提高汽车覆盖件刚度

鲁平才

刚度是反映覆盖件使用性能的一项重要指标。本文介绍了影响汽车覆盖件刚度的主要因素和改进对策，并从模具工艺结构方面简述了合理的模具设计对改善刚度的重要性。
        汽车覆盖件属于大型薄板冲压件，保证其具有一定的刚度十分必要。若汽车车身覆盖件的刚度不足，在汽车行驶过程中就会产生共振现象，产生很大的噪声，容易引起驾驶员疲劳；此外，覆盖件早期破坏对车身的安全性也有着重要影响。随着超薄高强钢板在车身上的应用，汽车覆盖件刚度问题越来越受到人们的重视。
        汽车车身外板等覆盖件具有比较平缓的曲面，相对于板厚来说，其表面积非常大，当有外力作用在这类零件表面上时，覆盖件应当有一定的抵抗力。检查覆盖件刚度的传统方法是敲打零件以分辨其不同部位声音的异同，或用手按压看其是否发生松弛和鼓动现象。汽车生产厂家多采用物体施压法（见图1），具体方法是：取制件中心点；物体（采用20kg）摆放于制件的中心；物体上面放上指定重物，利用指定重物的自重给制件进行施压；施压后，取测量变形后的面积大小对比制件的刚度和强度。

       

提高汽车覆盖件刚度

        影响覆盖件刚度的因素
        1. 板厚和冲压件曲率对刚度的影响
        板件的厚度越大，抗挠度就越大，覆盖件的刚度就越强；覆盖件的曲率半径越大，其挠度越大，刚度越差。
        2. 材料性能对刚度的影响
        刚度问题基本上是弹性变形范围内的现象，与材料的屈服强度和抗拉强度没有直接关系。但实际上，由于屈服强度低的材料能使大曲率面覆盖件的形状冻结性提高，得到曲率半径更小的覆盖件。因此，材料的屈服强度越低则弹复量越小，产生相同的挠度所需的力度就越大，说明覆盖件的刚度越强。
        3．其他影响因素
        其他影响因素包括覆盖件的结构形状、毛坯在冲压过程中产生的塑性变形程度等。
        从冲压工艺上来讲，覆盖件刚度产生的根本原因为：拉伸不充分，大部分区域所产生的塑性变形很小。如机舱外板、门外板和顶盖等制件的主要部位相对比较平坦，整个拉伸件深度较浅，制件成形时凸模表面与毛坯以大面积接触；由于平面上的拉应力很低，材料得不到充分的塑性变形，甚至有时只产生弹性变形，这对增强制件的刚度十分不利，易造成与数据不符的不同程度的型面起伏。因此，为保证制件成形后有足够的刚度，必须对制件的最小变形进行必要控制，一般要求最小变薄率为3%及以上。

       

提高汽车覆盖件刚度

        提升覆盖件刚度的措施
        为了提高覆盖件刚度，可以从以下几方面采取措施：
        1. 增加毛坯在冲压过程中产生的塑性变形程度。在形状结构尺寸都不变的情况下，其塑性变形越大，刚度越好。
        （1）材料的选择 在保证制件质量、提高材料利用率以及降低制件成本等的前提下，考虑尽可能选用以下材料：屈服强度低的材料；刚度系数K值大的材料，即弹性模数E值大的材料。
        （2）优化工艺补充面 工艺补充面是拉伸不可缺少的组成部分，它既是实现拉伸的条件，又是增加变形程度和提高制件刚度的必要补充。在保证外覆盖件不出现起皱、开裂和滑移线等外观质量问题后，还要尽量地提高刚度。如图2所示，这种“余肉”造型可增加材料流动阻力，增大坯料的塑性变形量，可有效提高覆盖件内部刚度。
        （3）拉深筋（槛）的优化
        在模具设计中设计拉深筋、拉深槛等，这些措施都有利于增加毛坯的塑性变形，增大胀形成分的比例，提高冲压件的刚度。
        压料面上的毛坯在通过圆形拉深筋时，每经过一个拉深筋槽的圆角，就要产生一次弯曲和反弯曲；毛坯在通过矩形拉深筋时，还要在拉深筋的两个圆角处产生弯曲和反弯曲。弯曲变形使毛坯受到更大的压力，通过拉深筋时所必须克服的摩擦力增加，它对拉深筋外部的毛坯来说是一种变形和流动阻力，同时又是作用在拉深筋以内的毛坯上的附加拉力。
        汽车覆盖件中大平面形状零件的成形，其形状性不好（回弹及拉深刚度不好），但使用拉深筋后可以收到很好的效果。改善形状性的主要原因除凸模成形时筋的附加拉力外，还有压边时的预拉深效果。由于筋的形成基本上是胀形成形，故在压筋时毛坯内产生了一定的预拉深变形，压筋时毛坯的拉深变形量虽小，但其应力有时可达到屈服点的30%左右。所以，在凸模成形的最初阶段，就可使拉深件整个进入屈服状态，使拉深件在成形过程中获得充分的塑性变形，因而可以减少回弹，提高拉深件的刚度。
        进一步提高覆盖件的刚度，可将拉延筋由圆形改成方形，控制拉延筋以外的板料流动，增加拉延时板料延伸率以提高张力，如图3所示。

       

提高汽车覆盖件刚度

        （4）提高模具形面研合率
        模具质量直接决定制件的质量，而模具研合率是影响外覆盖件表面质量的重要因素。模具形面着色率不足，往往会造成拉伸成形时压不死料，局部塑形变形不充分引起刚度不足。主机厂对于覆盖件模具验收，常以研合率作为验收标准，为了就是尽量优化模具质量，减少制件表面问题。
        （5）其他措施 如增加板料的规格尺寸、增加压边力等。
        2. 在进行覆盖件设计时，就要考虑到覆盖件的刚度问题。表面上有筋条、凸起等形状的覆盖件，其断面形状惯性矩增加，受外力时的抗弯能力就会增强，覆盖件的刚度越大。
        3. 设计冲压拉深件时，适当增加一些浅拉深件的深度，使其变为较深的拉深件。
        如图4所示，拉深件增加有一部分直壁（A-B段，一般取10～20mm），就可以使凹模内部的毛坯在成形的最后阶段受到较大的拉力，拉力的增加使凹模内部的毛坯增加了塑性变形量，拉深件的刚度增加。

       

提高汽车覆盖件刚度

        通过模具设计改善刚度
        下面介绍几个通过新型模具结构提升材料的塑性变形，从而改善冲压件刚度的应用实例。
        1. 波浪筋的采用
        如图5所示，压料筋锁料面积的增加有助于板件在成形时，材料不至于流入，可使材料在成形引张时，超越其材料的屈服强度，使板件的引力和强度达到一定的目标状态。
        2. 凹模分体式模具结构的采用
        试模时若发现零件的刚度不足，适当增加凹模芯垫块的高度以调深凹模芯在凹模座中的相对高度，实现拉延深度的调整，提高板件刚度。如图6所示，该新型结构由于凹模型芯采用单独式结构，调整快捷，结构相对简单，使用方便，具有很好的实用价值。
        图7所示为某一顶盖采用两种不同拉深模面方案的分析模拟对比。从图7a的模拟结果来看，顶盖变薄率基本都在3%以上，但中部变形不充分。从图7b的模拟结果来看，顶盖变薄率基本都在4%左右，且中部变形也显得基本充分。由此可以明显看出，通过调整拉深深度可以显著提高其覆盖件的刚度。
        3.多功能压边圈拉深模具的使用
        如图8所示，多功能压边圈拉深模具的特点是：模具包括上模和下模；压料板位于上模和下模座之间；动力结构驱动上模远离或靠近下模；压料板上设置有用于夹紧固定待成形板材的夹紧单元；所述的压料板旁侧设置有侧向移动单元。该侧向移动单元驱动压料板沿水平方向远离下模模芯，夹紧单元将待成形板材可靠地固定在压料板上，侧向移动单元带动压料板沿水平方向拉深待成形板材，实现待成形板材的一次拉深变形；然后上模向下运动与下模模芯接触挤压待成形板材；待成形板材发生二次变形，两次拉深变形的叠加使待成形板材具有足够的伸展幅度，从而保证得到的产品具有足够的强度。另外，试模过程中如发现刚度不足，还可以改变楔形块的高度（增加垫片）来实现待成形板材的一次拉深变形程度，增加板材的塑性变形以提高板件的刚度。
        图9所示为对某一种顶盖采用传统压边圈与多功能压边圈的模拟分析。通过对照可以看出：采用多功能压边圈在凸模和凹模接触开始拉延之前，压边圈对制件就有2.5%的预拉伸；同时拉伸后拉伸率也有显著区别，成形性提升很多，关键部位成形性明显。
        结语
        综上所述，为了提高覆盖件的刚度，汽车生产企业可以从产品角度、模具工艺等多方面着手，但需以促进板材的塑性变形程度为其根本。本文介绍了几个通过新型模具结构提升材料的塑性变形，从而改善冲压件刚度的应用实例，汽车主机厂可以结合自己的实际情况对以上改进措施加以灵活运用。