轿车覆盖件表面瘪塘分类及其特点

77 轿车覆盖件表面瘪塘分类及其特点 刘瑞同 1 林建平1 管华军2 1 同济大学机械工程学院 2 上海大众有限公司冲压中心 摘要 瘪塘是轿车覆盖件的主要表面质量缺陷之一 其产生原因涉及覆盖件结构 模具 工艺参数等诸多 方面 本文对瘪塘进行了较为详细的描述 并根据瘪塘产生部位的几何特征对其进行了分类 研究了各类 瘪塘的特点 为产生机理和整改方法的研究奠定了基础 关键词 覆盖件 表面质量 瘪塘 1 前言 轿车覆盖件一般具有材料薄 形状复杂 双曲面外凸 结构尺寸大及表面质量要求高等特点 对于外覆盖件表面质量的要求则显得尤为重要 覆盖件的表面缺陷主要包括起皱 开裂 形面崎变 拉毛等 不同结构形式的零件其主要表面缺陷也不相同 对于轿车大型覆盖件来说 形面崎变占的 比例相当大 而瘪塘正是形面崎变中具有代表性的一种表面缺陷 甚至有些零件的表面缺陷全是瘪 塘 因此对瘪塘现象进行详细的研究是十分必要的 研究人员已经对起皱 伤碎 拉毛等现象进行了较为详尽的研究 并提出了许多切实可行的修 正方法 但对瘪塘的研究几乎还是空白 从公开的文献看 国外还未发现瘪塘的报道 国内只有任 雪岩 1 对瘪塘进行了简单的介绍 他将瘪塘称为暗坑 认为瘪塘是覆盖件表面轻微的坑包 由于直 接视观察覆盖件表面时很难或无法发现这种缺陷 油漆后的车身经光线照射后才表现出来 显然这 种描述不足以覆盖瘪塘现象的全貌 由于瘪塘现象涉及到冲压件形状 模具结构 模具制造工艺及模具制造质量等多方面 除部分 模具制造质量问题较易解决外 其它问题引起的瘪塘 在模具制造完成后对其进行修正是比较困难 的 有时只能改善而无法消除 因此被认为是汽车覆盖件表面质量的世界性难题 本文作者通过对 大众有限公司轿车覆盖件的生产现场资料的收集总结 首先对瘪塘现象进行了初步的探讨 进行了 较为科学的分类 为下一步对其产生机理和整改方法的研究奠定了基础 2 瘪塘定义 目前对瘪塘这种现象并没有严格的定义 瘪塘现象也很容易和其他表面缺陷混淆起来 因此对 瘪塘进行科学的定义对于准确判断瘪塘现象是具有指导意义的 本文认为可以从两个方面对瘪塘进 行定义 1 表现形式上 瘪塘是外凸覆盖件上连续的曲面在局部发生的轻微而封闭的凹陷 即零件的表 面不光顺 断面曲率形状失去原产品设计曲线连续光顺的特性 曲率产生反方向的变化 见 图 1 所示 2 从变形形式上 瘪塘部位的材料主要是以弹性变形为主 塑性应变较少 致使成形后此部 位发生局部回弹 图 1 瘪塘示意图 78 瘪塘与其他表面质量缺陷的主要差别在于 1 起皱是板料局部在内部应力作用下的失稳现象 这种内应力主要有切应力和剪应力 但瘪 塘的内应力则以不均匀拉应力为主 2 波浪与瘪塘主要区别在于波浪是覆盖件上外凸曲面上局部出现连续较大面积的外凸和内凹 现象 而瘪塘则基本上凹陷 瘪塘主要可以通过目视 手摸 油石打磨等方法来鉴别 出现反射光线方向突变形成封闭圆环 或手感不顺滑 打磨线断及打磨线深浅不一致的封闭区域即可认为存在瘪塘缺陷 3 瘪塘的分类 由于瘪塘产生的部位 原因和表现形式很多 可以通过多种角度进行分类 下面是以新 老桑 塔纳轿车覆盖件的冲压生产为对象 根据瘪塘出现的位置进行的分类 轿车覆盖件上出现瘪塘的部位其几何形状具有较明显的特征 根据产生部位将瘪塘可以分为四 类 姑且以符号 A D 表示 1 A 类 这类瘪塘一般产生在较平坦的曲面上有一反向凹坑处 在其周边形成瘪塘 例如老桑后右叶子 板的加油孔 新桑前叶子板转向灯等 见图 2 所示 大型汽车覆盖件上出现反向凹坑是十分常见的结构形式 由于凹坑内部板料的成形导致在凹坑 周围出现瘪塘 见照片中的绿线标识 该问题属于冲压件形状问题 目前尚无法彻底消除 2 B 类 这类瘪塘一般发生折边附近 情况比较复杂 可以细分成4种情况 见图3所示 对应每 种折边位置的瘪塘实物照片见图4所示 图 2 A 类瘪塘零件照片 图 3 4 种不同折边位置瘪塘的示意图 79 图4 B类瘪塘的照片 该类瘪塘都发生在板料的边缘或角部 多出现在翻边工序中 产生原因与模具有密切关 系 例如凸模圆角过大 凸模 弹簧板与冲压件贴合率差等原因 通过修理模具 大都可以 改善或消除瘪塘 3 C类瘪塘 此类瘪塘一般发生在较大光顺曲面上或该曲面的棱线部位 见图5所示 图 5 C 类瘪塘的照片 此类瘪塘主要为模具原因导致的 也可能是润滑油黏附 与生产辅助工具的碰撞等其它 原因产生的 通过修模 清理模具和调整辅助工具基本可以解决 4 D 类瘪塘 该类瘪塘主要发生在几个型面交接的部位 此处成形形状复杂 应力分布十分不均匀 从而产生瘪塘现象 见图 6 所示 图6 D类瘪塘的照片 该类瘪塘和 A 类瘪塘相似 属于冲压件形状复杂 冲压工艺性差引起的瘪塘 目前还很 难消除 对这两类瘪塘进行理论分析 在冲压件设计时尽量避免该形状出现 以及在无法避 免的情况下 通过模具结构的改进来减小瘪塘的程度 对提高汽车覆盖件的表面质量具有重 要的工程应用价值 80 上面按瘪塘产生的部位对瘪塘进行了分类 并列举了几个实例 这四类代表了轿车外覆 盖件典型的瘪塘现象 具有较为广泛的适用性 可以作为物理模型用于理论分析中 4 瘪塘特点 下面根据四类瘪塘产生部位的几何特征和变形情况分析瘪塘的特点 1 A 类瘪塘 A 类瘪塘属于结构性瘪塘 几何上呈现出封闭环状或半环状 在瘪塘内环有一个反向的 凹坑 该凹坑的变形比较复杂 材料的应变较大 出现较大的加工硬化现象 而瘪塘外环较 为平坦 面积较大 视为半无限条件 主要承受板料拉应力作用 瘪塘部位的材料应变相对 较小 几乎没有加工硬化 由于内环材料的强度加大 对瘪塘材料产生了较强的约束 在材 料内部残余应力的作用下产生了瘪塘 可以通过力学模型来说明 见下图所示 图 7 瘪塘的力学模型 上图是一个瘪塘的简单的力学模型 其瘪塘产生在 ABEF 区域内 决定瘪塘的大小 方 位的主要因素就是 AB AE 和 EF 边的约束条件 一般来说 AE 边及向外的板料可以视为半无 限板 因此 AB 边为固支条件 即在 XYZ 三个方向 六个自由度上均固定不动 AB 和 EF 边 的情况相同 在 Z 方向 垂直于板厚方向 可以有一定限度的位移 同时可以绕 Y 轴转动 BCFG 部分发生弯曲变形后 板料的外层材料处于拉应力状态 内层材料处于压应力状态 形成一个弯矩 当模具约束作用释放后 板料的回弹形成了一个反向弯矩 M 作用 而 CDGH 部分在回弹弯矩 M 作用下必然出现回复现象 此时由于 ABEF 区域的边界约束条件的不同致 使板料下陷形成瘪塘 2 B 类瘪塘 该类瘪塘属于结构性瘪塘和工艺性瘪塘的综合 其几何形状较为复杂 随着产生部位的 几何特征的变化而变化 一般是边角部位折边工序产生的 瘪塘及其内部区域较为平滑 除 折边部位的应变较大 其他部位的应变较小且均匀 结构性瘪塘是指该类瘪塘也很容易出现 因为其折边部位材料都会发生弯曲作用 形成材料内部的残余反向弯矩作用 但由于折边部 位尺寸较小 弯曲程度过大 材料的应变主要集中在折边的弯角上 材料的弹性变形已经很 小 因此当模具的约束去除后 材料由于弹性变形所产生回弹也很小 因此产生瘪塘也很小 工艺性瘪塘是指该类瘪塘所处的部位基本在折边或边角处 模具成形时形成悬臂梁状态 刚 性差 导致模具很容易出现弯曲 损坏 与板料贴合不好等问题 从而诱发瘪塘的出现 3 C 类瘪塘 如果瘪塘发生在光滑的大曲面上则呈现近似椭圆状凹陷 如果发生在棱线附近 则呈现 窄长条状 这是典型的工艺性瘪塘 例如模具没有压紧 出现真空现象 它们可以通过调整 81 维修模具达到消除瘪塘的目的 4 D 类瘪塘 D类瘪塘属于结构性瘪塘 几何上呈现几个型面包围的封闭区域 一般瘪塘周围的型面 形状变化较大 应变也较大 加工硬化现象很严重 对瘪塘部位形成了很强的约束作用 与 周围材料相比瘪塘部位的材料应变相对较小 硬化现象较弱 在材料内部残余应力的作用下 瘪塘部位的材料发生回弹 应力重新分配等现象从而导致瘪塘的出现 上面四种瘪塘的产生原因又可以总结为结构性和工艺性瘪塘 1 结构性瘪塘 结构性瘪塘是由于冲压件几何结构的不合理造成的 产生的原因主要是板料的弯曲变形 导致的回弹所致 一般发生在板料不对称弯曲变形的部位 2 工艺性瘪塘 工艺性瘪塘一般出现在浅拉深小曲率覆盖件的小塑性变形区域内 覆盖件的深度较浅 材料在拉深过程中受到两向拉应力的作用 产生两向伸长变形 但由于受到的拉力较小而其 本身产生塑性变形所需的拉力又很大 故不能产生较大的塑性变形 这一区域毛坯甚至有时 只产生弹性变形 达不到塑性变形 因此在工作状态等外界因素的诱发下极易产生瘪塘 必须认识到 尽管工艺性瘪塘可以通过调整 维修模具达到消除瘪塘的目的 但其产生 的根本原因还是覆盖件自身的成形特点所致 因此只有从根本上改善覆盖件的成形性能 才 能从根本上消除和较少诱发性