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图1所示为某SUV车型的尾门外板结构，由特征复杂的空间自由曲面构成，曲面曲率要求平缓光顺，表面质量和尺寸精度要求高，要求制件成形充分、刚性好，表面不能有暗坑，特征棱线无滑移，同时制件上半部分整体与顶盖、侧围有严格的匹配要求。其结构难点主要有2处：①以工装定位孔法向为冲压方向，在冲压方向下，侧面看呈“V”形，高低差较大，尾门外板最高点和最低点的高度差达350 mm；②扰流板处外板面曲率平缓，曲面弧度近似直线且覆盖面较大，拉深深度过深导致成形过程中板料流入不均匀，成形不稳定，如图2所示。这2种形状特点使板料在成形过程中压料面的材料流动剧烈，内部的应力状态复杂，塑性变形不均匀，容易产生缺陷问题。![]()
图1 尾门外板结构![]()
图2 尾门外板冲压方向上高低差根据尾门外板的结构特点采取一次拉深成形，板料材质采用烘烤硬化板HC180BD+Z-FD，屈服强度为208 MPa，抗拉强度为334.7 MPa，板料尺寸为 1 630 mm×1 545 mm，板厚0.7 mm。尾门外板生产一般在自动冲压线上完成，冲压工艺方案设计除了要满足现有机器人自动送料取料外，还要满足不超过4道工序的工艺流程（落料除外）。经综合评估，确定尾门外板的工序内容为：①拉深；②修边侧修边冲孔侧冲孔；③翻边整形侧翻边；④修边侧修边侧冲孔侧整形。尾门外板工艺流程如图3所示。![]()
图3 尾门外板工艺流程（a）工序① （b）工序② （c）工序③ （d)工序④
根据确定的冲压方向和相关参数，通过AutoForm有限元模拟软件对尾门外板进行CAE分析，对拉深筋和工艺补充部分进行调整，并采用双曲面压料面，使板料成形时材料流动尽量均匀平稳，避免产生开裂和起皱等缺陷，为后期模具调试提供参考依据。通过后期生产跟踪，在首次全工装成形时发现制件合格率仅为67%。经分析，发现问题为上部扰流板处主型面塌陷引起翻边后轮廓回弹较大且不稳定，局部型面最大偏差达到2.5 mm，存在表面质量缺陷，造成制件上部形状严重超差，制件在检具上的测量值如图4所示。![]()
图4 制件在检具上检测超差数值针对此处制件回弹造成的表面质量超差问题及不稳定因素进行评估和确认。初步采用人、机、料、法的鱼刺图进行预测和分析，如图5所示。![]()
图5 鱼刺图针对鱼刺图中分析确认的各因素进行重构，列表进行方案制定和结果跟踪，如表1所示。通过逐项分析和解决方案跟踪验证，人、机、料均通过结果验证，排除其对尾门外板扰流板处成形回弹问题造成的影响。通过鱼刺图分析以及逐项排查解决，确认分析方向主要集中在工艺设计与现场制件实际状态的一致性方面。一般外板CAE分析主应变理论值要求为≥0.03，查阅前期CAE分析结果，确认此尾门外板扰流板处的主应变值均已超过0.03，达到合格范围，如图6所示。副应变的合格理论值要求一般是≥0，即不能为负值。但对前期CAE分析结果进行确认，发现尾门外板上部扰流板处中间及两边的次应变数值均为负值，如图7所示，且云图形状与回弹趋势形状相似，说明制件此处在拉深成形过程中并没有被完全拉开，导致出现回弹缺陷。![]()
图6 前期分析主应变分析结果![]()
图7 前期分析次应变分析结果拉深成形过程中，一般板料流动发生压缩变形会存在压缩失稳问题，次应变为负值表示此方向的受力状态为压缩受力。在汽车外板拉深成形过程中，表面内凹的部分是依靠凹模型面上的局部凸起成形，成形方向与冲压方向相反，称为反成形区。而该尾门外板上部两角处为反成形区，如图8所示A区域，该区域内材料的流动类似于胀形，承受径向与切向拉应力作用，外围材料流动经过局部凸起拉入凹模后，在切向产生收缩趋势，其应力状态为径向拉应力与切向压应力，因此表现为主应变为正值，次应变为负值。![]()
图8 两角处反成形区及拉、压应力状态B区域的成形过程如图9所示，由于制件此区域轮廓存在凸弧且两角与中间存在高度差，此处工艺补充处理必然会出现一个凸弧过渡。拉深成形过程中，当板料沿模具零件向内流动时，单位长度板料经历了先变长后变短的拉压过程，因此当板料流动到B区域的中间位置时，展开长度由长变短，造成切向压应力增大，直接体现在次应变为负值，成形后此处应力释放不均匀，导致此处塑性变形不充分，引起此处塌陷回弹。![]()
图9 扰流板中间区域板料流入受力趋势对于拉深不充分导致的塌陷回弹，通常采用以下2种方法进行控制。（1）工艺参数控制法。通过改变成形过程边界条件，如板料形状、压边力、模具零件圆角及摩擦状态和拉深筋等因素减少回弹。（2）实时补偿法。在特定的工艺参数条件下预测或实测回弹量大小，然后通过修正模具零件形状使回弹的零件形状符合设计要求。该尾门外板轮廓曲面复杂，回弹数值偏大，采用实时补偿控制调整不确定因素较大，且需要反复更改周期较长。大量理论研究和调试经验表明，控制材料流动是解决拉深成形不充分和控制拉深回弹最有效的方法。根据以上问题分析，通过CAE分析逐步对整改条件进行AutoForm分序确认，确认是否能提高此处成形性从而减小回弹，如图10所示。第一步对图10所示1处的工艺补充反坎进行加大，增大此处反成形区域，进行CAE分析得到拉深和修边后的自由回弹；第二步对图10所示2处的拉深筋进行加强处理，采取烧焊后加高拉深筋，之后进行CAE成形分析得到拉深后的自由回弹和修边后的自由回弹；第三步将图10所示3处的拉深筋进行加强处理，采取烧焊后加高拉深筋，通过分析得到拉深与修边的自由回弹。![]()
图10 扰流板中间区域局部调整分析及预期板料成形受力方向按照以上方案进行反复分析调整，第一步CAE分析结果如图11所示，拉深回弹：中间低3.7 mm，两角高1.2 mm；修边回弹：中间高3.5 mm，两角高0.6 mm。第二步CAE分析结果如图12所示，拉深回弹：中间低3.5 mm，两角高0.5 mm；修边回弹：中间高2.2 mm，两角高0.5 mm。第三步CAE分析结果如图13所示，拉深回弹：中间低1.3 mm，两角高0.3 mm；修边回弹：中间高0.2 mm，两角高0.5 mm。![]()
图11 第一步CAE分析结果
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图12 第二步CAE分析结果
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图13 第三步CAE分析结果
根据CAE分析结果可知，增大两侧拉深筋和上部拉深筋后，有效控制了板料的流动，使此处拉深成形更充分。经修边后，由于工艺补充处废料部分的约束消失，内应力充分释放，修边后的自由回弹可以反映为最终制件的回弹结果。通过分析结果，对尾门外板上部扰流板处的塌陷回弹进行整改，按照上述方案对工艺进行优化，将局部拉深筋加强加高处理，并对局部工艺补充面的工艺反坎加大。为确保最终制件效果，在拉深工序对两角处和中间区域进行强压处理，强压量取0.1 mm。现场通过2次调试，最终检测成形件，尾门外板上部扰流板处全部合格，如图14和图15所示，整体合格率达到96%，顺利通过验收。![]()
图14 整改合格的制件《模具工业》杂志不接受任何代理方式投稿，敬请作者访问网站投稿https://mjgy.cbpt.cnki.net/
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