車身外覆蓋件抗凹性能系統(tǒng)提升的途徑

安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心(合肥 230022）王法峰 趙 濤 趙淮北 李 輝

汽車車身抗凹性尤其是外覆蓋件抗凹性越來越成為用戶選購轎車的重要參考，由于車身外覆蓋件尺寸大、帶曲率、有一定的預(yù)變形，在使用過程中常常會受到外載荷的作用，如人為的觸摸按壓、積雪的靜載荷及行進過程中的振動和碎石沖擊動載荷等,使覆蓋件形狀發(fā)生凹陷、撓曲甚至產(chǎn)生局部永久凹痕。另一方面，汽車的輕量化、安全性等要求，使更薄的高強度鋼板作為汽車車身覆蓋件材料越來越被廣泛使用,導致外覆蓋件變軟,產(chǎn)生了一系列問題,如由于覆蓋件自重或輕微的碰撞引起的凹陷，汽車行駛中產(chǎn)生的振動、噪聲等。

本文著重探討引起車身外覆蓋件抗凹性不足的因素并進行分類，在此基礎(chǔ)上，探討如何系統(tǒng)地在車身開發(fā)的不同階段進行相應(yīng)的抗凹性能提升，以在保證車身整體性能的前提下，兼顧縮短車身開發(fā)的周期，降低車身開發(fā)的成本。

一、引起外覆蓋件抗凹性不足的原因

在汽車制造領(lǐng)域，把覆蓋件承受外部載荷作用，抵抗凹陷撓曲及局部凹痕變形、保持形狀的能力稱為抗凹性。其是評價和反映覆蓋件表面質(zhì)量和使用性能的一項重要指標和特性，與汽車板材品質(zhì)、覆蓋件的結(jié)構(gòu)形式和沖壓成形工藝密切相關(guān)。以下從外覆蓋件單件及總成件兩個角度進行探討，如附表所示。

外覆蓋件單件及總成件抗凹性討論因素

1.單件

覆蓋件成形中的預(yù)變形程度是影響覆蓋件抗凹性能的重要因素之一，汽車工裝模具行業(yè)通常以材料的拉深變薄率作為量化指標，拉深變薄率≥3%，能滿足外覆蓋件的單件抗凹性微觀層面的基本要求；但單件幾何形狀對外覆蓋件的抗凹剛度產(chǎn)生更為直接的影響，幾何形狀引起的抗凹剛度不足，無法通過預(yù)變形加以改善。如圖1所示，某發(fā)動機艙蓋外板拉深減薄率＞3%，但實物抗凹性仍不達標；反而，對部分外覆蓋件，由于單件結(jié)構(gòu)強度較好，即使局部拉深變薄率＜3%，其整體抗凹性也能滿足要求。

圖1 某車型發(fā)動機艙蓋外板實物與CAE模擬結(jié)果對比

因此，單件的抗凹性需統(tǒng)籌宏觀、微觀兩個層面綜合考慮。單件幾何形狀包括：外覆蓋件的曲面曲率、大曲率曲面面積大小、曲率面的邊界條件、外覆蓋件截面形狀等。此外，研究表明，單件的材質(zhì)也對單件的抗凹性產(chǎn)生較明顯的影響。

2.總成件

總成件的相關(guān)因素對外覆蓋件的抗凹性不產(chǎn)生根本性的影響，主要體現(xiàn)為總成件的結(jié)構(gòu)形式能否對單件提供補強作用。

（1）有無支撐條件 在單件抗凹性不足的區(qū)域，良好的支撐條件，能對外覆蓋件的抗凹性進行補強，明顯改善其抗凹性。

（2）支撐條件的有效性 支撐條件的有效性對外覆蓋件抗凹性的改善程度有直接的影響，外覆蓋件的一般支撐結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)板的支撐臂與外覆蓋件不能剛性接觸或連接，因此要求內(nèi)外板的間隙L1、L2＞0，內(nèi)外板通過填充膠粘合。支撐的疏密度、內(nèi)外板支撐間隙、填充膠的性能、無支撐條件下的抗凹性補強等因素影響著外覆蓋件的抗凹性。

圖2 總成件一般支撐結(jié)構(gòu)示意

二、提升途徑

抗凹性的提升是個系統(tǒng)工程，可根據(jù)其影響因素，結(jié)合車身開發(fā)的不同階段實際情況，來提升其抗凹性，以下按5個階段進行分述。

1.外覆蓋件單件產(chǎn)品造型設(shè)計階段

（1）外覆蓋件板材材質(zhì)的選擇 外覆蓋件的抗凹性，可作為設(shè)計與制造過程中選擇鋼板等級和規(guī)格的重要依據(jù)之一，如圖3所示，在相同條件下，BH系列板材較ST14等系列普板，抗凹性上具有優(yōu)勢。

圖3 同條件下不同板材抗凹性能

（2）盡量回避大而平的造型 零件不同部位的剛度不同，彎曲半徑小的部位剛度高，比較平坦的部位剛度低，如圖4所示，某車型側(cè)圍外板，大而平的造型，易導致圖示部位變形不充分，抗凹性不達標。

（3）造型上需考慮單件的幾何形狀、邊界條件 如圖5所示，某車型門外板，雖然拉深變薄率通過沖壓工藝設(shè)計達到了5.2%以上，但因門外板自身單件結(jié)構(gòu)強度較弱，其抗凹性仍不達標。

圖4 某車型側(cè)圍外板產(chǎn)品造型與CAE拉深變薄率

圖5 某前門外板產(chǎn)品圖與變薄率分布

以上兩種情況，增加棱線特征、減小外觀面的曲率、縮小單一大曲率的外觀面面積或改善單一大曲率外觀面的邊界條件等方式，對提升其剛度是有益的。如圖6所示，棱線特征設(shè)計的差異，使得圖6b、圖6c的翼子板整體抗凹性優(yōu)于圖6a的翼子板抗凹性。但多數(shù)時候受制于整車的外觀風格，單件造型和結(jié)構(gòu)可調(diào)整的空間并不大，此階段強行提升抗凹性，得不償失，其單件抗凹性不足可通過總成件的支撐條件設(shè)計進行補強。

圖6 翼子板棱線設(shè)計對比

2.總成件支撐條件設(shè)計階段

剛度和起伏負荷主要決定于材料的彈性模量、板材厚度、零件形狀和裝配狀況（影響零件的支撐狀況），總成件設(shè)計時應(yīng)著重對支撐條件加以設(shè)計和改善。在設(shè)計之初，應(yīng)進行針對外板的抗凹性和穩(wěn)定性分析，通過對外板可能發(fā)生屈曲的部位進行加載、卸載，根據(jù)分析結(jié)果與目標值的對比來評價外板件的屈曲抗凹性能。針對不足的部位進行各種方法的補強。

（1）采用高剛性結(jié)構(gòu) 可通過很多手段實現(xiàn)，最簡單的方法如圖7所示，在鈑金零件上合理地布置一些加強筋，達到增強支撐零件強度和抗凹性的目的。

此外，通過改變車身在某個部分的斷面結(jié)構(gòu)，如在滿足空間尺寸限制的前提下，增加矩形截面高度，可以有效地提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)的抗凹性，增加圓筒截面的直徑比改變其壁厚更能提高其抗凹性，形成封閉斷面結(jié)構(gòu)的抗凹性要遠大于不封閉狀態(tài)的情況。

圖7 加強筋的設(shè)置

（2）增加支撐密度 外覆蓋件抗凹性不足時，支撐密度是影響支撐條件的重要因素之一，結(jié)合輕量化、安全性等其他車身性能，適當?shù)卦黾又蚊芏葘μ嵘飧采w件整體抗凹性具有重要作用，如圖8所示某車型的側(cè)圍外板，在增加了支撐密度后，經(jīng)驗證，整體抗凹性得到明顯改善。

圖8 某側(cè)圍外板支撐密度改進前后

（3）內(nèi)外板支撐間隙設(shè)計與填充膠型號選擇 合理設(shè)計內(nèi)外板支撐間隙、合理選取填充膠型號也是提升外覆蓋件抗凹性的可選途徑。

（4）消聲隔片的選用 無支撐條件下減振消聲隔片的使用，有助于提升外覆蓋件抗凹性、減振降噪。

3.沖壓工藝設(shè)計階段

（1）使外覆蓋件拉深時充分變形 借助CAE分析軟件，通過工藝手段，增加預(yù)變形程度，提高拉深變薄率，能有效地提高覆蓋件的剛度?？晒┻x擇但不限于以下方法：合理與充分設(shè)計拉深工藝補充面，設(shè)計調(diào)整分模線位置，設(shè)定拉深筋形狀，增大壓邊力，改變拉深深度，設(shè)計坯料邊界尺寸等。以圖5前門外板、圖9某車型翼子板為例，通過以上工藝方法的組合使用，最小變薄率分別達到5.2%、4.5%。

圖9 某翼子板拉延變薄率分布

（2）材質(zhì)的替代 工藝并非萬能，有時外覆蓋件的材料變薄率提升因受到滑移線等外觀質(zhì)量的牽制，使工藝難度加大，如圖10所示某車型發(fā)動機艙蓋外板，因造型相對平緩，且面積較大，發(fā)動機艙蓋中間部位的變薄率僅略大于3%，通過組合各種工藝手段，變薄率與滑移線仍難以兼顧。在此情況下，可嘗試通過材質(zhì)的變更，以提升現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)條件下的抗凹性，將上述發(fā)蓋外板的材質(zhì)更換為B180H1、微調(diào)工藝方案后，滑移線、變薄率與ST14普板材質(zhì)差別不大，但BH系列鋼材較ST14普板具有更好的抗凹性性能。

圖10

（3）外覆蓋件成形預(yù)變形程度的控制 隨著預(yù)應(yīng)變的增大，應(yīng)變硬化效應(yīng)提高了外覆蓋件的抗凹性，但隨著預(yù)應(yīng)變量的增大，外覆蓋件厚度減薄量進一步增大，應(yīng)變硬化效應(yīng)產(chǎn)生的材料強化不足以抵消厚度減薄對外覆蓋件抗凹性的影響。由此可見，覆蓋件成形時的拉深減薄率不是無限制的越大越好，對于現(xiàn)實使用情況，最小變薄率一般控制在6%內(nèi)。

4.沖壓工藝調(diào)試階段

制造與設(shè)計的差異總是存在的，探討基于制造階段的實物狀態(tài)，提升外覆蓋件抗凹性，也具有實際意義。

（1）基于現(xiàn)場條件下抗凹性的測量或評價 在實驗室條件下，實物的抗凹性測量或評價，國內(nèi)外做過很多相應(yīng)的研究，但目前尚沒有快捷統(tǒng)一的方法適用于調(diào)試現(xiàn)場，本文提供兩種方式供參考：一種為常見的靜態(tài)載荷法（拇指按壓），感受其凹陷變形的難易，優(yōu)點為：操作簡單、方便；缺點：主觀，不能量化，依賴于經(jīng)驗。另一種為簡易壓力位移法，量化其抗凹性，如圖11所示，在外覆蓋件外圍支撐及壓邊條件一定的條件下，使用壓力儀和鋼直尺、游標卡尺，測量抗凹性目標部位，記錄各測點一定位移量時的壓力值或一定壓力值時的位移量，通過比較，評價其抗凹性。優(yōu)點：簡單、快捷、適用于現(xiàn)場，缺點為：相比實驗室的測定方法，其誤差較大。

現(xiàn)場和實驗室條件下的測評，都是基于施加靜載荷，在制件上形成凹痕，按一定載荷、產(chǎn)生的凹痕深度或產(chǎn)生一定深度凹痕所需的載荷作為評價靜態(tài)局部凹陷抗力的方法。

圖11 現(xiàn)場用簡易載荷—位移法

（2）基于現(xiàn)場條件下的變薄率測定 沖壓工藝調(diào)試時，考察實物變薄率是否達到工藝設(shè)計時的理論值，基于實物能否進一步提升。兩者都基于變薄率的測定，實驗室條件下可采用更多的手段，但都基于測定其實際料厚t，與板材的初始料厚t0進行比較，本文提供現(xiàn)場條件下常用方法供參考，如12圖所示，將測點目標處鐳射或等離子切割成孔狀，通過料厚儀測定實物料厚。

圖12 外板變薄率測量準備

（3）基于現(xiàn)場條件的調(diào)試 對比CAE模擬結(jié)果，實物變薄率（t/t0×100%）＜理論變薄率時，進一步對比實物調(diào)試時的相關(guān)參數(shù)與CAE分析時的差異，通過調(diào)整使其達到理論變薄率。實物變薄率≈理論變薄率時，為進一步提升其抗凹性，常用方法為：增大壓邊力法，壓邊區(qū)墊砂紙法，調(diào)整平衡墊塊減小壓邊間隙法，增大料邊法，拉深筋位置、數(shù)量、形狀調(diào)整法，廢料區(qū)做余肉法等，調(diào)試方法的選用次序，應(yīng)在實施方面先易后難、從簡到繁，減少對模具的損害，減少不必要的返工。如具備條件，應(yīng)配合CAE的模擬，預(yù)先評價擬采取措施的效果。

5.焊裝、涂裝工藝調(diào)試階段

（1）重點對總成件的外覆蓋件支撐條件進行檢測、驗證：①內(nèi)外板支撐間隙。②膠槽涂膠的穩(wěn)定性。③涂裝后膠的生效效果。

①、②兩項，在保持焊裝穩(wěn)定的前提下，可通過內(nèi)板模具的翻邊、整形等工序調(diào)整，提高內(nèi)板支撐臂的尺寸精度，③項填充膠的效果需通過涂裝受熱使其硬化膨脹后檢查，必要時更換膨脹膠進行驗證。

（2）無支撐條件下的抗凹性補強。若上述措施仍不足以提升其抗凹性時，可通過在無支撐條件區(qū)域，貼減振消聲隔片，如圖13所示，對提升外覆蓋件的整體抗凹性、消聲降噪有一定的作用。

圖13 無支撐區(qū)域貼減振消聲隔片

三、結(jié)語

通過對汽車外覆蓋件的抗凹性影響因素進行分類討論，并以此為基礎(chǔ)，探索和闡述了外覆蓋件在車身開發(fā)的不同階段，如何提升其抗凹性，借以拋磚引玉，以共同研討系統(tǒng)提升外覆蓋件抗凹性的途徑，從而改善整車的NVH性能，并縮短車身開發(fā)周期、降低車身開發(fā)成本。