某車型前縱梁外板成型工藝及零件品質控制研究

摘要：汽車前縱梁的材質一般為高強鋼或熱成型鋼，對精度要求較高，需嚴格避免扭曲回彈現象。文章以某車型為例，研究前縱梁外板成型工藝及零件品質控制的方法。首先，通過分析汽車前縱梁外板的形狀結構、材料性質及工藝難點，明確了零件的成型方式和工序劃分；其次，詳細介紹了工序規劃流程，包括有限元分析的參數設置、分析過程中的關鍵技術要點以及通過優化坯料設計提升材料利用率的策略；最后，探討了利用計算機輔助工程（CAE）技術制訂最優工藝方案的方法。通過實施回彈補償機制，提升零件的首次出件精度，減少后續調整次數，從而達到控制零件品質的目的。此研究成果不僅為案例車型的制造優化提供了實踐指導，而且還為類似結構零件的工藝設計及回彈控制提供了參考范例。

關鍵詞：前縱梁；工藝設計；成型分析；回彈補償

中圖分類號：U466" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）09-0097-05

0 引言

汽車前縱梁作為車輛的核心承載部件之一，其前端連接防撞梁，后端連接車身，是碰撞的重要傳力路徑。在發生碰撞事故時，其潰縮區域具有吸收碰撞能量的作用。此部件通常由縱梁外板與內板焊接而成，形成高強度的型腔斷面結構。由于零件需要搭接減震塔，為確保發動機艙安裝空間充足及縱向載荷承載穩固，前縱梁的設計對精度要求較高，尤其要避免任何可能導致零件扭曲或回彈的制造缺陷。隨著汽車碰撞安全標準越來越高，因此前縱梁的材質多選用高強鋼或熱成型鋼，但是這些材料給制造加工工藝增加了復雜度與難度。在針對高強板的回彈補償的研究中，楊慶波等［1］從回彈抑制和回彈補償兩個方面總結了影響回彈的因素，但未深入探討具體的回彈補償策略；王慶雨等［2］ 提出在拉延工序采用反拉延檻結構以控制反弧及側壁回彈，并在切邊工序進行符型處理，同時在翻邊整形工序采取精度矯正策略確保零件精度，但未就如何獲取穩定、合理的原始回彈結果作為補償依據，從而得出正確且貼近實際的補償結果的問題進行深入研究；丁順風等［3］針對回彈補償方案，建議減少RPS（定位參考點系統）點支撐計算，以判定零件真實回彈狀態的最小夾持方案作為補償依據，但對于回彈較大的高強板零件，僅憑減少RPS點支撐計算難以確保零件穩定支撐。鑒于此，本文基于零件支撐穩定性原則，提出了轉換支撐點的策略。以某車型前縱梁外板為例，探討前縱梁外板成型工藝及零件品質控制的方法，通過剖析工藝流程、優化工藝參數、實施精密的回彈補償措施等手段，確保前縱梁外板能夠達到較高的制造精度，從而整體提升車輛的安全性能與品質。

1 成型性分析

1.1 零件結構特點

圖1為前縱梁外板示意圖。外板材質為B400/780DP高性能合金，厚度為1.4 mm，具體材料參數見表1。按照汽車行業通用的車身坐標系，前門內板的X方向長度為948 mm，Z方向寬度為563 mm，Y方向深度為319 mm。前縱梁外板零件結構有以下特點：①造型扁平化，由于材質是屈服強度為487 MPa、抗拉強度為837 MPa的高強鋼，因此零件回彈難以把控。②零件周圈均是搭接區域，搭接范圍廣，零件精度要求高。

1.2 成型過程分析

在設計前縱梁外板的成型工藝時，確定拉伸模的沖壓方向尤為重要，因為它直接關系到拉伸模面的補充效果及最終零件的表面質量。選擇沖壓方向時，必須綜合考慮模具的閉合高度、零件的拉延深度、側壁的拔模角度以及工序之間的旋轉角度等因素。由于前縱梁是“V”形件，因此若沖壓方向設定不合理，極易導致壓邊圈在閉合過程中與板料的接觸時序不一致，進而引發板料竄位等問題，不僅會嚴重影響零件成型的穩定性和精度，而且還會增加后續調試的難度。前縱梁外板成型過程如圖2所示，為確保成型過程的穩定性，將起始板料置于壓邊圈上，并將凹模設計為向下閉合時能夠同時且均勻地與板料左右兩側接觸，從而有效避免一側先接觸導致的板料偏移現象，確保板料成型的穩定性。此外，結合零件形狀特點，采用“T”形布局方式，以最大化材料利用率。

在進行成型分析時，結合沖模調試經驗和實際工況條件，將有限元分析模型中的摩擦系數設置為0.15，壓力機滑塊行程設置為900 mm，沖壓速度設置為1 500 mm/s。其他工藝參數（如壓邊力、壓邊圈行程、壓料力及壓料板行程）也都采取了單獨設置的方式［4］，沖壓工藝參數見表2。

1.3 成型工序劃分

成型工序劃分如下：①工序OP10（拉延）。該工序通過拉伸一次性塑造出零件的全部型面。②工序OP20（切邊+沖孔）。該工序旨在釋放板材在拉延過程中累積的大部分應力。③工序OP30（切邊+沖孔）。該工序進一步細化零件邊緣，切除剩余廢料，并完成所有功能孔的沖制。④工序OP40（整形）。作為最終調整工序，整形旨在確保產品精度達標。四道工序的工法圖見圖3。如圖3所示，從工序OP30切邊及沖孔完成后的零件回彈結果看，零件兩端下塌，中間拱起，零件回彈量很大，因此前期的工法設置需要盡量控制零件回彈量，后期回彈補償才能更理想，更能保證產品精度。針對工序OP30完成后零件回彈的問題，可以從設計與工藝兩方面進行控制。

（1）零件結構設計優化。根據CAE分析結果，建議在非搭接區域增加型面造型，使板料拉延更充分，從而減少回彈現象。

（2）成型工藝方案選擇。通過CAE分析對比以下兩種整形方案：方案1，分模線中間拱起區域采用上模壓料芯壓料，下塌區域設置鑲塊整形；方案2，大面區域采用上模壓料芯，搭接法蘭區域設置鑲塊整形。雖然兩種方案在回彈控制上效果相近，但是考慮到方案2在壓料面積、整形范圍及整形面平整度上的優勢，并且能高精度涵蓋搭接區域，最終確定該方案為更優選擇。方案1與方案2切邊完成后的零件回彈效果見圖4。

2 回彈補償設計

2.1 沖壓回彈形成的類型

基于簡單的成型過程，對沖壓回彈進行分析計算，回彈的類型可分為純膜應力回彈、純彎曲應力回彈、拉伸疊加彎曲應力回彈［5］。

將一條長1 m的薄板條料拉長50 mm，根據實驗數據代入以下公式，計算得出純膜應力回彈量（[ε]）為

[ε=△LL0=50 100 =0.05] = 5%，" " " " " " " " " "（1）

其中：[△L]為薄板條料的拉伸長度，[L0]為薄板條料的長度。

鋼的楊氏模量（[Emod]）是210 000 N/mm2，從應力應變曲線中可以讀出應力值，5%應變對應的應力值（[σmem]）大約為210 N/mm2，將其代入以下公式進行計算，得出卸載后金屬薄板料帶的回彈量（LSB）為

[LSB=σmemEmod×L0=210210 000×1 000=1]。" " "（2）

采用DC05材質、厚度為2 mm的板料，繞半徑r =19 mm的圓角進行彎曲實驗（如圖5所示），研究板料帶彎曲卸載后的回彈。板料在中性層半徑處的彎曲半徑為

[rm=r+12×S0=19+1=20]，" " " " " " "（3）

其中：[rm]為板料中性層半徑，[S0]為板料厚度。

板料繞半徑r圓角彎曲后，外層板料的應變（[εouter]）為

[εouter=S02×rm=22×20=0.05=5%]。" " " "（4）

從應力應變曲線中可以得出，5%的應變對應的應力大小（σ）=210 N/mm2，90°的包角=弧度（[α]）=0.5π，代入以下公式得出板料的回彈量（u）為

[u=l×tan2×rm×α×σouterS0×Emod=200×tan （2×20×0.5π×2102×210000）=6.28]，" " " " " " " " " " "（5）

其中，[l]為懸臂長度。

[圖5 彎曲實驗圖]lt;D：＼企業科技與發展＼2024年＼9期＼2024-9期＼Image＼image7.pnggt;[r m][I =200 mm][DCOS][S0=2 mm][r =19 mm][S0=2 mm][U]

現有研究表明，膜應力作用下的回彈量為最小。然而，對于大型零件，必須考慮這一因素帶來的影響，并對模具進行彈性縮放調整。相較于純膜加載，塑性彎曲加載卸載后會保留殘余應力于零件內，這些殘余應力是導致零件凸起和不穩定回彈的主要原因。因此，進行有限元回彈分析模擬時，建議采用多層殼單元模型，以更貼近實際結果。相較于純彎曲回彈，拉伸疊加彎曲的回彈量更小，這歸因于內外應力差值的減小。此原理合理解釋了拉延過程越充分，零件回彈量越小的原因。基于此，某車型前縱梁外板采用了拉延成型方案，旨在最大限度地發揮板料的延展性，從而有效控制回彈。

2.2 回彈補償的必要性

根據材料特性，零件成型后均會存在一定程度的回彈量。相比普通鋼板，高強鋼（HSS）和鋁合金（AL）的回彈現象尤為顯著。高強鋼因抗拉強度最高，回彈最大；而鋁合金因彈性模量及抗拉強度相對較低，回彈也較為明顯。某車型前縱梁外板采用B400/780DP高強鋼材質采用，有限元分析結果顯示其兩端出現16 mm的負回彈（下塌），中部出現6.7 mm的拱起回彈，此回彈現象將直接導致與減震塔包及車身其他部位的精度搭接不合，進而通過尺寸鏈的疊加效應，可能引發整車部件匹配問題，影響整車的工藝美觀性及安全性。因此，針對沖壓件進行回彈補償是提升零件精度、縮短制造周期及降低開發成本的有效措施。

2.3 零件回彈補償策略

2.3.1 原始數據回彈計算完整性及正確性檢查

回彈補償是一種依據過往項目經驗或軟件模擬分析預測回彈量，并在模具型面制作階段進行反向修正的方法，旨在消除回彈造成的尺寸偏差。確保回彈量預測計算的準確性是實施有效回彈補償的前提，這要求嚴格保證原始數據的完整性及正確性，為正確預測奠定基礎，并影響回彈預測結果的評價。主要檢查內容如下。

（1）模擬預測與模具結構的一致性。在模擬預測計算時，確保每一道工序的工具體型面設置與模具結構圖保持一致，同時根據現場拉延模調試情況，模擬壓邊圈和凹模的研配狀況，需特別注意筋條外側20 mm區域的藍單著色情況及筋條以外區域的過渡讓空，盡可能還原現場實際工況，以獲得貼近實際的計算預測結果。

（2）定位穩定性與可靠性。需確保料片和零件在工序過程中不會發生偏移和旋轉。此外，回彈計算的每一道工序中，定位銷的設置應避免與零件干涉，以防頂起零件導致錯誤的回彈預測結果。

（3）壓料板設置的合理性。檢查后續工序中壓料板的設置，確保其在閉合時不會壓傷零件，從而避免引起應變指數超差。壓料板若參與整形并壓傷零件，將會導致零件狀態不穩定，進而影響對回彈結果的判斷。

（4）最終工序與檢具設置的一致性。在最后一道工序的回彈計算中，工具體的設置方向必須與檢具設計方向保持一致，并且支撐和夾持狀態也應與檢具設置相匹配，以避免因重力作用及杠桿原理導致的預測結果偏差。

2.3.2 回彈補償方案

本文針對某車型前縱梁外板的回彈補償策略，是在OP10拉延工序中，根據OP40全工序的回彈情況進行反向補償。板料加載變形過程復雜，其內部不同區域承受大小和方向各異的拉壓應力，各單元節點處于復雜的應力應變狀態［6］。因此，回彈補償量的確定需基于詳細分析，而非簡單的1∶1反向修正，并可能需要多次迭代補償。OP20與OP30作為切邊工序，其模具型面需分別要按照OP10與OP20工序件的形狀進行適配，以確保零件在切邊過程中不會因回彈過大而不穩定或受損，同時避免二次成型引起的尺寸偏差。OP40整形工序主要用于微小校型及預防實際調試中的必要整改，起到減少整改次數并縮短周期的作用。其模面的主型面回歸產品零件設計，而與車身搭接的法蘭面則根據車身裝配需求設定偏置公差，該公差補償量在OP40工序中體現。

針對零件大面積且顯著的回彈現象，直接用RPS點支撐進行回彈補償計算，可能導致支撐點對應位置的回彈量變大，進而影響回彈結果的準確性。因此，原始數據（未補償前）的回彈計算需在最終工序中進行調模支撐點的回彈分析。支撐點的選擇需遵循回彈量小、零件支撐穩定的原則，以確保基準切換后零件回彈狀態的一致性。調模支撐點和RPS點位置圖見圖6。

CAE分析步驟與實際成形工序步驟一致，最終應在回彈補償后的零件與檢具上零件擺放狀態一致的條件下進行回彈支撐分析，并確保分析結果符合要求。同時，考慮到模具加工和壓力機工作的誤差，理論分析時應將公差嚴格控制在60%以內，非偏置公差區域的主型面面差需控制在±0.3 mm范圍內。

3 零件檢測

回彈補償后CAE的分析結果如圖7所示。在理論分析中，零件回彈被控制在±0.3 mm范圍內，實際測量結果雖有細微偏差，但回彈趨勢與預測保持一致。模具加工與調試完成后，首次試制樣件檢測顯示合格率為85%，主要問題在于與車身搭接的法蘭面尺寸超出公差范圍。深入分析發現，材質參數微小差異、模具光潔度及板料潤滑導致的實際摩擦系數與理論分析值不完全一致，可能是影響零件回彈的關鍵因素。針對上述問題，根據實際出件情況，在OP40工序進行了補償調整，最終使零件合格率達到了GDamp;T（幾何尺寸和公差）要求的標準。在此過程中，零件僅需經過兩次品質優化整改，整改周期明顯縮短。

4 結語

汽車前縱梁作為車輛的關鍵承載結構，其前端與防撞梁連接，后端則接入車身框架，是車輛最重要的承載部件之一。其材質為高強鋼，零件精度要求高且難以控制。面品質量和精度的精確控制對提升整車質量至關重要。前縱梁的加工精度直接影響車身裝配精度、整體剛度及碰撞安全性能。因此，需通過前期合理的工藝規劃與設計，利用CAE軟件進行模擬分析，預先評估各工序的成形效果與回彈趨勢，為后續模面優化與回彈補償提供準確的數據支持。通過反復迭代調整，不斷優化模具型面與加工參數，確保零件的成形精度與面品質量達到設計要求。在此基礎上，實施回彈反向校型補償技術，進一步抵消材料回彈導致的尺寸偏差，提高零件終檢合格率。此技術的應用不僅能夠有效縮短模具調試周期，降低調試難度，而且還能夠顯著提升生產效率與產品質量穩定性。

5 參考文獻

［1］楊慶波，陳雪元，王達鵬，等.淺談汽車高強鋼回彈控制技術［J］.鍛造與沖壓，2022（10）：26-31.

［2］王慶雨，單浩，時巖林，等.縱梁設計優化及回彈補償［J］.鍛造與沖壓，2021（18）：29-34.

［3］丁順風，張勝利，劉慶，等.汽車行李箱外板上段回彈補償方案研究［J］.模具工業，2024，50（4）：26-31.

［4］蔣磊，王龍，謝蛟龍，等.汽車覆蓋件集成制造技術應用研究［J］.模具工業，2021，47（11）：33-39.

［5］涂小文.軟件回彈計算及補償技術揭秘［M］.湖北：湖北科學技術出版社，2013．

［6］夏迎飛.夏成飛.陳會會.發動機罩外板典型缺陷分析及對策研究［J］.模具工業，2020，46（6）：16-20，25.

*廣西重點研發計劃項目“基于熱力耦合效應的連續高速沖壓模具高效散熱設計及其工業示范”（AB22035044）。

【作者簡介】麻健梅，女，廣西崇左人，本科，工程師，研究方向：沖壓技術及模具開發；孫光輝，男，內蒙古赤峰人，本科，工程師，研究方向：沖壓技術及模具開發；韋旺華（通信作者），男，廣西來賓人，本科，高級工程師，研究方向：沖壓技術及模具開發。

【引用本文】麻健梅，孫光輝，韋旺華.某車型前縱梁外板成型工藝及零件品質控制研究［J］.企業科技與發展，2024（9）：97-101.