基于后地板成形谈谈深拉延覆盖件的工艺分析和对策方法

2024-01-23 13:56:21 来源：

导读：

原创叶梦彬 MFC金属成形之家

通过对某车型后地板这一典型深拉延覆盖件的拉延工艺分析及对策过程，包括成形过程分析及对策、局部成形分析及对策、对策整合及效果分析、剩余问题的分析和对策追加等，介绍了汽车深拉延覆盖件的工艺分析方法及步骤，以及解决起皱、开暗裂并发问题的对策方向，分享了一些技巧性对策。

在汽车车身零件中，无论以前的配全尺寸轮胎的车型，还是现在配临时应急胎的车型，或者用来放电池包的HEV或者PHEV车型，后地板都是一个相对拉延深度较深的零件。拉延深度深，材料流入距离必然大，必然容易发生起皱、开暗裂等问题。尤其是在后地板的角部位置，更是容易发生开、暗裂和起皱。往往不是开、暗裂就会出现起皱，不起皱就会开、暗裂，工艺稳定性极差，给工艺设计带来了很大的困难。本文以后地板为例，对这种深拉延件的工艺设计进行分析，探讨一下提高深拉延件的工艺稳定性的对策。

后地板拉延起皱开、暗裂的常见状态

图1是一个非常有代表性的某车型的后地板的拉延工艺分析图。这是一个模具企业接到的一个订单的件。他们分析工艺分析了很久，但是这个件的拉延不是开裂就是起皱，始终无法解决。用他们的话来说他们真是投降了，这才找到我。这个件的深度248，左右对称，盒型件长边1342，短边920，宽度最宽处858，用于安装电池盒。拉延深度大，侧壁几乎直立，属于典型的深拉延件，成型难度较大。

图1 某车型后地板

模具厂的分析结果如图2。下角位（这里定义为左图左下角）：当侧壁①和⑤不开、暗裂的时候，压料面②、③、侧壁④和压料面⑦的下侧就必然起皱；当压料面②、③、侧壁④和压料面⑦的下侧起皱减轻的时候①和⑤就会开、暗裂。上角位（这里定义为左图左上角）：当压料面⑦的上侧和压料面⑧不起皱的时候侧壁⑨就会开、暗裂，当侧壁⑨不开、暗裂的时候压料面⑦的上侧和压料面⑧就出现起皱（如右图）；侧边（这里定义为左图的⑥、⑦位置）：当压料面⑦不严重起皱的时候侧壁⑥就容易开、暗裂，当⑥不开、暗裂的时候压料面⑦就严重起皱。其中，下角位是问题最严重的部位，其次是侧边。

图2 出现起皱、开暗裂的位置

成形过程分析与对策

由于零件造型复杂，材料流动方向较为复杂；拉延深度大，材料流动距离过大。这些不利因素造成了拉延容易起皱。型腔内尤其侧壁直立，材料流入困难；材料流动距离大，起皱引起材料变厚影响材料流入。这些因素是其容易开、暗裂的原因。

要分析其起皱开裂，有必要分析其成形过程。如图3

图3 成形过程分析

成形开始的时候，压边圈刚压住料，整个压料面就出现了轻微波浪。这是由于压边面压住之前，上模压边面和部分型面开始接触板料，带动板料产生了一定的形变造成的。当压边面压紧之后，这些形变呈现出来的就是图3第一个图的状态。但是不要紧，这是内板件，对面品要求不高。随着拉延深度的下降，这些波浪变形逐步被拉开，然后消失。整个压边面由于压边力的作用，以及此时材料的流动距离还不大，所以没有出现明显起皱。

当成形深度达到到底前70-80的时候，在零件最高的位置附近，由于位置最高导致的压边面的材料流入量和流动距离最大，材料在流动过程中由于发生挤压，在零件最高的位置外侧的压边面开始出现起皱。

继续成形，随着成形深度的加大，材料流动距离在加大，起皱范围在扩大，较大的材料流动距离和材料挤压也加剧了起皱的程度。当成形到到底前20㎜时，起皱最严重的位置起皱高度达到了0.41。随后，由于型腔内部的造型筋、包尤其侧壁的筋、包开始成形，起皱最严重的部位材料在一定程度上被拉开，但是整个压边面的起皱程度仍然在加大，一直到成形完毕。

随着成形深度的加大，部分侧壁的材料由于材料的流入产生了交叉，形成挤压，挤压不断加剧，所以在到底前，部分材料侧壁出现了起皱。这种起皱，就是成形过程中的局部多料产生挤压形成的起皱。同时，部分材料供应不足的地方，在成形到底前5㎜左右，逐步产生拉裂。

成形的过程可以得出以下结果：

压边面的起皱在到底前80㎜左右开始，并逐步扩大范围。说明当前的压边力偏小，需要适当加大压边力。压边面起皱程度在到底前20㎜开始逐步减轻，说明成形到底前20㎜内可以适当降低材料的锁紧力，起皱不会加剧；

在当前的CAE条件下，侧壁开、暗裂出现在到底前10㎜以内，需要在到底前20㎜左右开始降低材料的锁紧力；

在两侧压料面，由于材料流动距离最大，材料流入产生了挤压，造成两侧压边面产生了严重起皱。起皱开始于到底前80㎜左右，需要控制材料的挤压的发生，因此要逐步减少侧边上下两端的材料流入，并压紧压边面，避免造成材料挤压；

在四个角部都产生了材料流入的挤压，角部材料的流入和角部两侧直边的材料流入叠加，形成角部两侧的多料挤压，造成起皱。需要对角部两侧的材料流动进行控制。

初步对策

依据上述分析，制定初步对策如下：

（1）在当前的压边力基础上加大20%左右；

（2）利用拉延筋和材料流动，实现在到底前20㎜左右，锁紧力降低30-40%；

（3）加大侧边拉延筋上下两端的材料锁紧力，预计往两端逐步加大10-30%，减少材料流入量；

（4）模具要研配好压边面，压紧材料，减轻起皱；

（5）角部材料流动要适当加大角部方向的材料流入，减少角部两侧的材料流入，防止角部材料流入产生挤压形成起皱。

局部成形分析与对策

下角位材料流入分析

下角位是问题最严重的部位，需要分析其材料流动。

图4 下角位材料流线图

这是按当前的工艺CAE后画出的材料流线图（图4）。从图中材料流线可以看出，左侧材料流入后（红色箭头）与下侧流入材料（白色箭头）在角部的侧壁形成了叠加。由于工艺设计在角部设计了一段短筋，使角部材料流入减少了，角部的材料分成两部分（黄色箭头）分别流到左侧和下侧，并分别与左侧进料和下侧进料汇合，加剧了材料的挤压效应。流入的重叠使材料在这里必然形成了局部挤压，形成起皱甚至叠料（图5）。

图5 下角部起皱叠料

为了消除这里的起皱和叠料，工艺设计如果试图控制左侧和地侧的进料，由于侧壁比较直立，材料流入的减少很容易在侧壁形成开、暗裂（见图2的①和⑤）。这就造成了前面说到的模具厂家遇到的不起皱就开暗裂、不开暗裂就起皱的局面。所以按照原来这个工艺是不行的，必须改变材料的流入，避免材料发生集聚挤压。

消除角部不稳定的对策

（1）改变下角位的材料流入（图6）。

取消角部的短筋，增加材料从角部的流入量。这个短筋一方面阻碍了角部材料的流入，一方面因为它的阻碍，角部材料往左侧和下侧流动，增大了两侧的材料流入，增加了角部起皱的程度（图2④处），而且角部材料流动到短筋两侧的时候，由于短筋造成流入材料的挤压，在短筋两侧的压料面可能会产生起皱。取消短筋，增加角部的材料流入，可以补充角部两侧立壁（见图2的①和⑤）开、暗裂处的材料。角部材料流到型腔里面后会往两侧发散流动，不会形成材料挤压。控制左侧和下侧靠角位的材料流入量。这两处材料流入过多，一方面容易在压边面形成起皱，一方面会在角部立壁（图2④处）形成材料挤压，加重角部起皱的程度。

图6 改变下角位的材料流入

（2）在到底前10㎜减轻角部左侧和下侧的材料锁紧力，消除侧壁开、暗裂。

前面分析过，起皱主要是到底前20㎜前的材料流入过多造成的，开、暗裂在当前方案下发生在到底前10㎜以内。可以有效利用材料流动和拉延筋的布置，实现在到底前10㎜减轻角部左侧和下侧的材料锁紧力，适当增加材料流入量，这样可以有效防止下角位侧壁的开裂（见图2的①和⑤）。

对策整合和CAE验证

对策

根据以上分析，整合对策如下：

（1）在当前的压边力基础上加大20%；

（2）在容易出开、暗裂的各位置（图2的①⑤⑥⑨）调整拉延筋外侧筋的布置位置，使到底前10㎜左右材料边缘刚好流过外侧拉延筋。外侧拉延筋锁紧力占总锁紧力的40%；

（3）加大两侧边拉延筋上下两端的材料锁紧力，从中间逐步往两侧加大0-30%；

（4）取消下角位拉延短筋，此处内筋各延长50㎜，延长段筋锁紧力逐步减小到0；

（5）下角位下侧的拉延筋锁紧力加大30

CAE验证结果

CAE分析结果如图7：

图7 CAE分析结果

从CAE结果看，侧边和上角位的问题已经完美解决，下角位侧壁还有轻微起皱和失效超差，需要追加对策。

剩余问题分析及追加对策和验证

通过上述对策，下角位的起皱有了很大改善，但还有轻微起皱存在，失效仍然超出0.8一点点。这个时候对策动作不能过大，否则影响当前的状态。

失效超差不多，对失效位置之前的对策，我们继续做一个微调，稍微加大一点力度即可。在当前状态下，起皱位置不宜进一步控制材料的流入量，可以考虑在不影响产品功能的前提下，对产品造型做一点微调，吸收掉局部多余的材料，消除这一点轻微起皱。追加对策如下：

（1）下角位下侧筋外筋对应失效超差范围以内段，再外移10㎜并做好过渡；

（2）将起皱位置右侧的造型筋往下延长，并在延长段内追加吸皱凹筋（图8）。

图 8

CAE分析结果如图9。

图9 加吸皱后起皱状态分析图

这个状态已可以接受，但是在零件的搭接边位置仍有轻微过程起皱，可继续做做优化。

如图10：深蓝色线条表示凸模，黑色线条表示凹模和压边圈，彩色细线条表示板料在不同的拉深状态。从分析图可以看出，箭头所指处在成型过程中，在到底前都是空的，材料没有办法压紧，轻微起皱不可避免，因此再在搭接边可以接受的位置追加吸皱凹包减轻起皱来优化当前方案即可。

图10 搭接边起皱分析图

关于深拉延件成形的分析和对策

深拉延覆盖件基本都具备上述后地板的一些特征，造型复杂，拉延深度大，材料流动距离大，容易出现开、暗裂和起皱，给工艺设计造成了很大的困难。

深拉延件的工艺分析

参考上述后地板的分析和对策过程，深拉延件的工艺设计要做好以下分析：

要做好成型过程分析。

分析成型的变化过程，分析成型过程中会产生哪些问题。分析起皱、开暗裂产生的时间、位置、程度、范围及变化过程，说明了什么问题，可采取什么手段和对策。分析整体的材料流动，造型的特征，关联因素，相互的影响，思考如何改变和优化。分析压边力、锁紧力的变化对起皱和开暗裂问题的影响，如何巧妙的利用这些影响来达成目标。

要做好材料流入分析。

要分析其材料流动方向，会造成何种问题，如何形成挤压、如何互相影响、如何起皱叠加、如何开裂，可以如何改变、如何优化。要分析压料面和拉延筋、压边力和锁紧力对材料流动的影响，如何控制问题的发生，如何有效利用压边力、锁紧力的变化及时机来改变材料的流入，消除起皱和开、暗裂。

要做好局部问题的分析

成型过程中有哪些主要的局部问题、有哪些难以解决的问题。这些问题有哪些特点，产生原因是什么、影响因素有哪些，会如何发展和变化。是不是不可避免的，是不是可以消除的。分析思考有哪些解决问题的手段和方法，需要追加哪些对策，需要做哪些调整。

深拉延的工艺对策

（1）有效利用压边力、锁紧力对材料的流入的不同影响压边力和锁紧力都可以控制材料的流入。压边力是锁紧力产生的根源，但是压边力和锁紧力也有所不同。压边力是气垫或者液压垫产生的，可以产生一定程度的锁紧力。压边力在材料流入过程中基本是稳定的，当较大范围内发生起皱的时候，说明压边力不足；当较大范围内发生开、暗裂的时候，说明压边力过大。

锁紧力是由压边力、拉延筋及材料流动共同作用产生的，巧妙利用拉延筋的位置和材料的流动可以实现锁紧力的阶梯变化。起皱一般发生在拉延到底前10㎜以上阶段，较小程度的的开、暗裂一般发生在拉延到底前10㎜以内阶段。可以利用锁紧力的阶梯变化，在起皱产生阶段维持较大的锁紧力，来减小材料流入避免起皱，在开裂阶段锁紧力产生阶梯变小，避免拉延开裂，从而达成消除开裂起皱的目的，实现拉延的稳定。

（2）有效利用拉延筋的分段和变化，调整材料的锁紧力。要根据分析起皱、开暗裂的产生位置，利用拉延筋的分段、拉延筋的高度、拉延筋的圆角R的不同因而锁紧力大小也不同，来实现锁紧力的变化，调整不同位置的材料的流入量，达到消除起皱、开暗裂的目的。

（3）要习惯采用双筋调节和控制材料流入量。采用两条拉延筋，除了可以实现较大的锁料力，还可以使拉延的锁紧力更稳定，使生产更加稳定。采用两条拉延筋还可以通过调整拉延筋的位置，实现锁紧力的阶梯变化，通过调整内、外筋的锁紧力占比，较精确的控制材料的锁紧力变化，达到消除起皱和开暗裂的目的。一般情况下，外筋和内筋的锁紧力占比为40%和60%较为合适。

（4）要利用拉延筋和压料面实现有效控制材料的流动方向。要学会利用拉延筋和压料面对锁紧力的影响，控制材料的流动方向，避免材料挤压和不足，避免起皱和开裂。

（5）要充分利用允许的造型变化。造型的很多地方都可以适当修改的。在不影响装配、不影响功能的地方，可以向设计部门提出造型的修改建议。在废料区，因为不影响产品造型，可以直接修改废料区局部造型，来解决工艺上有困难的问题。利用造型的变化，可以消除一些前述对策难以解决的局部起皱或开、暗裂。如局部位置增加储料包以补充后续整形的材料不足，消除整形开裂，或者局部增加吸料包或吸料筋来吸纳附近起皱位置多余的材料，消除起皱。

结束语

深拉延覆盖件造型复杂，主要以后地板为主，不同的产品造型，各有各的特点，各有各的难点，需要不同的具体对策。但是，总体上的分析步骤和方法，以及对策方向是没多大差异的。本文选取的后地板，是笔者工作中经历的其中一个案例。虽然是后地板，在汽车覆盖件中，这类件并不容易搞定，很多人搞到焦头烂额，包括多年前与笔者共事的众多日本模具专家也是一样。

这里将多年经验做一个总结分享，希望对大家打开思路有所帮助。

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