汽車B柱加強(qiáng)板工藝分析及回彈控制方法研究與應(yīng)用

本文以某車型HC420/780DP B 柱加強(qiáng)板為例，通過(guò)AutoForm、Pam-Stamp 兩款軟件分析對(duì)比，對(duì)該零件工藝設(shè)計(jì)、回彈分析、回彈補(bǔ)償及零件調(diào)試進(jìn)行總結(jié)。結(jié)果表明，目前沖壓分析軟件對(duì)零件的成形性及回彈分析具有一定指導(dǎo)意義。前期設(shè)計(jì)階段通過(guò)軟件的模擬進(jìn)行回彈補(bǔ)償，可大量減少零件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，縮短模具開發(fā)周期。

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和激烈競(jìng)爭(zhēng)，汽車安全性、輕量化、節(jié)能減排的要求不斷提高，B 柱加強(qiáng)板無(wú)論在汽車輕量化還是安全性方面都是一個(gè)需要優(yōu)化的重點(diǎn)零件。目前主流車型B柱加強(qiáng)板主要有兩種設(shè)計(jì)思路：一是該零件采用熱成形，此方案在滿足碰撞要求的情況下，減重效果比較突出，零件質(zhì)量比較容易控制，但該方案零件成本較高；二是該零件采用高強(qiáng)度鋼板，板料強(qiáng)度越高，在滿足碰撞要求的情況下減重越明顯，且較熱成形零件相比成本較低，缺點(diǎn)是超高強(qiáng)度鋼板的成形性較差且回彈明顯，零件質(zhì)量控制是其主要難點(diǎn)。以下主要針對(duì)采用高強(qiáng)度鋼板形式的某車型B 柱加強(qiáng)板的質(zhì)量控制進(jìn)行分析研究。

零件分析及工藝方案分析對(duì)比

零件分析

圖1 所示為某車型B 柱加強(qiáng)板， 零件輪廓尺寸為1410mm×550mm×230mm， 該零件材質(zhì)為HC420/780DP，料厚為1.5mm，材料參數(shù)如表1 所示。

圖1 產(chǎn)品零件圖

表1 HC420/780DP 材料參數(shù)

屈服強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度

各向異性r

硬化指數(shù)N

強(qiáng)化系數(shù)K

475 MPa

803.5 MPa

0.91

0.14

1390 MPa

制定工藝方案

為了保證B 柱內(nèi)板工藝的合理性，使產(chǎn)品的成形性及回彈控制更加優(yōu)化，前期通過(guò)經(jīng)驗(yàn)制定了工藝方案一：通過(guò)AutoForm 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)零件拐角處出現(xiàn)開裂情況，該方案不可行。最后通過(guò)優(yōu)化壓料面形狀，制定更為合理的工藝方案一補(bǔ)充，具體過(guò)程如下。

⑴零件主體形狀一次拉深到位且全部放置在凸模上。

⑵壓料面低于零件形狀最低點(diǎn)5mm，主體弧度與零件形狀大體一致。

⑶零件所有邊界區(qū)域采用封閉拉深，具體工藝補(bǔ)充如圖2 所示。

圖2 方案一產(chǎn)品工藝補(bǔ)充

工藝方案一補(bǔ)充主要優(yōu)勢(shì)分析

⑴零件主體形狀一次拉深到位，避免了因?yàn)榱慵牧蠌?qiáng)度較高，后序翻邊整形造成零件質(zhì)量偏差等問(wèn)題，降低了零件調(diào)試難度。

⑵零件所有輪廓放置在凸模上，保證零件法蘭區(qū)域變形充分，且避免模具壓料面的整改，降低了模具調(diào)試難度。

⑶壓料面主體形狀與零件形狀大體一致，保證零件在拉深過(guò)程中，各區(qū)域材料流動(dòng)盡量一致，避免因過(guò)大材料流入不均勻造成的零件扭曲。

工藝方案一補(bǔ)充成形分析結(jié)果

該方案零件成形較充分，但圖3 中紅色區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。此處開裂主要是由于材料在拐角部位補(bǔ)料不足導(dǎo)致，為此需要制定更合理的方案解決此處開裂問(wèn)題。

圖3 方案一分析結(jié)果

工藝方案二優(yōu)化過(guò)程

為了解決工藝方案一補(bǔ)充中的轉(zhuǎn)角開裂問(wèn)題，制定了將壓料面抬高至B 柱法蘭面的工藝方案二（圖4）。

工藝方案二主要差異點(diǎn)在于：首先零件下端（大頭）區(qū)域法蘭邊放置在壓料面上，其余位置放置在凸模上，解決了零件轉(zhuǎn)角部位開裂問(wèn)題。其次零件端頭工藝補(bǔ)充區(qū)域采用半開口拉深，這進(jìn)一步降低了零件開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 方案二產(chǎn)品工藝補(bǔ)充

工藝方案二分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)成形性分析，方案二解決了零件開裂問(wèn)題（圖5）。經(jīng)后工序整形后，零件質(zhì)量可控，因此確定采用此方案進(jìn)行工藝開發(fā)。

圖5 方案二分析結(jié)果

零件回彈分析及回彈補(bǔ)償

此零件的難點(diǎn)在于回彈控制，準(zhǔn)確的回彈分析及合理的回彈補(bǔ)償可大量的降低零件調(diào)試難度、縮短模具開發(fā)周期、降低模具開發(fā)費(fèi)用。以下對(duì)此零件的回彈分析過(guò)程及回彈補(bǔ)償方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

回彈分析

為了提高回彈補(bǔ)償準(zhǔn)確性，此零件的回彈分析分別使用了Pam-Stamp、AutoForm 軟件進(jìn)行分析對(duì)比，軟件均采用殼單元進(jìn)行分析計(jì)算，并使用相同材料參數(shù)。

基于以上條件，兩款軟件回彈趨勢(shì)相同，分析數(shù)值接近，偏差在2mm 內(nèi)，詳細(xì)回彈結(jié)果如圖6 所示。據(jù)此認(rèn)為零件回彈分析結(jié)果可靠，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行回彈補(bǔ)償及開展后續(xù)工作，基于過(guò)往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，確定后期回彈補(bǔ)償工作及進(jìn)一步回彈分析主要以Pam-Stamp 為主開展。

(a) Pam-Stamp 回彈分析結(jié)果

(b) AutoForm 回彈分析結(jié)果

圖6 Pam-Stamp 及AutoForm 回彈分析結(jié)果

回彈補(bǔ)償

基于前期回彈分析結(jié)果，確定此零件為全工序補(bǔ)償，其主要補(bǔ)償流程為：

⑴根據(jù)零件最終回彈情況確定零件基準(zhǔn)區(qū)域，基準(zhǔn)區(qū)域確定應(yīng)主要考慮兩點(diǎn)：首先基準(zhǔn)區(qū)域應(yīng)選擇在零件回彈較小、較穩(wěn)定區(qū)域；其次基準(zhǔn)區(qū)域選擇時(shí)應(yīng)考慮盡量以最小的回彈補(bǔ)償量為基準(zhǔn)。

⑵確定好補(bǔ)償基準(zhǔn)后，對(duì)回彈后的最終零件與理論零件狀態(tài)進(jìn)行擬合對(duì)比。根據(jù)對(duì)比情況確定補(bǔ)償數(shù)據(jù)，反復(fù)補(bǔ)償計(jì)算，滿足零件狀態(tài)后進(jìn)行后工序補(bǔ)償。具體補(bǔ)償面如圖7 所示。

圖7 零件回彈補(bǔ)償面

用后一工序分析前一工序回彈后狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，最后一工序?yàn)槔碚摿慵顟B(tài)。經(jīng)回彈補(bǔ)償后CAE 分析，回彈后零件與理論狀態(tài)零件匹配對(duì)比，滿足零件質(zhì)量要求，局部少量偏差通過(guò)OP30 整形工序進(jìn)行整形。具體回彈補(bǔ)償分析結(jié)果如圖8 所示。

圖8 零件回彈補(bǔ)償分析結(jié)果

零件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試記錄及與理論狀態(tài)對(duì)比整改

模具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試前，確認(rèn)模具研合情況，保證模具研合率80% 以上，調(diào)試壓邊力為160t，壓邊圈行程為100mm，與CAE 分析設(shè)定一致。以上條件滿足后，調(diào)試板料流入量，保證現(xiàn)場(chǎng)流入量與理論匹配差別控制在5mm 內(nèi)，通過(guò)實(shí)際調(diào)試零件與理論分析進(jìn)行整改。

零件成形性對(duì)比分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試零件出件，零件無(wú)開裂問(wèn)題。局部輕微起皺區(qū)域與分析狀態(tài)一致，此零件成形性分析與生產(chǎn)實(shí)際匹配度在90% 以上。

零件回彈對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)零件經(jīng)激光切割后，對(duì)零件進(jìn)行掃描。掃描數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對(duì)比，匹配基準(zhǔn)與前期回彈分析選擇基準(zhǔn)保持一致，經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際零件回彈情況與CAE 分析結(jié)果基本一致（圖9），評(píng)估分析兩者一致性匹配度80% 以上。

圖9 零件回彈對(duì)比分析

零件整改

根據(jù)零件掃描情況及檢具上的狀態(tài)，對(duì)零件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整改。經(jīng)三輪補(bǔ)償整改后，零件滿足質(zhì)量要求，合格率達(dá)到85% 以上。零件與理論狀態(tài)匹配情況如圖10 所示。

圖10 整改后零件回彈精度

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)理論分析與實(shí)際調(diào)試對(duì)比，該零件成形性及回彈分析與實(shí)際狀態(tài)匹配度較高。其中成形性匹配度評(píng)估可達(dá)到90% 以上，回彈分析及回彈補(bǔ)償分析匹配度可達(dá)到85% 以上。通過(guò)前期的模擬分析調(diào)試，節(jié)省了大量的模具調(diào)試時(shí)間、縮短了模具調(diào)試周期，在減少調(diào)試成本方面作用明顯。

——本文摘自《鍛造與沖壓》2018年第18期