前言

车门外板是汽车上最重要的外覆盖件之一，直接反映了整个车身的线条走向和造型特征。车门外板也是汽车上最容易接收到周围光源照射，将表面质量直接反映到人们视线中的零件。因此，车门外板质量成为各汽车生产商和模具厂家关注的焦点。

随着汽车制造技术的发展和降本增效的不断推进，车门外板的设计日益趋向曲面造型复杂、板料厚度减薄，对零件的成型质量形成更大挑战。车门外板零件在成型过程中的主要质量缺陷有起皱、开裂、凸凹伤、滑移线、特征线不清晰、压伤、圆角不顺等。其中，起皱、开裂是材料在拉伸过程中失稳引起的；凸凹伤的形成原因多为成型过程中材料变薄不均与回弹不均；冲击线与滑移线是模具冲击板料留下的有位移的轮廓印痕；而特征线不清晰一般是由于成型不充分或钳工对于特征线的过分打磨造成的；压伤和圆角不顺一般出现在后工序件，多数是由于工序间模具型面不完全吻合引起的。

张兰等^[1]对汽车覆盖件表面质量评价的标准与方法都做了说明。车门外板零件除少数装饰条安装面外，多为A类外观评价区域，即在车门闭合状态，以站立或以弯腰俯身的姿势绕车身一周，在通常的观察状态中目视就能看到的部位。因此，车门外板零件对外观质量的检测标准甚至高于对尺寸精度的检测标准。目前，车门外板零件的评审主要采用Audit评审标准或各厂家以Audit评审标准为基础制定的质量判定标准，是采用外观评价扣分指标来衡量的。

根据严重等级将零件外观缺陷划分为A、B、C三类缺陷，再结合零件在整车所处的区域，门外板的外观评价标准如表1所示。

表1  冲压件外观评价扣分标准

Tab.1 Standard for cosmetic surface evaluation of stamping parts

由扣分标准可见，车企对于车门外板的外观质量要求是严格而苛刻的，如何从各个环节提升车门外板质量已成为模具厂家的技术攻关课题。本文从模面精细化技术出发，以某车型后门外板拉延模为例，探讨了通过优化加工数模型面来提升门外板质量的方案。

1  后门外板质量缺陷分析

目前，CAE技术在模具制造中广泛应用且日益成熟，已基本替代传统模具调试中依赖于钳工经验的反复试错做法。田丽等^[2]通过对零件建立有限元模型模拟仿真零件各工序成形的全过程，有效的预测了成型过程中的质量缺陷。在加工前期通过CAE全过程仿真与完善工艺方案的闭环，多数质量缺陷在工艺方案阶段通过优化工艺补充面和适当的回弹补偿可以消除，包括开裂、明显起皱、滑移线、成型不足等。但仍存在部分风险点，如波纹、凸凹伤缺陷等，需要针对性的设计模面精细化方案，以提升最终零件品质。

示例用后门外板采用一模两件的成型方式，冲压板材为宝钢的HC180YD+Z，厚度0.65mm，分析所得拉延模的成型力为640T，压边力为150T。

1.1  成型性缺陷分析

图1所示为Autoform软件全工序仿真计算后的后门外板拉延模成型性分析结果。由分析结果可见，拉延模仅工艺补充面出现轻微的起皱风险，产品部分无产生成型性缺陷的风险。

图1 拉延模成型性分析云图

Fig.1 Formability nephogram of drawing die

1.2  面品缺陷分析

图2所示为Autoform软件计算所得后门外板拉延模面品缺陷分析结果。从分析结果可见，后门外板B柱、C柱、门把手以及少量特征线附近为面品缺陷的高风险区域。这与以往项目中后门外板的面品缺陷风险区域是吻合的，图3所示为以往项目中后门外板零件B柱和门把手A面的质量缺陷实物图。这两块区域出现了多处凸凹伤，缺陷等级可达B1，成为该零件外观评价的主要扣分项。

图2 面品缺陷分析云图

Fig.2 Surface defect nephogram of the part

图3 后门外板B柱和门把手缺陷

Fig.3 Defect of the B pillar and the door handle

凸凹伤主要是由于板料拉延过程中变薄不均匀，与模具上、下型面间存在间隙，在继续受压过程中产生不均匀回弹造成的。图4所示为凸凹伤的形成原因示意图；模面精细化设计技术就是针对面品缺陷区域制定补偿策略确保上、下模面与板料贴合，从而减弱重要型面的回弹情况，提升面品质量；其另一种保障手段为减少非产品面的贴合面积，提高调试研合效率。

图4 凸凹伤形成原因示意图

Fig.4 Causation chart of buckle defect

2  影响因素分析

行业内普遍认为影响模具型面与板料贴合的主要因素为变薄率和压机挠度变形。刘丽娟^[3]等通过优化变薄率改善了门外板B柱的面品缺陷情况。沈洪庆^[4]通过试验验证了压机挠度变形对模具闭合状态的影响巨大。从以往多个项目的跟踪总结来看，在这两种因素的综合作用下，零件自身的形状对补偿量也有影响。

2.1  变薄率影响

外板类冲压件为保证成型充分、刚性合格，往往要求变薄率达到4%以上。图5为后门外板拉延模在Autoform软件中的变薄率分析结果。

图5 后门外板变薄率云图

Fig.5 Reduction nephogram of rear door outer panel

由图5可见，板料拉延成型时各区域的变薄量并不均匀。对比查看面品缺陷分析结果，把手区域的变薄率从4%至11%不等，B柱的变薄率为5%至8%，C柱变薄较均匀，约为10%，但与周围区域相比，变薄率大2%左右。该结果从理论上验证了变薄率对面品缺陷的影响。

2.2  压机挠度变形影响

图6所示为压机挠度变形示意图。大型压力机的支撑筋分布在台面四周，中间区域因需要布置顶杆机构等而没有刚性支撑。压机工作时，巨大的载荷使机床台面发生变形，并带动安装在台面上的模具变形，导致模具上、下型面无法贴合，且型面间隙从四周向中部逐渐增大。

图6 压机挠度变形示意图

Fig.6 Deformation chart of press

2.3  造型和冲压角度影响

如变薄率影响中所述，同一区域的变薄并不均匀，强压时不能逐点补偿到位，精细化设计的一般做法是在一定区域内按同一补偿量设计，所以会在局部出现补偿量稍多或稍少的现象。由于模具补偿前后是在冲压方向上存在微量变化，而模面贴合是法向的。如图7所示，在同等的强压量下，若补偿局部偏弱，设平面上缺失量为t，则斜面上缺失量为t+a (其中，a=<t/sinβ>-t);若补偿局部偏强，设平面上需打磨厚度为t,则斜面的打磨量小于t即可达到效果。为防止局部斜面区域模面不贴合，制定精细化方案时需考虑增加角度补偿量a来弥补型面角度对面贴合的影响。

图7 角度补偿量分析

Fig.7 Analysis of angle compensation

3  方案制定

3.1  方案制定流程

图8所示为后门外板精细化设计方案制定流程。

图8 后门外板精细化设计方案制定流程

Fig.8 Formulating process of die surface refining

3.2  强压方案的制定

根据图2所示面品缺陷分析结果，确定对零件A面周圈、门把手区域以及特征线两侧等缺陷高风险、面品质量高要求的区域做强压处理，如图9所示，确保合模时该区域上、下模型面与板料贴合，板料均匀受压，达到预防和控制缺陷的目的。

图9 后门外板强压区域

Fig.9 High pressure area of rear door outer panel

该后门外板的板料厚度为0.7mm，根据前述各因素的影响，确定各区域的强压量如表2所示。其中经验值修正量主要由数控的加工精度，压力机精度、装配误差等实际情况决定。

表2后门外板各区域强压量

Tab.2 High pressure value of rear door outer panel

3.3  避空方案的制定

后门外板强压区域以外的A面仍然曲率复杂，加大凸、凹模间隙不利于控制板材流动，可能会造成新的凹凸伤。而装饰面板安装面凸凹性变化多，不能做避空处理。因此，对于型面复杂的后门外板产品部分仅对不承担成型作用的凹圆角做避空处理，对切边线以外的工艺补充面做0.3mm避空，如图10所示。

图10 后门外板避空区域

Fig.10 Clearance area of rear door outer panel

3.4  压机补偿及其他

传统的压机挠度变形补偿多采用调试钳工积累的经验值，这种补偿方式对于普通的一机单模或许适用，但是对于一机双模或一模多件等复杂的冲压件制造模式就无经验可依赖了。目前行业中应用的多种软件可以计算压力机挠度变形量。吴金华^[5]使用Jstamp软件计算了模具在压机上的受力变形量，聂昕^[6]等则通过Abaqus软件更精细的计算了凸、凹模和压机的变形量，为模具的压机变形补偿提供了理论依据。

UG的高级仿真模块同样可以实现这一操作。在软件中导入调试用机床台面和模具结构，划分网格，按CAE分析值设置成型力和冲压方向，计算可得模具变形量和变形趋势。图12所示为UG软件计算所得的后门外板模具在压力机上受力变形的结果。

图11 后门外板压力机变形分析云图

Fig.11 Deformation trend nephogram of press

根据压机挠度变形分析结果，确定后门外板压机变形的补偿量为0.3mm。模具行业内已普遍认可通过对凹模整体提拉来补偿压机变形。凹模补偿前后的间隙云图如图12所示，变形趋势与分析一致。

图12 后门外板压机变形补偿前后间隙云图

Fig.12 Deformation clearance nephogram of the part

从模面精细化技术的角度出发，角度过大的两型面构成的特征线成型时不容易呈现出清晰的轮廓，需做锐棱处理，如图13所示。通过分析后门外板产品A面的型面角度可知：后轮弧两处特征线两侧面角度为175°和173°，这两处特征线做锐棱处理。

图13 不明显特征线分析

Fig.13 Analysis of the unapparent feature lines

4  效果验证

4.1  基础研配与蓝油着色

1.抛光凸模和凹模压料面，压边圈研配至蓝油着色90%，消除凹模硬点。按照CAE分析的调试参数初步做出不起皱、不开裂的拉延件。

2.以凸模为基准，研配凹模，合模粗略验证凹模蓝油着色，如图14所示。强压区域蓝油着色率60%。把手区域的多数型面和后轮弧特征线着色较好，仍存在部分硬点；底部棱线棱线上部平坦面着色优于下部斜面着色，该棱线两侧补偿量一致，进一步验证了斜面补偿量需增加角度带来的差额；B柱区域中间着色强，上、下两侧着色弱，表明压力机变形补偿量稍大，将成型力下调50T后着色有改善；零件下半部分着色较差，初步分析是由于侧向力作用，对防侧向力键和导柱导板间隙稍作优化后着色有改善；其余区域着色不均匀，不能形成成片连续的蓝油着色。避空区域几乎无着色，避空效果良好。

图14 初研阶段蓝油着色情况

Fig.14 Blue tinting area in the initial matching

3.打磨过硬区域，初步研配至凹模强压区域着色率80%以上。 

4.2  样件检测与完善

1.灯光棚检测拉延件样件外观品质，如图15所示。通过对重点区域光照与油石打磨，最终评定该拉延件无A类缺陷，把手区域2处B类缺陷，3处C类缺陷；B柱1处B类缺陷， 2处C类缺陷；其余区域无B类缺陷。通过与蓝油着色件对比分析，B类缺陷处蓝油着色稍弱。

图15 灯光棚检测样件

Fig.15 Quality check of the prototype

2.进一步完善凸、凹模基础研配工作，消除硬点，使强压区域蓝油着色率达到90%。再次检测拉延件外观品质，各区域均无B类缺陷。调试至该阶段，钳工的工作量较以往项目降低30%，节约时间超过1周。

5  结论

本文通过对影响门外板成型质量各种因素的分析，为模面精细化设计方案的制定提供理论基础，并针对性的制作补偿方案，得到了良好的效果验证。运用模面精细化技术，优化加工数模面，保证质量缺陷风险部位的合模间隙，控制该区域的材料流动和回弹，最终达到降低缺陷等级，提升零件品质和提高调试效率的目的。

参考文献

1. 张兰. 汽车覆盖件表面质量及评价 [J].模具制造, 2017, (2):4-7.

2. 田丽. 基于Autoform 汽车外罩板冲压成形的数值模拟  [J].热加工工艺， 2017, 46 (11):113-116.

3. 刘丽娟, 武朋飞. 汽车门外板B柱冲压表面缺陷控制方法 [J].塑性工程学报, 2019, 26 (1):52-57.

4. 沈洪庆，童亚平，涂小文. 大型单动机械压力机的挠度变形现象及行为特性 [J].锻压技术， 2018, 43 (10):145-150.

5. 吴金华. 虚拟合模在汽车模具研合中的应用 [J].模具工业, 2019, 45(1):11-15.

6. 聂　昕，毛定山，王　辉.基于网格映射的车身覆盖件精细模面设计研究[J].湖南大学学报, 2016, 43 (8):32-39 

作者简介：张蓓，重庆长安汽车股份有限公司模具事业部，大学本科，工程师，主要从事模面设计相关工作。