5 系鋁合金車門內板沖壓成形及回彈研究

陳俊，張玉成，王博，甘貴生，彭波，鄭雪勇，馬相

（1.重慶賽力斯新能源汽車設計院有限公司，重慶 401335；2.重慶理工大學 材料科學與工程學院，重慶 401135；3.挪威科技工業研究院，奧斯陸 0314）

隨著對碳排放的要求越來越高，對汽車輕量化提出了更高的要求。鋁合金材料因其質輕的特點而成為了汽車制造領域的新興材料[1]，近年來在汽車覆蓋件上的應用也越來越多。國外主要是美國、日本、加拿大等國家對鋁合金的應用較早，車用鋁合金主要有2000、5000、6000 系列[2-3]。國內鋁合金板材制造研究起步相對晚，隨著國內新能源汽車的不斷突破及市場占有量的飛速增加，鋁合金材質在汽車車身上的應用邁向了更高的臺階，除側圍應用較少外，其余汽車覆蓋件均應用較多[4-5]。

鋁合金材料的延伸率小、成形性差，在成形過程中，應力分布不均、板料流動不均會導致零件極易出現開裂、起皺等現象[6]。車門內板是汽車A 級零件，其成形復雜、尺寸較難控制，且對外觀要求較高[7-8]，是汽車覆蓋件的關重件，尤其是整體式車門內板，近年來鋁合金材質在門內板方面的應用也越來越廣。

由于鋼、鋁的彈性系數及彈性模量（鋼彈性模量為210 GPa，鋁彈性模量為72 GPa）不同，所以鋼、鋁回彈相差較大。由理論純膜應力的回彈計算公式LSB=L0σmen/Emod（其中LSB為理論回彈，σmem為拉伸應力，Emod為彈性模量，L0為試件原始長度）可知，理論上鋁合金的回彈是普通鋼回彈的2.6 倍。例如，當L0=1 000 mm 時，低碳鋼與鋁合金材質的回彈分別為1.0 mm（對應σmem=210 MPa，Emod=210 GPa）和2.6 mm（對應σmem=182 MPa，Emod=72 GPa）。

綜上所述，成形性差和回彈大是鋁合金材質面臨的兩大挑戰。本文首先從某鋁合金整體式車門內板的成形難點入手，對標已量產車型的門內板零件深度，其次利用汽車覆蓋件主流分析軟件AutoForm 對零件進行全工序的成形分析及回彈預測，最后對其成形難點逐步優化，根據回彈值對模具進行全型面回彈補償，有效預測并控制了零件的回彈[9-12]，有效解決了鋁合金零件成形性差和回彈大的問題。

1 車門內板結構設計及難點分析

自主研發的某鋁合金整體式前車門內板外形尺寸為1 360 mm×1 285 mm×345 mm，料厚為1.2 mm，質量為4.243 kg，其三維示意圖如圖1 所示。

圖1 車門內板三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the door inner panel

常規整體式車門內板的成形難點如下：1）A 柱后視鏡安裝區域（圖1 中的A 區域），由于后視鏡的安裝需要，該區域通常有一個尖銳點進而會導致開裂，而靠近下部的法蘭區域起皺嚴重；2）鉸鏈區域（圖1 中的B 區域），受鉸鏈大小和開門角度的限制，該區域由于側壁角度小而開裂嚴重；3）A、B 柱轉角（圖1 中的C 區域），受門洞轉角大小及內飾板安裝的限制，該區域通常在轉角側壁開裂，膠條下部平面起皺；4）門鎖安裝區域（圖1 中的D 區域），受門鎖距離與導軌距離的限制，該區域側壁角度小、深度大，開裂嚴重，同時中間腰部區域起皺，導致該區域開裂與起皺并存，是很難控制的區域。

結合整體式車門內板的成形難點及鋁合金材質的成形特性[13-15]，需要做如下重點管控：1）通過加大側壁拔模角、加大R 角等措施來改善零件的成形性；2）為了控制零件的回彈，盡可能一次成形，無或微少整形量，整形工序僅是后續回彈整改的保障，當回彈較大時可在工藝設計時對模具型面進行回彈補償；3）為了控制鋁屑切邊采用分段切邊，且切邊極限角度要比鋼件的切邊角度小5°；4）由于鋁合金零件的調試周期較長（比鋼件的調試周期至少長 2個月）、難度大，且量產穩定性差，故在理論設計時要有足夠的安全裕度，因此鋁合金門內板的成形標準——FLD（FLD 即成形極限圖，它反映了板料在單向和雙向拉應力作用下抵抗頸縮或破裂的能力）的安全裕度下降了15%，變薄率≥?0.15（變薄率反映的是相對原始材料厚度的百分比），最大失效≤0.65（最大失效反映的是板件上單元在 FLD 圖中距離FLC 的比例）。

2 沖壓工藝及成形性

2.1 沖壓工藝

該車門內板的沖壓工藝采用的是單件成形，對該門內板進行合理的工藝規劃。總共5 道工序：拉延、切邊+沖孔、切邊+沖孔、整形（法蘭）+翻孔、整形（窗框）+沖孔+側沖孔。工法排布圖如圖2 所示。

圖2 工法排布圖Fig.2 Construction method layout: a) DR; b) TR+PI; c) TR+PI; d) RST+BUR; e) RST+PI+C-PI

2.2 成形性

該車門內板采用的是諾貝麗斯鋁合金5182 材質，料厚為1.2 mm，對材料廠提供的坯料重新進行性能參數測試，其參數如表1 所示，用該實測性能的參數進行后續數值分析。

表1 材料性能參數Tab.1 Material performance parameters

所用的CAE 分析軟件為AutoForm，其CAE 分析模型如圖3 所示。壓邊力為130 t，拉延行程為180 mm，摩擦因數為0.12。初始產品數據的成形極限圖如圖4a 所示，可以看到，拉延工序件多處開裂，與前面預測的結果一致，這是由于鋁合金門內板拉延深度較大、形狀較為復雜，且側壁、R 角等成形條件差。將開裂位置劃分為9 個重點檢測區域，如圖4b 所示。零件各區域的變薄率和最大失效分析結果如圖5 所示。可以看到，變薄率和最大失效超出標準值的區域與成形極限圖顯示開裂的區域一致，說明這些開裂的區域均需得到改善，否則后期取樣、量產都可能會出現開裂問題。每個區域的變薄率和最大失效對比統計如圖6 所示。可知，各區域的變薄率、最大失效均超出標準值較多，特別是②③⑦⑧檢測點的開裂最為嚴重，是該車門內板開裂的敏感區域，此時需要對產品進行數據優化以滿足成形性要求。

圖3 數值分析模型Fig.3 Numerical analysis model

圖4 初始產品的成形極限圖（a）與重點檢測區域劃分（b）Fig.4 FLD of initial product (a) and division of key detection area (b)

圖5 各區域變薄率（a）與各區域最大失效（b）Fig.5 Thinning rate by region (a) and maximum failure by region (b)

圖6 變薄率對比（a）與最大失效對比（b）Fig.6 Comparison of thinning rate (a)and maximum failure (b)

3 沖壓成形難點解決方案

該車門內板出現以上成形問題主要與所用的鋁合金材質、零件深度、側壁拔模角、R 角大小等成形條件相關。選取了5 款已量產的鋁合金整體式內板，先進行鋁合金車門內板深度對標，如圖7 所示。該車門內板深度為171 mm，大于其他5 款車門內板深度，比ES8 車門內板深度深32 mm，故主推的優化方案是降低該車門內板的深度。

圖7 深度對標Fig.7 Benchmarking of depth

該車門內板的深度主要受造型、車型配置的限制，經分析討論，將深度降低了15 mm（目前深度為156 mm）。深度降低后的成形極限圖如圖8 所示。可知，與之前相比，其成形性得到了很大的改善，但幾個關鍵區域仍存在開裂問題。在深度不能降低的情況下，需要改善零件側壁的拔模角、R 角大小等成形條件，限制因素分別是門鎖區域、門把手區域和限位器區域的深度：1）門鎖區域，受玻璃導軌的限制，該區域深度僅可減小0.4 mm，對開裂的改善作用不大；2）門把手區域，對于外拉手的A 面y向，可向內調整4 mm，對開裂有較大的改善作用；3）限位器區域，對于限位器y向，可外移6 mm，對開裂有較大的改善作用。

圖8 深度降低后的成形極限圖Fig.8 FLD after depth reduction

就目前的分析結果來看，A、B 柱的開裂問題仍然嚴重，僅作以上調整對成形性的改善效果有限，不能完全解決成形性問題，故又提出了調整A、B 柱止口的方案，通過加寬門洞止口的方式來加大側壁的拔模角和R 角。經快速建模分析驗證，對于A 柱止口x向，需向車前方向調整8 mm，對于B 柱止口x向，需向車后方向調整10 mm，這樣才能滿足成形性要求。按照該要求調整門洞止口后，除個別尖點外已無成形性風險。

產品優化后各區域的變薄率和最大失效如圖9所示，對比情況如圖10 所示。可知，區域1、區域5局部尖點區域的最大失效超標，但變薄率未超標（變薄率≥?0.15，最大失效≤0.65），其余區域均在安全范圍內，說明這幾個區域僅需進行局部優化即可解決零件的開裂問題。

圖9 產品優化后變薄率（a）與優化后的最大失效（b）Fig.9 Thinning rate after optimization (a) and maximum failure after optimization (b)

圖10 優化后變薄率對比（a）與優化后最大失效對比（b）Fig.10 Comparison of thinning rate after optimization(a) and maximum failure after optimization (b)

4 全工序回彈分析及回彈補償

4.1 回彈

由上文鋼鋁理論回彈對比結果可知，鋁合金零件的回彈較大。按實際工藝排布對該門內板進行CAE分析后，各工序件的自由回彈如圖11 所示，其中OP即Operation，指沖壓工序。可知，該鋁合金門內板各工序件的回彈值為鋼制門內板的2～3 倍（鋼制整體式車門內板的最大回彈值在2 mm 左右），驗證了鋁合金的回彈是普通鋼回彈2.6 倍的結論。

圖11 各工序件的自由回彈Fig.11 Free springback of each process piece

結合零件的工序內容和各工序件的自由回彈結果可知，第二序、第三序為切邊沖孔工序，只是應力的釋放過程；對于第四序整形和第五序局部整形，其回彈趨勢基本和拉延保持一致，故自由回彈趨勢符合各工序內容，工序內容不需要再調整，回彈分析有效。

4.2 最小夾持方案確認

將RPS（ The Reference Point System）點（RPS即汽車設計制造過程中基準點系統，是保證產品質量穩定性引入的檢測點）導入后進行夾持回彈計算，進而確定回彈最小夾持方案（用最小的支撐點使零件的回彈達到平衡狀態），再進行回彈補償。由于該車門內板帶窗框，不太方正且面積較大，考慮到放件的平衡性，可以從5 個RPS 點中選出任意4 個RPS 點作為夾持點，這樣就有5 種夾持方案。門內板是平躺檢測且要滿足RPS 點在只支撐不夾持的狀態下貼死，所以只需模擬5 種支撐方案即可。

該車門內板的RPS 點及5 種支撐方案回彈情況如圖12 所示，5 種支撐方案關鍵點的回彈值對比如圖13 所示。可知，與方案1、2、5 相比，方案3、4的回彈值極差最小，內飾板安裝面及RPS 點位置的回彈值均較小，且方案3、4 的回彈值比較接近，說明腰部中間的2 個RPS 點對回彈的作用不明顯，可以考慮取消腰部中間的2 個RPS 點。方案6 的回彈值如圖14 所示，方案6 與方案3、4 相比，回彈很接近，故方案6 為最小支撐方案。

圖14 最小支撐方案回彈值Fig.14 Minimum springback of support schemes

4.3 回彈補償

零件產生回彈的根本原因是發生了彈性變形，故零件的回彈主要產生于成形工序即拉延和整形工序[16-19]，所以首先嘗試補償拉延、整形工序，并逐步增加補償工序，再結合工序排布及工序間的符型問題。有以下3 種回彈補償方案：方案1，僅補償OP10（拉延）；方案2，補償OP10、OP20、OP30、OP40（法蘭整形）；方案3，全工序補償。

先按照方案1 進行回彈補償（補償系數為1，光順系數為0.7），僅補償OP10 工序迭代3 次的結果如圖15 所示。可知，雖然回彈結果比較接近±0.5 mm的標準，但在鎖孔下面法蘭區域及窗框上部區域，回彈均超出1 mm，不滿足回彈補償標準（補償標準：關重區域100%達到±0.5 mm 而整體90%達到±0.5 mm），若再進行第4 次迭代會破壞產品型面，故補償方案1的效果不太理想，需要再按照其他方案進行補償。

圖15 補償方案1 回彈結果Fig.15 Springback result of compensation scheme 1

按照方案2 進行補償迭代2 次的回彈結果如圖16 所示。可知，僅迭代2 次就滿足了回彈補償的標準，且不影響成形性，證明回彈補償方案2 有效，無須再進行方案3 的回彈補償驗證。在回彈補償過程中，由于要達到理想的補償效果可能會導致型面產生凸起、波浪和曲率反轉等現象[20-22]，故需要對補償后的法蘭面等關重區域進行型面重構，保持曲率和原產品一致，且為了保障補償效果，控制重構后的型面和補償面的偏差在±0.2 mm 范圍內。對重構后的型面還要進行回彈分析驗證，直到滿足回彈補償標準。

5 成形及回彈補償效果驗證

在設計環節做好回彈補償后，還需對模具的整個制造環節如加工、裝配、調試、研配、樣件制作及樣件檢測等進行有效管控。具體措施如下：1）采用強壓、弱壓工藝和模具變形補償等模面精細化技術對模具型面進行精細化處理；2）采用藍光掃描技術對加工后的全工序模具進行掃描，消除加工精度及加工刀具磨損等帶來的影響，保障模具型面的加工精度要求；3）采用理論藍油圖技術指導鉗工調試、研配，模具型面著色區域與理論藍油圖一致且藍油著色率須≥90%[23-25]。

對模具調試、研配穩定后，進行零件取樣檢測。該車門內板的首輪樣件無成形性問題，從首輪全工序件中抽取3 個零件進行回彈面差檢測，結果如圖17所示。面差手工檢測合格率為85.29%（面差要求≤±0.5 mm，該階段合格率要求≥70%），其中關重法蘭區域34 個點中有5 個點超差。后續還會進行模具穩定性調試，待光潔度提升后合格率會穩步上升，滿足零件的合格率要求，證明了前期成形性分析及回彈補償的準確性。

圖17 首輪樣件及手工檢測結果Fig.17 First round of samples and manual test results

6 結論

通過對該5 系鋁合金整體式車門內板的成形難點、深度對標進行分析，再應用CAE 分析技術進行成形性及回彈分析，得出了如下結論：

1）從鋁合金整體式車門內板的深度對標結果及成形性解決過程來看，鋁合金整體式車門內板的深度應保持在150 mm 內為最佳。

2）通過CAE 分析技術，有效預測了鋁合金門內板的成形性，并提出了如降低零件深度以及通過調整門洞止口來加大側壁的拔模角、R 角等措施來改善鋁合金門內板成形性的方案，為鋁合金門內板的成形性改善和工藝設計提供了強有力的參考。

3）通過前期的鋼、鋁理論回彈公式，得出了鋁合金回彈值是低碳鋼回彈值2.6 倍的結論，并用CAE分析技術驗證了其正確性。

4）應用CAE 分析技術對模具型面進行回彈補償，形成了一套鋁合金車門內板回彈預測及控制的合理解決方案。

5）保障了5 系鋁合金門內板開發的成功率，提高了產品質量。