覃顯峰 王小海 陳曉紅 陳禮健

（廣州汽車集團(tuán)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(dá)到IIHS（美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)）評價(jià)要求，實(shí)車碰撞試驗(yàn)評價(jià)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(shí)安全法規(guī)越來越嚴(yán)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(gè)問題，制約著其量產(chǎn)應(yīng)用。本文重點(diǎn)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(gè)零件通過組合簡化成1個(gè)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?zèng)_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(jìn)行淬火處理，保壓淬火一段時(shí)間以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強(qiáng)鋼零件的成形方式。裸板硼鋼由于沒有鍍層保護(hù)在高溫狀態(tài)下與空氣中的氧氣接觸，會(huì)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)化就是利用高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流連續(xù)沖擊被強(qiáng)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(jìn)行拋丸時(shí)需要重點(diǎn)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(rèn)為是無法控制的。實(shí)際情況需要進(jìn)行裸板門環(huán)拋丸試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)分析論證。

3 拋丸試驗(yàn)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(jì)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(gè)卡板將門環(huán)固定起來，避免門環(huán)在拋丸過程中隨機(jī)晃動(dòng)從而導(dǎo)致拋丸變形量不穩(wěn)定。其缺點(diǎn)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(jì)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)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(dòng)機(jī)的頻率。

裸板門環(huán)拋丸工藝參數(shù)的選定有2個(gè)主要注意事項(xiàng)。

a.前后兩側(cè)電動(dòng)機(jī)的頻率一致。當(dāng)設(shè)置不同的頻率時(shí)，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(huì)產(chǎn)生拋丸變形，只要變形量是一致的可以通過模具補(bǔ)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(qiáng)。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(jī)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(yàn)分別抽取左右兩側(cè)各10件進(jìn)行驗(yàn)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(jìn)行對比，詳細(xì)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(gè)零件中只有3組對比數(shù)據(jù)變形量達(dá)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(yàn)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(jìn)一步分析。

圖6 拋丸變形量最大點(diǎn)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)也大；右門環(huán)拋丸前合格率較高，拋丸后合格率波動(dòng)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(dāng)以±0.7 mm公差管控時(shí)，拋丸前后CP（不考慮偏移時(shí)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(shí)的過程能力指數(shù)）≥1.0占比55%左右；當(dāng)以±0.5 mm公差管控時(shí)，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(dāng)以±0.7 mm公差管控時(shí)，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(dāng)以±0.5 mm公差管控時(shí)，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(jì)

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(jìn)行回彈補(bǔ)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(jì)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(jī)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(dòng)很?。?/p>

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(gè)別區(qū)域，如果裝配上有需求可以通過對模具進(jìn)行補(bǔ)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(yàn)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。