液压机械深拉深

SUV车型尾门外板在外观覆盖件中属于造型复杂，拉深深度较深的零件，作为汽车重要的外观零件，其表面质量要求较高，同时为了满足造型需求，零件特征棱线圆角设计较小，拉深成形过程中容易出现滑移、起皱、开裂等质量问题。对于深拉深类车身A面零件，工艺设计前期应运用CAE分析软件对零件成形性和质量缺陷进行检查评估，否则对后期模具开发现场调试会造成困难，难以得到质量优异及生产稳定的零件。

（a）零件结构

（b）开裂位置

图1 尾门外板结构及开裂位置

现针对某款车型尾门外板开裂问题进行整改，因前期成形分析阶段存在较高的开裂风险，实际模具调试过程中出现严重开裂，在保留原拉深模结构的基础上，分别从板料材质、零件结构、工艺补充方面进行分析，获得解决方案。尾门外板结构如图1所示，最大拉深深度300mm，零件材质选用BUSD，板料厚度为0.7mm。冲压工艺为：拉深→切边、冲孔、侧切边→整形、侧翻边、侧切边、侧冲孔→翻边、侧翻边、冲孔、侧冲孔→侧整形、侧翻边、切边，共5道工序，开裂产生区域位于尾灯下部凸R角位置。

开裂产生机理及AutoForm评价指标1

冲压零件开裂和缩颈是发生在拉深工序的缺陷，开裂产生的原因是局部拉应力过大，局部材质变薄超过拉伸极限。对于曲面特征复杂的外覆盖件，成形位置不同对应的应力状态也不同，开裂的性质也不一样。

一般开裂所属性质分为2种情况：①板料的传力区强度不能满足变形区所需的强度要求造成开裂，一般产生在深拉深凸模圆角过渡区域，材料在传力区所受最大应力超过材料强度极限；②板料变形区产生的变形能力达不到整个变形所需的变形程度，在变形区产生开裂，即冲压成形时最大应变方向上的极限变形量超出极限值。

针对开裂性质不同，实际分析和解决方法的侧重点也不同，案例中的尾门外板开裂发生在特征棱线小圆角部位，凸模与坯料的接触面积较小，接触应力过大导致材料局部减薄过大而开裂。运用AutoForm分析零件成形性时，常结合减薄率、应力以及最大失效因子等评价零件是否存在开裂风险，其中最大失效因子为软件定义的加载过程中最大主应变与FLC（成形极限）曲线上最小主应变的比值，其大小反映成形过程中零件出现开裂等失效情况的风险。

尾门外板成形性分析2

源文件AutoForm分析设定的参数如表1所示。

使用AutoForm计算并检查分析结果：减薄率、最大失效因子、接触应力及圆角的滑移线状态如图2所示。

（a）最大减薄率29.4%液压机械深拉深

（b）最大接触应力113MPa

（c）最大失效因子0.627

（d）圆角滑移线距离

图2 源文件CAE分析结果

由零件结构及工艺性分析可知，该车型尾门外板造型复杂，拉深深度较深，开裂部位原设计的尾灯外观圆角仅为R3mm。最终计算结果显示圆角处最大减薄率为29.4%，一般认为屈服强度小于250MPa的薄板成形减薄率超过25%即存在较大的开裂风险，考虑此类零件属于内部胀形，根据同类零件现场调试经验，圆角过小且减薄率超过20%，零件存在开裂风险。开裂部位最大失效因子0.63，软件分析中该值超过1.0即已经开裂，同时考虑工程实际的安全预度，最大失效因子超过0.8则认为存在较大的开裂风险，实际分析值0.63在安全值以内。最大接触应力反映在整个成形过程中，凹模圆角或凸模圆角加载在板料上的最大法向接触应力，过大不仅会导致板料开裂，也可能导致板料划伤、冲击线等问题。图2所示计算结果显示圆角部位最大接触应力达到113MPa，一般评价中最大接触应力应小于40MPa，原工艺的最大接触应力已超出标准值，开裂风险大且此时圆角位置容易产生滑移线缺陷，CAE分析产生的滑移距离在3~5mm，尖点位置滑移15mm。

解决方案分析3

针对上述原工艺AutoForm计算的分析结果，减薄率和最大接触应力2项指标超出安全值，要降低开裂风险，解决开裂问题，需从降低圆角减薄率和最大接触应力方面进行分析，故在零件结构、工艺方案以及模具结构方面存在以下可行性整改方案。

方案一

材料由BUSD升级为BUSUFD，如表2所示，材料性能提升，成形性能有所改善。Auto-Form的计算结果显示升级材料后能有效降低减薄率3%~4%，圆角位置最大减薄率25%~26%，接近25%的标准。

方案二

（a）R3 mm减薄率26.1%

（b）R4 mm减薄率23%

（c）R4.5 mm减薄率21%

图3 增大圆角减薄率对比分析

开裂位置凸台外观圆角从原来的R3mm增加到R4mm或R4.5mm。零件圆角适当增大可有效减小局部接触应力，降低材料流动阻力以及减薄率。在BUSUFD材料基础上选取R4mm及R4.5mm2种圆角状态进行对比分析，结果显示外观圆角从原来的R3mm增加到R4mm，减薄率可有效降低3%~4%，如图3所示。

方案三

图4 尾灯废料区域增加工艺孔

尾灯废料区域增加工艺孔，如图4所示。在尾灯口废料区域增加直径40mm工艺孔，由内向外适当补充材料流入，对材料BUSD进行计算分析，最大减薄率下降到26%左右，但此时圆角位置的滑移线更严重。

方案四

图5 增大尾灯台阶圆角

尾灯台阶圆角加大，由原来的R8mm增大到R12mm，如图5的示。台阶圆角加大可减缓材料流动阻力，有利于解决开裂问题，但由于此部位属于尾灯匹配的圆角，加大圆角后会存在与尾灯干涉的风险，应与设计工程师共同商讨并结合实际装配状态确定更改量。

方案五

图6 更改尾灯口型面位置及工艺补充

尾灯口型面平整，工艺补充材料适当抬高，如图6所示。该方案与方案四效果相同，但增加后工序整形量，存在起皱风险，零件容易产生表面缺陷。

方案三、四、五对解决开裂问题均起到一定的作用，但对零件的表面质量或零件装配有潜在的不利影响，在项目周期时间紧急的情况下，尽量减少模具结构的更改量，同时保证零件表面质量，推荐采用方案一与方案二，直接升级材料为BUSUFD以及适当增大凸台R角至R4mm解决开裂问题。

模具实际调试验证

4根据上述分析解决方案，在现场进行模具试压验证对比。

试压过程一

图7 试压过程一

如图7所示，试压条件：①材质BUSD；②压边力1400kN；③分次拉深到底；④在机械压力机上调试。试压结果：①尾灯处拉深到底前5mm严重开裂；②顶部严重开裂。

结论：在原板料材质、零件结构及冲压工艺保持不变的基础上，无法单纯通过对现有模具结构进行调试来解决开裂问题。

试压过程二

（a）开裂及滑移线

（b）波浪

图8 试压过程二

如图8所示，试压条件：①材质BUSD；②尾灯处开40mm的孔；③压边力1400kN；④分次拉深到底；⑤在机械压力机上调试。试压结果：①尾灯处拉深到底前5mm存在开裂；②顶部有波浪；③滑移线严重。

结论：保持原板料材质不变，尾灯口废料区域增加40mm工艺孔，对解决开裂问题有效，但会导致零件表面缺陷更严重。

试压过程三

图9 试压过程三液压机状态

图10 试压过程三机械压力机状态

试压条件：①材质BUSUFD；②尾灯处不开孔；③压边力1400kN；④一次拉深到底；⑤分别在液压机以及机械压力机上试压。试压结果，液压机：①尾灯处有轻微缩颈；②尾灯处的特征线无滑移，如图9所示；机械压力机：①尾灯处有轻微开裂；②尾灯处的特征线轻微滑移，如图10所示。

结论：直接提升材质等级至BUSUFD，对开裂问题解决有明显效果，且没有产生其他表面缺陷，但凸台R角开裂问题仍未能完全解决，经过评估，决定将外观圆角从原来的R3mm增加到R4mm进行试压验证。

试压过程四

图11 试压过程四液压机械深拉深

如图11所示，试压条件：①材质BUSUFD；②压边力1400kN；③一次拉深到底；④在机械压力机上调试；⑤外观圆角从R3mm增加到R4mm。试压结果：①尾灯处左右两边无开裂；②尾灯处的特征线无滑移。

结论：直接提升材质等级至BUSUFD，外观圆角从原来的R3mm增加到R4mm，可有效解决开裂问题，对零件表面质量影响最小。

为解决零件成形开裂问题，经过综合评估，最终选择升级材质等级及增大凸台外观圆角的方案，同时为提高批量生产的稳定性，对灯口台阶圆角及型面进行了优化处理，整改方案对比如表3所示。