基于冲压工艺的轿车侧围外板设计方法及应用

第38卷第1期2024年1月山东理工大学学报(自然科学版)
Journal of Shandong University of Technology(Natural Science Edition)
Vol.38No.1Jan.2024
收稿日期:20230107
基金项目:安徽省教育厅高等学校质量工程项目(2020kfkc078,2020jyxm0165);安徽省教育厅高职院校承接提质培优行动计划项目(RX04-2)第一作者:戴亚,女,270826134@;通信作者:王利,女,423547448@
文章编号:1672-6197(2024)01-0048-06
基于冲压工艺的轿车侧围外板设计方法及应用
戴亚1,王利2,3,周颖1,丁春梅3
(1.安徽工贸职业技术学院机械与汽车工程系,安徽淮南232007;2.宣城职业技术学院教务处,安徽宣城242000;
3.马鞍山市汽车冲压模具先进设计工程技术研究中心,安徽马鞍山243031)
摘
要:现有车身外覆盖件的设计难以实施高效的冲压成形仿真分析㊂本文通过对比分析市场已推出的典型车型,以轿车侧围外板的A 柱㊁B 柱㊁门槛㊁后侧窗㊁加油口盖以及尾灯与后保险杠等关键区域为研究对象,面对产品需求考虑冲压工艺,提出了轿车侧围外板关键区域的设计方法㊂应用该方法设计了一种轿车侧围外板Catia 模型,并进行成形工艺方案分析㊂通过对轿车侧围外板Catia 模型的拉延成形仿真,验证了所提设计方法的可行性㊂结果表明:所设计的轿车侧围外板拉延成形仿真过程收敛,零件区域成形良好;基于冲压工艺的轿车侧围设计方法可行,具有一定的工程应用价值㊂
关键词:外覆盖件;典型车型;冲压工艺;侧围外板;设计方法中图分类号:TG386
文献标志码:A
Design method and application of car side panel based on stamping technology
DAI Ya 1,WANG Li 2,3,ZHOU Yin 1,DING Chunmei 3
(1.Department of Mechanical and Automotive Engineering,Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade,Huainan 232007,China;
2.Office of Educational Administration,Xuancheng Vocational and Technical College,Xuancheng 242000,China;
3.Maᶄanshan Engineering Technology Research Center of Advanced Design for Automotive Stamping Dies,Maᶄanshan 243031,China)
Abstract :Considering that it is difficult to carry out efficient stamping simulation analysis for the design of the existing body exterior panels,this paper takes the key areas of the sedan side outer panel,such as A pillar,B pillar,door sill,rear side window,fuel filler cap,tail lamp and rear bumper,as the research objects,and puts forward a design method for the key areas by comparatively analyzing the typical models
in the market as well as considering the stamping process in the face of product requirements.A Catia model of the sedan side outer panel is designed using this method,and the forming process is analyzed.The feasibility of the proposed design method is verified by the drawing simulation of the Catia model.The results show that the simulation process of the drawing forming of the car side outer panel is conver-gent,and the forming of the part area is good.It is concluded that the side panel design method based on
stamping technology is feasible and has certain engineering application value.Keywords :exterior panels;typical vehicle models;stamping process;side wall outer panel;design
method
㊀
㊀㊀近年来,新能源汽车的快速发展给传统车企带来了巨大的冲击,迫使传统车企转向新能源汽车,并使其积累起来的技术优势在很大程度上丧失[1]㊂作为汽车推陈出新中重要的汽车外观形状,其变化改进显著加快,而汽车侧围作为汽车车身的主要构成单元,其设计理念和设计工艺也随着汽车外形的设计发展态势不断更新[2-3]㊂
众多车企的技术人员对轿车侧围外板的设计技术进行了研究㊂东风本田汽车有限公司的蒋磊等[4-6]在参数化设计㊁成形仿真和工艺参数优化等方面,对侧围外板进行了全面的技术研究;江铃控股有限公司的熊佳俊[7]阐述了设计要求与要点,并以此为依据设计了一种乘用车侧围外板;中国第一汽车集团有限公司的贾文彬等[8]通过模具型面补偿法优化了侧围外板尾灯口暗坑;长城汽车股份有限公司的李众[9]结合产品设计㊁仿真与制造现场提升了轿车侧围外板角窗面品的可靠性;广州汽车集团股份有限公司的林楷等[10]通过现场研配分析了侧围外板C柱处外观面产生光影扭曲原因,并提出了成形性工艺参数优化的对策;广汽三菱汽车有限公司的付炯[11]通过分析不同工况下车身侧围外板的抗凹试验变形数据,验证了加强贴刚性对提升车身侧围外板抗凹性能的效果㊂
作为车身外覆盖件的主要骨架,轿车侧围外板是形成其侧壁部分的重要外观件[12],其组成如图1所示[13]㊂轿车侧围与众多部件总成搭接而形成固定或相对运动关系,因此其曲面复杂㊁冲压工艺要求极其严苛,全面研究轿车侧围外板的设计方法非常必要㊂为此,本文基于冲压工艺结合工程实际,通过对比分析市场已推出的典型车型轿车侧围外板的关键区域,提出基于冲压工艺的轿车侧围外板设计方法,应用该方法设计一种轿车侧围外板,并通过拉延成形仿真验证本文提出的设计方法的可行性,为车身外覆盖件的设计提供参考㊂
1.A柱区域下段;
2.A柱区域上段;
3.B柱区域;
4.门
槛区域;5.后侧窗区域;6.C柱区域;7.尾灯区域;
8.后保区域;9.加油口盖区域;10.后轮罩区域㊂
图1㊀轿车侧围外板的组成1㊀关键区域的设计方法
1.1㊀A柱区域的设计
轿车侧围外板A柱区域主要由上㊁下段组成,A 柱下段的设计是需要重点考虑的,包括车辆遭遇碰撞时的强度㊁刚度,前门铰链㊁线束胶套㊁翼子板等载体的安装及其冲压工艺的成形性要求[14]㊂
由于A柱下段是车身框架组成的重要部分,同时又是车门铰链㊁仪表管梁等的载体,而且在车身遭遇碰撞时,翼子板变形,但A柱不能变形,才能保证前门正常打开,保证乘客不受伤害,因此A柱后退变形量越小越好㊂图2所示为4种典型车型的侧围外板A柱结构
㊂
㊀㊀(a)幻速S6㊀㊀(b)Smart㊀㊀(c)幻速H3㊀(d)福克斯
图2㊀4种车型的侧围外板A柱结构
如图3所示,侧围外板A柱下段需匹配的零件一般有前门上下铰链㊁翼子板安装点㊁前门线束胶套㊁机舱侧加强板㊁前三角块或者前三角窗㊁管梁安装过孔等,匹配要求由相关部门输入㊂一般除了需要侧冲的孔,其他安装点的冲孔方向一般在车身Y 向10ʎ以内
㊂
图3㊀A柱区域孔位作用指示
轿车侧围外板A柱下段一般为U型结构,由于受到铰链布置及前壁板的影响,所以有一定的深度㊂图4所示为A柱下段冲压深度示意图,表1所示为几种车型的对标数据㊂另外,为满足冲压工艺的要求,侧围外板A柱下段通常会增加一些防回弹㊁吸皱等特征,如图5所示㊂
94
第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀戴亚,等:基于冲压工艺的轿车侧围外板设计方法及应用
图4㊀A柱下段冲压深度示意图
㊀㊀由于侧围与翼子板分缝的不同,导致A柱下段
与翼子板搭接处结构不同,因此A柱下段属于关键
结构㊂图6为两种常见的分缝结构,其中水平分缝
为福克斯车型翼子板与侧围分缝,这种水平分缝工
艺较容易实现,但对侧围外板尖端强度㊁侧围总成
NVH等有不利影响;垂直分缝为幻速S6车型翼子
板与侧围分缝,这种垂直分缝侧围外板强度㊁NVH
等性能较好,但成形性较差,工艺实现较困难,常会
出现开裂㊁起皱等成型问题,设计时需要重点考虑㊂表1㊀A柱冲压深度及拔模角度对标
部位参数卡罗拉大霸王RAV4大发森雅RUSH途观翼虎
前门上铰链处深度A/mm6860654982
角度α/(ʎ)58 1.76 3.8 5.5
前门下铰链处深度A/mm60777557924880角度α/(ʎ) 6.547.58.4 6.55
9
图5㊀A
柱冲压工艺特征
图6㊀水平与垂直分缝
1.2㊀B柱区域的设计
侧围B柱是车身框架重要的组成部分,不仅影
响整车的模态,而且对车辆侧向碰撞性能起关键作
用㊂侧围外板B柱区域设计需要重点考虑侧向碰
撞时的强度㊁刚度,后门铰链㊁线束胶套等的安装及
其冲压工艺的成形性要求㊂由于侧围外板B柱区
域为半可见区域,故特征面的形状应尽量简单,过渡
应均匀光顺㊂
侧围设计时,要求B柱要有足够的腔体㊂在侧
面碰撞中,考虑到驾驶员和乘员的安全,侧围系统应
尽量减小B柱的侵入速度,减少其Y向侵入量,同
时需满足后门铰链安装点的刚度和强度要求㊂图7
所示为典型车型的侧围外板B柱结构,图中侧围外
板B柱为常见的U型腔体
㊂
图7㊀B柱结构示意图
与侧围外板B柱匹配的零件有后门上铰链㊁后
门下铰链㊁后门线束胶套等,如图8左侧所示㊂侧围
外板B柱的匹配要求由相关部门输入㊂一般除了
需要侧冲的孔,其他安装点的冲孔方向一般在车身
Y向10ʎ以内㊂由于侧围外板B柱布置受到窗框㊁铰
链㊁锁及限位器等的影响,侧壁拔模角度一般较小,
故前期分析布置相关附件时需尽量放大拔模角度,
有利于冲压成型㊂同时为满足冲压工艺的要求,通
常会增加一些吸皱等特征,如图8右侧所示㊂
1.3㊀门槛区域的设计
侧围门槛区域是车身框架重要的组成部分,要
有足够的腔体和足够的刚度与强度,才能在车辆遭
受正面碰撞时,将机舱受到的冲击力有效地传递到05山东理工大学学报(自然科学版)2024年㊀
图8㊀B 柱区域孔位作用指示
后车体,在车辆遭受侧面碰撞时将侧面受到的力传递到地板梁,起到分散冲击力和减小门槛变形量,从而保护乘员安全的作用㊂由于受到造型等的影响,一般门槛结构形式有3种,如图9所示
㊂
图9㊀3种门槛区域示意图
第1种为门槛部分面充当外表面㊂图9(a)所示为卡罗拉车型的侧围外板门槛区域,其中大面积为外表面,同时底部布置有漏液孔㊁翼子板安装过孔等㊂侧围外板与门槛加强板㊁门槛内板组成封闭腔体㊂
第2种为侧围门槛面都为结构面,这种结构常见于门槛外观为塑料装饰件的SUV 车型㊂图9(b)所示为幻速S6车型的侧围外板门槛区域,其面均为特征面,没有外表面,同时底部布置有漏液孔㊁漏液筋及翼子板安装过孔等㊂同样地,侧围外板与门槛加强板㊁门槛内板组成封闭腔体㊂
第3种为侧围门槛面都为结构面,如图9(c)所示㊂此种结构与第2种不同的是侧围外板门槛下部面切除,由加强板代替,侧围外板门槛面上只有门槛装饰件安装点㊂目前所设计的车型较少采用此种方式,若采用此种结构,需CAE 部门验证结构的强度㊁刚度是否满足性能要求㊂
侧围门槛区域的冲压难度相对较低,局部可能有整形工序㊂同样地,为保证安装孔的精度,一般除了需要侧冲的孔,其他安装点的冲孔方向一般在车身Y 向10ʎ以内㊂
1.4㊀后侧窗区域的设计
侧围外板是安装玻璃窗的载体,需满足玻璃窗
安装位置㊁涂胶承载面等要求,同时需满足冲压成型的工艺要求㊂
后侧玻璃窗一般有滑移窗㊁蝶窗及固定窗等形式㊂商用车㊁MPV 常用滑移窗及蝶窗,一般轿车及SUV 采用固定窗㊂滑移窗及蝶窗侧围外板结构基本相同,外板为凹台特征,没有涂胶固定,滑移窗通过密封条卡接在侧窗止口上固定;蝶窗的安装点及开启机构布置在侧围内板上,如图10左上角所示㊂固定窗一般由3个安装点定位,通过涂胶连接在侧围外板上,固定窗侧围外板结构如图10右上角所示㊂
侧窗区域凹台深度由侧围与玻璃段差㊁玻璃厚度及涂胶高度共同决定,一般不超过15mm㊂同时需注意侧围外板侧壁的拔模角度不能太小,安装点冲孔方向在车身Y 向10ʎ以内㊂为改善开裂,在拐角处的位置增加二次台阶,在起皱的地方需增加吸皱特征等,后侧窗处冲压工艺特征如图10左下角所示
㊂
图10㊀后侧玻璃窗侧围外板结构
1.5㊀加油口盖区域的设计
由于加油口盖的形状㊁材质等不同,侧围外板加油口区域一般有异形翻边形式㊁方形翻边形式㊁凸台形式㊁圆形翻边带局部法兰形式和圆形翻边带周圈法兰形式等5种,如图11所示㊂其中翻边形式的工序为先修边后翻边,翻边角度可为0ʎ,而带法兰形式与凸台形式的工序为先冲压成型再修边,且要求翻边角度大于2ʎ,为保证外表面品质,要求法兰面与外表面距离均匀,且距离最好小于15mm㊂冲孔特征同样要求冲孔方向在车身Y 向10ʎ以内㊂侧围外板加油口盖区域特征如图11(d)所示㊂表2为7
1
5第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀戴亚,等:基于冲压工艺的轿车侧围外板设计方法及应用
种车型加油口盖区域特征的数据对标
㊂图11㊀侧围外板加油口盖区域特征形式
表2㊀加油口盖区域特征数据对标
参数卡罗拉大霸王RAV4大发森雅RUSH 途观翼虎深度A /mm 23252018.21312
11.5
角度α/(ʎ)
3
1.55558.411.5圆角R /mm
2.5
2.5
3
2.5
3
2
2.5
1.6㊀尾灯及后保区域的设计
尾灯及后保区域的主要功能是提供尾灯及后保险杠的固定点,同时在后保区域还会布置定位孔㊁泄压阀㊁后保支架安装孔及线束胶套安装孔等,尾灯及后保区域特征如图12左侧所示㊂尾灯及后保区域设计时也需要考虑包括冲压角㊁拉延圆角等在内的冲压成形性要求
㊂
图12㊀尾灯及后保区域特征与尖点区域结构关键尺寸
侧围外板与背门㊁尾灯配合处常会出现尖点区域,如图12右侧所示㊂图12中关键尺寸的推荐值分别为缺口翻边A ȡ5mm㊁重合区域B ȡ3mm㊁缺口直线C 在3~5mm 范围内㊁缺口夹角αȡ95ʎ以及圆角半径R ȡ3mm㊂
2㊀侧围外板设计与仿真验证
2.1㊀侧围外板设计与工艺分析
图13为所设计的一种轿车侧围外板模型,该模型关键区域的设计满足形状㊁强度㊁刚度和冲压工艺特征要求,其主要结构为:A 柱下段与翼子板水平分
缝,门槛区域采用部分面充当外表面,后车窗为固定窗,方形翻边加油口盖㊂产品所用材料拟定为超低碳超深冲钢板DC06,板料厚度为0.7mm㊂参考轿车侧围外板的搭接关系后[15-16],确定其成形工艺方案为:OP10拉延(DR )㊁OP20修边(TR )+冲孔(PI)㊁OP30修边(TR)+斜楔/整形(C /RST)㊁OP40翻边(FL)+斜楔/整形(C /RST)㊁OP50斜楔/冲孔(C /PI)+斜楔/整形(C /RST)㊂成形工艺方案中OP10拉延工序能够形成轿车侧围外板的骨架,对材料的消耗㊁后续工序的安排㊁是否需要整形等多个方
面产生影响,对终端产品的表面质量和形位精度起到决定性作用㊂OP10拉延工序对上述设计方法的有效性具有反馈作用,因此本研究对侧围外板设计方法的验证主要考察拉延成形性
㊂
图13㊀轿车侧围外板模型及各部位的成形工序
2.2㊀拉延成形仿真验证
DC06材料特性参考文献[17-18],在AutoForm
软件的材料生成器中定制DC06力学性能参数[19]㊂材料的参数:杨氏模量Y =2.1ˑ10-5N /mm 2,泊松比P =0.3㊂定义硬化曲线:选定Ludwik 拟合模型,流动应力σ0=150MPa,硬化指数n =0.24,真实应变为1时的屈服力K =528.2MPa㊂定义屈服准则:选定Hill 拟合模型,平面各向异性指数r 0=2㊁r 45=
1.8㊁r 90=
2.4,3个初始屈服应力σ0=150MPa㊁σ45=162.2MPa㊁σ90=154.3MPa,双轴点处的各向异性指数r b =0.833,初始屈服应力σb =191.9MPa,拟合系数M =2,双轴应力因子Biax =1㊂
导入所设计的轿车侧围外板拉延工序数据,依次进行板料㊁工具体和工艺参数的设定,完成拉延成形三维有限元建模,如图14所示㊂拉延成形数值模拟所用的主要参数:摩擦系数为0.15㊁拉延力为1120t㊁压边力为280t 和压边圈行程为250mm 等㊂通过仿真计算获得的拉延成形仿真结果如图
15所示㊂由图15可知,零件区域拉延成形变形充分,成形过程中未出现应变不足及明显起皱现象,因此整个拉延成形仿真过程是收敛的,结果是可信的,进一步说明基于冲压工艺的轿车侧围设计方法是可行的㊂
2
5山东理工大学学报(自然科学版)2024年㊀
图14㊀
拉延成形三维有限元模型
图15㊀拉延成形仿真结果
3㊀结束语
文章通过对比分析市场已推出的典型车型轿车侧围外板的关键区域,提出了基于冲压工艺的轿车侧围外板设计方法㊂应用该方法设计了一种轿车侧围外板,通过拉延成形仿真分析,获得了成形仿真过程收敛㊁零件区域成形良好的成形结果,证明了基于冲压工艺的轿车侧围外板设计方法的可行性㊂参考文献:
[1]陈吉喆.奇瑞新能源汽车市场营销策略研究[D].广州:广州大
学,2022.[2]郭宝玉.一款商用车白车身的改型设计[D].济南:山东大
学,2020.
[3]彭幸玲.电动汽车车身曲面造型设计方法研究[D].扬州:扬州
大学,2020.
[4]蒋磊,王龙,李十全,等.基于正交试验的侧围外板拉延成形工艺
参数优化研究[J].汽车工艺与材料,2021(9):42-50.[5]蒋磊,袁璐,王龙,等.侧围外板全工序成形数值模拟与工艺优化[J].塑性工程学报,2021,28(10):50-60.[6]蒋磊,赵磊,廖敏,等.汽车侧围外板成形工艺参数优化[J].模具工业,2022,48(10):7-14.
[7]熊佳俊.乘用车侧围外板设计[J].南方农机,2019,50(12):
141,143.
[8]贾文彬,卢智威,赵锋,等.侧围外板尾灯口暗坑优化方法研究[J].锻造与冲压,2022(24):44-47.[9]李众.侧围外板角窗面品生产可靠性提升[J].锻造与冲压,2022(12):54-58.
[10]林楷,覃显峰,谢育涛,等.侧围外板C 柱处外观面光影扭曲原
因分析及对策[J].锻造与冲压,2022(10):61-65.[11]付炯.加强贴在提高侧围外板抗凹性能中的应用和优化[J].现
代制造技术与装备,2021,57(9):32-34.[12]戴建新,潘兴旺,陶运良.多品牌车身侧围结构工艺性对比分析[J].机械设计,2021,38(S1):7-12.[13]单春来.概念设计阶段的白车身结构模块化设计方法[D].大连:大连理工大学,2018.
[14]舒满征,王利,黄昭明,等.基于AutoForm 的轿车侧围拉延工艺
补充设计与优化[J].九江学院学报(自然科学版),2020,35(1):18-23.[15]蒋磊,李十全,王龙,等.基于模面工程的侧围外板全工序成形
仿真研究[J].制造技术与机床,2022(7):121-128.
[16]万志远.汽车侧围外板冲压工艺及模具设计[J].锻压技术,2022,47(10):118-123.
[17]郑昊青,郑之旺,左军,等.不同涂油量对汽车钢DC06电化学腐
蚀行为影响规律研究[J].钢铁钒钛,2022,43(2):157-162.[18]赵夫超,刘畅,黄昭明,等.基于模面工程的轿车侧围拉延成形
数值模拟[J].南京工程学院学报(自然科学版),2020,18(2):
13-17.
[19]黄昭明,赵恒文,潘金元,等.多工位级进冲压成形联动数值模
拟[J].山东理工大学学报(自然科学版),2018,32(4):35-39.
(编辑:郝秀清)
3
5第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀戴亚,等:基于冲压工艺的轿车侧围外板设计方法及应用。