高速成形顶盖外板件凹陷的控制方法研究
文/赵锋， 刘海东， 苏传义·中国第一汽车集团有限公司
随着汽车行业的不断发展，国内汽车企业的生产越来越重视自动化与高效率，为了提高生产效率，乘用车外覆盖件多采用高速自动化设备，而胀形冲压件一次性成形过程中，由于16 次/分高速成形运动产生负压吸附，出现成形件凹陷缺陷，严重影响表面质量。某车型顶盖外板高速生产调试过程中成形件前中部凹陷严重，后工序完成后成品件中缺陷依旧保持严重状态，严重影响整车漆后目视效果，属于不可接受缺陷。通过CAE 模拟对成形应力及应变分析，明确实物成形件的凹陷状态属于CAE 分析中，理论上缺陷存在放大的趋势。在保持原有型面设计及结构设计的前提下，从成形模具脱件工艺上着手，在合理的设备顶杆退件工艺基础上，成形模具工艺型面区域增加自顶出装置进行模具自退件，彻底消除了顶盖外板高速生产成形件凹陷缺陷。
顶盖外板前中部属于胀形型面，表面凹陷缺陷一般由胀形成形减薄不均的刚性衰减造成，这在CAE分析中可以看到较为直观的趋势。另外实物顶盖外板成形时属于封闭胀形状态，必然有前期聚气，而顶盖外板成形后脱离模具凸模型面时，又出现后期抽气现象，当生产速度可以平衡前期聚气及后期抽气的排出速度时，顶盖外板低速生产出的成形件前中部凹陷缺陷不显现，当生产速度过快不能保证前期聚气及后期抽气的排气顺畅时，顶盖外板高速生产出的成形件前中部凹陷缺陷严重，在顶盖外板型面、成形工艺及模具结构不变的前提下解决该问题较为困难；现有调试方法一般是先增加排气孔来辅助排气，然后进行拔模角度修整，无法稳定的消除凹陷缺陷。因此顶盖外板高速生产成形件凹陷问题一直没有行之有效的解决方案。本文主要介绍了顶盖外板高速生产成形件凹陷的控制方法，有效消除了胀形冲压件成形后脱模过程中负压引起的吸附凹陷现象，提升了胀形冲压件高速生产时的表面质量合格率与稳定性，从而保证外覆盖冲压件中胀形冲压件的高速生产稳定性。
顶盖外板成形件表面凹陷问题分析
问题描述
某车型顶盖外板16 次/分高速生产成形件凹陷严重，如图1(a)所示黑方框区域，如图1(b)所示椭圆黑框位置，严重影响整车漆后目视效果，属于不可接受缺陷。
图1 顶盖外板前中部表面凹陷缺陷
顶盖外板前中部表面凹陷成因分析
在CAE 模拟成形工序胀形过程中，从应力与应变方面分析胀形减薄不均的刚性衰减，对顶盖外板前中部表面凹陷的影响，对比实际胀形成形件状态，确定影响趋势。
⑴胀形成形模拟分析。胀形成形性分析中，为了保证顶盖外板多曲率型面成形充分，对胀形成形的减薄不均的刚性衰减处进行了必要的凸模顶点型面补偿，以此抵消因刚性不均匀带来的凹陷趋势，但也出现了更多的不均匀区域，尤其在前中部区域出现的前后左右应力不均衡状态，如图2 黑方框区域中的竖线所示，顶盖外板前中部表面存在的应力过渡区域边界将出现严重的刚性衰减痕迹。
图2 模拟分析中顶盖外板表面应力趋势分析
胀形成形性分析中，为了保证顶盖外板多曲率型面成形充分，内部均匀合理，通过合理工艺补充型面及外部摩擦系数控制内部成形材料不产生聚料，从图3 中可以看出，顶盖外板中部顶点区域的应变状态相对整个零件形状来讲是相对居中的，成形相对均衡，在前中部区域出现的前后应变不均衡状态如图3 红方框区域中的竖线所示，顶盖外板前中部表面存在的应变过渡区域边界将出现严重的成形不均痕迹。
图3 模拟分析中顶盖外板表面应变趋势分析
根据以上模拟分析中应力与应变的趋势分析，可以看到应力与应变带来的刚性衰减痕迹与成形不均痕迹在整个胀形成形件中的位置不一致，如果叠加起来可以看到这两个痕迹之间形成一定的范围，并且在整个成形件中长度方向上居中，这与顶盖外板16 次/分高速生产成形件凹陷位置相对应，如图4 黑方框所示，因此实物成形件高速生产产生的凹陷状态属于CAE 分析中理论存在的缺陷趋势放大的现象。
图4 模拟分析中顶盖外板表面应力和应变趋势叠加分析
⑵胀形后脱件工艺分析。胀形成形模具结构分析中，可以看到模具主体结构包括模具底板、模具凸模、模具压料圈等，在这些结构中，压料圈即是胀形成形时的控料结构，同样也是胀形成形后的脱件结构，鉴于压料圈托起的是胀形成形件的法兰边区域，因此这种脱件方式属于辅助脱件方式。如图5 所示，由于压料圈托起的胀形成形件法兰边存在一定的弹性变化，因此压料圈辅助脱件的高度是有一定的行程要求的，必须是超过胀形成形件法兰边弹性变化极限，才可以有效的将胀形件脱离胀形凸模。
图5 胀形成形模具结构分析中压料圈的辅助脱件分析
胀形成形模具结构设计中的压料圈辅助脱件设计，需要设备具备相应的顶件功能设置来配合，在现有的高速生产设备中就具备这样的功能设计，并且是由电脑程序进行控制，如图6 所示，黄方框区域指示的就是顶件过程；按照高速生产设备的出厂设计，顶件高度的最大值设定在20mm，车身覆盖件一般都使用这个数据进行设定，对于胀形成形深度相对较浅的顶盖外板来讲，使用20mm 顶件高度足以将胀形后的顶盖成形件脱离胀形凸模，完成脱件过程。
图6 生产设备顶件功能设计
⑶压料圈辅助脱件的凹陷趋势分析。胀形件成形裕度合理，胀形成形到底，上下模脱开后，通过设备脱件顶杆，利用理论设计的脱件顶出高度，推动成形模具压料圈辅助顶出胀形成形件，完成胀形成形件的脱模过程。
胀形成形模具在10 次/分的低速生产状态下，胀形成形件到底后，胀形成形件法兰边借助理论设计的脱件压料圈的脱件顶出高度的作用，胀形成形件在法兰边上翘的情况下脱离胀形凸模，由于胀形成形件周边法兰边的同时高速上翘，导致胀形成形件整体脱离胀形凸模时产生空气负压，这个负压的出现导致胀形成形件中部最高点的最后脱离区域成为负压的集中区域，当达到16 次/分的高速生产频次后，负压吸附力随着脱模速度的增加而增加，导致胀形成形件前中部胀形区域出现负压吸附凹陷，如图7 所示，红方框区域指示的吸附凹陷缺陷严重，且高速生产凹陷缺陷不稳定。
图7 压料圈辅助脱件的凹陷趋势分析
根据以上分析，鉴于理论缺陷趋势的存在，顶盖外板胀形成形件凹陷缺陷的成因，一般是胀形成形减薄不均的刚性衰减造成；而在实物成形过程中，封闭胀形成形过程中排气不畅问题，又放大了胀形成形件凹陷缺陷状态；实物16 次/分高速成形后，压料圈辅助脱件设计将负压导致的胀形成形件最高点集中凹陷区域向应力与应变带来的刚性衰减痕迹与成形不均痕迹形成的一定范围转移，且负压吸附力随着脱模速度的增加而增加。既然排气成为主要的放大缺陷的因素，就针对这个问题进行研究解决，找到合理的方法消除顶盖外板高速生产胀形成形件凹陷缺陷。
对策实施及确认
整体方案
根据前面的缺陷状态确认及缺陷原因分析，在顶盖外板型面、成形工艺及模具结构不变的前提下解决该问题较为困难，因此需要考虑采用更加合理的工艺方法进行合理的排气以及脱件。通过对模具凸模型面的确认，在保证胀形成形件成形裕度合理，胀形成形到底的前提下，进行辅助排气的修改及模具凸模自脱件设计的修改，具体见表1。
表1 顶盖外板高速生产凹陷优化方案汇总
一阶段方案实施并确认
胀形件刚性及低速生产稳定性具体步骤如下：板料成形位置锁定在理论设计位置；成形进料状态锁定在理论设计状态；成形圆角尺寸锁定在理论设计状态，合理状态确认后进行10 次/分低速生产验证。结果显示，胀形成形件刚性稳定后，低速生产验证，顶盖外板前中部凹陷不显现，胀形成形件表面质量良好。这个时候可以考虑胀形凸模型面开排气孔并进行高速生产验证。
二阶段方案实施并确认
胀形成形模具凸模型面开排气孔具体步骤如下：首先确认胀形成形模具凸模型面结构中加强筋的理论位置；根据加强筋的位置确认可以进行排气孔开孔位置并划线固定位置；根据合理的开孔位置进行开孔，修整凸模型面光顺状态后进行16次/分高速生产验证，如图8 所示。结果显示，胀形成形模具凸模型面开排气孔后，经高速生产验证，顶盖外板前中部凹陷显现，胀形成形件表面凹陷缺陷稳定。这个时候需要考虑胀形成形模具凸模加装顶件装置并进行高速生产验证。
图8 模具开排气孔且高速生产下胀形成形件凹陷状态
三阶段方案实施并确认
胀形成形模具凸模加装顶件装置具体步骤如下：首先顶件装置的选择为具有自弹性质的弹顶销；然后根据胀形模具凸模型面中工艺补充型面的宽度选择适用弹顶销规格；如图9(a)所示，在胀形模具凸模工艺补充型面上进行加装弹顶销位置的确认；如图9(b)黄圈所示，开安装孔并进行弹顶销安装；确认胀形成形件可以脱离凸模型面后进行16 次/分高速生产验证，顶盖外板前中部凹陷不显现，缺陷消除，且批次验证表面质量稳定，如图10 所示。
图9 胀形模具凸模工艺补充型面上进行加装弹顶销位置的确认
图10 高速生产下胀形成形件状态
结束语
本次研究中，在稳定顶盖外板胀形成形件的前提下，针对胀体刚性进行均匀稳定，在保证刚性合理的情况下，对顶盖外板胀形成形模具进行排气修改，接着对胀形成形模具凸模增加工艺型面自脱件力，从而保证在高速生产环境下顶盖胀形成形件脱模时产生的负压可以均衡的分布，减少负压效应对胀形成形件的不良影响；胀形成形模具凸模加装顶件装置为弹顶销，增加弹顶销的数量，弹顶销外露工作部分尺寸都需要要进行工艺控制，有效防止负压吸附凹陷缺陷的产生，能够稳定高速生产条件下胀形成形件的表面质量。本次研究有效的消除了顶盖外板胀形成形件成形后脱模过程中负压引起的吸附凹陷现象，有效提升了顶盖外板胀形成形件高速生产时的表面质量合格率与稳定性。
