發動機罩烘烤變形改善

孟令輝

(廣汽埃安新能源汽車有限公司，廣東廣州 511400)

0 引言

在汽車市場競爭日趨激烈的大環境下，汽車感知質量越來越被大家所重視，如何提高汽車感知質量是擺在汽車生產制造商前的重要問題。發動機罩是整車重要的外觀件，與前翼子板、前大燈、前保險杠及前格柵的間隙面差匹配直接影響感知質量。發動機罩烘烤變形問題是行業內普遍存在的影響整個前臉匹配的主要問題，也是一直困擾汽車工程師的疑難問題，烘烤變形問題很難在產品開發前期進行量化，后期出現發動機罩烘烤變形很難提出明確的解決方案。本文作者研究了汽車發動機罩產品設計和制造工藝中如何減小發動機罩烘烤變形量，使發動機罩尺寸達到公差范圍內。

1 發動機罩問題現狀

某車型發動機罩設計上為鋁發動機罩，PT0階段拆卸一臺經過涂裝電泳、烘烤工序后的發動機罩放到總成檢具上測量，對比焊裝發動機罩總成，發現發動機罩烘烤變形嚴重，圖1為發動機罩烘烤前后數據對比。圖2為發動機罩總成烘烤前后數據對比。

圖1 發動機罩總成測點

圖2 發動機罩總成烘烤前后數據對比

從圖2可以看出，鋁發動機罩經過烘烤工序后最大變形5.4 mm，變形非常嚴重，對整車前臉匹配造成很大風險，且變形嚴重的發動機罩發生內板從外板脫出的問題。

2 發動機罩烘烤變形原因調查

發動機罩烘烤變形問題屬于復合型疑難問題，造成問題的原因多種多樣，根據多個項目的經驗來看，發動機罩烘烤變形可以歸結為以下幾方面原因：

(1)發動機罩內外板材質

由于材料特性的差異，鋁材質在熱膨脹系數、回彈率、剛度這些特性上更易發生變形，如圖3所示。

圖3 發動機罩材質特性分析

(2)發動機罩內板產品結構設計剛度弱

目前隨著整車碰撞法規的要求越來越嚴格，為滿足行人保護的要求，往往需要將發動機罩的剛性進行大幅度的減弱，圖4為某車型項目發動機罩內板產品結構。圖中黑色橢圓框區域平板結構無加強筋，圖中白色橢圓框區域大范圍挖空結構。

圖4 某車型發動機罩內板結構設計

從圖4可以看出，發動機罩內板在產品結構設計上 大范圍地進行了挖空，且沒有任何加強剛性的筋狀結構，實際只是用手輕輕抬起發動機罩時內板就會發生明顯地扭轉，內板發生扭轉后與外板發生錯動。

在焊裝安調線正常裝配調整發動機罩后，實測內外板會錯動0.5～1.0 mm，到達涂裝裝配發動機罩支撐輔具后錯動量會進一步放大到1.5～2.0 mm；經過電泳后會進一步放大到2.0～3.5 mm；最終經過烘烤工序后固化成內外板錯動后的狀態，從而發生較大變形。

(3)焊裝工藝設計尚無針對內外板錯動問題的有效對策

無論是鋼發動機罩還是鋁發動機罩，在焊裝白車身狀態下，用手抬起發動機罩時內外板交疊位置都會發生明顯錯動。因為焊裝發動機罩的折邊膠未固化，且發動機罩內外板包邊后未達到可靠的連接效果。實際的生產工藝過程中，會經過搬運、安裝、調整、抬起、涂裝輔具作用力、電泳液沖擊、烘烤各種工序，都會導致內外板發生錯動，錯動的狀態經過烘烤工序固化，發生較大變形[1]。內外板包邊連接結構斷面如圖5所示[1]。

所以僅僅靠常規的包邊工藝，一旦產品設計上發動機罩內板剛性不足或發動機罩采用鋁材質，發動機罩大概率會發生嚴重的烘烤變形。

圖5 內外板包邊連接結構斷面

(4)涂裝輔具設計不合理

發動機罩的涂裝輔具對烘烤變形的影響同樣較大，原因是在烘烤過程中，內外板有發生熱變形的傾向，為減小最終的變形量，需要給發動機罩增加合適且足夠的約束，道理和防止焊接變形，要將零件放到夾具上施加支撐壓緊一樣。

圖6為某車型發動機罩涂裝輔具的形式，單點支撐，向下拉兩根彈簧。

圖6 某車型發動機罩涂裝輔具形式

上述輔具形式的缺點是發動機罩只有三點支撐(前部鎖扣位置、左右鉸鏈位置)，整個前部只有鎖扣位置支撐，受力過于集中，中部與前大燈匹配位置無支撐。實際發動機罩過完烘烤工序后發動機罩前部與前保匹配區域中間鼓起，左右兩側前大燈位置下沉。發動機罩烘烤變形量如圖7所示。

圖7 某車型發動機罩烘烤變形量

3 發動機罩烘烤變形改善對策

根據前面所述的烘烤變形的原因，可以確定以下的改善對策：

(1)發動機罩內外板包邊狀態優化

常規的包邊工藝，發動機罩內外板包邊的厚度和交疊量直接決定包邊后內外板的連接效果，所以發動機罩內外板包邊狀態需嚴格按照標準管控。包邊厚度管控標準：+0.4/-0.2，交疊量管控標準：±1.5。

(2)發動機罩內板剛性增強

發動機罩內板結構設計上避免采用大范圍的挖空結構，如圖8所示，增加加強筋結構，中間部分需設計成封閉的一圈凸臺結構。

圖8 某車型發動機罩內板結構設計

不過目前因為碰撞法規的要求，發動機罩內板的設計趨勢都是要大幅度降低剛性，才能滿足行人保護的要求，所以從設計上去推進更改發動機罩內板結構不一定行得通。

(3)內板結構設計上增加倒刺結構

在內板的輪廓面上設計一種特殊的產品結構，如圖9所示，此方案能夠改善包邊后的壓緊狀態，增加內外板摩擦力，防止內外板發生錯動。不過此方案有一定風險，因內板結構有一段突變，包邊后外板相應位置可能會局部變形，實際效果和可行性有待進一步驗證。

圖9 內板倒刺結構設計

(4)焊裝工藝設計上增加的措施防止內外板錯動

①采用雙組份折邊膠

圖10為雙組份折邊膠固化曲線，圖11為雙組份折邊膠自動涂膠系統。雙組份折邊膠是指按照一定比例混合兩種不同成分膠水后形成的結構膠黏劑，其具有在室溫下能夠快速固化的特點，和單組份折邊膠相比，其能夠提供更高的尺寸穩定性，能夠有效防止涂裝車間烘烤固化之前的轉運和調整過程中的內外板錯動、烘烤變形及流掛等問題。

圖10 雙組份折邊膠固化曲線

圖11 雙組份折邊膠自動涂膠系統

②采用玻璃微珠的折邊膠

玻璃微珠折邊膠就是通過在普通的折邊膠中加入直徑為0.2～0.3 mm的玻璃珠后形成的折邊膠，如圖12所示，通過發動機罩內外板包邊壓合的作用力將玻璃微珠鑲嵌入內外板之內，達到機械鎖固的作用。不需要增加額外的涂膠設備且膠水成本基本上差異不大，效果相對穩定，且可以很大程度地提高生產效率。玻璃微珠的珠徑大小和含量對整體的內外板連接效果有很大影響，一般情況下玻璃微珠的混合比例為8%左右，珠徑為 0.2～0.3 mm。除了以上條件外，還需要確保內外板的間隙在包邊過程中的穩定性，并且壓機和滾輪的壓強要足夠大，實際調試過程中需要多次調試，才能充分地發揮玻璃微珠折邊膠的機械鎖固作用。實際的使用效果需通過拆解發動機罩總成確認玻璃微珠是否嵌合至內外板之中來判斷[2]。

③增加焊接工序

為了有效防止內外板發生錯動，在內外板交疊位置增加局部焊接(傀儡焊、阿普拉斯焊、電弧焊、CMT焊)，有效防止內外板發生錯動，從而阻止發動機罩發生烘烤變形。圖13為某車型發動機罩焊點方案。

圖13 焊點方案示意

采用局部焊接工序需要精確調整焊接參數，避免出現電流過大或過小的情況，過大會燒穿外板，過小會造成虛焊，內外板未燒熔到一起，起不到作用。焊接后需要對焊點進行打磨，避免外觀缺陷。鋁發動機罩一般不適合采用局部焊接的方法，因為鋁發動機罩焊接后易變形且焊接后打磨產生鋁粉有極大的安全隱患。

④采用高頻感應加熱固化

高頻感應加熱固化的原理是利用大電流對發動機罩折邊區域進行感應加熱，使折邊膠烘干固化，達到加強內外板連接固化的效果。高頻加熱感應固化設備主要包括高頻發生器、高頻加熱管、連接電纜和夾具和吸煙裝置這幾部分。

某車型發動機罩包邊后采用高頻感應加熱折邊膠的使用案例如圖14所示。包邊后的發動機罩總成自動放入感應加熱工裝內，該工裝內的支撐及定位夾頭均采用絕緣材料。通過與發動機罩總成仿形的感應加熱線圈對包邊區域進行加熱。

圖14 高頻感應加熱設備示意

高頻感應加熱可以設計為對局部或者全部包邊區域的折邊膠進行可控性加熱固化，平均每件加熱時間約40 s，能夠滿足車型高生產節拍的需求。可以將固化設備與焊接夾具、下料臺、包邊模具整合為一體式結構，減少設備占地面積。高頻感應加熱方案的一次性投資較高，無法實現柔性地多車型共用，且需要嚴格控制感應加熱參數，防止溫度過高或過低造成缺陷。同時如果發動機罩為人工下料，還要必須考慮增加輔助下料設備或設置過渡臺進行冷卻[2]。

發動機罩黏接圈支撐夾具如圖15所示。

⑤烘干線加熱

烘干線加熱是指在焊裝車間內單獨建立四門兩蓋烘干線的方案。將四門兩蓋總成運輸至烘干線進行短時間加熱，使折邊膠受熱固化，達到防止內外板錯動的作用。烘干線原理示意圖如圖 16 所示。

圖15 發動機罩黏接圈支撐夾具

圖16 烘干線原理

烘干線具有投資較低、可以實現多車型共線等優點。但烘干線也同樣存在占用面積大、空間利用率差、熱量利用率低等缺點，且存在在運輸至烘干線過程中零件發生變形的風險[2]。

(4)優化涂裝輔具方案

為防止發動機罩在涂裝車間經過電泳池受水流沖擊內外板發生錯動，以及在烘干房受熱時應力釋放發生熱變形，需要通過合理設計涂裝輔具形式對發動機罩增加足夠的約束，減小發生變形的趨勢。

合理地布局涂裝輔具的支撐位置很關鍵，根據定位的一致性原則，支撐位置選擇與發動機罩的RPS點保持一致，圖17為某車型采用鎖扣位置(單點支撐+兩根彈簧)及采用(四點支撐+兩根彈簧)方案對比。

四點支撐相對于單點支撐優點是避免了受力過于集中，且對于整個發動機罩來說定位完全，約束足夠，很好地避免了因局部位置約束不足而發生變形。實際發生烘烤變形量對比采用四點支撐后最大變形量從3.5 mm減小到0.5 mm以內。

圖17 單點和四點輔具支撐方案對比

4 結論

發動機罩烘烤變形問題屬于跨專業跨部門的行業內疑難問題，受多種因素影響導致每臺車變形量不穩定，問題往往在前期沒有及時地暴露出來，一旦前期沒采取合適的對策，接近量產階段再去對應更加難以解決。因此每個項目都需要將發動機罩烘烤變形的問題作為SA問題點提前在設計階段對問題進行評估及制定好相應的對策，在試制階段前期對問題現狀進行把握，一旦發現問題立即對之前制定好的對策進行驗證，快速確定最終的解決方案。

發動機罩的材質優先選用鋼材質盡量避免為了輕量化采用鋁合金材質，內板結構設計上避免單純為了行人保護的要求而過度降低發動機罩內板剛性，不考慮后續發生較大烘烤變形影響整車外觀匹配的風險。內板倒刺結構設計在項目初期可驗證，如造成外板局部變形則方案不可行。在焊裝工藝設計上優先選用成本較低的玻璃微珠的折邊膠方案，如方案實施效果不好需增加局部焊接工藝或采用雙組份折邊膠，不推薦成本較高的高頻感應加熱工藝及烘干線方案。涂裝輔具方案優化是成本較低且效果較好的改善方案，需要前期同步工程階段就考慮好輔具的支撐方案，需要在發動機罩和車身上選取合適的支撐位置，如數模上沒有合適的位置則提前提出設計變更增加。