长城汽车：铝合金侧围外板B柱下部拐角位置成形问题研究

1 某车型铝合金侧围外板B柱门槛圆角成形研究

1.1 成形缺陷分析

某车型（简称“A车型”）侧围外板在成形分析过程中，B柱下部门槛圆角造型附近的平面存在起皱，而圆角侧壁（即门洞内侧立壁附近）的位置发生开裂，无法满足使用要求，如图1所示。由于起皱、开裂等在成形过程中属于相反的2种材料状态，在生产现场的调试方法也相反，A车型B柱区域起皱、开裂共存，现场解决这些问题较困难。为了寻求起皱、开裂产生的原因以便在设计阶段提出改进措施，从材料性能及成形机理2个方面进行研究。

图1 圆角造型起皱与开裂

1.1.1 材料性能分析

A车型侧围外板采用6系铝合金，同钢板（ES系）相比，铝合金的弹性模量仅为钢板的1/3，其屈服强度相对于钢板偏低。6系铝合金与ES系钢板的性能参数如表1所示。

表1 性能参数对比

因抗拉强度、断裂拉伸率等参数的差异，同钢板相比，6系铝合金成形极限低30%左右，成形制件在拉深、翻边及压合过程中开裂风险严重，因此对制件圆角、拉深深度的管控要求比钢板严格。

1.1.2 成形机理分析

图2所示为A车型侧围外板B柱下部门洞圆角区域起皱、开裂分析。由图2（a）可知，在侧围外板成形过程中，B柱门洞区域材料沿凸模型面发生流动，但由于造型特征所致，位置①和③区域的材料流动速度大于位置②，导致位置②区域发生材料聚集（即内部承受压应力），在该区域发生起皱。相反门洞圆角立壁及内部平面成形时，此区域材料表面积增大，线长由L1拉深至L2，材料流动方向如图2（b）所示，在材料内部产生拉应力，导致材料减薄而开裂。

图2 B柱下部门洞圆角缺陷产生机理

1.2 成形缺陷优化整改方案研究

1.2.1 起皱问题整改

针对B柱下部门洞圆角区域型面起皱风险，结合上述讨论的材料流动速率不同引起角部材料受压积聚的起皱机理，提出在拉深工序模具的上模B柱对应部位设计局部压料芯的方案。该方案要求压边圈与局部压料芯同时接触材料，对起皱区域的材料提前进行压料固定，防止材料聚集。整改方案及优化后制件成形结果如图3所示，与图1相比，CAE分析起皱问题得到改善。同时对现场调试生产过程进行了提前策划，即机床采用压边圈闭锁功能，防止制件顶起时变形，以达到缩短调试周期的目的。

图3 工艺及制件优化后CAE分析结果

1.2.2 开裂问题整改

由上述可知，侧围B柱下部门洞成形过程中发生开裂与制件造型的平面圆角R、上平面到门洞止口断面深度H、侧壁拔模角度θ存在关联。圆角R和拔模角度θ越小、断面深度H越大，成形时材料流动难度越大，有效成形材料就越少，导致线长变化越剧烈，开裂越容易发生。基于此，调整B柱下部门洞区域R、H及θ值，以寻求解决开裂的方案并建立3个参数之间的约束关系，具体方案如表2所示。

表2 B柱下部门洞位置造型尺寸对比

造型1的成形结果见图1，B柱门洞区域起皱、开裂严重。为减少成形前后材料的线长变化比，调整B柱门洞区域平面圆角，将R50 mm调整为R160 mm，如造型2所示。由图4（a）、（b）的CAE仿真分析结果可知，平面圆角R增大后制件成形效果改善明显，开裂问题消除，但局部区域材料减薄率达到20%以上，超过16%的减薄控制标准要求，实际生产仍存在较大的开裂风险，需要在生产过程中预留焊接打磨弥补方案，同时该开裂风险区域提前采取R角放大措施，促进材料流动的整改方案，以保证批量生产的稳定性。

另一方面考虑拔模角度对成形过程材料的流动能力存在较大影响，调整制件拔模角度，由13°增加至28°，将平面圆角R50 mm适当增加至R60 mm，如造型3所示，其仿真分析结果如图4（c）、（d）所示。增大拔模角度后，开裂问题同样得到消除，同时减薄率超差的区域及减薄程度相对于造型2均呈现优化趋势，证明增大拔模角度对成形性具有明显改善效果。

为进一步解决局部材料减薄率超差的问题，在保证拔模角度θ=28°的基础上，增大平面圆角至R160 mm，同时将B柱造型深度H调整为75 mm，如造型4所示。由图4（e）、（f）可知，此种状态下B柱门洞区域的制件成形性满足拉深成形标准要求，材料局部减薄率最大15.6%，低于16%的管控标准要求。

图4 不同造型制件成形性及材料减薄仿真结果

侧围外板B柱下部门洞区域的断面深度H、拔模角度θ和平面圆角R为相互关联的3个参数，其不仅对钣金成形性产生影响，同时还须兼顾整车功能性布局的合理性、乘客乘坐便利性、车身焊接过程的可操作性以及侧围钣金的材料利用率（成本）。综合考虑以上因素，并结合成形仿真分析结果，建立H、θ和R的关系，用于制件设计阶段的指导及成形开裂问题的评估，三者关系为：

，10°<θ<28°

2 批量生产情况

为了验证实际批量生产稳定性，利用现场B柱下部门洞区域平面圆角R160 mm的模具进行铝合金材料验证，现场生产制件状态如图5所示。经批量生产验证，采用局部压料芯及增大造型圆角的方案，侧围B柱下部门洞区域的起皱、开裂得到改善，批量生产通过率达到98.3%，未发生因起皱、开裂导致的现场生产停线情况，且成形制件精度能满足装车需求。

图5 制件批量生产状态

▍原文作者：杨丁丁，李健，张晨辉

▍作者单位：长城汽车股份有限公司 生产技术中心