發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的大環(huán)境下，汽車感知質(zhì)量越來(lái)越被大家所重視，如何提高汽車感知質(zhì)量是擺在汽車生產(chǎn)制造商前的重要問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)罩是整車重要的外觀件，與前翼子板、前大燈、前保險(xiǎn)杠及前格柵的間隙面差匹配直接影響感知質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形問(wèn)題是行業(yè)內(nèi)普遍存在的影響整個(gè)前臉匹配的主要問(wèn)題，也是一直困擾汽車工程師的疑難問(wèn)題，烘烤變形問(wèn)題很難在產(chǎn)品開發(fā)前期進(jìn)行量化，后期出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)罩產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝中如何減小發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形量，使發(fā)動(dòng)機(jī)罩尺寸達(dá)到公差范圍內(nèi)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩問(wèn)題現(xiàn)狀

某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)上為鋁發(fā)動(dòng)機(jī)罩，PT0階段拆卸一臺(tái)經(jīng)過(guò)涂裝電泳、烘烤工序后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩放到總成檢具上測(cè)量，對(duì)比焊裝發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形嚴(yán)重，圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤前后數(shù)據(jù)對(duì)比。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成烘烤前后數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成測(cè)點(diǎn)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成烘烤前后數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖2可以看出，鋁發(fā)動(dòng)機(jī)罩經(jīng)過(guò)烘烤工序后最大變形5.4 mm，變形非常嚴(yán)重，對(duì)整車前臉匹配造成很大風(fēng)險(xiǎn)，且變形嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)生內(nèi)板從外板脫出的問(wèn)題。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形原因調(diào)查

發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形問(wèn)題屬于復(fù)合型疑難問(wèn)題，造成問(wèn)題的原因多種多樣，根據(jù)多個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形可以歸結(jié)為以下幾方面原因：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板材質(zhì)

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

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩材質(zhì)特性分析

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度弱

目前隨著整車碰撞法規(guī)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，為滿足行人保護(hù)的要求，往往需要將發(fā)動(dòng)機(jī)罩的剛性進(jìn)行大幅度的減弱，圖4為某車型項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。圖中黑色橢圓框區(qū)域平板結(jié)構(gòu)無(wú)加強(qiáng)筋，圖中白色橢圓框區(qū)域大范圍挖空結(jié)構(gòu)。

圖4 某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖4可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上 大范圍地進(jìn)行了挖空，且沒有任何加強(qiáng)剛性的筋狀結(jié)構(gòu)，實(shí)際只是用手輕輕抬起發(fā)動(dòng)機(jī)罩時(shí)內(nèi)板就會(huì)發(fā)生明顯地扭轉(zhuǎn)，內(nèi)板發(fā)生扭轉(zhuǎn)后與外板發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

在焊裝安調(diào)線正常裝配調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)罩后，實(shí)測(cè)內(nèi)外板會(huì)錯(cuò)動(dòng)0.5～1.0 mm，到達(dá)涂裝裝配發(fā)動(dòng)機(jī)罩支撐輔具后錯(cuò)動(dòng)量會(huì)進(jìn)一步放大到1.5～2.0 mm；經(jīng)過(guò)電泳后會(huì)進(jìn)一步放大到2.0～3.5 mm；最終經(jīng)過(guò)烘烤工序后固化成內(nèi)外板錯(cuò)動(dòng)后的狀態(tài)，從而發(fā)生較大變形。

(3)焊裝工藝設(shè)計(jì)尚無(wú)針對(duì)內(nèi)外板錯(cuò)動(dòng)問(wèn)題的有效對(duì)策

無(wú)論是鋼發(fā)動(dòng)機(jī)罩還是鋁發(fā)動(dòng)機(jī)罩，在焊裝白車身狀態(tài)下，用手抬起發(fā)動(dòng)機(jī)罩時(shí)內(nèi)外板交疊位置都會(huì)發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)。因?yàn)楹秆b發(fā)動(dòng)機(jī)罩的折邊膠未固化，且發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板包邊后未達(dá)到可靠的連接效果。實(shí)際的生產(chǎn)工藝過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、安裝、調(diào)整、抬起、涂裝輔具作用力、電泳液沖擊、烘烤各種工序，都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外板發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)動(dòng)的狀態(tài)經(jīng)過(guò)烘烤工序固化，發(fā)生較大變形[1]。內(nèi)外板包邊連接結(jié)構(gòu)斷面如圖5所示[1]。

所以僅僅靠常規(guī)的包邊工藝，一旦產(chǎn)品設(shè)計(jì)上發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板剛性不足或發(fā)動(dòng)機(jī)罩采用鋁材質(zhì)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩大概率會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的烘烤變形。

圖5 內(nèi)外板包邊連接結(jié)構(gòu)斷面

(4)涂裝輔具設(shè)計(jì)不合理

發(fā)動(dòng)機(jī)罩的涂裝輔具對(duì)烘烤變形的影響同樣較大，原因是在烘烤過(guò)程中，內(nèi)外板有發(fā)生熱變形的傾向，為減小最終的變形量，需要給發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)罩涂裝輔具的形式，單點(diǎn)支撐，向下拉兩根彈簧。

圖6 某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩涂裝輔具形式

上述輔具形式的缺點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)罩只有三點(diǎn)支撐(前部鎖扣位置、左右鉸鏈位置)，整個(gè)前部只有鎖扣位置支撐，受力過(guò)于集中，中部與前大燈匹配位置無(wú)支撐。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)罩過(guò)完烘烤工序后發(fā)動(dòng)機(jī)罩前部與前保匹配區(qū)域中間鼓起，左右兩側(cè)前大燈位置下沉。發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形量如圖7所示。

圖7 某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形量

3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形改善對(duì)策

根據(jù)前面所述的烘烤變形的原因，可以確定以下的改善對(duì)策：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板包邊狀態(tài)優(yōu)化

常規(guī)的包邊工藝，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板包邊的厚度和交疊量直接決定包邊后內(nèi)外板的連接效果，所以發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板包邊狀態(tài)需嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)管控。包邊厚度管控標(biāo)準(zhǔn)：+0.4/-0.2，交疊量管控標(biāo)準(zhǔn)：±1.5。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板剛性增強(qiáng)

發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上避免采用大范圍的挖空結(jié)構(gòu)，如圖8所示，增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，中間部分需設(shè)計(jì)成封閉的一圈凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。

圖8 某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不過(guò)目前因?yàn)榕鲎卜ㄒ?guī)的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的設(shè)計(jì)趨勢(shì)都是要大幅度降低剛性，才能滿足行人保護(hù)的要求，所以從設(shè)計(jì)上去推進(jìn)更改發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板結(jié)構(gòu)不一定行得通。

(3)內(nèi)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加倒刺結(jié)構(gòu)

在內(nèi)板的輪廓面上設(shè)計(jì)一種特殊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如圖9所示，此方案能夠改善包邊后的壓緊狀態(tài)，增加內(nèi)外板摩擦力，防止內(nèi)外板發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。不過(guò)此方案有一定風(fēng)險(xiǎn)，因內(nèi)板結(jié)構(gòu)有一段突變，包邊后外板相應(yīng)位置可能會(huì)局部變形，實(shí)際效果和可行性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖9 內(nèi)板倒刺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(4)焊裝工藝設(shè)計(jì)上增加的措施防止內(nèi)外板錯(cuò)動(dòng)

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(dòng)涂膠系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)膠黏劑，其具有在室溫下能夠快速固化的特點(diǎn)，和單組份折邊膠相比，其能夠提供更高的尺寸穩(wěn)定性，能夠有效防止涂裝車間烘烤固化之前的轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)整過(guò)程中的內(nèi)外板錯(cuò)動(dòng)、烘烤變形及流掛等問(wèn)題。

圖10 雙組份折邊膠固化曲線

圖11 雙組份折邊膠自動(dòng)涂膠系統(tǒng)

②采用玻璃微珠的折邊膠

玻璃微珠折邊膠就是通過(guò)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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板包邊壓合的作用力將玻璃微珠鑲嵌入內(nèi)外板之內(nèi)，達(dá)到機(jī)械鎖固的作用。不需要增加額外的涂膠設(shè)備且膠水成本基本上差異不大，效果相對(duì)穩(wěn)定，且可以很大程度地提高生產(chǎn)效率。玻璃微珠的珠徑大小和含量對(duì)整體的內(nèi)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(nèi)外板的間隙在包邊過(guò)程中的穩(wěn)定性，并且壓機(jī)和滾輪的壓強(qiáng)要足夠大，實(shí)際調(diào)試過(guò)程中需要多次調(diào)試，才能充分地發(fā)揮玻璃微珠折邊膠的機(jī)械鎖固作用。實(shí)際的使用效果需通過(guò)拆解發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成確認(rèn)玻璃微珠是否嵌合至內(nèi)外板之中來(lái)判斷[2]。

③增加焊接工序

為了有效防止內(nèi)外板發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，在內(nèi)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(nèi)外板發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，從而阻止發(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)生烘烤變形。圖13為某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊點(diǎn)方案。

圖13 焊點(diǎn)方案示意

采用局部焊接工序需要精確調(diào)整焊接參數(shù)，避免出現(xiàn)電流過(guò)大或過(guò)小的情況，過(guò)大會(huì)燒穿外板，過(guò)小會(huì)造成虛焊，內(nèi)外板未燒熔到一起，起不到作用。焊接后需要對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行打磨，避免外觀缺陷。鋁發(fā)動(dòng)機(jī)罩一般不適合采用局部焊接的方法，因?yàn)殇X發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊接后易變形且焊接后打磨產(chǎn)生鋁粉有極大的安全隱患。

④采用高頻感應(yīng)加熱固化

高頻感應(yīng)加熱固化的原理是利用大電流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩折邊區(qū)域進(jìn)行感應(yīng)加熱，使折邊膠烘干固化，達(dá)到加強(qiáng)內(nèi)外板連接固化的效果。高頻加熱感應(yīng)固化設(shè)備主要包括高頻發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)罩包邊后采用高頻感應(yīng)加熱折邊膠的使用案例如圖14所示。包邊后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成自動(dòng)放入感應(yīng)加熱工裝內(nèi)，該工裝內(nèi)的支撐及定位夾頭均采用絕緣材料。通過(guò)與發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成仿形的感應(yīng)加熱線圈對(duì)包邊區(qū)域進(jìn)行加熱。

圖14 高頻感應(yīng)加熱設(shè)備示意

高頻感應(yīng)加熱可以設(shè)計(jì)為對(duì)局部或者全部包邊區(qū)域的折邊膠進(jìn)行可控性加熱固化，平均每件加熱時(shí)間約40 s，能夠滿足車型高生產(chǎn)節(jié)拍的需求。可以將固化設(shè)備與焊接夾具、下料臺(tái)、包邊模具整合為一體式結(jié)構(gòu)，減少設(shè)備占地面積。高頻感應(yīng)加熱方案的一次性投資較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)柔性地多車型共用，且需要嚴(yán)格控制感應(yīng)加熱參數(shù)，防止溫度過(guò)高或過(guò)低造成缺陷。同時(shí)如果發(fā)動(dòng)機(jī)罩為人工下料，還要必須考慮增加輔助下料設(shè)備或設(shè)置過(guò)渡臺(tái)進(jìn)行冷卻[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)單獨(dú)建立四門兩蓋烘干線的方案。將四門兩蓋總成運(yùn)輸至烘干線進(jìn)行短時(shí)間加熱，使折邊膠受熱固化，達(dá)到防止內(nèi)外板錯(cuò)動(dòng)的作用。烘干線原理示意圖如圖 16 所示。

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)多車型共線等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)，且存在在運(yùn)輸至烘干線過(guò)程中零件發(fā)生變形的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

(4)優(yōu)化涂裝輔具方案

為防止發(fā)動(dòng)機(jī)罩在涂裝車間經(jīng)過(guò)電泳池受水流沖擊內(nèi)外板發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，以及在烘干房受熱時(shí)應(yīng)力釋放發(fā)生熱變形，需要通過(guò)合理設(shè)計(jì)涂裝輔具形式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩增加足夠的約束，減小發(fā)生變形的趨勢(shì)。

合理地布局涂裝輔具的支撐位置很關(guān)鍵，根據(jù)定位的一致性原則，支撐位置選擇與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的RPS點(diǎn)保持一致，圖17為某車型采用鎖扣位置(單點(diǎn)支撐+兩根彈簧)及采用(四點(diǎn)支撐+兩根彈簧)方案對(duì)比。

四點(diǎn)支撐相對(duì)于單點(diǎn)支撐優(yōu)點(diǎn)是避免了受力過(guò)于集中，且對(duì)于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)罩來(lái)說(shuō)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(fā)生變形。實(shí)際發(fā)生烘烤變形量對(duì)比采用四點(diǎn)支撐后最大變形量從3.5 mm減小到0.5 mm以內(nèi)。

圖17 單點(diǎn)和四點(diǎn)輔具支撐方案對(duì)比

4 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形問(wèn)題屬于跨專業(yè)跨部門的行業(yè)內(nèi)疑難問(wèn)題，受多種因素影響導(dǎo)致每臺(tái)車變形量不穩(wěn)定，問(wèn)題往往在前期沒有及時(shí)地暴露出來(lái)，一旦前期沒采取合適的對(duì)策，接近量產(chǎn)階段再去對(duì)應(yīng)更加難以解決。因此每個(gè)項(xiàng)目都需要將發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形的問(wèn)題作為SA問(wèn)題點(diǎn)提前在設(shè)計(jì)階段對(duì)問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估及制定好相應(yīng)的對(duì)策，在試制階段前期對(duì)問(wèn)題現(xiàn)狀進(jìn)行把握，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即對(duì)之前制定好的對(duì)策進(jìn)行驗(yàn)證，快速確定最終的解決方案。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩的材質(zhì)優(yōu)先選用鋼材質(zhì)盡量避免為了輕量化采用鋁合金材質(zhì)，內(nèi)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上避免單純?yōu)榱诵腥吮Ｗo(hù)的要求而過(guò)度降低發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板剛性，不考慮后續(xù)發(fā)生較大烘烤變形影響整車外觀匹配的風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)板倒刺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在項(xiàng)目初期可驗(yàn)證，如造成外板局部變形則方案不可行。在焊裝工藝設(shè)計(jì)上優(yōu)先選用成本較低的玻璃微珠的折邊膠方案，如方案實(shí)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(yīng)加熱工藝及烘干線方案。涂裝輔具方案優(yōu)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(fā)動(dòng)機(jī)罩和車身上選取合適的支撐位置，如數(shù)模上沒有合適的位置則提前提出設(shè)計(jì)變更增加。