基于DFSS理論的側(cè)圍外板尺寸回彈控制方法

喬曉勇， 陽(yáng)學(xué)， 王麗珠， 霍會(huì)榮， 魯開菊

（上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007）

0 引 言

近年來(lái)，隨著消費(fèi)升級(jí)和技術(shù)升級(jí)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(chǎng)，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(duì)整車感知質(zhì)量要求逐年提升。這就對(duì)汽車覆蓋件的質(zhì)量和沖模的開發(fā)周期提出越來(lái)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(duì)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(xiǎn)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(shí)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(guò)程復(fù)雜，易出現(xiàn)成形缺陷和尺寸精度波動(dòng)問(wèn)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(jì)）是以事實(shí)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，以減少變異和浪費(fèi)為目標(biāo)的一套系統(tǒng)方法論，其核心是通過(guò)數(shù)據(jù)分析問(wèn)題的癥結(jié)以及通過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證問(wèn)題的整改效果。此方法論與實(shí)際工作相結(jié)合，同時(shí)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(wèn)題根源。現(xiàn)以某車型側(cè)圍外板為例，通過(guò)Autoform軟件模擬沖壓工藝穩(wěn)健性和回彈補(bǔ)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(bǔ)償策略并通過(guò)分析軟件測(cè)試，最終通過(guò)實(shí)際零件模具開發(fā)驗(yàn)證此控制方法的有效性。

1 側(cè)圍零件尺寸控制進(jìn)展及分析

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(wèn)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(wèn)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(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)6個(gè)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(hù)保養(yǎng)水平對(duì)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(jī)械壓力機(jī)上生產(chǎn)，模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在主機(jī)廠和模具廠的雙重設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下能滿足強(qiáng)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(gè)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(gè)σ水平。不同于超高強(qiáng)度鋼板回彈機(jī)理有新的YU模型[4]，軟板的研究重點(diǎn)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(cè)試數(shù)據(jù)的支撐下，現(xiàn)有的材料模型采用真實(shí)測(cè)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(bǔ)償策略3個(gè)方面，核心在于回彈補(bǔ)償策略的制定。

圖2 BUFD材料性能參數(shù)分析

2 基于數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)差分析的回彈補(bǔ)償策略

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(píng)價(jià)指標(biāo)。良好的成形工藝和穩(wěn)定性需要技術(shù)實(shí)力和經(jīng)驗(yàn)積累支撐，同時(shí)需要在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中開展同步工程技術(shù)支持，是進(jìn)行回彈補(bǔ)償策略的基礎(chǔ)?，F(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(xiǎn)杠下護(hù)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(huì)采用全型面補(bǔ)償，而是采用區(qū)域補(bǔ)償方式，主要分為主型面（一般為工藝頂面區(qū)域）回彈補(bǔ)償和結(jié)構(gòu)面回彈補(bǔ)償，其中外觀面區(qū)域回彈補(bǔ)償包含在主型面回彈補(bǔ)償中。

2.1 主型面區(qū)域回彈補(bǔ)償方案

側(cè)圍外板主型面回彈補(bǔ)償?shù)碾y點(diǎn)是如何劃分最優(yōu)的回彈補(bǔ)償區(qū)域并分別給出補(bǔ)償量，在研究總結(jié)多個(gè)側(cè)圍外板回彈補(bǔ)償?shù)慕?jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)定了圖4所示的主型面回彈補(bǔ)償方案，從原始數(shù)據(jù)回彈仿真到最后的回彈補(bǔ)償范圍和補(bǔ)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(bǔ)償，效果都不理想，需重新加工。主要因?yàn)檫@是夾緊之后的零件回彈結(jié)果，大部分基準(zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)離空較大。由于這些基準(zhǔn)點(diǎn)相鄰結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度大于臨近A面強(qiáng)度，夾緊之后A面區(qū)域被帶變形，不能真實(shí)反應(yīng)側(cè)圍零件實(shí)際的回彈狀態(tài)。

圖4 側(cè)圍外板主型面回彈補(bǔ)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(duì)側(cè)圍的回彈補(bǔ)償目前主流的做法是MCC（最少夾持）和FCC（全夾持）綜合評(píng)判的方法[8]，但是對(duì)側(cè)圍外板這類有大量基準(zhǔn)點(diǎn)的零件，如何選擇最少夾持點(diǎn)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(diǎn)為基礎(chǔ)，加上尾部成形最穩(wěn)定點(diǎn)處（圖5 CH2孔（模具檢查孔）處附近）基準(zhǔn)點(diǎn)組成最優(yōu)基準(zhǔn)點(diǎn)。優(yōu)先對(duì)最優(yōu)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行回彈補(bǔ)償，保證基準(zhǔn)點(diǎn)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(shí)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(bǔ)償區(qū)域。最優(yōu)基準(zhǔn)補(bǔ)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(bǔ)償區(qū)域，如圖6方框所示。

圖6 最優(yōu)基準(zhǔn)補(bǔ)償后側(cè)圍回彈結(jié)果和補(bǔ)償區(qū)域劃分

回彈補(bǔ)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(bǔ)償量。補(bǔ)償系數(shù)在行業(yè)內(nèi)目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是補(bǔ)償原則為在滿足尺寸要求的情況下保證最小的補(bǔ)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(bǔ)償值確認(rèn)方法，即以原始補(bǔ)償回彈t0值為參考，通過(guò)調(diào)整不同的補(bǔ)償量后，區(qū)域內(nèi)不同位置的回彈值和回彈變化差值來(lái)確認(rèn)最優(yōu)的補(bǔ)償量Tb。此時(shí)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(bǔ)償區(qū)域斷面補(bǔ)償后的回彈值，為補(bǔ)償后區(qū)域各個(gè)斷面的回彈量均值，斷面的數(shù)量與補(bǔ)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(shì)不一致，或者相鄰回彈補(bǔ)償區(qū)域距離比較近，為了保證回彈補(bǔ)償后A面過(guò)渡的一致性，需整合2個(gè)或多個(gè)區(qū)域，這樣區(qū)域回彈補(bǔ)償就會(huì)出現(xiàn)2個(gè)或多個(gè)Tb的集合。

以圖6中A柱區(qū)域回彈補(bǔ)償為例，此區(qū)域的回彈趨勢(shì)一致，只要確認(rèn)1個(gè)Tb就可以。對(duì)A柱回彈補(bǔ)償區(qū)域設(shè)計(jì)5個(gè)斷面，根據(jù)不同的補(bǔ)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(bǔ)償區(qū)域邊界A2～E2在不同補(bǔ)償量下回彈都在公差范圍，說(shuō)明通過(guò)最優(yōu)基準(zhǔn)劃分的補(bǔ)償區(qū)域較準(zhǔn)確。從A1～E1的變化可以看出，直接補(bǔ)償有較好效果，雖然按照1:1的補(bǔ)償（補(bǔ)償量1.3 mm）后回彈滿足公差要求，但是按照1.0 mm的補(bǔ)償回彈量也在公差內(nèi)，各個(gè)斷面點(diǎn)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差更小，因此最優(yōu)補(bǔ)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(bǔ)償量回彈結(jié)果

2.2 結(jié)構(gòu)區(qū)域回彈補(bǔ)償方案

側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)面的回彈補(bǔ)償以前是參考經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，采用等截面補(bǔ)償方法，其優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償數(shù)據(jù)確認(rèn)方便，缺點(diǎn)是補(bǔ)償效果差，一次補(bǔ)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(bǔ)償，建議在主型面補(bǔ)償達(dá)標(biāo)的情況下，鎖定補(bǔ)償區(qū)域外邊界，通過(guò)Autoform軟件帶有回彈補(bǔ)償模塊對(duì)結(jié)構(gòu)法蘭區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)回彈補(bǔ)償。然后將CAE軟件生成的回彈補(bǔ)償面導(dǎo)入到CAD軟件，分析補(bǔ)償數(shù)據(jù)并重構(gòu)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)面，以此結(jié)構(gòu)面再次進(jìn)行回彈補(bǔ)償分析。最后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)補(bǔ)償面進(jìn)行局部?jī)?yōu)化確認(rèn)，以此作為最后的加工補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(yàn)進(jìn)行偏差補(bǔ)償。如圖9所示，以側(cè)圍A柱與玻璃搭接區(qū)域法蘭補(bǔ)償為例，主型面和結(jié)構(gòu)面補(bǔ)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(bǔ)償方案仍然對(duì)此處法蘭邊界增加0.5 mm（兩側(cè)過(guò)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(bǔ)償，最后如果產(chǎn)生負(fù)偏差將無(wú)法通過(guò)降刻加工（不焊接，墊鑲塊降低型面加工）來(lái)更改，只能通過(guò)補(bǔ)焊加工整改，而整形滑車補(bǔ)焊容易變形，變形后的下基準(zhǔn)滑車需要報(bào)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(bǔ)償方案

3 回彈NC數(shù)據(jù)確定和結(jié)果驗(yàn)證

3.1 回彈NC數(shù)據(jù)制作關(guān)鍵點(diǎn)分析

側(cè)圍外板主型面和結(jié)構(gòu)面的回彈補(bǔ)償量確認(rèn)后，需要完成回彈補(bǔ)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(gè)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(diǎn)。

（1）A面回彈NC數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)必須考慮A面的分塊和棱線的分布趨勢(shì)，避免對(duì)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(bǔ)償難以保證面的質(zhì)量和棱線趨勢(shì)的一致性，多條棱線區(qū)域的回彈盡可能通過(guò)優(yōu)化工藝來(lái)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(wú)法同時(shí)滿足情況下，要優(yōu)先保證A面制造質(zhì)量。

（2）回彈補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)必須再次進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)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(wèn)題。因?yàn)榛貜椦a(bǔ)償中工序件采用不同的補(bǔ)償型面，同時(shí)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(wèn)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(dòng)，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

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

按照上述的側(cè)圍補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償量的方式，6處結(jié)構(gòu)法蘭更改全部采用下模基準(zhǔn)加工和上模補(bǔ)焊加工的方式，避免了下基準(zhǔn)滑車的補(bǔ)焊變形問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，回彈仿真結(jié)果和實(shí)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(duì)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(wú)法有效實(shí)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(qiáng)度問(wèn)題導(dǎo)致的零件尺寸偏差等問(wèn)題。實(shí)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(guò)穩(wěn)定的工藝設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化的仿真設(shè)置以及大量的回彈結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)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(bǔ)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

4 結(jié)束語(yǔ)

概述了側(cè)圍外板回彈控制的難點(diǎn)，運(yùn)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(bǔ)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(shí)際側(cè)圍外板模具開發(fā)經(jīng)驗(yàn)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(bǔ)償策略、基于數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)差分析的回彈補(bǔ)償量確定方法、基于經(jīng)驗(yàn)庫(kù)的偏差補(bǔ)償量確認(rèn)方法、側(cè)圍回彈補(bǔ)償NC數(shù)據(jù)確定方法，并驗(yàn)證其有效性。