天窗顶盖流水槽暗坑及拉痕缺陷分析与控制

2021-10-07张卫星潘少朋

模具工业 2021年9期

熊瑞，张卫星，李兵，潘少朋

（一汽-大众规划模具制造科佛山基地，广东佛山 528000）

0 引言

全景天窗顶盖相比传统封闭式顶盖刚性要求更高，顶盖尾部流水槽需设计负角以增大后盖的开合空间，增加了模具设计、制造、调试难度。模具调试初期，因模具零件工作表面精度不足、结构尺寸状态不稳定等导致成形制件出现暗坑、拉痕等缺陷，此类缺陷主要由板料塑性变形不充分，板料回弹及凸、凹模基准差等导致，必须在模具设计、成形工艺设计阶段考虑才能从根本上解决。

以某车型天窗顶盖暗坑、拉痕缺陷优化为例开展研究，天窗顶盖作为汽车典型外表面件具有板料薄、面曲率小、结构尺寸大、表面质量要求高等特点，因此对模具的设计工艺、制造精度及模具稳定性要求较高。天窗顶盖属于浅拉深胀形件，冲压成形过程中塑性变形量较小，易导致成形刚性不足，影响整车降噪与防水等性能。其中顶盖流水槽成形难度大且为负角，需拉深、预修边、翻边整形、斜楔侧整形、修边冲孔5道工序成形，所以顶盖流水槽附近常出现A类质量缺陷。

成形天窗顶盖的技术难度主要体现在：①天窗顶盖是轿车车身的大型外覆盖件，外观质量要求高；②天窗顶盖与车身多个外覆盖件匹配：顶盖与左右侧围、前后窗、后盖等多处外观零部件搭接；③尺寸匹配要求高：天窗顶盖内外四边与各外观零部件的匹配精度要求高，包括平面度及间隙的要求；④天窗顶盖与侧围为激光焊接，尺寸精度要求在0～0.2 mm。

1 问题现状

图1所示为模具调试初期试制的车型天窗顶盖，成形工序为：①落料；②拉深；③修边冲孔；④翻边；⑤整形修边冲孔；⑥空工位；⑦整形修边。由图1可见，流水槽附近同时产生暗坑、拉痕缺陷，导致焊装装车过程中顶盖返修率达100%，影响项目整体进度。

2 原因分析

2.1 凸模及凹模基准

在制件成形过程中，凸、凹模直接与板料接触并使其产生塑性变形，对于浅拉深胀形制件，为减少回弹，综合应变（减薄率）要求超过4%，若凸、凹模无法使成形制件达到综合应变要求，部分区域板料应力分布不均与板料流动失衡，局部塑性变形不充分，从而产生暗坑或拉痕。

2.2 制件的贴合性

在制件翻边整形后，由于缺陷区域板料厚度方向的残余应力释放，使制件脱模后产生回弹。回弹后尺寸大于数模继而导致与下道工序凸模贴合不完全，经过压料板施加压力后造成成形制件变形产生暗坑或拉痕。

2.3 压料板功能区着色

压料板的作用在于将板料约束在压料面与凸模之间，使板料在厚度方向不能自由起伏。若压料板功能区着色差、压边力不足，无法将板料充分压紧，造成板料成形时产生上下波动，影响板料流动的稳定性，成形时制件变形产生暗坑或拉痕。

3 解决思路

通过调试工序件对比缺陷状态，如图2所示，天窗顶盖在拉深工序已产生拉痕和暗坑，修边后拉痕与暗坑状态无变化，如图3所示。工序④工序件经模具第一次翻边整形后流水槽附近的拉痕无变化，暗坑加大，如图4所示。当顶盖流水槽经过工序⑤最终整形后，暗坑再次变大，如图5所示。

图2 工序②缺陷样件

图3 工序③缺陷无变化

图4 工序④拉痕不变暗坑加大

图5 工序⑤拉痕不变暗坑再次变大

经以上工序件状态对比排查，天窗顶盖从工序②至工序⑤缺陷区域最大板料流动变化点是流水槽的成形，随着流水槽与天窗顶盖表面梯度加大，过渡越剧烈，造成不同位置板料内部应力差越大，暗坑越大，故流水槽上方暗坑与流水槽成形有关。

流水槽成形主要在工序④翻边整形和工序⑤侧整形，此处流水槽的板料流动是通过压料面与筋配合控制，通过了解流水槽成形工艺曲线（见图6），发现流水槽在成形过程中板料流动量大，为消除暗坑，需减少板料流动。

图6 流水槽工艺曲线分析

4 暗坑优化

根据图6中流水槽工艺曲线分析，流水槽一次成形无法满足需求，需通过工序②拉深到工序④一次整形再到工序⑤斜楔侧整形。流水槽最终成形工序为工序⑤。为减小模具调试工作量，尝试在工序⑤流水槽内外侧筋槽R角处进行烧焊，通过减小筋槽R角来增大进料阻力，从而减小板料的流入量，使图7中A区的进料阻力增加从而拽紧板料，让流水槽上方的B区成形更加充分。

如图7所示，经优化筋与筋槽的配合，使流水槽成形过程中板料从A区到B区的流入量减少，暗坑缺陷范围减小。但因为A区的进料阻力增加，随着压力机滑块下行，工序⑤流水槽整形凸模使A区进料减少，B区进料增多，导致流水槽立面R角处新增缩颈缺陷。

图7 工序⑤拉深筋调整方案

微调放大A区筋槽R角，使板料流入量少量增加，暗坑再次加大，对比最初状态有所减轻，不过依然无法满足使用需求。针对此问题反复多次对A区筋槽进行烧焊调整，始终无法达到既无暗坑又无缩颈的临界状态。

为使工序⑤流水槽整形时A、B区之间板料流动均匀，尝试调整工序④工序上气垫压力、板料涂油量及凸模R角这3个主要影响因素，提高在工序④流水槽第一次整形时板料的流入量。

通过降低工序④上气垫压力，增大流水槽区域涂油量的同时，放大图8所示的工序④凸模R角（R角在工序⑤最终成形），让流水槽附近的材料在工序④翻边整形时向内移动，以减小工序⑤流水槽整形时在B区的进料。优化进料的同时需防止板料流动过多导致其他缺陷的产生，如图9所示的长条坑。

图8 工序④流水槽立面R角

图9 长条坑缺陷

检查凸模与制件的贴合情况，发现工序⑤流水槽最终成形后暗坑处着色较差，如图10所示，经橡胶泥试验测量工序④工序件与工序⑤凸模间隙达2 mm，在流水槽成形时压料板未起到压料作用。故将暗坑区（B区）凸模涂胶填高型面做压料试验，如图11所示，保证有足够支撑并压料，防止板料成形时上下波动。

图10 橡胶泥试验测量凸模与凹模间隙

图11 涂胶填高工序⑤凸模试验

经涂胶试验提高B区型面高度后，B区顶盖表面与凸模的贴合程度和压料板功能区着色均得到提升，使其工序⑤流水槽最终侧整形时，减小对B区板料应力变化量，板料内部应力分布更均匀，暗坑大幅度减小。

涂胶试验验证效果明显，但为保障模具的稳定性及使用寿命，经数控加工技术在工序⑤凸模与对应上模压料板分别镶嵌尺寸为400 mm×240 mm×3 mm和330 mm×310 mm×30 mm的铸铁镶件，如图12、图13所示，凸模底面反打螺钉，天线孔区域的型面压料间隙可以通过镶件底面增减垫片的方式进行调整，整改方便、快捷且稳定。

图12 工序⑤凸模镶嵌镶件

图13 工序⑤压料板镶嵌镶件

通过刷蓝油，不断对该区域上、下模接触高点打磨抛光，使接触面着色均匀，制件着色率提升至95%以上，如图14所示。经以上措施，流水槽上方暗坑降至C1，R角及立面无缩颈且生产稳定。

图14 工序⑤最终着色

5 拉痕优化

如图15所示，结合CAE软件辅助分析，拉痕属于工序②天线孔凸台拉深成形工艺缺陷。在封闭式浅拉深胀形件内，凸台的成形会影响板料流动平衡，以往成形类似凸台形状会在拉深凸台上设置刺破工艺，使凸台成形时主要从刺破孔进料，防止板料流动失衡而产生缺陷，而此天窗顶盖未设置此工艺，所以拉痕只能减轻无法完全消除。

图15 工序②CAE分析制件拉痕

结合拉深着色分析，工序②天线孔区域凸、凹模成形过程中工作面着色状态较差，如图16所示。凸台边缘R角着色不均匀，如图17所示，当压力机滑块角度达到150°，天线孔凸台区域刚开始成形，同时凸台区域两侧出现拉痕缺陷，直至成形结束也未能充分延展。

图16 天线孔凸台着色

图17 滑块角度达150°时出现拉痕

优化工序②拉深凸台区着色，提高凸台成形部位与板料的着色率达95%且保障两侧着色宽度在20 mm以上，如图18所示，确保板料在成形过程中充分压紧，板料厚度上不产生波动，拉痕有所减小但仍不满足生产需求。

图18 工序②凸台区着色优化

尝试通过减小工序④凸台区域的凸、凹模成形间隙的方式强压成形，故对工序④工序件上、下压料面均匀刷蓝油，以凸模压料面为基准利用带有蓝油的工序件研修压料面直至强压型面着色率达95%，如图19所示，凸、凹模间隙控制在0.9～0.95t（t为料厚）。研配期间平衡块必须等高，周围平衡块同时加减垫片，禁止调整单个平衡块高度。由于在工序⑤优化暗坑时将A区筋槽减小（见图7），增大了制件B区的减薄率，使板料的拉痕缺陷区域在工序⑤再次延展。