沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線清洗機(jī)油膜厚度控制方案研究

韋榮發(fā)，曾凡芝，麥育智，孫凌霄

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545005)

0 引言

汽車覆蓋件作為功能性零件，對(duì)汽車的安全、隔振降噪性能以及整車的造型風(fēng)格與靜態(tài)感知質(zhì)量等具有重要影響[1]。隨著消費(fèi)水平的提高，汽車外觀質(zhì)量逐漸成為影響消費(fèi)者購(gòu)買意向的主要因素之一，因此如何消除板料表面凹凸等缺陷并最大化凸顯整車光影效果成為主機(jī)廠追求的重要方向。汽車覆蓋件生產(chǎn)過程中，為規(guī)避板料表面潔凈度不足造成鈑金凹凸或模具零件型面受損等問題，通過在板料表面涂抹一層均勻油膜以改善拉深成形性能，大型自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線線首端均配置用于清洗板料表面油污或異物及板料潤(rùn)滑的清洗機(jī)，且將清洗機(jī)與沖壓自動(dòng)化整線的線頭單元進(jìn)行集成[2,3]。經(jīng)清洗后的板料進(jìn)入對(duì)中臺(tái)，進(jìn)行拉深、修邊或整形等工藝流程，汽車覆蓋件生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

汽車覆蓋件量產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，因清洗機(jī)參數(shù)設(shè)置不合理或擠干輥老化失效等原因，板料經(jīng)清洗后還附著過多的油液，易積攢在拉深模壓邊圈的低弧面與拉深槽根部，油量過多降低了板料的成形阻力，加劇成形零件起皺變異的風(fēng)險(xiǎn)并增加清洗機(jī)油耗成本，同時(shí)模具零件上殘留的清洗油在振動(dòng)環(huán)境下易滲漏至機(jī)臺(tái)表面，污染車間環(huán)境，增加保潔人員的工作負(fù)擔(dān)，模具零件積油及成形零件的質(zhì)量變異如圖2所示。此外跟蹤整車制造工藝發(fā)現(xiàn)，板料表面油液過多易降低白車身的焊點(diǎn)質(zhì)量，且經(jīng)涂裝噴涂工藝后易導(dǎo)致鈑金表面產(chǎn)生縮孔（見圖3），降低整車的美觀性及防腐性能。

如何減少板料經(jīng)清洗機(jī)清洗后板料吸附的油液成為沖壓車間質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)以板料油膜厚度為指標(biāo)，從降低板料表面油膜厚度的角度考慮，介紹清洗機(jī)的工作原理及特點(diǎn)，并結(jié)合工程實(shí)踐驗(yàn)證清洗機(jī)噴油泵壓力與流量、線速度、擠干輥壓力等工藝參數(shù)對(duì)板料油膜厚度的影響，在此基礎(chǔ)上形成清洗機(jī)油膜厚度控制方案。

1 清洗機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

研究對(duì)象為濕式清洗機(jī)，清洗機(jī)實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。清洗機(jī)由1對(duì)引入輥、1對(duì)刷輥（清洗輥）及2對(duì)擠干輥組成，正常生產(chǎn)時(shí)，引入輥將對(duì)中臺(tái)上的板料引入清洗機(jī)并將其傳遞至刷輥進(jìn)行表面清洗，刷輥前后分別配備上下2排清洗噴油管，分別在板料通過清洗輥前后對(duì)其上、下表面進(jìn)行噴洗。前后兩排噴管上的噴嘴開閉控制，要求能與不同尺寸板料的噴洗面寬度相適應(yīng)，即設(shè)備可根據(jù)板料尺寸大小，僅打開板料通過區(qū)域的噴嘴，而沒有板料通過的噴嘴則關(guān)閉。經(jīng)清洗后的板料表層附著較厚的油膜，需要在清洗機(jī)后端的擠干輥?zhàn)饔孟聦⑦@層厚油膜擠壓成一層厚度適中且均勻的油膜，使其滿足沖壓成形需求[4]。

圖1 汽車覆蓋件生產(chǎn)工藝流程

圖2 模具零件積油及成形零件的質(zhì)量變異

圖3 板料表面油液過多造成涂裝縮孔

引入輥和擠干輥的升降分別由獨(dú)立的液壓驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，以提供輥?zhàn)颖砻媾c板料之間所需要的工作壓力，調(diào)整之后的工作壓力作為對(duì)應(yīng)板料的配方參數(shù)，即擠干輥壓力可根據(jù)板料的厚度等要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，操作員可在設(shè)備的人機(jī)界面上通過簡(jiǎn)單的設(shè)定實(shí)現(xiàn)工作壓力的調(diào)整，并記錄為對(duì)應(yīng)板料的設(shè)備配方參數(shù)。清洗機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，板料表面油膜厚度的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為0.5～1.5 g/m2。

表1 清洗機(jī)技術(shù)參數(shù)要求

2 清洗機(jī)工藝參數(shù)對(duì)油膜厚度的影響

清洗機(jī)工藝參數(shù)控制界面如圖5所示。由清洗機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)可知，影響板料油膜厚度有清洗噴油泵壓力與流量、板料通過速度、擠干輥壓力等因素。結(jié)合工程實(shí)踐，以板料表面油膜厚度為評(píng)價(jià)質(zhì)量，以清洗機(jī)中各工藝參數(shù)為自變量，驗(yàn)證清洗機(jī)工藝參數(shù)對(duì)板料油膜厚度的影響。

圖4 清洗機(jī)實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 清洗機(jī)工藝參數(shù)控制界面

2.1 噴油泵壓力與流量研究

側(cè)圍外板是汽車覆蓋件中較典型且尺寸較大的零件[5]，研究其生產(chǎn)過程中板料表面清洗效果具有針對(duì)同類問題的概括性與普遍性。為驗(yàn)證清洗機(jī)噴油泵壓力對(duì)板料油膜厚度的影響，以某車型側(cè)圍外板為載體進(jìn)行相關(guān)研究（板料長(zhǎng)度3 720 mm，寬度1 730 mm，厚度0.7 mm，材質(zhì)BSUFD），跟蹤在不同噴油泵設(shè)定壓力下板料的油膜厚度。檢測(cè)設(shè)備采用TOHO-66D凸鏡（檢測(cè)范圍0.3～4 g/m2，涉及板料油膜厚度檢測(cè)均采用該設(shè)備），根據(jù)設(shè)備屬性，清洗機(jī)噴油泵的設(shè)定壓力調(diào)整范圍為1.0～5.0 PSI（145 PSI=1 MPa），試驗(yàn)時(shí)其余工藝參數(shù)不變，分別測(cè)量并記錄在1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 PSI設(shè)定壓力下5組板料的油膜厚度，并以平均值作為評(píng)價(jià)結(jié)果。側(cè)圍外板的結(jié)構(gòu)與測(cè)點(diǎn)如圖6（a）所示，凸鏡檢測(cè)過程如圖6（b）所示，試驗(yàn)結(jié)果見表2中前5組數(shù)據(jù)。

清洗機(jī)刷輥上配備上下各2組噴油口，為驗(yàn)證清洗機(jī)噴油量對(duì)板料油膜厚度的影響，取消刷輥中的后2組噴油管，減少板料油液來源。在噴油泵設(shè)定壓力為定值1 PSI的條件下，重復(fù)測(cè)量并記錄3次取消噴油管后的板料油膜厚度，試驗(yàn)結(jié)果見表2中第6～8組數(shù)據(jù)。

表2 調(diào)整噴油泵壓力與流量對(duì)應(yīng)的油膜厚度 g/m2

觀察測(cè)量結(jié)果可知，降低清洗機(jī)噴油泵設(shè)定壓力，板料油膜厚度呈下降趨勢(shì)，且當(dāng)設(shè)定壓力為1 PSI時(shí)，油膜平均厚度為1.5 g/m2，符合技術(shù)規(guī)范。在噴油泵設(shè)定壓力為定值的前提下，取消刷輥中的后2組噴油管，板料油膜厚度變化量較小且均超出0.5～1.5 g/m2的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，表明噴油泵流量對(duì)板料油膜厚度影響效果不明顯，在擠干輥壓力確定的情況下，改變噴油泵流量不能改變油膜厚度。

2.2 清洗機(jī)線速度研究

圖6 某側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)及油膜厚度檢測(cè)

為驗(yàn)證清洗機(jī)線速度對(duì)板料油膜厚度的影響，以上述側(cè)圍外板為研究對(duì)象，取零件上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)量并記錄在5種不同清洗機(jī)線速度下板料表面的油膜厚度，并以平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，油膜厚度測(cè)量及試驗(yàn)結(jié)果分別如圖7及表3所示。由于在實(shí)際生產(chǎn)過程中皮帶機(jī)與清洗機(jī)自動(dòng)化關(guān)聯(lián)走線，試驗(yàn)時(shí)需適當(dāng)調(diào)整皮帶機(jī)速度以匹配整線運(yùn)行[6]。

表3 清洗機(jī)線速度與油膜厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表3數(shù)據(jù)可知，清洗機(jī)線速度越低，板料油膜厚度有微小增加，但變化量較小，即清洗機(jī)線速度對(duì)板料油膜厚度影響不顯著。

2.3 擠干輥壓力研究

根據(jù)清洗機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)可知，擠干輥是控制板料油膜厚度的主要工具，擠干輥壓力由作用在擠干輥上輥兩端的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供，是影響量產(chǎn)過程板料表面油膜厚度的直接因素。擠干輥壓力大小與板料油膜厚度的定性關(guān)系如圖8所示。

清洗機(jī)擠干輥在設(shè)計(jì)制造時(shí)通常為梭形，當(dāng)作用在擠干輥上的壓力偏小時(shí)，擠干輥保持原形態(tài)，中間部位與板料的接觸壓力大、兩邊小，對(duì)應(yīng)的油膜厚度中間小、兩邊大，如圖8（a）所示。當(dāng)作用在擠干輥上的壓力適中時(shí)，輥面與板料接觸均勻，對(duì)應(yīng)的油膜厚度整體均勻，如圖8（b）所示，但因油膜自身具有一定的流動(dòng)性及上下輥之間相對(duì)位置度出現(xiàn)偏差等原因，油膜厚度的均勻具有相對(duì)性，一般在0.3～1.5 g/m2內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)作用在擠干輥上的壓力偏大時(shí)，擠干輥受負(fù)彎矩作用造成中間部位出現(xiàn)拱高，導(dǎo)致中間區(qū)域油膜厚度大，兩邊小，如圖8（c）所示。

擠干輥壓力調(diào)整范圍在2～6 MPa，為探究清洗機(jī)擠干輥壓力對(duì)板料油膜厚度的影響，以上述側(cè)圍外板為研究對(duì)象，取零件上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)量并記錄7組擠干輥壓力組合下板料表面的油膜厚度，并以平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

由表4可知，擠干輥壓力對(duì)板料油膜厚度具有重要影響，在2～6 MPa壓力調(diào)整范圍內(nèi)，不同的擠干輥壓力組合所對(duì)應(yīng)的板料油膜厚度不同，呈現(xiàn)油膜厚度隨擠干輥壓力的增大而減少的趨勢(shì)，且當(dāng)2組擠干輥的設(shè)定壓力均為最大值時(shí)，油膜厚度最薄。

圖7 不同清洗機(jī)線速度的板料油膜厚度

圖8 擠干輥壓力大小與油膜厚度的定性關(guān)系

表4 不同擠干輥壓力組合油膜厚度測(cè)量結(jié)果

2.4 擠干輥硬度研究

擠干輥材質(zhì)為無(wú)紡布，薄片層迭式結(jié)構(gòu)損傷后具有較強(qiáng)的自我愈合能力，具有輥面張力大，摩擦因數(shù)高等特點(diǎn)，可有效清除殘留在板料上的異物并精確控制油膜厚度。相關(guān)研究表明，擠干輥的老化（服役周期）對(duì)油膜厚度具有重要影響，關(guān)聯(lián)曲線如圖9所示[7]。為驗(yàn)證擠干輥硬度對(duì)油膜厚度的影響，采用邵氏硬度器檢測(cè)新舊擠干輥輥面硬度，并跟蹤側(cè)圍外板板料的油膜厚度，測(cè)量結(jié)果如表5所示，其中，輥面硬度與油膜厚度均取平均值。

圖9 油膜厚度與擠干輥服役周期關(guān)聯(lián)曲線

表5 新舊擠干輥硬度對(duì)應(yīng)油膜厚度測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果表明，更換新擠干輥后板料油膜厚度由2.34 g/m2降低至1 g/m2，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可知，擠干輥長(zhǎng)期使用后因粘附較多異物造成輥面硬度增大，導(dǎo)致擠干效果下降，油膜厚度增厚。該結(jié)論可為清洗機(jī)維修保養(yǎng)及擠干輥備件更換提供依據(jù)，即可根據(jù)板料的清洗效果磨削加工擠干輥，切除輥面的硬化層，并結(jié)合工藝參數(shù)以優(yōu)化板料油膜厚度。

綜合上述分析結(jié)果可知，清洗機(jī)噴油泵壓力、擠干輥壓力及擠干輥硬度等工藝參數(shù)對(duì)板料油膜厚度具有重要影響，生產(chǎn)過程可根據(jù)零件狀態(tài)對(duì)清洗機(jī)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3 生產(chǎn)試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇另一車型側(cè)圍外板進(jìn)行工程論證。該側(cè)圍外板材質(zhì)為BSUFD-FD-D，板料外形尺寸為3 605 mm×1 580 mm×0.7 mm，調(diào)整前油膜厚度為2.3～3 g/m2，不符合白車身鈑金油膜厚度質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。側(cè)圍外板板料結(jié)構(gòu)及油膜厚度測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。試驗(yàn)過程基于板料的清洗效果與零件質(zhì)量狀態(tài)不斷優(yōu)化清洗機(jī)噴油泵壓力等工藝參數(shù)，在油膜厚度及零件狀態(tài)較為穩(wěn)定的條件下鎖定工藝參數(shù)后開展對(duì)比試驗(yàn)，以板料上5個(gè)測(cè)點(diǎn)油膜厚度的均值為參考指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化措施的有效性，以單件油耗為指標(biāo)，跟蹤某條生產(chǎn)線在一定沖次下的油耗數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

圖10 某側(cè)圍外板板料結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置

表6 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

觀察試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過優(yōu)化清洗機(jī)參數(shù)，板料油膜厚度由2.3～3 g/m2降低至1.3 g/m2，符合沖壓鈑金油膜厚度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且當(dāng)噴油泵壓力為5 PSI，擠干輥壓力為5.0 MPa，擠干輥硬度為89.6 HA時(shí)擠干效果最佳。整線零件的單件油耗由0.035 8 kg/件降低至0.016 kg/件，表明所采取措施可有效降低板料表面油膜厚度。

4 結(jié)束語(yǔ)

清洗機(jī)是沖壓自動(dòng)化線的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)汽車覆蓋件的品質(zhì)具有重要影響，掌握清洗機(jī)參數(shù)調(diào)整方法可提升主機(jī)廠成形零件的質(zhì)量及成本控制成效。簡(jiǎn)要介紹濕式清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，并基于工程實(shí)踐研究清洗機(jī)噴油泵壓力、擠干輥壓力及擠干輥硬度等工藝參數(shù)對(duì)板料表面油膜厚度的影響，得出如下結(jié)論。

（1）噴油泵壓力越小，板料表面油膜厚度越薄。

（2）板料表面油膜厚度與噴油泵流量相關(guān)性不大，在擠干輥壓力確定的情況下，改變噴油泵流量不能改變油膜厚度。

（3）擠干輥壓力對(duì)板料表面油膜厚度具有顯著影響，擠干輥壓力越大，油膜厚度越薄。

（4）當(dāng)噴油泵壓力為5 PSI，擠干輥壓力為5.0 MPa，擠干輥硬度為89.6 HA時(shí)擠干效果最佳,板料表面油膜厚度由2.3～3 g/m2降低至1.3 g/m2。