汽车工艺与材料

芯金结构	插入力 /N·(100 mm)^-1	拔出力 /N·(100 mm)^-1	夹持力 /N·(100 mm)^-1
断面a	6.0	158.4	10.05
断面b	6.0	153.3	10.03
断面c	6.0	152.8	10.03
断面d	6.2	162.9	10.05
相对偏差率/%	3.33	6.61	0.21

芯金结构	插入力 /N·(100 mm)^-1	拔出力 /N·(100 mm)^-1	夹持力 /N·(100 mm)^-1
断面a	6.0	158.4	10.05
断面b	6.0	153.3	10.03
断面c	6.0	152.8	10.03
断面d	6.2	162.9	10.05
相对偏差率/%	3.33	6.61	0.21

车门外水切芯金结构分析及缺陷问题解决

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陈秀岭 , 王晓云

汽车工艺与材料 | 生产现场 2024,(10): 60-65

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汽车工艺与材料 | 生产现场 2024, (10): 60-65

车门外水切芯金结构分析及缺陷问题解决

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陈秀岭, 王晓云

作者信息

秦皇岛威卡威汽车零部件有限公司，秦皇岛 066000

陈秀岭（1979—），男，硕士学位，工程师，研究方向为零部件结构设计及成形工艺。

Structure Analysis and Defect Solution of Metal Insert for Outer Belt Weather-Strip of the Door

Xiuling Chen, Xiaoyun Wang

Affiliations

Qinhuangdao WKW Automotive Parts Co., Ltd., Qinhuangdao 066000

出版时间: 2024-10-20 doi: 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240061

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摘要

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为保证汽车车门外水切的尺寸精度，减少挤出生产缺陷并保证水切安装后的稳定性，芯金的形状及成形精度尤为重要。对一类不对称芯金断面辊压成形工艺进行研究，使用计算机辅助工程（CAE）对断面结构进行仿真分析，在确保不影响性能的情况下，对芯金结构型式和现有辊压工装结构进行优化，解决了一类非对称断面产品生产中的窜料缺陷和碾料问题，并以此为依据完成了多套辊压工装开发，有效提高了汽车零部件的生产品质。

关键词

车门外水切 / 芯金 / 结构优化 / 辊压成形

Abstract

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In order to ensure the dimensional accuracy of the outer belt weather-strip, reduce the extrusion production defects and ensure the stability of the outer belt weather-strip installation on the door, the shape of the metal insert and the forming accuracy are particularly important. In this paper, the roll forming process of a kind of asymmetric metal insert section is studied, the cross-section structure is simulated and analyzed by CAE method, and the metal insert structure is optimized and the structure of the existing roll-forming tooling is optimized without affecting the performance, thus solving the defects of material crossing and grinding in the production of a kind of asymmetric section products. Based on this, multiple sets of roll-forming tooling are developed, which effectively improves the production quality of auto parts.

Key words

Outer belt weather-strips / Metal insert / Structure optimization / Roll forming

引用本文

陈秀岭, 王晓云. 车门外水切芯金结构分析及缺陷问题解决. 汽车工艺与材料, 2024 , (10) : 60 -65 . DOI: 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240061

Xiuling Chen, Xiaoyun Wang. Structure Analysis and Defect Solution of Metal Insert for Outer Belt Weather-Strip of the Door[J]. Automobile Technology & Material, 2024 , (10) : 60 -65 . DOI: 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240061

正文

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1 前言

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汽车车门的外水切和内水切通过卡子固定或直接压入车门门板，与车门处的玻璃配合，保证玻璃平稳升降运行的同时起到车门装饰、防水、防尘、密封、减震、隔音以及玻璃导向的作用^[1-2]。车门水切结构及产品尺寸的精度直接影响整车造型美观性、密封性能以及噪声舒适度。

水切卡接在车门钣金上的部分称为水切骨架，一般为金属芯金与三元乙丙橡胶（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）、聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）或热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomer，TPE）共挤出成型，通过水切骨架唇边与玻璃挤压压缩变形形成密封，在密封唇边上进行植绒处理以减小运动过程中的摩擦阻力^[3]。水切要与车门钣金扣合，故其对强度要求很高，单纯依靠EPDM、PVC或TPE无法形成较大的结合力，因此，在其中嵌入金属芯金加强水切骨架，以保证水切的稳定性。

一般的金属芯金材质为钢或铝合金，为满足汽车轻量化需求，水切大多使用铝合金等轻质材料的金属芯金^[4]。

某断面不对称性较强的骨架铝合金芯金，在生产过程中出现了材料在辊轮中横向滑动的问题，导致断面长短边窜料严重，并出现碾边和掉铝屑现象，芯金断面进入挤出口模时出现刮边缺陷，影响了生产的稳定性和效率。

本文对此类不对称水切铝合金芯金的断面结构进行分析，在保证水切稳定性和牢固度的前提下，优化断面结构。芯金断面成形工艺方面，优化现有辊压工装孔型设计，解决生产缺陷问题。继而从产品结构设计和工艺开发方面总结经验，解决断面不对称性较强芯金断面的生产问题，避免缺陷产生，提高生产效率。

2 产品断面结构分析及设计

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如图1a所示为某轿车车门外水切密封条，安装在车门窗外侧的车门钣金上。图1b为产品断面状态示意。

为便于生产安装，水切结构一般需满足每100 mm长度安装所需的插入力不高于50 N，以确保安装效率；为保持水切装配在车门钣金上的牢固度和稳定性，避免水切在使用中松动或脱落，水切一般通过两端端盖固定结构、其自身结构中所带的芯金和夹持位置的弹性结构（夹持齿）固定，需满足每100 mm长度从钣金上拔出所需的力不低于100 N。

水切橡胶骨架类产品加工工艺流程为：芯金断面成形、骨架复合挤出、硫化、冷却、涂胶、植绒、固化、后成形、定尺切断、端头冲切、注塑端头端盖^[5]。

一般的水切产品断面结构中，水切金属芯金对称性较好，2条立边长度相差不大，差值不超过5 mm，如图1b所示。此类产品在生产过程中的尺寸稳定性较好。

如图2所示，某车型A产品断面长短边设计高度差为8 mm，实际成形后长立边长度偏差约为0.7 mm，存在较大偏差及生产缺陷。

由于某新车型B的车门钣金结构变化，水切芯金两立边长度差达到12.4 mm，图3所示为该车型的水切数据初始结构和芯金的部分尺寸。为降低工艺开发的难度和缺陷概率，需要分析断面结构，设计合理的断面型式。该车型要求水切每100 mm长度插入力不高于60 N，每100 mm长度拔出力不低于80 N。

从成形工艺设计考虑，原设计断面中部为圆弧段，在成形过程中材料在上下辊轮间的夹持稳定性较低，因此，考虑在中部区域添加直线段，以利于产品成形工艺设计。

骨架与钣金匹配接触区域结构型式保持不变，考虑设计4种不同的产品芯金结构，主要区别为骨架芯金中间区域是否带有直线段结构，芯金短边是否带折边结构。如图4所示：a型为初始结构，芯金中间区域为弧段，短边无折边结构；b型芯金中间区域为直线段，短边无折边结构；c型芯金中间区域为直线段，短边有折边结构；d型芯金中间区域为弧线，短边有折边结构。

在此基础上设计出4种不同的水切密封条断面结构用以进行对比分析，如图5所示。

虽然水切芯金为线弹性材料，但水切橡胶骨架夹持部位的材料主要为硬胶和软胶，该材料具有大变形、高弹性和高延展率的特性；在较小应力作用下可产生大变形，具有典型几何非线性特征；在大应变状态下，应力应变关系呈非线性，属于材料非线性^[6]。为验证芯金结构对水切插入力、拔出力和夹持力的影响，得到较为理想的仿真结果，本文运用非线性有限元分析软件Abaqus CAE进行分析研究。

3 产品断面结构模拟分析

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本文以车型B断面a型为例进行模拟分析。所分析外水切密封条产品材料由邵氏硬度 A 80±5 EPDM硬胶、邵氏硬度 A 60±5 EPDM软胶、芯金材料5754H44和装饰条Al6060组成。按照平面应变问题进行建模和计算^[7-8]。选用CPE4H四节点线性平面应变四边形单元进行分析^[9]。夹持部位的夹持齿与钣金间有相对滑动，利用罚函模型精确描述切向行为，利用硬接触模型描述法向行为^[10-11]。

导入断面数据，建立零件几何模型，如图6所示。

仿真结果表明：水切骨架与车门钣金装配时，外侧上夹持齿与钣金接触时插入力达到最大；水切骨架从车门钣金上拔出，右侧下夹持齿与钣金接触时拔出力达到最大；水切骨架安装到位时，夹持力达到最大值。图7所示为以上3个位置的应力状态。

表1为4种水切橡胶骨架断面每100 mm长度插拔力和夹持力的计算结果。4种芯金结构的插入力、拔出力、夹持力和相对偏差率均满足车型要求。

参照仿真结果，在保持水切骨架与钣金匹配结构不变的情况下，对芯金结构进行调整，保持骨架稳定性的力值结果均在可接受范围内，故可在此范围内对芯金结构进行调整，以满足成形工艺要求。

4 芯金成形工艺设计及工装开发

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芯金产品为复合挤出型材前工序零件，为避免芯金材料与挤出模具发生剐蹭，后工序复合挤出工艺对此类芯金尺寸的公差要求为±0.2 mm。此类芯金采用辊压成形工艺（Roll-Forming）成形。

辊压成形工艺开发的基本步骤为：建立成形断面、设定展开基准平面、计算板宽、设计辊花展开图、建立各道次轴线、变形模拟分析材料流动、配辊设计、拆图加工、装配调试^[12-13]。

对现有产品缺陷产生的原因进行分析发现，在成形工艺设计时，设定中间体素作为展开基准平面。由于零件的不对称性较大，而弯曲方向为同侧成形，零件成形基准两侧材料分布不均且差异较大，零件成形时两立边受辊轮压力和摩擦力不均匀，长边受力大，短边受力小，导致材料向受力较大一侧滑动，成形基准面无法保持稳定，易出现成形断面向长边窜料的情况。

为避免此缺陷，在成形过程中需尽量保证零件基准面成形的稳定，考虑在芯金中间基准成形区域对直段进行反向弯曲变形，增加反向变形筋，利用上下辊轮的阶梯咬合增大夹紧力，压紧材料，阻止材料在成形辊中的横向滑动。该车型要求不允许对芯金有较大改动，故该车型芯金选用b型断面进行开发。

根据复合挤出型材断面成形工艺要求，需展开零件2边作为预成形断面，展开角度为5°，如图8a所示。芯金材料为5754H44铝合金，表面附着涂层，以提高与橡胶材料的附着力。

根据圆角半径及成形角度，设定中性层系数，计算料宽，使用定长变径法设计，根据经验进行角度分配，设计辊花图如图8b所示。成形基准面设定在中部直线段处，根据成形角度分析及双边展开角，共设计7组断面成形道次，1组校直道次。

结合生产线结构，选择使用35轴辊压预成型机，道次间距为260 mm。利用COPRA RF软件的DTM模块对各道次成形参数进行变形模拟，结果如图9a所示，最大纵向应变如图9b所示，各道次最大纵向应变值均未超过材料的应变极限，满足成形要求^[14-15]。

按此成形工艺参数对各道次配辊，进行辊轮设计。上下轴速比为1∶1，初始辊轮基准直径设计为112 mm，每道次前滑量设计为1 mm。图10a所示为设计完成的辊轮三维结构，图10b为加工完成的辊压工装。

对辊压工装进行调试，断面成形形状如图10c所示，长边偏差不高于0.2 mm，相比现有芯金产品（图2中产品的长边偏差约为0.7 mm）有大幅改善。可以满足后工序生产需求，但在生产过程中仍有少量铝屑出现，如图10d所示。

5 产品成形工艺调整及产品结构优化

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对上述铝屑产生原因进行分析，产品中部成形基准区域有长度为1.35 mm的直段，但直段长度尺寸仍偏小，虽可在辊轮中设计反向弯曲进行材料受力补偿，但不能设计过大反向弯曲角，若变形程度过大需增加成形道次数，提高辊压工装开发成本。因此，在短边处增加折边，平衡材料受力。选用图4c所示的断面进行工艺优化，修改后断面及预成形展开断面如图11a所示，预成形断面辊花设计如图11b所示，工艺设计仍为7组断面成形道次，1组校直道次，不增加辊轮组数。原辊压工装部分辊轮进行修改加工。

辊轮修改后进行成形调试，图12为10倍投影放大图，断面整体公差尺寸均在±0.10 mm范围内，完全符合要求。辊压过程中碾出铝屑问题完全消除。

6 现有产品缺陷问题解决

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为解决现有产品缺陷，结合以上开发经验，本文对现有车型A的芯金断面成形工艺进行优化。由于此产品为量产车型，产品结构无法调整，故针对成形工艺进行优化。

图2所示的产品长短立边长度差为8 mm，调整其成形工艺，在中部直线段区域增加反向弯曲筋，修改后断面及预成形展开断面如图13a所示，辊花设计如图13b所示，工艺设计仍为7组断面成形道次，1组校直道次，不增加辊轮组数。原辊压工装部分辊轮进行修改加工。

成形工艺优化后的产品断面10倍投影如图13c所示，断面尺寸已在±0.15 mm公差带内，缺陷消除。

7 新产品开发应用

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结合以上产品开发经验和现有产品问题解决方法，在产品结构设计阶段时，对不对称芯金断面提出工艺优化建议。如车型C芯金断面中部区域为弧段，短边有折边结构，预成形断面和辊花设计如图14a所示；车型D芯金中部区域为直线段，短边有折边结构，预成形断面和辊花设计如图14b所示。

产品开发完成后的断面10倍放大投影如图15所示，断面整体公差尺寸均在±0.1 mm范围内，完全符合要求，且均无碾边和铝屑缺陷。

8 结束语

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本文针对芯金立边长度相差较大、不对称性较强的车门外水切结构，运用非线性有限元分析软件对不同型式芯金进行分析对比，从产品断面结构和成形工艺2个方面进行研究，解决了生产过程中原材料在辊轮中横向偏移、碾边和掉铝屑缺陷，并运用到新产品开发中，有效提高了汽车零部件的生产品质。经生产实践证明，完全满足此类产品批量生产要求。

总结以上开发经验，针对芯金立边长度差异较大，断面不对称性较强的产品，在产品结构设计阶段，需尽可能在短边增加小折边，以利于断面成形时平衡受力。而对于受断面宽度所限无法增加小折边的零件，在芯金断面中部设计直线段以利于成形工艺开发，同时降低缺陷发生概率。

参考文献

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文献

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2024年第卷第10期

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doi: 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240061

首发时间：2025-12-03
出版时间：2024-10-20

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秦皇岛威卡威汽车零部件有限公司，秦皇岛 066000

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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