頂蓋外板全景天窗后角頂面彈性回復(fù)補(bǔ)償方法研究

楊 月，趙 鋒，劉海東

（一汽奔騰轎車有限公司，吉林 長春 130012）

0 引言

頂蓋外板天窗后角頂面彈性回復(fù)屬于工藝缺陷，彈性回復(fù)嚴(yán)重程度取決于制件造型的復(fù)雜程度。隨著國內(nèi)汽車多曲率的曲線造型設(shè)計(jì)不斷增加，特征角度變化更多，頂蓋外板天窗后角頂面彈性回復(fù)就越嚴(yán)重，導(dǎo)致成形的制件表面質(zhì)量降低，影響整車美觀度?，F(xiàn)基于CAE分析中量化顯示的應(yīng)力狀態(tài)及減薄狀態(tài)，進(jìn)而量化CAE分析中的彈性回復(fù)控制數(shù)據(jù)，判斷模具零件型面補(bǔ)償方法“過A面補(bǔ)償”的逐次補(bǔ)償數(shù)據(jù)，并對(duì)模具零件A面（A級(jí)曲面，既要滿足造型的特征要求，又要滿足工藝要求，對(duì)于沖模A面就是理論模具零件型面。）與工序件型面的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定增量補(bǔ)償值，通過合理的壓料控制、標(biāo)準(zhǔn)的研磨方法，可以有效控制頂蓋外板天窗后角頂面彈性回復(fù)問題。

1 頂蓋外板天窗后角頂面彈性回復(fù)問題

1.1 天窗后角頂面彈性回復(fù)的狀態(tài)

某車型頂蓋天窗后角區(qū)域存在頂面彈性回復(fù)，且左右側(cè)存在的問題及所在位置相近，如圖1橢圓處所示，屬于不可接受的缺陷。通過沖壓生產(chǎn)后進(jìn)行返修消除缺陷，成本高，必須對(duì)頂蓋外板天窗后角頂面彈性回復(fù)進(jìn)行分析及控制。

圖1 天窗后角頂面彈性回復(fù)位置

1.2 天窗后角頂面彈性回復(fù)問題分析

1.2.1 工藝評(píng)審問題

頂蓋頂面存在特征區(qū)域，區(qū)域型面特性為兩側(cè)主棱線突出，采用減低內(nèi)部相接型面的反成形造型設(shè)計(jì)，天窗口左右側(cè)特征區(qū)域成形寬度為89 mm。模擬分析結(jié)果顯示，頂蓋天窗后部存在主應(yīng)變不足的問題，產(chǎn)生原因是頂蓋外板局部特征深度過深，導(dǎo)致A面主應(yīng)變不足，如圖2所示。

圖2 頂蓋外板天窗口左右側(cè)特征區(qū)域

經(jīng)過工藝評(píng)審，將特征區(qū)域深度由原來的5 mm降低至3 mm以下，并且后部主棱線向內(nèi)120 mm范圍消除特征造型，如圖3所示，以此緩解天窗后部主應(yīng)變不足的問題。

圖3 頂蓋外板天窗口左右側(cè)特征造型修改

制件造型工藝評(píng)審后，針對(duì)性的修改引起缺陷問題的造型，模擬分析結(jié)果顯示，局部區(qū)域仍然存在主應(yīng)變不足，且仍有成形不均勻的現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 主應(yīng)變不足區(qū)域

1.2.2 模具零件特征區(qū)域分析

從拉深模的特征區(qū)域狀態(tài)分析，拉深模成形天窗后角區(qū)域型面必定導(dǎo)致該區(qū)域板料存在成形不充分的趨勢，彈性回復(fù)集中在天窗口圓角區(qū)域的正向成形與反向成形的交界處，如圖5所示，也是主應(yīng)變不足的交界區(qū)域。

圖5 成形頂蓋拉深模凸模特征區(qū)域狀態(tài)

從整形模的特征區(qū)域狀態(tài)分析，整形模成形天窗后角區(qū)域型面一定對(duì)該區(qū)域板料產(chǎn)生二次成形變化的影響，彈性回復(fù)集中在拉深件缺陷位置，如圖6所示，也是主應(yīng)變不足的交界區(qū)域。

圖6 成形頂蓋整形模凸模特征區(qū)域狀態(tài)

1.2.3 成形工藝分析

拉深模零件型面設(shè)計(jì)中，成形天窗后角頂部型面需要全面著色，如圖7所示。鑒于天窗后角存在主應(yīng)變不足現(xiàn)象，成形天窗后角區(qū)域型面需要進(jìn)行強(qiáng)壓，以緩解該區(qū)域板料存在成形不充分的趨勢。另外，在拉深模成形天窗后角的凸模型面研磨過程中，如果出現(xiàn)A面基準(zhǔn)型面不足以支撐模具零件內(nèi)表面狀態(tài)，板料在該區(qū)域拉深后頂面會(huì)向凸模型面基準(zhǔn)產(chǎn)生塌陷，導(dǎo)致該區(qū)域凸凹模型面完全合模校正拉深件形狀失效，天窗后角頂面成形不均勻。

圖7 成形頂蓋拉深模零件型面設(shè)計(jì)

沖孔修邊模零件型面設(shè)計(jì)中成形天窗后角頂部型面不需要全面著色，如圖8所示，以免引起拉深件天窗后角區(qū)域型面強(qiáng)行變形，影響天窗后角狀態(tài)的穩(wěn)定。

圖8 沖孔修邊模零件型面設(shè)計(jì)

整形模零件型面設(shè)計(jì)中成形天窗后角頂部型面需要全面著色，如圖9所示。鑒于天窗后角存在主應(yīng)變不足現(xiàn)象，成形天窗后角區(qū)域型面需要進(jìn)行強(qiáng)壓，以緩解該區(qū)域板料存在沖孔修邊后應(yīng)力釋放帶來的彈性回復(fù)。另外整形模成形天窗后角凸模型面研磨過程中如果出現(xiàn)A面基準(zhǔn)型面不足以支撐模具零件內(nèi)表面，板料在該區(qū)域整形后頂面會(huì)向凸模型面基準(zhǔn)產(chǎn)生塌陷，導(dǎo)致天窗后角頂面彈性回復(fù)狀態(tài)變化。

根據(jù)各個(gè)工序的模具零件型面分析，拉深模零件型面存在不均勻性，且凸、凹模完全合模狀態(tài)影響拉深件的成形狀態(tài)，后工序整形模同樣存在模具零件型面不均勻性，且壓料失控問題將對(duì)整形件彈性回復(fù)進(jìn)一步惡化。

圖9 整形模零件型面設(shè)計(jì)

1.2.4 工序件彈性回復(fù)狀態(tài)分析

為了更好地確定頂蓋天窗后角頂面數(shù)據(jù)的變化，對(duì)各工序件進(jìn)行對(duì)應(yīng)位置測量，再根據(jù)變化進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)，如圖10所示，確認(rèn)工序件數(shù)據(jù)偏差量，如表1所示，對(duì)比工序件變化趨勢。

圖10 頂蓋天窗后角區(qū)域測量位置

表1 頂蓋工序件天窗后角頂面偏差量測量數(shù)據(jù) mm

由表1數(shù)據(jù)可以看出，各個(gè)工序都存在變化量，1、2、4、5左右對(duì)稱位置彈性回復(fù)偏差值逐漸變?。?、6左右對(duì)稱位置彈性回復(fù)偏差值逐漸變大。通過該現(xiàn)象確定天窗整形模零件型面存在較大偏差，成形天窗口壓料型面失控；拉深工序中2和5、3和6左右對(duì)稱位置彈性回復(fù)偏差值達(dá)到0.04 mm，確定是拉深模成形天窗后角左右兩側(cè)型面存在A面基準(zhǔn)型面不足以支撐模具零件內(nèi)表面狀態(tài)且不對(duì)稱，強(qiáng)壓型面失效。

1.2.5 補(bǔ)償量分析

根據(jù)CAE分析中的主應(yīng)變變化及壁厚減薄數(shù)據(jù)與制件的變化進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)拉深工序和整形工序型面補(bǔ)償量。在拉深工序中補(bǔ)償減薄問題時(shí)，采用加深成形深度的方式，從經(jīng)驗(yàn)值可知，每增加減薄率0.5%，整體成形深度需要增加5 mm。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行減薄不合理位置的補(bǔ)償值計(jì)算，如圖11所示，對(duì)應(yīng)制件測量位置取棱線臨接點(diǎn)減薄數(shù)據(jù)①4.0%；②4.5%；③3.0%。為了保證減薄均勻性，以②號(hào)數(shù)據(jù)4.5%為基準(zhǔn)計(jì)算減薄率差值為①0.5%；②0；③1.5%，這些減薄率差值就是需要補(bǔ)償?shù)难由炻什钪担鶕?jù)延伸率公式δ=（L1-L）/L，①補(bǔ)償后的成形線長=（0.5%×89）+89=89.45 mm，③補(bǔ)償后的成形線長=（1.5%×89）+89=90.34 mm；根據(jù)線性形狀，兩端點(diǎn)連直線后計(jì)算原始線長近似圓上任意兩點(diǎn)間的直線距離A0=88.28 mm；再根據(jù)線性形狀，兩端點(diǎn)連直線后計(jì)算補(bǔ)償線長近似圓上任意兩點(diǎn)間的直線距離A1=88.76 mm，A3=89.64 mm。

同樣的計(jì)算方式應(yīng)用在整形模上，如圖12所示，對(duì)應(yīng)制件測量位置取棱線臨接點(diǎn)減薄數(shù)據(jù)①4.0%；②4.4%；③3.0%。為了保證減薄均勻性，以②號(hào)數(shù)據(jù)4.4%為基準(zhǔn)計(jì)算減薄率差值①0.4%；②0；③1.4%，這些減薄率差值就是需要補(bǔ)償?shù)难由炻什钪?，根?jù)延伸率公式①補(bǔ)償后的成形線長=（0.4%×89）+89=89.36 mm，③補(bǔ)償后的成形線長=（1.4%×89）+89=90.25 mm；根據(jù)線性形狀，兩端點(diǎn)連直線后計(jì)算原始線長近似圓上任意兩點(diǎn)間的直線距離B0=88.28 mm；再根據(jù)線性形狀，兩端點(diǎn)連直線后計(jì)算補(bǔ)償線長近似圓上任意兩點(diǎn)間的直線距離B1=88.69 mm，B3=89.50 mm。

由于拉深補(bǔ)償后的成形線長最深點(diǎn)垂直距離通過圓心，在CATIA進(jìn)行確認(rèn)的成形線長最深點(diǎn)垂直距離H（H1=1.232 mm；H3=1.257 mm），如圖13所示，得出原有成形線長最深點(diǎn)垂直距離H0=1.219 mm，H1-H0=0.013 mm；H3-H0=0.038 mm；理論補(bǔ)償量等于這些差值加上模具零件型面缺失量，對(duì)比工序件變化趨勢，如表2所示。

圖11 拉深CAE分析主應(yīng)變及減薄數(shù)據(jù)

圖12 整形CAE分析主應(yīng)變及減薄數(shù)據(jù)

由于整形補(bǔ)償后的成形線長最深點(diǎn)垂直距離通過圓心，在CATIA進(jìn)行確認(rèn)的成形線長最深點(diǎn)垂直距離H′（H′1=1.230 mm；H′3=1.253 mm），如圖14所示，得出原有成形線長最深點(diǎn)垂直距離H′0=1.219 mm，H′1-H′0=0.011 mm；H′3-H′0=0.034 mm；理論補(bǔ)償量等于這些差值加上模具零件型面缺失量，對(duì)比工序件變化趨勢，如表2所示。

圖13 拉深補(bǔ)償數(shù)據(jù)在CATIA中分析

圖14 整形補(bǔ)償數(shù)據(jù)在CATIA中分析

表2 工序件測量數(shù)據(jù)與理論補(bǔ)償數(shù)據(jù)對(duì)比 mm

由表2可以看出，圖10中所示左右側(cè)對(duì)稱的1、2、3號(hào)位置的模具零件型面補(bǔ)償量中，拉深模較少，整形模較多。根據(jù)減薄率補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)值與實(shí)際需要補(bǔ)償?shù)臏p薄差值對(duì)比，模具零件型面補(bǔ)償量需要均值的3倍補(bǔ)償量，才能達(dá)到理論補(bǔ)償狀態(tài)。鑒于拉深模零件型面平面度要求，以均值0.04×3=0.12 mm為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，取值0.1 mm；鑒于整形模零件型面有二次矯正的要求，以均值0.08×3=0.24 mm為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，取值0.2 mm，另外由于天窗口沖孔修邊后應(yīng)力釋放帶來二次彈性回復(fù)，進(jìn)行2倍補(bǔ)償量取0.4 mm。

2 方案實(shí)施及效果確認(rèn)

2.1 總體方案

通過分析，在頂蓋外板天窗沖壓成形過程中，拉深和整形工序?qū)μ齑昂蠼菑椥曰貜?fù)問題的產(chǎn)生有較大影響，需要對(duì)拉深和整形工序進(jìn)行工藝及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化。受制件造型和成形工藝的限制，通過工藝優(yōu)化改善成形制件的彈性回復(fù)不可取，只能從模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂蓋外板天窗后角彈性回復(fù)問題的改進(jìn)，具體方案如表3所示。

表3 實(shí)施方案

2.2 凸模過A面補(bǔ)償方法

過A面補(bǔ)償是車身外覆蓋件表面質(zhì)量提升的有效方法，過A面補(bǔ)償方法的主要工作過程為：①模具零件型面檢測；②缺陷位置增量補(bǔ)償；③修正研模，具體過程如圖15所示。拉深模中，確認(rèn)位置1的缺陷狀態(tài)后，針對(duì)拉深凸模A面對(duì)應(yīng)的2位置進(jìn)行過A面補(bǔ)償，修正后得到拉深凸模型面3，通過凹模對(duì)應(yīng)位置4到底著色研磨，穩(wěn)定并減緩拉深件缺陷狀態(tài)。整形模中，位置5確認(rèn)缺陷狀態(tài)后，針對(duì)凸模A面對(duì)應(yīng)的位置6進(jìn)行過A面補(bǔ)償，修正后得到凸模型面7，通過壓料型面著色確認(rèn)，針對(duì)整形壓料型面對(duì)應(yīng)的位置8進(jìn)行過A面補(bǔ)償，修正后得到翻邊整形壓料型面9，通過對(duì)壓料型面著色研磨，減緩或消除缺陷。

圖15 凸模過A面補(bǔ)償方法

2.3 實(shí)施情況

過A面補(bǔ)償一般從拉深開始，然后進(jìn)行整形模零件型面補(bǔ)償。頂蓋外板造型平緩，并且此頂蓋天窗拉深預(yù)成形后會(huì)出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，采用倒工序的過A面補(bǔ)償，即先進(jìn)行整形模零件型面補(bǔ)償，再進(jìn)行拉深模零件型面補(bǔ)償。

2.3.1 整形凸模型面過A面補(bǔ)償

整形凸模A面左右側(cè)采用精密冷焊進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償前對(duì)凸模型面進(jìn)行測量，確認(rèn)補(bǔ)償位置與范圍，并采用分析得出的補(bǔ)償量進(jìn)行階段的增量補(bǔ)償、修研及工序件確認(rèn)，如圖16和表4所示，工序件左右側(cè)凹坑狀態(tài)一致，油石打磨局部有虛線。

圖16 整形模型面補(bǔ)償及整形工序件狀態(tài)

表4 整形后天窗后角頂面補(bǔ)償量測量數(shù)據(jù) mm

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可以確認(rèn)缺陷最深區(qū)域集中在圓角區(qū)域，通過拉深模零件型面可以進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3.2 拉深凸模型面過A面補(bǔ)償

拉深凸模A面左右側(cè)采用精密冷焊進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)凸模型面進(jìn)行測量，確認(rèn)補(bǔ)償位置5范圍及補(bǔ)償量后，進(jìn)行階段的增量補(bǔ)償、修整、研磨及工序件確認(rèn)，如圖17和表5所示，工序件左右側(cè)凹坑狀態(tài)一致，油石打磨有虛線。

圖17 拉深模型面補(bǔ)償及整形工序件狀態(tài)

表5 整形后天窗后角頂面補(bǔ)償量測量數(shù)據(jù) mm

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可以確認(rèn)缺陷最深區(qū)域出現(xiàn)左右不對(duì)稱現(xiàn)象，需要對(duì)整形壓料型面進(jìn)行可控研磨。

2.3.3 整形壓料型面研磨控制

整形模壓料進(jìn)行可控研磨，針對(duì)整形件缺陷位置對(duì)應(yīng)的壓料型面進(jìn)行著色確認(rèn)，如圖18和表6所示，成形件左右側(cè)凹坑狀態(tài)一致，油石打磨無虛線。

圖18 整形模壓料研磨及整形工序件狀態(tài)

表6 整形后天窗后角頂面補(bǔ)償量測量數(shù)據(jù) mm

2.4 效果驗(yàn)證

保證模具凸模型面補(bǔ)償?shù)那疤嵯拢龎毫闲兔鎻?qiáng)壓不實(shí)的影響，優(yōu)化拉深、整形模凸模A面狀態(tài)，通過可控的整形壓料，以批量生產(chǎn)穩(wěn)定性驗(yàn)證效果。頂蓋天窗后角區(qū)域的模具零件型面在實(shí)施過A面補(bǔ)償后，對(duì)成形件進(jìn)行表面打磨，如圖19所示，缺陷已優(yōu)化至奧迪特評(píng)審C類項(xiàng)。

圖19 頂蓋外板天窗后角評(píng)審狀態(tài)

3 結(jié)束語

制件造型的復(fù)雜程度、工藝設(shè)計(jì)的合理性以及模具調(diào)試過程的不規(guī)范都會(huì)導(dǎo)致成形頂蓋天窗后角頂面出現(xiàn)彈性回復(fù)問題。為了解決此類問題，以CAE分析中的合理補(bǔ)償量確定模具零件型面的補(bǔ)償量，在確保成形制件特性區(qū)域復(fù)雜程度對(duì)內(nèi)部成形主應(yīng)變影響最小，保證拉深凸凹模型面到底的前提下，采用過A面補(bǔ)償方法，對(duì)參與成形的各工序模具凸模A面進(jìn)行增量補(bǔ)償，對(duì)整形工藝壓料進(jìn)行可控補(bǔ)償，控制了頂蓋天窗后角頂面彈性回復(fù)問題。