沖壓自動化生產線清洗機油膜厚度控制方案研究

韋榮發，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，對汽車的安全、隔振降噪性能以及整車的造型風格與靜態感知質量等具有重要影響[1]。隨著消費水平的提高，汽車外觀質量逐漸成為影響消費者購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廠追求的重要方向。汽車覆蓋件生產過程中，為規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，大型自動化沖壓生產線線首端均配置用于清洗板料表面油污或異物及板料潤滑的清洗機，且將清洗機與沖壓自動化整線的線頭單元進行集成[2,3]。經清洗后的板料進入對中臺，進行拉深、修邊或整形等工藝流程，汽車覆蓋件生產工藝流程如圖1所示。

汽車覆蓋件量產過程中發現，因清洗機參數設置不合理或擠干輥老化失效等原因，板料經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險并增加清洗機油耗成本，同時模具零件上殘留的清洗油在振動環境下易滲漏至機臺表面，污染車間環境，增加保潔人員的工作負擔，模具零件積油及成形零件的質量變異如圖2所示。此外跟蹤整車制造工藝發現，板料表面油液過多易降低白車身的焊點質量，且經涂裝噴涂工藝后易導致鈑金表面產生縮孔（見圖3），降低整車的美觀性及防腐性能。

如何減少板料經清洗機清洗后板料吸附的油液成為沖壓車間質量控制的重要環節，現以板料油膜厚度為指標，從降低板料表面油膜厚度的角度考慮，介紹清洗機的工作原理及特點，并結合工程實踐驗證清洗機噴油泵壓力與流量、線速度、擠干輥壓力等工藝參數對板料油膜厚度的影響，在此基礎上形成清洗機油膜厚度控制方案。

1 清洗機結構與工作原理

研究對象為濕式清洗機，清洗機實物及內部結構如圖4所示。清洗機由1對引入輥、1對刷輥（清洗輥）及2對擠干輥組成，正常生產時，引入輥將對中臺上的板料引入清洗機并將其傳遞至刷輥進行表面清洗，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其上、下表面進行噴洗。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，即設備可根據板料尺寸大小，僅打開板料通過區域的噴嘴，而沒有板料通過的噴嘴則關閉。經清洗后的板料表層附著較厚的油膜，需要在清洗機后端的擠干輥作用下將這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 汽車覆蓋件生產工藝流程

圖2 模具零件積油及成形零件的質量變異

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立的液壓驅動裝置驅動，以提供輥子表面與板料之間所需要的工作壓力，調整之后的工作壓力作為對應板料的配方參數，即擠干輥壓力可根據板料的厚度等要求進行動態調整，操作員可在設備的人機界面上通過簡單的設定實現工作壓力的調整，并記錄為對應板料的設備配方參數。清洗機技術標準如表1所示，板料表面油膜厚度的技術標準為0.5～1.5 g/m2。

表1 清洗機技術參數要求

2 清洗機工藝參數對油膜厚度的影響

清洗機工藝參數控制界面如圖5所示。由清洗機的工作原理與結構可知，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。結合工程實踐，以板料表面油膜厚度為評價質量，以清洗機中各工藝參數為自變量，驗證清洗機工藝參數對板料油膜厚度的影響。

圖4 清洗機實物及內部結構

圖5 清洗機工藝參數控制界面

2.1 噴油泵壓力與流量研究

側圍外板是汽車覆蓋件中較典型且尺寸較大的零件[5]，研究其生產過程中板料表面清洗效果具有針對同類問題的概括性與普遍性。為驗證清洗機噴油泵壓力對板料油膜厚度的影響，以某車型側圍外板為載體進行相關研究（板料長度3 720 mm，寬度1 730 mm，厚度0.7 mm，材質BSUFD），跟蹤在不同噴油泵設定壓力下板料的油膜厚度。檢測設備采用TOHO-66D凸鏡（檢測范圍0.3～4 g/m2，涉及板料油膜厚度檢測均采用該設備），根據設備屬性，清洗機噴油泵的設定壓力調整范圍為1.0～5.0 PSI（145 PSI=1 MPa），試驗時其余工藝參數不變，分別測量并記錄在1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 PSI設定壓力下5組板料的油膜厚度，并以平均值作為評價結果。側圍外板的結構與測點如圖6（a）所示，凸鏡檢測過程如圖6（b）所示，試驗結果見表2中前5組數據。

清洗機刷輥上配備上下各2組噴油口，為驗證清洗機噴油量對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。在噴油泵設定壓力為定值1 PSI的條件下，重復測量并記錄3次取消噴油管后的板料油膜厚度，試驗結果見表2中第6～8組數據。

表2 調整噴油泵壓力與流量對應的油膜厚度 g/m2

觀察測量結果可知，降低清洗機噴油泵設定壓力，板料油膜厚度呈下降趨勢，且當設定壓力為1 PSI時，油膜平均厚度為1.5 g/m2，符合技術規范。在噴油泵設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的技術標準，表明噴油泵流量對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 清洗機線速度研究

圖6 某側圍外板結構及油膜厚度檢測

為驗證清洗機線速度對板料油膜厚度的影響，以上述側圍外板為研究對象，取零件上的3個測點，分別測量并記錄在5種不同清洗機線速度下板料表面的油膜厚度，并以平均值作為評價指標，油膜厚度測量及試驗結果分別如圖7及表3所示。由于在實際生產過程中皮帶機與清洗機自動化關聯走線，試驗時需適當調整皮帶機速度以匹配整線運行[6]。

表3 清洗機線速度與油膜厚度的對應關系

由表3數據可知，清洗機線速度越低，板料油膜厚度有微小增加，但變化量較小，即清洗機線速度對板料油膜厚度影響不顯著。

2.3 擠干輥壓力研究

根據清洗機的工作原理與結構可知，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節機構提供，是影響量產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系如圖8所示。

清洗機擠干輥在設計制造時通常為梭形，當作用在擠干輥上的壓力偏小時，擠干輥保持原形態，中間部位與板料的接觸壓力大、兩邊小，對應的油膜厚度中間小、兩邊大，如圖8（a）所示。當作用在擠干輥上的壓力適中時，輥面與板料接觸均勻，對應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性及上下輥之間相對位置度出現偏差等原因，油膜厚度的均勻具有相對性，一般在0.3～1.5 g/m2內波動。當作用在擠干輥上的壓力偏大時，擠干輥受負彎矩作用造成中間部位出現拱高，導致中間區域油膜厚度大，兩邊小，如圖8（c）所示。

擠干輥壓力調整范圍在2～6 MPa，為探究清洗機擠干輥壓力對板料油膜厚度的影響，以上述側圍外板為研究對象，取零件上的3個測點，分別測量并記錄7組擠干輥壓力組合下板料表面的油膜厚度，并以平均值作為評價指標，測量結果如表4所示。

由表4可知，擠干輥壓力對板料油膜厚度具有重要影響，在2～6 MPa壓力調整范圍內，不同的擠干輥壓力組合所對應的板料油膜厚度不同，呈現油膜厚度隨擠干輥壓力的增大而減少的趨勢，且當2組擠干輥的設定壓力均為最大值時，油膜厚度最薄。

圖7 不同清洗機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系

表4 不同擠干輥壓力組合油膜厚度測量結果

2.4 擠干輥硬度研究

擠干輥材質為無紡布，薄片層迭式結構損傷后具有較強的自我愈合能力，具有輥面張力大，摩擦因數高等特點，可有效清除殘留在板料上的異物并精確控制油膜厚度。相關研究表明，擠干輥的老化（服役周期）對油膜厚度具有重要影響，關聯曲線如圖9所示[7]。為驗證擠干輥硬度對油膜厚度的影響，采用邵氏硬度器檢測新舊擠干輥輥面硬度，并跟蹤側圍外板板料的油膜厚度，測量結果如表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聯曲線

表5 新舊擠干輥硬度對應油膜厚度測量結果

測量結果表明，更換新擠干輥后板料油膜厚度由2.34 g/m2降低至1 g/m2，符合技術標準。進一步分析數據可知，擠干輥長期使用后因粘附較多異物造成輥面硬度增大，導致擠干效果下降，油膜厚度增厚。該結論可為清洗機維修保養及擠干輥備件更換提供依據，即可根據板料的清洗效果磨削加工擠干輥，切除輥面的硬化層，并結合工藝參數以優化板料油膜厚度。

綜合上述分析結果可知，清洗機噴油泵壓力、擠干輥壓力及擠干輥硬度等工藝參數對板料油膜厚度具有重要影響，生產過程可根據零件狀態對清洗機工藝參數進行調整。

3 生產試驗

為驗證上述分析結果的準確性，選擇另一車型側圍外板進行工程論證。該側圍外板材質為BSUFD-FD-D，板料外形尺寸為3 605 mm×1 580 mm×0.7 mm，調整前油膜厚度為2.3～3 g/m2，不符合白車身鈑金油膜厚度質量標準。側圍外板板料結構及油膜厚度測點布置如圖10所示。試驗過程基于板料的清洗效果與零件質量狀態不斷優化清洗機噴油泵壓力等工藝參數，在油膜厚度及零件狀態較為穩定的條件下鎖定工藝參數后開展對比試驗，以板料上5個測點油膜厚度的均值為參考指標。在此基礎上，為進一步驗證優化措施的有效性，以單件油耗為指標，跟蹤某條生產線在一定沖次下的油耗數據，試驗結果如表6所示。

圖10 某側圍外板板料結構及測點布置

表6 試驗結果對比

觀察試驗數據可知，通過優化清洗機參數，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標準，且當噴油泵壓力為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 結束語

清洗機是沖壓自動化線的關鍵設備，對汽車覆蓋件的品質具有重要影響，掌握清洗機參數調整方法可提升主機廠成形零件的質量及成本控制成效。簡要介紹濕式清洗機的結構及工作原理，并基于工程實踐研究清洗機噴油泵壓力、擠干輥壓力及擠干輥硬度等工藝參數對板料表面油膜厚度的影響，得出如下結論。

（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。