德系后蓋外板成形極限（FLD）缺陷分析與處理

戴長征，劉澤宇

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 528000）

1 引言

在德系后蓋外板件批量生產(chǎn)過程中，拉伸凹模與板料之間連續(xù)拉伸成形摩擦生熱，隨著生產(chǎn)數(shù)量不斷提高，模具溫度逐漸上升，模具零件熱量在內(nèi)部積累導致溫度升高能達到約49℃，在熱脹物理特性影響下，零件成形間隙變小，縮頸、拉裂較生產(chǎn)初期增多，穩(wěn)定性變差。另外，板料的機械性能、清洗機油膜厚度的改變也會對成形造成很大影響。

轎車車身后蓋外板的重要程度和技術難度主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）后蓋外板不但要與內(nèi)板壓合，還與車身多個外覆蓋件匹配：后蓋外板與包括頂蓋、側圍、后尾燈、后擋風玻璃、后保險杠等5處外表面零部件搭接。

（2）尺寸匹配要求高：后蓋外板與各個外表面零件部件的匹配精度要求很高，包括了弧度、平度、楔形方面的要求。

（3）后蓋外板成形高度大，對沖壓工藝、模具結構以及生產(chǎn)維護等提出了很高的挑戰(zhàn)。

2 問題的提出

某款車型后蓋外板在批量生產(chǎn)過程中，批量生產(chǎn)初期首件未見質(zhì)量異常，如圖1所示D區(qū)在生產(chǎn)約150件時開始出現(xiàn)縮頸趨勢，生產(chǎn)約200件時制件出現(xiàn)起皺、拉傷、開裂現(xiàn)象，無法正常批量生產(chǎn)，線上進行平衡塊高度、油膜厚度、壓機下氣墊壓力調(diào)整等應急措施無效后，被迫強制下線。后蓋外板工藝復雜，成形一個合格件需要7道工序的模具完成，從前到后分別是OP10落料、OP20拉伸、OP30修邊、OP40修邊整形、OP50翻邊、OP60翻邊整形和OP70整形修邊。

圖1 后蓋外板拉伸示意圖

3 問題分析

后蓋外板為深拉伸成形件，連續(xù)拉伸時，由于拉伸模凹模表面與板料表面之間摩擦生熱，模具零件內(nèi)部熱量積累硬點突出，使得壓邊圈、凹模間隙減小，導致在壓邊力不變的情況下板料流動阻力發(fā)生變化，從而影響模具裕度。

針對此問題可以先利用拉伸模擬技術（CAE）將制件成形過程進行數(shù)值模擬，預測出拉伸成形過程中可能產(chǎn)生的拉裂與折皺的區(qū)域，再運用網(wǎng)格實驗技術（GGA）分析制件D區(qū)（見圖1）板料實際流動方向及走料情況。

通過拉伸時主要依靠拉伸筋阻力控制板料流動，避免依靠壓邊圈與凹模對板料的摩擦阻力的方法，控制壓邊圈與凹模間隙。使得板料流動阻力在模具溫度發(fā)生變化時能夠保持相對恒定，提高拉伸模裕度和批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

3.1 拉伸模擬

拉伸模擬如圖2所示。

圖2 拉伸模擬

3.2 網(wǎng)格實驗分析

經(jīng)網(wǎng)格實驗（GGA）分析，由于板料成形過程中各區(qū)域受力狀態(tài)的不同，使其板料上的光刻網(wǎng)格圓產(chǎn)生不同的變形，成為各種不同類型的橢圓形（見圖3）。網(wǎng)格實驗（GGA）根據(jù)制件A-I區(qū)域（見圖1）網(wǎng)格圓變化情況，模擬生成相同材料、位置，在不同模具溫度條件下的FLD曲線圖（即成形極限曲線圖）。同時獲取板料成形的應變大小和梯度、金屬流動的方向、應變分布、變形方式（拉伸、脹形、平面應變），對此展開模具拉伸成形的安全裕度分析。

圖3 試驗區(qū)域示意圖

常溫下進行網(wǎng)格試驗，手工涂油，流入量與正常沖壓接近，其中整個D區(qū)域的安全裕度較低為1.5%（見圖4），最大減薄為27.5%（見圖5），處于臨界狀態(tài)。

圖4 （常溫）A-I區(qū)FLD曲線圖

圖5 測量區(qū)減薄

如圖6所示D區(qū)圓角部屬于膨脹狀態(tài)，圓角部安全裕度1.9%，側壁處于拉伸-壓縮成成形，安全裕度為1.5%，沖壓時易發(fā)生縮頸開裂，需提高制件的成形安全裕度。

圖6 D區(qū)FLD曲線圖

熱模下進行網(wǎng)格試驗，手工涂油，流入量接近正常沖壓，其中整個D區(qū)域安全裕度較低為1.9%（見圖7），最大減薄為27.4%（見圖8），處于臨界狀態(tài)。

D區(qū)側壁處處于拉伸-壓縮成形，存在過度減薄，安全裕度為1.9%（見圖7），沖壓時易發(fā)生開裂縮頸，需采取措施提高安全裕度。

圖7 （熱模）A-I區(qū)FLD曲線圖

圖8 測量區(qū)減薄

綜上分析，如圖9所示模具批量生產(chǎn)加熱后D區(qū)域圓角部位屬于成形極限區(qū)域，存在過度減薄，沖壓時易發(fā)生縮頸、開裂現(xiàn)象。

圖9 圓角缺陷樣圖

4 方案分析

4.1 分析一

圓角開裂區(qū)域達到板料成形極限，為提高安全裕度可通過降低主應變或增大次應變。如圖10所示，根據(jù)網(wǎng)格實驗分析數(shù)據(jù)，可通過H處拉伸筋槽R角做小來增大進料阻力提高次應變，再將G處拉伸筋槽R放大減小進料阻力以降低主應變。

圖10 圓角成形分析示意圖

4.2 分析二

側壁處屬于拉壓成形（見圖11），縱向受拉，橫向受壓，可通過減小主應變和增大次應變來提高安全裕度。如圖12所示，減小M處進料阻力增大次應變，再通過減小N處進料阻力減小主應變。另外，由于圖13所示P處有向M（見圖12）處開裂位置流料的趨勢，可提高P處材料向該處流動，增大次應變。

圖11 側壁缺陷樣圖

圖12 M處阻力增大次應變

圖13 P處向M處流料趨勢

4.3 分析三

板料厚度0.7mm，測量內(nèi)壓邊圈P處（見圖14）間隙為0.65mm，內(nèi)壓邊圈與凹模間隙小于板料厚度，內(nèi)壓邊圈與凹模對板料施加的摩擦力較大，增大進料阻力，使制件拉裂，影響板料的流動穩(wěn)定性，導致生產(chǎn)的穩(wěn)定性也隨之降低。

圖14 測量間隙位置圖

可調(diào)整平衡塊著色至均勻讓平衡塊作用起來，保證內(nèi)壓邊圈與凹模間隙略大于料厚，依靠內(nèi)壓邊圈筋槽控制P處走料，從而提高板料流動穩(wěn)定性。

4.4 分析四

壓料面與凹模間隙不均勻，存在硬點和拉毛現(xiàn)象，批量生產(chǎn)時間隙小的位置發(fā)熱量大，熱膨脹使得間隙進一步減小，壓邊力增大，摩擦力增大，最終導致制件該位置發(fā)生縮頸、開裂。

可通過研和內(nèi)壓邊圈管理面著色摘去硬點并光順，使其走料通暢且均勻，消除因溫度上升硬點凸出問題對走料的影響。

5 解決思路

不管是內(nèi)、外壓邊圈，控制板料進料阻力主要有兩個方面：分別為拉伸筋產(chǎn)生的阻力和壓料面對板料產(chǎn)生的摩擦力。拉伸筋在生產(chǎn)成形過程中控制板料流動經(jīng)過拉伸筋產(chǎn)生的阻力，板料流過拉伸筋時阻力分布均勻，拉伸阻力可以保持相對恒定。壓料面對板料的摩擦力=壓邊力×摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)隨著模具批量生產(chǎn)，壓邊圈與凹模被加熱后硬點突出，粗糙度增加，壓邊圈與凹模間隙被迫減小，摩擦力被進一步增大，如圖15所示。

圖15 板料流動示意圖

調(diào)節(jié)平衡塊，可以調(diào)整壓邊圈與凹模的間隙，保證壓邊圈與凹模間隙稍大于板料厚度的105%～108%，沖壓成形時壓邊力F分為F1和F2，分別作用在壓料面和平衡塊上，F(xiàn)1的作用是保證拉伸時拉伸筋能夠充分成形，并保證產(chǎn)生的阻力使與壓邊圈接觸的板料不發(fā)生起皺。

當成形壓邊力F增大時，由于壓料圈與凹模間隙略大于料厚，壓力大部分到F2作用于平衡墊塊上，少部分解到F1作用于板料上，所以，壓料面對板料的摩擦力隨著壓邊圈和凹模的改變和而變化，而拉伸筋的阻力相對恒定，板料流動的阻力可以保持較為穩(wěn)定的數(shù)值。

綜上所述，解決拉伸不穩(wěn)定需要盡可能用拉伸筋控制板料的流動從而調(diào)整進料阻力，減少壓料面對成形的影響，并且拉伸筋能在較大范圍調(diào)節(jié)進料阻力分布及大小；降低對壓料面的要求；拉伸筋外側已經(jīng)起皺的板料通過拉伸筋時，也可以得到一定程度的矯平。

6 優(yōu)化過程

6.1 凸凹著色研合

拆掉平衡塊，上壓機研修凸凹模著色，提高著色率，功能區(qū)要求90%著色，對壓料面進行重新研修，使壓料面著色均勻。

6.2 平衡塊高度調(diào)整

由于方案分析三的實施，圖16中平衡塊加墊片0.15mm，使內(nèi)壓邊圈與凹模間隙增大，并控制其間隙稍大于板料料厚105%～108%，用來平衡內(nèi)壓邊圈上的壓力，使內(nèi)壓邊圈與凹模間隙均勻。避免出現(xiàn)局部壓力過大或者過小現(xiàn)象。

圖16 平衡塊調(diào)整示意圖

6.3 反凸燒焊

由于方案分析一的實施，圖10中G處筋槽R放大，板料流入量增加走料加快，后蓋外板三角區(qū)出現(xiàn)起皺缺陷（見圖17）。根據(jù)經(jīng)過重新研修著色及調(diào)整平衡塊后的拉伸件狀態(tài)并結合拉伸模擬數(shù)據(jù)（見圖2d）得出，三角區(qū)皺是在模具接近下死點才出現(xiàn)的。

如圖17所示，嘗試在H區(qū)筋槽進行貼膠帶增加板料過拉伸筋的進料阻力做實驗，發(fā)現(xiàn)皺有好轉，但為了保證壓邊圈的穩(wěn)定性，并保證制件整體走料平衡，考慮對此拉伸凹模反凸入手。通過反凸燒焊加高的措施（見圖18），在拉伸到底時進行拽料，使得此處板料得到充分延展，解決了縮頸、開裂后起皺問題，如圖19、圖20所示。

圖17 貼膠帶實驗

圖18 OP20燒焊區(qū)域

圖19 OP20凸模空開

圖20 合格件

6.4 筋槽R調(diào)整

同樣為優(yōu)化縮頸、開裂缺陷，在后蓋外板內(nèi)壓料圈3處平衡塊加墊0.15mm后（見圖16），內(nèi)壓邊圈區(qū)制件走料加快，導致新增滑移線缺陷。

如圖21所示，L處曾為調(diào)整滑移線將筋槽R角改小，現(xiàn)調(diào)整內(nèi)壓邊圈平衡塊后板料流動失衡，制件拉毛嚴重，刮掉板料表面鋅皮形成積屑流，導致此處進料阻力增加走料困難，從而產(chǎn)生滑移線缺陷。

綜上將根據(jù)滑移線變化狀態(tài)逐步放大L處筋槽R角，精研壓料面摘去硬點，控制壓料面著色后，使得內(nèi)、外壓邊圈走料平衡，消除滑移線。

圖21 筋槽R調(diào)整方案

7 總結

轎車后蓋外表面覆蓋件由于其結構復雜并且具有一定的特殊性，在成形時容易出現(xiàn)開裂和起皺等缺陷，并且這兩種缺陷同時出現(xiàn)在一個區(qū)域內(nèi)很難消除，往往在消除一種缺陷的時候會造成另一種或者幾種新缺陷的產(chǎn)生。

經(jīng)拉伸模擬軟件分別在后蓋外板在常溫和加熱兩種狀態(tài)下進行數(shù)值模擬分析，通過結果對比分析和工藝改進后的方案能夠解決開裂和起皺的矛盾，得到質(zhì)量合格的沖壓件。因此，對于有后蓋外板類似結構的零件，如左右側圍等，都可以采用本文中優(yōu)化方案進行調(diào)試，可以解決開裂和起皺缺陷。

借助數(shù)值模擬分析方法，為沖壓成形的評估提供了重要參考，制定出較合理的沖壓工藝及調(diào)試方法，為模具方案的制作提供參考。