沖壓成形表面質(zhì)量控制分析及對策

張 躍，劉 帥，李 眾，饒闊林

（長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

0 引 言

汽車覆蓋件的制造是汽車生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，沖壓過程存在多種復(fù)雜機理，由于汽車外觀特征在鈑金成形過程中常會產(chǎn)生局部應(yīng)力不均，伴隨成形制件的回彈引發(fā)表面質(zhì)量缺陷，主要有凹坑、翹邊、光影扭曲等現(xiàn)象[1]。表面質(zhì)量缺陷產(chǎn)生機理主要與材料性能、金屬成形特性（回彈）和板材減薄相關(guān)，而回彈是引發(fā)質(zhì)量缺陷的隱性因素，不同形狀和材質(zhì)的沖壓件回彈的差異性較大，且回彈不易控制。

1 表面質(zhì)量影響因素

誘發(fā)表面質(zhì)量缺陷的主要因素為回彈，回彈在沖壓過程中無法避免，內(nèi)、外覆蓋件均會發(fā)生回彈，且回彈隨著成形截面復(fù)雜程度而變化，越簡單的結(jié)構(gòu)回彈規(guī)律越單一，如板材的彎曲過程只涉及彎曲點的圓角固化和側(cè)壁反撓，而復(fù)雜的拉深成形涉及多個回彈模量的疊加，針對單一模量截面的變化，回彈模量隨之變化，同時材料流動裕度也是制約回彈的主要因素。

以側(cè)圍外板為例，圖1所示為側(cè)圍外板因回彈導(dǎo)致表面有缺陷的重點部位。

圖1 側(cè)圍回彈發(fā)生表面質(zhì)量缺陷的部位

2 表面質(zhì)量缺陷產(chǎn)生機理

以側(cè)圍外板角窗凹坑為例進行表面質(zhì)量缺陷產(chǎn)生機理分析及過程控制措施預(yù)防。

2.1 主要因素分析

通過魚骨刺圖（見圖2）可以看出影響角窗凹坑的主要因素為制件材料和成形模具。根據(jù)對以往車型角窗凹坑問題的統(tǒng)計，影響角窗凹坑的主要因素是A面形狀、角窗結(jié)構(gòu)、材料流入量、著色強壓等。

圖2 側(cè)圍角窗凹坑因素分析

2.2 產(chǎn)生機理分析

汽車外覆蓋件A面的應(yīng)力分布決定其成形穩(wěn)定性，角窗附近材料成形過程直線區(qū)流入均勻，如圖3所示，拐角處材料壓縮成形，晶格應(yīng)力不均且無法產(chǎn)生穩(wěn)定的塑性變形而出現(xiàn)凹坑；拐角處夾角越小，扇形分布半徑越小，材料延伸率越差，角窗成形難度越大。

圖3 角窗應(yīng)力分布

角窗拐角處形狀簡化為凹弧翻邊，如圖4所示，制件脫模后拐角處型面有向上翹曲（反撓）的趨勢；外觀A面的剛性不能抵抗翹曲趨勢時會引起變形，產(chǎn)生凹坑。

圖4 角窗A面反撓機理

3 表面質(zhì)量控制措施

基于上述影響因素，在加工的不同階段采用以下方法控制表面成形質(zhì)量，分別從制件造型，優(yōu)化工藝控制方案、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、細化補償強壓等方面進行闡述。

3.1 角窗拐角分類

側(cè)圍角窗表面質(zhì)量問題主要發(fā)生在拐角部位，具體分類如表1所示，角窗形狀分為：①A類：銳角式；②B類：直角式；③C類：鈍角式；④D類：條帶式。上述分類中，銳角拐角式的角窗表面質(zhì)量問題最嚴重（夾角越小，凹坑越嚴重），條帶形狀次之，鈍角形狀凹坑最容易控制。

表1 側(cè)圍角窗分類

3.2 制件造型優(yōu)化

表2所示為角窗夾角對材料應(yīng)力的影響，角窗夾角、半徑越小，材料流動阻力越大，A面應(yīng)力分布不均勻產(chǎn)生凹坑；加大拐角半徑、夾角材料流動趨于一致時，A面凹坑可完全規(guī)避。

表2 角窗夾角對材料應(yīng)力的影響

影響角窗凹坑主要因素為：輪廓夾角α、臺階深度h、平面半徑R?；诮?jīng)驗積累分別對平面半徑R、上拐角半徑r與深度系數(shù)進行了控制，具體參數(shù)如表3所示。

表3 角窗形狀與凹坑的關(guān)系

3.3 工藝控制方案

在優(yōu)化結(jié)構(gòu)輪廓方面，加大圓角輪廓半徑和角部增加平衡余料可有效緩解觸料過程的應(yīng)力集中問題。在結(jié)構(gòu)斷面方面，經(jīng)驗證反凹截面線長補償方案效果最好，可通過造型改善截面線長不一致緩解凹坑，具體控制方法如表4所示。

表4 工藝控制方案

角窗所處A面形狀對凹坑的影響如表5所示。角窗處于反凹區(qū)，A面在成形過程中為懸空成形，且處于多料狀態(tài)，應(yīng)力分布不均勻；角窗尖角部位板料為自由流動狀態(tài)，無法良好塑性變形，產(chǎn)生較大反彈引起凹坑。

表5 A面形狀對凹坑的影響

通過實例闡述了A面形狀對凹坑的影響，結(jié)果如圖5所示。某車型角窗為凸型A面，材料流動越小，A面屈服應(yīng)力分布越均勻，首次成形即獲得較高質(zhì)量的制件；若角部全過程懸空成形且存在局部次應(yīng)力不足，則導(dǎo)致材料無法拉伸充分，存在凹坑；經(jīng)驗證，A面成形到底前10 mm仍處于懸空成形的工況下，無法有效保證制件的成形狀態(tài)。

圖5 實例驗證A面形狀對凹坑的影響

3.4 調(diào)試方法

成形過程中模具施加強壓，板料金屬晶格料厚方向受壓原理如圖6所示，晶格間得到穩(wěn)定的排序關(guān)系且同時向塑性應(yīng)變轉(zhuǎn)化，達到抑制凹坑的目的；著色強壓方案可有效緩解局部反撓回彈，抑制高棱邊的產(chǎn)生以達到改善凹坑的目的。

圖6 型面強壓原理

3.5 成形過程優(yōu)化

成形制件時，著色不足是影響角窗凹坑的第一因素[2]，如某車型側(cè)圍研合、調(diào)試階段著色不能達到要求，經(jīng)反復(fù)研合角窗仍無法著色；通過對拉深模凹模增加補償墊板使凸、凹模滿足著色要求，如圖7所示。

圖7 角窗著色不足優(yōu)化實例

材料流動是影響凹坑及整車光影的第二因素，如圖8所示，某車型經(jīng)現(xiàn)場模具整改，增加3道筋驗證后，單件凹坑未完全消除，光影有一定改善；整車光影及涂裝后效果較好。

圖8 現(xiàn)場增加筋方案及改進后光影效果

3.6 其他措施

根據(jù)多車型調(diào)試經(jīng)驗總結(jié)還有其他措施解決隆起、排氣不暢、模具零件干涉、模具拉深未到底等問題。

（1）隆起補償措施：通過隆起改變制件成形面的曲率，提高外觀面抗凹性，考慮隆起可能會對凸模型面產(chǎn)生破壞且對操作鉗工水平要求高，故需謹慎實施。

（2）排氣方面：制件的內(nèi)板面和外板面存在憋氣，可導(dǎo)致殘留的空氣使外板面變形的現(xiàn)象。

（3）模具零件干涉方面：壓料不到位的現(xiàn)象，具體措施為：①模具研合去除硬點；②研合過程數(shù)據(jù)收集。

（4）針對模具零件拉深未到底產(chǎn)生的問題主要措施為：①確認到底標(biāo)記；②確認限位塊涂藍油，到底確認著色；③成形壓力判定。

3.7 角窗成形技術(shù)總結(jié)

制件外形特征限制因素主要為：①角窗形狀；②角窗所處A面形狀。除上述因素外，制約成形穩(wěn)定性的重要因素還有材料流入量和強壓量[3]，如圖9所示。

圖9 角窗凹坑機理

4 結(jié)束語

影響表面質(zhì)量的因素較多，其余位置表面缺陷的解決思路可借鑒角窗成形缺陷的解決思路。同理從制件數(shù)模、R角、臺階深度、工藝補充缺陷、拉深筋變化影響、強壓處理、隆起處理、模具零件強度、排氣不暢、模具零件干涉、模具研合率等影響因素分析表面缺陷的起因，從制件、成形工藝、結(jié)構(gòu)、成形過程優(yōu)化、模具狀態(tài)、調(diào)試方法6個方面控制表面成形質(zhì)量。實際生產(chǎn)過程中，需針對具體情況制定相應(yīng)的處理措施[4,5]。