后車門外板面畸變缺陷探測及解決方案研究

蔣 松，喻 航

（四川成飛集成科技股份有限公司，四川 成都 610092）

0 引 言

汽車外覆蓋件表面質量直接影響車身噴漆后的光線反射效果，沖壓生產工藝下的外覆蓋件面畸變缺陷是表面質量缺陷的重要構成部分[1-7]，其產生及消除造成調試工作周期和成本的增加。面畸變缺陷的產生與沖壓工藝設計、板料性能、制件形狀特征、摩擦潤滑條件、模具研配狀態等因素有關，既有可能分布于制件成形過程中，也有可能在脫模后因回彈影響而產生。隨著計算機軟、硬件的發展及塑性成形理論方面研究的進步，通過對成形過程的全工序有限元分析及后處理，在沖壓工藝設計階段對面畸變缺陷的預測有效性逐步增加；此外，隨著汽車工業的發展及主機廠對車型外觀精致感的追求，對外板件表面質量提出了更高的要求，沖壓工藝開發階段對面畸變缺陷的探測方法及在調試階段對未探測到的面畸變缺陷解決方法的研究尤為重要。

1 后車門外板主要面畸變缺陷形式及位置

面畸變缺陷主要由于不均勻應力分布導致制件表面失穩或屈曲，不均勻應力分布主要由成形過程、卸載回彈、模具排氣不暢、型面研配不到位、潤滑條件不當等原因造成。后車門外板常見面畸變缺陷主要表現為：表面凸點、面凹陷、表面凸凹。面畸變缺陷位置主要分布在門把手、左右件拼合處、翻邊/整形輪廓線及翻邊輪廓線連接的凹形曲面位置，如圖1所示。

圖1 后車門外板典型面畸變缺陷位置

2 沖壓工藝設計

沖壓方向及補充面關鍵參數如圖2、圖3所示。制件成形工序如圖4所示，包括：工序①拉深；工序②修邊、側修邊、沖孔、側沖孔；工序③翻邊、側翻邊、修邊。

圖2 沖壓方向

圖3 補充面關鍵參數

圖4 制件成形工序

3 有限元模型建立

3.1 材料力學性能

制件材料牌號E180BH，厚度為0.65 mm，密度為 7 800 kg/m3，屈服強度 σˉ=187 MPa，彈性模量 E=211 GPa，硬化指數n=0.22，強度系數k=534 MPa，泊松比λ=0.3，厚向異性指數r=1.93、r0°=1.69、r45°=1.91，r90°=2.21。材料硬化曲線選擇Ludwik公式表達，屈服準則選擇Hill屈服準則，FLC曲線選擇Keeler公式。

3.2 拉深成形有限元模型

拉深成形參數設置：由于壓料面傾斜，在板料滑動方向設置2個擋料器，如圖5所示；壓邊力為1 300 kN，拉深行程為70 mm，摩擦系數為0.15，上滑塊速度為1.4 m/s，成形過程模擬采用實體拉深筋如圖6所示，具體參數如表1所示，板料初始網格20 mm。

圖5 拉深有限元模型設置

圖6 拉深筋布置及參數

表1 拉深筋參數

3.3 后工序模型設置

回彈是造成面畸變缺陷的重要因素，在后工序模擬設置中考慮工序件的回彈，如圖7所示。工具體按照模具結構符型面及壓料面進行設置，模具壓料力采用結構設計理論壓料力，翻邊、整形間隙按照理論料厚設置。

圖7 后工序模擬設置

4 表面質量缺陷控制

采用圖8所示流程對后車門外板工藝設計階段面畸變缺陷進行控制，面畸變的檢測法主要通過斑馬線反射分析、油石分析等進行檢查。

圖8 設計階段控制流程

5 模擬結果與調試出件結果對比分析

5.1 結果對比分析

通過對比分析模擬成形制件的斑馬線走勢（見圖9），在1、2、3、4區域的斑馬線出現不連續畸變。為了進一步篩查表面質量缺陷位置、范圍及缺陷區域在成形過程中的演化情況，對成形各工序模擬結果進行油石后處理分析，如圖10所示。分析結果顯示隨著工序間制件定位、壓料及成形，缺陷數量出現不規則增減。對缺陷區域模面進行強壓處理，模具零件型面首次研配著色85%狀態的調試出件檢測結果如圖11所示。對比圖10、圖11可知，經過強壓研配后成形分析結果預測的部分缺陷未出現在調試生產的制件表面，如圖10（c）中3、4、5、6、9、14、15、16、18區域。

圖9 斑馬線分析結果

圖10 后處理油石結果

圖11 調試出件檢測結果

模擬結果與調試出件結果差異分析：①模擬分析中的摩擦邊界條件設置與調試出件的摩擦條件存在差異，分析中使用恒定的摩擦系數進行設置，但制件成形過程中隨著成形速度、制件與模具零件型面接觸壓力的變化[8]，摩擦條件會產生一定范圍的波動，導致制件成形后的應力分布發生變化；②模擬分析中的設置與實際模具調試過程中在型面強壓區域、后工序壓料強度及翻邊間隙方面存在差異；③模擬分析中的材料力學性能參數與調試板料實際性能參數的差異。

5.2 摩擦系數影響分析

根據生產特點主要研究摩擦條件對面畸變缺陷預測的影響。設置恒定摩擦系數分別為0.125、0.1，分析摩擦系數對表面質量缺陷預測的影響，模擬后處理結果如圖12所示。由圖12可見，在不同的摩擦系數狀態下，后處理預測的表面質量缺陷位置及缺陷區域范圍發生波動。按照圖13中的取點方式對3種摩擦系數狀態下的共有缺陷進行取點分析，取樣點對應缺陷高度在絕對值上未出現數量級波動；以摩擦系數為0.15狀態下的缺陷高度值為基準，根據公式（1）分析不同摩擦系數下的缺陷高度波動情況，如圖14所示，缺陷高度值在-16.3%～28.6%內波動。

圖12 表面質量缺陷后處理結果

圖13 缺陷高度對比分析

圖14 缺陷高度波動分析

6 缺陷解決措施

在沖壓方案設計階段將能消除的表面質量缺陷通過工藝設計手段消除；對于成形分析中遺留的部分缺陷，通過強壓、后續壓料面壓料強度控制及翻邊間隙控制的方式減輕或消除。通過2輪對強壓區域、后續壓料面壓料強度及翻邊間隙研修，消除制件2、3、4、5、6、7、8處的缺陷，如圖15所示。其中缺陷9只出現在單邊，說明此缺陷可通過研修進一步調整減輕或消除，缺陷10（1為對稱位置）在研修過程中存在不穩定現象，單邊在第一輪研修中消除，在第二輪研修中缺陷復現，需進一步穩定模具研配狀態。

圖15 研修后缺陷消除情況

7 結束語

通過對成形結果的后處理可以顯示制件的表面質量缺陷理論位置，結合經驗可以進一步對表面質量缺陷的嚴重程度及可消除程度進行判定，但由于成形模擬中的材料參數、摩擦模型及模具狀態與生產中實際狀態存在一定差異，造成模擬結果與調試結果的差異。后續需要進一步研究材料參數波動、摩擦模型的選擇及模具狀態的合理設置等，以提高成形模擬對表面質量缺陷預測的準確性。