汽車前門內板拉伸起皺開裂問題分析與對策

韋榮發，蒙世瑛，麥育智，黃 棋

上汽通用五菱汽車股份有限公司（廣西柳州 545005）

1 引言

汽車覆蓋件一般由形狀復雜的空間曲面構成，具有結構尺寸大、材料厚度薄、成形難度大及質量要求高等特點[1]。復雜的造型使板材在拉伸成形過程中易因各區域受力不均勻、進料速率不一致、潤滑條件不良等因素，產生起皺、開裂、癟塘、滑移線等表面缺陷，其中，起皺與開裂是汽車覆蓋件沖壓生產過程中最為常見的失效模式[2]。

汽車門內板是典型的沖壓件之一，由于門內板拉伸深度較大，特征復雜，導致量產過程中頻繁出現縮頸或起皺缺陷。拉伸件出現起皺或開裂缺陷，降低了沖壓件的表面質量、增加返修或報廢成本，同時也易使白車身在焊接過程中出現焊點扭曲或焊點開裂，嚴重影響車身焊裝質量[3]。隨著國民消費水平的增長及沖壓技術的高速發展，沖壓件的造型愈加復雜。因此，如何滿足造型日趨復雜的內板制件的沖壓成形，消除量產過程最為常見的起皺、縮頸及開裂等缺陷，提高沖壓件的成形質量與穩定性，逐漸成為各大汽車模具制造廠及主機廠共同面臨的重大課題之一。

本文針對某車型前門內板量產過程常出現起皺與開裂的問題，根據沖壓件的制件特性與模具結構，詳細解析其起皺與開裂的成形機理，并提出了通過調整壓邊間隙與構造變截面拉伸筋的控制措施，以期為汽車覆蓋性成形質量的控制及冷沖模具的設計提供理論依據與技術支持。

2 前門內板結構特性

圖1a所示為某車型前門內板結構，制件造型復雜，內含過處線束孔、玻璃升降器安裝面等特征，最大深度160mm，B柱側壁處制件內凹造型變化急劇。板料材質為BLD，板料厚度為0.7mm。

拉伸模工藝設計上采用單動拉伸一次成形，由凸模、壓邊圈及凹模組成。凸模最高點與最低點的高度差達160mm，凸模B柱區域側壁拔模角度及凸模圓角較小，且側壁處造型及結構面過渡急劇，模具結構如圖1b所示。前門內板模具采用氣墊的拉伸方式，拉伸深度230mm，封閉高度1,089.5mm，壓邊力140t，成形噸位1,315t。為控制B柱區域板材的流入速度，壓邊圈兩側設置雙筋，用于增加拉伸成形過程的進料阻力。

該制件在模具調試及量產過程中狀態不穩定，頻繁出現起皺或開裂問題，嚴重影響車間運行效率與質量輸出。經現場跟蹤與排查，缺陷為OP10拉伸工序產生，因此，如何消除拉伸起皺與開裂缺陷并提升拉伸工序的穩定性是問題解決的關鍵。制件縮頸及開裂狀態如圖2所示。

圖1 某車型前門內板制件及模具結構

圖2 制件起皺與開裂模式

3 缺陷成因分析

3.1 材料流入量測量與分析

材料流入量對制件的拉伸成形具有重要影響，可直觀、本質的反映制件的成形質量[4]。按材料流入量測量規范對前門內板OP10材料流入量進行測量，并與CAE分析值進行對比，作為材料流入量是否滿足制件成形需求的判斷依據。由于本例僅聚焦B柱的成形狀態，故只對B柱的材料流入量進行測量。測點以模具中心坐標軸為初始點，并根據模具調試狀態適當布置測點，測點的布置與測量結果分別如圖3及表1所示。

圖3 材料流入量測點布置

表1 流入量測量結果（mm）

由測量結果可知，實際流入量與CAE分析值存在偏差，實際流入量絕大多數大于理論值，其中，2、3、5、6四處測點尤為顯著，與實際制件的起皺表現相吻合。觀察拉伸件起皺部位可以發現，雖然壓邊圈上設置了兩道用于增加進料阻力的拉伸筋槽，但由于凹模凸筋高度不足、筋槽間隙過大等潛在原因造成拉伸阻力不足，成形后板料邊緣已完全越過第一道筋條（見圖4），表明拉伸阻力不足導致成形過程中未能有效控制材料流動進而造成制件產生起皺。

圖4 拉伸件料邊流入狀態

3.2 網格試驗分析

網格試驗可以快速準確的判定沖壓件拉伸成形過程中板料的應力應變，定量檢測制件極限變形部位、評價板材的成形性能及指導現場模具調試[5]。為辨識制件的成形裕度及危險區域的應變狀態，對前門內板B柱區域開展網格試驗，以獲得沖壓件成形質量評價指標，即等效厚度減薄率。網格試驗結果如圖5所示，其中，所選測點均為調試過程易出現縮頸或開裂的圓角附近及制件立面區域。

觀察網格試驗分析結果可知，危險區域F～I測點的等效厚度減薄率接近臨界值25%，與前期CAE分析的減薄率相符（CAE分析減薄率見圖6），表明制件存在縮頸開裂風險。當板料性能、氣墊壓力、封閉高度及壓邊間隙等沖壓條件發生變化時，容易造成縮頸開裂或起皺等變異。

3.3 筋槽間隙測量與分析

根據現場模具調試經驗，造成材料流入量出現偏差的因素有壓邊及筋槽間隙、潤滑條件、筋條尺寸及板料材質等，但難以精確解析上述各因素對拉伸成形的定量影響[6]，本例從相對簡單且便于現場操作的壓邊及筋槽間隙、筋條高度角度進行分析。分別采用φ2mm鉛絲與紅丹檢測空壓狀態下壓邊＆amp;筋槽間隙，檢測過程及結果分別如圖7及表2所示。

圖5 網格試驗結果

圖6 前門內板CAE分析減薄率

圖7 模具間隙檢測

表2 壓邊間隙測量結果 mm

由模具間隙檢測結果可知，壓邊圈整體研合不均勻，存在較多硬點，研合率約30%，不滿足管理面≥90%的技術標準；管理面、壓料面間隙0.6～0.7mm，筋槽間隙0.9～1.7mm，均偏離t+0.1mm（t為板料厚度）的技術規范。此外，制件造型內凹，決定了成形過程中兩側材料向制件凹弧中心聚集的特性，為防止兩側材料過多向制件凹弧中心聚集造成起皺，在滿足凹弧中心有效控料的前提下兩側的阻力分布應大于凹弧中心，即根據制件成形特性差異化分布筋條阻力?，F場檢查模具實物發現，凹模凸筋整體高度及大小一致，內凹造型區域對應的拉伸筋大小及高度并未根據制件成形特性進行差異化布置。由此表明，當前模具筋槽所構成的拉伸阻力未能良好控制材料流入量以匹配制件成形需求，導致成形過程中材料流動失穩并產生起皺或開裂缺陷。

4 工藝優化方案與實施

大量理論研究與生產試驗表明，控制拉伸件起皺開裂的方法就是要控制板料的流動，使材料流入量符合制件成形需求[7]。結合上述缺陷成因分析，本文從拉伸壓邊間隙、筋條配置方面進行優化。

4.1 拉伸模壓邊間隙優化

模具不是一個完全的剛性體，板材成形過程中，在機床滑動的驅動下產生一定的撓度變形，且模具體積與尺寸較大，當前設備精度條件下難以將凹凸模間隙加工、研磨至恒定值[8]。為滿足各主機廠機床精度的差異及局部進料阻力的調整，模具調試過程通常采用平衡塊墊片進行壓邊間隙的調整，間隙越大，壓邊力越小，材料流入阻力越小，反之亦然。根據技術要求，本文以t+0.1mm（t為料厚）的壓邊間隙為目標，并結合鉛絲與紅丹檢測結果補焊研配壓邊圈壓料面，通過調整平衡塊墊片將壓邊間隙由0.6mm調整為0.8mm，穩定整體進料阻力，使B柱區域材料在成形過程中盡量趨于均勻一致，減小起皺或開裂傾向。此外，由于板料性能、板料油膜厚度及工廠氣壓等影響制件成形的因素存在一定的波動，導致模具量產過程中存在變異，生產過程中常需根據拉伸件狀態調整平衡塊墊片。為對模具狀態進行系統管理與有效跟蹤，本文對該內板拉伸模所有平衡塊進行編號與跟蹤。壓邊圈壓料面補焊及平衡塊管理如圖8所示。

4.2 筋條配置優化

拉伸筋是控制沖壓件成形質量的重要手段，可以增大進料阻力、調整進料阻力的分布及材料流動的均勻性，抑制起皺開裂等缺陷，同時可以通過改變拉伸筋參數以改變成形阻力大小，滿足不同形狀制件的變形要求[9]。基于上述分析出的筋條阻力分布及材料流入不匹配制件成形需求的要因，并經過多次工程論證，本文提出了構造變截面拉伸筋的優化方案，即以起皺最為明顯的凹弧區域為中心，補焊加高凹弧中心對應45°角范圍之外兩側筋條高度2～2.5mm，焊接長度各120mm，同時適當降低起皺中心對應的筋條高度以平衡開裂位置的減薄率。通過重構變截面拉伸筋，實現需料的地方減少阻力，限料的地方增加阻力的限流功能，使材料流入匹配制件成形需求。變截面拉伸筋結構示意圖如9a所示，筋條補焊過程如圖9b所示，其中，A、C代表凹弧中心的兩側，需要限流，筋條高度增加；B代表凹弧中心，需要補充走料，筋條高度降低，筋條截面高度A=C＞B。

圖8 拉伸模壓邊間隙調整

圖9 筋條配置優化

4.3 試驗結果與分析

為進一步驗證整改方案的有效性，在實施上述優化方案后對前門內板進行批量生產驗證。整改后沖壓件質量狀態如圖10所示，跟蹤并記錄整改前后的生產運行數據如表3所示。試驗結果表明，整改后制件起皺與開裂缺陷改善顯著，變截面拉伸筋條的阻料作用可有效根據制件的成形需求控制材料流動，制件FTQ由91.2%提升至99.8%，制件報廢率由0.6%降低至0.02%。

圖10 整改后制件質量狀態

表3 整改前后生產運行數據對比

5 結束語

拉伸件成形質量對汽車覆蓋件的面品與尺寸合格率具有重要影響，同時也體現了模具廠與主機廠的設計及制造水平。本文以某車型前門內板為研究對象，分析缺陷的成因并提出通過調整壓邊間隙與構造變截面拉伸筋的控制措施，結合工程實踐驗證得出如下結論：

（1）對于拉伸深度大于150mm且有內凹造型的內板類拉伸工藝，壓邊間隙采用t+0.1mm進行控制（t為板料厚度），有助于獲得穩定的進料阻力，減小高風險減薄區域開裂傾向。

（2）拉伸筋參數配置的調整應結合制件的制件特性及成形需求，構造變截面拉伸筋使阻力分布及材料流入匹配制件成形需求，需料的地方減少阻力，控料的地方減少材料流動，有效控制板料的流動速度與流入量。

（3）針對門內板等工藝復雜的模具，需加嚴前期CAE仿真評價指標并提升仿真分析結果的準確性，同時結合實際調試過程影響拉伸起皺、開裂的末端因素，如凹凸模間隙、筋條結構潤滑條件等優化拉伸工藝，提高模具量產過程的穩定性。