楊 月,趙 鋒,劉海東
(一汽奔騰轎車有限公司,吉林 長春 130012)
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),并對模具零件A面(A級曲面,既要滿足造型的特征要求,又要滿足工藝要求,對于沖模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。
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
1.2.1 工藝評審問題
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
制件造型工藝評審后,針對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,對各工序件進(jìn)行對應(yīng)位置測量,再根據(jù)變化進(jìn)行對比確認(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,各個工序都存在變化量,1、2、4、5左右對稱位置彈性回復(fù)偏差值逐漸變??;3、6左右對稱位置彈性回復(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,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?,根?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)對比 mm
由表2可以看出,圖10中所示左右側(cè)對稱的1、2、3號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。
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
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,針對拉深凸模A面對應(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,針對凸模A面對應(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),針對整形壓料型面對應(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
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)左右不對稱現(xiàn)象,需要對整形壓料型面進(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,針對整形件缺陷位置對應(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
保證模具凸模型面補(bǔ)償?shù)那疤嵯?,消除壓料型面?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)化至奧迪特評審C類項(xiàng)。
圖19 頂蓋外板天窗后角評審狀態(tài)
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,對參與成形的各工序模具凸模A面進(jìn)行增量補(bǔ)償,對整形工藝壓料進(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。