【MFC原创】汽车发动机盖外板滑移的影响因素及控制策略

针对发动机盖外板滑移问题这一典型滑移问题，分析了滑移的产生原因及其影响因素，包括滑移变形、滑移距离、滑移硬化、其他因素对滑移的影响，从控制滑移距离、减小接触应力、提高零件刚性等角度，探讨了控制发动机盖外板滑移的策略。

引言

01

发动机盖外板是小型客车最重要的外观件之一。很多车型的发动机盖外板都设计有两条造型棱线。这两条棱线对称布置，两条棱线之间没有特别的造型，棱线就是发动机盖造型的主要构成因素，它是整车造型风格和气质的重要影响因素之一。发动机盖外板外观品质的主要因素是变形和滑移。发动机盖外板的滑移是所有车身外板件中最难处理的滑移。发动机盖外板整个面都是 A面，两条主棱线对称，零件还要有足够的刚性，限制了很多控制滑移的对策的应用。在发动机盖外板的冲压工艺设计中，解决主棱线滑移是最重要的问题。尽管处理过很多类似问题，但面对不断出现的新设计，有时仍然感到非常棘手。为了提升解决发动机盖外板滑移问题的能力，笔者对过往处理和指导的发动机盖外板滑移案例 CAE 分析与实际效果进行了比对研究分析，分析滑移的影响因素及其影响大小，对控制策略进行探讨。

图 1. 发动机盖外板主棱线

滑移的产生原因及发动机盖外板主棱线的滑移

02

板料在流经模具型面棱线时，材料发生局部弯曲和反弯曲而产生局部变形，同时又因板料在流经模具棱线时棱线顶部对板料厚度方向的应力作用产生的局部硬化。这一变形叠加硬化的范围随着冲压过程中材料的流动而扩大，当移动到超出棱线圆角 R 的范围后，将形成一条可见线条。这就是滑移。材料的弯曲和反弯曲变形、接触硬化和局部拉延流动距离过大就是滑移的产生原因。当滑移距离超出 R 较小时，滑移较窄，变形不容易看出来，能看到的是硬化滑移线。当滑移距离变大时，变形区较大，如果滑移变形也较大，滑移区在视觉上除了能看到一条线，涂装喷漆后还能看到一条状变形区。滑移线严重影响着汽车外板件的外观品质。

图 2 所示就是主棱线发生了较大滑移的发动机盖外板的滑移线的正面。油石打磨后，可以看到一条清晰的线条。

图 2. 滑移线正面状态

图 3 是该件的背面滑移线图片，呈现出一条清晰的条状高亮带。

图 3. 滑移线背面状态

图 4 是该发动机盖外板滑移范围涂装喷漆后视觉上滑移是一条条状变形区。这就是发动机盖外板主棱线的滑移。

图 4 发动机盖外板主棱线的滑移状态

滑移的影响因素及其相互关系分析

03

前面说过滑移的原因是材料的弯曲和反弯曲变形、接触硬化和局部拉延流动距离过大，滑移的影响因素就是材料弯曲和反弯曲变形的程度、滑移的距离大小和材料硬化的程度。材料弯曲和反弯曲变形引起的板料形变程度通过反弯曲应变（unbendingstrain）来定义。棱线顶点越尖锐，曲率越大，弯曲和反弯曲变形的程度越大，反弯曲应变值越大，涂装后滑移越明显；发生滑移的距离越大，滑移区域范围就越大，滑移就明显；材料硬化越严重，滑移就越明显。

• 滑移变形对滑移的影响

发动机盖外板主棱线滑移的变形的程度在滑移距离不大的情况下，变形区域集中在一条不宽的线范围内，变形不明显，对滑移的影响不大。当滑移距离较大且材料流过主棱线的弯曲与反弯曲变形（反弯曲应变）较大时，零件变形才能从视觉上察觉。滑移变形随着滑移变形区的减小而减小，滑移变形区随着滑移距离的减小而减小，所以在滑移距离较小时，滑移变形一般都很小，可忽略。滑移变形程度跟造型的设计有关。造型决定着棱线的锐度与高度。棱线断面线的夹角 θ 越小， R 越小（图 5）

图 5. 锐度影响因素：夹角和 R

棱线越锐利，材料流过模具棱线的弯曲与反弯曲越剧烈，反弯曲应变越大，滑移的变形越大。发动机盖外板主棱线越高，材料流过模具棱线的弯曲与反弯曲范围越大，反弯曲应变也越大，滑移的变形越大。如果同时滑移距离也较大，滑移变形能看出，滑移就将越严重。

关于反弯曲应变的标准，一般认为＜0.008滑移变形就不容易看出来了。但实际我们发现在滑移距离超过 7 时如果反弯曲应变 0.003 ～ 0.004，滑移变形就会很明显。图 4 就是反弯曲应变0.003～0.004的滑移变形状态。

图 4 发动机盖外板主棱线的滑移状态

• 滑移距离对滑移的影响

滑移线是滑移超越棱线 R 范围形成的一条线，所以滑移距离越大，滑移越明显。滑移距离是滑移的最主要影响因素。滑移的距离决定于材料的流动控制和拉深的深度。拉延过程中材料的流动是不可避免的。主棱线区域的材料在拉延过程中流动的距离越大，滑移的距离越大，滑移越明显；主棱线区域的材料在拉延过程中流动的距离越小，滑移的距离越小，滑移越轻。

如果在发动机盖外板主棱线发生滑移的方向上给予材料补充流入，主棱线处材料的成形流动距离就能减小，滑移的距离就能减小；

如果减小材料的流入，滑移的距离就会增大。发动机盖外板拉深的深度越大，材料在拉深过程中流动的距离越大，滑移的距离越大，滑移越明显；

拉深的深度越小，材料在拉深过程中流动的距离越小，滑移的距离越小，滑移越轻。

有些外板件如翼子板、侧围等，能对棱线两侧材料流入进行控制和调整，就能控制滑移距离。但发动机盖外板主棱线是对称的，中间全为 A 面，没有办法对棱线两侧材料进行控制和调整，无法像其他外板件一样实现对滑移距离的控制。

• 滑移硬化对滑移的影响

滑移硬化越严重，材料流过主棱线形成的光亮带越明显。因此滑移硬化也是滑移的重要影响因素。滑移的硬化的程度决定于模具主棱线与板料的接触应力以及板料的材质，接触应力的大小取决于零件的造型即棱线的锐度、高度和拉深的力度。发动机盖外板主棱线断面线的夹角θ越小， R越小，棱线越锐利，材料流过模具棱线时受到的应力越大，硬化也越严重，滑移越严重。发动机盖外板主棱线越高，材料流过模具棱线受到的应力越大，硬化越严重，滑移也越严重。

拉深的力度取决于拉延的深度、压边的方式、压边的力度。发动机盖外板在拉延时压边越紧，材料锁的越死，拉深的力度越大，材料硬化越严重，滑移越明显；

压边越松，材料流入越多，拉深的力度越小，材料硬化越小，滑移越轻。在压边力一定的条件下，发动机盖外板拉延深度越大，拉深的力度越大，材料硬化越严重，滑移越明显；

拉延深度越小，拉深的力度越小，材料硬化越小，滑移越轻。

板料的材质对变形的硬化有影响，一般来说，偏硬的材质，滑移时发生的硬化会小些，滑移就会较轻；偏软的材质，滑移时发生的硬化就可能会大一些，滑移就较严重。但是一般来说工艺分析不允许改变板料材质。

• 其他因素对滑移的影响

除了上述因素，还有两个因素对发动机盖外板主棱线滑移有影响，一个是零件刚性，一个是板材厚度。工艺设计时，如果发动机盖外板的整体刚性较差，我们就不得不增大板料的拉延变形程度，来获得更高的变形硬化，提高零件的刚性。提高零件刚性通常需要更大的拉延深度或者拉延的力度即加大压边锁料力度，加大的拉延深度或者加大拉延的力度都将会加大主棱线滑移的距离，滑移变形区将会加大，滑移更加严重。我们也可以做一些工艺补充措施来增加A 面的材料变形程度，提高刚性，这样就可以减小为提高刚性而增大的滑移距离。实在不行，还可以考虑增大板材厚度。但是加大板材厚度会带来成本的增加。

• 滑移变形、滑移距离、滑移硬化与滑移关系

前面分析说过，滑移是滑移变形、滑移距离与滑移硬化共同影响的结果。当滑移的距离较大时，如果滑移变形较大，即使硬化不严重，滑移也会很明显。当滑移的变形较小时，如果硬化较严重，滑移也会很明显。

表 1 某车型与其他车型的发动机盖外板工艺对比分析

表 1 为某滑移异常车型发动机盖外板与其他车型的发动机盖外板的工艺分析对比。各车型使用材料完全相同。其中 B 车型发动机盖外板棱线 R8，棱线夹角 162°，棱线高度 19.8 ㎜，滑移区接触应力达到 15.7MPa，模具采用半圆筋的工艺设计，滑移距离 9.9 ㎜。某车型发动机盖外板棱线 R12，棱线夹角也是 162°，棱线高度 15 ㎜，采用方筋，接触应力仅有 7.6 MPa，不到 B 车型的一半，滑移距离 12.1 ㎜，较 B 车型稍大。某车型发动机盖外板接触应力远小于 B 车型接触应力，在板材材质相同的条件下，滑移发生的硬化必然会比 B 车型小，所以相较 B 车型滑移状态理应更好。但实际是某车型的滑移严重于 B 车型，B 车型完成车滑移不明显。这是因为某车型滑移硬化虽然不严重，但是滑移距离要大一些，滑移变形区更宽。所以某车型即使滑移硬化不严重，但变形较大，滑移距离较大，滑移看起来仍然会更严重。如果工艺分析中仅凭接触应力较小就认为某车型滑移不会严重，就会判断错误。一定要做到反弯曲应变、滑移距离和接触应力都控制在技术要求以内，才能确保滑移不明显。

控制发动机盖外板滑移的策略

04

上面分析了发动机盖外板滑移的影响因素。发动机盖外板的零件造型关系到整车的风格和气质，我们很难推动对造型设计的改变。要控制发动机盖外板的滑移，只能在工艺的范围内分析和制订对策。控制滑移，就是要控制滑移距离和接触应力。如果通过提高零件刚性以获得更多控制滑移距离和接触应力的空间，也可以控制滑移。如果这些对策仍然无法达成目标，采取拉延改变主棱线造型 + 后序对主棱线整形的对策，在条件允许的时候也可能达成目标。这就是控制滑移的对策。

• 控制滑移距离

滑移距离跟主棱线处材料在拉延中的移动距离有关。移动距离越大，滑移距离越大。零件造型（包括但不限于主棱线的造型）对移动距离有重要的影响，是主要的决定因素。在拉深力度一致的条件下，不同的发动机盖外板造型，滑移距离可能有很大差异。

零件造型事关车型风格，是不可能轻易改变的。控制滑移距离，只能控制材料流入量即控制拉延的力度，或者控制拉延深度，达到减小拉延时主棱线处材料的流动距离来实现。

控制材料流入补充的量，就要采用半圆筋，并控制好拉延筋的锁料力度，让发动机盖外板两侧的材料在拉延的时候能够流进去，从而减小主棱线附近材料在拉延过程中的流动距离。采用这个对策，侧边的进料往往非常敏感，要控制好有点难度。进料多了，刚性不足（图6）或起皱，进料少了，滑移距离无法达到目标，或者拉延开裂。

图 6. 零件刚性不足

这时候需要降低两侧进料的锁料敏感性，方法是采用双筋或在三筋（图 7），适当减小筋间距并分配好各筋的锁料力度。

图 7. 侧边采用 3 条筋降低进料控制的敏感性

也可以采用 S 型筋（图 8）来控制，降低侧边进料对拉延筋的敏感度，避免开裂或者刚性不足。

图 8. S 型筋

要通过控制拉延过程中材料边缘逐次流过拉延筋，来达到阶梯控制材料流入的目的，实现延前期加大锁料力度减少材料流入以提高零件刚性，拉延后期减小锁料力度防止拉延开裂。刚性是必须优先确保的质量要求。如果出现了刚性不足，在无法通过其他对策提高刚性的情况下，必须控制两侧进料，或者加大拉延深度。如果滑移线仅出现在靠近车头一端，可以适当减小两侧材料流入而增加前大灯位置的材料流入来减小滑移。刚性对前大灯位置进料没有侧边进料那么敏感。

采用三筋或者 S 型筋我们在实际应用中都有成功的案例。S 型筋可用于模具已经做好且不能加大材料尺寸的条件下做对策。

要减小滑移距离，还可以通过控制拉延深度，尽可能将拉延深度降低来获得。但拉延深度过低又会影响零件刚性。如果切边必须采用侧冲切边，拉延深度过低还会影响到切边刀块的强度。拉延深度要兼顾滑移距离、刚性和切边模具的设计的技术要求来确定。要优先保证零件刚性。在刚性足够的条件下，拉延深度应尽量小一些。

• 控制接触应力

主棱线接触应力是板料在主棱线圆角处受到的法向应力。接触应力的大小取决于零件的造型即棱线的锐度、高度和拉深的力度。棱线越锐利，棱线高度越高，接触应力越大。拉深的力度越大，接触应力越大。要控制接触应力，一般不会考虑对零件的造型进行更改，即不改变棱线的锐度、高度。拉深的力度取就决于拉延的深度、压边的方式、压边的力度。通过减小拉延深度可以实现减小接触应力，但是减小拉延深度会降低零件刚性。采用材料可流入的压边的方式、减小压边的力度可以减小接触应力。但增大材料的流入，也会降低零件刚性。要在能优先保证零件刚性的前提下优化接触应力。

表 2 是不同主棱线造型与接触应力的分析对比。其中发动机盖外板 2和 1、3 比，2 更锐利，尽管 2 的材料流入量更大，2 的接触应力仍然比 1 和3 大很多。说明主棱线越锐利，接触应力越大。发动机盖外板 4 和 5 主棱线造型接近， 4 的材料流入量更大，即拉深力度较小，4 的接触应力比 5 小很多，说明拉深力度越小，接触应力越小。

表 2. 不同锐度、不同拉深力度与接触应力对比

• 利用工艺补充提高零件刚性

零件刚性影响着滑移距离和接触应力的对策力度。如果零件刚性较好，就有更多的对策空间减小滑移距离和降低接触应力。可以利用工艺补充，在不增加滑移距离和接触应力的前提下提高零件的刚性。如图 9，在发动机盖外板的前挡风玻璃侧的废料部分做一个凹槽，加大零件的材料变形程度，提高零件的刚性。

图 9. 发动机盖外板前挡风玻璃侧增加凹槽提高零件刚性

槽的大小、长度、深度的变化都可以改变零件的局部刚性。如果在车头侧 A 面刚性不足，可以在车头侧工艺补充部分增加一个台阶来提高材料的变形率，提高零件的刚性（图 10）。

图 10. 发动机盖外板车头侧增加台阶提高零件刚性

如果在前大灯附近零件刚性不足，也可以在前大灯位置的工艺补充部分加一个凸包来提高局部刚性（图 11）。

图 11. 发动机盖外板前大灯位置增加凸包提高零件局部刚性

在零件刚性足够的前提下，我们可以更多的加大拉延工序零件的侧边材料流入或者更多的减小拉延深度，来减小滑移距离，减小接触应力，消除拉延开裂，从而达成减小滑移的目标。

• 拉延改变主棱线造型 + 后序对主棱线整形

这个对策是指拉延工序将发动机盖外板主棱线的高度、锐度降下来，以降低拉延的主棱线滑移变形程度、同时获得更小的接触应力，将滑移控制在可接受范围。后工序对主棱线追加一次整形（二次拉延），将主棱线整至产品最终

的状态（图 12）。

图 12. 拉延改变主棱线造型 + 后序对主棱线整形的工艺方案

这个对策在理论上是可行的，整形不会造成滑移，但是如果工艺设计不好，整形可能带来新的变形，导致发动机盖外板的面品品质降低。这个对策在欧美车企的锐棱车外板件、锐棱翼子板的冲压上应用较多，在解决发动机盖外板滑移问题上也有成功的案例。

结束语

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在不改变主棱线造型不增加主棱线整形工序的前提下，仅仅靠降低接触应力控制滑移是比较难的，目前我们还没有成功的案例。但接触应力较小，滑移距离较大，滑移严重的案例倒是有一些，说明滑移距离对滑移的影响更大。控制滑移距离来控制滑移明显更容易、更可行一些。在处理滑移问题时，要将提高零件刚性与降低接触应力、减小滑移距离的对策结合起来，才能取得更好的效果。有些发动机盖造型，即使这几个方面的对策都做到极限，也未必能获得理想的滑移控制结果。