某車型天窗加強(qiáng)環(huán)回彈優(yōu)化方法

王達(dá)鵬， 楊慶波， 張林陽(yáng)， 陳雪元

（1.中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 工程與生產(chǎn)物流部， 吉林 長(zhǎng)春 130011；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院， 吉林 長(zhǎng)春 130011）

0 引 言

天窗加強(qiáng)環(huán)是乘用車大型頂蓋總成的重要組成部分，也是支撐和固定大型天窗尤其是全景天窗的重要部件。圖1所示為某大型乘用車天窗加強(qiáng)環(huán)，材料為ST280，屈服強(qiáng)度為280～420 MPa，抗拉強(qiáng)度≥440 MPa，料厚為1.2 mm，屬于高強(qiáng)度鋼板，左右對(duì)稱，內(nèi)部中空，由于其形狀受頂蓋外板造型限制，設(shè)計(jì)成與頂蓋外板形狀附貼的弧面形結(jié)構(gòu)，但成形過程中易出現(xiàn)回彈。其焊點(diǎn)遍布四周法蘭邊及天窗口翻邊法蘭，按照零件尺寸公差要求，四周法蘭邊搭接面尺寸公差為±0.5 mm，天窗口翻邊法蘭關(guān)鍵區(qū)域型面尺寸公差為±0.3 mm，且平行度公差為0.3 mm。

圖1 天窗加強(qiáng)環(huán)造型結(jié)構(gòu)

天窗加強(qiáng)環(huán)的回彈問題導(dǎo)致頂蓋總成各部件無法匹配，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致頂蓋外板偏移，產(chǎn)生面品缺陷，所以有必要提升天窗加強(qiáng)環(huán)的合格率和尺寸精度[1,2]，其關(guān)鍵在于解決天窗加強(qiáng)環(huán)的回彈問題。

1 沖壓工藝分析

天窗加強(qiáng)環(huán)投影輪廓尺寸為1 871 mm×1 208 mm，如圖2所示。在零件設(shè)計(jì)前期，為避免浪費(fèi)天窗加強(qiáng)環(huán)中空部位的廢料，在拉深工序前通過激光切割工藝切割中間板料，收集并重復(fù)利用，如圖3所示，以提高材料利用率的同時(shí)控制制造成本。

圖2 天窗加強(qiáng)環(huán)投影輪廓尺寸

圖3 激光切割落料

沖壓工序排布為拉深、修邊沖孔、修邊沖孔、翻邊整形，如圖4所示。天窗加強(qiáng)環(huán)沖壓工藝關(guān)鍵在于拉深工序，在板料拉深成形后移出模具，模具對(duì)其施加的約束消失，此時(shí)零件會(huì)受內(nèi)應(yīng)力作用產(chǎn)生回彈變形，在修邊沖孔過程中零件內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步釋放，回彈變形愈發(fā)明顯，即使經(jīng)過翻邊整形，其效果不如拉深的修正效果好。

采用AutoForm軟件結(jié)合設(shè)定的工藝對(duì)零件進(jìn)行CAE成形性分析，推算成形力。圖5所示為經(jīng)過多輪CAE分析和優(yōu)化后的結(jié)果，拉深筋系數(shù)為0.35（系數(shù)越大筋的阻力越大，反之則越?。M可能保證零件成形充分，減少回彈。

圖5 工藝補(bǔ)充及拉深筋系數(shù)

拉深工序設(shè)置壓料力為3 000 kN，成形力為16 500 kN時(shí)，模擬得到的天窗加強(qiáng)環(huán)零件各階段拉深成形狀態(tài)，如圖6所示。零件成形到底前10、5、2 mm及到底狀態(tài)均無開裂和起皺現(xiàn)象，結(jié)合起皺準(zhǔn)則和變量分析，表明無風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 拉深各階段狀態(tài)

拉深工序分析不僅需要判斷開裂和起皺產(chǎn)生的位置，更應(yīng)該考慮零件成形不足與回彈可能產(chǎn)生的位置并提出改善方案。通過選擇合理的沖壓方向、坯料尺寸以及優(yōu)化壓料面、壓邊力、工藝補(bǔ)充面、拉深筋系數(shù)等參數(shù)，以獲取最優(yōu)的成形性分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)天窗加強(qiáng)環(huán)拉深工序的優(yōu)化，CAE分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 CAE分析結(jié)果

2 回彈現(xiàn)象及影響

天窗加強(qiáng)環(huán)零件全工裝首件調(diào)試出件后，自由狀態(tài)下零件回彈扭曲，局部三處RPS（reference point system，基準(zhǔn)參考系統(tǒng)）超差，最大偏差值為0.5 mm，如圖8所示。三坐標(biāo)掃描檢測(cè)發(fā)現(xiàn)零件型面合格率僅為75%。因其已完成全工裝，符合全工序整改優(yōu)化條件。

圖8 RPS點(diǎn)分布及超差位置

在頂蓋總成焊接及PCF（parts co-ordinate fix-ture，即工件（單件及總成）按其各個(gè)的加工基準(zhǔn)安裝后進(jìn)行匹配檢測(cè)）過程中，天窗加強(qiáng)環(huán)四周法蘭邊區(qū)域與頂蓋外板四周翻邊法蘭區(qū)域搭接，RPS不貼合會(huì)導(dǎo)致天窗加強(qiáng)環(huán)自由狀態(tài)下與頂蓋外板搭接面貼合狀態(tài)差，如圖9所示，左側(cè)最大間隙為1.0 mm，右側(cè)最大間隙為0.6 mm。

圖9 焊接夾具上兩者搭接面貼合差

焊接夾具夾緊狀態(tài)下，天窗加強(qiáng)環(huán)a、b處型面回彈，搭接狀態(tài)差，c、d處型面局部翹曲均產(chǎn)生于拉深工序，由于天窗加強(qiáng)環(huán)較大，內(nèi)部中空，且空間弧形結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過拉深工序后產(chǎn)生了較大的變形量和內(nèi)應(yīng)力，又因其材質(zhì)為高強(qiáng)鋼板，在后工序修邊后其內(nèi)部應(yīng)力獲得釋放，導(dǎo)致回彈甚至局部產(chǎn)生扭曲，如圖10所示。較大的回彈量不僅影響了頂蓋總成的焊接，還產(chǎn)生了總成PCF問題，使焊接后頂蓋外板變形及頂蓋外板波浪，影響頂蓋總成各部件的匹配。

圖10 天窗加強(qiáng)環(huán)零件回彈位置

在解決天窗加強(qiáng)環(huán)回彈問題時(shí)需要明確回彈區(qū)域及產(chǎn)生原因，a～d處型面狀態(tài)造成整體零件扭曲，且有較多的檢測(cè)點(diǎn)超出公差，此時(shí)的扭曲力無法通過整形工序消除。要從根本上消除零件扭曲，只能通過整改拉深工序與拉深模才能實(shí)現(xiàn)。

3 回彈分析及優(yōu)化

天窗加強(qiáng)環(huán)設(shè)計(jì)成與頂蓋外板形狀附貼的弧面形結(jié)構(gòu)，成形過程中易回彈，其拉深質(zhì)量決定最終的成形質(zhì)量，所以拉深模的調(diào)試尤為重要。

3.1 壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)檢查

模具上機(jī)后，需要確認(rèn)下模托桿高度是否合適，托桿高度對(duì)壓料板間隙、材料流動(dòng)均勻性有影響；檢查無誤后抬升模具，打開凸、凹模，檢查模具運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否正常，并且研修導(dǎo)板滑配面使其均勻著色，同時(shí)檢查模具運(yùn)動(dòng)與凸、凹模以及壓料面位置關(guān)系是否符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 拉深模著色研配

在拉深模初始狀態(tài)下，光順凸模基準(zhǔn)、研合凸、凹模和壓料面并油石打磨及拋光，如圖11所示，隨后上壓力機(jī)進(jìn)行著色研配出件，著色需要符合工序設(shè)計(jì)和CAE分析要求，實(shí)際著色時(shí)需注意：①零貼面（S面）區(qū)域（在檢具上的夾持點(diǎn)）著色，如圖12所示，要保證該區(qū)域所有工序都成形到位；②關(guān)鍵成形R角、棱線以及拉深筋管理面著色，保證壓料筋到凹模著色率達(dá)到90%～95%，壓料筋以外50 mm達(dá)到80%，沒有壓料筋的區(qū)域保證凹模以外50 mm達(dá)到90%～95%。

圖11 拉深模研配

圖12 零貼面（S面）區(qū)域分布

圖13所示為天窗加強(qiáng)環(huán)拉深凸、凹模及壓料面著色情況，對(duì)模具反復(fù)研修，提升著色率達(dá)到階段性合格標(biāo)準(zhǔn)后，所有凸R角修磨至光順圓滑。

3.3 模具整改及優(yōu)化

整改計(jì)劃為全工序整改，整改原則如下：先整改S面，后整改a～d型面；回彈補(bǔ)償量要依據(jù)實(shí)際出件檢測(cè)結(jié)果和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)以及補(bǔ)償后的出件效果不斷調(diào)整優(yōu)化，需要注意的是回彈補(bǔ)償要根據(jù)拉深和整形效果綜合計(jì)算分析；零件主型面根據(jù)修邊工序后應(yīng)力釋放量進(jìn)行回彈補(bǔ)償，整形區(qū)域根據(jù)成品件的回彈量進(jìn)行回彈補(bǔ)償。

結(jié)合天窗加強(qiáng)環(huán)階段性實(shí)際裝車匹配驗(yàn)證效果，拉深模整改區(qū)域如圖14所示，凸、凹模型面參照整改區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)焊處理，補(bǔ)焊后按最新整改數(shù)模去余量加工，隨后經(jīng)淬火處理，檢查點(diǎn)合格率達(dá)90%以上，繼續(xù)數(shù)控降銑精加工（向下銑削），隨后調(diào)試研合模具。

圖14 拉深模整改區(qū)域

整形模局部補(bǔ)焊微調(diào)，補(bǔ)焊處理位置如圖15所示，左右對(duì)稱補(bǔ)焊，焊后按最新數(shù)模對(duì)稱加工。

圖15 翻邊整形模整改

3.4 階段性效果確認(rèn)

按照以上整改方案，經(jīng)過2輪全工序調(diào)整，整改后的RPS點(diǎn)全部合格，如圖16所示，零件型面合格率達(dá)到95.08%，四周與頂蓋外板搭接區(qū)域最大超差點(diǎn)超差僅0.1 mm（公差為±0.5 mm，而最大偏差為0.6 mm），如圖17所示。同時(shí)，根據(jù)總成匹配效果提出的階段性整改清單以及匹配修正指示，繼續(xù)按照匹配要求整改優(yōu)化，直至出件狀態(tài)符合要求，方可執(zhí)行偏差認(rèn)可，完成最終整改。整改后的天窗加強(qiáng)環(huán)與頂蓋外板搭接面貼合效果好，回彈問題得到優(yōu)化和解決，頂蓋總成匹配效果符合裝車驗(yàn)證需求，如圖18所示。

圖16 整改后RPS點(diǎn)檢查

圖17 整改后零件型面三坐標(biāo)檢測(cè)

圖18 整改后搭接面貼合效果好

3.5 回彈優(yōu)化過程分析

對(duì)于天窗加強(qiáng)環(huán)回彈問題，需要不斷反復(fù)優(yōu)化拉深模和整形模，尤其拉深模的整改最為重要，需要根據(jù)實(shí)際出件的回彈區(qū)域與回彈量，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及回彈補(bǔ)償整改后的出件效果進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直至零件精度檢測(cè)達(dá)標(biāo)，滿足裝車匹配的要求，回彈優(yōu)化過程如圖19所示。

圖19 回彈優(yōu)化過程

4 結(jié)束語

通過成形性分析與合理的沖壓工序排布以及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將天窗加強(qiáng)環(huán)回彈量盡可能減小。在調(diào)試過程中首先確定回彈發(fā)生的區(qū)域，并分析產(chǎn)生的原因以及需要重點(diǎn)整改的工序，明確拉深模對(duì)零件回彈的重要影響作用，同時(shí)運(yùn)用CAE分析、回彈補(bǔ)償、模具優(yōu)化等方式整改拉深模，最終才能實(shí)現(xiàn)零件回彈優(yōu)化，提高零件合格率。