汽車(chē)一體式門(mén)環(huán)精度提升

蘇燁琳 王小海 陳善飛 李武君 童浩

摘要：汽車(chē)一體式熱成型門(mén)環(huán)具有輕量化、強(qiáng)度高、碰撞性能好等優(yōu)點(diǎn)，但由于零件體積大，定位復(fù)雜，模具狀態(tài)匹配難度大，從而導(dǎo)致一體式門(mén)環(huán)成型精度差，局部易變形，控制難度大，難以達(dá)到生產(chǎn)所需制造精度的要求，目前國(guó)內(nèi)自主品牌車(chē)型尚無(wú)量產(chǎn)門(mén)環(huán)。通過(guò)某款新車(chē)型研發(fā)試制，對(duì)汽車(chē)一體式門(mén)環(huán)尺寸精度提升進(jìn)行了系統(tǒng)研究，采用迭代回彈補(bǔ)償模具型面、調(diào)試模具保壓間隙、門(mén)環(huán)定位基準(zhǔn)優(yōu)化和鉸鏈安裝面公差偏置等尺寸精度控制措施，并分別在試制階段和預(yù)量產(chǎn)階段用門(mén)環(huán)檢具檢測(cè)了6臺(tái)樣品。結(jié)果表明，采用精度控制措施后，門(mén)環(huán)總體制造精度合格率從試制階段的87.75%提升至預(yù)量產(chǎn)階段的95.90%。

關(guān)鍵詞：一體式門(mén)環(huán);尺寸精度;熱成型;精度控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.85文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0269-04

Accuracy Improment of Automotive Integrated Door Ring

SuYelin，Wang Xiaohai，Chen Shanfei，Li Wujun，Tong Hao

（GAC Research&Development Center Co.， Ltd.， Guangzhou 511434， China）

Abstract： The hot forming integraled door ring has unique advantages on weight reduction， strength improvement and excellent capability of crash. While it is difficult to control the dimensional accuracy and likely to deform in part because of large in size， complicated location and difficultmatchingofthemould. Forthemomentintegrateddoorringhasn′ tbeenusedbyanydomesticautomobilecompany. Dimensional accuracy of automotive integrated door ring was researched systematically by a new car model development， including iterative springback compensation of the moulding surface， adjustion of the mould holding clearance， optimization of the door ring locating datum and tolerance offset of the hinge fixing surfaces. Six samples were tested with door ring inspection tools in the trial production stage and pre mass production stage. The results show that after the precision control measures are adopted， the overall manufacturing precision qualification rate of the door ring is increased from 87.75% in the trial production stage to 95.90% in the pre mass production stage.

Key words： intergrated door ring; dimensional accuracy; hot forming; accuracy control

0 引言

熱成型零件具有精度高、成型質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用在汽車(chē) A 柱、B 柱、門(mén)檻等結(jié)構(gòu)件中[1-3]。汽車(chē)一體式門(mén)環(huán)是將激光拼焊板應(yīng)用在側(cè)圍前部熱成型件中，形成 A 柱加強(qiáng)板、上邊梁加強(qiáng)板、B 柱加強(qiáng)板、門(mén)檻加強(qiáng)板一體成型的熱成型門(mén)環(huán)技術(shù)[4-5]。一體式門(mén)環(huán)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：提高了整體的剛度，可以保證良好的能量傳遞和抗碰撞性能[6];簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程和后期焊接的工序，降低工廠(chǎng)焊接設(shè)備、檢具和人力投入;可以選擇不同材料、不同料厚的板料進(jìn)行激光拼焊，整體減重達(dá)20%左右[7]，同時(shí)具有最佳的材料利用率[8]，零件數(shù)量減少19%，焊點(diǎn)數(shù)量減少49%，生產(chǎn)時(shí)間縮短21%[9]。對(duì)應(yīng)的，門(mén)環(huán)對(duì)板料的技術(shù)和熱成型模具也要求較高，前期的研發(fā)投入和單件成本也較高。由于一體式門(mén)環(huán)零件大，熱成型后極易發(fā)生回彈和翹曲變形。目前生產(chǎn)的熱沖壓激光拼焊板中，絕大部分使用鋁硅涂層的鋼材，涂層具有防腐蝕和防氧化的作用，但涂層中含有的鋁會(huì)削弱焊縫，導(dǎo)致零件失效。熱成型鋼材料采用不帶涂層的裸板一方面可以降低成本，另一方面可以避免激光拼焊開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。但由于在一般的氣氛加熱爐內(nèi)存在大量氧氣，若采用無(wú)涂層鋼板，在加熱過(guò)程中容易產(chǎn)生氧化皮，需要進(jìn)行拋丸，而拋丸易變形，極大地影響了門(mén)環(huán)的尺寸精度[10]。

本文在充分評(píng)估兩種板材的優(yōu)劣后，采用帶有硅鋁涂層熱成型鋼材進(jìn)行汽車(chē)一體式門(mén)環(huán)的試研，集新材料、新技術(shù)、新工藝、新供應(yīng)商等“四新”為一體。本文在研發(fā)某款新能源車(chē)型時(shí)采用了一體式門(mén)環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)該車(chē)型的試制研發(fā)對(duì)一體式門(mén)環(huán)尺寸精度進(jìn)行研究，采用多種精度控制策略對(duì)一體式門(mén)環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，提升一體式門(mén)環(huán)的尺寸精度，合格率滿(mǎn)足量產(chǎn)要求，對(duì)汽車(chē)一體式門(mén)環(huán)的開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 門(mén)環(huán)尺寸精度測(cè)量

通過(guò)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用門(mén)環(huán)測(cè)量檢具，對(duì)鐳射后的門(mén)環(huán)進(jìn)行精度合格率測(cè)量，采用間隙塞尺、百分表等工具測(cè)量門(mén)環(huán)在檢具上型面檢測(cè)點(diǎn)與檢具之間的間隙，得到門(mén)環(huán)各個(gè)型面的制造偏差。

在試制階段（下文簡(jiǎn)稱(chēng)ET 階段）測(cè)量了6臺(tái)份門(mén)環(huán)精度合格率數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。由表可知，ET 階段門(mén)環(huán)總體合格率較低且波動(dòng)較大，由于門(mén)環(huán)是車(chē)身側(cè)圍重要的加強(qiáng)件，其精度低會(huì)導(dǎo)致焊裝總裝作業(yè)困難、與側(cè)圍搭接間隙過(guò)大或過(guò)小、甚至導(dǎo)致車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，影響整車(chē)安全性能與外觀(guān)質(zhì)量。因此采用精度控制優(yōu)化措施，提升門(mén)環(huán)精度是一體式門(mén)環(huán)量產(chǎn)應(yīng)用亟需解決的課題。

2 門(mén)環(huán)精度控制優(yōu)化措施

CAE可以用于產(chǎn)品性能分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品未來(lái)的工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，可以及早發(fā)現(xiàn)涉及缺陷，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中能夠起到縮短設(shè)計(jì)分析的循環(huán)周期、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、降低設(shè)計(jì)成本等作用[11]。通過(guò) CAE 分析與試制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合，在新車(chē)型預(yù)量產(chǎn)階段（下文簡(jiǎn)稱(chēng) PT 階段）對(duì)一體式門(mén)環(huán)采取了迭代回彈補(bǔ)償模具型面、調(diào)試模具保壓間隙、門(mén)環(huán)基準(zhǔn)優(yōu)化和鉸鏈面安裝面公差偏置等精度優(yōu)化控制措施來(lái)提升一體式門(mén)環(huán)的尺寸精度。

2.1 多次迭代回彈補(bǔ)償模具型面

由于一體式門(mén)環(huán)體積大，成型過(guò)程中容易出現(xiàn)減薄率增大、局部起皺疊料以及沖壓回彈翹曲的現(xiàn)象， CAE 模擬表明，局部增大圓角和增設(shè)吸皺包或臺(tái)階的方式可以有效解決起皺疊料現(xiàn)象[12]。同時(shí)，設(shè)計(jì)多個(gè)壓料塊來(lái)控制材料成型過(guò)程中的流動(dòng)，設(shè)置不同的行程保證放料穩(wěn)定性以及過(guò)程可控。試制樣件測(cè)量表明門(mén)環(huán) CAE仿真回彈值與實(shí)際檢測(cè)值存在差異，通過(guò)多次迭代回彈補(bǔ)償分析，并結(jié)合實(shí)際測(cè)量值優(yōu)化補(bǔ)償模具型面，對(duì)型面進(jìn)行重新補(bǔ)償，減少?zèng)_壓回彈和翹曲。

2.2 反復(fù)調(diào)試模具保壓間隙

分別采用0.15 mm和0 mm的保壓間隙進(jìn)行 CAE回彈計(jì)算，發(fā)現(xiàn)不同模具保壓間隙會(huì)導(dǎo)致模具成形后回彈差別較大。通過(guò)對(duì)模具型面進(jìn)行重新研配，現(xiàn)場(chǎng)采用刷藍(lán)丹提高模具的研合率，藍(lán)丹著色率90%以上;保壓間隙偏差控制在±0.05 mm以?xún)?nèi)，并根據(jù)板料成型減薄率調(diào)整實(shí)際間隙。

2.3 檢具夾具基準(zhǔn)優(yōu)化

門(mén)環(huán) ET 階段圖紙上設(shè)計(jì)基準(zhǔn)共有21個(gè)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證基準(zhǔn)數(shù)量偏多，且焊接夾具與門(mén)環(huán)檢具定位設(shè)計(jì)不一致，導(dǎo)致誤差累計(jì)，不利于精度提升。ET 階段夾具采用凹模焊接，但檢具采用凸模檢測(cè)，焊接與檢測(cè)擺放姿態(tài)不一致，也導(dǎo)致了誤差累計(jì)，不利于精度解析和偏差排查?；诖?，PT 階段門(mén)環(huán)圖紙上將基準(zhǔn)調(diào)整至14個(gè)，檢具上門(mén)環(huán)基準(zhǔn)位置、數(shù)量與夾具保持一致，同時(shí)檢具與夾具都采用凹模放置零件，減少由于客觀(guān)原因造成的過(guò)程誤差。

2.4 鉸鏈安裝面公差偏置

車(chē)門(mén)鉸鏈安裝面是車(chē)身最重要的安裝面之一，若鉸鏈安裝面不平整、平面度波動(dòng)大，容易造成車(chē)門(mén)整體外觀(guān)間隙面差不均、感知質(zhì)量差。為了保證門(mén)環(huán)鉸鏈安裝面與側(cè)圍外板鉸鏈安裝面的貼合，在 ET 階段及 PT 階段將門(mén)環(huán)零件的4個(gè)鉸鏈安裝面公差分別往車(chē)外偏置0.5 mm ，提高車(chē)門(mén)鉸鏈安裝面的精度。

3 門(mén)環(huán)精度研究

在 PT 階段對(duì)門(mén)環(huán)的精度進(jìn)行了一系列的管控，在門(mén)環(huán)專(zhuān)用檢具上測(cè)量了6臺(tái)份門(mén)環(huán)精度合格率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì) PT 階段一體式門(mén)環(huán)鐳射后的制造誤差，總體合格率如表2所示。由表可知，鐳射后 ET 階段門(mén)環(huán)測(cè)點(diǎn)合格率87.75%，通過(guò)迭代回彈補(bǔ)償模具型面、調(diào)試模具保壓間隙、門(mén)環(huán)定位基準(zhǔn)優(yōu)化和鉸鏈安裝面公差偏置等尺寸精度控制措施，將 PT 階段門(mén)環(huán)測(cè)點(diǎn)合格率提升至95.90%，合格率提升明顯且穩(wěn)定性，證明上述精度控制措施對(duì)于提升一體式門(mén)環(huán)尺寸精度具有良好作用。

圖1所示為門(mén)環(huán)加強(qiáng)板部分型面檢測(cè)點(diǎn)。分別在ET 階段與PT階段統(tǒng)計(jì)6臺(tái)份門(mén)環(huán)樣品在圖1中檢測(cè)點(diǎn)的誤差平均值進(jìn)行對(duì)比，如圖2～4所示.

從圖2可以看出門(mén)環(huán)測(cè)點(diǎn)圖1中，檢測(cè)點(diǎn)1～30在 ET 階段鐳射后誤差較大，特別是在檢測(cè)點(diǎn)22～30處，最大誤差達(dá)到2 mm ，即在熱成型過(guò)程中門(mén)環(huán)上邊梁尾端發(fā)生了回彈和翹曲變形。采用多次迭代回彈補(bǔ)償，對(duì)該回彈補(bǔ)償區(qū)域進(jìn)行最大0.7 mm的補(bǔ)償;經(jīng)過(guò) CAE仿真分析發(fā)現(xiàn)，保壓間隙0.15 mm時(shí)，門(mén)環(huán)上邊梁尾端區(qū)域回彈計(jì)算量達(dá)到2.58 mm ，當(dāng)保壓間隙減小到0 mm時(shí)，回彈計(jì)算量降低到1.62 mm ，說(shuō)明保壓間隙是導(dǎo)致門(mén)環(huán)成型后回彈翹曲的要因之一。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)對(duì)模具型面重新研配，多次調(diào)試模具保壓間隙。通過(guò)精度控制措施優(yōu)化后檢測(cè)結(jié)果表明，PT 階段門(mén)環(huán)制造誤差明顯減小，尾端不再發(fā)生翹曲變形，穩(wěn)定性顯著提升。

從圖3～4可以看出門(mén)環(huán)測(cè)點(diǎn)圖1中，檢測(cè)點(diǎn)49～57處誤差較大，最大誤差達(dá)到2 mm ，在熱成型過(guò)程中門(mén)環(huán)下門(mén)檻尾端發(fā)生了回彈和翹曲變形。采用多次迭代回彈補(bǔ)償，對(duì)該回彈補(bǔ)償區(qū)域進(jìn)行最大0.55 mm 的補(bǔ)償; CAE仿真分析發(fā)現(xiàn)，保壓間隙0.15 mm時(shí)，門(mén)環(huán)下門(mén)檻尾端區(qū)域回彈計(jì)算量達(dá)到2.14 mm ，當(dāng)保壓間隙減小到0 mm時(shí)，回彈計(jì)算量降低到0.91 mm 。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)對(duì)模具型面重新研配，多次調(diào)試模具保壓間隙。結(jié)果表明， PT 階段誤差明顯減小，總體穩(wěn)定性顯著提升。

圖5所示為門(mén)環(huán)門(mén)洞區(qū)域以及車(chē)門(mén)鉸鏈區(qū)域部分檢測(cè)點(diǎn)，分別在 ET 階段與 PT 階段統(tǒng)計(jì)6臺(tái)份門(mén)環(huán)樣品在圖5中檢測(cè)點(diǎn)的誤差平均值進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。由圖可知，門(mén)洞區(qū)域區(qū)域尺寸精度在 PT 階段得到提升，最大誤差從0.9 mm 減小到0.43 mm;且誤差曲線(xiàn)波動(dòng)變小， PT 階段相比 ET 階段門(mén)環(huán)精度穩(wěn)定性較好。一方面對(duì)門(mén)環(huán)基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，取消 ET 階段7個(gè)多余基準(zhǔn)點(diǎn)，優(yōu)化基準(zhǔn)布置位置，另一方面使門(mén)環(huán)檢具、夾具基準(zhǔn)及擺放姿態(tài)保持一致，可以有效地降低累計(jì)誤差。

圖5中門(mén)環(huán)車(chē)門(mén)鉸鏈區(qū)域檢測(cè)點(diǎn)在 ET 階段與 PT 階段制造誤差對(duì)比如圖7所示。由圖可知，通過(guò)鉸鏈面公差往車(chē)外偏置，可以將門(mén)環(huán)鉸鏈面誤差絕對(duì)值控制在0.5 mm以?xún)?nèi)，保證與車(chē)身鉸鏈安裝面的貼合，達(dá)到量產(chǎn)精度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)某款新車(chē)型的研發(fā)試制，對(duì)汽車(chē)一體式門(mén)環(huán)精度提升進(jìn)行研究，通過(guò) CAE 分析和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合，采用了多種精度控制策略，并分別在試制階段和預(yù)量產(chǎn)階段用門(mén)環(huán)檢具檢測(cè)了6臺(tái)份精度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，采用精度控制措施后，門(mén)環(huán)總體制造精度合格率從試制階段的87.75%提升至預(yù)量產(chǎn)階段的95.90%，精度穩(wěn)定性大幅提高，達(dá)到量產(chǎn)精度合格率要求。研究表明，多次迭代回彈補(bǔ)償模具型面、反復(fù)調(diào)試模具保壓間隙、門(mén)環(huán)檢具及門(mén)環(huán)夾具基準(zhǔn)優(yōu)化、鉸鏈安裝面公差偏置等措施對(duì)一體式門(mén)環(huán)精度具有明顯的提升作用。本文的研究有效解決了汽車(chē)一體式門(mén)環(huán)精度差、穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，為后續(xù)車(chē)型采用一體式門(mén)環(huán)設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

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第一作者簡(jiǎn)介：蘇燁琳（1993-），男，廣東潮州人，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)槠?chē)尺寸工程，已發(fā)表論文2篇。

（編輯：王智圣）