不得做過(guò)拉延。

圖11 過(guò)拉延處錯(cuò)誤的整形方向?qū)?dǎo)致A面凹陷

⑵弧形翻邊線上錯(cuò)誤的翻邊順序容易產(chǎn)生凹陷。外板件在弧形翻邊線上翻邊且翻邊深度偏深時(shí)，經(jīng)常會(huì)在產(chǎn)品翻邊線的頂部出現(xiàn)凹陷，或由于翻邊應(yīng)力釋放導(dǎo)致零件尺寸不合格等問(wèn)題。該問(wèn)題的解決主要取決于工藝缺口布置的合理性和翻邊的先后順序，在工藝缺口方面，可以采用CAE軟件進(jìn)行精確的計(jì)算，確保翻邊面不會(huì)有多料現(xiàn)象。

在翻邊先后順序方面則取決于刀塊的形狀，若采用的翻邊刀塊為直線（圖12a），最高點(diǎn)先到位，在陸續(xù)往低點(diǎn)翻邊過(guò)程刀塊便無(wú)法將材料驅(qū)向頂點(diǎn)的工藝缺口處。多料將導(dǎo)致周邊的料將頂點(diǎn)的材料向下扯動(dòng)，從而導(dǎo)致凹陷；而當(dāng)翻邊刀塊隨形時(shí)（圖12b），由于整個(gè)翻邊線同時(shí)接觸發(fā)生變形，材料的翻邊面將整體均勻處于聚料狀態(tài)，外力釋放后將必然導(dǎo)致零件的回彈；正確的翻邊順序應(yīng)當(dāng)由兩端先翻，中間工藝缺口處最后翻（圖12c），并建議翻邊的落差為一個(gè)材料的厚度。該翻邊過(guò)程將促使材料由兩端向中間的工藝缺口處流動(dòng)，最后消失在缺口最深的地方，從而減少翻邊面的聚料狀況，解決了凹陷問(wèn)題并保證了零件尺寸。

⑶整形立面上有凸包的存在將導(dǎo)致A面凹陷。對(duì)于立面上有凸包的零件，工藝上由于拉延負(fù)角等原因，凸包必須由整形實(shí)現(xiàn)，從而在拉延模做過(guò)拉延便于后序整形。但如果過(guò)拉延的工藝面做的不合理，僅簡(jiǎn)單的偏出一個(gè)面，在整形過(guò)程中，凸包將使材料縱向伸長(zhǎng)，必然對(duì)A面材料產(chǎn)生牽扯應(yīng)力，很容易導(dǎo)致A面的凹陷。為了消除凸包對(duì)A面的扯動(dòng)，可以通過(guò)CAE計(jì)算在拉延模上先成形出與凸包具有相等材料量的輪廓。從而在整形過(guò)程中，輪廓保證了成形凸包所需的材料，便不再對(duì)A面產(chǎn)生影響，解決凹陷。

⑷法蘭整形上有臺(tái)階易導(dǎo)致A面凹陷。工藝上如果需要對(duì)法蘭進(jìn)行整形且連接法蘭與A面的立面很短，此時(shí)如若法蘭上需要整形出臺(tái)階則在整形過(guò)程中臺(tái)階處的材料將進(jìn)行伸展變形，該伸展將牽扯A面的材料，使臺(tái)階的正上方產(chǎn)生凹陷。

解決方案：為了避免牽扯力的產(chǎn)生，可以通過(guò)CAE計(jì)算在臺(tái)階處做相應(yīng)的隆起，并使隆起量等于整形過(guò)程中材料的變形量，從而解決凹陷。

模具制造過(guò)程中的凹陷

外板件模具在制造過(guò)程中對(duì)環(huán)境、加工設(shè)備、人工都有非常嚴(yán)格的要求，空氣中的粉塵度、加工設(shè)備的精度、鉗工拋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、裝配過(guò)程中，工廠應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)程控制。

圖12 翻邊先后順序取決于刀塊的形狀

結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了外板件在沖壓加工過(guò)程中產(chǎn)生凹陷的形狀特點(diǎn)及解決方案，為今后工藝設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)，避免了類似問(wèn)題的發(fā)生。真正完美的設(shè)計(jì)是由人腦完成，特別是靠人的經(jīng)驗(yàn)積累。而經(jīng)驗(yàn)的積累是要付出代價(jià)的，在模具加工裝配完成之后，初次試模缺陷應(yīng)該記錄下來(lái)。最后的修整結(jié)果，像拉延筋、拉延圓角的變動(dòng)，模面、壓料面間隙的調(diào)整等，都需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。這些資料的整理、分析、存檔，都是設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的積累，并隨時(shí)加入到以后的設(shè)計(jì)當(dāng)中去。