汽车侧围外板尾翼拉延成型工艺改善研究

万　鹏，赵雪松，王幼民，韩小后

(1.安徽工程大学机械与汽车工程学院， 安徽　芜湖　241000； 2.瑞鹄汽车模具有限公司， 安徽　芜湖　241009)



汽车侧围外板尾翼拉延成型工艺改善研究

万鹏1，赵雪松1，王幼民1，韩小后2

(1.安徽工程大学机械与汽车工程学院， 安徽芜湖241000； 2.瑞鹄汽车模具有限公司， 安徽芜湖241009)

[摘要]为解决汽车侧围外板尾翼在拉延成型后出现起皱和开裂的问题，设计了3种造型方案.通过造型设计分析及Autoform模拟，对比3种方案，对原工艺进行整改和优化，得到了抬高造型台阶面的最优造型方案.该方案能改善进料速度、增加材料流动性，有效地消除开裂、起皱的缺陷，对同类和其他类似产品的冲压工艺设计具有参考意义.

[关键词]汽车侧围；拉延；起皱；开裂；Autoform模拟；冲压工艺

冲压成型技术在汽车工业中占有重要地位，冲压工艺方案的设计与制定对汽车覆盖件成型来说非常关键.汽车覆盖件的冲压成型是一个大位移、大转动、大变形的塑性变形过程，涉及板料在拉深等复杂应力状态下的塑性流动、塑性强化及引起的起皱、拉裂和回弹等问题；同时，它的结构尺寸大，利用薄板材料成型，尺寸精度和成型质量要求高.这些对汽车覆盖件的冲压工艺设计和模具设计都提出了更高的要求，给实际生产带来更多的问题.

通常，在调试过程中起皱和开裂是并存的，而且存在此消彼长的关系.为了找到一个同时避免起皱和开裂的状态，需要借助CAE分析进行精确指导调试[1，2].汽车侧围外板件是汽车覆盖件中外形最大的板件之一，具有十分复杂的成型特征，汽车侧围尾翼处的质量相比于其他位置更难以保证.为避免成型过程中在局部出现起皱开裂等缺陷，需要合理控制板料进料速度和成形力分布.在实际工艺设计中，还应当根据具体的产品特点来设计最佳的拉延成型工艺方案.

1制件结构及工艺分析

1.1制件结构

图1为某两厢汽车侧围外板制件产品形状.此类制件具有尺寸大、形状复杂、A面轮廓曲率大、拉深深度相对较深等特点.在成型时要求制件拉深表面平整无皱纹，具有良好的刚度和足够的变薄率.这些指标与产品特征使得在拉延成型中多处存在成型性风险.

图1　汽车侧围制件图

在整个汽车侧围外板造型中，产品要求高与成型工艺最复杂的区域是尾翼处.由于在成型过程中，纵向与横向应变的转换与交互，通常会同时出现起皱和开裂并存的情况.实际模具调试中，不仅要求过程不能有起皱，最终的变薄率也要控制在合理的范围内.这是工艺设计时需要综合考虑的[3-5].

1.2原成型工艺与拉延缺陷

对于汽车侧围外板在尾翼处的成型工艺，通常与其他搭接面位置设计方法相同，采用直壁打开拔模角度、增加二次台阶造型，打开拔模角有利于减轻开裂风险，二次台阶既可以提高工艺补充以及整个A面区域的变薄率，同时也有利于避免一次冲击线对A面的影响.因此，在初次设计阶段基本都会采用该工艺，且在CAE阶段不能暴露明显的成型缺陷.

在实际拉延冲压生产调试过程中，尾翼处发生较为严重的起皱和开裂现象，实际板件状态件如图2所示.可以看出，在凹模R角处有明显的起皱压痕.这说明在拉延过程中板料发生了严重的起皱.二次台阶处也残留着板件起皱的波纹，而尾翼处的A面与R角处直接破裂断开，拉延板件的状态存在严重缺陷.

图2　侧围外板尾翼产生开裂和起皱现象

2制件缺陷原因分析与优化措施制定

2.1制件缺陷原因

现场调试过程发现，在到底10 mm时尾翼处的圆角位置，板件即开始产生缩颈，继而发生开裂.在开裂发生后，凹模圆角处的起皱明显加剧.结合工艺造型特点与现场实际拉延过程，可以知道在拉延开始时尾翼部位进料过快，且造型存在一个曲率较大的拐角.这就是导致板料向中间挤压造成叠料的直接原因.根据CAE断面分析，如图3所示，研究模具与板料接触时间和顺序关系，可以发现开裂处的圆角接触板料时间较早，直壁部分在接触后发生剪切拉深.这是造成开裂的主要原因[6，7].因此，拉深造型不合理是导致制件缺陷的直接原因.根据以上分析，若要解决开裂，同时改善起皱，需要延迟圆角接触时间，取消直壁部分补充工艺.针对汽车侧围外板尾翼处的拉深成型工艺，制定了3种造型优化措施[8，9].

图3　侧围外板尾翼CAE断面示意图

2.2造型优化措施

(1)方案一：取消造型台阶，优化后造型截面示意图如图4所示.取消了原工艺方案中的二次台阶造型和直壁补充工艺部分，拔模角度并未受到明显改变，相当于加大了尾翼部位A面与补充工艺面之间的圆角，有利于解决开裂问题.

图4　侧围外板尾翼拉深成型工艺造型(方案一)

在侧壁与凹模R角之间设置“余肉”造型，解决起皱问题.但是，该方案在解决开裂起皱问题的同时会对一次冲击线有不利影响，侧壁面产生扭曲回弹以及反弧也是需要考虑的风险.

(2)方案二：优化压料面形式，降低拉深深度，造型截面示意图如图5所示.该方案是从减少板料进料量、缩短成型过程来解决开裂与起皱之间的矛盾关系.将尾翼处的压料面按照一定曲率抬起一定的高度，一般不超过30 mm，同时分模线向内收缩，从而降低该部位的拉延深度.拉延深度的降低对解决开裂有明显作用，并且进料量的减少也能够改善补充工艺面的起皱问题.但是，由于拉延过程短，会一定程度上减小尾翼部位的A面变薄率.

图5　侧围外板尾翼拉深成型工艺造型(方案二)

(3)方案三：抬高拉深造型面，增加拉深深度，造型截面示意图如图6所示.该方案与方案一有些类似，与方案二在形式上相反.将二次台阶造型抬高，降低压料面位置，增加了拉延深度，有利于改善起皱和提高尾翼A面变薄率；同时，二次台阶上部的直壁部分取消，侧壁拔模角度增加，尾翼部位A面与补充工艺面之间的圆角加大，可以改善该位置的开裂问题.

图6　侧围外板尾翼拉深成型工艺造型(方案三)

方案三的CAD三维造型如图7所示.数据标识部分为优化后的工艺造型，台阶形式以及分模线走势都有变更.可以看出， 台阶外形被最大程度地向外拓展，以此增加凹模圆角处的工艺补充面积.这对解决凹模圆角处的起皱非常有利.

同时，拐角处的分模线也有所变化.这能改变板料流动方向，减轻板料在凹模R角内发生聚积和起皱，从而改善起皱.另外，由于台阶造型的抬高，一次冲击线被限制在一次台阶侧壁上，风险大大降低.

图7　方案三拉深造型

3优化措施分析对比

针对上述3种不同的造型方案，基于冲压成型仿真软件Autoform进行拉延模拟分析与方案实施效果验证.分析的有限元模型如图8所示.上模为整体凹模，压边圈有外侧压边圈和两个内压边圈组成，主要考察尾翼位置的拉延成型性.

图8　侧围外板拉延模拟Autoform有限元模型

图4、图5、图6所示3种工艺方案基于Autoform的有限元模型除了尾翼处的造型有区别，其余位置模型一致.所用工艺参数如表1所示.其中，拉延筋只展示了尾翼处的阻力系数.

表1　Autoform模拟工艺参数

经过分析，尾翼处的成型极限状态分别如图9、图10、图11所示.从方案一和方案二的Autoform成型极限图可以看出，这两种方案对该位置的起皱改善效果并不显著，凹模圆角上面台阶处起皱明显，且尾翼A面位置仍有成型开裂的风险.根据成型极限图分析，方案一成型效果优于方案二.

图9　方案一Autoform成型极限图

图10　方案二Autoform成型极限图

图11　方案三Autoform成型极限图

图12　方案三Autoform变薄率

图11显示了方案三造型分析结果.起皱区域被限制在凹模圆角附近，起皱程度得到明显改善，开裂风险被完全消除，成型状态理想.

再次确认3种方案的变薄状态(如图12)，A、B两点位于图2中所示原方案开裂位置，其变薄率值见表2.表2显示，方案一与方案二中A、B两点位置的变薄虽然并未超过30﹪的极限要求，但都大于25﹪，验证了成型极限图表现出来的开裂风险.方案三分析结果显示，相同位置的变薄率稍大于20﹪，变薄充分且远离风险值30﹪，变薄情况满足要求[10，11].

表2　三种优化方案尾翼处变薄率统计

由以上分析可以看出，方案一与方案二均未能达到CAE要求，拉延造型不成功；而方案三的CAE结果表明，开裂起皱风险被控制在安全范围内，能有效解决侧围外板尾翼位置的开裂起皱现象，是最优方案.

4改善效果确认

根据确定的最优工艺方案对汽车侧围外板进行模具设计与加工，优化后的侧围外板拉延冲压制件尾翼部位实际状态如图13所示.对比图2，可以看出优化后的侧围尾翼未出现拉延叠料和起皱痕迹，尾翼处A面光顺没有变形，凹模圆角内无积料和明显起皱，拉延筋与凹模圆角之间区域板料平整，拉延件的料边在拉延筋外，整个制件冲压状态良好.按照方案三现场生产一批制件，统计数据如表3所示.

图13　汽车侧围外板尾翼成型工艺优化后冲出的制件

分类起皱开裂报废率原状叠料裂开约5~8mm50﹪目标波纹微皱变薄率小于25﹪3﹪实际无起皱变薄率达到客户要求0

方案三不仅在Autoform模拟中满足了CAE要求，在实际模具调试阶段也没有出现开裂的情况，A面品质没有异常，制件满足产品质量要求，改善效果显著.方案三确实可行.

5结语

本文针对汽车侧围外板尾翼处在冲压拉延成型过程中易发生起皱和开裂缺陷的问题，设计出多种冲压工艺造型优化方案，再利用Autoform有限元模拟软件进行模拟，可以在CAE阶段预测制件的详细变形结果.

(1)根据不同成型方案对侧围尾翼进行CAE模拟并指导模具设计与现场调试.通过对模拟结果的对比分析，最终采用抬高造型台阶面的最优工艺方案.

(2)最优方案取消了原方案设计的直壁工艺补充部分，增加一次台阶高度，同时拓展台阶外形，增加了凹模圆角处的补充面，改变板料流动方向，减轻板料在凹模R角内发生聚积和起皱.另外，台阶造型的抬高不仅增加了拔模角度，有利于减轻开裂情况，同时大大降低了一次冲击线的风险.

(3)利用最优方案指导实际侧围外板模具设计与调试，大大降低了模具制造与调试周期，一次试模冲压板件状态稳定.

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(责任编辑吴强)

Improvement of deep drawing forming process on the car side plate around the tail

WAN Peng1, ZHAO Xuesong1, WANG Youmin1, HAN Xiaohou2

(1. College of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China;2. Rayhoo Eg. Inc. Ltd, Wuhu Anhui 241009, China)

Abstract：In view of the wrinkling and cracking problems after the drawing and molding process on car spoiler, three kinds of modeling scheme were proposed. Through the analysis of the modeling design, the three modeling schemes were compared. With the improvement and optimization of the original technology, the best modeling scheme to raise the modeling steps was obtained. This scheme effectively eliminates the defect of cracking and wrinkling by improving the feeding speed and increasing the fluidity of material, which has some references for the stamping process design of the similar and other products.

Key words：car side; drawing; cracking; wrinkling; Autoform simulation; stamping process

[中图分类号]TG386

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0089-05

[作者简介]万鹏(1991—)，男，安徽芜湖人，硕士，主要从事机械工艺与机械制造方面的研究.

[收稿日期]2015-11-11