车门成形后凹陷成因分析和应对措施_周驰.pdf

模具工业 2011年第37卷第12期 1引 言 汽车外覆盖件的成形是目前国内汽车行业的 一个瓶颈问题 从美观和空气动力学性能出发 汽 车外覆盖件对形状精度和曲面质量要求很高 通常 需要达到A级曲面质量 由于覆盖件表面上任何微 小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射从而影 响外形的美观 不允许有波纹 皱折 凹坑 擦伤 边 缘拉痕等缺陷 以往在普通冲压件中不受重视的 局部凹陷问题 在覆盖件的成形中就成为一种主要 缺陷 这种凹陷现象的成因和应对措施目前尚处 在摸索中 没有一个根本性的解决方法 覆盖件成形后凹陷的现象和原因有很多种 根据目前的研究 其相关的影响因素大致包括 材料 因素 形状因素 应力状态和应变状态 针对汽车 车门拉手附近的局部凹陷 刘瑞同将这种现象称为 表面瘪塘 属于其定义的A类塌陷 认为是由于塑性 变形不均匀而导致最终回弹不均匀引起的 可以通 过调整零件的设计和模具结构来减少这种现象 1 孙振忠分析了圆柱形浅壳的塌陷原因 指出了成形 末端应力和塌陷的关系 2 并进一步针对各种不同的 影响因素对覆盖件凹陷提出了相应的工程控制方 车门成形后凹陷成因分析和应对措施 周驰 1 周旭辉1 张赛军1 胡芳鸽2 麦广辉2 1 华南理工大学 机械与汽车工程学院 广东 广州510641 2 广汽本田汽车有限公司 机械模具科 广东 广州510700 摘要 局部凹陷是轿车外覆盖件成形中的一种典型问题 其成因和控制方法一直是困扰汽车行业的一 个难题 通过有限元模拟 分析了成形中的应力应变的演变状况 并据此提出了车门成形后在把手部 位出现凹陷的原因和应对措施 由于受到零件形状的影响 在成形末端材料流动不均匀 而导致了最 终应力分布的不均匀 在卸载阶段 应力的释放引起了车门把手周围的局部凹陷 针对上述成因 改 变零件形状 改变补充面形状或设计拉延筋 对局部施加强压等方法均有助于改善凹陷情况 关键词 汽车覆盖件 冲压 局部凹陷 应力分布 中图分类号 TG385 4文献标识码 A文章编号 1001 2168 2011 12 0018 03 Analysis on causes of partial depression after door shaping and countermeasures ZHOU Chi1 ZHOU Xu hui1 ZHANG Sai jun1 HU Fang ge2 MAI Guang hui2 1 College of Mechanical and Automotive Engineering South China University of Technology Guangzhou Guangdong 510641 China 2 Machinery Mould Division Guangqi Honda Automobile Co Ltd Guangzhou Guangdong 510700 China Abstract Partial depression is a typical problem in the forming of automobile panel and its causesandcontrolmethodareadifficultprobleminautoindustry Thechangesof stress strain in forming process was analyzed by finite element simulation and based on the result the cause of door handle deformation after door shaping and countermeasures were proposed Affected by the part shape the flow of material is not even at the forming end which leads to uneven stress distribution At the unloading stage the release of stress causes partial depression of the handle According to the analysis the problem can be im proved by changing the shape of part and addendum the design of draw bead and by im posing local pressure Key words automobile panel stamping partial depression stress distribution 收稿日期 2011 07 28 基金项目 国家自然科学基金 50805050 广东省自然科学基金 博士启动项目 9451064101002840 华南理工大学中央高校基 本科研业务费专项资金 2009ZM0293 作者简介 周驰 1973 男 浙江温州人 副教授 主要从事金 属塑性成形理论和模具设计方面的研究 地址 广东省广州市华 南理工大学机械与汽车工程学院 电话电子信 箱 mechzhou 18 模具工业 2011年第37卷第12期 法 3 徐长志把这种问题称为表面暗坑 认为拉手 部分的凹陷是由于拉应力不平衡引起的 可以采用 将凸模加长0 02 mm 用强压的方法来减少凹陷 4 付争春研究了角部塌陷和应变的关系 5 ISHIGAKI 研究了材料性能和压料面形状对凹陷缺陷的影响 并指出增大塑性变形可以减少表面凹陷 6 从上面 的相关研究看 基本上都认为表面的凹陷现象和成 形末端的应力应变状态相关 也给出了工程上的一 些控制方法 但是由于表面凹陷的成因很复杂 需 要针对具体现象进行进一步的深入探讨 才能为覆 盖件模具设计和试模提供更为明确的指导 2车门外板成形后的表面凹陷 车门零件在成形之后 在车门把手附近 零件 边角处或者其他一些形状复杂的区域 往往会形成 如图1所示的一种局部凹陷 这种凹陷的量大概为 0 1mm 肉眼难以观察 工厂中一般采用光栅检测法 或者打油石的方法进行检查 图1用虚线圈出的位 置 就是由于零件有局部凹陷 油石不能打到而出 现的光亮区域 图1车门把手部位的凹陷 3车门成形过程的应力应变分析 为了解该类凹陷的成因 根据实际的工况 建 立了有限元模型 并分别对成形过程和回弹过程进 行了模拟 从模拟结果来看 由于受到单元尺寸 接触等因素的影响 回弹分析难以表达仅为0 1mm 的凹陷 因此仅从成形末端的应力和应变状态进 行定性分析 3 1有限元分析模型 车门零件在 Abaqus 中进行了成形过程的模 拟 其主要工作零件的装配关系如图2所示 零件 材料是JAC430H 厚度为0 8mm 采用Hill48各项异 性材料模型 压边力为 2 500 kN 拉延行程为 45 mm 采用了真实拉延筋 图2主要工作零件的装配关系 1 上模2 毛坯3 压边圈4 下模 3 2应变分析 图3 a 为成形结束时的等效塑性应变图 图3 b 为面内主应变和次应变的矢量图 从图3 a 可以看 到在车门把手及其邻近区域的等效塑性变形基本 上在20 以上 因此可以认为已经进行了充分的 塑性变形 排除了由于塑性变形不充分而存在的弹 性回弹的情况 图3 b 中的应变分布比较均匀 从 主应变的方向和量值上不能明确找到引起凹陷的 原因 a 等效塑性应变图 b 主应变和次应变矢量图 图3成形结束时的应变状态 3 3应力分析 进一步考察成形过程的面内主应力方向矢 量 图4分别给出了凸 凹模间距3 8 1 3 0 8mm时 拉手附近面内主应力的状况 图4 a 中的应力分布 均匀 基本沿着和与拉手轮廓线垂直的方向流入拉 手内部 可补充拉手局部成形所需的材料 图4 b 为凸 凹模间距为1 3mm时的状况 此时在图中的2 个把手内部台阶尖角位置已经基本成形 起到了阻 碍材料流动的作用 在尖角处对应的拉手外围材 19 模具工业 2011年第37卷第12期 料明显向两边流动 图4 c 对应凸 凹模间距为0 8 mm 料厚 时的状况 此时从图中可以明显看到在圆 圈指出的位置 以拉手尖角位为圆心 其主应力呈 现水波纹的形状 分析认为 这种横向分布的应力 在卸载阶段释放 是引起局部凹陷的主要原因 而 且根据实际试模情况 其出现的位置和实际试模时 出现的局部凹陷位置一致 a 凸 凹模间距3 8 mm b 凸 凹模间距1 3 mm c 凸 凹模间距0 8 mm 图4不同凸 凹模间距下的主应力方向 4工程应对措施 根据上述分析 料流的改变所引起的最终应力 的不均匀分布是车门在成形之后出现局部凹陷的 主要原因 针对这种情况可以从多个层面来改进 模具设计和工艺 减轻或者消除凹陷缺陷 首先在 零件设计时可以利用有限元模块进行成形分析 重 点考察成形末端的面内主应力方向 对阻碍料流的 部分进行改进 使得应力的大小和方向分布均匀 如果零件的形状已经确定 不能修改 则可以通过 改进压料面和拉延筋的形状 在出现横向料流区域 的对应外围位置加大材料流动阻力 从而减少横向 的料流 实际的试模经验也表明了在局部成形位 置和拉延筋等距离较近时 这种方法是有效的 如局部成形区域距离拉延筋和压料面较远 难 以通过二者控制料流的时候 工程中常用的对局部 施加强压的方法不失为一种有效的控制方法 以 上述的拉手为例 可以在出现横向料流的位置施加 强压 工程中往往通过凸 凹模的闭合距离小于毛 坯料厚0 05 0 15mm来达到强压的效果 在施加强 压之后 可以在模具即将闭合之前先压紧对应部位 的材料 从而减少横向的料流 更为重要的是 在 施加强压之后 冲压件的法向方向有一个很大的压 应力 由于此时凸 凹模已经基本闭合 材料沿面内 方向流动受到阻碍 会在面内方向引起压应力 该 压应力和原来横向料流区域的拉应力互相抵消 减 少了由于横向应力释放引起的凹陷 5结束语 覆盖件冲压时出现的局部凹陷问题成因多种 多样 材料性能 塑性变形程度 应力分布状况都可 能是引起其凹陷的主要或综合因素 在模具设计 和制造时应根据其出现的不同成形状态和在零件 上的不同位置 根据具体情况作出分析 并制定合 理的应对措施 针对车门成形拉手处的凹陷情况 进行了其成因分析 认为成形末端的应力分布不均 匀是引起该类凹陷的主要原因 依据这种成因分 析 改善零件设计 改进压料面和拉延筋的设计 施 加强压等方法均可以改善凹陷的情况 上述方法 的有效性在实际的试模过程中得到过验证 参考文献 1 刘瑞同 林建平 田浩彬 轿车覆盖件表面瘪塘的分类及其 特点 J 金属成形工艺 2004 22 2 52 54 2 孙振忠 许光辉 张洪涛 汽车覆盖件成形中的面畸变及其 工程控制 J 锻压装备与制造技术 2008 4 66 68 3 YANG Y Y ZHAO L H SUN Z Z Study on mechanism of cylindrical shallow shell surface deflection J Journal of Materials Processing Technology 2007 188 145 149 4 徐长志 汽车覆盖件表面暗坑缺陷浅析 J 汽车工艺与材 料 2010 4