基于尺寸和表面質(zhì)量的頂蓋模具型面補(bǔ)償方法

針對(duì)奧迪車型天窗頂蓋沖壓模具，提出在設(shè)計(jì)階段通過對(duì)各工序模具進(jìn)行型面補(bǔ)償來保證零件的質(zhì)量；結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量要求，確定型面補(bǔ)償內(nèi)容為零件型面尺寸的回彈補(bǔ)償和局部表面的凹陷補(bǔ)償；結(jié)合型面補(bǔ)償?shù)牧鞒?，采用有限元分析軟件，?duì)全工序的型面回彈進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定模具型面的補(bǔ)償方案和補(bǔ)償量，最終應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，得到較為理想的結(jié)果。

頂蓋作為車身關(guān)鍵外覆蓋件之一，其沖壓件的質(zhì)量直接影響著后續(xù)的焊接工藝和車身的最終質(zhì)量；奧迪車型由于其自身質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及頂蓋與側(cè)圍采用激光焊接工藝，因而對(duì)頂蓋沖壓?jiǎn)渭某叽缇群捅砻尜|(zhì)量有著相對(duì)更高的要求。然而由于鋼板材料本身的特性以及頂蓋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，零件在沖壓成形后會(huì)產(chǎn)生回彈且無法避免；進(jìn)而導(dǎo)致零件尺寸發(fā)生偏差以及表面產(chǎn)生一些無法避免的質(zhì)量缺陷。在模具調(diào)試階段對(duì)這些問題進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，往往需要對(duì)型面進(jìn)行頻繁的燒焊甚至將模具降面，影響模具的制造進(jìn)度，成本也大幅提高。如果在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求和以往車型的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬分析，對(duì)模具各工序型面進(jìn)行合理的補(bǔ)償，那么不僅可以有效保證零件的質(zhì)量，還可以大幅提高效率，降低模具制造成本。

產(chǎn)品特征及沖壓工藝概述

天窗頂蓋產(chǎn)品如圖1 所示，產(chǎn)品外表面為一張A級(jí)曲面；按照頂蓋在車身上的位置、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要可以分為以下幾個(gè)區(qū)域：前風(fēng)窗區(qū)域A、與側(cè)圍激光焊接區(qū)域B、天窗區(qū)域C 和尾部（近背門處）流水槽區(qū)域D，從各區(qū)域輪廓線法向的截面特征可以看出，產(chǎn)品四周相對(duì)于整車Z 向均為負(fù)角，流水槽區(qū)域形狀較為復(fù)雜，而且深度也相對(duì)較大。

圖1 典型頂蓋產(chǎn)品

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合沖壓工藝設(shè)計(jì)的基本理論，其沖壓工藝設(shè)計(jì)如圖2 所示，共需要六道工序：前風(fēng)窗區(qū)域通過拉延、修邊、整形、斜楔整形及沖孔五道工序成形；側(cè)圍焊接區(qū)域通過拉延、修邊、翻邊及斜楔翻邊四道工序成形；天窗區(qū)域采用拉延、修邊、翻整三道工序成形，其中翻整工序采用夾料整形；流水槽區(qū)域的成形工藝直接影響著零件最終質(zhì)量，成形難度相對(duì)較大，需要拉延、預(yù)修邊、一次整形、斜楔整形、修邊沖孔、上翻加切邊六道工序成形，并且一次整形和斜楔整形的區(qū)域兩側(cè)采用壓料整形，以保證成形質(zhì)量最優(yōu)及調(diào)試便捷。

(a) OP20 拉延

(b) OP30 修邊

(c) OP40 翻整

(d) OP50 側(cè)整

(e) OP60 側(cè)整修邊

(f) OP70 翻整修邊

圖2 沖壓工藝

型面補(bǔ)償內(nèi)容

頂蓋產(chǎn)品本身曲率較小且單一，產(chǎn)品剛度相對(duì)較差，結(jié)合多個(gè)車型的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，剛度不僅影響著沖壓件尺寸和表面質(zhì)量的穩(wěn)定性，也對(duì)焊接工藝的穩(wěn)定性有著較大的影響。為保證成形后的產(chǎn)品剛性，要求中心區(qū)域自由型面尺寸控制在0.5 ～ 1.0mm 之間，即保證頂蓋稍外凸；為保證匹配間隙和目視效果，車身前后兩端和天窗的輪廓公差要求為±0.3mm；車身兩側(cè)與側(cè)圍搭接區(qū)域輪廓要做到0 ～ 0.5mm，并且長(zhǎng)度在300mm 內(nèi)尺寸偏差的波動(dòng)量不超過0.2mm，以保證激光焊接的焊縫質(zhì)量；在主型面尺寸穩(wěn)定合格的前提下，只要對(duì)輪廓進(jìn)行了合理的公差偏移和加工偏差預(yù)留，對(duì)翻邊工序預(yù)留合理的回彈角，那么輪廓尺寸便比較容易保證，因此尺寸保障的關(guān)鍵在于對(duì)主型面進(jìn)行回彈補(bǔ)償以保證零件主型面尺寸合格。

表面質(zhì)量

圖3 為完成天窗和流水槽區(qū)域成形后，結(jié)合應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)可能產(chǎn)生表面缺陷區(qū)域的模擬預(yù)測(cè)，通過模擬結(jié)果可以看出，產(chǎn)生表面缺陷的區(qū)域主要有產(chǎn)品四角、天窗四角和流水槽上方的表面；由于產(chǎn)品造型和沖壓工藝的特點(diǎn)，成形結(jié)束零件內(nèi)部應(yīng)力釋放后，局部會(huì)存在殘余應(yīng)力，且應(yīng)力分布不均勻，從而使零件產(chǎn)生表面缺陷，工藝上很難消除，實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)也確實(shí)如此。對(duì)于表面區(qū)域，要求黑車無扣分項(xiàng)；對(duì)流水槽結(jié)構(gòu)面的區(qū)域，由于是內(nèi)可視區(qū)，同樣要求無起皺、沖擊線等缺陷；產(chǎn)品四個(gè)角部以及結(jié)構(gòu)面部分表面質(zhì)量通過合理的沖壓工藝以及后續(xù)調(diào)試比較容易保證；難點(diǎn)是天窗四角和流水槽上方的表面凹陷，尤其是天窗角部在安裝完天窗之后，表面質(zhì)量經(jīng)常會(huì)發(fā)生惡化，從而對(duì)單件的要求更高；因此需要通過對(duì)局部型面進(jìn)行凹陷補(bǔ)償，以保障零件的表面質(zhì)量。

圖3 表面缺陷預(yù)測(cè)

型面補(bǔ)償方法

通過前述分析，為保障零件質(zhì)量，需要對(duì)頂蓋的模具型面進(jìn)行針對(duì)尺寸回彈和局部表面凹陷的補(bǔ)償；型面補(bǔ)償進(jìn)行的前提是沖壓工藝模擬的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如減薄率、起皺開裂、滑移線、沖擊線等能夠滿足質(zhì)量要求并且工藝足夠穩(wěn)定，即工藝“最優(yōu)化”；整個(gè)工作流程如圖4 所示，首先結(jié)合零件的測(cè)量方式，對(duì)全工序進(jìn)行精確回彈模擬，根據(jù)各工序的回彈模擬結(jié)果，分析回彈產(chǎn)生的原因和工序，如果回彈后的零件尺寸無法滿足產(chǎn)品公差要求，則根據(jù)回彈產(chǎn)生的工序確定回彈補(bǔ)償方案，結(jié)合產(chǎn)品公差要求和回彈量確定補(bǔ)償量；補(bǔ)償之后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行二次模擬驗(yàn)證，保證回彈之后的尺寸在公差允許的范圍之內(nèi)，然后進(jìn)行各工序的模面替換，最后對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行表面凹陷補(bǔ)償，完成整個(gè)補(bǔ)償工作。

圖4 型面補(bǔ)償流程

彈模擬分析

采用Autoform 分別對(duì)各工序的回彈進(jìn)行模擬，回彈模擬的參數(shù)設(shè)置按照Autoform 軟件標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際生產(chǎn)過程中，單件的測(cè)量過程是在測(cè)量支架上完成的，支架形式如圖5 所示；由于產(chǎn)品本身剛性較差，產(chǎn)品自身重力也會(huì)對(duì)成品件的回彈結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此回彈輸出結(jié)果是綜合考慮重力和夾持狀態(tài)的回彈，但過度的夾持也會(huì)導(dǎo)致型面發(fā)生扭曲，真實(shí)的回彈被強(qiáng)行消除，從而使回彈補(bǔ)償無法實(shí)現(xiàn)；因此考慮采用一種優(yōu)化的夾持方案，即僅考慮支撐和圖5 處標(biāo)示的夾持，以保證回彈結(jié)果能夠真實(shí)的體現(xiàn)出實(shí)際狀態(tài)。

圖5 測(cè)量支架

圖6 為各工序成形完成后的回彈狀態(tài)，OP20 拉延成形后，拉延件中部稍有塌陷，周邊法蘭發(fā)生翹曲。OP30 切邊后應(yīng)力釋放，零件中部塌陷顯著增加；OP40 四周及天窗翻邊完成后，產(chǎn)品初步定形，回彈后前角翹曲，中部塌陷；OP50 前后側(cè)整形之后，翹曲顯著增大；OP60 相對(duì)前序，趨勢(shì)一致，但區(qū)域和回彈量有所變化；OP70 由于僅對(duì)局部進(jìn)行翻邊成形，對(duì)整體型面的回彈影響不大，回彈結(jié)果與OP60 基本一致。

(a) OP20 拉延

(b) OP30 修邊

(c) OP40 翻整

(d) OP50 側(cè)整

(e) OP60 側(cè)整修邊

(f) OP70 翻整修邊

圖6 各工序回彈狀態(tài)

型面補(bǔ)償

綜合上述分析，結(jié)合表面質(zhì)量?jī)?yōu)化，型面補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)如圖7 所示，在OP20 到OP60 對(duì)主型面進(jìn)行尺寸回彈補(bǔ)償，在OP50 對(duì)流水槽局部型面進(jìn)行尺寸回彈補(bǔ)償；在OP40 對(duì)天窗角部表面缺陷進(jìn)行補(bǔ)償；在OP40 和OP50 對(duì)流水槽區(qū)域的表面缺陷進(jìn)行補(bǔ)償；側(cè)翻邊回彈角度按照1.5°～ 3°預(yù)留，OP70 不采取補(bǔ)償。根據(jù)計(jì)算得到的回彈結(jié)果和表面調(diào)試相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，補(bǔ)償區(qū)域見圖8a 和8b，尺寸方面，兩個(gè)前角下壓4mm，中間型面隆起1.2mm；流水槽局部補(bǔ)償0 ～ 1.5mm；表面方面，天窗四角補(bǔ)償0.05 ～ 0.15mm，流水槽上方補(bǔ)償0 ～ 0.2mm。補(bǔ)償后的回彈模擬結(jié)果見圖8c，模擬結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期。

圖7 型面補(bǔ)償方案

(a) 尺寸補(bǔ)償區(qū)域

(b) 表面補(bǔ)償區(qū)域

(c) 補(bǔ)償后回彈結(jié)果

圖8 補(bǔ)償區(qū)域和最終結(jié)果

實(shí)際零件質(zhì)量

采用補(bǔ)償后的模具型面制造模具，模具加工裝配完畢，完成各工序著色研配和翻邊間隙確認(rèn)后，零件的尺寸狀態(tài)和天窗口的表面質(zhì)量狀態(tài)如圖9 所示，型面尺寸基本控制在公差內(nèi)，中間區(qū)域的最大量在1mm 左右；達(dá)到了預(yù)期效果，焊接后白車身質(zhì)量沒有問題，未進(jìn)行二次整改；天窗前角基本無缺陷，后角為C1 類缺陷（單件油石打磨局部不連續(xù)，后續(xù)黑車光影稍有不順，用戶不會(huì)抱怨），流水槽上方也是C1 類缺陷；由此可以看出，通過前期對(duì)型面進(jìn)行補(bǔ)償，很好地保證了零件的質(zhì)量，相較于以往車型的多輪整改，大大提高了效率。

(a) 型面尺寸

(b) 天窗前角

(c) 天窗后角

(d) 流水槽上方

圖9 實(shí)際零件的尺寸和表面狀態(tài)

結(jié)束語

對(duì)于沖壓模具制造，在滿足零件質(zhì)量要求的前提下，如何降低模具成本和縮短制造周期，是業(yè)內(nèi)人士不斷探討的話題；在前期設(shè)計(jì)階段，結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)零件的質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，并采取有效措施，無疑會(huì)帶來非常明顯的效果；本文基于某車型頂蓋，對(duì)設(shè)計(jì)階段采用型面補(bǔ)償來保證零件質(zhì)量的整體思路和方法進(jìn)行了論述；首先通過對(duì)零件質(zhì)量要求的分析論述，得出主型面的尺寸精度和局部的表面質(zhì)量是保證零件質(zhì)量達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵；據(jù)此確定型面補(bǔ)償是針對(duì)尺寸回彈和局部表面凹陷兩方面內(nèi)容的補(bǔ)償；按照補(bǔ)償流程，通過數(shù)值模擬分析結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定了各序型面的補(bǔ)償方案和補(bǔ)償量。采用補(bǔ)償后的型面制造沖壓模具，最終獲得了理想的結(jié)果。希望這種針對(duì)型面尺寸和表面質(zhì)量的補(bǔ)償思路能夠給制造高品質(zhì)沖壓外覆蓋件模具提供一定參考。