汽車側(cè)圍回彈補(bǔ)償分析

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展及自主品 牌汽車質(zhì)量的不斷提升，對(duì)客戶感知細(xì)節(jié)問題的重視 程度日益提高，覆蓋件及其模具整體質(zhì)量水平與國(guó)外 差距不斷縮小。汽車覆蓋件具有形狀復(fù)雜、材料厚度 小、面積大、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，并且存在沖壓 工藝難度大、沖壓易回彈等問題。沖壓回彈的預(yù)測(cè)及 補(bǔ)償，尤其是面畸變等微觀質(zhì)量缺陷的控制仍然處于 探索階段，對(duì)于外覆蓋件 A 面補(bǔ)償缺少成熟的經(jīng)驗(yàn)和手段。汽車側(cè)圍作為白車身的核心零件，空間尺 寸龐大，幾何形狀復(fù)雜，搭接零件眾多，其沖壓成形 過程中的回彈不僅影響匹配精度，還會(huì)在零件表面產(chǎn) 生幾十至幾百微米的局部凹陷，從而影響表面質(zhì)量。

     

隨著 CAE 技術(shù)的不斷發(fā)展，采用 CAE 軟件對(duì)汽車側(cè) 圍沖壓成形進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，可以 解決汽車側(cè)圍生產(chǎn)過程中的多種問題，形成對(duì)汽車 側(cè)圍幾何模型進(jìn)行補(bǔ)償和控制的方法，減少成形過 程中的缺陷，提高尺寸精度，有效解決側(cè)圍回彈大 的問題。希望能夠?qū)ζ噦?cè)圍的沖壓成形起到一定 的指導(dǎo)作用。

 1  側(cè)圍沖壓成形工藝 

汽車側(cè)圍零件數(shù)模如圖 1 所示，汽車側(cè)圍作為最 重要的車身覆蓋件之一，其形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往需要 多道沖壓工序才能成形。美國(guó)和日本的側(cè)圍零件一般 采用 4 工序成形，歐洲的側(cè)圍工序較多，往往在 5 工 序以上。

 

圖 2 為某自主品牌大型 SUV 側(cè)圍零件的工序排布如下：拉延→切邊、沖孔→切邊、翻邊→整形、側(cè) 切邊、側(cè)整形→切邊、整形、側(cè)切邊、側(cè)整形。其中， 拉延是指通過凸凹模型腔，把平面板料變成開口空心 件的沖壓工序；切邊是指用切邊刀將零件多余部分切除；沖孔是指用模具將零件上各種功能的孔沖出來(lái)；翻邊是指將毛坯或半成品的外邊緣或孔邊緣沿一定 的曲線翻成豎立的邊緣的沖壓方法；整形是指將不符 合零件最終尺寸要求的部位通過模具矯正到需要的 尺寸。根據(jù)工序設(shè)計(jì)初步分析，側(cè)圍宏觀尺寸回彈可 能來(lái)源于切邊以及整形后殘余應(yīng)力的釋放，因此，涉及到切邊、側(cè)切邊、整形、側(cè)整形的工序都有可能導(dǎo)致回彈，即 OP20，OP30，OP40，OP50，需要進(jìn)行 全工序的回彈數(shù)值模擬。微觀回彈導(dǎo)致的面畸變主要來(lái)自于拉延工序，因此，對(duì)于 A 面質(zhì)量缺陷的數(shù)值模擬主要在 OP10 進(jìn)行，如表 1 所示。 

 2  沖壓成形數(shù)值模擬及回彈結(jié)果分析 

沖壓成形數(shù)值模擬包括載荷分析、成形性分析、 回彈分析、表面質(zhì)量分析等，其中準(zhǔn)確的成形性分析 是進(jìn)行回彈模擬的基礎(chǔ)，需要確保零件沒有明顯的起 皺、開裂、拉延不充分等缺陷，板料流動(dòng)均勻，才能 為后續(xù)的精確分析提供依據(jù)。 

2.1 成形性分析 

進(jìn)行 CAE 分析需要輸入數(shù)值模擬的初始條件。側(cè)圍所使用材料為中國(guó)寶鋼生產(chǎn)的 BUFD（特深沖壓用），厚度為 0.7 mm，板料尺寸為 1807.53 mm×3635.28 mm，該材料的屈服強(qiáng)度為 149.00 MPa，該材料的加工硬化指數(shù) n 為 0.229，厚向異性系數(shù) r0 為 2.06，r90 為 2.31，r45 為 1.83。由此得到該材料屈服曲面見圖 3，成形極限曲線見圖 4，硬化曲線見圖 5， 以上作為材料邊界條件輸入 Autoform，其中?0，?1， ?2 分別為屈服應(yīng)力、第 1 主應(yīng)力、第 2 主應(yīng)力，?1 和?2 分別為主應(yīng)變和次應(yīng)變。

圖 6 所示為側(cè)圍成形性分析結(jié)果。對(duì)比板料輪廓 線，最大流入量在輪罩和后保部位，約為 101 mm， 主要原因是該處形狀起伏較大，材料流動(dòng)劇烈，但是 因?yàn)樵撎幵O(shè)計(jì)了較大的工藝補(bǔ)充面，并未對(duì)最終零件 本體產(chǎn)生影響。零件整體材料流動(dòng)均勻，只是側(cè)圍零 件前側(cè)和后側(cè)壓料面邊緣板料略有增厚和起皺，但零 件本體部分成形良好，沒有起皺、開裂、拉延不充分 等問題。該結(jié)果為經(jīng)過多次零件數(shù)據(jù)優(yōu)化和工藝調(diào)整 后得到的較優(yōu)零件狀態(tài)，具體過程不再贅述。 

2.2 回彈模擬計(jì)算及機(jī)理分析 

采用 Autoform 軟件對(duì)側(cè)圍 OP20 進(jìn)行回彈分析， 結(jié)果如圖 7 所示。零件前后兩側(cè)回彈很大，A 柱與翼 子板搭接處為 2.7 mm，內(nèi)部非可見面甚至超過 3 mm， 這將導(dǎo)致翼子板與側(cè)圍搭接面不平齊，影響整車匹 配。側(cè)圍后側(cè)尾燈以及與后保搭接面回彈嚴(yán)重，最大處達(dá)到 4.2 mm，這顯然是不允許的。側(cè)圍后窗上側(cè) 以及門檻出現(xiàn)負(fù)回彈，最大值達(dá)到?2.4 mm，整個(gè)側(cè) 圍零件變異明顯，扭曲非常嚴(yán)重，因此，必須采取有 效措施對(duì)回彈進(jìn)行補(bǔ)償和控制。 

OP20 基于自由回彈分析結(jié)果，在零件上設(shè)置若干支撐 點(diǎn)，再進(jìn)行回彈分析，結(jié)果如圖 8 所示。與自由回彈相比，側(cè)圍負(fù)回彈消除，扭曲現(xiàn)象得到有效抑制，回 彈主要集中在若干側(cè)壁，但是后側(cè)尾燈周邊以及后保 處回彈仍然非常明顯，最大值為 3.6 mm。

OP50 加支撐和夾緊后的回彈分析結(jié)果見圖 9。如果只進(jìn)行單向支撐，如圖 9a 所示，D 柱上部回 彈明顯，后側(cè)與尾門搭接處達(dá)到 2.5 mm。這與零件 本身形狀復(fù)雜、側(cè)整形量較大有關(guān)。同理，后側(cè)與后 保搭接面回彈嚴(yán)重，顯然滿足不了裝車要求。相反地， A 柱上側(cè)以及 B 柱下側(cè)出現(xiàn)了負(fù)回彈，雖然量值不 大，但是導(dǎo)致整個(gè)側(cè)圍零件扭曲，難以對(duì)尺寸精度進(jìn) 行有效控制。為了提高零件成形的穩(wěn)定性，對(duì)分析過程增加夾緊約束，如圖 9b 所示。對(duì)比未施加約束前，零件回彈和扭曲有所改善，也更接近實(shí)際零件狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及多年的經(jīng)驗(yàn)，采用帶約束的回彈分析結(jié)果更為可靠，因此，經(jīng)項(xiàng)目成員討論后決定按圖 9b 的分析結(jié)果進(jìn)行回彈補(bǔ)償。 

3  回彈補(bǔ)償控制及結(jié)果分析

 3.1 回彈補(bǔ)償方案 

根據(jù)回彈計(jì)算結(jié)果，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品工藝 數(shù)模施加補(bǔ)償位置和補(bǔ)償量如圖 10 所示。其中，在 工藝補(bǔ)充面施加了 5 mm 的反向補(bǔ)償，因?yàn)樵摬糠痔?于最終產(chǎn)品輪廓線之外，可以適當(dāng)增加補(bǔ)償力度，以快速達(dá)到驗(yàn)證效果。處于產(chǎn)品 A 面的部分，補(bǔ)償位置 和補(bǔ)償量必須非常謹(jǐn)慎，否則不僅達(dá)不到補(bǔ)償效果， 還可能由于補(bǔ)償不當(dāng)造成凹陷以及曲面不連續(xù)，增加新的表面缺陷問題。 

3.2 補(bǔ)償結(jié)果分析及試驗(yàn)驗(yàn)證 

將上述進(jìn)行補(bǔ)償處理后的數(shù)模導(dǎo)入 Autoform 進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如圖 11 所示。其中，圖 11a 為 未夾緊狀態(tài)分析結(jié)果，圖 11b 為夾緊分析結(jié)果。與圖 9 所示的未進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果相比，尺寸質(zhì)量提升明 顯，尤其是在夾緊狀態(tài)下，側(cè)圍零件整體尺寸均勻一 致，A 面和關(guān)鍵匹配面都位于±0.5 mm 的公差內(nèi)。具體地看，進(jìn)行補(bǔ)償前，后保安裝面回彈 3~ 4 mm，如圖 12a 所示。進(jìn)行回彈補(bǔ)償后，該處尺寸最大偏差為?1 mm，避免了與后保干涉，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)結(jié)合零件實(shí)際搭接情況預(yù)留了調(diào)整空間。頂蓋上邊梁在模具沖壓方向是負(fù)角，需要多工序 進(jìn)行側(cè)整形和側(cè)切邊，回彈量難以控制。通過對(duì)數(shù)模 進(jìn)行補(bǔ)償，將原尺寸偏差從 3 mm 降低到 1 mm 以下， 如圖 13 所示，避免了與前擋風(fēng)玻璃的干涉。由于整車造型的需求，側(cè)圍頂蓋上邊梁后部是一 個(gè)面積不等的腔體，由前往后逐漸縮小，因此其整形 方向和整形量也難以控制。通過對(duì)側(cè)壁角度和整形深 度進(jìn)行補(bǔ)償，最終分析的回彈結(jié)果從原來(lái)的大于 3 mm 控制在 1 mm 之內(nèi)，如圖 14 所示。采用進(jìn)行補(bǔ)償后的工藝數(shù)模進(jìn)行模具開發(fā)和制 造，實(shí)際生產(chǎn)出的側(cè)圍零件如圖 15 所示，其尺寸合 格率達(dá)到 93%，側(cè)圍表面光順，圓角均勻，面畸變等 缺陷得到有效抑制和消除，取得了較好的技術(shù)效果。

4  結(jié)論 

自由狀態(tài)下，A 柱與翼子板搭接處回彈量由 3 mm 降低到 0.9 mm，后尾燈與后保搭接面回彈量由 4.2 mm 降低到 1.0 mm，側(cè)圍后窗上側(cè)、門檻的負(fù)回 彈由?2.4 mm 降低到?1.0 mm；在夾緊狀態(tài)下，回彈 量均控制在±0.5 mm 以內(nèi)，滿足產(chǎn)品的尺寸要求?；谏鲜龌貜椦a(bǔ)償方法及數(shù)據(jù)，得出如下補(bǔ)償分析 思路。

 1）采用夾緊分析的方法得到的回彈分析結(jié)果更接近真實(shí)狀態(tài)，以此作為數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。 

2）對(duì)于工藝補(bǔ)充面可適當(dāng)增加補(bǔ)償量，A 面補(bǔ)償則應(yīng)當(dāng)慎重，需在成形性分析結(jié)果通過之后再進(jìn)行 回彈分析和補(bǔ)償。 

3）回彈補(bǔ)償量應(yīng)當(dāng)基于分析結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)共同確 定，往往需要多次迭代才能得到較好的效果，需要結(jié) 合實(shí)際零件情況不斷修正和積累經(jīng)驗(yàn)。

作者：韋韡 、姚佐平、李開文、張峰、Hans-Ludwig Buck、周江奇