某SUV车型门外板棱线冲压缺陷原因分析及解决措施

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图1 造型冲压缺陷

整车中经常出现特征提前消失、棱线变大、光影不连续等缺陷，如图1所示。这些缺陷是由于零件结构设计不合理和采用错误的制造工艺引起的，导致模具制造难度加大、成本增加及生产周期延长。模具开发前应充分了解造型设计和诉求，采用有效的工艺方案还原造型设计和提升整车制造精度。

棱线冲压缺陷产生原因分析

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汽车外观特征棱线的冲压缺陷主要由零件设计、成形工艺和模具制造3个方面造成。

01

零件设计缺陷

零件设计缺陷主要是因为设计师对材料成形和制造工艺不了解，造型设计时特征设计不合理，如主棱线造型变化急剧和塑性变形差的区域设计细小特征等。

（a）棱线造型变化急剧截面

（b）某门外板变化急剧造型

图2 门外板变化急剧造型实例

主棱线造型设计时为突显腰线饱满度，使整车更具力量感，将主棱线两侧设计成尖锐夹角，造型变化急剧使零件制造更加困难。图2（a）所示为棱线造型变化急剧截面，棱线夹角a<145°，H>L；图2（b）所示为某车门外板造型。夹角小，成形深度深等因素影响小圆角棱线的制造，容易出现冲压缺陷。

图3 某车型凹弧面特征线设计

为使整车视觉效果更加协调，在凹弧面内设计细小棱线，如图3所示，棱线夹角175°，圆角半径R10mm。凹弧面内特征线区域成形时无法达到充分塑性变形状态，由于弹性变形影响，成形时棱线难以在零件表面清晰体现，导致特征棱线不清晰，不符合造型要求。

02

成形工艺缺陷

冲压成形工艺造成的外观棱线缺陷主要包括棱线不清晰、棱线滑移和棱线尖角缩颈开裂。

棱线不清晰

特征棱线不清晰的原因是设计时未考虑材料特性和模具零件制造公差，研究零件材料为烘烤硬化钢（HX220BD），参数如表1所示，料厚为0.7mm。

图4 门外板零件棱线不清晰

造型设计时将细小棱线设计过于平缓，而材料屈服强度和抗拉强度比一般材料大，零件回弹也较大，在制造时上、下模间隙也存在误差，导致特征线形状无法固定，使特征线成形不清晰，如图4所示。

棱线滑移

图5 门外板棱线滑移

为保证零件刚度，外观件应满足≥4%的减薄率标准，因此门外板成形通常用胀形工艺。由于棱线距离两侧分模线不同，板料接触凸模特征线时受力不均，导致材料从一侧向另一侧移动，初始接触位置产生偏移，当接触应力达到材料屈服的10%以上时，接触位置减薄明显并形成凹陷，凹陷随着板料成形发生位移，在外观件表面形成缺陷，即棱线滑移，如图5所示。

棱线尖角缩颈开裂

图6 门外板棱线缩颈开裂

棱线尖角缩颈开裂主要原因：板料与凸模为点接触，为了保证零件的刚度和控制滑移棱线等缺陷，在成形时始终保持触料位置不变，随着成形深度和减薄率的增大，在棱线两端尖点与之相关联的部位容易产生缩颈开裂，如图6所示。

03

模具制造缺陷

模具制造对后期棱线缺陷的影响因素较多，其中以下2种因素影响最明显。

模具零件型面精度差

图7 模具零件加工精度拟合结果

模具零件制造精度直接决定外覆盖件的表面质量，其主要取决于加工设备精度和操作人员的经验。模具零件加工精度差的拟合结果如图7所示，在外覆盖件模具零件型面加工过程中，一般采用全型面整体式加工，精加工过程中人员操作误差、机床精度、刀具磨损和手动接刀等均没有标准控制程序，因此会存在模具零件型面加工不良，导致棱线出现缺陷。

研磨方法不当或研磨不仔细

图8 门外板研磨不良的结果

研磨是模具制造调试中必不可少的重要环节，门外板造型面由曲率光滑的高级A曲面组成。钳工研磨不仔细容易导致棱线R角变大或棱线不顺，研磨方法不当则影响A面的光影连续性。模具制造人员与设计脱节，不了解造型设计意图，在设计加工参数时直接将一些细小特征和曲率反转区忽略或研磨过程中过渡研磨，严重影响A面质量，导致暗坑、突变、波纹、R角变大、光影突变和圆角不顺等缺陷产生，影响模具的调试周期和成形零件的表面质量，如图8所示。

冲压缺陷解决措施

2

01

型面方案策划

门外板是特征复杂、匹配关系多且使用和关注频率最高的外覆盖件，其质量直接影响整车品质。按结构形式可分为一体式和分体式，对应的模具分为单槽和双槽2种结构。任何零件、工艺和模具结构，特征清晰化和表面质量缺陷等控制方法和制造流程是一样的，模面方案策划如下。

（1）先进行精细制造分析和造型意图确认，通过虚拟制造及同类零件缺陷对比，显现上述门外板棱线不清晰、滑移、开裂等缺陷，提前从零件数模、成形工艺、CAE分析和模具结构等寻求不同的解决对策，并形成报告，作为制作精细模面方案的依据。

（2）成形工艺设计时，凹弧面受压应力较大，容易出现刚性不足，影响细小特征质量。为提高凹面区域塑性变形，工艺补充设计应将相关区域设计成封闭的反成形区域，以增加反成形区域塑性变形。当棱线弧长≤3mm或棱线R≤5mm时，要求将成形凸模的特征线R角转变为尖角，且凸模尖角应做加工补偿，棱线升高0.1mm，棱线两侧约5~8mm区域过渡，保证A面连续性；当棱线弧长>3mm或棱线R>5mm时，要求将成形凸模特征线R角减少0.8~1.5mm。

图9 门外板虚拟制造过程

门外板把手区域有外观要求，有时也与棱线重叠，该区域的成形有一定落差，当反成形开始触料时，周边区域材料处于自由状态，容易聚料而引起棱线冲压缺陷。为避免棱线和把手重叠区域产生缺陷，并成形锐利的棱线，成形时需使拐角与直线区域材料流动速度相等，才能保证该区域棱线质量。门外板虚拟制造过程如图9所示。

02

精细型面制作

精细型面设计时，首先要对前期虚拟制造进行充分分析，其次成形工艺设计为最佳状态。型面制作原则为：①保证数控机床能实现各特征加工，加工型面精度高，棱线清晰光顺；②通过精细模面设计能减少人工研配和制作误差，提高模具成形质量和精度。

（1）以补偿后的凸模型面为基准，所有模面分别单独制作，整体为0.05%的收缩补偿，所有凹R角偏置让空0.3mm。

（2）凸模型面制作，根据棱线大小制定不同的补偿方案。当棱线弧长≤3mm或棱线R≤5mm时，采用凸模尖角补偿和尖角加工的方法，在模面制作前将成形凸模的棱线优化为尖角，棱线补偿0.1mm，两侧5mm宽度至尖角光顺过渡。当棱线弧长>3mm或棱线R>5mm时，为保证棱线清晰度，对凸模的棱线R角进行补偿，R值减1.5mm或弧长减1mm，型面制作过程中，保证棱线曲率，避免波浪起伏、圆角大小不一和曲面突变等，如图10（a）所示。

（a）凸模型面制作方法

（b）凹模型面制作方法

（c）压边圈型面制作方法

图10 某门外板型面制作方法

（3）凹模型面制作：①凹模特征线顶点在凸模型面偏置基准上补偿0.2mm，沿棱线顶点至两侧15~20mm光顺过渡；②其他变形区域的凹模30~40mm处曲面进行强压0.15mm；③容易出现缺陷的区域间隙要小于料厚，这样既能校平细微皱褶，又能提高特征线清晰度和A面质量。门把手周圈30mm区域内强压0.2mm，如图10（b）所示。

（4）压边圈型面制作：拉深筋内侧和外侧30mm区域进行0.05mm强压处理，30mm以外的区域进行0.1mm的避让，坯料线10mm以外避让0.5mm；转角区域为缩料区，成形时会使该处变厚，所以转角区进行0.15mm让空，如图10（c）所示。

图11 模具零件强压区设计

强压区制作时，与凸、凹模对应的棱线两侧30mm处进行强压补偿设计（强压0.1~0.2mm），作为现场缺陷修正和材料减薄补偿。凸模尖角设计时，凹模无法清角，容易压伤棱线，因此凹模对应的尖角棱线区域加工凹槽避让，圆形避让槽半径约R0.5~1mm。由于零件形状由凸模决定，强压面全部设计在凹模上，如图11所示。

03

加工工艺制定

图12 模具零件加工工艺

小圆角棱线加工工艺制定时，棱线弧长≤3mm或棱线R≤5mm时，小圆角棱线从半精加工（2~3mm加工量）开始，采用分区加工工艺，且加工刀路保持与棱线垂直，加工过程中保证棱线始终处于尖角状态；当棱线弧长>3mm或棱线R>5mm时，因棱线区域存在一定曲面，为避免编程加工时破坏棱线，保证棱线精度，采用交叉45°方向加工，严格控制进给量和主轴转速。凸、凹模的精加工应在同一台机床上进行，每3h更换一次加工刀具，保证其加工精度和公差，如图12所示。

04

模具制造过程质量控制

数控加工精度控制

（a）加工后的虚拟合模精度

（b）实际模具零件型面

图13 数控加工精度控制

为了确保模具零件数控数据的精准度，须建立自检、校对、联合评审等签字确认程序。通过联合评审及与相关人员沟通，对凸、凹模棱线加工工艺、强压面、辅助工艺面、编程方式、加工参数、精加工机床等制定工艺卡和过程控制方法进行确认，保证小圆角棱线和细小特征线数据制作准确。在数控加工过程中按工艺卡和制造标准进行控制，推进智能化和自动化加工，尽可能避免人工参与，减少人为操作误差，提高加工质量和模具零件制造精度，如图13所示。

规范模具零件研磨方法

数控加工完后模具零件型面由小平面组成，其中交刀、刀具磨损和机床公差在加工过程中无法避免，均影响模具零件型面精度。研磨是对模具零件型面加工误差的修正，零件成形质量直接取决于研磨效果，模具零件型面研磨前要进行检测。

（a）原始形状

（b）棱线研配和加工方法

（c）棱线保护

（d）研磨后模具表面质量

图14 某门外板棱线研磨方法及研磨质量

（a）调试研配后的模具零件

（b）成形合格的零件

图15 调试研配后的模具零件和成形合格的零件

研磨时，先用300#以上的细油石蘸煤油沿加工纹路交叉方向进行抛光，消除加工刀纹，使型面粗糙度达到Ra0.8μm。然后用400#以下的细砂纸精抛棱线两侧，使R角两侧粗糙度达到Ra0.8μm，需要注意排气孔不能设置在A面附近。所有特征线在抛光时都需要用1cm宽的胶带粘贴，以保护特征棱线R角不被抛光时破坏，棱线两侧胶带以外的型面用小油石进行抛光，沿棱线交叉45°方向交叉推动，该方法能发现棱线两侧的凹凸不平区域并打磨光滑，如图14和图15所示。钳工应熟悉零件造型和抛光工具的用法，还必须撑握模具零件抛光的技巧和方法，才能使模具零件型面达到要求。

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▍原文作者：吴志兵，杨建，谢国文，利晓林，柴武倩