汽車發(fā)動機蓋過涂變形問題及對策的系統(tǒng)化分析

摘要：汽車發(fā)動機蓋過涂變形的研究，由來已久。直至今日，它依然困擾著各大主機廠的工藝工程師們。一則發(fā)蓋的制作、過涂過程涉及到了眾多工藝技術(shù)；二則不同車型的發(fā)蓋千姿百態(tài)，具體的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計，無法一概而論。本文從過涂變形發(fā)生的受力的來源、遏制對策等角度，系統(tǒng)性地剖析過涂變形問題。

關(guān)鍵詞：過涂變形；系統(tǒng)化；工藝技術(shù)；結(jié)構(gòu)剛性

機蓋過涂變形，一般指機蓋自焊裝調(diào)整線裝調(diào)完畢，隨車身經(jīng)過輸送，到達涂裝車間并完成所有涂裝作業(yè)后出現(xiàn)明顯變形并嚴重影響整車匹配的情況。

此問題涉及了眾多的工藝技術(shù)，包括并不限于包邊工藝、涂裝電泳輸送工藝、薄板連接工藝、折邊膠選型等。

另外，發(fā)蓋板材厚度、材料、內(nèi)外板結(jié)構(gòu)造型、焊點布局等都會對發(fā)蓋過涂變形程度造成影響。

機蓋過涂變形的現(xiàn)象

我們以某車型（以下以A型車指代）的發(fā)蓋為例。

初期驗證時，因涂裝車間工藝路線問題，A車型經(jīng)歷了兩種不同的電泳輸送過涂方式。

A車型在經(jīng)過涂裝Ⅱ車間后，發(fā)蓋前端兩側(cè)尖角凸起；在經(jīng)歷裝Ⅲ車間后，發(fā)蓋前端中央凸起。如圖1、圖2所示。

且經(jīng)涂裝Ⅲ車間發(fā)生的變形量明顯低于涂裝Ⅱ車間。

經(jīng)調(diào)查，涂裝Ⅱ車間的電泳輸送線是ro dip3線體（翻滾線，見圖3），而涂裝Ⅲ車間使用擺桿鏈船式輸送線（見圖4）。兩車間除輸送線體差異外，工藝過程、參數(shù)基本一致。

由此可知，不同輸送線下，發(fā)蓋經(jīng)歷的不同液體浸沒過程，會受到不同的力量作用，并因此產(chǎn)生不同的變形情況。不同的水流沖擊形式是發(fā)蓋過涂變形的重要原因。

機蓋變形的原因分析

力是改變物體形狀和運動狀態(tài)的充分必要條件。機蓋出現(xiàn)過涂變形，必定是因為受到了力的作用。力是從哪里來的？

考慮到發(fā)蓋內(nèi)的各種膠體，在電泳烘烤前未能起效、電泳烘烤后完全固化（起效）。結(jié)合各類驗證結(jié)果，我們可以確定，發(fā)蓋過涂變形的主要變形過程是在電泳烘烤結(jié)束時完成的。

此階段，發(fā)蓋經(jīng)歷的工藝過程有：入涂轉(zhuǎn)運、前處理、電泳以及電泳烘烤。

其中前處理環(huán)節(jié)有液體沖擊（含浸沒）過程、化學反應過程。我們只討論液體沖擊影響。

我們可以總結(jié)出以下3種最可能的受力變形：

1）轉(zhuǎn)運磕碰——機蓋隨車轉(zhuǎn)運過程中的磕碰。

2）水流沖擊——發(fā)蓋在電泳、前處理過程受水流的沖擊力影響，產(chǎn)生不可逆的塑性形變。

3）受熱變形——電泳烘烤時，發(fā)蓋的受熱變形被固化起效的折邊膠、膨脹膠及補強膠片等固定住。受熱變形的發(fā)蓋，無法在強冷降溫后恢復原狀（也有烤漆硬化的因素）；或者折邊膠等膠體受熱變形進而導致發(fā)蓋變形。

機蓋過涂變形的對策研究

上述三種力是怎么作用到發(fā)蓋上的？能否降低它們，或抑制、抵消它們的作用結(jié)果？只要找到降低這三種力的方法，或者成功抑制它們的作用，我們就可以有效遏制機蓋過涂變形。

換言之，解決過涂變形問題，有兩種思路。一種思路是降低三種力；另一種思路是抑制三種力的作用效果

1.從降低三種力的角度，研究過涂變形的對策

1）優(yōu)化轉(zhuǎn)運過程，避免磕碰" "除了特殊車型的生產(chǎn)條件原因，大部分車型白車身都是由專用輸送線直接輸送至涂裝車間，除了人工操作不當，過程顛簸磕碰等問題幾乎可以忽略不計。

2）降低發(fā)蓋熱變形程度、布置膨脹膠時避開熱變形較大的區(qū)域" 常規(guī)鋼鐵材料都具有熱脹冷縮的特性。涂裝電泳烘烤溫度一般160℃以上，而一般膠體固化溫度140℃左右。因此就會出現(xiàn)膨脹膠固化時，鈑金不一定在正常位置。冷卻后鈑金也會受膨脹膠固化粘接影響，無法恢復原狀。可以通過CAE分析，模擬受熱140℃情況，查看發(fā)蓋變形情況，再觀察不同膠體、焊點布局在膠體固化后繼續(xù)升溫、冷卻對發(fā)蓋的影響。這樣可以研究、降低發(fā)蓋烘烤變形的可能。

3）優(yōu)化膠品，避免各類膠體烘烤變形過大，帶動發(fā)蓋變形" 不同品質(zhì)的膠體受烘烤發(fā)生不同程度的變形，甚至引發(fā)四門兩蓋變形的問題，各主機廠時有發(fā)生。相應案例、問題解決過程、各企業(yè)標準等早就存在。此處不做贅述。

4）降低水流沖擊時的受力" 從車型A過涂裝Ⅱ車間、涂裝Ⅲ車間變形程度和變形位置不同的案例看，不同的電泳輸送線對同一車型發(fā)蓋的影響不同。簡化模型，分析發(fā)蓋與水流方向夾角在固定流速（輸送線速度）下受力。如圖5所示。

以常識和驗證結(jié)果講，圖5所受∠1越小，發(fā)蓋正對水流方向的垂直截面積越小，所受沖擊越小。套用到涂裝Ⅱ車間。因為rodip3線體為翻滾線體，發(fā)蓋實際受力正對著水流方向呈90°。所以變形程度也高于涂裝Ⅲ車間。

我們也利用這一猜想，在B車型發(fā)蓋上進行驗證。

調(diào)整B車型電泳工裝高度，降低其發(fā)蓋開啟角度，縮小整車水平運動時發(fā)蓋與水流方向（相對流動）夾角、入水瞬間與水平面夾角。這一驗證最終被證實有效，明顯降低了B車型過涂變形程度。過涂前后發(fā)蓋平度變化最大值由1.5mm降低至0.5mm。如圖6所示。

2. 從抑制三種力的作用角度，研究過涂變形問題的對策

首先，會對匹配間隙、平度造成影響的變形，必定是檢具可以探測出的變形。其發(fā)蓋邊緣相對位置已經(jīng)發(fā)生變化，因此無法通過調(diào)整緩沖塊來彌補缺陷。如圖7所示。既然檢具可以檢測出過涂變形，那么作為檢具基準支撐所在、外板包邊支撐所在的內(nèi)板必定變形。

發(fā)蓋外板受造型制約，無法大改。若想遏制力的作用，只能從內(nèi)板總成剛性、內(nèi)外板連接強度想辦法?？煽偨Y(jié)為以下兩種方式：一是提高內(nèi)板本體或內(nèi)板總成的抗變形能力（剛性）。如果在包邊區(qū)無任何竄動的情況下，發(fā)生變形，添加焊點的措施無效。只能直接提高內(nèi)板總成本體剛性。二是加強內(nèi)外板包邊區(qū)域連接強度避免內(nèi)外板相對竄動（含局部竄動）——包邊區(qū)連接強度一旦被克服，外板局部“自由”變形，發(fā)蓋變形程度只會比被克服前更大。

（1）優(yōu)化內(nèi)板、內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)剛性。

1）更改內(nèi)板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化內(nèi)板本體" 如圖8所示。C車型在內(nèi)板前端增加加強筋后，變形程度明顯降低。C車型發(fā)蓋的檢具測量值的過涂前后平度變化（過涂后測量值-過涂前測量值），由增加加強筋前的，均值+0.9mm、最大變形+1.6mm，降低到均值+0.3mm，最大變形+0.6mm。

2）使用CAE技術(shù)，模擬分析發(fā)蓋過涂過涂變形，趨勢與手工驗證結(jié)果完全一致。如果能將仿真分析更加精細化，縮小分析與驗證結(jié)果間的差異，過涂變形必定可以在產(chǎn)品研發(fā)初期得到有效遏制、規(guī)避。

3）增加電泳工裝支點，通過多支點固定方式，減少內(nèi)板變形" "從受力角度講，發(fā)蓋電泳時的固定點就是水流沖擊下直接的受力集中點。但是支點局部的變形如圖9所示，相比較發(fā)蓋邊緣大范圍變形、影響匹配效果，更容易被接受。

優(yōu)化內(nèi)板加強板結(jié)構(gòu)，改善內(nèi)板總成剛性" 常見的發(fā)蓋內(nèi)板加強板，多用于加固發(fā)蓋鉸鏈、加固發(fā)蓋鎖扣。A車型在研究過涂變形優(yōu)化措施時，研發(fā)部門從增加局部剛性的角度，提出了在變形嚴重區(qū)域增加加強板單獨加強該部位的想法。如圖10所示。通過CAE增加重力模擬水流正對沖擊板件的的分析中，同條件下增加加強板后變形降低到原來的60%。此方案，在后續(xù)的D車型正式使用。D車型實際并無明顯過涂變形。

D車型未出現(xiàn)明顯過涂變形后，我們還交流了不同車型的發(fā)蓋前端加強板形式。發(fā)現(xiàn)，部分車型前端使用大包圍加強板，如圖11所示。且鋁制發(fā)蓋多用此結(jié)構(gòu)。

參考D車型情況，大包圍加強板應當可以更為顯著地降低過涂變形情況。

（2）優(yōu)化內(nèi)外板連接強度——連接工藝" 發(fā)蓋總成變形，無論外力如何作用，必定需要克服內(nèi)外版連接強度。而提高連接強度，最直接有效的方式便是增加包邊后的焊接點位。

從CAE的角度來看，不同的焊接方式在點位布局、焊接長度高度（或直徑）相同的情況下，并沒有本質(zhì)差異。在焊接可靠的情況下，焊接位置失效的方式，都是母材撕裂。不同的焊接方式不過是給建立的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)定不同的彈性極限、強度極限之類物理量。而一般焊接結(jié)構(gòu)的力學性能都要高于母材——全破壞檢驗合格標準為母材撕裂而焊接結(jié)構(gòu)不開裂。

所以，優(yōu)化連接工藝的重點，是較高的表面質(zhì)量、工時要求下，如何實現(xiàn)連接強度的最大化、發(fā)蓋整體剛度的最大化。

最有效的就是優(yōu)化焊接位置布局，提高整體剛性，攤薄各處連接的受力，降低連接失效、發(fā)蓋變形的風險。

1）單面點焊" 增加點位的成本和周期較高，焊接后外板表面極易出現(xiàn)焊接變形痕跡。在外板表面要求高的情況下，極易出現(xiàn)為保證外觀降低電流導致虛焊的情況，容易在過涂環(huán)節(jié)出現(xiàn)脫焊。

2）激光自熔焊和激光飛行焊" 自熔焊和飛行焊，焊接原理相同，熱變形小。

兩者差異在于焊接設(shè)備。飛行焊焊接效率相對更高。

對于后期驗證增加焊點時，飛行焊更方便實現(xiàn)。而且飛行焊的焊點造型可以自定義，整體焊接強度好。

3）阿普拉斯焊" 需要預先沖出凸臺，成本較高。且后期調(diào)試增加焊點相對困難。

4）二保焊" 熱變形最大，表面質(zhì)量最差。后期調(diào)試增加焊點時，對工時影響大。

5）含有玻璃珠的折邊膠" 玻璃珠成分鑲嵌在包邊區(qū)內(nèi)外板之間，可以起增加摩擦作用，從而防止竄動。但是當包邊壓力不足時，玻璃珠難以直接起效。折邊膠烘烤固化前，防竄作用不明顯。特別是目前主流的包邊工藝——滾邊工藝。如圖12、圖13所示。

6）連接點位布局" 焊接點位越多，發(fā)蓋整體剛性越好、防竄效果越好。但是工時影響越大。就驗證結(jié)果而言，B車型在未降低發(fā)蓋開啟角度的情況下，驗證增加燒焊點位，從燒焊7點增加至燒焊11點，過涂變形情況由明顯好轉(zhuǎn)。過涂前后平度變化均值，由1.2mm降低到0.5mm內(nèi)。但是依然有個別車輛個別點位存在變形較大的情況。變形最大達1.5mm。最終，B車型以降低發(fā)蓋開啟角度+增加燒焊點位的方式，穩(wěn)定解決過涂變形問題。

就連接技術(shù)而言，推薦使用激光焊。這樣后期驗證增加焊點最容易實現(xiàn)，且外觀質(zhì)量可以保證。

整體而言，通過CAE方法直接模擬發(fā)蓋過涂受水流沖擊、烘烤變形時的各焊點受力情況，優(yōu)化焊點分布或增加焊點，實現(xiàn)最少焊點下剛性最佳、焊點周邊應力最小，是連接工藝優(yōu)化的最佳方式。

目前各主機廠發(fā)蓋多使用滾邊的包邊工藝，壓合力較低。時有滾邊后內(nèi)外板間隙過大問題發(fā)生。因而各種連接工藝其實有個共同的風險點——滾邊壓力不足導致內(nèi)外板間隙過大。

內(nèi)外板焊接之前搭接縫隙過大，都會造成虛焊，存在過涂脫焊、內(nèi)外版竄動風險。含玻璃珠的折邊膠同樣會受滾邊壓力影響失效。

機蓋過涂變形的對策實施

我們在實際驗證對策的過程中，重點實施或規(guī)劃了以下4個措施：①增加焊接位置，降低各連接點受力；②優(yōu)化發(fā)蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)，增加內(nèi)板加強筋；③應用激光焊，降低新車型試制驗證期間優(yōu)化調(diào)試的周期和成本；④調(diào)整發(fā)蓋電泳工裝，改變發(fā)蓋入水時與水流方向夾角。

此四項措施中，目前，方案①、方案②、方案④項均已驗證且效果良好，方案③已在公司其他車型應用并證實有效遏制過涂變形。此四種方案可以有效降低過發(fā)蓋涂變形程度。推薦采用。

結(jié)語

首先，汽車發(fā)動機蓋過涂變形是個典型的綜合性問題。它涉及到了眾多的工藝技術(shù)。它后期難以優(yōu)化的特性表明，它需要從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開發(fā)角度整體分析、從源頭遏制。

我們在上述眾多的驗證方案、猜想之外，還提出了“內(nèi)板造型尺寸對內(nèi)板剛性影響”的研究分支。如圖14、圖15所示，我們將常見的發(fā)蓋分成了3大類（U槽型、大面型、階梯型），并且結(jié)合本公司各類車型發(fā)蓋的變形情況，研究它們的截面尺寸和變形程度的關(guān)聯(lián)。以期實現(xiàn)從產(chǎn)品內(nèi)板造型、尺寸角度規(guī)避過涂變形。

只是此數(shù)據(jù)缺少強有力的、直觀的過涂變形分析依據(jù)。比如CAE分析結(jié)果。在極端情況下，也許某車型發(fā)蓋會出現(xiàn)“各種已知后期措施均無法遏制過涂變形”的極端情況。包括增加前端加強筋、增加燒焊位置等。我們?nèi)绾我?guī)避這種極端問題？完整地貼近實際情況的前期CAE分析想必可以解決這一問題。

2024奇瑞全球創(chuàng)新大會盛大開幕

2024年10月18日，以“科技 智馭未來”為主題的2024奇瑞全球創(chuàng)新大會在安徽蕪湖拉開序幕。本屆創(chuàng)新大會由原來的奇瑞科技DAY升級而來，由一天升級為持續(xù)一周的科技創(chuàng)新盛會。當天，活動最重磅的主題大會在蕪湖宜居博覽中心隆重舉辦，上千位政府、院校、科研、專家、全球合作伙伴，其中包括600余名國際友人，共同見證這一科技創(chuàng)新盛會。大會系統(tǒng)性的展示了奇瑞在全科技領(lǐng)域上的創(chuàng)新實踐和成果，共同探討對未來汽車發(fā)展的深入思 考，向全球汽車產(chǎn)業(yè)彰顯出中國汽車品牌的硬核實力。

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