覃顯峰 王小海 陳曉紅 陳禮健

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州511434）

1 前言

熱成形門環(huán)（鍍層板）2014年首次應(yīng)用在謳歌MDX上，目的是為了提升小角度碰撞性能以達到IIHS（美國公路安全保險協(xié)會）評價要求，實車碰撞試驗評價優(yōu)秀（G）[1-2]。但由于各種原因，應(yīng)用熱成形門環(huán)的量產(chǎn)車型一直很少。近年來隨著新能源汽車的興起，同時安全法規(guī)越來越嚴苛，熱成形門環(huán)再次成為汽車輕量化的熱門話題[3]。新材料和新工藝的研究應(yīng)用，使得熱成形門環(huán)的成本呈現(xiàn)下降趨勢，讓其具備了廣泛量產(chǎn)的充分條件。其中，熱成形門環(huán)使用裸板（無鍍層）材料是降本的主要方向之一。但是裸板熱成形門環(huán)存在防腐性能差和拋丸變形2個問題，制約著其量產(chǎn)應(yīng)用。本文重點分析裸板門環(huán)拋丸的變形量及穩(wěn)定性，研究提升其精度的方法，對其生產(chǎn)質(zhì)量控制具有指導(dǎo)意義。

2 熱成形門環(huán)及拋丸工藝

2.1 熱成形門環(huán)

熱成形門環(huán)是將傳統(tǒng)上車體的A柱、B柱、側(cè)圍上邊梁和門檻4個零件通過組合簡化成1個零件，使用熱成形材料生產(chǎn)的技術(shù)，簡稱門環(huán)[4-5]。圖1所示是某車型的門環(huán)尺寸及各分段材料厚度T。

圖1 門環(huán)

2.2 拋丸工藝

熱沖壓成形技術(shù)是將硼鋼鋼板（常見為22MnB5）加熱至奧氏體化狀態(tài)（約900℃），快速轉(zhuǎn)移到模具中高速沖壓成形，在保證一定壓力的情況下，制件在模具本體中以＞27℃/s的冷卻速度進行淬火處理，保壓淬火一段時間以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強鋼零件的成形方式。裸板硼鋼由于沒有鍍層保護在高溫狀態(tài)下與空氣中的氧氣接觸，會在其表面形成1層松散的氧化物組織，通常稱為氧化皮，如圖2所示。

圖2 裸板表面的氧化皮

拋丸是1種機械方面的表面處理工藝的名稱，類似的工藝還有噴砂和噴丸。拋丸是冷處理過程，分為拋丸清理和拋丸強化，拋丸清理顧名思義是為了去除表面氧化皮等雜質(zhì)提高外觀質(zhì)量，拋丸強化就是利用高速運動的彈丸流連續(xù)沖擊被強化工件表面，迫使靶材表面和表層（0.10～0.85 mm）在循環(huán)性變形過程中發(fā)生以下變化。

a.顯微組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改性；

b.非均勻的塑變外表層引入殘余壓應(yīng)力，內(nèi)表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；

c.外表面粗糙度發(fā)生變化。

其中去除表面氧化皮和應(yīng)力變化是裸板熱成形零件進行拋丸時需要重點關(guān)注的問題。首先必須保證氧化皮去除徹底干凈，其次要控制零件應(yīng)力變化導(dǎo)致的變形量盡量小。一般的裸板熱成形零件由于尺寸小2者可以兼顧；而裸板門環(huán)由于尺寸較大，其變形量在過往被認為是無法控制的。實際情況需要進行裸板門環(huán)拋丸試驗，采集數(shù)據(jù)分析論證。

3 拋丸試驗條件

3.1 拋丸工裝

常見的熱成形拋丸線是將零件簡單地掛在傳送帶上（圖3），完成拋丸涂油后再取下來，操作簡便。

圖3 常見熱成形零件拋丸固定形式

但是門環(huán)尺寸大，無法固定在這種小掛具上，需要設(shè)計專門的工裝。如圖4所示是1種固定門環(huán)拋丸的簡易工裝，此工裝通過多個卡板將門環(huán)固定起來，避免門環(huán)在拋丸過程中隨機晃動從而導(dǎo)致拋丸變形量不穩(wěn)定。其缺點是門環(huán)上下件困難，影響生產(chǎn)效率，如果裸板門環(huán)量產(chǎn)需要設(shè)計操作簡易的正式工裝結(jié)構(gòu)。

圖4 拋丸工裝

3.2 拋丸工藝參數(shù)

拋丸的原理是用電動機帶動葉輪體旋轉(zhuǎn)，靠離心力的作用，將直徑約在0.2～3.0 mm的彈丸拋向工件的表面，去除工件表面氧化皮并改變其殘余應(yīng)力。因此在彈丸不變的前提下，影響拋丸變形量的主要工藝參數(shù)是電動機的頻率。

裸板門環(huán)拋丸工藝參數(shù)的選定有2個主要注意事項。

a.前后兩側(cè)電動機的頻率一致。當設(shè)置不同的頻率時，拋丸可以起到糾正零件偏差的作用，但這樣設(shè)置容易導(dǎo)致變形的不穩(wěn)定性。設(shè)置一致的頻率能夠盡量保證拋丸結(jié)果的一致性，即使會產(chǎn)生拋丸變形，只要變形量是一致的可以通過模具補償糾正變形。

b.在將氧化皮去除干凈的前提下使用較小的頻率。零件厚度越厚，抗拋丸變形的能力越強。本門環(huán)各段的材料厚度分別是1.2 mm、1.4 mm和1.8 mm，因此整體采用適合1.2 mm厚度拋丸的電機頻率（20～25 Hz）。

4 拋丸數(shù)據(jù)分析

本次裸板門環(huán)拋丸試驗分別抽取左右兩側(cè)各10件進行驗證，在檢具不夾緊的狀態(tài)下分別測量拋丸前后的數(shù)據(jù)進行對比，詳細分析如下。

4.1 拋丸變形量

拋丸變形量≤0.3 mm占比80%，≤0.5mm占比90%，0.5～1.0 mm占比4%，最大變形量為0.7 mm，如圖5所示。

圖5 拋丸變形量分布范圍

在20個零件中只有3組對比數(shù)據(jù)變形量達到0.7 mm，而且在變形量0.7 mm的位置只是檢測值偏移到相反的區(qū)間，仍在公差范圍內(nèi)（±0.7 mm），如圖6所示。因此，本次拋丸試驗中最大拋丸變形量不影響門環(huán)的整體精度，需要對合格率的變化做進一步分析。

圖6 拋丸變形量最大點檢測值變化

4.2 合格率分析

左門環(huán)的合格率稍有下降，右門環(huán)的合格率幾乎無變化，如表1所示。細化分析，左門環(huán)10組檢測對比數(shù)據(jù)中由拋丸引起的偏差占比1.98%，而拋丸修正的偏差占比0.46%；右門環(huán)10組檢測對比數(shù)據(jù)中由拋丸引起的偏差占比0.53%，而拋丸修正的偏差占比0.84%。合格率變化和拋丸變形趨勢基本一致。

表1 拋丸合格率變化（公差±0.7 mm） %

如果提高檢測標準，將公差設(shè)置為±0.5 mm，左右門環(huán)的合格率變化如表2所示。左門環(huán)由于拋丸前合格率偏低，拋丸后合格率波動也大；右門環(huán)拋丸前合格率較高，拋丸后合格率波動也小。因此，提高零件拋丸前精度是減小拋丸變形有效有段之一。

表2 拋丸合格率變化（公差±0.5 mm） %

4.3 穩(wěn)健性分析

如圖7所示，左門環(huán)當以±0.7 mm公差管控時，拋丸前后CP（不考慮偏移時的過程能力指數(shù)）≥1.0占比90%左右，拋丸前后CPK（考慮偏移時的過程能力指數(shù)）≥1.0占比55%左右；當以±0.5 mm公差管控時，拋丸前后CP≥1.0占比70%左右，拋丸前后CPK≥1.0占比55%左右。右門環(huán)當以±0.7 mm公差管控時，拋丸前后CP≥1.0占比97%左右，拋丸前后CPK≥1.0占比76%左右；當以±0.5 mm公差管控時，拋丸前后CP≥1.0占比91%左右，拋丸前后CPK≥1.0占比57%左右。右門環(huán)的穩(wěn)健性優(yōu)于左門環(huán)，與合格率變化一致。

圖7 拋丸前后CP/CPK統(tǒng)計

左右門環(huán)整體CP控制較好，CPK控制能力較弱，反映了零件在拋丸前后存在較大的中值偏移的情況，需要對模具進行回彈補償修正。如圖8所示，圈中位置分別為左右門環(huán)修正區(qū)域。

圖8 左右門環(huán)修正區(qū)域

5 結(jié)論

a.通過設(shè)計專用的門環(huán)拋丸工裝，采用最小材料厚度相對應(yīng)的電機頻率可以減小裸板門環(huán)的拋丸變形量；

b.本次小批量門環(huán)拋丸變形量90%以上控制在≤0.5 mm，合格率波動很??；

c.提高門環(huán)零件拋丸前精度可以減小拋丸變形量；

d.本次小批量門環(huán)拋丸變形穩(wěn)定在個別區(qū)域，如果裝配上有需求可以通過對模具進行補償修正提高門環(huán)精度；

e.本次小批量裸板門環(huán)拋丸試驗雖然樣本數(shù)量有限，但證明了該方案具備了一定可行性，對其量產(chǎn)具有一定參考作用。