汽车顶盖表面质量缺陷探究及工艺优化

汽车顶盖表面质量缺陷探究及工艺优化

唐贤庆

广汽乘用车有限公司广东广州510000

摘要：汽车顶盖是成形汽车重要组成模块，也是制约成形汽车更新换代的主要瓶颈。其结构形状、制造工艺较一般机械产品而言具有一定特殊性。因此，本文采用有限元网格单元划分的方式，对某型号汽车顶盖表面质量缺陷进行了适当探究。并根据成形汽车顶盖表面质量缺陷特征，对成形汽车表面加工工艺进行了优化分析，以期为成形汽车顶盖表面质量提升提供一定借鉴。

关键词：成形汽车；顶盖；表面质量缺陷

前言

在我国汽车工业迅速发展进程中，各汽车企业间竞争日益剧烈，多品种、小批量也逐步代替单一品种、大批量成为汽车主要生产模式。而在汽车多品种、小批量生产过程中，由于成形汽车顶盖结构形状较复杂，且空间型面较多、尺寸较大、试制作时间较长，极易出现表面质量缺陷。因此，为提高成形汽车销售开发效益，对成形汽车顶盖表面质量进行适当分析非常必要。

1.有限元模型构建

以某型号汽车为例，该型号汽车对顶盖质量具有较高的美观化、工艺性要求及审美要求，不允许出现表面质量缺陷，如划痕、凹痕、皱纹等。特别是在顶盖拉深环节，应避免出现其他成形缺陷。该型号汽车顶盖模型及成形工艺主要为落料——拉深——冲孔及翻边——整形及分离。其中在拉深工序中由于成形难度较大，对后续工序成形质量具有较大的影响。据此，为明确该成形汽车表面质量缺陷，可利用CAER分析软件，对该型号汽车顶盖拉深成形环节，进行数值模拟仿真。并通过参数优化，控制顶盖成形质量。

具体有限元模型构建主要利用常用三维软件UG，依据该型号汽车冲压成形工艺特征，构建IGES格式的汽车顶盖凸模、压边圈模型、凹模模型。并将其导入CAER软件内。随后在明确模拟效率的基础上，设定网格最大单元尺寸及最小单元尺寸参数分别为10、1。同时对划分后网格，进行检查修整，避免网格分析漏洞及负角、法向错位问题出现。最后，设定模型凹模节点数为45789，四边形及三变形单元数分别为37895、7895；凸模节点数为37568个，四边形及三边形单元数分别为25648、5985；压边圈节点数为14568，四边形及三变形单元数分别为8956、721[1]。

2.成形汽车顶盖表面质量缺陷原因

2.1顶盖成形论述

通过对该型号汽车顶盖平面参数进行分析，可得出其X向最大、最小曲率分别为0.000792、0.000053；Y向最大曲率及最小曲率分别为0.000426、0.000176。由于该型号汽车顶盖整体成形深度不足，在拉深加工阶段，会因纵向、横向两个方向拉应力作用出现伸长变形。而由于拉应力远小于该型号汽车顶盖自身产生塑性变形所需拉力，会约束该型号汽车顶盖塑性变形，进而促使成形顶盖刚性低于标准要求。再加上汽车行驶阶段极易产生共振情况，促使局部失稳区域出现凹陷或者覆盖件早期损坏情况。

2.2成形汽车顶盖表面质量缺陷及原因论述

通过该型号车辆顶盖生产资料及经验可知，在每批生产件数在2500件或者以上时，该型号成形汽车顶盖会出现多个不规则的凹陷，整体凹陷位于顶盖前挡风玻璃侧（曲率变化较大区域周边），呈椭圆形[2]。而多个不规则凹陷的出现，会直接导致该顶盖制备件报废。对通过对该型号车辆顶盖生产过程中表面质量有限元分析结果可知，导致上述缺陷出现的主要原因为：压边圈顶出高度超出标准值；凹模、凸模存在缺陷；凸模没有设置加工排气孔；压边力不足；机器人取件时吸凹；板材拉深阶段受力不均等。

压边圈顶出高度超出标准值主要是由于板料自重会产生凹陷，促使成形制备件积存部分料，进而阻碍板料塑性变形过程顺利进行；凹凸模产生缺陷主要是由于凹凸模自身缺陷致使成形制备间表面出现对应的凹面，或者凸面；凸模没有设置加工排气孔会促使汽车顶盖成形阶段凹模、板料、凸模间产生的高压气体无法排出，进而冲击成形顶盖表面，产生表面缺陷；压边力不足会直接促使待加工汽车顶盖成形阶段材料流动速度超出标准值。进而导致汽车顶盖塑性变形前期产生表面缺陷，且在塑性变形后无法恢复；机器人取件时吸凹，主要是由于板料薄度低于标准限度，或者气压过大，在板料相应位置产生后续压件阶段无法完全消除的先天缺陷；板料拉深阶段受力不均会直接导致前后左右某一方向材料流速增加，进而在该型号车辆顶盖位置出现缺陷。

2.3成形汽车顶盖表面质量缺陷确定

在初步确定成形汽车顶盖表面质量缺陷及对应原因之后，为确定该型号汽车顶盖表面质量缺陷出现的主要原因，可对上述质量缺陷因素进行深入探究。

首先，利用油石，对凹模、或凸模基准面、型面进行检查，确定该型号汽车型面基本无接刀粗糙不光顺情况。

其次，采用手工放料的方式，代替机器人取件，得出凹模仍然存在缺陷，表明机器人取件时吸凹不是主要原因。在这个基础上，增加气垫压力至700*104kN。同时拆除平衡块压块，该型号汽车制备件仍然存在开裂情况，表明压边力不足不是该型号汽车顶盖成形缺陷出现的主要原因。

最后，对该型号汽车成形顶盖塑性变形阶段凸模到底前排气孔进行检查，发现排气孔设置不是该型号汽车成形顶盖表面质量缺陷出现的主要原因。同时在保证其他因素不变的情况下，将压边圈顶出高度降低至200mm，最终凸模顶到了板料，消除了成形制备件中多余材料[3]。同时增加压边力后，进行油石检查，得出该型号汽车成形顶盖凹面缺陷得到了有效的缓解，确定压边圈顶出高度过高为该型号汽车成形顶盖表面质量缺陷出现的主要原因。同样的方法，在拉深筋位置进行砂纸垫设。并从X向至Y向均匀调试板料拉深应力，整体调试阶段该型号汽车成形顶盖凹面面积逐步缩小，表明板料拉深过程中受力不均为缺陷发生主要原因。

3.成形汽车顶盖表面加工工艺优化对策

通过对该型号汽车成形顶盖表面加工过程中可能导致表面质量缺陷的因素进行分析，可得出板料拉深过程中受力不均匀，材料流动无法控制；压边圈顶出高度超出标准值是成形汽车顶盖表面缺陷出现的主要原因。据此，在成形汽车顶盖表面拉深加工阶段，相关技术人员可以利用砂纸垫设的方式，合理放置在该型号汽车成形顶盖拉深加工位置。沿X向至Y向逐步调整板料拉深应力，以降低板料拉深阶段凹面面积。同时相关技术人员可以将压边圈顶出高度降低至200mm或者185mm，促使凸模顶到板料。同时增加压边力至700*104kN，以便从根本上消除制备件积存材料导致的表面缺陷。

在上述工艺模块针对性调整的基础上，技术人员也可在现有技术标准的基础上，利用15000kN单动压力机，进行冲压试验。根据冲压试验结果，确定成形汽车顶盖表面加工最佳组合参数。即成形汽车顶盖表面凹凸模间隙为0.89，拉深筋设置为两条b类型，摩擦系数为0.150。同时考虑到该信号汽车顶盖法兰区域为最小厚度值发生区域，由于法兰区域后工序需要删除，因此，可设定法兰区域对整体成形汽车盖板加工质量没有影响。而根据有限元分析结果中出现的部分起皱及破裂情况，相关人员可跟随材料流动顺序。以后端尾门部位接触物料为成形初始点，根据后端成形力的增加趋势，将前档区域凸模底前9.00mm阶段拉深筋向前端材料移动提供的阻力列入参数系统内。即以该型号汽车改变成形阶段凸模到底前10.0mm为应力控制要点[4]。以前档区域R角成形情况为标准，进行拉深筋形状及参数的合理设置。通过对上述时期成形力转变情况进行分析，可以避免全部拉深筋参数设定一致导致的前端局部物料拉入凹模内导致的无法充分成形问题。该型号汽车盖板成形阶段拉深筋形状主要采用“U”型，具体参数如表2：

表1成形汽车顶盖表面质量缺陷有限元分析结果（局部）

表2某型号汽车改变成形阶段拉深筋参数

4.总结

综上所述，板料拉深过程中受力不均匀、压边圈顶出高度超出标准值，是成形汽车顶盖表面缺陷出现的主要原因。据此，在成形汽车顶盖表面加工阶段，相关技术人员可以根据前期有限元分析结果，确定汽车顶盖成形质量主要影响因素及影响程度。随后，利用最优组合参数，设定压边圈顶出高度为2200.0mm或者185.0mm，压边力为700*104kN。同时调整凹凸模间隙至0.89，摩擦系数设置为0.150，保证成形汽车顶盖加工质量。

参考文献：

[1]熊保玉，XiongBaoyu.汽车顶盖拉深成形工艺模拟及质量控制[J].锻压技术，2016（5）：48-52.

[2]杨红平.基于显式有限元方法的汽车顶盖拉深成形仿真与模具优化[J].天水师范学院学报，2017，37（5）：51-56.

[3]吴青松，李立军，祝洪川，等.网格应变分析技术在顶盖冲压成形分析中的应用[J].汽车工艺与材料，2017（2）：38-41.

[4]何鹏申，刘春雨，阮林凡，等.带塌陷补偿的汽车顶盖外板冲压工艺研究[J].锻造与冲压，2018（4）：23-27.