蔣磊 呂中原 王龍 謝蛟龍 馬培兵 張雄飛（東風(fēng)本田汽車(chē)有限公司新車(chē)型中心）

汽車(chē)覆蓋件在成形負(fù)荷卸載后，一部分彈性變形會(huì)發(fā)生回復(fù)，從而產(chǎn)生回彈[1-3]?；貜検瞧?chē)覆蓋件成形工藝中難以避免的缺陷，對(duì)汽車(chē)覆蓋件的尺寸精度起著決定性作用[4-6]。對(duì)于汽車(chē)外覆蓋件，由于造型曲面多樣化、裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，在沖壓成形后所產(chǎn)生的回彈往往會(huì)更大[7-9]。如何降低回彈，提高汽車(chē)外覆蓋件的尺寸精度一直是汽車(chē)制造工藝領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)汽車(chē)外覆蓋件的沖壓回彈，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。文獻(xiàn)[10]研究了6014-T4鋁合金汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板成形工藝及沖壓回彈，控制了最大回彈量。文獻(xiàn)[11]運(yùn)用AutoForm軟件分析了汽車(chē)翼子板前門(mén)區(qū)域的回彈，解決了翼子板前門(mén)區(qū)域尺寸超差問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]分析了汽車(chē)頂蓋各成形工序的回彈，提高了CAE分析的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[13]對(duì)汽車(chē)后門(mén)外板自由回彈和夾持回彈進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了滿(mǎn)足尺寸公差要求的零件。上述研究對(duì)于回彈的解決基本局限于拉延、整形或翻邊工序的模具型面補(bǔ)償，對(duì)于修邊、沖孔工序的回彈不確定性，以及全工序壓料板閉合過(guò)程中所帶來(lái)的塑性變形極少考慮，故而無(wú)法高度再現(xiàn)實(shí)際試模工況，回彈補(bǔ)償方案的穩(wěn)健性往往難以保證?；谝陨犀F(xiàn)狀，文章以某汽車(chē)翼子板為研究對(duì)象，介紹了一種更加貼近實(shí)際生產(chǎn)工況的回彈仿真與補(bǔ)償方法，提高了回彈補(bǔ)償精度，減少了試模次數(shù)，節(jié)約了模具調(diào)試成本。

1 工藝分析

圖1 為某汽車(chē)翼子板產(chǎn)品幾何模型，所使用的材料牌號(hào)為JAC270D-45/45，屬于一種深沖用雙面等厚熱鍍鋅汽車(chē)用鋼，等同于寶鋼DC54D+ZF-45/45，材料特性為：屈服強(qiáng)度YS=120～200 MPa，抗拉強(qiáng)度TS=260～350 MPa，各向異性指數(shù)r≥1.8，加工硬化指數(shù)n≥0.2，斷面延伸率El≥34%。產(chǎn)品輪廓尺寸為1156mm×774 mm×237 mm，材料厚度為0.65 mm。該零件具有造型起伏急劇、A面曲率大、特征棱線圓角小、結(jié)構(gòu)面負(fù)角多以及成形深度大且不等深等特點(diǎn)。

圖1 翼子板幾何模型

結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)翼子板成形工藝進(jìn)行分析：零件成形深度較大，且絕大部分型面為A級(jí)曲面，外觀質(zhì)量要求高，因此需要采用一次拉延成形工藝；對(duì)于其余存在負(fù)角的結(jié)構(gòu)面則需要采用先過(guò)拉延后整形的成形工藝；由于翼子板本身尺寸不大，可在一道工序內(nèi)完成全部外緣修邊；前門(mén)匹配區(qū)域?yàn)?5°夾角的負(fù)角法蘭，法蘭寬度較大，達(dá)到25 mm，直接一次側(cè)整形到位會(huì)導(dǎo)致外觀面產(chǎn)生嚴(yán)重的面畸變，因此需要采用先預(yù)翻邊后側(cè)翻邊的成形工藝。綜合考慮沖壓模具的設(shè)計(jì)難度和制造成本，確定了翼子板4工序的成形工藝方案，如圖2所示。

圖2 翼子板沖壓工藝方案

2 初步回彈評(píng)估

為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)翼子板全工序沖壓回彈，使CAE分析能夠高度再現(xiàn)真實(shí)工況條件，對(duì)于拉延之后的各工序壓料板閉合所導(dǎo)致的額外變形必須加以甄別并進(jìn)行剔除。因此，需要采用類(lèi)比法篩查制品在壓料板閉合過(guò)程中所產(chǎn)生的塑性變形。具體做法為：（1）進(jìn)行全工序沖壓成形仿真，回彈僅計(jì)算最終工序，并將回彈類(lèi)型設(shè)置為最小夾持回彈；（2）逐一對(duì)各工序進(jìn)行沖壓成形及回彈仿真，其中，最后一道工序?yàn)樽钚A持回彈，其余工序?yàn)樽杂苫貜?；?）對(duì)比兩種不同模擬方法下的翼子板回彈仿真結(jié)果差異。兩種模擬方法分析流程如圖3所示。

圖3 2種沖壓成形回彈仿真流程

將按照4工序工藝方案設(shè)計(jì)的翼子板沖壓工藝模面、沖壓坐標(biāo)系、坯料線等數(shù)據(jù)以IGS格式導(dǎo)入Auto-Form，完成各工序沖壓方向、工具體、工藝參數(shù)以及仿真精度設(shè)置后，按照?qǐng)D3兩種不同的仿真流程分別進(jìn)行全工序回彈計(jì)算，回彈仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 僅計(jì)算最終工序最小夾持回彈仿真結(jié)果界面

圖5 考慮壓料板附加變形的全工序沖壓回彈仿真界面

選取圖5所示回彈量較大的區(qū)域設(shè)置測(cè)點(diǎn)，分別記為測(cè)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G，并在測(cè)點(diǎn)部位進(jìn)行回彈量取值，然后與圖6所示回彈量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，兩種不同模擬方法的最終回彈趨勢(shì)基本一致，翼子板多處回彈遠(yuǎn)大于制品±0.5 mm的尺寸精度要求，全工序均存在較大的回彈，且OP10、OP20、OP30均存在局部區(qū)域回彈趨勢(shì)與最終回彈趨勢(shì)不一致的現(xiàn)象。說(shuō)明制品在中間工序成形過(guò)程中產(chǎn)生了額外的塑性變形，從而導(dǎo)致回彈區(qū)域發(fā)生變化。

圖6 2種模擬方法的回彈量對(duì)比

雖然僅計(jì)算最終工序最小夾持回彈與考慮壓料板附加變形的全工序回彈在趨勢(shì)上保持一致，但各部位回彈數(shù)值差異較大，表明中間工序的回彈對(duì)制品最終回彈的影響不可忽略。因此，為了更真實(shí)地模擬制品的沖壓回彈，采用考慮壓料板附加變形的全工序回彈仿真方法更為合理。

3 壓料板附加變形剔除

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了減少?zèng)_壓模具的加工和研配工作量，后工序壓料板并非全型面壓料，對(duì)于修邊、沖孔類(lèi)模具，僅保留工作刃口附近10～20 mm寬的有效壓料面，對(duì)于翻邊、整形類(lèi)模具，僅保留工作刃口附近20～30 mm寬的有效壓料面，并對(duì)壓料板型面上R10 mm以下的圓角進(jìn)行避空。因此，為了將壓料板閉合對(duì)沖壓回彈的影響降至最低，需要對(duì)翼子板沖壓工藝模面進(jìn)行優(yōu)化，即按照沖壓模具實(shí)際工況條件，對(duì)后工序壓料板工藝數(shù)模非工作區(qū)域以及小圓角區(qū)域進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)，后工序壓料板優(yōu)化后的工藝模面如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的壓料板工藝模面

將優(yōu)化后的工藝模面再次導(dǎo)入AutoForm求解計(jì)算，得出如圖8所示的全工序沖壓回彈仿真結(jié)果。由圖8b、8c、8d可知，剔除后工序壓料板閉合所導(dǎo)致的附加變形后，除測(cè)點(diǎn)E、G區(qū)域回彈量仍然較大、且前后工序間回彈存在波動(dòng)以外，其余部位回彈量均已降至±1 mm以?xún)?nèi)，同時(shí)前后工序之間的回彈波動(dòng)也較小。

圖8 剔除壓料板附加變形的全工序沖壓回彈仿真界面

4 回彈補(bǔ)償研究

由圖8可知，雖然剔除壓料板附加變形后，翼子板最終回彈有所降低，但仍不滿(mǎn)足±0.5 mm的尺寸精度要求，因此需要對(duì)沖壓模具進(jìn)行回彈補(bǔ)償，以進(jìn)一步降低制品回彈。目前，業(yè)內(nèi)常規(guī)的回彈補(bǔ)償策略為全工序回彈補(bǔ)償法，即根據(jù)各工序回彈量的不同，分別在對(duì)應(yīng)的模具上進(jìn)行型面補(bǔ)償。這種補(bǔ)償策略雖然最終都能夠?qū)崿F(xiàn)回彈的有效控制，但是由于各工序間均存在模具型面差異，導(dǎo)致回彈非線性加劇，使其更難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，從而導(dǎo)致前期回彈補(bǔ)償計(jì)算迭代次數(shù)成倍增加、仿真效率低下，后期試模周期長(zhǎng)、沖壓模具需要反復(fù)改修驗(yàn)證。

為了解決這一問(wèn)題，可以對(duì)全型面補(bǔ)償策略進(jìn)行優(yōu)化，引入繼承補(bǔ)償概念，即將回彈量較小的修邊、沖孔工序型面補(bǔ)償量復(fù)合至回彈量較大的拉延、整形工序，對(duì)于修邊、沖孔工序的回彈則不再進(jìn)行補(bǔ)償。優(yōu)化前后的全型面補(bǔ)償策略如圖9所示。

圖9 優(yōu)化前后的全型面補(bǔ)償策略

AutoForm回彈補(bǔ)償模塊可基于回彈仿真結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，利用優(yōu)化后的全型面補(bǔ)償策略對(duì)翼子板進(jìn)行回彈補(bǔ)償，補(bǔ)償之后再次求解計(jì)算，并將回彈仿真結(jié)果與制品幾何模型進(jìn)行對(duì)比。若回彈量仍然大于0.5 mm，則啟動(dòng)新一輪的迭代循環(huán)；若回彈量小于0.5 mm，則可將各工序有限元模型以IGS格式導(dǎo)出作為回彈補(bǔ)償精細(xì)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

由于翼子板屬于汽車(chē)外覆蓋件，AutoForm導(dǎo)出的回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)無(wú)法直接用于模具型面加工，因此需要使用CATIA軟件對(duì)從AutoForm導(dǎo)出的IGS格式數(shù)據(jù)進(jìn)行曲率連續(xù)性修正和縫合，使所有A級(jí)曲面均達(dá)到G2連續(xù)，最終精細(xì)化設(shè)計(jì)的A面回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)光順性檢查如圖10所示。

圖10 最終回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)光順性檢查界面

將利用CATIA精細(xì)化設(shè)計(jì)的回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入AutoForm進(jìn)行最終回彈分析驗(yàn)證，得出如圖11所示的翼子板回彈仿真結(jié)果。由圖11可知，經(jīng)過(guò)回彈補(bǔ)償后，翼子板最大法向回彈位移為0.489 mm和-0.405 mm，所有區(qū)域回彈量均已全部降至±0.5 mm以?xún)?nèi)，達(dá)到了零件尺寸精度要求。

圖11 最終回彈補(bǔ)償仿真結(jié)果界面

5 方案驗(yàn)證

將最終回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)應(yīng)用于翼子板沖壓模具，并按照回彈仿真結(jié)果進(jìn)行翼子板現(xiàn)場(chǎng)試模，得到無(wú)開(kāi)裂、起皺等質(zhì)量缺陷的合格零件。利用檢具對(duì)翼子板進(jìn)行尺寸精度測(cè)量，制品實(shí)際面輪廓尺寸偏差測(cè)量如圖12所示。檢具測(cè)量結(jié)果表明，翼子板零件回彈得到了有效控制，裝配部位的尺寸偏差全部在±0.5 mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足零件生產(chǎn)以及整車(chē)匹配需求。

將翼子板零件實(shí)際尺寸精度測(cè)量數(shù)據(jù)和回彈仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果如圖13所示。由對(duì)比分析結(jié)果可知，試模試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)基本吻合，最大偏差僅0.2 mm，證明采用基于繼承補(bǔ)償理念的全工序回彈補(bǔ)償策略對(duì)于提高回彈仿真精度、減少試模改修次數(shù)有著重要的指導(dǎo)意義。

圖12 翼子板零件尺寸精度檢具測(cè)量數(shù)據(jù)

圖13 試模試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

（1）對(duì)于造型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車(chē)外覆蓋件，剔除后工序壓料板閉合對(duì)制品真實(shí)回彈的影響，更貼近實(shí)際生產(chǎn)工況條件，能夠使回彈仿真獲得更高的預(yù)測(cè)精度。

（2）運(yùn)用繼承補(bǔ)償方法優(yōu)化全工序回彈補(bǔ)償策略，降低了回彈補(bǔ)償?shù)螖?shù)以及尺寸波動(dòng)的不確定性，將翼子板全型面回彈量控制在0.5 mm以?xún)?nèi)，解決了翼子板回彈大、不可控的難題。

（3）試模試驗(yàn)驗(yàn)證了基于繼承補(bǔ)償法的全工序回彈補(bǔ)償策略的有效性，提高了沖壓模具回彈補(bǔ)償設(shè)計(jì)效率、減少了現(xiàn)場(chǎng)試模次數(shù)、節(jié)約了模具調(diào)試成本，對(duì)于同類(lèi)零件的回彈仿真以及補(bǔ)償有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。