浅析天窗加强环的产品和工艺设计

文/许天宇，李天奇·极氪汽车有限公司

本文介绍了白车身常规一体式天窗加强环及其常见的安装点开裂、压力不足、材料利用率低、通用化差等生产和成本问题。针对上述问题，本文将一体式的天窗加强环更改为分体式的天窗加强环，拆分后的单件采用成形和浅拉延的工艺方案、不仅极大地提升了材料利用率、降低了生产成本，而且通过拆分后单件料厚的差异设计、实现了整个天窗区域的轻量化设计;同时，对比了分体式天窗加强环和激光拼焊板天窗加强环的优势和劣势。

问题概述

目前，外饰大天窗已经成为整车的主流配置，对于标配外饰大天窗的车型，常见的天窗加强环均设计为整体式的天窗加强环、一体冲压成形；某车型的天窗加强环产品(材质HC260LA，料厚1.2mm)和冲压SE 分析结果如图1和图2 所示。

图1 整体式天窗加强环产品示意图

图2 压边圈拉延结构

⑴材料利用率低。零件采用拉延工艺，中间有巨大的孔洞废料、单件材料利用率仅能达到20%左右，造成巨大的材料浪费。

⑵制造柔性差。天窗加强环尺寸大、特征多，拉延工序成形力一般在2000t 以上、压边力一般在400t 以上，超出外协厂家的设备能力；虽然是结构件，一般只能规划为内制件。生产柔性差，增加了生产成本。

⑶通用化能力差。架构化设计的外饰天窗有通用化的需求；示例零件前端布置一个天窗安装点，两侧每侧布置5 个天窗安装点，外饰天窗安装点位置特征变化急剧、深度深，整体天窗加强环出现安装点开裂的冲压问题，外压边圈拉延结构比内外双压边圈拉延结构安装点开裂更严重，不同尺寸车型的安装点开裂状态差异较大、限制外饰天窗的通用化实施。

⑷轻量化能力差。天窗加强环后侧横梁区域的属性值要求强于天窗的前部和左右两侧；而整体式天窗加强环材料厚度一致，无法实现不同位置的料厚差异化设计。

产品设计方案

为了整体改善天窗加强环产品的成本、通用化能力、轻量化能力、生产柔性等指标，需要重新设计天窗加强环的产品结构。如图3 所示，将整体式的天窗加强环优化为分体式的天窗加强环，拆分成4 个冲压单件，拆分位置在两侧的横梁收尾位置，保证外饰天窗安装点集中在一个单件上，单件之间通过双排点焊连接保证连接强度，如图4 所示。

图3 分体式天窗加强环

图4 分体式天窗加强环焊点图

天窗加强环产品后侧横梁的顶压和模态要求高于前侧、左右两侧的横梁，所以对于整体式的天窗加强环需要在后部设计单独的加强横梁(料厚1.0mm)、通过点焊连接。产品结构优化为分体式的天窗加强环后，通过直接加厚后部横梁的方案、获得更好的顶压和模态效果，如图5 所示，取消原设计料厚1.0mm的后部加强横梁，件2 料厚由1.2mm 加厚到1.4mm、其余3 个零件料厚保持1.2mm 不变，实现了天窗加强环的轻量化设计。

图5 分体式天窗加强环轻量化方案

工艺设计方案

整体式的天窗加强环更改为4 个单件点焊的分体天窗加强环，冲压件简化、工艺性提升，但焊接零件数量增多，保证尺寸精度和一致性的难度增加；需要设计相应的加工基准和尺寸控制策略。

焊接和尺寸控制策略

⑴定位策略。冲压单件的RPS 点设置，在接头焊接面附近均设置基准面(图6)；保证接头位置匹配间隙和焊接稳定性。

图6 冲压单件的RPS 点示意图

⑵重点功能尺寸。1)天窗加强环左侧5 个外饰天窗安装点全部分在单件3 上，右侧的5 个外饰天窗安装点全部分在单件4 上，保证焊接后外饰天窗安装点的相对位置准确。2)天窗口中间的4 个方向的CMT 焊接面均分在不同的单件上，保证与外饰天窗的匹配间隙可单独调整。

⑶焊接影响。产品仅在Z 方向设置点焊、Y 向加强边接头空开，消除Y 向或者X 向焊接带来的尺寸变化；同时有利于通过调整定位销位置吸收CMT 焊接面沿X 向或者Y 向的面间隙。

⑷匹配间隙。在接头位置匹配面设计0.3 ～0.5mm 特征，有利于保证定位基准面、控制焊接间隙和减小焊接变形。

⑸连接强度。接头位置布置双排焊点，保证连接强度和零件刚性；避免搬运变形。

⑹尺寸精度。冲压单件的型面尺寸公差要求:±0.5mm；天窗加强环焊接合件的型面尺寸公差要求:±0.7mm。

分体式的天窗加强环虽然增加了尺寸保证难度，但经实际车型工业化验证：分体式的天窗加强环尺寸精度和稳定性能保证装车需求。

冲压工艺方案

件1 冲压工艺方案决定零件的成本和质量。整体式天窗加强环采用传统的深拉延工艺结构、设计有较大的工艺补充面、深度40 ～50mm。拆分后的4 根横梁采用成形和浅拉延的工艺设计，不仅能解决安装点开裂、成形力大的问题，也极大提高了零件的材料利用率、降低了生产成本，工艺见表1。

表1 工艺信息

OP05 采用开卷落料、进一步提高材料利用率。OP10 采用成形工艺设计，板料初始位置放在凸模上，下模无压边设计，冲压SE 分析结果，零件无开裂和褶皱问题。OP20 和OP30 修边冲孔，保证成形后的边线精度。OP40 是上翻边工艺，翻边后的回弹分析，零件主要型面无扭曲、回弹大小可控，如图7 所示。

图7 件1 冲压成形工序工艺设计

件2 冲压工艺分析。1)OP10 采用成形工艺设计，板料初始位置放在凸模上，下模无压边设计，冲压SE 分析结果，零件无开裂和褶皱问题。2)OP20 和OP30 修边冲孔，保证成形后的边线精度。3)OP40 是上翻边工艺，翻边后的回弹分析，零件主要型面无扭曲、回弹大小可控，如图8 所示。

图8 件2 冲压成形工艺设计

件3 和件4 冲压采用一模双件工艺设计；OP10拉延工序采用浅拉延设计、用零件的法兰面做压料面，两端采用半开口拉延设计、板料在冲压结束前10mm脱离压边圈控制，冲压SE 分析结果，OP10 拉延工序件无开裂风险、规避了外饰天窗安装点开裂问题；OP40 是上翻边工艺，翻边后的回弹分析，零件主要型面无扭曲、回弹大小可控，如图9 所示。

图9 件3 和件4 冲压成形工艺设计

效果对比

对于示例零件，分体式天窗加强环和整体式天窗加强环轻量化、成本、设备对比结果见表2：通过料厚的差异化设计、节省后部加强横梁一个，分体式天窗加强环减重0.826kg，实现了轻量化设计的目的。分体式天窗加强环没有中部大的孔洞废料，通过采用成形和浅拉延等工艺设计，不仅解决了外饰天窗安装点开裂的问题，而且冲压材料利用率提升42%、节省材料费用100 元/车。最大压机吨位由2500t 降低到800t，解决了压力不足的问题。零件由内制件转为外制件，模具闭合高度减小40%，模具重量和成本均降低、整体节省费用120 万。零件数量虽然由2个增加到4 个，但焊点数由40 个(整个横梁区域分布焊点)减少到18 个(仅接头有焊点)，焊接成本降低4.4 元/车。冲压件数量增多，冲次费用增加3元/车。

表2 整体式和分体式天窗加强环效果对比

综上，与整体式的天窗加强环相比，分体式的天窗加强环实现减重0.826kg、降低成本101 元/车、节省模具投资120 万，而且规避了外饰天窗安装点开裂和大吨位生产压机的问题。从外饰天窗通用化需求角度，分体式天窗加强环更容易解决不同尺寸车型共用外饰天窗安装点，有利通用化工作。

激光拼焊方案

天窗加强环三种方案效果对比见表3。天窗加强环也可以设计为激光拼焊结构，4 个零件的冲压坯料通过激光焊接后、一体冲压成形，零件的拉延工序采用内外双压边圈的深拉延结构；因此，零件同样会出现图1 所示整体式天窗加强环出现安装点开裂(图10)和大吨位生产压机的需求，而且深拉延结构造成工艺补充的增大、材料利用率的下降。

表3 天窗加强环三种方案效果对比

图10 整体式天窗加强环出现安装点开裂

零件内圆角位置是拉延容易开裂的区域，激光拼焊焊缝需要远离内转角位置(L 建议大于20mm)、避免拼焊焊缝开裂，件2 和件1 拼焊前的落料线U 形加深、不利于零件排样、造成材料利用率下降。

激光拼焊结构的天窗加强环能实现件2 料厚的差异化设计、同时拼焊的工艺节省掉零件点焊接头区域，是轻量化的最佳方案；同时，焊接零件数量最少，焊接和尺寸精度更容易控制。

激光拼焊结构的天窗加强环增加了拼焊费用，材料利用率低于分体天窗加强环、但高于整体式天窗加强环；激光拼焊结构的天窗加强环比整体式天窗加强环成本有一定的改善，但比分体式天窗加强环成本高很多。同时，激光拼焊结构的天窗加强环与整体式的天窗加强环存在同样的安装点易开裂和大吨位生产压机需求，不利于控制生产成本和外饰天窗的通用化。

结束语

对于承载外饰大天窗的天窗加强环零件，可以采用整体式天窗加强环、激光拼焊结构的天窗加强环和分体式天窗加强环三种设计方案。整体式的天窗加强环的成本和属性等指标都是最差的，激光拼焊结构的天窗加强环是轻量化设计的最佳方案；与整体式天窗加强环、激光拼焊结构的天窗加强环相比：分体式的天窗加强环在显著降成本的同时，同样能满足轻量化和制造柔性需求，是更为均衡和优秀的设计方案。