沖壓件扭轉(zhuǎn)與回彈問(wèn)題研究與測(cè)量方法

方階平，王永濤，劉攀，田浩

（北京奔馳汽車有限公司，北京 102600）

1 沖壓件正?？己藴y(cè)量介紹

三坐標(biāo)支具是用于固定沖壓零件的標(biāo)準(zhǔn)支架，支具的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有很高的精度要求（主控方向公差為+/-0.05，非主控方向公差為+/-0.2）[1]，其具有對(duì)零件RPS點(diǎn)（reference point system）和輔助支撐點(diǎn)的支撐與調(diào)整功能。支具通過(guò)固定零件上的RPS點(diǎn)，保證零件與數(shù)模設(shè)計(jì)狀態(tài)保持一致，并通過(guò)調(diào)節(jié)輔助支撐點(diǎn)，使零件消除一些微小應(yīng)力對(duì)沖壓?jiǎn)渭绊?，因?yàn)?，一定范圍?nèi)的扭轉(zhuǎn)與回彈雖然體現(xiàn)在沖壓?jiǎn)渭希强梢酝ㄟ^(guò)裝焊工藝和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件的安裝來(lái)消除掉這些應(yīng)力，這個(gè)范圍可以通過(guò)支具夾頭的夾緊力來(lái)評(píng)估，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)設(shè)定30N為極限夾緊力（鋼板材）[2]，當(dāng)夾緊力大于30N時(shí)，我們認(rèn)為沖壓?jiǎn)渭巫兂^(guò)調(diào)整范圍，需要進(jìn)行打開(kāi)夾頭的特殊測(cè)量，并優(yōu)化模具，當(dāng)夾緊力小于30N，我們認(rèn)為沖壓?jiǎn)渭梢赃M(jìn)行正常考核測(cè)量，需要注意的是，正?？己藴y(cè)量時(shí)還需要對(duì)每個(gè)夾緊點(diǎn)的夾緊距離進(jìn)行測(cè)量，防止一些結(jié)構(gòu)形變較大但夾緊力合格的特殊情況。

零件的測(cè)量可以選擇“支具坐標(biāo)系”與“零件坐標(biāo)系”。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明兩種坐標(biāo)系測(cè)量結(jié)果差異不大?！爸Ь咦鴺?biāo)系”是通過(guò)支具上標(biāo)準(zhǔn)定位孔或標(biāo)準(zhǔn)定位球，確定支具在測(cè)量機(jī)空間中的X/Y/Z的位置[3]，然后將零件固定在支具上進(jìn)行評(píng)價(jià)。“零件坐標(biāo)系”是先將零件固定在支具上，再通過(guò)零件上選取的特定RPS點(diǎn)或孔，確定零件在測(cè)量機(jī)空間中的X/Y/Z的位置[3]，然后對(duì)零件進(jìn)行評(píng)價(jià)。

每一次使用“支具坐標(biāo)系”測(cè)量前，都需要對(duì)支具進(jìn)行標(biāo)定，將零件固定在支具上后，需要將所有RPS點(diǎn)手動(dòng)調(diào)整至+/-0.1mm公差范圍內(nèi)，然后再進(jìn)行測(cè)量。

使用“零件坐標(biāo)系”測(cè)量時(shí)，只有在首次測(cè)量時(shí)需要標(biāo)定支具（之后定期半年標(biāo)定一次即可），將零件固定在支具上后，軟件通過(guò)零件上前六個(gè)RPS點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)系建立，軟件將計(jì)算擬合將前六個(gè)RPS點(diǎn)調(diào)整至+/-0.1mm公差范圍內(nèi)（3-2-1建系法[4]），然后依次手動(dòng)調(diào)整其它RPS點(diǎn)至+/-0.1mm公差范圍內(nèi)，這樣保證了零件狀態(tài)與數(shù)模狀態(tài)保持一致，可以進(jìn)行考核測(cè)量監(jiān)控。

正?？己藴y(cè)量方法適用于零件狀態(tài)穩(wěn)定，且零件變形量較小時(shí)使用，對(duì)壓零件的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控及評(píng)價(jià)。但是在項(xiàng)目初期，全夾緊的狀態(tài)下測(cè)量可能掩蓋零件本身的缺陷。例如，行李箱內(nèi)板沖壓件（如圖1），正常測(cè)量時(shí)，難以發(fā)現(xiàn)零件的回彈變形與扭轉(zhuǎn)變形則無(wú)法指導(dǎo)模具的整改。因此，需要對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以保證測(cè)量結(jié)果能顯示零件的真實(shí)狀態(tài)。

圖1 行李箱內(nèi)板建系RPS點(diǎn)

2 沖壓件特殊分析測(cè)量介紹

與正?？己藴y(cè)量不同，特殊分析測(cè)量是通過(guò)不同的夾緊支撐方式，還原沖壓?jiǎn)渭恼鎸?shí)狀態(tài)，暴露模具的真實(shí)問(wèn)題，從而達(dá)到指導(dǎo)模具整改的目的。

以行李箱內(nèi)板的分析測(cè)量為例，行李箱內(nèi)板由于型面復(fù)雜，橫向跨度大，沖壓模具調(diào)試期間，扭轉(zhuǎn)與回彈問(wèn)題都非常明顯，這些問(wèn)題會(huì)直接導(dǎo)致行李箱蓋總成零件的變形，裝車后發(fā)生其與后杠間隙不一致、與側(cè)圍平順度超差、行李箱蓋無(wú)法正常落鎖等問(wèn)題。

正?？己藴y(cè)量時(shí)，一般使用“零件坐標(biāo)系”較為方便。使用3-2-1建系法則[4]，Za3與Zb3構(gòu)建對(duì)稱中心點(diǎn)Z3，與Z1、Z2控制Z方向；X4、X5控制X方向；Y6控制Y方向；X7、X8根據(jù)零件坐標(biāo)系調(diào)整支具夾頭至公差內(nèi)，此時(shí)，所有的RPS點(diǎn)處于卡緊狀態(tài)。

如圖2所示，可以看到，X軸方向回彈被X7、X8與Z1、Z2、Za3、Zb3定位夾頭限制，零件被沿X軸方向擠壓或張開(kāi)。

如圖3所示，Y軸方向扭轉(zhuǎn)將被 Za3、Zb3和 X7、X8夾頭限制，同時(shí)由于軟件通過(guò)計(jì)算，將Za3與Zb3平均分配公差，構(gòu)建Z3建立坐標(biāo)系，進(jìn)一步消除了Y軸方向的扭轉(zhuǎn)影響，分別通過(guò)物理方式與軟件計(jì)算的方式削弱了零件扭轉(zhuǎn)造成的影響，因此，當(dāng)扭轉(zhuǎn)過(guò)大時(shí)，需要改變測(cè)量方式，分別從物理的角度和坐標(biāo)系建立方法的角度來(lái)釋放扭轉(zhuǎn)影響，反映零件真實(shí)狀態(tài)。

圖2 行李箱內(nèi)板回彈方向

圖3 行李箱內(nèi)板扭轉(zhuǎn)方向

可以通過(guò)打開(kāi)一些夾頭，同時(shí)添加一些輔助支撐定位的方式，從物理的角度釋放零件應(yīng)力。通過(guò)改變建坐標(biāo)系的方法，消除程序中平均分配公差的影響，下面將具體分析扭轉(zhuǎn)與回彈問(wèn)題。

2.1 扭轉(zhuǎn)問(wèn)題分析方案

扭轉(zhuǎn)問(wèn)題會(huì)影響整個(gè)零件的狀態(tài)，因此分析零件扭轉(zhuǎn)問(wèn)題時(shí)，需要使零件保持自由狀態(tài)，約束越少越好。對(duì)于行李箱內(nèi)板來(lái)說(shuō)，只需要三個(gè)固定點(diǎn)即可（如圖4），保持現(xiàn)有夾緊點(diǎn)Z1、Z2，增加輔助支撐夾頭W1在零件上端面中心位置，保證零件平衡、穩(wěn)定。

圖4 行李箱內(nèi)板夾緊方式1#

為了驗(yàn)證三點(diǎn)支撐零件的穩(wěn)定性，和W1輔助支撐點(diǎn)位置對(duì)零件的影響。進(jìn)行了零件的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。（實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1/表2所示）。

表1 “支具坐標(biāo)系”三點(diǎn)支撐重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

表2 “支具零件系”三點(diǎn)支撐重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

由圖表可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)分別使用“支具坐標(biāo)系”和“零件坐標(biāo)系”（零件系使用W1替換Z3建立坐標(biāo)系），將Z1、Z2、W1夾頭夾緊，其它支具自由狀態(tài)。其中將W1處于四種位置，分別是“W1調(diào)整到零”、“W1調(diào)整到合適位置使得ZA3ZB3平均分配偏差”、“W1調(diào)整到較高位置”、“W1調(diào)整到較低位置”。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，W1的位置變化在“支具坐標(biāo)系”下X7、X8會(huì)隨著零件翻轉(zhuǎn)，因此得到不同的結(jié)果。可以看到，當(dāng)W1處于“W1調(diào)整到合適位置使得ZA3ZB3平均分配偏差”位置時(shí)，X7、X8的結(jié)果與表2中“零件坐標(biāo)系”的結(jié)果保持一致（表1中綠色區(qū)域），說(shuō)明此時(shí)的零件狀態(tài)與數(shù)模保持一致，無(wú)論在“支具坐標(biāo)系”還是“零件坐標(biāo)系”測(cè)量結(jié)果保持一致，可以作為分析零件扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的測(cè)量方法。當(dāng)W1處于最低位置時(shí)，由于重力影響，零件會(huì)發(fā)生變形，X7、X8有較大誤差可以剔除（table2.1中灰色區(qū)域）。

W1的位置變化在“零件坐標(biāo)系”下X7、X8保持穩(wěn)定在-0.58/-0.55左右（表2中綠色區(qū)域）。與表1相同，當(dāng)W1處于最低位置時(shí)，由于重力影響，零件會(huì)發(fā)生變形，X7、X8有較大誤差可以剔除（表2中灰色區(qū)域）。所以可以得出結(jié)論，只要W1在零點(diǎn)位置附近時(shí)，認(rèn)為零件狀態(tài)保持穩(wěn)定，可以用來(lái)評(píng)價(jià)零件的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。

所以，尾蓋內(nèi)板扭轉(zhuǎn)分析測(cè)量方法為：使用 Z1、Z2和W1支具支撐夾緊零件，將W1調(diào)整到零位。使用“零件坐標(biāo)系”（建系方法改為使用Z1、Z2、W1、X4Y6、X5建系），然后對(duì)零件進(jìn)行正常測(cè)量，完成測(cè)量報(bào)告，并指導(dǎo)模具的優(yōu)化。

2.2 回彈問(wèn)題分析方案

對(duì)于行李箱內(nèi)板來(lái)說(shuō)，回彈問(wèn)題所影響的就是V形零件的張角大小。因此，控制住V形面的一個(gè)面，另一個(gè)面自由狀態(tài)即可顯示零件的回彈量。對(duì)于行李箱內(nèi)板來(lái)說(shuō)夾緊Z1、Z2、Za3、Zb3，放松X7、X8，零件的后立面就能處于自由狀態(tài)（如圖5）。

圖5 行李箱內(nèi)板夾緊方式2#

一般情況下，零件的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題往往伴隨著回彈問(wèn)題，有時(shí)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題解決后會(huì)發(fā)現(xiàn)回彈問(wèn)題也消失了，模具的整改需要同時(shí)考慮兩個(gè)問(wèn)題。但是從測(cè)量的角度需要分開(kāi)分析這兩個(gè)問(wèn)題。建議模具優(yōu)化先解決扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，再解決回彈問(wèn)題，否則無(wú)法區(qū)分零件變形的根本原因是什么。

以尾蓋內(nèi)板為例，由于后端面受重力影響，會(huì)向下下墜，所以需要給X7、X8一個(gè)偏置公差，幫助判斷是重力還是回彈導(dǎo)致的零件變形。若偏差在公差范圍內(nèi)，則認(rèn)為零件狀態(tài)穩(wěn)定，可以使用全夾緊測(cè)量對(duì)零件進(jìn)行評(píng)價(jià)，若偏差在公差范圍外，則認(rèn)為零件狀態(tài)不穩(wěn)定，零件回彈過(guò)大需要優(yōu)化模具，消除回彈影響，回彈量使用打開(kāi)X7、X8方式測(cè)量。偏置公差的計(jì)算需要根據(jù)需要設(shè)計(jì)一個(gè)初始公差，例如+/-0.5mm。然后將零件后端簡(jiǎn)化為一端固定的懸臂梁（如圖6所示），在受到重力作用，發(fā)生微小形變。可以應(yīng)用材料力學(xué)積分法撓度方程[5]：

C、D為積分常數(shù)，解得：

則“-ω”為偏置公差的中心位置，+/-0.5mm為偏置公差的范圍。

圖6 簡(jiǎn)直梁擾度計(jì)算

所以，尾蓋內(nèi)板回彈分析測(cè)量方法為：使用 Z1、Z2、Za3、Zb3支具支撐夾緊零件，使用“零件坐標(biāo)系”（建系方法改為使用Z1、Z2、Z3、X4Y6、X5建系，Za3、Zb3構(gòu)造中心點(diǎn) Z3），然后對(duì)零件進(jìn)行正常測(cè)量，完成測(cè)量報(bào)告，并指導(dǎo)模具的優(yōu)化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)X7、X8的測(cè)量結(jié)果在偏置公差內(nèi)，說(shuō)明零件狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定，可以使用全夾緊方式進(jìn)行考核測(cè)量。

3 通用性總結(jié)

從沖壓零件測(cè)量的通用性分析，對(duì)于拉延工藝比較復(fù)雜的零件，例如行李箱內(nèi)板、機(jī)蓋內(nèi)板等，扭轉(zhuǎn)與回彈問(wèn)題是比較普遍的。分析該類問(wèn)題可以按照扭轉(zhuǎn)-回彈-型面公差的順序進(jìn)行分析和解決。

首先，讓被測(cè)零件處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)減少夾緊點(diǎn)的數(shù)量。當(dāng)零件擺放穩(wěn)定后，使用3-2-1建系法則[4]，建立“零件坐標(biāo)系”，然后對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量。但是，當(dāng)零件狀態(tài)非常不好的時(shí)候，RPS點(diǎn)偏差過(guò)大，會(huì)遇到坐標(biāo)系無(wú)法建立的問(wèn)題。此時(shí)，需要建立“支具坐標(biāo)系”，并標(biāo)定支具頭，然后在“支具坐標(biāo)系”下進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果可以清晰地體現(xiàn)零件狀態(tài)，但一般用于分析零件偏差趨勢(shì)，對(duì)于分析超差量，需要考慮相對(duì)關(guān)系。

然后，將零件相對(duì)穩(wěn)定的特殊型面進(jìn)行全夾緊控制，將需要進(jìn)行回彈整模的型面進(jìn)行全自由放松。使用 3-2-1建系法則[4]，建立“零件坐標(biāo)系”，然后對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量?？梢缘玫搅慵幕貜椓?，然后指導(dǎo)模具的整改。在進(jìn)行回彈問(wèn)題測(cè)量時(shí)，需要考慮零件受重力影響，對(duì)特殊部位設(shè)計(jì)偏置公差，抵消重力影響，同時(shí)，判斷回彈是否可以接受。

零件的扭轉(zhuǎn)與回彈是首先需要進(jìn)行整改的，零件尺寸問(wèn)題才能有效地解決。對(duì)于零件尺寸問(wèn)題的分析，需要進(jìn)行全夾緊狀態(tài)下的考核測(cè)量方法，并通過(guò)構(gòu)造對(duì)稱點(diǎn)等方法，消除零件的細(xì)微扭轉(zhuǎn)與回彈影響。零件的考核測(cè)量全尺寸報(bào)告的形位偏差即可視為絕對(duì)偏差，指導(dǎo)模具的優(yōu)化。