鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板造型階段主要問題及對(duì)策

許天宇，李天奇

（吉利控股集團(tuán) 極氪汽車有限公司，浙江 寧波315336）

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板是乘用車前部主要零件之一，與整車造型和人員保護(hù)等直接相關(guān)，同時(shí)作為重要的中長(zhǎng)周期覆蓋件（尤其是鋁合金的發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板，是制造端的長(zhǎng)周期零件），是整車開發(fā)前期造型（CAS）評(píng)審和同步工程（SE）工作的重點(diǎn)關(guān)注零件。

1 問題概述

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板零件一般尺寸大而平坦，某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板如圖1所示，材質(zhì)為6系鋁，料厚為1.0 mm，兩側(cè)設(shè)計(jì)有明顯主棱線。CAS階段的沖壓SE分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板存在較大的回彈，如圖2所示，后部回彈最大值為27.23 mm，兩端回彈最大值為-28.16 mm，差值達(dá)到55.39 mm。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板回彈狀態(tài)

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板回彈是常見的沖壓質(zhì)量問題，一般采用回彈補(bǔ)償?shù)姆桨附鉀Q。由于鋁材的彈性模量是鋼材的1/3，如圖3所示，鋁材零件回彈量較鋼材零件呈幾何倍數(shù)增加。如果在拉深工序和翻邊工序進(jìn)行回彈補(bǔ)償，因局部補(bǔ)償量大，同時(shí)兩端與中間的補(bǔ)償方向相反，造成模面曲率與零件曲率差異較大。發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板曲率是影響回彈量的主要因素，每次補(bǔ)償后的零件都會(huì)產(chǎn)生新的回彈結(jié)果，這也是鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板回彈問題整改的難點(diǎn)所在。圖4所示為某參考車型的鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板回彈狀態(tài)，實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)生上述回彈量隨機(jī)變化的現(xiàn)象，多次回彈補(bǔ)償調(diào)試零件仍然無法達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板壓合內(nèi)板形成總成后，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的尺寸超差問題有改善，可以裝車，但是內(nèi)外板間隙不均勻，影響內(nèi)外板涂減震膠，易造成溢膠等質(zhì)量問題。上述發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板回彈問題是制造過程中的重大質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)在前期造型階段開展風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。

圖3 鋁合金及其他材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 參考車型鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板回彈

2 工藝因素

對(duì)于鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的回彈問題，僅依靠回彈補(bǔ)償?shù)裙に嚪椒ń鉀Q的難度較高，需要全工序分析回彈產(chǎn)生的原因，綜合應(yīng)用工藝和產(chǎn)品方案解決。拉深工序件修邊后應(yīng)力釋放的回彈狀態(tài)如圖5所示，修邊工序件的回彈狀態(tài)與鋼板發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板回彈狀態(tài)有相似點(diǎn)：中間型面下榻、后側(cè)圓弧區(qū)域尖角上翹，回彈值在-3.5～4.5 mm。翻邊工序回彈狀態(tài)較修邊工序發(fā)生較大的變化，如圖6所示，前風(fēng)窗前部型面上翹、后側(cè)圓弧區(qū)域尖角下塌，回彈值在-28.16～27.23 mm。

圖5 修邊工序回彈

圖6 翻邊工序回彈

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板前端保險(xiǎn)杠和后端前風(fēng)窗位置設(shè)計(jì)有較大范圍的圓弧區(qū)域、兩側(cè)設(shè)計(jì)有較短的直線區(qū)域，各區(qū)域翻邊過程中的材料變形和應(yīng)力情況如下。

（1）后端圓弧區(qū)域①：缺料翻邊，翻邊過程中材料伸長(zhǎng)，此區(qū)域圓弧相對(duì)小且范圍大，材料變形劇烈，產(chǎn)生較大的橫向剪切應(yīng)力。翻邊結(jié)束后應(yīng)力釋放，造成后側(cè)圓弧區(qū)域的回彈量為27.23 mm。

（2）前端圓弧區(qū)域②：多料翻邊，翻邊過程中材料壓縮，材料變形程度一般，橫向受剪切應(yīng)力，翻邊結(jié)束后產(chǎn)生回彈量為-6.477 mm。

（3）前端燈口區(qū)域③：缺料翻邊，翻邊過程中材料伸長(zhǎng)，此區(qū)域圓弧相對(duì)平緩且范圍小，材料變形程度一般，翻邊結(jié)束后未產(chǎn)生較大的回彈量，但是回彈趨勢(shì)與燈口位置在拉深工序的回彈方向相反，說明缺料翻邊對(duì)零件回彈存在一定的影響。

（4）兩側(cè)直線區(qū)域④：直線翻邊，翻邊過程中材料僅受到軸向拉力，此區(qū)域的直線翻邊一般不會(huì)造成附近平面產(chǎn)生回彈。若零件設(shè)計(jì)有尖角、強(qiáng)度較差的區(qū)域，且直線翻邊區(qū)域型面在兩段缺料翻邊區(qū)域中間，剪切應(yīng)力釋放后將造成中間直線翻邊區(qū)域產(chǎn)生較大的回彈。

鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板壓合前的翻邊高度雖然只有10 mm，但前后側(cè)的缺料翻邊和多料翻邊后，橫向剪切應(yīng)力釋放造成了發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板產(chǎn)生較大的回彈。為了控制回彈，需要控制翻邊過程中的材料流動(dòng)，避免材料在自由狀態(tài)下翻邊，常用的方法是翻邊下模全周增加托料板，如圖7所示，壓料力為200 kN，行程為20 mm。托料板作用近似拉深模的壓邊圈，使材料在托料板的控制下翻邊，控制材料的徑向拉伸和橫向剪切變形。

圖7 壓料翻邊工藝

無壓料翻邊效果見圖2所示，壓料翻邊效果如圖8所示，翻邊后的回彈量由原來的-28.16～27.23 mm減小到-5.364～7.346 mm，改善效果明顯。因此，鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板壓合前的翻邊模應(yīng)設(shè)計(jì)為全周壓料翻邊結(jié)構(gòu)，壓料翻邊能有效控制鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板翻邊后的回彈。

圖8 壓料翻邊回彈

3 曲率分析

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板尺寸大且型面平坦，尤其是后部的前風(fēng)窗附近位置型面的曲率半徑較大，如圖9（a）所示，后部和兩側(cè)型面沿X軸和Y軸方向的曲率半徑（Rx&Ry）為R（10 000～30 000）mm。但從拉深件成形角度分析，曲率半徑小，材料應(yīng)變?cè)酱螅苄宰冃卧匠浞郑慵傂栽胶?，拉深和翻邊后的回彈值就越小。因此通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板曲率半徑來改善拉深和翻邊后的回彈，優(yōu)化后的曲率半徑如圖9（b）所示，優(yōu)化后的回彈如圖10所示，由原來的-5.364～7.346 mm減小到-3.258～3.607 mm，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)。

圖10 曲率優(yōu)化后的回彈

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的曲率半徑是影響回彈產(chǎn)生的主要因素，在保證造型特征的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板盡量設(shè)計(jì)較小的曲率半徑，尤其是后部的前風(fēng)窗位置。發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板理想的曲率標(biāo)準(zhǔn)如下：①Rx&Ry＜R9 000 mm；②不滿足標(biāo)準(zhǔn)①的區(qū)域直徑應(yīng)小于φ150 mm，同時(shí)Rx&Ry＜R10 000 mm最佳。

4 約束回彈分析

零件的評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別應(yīng)與檢測(cè)方式和裝車狀態(tài)保持一致。發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板等覆蓋件均采用RPS單側(cè)支撐和三坐標(biāo)檢測(cè)來完成尺寸評(píng)價(jià)，以發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的RPS點(diǎn)為支撐點(diǎn)，分別進(jìn)行2組約束回彈分析。

當(dāng)零件自由回彈較小時(shí)，約束回彈狀態(tài)也較好（見圖10）。零件四周邊緣設(shè)置RPS單向支撐點(diǎn)（為保證內(nèi)外板的減震膠間隙真實(shí)，中間位置不設(shè)置RPS點(diǎn)或輔助支撐），約束回彈表現(xiàn)為中間下塌，下塌量相對(duì)連續(xù)均勻，有利于回彈補(bǔ)償?shù)膶?shí)施，這與鋼材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板回彈狀態(tài)相符合，如圖11所示。

圖11 約束回彈

當(dāng)零件自由回彈較大時(shí)，約束回彈狀態(tài)也較差，如圖12所示。零件自由回彈前端有-8.177 mm回彈量，此時(shí)約束回彈分析零件中間出現(xiàn)較大波浪，波浪不連續(xù)，不利于回彈補(bǔ)償?shù)膶?shí)施，如圖13所示，回彈補(bǔ)償后波浪仍然存在，影響表面質(zhì)量。

圖12 自由回彈和約束回彈對(duì)比

圖13 回彈補(bǔ)償結(jié)果

零件自由回彈狀態(tài)是零件整體剛性的體現(xiàn)，與約束回彈狀態(tài)趨勢(shì)一致。如圖12所示，零件前端存在較大自由回彈（多料翻邊產(chǎn)生的回彈），在沒有解決前端回彈的情況下，計(jì)算約束回彈會(huì)對(duì)零件狀態(tài)產(chǎn)生誤判。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板前期沖壓SE分析及零件評(píng)價(jià)，首先要調(diào)試較好的自由回彈狀態(tài)，然后再按照零件的RPS點(diǎn)進(jìn)行約束回彈分析。

5 棱線設(shè)計(jì)

受前風(fēng)窗位置整體造型的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板后部前風(fēng)窗位置型面可能會(huì)出現(xiàn)曲率半徑無法優(yōu)化到理想狀態(tài)，造型特征與工藝需求出現(xiàn)矛盾，此時(shí)考慮通過增加棱線的方案解決。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板兩側(cè)都會(huì)設(shè)計(jì)明顯的棱線，一般稱為主棱線，增加的棱線設(shè)計(jì)在2條主棱線的中間位置，因其在造型和視覺效果上都要弱于主棱線，一般稱為輔助棱線，常見的輔助棱線方案如下。

（1）雙輔助棱線方案。設(shè)置關(guān)于X軸對(duì)稱的2條輔助棱線（見圖14）。主棱線距離L1建議＜900 mm，輔助棱線距離L2建議＜600 mm。

圖14 雙輔助棱線的造型方案

（2）單輔助棱線方案。設(shè)置與X軸重合的輔助棱線，如圖15所示，主棱線距離L1建議＜900 mm。

圖15 中間單輔助棱線的造型方案

（3）組合棱線方案。設(shè)置雙單棱線的組合方案，如圖16所示。

圖16 組合棱線造型方案

輔助棱線將發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板后部大曲率型面分割，同時(shí)因棱線曲率半徑較小，成形后棱線區(qū)域有較好的剛性，對(duì)附近型面起到支撐作用，因而改善了上述區(qū)域的型面回彈問題。

棱線設(shè)計(jì)的高度和寬度也是影響附近型面回彈的因素。如圖17（a）所示白色線內(nèi)區(qū)域，型面曲率半徑的優(yōu)化解決了主要的回彈問題，但是主棱線兩側(cè)型面和中間X0軸型面形成了波浪。主棱線和X0軸是高點(diǎn)，棱線兩側(cè)是凹坑，如果零件RPS點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，易造成約束回彈波浪加劇。這種小范圍的波浪問題在回彈補(bǔ)償時(shí)會(huì)造成新的波浪，影響整個(gè)機(jī)蓋外板的面品。

圖17 棱線附近波浪

上述主棱線兩側(cè)的波浪問題可以通過增加棱線的高度去優(yōu)化，如圖18所示，具體方法如下：①加高區(qū)在棱線后部的波浪位置，前部棱線高度光順過渡；②棱線整體向上偏移，保持原有棱線的夾角和棱線圓角不變，避免滑移線的產(chǎn)生；③棱線的高度在原有基礎(chǔ)上加高1.5～2.5 mm，以不產(chǎn)生明顯滑移線為臨界；④棱線寬度也相應(yīng)加大，使棱線影響范圍更大，提高零件整體剛性。

圖18 棱線優(yōu)化

6 結(jié)束語(yǔ)

鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板造型大而平坦，前端保險(xiǎn)杠和后端的前風(fēng)窗位置均設(shè)計(jì)范圍較長(zhǎng)的圓弧，翻邊后造成發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板產(chǎn)生大的回彈，因此，對(duì)于鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板壓合前的翻邊工序，前期SE分析和后期的工藝設(shè)計(jì)均要采用全周壓料翻邊。

鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的曲率半徑和棱線設(shè)計(jì)不僅是造型的重要因素，也是決定零件剛性和回彈量的關(guān)鍵因素，是造型階段評(píng)審重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)。闡述的鋁材發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板曲率半徑和棱線的優(yōu)化方向，對(duì)車身頂蓋外板、門外板、翼子板等外覆蓋件也有借鑒意義。