關(guān)于頂蓋外板坑包問題的研究

文／郜連勇，邰偉彬，鹿勝寶，王力，陳雪元·中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司

隨著汽車工業(yè)的不斷進(jìn)步，對(duì)汽車外覆蓋件的外觀質(zhì)量等的要求越來越高。特別是家用轎車的頂蓋外板由于高度較低，坑包缺陷能明顯地顯示出來，在AUDIT 面品評(píng)審中一般會(huì)劃為Ⅰ區(qū)。頂蓋外板的面品質(zhì)量嚴(yán)重影響著整車的外觀質(zhì)量。本文將從產(chǎn)品、工藝、實(shí)物的角度剖析頂蓋外板坑包問題的產(chǎn)生原因。

由于產(chǎn)品、工藝、實(shí)物等方面的原因，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的頂蓋外板制件上一般都存在部分曲面不順的區(qū)域，通過手摸、油石、砂紙以及光反射等檢查手段可以發(fā)現(xiàn)這些位置存在坑、包甚至波浪等面品缺陷。該類缺陷主要發(fā)生在頂蓋天窗口拐角位置(圖1)、主型面四角位置(圖2)。此外，前沿棱線附近(圖3)、尾部中央(圖4)也有少量發(fā)生。

圖1 天窗拐角坑

圖2 頂蓋后角坑

圖3 頂蓋前沿坑

圖4 頂蓋尾部中央長(zhǎng)條坑

產(chǎn)生機(jī)理分析

坑包的出現(xiàn)是曲面不順的一種直觀體現(xiàn)，原因是多樣的。無論是產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段、成形工藝設(shè)計(jì)階段，還是實(shí)物調(diào)試驗(yàn)證階段都可能造成坑包的產(chǎn)生。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段

汽車車身曲面按照其可見程度可以分為A、B、C 三級(jí)曲面。車身的A 級(jí)曲面，是指汽車車身外表面中的高可見區(qū)域，曲面品質(zhì)要求達(dá)到G2 階曲率連續(xù)或G2 階以上連續(xù)。頂蓋外板正屬于該類A 級(jí)曲面。

在曲面造型凍結(jié)時(shí)，由于面片劃分過多，導(dǎo)致拼接的不連續(xù)性或者曲率變化較大及變化不均勻而形成皺紋面，這些都將影響曲面的光順性，最終將反映在面品缺陷上。對(duì)于頂蓋外板而言，與側(cè)圍外板搭接位置處特征線附近的曲面曲率不連接(圖5)、曲面曲率的急劇變化等都會(huì)導(dǎo)致制件先天性的坑包面品缺陷。

圖5 產(chǎn)品數(shù)模拼接面曲率不連續(xù)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，另一項(xiàng)影響產(chǎn)品坑包面品問題的主要因素是產(chǎn)品材料參數(shù)。頂蓋外板板厚一般為0.6 ～0.7mm，材質(zhì)選用冷軋或鍍鋅板，剛度較差。再加上后面要提及的成形減薄不足的因素，制件容易出現(xiàn)塌陷，表現(xiàn)在其型面中部或天窗口后部形成漫坑。某車型頂蓋材質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 某車型頂蓋材質(zhì)參數(shù)

工藝設(shè)計(jì)階段

工藝設(shè)計(jì)對(duì)坑包面品缺陷的影響因素主要有成形過程儲(chǔ)料情況、材料流動(dòng)及型面減薄情況。

如圖6 所示，通過提升壓邊圈升起高度可以增加產(chǎn)品型面內(nèi)板料的儲(chǔ)料情況，但如果該部分料在成形結(jié)束時(shí)仍未有效展開，則會(huì)因多料而產(chǎn)生坑包缺陷。此外，模具壓料圈的觸料先后也會(huì)導(dǎo)致型面上多料，最終導(dǎo)致坑包缺陷。

圖6 壓邊圈與上模閉合后板料的變形情況

材料流動(dòng)不一致也是導(dǎo)致坑包缺陷出現(xiàn)的一個(gè)重要原因，在拐角等復(fù)雜型面區(qū)域，材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)有較大變化，反映到實(shí)物上就是走料不一致。圖7 所示為頂蓋拐角處的應(yīng)變狀態(tài)，在拐角兩側(cè)較遠(yuǎn)的區(qū)域呈現(xiàn)拉—拉的應(yīng)變狀態(tài)，而拐角立壁附近則呈現(xiàn)拉—壓的應(yīng)變狀態(tài)。這一應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)反映在頂蓋外板上，其現(xiàn)象就是拐角尖點(diǎn)向立壁的材料流動(dòng)量低于兩側(cè)位置，最終也就形成了頂蓋角部有坑的缺陷。

圖7 頂蓋拐角位置的應(yīng)變狀態(tài)

型面減薄是坑包出現(xiàn)的另一項(xiàng)重要原因，為了保證制件的成形穩(wěn)定性及剛度，制件的減薄率要求在3%～4%。如果產(chǎn)品型面邊緣棱線R 角過小、型面曲率過小或者無特征線都將降低成形工藝的減薄率，在減薄不足的部位就會(huì)由于剛度不足的問題產(chǎn)生塌陷并出現(xiàn)漫坑。

實(shí)物調(diào)試階段

在實(shí)物制件尤其是首件上，很大一部分質(zhì)量問題都是來源于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)物調(diào)試。在調(diào)試過程中，模具研配直接關(guān)系著制件的面品質(zhì)量。在模具研配引起的面品缺陷中，多數(shù)坑包缺陷出現(xiàn)在模具結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域。

⑴拉延空開。

如圖8 所示，為了減少加工量、降低研配工作量等，往往對(duì)模具標(biāo)準(zhǔn)著色圖中非著色區(qū)域進(jìn)行讓空加工。讓空部分與研配部分過渡不順或過渡劇烈都將導(dǎo)致制件該區(qū)域的曲面不順，呈現(xiàn)前文所述的尾部中央有長(zhǎng)條坑問題。

圖8 拉延尾部的模具空開狀態(tài)

⑵活動(dòng)凸模。

兩廂頂蓋外板尾部成形存在負(fù)角，一般需要采用側(cè)整方式成形。因此，為了能夠順利取件，側(cè)整斜楔位置一般采用推拉或者插刀式的活動(dòng)凸模(圖9)。在調(diào)試過程中，如果活動(dòng)凸模與下模的固定凸模接縫研配不到位或者活動(dòng)凸模工作狀態(tài)限位不穩(wěn)，都將導(dǎo)致凸模型面分縫位置出現(xiàn)斷差，在斷差的端頭部位一般會(huì)形成坑(圖10)，中部則多形成印痕或波浪缺陷。

圖9 插刀式活動(dòng)凸模機(jī)構(gòu)

圖10 型面分縫端頭坑

⑶淬火變形。

為保證模具連續(xù)生產(chǎn)的耐用性，需要對(duì)凸模進(jìn)行熱處理來提高硬度。對(duì)于頂蓋外板而言，熱處理的區(qū)域應(yīng)選擇成形應(yīng)力應(yīng)變集中的區(qū)域，如型面R 角棱線位置。材料在熱處理時(shí)，受高溫影響一般會(huì)發(fā)生熱變形。在隨后的模具研配中如果沒能將凸模研推光順(圖11)，則將導(dǎo)致頂蓋外板沿棱線有坑的出現(xiàn)。

圖11 凸模周圈R 角熱處理后未光順到位狀態(tài)

⑷壓料間隙。

壓料間隙的研配是模具研配階段的主要工作，也是多數(shù)非預(yù)期面品缺陷出現(xiàn)的根本原因。受壓料間隙的影響，材料流動(dòng)的約束會(huì)出現(xiàn)一定的差異。當(dāng)某區(qū)域壓料間隙大于其他區(qū)域時(shí)，該位置的材料缺乏必要的約束會(huì)出現(xiàn)上凸(包)或下陷(坑)狀態(tài)，在拐角等聚料區(qū)域該情況尤為明顯。

壓料間隙一般通過藍(lán)丹或紅丹著色來觀察(圖12)。壓料間隙需要按照模具標(biāo)準(zhǔn)著色圖執(zhí)行。通過實(shí)現(xiàn)模具的均勻著色來保證模具均勻的壓料間隙，從根本上保證模具在成形時(shí)走料的一致性，避免板料在流動(dòng)時(shí)因壓料間隙不一致而出現(xiàn)較大差異，進(jìn)而形成坑包、波浪的面品缺陷。

圖12 天窗口整形周圈壓料間隙不均勻的著色狀態(tài)

預(yù)防及應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)上文分析出的頂蓋外板坑包缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，可以從以下幾點(diǎn)來預(yù)防及優(yōu)化頂蓋外板的此類缺陷。

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度而言，CAS 數(shù)據(jù)可以避免過多的面片，根據(jù)CAS 面確認(rèn)頂蓋外板的主體表面，然后再確定前、后風(fēng)擋玻璃的安裝平面，并根據(jù)典型斷面確定中間翻邊過渡曲面，完成頂蓋外板前部及后部的主體型面構(gòu)建。在過渡曲面的構(gòu)建中也應(yīng)該盡可能采取G3 連續(xù)的方式去造型。這樣，即使受加工精度等因素影響發(fā)生曲率連續(xù)性衰減，也能最大程度降低出現(xiàn)坑包缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。再者，為保證工藝成形足夠的減薄率及剛度，需要對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些妥協(xié)，如設(shè)計(jì)帶臺(tái)階的翻邊面(圖13)。相對(duì)于直接翻邊，該設(shè)計(jì)在工藝上更能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品法蘭邊處一次拉延成形，避免設(shè)計(jì)過拉延，同時(shí)帶臺(tái)階的翻邊面結(jié)構(gòu)也有效地提升了產(chǎn)品的剛度。此外，產(chǎn)品材料的選取需要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)而定，對(duì)于不包含特征線、型面曲率小的頂蓋外板，為防止其塌陷可能需要選取厚度更厚、強(qiáng)度更優(yōu)的材料。

圖13 周圈帶臺(tái)階的翻邊面

從工藝設(shè)計(jì)角度而言，需要合理排布成形工藝。對(duì)于頂蓋外板周圈翻邊，盡可能避免設(shè)計(jì)過拉延，直接拉延成形，減少儲(chǔ)料，優(yōu)化后續(xù)整形的坑包缺陷；對(duì)于兩廂車頂蓋外板后部的側(cè)整形，需要先對(duì)尾部棱線處進(jìn)行等深整形然后再進(jìn)行側(cè)整，避免因側(cè)整深度差異、走料不一致帶來的型面坑包缺陷；對(duì)于整體減薄率不足問題，可以在保證產(chǎn)品的安全裕度前提下，調(diào)整周圈拉延筋的強(qiáng)度以控制走料及減薄。某兩廂車頂蓋外板的工藝路線見圖14。

圖14 某兩廂車頂蓋外板的工藝路線

從實(shí)物調(diào)試角度而言，需要做好模具的基礎(chǔ)工作。模具空開處在加工完畢后必須要手工光順過渡，過渡區(qū)域不得過?。换顒?dòng)凸模的接縫需要推順，且活動(dòng)凸模到位后的限位機(jī)構(gòu)不得存在竄動(dòng)，保證工作狀態(tài)的穩(wěn)定性；熱處理后緊跟著模具的推光，對(duì)于大面積熱處理后需要進(jìn)行鑄件掃描，存在大面積形變時(shí)可能需要重新進(jìn)行機(jī)加工去量；模具研配時(shí)，保證均勻的壓料間隙，對(duì)于拐角或走料不一致區(qū)域的壓料問題，需根據(jù)實(shí)際制件情況確定是否進(jìn)行強(qiáng)壓處理。除了以上的基礎(chǔ)工作要求外，還可以通過新技術(shù)、新加工工藝來保證模具的調(diào)試質(zhì)量,如采用激光淬火代替火焰淬火來降低熱處理的變形等。此外，還可以借助一系列的輔助檢測(cè)手段來檢驗(yàn)實(shí)際的調(diào)試效果，如采用斷差表判斷型面的光順性(圖15)。

圖15 斷差表檢測(cè)頂蓋凸模的光順性

結(jié)束語

從產(chǎn)品到工藝再到調(diào)試，頂蓋外板上坑包面品問題發(fā)生的階段不盡相同。本文總結(jié)了頂蓋外板在生產(chǎn)準(zhǔn)備過程中常見的一些坑包產(chǎn)生的機(jī)理及措施，而且文中的措施在實(shí)際開展的新項(xiàng)目中也已經(jīng)被采用并取得了一定成效。及時(shí)識(shí)別問題并進(jìn)行預(yù)防正是IATF 16949:2016 的質(zhì)量要求；研究并預(yù)防頂蓋外板的坑包問題也將有益于企業(yè)的精益生產(chǎn)。