全景天窗顶盖成形工艺分析与调试研究

唐俊杰

（特必思软件贸易（上海）有限公司，上海201203）

1 引言

近年来，我国的汽车行业依然得到了高速的发展，尤其在汽车新能源领域方面，各大汽车厂商都在各自的平台上研发新能源汽车角逐市场。这也侧面证明了车身制造与外形设计依然是衡量汽车外观发展水平的重要标志。在汽车模具生产行业里，不管沿用的是传统材料成形还是在新能源汽车中常用的铝板成形，依然能看到传统工艺在其中发挥的重要作用。当然，即使是新工艺以及新材料的应用，在整个制造过程中，板料成形过程出现的开裂、减薄、起皱、回弹变形、尺寸超差等现象依然存在[1]。学术界也因此针对某个或多个问题进行综合性研究并发表了很多极具专业性的论文著作[2]。

汽车模具的设计与制造，本身就是一个复杂和双向验证的过程。从设计角度，通过前期CAE分析、精细化模面设计以及平时积累的制件成形经验融合得出理论结果。从生产角度，通过CNC加工、钳工后期研配调试等手段完成最终结果。如果将这两点单独拆分看问题，相信大多数的模具厂商都有很多宝贵和成功解决问题的经验。设计与制造是一个复杂和双向验证的过程，设计能力和制造能力强，但综合处理问题能力弱，是目前绝大多数模具制造厂商和技术从业者所面临的瓶颈。本文主要通过某汽车天窗顶盖外板，从设计与制造两个角度出发，综合两者之间出现的技术问题，针对其中常见问题进行研究并提出解决方案。

2 天窗顶盖数据检查

2.1 数据检查的原因

任何一个车身覆盖件产品都有自身的级别分类以及与之相对应的数据建模标准[3]。目前比较常用的分类就是将车身外覆盖件统称为Class A类件，以此类推，对于车身的内覆盖件而言，将其称之为Class B和Class C类件等等。针对不同等级的覆盖件，不同的汽车制造厂商都有各自不同的数据建模标准，而这些标准，往往是贯穿整个覆盖件模具设计和制造的重要影响因素。将这些影响因素大体归纳为曲面间隙公差、曲面切线角度误差、曲面缝合公差、G2连续性最大偏差等。这些影响因素在各大汽车主机厂设计端都是很常见的设计因素，但令人遗憾的是这些对于模具供应厂商的设计端而言还是相对比较陌生。这两者之间的信息认知偏差，也往往影响着模具和制件品质的最终走向。

2.2 数据检查的方法

为了能消除这种认知偏差并以此提高最终制件品质，在此有必要通过某全景天窗顶盖案例，将经过验证的方法进行归纳和总结。

斑马线分析检查[4]，主要是根据斑马线条纹在不同位置角度下的形状趋势和走向来判断曲面质量，如果曲面之间斑马线走向明确，局部无畸，一般则认为斑马线分析检查通过，如图1所示。

图1 斑马线分析检查

半径值大小分析，主要是通过“最大绝对半径值”来显示最大值的主曲率的倒数。这有助于技术人员初步掌握产品半径值的大小分布情况，为后续回弹补偿A面调整做初步的参考，如图2所示。

图2 半径值大小分析

高斯曲率变化分析，主要是通过曲率分析中的“高斯曲率”利用颜色的变化来查看产品高斯曲率的分布情况，一般而言，顶盖大面区域的高斯曲率颜色都是一致的，曲率为单凸状态，即表示同一个方向，如图3所示。

图3 高斯曲率分析

3 天窗顶盖回弹分析

3.1 回弹的原因

影响制件回弹的原因有很多，如压边力、拉伸筋形状、材料性能、曲率半径、摩擦系数、料厚等因素都对回弹有一定的影响，即回弹的产生是卸载制件时内应力再分配的结果，制件各区域的应力状态不同，回弹量也不同。

换言之，解决顶盖回弹问题的办法便是使制件避开弹性变形区域从而进入塑性变形，通过过量弹性变形来减少制件回弹量[5]。

3.2 夹紧点的设定

对于标准顶盖和带天窗顶盖共模设计的CAE分析步骤设定相信很多技术从业者都已经了然于心。在CAE分析过程中，除了材料、几何工件、拉伸筋、压力等一系列重要参数以外，也有很多技术从业者往往忽略了夹紧点设定的重要性。

第一种情况表示夹紧过度，导致制件变形，后期很难构建准确的表面；第二种情况表示避开了关键区域的夹紧；第三种情况表示合理的和可实现的夹紧位置，如图4所示。

图4 夹紧点设定原则

因此，夹紧点的设定有以下一般性原则：①以最小数量为原则设定；②避开回弹较大的区域设置；③在最终测量夹紧附近区域使用夹紧点；④夹紧点设定必须以稳定的方向支撑制件；⑤使用3点夹紧时，保持最大三角形区域；⑥稳定的制件区域内设定并避免翻边区域；⑦夹紧点设定应保持补偿值最小化；⑧通过夹紧产生简单的补偿法则。

一般而言，对于顶盖、车门外板、行李厢盖等料厚较小且成形后较软的制件，使用3个夹紧点进行回弹计算是不可行的。而对于曲率较大且通常没有天窗且尺寸较小的顶盖，可以使用4个夹紧点来进行回弹计算。

对于本文案例的天窗顶盖而言，建议用5个夹紧点进行回弹计算。同时，夹紧点设定的位置不同，制件回弹情况也有很大差异。第一种，关键夹紧点设定在顶盖中线前端位置，另外4个点分别设定在顶盖角落位置；第二种，关键夹紧点设定在顶盖中线靠近天窗位置，另外4个点位置与第一种保持相同，如图5所示。

图5 夹紧点位置设定

根据以上所设定的两种情况进行CAE分析后发现：不同的夹紧点设定位置，对制件回弹的区域及回弹量大小有很大的影响。设定在顶盖中线前端及4个角落位置，顶盖前端的回弹得到了很好的控制，回弹量值保持在0.1~0.5mm范围内，而天窗翻边部位周边的回弹量值则在4.0~6.6mm之间，侧面最大回弹量值则在13mm左右；设定在顶盖中线靠近天窗及4个角落位置，回弹量值保持在1.3~2.3mm范围内，而天窗翻边部位周边的回弹量值则在1.0~4.8mm之间，侧面最大回弹量值则在8.4mm左右，如图6所示。

图6 回弹区域及量值变化

这两种夹紧点位置设定都可以选择，而最终的选择差异则更多来自于冲压工艺的安排以及A面回弹补偿的难易程度。

4 天窗顶盖回弹补偿策略及方法

4.1 回弹补偿策略

图7所示为天窗顶盖补偿策略，此补偿基础建立在与标准顶盖共模设计的基础上制定。

图7 天窗顶盖补偿策略

4.2 回弹补偿方法

Autoform补偿计算是基于网格数据工作。因此，在任何CAD系统中都无法通过变形功能对A级曲面进行基于向量的变形补偿，同时也无法将其直接应用在模具型面加工上。FEM补偿的向量场有很多小缺陷，使用变形功能时会产生较差曲面质量，这一现象在各种CAD系统都有可能存在。对于顶盖项目，最好的方法是从Autoform中导出IGES格式曲面，然后在Tebis中使用“Brep”功能对曲面进行重构。

第一步，将数据导入至Tebis系统中，并通过分析功能对回弹前后数据进行对比分析并具体观察回弹区域的变化，如图8所示。

图8 回弹区域及数值分析

第二步，通过Tebis系统中的“NC准备/补片”功能降低曲面的分段。这样做的好处在于降低曲面的复杂性，提高进一步处理的方便性，同时为后续A面重构做好准备，如图9所示。

图9 区域分段优化

第三步，基于优化分段的数据，重构天窗顶盖A面区域。对于顶盖而言，A级区域仅包含少量曲面，因此完全可以用一个单独的新曲面进行重构近似。通过在特征区域中的补偿曲面创建截面，获取外部边界并创建一个新的A级曲面的基面，如图10所示。

图10 A面区域重构

第四步，基于完成的基面以及回弹区域及数值分析结果，通过调整曲面控制点的功能来实现不同区域的回弹量值，如图11所示。

图11 局部控制点修改

最终，经过Tebis补偿并重构的完整数据与回弹前数据进行高斯曲率的对比，即使经过复杂的回弹补偿也完全能看出重构的A面区域与制件高斯曲率分布趋势保持一致，如图12所示。

图12 重构后数据高斯曲率对比

因此，对于天窗顶盖，包括共模的标准顶盖而言，利用Autoform导出的IGES数据，通过Tebis进行A面重构及优化，既能满足工艺成形的需求，也能满足NC加工的精细化模面要求。

5 减少研配和调试周期的措施

关于减少研配和调试周期的措施有很多。从CAE分析的角度来看，设定准确合适的分析参数以及高质量的曲面数据尤为重要；从设计的角度来看，合理的结构设计尤为重要；从加工的角度来看，R角避让、强压与避空等精细化模面数据是否到位尤为重要。

5.1 压边圈的间隙设定

现以压边圈为例做简要叙述。减少机加工及钳工研配时间，从精细化模面的角度有3种解决方法，如图13所示。

图13 3种解决方法

5.2 拉伸圆角外围区域表面缺陷优化

在拉伸工序中，经常出现板材中的凸圆角区域在拉延面的外围区域造成曲面缺陷的情况。优化模面造型可以降低因成形产生应变力的影响。为减少调试工序凸模的手工工作以及减少模具的合模工作，就很有必要考虑在进行精细化模面制造时消除这方面的影响，制造出来的数据也将用于后续的CNC加工数据，由于制件形状和工艺设定等一系列的差异，以下结果仅作参考，如图14所示。

图14 曲面缺陷优化

通过对部分区域曲面曲率的修改，可以减少曲面翘曲缺陷。虽然从数据设计角度可以减少此类缺陷，但无论如何也无法完全避免在调试过程中的人工最终优化，以下方法仅作参考，如图15所示。

图15 制造方法参考

6 结束语

综上所述，汽车覆盖件模具制造是一个复杂的工业流程。工艺分析、加工制造、调试研配等都是相辅相成并相互影响的作业环节。其中，制件的回弹补偿以及A级曲面品质的保证是尤为重要的技术节点。基于Autoform和Tebis两者的交互使用，使得设计端和制造端有了一个良好的接口，这对于未来企业解决技术难题提供了重要的参考。