后门外板B柱区域冲压起皱分析及优化

  0 引 言

    车门外板在白车身中属于中型外覆盖件，整车侧面的主棱线特征一般贯穿前后车门外板。由于车门是活动部件，涉及到多处平面度和间隙的匹配，也是用户最直观观察到的部位，对其成形质量要求十分严格^[1]。大多数主流汽车厂为实现整车动感的造型，特征棱线设计愈发凸出，棱线两侧型面的夹角越来越小，并且棱线圆角半径在满足国家标准的前提下，圆角半径按极限值2.5 mm设计^[2]，这对冲压工艺提出了更高的要求，尤其是较为复杂的后门外板。现基于此类造型的后门外板，针对传统冲压工艺成形时，B柱区域产生起皱缺陷的原因进行分析，采用改进的冲压工艺，消除了零件起皱缺陷，满足零件成形质量的要求。

1 后门外板结构

图1 所示为某车型后门外板造型，共有2条特征棱线，棱线两侧是呈一定角度的曲面，主棱线夹角约为134°,棱线圆角半径为R2.5 mm。在整车B柱区域有台阶，台阶2个圆角半径分别为R1.2 mm和 R2 mm，主棱线和B柱区域交汇处的结构如图1中圆圈处，此处在前门打开后可见。按照康采恩质量标准要求，单件和喷漆后应无明显的表面缺陷，缺陷等级不高于C类。

2 后门外板B柱区域起皱分析及优化

2.1 后门外板冲压工艺

针对门外板冲压工艺设计，对冲压方向、工艺补充、拉深深度和工序排布等方面进行了论述。对于后门外板，除B柱区域外，工艺补充比较简单，一般需要拉深、修边和直翻边成形，如压合有特殊需求，则需增加侧翻边工序；对于后门外板B柱区域，传统工艺采用的工艺补充截面及相关参数如图2所示，由于其造型特征无法直接拉深成形，需要通过拉深、修边、台阶整形和翻边工序完成此处成形，根据以往经验，b值一般为0.5~2 mm，R₁ 为 3~6 mm，R2 为 5~8 mm，h为 0~2 mm；A值为 0~ 10°。各参数值越小，拉深工艺补充越接近最终零件形状，整形量越小，相应的拉深减薄率越严重，反之拉深减薄率越小，但相应的二次整形量增加，整形后易产生表面缺陷和回弹；工艺设计的思路一般是在保证拉深质量的前提下，调整各个参数以尽量减少整形量。

   2.2 起皱分析

   该后门外板B柱区域采用上述冲压工艺，拉深工序在保证整体减薄率＞3%的前提下，采用最小拉深深度。拉深后对台阶处进行二次整形，结果如图 3所示，拉深后减薄率为28.4%，经过整形后尖点区域的减薄率达到30%，同时立壁处和底部产生了较严重的起皱，零件成形时处于同时起皱和开裂的状态。

棱线局部成形过程如图4所示，棱线处材料被整形镶件向下挤压，随着整形深度增加，棱线两侧材料分布不均，局部材料产生堆积，最后叠在一起，板料边缘产生严重的翘曲。整形到底后，起皱的材料无法展开，零件产生褶皱。

整形过程中局部应力状态如图5所示，由于整形镶件下压对棱线尖点处产生拉深作用，主次应力均大于0，处于拉应力状态，整形后尖点区域处材料减薄。镶件下方局部区域的主次应力值均小于0，处于压应力状态，根据最大剪切应力准则，如果等效压应力值超过失稳临界值，达到塑形变形条件，局部材料产生压缩失稳，导致零件起皱。为解决零件起皱，可以考虑以下几个措施：①减少拉深后多余的材料，即拉深成形尽量接近零件，同时合理分配棱线两侧整形的材料；②改变起皱区域的应力状态，降低压应力，消除材料起皱；③对起皱材料施加约束，抑制材料的失稳。

   2.3 起皱优化

    结合上述分析，采用图6所示的整形工艺，在下模增加活动压料板，成形时上模镶件下行与压料板接触，在与压料板接触前仅对小部分材料进行整形，然后一起压住板料，在板料末端施加拉应力以改善应力状态，降低压应力。成形过程中的应力分布如图 7 所示，与优化前工艺相比，压应力明显降低。通过压料板对材料自由端进行约束，抑制了材料的失稳。同时在拉深工序减少一次成形，保证在夹料前棱线两侧整形均匀。

整形过程如图8所示，整个成形过程中无褶皱出现，拉深时台阶相对高度降低，棱线尖点处拉深的减薄率降为16%，最终整形后的减薄率为26.3%，大幅度提高了拉深工艺的稳定性。实际生产采用该工艺，最终零件局部无起皱和开裂现象，成形质量满足要求如图9所示。

   3  结束语

通过对后门外板B柱区域传统成形工艺和改进后工艺进行分析，得出以下结论。

（1） 采用传统工艺方法时，后门外板B柱区域产生起皱缺陷，同时减薄率也达到极限状态，成形的零件无法满足质量要求。

（2） 为保证拉深成形，局部工艺补充相对于零件“多料”，在整形过程中多余材料的局部处于压应力状态，导致压缩失稳，而且失稳部位无约束，最终零件产生起皱缺陷。

（3） 通过采用拉深“浅”成形（指由于有夹料工艺保证，不会起皱，拉深相对于传统工艺，深度可以浅些，这样可以减小拉深减薄率，使拉深工序更加稳定），后续采用夹料整形工艺，既优化了拉深的减薄率，又解决了起皱缺陷，零件成形质量满足要求，对此类零件的冲压工艺设计和质量优化具有一定的指导意义。