基于CAE技術的汽車覆蓋件回彈補償方法

文／黃永生，韓永志，張穩定，王肖英·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

基于CAE技術的汽車覆蓋件回彈補償方法

文／黃永生，韓永志，張穩定，王肖英·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

本文以A柱加強板為例，對高強度鋼板在汽車覆蓋件的使用中存在的回彈問題作了闡述，并通過CAE回彈分析及補償，驗證了基于CAE的回彈補償方法在汽車覆蓋件工裝開發中應用的可行性，為縮短產品工裝開發周期，降低開發成本，提升高強度鋼板零件尺寸精度提供了技術支持。

黃永生，沖壓CAE主管，工程師，主要從事汽車覆蓋件模面規劃、成形缺陷分析現場調試等工作。參與完成的江淮汽車2500t伺服沖壓生產線研究及應用項目獲得省級科技成果鑒定。

隨著汽車輕量化及對汽車安全設計的要求不斷提高，高強度鋼板材料在汽車車身中的應用比例及鋼板強度不斷提高。然而，用高強度鋼板沖壓生產出的零件回彈量會非常大，對零件的尺寸精度和生產效率造成較大的影響?；貜椇蟮牧慵螤钔辉谡`差允許范圍內，達不到實際所需的應用需求，這使汽車覆蓋件變形回彈對白車身尺寸精度及整車品質的影響日益突出。

板料成形回彈現象是金屬材料本身特性所致，是板料沖壓成形過程中常見的缺陷，是不可避免的。高強鋼應用帶來的工藝問題不斷顯現，嚴重影響了模具設計的正確性和準確性。隨著新材料的應用，回彈問題更加突出，回彈使按照零件的理論形狀設計制造出的模具生產出的零件不符合零件設計的要求。

掌握回彈控制技術，解決輕量化帶來的工藝問題，對于縮短產品開發周期，提升產品品質至關重要。生產實踐中采取的對策之一是用回彈補償的方法，即在沖壓模具上做出回彈的補償量來補償板料成形中產生的回彈，補償量的大小主要根據實際零件成形后的檢測數據，或者由經驗給出。圖1所示是引入回彈補償的產品開發流程。隨著CAE技術在沖壓工藝中應用的不斷推廣和計算精度的不斷提升，使采用CAE手段預測產品在沖壓過程中的回彈狀態及進行回彈補償成為可能，可有效提高沖壓試模效率及產品質量。本文以某車型A柱下加強板為例，說明基于CAE的汽車覆蓋件沖壓回彈補償分析方法。

圖1 引入回彈補償的產品開發過程

產品工藝分析

A柱加強板為汽車覆蓋件中比較典型的內板結構件，因其關系到車身安全，材質通常為料厚1.0mm以上的高強度鋼板。本文分析的零件選用的材質為寶鋼產B340LA，料厚1.2mm，屈服強度400MPa，抗拉強度480MPa，產品結構如圖2所示。

圖2 某車型A柱下加強板

沖壓工藝方案分析

參考常規A柱加強板沖壓成形工藝，該制件采用拉延成形工藝；從該制件結構特點分析，確定該制件采用形狀料進行拉延成形，以改善零件成形過程中坯料流入凹模時的應力狀態及提升零件材料利用率；考慮到產品件材質為高強度鋼板及受回彈補償精度誤差的制約，在拉延件修邊后進行整形加工提升產品件精度，以減少拉延模整改難度；為保證沖孔精度，關鍵孔位在零件整形后單獨加工，其他孔在拉延件修邊時一同加工。

經充分研討論證，最終確定該制件的沖壓工藝方案為1+4工程完成，即：落料→拉延成形→修邊+沖孔→翻邊+整形→沖孔+側沖孔。

成形缺陷預判

沖壓件常見成形缺陷有開裂、褶皺、回彈扭曲等?；诟邚姸蠕摪迩姸雀?，成形極限比普通低碳鋼板低的材料力學性能，結合該產品自身結構特征分析，該制件在沖壓成形時容易發生成形開裂。如圖3所示，開裂可能發生部位為材料流動較為困難的C處，以及R角較小的凸模棱線處。

圖3 成形缺陷可能發生部位

受板料在沖壓變形過程中應力應變分布不均、殘余應力及高強度鋼板彈性變形比例增大的影響，在制件不同部位將產生不同程度的回彈。根據經驗判斷，回彈變形量在修邊敞開及特征變化的A、B處較大，在制件法蘭面亦將產生因不同程度的回彈造成的幾何尺寸不良。

CAE回彈分析及補償

拉延模面設計

拉延模面三維數學模型的建立是沖壓CAE分析的前提，拉延模面的差異將直接影響CAE分析結果，是產品工藝設計的重點。該產品件拉延模面設計分以下幾步完成。

⑴確定沖壓方向。沖壓方向的選擇應考慮以下幾點：1)零件及工藝補充面在各工序沖壓方向上無負角產生；2)零件在沖壓方向上的成形深度均勻，且成形深度最??；3)前后工序沖壓方向夾角最?。?)毛刺方向及生產需求。綜合考慮各項因素，該制件選擇車身坐標Y軸方向為沖壓方向。

⑵壓料面設計。壓料面設計時應考慮以下幾點：1)壓料面為可展開或近似可展開曲面；2)一般壓料面隨產品結構形狀設計；3)壓料面形狀使產品成形深度盡量均勻、起伏變化平緩。對于該制件，為降低成形深度以減小開裂風險及提升材料利用率，選擇該產品件法蘭面作為壓料面的組成部分進行拉延模面設計。

⑶工藝補充設計。工藝補充設計主要考慮以下幾點：1)有利于坯料流入；2)需展開的翻整部位重新構造型面，且易于成形；3)尺寸最優且滿足結構設計要求。

⑷坯料及拉延筋設計。根據工藝分析，該產品件采用形狀料進行拉延成形。拉延筋中心線隨凸模輪廓線形狀向外偏置20～25mm，并光順處理。

最后利用三維軟件建模，獲得的產品拉延模面結構及坯料形狀如圖4所示。

CAE回彈分析

將設計好的A柱加強板拉延模面轉入CAE軟件進行仿真分析。對拉延成形坯料尺寸、拉延筋阻力系數、成形壓邊力等參數進行調整，使得成形過程中無開裂、起皺，且坯料充分變形后，進行回彈計算。修邊后的CAE回彈分析結果如圖5所示。

圖4 拉延模面模型

圖5 補償前CAE回彈結果

由回彈分析結果可以看出，由原產品數據直接進行建模分析獲得的制件扭曲回彈量較大，最大達4.8mm，回彈較大的部位與缺陷預測基本相符。如果拉延造型按照原產品型面進行模具設計加工的話，生產出的零件修邊回彈后將不能滿足產品使用尺寸需求，勢必增加整形模整改工作量及難度，嚴重時需要拉延模做降刻重加工，對模具開發的影響可想而知。

回彈補償

運用CAE軟件對按原產品數據設計的拉延模面參照回彈分析結果進行反向快速回彈補償建模，從而獲得新的拉延模面造型，補償后的拉延模面與原拉延模面對比如圖6所示（紅色為原模面）。

圖6 補償前后拉延模面對比

由CAE軟件直接生成的拉延模面模型不能直接用來加工編程，需要導入三維軟件重新進行建模。

補償效果驗證

將補償后獲得的新拉延模面重新進行CAE回彈分析，獲得新的回彈分析結果，如圖7所示。

圖7 補償后CAE回彈結果

經對比，補償后的零件修邊后回彈結果與按原產品建模分析的結果回彈趨勢一致，最大回彈約5.2mm。為查看基于拉延回彈補償后的零件修邊回彈量是否達到原產品狀態，需運用Geomagic Qualify軟件將回彈補償分析獲得的回彈數據點云輸出，與原始產品數據的點云相比較。對比結果顯示，利用補償后的拉延模面進行的相同條件下的回彈分析結果與原產品數據相差幾乎都在1mm之內。補償前的最大回彈量為4.8mm，補償后的回彈偏差為1mm，在一個料厚以內，驗證了此次回彈補償的有效性。通過兩次以上的回彈補償迭代計算，回彈量可進一步控制在0.3mm以內。

結束語

高強度鋼在汽車安全及輕量化進程中發揮了重要作用，在使用高強度鋼的同時需同步關注高強度鋼板帶來的工藝問題，特別是回彈問題。合理編排成形工藝方案，使零件質量滿足使用需求才能最大限度地發揮高強度鋼板的優勢。

在汽車覆蓋件產品工裝開發設計階段引入基于CAE的回彈補償方法，可以減少模具調試整改工作量，增加一次試模成功的可能性，縮短模具的制造周期，降低開發成本。