1、汽车侧围外板棱线区域质量缺陷的分析与优化 韩冬 郎庆东 孙刚 贺贵金 胡彦固 一汽-大众汽车有限公司 摘 要： 简述了车身造型的发展趋势对冲压制造带来的影响, 以侧围外板 C 柱棱线区域的车身造型为分析对象, 在产品开发阶段, 利用产品开发同步工程技术方法, 借助有限元分析软件, 对该区域造型质量缺陷进行充分识别和分析, 在满足产品功能的前提下, 提出产品更改要求;产品数据锁定后, 在冲压工艺、机加方案、模具调试等方面对缺陷点进行针对性的预防与优化, 最终展示优化后零件状态, 证明了整套缺陷解决方案的有效性和推广意义。关键词： 车身造型; 冲压; 侧围外板; 产品开发; 同步工程; 质量缺陷;
2、 作者简介：韩冬 (1984) , 男, 工程师, 学士学位, 研究方向为冲压同步工程及工艺方法。1 前言汽车侧围外板是车身最大的钣金件, 制造周期最长, 质量要求、工艺复杂度及制造难度很高, 当出现质量缺陷时, 优化难度很高。随着车身造型的发展, 引入各种特征棱线的设计元素后, 侧围外板在棱线区域极易出现难以优化的质量缺陷, 并且是一种常态, 多款类似造型车型均存在, 模具调试人员尝试从模具调试入手优化缺陷, 实际情况表明优化效果甚微, 因此急需一套技术方法对缺陷进行针对性优化控制, 从分析造型设计对冲压成形的影响入手, 运用同步工程技术方法, 提出产品更改;模具制造阶段也采取针对性的优化手
3、段, 经实际出件验证, 整套技术方法是有效的。近些年, 随着人们消费水平的提高, 汽车除了要满足人们最基本的出行代步需求外, 还要满足人们日益强烈对车身外观造型美感的追求。全球的汽车厂家为应对这一状况, 在传承车身经典造型的同时, 加入了更多犀利、彰显运动的设计元素, 如各类“棱线”的造型, 这些汽车特征线是决定汽车造型特征的关键线, 除了其本身所具有的对汽车形面转折的标识作用以外, 还携带了大量的造型意向、品牌、空气动力学和制造工艺等与造型设计相关的信息1。对于德国大众汽车, 这种造型特征线是大众品牌传统造型特征的延续, 是其品牌特征的重要识别标志2。2 车身棱线造型对冲压成形的影响车身侧面
4、的棱线造型, 一般贯穿于翼子板、前后门、侧围外板这些重要的外板冲压覆盖件, 车身棱线的这种挺拔有力、锐化的造型变化趋势, 给冲压成形增加了较大难度, 零件冲压成形后, 在棱线区域极易出现破裂、褶皱等质量缺陷。侧围外板冲压件由于其自身尺寸大、制造周期长、难度高等特点, 棱线造型对其影响尤为严重, 特别是在 C 柱棱线区域, 是质量缺陷的重灾区, 且难以优化, 是冲压成形领域面临的难题, 给车身制造部门提出了更高的要求, 带来了全新的挑战。3 侧围 C 柱棱线区域质量缺陷的识别同步工程技术已成为产品开发过程中不可或缺的技术方法, 且日益成熟, 同步工程又称为并行工程3, 成功地将批量生产过程中可能
5、出现的质量问题识别, 优化产品设计, 达到提高产品质量、降低成本、缩短开发周期的目的4。侧围外板 C 柱棱线区域的产品设计需要充分利用同步工程技术方法, 在产品开发的各个阶段对可能出现的缺陷充分识别并提前预警。3.1 产品造型设计阶段如图 1 所示, 在得到某款车型产品点云数据后, 即发现车身存在一条造型锐利的棱线, 预计会带来可制造性风险。图 1 点云数据 下载原图进一步, 对侧围 C 柱棱线的局部特征进行详细研究, 如图 2 所示, 对影响成形性的关键因素圆角和曲面夹角进行测量对比, 测量结果见表 1, 该结果经对比表明, 该车型造型是公司在产车型中曲面夹角最小、圆角最小的车型, 预计将对
6、冲压可制造性和质量的保证带来很大难度。3.2 产品结构设计阶段产品结构数据如图 3 所示, 第一时间借助有限元分析软件进行成形模拟分析, 检查是否如预测的那样带来质量缺陷。经模拟分析, C 柱棱线区域存在明显破裂, 减薄率达 38.2%, 且成形过程起皱明显, 见图 4。图 2 局部剖面特征测量 下载原图表 1 局部剖面特征测量结果 下载原表 图 3 产品结构数据 下载原图图 4 成形模拟结果 下载原图4 侧围 C 柱棱线区域质量缺陷的解决思路4.1 优化产品设计4.1.1 产品第一层台阶与产品表面造型平行设计为了保证成形产品第一层台阶时, 成形镶块能够同时触碰板料, 进而对零件质量有利, 建
7、议将产品第一层台阶更改成与产品表面造型平行, 见图 5。图 5 产品第一层台阶更改 下载原图4.1.2 产品第一层台阶深度做到最浅产生缺陷的根本原因为产品断面的变化, 因此向产品部提出在满足产品功能要求的前提下, 尽量将第一层台阶的深度做到最小, 如图 6 所示, 减小这种断面变化量。图 6 产品第一层台阶深度示意 下载原图经沟通, 产品能够做到最小的深度约为 10 mm, 见图 7。图 7 产品第一层台阶深度 10 mm 下载原图在尊重汽车造型和满足整车功能的前提下, 产品数据经更改优化, 已达到可制造性最优状态, 产品数据锁定, 后序在模具制造环节仍需对缺陷区域重点关注。4.2 优化冲压工
8、艺在冲压工艺方面, 为避免拉延破裂并尽量优化起皱缺陷, 采取分步成形的工艺, 如图 8 所示, OP20 具有足够多的储料空间, 保证拉延不开裂;OP30 将第一层台阶成形, OP40 终成形到位。图 8 分步成形工艺断面图 下载原图如图 9 所示, 产品及工艺优化后的模拟分析结果表明, 变薄率由 38%优化为 28%, 破裂风险降低, 同时起皱风险也得到一定改善, 前期技术方案已调整至最优状态并锁定。在此时间点, 产品和冲压工艺优化方案已得到充分实施和考虑, 但模拟结果仍有开裂和起皱风险, 需在机加和研配及后序模具调试环节提前考虑相应的预案。图 9 产品及工艺优化后模拟分析结果 下载原图4.
9、3 机加方案策略主要从以下 3 个方面对机加方案进行重点控制。a.鉴于此区域是局部成形区, 考虑到实际结果与 CAE 模拟分析结果存在一定差异, 为避免后序拉延凸模的烧焊, 在 OP20 凸模此区域适度增加约 0.5 mm 作为钳工研配、打磨预留。b.考虑到此区域为多序成形, 每个工序之间凸模必须贴合, 对机加的精度要求很高, 为了消除不同机加设备误差, 采取同一台设备对各序凸模进行精加工, 将误差做到最小。c.投入研配前, 每一序都进行白光扫描, 确保机加工作的精度;图 10 所示为拉延凸模精加工。图 1 0 拉延凸模精加工示意 下载原图4.4 调试策划模具机械加工完毕, 装配完毕, 并完成
10、基础研配工作后, 出首轮零件, 状态见图 11, 零件没有出现破裂情况, 但起皱现象严重。起皱现象称为受压失稳5, 此区域造成起皱缺陷的主要原因为 OP20 为了避免破裂储料过多, 导致整形时板料无法展开, 因此从减小整形多料这一思路入手进行模具调试, 主要从以下 2 个方面进行调整。a.对 OP20 凸模进行打磨, 考虑到此处不可逆, 每次打磨量不能超过 0.5mm, 而且每次打磨前, 必须完成最终零件进行破检, 确认此区域多料, 避免出现开裂、缩颈问题。b.经分析, OP30 的上模整形圆角及整形间隙过大, 导致此区域整形时展开不充分, 因此对圆角及间隙进行更改、优化, 圆角每轮缩小 0.
11、5 mm 左右, 间隙每轮缩小 0.20.3 mm 左右。5 优化后出件状态经多轮的调试优化, C 柱棱线区域的褶皱基本消除, 如图 12 所示, 满足整车装配及表面质量要求, 达到预期目的。图 1 1 基础研配工作完成后的出件状态 下载原图图 1 2 优化后零件状态 下载原图6 结束语针对汽车棱线的造型给侧围外板带来的质量缺陷进行了充分分析, 在车型项目前期产品开发阶段, 利用同步工程技术方法, 借助经验及模拟分析软件对可能造成的质量缺陷充分识别, 在尊重产品造型及满足车身功能前提下, 提出产品更改建议;项目中期工艺及模具设计阶段对缺陷区域进行针对性的工艺预防及优化;项目后期模具制造调试阶段
12、对缺陷区域逐轮细致的研配调整, 经实际出件验证, 质量缺陷得到最大程度的优化解决, 证明整套质量缺陷整改方案是有效的, 也进一步说明, 为应对车身造型日新月异的发展变化, 往往单一环节的缺陷整改方案是不够的, 需要在项目前期到后期各个环节进行针对性的优化, 这种整套的缺陷整改方案的有效性, 也说明了此种方法具有推广意义和价值。参考文献1闵光培, 赵江洪.基于特征线及其属性的汽车造型研究J.艺术与设计 (理论) , 2007, (05) :112-113. 2孙大鹏.德国大众汽车造型演变研究D.江南大学, 2008. 3黄跃东, 邱晓刚.汽车顶盖冲压成形的 CAE 模拟研究J.汽车技术, 2011 (06) :54-58 4汤慧琴.冲压同步工程在汽车开发中的应用J.轻型汽车技术, 2011, (03) :19-22. 5胡世光.板料冷压成形原理M.北京:国防工业出版社, 1979.
