基于AutoForm的汽車翼子板沖壓回彈仿真及補償研究*

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

汽車覆蓋件在成形負荷卸載后，一部分彈性變形會發生回復，從而產生回彈[1-3]。回彈是汽車覆蓋件成形工藝中難以避免的缺陷，對汽車覆蓋件的尺寸精度起著決定性作用[4-6]。對于汽車外覆蓋件，由于造型曲面多樣化、裝配結構復雜化，在沖壓成形后所產生的回彈往往會更大[7-9]。如何降低回彈，提高汽車外覆蓋件的尺寸精度一直是汽車制造工藝領域的熱點課題。為了準確預測汽車外覆蓋件的沖壓回彈，國內專家學者進行了諸多研究。文獻[10]研究了6014-T4鋁合金汽車發動機罩外板成形工藝及沖壓回彈，控制了最大回彈量。文獻[11]運用AutoForm軟件分析了汽車翼子板前門區域的回彈，解決了翼子板前門區域尺寸超差問題。文獻[12]分析了汽車頂蓋各成形工序的回彈，提高了CAE分析的準確性。文獻[13]對汽車后門外板自由回彈和夾持回彈進行了對比分析，得出了滿足尺寸公差要求的零件。上述研究對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償，對于修邊、沖孔工序的回彈不確定性，以及全工序壓料板閉合過程中所帶來的塑性變形極少考慮，故而無法高度再現實際試模工況，回彈補償方案的穩健性往往難以保證。基于以上現狀，文章以某汽車翼子板為研究對象，介紹了一種更加貼近實際生產工況的回彈仿真與補償方法，提高了回彈補償精度，減少了試模次數，節約了模具調試成本。

1 工藝分析

圖1 為某汽車翼子板產品幾何模型，所使用的材料牌號為JAC270D-45/45，屬于一種深沖用雙面等厚熱鍍鋅汽車用鋼，等同于寶鋼DC54D+ZF-45/45，材料特性為：屈服強度YS=120～200 MPa，抗拉強度TS=260～350 MPa，各向異性指數r≥1.8，加工硬化指數n≥0.2，斷面延伸率El≥34%。產品輪廓尺寸為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、結構面負角多以及成形深度大且不等深等特點。

圖1 翼子板幾何模型

結合產品結構特點對翼子板成形工藝進行分析：零件成形深度較大，且絕大部分型面為A級曲面，外觀質量要求高，因此需要采用一次拉延成形工藝；對于其余存在負角的結構面則需要采用先過拉延后整形的成形工藝；由于翼子板本身尺寸不大，可在一道工序內完成全部外緣修邊；前門匹配區域為45°夾角的負角法蘭，法蘭寬度較大，達到25 mm，直接一次側整形到位會導致外觀面產生嚴重的面畸變，因此需要采用先預翻邊后側翻邊的成形工藝。綜合考慮沖壓模具的設計難度和制造成本，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 初步回彈評估

為了準確地預測翼子板全工序沖壓回彈，使CAE分析能夠高度再現真實工況條件，對于拉延之后的各工序壓料板閉合所導致的額外變形必須加以甄別并進行剔除。因此，需要采用類比法篩查制品在壓料板閉合過程中所產生的塑性變形。具體做法為：（1）進行全工序沖壓成形仿真，回彈僅計算最終工序，并將回彈類型設置為最小夾持回彈；（2）逐一對各工序進行沖壓成形及回彈仿真，其中，最后一道工序為最小夾持回彈，其余工序為自由回彈；（3）對比兩種不同模擬方法下的翼子板回彈仿真結果差異。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工序工藝方案設計的翼子板沖壓工藝模面、沖壓坐標系、坯料線等數據以IGS格式導入Auto-Form，完成各工序沖壓方向、工具體、工藝參數以及仿真精度設置后，按照圖3兩種不同的仿真流程分別進行全工序回彈計算，回彈仿真結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 僅計算最終工序最小夾持回彈仿真結果界面

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域設置測點，分別記為測點A、B、C、D、E、F、G，并在測點部位進行回彈量取值，然后與圖6所示回彈量進行對比，對比結果如圖6所示。由圖6可知，兩種不同模擬方法的最終回彈趨勢基本一致，翼子板多處回彈遠大于制品±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均存在局部區域回彈趨勢與最終回彈趨勢不一致的現象。說明制品在中間工序成形過程中產生了額外的塑性變形，從而導致回彈區域發生變化。

圖6 2種模擬方法的回彈量對比

雖然僅計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上保持一致，但各部位回彈數值差異較大，表明中間工序的回彈對制品最終回彈的影響不可忽略。因此，為了更真實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

在實際生產中，為了減少沖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，對于修邊、沖孔類模具，僅保留工作刃口附近10～20 mm寬的有效壓料面，對于翻邊、整形類模具，僅保留工作刃口附近20～30 mm寬的有效壓料面，并對壓料板型面上R10 mm以下的圓角進行避空。因此，為了將壓料板閉合對沖壓回彈的影響降至最低，需要對翼子板沖壓工藝模面進行優化，即按照沖壓模具實際工況條件，對后工序壓料板工藝數模非工作區域以及小圓角區域進行鏤空設計，后工序壓料板優化后的工藝模面如圖7所示。

圖7 優化后的壓料板工藝模面

將優化后的工藝模面再次導入AutoForm求解計算，得出如圖8所示的全工序沖壓回彈仿真結果。由圖8b、8c、8d可知，剔除后工序壓料板閉合所導致的附加變形后，除測點E、G區域回彈量仍然較大、且前后工序間回彈存在波動以外，其余部位回彈量均已降至±1 mm以內，同時前后工序之間的回彈波動也較小。

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，但仍不滿足±0.5 mm的尺寸精度要求，因此需要對沖壓模具進行回彈補償，以進一步降低制品回彈。目前，業內常規的回彈補償策略為全工序回彈補償法，即根據各工序回彈量的不同，分別在對應的模具上進行型面補償。這種補償策略雖然最終都能夠實現回彈的有效控制，但是由于各工序間均存在模具型面差異，導致回彈非線性加劇，使其更難準確預測，從而導致前期回彈補償計算迭代次數成倍增加、仿真效率低下，后期試模周期長、沖壓模具需要反復改修驗證。

為了解決這一問題，可以對全型面補償策略進行優化，引入繼承補償概念，即將回彈量較小的修邊、沖孔工序型面補償量復合至回彈量較大的拉延、整形工序，對于修邊、沖孔工序的回彈則不再進行補償。優化前后的全型面補償策略如圖9所示。

圖9 優化前后的全型面補償策略

AutoForm回彈補償模塊可基于回彈仿真結果進行自動補償，利用優化后的全型面補償策略對翼子板進行回彈補償，補償之后再次求解計算，并將回彈仿真結果與制品幾何模型進行對比。若回彈量仍然大于0.5 mm，則啟動新一輪的迭代循環；若回彈量小于0.5 mm，則可將各工序有限元模型以IGS格式導出作為回彈補償精細化設計的基礎數據。

由于翼子板屬于汽車外覆蓋件，AutoForm導出的回彈補償數據無法直接用于模具型面加工，因此需要使用CATIA軟件對從AutoForm導出的IGS格式數據進行曲率連續性修正和縫合，使所有A級曲面均達到G2連續，最終精細化設計的A面回彈補償數據光順性檢查如圖10所示。

圖10 最終回彈補償數據光順性檢查界面

將利用CATIA精細化設計的回彈補償數據再次導入AutoForm進行最終回彈分析驗證，得出如圖11所示的翼子板回彈仿真結果。由圖11可知，經過回彈補償后，翼子板最大法向回彈位移為0.489 mm和-0.405 mm，所有區域回彈量均已全部降至±0.5 mm以內，達到了零件尺寸精度要求。

圖11 最終回彈補償仿真結果界面

5 方案驗證

將最終回彈補償數據應用于翼子板沖壓模具，并按照回彈仿真結果進行翼子板現場試模，得到無開裂、起皺等質量缺陷的合格零件。利用檢具對翼子板進行尺寸精度測量，制品實際面輪廓尺寸偏差測量如圖12所示。檢具測量結果表明，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以內，滿足零件生產以及整車匹配需求。

將翼子板零件實際尺寸精度測量數據和回彈仿真結果進行對比分析，其結果如圖13所示。由對比分析結果可知，試模試驗與仿真數據基本吻合，最大偏差僅0.2 mm，證明采用基于繼承補償理念的全工序回彈補償策略對于提高回彈仿真精度、減少試模改修次數有著重要的指導意義。

圖12 翼子板零件尺寸精度檢具測量數據

圖13 試模試驗與仿真結果對比

6 結論

（1）對于造型多樣、結構復雜的汽車外覆蓋件，剔除后工序壓料板閉合對制品真實回彈的影響，更貼近實際生產工況條件，能夠使回彈仿真獲得更高的預測精度。

（2）運用繼承補償方法優化全工序回彈補償策略，降低了回彈補償迭代次數以及尺寸波動的不確定性，將翼子板全型面回彈量控制在0.5 mm以內，解決了翼子板回彈大、不可控的難題。

（3）試模試驗驗證了基于繼承補償法的全工序回彈補償策略的有效性，提高了沖壓模具回彈補償設計效率、減少了現場試模次數、節約了模具調試成本，對于同類零件的回彈仿真以及補償有一定的工程應用價值。