汽車翼子板三工序沖壓工藝方案及成形仿真

蔣磊，王龍，謝蛟龍，陳一哲，馬培兵，劉建

1.東風本田汽車有限公司 新車型中心，湖北 武漢 430056 2.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070

車身覆蓋件是汽車的重要組成部分，直接決定了汽車的外觀造型和空氣動力學。與其他汽車零件相比，車身覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大、曲率起伏多變以及表面質量要求高等特點[1-3]。翼子板作為典型的車身外覆蓋件，相對于其他覆蓋件而言，負角結構更多，A 面曲率更加多樣化，成形過程和尺寸波動更難以控制。因此，翼子板沖壓工藝方案的設計以及成形仿真存在較大難度。

沖壓模具是制造車身覆蓋件不可或缺的工藝裝備，也是汽車企業在研發、投放新車型過程中投資最大的非標生產設備[4-6]。由于工序集成度不高，生產車身覆蓋件的沖壓模具多為四工序或五工序，導致單一車型的沖壓模具投資動輒需要上億元。由此可見，縮短沖壓模具工序數量是減少新車型投資、降低整車制造成本最直接有效的手段之一。

為了縮短沖壓模具工序數量，國內諸多學者進行了相應的研究。陳世濤等[7]采用2 種不同形式的旋轉斜楔機構，實現了翼子板沖壓模具的四工序化；蔣磊等[8]在同一序模具設計了上模驅動收縮斜楔機構和雙驅動子母斜楔機構，將側圍外板沖壓模具由四工序縮短至三工序；劉龍芬[9]通過整合修邊、翻邊工序，使全景天窗頂蓋天窗開口部修邊與翻邊同序完成，實現了全景天窗頂蓋沖壓模具的四工序化；高雙明等[10]利用雙壓料芯以及復合型整形刀塊結構，將后門內板沖壓模具由五工序縮短至四工序；尤彬波等[11]采用切整工藝和穿刀塊側沖孔模具結構，實現了前門外板沖壓模具的三工序化；王海玲等[12]在拉延模上應用上、下雙壓邊圈結構，減少了后工序整形，滿足了尾門內板沖壓模具四工序化需求。上述研究雖然在一定程度上縮短了沖壓模具工序數量，但是研究成果仍然以四工序為主，而對于翼子板這種加工難度較高的車身覆蓋件，尚未實現沖壓模具的三工序化。此外，上述研究無一例外地忽略了沖壓模具短工序化對車身覆蓋件全工序成形過程以及真實回彈的影響。

基于以上研究現狀，本文提出一種高度集成的三工序沖壓工藝方案，并借助AutoForm 軟件對成形過程及回彈進行了有限元分析，驗證了工藝可行性，最終實現了翼子板沖壓模具三工序化的在實際生產中的應用。

1 沖壓工藝分析

圖1 為某SUV 車型翼子板產品幾何模型以及典型截面圖，產品輪廓尺寸為986 mm×775 mm×168 mm，主棱線圓角半徑較小，腰線圓角半徑為7 mm，輪眉線圓角半徑為5 mm。產品外表面由多個不同曲率半徑的凸、凹弧面銜接構成。a-b之間為前保險杠配合區域，記為Ⅰ，該區域安裝結構面與外表面夾角為80°，在沖壓方向下存在一定負角，因此需要先過拉延后側整形；同時該部位存在前保險杠安裝孔以及定位孔，孔徑和位置度精度要求較高，故沖孔工序應排布于整形工序之后。b-c之間為前大燈配合區域，記為Ⅱ，該區域為平直法蘭結構，且與外表面夾角達到105°，在沖壓方向下可以直接翻邊成形。c-d之間為引擎蓋配合區域，記為Ⅲ，該區域安裝結構面為“平直法蘭+半圓型加強筋”式造型，平直法蘭部位可考慮一次拉延成形，而半圓型加強筋部位由于與外表面夾角僅為75°，在拉延之后還需要側整形；在平直法蘭部位設計了3 個安裝孔和2 個基準孔，尺寸及形位公差要求嚴苛，按照常規做法，需要將這個5 個孔的沖孔作業排布于最后一道工序，由于平直法蘭部位為一次拉延成形出來，故可以在第二道工序進行沖孔作業，并與Ⅲ區域修邊作業進行復合。d-e之間為A 柱配合區域，記為Ⅳ，該區域同樣為平直法蘭結構，與外表面夾角為72°，與沖壓方向存在負角，在拉延、修邊之后還需要側翻邊成形。e-f之間為前門搭接區域，記為Ⅴ，該區域法蘭較寬達到28 mm，與外表面夾角僅為48°，對于這種翻邊深度較深且負角較大的結構，傳統成形工藝需要進行2 次翻邊，即先垂直預翻邊后側翻邊；在該區域還設計了3 個通過孔，孔徑及位置度精度要求相對較低，為了縮短工序可以考慮將沖孔集成于修邊工序，以達到先沖孔后翻邊的目的。f-g之間為裙邊飾板配合區域，記為Ⅵ，該區域法蘭與外表面夾角為102°，在沖壓方向下可以直接翻邊成形，同時該區域還有1 個安裝孔和2 個鉚接孔，孔徑和位置度精度要求較高，安裝孔可以在第二道工序直接沖孔，鉚接孔則需要在最后一道工序進行側沖孔。g-a之間為輪眉飾板配合區域，記為Ⅶ，該區域法蘭與外表面夾角為108°，外表面設計了8 個輪眉飾板安裝孔，可以在第二道工序直接沖孔，法蘭上設計了用于安裝內翼子板的卡扣孔，需要先翻邊后側沖孔。

圖1 翼子板產品幾何模型

2 沖壓工藝方案

為了實現翼子板沖壓模具的三工序化，不僅要對工序內容進行高度集成，還要借助一些特殊機構對傳統成形工藝實施改進。通過化整為零分析，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ各區域沖壓工藝方案分別為：1）Ⅰ區域OP10 過拉延；OP20 修邊；OP30 側整形與側沖孔集成，采用復合斜楔機構，側整形鑲塊利用氮氣彈簧驅動成形，整形完成后作為側沖孔的壓料板。2）Ⅱ區域OP10 拉延；OP20 修邊；OP30 翻邊。3）Ⅲ區域OP10 除半圓型加強筋部位為過拉延，其余部位均為一次拉延成形；OP20 側修邊與側沖孔集成，修邊鑲塊與沖孔凸模共用斜楔滑塊；OP30 側整形。4）Ⅳ區域OP10 拉延；OP20 側修邊；OP30 側翻邊。5）Ⅴ區域OP10 過拉延；OP20 修邊與沖孔集成，沖孔凸、凹模根據后工序翻邊線長變化進行補償；OP30 側翻邊，采用雙滑塊斜楔機構直接一次成形到位。6）Ⅵ區域OP10 過拉延；OP20 修邊+沖孔；OP30 側翻邊與側沖孔集成，所用斜楔機構工作原理與A 區域斜楔結構相同。7）Ⅶ區域OP10 拉延；OP20 修邊+沖孔；OP30 翻邊與側沖孔集成，采用沖孔凸模穿過翻邊凹模鑲塊的結構。

根據翼子板各區域工序內容排布，在CATIA軟件曲面設計（generative surface design，GSD）模塊中進行全工序3D 沖壓工藝數模設計，得到如圖2 所示的翼子板三工序沖壓工藝方案。為了提高材料利用率，Ⅰ區域采用敞開式八字形拉延筋，并將修邊線展開在壓料面上。Ⅴ區域外表面為凹弧面，拉延成形過程中極易產生面畸變，故在該部位設計了隆起式余肉，以改善材料拉伸狀態。Ⅶ區域外表面棱線圓角較小，存在滑移線風險，因此該部位也設計了隆起式余肉，從而使工藝補充面先于凸模棱線接觸板料。各部位工藝補充面與產品型面截面對比如圖2（a）所示，截面圖中黑色線為拉延工藝模面，藍色線為產品型面。

圖2 翼子板三工序沖壓工藝方案

3 有限元分析

3.1 材料參數

本文所研究的翼子板設計材料為JAC270D-45/45，料厚t=0.65 mm，為一種雙面熱鍍鋅鐵合金板，合金鍍層重量為45 g/m2，鍍層中鐵質量分數通常為8%～15%，其化學成分、力學性能與寶鋼DC54D+ZF 材料相當。JAC270D-45/45 材料特性為：泊松比μ=0.3，彈性模量E=210 GPa，屈服強度Ys=120～200 MPa，抗拉強度Ts=260～350 MPa，加工硬化指數n≥0.2，厚向異性指數r≥1.8，斷面延伸率El≥36%。材料硬化曲線通過應力應變曲線擬合得到，材料屈服面模型為含有剪切應力分量的Hill-90，可以更好地表征單向屈服應力和厚向異性指數的變化，能夠使有限元分析分析結果更加準確[13]。

3.2 全工序成形仿真

將翼子板各工序工藝數模、板料線、修邊線、斜楔坐標系分別以IGS 格式導出，并依次導入AutoForm 軟件。首先定義仿真材料以及料厚，然后根據工藝方案進行沖壓方向設定、工序規劃、板料設計、工具體設定，最后得到如圖3 所示的有限元模型。

圖3 翼子板有限元模型

結合同類零件試模經驗以及實際潤滑條件，將摩擦系數設置為0.15，壓力機滑塊行程設置為900 mm，沖壓速度設置為1 000 mm/s，壓邊力、壓邊圈行程、壓料力、壓料板行程、工具體剛度以及工具體類型等工藝參數分別單獨設置，具體工藝參數如表1 所示。

表1 翼子板沖壓工藝參數

利用有限元模型求解計算所得到的翼子板全工序成形仿真結果如圖4 所示，由圖4 可知翼子板各工序均獲得了充分的塑性變形，無開裂、起皺以及成形不充分等質量缺陷，獲得了較好的成形效果，證明三工序工藝方案穩健可靠。

圖4 翼子板全工序成形仿真結果

3.3 回彈分析

工藝穩健是展開回彈分析的先決條件，由上文可知翼子板三工序沖壓工藝已趨于穩定，因此可以進行基于全工序成形的真實回彈分析。根據翼子板在檢具上的定位基準、夾頭位置、夾頭數量以及安裝順序進行回彈約束條件設置，得到如圖5(a)所示的回彈約束有限元模型，再次提交計算即可獲取回彈分析結果。判斷回彈分析結果是否可信，需要先對約束結果進行檢查。根據經驗，定位銷和夾頭所受載荷均小于30 N，由圖5(b)和圖5(c)可知，翼子板定位銷和夾頭所受載荷均為超過30 N，說明回彈結果比較可信。

圖5 翼子板回彈約束條件

翼子板首輪回彈分析結果如圖6 所示。由圖6 可知，翼子板大部分型面回彈量均在±1 mm以內，僅Ⅰ、Ⅱ、Ⅶ區域局部型面回彈量超過1 mm。由于翼子板與前門、側圍、引擎蓋、前大燈、前保險杠、輪眉飾板、裙邊飾板等零件均存在裝配關系，配合部位的尺寸精度需要控制在±0.5 mm 以內。因此，需要根據回彈分析結果對翼子板進行回彈補償。

圖6 翼子板回彈分析結果

4 回彈補償

4.1 回彈補償策略

目前，針對汽車覆蓋件回彈主要有2 種補償策略，一種是局部型面補償策略，另一種是全型面補償策略。前者由于操作便捷、迭代次數少，被廣泛用于各類汽車覆蓋件的回彈補償。然而，由于局部型面補償策略往往還需要根據后期沖壓模具調試情況進行補償數據修正，無法在設計階段全面控制回彈，回彈補償的有效性相對較差。因此，對于高尺寸精度要求的汽車外覆蓋件，需要優先采用全型面補償策略。

全型面回彈補償是一種基于全工序自由回彈和最終工序真實回彈的逆向補償方法，相對于局部型面補償，全型面補償能夠實現回彈的有效控制。但是各工序之間的型面差異導致回彈非線性加劇，從而使前期回彈補償計算迭代次數成倍增加，仿真效率低下。為了提高全型面補償策略的仿真效率，本文借鑒蔣磊等[14]基于繼承補償的全型面回彈補償方法，對翼子板進行全型面回彈補償，補償流程如圖7 所示。

圖7 翼子板全型面回彈補償流程

利用Autoform 軟件中的回彈補償模塊，基于各工序回彈分析結果分別對各工序進行補償區域、過渡區域以及固定區域定義，然后通過軟件計算可得到新的工具體型面。根據新工具體型面啟動新一輪的回彈分析，之后再根據此輪回彈分析結果實施下一輪回彈補償以及分析，直至將回彈數值控制在±0.5 mm 以內。分析過程中，需要檢查仿真文件的收斂性。模具閉合、成形過程迭代次數應小于60，重力狀態、定位過程迭代次數應小于300，后工序壓料板閉合過程塑性應變率應小于0.005，其他迭代參數如表2 所示。由于翼子板為外覆蓋件，表面質量要求很高，AutoForm 自動補償所獲取的工具體型面無法達到A 級曲面曲率必須達到G2 連續的要求。因此，需要借助CATIA 等CAD 軟件進行手動補償。

表2 有限元參數設置

將翼子板各工序工具體型面以IGS 格式導出，并在CATIA 軟件中打開，以此為參考基準，結合工藝數模逐一對各工序進行全型面補償設計、曲面縫合、曲率連續性檢查以及調整。基于CATIA 曲面重構之后的產品數模曲率連續性檢查結果如圖8 所示。由圖8(a)可知，補償后的產品數模外表面等射線均勻一致，基本保持平行，無明顯彎折；由圖8(b)可知，補償后的產品數模外表面衍射較為平滑，無跨區域衍射突變。曲率連續性檢查結果表明，回彈補償后的產品數模可以滿足汽車外覆蓋件表面質量要求。回彈補償設計完成之后，即可再次將工藝數模導入至AutoForm 軟件中進行計算驗證。

圖8 回彈補償后的產品數模曲率連續性檢查

4.2 回彈補償結果

利用最終全型面補償的工藝數模進行全工序回彈分析，得到如圖9 所示的回彈仿真結果。由圖9 可知，經過全型面回彈補償后，翼子板各區域回彈量均已全部降低至±0.5mm 以內，滿足零件尺寸公差要求，證明全型面回彈補償策略有效可行。

圖9 最終補償后的回彈仿真結果

對于汽車外覆蓋件，回彈補償后會導致產品曲率發生一定變化，從而帶來外表面凹陷等缺陷。因此，在確認回彈補償仿真結果的同時，還需要對產品表面缺陷進行分析。圖10(a)為回彈補償后的翼子板曲率分析結果，所有外表面相鄰區域均無曲率跨越突變。圖10(b)為回彈補償后的翼子板次應力分析結果，最大次應力為-89.52 MPa，由工程經驗可知，當制品回彈后的次應力在±100 MPa 以內時，表明零件實際發生外表面凹陷的風險較小。從而可以判斷最終的回彈補償方案同時滿足了零件尺寸精度和表面質量的要求。

圖10 回彈補償后的曲率分析和次應力分析

5 方案驗證

將最終沖壓工藝方案和回彈補償數據用于翼子板沖壓模具設計、加工。其中，OP30 模具為高度集成化結構，上、下模分別如圖11(a)、(b)所示。利用有限元分析工藝參數以及仿真結果指導現場試模，得到如圖11(c)所示的無開裂、起皺，外表面無明顯凹陷的合格零件。與傳統四工序翼子板相比，三工序翼子板可節約沖壓模具投資100 余萬元。此外，由于削減了1 套沖壓模具，生產三工序翼子板時，僅1#～3#壓力機運行，4#壓力機無需投入使用，相應的電、氣、水等能源的消耗以及壓力機油酯輔料、備品備件的損耗也有所降低，從而間接降低了翼子板零件的制造成本。

圖11 翼子板沖壓模具與零件

將翼子板零件安裝于檢具之上，利用CREAFORM三維掃描儀（圖12(a)所示）對翼子板進行全型面掃描，該掃描儀可以達到0.025 mm 的精度，可以滿足汽車覆蓋件對測量系統誤差的要求，掃描結果如圖12(b)所示。由圖12(b)可知，翼子板零件正向最大尺寸偏差為0.448 mm，最大負向尺寸偏差為-0.005 mm，均在±0.5 mm 的公差要求以內，達到了零件批量生產的尺寸精度要求。

圖12 翼子板零件掃描

對翼子板沿周輪廓進行測點選取，分別記為測點A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q、R、S、T、U、V、W、X，并與最終回彈仿真結果測點一一對應（如圖9、圖12 所示），然后進行試模精度與仿真精度對比分析，對比數據如圖13所示。分析對比數據可知，試模試驗與有限元分析有著較高的吻合度，零件實際尺寸偏差與回彈仿真結果差異基本小于0.5 mm，說明仿真精度較高。

圖13 試模實驗與仿真結果對比

6 結論

1）設計了一種可以實現翼子板沖壓模具三工序化的工藝方案，并通過全工序成形仿真，驗證了三工序沖壓工藝方案的可行性。實踐證明，三工序沖壓工藝方案可以大幅削減翼子板沖壓模具投資，顯著降低翼子板零件制造成本。

2）借助有限元分析軟件，對翼子板全工序回彈進行了數值模擬，并根據回彈仿真結果，通過AutoForm 自動全型面回彈補償和CATIA 手動全型面回彈補償相結合的方法，對翼子板全工序沖壓工藝數模實施逆向補償，并驗證了全型面回彈補償的有效性。

3）利用全工序成形仿真以及回彈分析結果指導三工序化翼子板現場試模，獲得了質量合格、精度達標的零件。通過對比發現，有限元分析結果與試模驗證結果達到了較高的吻合度，對于同類零件沖壓模具的設計開發以及尺寸精度控制具有一定借鑒意義。