汽车前门外板拉裂和滑移的控制方法
汽车前门属于典型的覆盖件外板产品。传统车门为相对于整车装配坐标系的外凸弧面形状，其断面曲线类似于抛物线，主棱线过渡角半径通常大于R20mm，且穿过门把手区域。目前，对于此类车门的制造技术已相当成熟。随着汽车车身设计的发展，整车从圆润的外观逐渐向突显线条感的造型演变。意味着覆盖件的形状更加复杂，产品上的棱线与交替的凹凸面将明显增多，必然对其冲压制造提出了更高的要求。
01
前门外板结构特点
图1 汽车前门外板结构
1.主棱线 2.门把手安装槽
汽车前门外板（见图1），主棱线过渡角设计半径相对较小，成形中不可避免地产生局部应力集中，并易造成表面擦痕，成为制件表面质量控制的关键点。门把手区域位于主棱线的一侧，自身为凹槽形状，且存在于车门上的内凹区域（见图1中车门断面曲线图）。槽口的4个转角近似于直角，在成形中加剧了应变分布的不均性，易因材料流动轨迹不规则而产生变形，或局部塑性拉伸不充分，成形时产生附加应力，在卸载后以残留应力形式释放，导致弹性回复，是制件变形控制的难点。
02
反成形区的拉裂与欠压
产品表面内凹的部位是依靠凹模型面上局部凸起实现成形，成形方向相反于冲压方向，这类区域被称为反成形区。区域内材料流动类似于胀形，受切向和径向拉应力作用。外围材料被局部凸起拉入凹模前在切向产生收缩的趋势，其应力状态为径向拉应力与切向压应力。由M-K理论可知，所有拉-压应力状态的极端失稳均表现为起皱，所有拉-拉应力状态的极端失稳均表现为拉裂。因此反成形区难以得到外围材料的流入补充，仅依靠厚向变薄实现塑性变形，易发生局部严重减薄，甚至拉裂。
依据塑性理论的凸模成形原理，所有坯料的塑性变形均在凸模（指上模或下模型面上的局部凸起）表面上进行，该部位相对应一侧的凹形模面只在模具完全压合后，才接触板料。因此，可能导致这些区域成形力不足，称为局部欠压。
03
棱线滑移
车门作为汽车覆盖件外板，必须保证具有较高标准的表面质量，不允许存在明显的滑移线。滑移线通常由凸模最高点的棱线与板料接触后，随成形过程而在板料表面产生的带状滑移痕迹。成形初期，压料面处于压紧状态后，模具棱线开始接触板料，如图2所示。
图2 棱线滑移示意图
板料初始状态为平面abc。成形过程中为ab1c状态。若ab＜ab1时，则b点必向c方向移动，产生b1b间的滑移痕迹。成形完成后，若ab1＜ab2且b1c＜b2c时，棱线滑移产生的可能性较小。若拉伸不均匀，出现ab2-ab与b2c-bc数值不相等时，将出现不同程度的棱线滑移。
由于零件设计造型已确定，制造时不能通过加大棱线过渡角的方式来避免滑移线的出现。必须通过拉深筋和压边力以及工艺补充面的设计控制环绕凹模的进料量，并且调节棱线两侧区域材料流动量趋于平衡。理论上，材料在成形过程中的流动均匀程度越高，产生如滑移线等质量缺陷可能性越小。材料塑性变形越充分，制件的成型性越好，在卸载后出现弹性回复的程度越低。
为了能制造出合格的制件，实际生产中需要对产品的设计模型进行具有一定差别的局部再设计，形成用于加工的工艺模型，称为拉深型面的偏差设计。
01
车窗凸台设计
制作拉深造型时，通常将产品上车窗部位的空洞用平面补充成为模具型面的一部分。虽然此法简单，但常因补充面内材料没有充分塑性变形，造成窗框内安装面的精度和平面度难以保证。由于拉深件并不要求工艺补充面具有较高的形状精度并且对表面质量要求较低，可在窗框内制作工艺凸台，这样增大了车窗内区域的表面积，材料拉伸程度被提高，利于提升制件定型性。在型面贴合度检测时易于区分控制区与非控制区，凸台面作为非控制区仅半精加工，调试时不需要对其进行研磨，缩短了生产周期。
02
过拉深设计
制件边缘的竖边部分不能一次拉深出来，须通过之后的翻边工序将边界处的面折弯成立面。此时主要风险为圆角处破裂。因此，可将该处拉深模型设计出一定的过拉深量，并将竖边角度从90°放缓至60°，凸圆角和凹圆角分别从R3mm放缓至R4mm和R6mm，能有效缓解拉裂风险，如图3所示。过拉深部位通过整形工序，回归为制件设计形状。设计如图3所示的模具，可实现局部整形和外缘翻边在一道工序中实现。
图3 工艺补充面过拉深设计
a.产品竖边 b.过拉深部位 c.产品边界线 d.分模线 e.模具整形刃部 f.模具翻边刃部
03
型面强压处理
强压处理是基于调节模具零件工作间隙实现均衡板料局部成形力的原理，将模具非加工基准面内局部区域沿法线方向延伸微小数值，使该处的间隙减小，实质上是一种局部加压处理。对于车门的设计要求，上模型面为加工基准面，因此强压处理设置在下模型面中。
图4 门把手区域强压处理
a.产品原始表面 b.处理后的型面
由产品结构分析可知，门把手槽周围易出现材料变形不充分的现象，因此设置局部型面强压处理有利于塑性拉伸程度的提升，如图4所示。通常强压量采用0.06～0.1mm，成形性较差时选取较大值，取值0.08mm。强压区与产品表面通过约30mm过渡区域光滑连接，即强压量在过渡区逐渐均匀地减小到0。
图5 拉深工艺模型表面
运用以上3种偏差设计处理后的模型表面如图5所示。
依据所设计的工艺模型，基于Autoform建立拉深工序的有限元分析模型，如图6所示。
图6 拉深工序有限元模型
1.板料 2.凹模 3.压边圈 4.凸模
前门外板材料为B180H1，板料厚度0.7mm，有限元模拟求解参数如表1所示。
01
传统工艺
（1）棱线滑移分析。传统的强压范围（包括过渡区）通常包括门把手安装槽向外50mm之内的范围，采用放射形均匀过渡的方式，如图7所示。
图7 传统强压范围
图8 拉深模拟求解结果
图9 滑移线分析
经拉深模拟分析结果（见图8）显示制件成形质量良好，无破裂、起皱等极端失稳情况。但滑移线分析结果（见图9）显示主棱线滑移偏向车窗方向。滑移距离在强压区内反而呈严重增加趋势。尝试用拉深筋与压料力调节该处的进料量，经多此调试仍无法避免。这是由产品自身结构特点引起。相同成形条件下，凸模成形区内材料塑性变形程度理论上大于反成形区域。此车门主棱线正是两区域的分界线。因此，图7所示的强压处理范围，仅适用于断面呈外凸形抛物线形的旧式车门，并不适用于形状日趋复杂的车门造型。并且，门把手安装槽下缘出现了滑移线，如图9所示。由零件断面形状可知，这是由于槽口过渡角最先接触板料，且该部位的成形方向不与面法线方向垂直，易在切向产生滑移线。
（2）制件弹性回复。导致制件变形的重要原因是卸载后制件的弹性回复。回弹分析结果如图10所示，产品区域的回弹量已基本被控制在较小数值，但门把手安装槽内存在约2mm的回弹量。
图10 回弹分析结果
虽然已做强压处理，但仍无法根除该处的变形。分析可知，安装槽侧壁的4个直转角，面曲率突变明显，导致该处材料流动轨迹不规则，不仅在成形中易出现变形，且加剧应变状态复杂程度，引起制件弹性回复。卸载后，由凸圆角的回弹开始，底部鼓起且侧壁呈弧形变形，导致在槽口过渡圆角处产生微小的局部隆起。弹性回复结束后的门把手安装槽形状，如图11所示。
图11 安装槽转角变形
1.槽口隆起 2.回弹后截面 3.初始制件截面
02
优化工艺
（1）制件变形控制。门把手安装孔内补充面上设置圆弧形的工艺凸包，如图12所示。相当于局部凸模，板料在凸包表面的变形状态类似于胀形，受切向与径向拉应力作用，提升了板料塑性拉伸的程度。且成形过程中，板料在凸包上延伸，会对周围材料产生一定的牵引力，相当于对槽口坯料施加一个反向拉力，使其处于预拉紧的状态，能较小程度地缓解拉深中转角处材料堆积。
图12 工艺凸包和转角凹陷补偿
为根除转角材料堆积问题，设置4个凹陷补偿区，如图12所示。其与原始产品表面的最大高度差为0.05～0.08mm，并进行光滑过渡连接。目的使槽口处可能产生堆积的材料去填充预先设置的凹陷区域，拉深完成后达到与原始表面相同的状态。由于补偿区光滑过渡至产品表面，保证了材料填充的稳定性，使原始转角处剧烈的材料流动得到了有效缓冲。
（2）滑移线控制。根据2.3节滑移线分析，控制的本质在于均衡主棱线两侧的材料流动程度，实现调节棱线下端区域（以图9为基础）的塑性变形程度逐步趋近于上端的凸模成形区。因此，强压范围不宜越过主棱线。优化设计后强压范围以主棱线下缘为上边界，以产品轮廓线为外边界，以反成形区边缘为下边界，如图13所示。
图13 优化后强压范围
03
有限元验证
图14 优化后拉深制件
图15 回弹分析结果和截面曲线
优化方案的验证结果显示产品表面绝大部分区域呈安全状态且凸包处无拉裂风险。少量起皱均发生在压料面上，材料B180H1的许用变薄率为19％，门把手区域检测值均小于此值，如图14所示。回弹分析结果（见图15）显示，门把手槽弹性回复得到了有效控制，回弹量被控制在0.05mm以下。由图15中A-A截面分析曲线，可知槽底部平坦无鼓起，侧壁无明显弧形内凹。拐角部无局部隆起，角部的材料堆积填补了凹陷量，获得了较光滑的转角部位。之后整个区域通过整形工序进行整图14优化后拉深制件形校正，由于前期工艺已使校正量相当微小，能够保证最终制件良好的形状精度。
图16 滑移线分析结果
稳定的成形状态和良好的制件局部形状是滑移线控制的重要前提。对主棱线与门把手安装槽口棱线进行滑移线检测，结果如图16所示。门把手安装槽下端的滑移线得到明显地控制且主棱线滑移线被控制在棱线过渡角之内。表明棱线两侧材料流动呈均衡状态，塑性变形程度趋近。
图17 优化前的拉深制件
采用传统方案生产的拉深件如图17所示，经检测，门把手安装槽下缘两直转角存在变形，槽口周边存在滑移线，并且槽下缘的滑移程度大于上缘，与有限元分析结果相对应。图17优化前的拉深制件依据优化方案拉深的制件和经修边工序去除工艺补充部分后的门把手区域如图18所示。
图18 前门外板拉深制件
▍原文作者：田植诚，王成勇，张鹏，鲁志兵
▍作者单位：合肥工业大学
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