汽車車門內(nèi)板沖壓成形及工藝分析

劉洪俊

（上汽集團(tuán) 商用車技術(shù)中心，上海 200438）

汽車車門內(nèi)板作為關(guān)鍵的覆蓋件零件，具有尺寸較大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、成形深度較深等特點(diǎn)，這些都將增大其成形的難度。在車身的設(shè)計(jì)階段，采用沖壓成形仿真軟件，同步模擬分析零件的成型過程，預(yù)測并識(shí)別零件開裂、起皺等成形問題，并針對(duì)零件自身特點(diǎn)提出整改方案，滿足CAE分析要求。通過分析車門內(nèi)板產(chǎn)品的特點(diǎn)，并結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備的工序需求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合理的工序排布規(guī)劃，根據(jù)此零件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式，通過拉延、修邊沖孔、翻邊整形等工序的合理優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)車門內(nèi)板的結(jié)構(gòu)功能需求并滿足產(chǎn)品的可制造性。

1 車門內(nèi)板的拉伸成形建模和仿真分析

1.1 零件尺寸及結(jié)構(gòu)分析

車門內(nèi)板零件如圖1所示，零件輪廓尺寸1070mm×1530mm×220mm，材質(zhì) DC04，為厚度1.2mm/0.7mm的激光拼焊板，拉伸深度約150mm。由圖可見，門內(nèi)板零件表面具有多處造型特征，并且高低起伏較大，鉸鏈孔一側(cè)型面的立壁拔模角度約4°，并且僅僅具有5mm寬的二級(jí)臺(tái)階結(jié)構(gòu)；門鎖孔一側(cè)型面的立壁拔模角度較小，約為3°，并具有30mm寬的二級(jí)臺(tái)階結(jié)構(gòu)，第二級(jí)臺(tái)階高約80mm，門內(nèi)板側(cè)壁的拔模角度總體較小，并且四周的二級(jí)臺(tái)階結(jié)構(gòu)增加了拉延過程中料片的流入的阻力，零件成型深度又較大，總體而言，門內(nèi)板成形難度相對(duì)較大。

圖1 車門內(nèi)板零件示意圖

1.2 確定沖壓方向

門內(nèi)板零件沖壓方向的合理選擇對(duì)成形結(jié)果的影響較大，需要對(duì)模具的閉合高度，零件的拉延深度、側(cè)壁的拔模角度、工序間的旋轉(zhuǎn)角度等因素進(jìn)行綜合考慮，此零件的沖壓方向如圖2所示。

圖2 車門內(nèi)板零件沖壓方向

1.3 壓料面和工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)

壓料面和工藝補(bǔ)充面是否合理對(duì)拉延過程及結(jié)果的影響較大，壓料面盡量設(shè)計(jì)為平面，但綜合考慮拉延深度和產(chǎn)品的造型特征，門內(nèi)板拉延壓料面時(shí)常為曲面，并且曲率偏大，避免使用雙曲面造型設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品的最低點(diǎn)應(yīng)高于壓料面，否則在上模與壓邊圈閉合前，上模將最先接觸到板料，導(dǎo)致板料定位不穩(wěn)定，并且在閉合前板料可能起皺。

在零件本體和壓料面之間，需要由工藝延伸面進(jìn)行過渡，且零件的翻邊、負(fù)角等型面特征可在工藝延伸面進(jìn)行展開，工藝延伸面的立壁需要具有一定的拔模角度，以便成形過程中料片的合理流入，工藝補(bǔ)充面經(jīng)過1～2次修邊工序后，將被完全切除，在滿足零件成形性的前提下，為了能夠提高零件的材料利用，需要盡量減小工藝延伸面的尺寸和寬度。

通常，將壓料面和工藝延伸面合稱為工藝補(bǔ)充面，兩者位于凸模輪廓線的兩側(cè)，本文中車門內(nèi)板零件的工藝補(bǔ)充面如圖3所示。

圖3 車門內(nèi)板零件工藝補(bǔ)充面

1.4 拉伸分析結(jié)果及產(chǎn)品優(yōu)化

車門內(nèi)板的CAE分析結(jié)果，如圖4所示。

由于在拉延過程中，增加刺破刀將產(chǎn)生切屑，積累到一定程度將附著在零件產(chǎn)品表面之上，進(jìn)而產(chǎn)生壓痕等表面缺陷，因此，在分析過程中，針對(duì)容易開裂區(qū)域，采用落料孔的方式，減小開裂的風(fēng)險(xiǎn)。零件的理論成形力約為9.5MN，壓邊力為0.8MN。

圖4 車門內(nèi)板零件CAE分析

車門內(nèi)板在分析過程中，存在開裂、起皺等缺陷，經(jīng)過產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化，成形問題得到根本解決，下面以門內(nèi)板幾處關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

如圖5a所示位置，存在開裂的風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)各級(jí)型面臺(tái)階圓角的放大，減小局部型面的斷面線長，開裂風(fēng)險(xiǎn)得以消除。

如圖5b所示位置，由于產(chǎn)品型面較深，拉延到底后開裂，通過放大產(chǎn)品的圓角和在產(chǎn)品局部位置增加三角型面特征，減小了拉延過程中局部應(yīng)力集中，開裂問題得以解決。

如圖5c所示位置，產(chǎn)品型面設(shè)計(jì)平坦，在拉延過程中，拉伸不充分，產(chǎn)品型面精度難以保證，因此，通過增加凹臺(tái)特征，使得產(chǎn)品局部充分拉伸，風(fēng)險(xiǎn)得以消除。

產(chǎn)品經(jīng)過優(yōu)化后，成形分析結(jié)果較好，無明顯起皺，開裂問題基本解決。

2 車門內(nèi)板的工藝方案分析

2.1 工藝方案的制定

門內(nèi)板工藝方案的規(guī)劃，需要在綜合考慮沖壓設(shè)備參數(shù)、操作便捷性、模具結(jié)構(gòu)合理、零件的取放和傳遞、廢料排出合理等因素的基礎(chǔ)上，并結(jié)合產(chǎn)品的造型特征、尺寸要求、功能孔的精度需求，進(jìn)而確定拉延、修邊沖孔、翻邊整形等工序的順序和每序的具體內(nèi)容。

圖5 車門內(nèi)板零件分析問題及優(yōu)化

如前文中圖1所示，零件產(chǎn)品特征存在較多功能孔，且孔的方向各異，結(jié)合產(chǎn)品輪廓修邊，需要至少規(guī)劃2～3工序；產(chǎn)品主型面異形孔存在翻邊，車門內(nèi)板窗框上側(cè)產(chǎn)品邊沿存在上翻造型特征，經(jīng)過修邊檢查，發(fā)現(xiàn)修邊超差，需要將此局部特征在拉延型面展平，經(jīng)過修邊后，采取上翻邊形式；產(chǎn)品深度較大，且法蘭面有多處臺(tái)階特征，需要放大圓角后，進(jìn)行后續(xù)整形處理，綜合考慮以上因素及其他細(xì)節(jié)分析，此車門內(nèi)板共需要5工序（含落料工序），如圖6所示，分別為：OP10拉延；OP20修邊、沖孔、側(cè)沖孔；OP30修邊、翻邊、整形；OP40側(cè)沖孔、正沖孔、上翻邊。

2.2 OP10拉延工序

在零件拉延的過程中，主要通過拉延筋的形狀、拉延筋的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)對(duì)板料變形和流動(dòng)的控制，對(duì)于產(chǎn)品無法拉伸充分的區(qū)域，可以采取雙拉延筋的形式，限制成型過程中料片的流入，對(duì)于窗口的四角位置，由于局部造型圓角較小，成型過程中減薄偏大，甚至開裂，可以通過采用落料孔的形式，增大料片的流動(dòng)，提高局部的成形性能。

2.3 OP20修邊、沖孔工序

第2序的工作內(nèi)容為修邊、沖孔。由圖6可知，主要對(duì)門內(nèi)板四周進(jìn)行修邊，并采用多段廢料切刀對(duì)廢料進(jìn)行分塊，使廢料的最長尺寸能夠滿足機(jī)床廢料收集孔的尺寸要求，由于側(cè)壁2處局部位置存有多個(gè)方向的功能孔，經(jīng)過工序分析，需要在OP20先側(cè)沖其中一部分功能孔，因此，修邊進(jìn)行了局部避讓，經(jīng)過OP20工序，仍存在2處廢料需留到后工序進(jìn)行切除；在此工序中，窗口位置的廢料需要切除一部分，其余部分在后工序進(jìn)行切斷；由于本工序的沖壓方向，能夠滿足產(chǎn)品主型面上的多個(gè)功能孔的沖孔的角度要求，因此，本工序也正沖了多個(gè)主型面的功能孔，圖6中僅示意部分功能孔的沖孔。

2.4 OP30修邊、翻邊、整形工序

第3序的工作內(nèi)容為修邊、翻邊、整形。由圖6可知，主要對(duì)門內(nèi)板主型面的法蘭面進(jìn)行了整形，由于產(chǎn)品主型面以外部分進(jìn)行了過拉延處理，且在產(chǎn)品的立壁型面上存在多個(gè)密封條安裝孔，為了不影響孔的尺寸精度，需要在本工序先對(duì)產(chǎn)品主型面以外部分進(jìn)行整形；在本工序中，對(duì)上工序保留的2處產(chǎn)品外沿廢料和窗框內(nèi)部的廢料進(jìn)行修邊，去除廢料，并對(duì)局部有翻邊的功能孔進(jìn)行了翻邊。

2.5 OP40側(cè)沖孔、正沖孔、上翻邊工序

圖6 車門內(nèi)板零件工序排布

第4序的工作內(nèi)容為側(cè)沖孔、正沖孔、上翻邊。由圖6可知，主要對(duì)門內(nèi)板側(cè)壁的密封條安裝孔進(jìn)行了側(cè)沖孔，以及門鎖孔進(jìn)行了剩余部分的側(cè)沖孔；門框上沿由于產(chǎn)品造型存在向上的翻邊，在OP10中需要展開到拉延型面上，經(jīng)過前工序的修邊，去除多余廢料后，在本工序進(jìn)行上翻邊；門框內(nèi)部的法蘭面，由于和玻璃面有匹配關(guān)系，其型面的面差精度要求較高，因此，在本工序?qū)ζ溥M(jìn)行進(jìn)一步整形處理。

2.6 對(duì)影響工序規(guī)劃的孔位的調(diào)整

如圖7所示，在門內(nèi)板水切附近兩個(gè)安裝功能孔的沖孔方向互相干涉，而下方孔所在平面由于進(jìn)行了過拉延處理，需要在修邊后進(jìn)行整形，而此孔需要在所在平面整形后進(jìn)行沖孔，以保證孔的位置度，因此，無法在4工序內(nèi)完成所有孔的沖孔，需要提出工程更改申請(qǐng)，將孔位進(jìn)行調(diào)整，滿足目前4工序生產(chǎn)要求。

圖7 車門內(nèi)板孔位調(diào)整

經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)和驗(yàn)證，如圖8所示，此車門內(nèi)板的尺寸精度，表面質(zhì)量均達(dá)到生產(chǎn)要求，質(zhì)量比較穩(wěn)定，達(dá)到了良好的裝車使用效果。

3 結(jié)束語

圖8 車門內(nèi)板零件實(shí)物圖

通過對(duì)車門內(nèi)板進(jìn)行合理的拉伸建模，并使用CAE仿真軟件進(jìn)行成型的模擬分析，能夠有效的識(shí)別零件成型的風(fēng)險(xiǎn)，通過放大產(chǎn)品圓角、增加“三角面”特征，降低產(chǎn)品開裂風(fēng)險(xiǎn)；通過增加凹臺(tái)特征，提高產(chǎn)品局部剛度，降低產(chǎn)品回彈，對(duì)產(chǎn)品局部位置造型進(jìn)行優(yōu)化，滿足零件設(shè)計(jì)的成型合理性。

門內(nèi)板產(chǎn)品一般可通過4工序完成生產(chǎn)，對(duì)于可能增加工序的特征，例如孔位干涉等，建議申請(qǐng)工程更改，進(jìn)行孔位調(diào)整，以滿足生產(chǎn)設(shè)備的需求和降低工序和生產(chǎn)成本。

目前此零件已批量生產(chǎn)，通過前期CAE分析和工藝規(guī)劃，產(chǎn)品能夠滿足精度和面品質(zhì)量要求，零件平均合格率在95%以上，滿足裝車匹配和精度要求。