基于尺寸和表面質(zhì)量的頂蓋模具型面補償方法

針對奧迪車型天窗頂蓋沖壓模具，提出在設(shè)計階段通過對各工序模具進行型面補償來保證零件的質(zhì)量；結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量要求，確定型面補償內(nèi)容為零件型面尺寸的回彈補償和局部表面的凹陷補償；結(jié)合型面補償?shù)牧鞒?，采用有限元分析軟件，對全工序的型面回彈進行數(shù)值模擬分析，確定模具型面的補償方案和補償量，最終應(yīng)用于實際生產(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，因而對頂蓋沖壓單件的尺寸精度和表面質(zhì)量有著相對更高的要求。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，零件在沖壓成形后會產(chǎn)生回彈且無法避免；進而導(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)試階段對這些問題進行優(yōu)化時，往往需要對型面進行頻繁的燒焊甚至將模具降面，影響模具的制造進度，成本也大幅提高。如果在設(shè)計階段，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求和以往車型的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，結(jié)合數(shù)值模擬分析，對模具各工序型面進行合理的補償，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)計的基本理論，其沖壓工藝設(shè)計如圖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)品剛度相對較差，結(jié)合多個車型的生產(chǎn)經(jīng)驗，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，并且長度在300mm 內(nèi)尺寸偏差的波動量不超過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，只要對輪廓進行了合理的公差偏移和加工偏差預(yù)留，對翻邊工序預(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)鍵在于對主型面進行回彈補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)，對可能產(chǎn)生表面缺陷區(qū)域的模擬預(yù)測，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，成形結(jié)束零件內(nèi)部應(yīng)力釋放后，局部會存在殘余應(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，實際生產(chǎn)經(jīng)驗也確實如此。對于表面區(qū)域，要求黑車無扣分項；對流水槽結(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)常會發(fā)生惡化，從而對單件的要求更高；因此需要通過對局部型面進行凹陷補償，以保障零件的表面質(zhì)量。

圖3 表面缺陷預(yù)測

型面補償方法

通過前述分析，為保障零件質(zhì)量，需要對頂蓋的模具型面進行針對尺寸回彈和局部表面凹陷的補償；型面補償進行的前提是沖壓工藝模擬的各項評價指標(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”；整個工作流程如圖4 所示，首先結(jié)合零件的測量方式，對全工序進行精確回彈模擬，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償方案，結(jié)合產(chǎn)品公差要求和回彈量確定補償量；補償之后，對結(jié)果進行二次模擬驗證，保證回彈之后的尺寸在公差允許的范圍之內(nèi)，然后進行各工序的模面替換，最后對局部區(qū)域進行表面凹陷補償，完成整個補償工作。

圖4 型面補償流程

彈模擬分析

采用Autoform 分別對各工序的回彈進行模擬，回彈模擬的參數(shù)設(shè)置按照Autoform 軟件標(biāo)準(zhǔn)。實際生產(chǎn)過程中，單件的測量過程是在測量支架上完成的，支架形式如圖5 所示；由于產(chǎn)品本身剛性較差，產(chǎn)品自身重力也會對成品件的回彈結(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，但過度的夾持也會導(dǎo)致型面發(fā)生扭曲，真實的回彈被強行消除，從而使回彈補償無法實現(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)果能夠真實的體現(xiàn)出實際狀態(tài)。

圖5 測量支架

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 相對前序，趨勢一致，但區(qū)域和回彈量有所變化；OP70 由于僅對局部進行翻邊成形，對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)

型面補償

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

圖7 型面補償方案

(a) 尺寸補償區(qū)域

(b) 表面補償區(qū)域

(c) 補償后回彈結(jié)果

圖8 補償區(qū)域和最終結(jié)果

實際零件質(zhì)量

采用補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，用戶不會抱怨），流水槽上方也是C1 類缺陷；由此可以看出，通過前期對型面進行補償，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 實際零件的尺寸和表面狀態(tài)

結(jié)束語

對于沖壓模具制造，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)計階段，結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗，對零件的質(zhì)量缺陷進行分析預(yù)測，并采取有效措施，無疑會帶來非常明顯的效果；本文基于某車型頂蓋，對設(shè)計階段采用型面補償來保證零件質(zhì)量的整體思路和方法進行了論述；首先通過對零件質(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)此確定型面補償是針對尺寸回彈和局部表面凹陷兩方面內(nèi)容的補償；按照補償流程，通過數(shù)值模擬分析結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，確定了各序型面的補償方案和補償量。采用補償后的型面制造沖壓模具，最終獲得了理想的結(jié)果。希望這種針對型面尺寸和表面質(zhì)量的補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。