喬曉勇, 陽學(xué), 王麗珠, 霍會榮, 魯開菊
(上汽通用五菱汽車股份有限公司, 廣西 柳州 545007)
近年來,隨著消費升級和技術(shù)升級的不斷迭代,每年都有幾百款新車型上市,各車企為了緊跟市場,新車型開發(fā)周期從傳統(tǒng)的兩年半逐步壓縮在一年之內(nèi),且對整車感知質(zhì)量要求逐年提升。這就對汽車覆蓋件的質(zhì)量和沖模的開發(fā)周期提出越來越高的要求,短周期、高質(zhì)量已經(jīng)是汽車覆蓋件模具開發(fā)必須面對的難題[1]。
側(cè)圍外板是汽車車身重要且尺寸較大的零件之一,其匹配關(guān)系復(fù)雜,涉及零件較多,與翼子板、前后門總成、尾門總成以及后保險杠尾燈等搭接區(qū)域全部為DTS(dimension technical specifications ,尺寸技術(shù)規(guī)范)感知質(zhì)量的關(guān)鍵控制區(qū)域。同時側(cè)圍外板由于尺寸大、成形深度深、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、斜楔成形區(qū)域多,造成其成形過程復(fù)雜,易出現(xiàn)成形缺陷和尺寸精度波動問題[2]。若在模具開發(fā)階段不能保證側(cè)圍零件的尺寸質(zhì)量和穩(wěn)定性,則后期模具量產(chǎn)以及整車質(zhì)量提升都較困難。如何在模具開發(fā)階段控制側(cè)圍外板的尺寸精度,是體現(xiàn)企業(yè)汽車模具開發(fā)能力的關(guān)鍵指標(biāo)之一。
DFSS(design for six sigma,六西格瑪設(shè)計)是以事實為基礎(chǔ),以數(shù)據(jù)為驅(qū)動,以減少變異和浪費為目標(biāo)的一套系統(tǒng)方法論,其核心是通過數(shù)據(jù)分析問題的癥結(jié)以及通過數(shù)據(jù)驗證問題的整改效果。此方法論與實際工作相結(jié)合,同時有大量的專業(yè)流程、方法和數(shù)據(jù)分析工具供學(xué)習(xí)與使用,直擊問題根源?,F(xiàn)以某車型側(cè)圍外板為例,通過Autoform軟件模擬沖壓工藝穩(wěn)健性和回彈補償分析,基于DFSS理論分析影響側(cè)圍外板尺寸精度的關(guān)鍵因素,建立了基于數(shù)據(jù)分析的回彈補償策略并通過分析軟件測試,最終通過實際零件模具開發(fā)驗證此控制方法的有效性。
魚骨圖分析法是DFSS的有效工具之一[3],即在魚骨圖的基礎(chǔ)上利用因果關(guān)系分析問題的“原因”,或根據(jù)結(jié)果分析可能存在的“原因”,是一種有效的確定問題潛在失效原因的分析方法。圖1所示為側(cè)圍外板尺寸控制的魚骨圖分析,從人、機、料、法、環(huán)、測6個維度分析影響側(cè)圍尺寸精度的原因。
圖1 側(cè)圍尺寸控制魚骨圖分析
人員的技能水平和模具維護保養(yǎng)水平對量產(chǎn)的模具影響較大,但是在模具開發(fā)階段不作為關(guān)鍵因素考慮。側(cè)圍外板大部分都在機械壓力機上生產(chǎn),模具結(jié)構(gòu)強度在主機廠和模具廠的雙重設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下能滿足強度要求。側(cè)圍外板一般采用軟板,即BUFD材料(等同于DC06),厚度為0.65~0.8 mm,如圖2所示,根據(jù)BUFD材料性能參數(shù)分析(3 000個樣本),其性能主要參數(shù)滿足正態(tài)分布,穩(wěn)定性較好,且集中度較高,平均接近6個σ水平。不同于超高強度鋼板回彈機理有新的YU模型[4],軟板的研究重點集中在工藝的穩(wěn)定性[5]和回彈控制方法[6]方面。在大量測試數(shù)據(jù)的支撐下,現(xiàn)有的材料模型采用真實測試的硬化曲線和成形極限曲線以及Hill模型的屈服準(zhǔn)則,能滿足軟板的回彈仿真精度要求。因此側(cè)圍外板尺寸精度影響因素主要集中在成形工藝、成形穩(wěn)定性和回彈補償策略3個方面,核心在于回彈補償策略的制定。
圖2 BUFD材料性能參數(shù)分析
沖壓成形工藝是保證側(cè)圍零件成形質(zhì)量的關(guān)鍵,也是避免側(cè)圍零件開裂、起皺、劃傷、面畸變等成形缺陷的關(guān)鍵因素[7]。沖壓成形穩(wěn)定性是量產(chǎn)穩(wěn)定性的控制指標(biāo),是保證量產(chǎn)成形裕度的評價指標(biāo)。良好的成形工藝和穩(wěn)定性需要技術(shù)實力和經(jīng)驗積累支撐,同時需要在零件設(shè)計過程中開展同步工程技術(shù)支持,是進(jìn)行回彈補償策略的基礎(chǔ)。現(xiàn)以某側(cè)圍外板為例研究其尺寸關(guān)鍵控制的方法,如圖3所示,材料為BUFDE+Z,厚度為0.65 mm,成形性分析滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。側(cè)圍外板成形深度為230 mm,門檻區(qū)域帶有外露面和負(fù)角度較深的結(jié)構(gòu),尾部帶有后保險杠下護板、大面積尾燈和尾蓋匹配搭接邊界,成形和回彈控制難度較大,具有代表性。
圖3 某側(cè)圍外板數(shù)據(jù)FLD分析
側(cè)圍外板由于其尺寸較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)搭接面較多,一般不會采用全型面補償,而是采用區(qū)域補償方式,主要分為主型面(一般為工藝頂面區(qū)域)回彈補償和結(jié)構(gòu)面回彈補償,其中外觀面區(qū)域回彈補償包含在主型面回彈補償中。
側(cè)圍外板主型面回彈補償?shù)碾y點是如何劃分最優(yōu)的回彈補償區(qū)域并分別給出補償量,在研究總結(jié)多個側(cè)圍外板回彈補償?shù)慕?jīng)驗基礎(chǔ)上設(shè)定了圖4所示的主型面回彈補償方案,從原始數(shù)據(jù)回彈仿真到最后的回彈補償范圍和補償量的確認(rèn),建立了一套有效的方法。此方案首先需要在側(cè)圍外板滿足成形性標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行回彈仿真分析,結(jié)果如圖5所示。在夾緊狀態(tài)下,頂部A面(外觀面)區(qū)域、尾燈區(qū)域以及后輪轂等區(qū)域都出現(xiàn)了不合格的區(qū)域,以前按照分析結(jié)果直接進(jìn)行主型面回彈補償,效果都不理想,需重新加工。主要因為這是夾緊之后的零件回彈結(jié)果,大部分基準(zhǔn)點夾持力較大,且在僅支撐條件下側(cè)圍前后門密封膠條處基準(zhǔn)點離空較大。由于這些基準(zhǔn)點相鄰結(jié)構(gòu)面強度大于臨近A面強度,夾緊之后A面區(qū)域被帶變形,不能真實反應(yīng)側(cè)圍零件實際的回彈狀態(tài)。
圖4 側(cè)圍外板主型面回彈補償方案
圖5 側(cè)圍原始數(shù)據(jù)夾緊狀態(tài)下回彈結(jié)果
針對側(cè)圍的回彈補償目前主流的做法是MCC(最少夾持)和FCC(全夾持)綜合評判的方法[8],但是對側(cè)圍外板這類有大量基準(zhǔn)點的零件,如何選擇最少夾持點較困難。從側(cè)圍分總成焊接工藝和關(guān)鍵零件特性要求出發(fā),以側(cè)圍外板門洞密封膠條面上基準(zhǔn)點為基礎(chǔ),加上尾部成形最穩(wěn)定點處(圖5 CH2孔(模具檢查孔)處附近)基準(zhǔn)點組成最優(yōu)基準(zhǔn)點。優(yōu)先對最優(yōu)基準(zhǔn)點進(jìn)行回彈補償,保證基準(zhǔn)點支撐狀態(tài)下的懸空滿足0.2 mm以下,夾緊力控制在10 N以下的標(biāo)準(zhǔn)要求。此時最優(yōu)基準(zhǔn)在支撐和夾緊條件下,零件的回彈基本不變(邊界變化在0.2 mm以內(nèi)),零件狀態(tài)最穩(wěn)定,能夠鎖定主型面補償區(qū)域。最優(yōu)基準(zhǔn)補償后,側(cè)圍夾持狀態(tài)下回彈結(jié)果同原始數(shù)據(jù)回彈結(jié)果有差異,且容易劃分6處主型面補償區(qū)域,如圖6方框所示。
圖6 最優(yōu)基準(zhǔn)補償后側(cè)圍回彈結(jié)果和補償區(qū)域劃分
回彈補償區(qū)域劃分后需要根據(jù)區(qū)域的回彈值和回彈變化確認(rèn)主型面的回彈補償量。補償系數(shù)在行業(yè)內(nèi)目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),但是補償原則為在滿足尺寸要求的情況下保證最小的補償量。根據(jù)DFSS數(shù)據(jù)處理方法,設(shè)定基于數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)差的補償值確認(rèn)方法,即以原始補償回彈t0值為參考,通過調(diào)整不同的補償量后,區(qū)域內(nèi)不同位置的回彈值和回彈變化差值來確認(rèn)最優(yōu)的補償量Tb。此時的回彈量t滿足均值和標(biāo)準(zhǔn)差都趨近于0,如式(1)所示。
式(2)中ti為補償區(qū)域斷面補償后的回彈值,為補償后區(qū)域各個斷面的回彈量均值,斷面的數(shù)量與補償區(qū)域的大小和特征有關(guān)。如果同一區(qū)域回彈變化趨勢不一致,或者相鄰回彈補償區(qū)域距離比較近,為了保證回彈補償后A面過渡的一致性,需整合2個或多個區(qū)域,這樣區(qū)域回彈補償就會出現(xiàn)2個或多個Tb的集合。
以圖6中A柱區(qū)域回彈補償為例,此區(qū)域的回彈趨勢一致,只要確認(rèn)1個Tb就可以。對A柱回彈補償區(qū)域設(shè)計5個斷面,根據(jù)不同的補償結(jié)果分析其回彈值和差異,如圖7所示。從圖7可以看出,按照最優(yōu)基準(zhǔn)體系劃分的補償區(qū)域邊界A2~E2在不同補償量下回彈都在公差范圍,說明通過最優(yōu)基準(zhǔn)劃分的補償區(qū)域較準(zhǔn)確。從A1~E1的變化可以看出,直接補償有較好效果,雖然按照1:1的補償(補償量1.3 mm)后回彈滿足公差要求,但是按照1.0 mm的補償回彈量也在公差內(nèi),各個斷面點的均值和標(biāo)準(zhǔn)差更小,因此最優(yōu)補償量確定為Tb=1.0 mm。
圖7 A柱區(qū)域基于數(shù)據(jù)分析的斷面補償量回彈結(jié)果
側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)面的回彈補償以前是參考經(jīng)驗庫,采用等截面補償方法,其優(yōu)點是補償數(shù)據(jù)確認(rèn)方便,缺點是補償效果差,一次補償較難到位,需要大量的返工。關(guān)于側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)面回彈補償,建議在主型面補償達(dá)標(biāo)的情況下,鎖定補償區(qū)域外邊界,通過Autoform軟件帶有回彈補償模塊對結(jié)構(gòu)法蘭區(qū)域進(jìn)行自動回彈補償。然后將CAE軟件生成的回彈補償面導(dǎo)入到CAD軟件,分析補償數(shù)據(jù)并重構(gòu)補償結(jié)構(gòu)面,以此結(jié)構(gòu)面再次進(jìn)行回彈補償分析。最后根據(jù)分析結(jié)果對補償面進(jìn)行局部優(yōu)化確認(rèn),以此作為最后的加工補償數(shù)據(jù),如圖8所示。
圖8 側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)面回彈補償確認(rèn)方案
側(cè)圍外板大部分結(jié)構(gòu)面按照此方案都可以取得較好的回彈補償效果,但是有些局部的結(jié)構(gòu),尤其是斜楔成形面需要參考經(jīng)驗進(jìn)行偏差補償。如圖9所示,以側(cè)圍A柱與玻璃搭接區(qū)域法蘭補償為例,主型面和結(jié)構(gòu)面補償后回彈分析值接近原始零件,尺寸達(dá)標(biāo),在此情況下最后的回彈補償方案仍然對此處法蘭邊界增加0.5 mm(兩側(cè)過渡區(qū)為220 mm),回彈后分析值在+0.5 mm左右。這是由于第3工序采用雙層斜楔結(jié)構(gòu)成形,如果此區(qū)域按照名義值進(jìn)行補償,最后如果產(chǎn)生負(fù)偏差將無法通過降刻加工(不焊接,墊鑲塊降低型面加工)來更改,只能通過補焊加工整改,而整形滑車補焊容易變形,變形后的下基準(zhǔn)滑車需要報廢處理,增加了整改成本和開發(fā)周期。
圖9 側(cè)圍外板A柱結(jié)構(gòu)面最終回彈補償方案
側(cè)圍外板主型面和結(jié)構(gòu)面的回彈補償量確認(rèn)后,需要完成回彈補償NC數(shù)據(jù)的制作,包括A面的變形和結(jié)構(gòu)面的重構(gòu)。A面變形需要保證斑馬紋、高斯檢查和連續(xù)性斷面檢查3個方面與原有零件數(shù)據(jù)保持一致[9],結(jié)構(gòu)面的重構(gòu)必須滿足拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致性原則,除此之外回彈NC數(shù)據(jù)還必須注意以下2點。
(1)A面回彈NC數(shù)據(jù)設(shè)計必須考慮A面的分塊和棱線的分布趨勢,避免對有棱線的區(qū)域產(chǎn)生回彈變形,尤其是多條棱線的匯集面區(qū)域,此處的回彈補償難以保證面的質(zhì)量和棱線趨勢的一致性,多條棱線區(qū)域的回彈盡可能通過優(yōu)化工藝來控制。側(cè)圍外板回彈控制方法中外板的A面質(zhì)量重要性始終大于尺寸質(zhì)量,在兩者無法同時滿足情況下,要優(yōu)先保證A面制造質(zhì)量。
(2)回彈補償后的數(shù)據(jù)必須再次進(jìn)行CAE分析驗證,驗證過程中必須考慮零件符型(在下工序模具中定位是否穩(wěn)定)問題。因為回彈補償中工序件采用不同的補償型面,同時零件膨脹和不同工序的回彈容易造成工序件出現(xiàn)符型問題。圖10所示為門口整形區(qū)域因拉深膨脹及回彈,拉深件局部立壁與第3工序下模干涉,工序件必須做局部符型處理,符型是模具穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)之一,不合理的符型導(dǎo)致面品和尺寸波動,整改也增加鉗工的工作量。
圖10 側(cè)圍拉深件第二工序符型偏差
按照上述的側(cè)圍補償策略和NC數(shù)據(jù)確定方法,該側(cè)圍外板在最終的夾持回彈后CAE合格率達(dá)到95%,如圖11所示。調(diào)試第一次出件合格率88%(近3年平均合格率78%),其中型面合格率90%,關(guān)鍵搭接區(qū)域邊界100%合格,證明了主型面補償策略的成功。型面尺寸提升主要集中在回彈控制區(qū)域中的局部結(jié)構(gòu)面,如圖12橢圓處所示。由于采用了偏差補償量的方式,6處結(jié)構(gòu)法蘭更改全部采用下?;鶞?zhǔn)加工和上模補焊加工的方式,避免了下基準(zhǔn)滑車的補焊變形問題。通過對比可以發(fā)現(xiàn),回彈仿真結(jié)果和實際零件結(jié)果有一定的差異,這是由于軟件算法誤差影響,目前軟件仿真都是建立在理想的參數(shù)條件下,對于圖1中影響側(cè)圍外板尺寸精度的許多因素,現(xiàn)有仿真軟件無法有效實現(xiàn)模擬,如較大的斜楔整形區(qū)域?qū)δ>呓Y(jié)構(gòu)的偏載受力變形影響以及由于系統(tǒng)性的強度問題導(dǎo)致的零件尺寸偏差等問題。實際的出件結(jié)果是仿真軟件誤差和各種噪音綜合作用的結(jié)果,但是通過穩(wěn)定的工藝設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化的仿真設(shè)置以及大量的回彈結(jié)果對比數(shù)據(jù)庫就可以將這種結(jié)果限制在可控范圍內(nèi),也就控制了側(cè)圍外板尺寸回彈。該側(cè)圍外板經(jīng)過一輪整改后合格率達(dá)到97%,如圖13所示。
圖11 側(cè)圍外板最終補償后分析結(jié)果
圖12 側(cè)圍外板型面更改區(qū)域
圖13 側(cè)圍外板一次整改后合格率
概述了側(cè)圍外板回彈控制的難點,運用DFSS理論分析了影響側(cè)圍尺寸控制的影響因素,指出回彈補償策略是影響側(cè)圍外板回彈控制方法的關(guān)鍵因素。在總結(jié)大量實際側(cè)圍外板模具開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,提出了一種側(cè)圍外板尺寸回彈控制方法,主要包括:側(cè)圍主型面和結(jié)構(gòu)面區(qū)分的回彈補償策略、基于數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)差分析的回彈補償量確定方法、基于經(jīng)驗庫的偏差補償量確認(rèn)方法、側(cè)圍回彈補償NC數(shù)據(jù)確定方法,并驗證其有效性。