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嘉峪檢測網 2024-12-05 13:50
摘 要：為了獲得從CAE 階段準確評價涂裝后產品滑移線缺陷感知風險的方法, 分析滑移線缺陷產生原因及可被感知實質,并設計一滑移線試驗模型, 對不同棱線圓角半徑及側壁曲率半徑的樣件進行沖壓、 電泳、 涂裝以及品質評價等。結果表明,棱線一側的料厚變化梯度與棱線圓角半徑存在較強的相關性, 是造成滑移線可被感知的根本原因; 而側壁曲率半徑僅影響滑移線可被感知的程度, 通過對料厚梯度、 側壁曲率半徑數值進行擬合, 并與相應的外觀品質評價結果結合, 獲得滑移線感知風險評價圖; 經過發(fā)蓋外板和門外板實際案例的應用驗證, 說明該風險評價圖具備一定的可靠性。
關鍵詞：沖壓; 外覆蓋件; 棱線; 外觀質量; 滑移線
引言
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展以及消費的升級, 人們對于汽車的需求不僅限于安全、 科技及舒適, 還要求汽車有著適應當下潮流的造型風格以及極致的品質感受。而汽車外覆蓋件作為最能夠體現造型特點以及工藝品質的產品, 對其成形技術及面品質量控制進行研究具有重要意義。
對于采用沖壓成形的鈑金外覆蓋件而言, 常見的品質缺陷有開裂、 起皺、 凹陷、 起鼓、 麻點、 滑移線和沖擊線等, 也是多年來該領域的研究熱點[1-3]。其中, 滑移線缺陷是具有棱線特征的鈑金外覆蓋件常見問題之一, 行業(yè)內俗稱為“雙眼皮”或“雙輪廓”, 對外觀感知品質有著重要的影響。
對滑移線缺陷的解決, 行業(yè)內進行了充分的研究。例如, 張心怡等[4]通過優(yōu)化型面以及工藝補充, 解決了翼子板主棱線兩側區(qū)域由于材料瞬時流動不均而造成實際生產出現的滑移線缺陷。蔣磊等[5]利用有限元分析軟件, 對可能出現的滑移線缺陷進行分析, 并通過產品結構優(yōu)化及工藝調整, 避免了實際生產可能出現的品質問題。傳統(tǒng)對滑移線缺陷分析的評估方法主要是依據鈑金沖壓CAE 分析獲得的滑移線距離、 接觸應力或反彎曲應力等指標[6-8]。而HONG Y 等[9]等利用簡易的模型, 通過試驗研究認為料厚變化與滑移線缺陷風險存在關系,并給出了沖壓鈑金件的滑移線缺陷風險評估新準則。但是, 目前大部分關于滑移線問題的研究僅是針對沖壓鈑金件, 并未直接涉及最終的成品。實際上,鈑金外覆蓋件沖壓后, 還需經過電泳、 涂裝和烘烤等多種工序, 對成品上的滑移線缺陷的感知情況有著重要影響。對于部分在成品上不可被感知的滑移線缺陷, 提前進行工藝乃至產品上的優(yōu)化, 可能會影響造型風格、 成本或者其它重要的產品質量。
本文首先分析滑移線缺陷產生原因及其可被感知的實質, 并根據一般造型特征的需求設計典型試驗模型, 然后通過沖壓、電泳、涂裝及烘烤等工序獲得最終產品, 最后結合料厚變化規(guī)律、 幾何特征尺寸與外觀品質評價結果, 提出了基于CAE分析進行成品滑移線缺陷風險的評價圖。
1、 滑移線缺陷產生原因及可被感知實質
如圖1a 所示, 沖壓成形時, 鈑金坯料首先接觸到A 處, 坯料上隨即產生相應的印記; 隨著沖壓的進行, 該印痕與凸模圓角位置發(fā)生相對位移; 當沖壓結束時, 印記的位置抵達B 處, 形成沖壓缺陷,即為滑移線, 其中A 到B 的長度稱為滑移線寬度或滑移線距離。滑移線的產生是坯料接觸到凸模圓角后, 在圓角兩側發(fā)生不均勻的材料流動導致。成形過程中的工藝參數, 如摩擦因數、 壓邊力、 模具間隙和拉延筋阻力系數等, 都會對這種不均勻流動產生影響, 影響滑移線的產生及其寬度。但是本文的研究重點并不在于如何通過這些工藝參數去控制滑移線的產生或其寬度, 事實上, 由于造型風格的限制, 部分產品滑移線的產生及其寬度不可控, 本文的研究重點在于這些滑移線是否會影響涂裝后的成品外觀品質。
圖1 滑移線產生原因及可被感知實質
(a) 滑移線的產生 (b) 滑移線的可視
Fig.1 Cause of skid-line and its visibe nature
(a) Generation of skid-line (b) Visibility of skid-line
理論上, 滑移印記產生于產品的內表面(非外觀面), 對產品外觀品質不存在影響, 外觀品質的感知缺陷來自滑移線寬度區(qū)域的料厚變化。鈑金坯料接觸凸模圓角時, 會產生較大的徑向壓應力, 使得坯料內層處于靜水壓力狀態(tài), 導致A 位置外層變形嚴重而內層變形被抑制, 即料厚的變薄方向來自于坯料外層[10]。而變形也使得該區(qū)域產生加工硬化效應,由于應變硬化指數n 隨著變形而變化[11], 導致當沖壓成形繼續(xù)進行時, AB 之間的塑性變形是不均勻的(特別是坯料外層區(qū)域), 不同材料的硬化因子n 值各異, 其不均勻性也會不同, 但最終都表現為該區(qū)域的料厚變化不均。在較為嚴重的情況下, 由于坯料外層表面的不均勻變形, 通過光柵的照射, 可以明顯地看到該區(qū)域光的反射角度相比于其它區(qū)域發(fā)生改變, 出現光影扭曲(斑馬線扭曲), 如圖1b 所示, 這就是滑移線缺陷可被感知的實質。此外, AB 之間產品面的曲率半徑會影響光影扭曲的程度, 而電泳、 涂裝也會進一步對滑移線缺陷的可被感知強弱產生影響。
2、 滑移線缺陷試驗模型及方法
基于上述理論分析, 為了研究滑移線對外覆蓋件產品(涂裝狀態(tài)) 外觀感知品質的影響, 并探尋相應的新評判方法, 本文設計一種滑移線試驗模型,如圖2a 所示, 通過兩側的拉延筋控制滑移線的距離, 圖2b 為試驗模型的模具實物。
圖2 滑移線試驗模型(a) 和模具實物圖(b)
Fig.2 Skid-line test model (a) and physical picture of mold (b)該模型的主棱線圓角為R1、 R3 和R5, 對R1進行初始試驗, 后續(xù)通過模具降刻加工, 重新上機,完成主棱線R3 及R5 的試驗。同時, 如前所述, 由于滑移區(qū)域面曲率半徑對滑移線缺陷感知有影響。在主棱線的外側上沿著X 方向設計曲率變化的側壁面(圖2a 中深色面), 其中一側為凸弧面, 另外一側為凹弧面。3 次上機試驗模型主要特征的參數匯總如表1 所示, 共計21 種不同的截面特征。
表1 試驗模型的主要特征參數(mm)
Tab.1 Main characteristic parameters of test model (mm)
試驗材料采用汽車外板常用鋼板GX220BD-ZF,料厚為0.7 mm, 其材料力學性能如表2 所示(σ0 為屈服應力, Rm 為抗拉強度, rm 為平均厚向各向異性系數)。沖壓出件后, 按指定位置對樣件進行料厚測量后, 再進行電泳、 涂裝, 獲得最終外觀品質評價所用樣件。CAE 分析及實際產品的料厚測量點取同一曲率半徑(同一截面特征) 的側壁中部位置, 從棱線圓角根部開始, 每隔1 mm 取一點, 累計測量20 個點,如圖3 所示。實際產品的料厚測量工具為千分尺。
表2 GX220BD-ZF 的力學性能
Tab.2 Mechanical properties of GX220BD-ZF
圖3 料厚測量位置
Fig.3 Positions for thickness measurement
滑移線缺陷試驗的CAE 仿真模型通過Autoform軟件建立, 如圖4 所示(圖中箭頭表示凹模和壓邊圈的運動方向), 其中壓邊圈行程120 mm, 壓邊力1000 kN, 摩擦因數定義為0.15。采用自適應拉延筋, 由于模型存在小半徑棱線, 為了提高仿真的準確度, 網格單元分析參數按表3 進行設置。
表3 網格單元分析參數設置
Tab.3 Setting for analysis parameters of grid cell
圖4 滑移線試驗仿真模型
Fig.4 Simulation model of skid-line test
此外, CAE 分析所用材料的硬化模型采用Hill準則, 即：
式中： σ 為真應力; K 為強度因子; ε 為真應變。屈服模型采用Hill48 模型。
為了使實際生產與CAE 分析狀態(tài)盡可能趨于一致, 模具的研合率需達到85%以上, 同時嚴格按CAE 分析工藝參數來進行調試, 避免因為制造的因素導致實際成形狀態(tài)與理論不匹配。本次試驗所用模具壓料面的研合情況如圖5 所示, 由圖可知, 研合率已達85%以上, 滿足調試要求。
圖5 壓邊圈的研合情況
Fig.5 Lapping condition of binder
樣件在電泳、 涂裝后進行棱線處外觀品質評價。評價要求在光照充足的室外進行, 并且從30°、 90°和150°這3 個方向對樣件進行觀察, 如圖6 所示。評價結果分為兩個等級：安全(S)、 危險(N)。
圖6 樣件涂裝后的棱線處外觀品質評價方法
Fig.6 Evaluation method of appearance quality at feature lines of sample after painting
3、 試驗結果分析
表4所示為不同棱線圓角半徑及側壁曲率半徑狀態(tài)下CAE 分析與實際鈑金件的滑移線距離。從表中可以看出, CAE 分析與實際鈑金件兩者的滑移線距離差異在2 mm 以內, 而滑移線平均的滑移距離在8 mm 以上, 按企業(yè)過往對滑移線風險的判據,這類滑移線均需要進行相關的工藝及結構優(yōu)化。
表4 不同半徑下CAE 與實際鈑金件的滑移線距離(mm)
Tab.4 Skid-line distance of CAE and real sheet metal part with different radius (mm)
圖7所示為部分不同棱線圓角半徑及側壁曲率半徑狀態(tài)下樣件的實測料厚值及對應的CAE 分析值。從圖中可以看出, 從圓角根部開始, 樣件的料厚發(fā)生急劇變薄之后, 沿著遠離圓角的方向緩慢增厚, 呈現拋物線特征, 結合表4 可以看出, 料厚急劇變化的區(qū)域均處于滑移線距離范圍內, 這與前面分析的不均勻塑性變形現象一致, 而這種料厚的變化不均程度, 也是影響滑移線缺陷是否可被感知的本質因素, 可作為評估滑移線缺陷可被感知風險評價的手段, 這也與文獻[10] 的研究結論一致。
圖7 部分不同參數下樣件的實際厚度值及對應的CAE 分析值
(a) 平面?zhèn)缺?(b) 凸R300 側壁 (c) 凸R200 側壁 (d) 凸R100 側壁
Fig.7 Real thickness values and corresponding CAE analysis values of some samples with different parameters
(a) Plane side wall (b) Convex R300 side wall (c) Convex R200 side wall (d) Convex R100 side wall
相比于在生產制造階段解決品質缺陷問題, 借助CAE 分析工藝在同步工程階段提前識別問題、 解決問題的方案, 無需額外投入工裝設備, 也無需上機進行調試, 無疑是成本最低、 周期最少、 靈活度最高的方法。所以, 對于滑移線可被感知風險的評價方法, 為了保證方法設計與后續(xù)應用存在一致性,應該建立在基于CAE 分析數據的基礎上。從表4 和圖7 可知, 實測數據和CAE 分析趨于一致, 說明CAE 分析具備較高的可靠性, 因此, 下文基于CAE分析數據, 根據其規(guī)律進一步探索滑移線缺陷感知風險評價的新方法。
為了進一步分析材料流過棱線圓角后料厚的變化情況, 對不同主棱線圓角、 側壁曲率半徑的樣件滑移線區(qū)域內的CAE 料厚變化梯度dt/dl 進行統(tǒng)計,如圖8 所示。從統(tǒng)計結果看, 每種樣件的料厚變化梯度均有一個單一極值, 而且該極值與棱線圓角半徑存在較強的相關性, 即隨著圓角半徑的增加, 該值減小; 而該值與側壁曲率半徑的變化無強相關性,正如前面所述, 側壁曲率半徑僅影響滑移線可被感知的程度。
圖8 不同主棱線圓角半徑、 側壁曲率半徑的樣件滑移線區(qū)域內的料厚變化梯度
(a) 平面?zhèn)缺?(b) 凸R100 側壁 (c) 凸R200 側壁 (d) 凸R300 側壁 (e) 凹R100 側壁 (f) 凹R200 側壁 (g) 凹R300 側壁
Fig.8 Gradient of thickness change in skid-line area of samples with different feature line radius and side wall curvature radius
(a) Plane side wall (b) Convex R100 side wall (c) Convex R200 side wall (d) Convex R300 side wall (e) Concave R100 side wall(f) Concave R200 side wall (g) Concave R300 side wall
對不同棱線圓角半徑、 側壁曲率半徑涂裝后的樣件按圖6 方法進行棱線處外觀品質評價, 結果如表5 所示(其中料厚梯度取絕對值。)。從表中可以看出, 側壁曲率半徑對滑移線的可被感知情況起到一定的影響, 對于同樣的棱線圓角尺寸, 側壁曲率半徑越大, 其滑移線可被感知的風險程度越高。
表5 不同棱線圓角半徑和側壁曲率半徑涂裝件棱線處外觀品質評價結果
Tab.5 Evaluation results of appearance quality at feature lines of painted parts with different feature line radius and side wall curvature radius
為了進一步獲得企業(yè)上通用的、 覆蓋全棱線圓角半徑及側壁曲率半徑的涂裝后產品的滑移線感知風險評價方法, 基于棱線半徑越小, 外觀品質風險越高以及側壁曲率半徑越大, 外觀品質風險越高這兩條結論, 假設表5 中同一側壁曲率半徑、 不同棱線圓角半徑評價為S 的最大料厚梯度為臨界風險值(即圖9 中的危險點), 并對其進行擬合, 具體公式為：
圖9 滑移線感知風險評價圖
Fig.9 Skid-line perceived risk assessment diagram
式中：y 為料厚變化梯度; x 為側壁曲率半徑。圖9所示為擬合后的滑移線感知風險臨界線(虛線),位于臨界線以上為棱線外觀品質危險區(qū)域, 臨界線以下為安全區(qū)域, 以此形成滑移線感知風險評價圖?；谠搱D, 只需要通過CAE 方法計算獲得棱線滑移區(qū)域的料厚變化梯度及側壁曲率半徑, 即可得出實際成品滑移線感知風險情況。
4、 滑移線感知風險評價圖的實際應用
圖10a 所示為某車型發(fā)蓋外板產品, 其C 處棱線圓角半徑約為8 ～11 mm, 側壁曲率半徑約為凸170 ～200 mm, 經過CAE 分析, 結果如圖10b所示, 棱線處的接觸應力約為27 ～30 MPa, 滑移線距離約為7 ～12 mm, 按傳統(tǒng)滑移線風險評估為不滿足要求。通過計算, 其滑移線區(qū)域的料厚變化梯度約為0.010, 結合側壁曲率半徑根據圖9 可以知道, 其涂裝后產品的滑移線感知風險評價為安全。圖11 所示為實際產品棱線處的光影情況, 可以發(fā)現光影并未發(fā)生嚴重扭曲, 其外觀品質滿足要求。
圖10 發(fā)蓋外板(a) 及其CAE 分析結果(b)
Fig.10 Hood outer panel (a) and its CAE analysis results (b)
圖11 實際產品棱線處的光影情況
Fig.11 Light and shadow condition at feature lines of actual product
圖12所示為滑移線感知風險評價圖的另外一項實際應用, 其中, 前門外板主棱線半徑為3～4 mm, 側壁曲率半徑約為凸310～320 mm, CAE 分析計算其滑移線距離約為5 mm, 接觸應力約為60 MPa, 進一步計算獲得其料厚變化梯度約為0.017, 其滑移線風險點落于圖9 中的危險區(qū)域, 從圖12 中可以看出實際產品棱線滑移線一側的光影發(fā)生明顯扭曲, 與評價圖一致。
圖12 門外板棱線處CAE 分析結果(a) 及產品光影情況(b)
Fig.12 CAE analysis result (a) and light and shadow condition(b) at feature lines of door outer panel
5、 結論
(1) 鈑金沖壓后, 棱線一側的料厚急劇變薄之后, 沿著遠離圓角的方向緩慢增厚, 呈現拋物線特征, 同時料厚急劇變化的區(qū)域均處于滑移線距離范圍內, 這種料厚變化的不均程度是影響滑移線缺陷是否可被感知的本質因素。
(2) 棱線一側滑移線區(qū)域內的料厚變化梯度存在單一極值, 該極值與棱線圓角半徑存在較強的相關性, 即隨著圓角半徑的增加, 該值減小, 而與側壁曲率半徑的變化無強相關性, 側壁曲率半徑僅影響滑移線可被感知的程度。
(3) 通過對料厚梯度、 側壁曲率半徑數值進行擬合, 并與相應的外觀品質評價結果結合, 獲得滑移線感知風險評價圖, 通過發(fā)蓋外板、 門外板等實際案例的驗證, 說明該評價圖具備可靠性。
來源：期刊-《塑性工程學報》作者：林 楷, 鄧國朝, 利曉林, 謝育濤, 謝國文, 吳雄偉
(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院, 廣東 廣州 511434)
來源：Internet
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