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      基于CAE/CAD的油箱口蓋面差及形偏問(wèn)題分析與解決

      2021-10-20 07:35:52趙利濤張偉
      汽車工藝與材料 2021年10期
      關(guān)鍵詞:口蓋對(duì)照表卡扣

      趙利濤 張偉

      (秦皇島威卡威汽車零部件有限公司,秦皇島066004)

      1 前言

      隨著時(shí)代的進(jìn)步和生活品質(zhì)的提升,消費(fèi)者對(duì)汽車不僅僅滿足于基本的出行需求,對(duì)汽車感知質(zhì)量的關(guān)注度也越來(lái)越高。感知質(zhì)量反映著當(dāng)代審美取向和科技制造水平,涉及汽車的造型和做工2個(gè)方面,直接影響消費(fèi)者的購(gòu)車選擇。隨著生產(chǎn)技術(shù)及管理手段越來(lái)越高,汽車廠商致力于產(chǎn)品感知質(zhì)量的管控以提升自身競(jìng)爭(zhēng)力。

      油箱口蓋是安裝在汽車側(cè)圍鈑金上遮擋油箱加油口的一個(gè)重要部件,其表面品質(zhì)及與側(cè)圍鈑金的匹配精度,是汽車感知質(zhì)量重點(diǎn)評(píng)價(jià)對(duì)象。油箱口蓋按照材質(zhì)一般分為金屬油箱口蓋、塑料油箱口蓋和異種材質(zhì)油箱口蓋[1]。其中塑料油箱口蓋具有表面品質(zhì)好、尺寸精度高、子部件少、易裝配等優(yōu)勢(shì),被諸多車型廣泛應(yīng)用[2]。但塑料油箱口蓋存在對(duì)注塑工藝要求高、質(zhì)量控制難度大的問(wèn)題,一直是零部件制造商工藝改善和質(zhì)量提升的重要課題。在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)匹配間隙、面差超差、表面形偏的問(wèn)題,其中面差和形偏均與卡扣的Y向位置有很強(qiáng)的相關(guān)性,加之油箱口蓋卡扣數(shù)量多且組裝后不易觀察卡扣配合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),當(dāng)出現(xiàn)面差超差或組裝后形偏時(shí),原因及調(diào)整方案不易確定,需要的調(diào)整輪次多,周期長(zhǎng)。本文就此問(wèn)題進(jìn)行探究,給出卡扣Y向調(diào)整量與面差變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系、組裝形偏形式及原因?qū)φ毡恚瑢?duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

      2 油箱口蓋面差及形偏模擬分析

      首先對(duì)通過(guò)對(duì)稱和等效的思想對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化,然后使用CAE軟件對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行有限元分析,再對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行后處理,分析不同工況下油箱口蓋的Y向位移云圖,并將變形后的口蓋數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件對(duì)其外觀質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

      2.1 問(wèn)題簡(jiǎn)化

      本文塑料油箱口蓋系統(tǒng)主要由底座、支架和面蓋三大子部件構(gòu)成,如圖1所示,支架和面蓋為卡接結(jié)構(gòu),面蓋背面近似均勻分布6個(gè)卡扣,如圖2所示(裝車狀態(tài)時(shí)“油箱口蓋”特指面蓋)??紤]到卡扣分布具有對(duì)稱性,運(yùn)用對(duì)稱思維,以卡扣1、卡扣2作為研究對(duì)象,其他卡扣對(duì)應(yīng)的變形形式可通過(guò)對(duì)稱變換近似得到;對(duì)卡扣1、卡扣2施加正向位移進(jìn)行分析,其施加反向位移的變形結(jié)果也可以通過(guò)對(duì)稱得到;使用等效的方法將同一排中2個(gè)卡扣低(或高)的情況處理為另一卡扣高(或低)的情況,忽略2排卡扣之間的相互影響。這樣,看似復(fù)雜的6個(gè)卡扣狀態(tài)隨機(jī)組合的問(wèn)題即可簡(jiǎn)化為2種簡(jiǎn)單工況,即對(duì)卡扣1和卡扣2分別進(jìn)行單向加載,分析油箱口蓋變形后面差變化及對(duì)應(yīng)形偏形式。

      圖1 塑料油箱口蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      圖2 油箱口蓋(面蓋)卡扣分布

      2.2 有限元分析

      考慮到塑料材質(zhì)的彈性較好且油箱口蓋變形量不大,本文采用彈性理論作為有限元分析的理論基礎(chǔ)。使用ABAQUS軟件作為有限元分析的工具,將面蓋3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入ABAQUS中,材料屬性設(shè)置彈性模量2330 MPa,泊松比0.39,劃分成2 mm大小四面體網(wǎng)格,一次單元,邊界條件如表1所示。

      表1 2種工況對(duì)應(yīng)的邊界條件

      使用靜態(tài)隱式求解器提交求解,并對(duì)結(jié)果文件進(jìn)行后處理,導(dǎo)出變形后油箱口蓋3D數(shù)據(jù),得到工況1、工況2對(duì)應(yīng)的油箱口蓋的Y向位移云圖,如圖3、圖4所示。

      圖3 油箱口蓋的Y向位移云圖(工況1)

      圖4 油箱口蓋的Y向位移云圖(工況2)

      卡扣1位置位移2 mm,右下角面差同向變化3.97 mm,約為卡扣1變化量的2倍,卡扣4位置面差反向變化0.52 mm,約為卡扣1變化量的25%。

      卡扣2位移2 mm,卡扣2位置面差同向變化2 mm,面差變化與卡扣2變化基本一致,左下、右下面差均反向變化最大1.77 mm,約為卡扣2變化量的80%。

      2.3 等照度線映射分析

      使用CATIA軟件打開(kāi)2.2節(jié)有限元分析后處理得到的變形后面蓋3D數(shù)據(jù),裝配至側(cè)圍鈑金中,進(jìn)行等照度線映射分析(Isophote Mapping Analysis),得到工況1、工況2對(duì)應(yīng)的斑馬線形狀,如圖5、圖6所示。

      圖5 油箱口蓋的斑馬線(工況1)

      圖6 油箱口蓋的斑馬線(工況2)

      油箱口蓋的卡扣1、卡扣2位置與側(cè)圍鈑金光線出現(xiàn)錯(cuò)位,卡扣2位置光線繞過(guò)卡扣2向卡扣1方向出現(xiàn)大幅平滑偏折。

      油箱口蓋的卡扣1、卡扣2、卡扣3位置與側(cè)圍鈑金光線均出現(xiàn)錯(cuò)位,卡扣2位置光線由兩側(cè)向卡扣2大幅平滑偏折。

      3 油箱口蓋面差及形偏問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      制作手工樣件,將支架部件對(duì)應(yīng)卡扣破壞用螺釘替代,如圖7所示。

      圖7 油箱口蓋的手工樣件

      使用三坐標(biāo)驗(yàn)證面差變化量,如圖8所示。對(duì)調(diào)整前面差進(jìn)行測(cè)量,然后調(diào)整螺釘高度至與工況1、工況2對(duì)應(yīng)狀態(tài),再對(duì)面差進(jìn)行測(cè)量,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到面差變化量,外圈數(shù)據(jù)為工況1面差變化量,內(nèi)圈數(shù)據(jù)為工況2變化量,如圖9所示。

      圖8 油箱口蓋三坐標(biāo)測(cè)量

      圖9 油箱口蓋調(diào)整前、后面差變化量(mm)

      2種工況變形趨勢(shì)均與模擬結(jié)果具有很強(qiáng)的一致性,模擬結(jié)果可靠。另外,在2種工況中,油箱口蓋左下角面差變化量較模擬結(jié)果均偏小,偏差約0.2 mm,偏差主要來(lái)源于材料屬性、邊界條件設(shè)置與實(shí)際的偏差。

      在Audit燈光下驗(yàn)證形偏情況,工況1結(jié)果如圖10所示,工況2結(jié)果如圖11所示。

      圖10 油箱口蓋Audit效果(工況1)

      圖11 油箱口蓋Audit效果(工況2)

      油箱口蓋實(shí)際形偏形式與模擬結(jié)果一致,具有很強(qiáng)的一致性,表明模擬結(jié)果可靠。

      4 油箱口蓋面差及形偏問(wèn)題結(jié)論

      本文第3節(jié)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性,下面按照2.1節(jié)問(wèn)題簡(jiǎn)化的思路,定量給出卡扣Y向調(diào)整量與面差變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并推演出組裝形偏形式及原因?qū)φ毡怼?/p>

      4.1 卡扣Y向調(diào)整量與面差變化量對(duì)應(yīng)關(guān)系

      油箱口蓋左下、右下、左上、右上位置面差變化量對(duì)應(yīng)卡扣1、卡扣3、卡扣4、卡扣6位移變化量的2倍,卡扣4、卡扣6、卡扣1、卡扣3位置面差變化量對(duì)應(yīng)卡扣1、卡扣3、卡扣4、卡扣6位移變化量的25%;油箱口蓋左下、右下位置面差變化對(duì)應(yīng)卡扣2位移變化量的75%,左上、右上位置面差變化對(duì)應(yīng)卡扣5位移變化量的75%。

      4.2 形偏形式及原因?qū)φ毡?/h3>

      形偏均發(fā)生在卡扣2、卡扣5位置,且曲率變化平緩,通過(guò)對(duì)稱變換可得到形偏形式及原因?qū)φ毡?,如?、表3所示。

      表2 卡扣2位置組裝形偏形式及原因?qū)φ毡?/p>

      表3 卡扣5位置形偏形式及原因?qū)φ毡?/p>

      5 實(shí)際應(yīng)用

      在實(shí)際生產(chǎn)中可以快速甄別組裝形偏,了解對(duì)應(yīng)的形成原因,圖12為整車下線時(shí)發(fā)現(xiàn)的形偏缺陷,通過(guò)本文得出的形偏形式及原因?qū)φ毡砜梢钥焖倥卸榭?高或卡扣2、卡扣3低造成的組裝形偏,產(chǎn)線可快速對(duì)問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)。

      圖12 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的形偏缺陷

      使用面差尺進(jìn)行測(cè)量后,最終確認(rèn)為卡扣1高,將面蓋拆下,臨時(shí)使用刀片將卡扣1下表面定位凸點(diǎn)切除,如圖13所示。

      圖13 臨時(shí)措施

      重新裝配后,Audit燈光下的油箱口蓋狀態(tài)如圖14所示,可見(jiàn)卡扣2附近燈光大幅偏折已基本消除,口蓋形偏得以修復(fù)。

      圖14 修復(fù)后油箱口蓋Audit效果

      如果缺陷呈批量狀態(tài),則需要快速調(diào)整模具,調(diào)整時(shí)應(yīng)考慮本文給出的卡扣Y向調(diào)整量與面差變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,快速解決問(wèn)題。

      6 結(jié)束語(yǔ)

      本文通過(guò)對(duì)稱和等效的思維方式使問(wèn)題得到了簡(jiǎn)化,通過(guò)CAD/CAE聯(lián)合仿真的技術(shù)手段模擬出卡扣Y向變化對(duì)面差及形偏的影響,具有成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)。此方法適用于受力變形部件的外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)。

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