關(guān)于汽車側(cè)圍A柱下角起皺的研究

宋少清，呂軍旺，趙彥博，李曉超

長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心（河北保定 071000）

1 引言

起皺是拉伸件凸緣產(chǎn)生波浪形皺裥的現(xiàn)象，金屬板料沖壓成形是壓力加工的重要組成部分，薄板件在壓力作用下由模具引導(dǎo)成形的過程是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過程。由于模具幾何結(jié)構(gòu)尺寸、接觸摩擦和壓邊力等因素的影響，在制件的成形過程中常發(fā)生起皺現(xiàn)象，因此解決各種起皺的辦法也不能單一而論，而要從保證合格件的全面觀點(diǎn)出發(fā)，考慮所產(chǎn)生的各種不良現(xiàn)象，尤其是與拐角成形有關(guān)的起皺問題，究其原因進(jìn)行歸納總結(jié)和分析，制定合理的解決方案。

2 起皺簡介

板料在拉伸成形過程中，會受到復(fù)雜的應(yīng)力作用，由于板厚方向尺寸與其它兩個(gè)方向相比很小，因此厚度方向的應(yīng)變狀態(tài)最不穩(wěn)定。當(dāng)板內(nèi)凈壓應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，板厚方向就有可能因不能維持穩(wěn)定的塑性變形而產(chǎn)生起皺。

任何一個(gè)起皺現(xiàn)象都伴隨有與皺紋長度方向垂直的壓應(yīng)力存在。由于薄板沖壓過程中引起壓應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)有多種，所以起皺類型也有多種，最終導(dǎo)致皺紋特征、產(chǎn)生部位、影響因素，以及消除皺紋所采取的措施不盡相同。

如果按照起皺時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)分類，可將薄板拉伸起皺分為壓應(yīng)力起皺、不均勻拉應(yīng)力起皺、剪切力起皺和板內(nèi)彎曲應(yīng)力起皺等4種類型，如圖1所示。

圖1 應(yīng)力分類起皺形式a——壓應(yīng)力起皺 b——剪切力起皺c——拉應(yīng)力起皺 d——板內(nèi)彎曲起皺

3 實(shí)際案例

3.1 側(cè)圍外板A柱下角起皺問題描述

圖2所示為某車型的側(cè)圍外板拉伸模在現(xiàn)場調(diào)試過程中在A柱拐角部位起皺等缺陷，這些缺陷會影響制件的焊接，導(dǎo)致焊點(diǎn)不牢，出現(xiàn)開焊的風(fēng)險(xiǎn)，直接影響車身焊接質(zhì)量。

圖2 A柱下拐角起皺位置

側(cè)圍外板A柱下拐角部位的起皺問題一直是行業(yè)內(nèi)的沖壓工藝難點(diǎn)，隨著拉伸深度的增加，制件成形聚料急劇，沖壓模具強(qiáng)度減弱，起皺現(xiàn)象會越來越明顯，導(dǎo)致與A柱內(nèi)板本體和側(cè)圍外板焊接不牢固，進(jìn)而影響車身的質(zhì)量。

3.2 側(cè)圍外板A柱下角起皺原因分析

側(cè)圍外板A柱下拐角部位是一個(gè)拉伸成形時(shí)的直角彎位置結(jié)構(gòu)，該部位為凸起成形，成形時(shí)此處的材料流動復(fù)雜，單純采用實(shí)驗(yàn)研究和理論解析方法，難以有效解決現(xiàn)場起皺等問題，以下從制件的制件造型成形特點(diǎn)、現(xiàn)場的沖壓工藝設(shè)計(jì)以及CAE仿真分析等方面分析該區(qū)域產(chǎn)生起皺的原因。

（1）A柱拐角部位形狀的制件造型。

制件拐角部位的造型尺寸如圖3所示。

圖3 制件造型數(shù)據(jù)示意圖

制件成形為R角扇形分布以及拔模角θ均較小，成形時(shí)急劇變化，同時(shí)，凹模口α僅為5mm的圓角，α越小成形時(shí)進(jìn)料越慢，這樣會形成聚料的狀態(tài)，結(jié)合以上因素，導(dǎo)致對應(yīng)拐角位置形成積料現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 材料流入方向示意圖

（2）工藝設(shè)計(jì)方案。

拉伸成形時(shí)，采用雙道筋阻料，內(nèi)外兩條筋高度分別為5mm和3.5mm，阻料力較大，主要目的是防止材料進(jìn)料過多，形成積料的現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 拉伸筋造型及高度示意圖

（3）CAE仿真分析。

拐角處形狀簡化為凸弧翻邊，為收縮類翻邊，制件成形過程中材料流入為匯聚型趨勢，如果無法消除或者減小X向壓應(yīng)力，就會引起面的變形，如圖6所示。

圖6 收縮類翻邊聚料示意圖

結(jié)合側(cè)圍外板主要出現(xiàn)的拐角起皺問題，顯示了制件拉伸成形的CAE分析結(jié)果，采用起皺準(zhǔn)則的方式對A柱拐角部位起皺現(xiàn)象進(jìn)行評估，進(jìn)行CAE失效分析實(shí)際CAE分析中制件起皺存在風(fēng)險(xiǎn)，Wrinkles值為4.4%，已超標(biāo)，分析結(jié)果顯示有3處出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。圖7所示CAE分析狀態(tài)與實(shí)際模具調(diào)試樣件產(chǎn)生的起皺現(xiàn)象的問題一致，證明了該起皺缺陷的模擬參數(shù)與實(shí)際沖壓條件相符，驗(yàn)證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 CAE分析效果

3.3 側(cè)圍外板A柱拐角起皺解決對策

由于受制件制件造型限制，制件造型拔模角θ以及拐角角度R無法更改，只能通過更改工藝補(bǔ)充、拉伸筋以及現(xiàn)場根據(jù)制件狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)研合型面來消除褶皺問題，常用的解決措施為:

（1）調(diào)整料片尺寸，改變起皺問題進(jìn)料梁。

（2）調(diào)整壓邊力，減小進(jìn)料量。

（3）提升起皺位置研合精度，對起皺位置強(qiáng)壓，減緩起皺。

（4）更改拉伸筋系數(shù)或形狀，更改材料流入方向受力。

針對側(cè)圍外板A柱拐角部位起皺開展了研究和探討，最終確定選擇以下兩種解決措施。

3.3.1 增加起皺位置強(qiáng)壓量

目前大多數(shù)模具公司以壓邊圈管理面做0.1mm強(qiáng)壓。強(qiáng)壓的主要目的是改善壓料面研合，實(shí)際研合時(shí)，壓料面通常外松內(nèi)緊，管理面間隙小，非管理面間隙大，有利于板料進(jìn)料，同時(shí)還可以改善壓料面起皺。現(xiàn)場壓料面研合情況，從圖8b可看出管理面間隙小、壓強(qiáng)大，進(jìn)料阻力大；非管理面間隙大、壓強(qiáng)小，進(jìn)料阻力小。

圖8 研合前后研合率對比圖a——研合前 b——研合后

圖8所示為研合鉗工型面研合率對比圖，增加強(qiáng)壓后，起皺位置著色實(shí)，且制件起皺減緩。

3.3.2 更改拉伸筋形狀

在汽車覆蓋件的拉伸成形中，拉伸筋的設(shè)計(jì)占有非常重要的地位，因?yàn)楦采w件的拉伸成形需要一定大小且沿周邊適當(dāng)分布的拉力，這種拉力來自沖壓設(shè)備的作用力、毛坯的變形抗力和壓料面的作用力。而壓料面的作用力只靠在壓邊力作用下模具和材料之間的摩擦力往往是不夠的，需要在壓料面上設(shè)置能產(chǎn)生很大阻力的拉伸筋以滿足毛坯塑性變形和塑性流動的要求，達(dá)到防止起皺和破裂的目的。

如圖9所示，將原始的外側(cè)”隨型筋”更改為“八字筋”，提升橫向拉應(yīng)力，達(dá)到減緩起皺的目的。

圖9 更改拉伸筋示意圖a——更改前 b——更改后

3.4 現(xiàn)場調(diào)試

根據(jù)制定的起皺解決方案，重新修改了拉伸模的拉伸筋形狀，同時(shí)研合完成后的壓邊圈增加了強(qiáng)壓，模具修改完成后對其進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，側(cè)圍外板A柱拐角部位的起皺現(xiàn)象減緩，起皺范圍也相應(yīng)的減小了，焊接邊的平面度滿足焊裝和總裝的要求。圖10所示為工藝優(yōu)化后的制件實(shí)物。

4 結(jié)束語

經(jīng)過模具回廠前與回廠后對側(cè)圍A柱拐角起皺問題跟蹤確認(rèn)，模具前期分析結(jié)果存在失效。外板精細(xì)化面品問題需要從前期分析、問題橫展、造型設(shè)計(jì)等方面提升。

圖10 制件實(shí)物圖

針對起皺問題從以下思路進(jìn)行解決：

（1）結(jié)合制件問題，對模具OP10/OP20/OP30/OP40各工序進(jìn)行檢查，明確問題發(fā)生點(diǎn)。

（2）對問題發(fā)生點(diǎn)排查前期SE分析結(jié)果，是否存在問題及對策。

（3）明確問題點(diǎn)的模具研合狀態(tài)，是否達(dá)到研合率95%以上。

（4）如為拉伸模問題，需要確認(rèn)實(shí)際拉伸料片的流入量與SE分析數(shù)據(jù)是否吻合，不吻合需要對拉伸走料進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到理論分析狀態(tài)。

（5）因制件造型限制無法實(shí)現(xiàn)的，而導(dǎo)致制件的缺陷，需要在SE階段從工藝能實(shí)現(xiàn)的角度進(jìn)行優(yōu)化改善，避免后期問題發(fā)生。