方階平,王永濤,劉攀,田浩
(北京奔馳汽車有限公司,北京 102600)
三坐標支具是用于固定沖壓零件的標準支架,支具的設計開發(fā)具有很高的精度要求(主控方向公差為+/-0.05,非主控方向公差為+/-0.2)[1],其具有對零件RPS點(reference point system)和輔助支撐點的支撐與調整功能。支具通過固定零件上的RPS點,保證零件與數(shù)模設計狀態(tài)保持一致,并通過調節(jié)輔助支撐點,使零件消除一些微小應力對沖壓單件影響,因為,一定范圍內的扭轉與回彈雖然體現(xiàn)在沖壓單件上,但是可以通過裝焊工藝和加強結構件的安裝來消除掉這些應力,這個范圍可以通過支具夾頭的夾緊力來評估,我們通過實驗及經(jīng)驗設定30N為極限夾緊力(鋼板材)[2],當夾緊力大于30N時,我們認為沖壓單件形變超過調整范圍,需要進行打開夾頭的特殊測量,并優(yōu)化模具,當夾緊力小于30N,我們認為沖壓單件可以進行正??己藴y量,需要注意的是,正??己藴y量時還需要對每個夾緊點的夾緊距離進行測量,防止一些結構形變較大但夾緊力合格的特殊情況。
零件的測量可以選擇“支具坐標系”與“零件坐標系”。通過實驗,證明兩種坐標系測量結果差異不大?!爸Ь咦鴺讼怠笔峭ㄟ^支具上標準定位孔或標準定位球,確定支具在測量機空間中的X/Y/Z的位置[3],然后將零件固定在支具上進行評價?!傲慵鴺讼怠笔窍葘⒘慵潭ㄔ谥Ь呱?,再通過零件上選取的特定RPS點或孔,確定零件在測量機空間中的X/Y/Z的位置[3],然后對零件進行評價。
每一次使用“支具坐標系”測量前,都需要對支具進行標定,將零件固定在支具上后,需要將所有RPS點手動調整至+/-0.1mm公差范圍內,然后再進行測量。
使用“零件坐標系”測量時,只有在首次測量時需要標定支具(之后定期半年標定一次即可),將零件固定在支具上后,軟件通過零件上前六個RPS點進行坐標系建立,軟件將計算擬合將前六個RPS點調整至+/-0.1mm公差范圍內(3-2-1建系法[4]),然后依次手動調整其它RPS點至+/-0.1mm公差范圍內,這樣保證了零件狀態(tài)與數(shù)模狀態(tài)保持一致,可以進行考核測量監(jiān)控。
正??己藴y量方法適用于零件狀態(tài)穩(wěn)定,且零件變形量較小時使用,對壓零件的質量進行監(jiān)控及評價。但是在項目初期,全夾緊的狀態(tài)下測量可能掩蓋零件本身的缺陷。例如,行李箱內板沖壓件(如圖1),正常測量時,難以發(fā)現(xiàn)零件的回彈變形與扭轉變形則無法指導模具的整改。因此,需要對測量方法進行重新設計,以保證測量結果能顯示零件的真實狀態(tài)。
圖1 行李箱內板建系RPS點
與正常考核測量不同,特殊分析測量是通過不同的夾緊支撐方式,還原沖壓單件的真實狀態(tài),暴露模具的真實問題,從而達到指導模具整改的目的。
以行李箱內板的分析測量為例,行李箱內板由于型面復雜,橫向跨度大,沖壓模具調試期間,扭轉與回彈問題都非常明顯,這些問題會直接導致行李箱蓋總成零件的變形,裝車后發(fā)生其與后杠間隙不一致、與側圍平順度超差、行李箱蓋無法正常落鎖等問題。
正常考核測量時,一般使用“零件坐標系”較為方便。使用3-2-1建系法則[4],Za3與Zb3構建對稱中心點Z3,與Z1、Z2控制Z方向;X4、X5控制X方向;Y6控制Y方向;X7、X8根據(jù)零件坐標系調整支具夾頭至公差內,此時,所有的RPS點處于卡緊狀態(tài)。
如圖2所示,可以看到,X軸方向回彈被X7、X8與Z1、Z2、Za3、Zb3定位夾頭限制,零件被沿X軸方向擠壓或張開。
如圖3所示,Y軸方向扭轉將被 Za3、Zb3和 X7、X8夾頭限制,同時由于軟件通過計算,將Za3與Zb3平均分配公差,構建Z3建立坐標系,進一步消除了Y軸方向的扭轉影響,分別通過物理方式與軟件計算的方式削弱了零件扭轉造成的影響,因此,當扭轉過大時,需要改變測量方式,分別從物理的角度和坐標系建立方法的角度來釋放扭轉影響,反映零件真實狀態(tài)。
圖2 行李箱內板回彈方向
圖3 行李箱內板扭轉方向
可以通過打開一些夾頭,同時添加一些輔助支撐定位的方式,從物理的角度釋放零件應力。通過改變建坐標系的方法,消除程序中平均分配公差的影響,下面將具體分析扭轉與回彈問題。
扭轉問題會影響整個零件的狀態(tài),因此分析零件扭轉問題時,需要使零件保持自由狀態(tài),約束越少越好。對于行李箱內板來說,只需要三個固定點即可(如圖4),保持現(xiàn)有夾緊點Z1、Z2,增加輔助支撐夾頭W1在零件上端面中心位置,保證零件平衡、穩(wěn)定。
圖4 行李箱內板夾緊方式1#
為了驗證三點支撐零件的穩(wěn)定性,和W1輔助支撐點位置對零件的影響。進行了零件的重復性實驗。(實驗結果如表1/表2所示)。
表1 “支具坐標系”三點支撐重復性實驗
表2 “支具零件系”三點支撐重復性實驗
由圖表可見,本實驗分別使用“支具坐標系”和“零件坐標系”(零件系使用W1替換Z3建立坐標系),將Z1、Z2、W1夾頭夾緊,其它支具自由狀態(tài)。其中將W1處于四種位置,分別是“W1調整到零”、“W1調整到合適位置使得ZA3ZB3平均分配偏差”、“W1調整到較高位置”、“W1調整到較低位置”。
從實驗結果可以發(fā)現(xiàn),W1的位置變化在“支具坐標系”下X7、X8會隨著零件翻轉,因此得到不同的結果??梢钥吹?,當W1處于“W1調整到合適位置使得ZA3ZB3平均分配偏差”位置時,X7、X8的結果與表2中“零件坐標系”的結果保持一致(表1中綠色區(qū)域),說明此時的零件狀態(tài)與數(shù)模保持一致,無論在“支具坐標系”還是“零件坐標系”測量結果保持一致,可以作為分析零件扭轉問題的測量方法。當W1處于最低位置時,由于重力影響,零件會發(fā)生變形,X7、X8有較大誤差可以剔除(table2.1中灰色區(qū)域)。
W1的位置變化在“零件坐標系”下X7、X8保持穩(wěn)定在-0.58/-0.55左右(表2中綠色區(qū)域)。與表1相同,當W1處于最低位置時,由于重力影響,零件會發(fā)生變形,X7、X8有較大誤差可以剔除(表2中灰色區(qū)域)。所以可以得出結論,只要W1在零點位置附近時,認為零件狀態(tài)保持穩(wěn)定,可以用來評價零件的扭轉狀態(tài)。
所以,尾蓋內板扭轉分析測量方法為:使用 Z1、Z2和W1支具支撐夾緊零件,將W1調整到零位。使用“零件坐標系”(建系方法改為使用Z1、Z2、W1、X4Y6、X5建系),然后對零件進行正常測量,完成測量報告,并指導模具的優(yōu)化。
對于行李箱內板來說,回彈問題所影響的就是V形零件的張角大小。因此,控制住V形面的一個面,另一個面自由狀態(tài)即可顯示零件的回彈量。對于行李箱內板來說夾緊Z1、Z2、Za3、Zb3,放松X7、X8,零件的后立面就能處于自由狀態(tài)(如圖5)。
圖5 行李箱內板夾緊方式2#
一般情況下,零件的扭轉問題往往伴隨著回彈問題,有時扭轉問題解決后會發(fā)現(xiàn)回彈問題也消失了,模具的整改需要同時考慮兩個問題。但是從測量的角度需要分開分析這兩個問題。建議模具優(yōu)化先解決扭轉問題,再解決回彈問題,否則無法區(qū)分零件變形的根本原因是什么。
以尾蓋內板為例,由于后端面受重力影響,會向下下墜,所以需要給X7、X8一個偏置公差,幫助判斷是重力還是回彈導致的零件變形。若偏差在公差范圍內,則認為零件狀態(tài)穩(wěn)定,可以使用全夾緊測量對零件進行評價,若偏差在公差范圍外,則認為零件狀態(tài)不穩(wěn)定,零件回彈過大需要優(yōu)化模具,消除回彈影響,回彈量使用打開X7、X8方式測量。偏置公差的計算需要根據(jù)需要設計一個初始公差,例如+/-0.5mm。然后將零件后端簡化為一端固定的懸臂梁(如圖6所示),在受到重力作用,發(fā)生微小形變??梢詰貌牧狭W積分法撓度方程[5]:
C、D為積分常數(shù),解得:
則“-ω”為偏置公差的中心位置,+/-0.5mm為偏置公差的范圍。
圖6 簡直梁擾度計算
所以,尾蓋內板回彈分析測量方法為:使用 Z1、Z2、Za3、Zb3支具支撐夾緊零件,使用“零件坐標系”(建系方法改為使用Z1、Z2、Z3、X4Y6、X5建系,Za3、Zb3構造中心點 Z3),然后對零件進行正常測量,完成測量報告,并指導模具的優(yōu)化,當發(fā)現(xiàn)X7、X8的測量結果在偏置公差內,說明零件狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定,可以使用全夾緊方式進行考核測量。
從沖壓零件測量的通用性分析,對于拉延工藝比較復雜的零件,例如行李箱內板、機蓋內板等,扭轉與回彈問題是比較普遍的。分析該類問題可以按照扭轉-回彈-型面公差的順序進行分析和解決。
首先,讓被測零件處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài),同時減少夾緊點的數(shù)量。當零件擺放穩(wěn)定后,使用3-2-1建系法則[4],建立“零件坐標系”,然后對零件進行測量。但是,當零件狀態(tài)非常不好的時候,RPS點偏差過大,會遇到坐標系無法建立的問題。此時,需要建立“支具坐標系”,并標定支具頭,然后在“支具坐標系”下進行測量。測量結果可以清晰地體現(xiàn)零件狀態(tài),但一般用于分析零件偏差趨勢,對于分析超差量,需要考慮相對關系。
然后,將零件相對穩(wěn)定的特殊型面進行全夾緊控制,將需要進行回彈整模的型面進行全自由放松。使用 3-2-1建系法則[4],建立“零件坐標系”,然后對零件進行測量??梢缘玫搅慵幕貜椓?,然后指導模具的整改。在進行回彈問題測量時,需要考慮零件受重力影響,對特殊部位設計偏置公差,抵消重力影響,同時,判斷回彈是否可以接受。
零件的扭轉與回彈是首先需要進行整改的,零件尺寸問題才能有效地解決。對于零件尺寸問題的分析,需要進行全夾緊狀態(tài)下的考核測量方法,并通過構造對稱點等方法,消除零件的細微扭轉與回彈影響。零件的考核測量全尺寸報告的形位偏差即可視為絕對偏差,指導模具的優(yōu)化。