淺析天窗加強(qiáng)環(huán)的產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)

文/許天宇，李天奇·極氪汽車有限公司

本文介紹了白車身常規(guī)一體式天窗加強(qiáng)環(huán)及其常見的安裝點(diǎn)開裂、壓力不足、材料利用率低、通用化差等生產(chǎn)和成本問題。針對(duì)上述問題，本文將一體式的天窗加強(qiáng)環(huán)更改為分體式的天窗加強(qiáng)環(huán)，拆分后的單件采用成形和淺拉延的工藝方案、不僅極大地提升了材料利用率、降低了生產(chǎn)成本，而且通過拆分后單件料厚的差異設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了整個(gè)天窗區(qū)域的輕量化設(shè)計(jì);同時(shí)，對(duì)比了分體式天窗加強(qiáng)環(huán)和激光拼焊板天窗加強(qiáng)環(huán)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

問題概述

目前，外飾大天窗已經(jīng)成為整車的主流配置，對(duì)于標(biāo)配外飾大天窗的車型，常見的天窗加強(qiáng)環(huán)均設(shè)計(jì)為整體式的天窗加強(qiáng)環(huán)、一體沖壓成形；某車型的天窗加強(qiáng)環(huán)產(chǎn)品(材質(zhì)HC260LA，料厚1.2mm)和沖壓SE 分析結(jié)果如圖1和圖2 所示。

圖1 整體式天窗加強(qiáng)環(huán)產(chǎn)品示意圖

圖2 壓邊圈拉延結(jié)構(gòu)

⑴材料利用率低。零件采用拉延工藝，中間有巨大的孔洞廢料、單件材料利用率僅能達(dá)到20%左右，造成巨大的材料浪費(fèi)。

⑵制造柔性差。天窗加強(qiáng)環(huán)尺寸大、特征多，拉延工序成形力一般在2000t 以上、壓邊力一般在400t 以上，超出外協(xié)廠家的設(shè)備能力；雖然是結(jié)構(gòu)件，一般只能規(guī)劃為內(nèi)制件。生產(chǎn)柔性差，增加了生產(chǎn)成本。

⑶通用化能力差。架構(gòu)化設(shè)計(jì)的外飾天窗有通用化的需求；示例零件前端布置一個(gè)天窗安裝點(diǎn)，兩側(cè)每側(cè)布置5 個(gè)天窗安裝點(diǎn)，外飾天窗安裝點(diǎn)位置特征變化急劇、深度深，整體天窗加強(qiáng)環(huán)出現(xiàn)安裝點(diǎn)開裂的沖壓?jiǎn)栴}，外壓邊圈拉延結(jié)構(gòu)比內(nèi)外雙壓邊圈拉延結(jié)構(gòu)安裝點(diǎn)開裂更嚴(yán)重，不同尺寸車型的安裝點(diǎn)開裂狀態(tài)差異較大、限制外飾天窗的通用化實(shí)施。

⑷輕量化能力差。天窗加強(qiáng)環(huán)后側(cè)橫梁區(qū)域的屬性值要求強(qiáng)于天窗的前部和左右兩側(cè)；而整體式天窗加強(qiáng)環(huán)材料厚度一致，無法實(shí)現(xiàn)不同位置的料厚差異化設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

為了整體改善天窗加強(qiáng)環(huán)產(chǎn)品的成本、通用化能力、輕量化能力、生產(chǎn)柔性等指標(biāo)，需要重新設(shè)計(jì)天窗加強(qiáng)環(huán)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。如圖3 所示，將整體式的天窗加強(qiáng)環(huán)優(yōu)化為分體式的天窗加強(qiáng)環(huán)，拆分成4 個(gè)沖壓?jiǎn)渭?，拆分位置在兩?cè)的橫梁收尾位置，保證外飾天窗安裝點(diǎn)集中在一個(gè)單件上，單件之間通過雙排點(diǎn)焊連接保證連接強(qiáng)度，如圖4 所示。

圖3 分體式天窗加強(qiáng)環(huán)

圖4 分體式天窗加強(qiáng)環(huán)焊點(diǎn)圖

天窗加強(qiáng)環(huán)產(chǎn)品后側(cè)橫梁的頂壓和模態(tài)要求高于前側(cè)、左右兩側(cè)的橫梁，所以對(duì)于整體式的天窗加強(qiáng)環(huán)需要在后部設(shè)計(jì)單獨(dú)的加強(qiáng)橫梁(料厚1.0mm)、通過點(diǎn)焊連接。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化為分體式的天窗加強(qiáng)環(huán)后，通過直接加厚后部橫梁的方案、獲得更好的頂壓和模態(tài)效果，如圖5 所示，取消原設(shè)計(jì)料厚1.0mm的后部加強(qiáng)橫梁，件2 料厚由1.2mm 加厚到1.4mm、其余3 個(gè)零件料厚保持1.2mm 不變，實(shí)現(xiàn)了天窗加強(qiáng)環(huán)的輕量化設(shè)計(jì)。

圖5 分體式天窗加強(qiáng)環(huán)輕量化方案

工藝設(shè)計(jì)方案

整體式的天窗加強(qiáng)環(huán)更改為4 個(gè)單件點(diǎn)焊的分體天窗加強(qiáng)環(huán)，沖壓件簡(jiǎn)化、工藝性提升，但焊接零件數(shù)量增多，保證尺寸精度和一致性的難度增加；需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的加工基準(zhǔn)和尺寸控制策略。

焊接和尺寸控制策略

⑴定位策略。沖壓?jiǎn)渭腞PS 點(diǎn)設(shè)置，在接頭焊接面附近均設(shè)置基準(zhǔn)面(圖6)；保證接頭位置匹配間隙和焊接穩(wěn)定性。

圖6 沖壓?jiǎn)渭腞PS 點(diǎn)示意圖

⑵重點(diǎn)功能尺寸。1)天窗加強(qiáng)環(huán)左側(cè)5 個(gè)外飾天窗安裝點(diǎn)全部分在單件3 上，右側(cè)的5 個(gè)外飾天窗安裝點(diǎn)全部分在單件4 上，保證焊接后外飾天窗安裝點(diǎn)的相對(duì)位置準(zhǔn)確。2)天窗口中間的4 個(gè)方向的CMT 焊接面均分在不同的單件上，保證與外飾天窗的匹配間隙可單獨(dú)調(diào)整。

⑶焊接影響。產(chǎn)品僅在Z 方向設(shè)置點(diǎn)焊、Y 向加強(qiáng)邊接頭空開，消除Y 向或者X 向焊接帶來的尺寸變化；同時(shí)有利于通過調(diào)整定位銷位置吸收CMT 焊接面沿X 向或者Y 向的面間隙。

⑷匹配間隙。在接頭位置匹配面設(shè)計(jì)0.3 ～0.5mm 特征，有利于保證定位基準(zhǔn)面、控制焊接間隙和減小焊接變形。

⑸連接強(qiáng)度。接頭位置布置雙排焊點(diǎn)，保證連接強(qiáng)度和零件剛性；避免搬運(yùn)變形。

⑹尺寸精度。沖壓?jiǎn)渭男兔娉叽绻钜?±0.5mm；天窗加強(qiáng)環(huán)焊接合件的型面尺寸公差要求:±0.7mm。

分體式的天窗加強(qiáng)環(huán)雖然增加了尺寸保證難度，但經(jīng)實(shí)際車型工業(yè)化驗(yàn)證：分體式的天窗加強(qiáng)環(huán)尺寸精度和穩(wěn)定性能保證裝車需求。

沖壓工藝方案

件1 沖壓工藝方案決定零件的成本和質(zhì)量。整體式天窗加強(qiáng)環(huán)采用傳統(tǒng)的深拉延工藝結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)有較大的工藝補(bǔ)充面、深度40 ～50mm。拆分后的4 根橫梁采用成形和淺拉延的工藝設(shè)計(jì)，不僅能解決安裝點(diǎn)開裂、成形力大的問題，也極大提高了零件的材料利用率、降低了生產(chǎn)成本，工藝見表1。

表1 工藝信息

OP05 采用開卷落料、進(jìn)一步提高材料利用率。OP10 采用成形工藝設(shè)計(jì)，板料初始位置放在凸模上，下模無壓邊設(shè)計(jì)，沖壓SE 分析結(jié)果，零件無開裂和褶皺問題。OP20 和OP30 修邊沖孔，保證成形后的邊線精度。OP40 是上翻邊工藝，翻邊后的回彈分析，零件主要型面無扭曲、回彈大小可控，如圖7 所示。

圖7 件1 沖壓成形工序工藝設(shè)計(jì)

件2 沖壓工藝分析。1)OP10 采用成形工藝設(shè)計(jì)，板料初始位置放在凸模上，下模無壓邊設(shè)計(jì)，沖壓SE 分析結(jié)果，零件無開裂和褶皺問題。2)OP20 和OP30 修邊沖孔，保證成形后的邊線精度。3)OP40 是上翻邊工藝，翻邊后的回彈分析，零件主要型面無扭曲、回彈大小可控，如圖8 所示。

圖8 件2 沖壓成形工藝設(shè)計(jì)

件3 和件4 沖壓采用一模雙件工藝設(shè)計(jì)；OP10拉延工序采用淺拉延設(shè)計(jì)、用零件的法蘭面做壓料面，兩端采用半開口拉延設(shè)計(jì)、板料在沖壓結(jié)束前10mm脫離壓邊圈控制，沖壓SE 分析結(jié)果，OP10 拉延工序件無開裂風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)避了外飾天窗安裝點(diǎn)開裂問題；OP40 是上翻邊工藝，翻邊后的回彈分析，零件主要型面無扭曲、回彈大小可控，如圖9 所示。

圖9 件3 和件4 沖壓成形工藝設(shè)計(jì)

效果對(duì)比

對(duì)于示例零件，分體式天窗加強(qiáng)環(huán)和整體式天窗加強(qiáng)環(huán)輕量化、成本、設(shè)備對(duì)比結(jié)果見表2：通過料厚的差異化設(shè)計(jì)、節(jié)省后部加強(qiáng)橫梁一個(gè)，分體式天窗加強(qiáng)環(huán)減重0.826kg，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)的目的。分體式天窗加強(qiáng)環(huán)沒有中部大的孔洞廢料，通過采用成形和淺拉延等工藝設(shè)計(jì)，不僅解決了外飾天窗安裝點(diǎn)開裂的問題，而且沖壓材料利用率提升42%、節(jié)省材料費(fèi)用100 元/車。最大壓機(jī)噸位由2500t 降低到800t，解決了壓力不足的問題。零件由內(nèi)制件轉(zhuǎn)為外制件，模具閉合高度減小40%，模具重量和成本均降低、整體節(jié)省費(fèi)用120 萬。零件數(shù)量雖然由2個(gè)增加到4 個(gè)，但焊點(diǎn)數(shù)由40 個(gè)(整個(gè)橫梁區(qū)域分布焊點(diǎn))減少到18 個(gè)(僅接頭有焊點(diǎn))，焊接成本降低4.4 元/車。沖壓件數(shù)量增多，沖次費(fèi)用增加3元/車。

表2 整體式和分體式天窗加強(qiáng)環(huán)效果對(duì)比

綜上，與整體式的天窗加強(qiáng)環(huán)相比，分體式的天窗加強(qiáng)環(huán)實(shí)現(xiàn)減重0.826kg、降低成本101 元/車、節(jié)省模具投資120 萬，而且規(guī)避了外飾天窗安裝點(diǎn)開裂和大噸位生產(chǎn)壓機(jī)的問題。從外飾天窗通用化需求角度，分體式天窗加強(qiáng)環(huán)更容易解決不同尺寸車型共用外飾天窗安裝點(diǎn)，有利通用化工作。

激光拼焊方案

天窗加強(qiáng)環(huán)三種方案效果對(duì)比見表3。天窗加強(qiáng)環(huán)也可以設(shè)計(jì)為激光拼焊結(jié)構(gòu)，4 個(gè)零件的沖壓坯料通過激光焊接后、一體沖壓成形，零件的拉延工序采用內(nèi)外雙壓邊圈的深拉延結(jié)構(gòu)；因此，零件同樣會(huì)出現(xiàn)圖1 所示整體式天窗加強(qiáng)環(huán)出現(xiàn)安裝點(diǎn)開裂(圖10)和大噸位生產(chǎn)壓機(jī)的需求，而且深拉延結(jié)構(gòu)造成工藝補(bǔ)充的增大、材料利用率的下降。

表3 天窗加強(qiáng)環(huán)三種方案效果對(duì)比

圖10 整體式天窗加強(qiáng)環(huán)出現(xiàn)安裝點(diǎn)開裂

零件內(nèi)圓角位置是拉延容易開裂的區(qū)域，激光拼焊焊縫需要遠(yuǎn)離內(nèi)轉(zhuǎn)角位置(L 建議大于20mm)、避免拼焊焊縫開裂，件2 和件1 拼焊前的落料線U 形加深、不利于零件排樣、造成材料利用率下降。

激光拼焊結(jié)構(gòu)的天窗加強(qiáng)環(huán)能實(shí)現(xiàn)件2 料厚的差異化設(shè)計(jì)、同時(shí)拼焊的工藝節(jié)省掉零件點(diǎn)焊接頭區(qū)域，是輕量化的最佳方案；同時(shí)，焊接零件數(shù)量最少，焊接和尺寸精度更容易控制。

激光拼焊結(jié)構(gòu)的天窗加強(qiáng)環(huán)增加了拼焊費(fèi)用，材料利用率低于分體天窗加強(qiáng)環(huán)、但高于整體式天窗加強(qiáng)環(huán)；激光拼焊結(jié)構(gòu)的天窗加強(qiáng)環(huán)比整體式天窗加強(qiáng)環(huán)成本有一定的改善，但比分體式天窗加強(qiáng)環(huán)成本高很多。同時(shí)，激光拼焊結(jié)構(gòu)的天窗加強(qiáng)環(huán)與整體式的天窗加強(qiáng)環(huán)存在同樣的安裝點(diǎn)易開裂和大噸位生產(chǎn)壓機(jī)需求，不利于控制生產(chǎn)成本和外飾天窗的通用化。

結(jié)束語

對(duì)于承載外飾大天窗的天窗加強(qiáng)環(huán)零件，可以采用整體式天窗加強(qiáng)環(huán)、激光拼焊結(jié)構(gòu)的天窗加強(qiáng)環(huán)和分體式天窗加強(qiáng)環(huán)三種設(shè)計(jì)方案。整體式的天窗加強(qiáng)環(huán)的成本和屬性等指標(biāo)都是最差的，激光拼焊結(jié)構(gòu)的天窗加強(qiáng)環(huán)是輕量化設(shè)計(jì)的最佳方案；與整體式天窗加強(qiáng)環(huán)、激光拼焊結(jié)構(gòu)的天窗加強(qiáng)環(huán)相比：分體式的天窗加強(qiáng)環(huán)在顯著降成本的同時(shí)，同樣能滿足輕量化和制造柔性需求，是更為均衡和優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。