顶盖外板全景天窗后角顶面弹性回复补偿方法研究

杨 月，赵 锋，刘海东

（一汽奔腾轿车有限公司，吉林 长春 130012）

0 引言

顶盖外板天窗后角顶面弹性回复属于工艺缺陷，弹性回复严重程度取决于制件造型的复杂程度。随着国内汽车多曲率的曲线造型设计不断增加，特征角度变化更多，顶盖外板天窗后角顶面弹性回复就越严重，导致成形的制件表面质量降低，影响整车美观度。现基于CAE分析中量化显示的应力状态及减薄状态，进而量化CAE分析中的弹性回复控制数据，判断模具零件型面补偿方法“过A面补偿”的逐次补偿数据，并对模具零件A面（A级曲面，既要满足造型的特征要求，又要满足工艺要求，对于冲模A面就是理论模具零件型面。）与工序件型面的测量数据进行对比，确定增量补偿值，通过合理的压料控制、标准的研磨方法，可以有效控制顶盖外板天窗后角顶面弹性回复问题。

1 顶盖外板天窗后角顶面弹性回复问题

1.1 天窗后角顶面弹性回复的状态

某车型顶盖天窗后角区域存在顶面弹性回复，且左右侧存在的问题及所在位置相近，如图1椭圆处所示，属于不可接受的缺陷。通过冲压生产后进行返修消除缺陷，成本高，必须对顶盖外板天窗后角顶面弹性回复进行分析及控制。

图1 天窗后角顶面弹性回复位置

1.2 天窗后角顶面弹性回复问题分析

1.2.1 工艺评审问题

顶盖顶面存在特征区域，区域型面特性为两侧主棱线突出，采用减低内部相接型面的反成形造型设计，天窗口左右侧特征区域成形宽度为89 mm。模拟分析结果显示，顶盖天窗后部存在主应变不足的问题，产生原因是顶盖外板局部特征深度过深，导致A面主应变不足，如图2所示。

图2 顶盖外板天窗口左右侧特征区域

经过工艺评审，将特征区域深度由原来的5 mm降低至3 mm以下，并且后部主棱线向内120 mm范围消除特征造型，如图3所示，以此缓解天窗后部主应变不足的问题。

图3 顶盖外板天窗口左右侧特征造型修改

制件造型工艺评审后，针对性的修改引起缺陷问题的造型，模拟分析结果显示，局部区域仍然存在主应变不足，且仍有成形不均匀的现象，如图4所示。

图4 主应变不足区域

1.2.2 模具零件特征区域分析

从拉深模的特征区域状态分析，拉深模成形天窗后角区域型面必定导致该区域板料存在成形不充分的趋势，弹性回复集中在天窗口圆角区域的正向成形与反向成形的交界处，如图5所示，也是主应变不足的交界区域。

图5 成形顶盖拉深模凸模特征区域状态

从整形模的特征区域状态分析，整形模成形天窗后角区域型面一定对该区域板料产生二次成形变化的影响，弹性回复集中在拉深件缺陷位置，如图6所示，也是主应变不足的交界区域。

图6 成形顶盖整形模凸模特征区域状态

1.2.3 成形工艺分析

拉深模零件型面设计中，成形天窗后角顶部型面需要全面着色，如图7所示。鉴于天窗后角存在主应变不足现象，成形天窗后角区域型面需要进行强压，以缓解该区域板料存在成形不充分的趋势。另外，在拉深模成形天窗后角的凸模型面研磨过程中，如果出现A面基准型面不足以支撑模具零件内表面状态，板料在该区域拉深后顶面会向凸模型面基准产生塌陷，导致该区域凸凹模型面完全合模校正拉深件形状失效，天窗后角顶面成形不均匀。

图7 成形顶盖拉深模零件型面设计

冲孔修边模零件型面设计中成形天窗后角顶部型面不需要全面着色，如图8所示，以免引起拉深件天窗后角区域型面强行变形，影响天窗后角状态的稳定。

图8 冲孔修边模零件型面设计

整形模零件型面设计中成形天窗后角顶部型面需要全面着色，如图9所示。鉴于天窗后角存在主应变不足现象，成形天窗后角区域型面需要进行强压，以缓解该区域板料存在冲孔修边后应力释放带来的弹性回复。另外整形模成形天窗后角凸模型面研磨过程中如果出现A面基准型面不足以支撑模具零件内表面，板料在该区域整形后顶面会向凸模型面基准产生塌陷，导致天窗后角顶面弹性回复状态变化。

根据各个工序的模具零件型面分析，拉深模零件型面存在不均匀性，且凸、凹模完全合模状态影响拉深件的成形状态，后工序整形模同样存在模具零件型面不均匀性，且压料失控问题将对整形件弹性回复进一步恶化。

图9 整形模零件型面设计

1.2.4 工序件弹性回复状态分析

为了更好地确定顶盖天窗后角顶面数据的变化，对各工序件进行对应位置测量，再根据变化进行对比确认，如图10所示，确认工序件数据偏差量，如表1所示，对比工序件变化趋势。

图10 顶盖天窗后角区域测量位置

表1 顶盖工序件天窗后角顶面偏差量测量数据 mm

由表1数据可以看出，各个工序都存在变化量，1、2、4、5左右对称位置弹性回复偏差值逐渐变小；3、6左右对称位置弹性回复偏差值逐渐变大。通过该现象确定天窗整形模零件型面存在较大偏差，成形天窗口压料型面失控；拉深工序中2和5、3和6左右对称位置弹性回复偏差值达到0.04 mm，确定是拉深模成形天窗后角左右两侧型面存在A面基准型面不足以支撑模具零件内表面状态且不对称，强压型面失效。

1.2.5 补偿量分析

根据CAE分析中的主应变变化及壁厚减薄数据与制件的变化进行对比，确认拉深工序和整形工序型面补偿量。在拉深工序中补偿减薄问题时，采用加深成形深度的方式，从经验值可知，每增加减薄率0.5%，整体成形深度需要增加5 mm。依据经验值进行减薄不合理位置的补偿值计算，如图11所示，对应制件测量位置取棱线临接点减薄数据①4.0%；②4.5%；③3.0%。为了保证减薄均匀性，以②号数据4.5%为基准计算减薄率差值为①0.5%；②0；③1.5%，这些减薄率差值就是需要补偿的延伸率差值，根据延伸率公式δ=（L1-L）/L，①补偿后的成形线长=（0.5%×89）+89=89.45 mm，③补偿后的成形线长=（1.5%×89）+89=90.34 mm；根据线性形状，两端点连直线后计算原始线长近似圆上任意两点间的直线距离A0=88.28 mm；再根据线性形状，两端点连直线后计算补偿线长近似圆上任意两点间的直线距离A1=88.76 mm，A3=89.64 mm。

同样的计算方式应用在整形模上，如图12所示，对应制件测量位置取棱线临接点减薄数据①4.0%；②4.4%；③3.0%。为了保证减薄均匀性，以②号数据4.4%为基准计算减薄率差值①0.4%；②0；③1.4%，这些减薄率差值就是需要补偿的延伸率差值，根据延伸率公式①补偿后的成形线长=（0.4%×89）+89=89.36 mm，③补偿后的成形线长=（1.4%×89）+89=90.25 mm；根据线性形状，两端点连直线后计算原始线长近似圆上任意两点间的直线距离B0=88.28 mm；再根据线性形状，两端点连直线后计算补偿线长近似圆上任意两点间的直线距离B1=88.69 mm，B3=89.50 mm。

由于拉深补偿后的成形线长最深点垂直距离通过圆心，在CATIA进行确认的成形线长最深点垂直距离H（H1=1.232 mm；H3=1.257 mm），如图13所示，得出原有成形线长最深点垂直距离H0=1.219 mm，H1-H0=0.013 mm；H3-H0=0.038 mm；理论补偿量等于这些差值加上模具零件型面缺失量，对比工序件变化趋势，如表2所示。

图11 拉深CAE分析主应变及减薄数据

图12 整形CAE分析主应变及减薄数据

由于整形补偿后的成形线长最深点垂直距离通过圆心，在CATIA进行确认的成形线长最深点垂直距离H′（H′1=1.230 mm；H′3=1.253 mm），如图14所示，得出原有成形线长最深点垂直距离H′0=1.219 mm，H′1-H′0=0.011 mm；H′3-H′0=0.034 mm；理论补偿量等于这些差值加上模具零件型面缺失量，对比工序件变化趋势，如表2所示。

图13 拉深补偿数据在CATIA中分析

图14 整形补偿数据在CATIA中分析

表2 工序件测量数据与理论补偿数据对比 mm

由表2可以看出，图10中所示左右侧对称的1、2、3号位置的模具零件型面补偿量中，拉深模较少，整形模较多。根据减薄率补偿经验值与实际需要补偿的减薄差值对比，模具零件型面补偿量需要均值的3倍补偿量，才能达到理论补偿状态。鉴于拉深模零件型面平面度要求，以均值0.04×3=0.12 mm为基础数据进行补偿，取值0.1 mm；鉴于整形模零件型面有二次矫正的要求，以均值0.08×3=0.24 mm为基础数据进行补偿，取值0.2 mm，另外由于天窗口冲孔修边后应力释放带来二次弹性回复，进行2倍补偿量取0.4 mm。

2 方案实施及效果确认

2.1 总体方案

通过分析，在顶盖外板天窗冲压成形过程中，拉深和整形工序对天窗后角弹性回复问题的产生有较大影响，需要对拉深和整形工序进行工艺及模具结构优化。受制件造型和成形工艺的限制，通过工艺优化改善成形制件的弹性回复不可取，只能从模具结构进行顶盖外板天窗后角弹性回复问题的改进，具体方案如表3所示。

表3 实施方案

2.2 凸模过A面补偿方法

过A面补偿是车身外覆盖件表面质量提升的有效方法，过A面补偿方法的主要工作过程为：①模具零件型面检测；②缺陷位置增量补偿；③修正研模，具体过程如图15所示。拉深模中，确认位置1的缺陷状态后，针对拉深凸模A面对应的2位置进行过A面补偿，修正后得到拉深凸模型面3，通过凹模对应位置4到底着色研磨，稳定并减缓拉深件缺陷状态。整形模中，位置5确认缺陷状态后，针对凸模A面对应的位置6进行过A面补偿，修正后得到凸模型面7，通过压料型面着色确认，针对整形压料型面对应的位置8进行过A面补偿，修正后得到翻边整形压料型面9，通过对压料型面着色研磨，减缓或消除缺陷。

图15 凸模过A面补偿方法

2.3 实施情况

过A面补偿一般从拉深开始，然后进行整形模零件型面补偿。顶盖外板造型平缓，并且此顶盖天窗拉深预成形后会出现回弹现象，采用倒工序的过A面补偿，即先进行整形模零件型面补偿，再进行拉深模零件型面补偿。

2.3.1 整形凸模型面过A面补偿

整形凸模A面左右侧采用精密冷焊进行补偿，补偿前对凸模型面进行测量，确认补偿位置与范围，并采用分析得出的补偿量进行阶段的增量补偿、修研及工序件确认，如图16和表4所示，工序件左右侧凹坑状态一致，油石打磨局部有虚线。

图16 整形模型面补偿及整形工序件状态

表4 整形后天窗后角顶面补偿量测量数据 mm

根据测量数据，可以确认缺陷最深区域集中在圆角区域，通过拉深模零件型面可以进行补偿。

2.3.2 拉深凸模型面过A面补偿

拉深凸模A面左右侧采用精密冷焊进行补偿，对凸模型面进行测量，确认补偿位置5范围及补偿量后，进行阶段的增量补偿、修整、研磨及工序件确认，如图17和表5所示，工序件左右侧凹坑状态一致，油石打磨有虚线。

图17 拉深模型面补偿及整形工序件状态

表5 整形后天窗后角顶面补偿量测量数据 mm

根据测量数据，可以确认缺陷最深区域出现左右不对称现象，需要对整形压料型面进行可控研磨。

2.3.3 整形压料型面研磨控制

整形模压料进行可控研磨，针对整形件缺陷位置对应的压料型面进行着色确认，如图18和表6所示，成形件左右侧凹坑状态一致，油石打磨无虚线。

图18 整形模压料研磨及整形工序件状态

表6 整形后天窗后角顶面补偿量测量数据 mm

2.4 效果验证

保证模具凸模型面补偿的前提下，消除压料型面强压不实的影响，优化拉深、整形模凸模A面状态，通过可控的整形压料，以批量生产稳定性验证效果。顶盖天窗后角区域的模具零件型面在实施过A面补偿后，对成形件进行表面打磨，如图19所示，缺陷已优化至奥迪特评审C类项。

图19 顶盖外板天窗后角评审状态

3 结束语

制件造型的复杂程度、工艺设计的合理性以及模具调试过程的不规范都会导致成形顶盖天窗后角顶面出现弹性回复问题。为了解决此类问题，以CAE分析中的合理补偿量确定模具零件型面的补偿量，在确保成形制件特性区域复杂程度对内部成形主应变影响最小，保证拉深凸凹模型面到底的前提下，采用过A面补偿方法，对参与成形的各工序模具凸模A面进行增量补偿，对整形工艺压料进行可控补偿，控制了顶盖天窗后角顶面弹性回复问题。