關(guān)于某車型頂蓋缺陷的分析

文/朱立贊·杭州吉利汽車有限公司

汽車的零件外覆蓋件的要求嚴格，例如機蓋外板、側(cè)圍外板、左右翼子板等等。和一般沖壓件相比，覆蓋件具有材料比一般沖壓件的材料要薄、形狀較為復雜、形狀由多個曲面組成、零件較大、外觀表面質(zhì)量要求高、剛性好等特點。其中涉及的大型弧形外覆蓋件屬淺拉深，且表面形狀簡單的零件在拉深成形過程中也會出現(xiàn)開裂、變形、凹陷、起皺、剛性不足等問題，造成零件外觀質(zhì)量達不到預定的質(zhì)量要求。覆蓋件表面質(zhì)量的高低取決于覆蓋件拉延的結(jié)果，而拉延模是拉出合格零件的關(guān)鍵。

頂蓋變形缺陷的研究與分析

下面針對頂蓋的幾種典型缺陷進行分析：

拉延后四角凹陷

頂蓋拉延件成形后四周的凹陷是頂蓋拉延中最為常見的一種缺陷(圖1)。缺陷的原因主要有：凸模在局部淬火后成形面有隆起，導致型面整體不平順，零件成形過程中體現(xiàn)在零件上；零件成形過程中材料沒有充分展開，導致零件成形后多料。

圖1 四角凹陷

天窗翻邊面

由于頂蓋天窗處一般為周圈翻邊且翻邊深度較大、R角較小、翻邊料邊不一致、應(yīng)力集中比較嚴重(圖2)。造成此缺陷的原因主要有：翻邊序的翻邊間隙過大、過小或不均勻，翻邊時周圈的翻邊順序不同步造成剪切式翻邊；翻邊時天窗處的壓料力不足導致翻邊時無法抵消零件的應(yīng)力變化。

圖2 天窗翻邊面

天窗四角塌陷

天窗四角塌陷(圖3)具體表現(xiàn)為型面處存在一定大小的凹坑，可用油石、光亮油、手感等檢驗方式檢驗。此缺陷一般是由于四角處為伸長翻邊，翻邊圓角處有向上拱起的趨勢，如果此處壓料力不足或壓料芯研合不到位極易出現(xiàn)此類缺陷。

圖3 天窗四角塌陷

其他缺陷

在制件調(diào)試過程中有些缺陷可能不是由于工藝設(shè)計導致，如出氣孔過少導致拉延時整個制件無法及時排氣，造成零件成形過程中扭曲，實際生產(chǎn)中材料成形速度與前期工藝分析(理論值)存在差異等。

由于模具問題導致零件報廢率達到10%，返修率100%。按每年5萬臺計算，一臺的返修成本50 元，報廢成本200 元，一年損失300 萬元，造成生產(chǎn)成本的嚴重超標。為了降低零件返修率，節(jié)約成本，提升產(chǎn)品的品質(zhì)，對模具進行整改，消除因上述原因所導致的返修。

現(xiàn)狀與問題機理分析

⑴頂蓋剛性問題，根據(jù)零件局部的造型進行比較，由于頂蓋面積大，造型比較單一，大部分是沒有任何的加強造型，除MPV 之類的特大頂蓋之外，所以頂蓋剛性問題是一直都存在的。采用CAE 分析方法對零件的沖壓負角，開裂，起皺等問題進行分析比較準確，可以相對精確的算出我們所需要的一些參數(shù)結(jié)果。

⑵頂蓋零件前后擋部位高度不一致，模具是由于前期設(shè)計工藝不完全，導致拉延模前后部位拉深深度不一致，前部拉深淺，后部深，導致板件在拉深過程中受力不均勻，材料在拉深過程中不能充分展開，凸模在到底前過程中始終由拉深筋阻止前端材料往后端移動，工藝設(shè)計時，沒有考慮該過程中成形力的轉(zhuǎn)變，所有拉深筋參數(shù)設(shè)定都一致，產(chǎn)生了前端小部分材料被拉到凹模中，無法充分成形，導致缺陷的產(chǎn)生從而導致板件頂部大面剛性差，產(chǎn)生變形、平面不順，局部B 面出現(xiàn)開裂、隱裂、型面回彈等現(xiàn)象。

⑶網(wǎng)格分析技術(shù)直接反映出測量區(qū)域的變形(圖4)，材料的成形性能決定零件生產(chǎn)的穩(wěn)定性，分析發(fā)現(xiàn)后擋風部分B 面進料較多，而且走料不均勻，前擋進料較少，造成零件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，零件不能充分拉深導致零件表面波浪不平。

圖4 網(wǎng)格分析

⑷頂蓋、機蓋這樣的大平面型的零件，模具內(nèi)的空氣要及時、有效的得到釋放，如無法及時的將空氣排出，就會造成壓縮空氣對零件擠壓，出現(xiàn)起皺、變形等情況，沖壓完成之后還會產(chǎn)生真空狀態(tài)，出現(xiàn)吸附零件現(xiàn)象。

⑸頂蓋剛性不足，天窗位置修邊后由于大面應(yīng)力釋放，造成整個天窗周邊區(qū)域沒有剛性，屬于坍塌的狀態(tài)，造成在翻邊成形之前與凸模表面不符，翻邊過程中上模壓料板的研合率和壓料面積不夠造成壓料不足，正常使用翻邊工作部位周邊70 ～100mm，同時上模氮氣彈簧提供的壓邊力不足(圖5)。

圖5 上模氮氣彈簧提供的壓邊力不足

解決方案

⑴針對開裂位置進行研合，確認凸凹模之間的間隙，將凸凹模之間的間隙增大，同時增大凸模上出現(xiàn)開裂的R 角使在成形過程中不會出現(xiàn)頂角，結(jié)合CAE分析確定材料流入方向，查看材料流入方向，找出開裂位置材料流入的方向，增大此部位的材料流入，工藝包大小可以控制進料的速度，所以將原有的高度5mm工藝包增加到10mm，很好的控制起皺部位的材料流入。

⑵頂蓋形狀單一簡單，成形深度淺，變形、應(yīng)力比較均勻，成形過程中材料的變薄率比一般零件要低，采用方筋取代普通拉延筋。另外在原有阻料筋的基礎(chǔ)上，再外加一根，形成雙層拉延筋結(jié)構(gòu)。減少材料成形過程中材料的流入速度，達到零件型腔內(nèi)部材料自延展成形，頂蓋后擋部分工藝面選用前移13mm，使補充面面積增大，同時在增加壓邊面材料的流動阻力，減小外部材料流入，在變形端面的兩處R 角使用工藝補充面，經(jīng)調(diào)試工藝補充面的高度約8 ～10mm，優(yōu)化進料阻力，優(yōu)化壓邊圈拉深筋R 角，改變X 方向的進料阻力。

⑶上下凸凹模的研合率要達到90%以上，在拉深模的調(diào)試過程中，間隙的可靠與否直接影響著拉深件的質(zhì)量。若調(diào)整不當，在間隙大的一側(cè)，拉深件的走料過快容易變形，甚至在周邊會出現(xiàn)波浪形缺陷；而在間隙小的一側(cè)，拉深時材料不能貼緊型面，而是要向上鼓起，從而產(chǎn)生折皺。天窗部位在修沖之后造成四周剛性不足，成形天窗后角區(qū)域型面需要進行強壓，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。零件由于修邊之后剛性不足型面變軟，后工序凸模型面要符型前道工序型面，不然會出現(xiàn)零件型面整體下塌的情況，整改后零件剛性強。

⑷根據(jù)模具邊界會分出封閉空間氣腔相對應(yīng)的區(qū)域，每個區(qū)域至少分布一個排氣孔，位置取凹模的R 角部位，或者廢料區(qū)域，不可在凸模型面之上開孔，零件成形會產(chǎn)生缺陷，在頂蓋凹模中心部分進行了加大、追加一部分排氣孔，將4mm 的孔徑改制成8mm，如果追加部分排氣孔仍達不到預期的情況下可以開孔徑200mm 的大排氣孔。

⑸對翻邊工序的上模壓料板進行研合，上下模研合率達到95%，同屬將原有翻邊工作部位周邊的100mm 寬度的壓料面增加到150mm，增加成形時的壓料受力面受力。

⑹上模氮氣彈簧設(shè)計氣壓是10MPa，在實際生產(chǎn)過程中偏小，增加內(nèi)部氮氣彈簧的壓料氣壓至15MPa。

⑺翻邊過程中由于翻邊間隙偏小造成零件在翻邊結(jié)束后，上模翻邊鑲塊在上行過程中給零件翻邊的側(cè)壁一個向上的摩擦力，造成翻邊對壓料有一個反作用力，所以將翻邊間隙調(diào)整至合格的最大狀態(tài)，壓料面研合率達到90%以上。

實施及驗證

生產(chǎn)調(diào)試驗證

⑴參數(shù)調(diào)整：前面提到整個頂蓋變形的首要原因是剛性不夠，拉深不夠充分，在現(xiàn)場調(diào)試階段要加足氣墊壓力(圖6)，經(jīng)調(diào)試在零件不開裂的情況下氣壓最高穩(wěn)定在0.30MPa，當氣墊高度高于凸模形狀高度時，成形過程中，上模首先接觸到壓邊圈，使材料四周壓力均勻，氣墊高度一般高于型面20 ～30mm之間，保證氣墊壓力，拉深就越充分，所以優(yōu)化氣墊高度，使氣墊高度由175mm(與凸模平齊)提高至200mm(高于凸模)。

圖6 參數(shù)調(diào)整

⑵模具調(diào)整：調(diào)整四周平衡塊(如圖7)，模具的四個角都需要布置平衡塊，相距約400mm 布置一個，其基本參數(shù)是面壓值。注意，平衡塊安裝在壓邊圈上，調(diào)整上模與下模之間的間隙，以此來調(diào)整四周板件走料速度使四周的走料均勻，但是在保證走料均勻零件不開裂的前提下，盡量將板件壓死，增加材料成形的阻力，使零件形成一個慢走料，這樣零件在拉深過程中才能充分的伸展。

圖7 模具調(diào)整

⑶沖次調(diào)整：調(diào)整設(shè)備的沖壓速度，不能過快，過快的話，第一會對排氣造成不利，第二對板件在拉深過程中的成形也非常不好，會導致不能充分拉深。

CAE 驗證

對頂蓋進行CAE 分析，按整改后方案設(shè)置后，頂蓋開裂、起皺狀態(tài)見圖8，零件變薄率從1.07 下降到0.766。

圖8 CAE 分析圖

總結(jié)

名揚指數(shù)： ★★★★☆名揚江湖： 渤海名揚詩句： 郁郁蒼梧海上山，蓬菜方丈有無間骨灰粉絲： 蘇軾緋聞粉絲： 徐福 秦始皇上榜理由： 云遮霧繞若仙境，方士名人各顯異；文人騷客多遺墨，古今皆是海景房

⑴通過CAE 方法進行分析以及經(jīng)過對側(cè)面工藝補充面間隙的實物鉗工調(diào)整，轎車頂蓋缺陷主要為隱裂、開裂、起皺等問題。

⑵經(jīng)過CAE 分析主次應(yīng)變圖后可以對材料進行網(wǎng)格實驗，確定零件在成形中走料的過程和零件的變薄率，再針對分析出來的結(jié)果對模具進行整改，調(diào)整頂蓋后擋部分工藝面選用前移13mm，使補充面面積增大，同時再增加壓邊面材料的流動阻力，減小外部材料流入，在變形端面的兩處R 角使用工藝補充面，經(jīng)調(diào)試工藝補充面的高度約8 ～10mm，優(yōu)化進料阻力，優(yōu)化壓邊圈拉深筋R 角，改變X 方向的進料阻力，可以解決零件在板料成形過程中沒有充分拉深導致的零件剛性不足問題。

⑶頂蓋在天窗修邊之后零件無剛性、應(yīng)力釋放造成的大面變形、剛性不足、回彈等問題，經(jīng)過對拉深剛性的調(diào)整和對翻邊壓料面的研合與寬度的增加，增加50MPa 的壓邊力。

⑷經(jīng)過整改之后，零件調(diào)整側(cè)壁間隙消除開裂問題，報廢率從10%降低為0。增加工藝補充面后，零件的剛性達到所需要的要求，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了產(chǎn)品由于拉深變形造成的返修，返修率降低100%。對翻邊壓料整改后改善了天窗四角變形。整改后整體效果如圖9 所示。

圖9 零件整改后效果

⑸通過這次零件所存在問題的改進，總結(jié)出幾個優(yōu)化工藝：頂蓋天窗部位在拉深過程中應(yīng)提前成形，避免在大面修邊之后產(chǎn)生應(yīng)力釋放的現(xiàn)象，同時周邊料邊部分增加加強造型，增強零件的剛性；天窗在翻邊過程中，使用托料與壓料翻邊，可以使零件在成形過程中不會產(chǎn)生變形；在零件存在前后面高低落差較大的情況下，考慮零件角度和深度較深一端二次成形的量；工藝面布局嚴格根據(jù)CAE 分析來設(shè)置。