天窗頂蓋流水槽暗坑及拉痕缺陷分析與控制

熊 瑞，張衛星，李 兵，潘少朋

（一汽-大眾規劃模具制造科佛山基地，廣東 佛山 528000）

0 引 言

全景天窗頂蓋相比傳統封閉式頂蓋剛性要求更高，頂蓋尾部流水槽需設計負角以增大后蓋的開合空間，增加了模具設計、制造、調試難度。模具調試初期，因模具零件工作表面精度不足、結構尺寸狀態不穩定等導致成形制件出現暗坑、拉痕等缺陷，此類缺陷主要由板料塑性變形不充分，板料回彈及凸、凹模基準差等導致，必須在模具設計、成形工藝設計階段考慮才能從根本上解決。

以某車型天窗頂蓋暗坑、拉痕缺陷優化為例開展研究，天窗頂蓋作為汽車典型外表面件具有板料薄、面曲率小、結構尺寸大、表面質量要求高等特點，因此對模具的設計工藝、制造精度及模具穩定性要求較高。天窗頂蓋屬于淺拉深脹形件，沖壓成形過程中塑性變形量較小，易導致成形剛性不足，影響整車降噪與防水等性能。其中頂蓋流水槽成形難度大且為負角，需拉深、預修邊、翻邊整形、斜楔側整形、修邊沖孔5道工序成形，所以頂蓋流水槽附近常出現A類質量缺陷。

成形天窗頂蓋的技術難度主要體現在：①天窗頂蓋是轎車車身的大型外覆蓋件，外觀質量要求高；②天窗頂蓋與車身多個外覆蓋件匹配：頂蓋與左右側圍、前后窗、后蓋等多處外觀零部件搭接；③尺寸匹配要求高：天窗頂蓋內外四邊與各外觀零部件的匹配精度要求高，包括平面度及間隙的要求；④天窗頂蓋與側圍為激光焊接，尺寸精度要求在0～0.2 mm。

1 問題現狀

圖1所示為模具調試初期試制的車型天窗頂蓋，成形工序為：①落料；②拉深；③修邊沖孔；④翻邊；⑤整形修邊沖孔；⑥空工位；⑦整形修邊。由圖1可見，流水槽附近同時產生暗坑、拉痕缺陷，導致焊裝裝車過程中頂蓋返修率達100%，影響項目整體進度。

2 原因分析

2.1 凸模及凹模基準

在制件成形過程中，凸、凹模直接與板料接觸并使其產生塑性變形，對于淺拉深脹形制件，為減少回彈，綜合應變（減薄率）要求超過4%，若凸、凹模無法使成形制件達到綜合應變要求，部分區域板料應力分布不均與板料流動失衡，局部塑性變形不充分，從而產生暗坑或拉痕。

2.2 制件的貼合性

在制件翻邊整形后，由于缺陷區域板料厚度方向的殘余應力釋放，使制件脫模后產生回彈。回彈后尺寸大于數模繼而導致與下道工序凸模貼合不完全，經過壓料板施加壓力后造成成形制件變形產生暗坑或拉痕。

2.3 壓料板功能區著色

壓料板的作用在于將板料約束在壓料面與凸模之間，使板料在厚度方向不能自由起伏。若壓料板功能區著色差、壓邊力不足，無法將板料充分壓緊，造成板料成形時產生上下波動，影響板料流動的穩定性，成形時制件變形產生暗坑或拉痕。

3 解決思路

通過調試工序件對比缺陷狀態，如圖2所示，天窗頂蓋在拉深工序已產生拉痕和暗坑，修邊后拉痕與暗坑狀態無變化，如圖3所示。工序④工序件經模具第一次翻邊整形后流水槽附近的拉痕無變化，暗坑加大，如圖4所示。當頂蓋流水槽經過工序⑤最終整形后，暗坑再次變大，如圖5所示。

圖2 工序②缺陷樣件

圖3 工序③缺陷無變化

圖4 工序④拉痕不變暗坑加大

圖5 工序⑤拉痕不變暗坑再次變大

經以上工序件狀態對比排查，天窗頂蓋從工序②至工序⑤缺陷區域最大板料流動變化點是流水槽的成形，隨著流水槽與天窗頂蓋表面梯度加大，過渡越劇烈，造成不同位置板料內部應力差越大，暗坑越大，故流水槽上方暗坑與流水槽成形有關。

流水槽成形主要在工序④翻邊整形和工序⑤側整形，此處流水槽的板料流動是通過壓料面與筋配合控制，通過了解流水槽成形工藝曲線（見圖6），發現流水槽在成形過程中板料流動量大，為消除暗坑，需減少板料流動。

圖6 流水槽工藝曲線分析

4 暗坑優化

根據圖6中流水槽工藝曲線分析，流水槽一次成形無法滿足需求，需通過工序②拉深到工序④一次整形再到工序⑤斜楔側整形。流水槽最終成形工序為工序⑤。為減小模具調試工作量，嘗試在工序⑤流水槽內外側筋槽R角處進行燒焊，通過減小筋槽R角來增大進料阻力，從而減小板料的流入量，使圖7中A區的進料阻力增加從而拽緊板料，讓流水槽上方的B區成形更加充分。

如圖7所示，經優化筋與筋槽的配合，使流水槽成形過程中板料從A區到B區的流入量減少，暗坑缺陷范圍減小。但因為A區的進料阻力增加，隨著壓力機滑塊下行，工序⑤流水槽整形凸模使A區進料減少，B區進料增多，導致流水槽立面R角處新增縮頸缺陷。

圖7 工序⑤拉深筋調整方案

微調放大A區筋槽R角，使板料流入量少量增加，暗坑再次加大，對比最初狀態有所減輕，不過依然無法滿足使用需求。針對此問題反復多次對A區筋槽進行燒焊調整，始終無法達到既無暗坑又無縮頸的臨界狀態。

為使工序⑤流水槽整形時A、B區之間板料流動均勻，嘗試調整工序④工序上氣墊壓力、板料涂油量及凸模R角這3個主要影響因素，提高在工序④流水槽第一次整形時板料的流入量。

通過降低工序④上氣墊壓力，增大流水槽區域涂油量的同時，放大圖8所示的工序④凸模R角（R角在工序⑤最終成形），讓流水槽附近的材料在工序④翻邊整形時向內移動，以減小工序⑤流水槽整形時在B區的進料。優化進料的同時需防止板料流動過多導致其他缺陷的產生，如圖9所示的長條坑。

圖8 工序④流水槽立面R角

圖9 長條坑缺陷

檢查凸模與制件的貼合情況，發現工序⑤流水槽最終成形后暗坑處著色較差，如圖10所示，經橡膠泥試驗測量工序④工序件與工序⑤凸模間隙達2 mm，在流水槽成形時壓料板未起到壓料作用。故將暗坑區（B區）凸模涂膠填高型面做壓料試驗，如圖11所示，保證有足夠支撐并壓料，防止板料成形時上下波動。

圖10 橡膠泥試驗測量凸模與凹模間隙

圖11 涂膠填高工序⑤凸模試驗

經涂膠試驗提高B區型面高度后，B區頂蓋表面與凸模的貼合程度和壓料板功能區著色均得到提升，使其工序⑤流水槽最終側整形時，減小對B區板料應力變化量，板料內部應力分布更均勻，暗坑大幅度減小。

涂膠試驗驗證效果明顯，但為保障模具的穩定性及使用壽命，經數控加工技術在工序⑤凸模與對應上模壓料板分別鑲嵌尺寸為400 mm×240 mm×3 mm和330 mm×310 mm×30 mm的鑄鐵鑲件，如圖12、圖13所示，凸模底面反打螺釘，天線孔區域的型面壓料間隙可以通過鑲件底面增減墊片的方式進行調整，整改方便、快捷且穩定。

圖12 工序⑤凸模鑲嵌鑲件

圖13 工序⑤壓料板鑲嵌鑲件

通過刷藍油，不斷對該區域上、下模接觸高點打磨拋光，使接觸面著色均勻，制件著色率提升至95%以上，如圖14所示。經以上措施，流水槽上方暗坑降至C1，R角及立面無縮頸且生產穩定。

圖14 工序⑤最終著色

5 拉痕優化

如圖15所示，結合CAE軟件輔助分析，拉痕屬于工序②天線孔凸臺拉深成形工藝缺陷。在封閉式淺拉深脹形件內，凸臺的成形會影響板料流動平衡，以往成形類似凸臺形狀會在拉深凸臺上設置刺破工藝，使凸臺成形時主要從刺破孔進料，防止板料流動失衡而產生缺陷，而此天窗頂蓋未設置此工藝，所以拉痕只能減輕無法完全消除。

圖15 工序②CAE分析制件拉痕

結合拉深著色分析，工序②天線孔區域凸、凹模成形過程中工作面著色狀態較差，如圖16所示。凸臺邊緣R角著色不均勻，如圖17所示，當壓力機滑塊角度達到150°，天線孔凸臺區域剛開始成形，同時凸臺區域兩側出現拉痕缺陷，直至成形結束也未能充分延展。

圖16 天線孔凸臺著色

圖17 滑塊角度達150°時出現拉痕

優化工序②拉深凸臺區著色，提高凸臺成形部位與板料的著色率達95%且保障兩側著色寬度在20 mm以上，如圖18所示，確保板料在成形過程中充分壓緊，板料厚度上不產生波動，拉痕有所減小但仍不滿足生產需求。

圖18 工序②凸臺區著色優化

嘗試通過減小工序④凸臺區域的凸、凹模成形間隙的方式強壓成形，故對工序④工序件上、下壓料面均勻刷藍油，以凸模壓料面為基準利用帶有藍油的工序件研修壓料面直至強壓型面著色率達95%，如圖19所示，凸、凹模間隙控制在0.9～0.95t（t為料厚）。研配期間平衡塊必須等高，周圍平衡塊同時加減墊片，禁止調整單個平衡塊高度。由于在工序⑤優化暗坑時將A區筋槽減小（見圖7），增大了制件B區的減薄率，使板料的拉痕缺陷區域在工序⑤再次延展。

圖19 工序④強壓區著色優化

經過以上各工序間的工藝優化，增大拉痕缺陷區域的塑性變形程度，板料成形更充分；應力分布更均勻，使凸臺區域分別在拉深成形和流水槽整形進料盡可能均衡。利用CAE軟件數據測量，分析結果如圖12所示，天窗頂蓋流水槽附近各區域平面度、尺寸均滿足生產要求，拉痕缺陷降至C1類項。

6 結束語

成形外覆蓋件時產生暗坑和拉痕的影響因素較多，通過分析天窗頂蓋暗坑、拉痕產生形式及原因，結合成形工藝設計、模具結構設計提出了一些對頂蓋模具調試的經驗分析與質量優化方案，為頂蓋調試與驗收提供思路與方向，幫助提高成形制件表面質量和模具的穩定性，增強品牌車型的市場競爭力。

圖20 最終件CAE分析結果