第3章 汽车覆盖件成形特点研究
3.1 引言
汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。轿车的车身、载重车的驾驶室等都是由覆盖件和一般冲压件构成的，如图3.1所示。覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳状的受力零件。
按功能和部位分类，覆盖件可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，内部覆盖件的形状往往更复杂。同一般冲压件相比，覆盖件一般由0.8mm~2.0mm的冷轧薄钢板冲压而成，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点，其制造工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺等都具有特殊性。因此，覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。
1-发动机罩 2-前柱 3-翼子板 4-顶盖 5-行李箱盖板 6-地板 7-后车门 8-前车门
图3.1 部分车身覆盖件示意图
3.2 汽车覆盖件的成形特点及缺陷
3.2.1 汽车覆盖件的成形特点
汽车覆盖件的质量要求和结构特点决定了其冲压成形的特点：
(1) 一次拉深成形
对于轴对称零件或盒形零件，若拉深系数小于一次拉深的极限拉深系数时，则不能一次拉深成形，需要采用多次拉深成形方法，而且可以计算出每次拉深的拉深系数、工艺参数、毛坏尺寸等。但对于汽车覆盖件来说，由于其结构、变形复杂，其规律难以定量把握，以目前的技术水平还不能进行多次拉深工艺参数的确定。而且多次拉深形成的冲击线、弯曲痕迹线也会影响油漆后的表面质量。因此，汽车覆盖件的成形都是采用一次拉深成形的方法，但其冲压难度与复杂性也就相应增加了。
(2) 拉胀复合成形
汽车覆盖件的成形过程中的毛坯变形不是简单的拉深变形，而是拉深和胀形变形同时存在的复合成形。一般来说，除内凹形轮廓(如L形轮廓)对应的压料面外，压料面上的毛坯的变形为拉深变形(径向为拉应力，切向为压应力)，而轮廓内部，特别是中心区域毛坯的变形为胀形变形(径向和切向均为拉应力)。
(3) 局部成形
局部成形轮廓内部有局部形状的零件冲压成形时，压料面上的毛坯受到压边圈的压力，随着凸模的下行而首先产生变形并向凹模内流动，当凸模下行到一定深度时，局部形状开始成形，并在成形过程的最终时刻全部贴模。所以，局部形状外部的毛坯难以向该部位流动，该部位的成形主要靠毛坯在双向拉应力下的变薄来实现面积的增大。通常覆盖件都有一些局部形状如凸缘、凹槽、加强筋等。
(4)变形路径变化
汽车覆盖件冲压成形时，内部的毛坯不是同时贴模，而是随着冲压过程的进行而逐步贴模。这种逐步贴模过程，使毛坯保持塑性变形所需的成形力不断变化，毛坯各部位板面内的主应力方向与大小、板平面内两主应力之比等受力情况不断变化，毛坯(特别是内部毛坯)产生变形的主应变方向与大小、板平面内两主应变之比等变形情况也随之不断地变化。即，毛坯在整个冲压过程中的变形路径不是一成不变的，而是变路径的。这种变形路径的变化使得坯料在成形过程中的变形更加复杂。
3.2.2 汽车覆盖件的主要成形缺陷
汽车覆盖件在冲压过程中最常见的几种失效形式包括起皱、破裂和回弹过大，产品设计、模具制造和材料选择时，应当以不产生这些缺陷为前提。
(1) 起皱
起皱是压缩失稳在薄板冲压成形过程中的主要表现形式。薄板冲压成形时，为使金属产生塑性变形，模具对板料施加外力，在板内产生复杂的应力状态。由于板厚尺寸与其它两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不稳定的。当材料的内压应力使板厚方向达到失稳极限时，材料不能维持稳定变形而产生失稳，此种失稳形式为压缩失稳。起皱发生时，皱纹的走向与压应力垂直，但我们不能简单地认为任何起皱都是压应力引起的。工业上经常采用增加压边力或设置拉延筋等方法来抑止起皱的产生，但会导致板材成形极限下降，可能使零件产生开裂。因此，避免起皱必须以板材不破裂为基本条件。实际解决起皱的问题可以从产品形状、工序设计、模具设计与制造、冲压技术及材料选择等方面着手。
在产品设计阶段，可以着重考虑从产品形状方面着手，在不损坏产品的性能和外观的前提下，达到解决起皱的目的。大致可以从以下几个方面考虑：减小零件的拉深深度；避免零件形状的急剧变化；使零件横断面转角半径R、纵断面圆角半径R、局部的转角半径R合理化；减少平坦的部位；增设吸收皱纹的形状；台阶部分的合理化。
在工序设计及模具设计与制造方面，可采取的措施有工序的改变、合理的压料面形状及合适的拉延筋位置有形状等。
材料方面，要使用低屈服点和延伸率大的材料，并选择合适的r值。 (2) 破裂
破裂是拉伸失稳的最后阶段，主要产生在以拉应力为主的塑性变形过程中，是衡量冲压板材是否达到极限变形能力的标志，也是冲压过程应该避免的首要缺陷。在板料成形过程中，随着变形的发展，材料的承载面积不断缩减，其应变强化效应不断增加。当应变强化效应的增加能够补偿承载面积缩减时，变形稳定的进行下去；当两者恰好相等时，变形处于陆界状态；当应变强化效应的增加不能补偿承载面积缩减时，即越过了临界状态，板料的变形将首先发生在承载能力弱的位置，继而发展成为细颈，最终导致板料出现破裂现象。根据破裂的性质不同，可将破裂分为?破裂、?破裂和弯曲破裂，并认为材料的强度不足导致?破裂，材料的塑性不足导致?破裂，而弯曲变形过大可导致材料的弯曲破裂。根据破裂产生的位置不同，可将破裂分为变形区破裂、传力区破裂，将其他形式的破裂归类为局部破裂和残余应力破裂，并认为变形区破裂可由材料的实际成形极限图加以判断和预测。根据加载过程的不同，可将板料的拉伸失稳分为加载失稳
和变形失稳，而变形失稳又可分为分散性失稳和集中性失稳。根据变形方式的不同，Marciniak将破裂分为面内剪断、撕裂和面外剪断，如图3.2所示。
避免破裂的主要措施有：修正模具参数；选择合理的板料形状和尺寸；改变压边力；改善润滑条件；修正拉延筋的形状，参数以及布局:选择强度指标较高的材料等。
图3.2 板料破裂形式的分类
(3) 回弹
在板料成形终了阶段，随着变形力的释放或消失，成形过程中存储的弹性变形能要释放出来，引发内应力的重组，进而导致零件整体形状改变。这种现象我们称之为回弹。回弹是模具设计中要考虑的关键因素，零件的最终形状取决于成形后的回弹量。弹塑性材料在成形后都存在回弹问题，特别是在弯曲变形和浅拉深变形过程中更为明显，而零件的回弹量与模具几何形状、材料性能参数、摩擦接触等众多因素密切相关。当零件的回弹量超过零件的允许容差后，就成为成形缺陷，影响产品的尺寸精度。半个多世纪以来，国内外学者对有关回弹预测的计算方法进行了大量的理论研究，总结出了相应的回弹计算公式，但大都集中在对简单形状饭金(如矩形板或板条、圆形板、方板等)的冲压加工方面，且加工方式比较简单(纯U型或V型弯曲等)。而对于变形较为复杂的零件，传统的解析算法难以进行精确求解。随着汽车工业和航空工业的发展，对薄板壳类零件成形精度的要求越来越高，特别是近年来由于高强度薄钢板和铝合金板材的大量使用，回弹问题更为突出，成为汽车和飞机等工业领域关注的热点问题。
从概念上来说，回弹虽然仅仅是卸载问题，计算比较简单，但由于它是成形的最后
