董功杰，郝俊偉

發(fā)動機(jī)蓋變形研究

董功杰，郝俊偉

（一汽轎車股份有限公司發(fā)展部，吉林 長春 130011）

汽車發(fā)動機(jī)蓋變形問題一直是困擾著各大主機(jī)廠的共性難題，文章通過數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、仿真模擬等手段深入分析了該問題的產(chǎn)生原因，相應(yīng)地總結(jié)歸納了一套綜合了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝保證、預(yù)變形補(bǔ)救三個(gè)方面的系統(tǒng)性解決方案，在新車型項(xiàng)目中成功應(yīng)用，顯著降低了發(fā)動機(jī)蓋的變形量，提升了整車的質(zhì)量水平，同時(shí)也為相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)人員提供有效的理論支持和經(jīng)驗(yàn)參考。

發(fā)動機(jī)蓋；變形；系統(tǒng)性解決方案

前言

發(fā)動機(jī)蓋是汽車十分重要的外表面覆蓋件，它的品質(zhì)尤其是面品質(zhì)量、尺寸狀態(tài)直接關(guān)系到客戶的滿意度和使用體驗(yàn)。由于發(fā)動機(jī)蓋是一個(gè)面積大、鈑金薄、支點(diǎn)少的部件，加上制造過程中工序眾多，復(fù)雜外力相互作用下產(chǎn)生了多區(qū)域的變形現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的整車前端匹配問題。在我公司某B級轎車項(xiàng)目的質(zhì)量育成階段，通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鎖定了主要變形的發(fā)生工序：涂裝電泳和烘干工序，但是目前缺乏相應(yīng)的理論和手段來對該工序進(jìn)行分析、模擬和優(yōu)化控制，因此本文在綜合了各主機(jī)廠目前在設(shè)計(jì)、工藝等方面采取的各種措施的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了一套行之有效的系統(tǒng)性解決方案。

1 發(fā)動機(jī)蓋變形原因分析

1.1 現(xiàn)狀描述

發(fā)動機(jī)蓋與前格柵、前大燈、翼子板、前風(fēng)擋玻璃均有重要的尺寸匹配關(guān)系，如圖1所示我公司某B級轎車發(fā)動機(jī)蓋的DTS標(biāo)準(zhǔn)（Dimensional Technical specification 尺寸技術(shù)規(guī)范），對相應(yīng)位置匹配要素的間隙、段差給出了明確的規(guī)格界限，該基準(zhǔn)值、公差的設(shè)定和實(shí)現(xiàn)，間接體現(xiàn)了主機(jī)廠的制造工藝水平、整車品質(zhì)及市場定位，從給定的公差范圍可以看出，要求變形量不能超過±1.0mm，這對主機(jī)廠的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)人員來說，無疑是巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 某B級轎車發(fā)動機(jī)蓋DTS示意圖

表1 發(fā)動機(jī)蓋的DTS標(biāo)準(zhǔn)

采用PCF檢具對涂裝完成后的發(fā)動機(jī)蓋進(jìn)行測量，變形現(xiàn)象直接體現(xiàn)在相應(yīng)位置的段差、間隙值超差上，如圖2所示：我公司某B級轎車發(fā)動機(jī)蓋在質(zhì)量育成初期的段差測量數(shù)據(jù)（涂裝后數(shù)據(jù)），52個(gè)測量點(diǎn)中僅15個(gè)合格，其中前部和后部的變形最為明顯，最大變形量達(dá)4.6mm（該車型發(fā)動機(jī)蓋變形量≤1mm為可接受范圍）。在同行業(yè)對標(biāo)中發(fā)現(xiàn)，包括奧迪、大眾、紅旗、豐田在內(nèi)的新車型項(xiàng)目在質(zhì)量育成階段普遍面臨著嚴(yán)重的發(fā)動機(jī)蓋變形問題，變形主要集中在發(fā)動機(jī)蓋的2個(gè)前角、2個(gè)后角、前風(fēng)擋玻璃中間位置，問題的解決從質(zhì)量育成初期一直持續(xù)到量產(chǎn)初期，給項(xiàng)目的順利實(shí)施帶來很不利的影響。因此針對該問題的深入分析和控制解決是當(dāng)前亟待解決的一大難題。

1.2 原因分析

1.2.1 工藝過程理論分析

發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板、外板單件在沖壓工序后尺寸測量合格，經(jīng)過焊裝、涂裝工序后，PCF檢具測量總成出現(xiàn)大量的尺寸超差問題，很顯然變形就發(fā)生在焊裝、涂裝的某一或多個(gè)工序中。如圖3所示為與發(fā)動機(jī)蓋相關(guān)的焊裝、涂裝工藝流程，其中1-5為焊裝工序，6-9為涂裝工序：

圖3 發(fā)動機(jī)蓋制造工藝流程圖

發(fā)動機(jī)蓋受到自身重力作用，在制造過程中又受到其他外力作用，當(dāng)綜合作用在發(fā)動機(jī)蓋的外力超過它自身剛度時(shí)，就會出現(xiàn)變形現(xiàn)象。經(jīng)過對圖3 工藝流程的分析，猜測可能受到外力的工序及原因如下：

（1）焊接：內(nèi)板分總成受到夾具S面、CK面壓塊壓緊力與焊接壓力；

（2）滾邊壓合：機(jī)器人滾頭、壓料板、壓合模具對發(fā)動機(jī)蓋周邊的壓力；

（3）轉(zhuǎn)運(yùn)；總成經(jīng)物流轉(zhuǎn)運(yùn)至調(diào)整線操作不當(dāng)受力；

（4）裝配調(diào)整；頻繁開啟關(guān)閉裝配、調(diào)整發(fā)動機(jī)蓋操作不當(dāng)受力；

（5）輸送：焊裝白車身輸送至涂裝過程發(fā)動機(jī)蓋支撐不良受力；

（6）前處理：水洗過程發(fā)動機(jī)蓋受壓力；

（7）電泳：進(jìn)水、出水、輸送過程中受到電泳液沖擊、壓力；

（8）烘干：高溫烘烤產(chǎn)生熱膨脹，前面工序受到的沖壓力、滾壓力等應(yīng)力釋放。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了確定變形產(chǎn)生的具體工序，在B級轎車項(xiàng)目的質(zhì)量育成階段設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)測量實(shí)驗(yàn)：搭載3輛份工藝驗(yàn)證車，在生產(chǎn)過程中，針對圖3中的每兩個(gè)工序間展開一次PCF檢具測量，記錄數(shù)據(jù)后比對分析，需要特殊說明的是，本項(xiàng)目在展開此實(shí)驗(yàn)時(shí)有三個(gè)前提：①發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板、外板單件尺寸合格；②焊裝在壓合后采取了CMT++焊接工藝防止內(nèi)外板竄動；③由于電泳后的總成無法直接取出測量，我們未測量電泳、烘干工序間的發(fā)動機(jī)蓋總成。

圖4 我公司某B級轎車發(fā)動機(jī)蓋段差測量數(shù)據(jù)

通過3輛份的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，得到圖4所示統(tǒng)計(jì)圖：發(fā)動機(jī)蓋在前處理工序后、電泳工序之前，局部雖有不同程度的變形，但變形量均在可接受范圍（段差小于1mm），而在電泳、烘干工序后，不可接受的變形開始大面積出現(xiàn)。換言之，發(fā)動機(jī)蓋主要變形是在涂裝電泳、烘干工序產(chǎn)生的。

1.2.3 烘干變形仿真分析

由于電泳工序受到入水出水角度、入水出水速度、穿梭機(jī)速度、涂裝輔具等眾多因素影響，加上電泳后的總成又無法直接取出測量，導(dǎo)致電泳工序的進(jìn)一步分析變得十分困難。于是我們采用有限元分析手段對更容易分析的烘干工序進(jìn)行模擬，使用Abques2017有限元分析軟件，依據(jù)FCC熱分析標(biāo)準(zhǔn)，對涂裝烘干工序進(jìn)行溫度場模擬，約束設(shè)定為：前蓋受自身重力，通過后端兩個(gè)鉸鏈限制6個(gè)自由度，前端受3個(gè)支撐力（僅約束1個(gè)自由度），工況為：烘干工藝從20℃迅速升至烘烤溫度190℃，烘烤時(shí)間為30分鐘，再迅速降低至20℃。

從圖5烘烤位移云圖中可以看出：①發(fā)動機(jī)蓋前端變形趨勢與實(shí)際接近，后部中間位置產(chǎn)生最大的-Z向變形，向兩側(cè)逐漸變?yōu)?Z向變形；②發(fā)動機(jī)蓋前端變形趨勢與實(shí)際測量結(jié)果差異較大，CAE結(jié)果顯示：前端均為+Z向變形，實(shí)際測量結(jié)果前端均為-Z向變形，二者存在差異的主要原因是：電泳工序電泳液對發(fā)動機(jī)蓋產(chǎn)生的沖擊、壓力未體現(xiàn)，發(fā)動機(jī)蓋后端為鉸鏈剛性連接，電泳影響較小，前端為輔具U型支撐僅限制1個(gè)自由度，受電泳沖擊、受壓的影響更大，變形明顯。

1.3 結(jié)論

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真模擬結(jié)果，分析得出：發(fā)動機(jī)蓋的主要變形發(fā)生在涂裝電泳、烘干工序，其中電泳工序產(chǎn)生的變形是受到電泳液對發(fā)動機(jī)蓋的沖擊和壓力；烘干工序高溫烘烤產(chǎn)生熱膨脹和殘余應(yīng)力釋放將變形進(jìn)一步放大。

2 應(yīng)對發(fā)動機(jī)蓋變形的系統(tǒng)性解決方案

在我公司某B級轎車的質(zhì)量育成階段，解決前蓋變形過程中受到了諸多制約因素的限制：①前蓋強(qiáng)度提升空間有限；②多個(gè)工藝過程均會產(chǎn)生不穩(wěn)定的微小變形，在累加后也會出現(xiàn)不可接受變形；③電泳工序分析、優(yōu)化困難，烘干工序變形幾乎不可避免和改變，再加上行業(yè)內(nèi)目前尚無解決該問題的某個(gè)單一有效手段，因此在綜合了各大主機(jī)廠采取的措施的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了一套系統(tǒng)性解決方案，并在B級轎車項(xiàng)目的成功應(yīng)用中得到有效驗(yàn)證。

2.1 優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提升發(fā)動機(jī)蓋強(qiáng)度

2.1.1 增加外板厚度

增加厚度是提升板件強(qiáng)度最直接有效的辦法。從表1對標(biāo)分析可以看出，各車型發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板厚度幾乎都是0.6mm，而外板的厚度卻有著不小的區(qū)別：豐田皇冠外板為0.75mm，大眾CC、邁騰、寶來等車型為0.7mm，奧迪A6L、Q3外板是1.0mm（鋁件）。于是在B級轎車的質(zhì)量育成過程中，通過設(shè)計(jì)變更將前蓋外板的厚度從0.65mm提升至0.7mm，變形量均得到明顯降低，其中前風(fēng)窗玻璃中部位置最為顯著，變形量降低了2.2mm。

表1 發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)外板厚度對標(biāo)分析統(tǒng)計(jì)表

2.1.2 內(nèi)板增加加強(qiáng)筋

提升強(qiáng)度的另一有效辦法是在內(nèi)板關(guān)鍵型面上增加加強(qiáng)筋，由于加強(qiáng)筋的存在，會在加強(qiáng)筋附近材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，位錯(cuò)滑移路徑變得復(fù)雜，導(dǎo)致滑移所需要的力更大，相應(yīng)的變形變得困難。圖示大眾T-CROSS發(fā)動機(jī)蓋、豐田卡羅拉發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板示意圖，可明顯的看出：在前蓋易變形的五大區(qū)域：4個(gè)尖角、1個(gè)前風(fēng)窗玻璃位置，均有復(fù)雜的加強(qiáng)筋以提升整體強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)注意的是，在內(nèi)板型面增加加強(qiáng)筋應(yīng)在新車型產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段盡早考慮，后期實(shí)施的成本較高。

圖6 大眾T-CROSS發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板示意圖

圖7 豐田卡羅拉發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板示意圖

2.2 工藝過程保證來降低變形量

2.2.1 焊裝增加防止內(nèi)外板竄動工藝

焊裝工藝通過增大發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)外板之間的摩擦力，在發(fā)生變形時(shí)，內(nèi)外板間的摩擦力大于變形力，從而有效抑制變形趨勢。主流的方式有以下兩種：

（1）焊接工藝

1）單邊焊：在包邊區(qū)域內(nèi)外板間增加8-10個(gè)焊點(diǎn)，考慮到外板面品問題，采用單邊焊槍通過加壓，在內(nèi)板、外板間接通短時(shí)間、小壓力的小電流，形成直徑約為2mm的焊核，大眾邁騰、CC、寶來等車型普遍采用這種工藝。但面品質(zhì)量較差（受焊接加壓放熱影響，外板表面易形成小凸點(diǎn)）、有效焊核直徑很小是這種工藝的一大缺點(diǎn)。

2）CMT++焊接：一種冷金屬過渡弧焊工藝，在短路狀態(tài)下通過焊絲的回抽運(yùn)動幫助焊絲與熔滴分離，實(shí)現(xiàn)薄板焊接無飛濺、低熱輸入的效果，能形成直徑為2~10mm的焊核。與單邊焊類似，同樣在包邊區(qū)域內(nèi)外板間增加8-10個(gè)CMT++焊點(diǎn)，但變形量小、面品質(zhì)量較好、焊核直徑可控是這種工藝的顯著優(yōu)勢，目前大眾T-CROSS、奧迪Q3、紅旗H5等車型的門蓋總成開始普及這種先進(jìn)工藝。

（2）膠接工藝

由于鋁材質(zhì)極易氧化、導(dǎo)電性差、導(dǎo)熱性強(qiáng)特點(diǎn)，焊接性差、焊核強(qiáng)度較低，因此目前大多數(shù)鋁制四門兩蓋多采用特殊的膠接工藝來提升內(nèi)外板間連接強(qiáng)度（摩擦力）。

1）雙組份涂膠工藝：將Versilok 265和Versilok254兩種環(huán)氧樹脂類型膠通過螺旋膠管按4：1體積比混合為雙組份反應(yīng)型環(huán)氧改性丙烯酸膠，涂布于前蓋外板，內(nèi)外板包邊完成后室溫條件下45分鐘可鎖固。目前在新能源車鋁制前蓋應(yīng)用較多，由于雙組份膠化學(xué)反應(yīng)固化極快，因此日常生產(chǎn)時(shí)對混合膠管的維護(hù)、保養(yǎng)是該工藝的一大難題，目前凱迪拉克XTS、魏VV5、JEEP自由光、金康SF5的前蓋均采用這種工藝。

2）烘干爐工藝：在焊裝車間建立烘干生產(chǎn)線，四門兩蓋形成總成后通過烘干線，在150℃高溫下烘烤20分鐘，折邊膠完全烘干固化后再裝配調(diào)整，內(nèi)外板連接強(qiáng)度大大加強(qiáng)，有效避免了后面工序帶來的變形問題。這種工藝占地面積廣，一次性投資很大，適用于高端車型的鋁件四門兩蓋，目前奧迪Q5L前后蓋、A6L四門兩蓋在采用這種工藝。

圖8 防止發(fā)動機(jī)蓋變形的焊裝工藝

2.2.2 涂裝采用三點(diǎn)支撐輔具

發(fā)動機(jī)蓋由后端兩個(gè)鉸鏈螺接在車身骨架上，前端與車身無連接或支撐點(diǎn)，在涂裝電泳工序受到電泳液沖擊、液體壓力，前端就會產(chǎn)生較大程度的變形，為了解決這一問題，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)改進(jìn)得出最優(yōu)的輔具方案：三點(diǎn)支撐中間不鎖緊輔具，如圖9所示，該輔具下端靠前保險(xiǎn)杠支撐定位，上端鎖緊左右兩個(gè)緩沖塊安裝孔，中間支撐不鎖緊鎖鉤，對前蓋形成一共5點(diǎn)支撐。通過質(zhì)量育成階段大量的實(shí)驗(yàn)測量，我們發(fā)現(xiàn)該輔具是解決發(fā)動機(jī)蓋前端變形最有效的手段。由于該輔具數(shù)量較多，均為鋼筋材質(zhì)焊接而成，因此在生產(chǎn)時(shí)需要制作相應(yīng)的輔具對其精度進(jìn)行日常檢查。

圖9 涂裝三點(diǎn)支撐中間不鎖緊輔具

2.3 預(yù)變形補(bǔ)救

在采取了產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化、工藝過程保證兩大方面的多個(gè)措施后，但由于涂裝電泳、烘干工序的變形只能盡量降低卻無法避免，白車身調(diào)整、轉(zhuǎn)運(yùn)、輸送過程中前蓋仍受到位置不定、復(fù)雜、不均勻的力，各種因素累積后發(fā)動機(jī)蓋仍有部分區(qū)域出現(xiàn)不可接受的的變形。對于這種在質(zhì)量育成后期、已經(jīng)形成穩(wěn)定趨勢的變形（位置和變形量穩(wěn)定），最為有效的方式是：焊裝預(yù)變形補(bǔ)救，在焊裝夾具針對發(fā)動機(jī)蓋變形位置增加尼龍材質(zhì)與板件隨形的預(yù)變形塊，對發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板提前矯形，形成對后面工序產(chǎn)成的變形量進(jìn)行補(bǔ)救。圖示為我公司B級轎車發(fā)動機(jī)蓋采用的預(yù)變形形示意圖：預(yù)變形塊比發(fā)動機(jī)蓋理論尺寸Z向高4.5mm，補(bǔ)救了發(fā)動機(jī)蓋該位置涂裝后Z向-1.7mm的變形量。

圖10 焊裝夾具預(yù)矯形示意圖

2.4 結(jié)論

針對前蓋變形問題，需在充分考慮法規(guī)（比如C-NCAP頭型實(shí)驗(yàn)中的行人保護(hù)要求）和整車輕量化的前提下，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提升發(fā)動機(jī)蓋整體強(qiáng)度，并在焊裝、涂裝采取適用的過程保證工藝來降低制造過程變形量，針對最終已形成穩(wěn)定趨勢的變形，通過夾具預(yù)變形手段來補(bǔ)救解決。

在我公司紅旗某B級轎車的質(zhì)量育成階段，綜合采取了以下4項(xiàng)主要手段：①外板厚度從0.65mm增加至0.7mm；②焊裝采用CMT++焊接工藝；③涂裝采用三點(diǎn)支撐中間不鎖緊輔具；④預(yù)變形發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板，發(fā)動機(jī)蓋總成的變形量從最初的最大為4.6mm，目前已穩(wěn)定控制在±0.7mm以內(nèi)（±1mm以內(nèi)滿足該車DTS標(biāo)準(zhǔn)），變形問題得到有效的控制，同時(shí)也充分驗(yàn)證了本套解決方案的有效性。

3 結(jié)束語

涂裝電泳、烘干工序是造成前蓋變形的主要過程，目前采取的一系列復(fù)合手段，確實(shí)有效的控制了前蓋變形問題，但也存在一定的局限性：①外板厚度加厚增加了整車質(zhì)量；②預(yù)變形內(nèi)板造成了焊裝發(fā)動機(jī)蓋裝調(diào)困難；而且從嚴(yán)格意義上來講，這些措施僅是通過提升發(fā)動機(jī)蓋強(qiáng)度來預(yù)防變形，并沒有對問題的源頭——涂裝工藝控制優(yōu)化來規(guī)避變形的發(fā)生（比如優(yōu)化爐溫曲線、入水出水角度、速度等），因此后續(xù)針對電泳、烘干工序的實(shí)驗(yàn)分析、仿真模擬、參數(shù)優(yōu)化會是下一階段的重點(diǎn)研究方向。

[1] 張鴻榮,雷金凡.轎車車身發(fā)動機(jī)蓋變形分析及焊點(diǎn)優(yōu)化[J].電焊機(jī).47（09）:85-89.

[2] 鄒奉祥,周滿紅,蔣玲麗.引起發(fā)動機(jī)蓋變形的涂裝工藝改進(jìn)[J].創(chuàng)新科技.2013（10）:72-74.

[3] 虞敬文,李濤,李金洪.發(fā)動機(jī)蓋變形研究[J].機(jī)械工程師.2009（12）: 118-120.

Research of Deformation for Engine Hood

Dong Gongjie, Hao Junwei

( Development, FAW Car Co., Ltd., Jilin Changchun 130011 )

Deformation of automobile engine cover has always been a common problem puzzling major main engine factories. This paper thoroughly analyses the causes of this problem by means of data analysis, experimental verification and simulation, and sums up a set of systematic solutions which synthesize product design, process assurance and pre-deformation remedy. The solution has been successfully applied in the new vehicle project, which significantly reduces the deformation of the engine cover and improves the quality level of the vehicle. At the same time, it provides effective theoretical support and experience reference for product design and process developers in related fields.

Engine hood; Deformation; Systematic solutions

U263.14

A

1671-7988(2019)24-139-05

U263.14

A

1671-7988(2019)24-139-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.045

董功杰，就職于一汽轎車股份有限公司發(fā)展部。