基于AutoForm的汽車頂蓋沖壓回彈補(bǔ)償研究

孫 剛，隋 洲，畢麗娟，王 剛，白朋鵬，馬順利

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000）

0 引 言

零件回彈是金屬板料成形過程中普遍存在的問題，尤其對(duì)于汽車外覆蓋件，其造型與材料性能等原因?qū)е禄貜椓看笄译y以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，無法滿足質(zhì)量及裝車要求[1,2]。面對(duì)汽車行業(yè)日益激烈的競爭形勢(shì)，要求主機(jī)廠不僅要縮短產(chǎn)品開發(fā)周期與制造周期，還要提高產(chǎn)品品質(zhì)[3,4]。有效控制和利用金屬板料的回彈，能減少模具調(diào)試周期，避免模具后期整改，同時(shí)也可以降低制造成本。

目前，金屬板料沖壓成形過程中回彈的控制方法主要有2種：一種是沖壓工藝控制法，通過調(diào)節(jié)工藝補(bǔ)充、拉深筋系數(shù)、壓邊力等，使材料的塑性變形更充分，應(yīng)力分布更均勻，但該方法對(duì)回彈的調(diào)節(jié)量級(jí)有限，只能一定程度上減少回彈；另一種是型面補(bǔ)償法，通過模具零件型面重構(gòu)，使成形過程中板料發(fā)生過度變形，在力卸載回彈后使零件達(dá)到產(chǎn)品的尺寸要求，該方法要保證重構(gòu)的型面達(dá)到A級(jí)曲面要求。

現(xiàn)以某車型頂蓋為研究對(duì)象，結(jié)合以上2種方法對(duì)回彈進(jìn)行控制。首先優(yōu)化工藝方案，只有穩(wěn)定的工藝才能進(jìn)行回彈補(bǔ)償，在保證CAE數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)一致的基礎(chǔ)上，使頂蓋變形充分、均勻，以減少回彈；其次對(duì)模具零件型面進(jìn)行補(bǔ)償，選取Auto?Form迭代補(bǔ)償與幾何補(bǔ)償2種方式，通過對(duì)比分析得到頂蓋零件成形的最佳補(bǔ)償策略，并驗(yàn)證結(jié)果。

1 工藝方案

1.1 材料參數(shù)

某車型頂蓋如圖1所示，外形尺寸為2 472 mm×1 210 mm，材料為DC04，料厚為0.7 mm，材料參數(shù)如表1所示。

表1 DC04材料參數(shù)

1.2 工藝設(shè)計(jì)

頂蓋采用1模1件的方式進(jìn)行沖壓成形。基于零件特征，從工藝角度分析，該頂蓋具有整體曲率小、回彈大、尾部帶有流水槽等特點(diǎn)。為保證沖壓零件的成形質(zhì)量和剛性，拉深深度設(shè)為110 mm，尾部拔模角度設(shè)計(jì)為10°，其他位置均為25°，周圈3個(gè)方向采用鎖死筋，尾部流水槽區(qū)域采用圓筋，為了提高天窗內(nèi)部剛性，增加了造型結(jié)構(gòu)，沖壓方向?yàn)檎嘮向。

根據(jù)零件特征，沖壓工藝設(shè)計(jì)如圖2所示，分別為：①拉深；②修邊沖孔；③修邊、翻邊、整形；④修邊、翻邊、沖孔；⑤修邊、翻邊、沖孔。

圖2 頂蓋沖壓工藝

2 CAE分析

采用AutoForm R8軟件進(jìn)行金屬板料成形的CAE分析。

2.1 屈服理論

CAE分析采用Hill屈 服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則適用于沖壓成形過程中各向異性的屈服極限問題。Hill屈服準(zhǔn)則優(yōu)化和改善，使新的理論更符合實(shí)際生產(chǎn)要求，具體公式表示為：

其中，σ1,σ2,σ3為主應(yīng)力值；f、g、h、a、b、c為相互獨(dú)立的各向異性特征參數(shù)，根據(jù)不同的材料由試驗(yàn)確定；m為材料敏感性指數(shù)，m＞1。

2.2 分析參數(shù)

AutoForm R8中的參數(shù)設(shè)置如表2所示，考慮軟件的計(jì)算精度、計(jì)算效率、零件質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性及成形收縮系數(shù)等要求。拉深筋系數(shù)設(shè)置如圖3所示，尾部流水槽中部拉深筋系數(shù)為0.395，兩端為0.339，其他三邊為2.0。

表2 CAE分析參數(shù)設(shè)置

圖3 拉深筋系數(shù)

2.3 分析結(jié)果

頂蓋拉深的成形模擬結(jié)果如圖4所示，減薄率如圖5所示，在該工藝方案下，零件成形性好，無開裂和起皺風(fēng)險(xiǎn)，減薄率大部分區(qū)域超過6%，滿足剛性要求。

圖4 拉深成形模擬

圖5 減薄率

3 回彈補(bǔ)償研究

3.1 AutoForm迭代補(bǔ)償

頂蓋采用全工序回彈補(bǔ)償策略，目的是保證全工序型面的一致性，如圖6所示（D表示拉深工序，F(xiàn)表示修邊工序，M表示回彈補(bǔ)償工序）。在Auto?Form中將頂蓋的A級(jí)曲面設(shè)置為直接補(bǔ)償區(qū)域，拉深工序的壓料面設(shè)置為固定不補(bǔ)償區(qū)，工藝補(bǔ)充設(shè)置為過渡區(qū)，其他工序的結(jié)構(gòu)面為了避免形成拉深負(fù)角，設(shè)置為沖壓方向補(bǔ)償。

圖6 全工序回彈補(bǔ)償

因?yàn)锳utoForm迭代補(bǔ)償?shù)那娌环螦級(jí)曲面要求，需要將數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行曲面重構(gòu)，使其滿足A級(jí)曲面標(biāo)準(zhǔn)。將重構(gòu)的A級(jí)曲面重新導(dǎo)入Auto?Form中進(jìn)行復(fù)算，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，天窗四角區(qū)域的回彈量超過了3 mm，其他區(qū)域的回彈量也超過了2 mm。因此，AutoForm迭代補(bǔ)償對(duì)于頂蓋這類自由回彈量大的零件準(zhǔn)確度較低，適用性差。

圖7 AutoForm迭代補(bǔ)償結(jié)果

3.2 幾何補(bǔ)償

以天窗頂蓋中心區(qū)域?yàn)橹悬c(diǎn)，將該點(diǎn)分別抬高2、3、6 mm，其他相應(yīng)鄰接型面進(jìn)行過渡處理。將補(bǔ)償后的3種型面導(dǎo)入AutoForm中計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，抬高6 mm的補(bǔ)償方式效果最好，回彈量控制在1.5 mm以內(nèi)，從以往項(xiàng)目分析，該數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)出件的匹配程度最佳。

圖8 幾何補(bǔ)償結(jié)果

3.3 對(duì)比分析

從上述AutoForm迭代補(bǔ)償和幾何補(bǔ)償結(jié)果可知，AutoForm迭代補(bǔ)償曲面重構(gòu)后進(jìn)行復(fù)算，其回彈結(jié)果達(dá)不到合格零件標(biāo)準(zhǔn)，幾何補(bǔ)償方式能實(shí)現(xiàn)尺寸要求，但對(duì)工藝人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)與曲面重構(gòu)技術(shù)要求較高，而且補(bǔ)償量也需要進(jìn)行多次試驗(yàn)才能得到最準(zhǔn)確的數(shù)值。

4 結(jié)果驗(yàn)證

基于幾何補(bǔ)償后的型面作為機(jī)加工數(shù)據(jù)用于模具制造，試制首件如圖9所示，使用三坐標(biāo)測(cè)量儀測(cè)量其尺寸。結(jié)果表明：與產(chǎn)品數(shù)據(jù)相比，在全夾持的狀態(tài)下，首件尺寸符合率為85.2%，當(dāng)模具狀態(tài)研配到與數(shù)值模擬邊界條件一致時(shí)，尺寸符合率可達(dá)96.5%，達(dá)到了前期預(yù)測(cè)的效果，說明幾何補(bǔ)償方式能有效地解決頂蓋這類大型外覆蓋件的回彈難題。

圖9 頂蓋試制首件

5 結(jié)束語

（1）對(duì)于頂蓋這類剛性較差的零件，在前期工藝階段要使零件拉深減薄充分，以提高剛性和工藝穩(wěn)定性，減少回彈。

（2）AutoForm迭代補(bǔ)償技術(shù)不宜用于自由回彈量大的零件，根據(jù)零件特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)積累，需要采用幾何補(bǔ)償策略。

（3）對(duì)于幾何補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果不是要控制在尺寸公差范圍，而是要結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)與零件特點(diǎn)，通過多次嘗試以獲得最佳補(bǔ)償量。