高強鋼熱沖壓結(jié)構(gòu)件三維激光切割回彈規(guī)律及精度補償方法

李守港 劉 鵬 劉 祥 胡志力

1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢，430070 2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢，430070 3.武漢理工大學(xué)材料綠色成形技術(shù)與裝備湖北省工程中心,武漢，430070 4.東風(fēng)(武漢)實業(yè)有限公司，武漢，430040

0 引言

先進高強鋼在車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用不僅保障了汽車碰撞安全性，還實現(xiàn)了汽車輕量化[1-2]。高強鋼車身結(jié)構(gòu)件的強度通常達到1500 MPa，如果采用傳統(tǒng)的模具切邊和模具沖孔，則要求模具具有高強度、高耐磨性以及高可靠性，否則在達到一定的工作次數(shù)時會造成模具嚴重磨損[3-4]。三維激光切割是一種先進的材料切割技術(shù)，具有精度高、切割速度快、熱影響區(qū)小等特點，在對車身結(jié)構(gòu)件進行切割時只受車身結(jié)構(gòu)件材料熔點的影響，不受車身結(jié)構(gòu)件強度的影響。目前，三維激光切割技術(shù)是高強鋼車身結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)切邊和切孔的主要加工方式。然而，在沖壓成形和三維激光切割的兩大先進高強鋼車身結(jié)構(gòu)件加工工序中，由于成形力的卸載、局部應(yīng)力釋放等因素的影響，車身結(jié)構(gòu)件均會產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，極大影響車身結(jié)構(gòu)件精度。因此，如何控制并減小回彈、提高車身結(jié)構(gòu)件精度，已成為行業(yè)內(nèi)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

在沖壓成形工藝中的控制回彈提高精度方面，薛克敏等[5]利用ABAQUS軟件對22MnB5超高強鋼沖壓過程進行熱力耦合有限元模擬，對零件厚度分布和回彈量進行預(yù)測，并通過試驗對仿真進行了驗證。謝延敏等[6]為減小高強鋼熱沖壓成形扭曲回彈，提出一種基于漸變凹模圓角半徑的模具補償方法，通過有限元仿真軟件DYNAFORM對雙C件進行仿真模擬，并通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法對工藝進行優(yōu)化，有效地減小了扭曲回彈。段磊等[7]利用Autoform軟件對汽車前梁后部零件進行全工序成形回彈仿真，并根據(jù)回彈值對模面進行補償。聶昕等[8]提出一種考慮變形熱和摩擦熱效應(yīng)的沖壓成形研究方法，并通過U形件沖壓試驗驗證了該方法的有效性。HAN等[9]提出一種耦合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有限元法的技術(shù)(FEM-PSONN)模擬并預(yù)測制件的回彈量，通過訓(xùn)練，模型準確地預(yù)測了制件回彈。

三維激光切割過程中，由于多余材料的去除，車身結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力釋放導(dǎo)致回彈發(fā)生，且沒有考慮夾緊力對車身結(jié)構(gòu)件的影響[10]，夾具與檢具裝夾狀態(tài)不同，車身結(jié)構(gòu)件受到不同的夾緊力的影響也會產(chǎn)生回彈。

在三維激光切割工藝中的控制回彈提高精度方面，HUANG等[11]針對激光切割插補過程中由離散帶來的軌跡誤差，提出一種軌跡補償方案，提高了激光切割的精度。謝暉等[12]提出一種根據(jù)激光切割修邊時序分布考慮回彈的修邊線更新方法，通過有限元仿真分析對激光切割過程中的回彈進行仿真計算，并根據(jù)仿真結(jié)果對修邊線進行補償，通過試驗驗證了方法的可行性。MAEDA等[13]針對金屬板材激光切割過程中由殘余應(yīng)力所造成的板材變形問題，提出了一種通過對金屬板材邊緣進行輕壓限制以減小激光切割殘余應(yīng)力的方法，通過有限元仿真和試驗驗證了該方法的有效性。LIU等[14]針對多點成形三維激光切割過程中的應(yīng)力釋放造成的輪廓偏移問題，通過有限元仿真對多點成形零件的修邊進行回彈的預(yù)測，并通過對修邊線的補償?shù)玫搅俗罴亚懈盥窂健?/p>

以上研究只關(guān)注沖壓或者激光切割某單一工序中的車身結(jié)構(gòu)件回彈控制與精度補償，忽視了沖壓工序?qū)θS激光切割工序所造成的影響。此外，在回彈精度補償方面只通過模面補償方法和工藝優(yōu)化方法減小車身結(jié)構(gòu)件回彈，忽視了三維激光切割后由于回彈帶來的輪廓與型面誤差。為此，考慮切割精度的回彈補償方法對提高三維激光切割精度尤為重要。

本文針對回彈引起的三維激光切割高強鋼車身結(jié)構(gòu)件輪廓和型面誤差問題，采用數(shù)值模擬方法研究了車身結(jié)構(gòu)件三維激光切割過程中的實時回彈以及夾具和檢具夾緊力對輪廓精度的影響，分析了車身結(jié)構(gòu)件輪廓發(fā)生偏移的原因，提出了一種考慮三維激光切割過程中實時回彈和夾緊力改變的輪廓補償方法。在對某車型A柱的有限元仿真分析的過程中，基于回彈預(yù)測的直接補償方法進行精度補償，最后通過切割試驗驗證該方法的有效性。

1 研究材料、方法與設(shè)備

1.1 A柱材料與結(jié)構(gòu)

A柱采用熱成形高強鋼22MnB5，其化學(xué)組成成分見表1，熱成形后其屈服強度為1280 MPa，抗拉強度為1610 MPa。

表1 22MnB5主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

A柱車身結(jié)構(gòu)件幾何模型如圖1所示，材料為22MnB5，厚度為1.4 mm，車身結(jié)構(gòu)件長度為1237 mm，寬度為325 mm，高度為176 mm。A柱經(jīng)沖壓成形后通過三維激光切割工序進行修邊切孔，三維激光切割輪廓長度為4262 mm。車身結(jié)構(gòu)件公差要求如圖2所示。

圖1 A柱三維模型

圖2 A柱公差要求

1.2 研究方法

三維激光切割為熱成形生產(chǎn)線的最后一道工序，數(shù)值模擬需充分考慮前序工序?qū)嚿斫Y(jié)構(gòu)件造成的影響。完整的數(shù)值模擬過程應(yīng)包括板料沖壓、模具卸載、切孔、修邊等工序，板料沖壓、卸載回彈后的車身結(jié)構(gòu)件狀態(tài)為三維激光切割切孔修邊的初始狀態(tài)，以實現(xiàn)三維激光切割精確的回彈數(shù)值模擬。三維激光切割為有序的分時分段的過程[12]，每一段的切割結(jié)果均會對后一段切割精度造成影響。實際生產(chǎn)過程中夾具會根據(jù)切割順序依次閉合，在保證不會與切割頭發(fā)生干涉的情況下，保證車身結(jié)構(gòu)件的夾持。本文采用按序切孔、多步修邊的數(shù)值模擬方法實現(xiàn)對三維激光切割回彈的精確模擬。圖3所示為本文整體的研究流程。圖4為激光切割后的車身結(jié)構(gòu)件截面回彈示意圖。圖5為車身結(jié)構(gòu)件三維激光切割工序夾具與檢具夾緊位置的示意圖。

圖3 研究流程

圖4 三維激光切割后的車身結(jié)構(gòu)件截面回彈示意圖

圖5 車身結(jié)構(gòu)件夾具與檢具的夾緊位置

本文通過AUTOFORM有限元分析軟件建立了A柱熱沖壓和修邊沖孔仿真模型來進行回彈值的預(yù)測，提出了基于回彈值預(yù)測的直接補償方法，對車身結(jié)構(gòu)件切割輪廓進行補償，并通過三維激光切割試驗驗證了基于回彈預(yù)測的直接補償方法的切割精度。

1.3 三維激光切割試驗平臺與工藝

為驗證補償方法的有效性，采用三維激光切割設(shè)備對A柱沖壓件進行切割試驗，試驗設(shè)備采用意大利Prima公司生產(chǎn)的三維激光切割機，型號為Laser Next LN1530-3D，如圖6所示。激光器型號為IPG YLS-3000，試驗所采用的工藝參數(shù)見表2。

圖6 三維五軸光纖激光切割機

表2 三維激光切割工藝參數(shù)

2 回彈數(shù)值模擬

2.1 沖壓有限元模型的建立

采用AUTOFORM軟件網(wǎng)格劃分功能對車身結(jié)構(gòu)件進行網(wǎng)格劃分，沖壓有限元模型如圖7所示，網(wǎng)格劃分參數(shù)見表3。為保證仿真與實際生產(chǎn)相符，采用熱沖壓實際生產(chǎn)工藝參數(shù)，沖壓工藝參數(shù)見表4。

圖7 A柱沖壓仿真有限元模型

表3 網(wǎng)格劃分參數(shù)

表4 沖壓工藝參數(shù)

2.2 三維激光切割有限元模型

激光切車身結(jié)構(gòu)件的過程可視為熱源在車身結(jié)構(gòu)件表面快速移動的過程。將激光熱源加載到車身結(jié)構(gòu)件的表面，并沿切割方向向前移動。激光熱源模型選用半橢球體熱源，熱源模型熱流密度表達式[15]為

(1)

其中，P為三維激光切割功率，W；v為切割速度，m/s；e為自然常數(shù)；x、y、z為空間三維坐標軸坐標；a、b、c為熱源模型參數(shù),m。取P=2800 W，v=0.26 m/s，光斑半徑為0.1 mm。有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖8所示，共有71 837個D3CD8單元。

圖8 三維激光切割有限元模型

2.3 車身結(jié)構(gòu)件修邊有限元模型

為了保證三維激光切割回彈仿真的精確性，按照實際三維激光切割的切割順序進行仿真計算，具體步驟如下：①首先按照修孔順序?qū)嚿斫Y(jié)構(gòu)件進行修孔處理。②按加工順序及夾具的裝夾狀態(tài)將車身結(jié)構(gòu)件外輪廓修邊線進行分段處理，如圖9所示。③依次按順序進行回彈計算，切割順序和切割輪廓，如圖10所示。

圖9 修邊順序

圖10 切割順序和切割輪廓

2.4 回彈有限元結(jié)果分析

2.4.1沖壓回彈結(jié)果

沖壓工序回彈數(shù)值仿真結(jié)果如圖11所示，根據(jù)圖11，沖壓工序車身結(jié)構(gòu)件回彈橫向由中心向兩端增長，縱向由車身結(jié)構(gòu)件中心線向兩側(cè)增大，但誤差均在公差范圍內(nèi)，滿足沖壓工序的生產(chǎn)要求，可以進行下一工序的分析。

圖11 沖壓工序法向回彈

2.4.2三維激光切割溫度場

三維激光切割溫度場仿真結(jié)果如圖12所示，由仿真結(jié)果可知,三維激光切割過程中，車身結(jié)構(gòu)件的溫度隨激光熱源的移動而變化，溫度場形狀呈彗星狀。對溫度場分布寬度進行測量，切縫一側(cè)寬度為12 mm，遠遠小于車身結(jié)構(gòu)件的寬度，可知三維激光切割對車身結(jié)構(gòu)件造成的熱影響區(qū)范圍較小。

圖12 三維激光切割溫度場

2.4.3三維激光切割后回彈結(jié)果

三維激光切割后車身結(jié)構(gòu)件的回彈結(jié)果如圖13所示，根據(jù)圖13，車身結(jié)構(gòu)件回彈分布較沖壓回彈發(fā)生了明顯的改變，車身結(jié)構(gòu)件回彈由中間向左右兩端減小，右側(cè)出現(xiàn)局部的回彈增大。

圖13 車身結(jié)構(gòu)件最終法向回彈值

3 回彈補償方法

3.1 三維激光切割誤差定義

三維激光切割回彈引起的輪廓尺寸誤差一般為單段切割線的整體偏移，如圖14所示，定義輪廓尺寸誤差Δ：

圖14 三維激光切割斷面示意圖

Δ=max|di|

(2)

式中，di為目標輪廓與三維激光切割后輪廓在目標輪廓所在平面上投影之間的偏差值。

三維激光切割引起輪廓誤差的同時會引起車身結(jié)構(gòu)件的型面回彈，如圖14所示，定義型面尺寸誤差Δf：

Δf=max|df|

(3)

式中，df為目標輪廓與三維激光切割后輪廓法向回彈值。

3.2 基于回彈預(yù)測的直接補償方法

車身結(jié)構(gòu)件輪廓分為車身結(jié)構(gòu)件頂面及底部兩凸緣面輪廓與車身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁輪廓。

3.2.1頂面及底部兩凸緣面輪廓誤差補償方法

車身結(jié)構(gòu)件的頂面及底部兩凸緣面，切割平面與XY平面平行，Z向的回彈可以忽略，輪廓尺寸誤差可近似于切割輪廓在X、Y方向的回彈值，因此,車身結(jié)構(gòu)件頂面和底部兩凸緣面上的切割輪廓的補償主要根據(jù)切割輪廓在X、Y方向上的回彈值對輪廓進行反向偏置。設(shè)標準輪廓的節(jié)點坐標為(x0,y0,z0),回彈后的節(jié)點坐標為(x1,y1,z1)，則補償值為

(4)

3.2.2車身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁輪廓誤差補償方法

車身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁切割輪廓一般為內(nèi)輪廓，即圓孔等，偏差主要是由車身結(jié)構(gòu)件回彈帶來的位置偏差，設(shè)車身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁與Z軸角度為α，如圖15所示。當(dāng)輪廓在Z軸方向上進補償時，車身結(jié)構(gòu)件輪廓節(jié)點會在X軸方向上相應(yīng)移動Δx=-Δztanα。為了補償?shù)暮啽阈裕m用于工程實踐，就側(cè)壁上的切割輪廓而言，主要根據(jù)切割輪廓在Y、Z方向上的回彈值對輪廓進行反向偏置。假設(shè)標準輪廓的節(jié)點坐標為(x0,y0,z0),回彈后的節(jié)點坐標為(x1,y1,z1)，則需要的補償值為

圖15 車身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁的補償

(5)

3.2.3型面誤差補償方法

型面尺寸誤差需通過對車身結(jié)構(gòu)件三維激光切割輪廓進行整體偏移(即對定位孔位置進行修改)來減小車身結(jié)構(gòu)件型面與理想輪廓之間的偏差值，如圖16所示。

圖16 車身結(jié)構(gòu)件型面的補償

3.3 回彈補償結(jié)果

以特征點A(圖17)說明回彈補償?shù)木唧w方法，根據(jù)圖2與圖11，點A需同時考慮輪廓誤差和型面的誤差。

圖17 A點選取位置

3.3.1輪廓誤差補償結(jié)果

根據(jù)回彈結(jié)果，A點輪廓誤差主要為Z向的偏移，車身結(jié)構(gòu)件Z向的偏移值如圖18所示，根據(jù)圖18，點A所在邊線偏移值為-1.6 mm，根據(jù)式(4)，補償值為+1.6 mm。

圖18 車身結(jié)構(gòu)件Z向偏差值

3.3.2型面誤差補償結(jié)果

根據(jù)圖11，A點所在型面誤差為+1.0 mm，將整體輪廓向反方向補償，補償值為-1.0 mm。按照上述過程依次對不合格輪廓進行補償，得到最佳輪廓線如圖19所示。

圖19 最佳切割輪廓

3.4 有限元驗證

采用補償后的修邊線輪廓進行有限元分析，補償后的車身結(jié)構(gòu)件回彈如圖20所示，車身結(jié)構(gòu)件整體處于合格范圍內(nèi)。

圖20 補償后車身結(jié)構(gòu)件整體回彈值

4 三維激光切割試驗驗證

基于回彈預(yù)測的直接補償方法所得到的最佳切割輪廓開展三維激光切割試驗，試制件如圖21所示。選取車身結(jié)構(gòu)件A柱上21個特征點，如圖22所示，對特征點所在輪廓和型面進行檢測，未補償輪廓誤差與補償后輪廓誤差比較如圖 23所示，型面誤差比較如圖24所示。

圖21 A柱三維激光切割試制件

圖22 特征點位置

圖23 輪廓誤差比較

圖24 型面誤差比較

根據(jù)圖23與圖24，經(jīng)補償后的三維激光切割輪廓能夠有效控制車身結(jié)構(gòu)件回彈，輪廓回彈誤差下降約28.5%，型面回彈誤差下降38.3%。基于回彈預(yù)測的直接補償方法有效地控制了三維激光切割輪廓回彈誤差，提高了三維激光切割精度，縮短了調(diào)試時間，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

(1)本文建立了A柱熱沖壓和三維激光切割全工序的回彈仿真模型，通過溫度場仿真發(fā)現(xiàn),三維激光切割對車身結(jié)構(gòu)件的熱影響很小，回彈仿真能夠有效地預(yù)測回彈變形的整體趨勢。

(2)基于回彈預(yù)測的直接補償方法得到了滿足三維激光切割精度的最佳切割輪廓，三維激光切割試驗驗證了該補償方法的有效性，經(jīng)檢具測量，所提補償方法能夠有效控制車身結(jié)構(gòu)件的回彈，輪廓回彈誤差減小28.5%，型面回彈減小約38.3%，有效提高了先進高強鋼車身結(jié)構(gòu)件的三維激光切割精度，滿足車身結(jié)構(gòu)件精度要求。