帶塌陷補償的汽車頂蓋外板沖壓工藝研究

文/何鵬申,劉春雨,阮林凡,李輝·安徽江淮汽車股份有限公司

頂蓋外板是汽車的核心外覆蓋件，其特點是形狀簡單、型面面積較大，外觀品質要求較高。沖壓成形后頂蓋中間區域容易出現塌陷缺陷，尤其帶天窗的頂蓋在天窗部位容易出現塌陷缺陷，嚴重影響頂蓋A面質量，影響車身外觀品質。通過頂蓋的沖壓工藝方案分析，提出頂蓋外板A面塌陷補償工藝和實施結構，可以有效解決中間區域或天窗區域塌陷問題，同時達到保證A面質量的目的。

隨著汽車行業競爭的日益白熱化，主機廠出于對安全性、環保要求、經濟和整車外觀品質等多方面的綜合考慮，車身造型愈來愈多采用流線型造型，在提升車身覆蓋件所使用的板料強度的同時降低厚度。流線型車身具有外觀美觀，阻尼系數小、油耗低等優勢。但頂蓋、機罩外板等外覆蓋件通常外觀尺寸大且因曲率半徑大而相對平坦，因此在沖壓成形時經常出現塌陷、面畸變等表面缺陷，嚴重影響了整車的強度、外觀品質及裝配精度。實際生產中，由于影響塌陷的因素較多，如剛性不足，自重等，合理的成形工藝設計是保證車身外覆蓋件產品質量合格的關鍵。

零件塌陷是一種由回彈等諸多因素造成的板料沖壓缺陷形式，主要表現在成形后制件尺寸在外板平面法線方向與理論型面存在異常偏離。尤其易出現在頂蓋、發蓋、門外板以及機罩外板等大尺寸且相對平坦的車身覆蓋件成形時。由于塌陷會給裝配以及整車品質帶來負面影響，故在生產中必須加以控制，一般通過以下方式解決：(1)通過內板件支撐解決A面塌陷，但會增加開發成本；(2)通過增加A面特征或形狀，增加成形剛性，但影響外觀造型及增大阻尼系數、增大油耗。

頂蓋塌陷、面畸變原因分析及補償設計

合理的成形工藝設計是在考慮沖壓操作方便、安全，模具結構合理，工件及廢料排出順暢等要求的基礎上，根據產品結構形狀和技術要求確定拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形等工序的先后順序及各工序的具體內容。現有頂蓋除全景天窗以外，為降低工裝開發成本，往往采用天窗切換機構，實現帶天窗與不帶天窗四序化生產。

在模具設計中，模具的型面是由產品形狀決定的，但由于材料、產品結構等因素的影響，使得擁有產品形狀型面的模具沖壓出來的制件與理論產品型面之間存在差距，即面差。對于型面簡單且面積較大的汽車頂蓋來說，沖壓成形后的產品經檢具檢測顯示會出現嚴重的塌陷問題，以往頂蓋塌陷現場實物圖見圖1（圖1左圖白車身天窗四角部位塌陷，圖1右圖不帶天窗中部塌陷變形嚴重），塌陷問題嚴重影響了沖壓制件的質量。

圖1 帶天窗與不帶天窗頂蓋塌陷現場實物圖

本文以某車型轎車頂蓋塌陷為對象，利用有限元模擬結合生產試模數據，通過以下措施研究及解決頂蓋沖壓成形塌陷的問題。

⑴首先歸納頂蓋沖壓成形塌陷分布區域及大小，帶天窗的天窗四角區域/不帶天窗的中間高部區域。

圖2 頂蓋塌陷CAE分析示意圖

⑵分析了頂蓋沖壓工藝，并利用CAE軟件，對頂蓋沖壓成形全過程進行了數值模擬，見圖2。從材料流動與受力的角度研究了頂蓋外板沖壓成形塌陷的機理，探討了壓邊力、料厚、材質等因素對塌陷的影響。研究結果表明：塌陷的影響因素眾多，包括材料特性、壓邊力、料厚以及制件本身幾何形狀和外觀尺寸等。成形后板面內塑性變形程度小，制件剛度不足，在自身重力和不均勻的殘余應力共同作用下產生彈性失穩，是制件形狀凍結性差、產生塌陷的主要原因。

⑶在拉深成形工序：1)增大壓邊力會使得板平面的殘余壓應力增大，且造成應力分布不均勻，所以壓邊力越大，塌陷越嚴重；2)由于隨板料厚度的增加，材料厚度減薄率不斷減小，坯料厚向應變減小，卸載回彈后殘余應力增大，所以塌陷隨著板料厚度的增加而增大。

⑷在修邊工序：修邊后板件內部的殘余應力得到釋放并重新分布，使制件塌陷量減小，但同時修邊帶來制件結構的變化，對塌陷的影響十分明顯。

⑸不同沖壓工序使制件的受力狀態與結構產生變化，卸載回彈后殘余應力的分布與大小也發生改變，影響制件成形的質量和塌陷分布區域。如制件在翻邊工序殘余彎矩的作用下，塌陷主要集中在翻邊棱線及其附近區域，在制件周邊產生翹曲；對于整形工序而言，卸載后在殘余彎矩作用下，塌陷區域明顯減小且塌陷量變小。

⑹根據ThinkDesign塌陷理論分析結果，制定了加工模面補償方案，如圖3所示，成功將塌陷控制在合理的公差范圍，滿足了整車裝配的要求。

圖3 頂蓋拉延工藝模面塌陷補償示意圖

帶塌陷補償頂蓋工藝設計

頂蓋等外板件由于面積大、形狀簡單，零件剛性普遍較差，主要表現為中心部位塌陷。本文提出了一種帶塌陷補償的頂蓋沖壓工藝，針對CAE分析預測及理論分析，利用ThinkDesign軟件對加工模面進行塌陷補償，該頂蓋外板的設計可實現帶天窗與不帶天窗共用模具，大致工藝排布如下，即OP10：拉延及拉延筋布置；OP20：完成周圈所有的修邊、沖少部分孔及部分整形；OP30：側圍頂蓋焊接搭接邊整形和部分修邊、沖孔；OP40：側修邊、沖所有剩下的孔及部分整形，如圖4、圖5所示。

在帶缺陷補償頂蓋外板沖壓工藝設計過程需要注意以下方面：

⑴拉延序壓料面做法。

方案一：制件法蘭邊作為壓料面，見圖6。

方案二：制件法蘭在凸模上，見圖7。

方案一優點：1)材料利用率高；2)制件脫模后回彈量小。缺點：制件成形不充分，主副應變較小，剛性不足，容易塌陷。

方案二優點：成形性好，主應變能達到0.017～0.02，副應變能達到0.013～0.017。缺點：材料利用率低；同時為使鉗工工作量減少，頂部全凸的車頂，模具上模需要進行讓空處理。

⑵修邊序盡量采用二次切斷。

使用二次切斷的優點：1)二次切斷刀不與產品接觸，在產品上不會留下切斷的痕跡；2)廢料流到滑道一半的時候才被切斷的，這樣在廢料剛被切下時由于自身重量大而容易從模具中滑出。

圖4 頂蓋塌陷補償截面示意圖

圖5 帶缺陷補償頂蓋外板沖壓工藝排布

圖6 制件法蘭邊作為壓料面拉延模面

圖7 制件法蘭在凸模上拉延模面

⑶天窗翻邊序設計注意事項。

在直翻天窗時，過翻量要達到30mm以上；天窗翻邊經常需要做先后刃入的處理，30mm的過翻量有利于翻邊鑲塊面的先后刃入處理。

天窗翻邊壓料力要求：1)翻天窗時天窗周圍的壓料力至少為20t；2)翻天窗時切換機構四角氮氣缸至少為2.4噸/個。推薦氮氣缸排布方式如圖8所示。

圖8 天窗整形區域壓料氮氣缸布置圖

調試過程問題及措施

針對頂蓋外板制造調試過程出現問題及應對措施如下。

⑴天窗處型面Flush超差。

表現形式：1)天窗Flush超差；2)天窗處修邊線可能超差；3)天窗處Gap可能會減小，并有可能超差。

采取措施：1)檢查模具天窗處壓料力是否足夠（天窗周圍的壓力源應提供20t左右的壓料力）；2)改變上模翻邊鑲塊刃入順序；3)修改翻天窗工序模具型面。以上三條應按順序進行，如果必須更改模具型面，則一定要注意更改后曲面的連續性。

⑵天窗四角塌陷。

表現形式：用油石打磨發現有明顯的凹陷。

原因分析：由于四角處為伸長翻邊，翻邊圓角處有向上拱起的趨勢，如果此處壓料力太小則極易造成此類缺陷。

采取措施：1)檢查模具天窗處壓料力是否足夠（天窗周圍的壓力源應提供20t左右的壓料力）；2)天窗四角處必須有氮氣缸，且每個氮氣缸所能提供的壓力至少為2.4t。

⑶天窗處翻邊型面有波浪。

采取措施：1)檢查模具天窗處壓料力是否足夠（天窗周圍的壓力源應提供20t左右的壓料力）；2)翻邊間隙是否合適、均勻；3)壓料芯是否已研合到位；4)上模翻邊鑲塊剛度是否足夠。

天窗處型面Flush超差也是造成問題3的原因之一，詳見圖9，綠色線條表示產品理論型面，紅色線條表示塌陷后型面。

圖9 A-A截面示意圖

由A-A斷面圖可見：前側塌陷1.3mm將導致翻邊面向內偏移0.3mm；后側塌陷2.2mm，翻邊面在X向幾乎沒有偏移，具體帶天窗頂蓋其他回彈補償工藝圖，見圖10。

圖10 帶天窗頂蓋其他回彈補償工藝示意圖

產品實物驗證

通過帶塌陷補償工藝設計的頂蓋外板進行實際生產發現，使用效果良好，有效解決了頂蓋天窗區域四角塌陷或不帶天窗中間區域塌陷難題，提高了頂蓋外板的外觀質量，該頂蓋外板產品實物如圖11所示。

圖 11 頂蓋外板產品實物圖

結論

本文通過分析頂蓋外板塌陷問題，以實踐中產生塌陷的某轎車頂蓋為對象，結合物理實驗、數值模擬以及板料彈塑性變形的力學本質，研究制件沖壓成形的塌陷問題，分析塌陷的影響因素。通過分析得到：塌陷取決于材料特性、料厚、制件幾何形狀以及壓邊力等多方面因素；通過塌陷補償工藝，可有效解決頂蓋外板中間區域或天窗四角區域出現的A面在沖壓成形時，出現塌陷、面畸變等表面缺陷，并提升面品質量。目前該頂蓋外板已穩定生產，不帶天窗頂蓋中間型面及帶天窗四角型面，精度及外觀質量等各項指標滿足產品要求。