基于Autoform的汽車側圍回彈補償分析

韋韡，姚佐平，李開文，張峰，Hans-Ludwig Buck，周江奇

基于Autoform的汽車側圍回彈補償分析

韋韡1,2，姚佐平1，李開文1，張峰1，Hans-Ludwig Buck3，周江奇1

（1. 上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2. 機械科學研究總院，北京 100044；3. 蒂森克虜伯系統工程有限公司，瓦登洛克威爾 66687）

針對汽車尤其乘用車側圍大量復雜表面經常出現的表面凹陷、大尺寸回彈等質量問題，對回彈過程進行分析研究并加以控制。基于數值模擬的方法，采用Autoform軟件對汽車側圍表面沖壓回彈進行數值模擬預測，將數值計算結果與實際生產經驗相結合，對側圍幾何模型進行補償和控制。生產的后側圍零件尺寸合格率達到90%以上。采用數值模擬對汽車側圍回彈補償分析，能減少成形過程中的缺陷，提高尺寸精度，有效解決側圍回彈大的問題。

汽車側圍；回彈；補償；面畸變

近年來，隨著國內汽車工業的快速發展及自主品牌汽車質量的不斷提升，對客戶感知細節問題的重視程度日益提高，覆蓋件及其模具整體質量水平與國外差距不斷縮小。汽車覆蓋件具有形狀復雜、材料厚度小、面積大、表面質量要求高等特點，并且存在沖壓工藝難度大、沖壓易回彈等問題。沖壓回彈的預測及補償，尤其是面畸變等微觀質量缺陷的控制仍然處于探索階段，對于外覆蓋件面補償缺少成熟的經驗和手段[1—4]。汽車側圍作為白車身的核心零件，空間尺寸龐大，幾何形狀復雜，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，還會在零件表面產生幾十至幾百微米的局部凹陷，從而影響表面質量。隨著CAE技術的不斷發展，采用CAE軟件對汽車側圍沖壓成形進行分析，并結合實際生產經驗，可以解決汽車側圍生產過程中的多種問題，形成對汽車側圍幾何模型進行補償和控制的方法，減少成形過程中的缺陷，提高尺寸精度，有效解決側圍回彈大的問題。希望能夠對汽車側圍的沖壓成形起到一定的指導作用[5—6]。

1 側圍沖壓成形工藝

汽車側圍零件數模如圖1所示，汽車側圍作為最重要的車身覆蓋件之一，其形狀結構復雜，往往需要多道沖壓工序才能成形。美國和日本的側圍零件一般采用4工序成形，歐洲的側圍工序較多，往往在5工序以上。

圖1 汽車側圍零件數模

圖2為某自主品牌大型SUV側圍零件的工序排布如下：拉延→切邊、沖孔→切邊、翻邊→整形、側切邊、側整形→切邊、整形、側切邊、側整形。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；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。根據工序設計初步分析，側圍宏觀尺寸回彈可能來源于切邊以及整形后殘余應力的釋放，因此，涉及到切邊、側切邊、整形、側整形的工序都有可能導致回彈，即OP20，OP30，OP40，OP50，需要進行全工序的回彈數值模擬。微觀回彈導致的面畸變主要來自于拉延工序，因此，對于面質量缺陷的數值模擬主要在OP10進行，如表1所示。

表1 沖壓工序

Tab.1 Content of stamping process

圖2 汽車側圍沖壓工序

2 沖壓成形數值模擬及回彈結果分析

沖壓成形數值模擬包括載荷分析、成形性分析、回彈分析、表面質量分析等，其中準確的成形性分析是進行回彈模擬的基礎，需要確保零件沒有明顯的起皺、開裂、拉延不充分等缺陷，板料流動均勻，才能為后續的精確分析提供依據[7—8]。

2.1 成形性分析

進行CAE分析需要輸入數值模擬的初始條件。側圍所使用材料為中國寶鋼生產的BUFD（特深沖壓用），厚度為0.7 mm，板料尺寸為1807.53 mm× 3635.28 mm，該材料的屈服強度為149.00 MPa，該材料的加工硬化指數為0.229，厚向異性系數0為2.06，90為2.31，45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分別為屈服應力、第1主應力、第2主應力，1和2分別為主應變和次應變。

圖3 屈服曲面

圖4 成形極限曲線

圖5 硬化曲線

圖6所示為側圍成形性分析結果。對比板料輪廓線，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，材料流動劇烈，但是因為該處設計了較大的工藝補充面，并未對最終零件本體產生影響。零件整體材料流動均勻，只是側圍零件前側和后側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。該結果為經過多次零件數據優化和工藝調整后得到的較優零件狀態，具體過程不再贅述。

2.2 回彈模擬計算及機理分析

采用Autoform軟件對側圍OP20進行回彈分析，結果如圖7所示。零件前后兩側回彈很大，A柱與翼子板搭接處為2.7 mm，內部非可見面甚至超過3 mm，這將導致翼子板與側圍搭接面不平齊，影響整車匹配。側圍后側尾燈以及與后保搭接面回彈嚴重，最大處達到4.2 mm，這顯然是不允許的。側圍后窗上側以及門檻出現負回彈，最大值達到?2.4 mm，整個側圍零件變異明顯，扭曲非常嚴重，因此，必須采取有效措施對回彈進行補償和控制[9—11]。

圖6 側圍成形性分析結果

圖7 側圍OP20自由回彈分析結果

基于自由回彈分析結果，在零件上設置若干支撐點，再進行回彈分析，結果如圖8所示。與自由回彈相比，側圍負回彈消除，扭曲現象得到有效抑制，回彈主要集中在若干側壁，但是后側尾燈周邊以及后保處回彈仍然非常明顯，最大值為3.6 mm。

圖8 側圍OP20加支撐回彈分析結果

側圍OP50加支撐和夾緊后的回彈分析結果見圖9。如果只進行單向支撐，如圖9a所示，D柱上部回彈明顯，后側與尾門搭接處達到2.5 mm。這與零件本身形狀復雜、側整形量較大有關。同理，后側與后保搭接面回彈嚴重，顯然滿足不了裝車要求。相反地，A柱上側以及B柱下側出現了負回彈，雖然量值不大，但是導致整個側圍零件扭曲，難以對尺寸精度進行有效控制。

為了提高零件成形的穩定性，對分析過程增加夾緊約束，如圖9b所示。對比未施加約束前，零件回彈和扭曲有所改善，也更接近實際零件狀態。根據相關文獻的報道以及多年的經驗[12—13]，采用帶約束的回彈分析結果更為可靠，因此，經項目成員討論后決定按圖9b的分析結果進行回彈補償。

3 回彈補償控制及結果分析

3.1 回彈補償方案

根據回彈計算結果，結合以往經驗，對產品工藝數模施加補償位置和補償量如圖10所示。其中，在工藝補充面施加了5 mm的反向補償，因為該部分處于最終產品輪廓線之外，可以適當增加補償力度，以快速達到驗證效果。處于產品面的部分，補償位置和補償量必須非常謹慎，否則不僅達不到補償效果，還可能由于補償不當造成凹陷以及曲面不連續，增加新的表面缺陷問題[14—15]。

3.2 補償結果分析及試驗驗證

將上述進行補償處理后的數模導入Autoform進行計算，得到的結果如圖11所示。其中，圖11a為未夾緊狀態分析結果，圖11b為夾緊分析結果。與圖9所示的未進行補償計算結果相比，尺寸質量提升明顯，尤其是在夾緊狀態下，側圍零件整體尺寸均勻一致，面和關鍵匹配面都位于±0.5 mm的公差內。

具體地看，進行補償前，后保安裝面回彈3～ 4 mm，如圖12a所示。進行回彈補償后，該處尺寸最大偏差為?1 mm，避免了與后保干涉，為現場調試時結合零件實際搭接情況預留了調整空間。

頂蓋上邊梁在模具沖壓方向是負角，需要多工序進行側整形和側切邊，回彈量難以控制。通過對數模進行補償，將原尺寸偏差從3 mm降低到1 mm以下，如圖13所示，避免了與前擋風玻璃的干涉。

由于整車造型的需求，側圍頂蓋上邊梁后部是一個面積不等的腔體，由前往后逐漸縮小，因此其整形方向和整形量也難以控制。通過對側壁角度和整形深度進行補償，最終分析的回彈結果從原來的大于3 mm控制在1 mm之內，如圖14所示。

采用進行補償后的工藝數模進行模具開發和制造，實際生產出的側圍零件如圖15所示，其尺寸合格率達到93%，側圍表面光順，圓角均勻，面畸變等缺陷得到有效抑制和消除，取得了較好的技術效果。

圖10 側圍補償方案

圖11 進行補償后分析結果

圖12 側圍后保安裝面

圖13 側圍頂蓋上邊梁前段

圖14 側圍頂蓋上邊梁后段

圖15 實際側圍零件

4 結論

自由狀態下，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，側圍后窗上側、門檻的負回彈由?2.4 mm降低到?1.0 mm；在夾緊狀態下，回彈量均控制在±0.5 mm以內，滿足產品的尺寸要求。基于上述回彈補償方法及數據，得出如下補償分析思路。

1）采用夾緊分析的方法得到的回彈分析結果更接近真實狀態，以此作為數據補償的基礎。

2）對于工藝補充面可適當增加補償量，面補償則應當慎重，需在成形性分析結果通過之后再進行回彈分析和補償。

3）回彈補償量應當基于分析結果和經驗共同確定，往往需要多次迭代才能得到較好的效果，需要結合實際零件情況不斷修正和積累經驗。

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Analysis on Compensation for Spring Back of Auto-Bodyside Based on Autoform

WEI Wei1,2, YAO Zuo-ping1, LI Kai-wen1, ZHANG Feng1, HANS-LUDWIG Buck3, ZHOU Jiang-qi1

(1. SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545007, China; 2. China Academy of Machinery Science and Technology, Beijing 100044, China; 3. Thyssenkrupp System Engineering GmbH, Wadern-Lockweiler 66687, Germany)

This paper aims to solve the bodyside forms springback, which affects the matching accuracy in the process of stamping forming. It also forms small local defects on the surface of the parts, which affects the product quality. In this paper, based on the numerical simulation technology, Autoform software is used to accurately simulate and predict the stamping springback of the bodyside surface. The numerical calculation results are combined with the actual production experience to compensate and control the geometric model of the bodyside. The final test results show that the qualified rate of rear side panel parts produced by the above method is more than 90%. Using numerical simulation to analyze the springback compensation of bodyside can reduce the defects in the forming process, improve the dimensional accuracy, and effectively solve the problem of large springback of bodyside.

auto-bodyside; springback; compensation; surface defect

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.023

TG386.3

A

1674-6457(2021)03-0172-07

2021-02-05

廣西創新驅動發展專項課題（桂科AA18118040）；柳州市科技計劃課題（2018AD50301）

韋韡（1983—），男，博士，正高級工程師，主要研究方向為板料成形。