发动机罩外板作为汽车重要的外覆盖件之一，与左右翼子板、大灯、前保险杠、前风窗等零件搭接，搭接区域的轮廓间隙和面差都有严格要求。从零件结构上看，发动机罩外板整体造型平坦，外观面以不同曲率面片相连，一般存在2~5条不等的棱线，除此之外大部分区域面的曲率较小，易产生棱线滑移、刚性不足和回弹等缺陷。因此分析和研究发动机罩外板的常见缺陷，并利用有限元软件提前预测，可以消除调试生产阶段滑移线导致的外观缺陷。
发动机罩外板的常规工序一般为4步：①拉深；②修边侧修边；③修边侧翻边；④翻边侧翻边。发动机罩外板最常见的缺陷有压痕、滑移线、回弹、刚性不足、翻边扁平化，各种缺陷产生的区域和原因不同，表现形式也不同，具体缺陷如下所述。
压痕是冲压时因细小的碎屑掉落在零件表面未及时清理而产生。模具零件刃口在冲压时不断磨损，废料刀和局部修边部位产生碎屑，部分碎屑粘在零件边缘，随着零件的传输或搬送脱落在模具零件表面，在下一个冲压循环中会在零件表面产生压痕。
拉深过程中板料与模具零件凸起棱线接触产生塑性变形后的硬化区，板料与模具零件相对运动在板料表面留下的滑动痕迹称为滑移线，通常分为外观表面滑移线和凹模圆角处冲击线。发动机罩外板滑移线主要由表面的特征棱线产生，不恰当的圆角半径R及特征棱线布置会导致较严重的滑移线产生。冲压件回弹是指金属板料在成形过程中，发生塑性变形同时伴随着弹性变形，当模具打开时，零件脱离模具零件型面约束，形状发生变化，与模具零件型面形状不一致的现象。在外力作用下，即使板料内外层纤维全部进入塑性状态，在去除外力时，弹性变形消失，也会出现回弹。冲压件回弹受材料的屈服强度、杨氏模量、板料的变形方式等影响。对于发动机罩外板，板料拉深的充分变形和翻边扁平化对零件回弹影响最大。冲压件刚度是指零件受到外力作用（含压力、重力）时抵抗弹性变形的能力。发动机罩外板因具有大面积平坦面、板料较薄、材料抗拉强度较低等特征，冲压后易产生刚度不足缺陷。图1 废料刀形状
图2 毛刺成因
发动机罩外板上的压痕主要来自灰尘颗粒、金属废屑、模具零件型面的凸凹3个方面，其中金属废屑导致的压痕占比最大且最难解决。金属废屑主要由修边废料刀产生，废料刀形状如图1所示，毛刺成因如图2所示。由于存在上、下刃口台阶，在废料分离过程中导致高点先刺入板料，相邻区域材料受拉应力变形严重，最终切断后毛刺粘在废料刀刃口上。压力机滑块运动传递的震动导致毛刺脱落在成形零件、模具零件工作型面上，毛刺在下一循环冲程的成形零件上产生压痕。压痕产生的条件有2个：①有毛刺产生；②毛刺脱落在成形零件或模具零件工作型面上。消除以上2个条件中任1个，可以有效减少压痕的产生。图3 二次切断
图4 分工序修边
毛刺主要是因废料刀刃口阶梯产生的，取消（减少）废料刀或消除废料刀的阶梯差可有效避免毛刺的产生。对于发动机罩外板，常用减少废料刀的方式有：分工序修边和采用二次切断。二次切断如图3所示，在发动机罩外板前风窗侧设置二次切断刀，使废料刀外移，消除了修边刃口复合切断刀产生的阶梯差，消除了毛刺。分工序修边如图4所示，标记为①的区域废料在同一工序去除，标记为②的区域废料在另一工序去除，即将沿周修边废料分段去除，消除或减少废料刀数量，从而消除修边刃口的台阶。图5 弹性废料切除机构
图6 粘性介质粘废屑
当受零件结构和工序数量限制无法采用分工序修边时，可采用弹性废料切除机构，如图5所示，设置浮动修边镶件消除修边镶件初始接触板料时存在的台阶，有效减少毛刺的产生。保证毛刺脱落在成形零件或模具零件工作型面以外的方式主要有2种：①采用压缩空气将废屑吹走；②在下模废料刀间隙处增加粘性介质（如黄油）防止废屑进入工作区，粘性介质粘废屑如图6所示。常见的发动机罩外板滑移线有2种：①凸模上特征线在板料下表面（非外观面）滑动产生的滑移线；②凹模凸棱在板料上表面（外观面）滑动产生的滑移线。一般由凹模产生的冲击痕在发动机罩外板较少出现，可以通过工艺补充或加大拉深筋阻力消除。无论凸模棱线还是凹模棱线产生的滑移，其根本原因是板料在成形过程中与棱线接触的区域在拉深过程中曲率变化过大，塑性硬化痕无法消除且与棱线有相对位移而产生。对于凸模棱线滑移，板料下表面与凸模棱线接触产生塑性变形，加工硬化区域在继续拉深过程中由于单元两侧拉力失衡导致板料硬化区与凸模棱线产生位移，滑移线随即产生，凸模棱线滑移如图7所示。凹模棱线滑移是因为凹模始终都相对板料进行运动，部分凸起的棱线划过板料表面，硬化痕与划痕同时产生形成滑移线，凹模棱线滑移如图8所示。图9 工艺台
图10 分模线变更
板料在模具内相对运动和变形硬化区位移是产生滑移线的根本原因，解决滑移线必须从降低板料棱线处加工硬化程度和减少板料在模具棱线处的相对运动两方面着手。降低棱线处加工硬化程度是指使板料在成形中接触棱线越晚越好，以达到延迟和减小硬化程度的目的，常用的方法有：①改变棱线相邻部位工艺补充区域的型面高度，使棱线接触板料时间发生变化，工艺台如图9所示；②改变分模线位置，变更方式如图10所示，使板料接触棱线时间发生变化。减少模具与板料在棱线处的相对运动，需要保持硬化区两侧的拉力均衡，减小因拉力失衡而导致的板料流动。为了保持棱线两侧的拉力均衡，需尽量保持棱线两侧板料的线长相近且棱线法向断面夹角被冲压方向等分，可有效减少滑移量。常用的方法有：①改变棱线两侧拉深筋的阻力，使棱线两侧材料流入的难易程度发生改变；②改变冲压方向，使棱线正向上且两侧弧度近似相等。从零件设计角度出发，滑移量相同，当棱线圆角半径越大且棱线断面夹角较大时，圆角区弧线变长，硬化区越过圆角切线的可能减小，因此加大棱线圆角半径和断面夹角可有效避免滑移线的产生。研究表明残余应力释放是冲压件回弹的根本原因，板料加载变形是复杂的过程，板料内部不同区域受大小、方向不同的拉压应力，各单元节点处于复杂的应力应变状态。当成形结束外力去除后，板料内部产生的弯曲应力与弹性恢复应力迅速释放，产生回弹。相同的零件受到相同的外力状态，由于材料的屈服强度、杨氏模量不同，回弹量也不相同，要消除回弹必须使零件在外力卸载前消除其内部残余应力。对于冲压工艺，复杂的变形过程必然导致内部残余应力的产生。因此，解决因回弹导致的尺寸偏差需从以下两方面着手：①优化工艺方案以降低冲压件内部的残余应力；②通过补偿让回弹后的零件尺寸满足功能要求。对于既定的发动机罩外板造型、外形尺寸、材料厚度，能进行优化的仅有工艺补充和压力成形状态。研究表明，对于弯曲叠加拉深类复合变形，增加材料拉伸可有效减少零件回弹。因此增加零件的变形量、增大减薄率、应变量可使回弹量减小。通过优化工艺补充增大零件变形量，如图11所示，常用方法有7种：①采用方形筋，减少材料流入，增大零件变形量；②减小凹模口圆角，加大凹模口对板料摩擦，使零件变形阻力加大；③加大侧壁拔模角度，有利于在零件成形过程中均匀变形；④加大凸模圆角，有利于降低板料局部压力和内部板料向外流动；⑤加大拉深深度，有利于增大零件的材料延伸率，加大板料减薄率；⑥追加2级台阶，增大零件的延伸率；⑦增加工艺台，增大零件的延伸率。以上方法可根据零件的不同结构特征组合运用。回弹补偿即前期对可能出现的零件回弹进行反向形状修正。根据发动机罩外板的工艺特点，方法①：全工序模拟完成后利用最终工序的零件回弹量反向补偿拉深工序；方法②：针对实际冲压结果进行逆向扫描得出零件实际回弹值，根据回弹值在模具零件上进行补偿，可有效减少回弹补偿整改次数，在补偿过程中应考虑翻边扁平化的影响。翻边扁平化是发动机罩外板常见和较难解决的缺陷，属于回弹的一种，主要由翻边面内部拉、压应力释放，零件翻边面下边缘缩短或伸长导致的回弹。图12所示为板料受压面应力释放后面轮廓变化的趋势。发动机罩外板风窗侧翻边面内部存在拉应力，释放后曲率变大，其余三面翻边内部存在压应力，释放后曲率变小。由翻边扁平化导致的回弹尺寸最高可达10mm以上。翻边扁平化是翻边面受拉伸或压缩导致的回弹，无法完全消除，如图13所示。因此，只能通过改变材料拉伸和压缩状态以减少回弹量，常通过改变翻边次序的方式改变材料流动方向。发动机罩外板回弹过程复杂，各工序回弹具有较大差异，经过分析得到以下结论。（1）在工艺补充合理的前提下，拉深工序回弹量较小。（2）修边工序完成后，零件整体刚性较低，当支撑面较少且支撑点间距较大时，零件受重力影响较大，回弹量较大。增加支撑面积调整支撑点间距后，回弹量减小。（3）翻边后零件扁平化较严重，出现较大的回弹量，且变化主要集中在翻边区域附近，支撑对翻边边缘区域的回弹量影响较小。（4）夹紧位置对回弹有较大影响，增加夹紧程度可消除翻边扁平化造成的较大回弹量，需注意不当的夹紧部位会在局部产生较大的变形。导致发动机罩外板刚度不足原因有：①零件尺寸较大、顶面特征棱线少且形状较圆润、存在大面积平缓区域，该原因导致的刚度不足仅通过工艺增加零件拉深变形量无法解决，一般需要变更造型增加发动机罩内板的支撑涂胶区域或在外板内表面增加阻尼垫加以解决；②风窗区域工艺补充不良使发动机罩外板局部变形量较小而导致的刚性不足。由工艺补充不良导致的刚性不足常见的解决方法是增加工艺筋槽，如图14所示。在拉深件风窗区域工艺补充面增加反向凹槽，在槽的外侧增加工艺坎，通过增加断面线长的方式增大零件局部变形量。也可以对型面进行局部隆起处理，在一定程度上增加板料的延展性，增大零件刚性，减小塌陷发生的概率。▍原文作者：夏迎飞，夏成飞，陈会会
▍原文标题：发动机罩外板典型缺陷分析及对策研究
▍作者单位：鹤壁市全力模具制造有限公司
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