車身翼子板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,兼具內(nèi)、外覆蓋件的全部質(zhì)量特性。日本、韓國等主流汽車廠,翼子板沖床工藝設(shè)計及模具制造,都有自己專門的模具廠承接。這些專業(yè)模具廠研究翼子板工藝幾十年,經(jīng)驗豐富、技術(shù)成熟,源于術(shù)業(yè)有專攻,只開發(fā)翼子板等關(guān)鍵復(fù)雜覆蓋件,其他門蓋類模具一般不承接。
翼子板與白車身裝配用螺釘緊固連接,其外露表面及輪廓與車門外板、發(fā)動機(jī)罩外板、燈飾等匹配,其間隙與面差,取決于自身精度和白車身焊接總成精度。翼子板有許多質(zhì)量特性,諸如曲面光順性、面回彈、安裝耳及安裝孔的幾何精度,等等,這些主機(jī)廠關(guān)注的要素,業(yè)內(nèi)專家研究較多。還有一種特性,叫隱形特性,沖床工廠最有感知、深有體會,諸如工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計欠佳或不良,造成量產(chǎn)不穩(wěn)定,不良品率升高,安全裕度狹窄,等等,表面是模具及壓力機(jī)問題,實為工藝造型所致。本文重點研究翼子板隱形特性,即沖床過程量產(chǎn)質(zhì)量平穩(wěn)性。
沖床生產(chǎn)過程質(zhì)量穩(wěn)定能力具有較強(qiáng)的隱蔽性,因為,主機(jī)廠接收的是合格品,一般看不到任何一件不良品和廢品。翼子板調(diào)試階段及沖床過程出現(xiàn)的破裂、吸頸等缺陷,只有制造和使用模具的技術(shù)人員及鉗工技師在關(guān)注,并孜孜不倦地探索、改良,付出很多,但收效甚微。因為,沖床工序件起皺、吸頸或破損率超標(biāo)缺陷,本質(zhì)屬于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及沖床工藝造型設(shè)計階段的瑕疵或不足,只有在產(chǎn)品設(shè)計及工藝設(shè)計階段才能有效解決。
沖床工藝要解決兩個問題,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝造型問題。工藝師在分析基礎(chǔ)上,推動產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)改變,產(chǎn)品一旦定義,沖床工藝過程穩(wěn)定性、各工序件合格率等要由工藝設(shè)計解決。沖床件的零廢品率、模具免維護(hù)是模具潛在的關(guān)鍵質(zhì)量特性,必須在工藝設(shè)計階段賦予。否則,模具定型、交付以后一旦出現(xiàn)廢品率超標(biāo)、頻繁停機(jī)調(diào)試,欲降低廢品率及免維護(hù)的空間非常狹小,甚至不能改變。除非重新制造,否則即便浪費(fèi)驚人,項目也已經(jīng)沒有時間從頭開始。
翼子板產(chǎn)品特征
翼子板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高,圖1 為翼子板產(chǎn)品結(jié)構(gòu),其中,前上部與燈飾匹配,前部與保險杠匹配,上部與發(fā)罩外板總成匹配,后部與車門外板匹配。
1 翼子板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
翼子板頭部安裝結(jié)構(gòu)曲面復(fù)雜,圖2 為翼子板頭部安裝結(jié)構(gòu),四個安裝小平面相互平行,為了使安裝螺釘都在一個易操作的裝配方向,各小塊平面之間曲面過渡,見圖2(a);翼子板頭部產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為適應(yīng)保險杠匹配及橫梁安裝,設(shè)計落差較大,特征平面距離翼子板外表面,一般Y 向距離45~68mm,見圖2(b)。
2 翼子板頭部安裝結(jié)構(gòu)
翼子板沖床工藝特性
翼子板頭部安裝面深度較深,不能一步拉延到位,如圖2(b)所示,深度為48.9~69.38mm。如果拉延到位,頂部棱線及側(cè)立面會破裂、吸頸。早期的翼子板深度較淺,修邊后自由整形。整形會造成安裝面起皺,皺紋被其他零件遮擋而讓步接收。
近年來,主機(jī)廠對產(chǎn)品要求很高,安裝面即使被遮擋也要符合數(shù)型且不能起皺。為適應(yīng)高標(biāo)準(zhǔn),修邊不一次修凈,預(yù)留整形工藝面,后工序修掉。此面由夾持面和工藝面組成,整形時,整形壓件器先壓緊夾持面,整形刀下降迫使工藝面材料移動,最后轉(zhuǎn)變?yōu)榘惭b面,即產(chǎn)品面。有夾持面的控制,能有效減輕或消除安裝面皺紋,但不是所有夾持面都能使整形十分安全,如圖3 所示的整形工藝面。
3 整形工藝面
整形工藝面的作用
預(yù)留的整形工藝面是在拉延造型時設(shè)計,一般拉延不會出問題,只是整形時容易出現(xiàn)皺紋和破裂,有時極其敏感。若整形時,工藝面易出現(xiàn)皺紋,可適當(dāng)增阻,加大夾持面壓力。如果整形工序有皺有裂,證明與夾持力大小無關(guān),屬于工藝造型問題。一旦到模具調(diào)試階段,欲通過調(diào)試優(yōu)化解決,改善甚微,或不可改善,圖4 所示為翼子板整形后的工藝面。
4 翼子板整形后的工藝面
在修邊線外的工藝面產(chǎn)生的皺紋,修邊可修掉。表面上似乎不影響產(chǎn)品質(zhì)量,其實風(fēng)險很大。量產(chǎn)化以后,皺紋可能擴(kuò)展到產(chǎn)品部位,因為皺紋的產(chǎn)生不受控。如圖4(b)所示,整形鑲塊在工藝截面線處開始接料,下壓到安裝面截面線止,這一過程中工藝面移位、變形和皺紋是自由成形,理論上講,不受控過程,皺是必然的。
整形工藝面皺紋產(chǎn)生機(jī)理
翼子板預(yù)留工藝面是拉延工藝設(shè)計的一部分,其結(jié)構(gòu)設(shè)計既要考慮拉延平面無缺陷,更要兼顧整形序不裂不皺。預(yù)留工藝面形狀是可展面或接近可展面,且面積略小于整形后產(chǎn)品面積。反之,出現(xiàn)皺或破裂,CAE 分析能夠清晰地證明,如圖4(a)所示,切向堆積增厚、失穩(wěn)、起皺。
所示,翼子板頭部拉延造型設(shè)計,整形起皺的兩個原因,一是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較深,不能拉延到位,二是工藝面為不可展面,儲備的面積很大。
5 翼子板頭部拉延造型設(shè)計
修邊線外部造型是一個不可展開的月牙狀隆起曲面,如圖5(b)所示,整形時板料需要流動補(bǔ)充,月牙隆起受拉失穩(wěn)、起皺。
整形皺紋的危害
整形皺紋的危害主要有5 條。
1、模具質(zhì)量培育周期較長
整形工序的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致模具調(diào)試工序件破裂、吸頸很敏感,反復(fù)調(diào)試降低破損率,耗時過多。
2、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定
起皺盡管在修邊線外,但由于其不穩(wěn)定性,量產(chǎn)后極有可能擴(kuò)展到修邊線或以內(nèi)。CAE 驗證或模具實體驗證,只能就個別事件驗證,難以模擬模具量產(chǎn)化整個壽命周期皺紋的變化趨勢。
3、降低沖床生產(chǎn)率
批量生產(chǎn),翼子板保險杠安裝面皺紋和保險杠匹配立面吸頸破裂,導(dǎo)致停線、調(diào)試維護(hù),生產(chǎn)率下降。
4、廢品率較高
整形工序皺紋使進(jìn)料阻力不穩(wěn)定出現(xiàn)立面破裂或吸頸致廢。
5、模具表面異常磨損
整形時皺紋不受控制,皺紋面相對模面移動,磨損模具表面,天長日久形成溝痕,模具過早損壞。
翼子板工藝面優(yōu)化設(shè)計
針對上述五大危害,如何采取措施消除?
過拉延設(shè)計
與保險杠匹配的棱線R 角,一般為R3mm,不足以支持拉延。拉延造型設(shè)計擴(kuò)大到R5mm ~R6mm,側(cè)立面擴(kuò)張2.0 ~2.5mm,后工序整形到產(chǎn)品R3mm,如圖6 所示,翼子板頭部拉延工藝設(shè)計(翼子板頭部截面圖,來源于圖5(a)中的A-A 截面),圖6(a)所示為翼子板頭部拉延工藝設(shè)計,圖6(b)所示為翼子板棱線過拉延局部放大。
6 翼子板頭部拉延工藝設(shè)計
可展面易于流動
翼子板頭部安裝面結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般預(yù)拉延成形,再整形到位。為防止安裝面整形起皺,采用夾邊整形。預(yù)留整形夾持面,整形后修去。
整形工藝面由夾持面、補(bǔ)充面和過渡面三部分構(gòu)成。夾持面,即拉延壓邊面的一部分;補(bǔ)充面,即修邊線外到拉延分型線的區(qū)域,該部分允許整形移動(流動)補(bǔ)充產(chǎn)品面,但不得起皺。過渡面,即保險杠安裝面的工藝面,整形鑲塊下壓、鐓死,形成產(chǎn)品面,圖7 為翼子板整形工藝面。
7 翼子板整形工藝面
整形工藝面的“補(bǔ)充面”部分在整形鑲塊作用下,是沿垂直于分型線方向和沖床方向的復(fù)合位移加流變。夾持面提供適當(dāng)拉力,減緩材料過快流動,防止立面和安裝面皺紋產(chǎn)生。圖7(a)為修邊線和夾持面之間的補(bǔ)充面設(shè)計成可展面。
拉延工藝分型線取直,基本平行于翼子板與保險杠匹配棱線。如果設(shè)計成曲線,如圖5(a)所示,則“補(bǔ)充面”為不可展面,不僅儲存的面積較大,更主要的是三維曲面在夾持面拉力作用下展開失穩(wěn)、起皺;起皺后的材料流動阻力增大,傳遞到保險杠匹配棱線及立面,增大了吸頸和破裂風(fēng)險。
翼子板保險杠匹配棱線兩端形成兩個尖角,修邊比較困難,似乎需要側(cè)修。但由于結(jié)構(gòu)過小,側(cè)修下模刃口強(qiáng)度很差,因此不適宜側(cè)修。為此,對產(chǎn)品型面進(jìn)行局部改造,以適宜正修,改造的細(xì)微特征經(jīng)整形改變。
增強(qiáng)保險杠匹配側(cè)立面安全性
盡管保險杠匹配棱線R 角已做過拉延設(shè)計,可阻止或減輕吸頸及破裂。但是,為了批產(chǎn)安全、穩(wěn)健,拉延工序需要增大側(cè)立面角度,增強(qiáng)拉延工序安全裕度。側(cè)立面與沖床方向的角度越大越能降低棱線R 角的破裂敏感性。一般這個角度宜取35°~45°,圖8 為翼子板保險杠匹配立面拉延造型設(shè)計成斜面。
8 翼子板安裝面拉延工藝面
棱線R 角一定,組成棱線的兩個面的夾角增大,材料流動阻力減小,R 角切線以外附近參與塑性變形的區(qū)域面積擴(kuò)大,可以承受較大的拉力;或拉力不變,能降低板料減薄率。側(cè)立面角度增大,同時也降低了保險杠安裝過渡面的拉延深度。
降低整形風(fēng)險
保險杠安裝面部位見圖9,翼子板保險杠安裝面拉延盡可能接近產(chǎn)品形狀,降低整形類模具自由成形的不確定性。
9 保險杠安裝面
翼子板頭部拉延過渡面造型設(shè)計、保險杠安裝面盡量接近產(chǎn)品面形狀,會帶來一個問題,就是拉延初始,上模(凹模)型面起伏較大,低點接觸料較早,初始階段會造成板料起伏不平順,表面出現(xiàn)波紋,不利于產(chǎn)品外露面光順性。但是,翼子板拉延,產(chǎn)品各部位距離凸凹模分型輪廓較近,上模遠(yuǎn)離下死點之前,過程初始產(chǎn)生的不光順有充分的機(jī)會拉開,不至于造成最終缺陷。實踐證明,一款翼子板頭部外露面,用油石推不出不順痕跡,圖10 為翼子板外露表面油石打磨效果,打磨痕連續(xù),磨痕線條均勻一致。
10 翼子板外露表面油石打磨效果
翼子板表面拉延光順,表明外板件拉延早期出現(xiàn)的板料不順或皺紋,只要拉延閉合前,起皺部位型面有充分的展開機(jī)會,不至于留下“不光順痕跡”。二手沖床回收
所以,拉延時,翼子板頭部盡可能越深越好,自由整形即使受控,依然越少越好。
翼子板整形夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計
一般整形模,設(shè)計夾持面壓件器為整體式,即夾持面壓件器與主壓件器設(shè)計為一體。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,缺點是不便于壓力調(diào)整。此結(jié)構(gòu)成功案例不少,圖11 為翼子板整形整體式壓件器。
11 翼子板整體式壓件器
盡管CAE 分析軟件和技術(shù)日趨成熟,但是,軟件數(shù)據(jù)庫收集的失效模態(tài)及其約束條件純屬理想化,因此,虛擬驗證和現(xiàn)實模態(tài)有意想不到的差別。有些要素按照常理未必是主流因素,但是回到現(xiàn)實,次要因素可能就是設(shè)計成敗的決定因素,恰好這個要素有時被CAE 分析忽略。
翼子板安裝面預(yù)留整形,是非常典型的沖床工藝設(shè)計。業(yè)內(nèi)一直把拉延作為成敗的關(guān)鍵,因此分析一般比較到位,比如吸頸、破裂、回彈等都能夠嚴(yán)謹(jǐn)對待、認(rèn)真分析。但是,翼子板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特別,最終成功不取決于拉延,整形工序是決定產(chǎn)品開發(fā)成敗的關(guān)鍵要素。比如產(chǎn)品整形面回彈、扭曲、吸頸破裂等等。
整形夾持面壓件器與主壓件器設(shè)計成一體,有其特殊性。個例的成功有許多要素支撐,要區(qū)別對待。如果某產(chǎn)品整形工藝面設(shè)計最佳,CAE 分析充分,所以待到模具調(diào)試,夾持面不是成敗的關(guān)鍵要素,因此,降低了夾持面壓力的敏感性。盡管如此,還是建議采用獨(dú)立壓件器,便于模具調(diào)試,只是結(jié)構(gòu)設(shè)計稍微復(fù)雜些。
結(jié)語
從翼子板設(shè)計之初,通過工藝造型優(yōu)化設(shè)計,解決了沖床作業(yè)過程的難點及痛點,同時也為復(fù)雜車身覆蓋件沖床不穩(wěn)定性分析提供了新的解決思路,拉延及整形對于復(fù)雜高風(fēng)險覆蓋件,要統(tǒng)籌兼顧,仔細(xì)分析,不可偏廢,即拉延較穩(wěn)定,盡量多拉,整形較自由,一定少整。