預(yù)工藝孔對整體式窗框門內(nèi)板的回彈優(yōu)化分析

張國威

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

0 引 言

門內(nèi)板是車身重要的支撐板件，也是大多數(shù)車門附件的安裝體。整體式窗框門內(nèi)板的窗框部分和門內(nèi)板主型面部分采取一體式?jīng)_壓成形，其特點是車門剛性好且便于設(shè)置兩道密封條，提高了車身密封性能。整體沖壓的門內(nèi)板密封面，有利于尺寸匹配的一致性[1，2]，對窗框位置的匹配精度也提出了更高的要求。由于窗框位置造型起伏較大，內(nèi)側(cè)拔模角較小，成形后易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和較大回彈，影響尺寸穩(wěn)定性，這是影響門內(nèi)板質(zhì)量的主要原因。通常需要在窗框位置進行大范圍的型面補償，數(shù)據(jù)分析和型面補償制作的難度大，導(dǎo)致模具設(shè)計和制造的周期較長。現(xiàn)基于數(shù)值模擬分析，通過優(yōu)化窗框內(nèi)部預(yù)工藝孔[3，4]，減小此處的回彈量，優(yōu)化數(shù)據(jù)分析和補償方法，提升零件成形質(zhì)量和縮短模具開發(fā)周期。

1 零件結(jié)構(gòu)及沖壓工藝

圖1 所示為某車型后門內(nèi)板造型，其中窗框位置的密封面寬度約2 mm，公差要求±0.5 mm，匹配精度較高。門框內(nèi)側(cè)的拔模角僅2°，成形時易開裂，通常在窗框內(nèi)部工藝補充面區(qū)域設(shè)置預(yù)工藝孔，改善板料拉深時的受力狀態(tài)，實現(xiàn)成形的強弱區(qū)轉(zhuǎn)換，提高零件的成形性[5]。拉深完成后，窗框位置后續(xù)工藝如圖2所示。

2 回彈補償分析及優(yōu)化

2.1 夾持方案分析

圖1 門內(nèi)板造型

圖2 窗框區(qū)域工藝排布

零件在檢具上的測量方案為車身方向旋轉(zhuǎn)90°平放檢測，因此在制定回彈補償方案前，需要基于零件檢測狀態(tài)分析制定夾持方案[6]。按照以往經(jīng)驗[7]，窗框位置的回彈較大，在夾持時會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，影響零件分析和測量的準確性。因此在數(shù)值模擬分析回彈時，通常夾持門內(nèi)板主型面位置回彈較小的4 個RPS 點（基準點系統(tǒng)），放開窗框位置的2個RPS夾頭，僅做下部支撐進行回彈評估。

2.2 回彈補償分析

回彈補償分析前，需要在CAE 中得到成形穩(wěn)定的零件。對于整體式窗框門內(nèi)板，通常在窗框內(nèi)部設(shè)置多個預(yù)工藝孔，其附近材料處于平面應(yīng)力狀態(tài)，周圍材料受到豎直方向的拉應(yīng)力和工藝孔附近的徑向拉應(yīng)力，如圖3 所示。與不開設(shè)預(yù)工藝孔相比，改變了此區(qū)域僅受單向拉伸的狀態(tài)，且預(yù)工藝孔越大，距離風(fēng)險區(qū)越近，則優(yōu)化開裂風(fēng)險的效果越明顯，保證了成形的穩(wěn)定性。在窗框內(nèi)部4 個轉(zhuǎn)角各設(shè)置1個直徑為φ60 mm 的工藝孔，同時在窗框中部拔模角最小的區(qū)域設(shè)置1 個直徑為φ90 mm 的工藝孔，料片形狀預(yù)工藝孔布置如圖4所示，實線為料片輪廓，虛線為拉深成形后工序件輪廓。模擬得到的零件成形性如圖5 所示，其中窗框內(nèi)的工藝筋在到底3 mm左右成形，對預(yù)工藝孔的整個擴展過程影響不大，零件未出現(xiàn)開裂和起皺現(xiàn)象，滿足回彈補償?shù)那疤釛l件。

圖3 微元體受力

圖4 窗框區(qū)域5個預(yù)工藝孔

夾持主型面內(nèi)的4 個RPS 點，取消激活窗框位置的2個PRS 點，受重力影響，窗框尺寸呈現(xiàn)整體負向超差，如圖6 所示。窗框處2 個RPS 點位置的尺寸落差約為2 mm，表示零件在檢具上夾持時，當窗框后側(cè)的RPS 夾頭閉合后，窗框前側(cè)的RPS 還有2 mm 懸空，夾頭夾緊時必然導(dǎo)致窗框前側(cè)出現(xiàn)一定程度的向內(nèi)扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致尺寸失真。因此在窗框位置型面補償前，應(yīng)當消除RPS 位置的型面落差，再進行法蘭邊的型面補償。窗框位置的型面落差補償方案如圖7 所示，窗框后部轉(zhuǎn)角的最高點增加2 mm，向兩側(cè)過渡到零位，再結(jié)合法蘭邊的回彈狀況，將C 柱上部的法蘭邊向內(nèi)翻轉(zhuǎn)1.5°，根部最大補償量約0.8 mm。由于門內(nèi)板在拉深時將所有型面都成形到位，且在最后工序的模具對窗框內(nèi)所有匹配面做矯形，補償方案僅在拉深工序?qū)嵤?/p>

圖5 窗框內(nèi)5個預(yù)工藝孔拉深成形性

圖6 窗框RPS面尺寸落差

圖7 窗框型面補償方案

2.3 預(yù)工藝孔對回彈的優(yōu)化

以上補償方案在窗框區(qū)域需要重構(gòu)的型面約占整個窗框的一半左右，補償范圍和補償量較大。尤其對于幾字形窗框結(jié)構(gòu)，內(nèi)外均有匹配面，數(shù)據(jù)制作時除了需要關(guān)注曲面質(zhì)量，還需要重點關(guān)注變形后匹配面之間的形位關(guān)系和拔模角變化，數(shù)據(jù)制作難度和工作量較大。若補償效果不能滿足生產(chǎn)需求，模具零件返工時需要進行大面積的加工才能置零，存在一定的風(fēng)險，因此需要研究型面補償范圍較小的優(yōu)化方案。

由于窗框位置的預(yù)工藝孔可以改變材料的受力狀態(tài)，考慮優(yōu)化預(yù)工藝孔，使窗框位置的材料受雙向拉伸應(yīng)力的比例提高，成形后殘余應(yīng)力釋放更均勻，窗框RPS 區(qū)域的型面落差減小，改善其在檢具上的夾持扭轉(zhuǎn)變形。將窗框處的預(yù)工藝孔優(yōu)化成2 個直徑為φ130 mm 的圓孔，同樣獲得成形穩(wěn)定的零件，如圖8所示。按照相同的夾持方案，窗框位置2 個RPS 點的型面落差小于0.5 mm，此時窗框夾持時不會出現(xiàn)明顯的型面扭轉(zhuǎn)，尺寸穩(wěn)定性提高，為后續(xù)型面補償提供了可靠依據(jù)，如圖9 所示。結(jié)合其他區(qū)域法蘭邊的回彈狀態(tài)，最終確定的型面補償方案僅在拉深工序?qū)柱上部的法蘭邊向內(nèi)翻轉(zhuǎn)1.5°，數(shù)據(jù)變形制作難度和型面重構(gòu)量降低，如圖10所示。

補償后的數(shù)據(jù)進行模擬計算，考慮檢具上的實際狀態(tài)，窗框位置的RPS 進行底部支撐。窗框位置的尺寸如圖11 所示，其中靠近C 柱的法蘭邊尺寸在0～0.4 mm，窗框上部的法蘭邊尺寸大部分位于零位，靠近B柱的法蘭邊尺寸在-0.2～0.2 mm，整體滿足設(shè)計要求。

3 測量驗證

為了檢驗拉深工序型面補償?shù)男Ч瑢⒗罴M行藍光掃描后與理論數(shù)據(jù)進行擬合，窗框位置2個RPS 的落差在0.4 mm 以內(nèi)，與設(shè)計預(yù)期一致，滿足測量和生產(chǎn)要求，如圖12所示。窗框位置的尺寸測量結(jié)果如圖13 所示，其中靠近C 柱的法蘭邊尺寸在0～0.6 mm，個別點輕度超差但不影響與密封條的匹配，沒有裝車返修情況。靠近B 柱的法蘭邊尺寸大多在-0.4～0 mm，窗框上部的法蘭邊尺寸在0～0.4 mm，整體測量結(jié)果與模擬基本一致，達到了預(yù)期的補償效果。

圖8 窗框內(nèi)2個預(yù)工藝孔的拉深成形性

圖9 預(yù)工藝孔優(yōu)化后的窗框RPS面尺寸落差

圖10 預(yù)工藝孔優(yōu)化后的窗框型面補償方案

圖11 補償后窗框位置的模擬尺寸

4 結(jié)束語

通過調(diào)整預(yù)工藝孔的方式對后門內(nèi)板窗框區(qū)域的回彈補償方案進行分析和優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

圖12 拉深件掃描擬合結(jié)果

（1）整體式窗框門內(nèi)板在窗框位置的回彈較大，夾頭夾持時易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，影響零件的分析和測量結(jié)果。回彈分析時通常將窗框位置的夾持點僅做底部支撐，避免零件扭轉(zhuǎn)對補償方案的干擾。

（2）窗框內(nèi)的預(yù)工藝孔在成形時能改善板料的受力狀態(tài)，側(cè)壁材料由單向拉伸變?yōu)榻频碾p向拉伸變形更充分。不同的預(yù)工藝孔設(shè)置能改變材料中受雙向拉伸的比例，因此可以通過優(yōu)化預(yù)工藝孔方案改善窗框處的回彈狀態(tài)，減小型面補償量。

（3）相較于窗框內(nèi)部多個預(yù)工藝孔的方案，2 個預(yù)工藝孔的方案邊緣開裂的趨勢降低，成形穩(wěn)定性更高，且有利于提高板料和工序件的剛度。切邊后殘余應(yīng)力釋放更均勻，減小了窗框位置的扭轉(zhuǎn)變形和回彈量，降低了補償難度，對類似零件的工藝設(shè)計和回彈補償具有指導(dǎo)意義。

圖13 窗框位置尺寸測量結(jié)果