翼子板沖壓回彈優(yōu)化方法及應(yīng)用

閆 巍，張 健，王 剛，李 悅

（一汽模具制造有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130013）

0 引 言

板材沖壓CAE 分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車沖模行業(yè)，近年來(lái)在開發(fā)周期持續(xù)被壓縮、客戶對(duì)質(zhì)量要求逐漸提高的背景下發(fā)揮了重要的作用。模具設(shè)計(jì)階段，利用CAE 分析技術(shù)進(jìn)行前期工藝分析，指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)、零件結(jié)構(gòu)變更、工藝優(yōu)化及回彈補(bǔ)償，減少甚至避免調(diào)試階段的整改；模具調(diào)試階段，利用CAE 分析技術(shù)進(jìn)行虛擬試模，再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試問題，并驗(yàn)證整改方案的有效性，避免鉗工試錯(cuò)法的調(diào)試導(dǎo)致問題無(wú)法解決及制造周期長(zhǎng)等弊端[1-5]。

眾多汽車覆蓋件中，翼子板與側(cè)圍、門板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前保險(xiǎn)杠、燈具零件都有匹配關(guān)系，如圖1 所示，其尺寸精度要求高，部分企業(yè)要求匹配尺寸精度為±0.3 mm，且零件形狀復(fù)雜，成形難度大，尺寸精度較難控制，表面質(zhì)量要求高，因此翼子板與側(cè)圍并稱為汽車白車身上的關(guān)鍵部件。能否獨(dú)立開發(fā)高檔轎車側(cè)圍、翼子板的模具成為衡量沖模企業(yè)能力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[6]。

圖1 翼子板匹配示意圖

基于上述原因，利用AutoForm 模擬軟件及光學(xué)掃描檢測(cè)技術(shù)[7]對(duì)翼子板沖壓回彈分析及回彈補(bǔ)償過程中涉及的減小回彈量的工藝優(yōu)化方法進(jìn)行介紹，并結(jié)合實(shí)際案例對(duì)工藝優(yōu)化效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 回彈產(chǎn)生機(jī)理

板料沖壓成形屬于塑性變形，材料拉伸曲線表明：塑性變形伴隨彈性變形階段，而彈性變形是產(chǎn)生回彈的根本原因，具體包括：平面拉伸應(yīng)力回彈、彎曲回彈、拉伸疊加彎曲應(yīng)力回彈（拉伸應(yīng)力+純彎曲應(yīng)力）。拉伸應(yīng)力回彈：板料厚度方向應(yīng)力分布均勻，僅在平面方向受拉伸或壓縮，載荷釋放后產(chǎn)生的彈性恢復(fù)。彎曲應(yīng)力回彈：彎曲變形，中性層一側(cè)受拉、另一側(cè)受壓，卸載后兩側(cè)彈性恢復(fù)產(chǎn)生的回彈[8，9]。

汽車覆蓋件多為拉伸應(yīng)力回彈疊加彎曲應(yīng)力回彈，如圖2所示。

圖2 回彈產(chǎn)生原因

不同材料在相同的工藝條件下，因彈性模量和材料強(qiáng)度的不同，所產(chǎn)生的回彈量也不同，如高強(qiáng)鋼與普通鋼相比，彈性模量相同，但高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高，回彈量也更大。鋁板與低碳鋼板相比，彈性模量小，即使兩者達(dá)到相同的應(yīng)變值，鋁板彈性應(yīng)變和回彈量也更大，如圖3所示。

2 翼子板回彈工藝優(yōu)化方法

翼子板沖壓成形包括拉深、修邊、翻邊整形等工序，且每個(gè)工序都會(huì)產(chǎn)生回彈，通過分析各工序件的回彈變化，確定回彈產(chǎn)生的原因，才能有效制定回彈優(yōu)化方案?；貜椏刂品椒ㄖ饕▋煞矫妫阂皇峭ㄟ^工藝優(yōu)化方法改善零件應(yīng)力分布以減少回彈；二是對(duì)型面數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。但是對(duì)于表面質(zhì)量要求高的外覆蓋件，在回彈量較大時(shí)，為保證表面質(zhì)量，回彈補(bǔ)償量和補(bǔ)償效果難以達(dá)成一致。因此在回彈補(bǔ)償前應(yīng)通過工藝優(yōu)化手段減少回彈，降低回彈補(bǔ)償。

圖3 不同材料的回彈量

翼子板回彈主要來(lái)自于翻邊、整形工序，非均勻翻邊，即“多料少料”翻邊是導(dǎo)致零件主型面回彈的主要原因，圖4所示為翻邊面多料狀態(tài)。

圖4 翻邊面多料狀態(tài)

一般情況翼子板向下翻邊時(shí)，多料翻邊存在中間低、兩端高的現(xiàn)象，少料翻邊時(shí)則中間高、兩端低；向上翻邊時(shí)則相反。表1 所示為整理的主型面形狀與翻邊輪廓形狀匹配后的多料、少料狀態(tài)。

表1 下翻邊輪廓形狀多料少料翻邊狀態(tài)

翼子板與其他零件匹配主要位置如圖5 所示，一區(qū)為門板匹配區(qū)，二區(qū)為輪口匹配區(qū)，三區(qū)為發(fā)動(dòng)機(jī)罩匹配區(qū)。

2.1 一區(qū)工藝優(yōu)化方法

一區(qū)的主型面為凸型，翻邊輪廓近似為直輪廓，在直翻邊時(shí)為多料翻邊，導(dǎo)致主型面呈中間低、兩端高，后工序斜翻邊時(shí)則為少料翻邊，主型面又變?yōu)橹虚g高、兩端低的趨勢(shì)，且這種少料趨勢(shì)會(huì)因零件翻邊高度的增加而變得更明顯，因此控制一區(qū)回彈的主要工藝優(yōu)化方法如下。

圖5 翼子板零件匹配位置

（1）在拉深工序的工藝補(bǔ)充上增加存料，直翻邊時(shí)不過多消耗凹坑里的存料，為后工序斜翻邊預(yù)留材料。圖6所示為工藝補(bǔ)充增加翻邊存料前后的回彈對(duì)比。

（2）改變拉深工藝補(bǔ)充深度，即改變后工序直翻邊高度，實(shí)現(xiàn)門側(cè)平面度改善，如圖7所示。

圖6 增加存料坑前后回彈對(duì)比

圖7 改變工藝補(bǔ)充深度前后回彈對(duì)比

（3）調(diào)整零件結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺诮顢?shù)量，控制主型面高低變化，如圖8所示。

（4）更改直翻邊深度，如圖9 所示，翻邊深度減小后，回彈高低差從5.4 mm降至3.3 mm。

2.2 二區(qū)工藝優(yōu)化方法

二區(qū)為翼子板輪口區(qū)，翻邊輪廓為凹形，一般情況為少料翻邊，會(huì)導(dǎo)致主型面中間高、兩端低。另外有些車型翼子板此處棱線銳利、零件高低差大，為避免拉深時(shí)零件開裂，需要放大此處圓角，后工序再進(jìn)行整形處理，這樣會(huì)導(dǎo)致此處回彈不易控制?？刂贫^(qū)回彈的主要工藝優(yōu)化方法如下。

圖8 調(diào)整結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺诮顢?shù)量

圖9 更改直翻邊深度

（1）輪口斜翻邊改為正翻邊，圖10 所示為更改3°翻邊角度前后的回彈對(duì)比，回彈量從0.67 mm 降至0.25 mm，滿足公差要求。

圖10 翻邊角度更改

（2）拉深成形盡量達(dá)到最終零件形狀，減少整形量，減少因整形量過大造成翻邊工序貼模性差及最終成形零件回彈量大的情況，如圖11所示。

圖11 減少整形量

（3）拉深增加存料包，為后工序翻邊預(yù)留材料，如圖12所示。

圖12 增加存料包

（4）直翻邊、側(cè)翻邊改為壓料翻邊，使翻邊過程中翻邊面板料受控，如圖13所示。

（5）根據(jù)翻邊時(shí)的多料、少料狀態(tài)進(jìn)行不同時(shí)翻邊，即聚料位置先翻邊。

2.3 三區(qū)工藝優(yōu)化方法

三區(qū)為與發(fā)動(dòng)機(jī)罩匹配區(qū)，控制方法如下所述。

圖13 壓料翻邊

（1）拉深成形盡量達(dá)到最終零件形狀，減少整形量，如圖14所示。

圖14 減少整形量

（2）工藝補(bǔ)充加存料坑，為后續(xù)翻邊存料，改善主型面平面度，如圖15所示。

翼子板其他區(qū)域，如與保險(xiǎn)杠匹配的結(jié)構(gòu)面，一般間隙偏大，因此需要整體向外偏移，一般偏移量為0.3 mm或根據(jù)CAE分析結(jié)果確定。

圖15 工藝補(bǔ)充增加存料

上述為翼子板回彈工藝優(yōu)化方法，在工藝設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行嘗試，盡量通過工藝優(yōu)化減小回彈，降低補(bǔ)償風(fēng)險(xiǎn)。

3 翼子板回彈工藝優(yōu)化案例

某翼子板輪口位置工藝內(nèi)容為過拉深處理，后工序進(jìn)行翻邊整形，如圖16所示。

圖16 翻邊工藝形式

該工藝形式的CAE 分析結(jié)果顯示：輪口翻邊后，在翼子板角部位置會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的扭曲現(xiàn)象，回彈量為-12.5 mm，如圖17 所示。同時(shí)因扭曲會(huì)導(dǎo)致前工序零件放置在后工序模具上不穩(wěn)定的問題，最大間隙為5.5 mm，如圖18所示。

圖17 翻邊后回彈

圖18 后工序放置工序件狀態(tài)

基于上述問題進(jìn)行工藝優(yōu)化，其方法與前述一致，主要包括拉深存料、先后順序翻邊、壓料翻邊等。經(jīng)過多次優(yōu)化分析，翼子板角部扭曲狀態(tài)沒有明顯改善。由于翼子板角部扭曲量過大，若進(jìn)行A面區(qū)域整改，將導(dǎo)致表面質(zhì)量無(wú)法保證，同時(shí)因模具開發(fā)周期限制，翼子板角部位置不進(jìn)行回彈補(bǔ)償，待模具成形零件后，依據(jù)實(shí)際結(jié)果制定整改方案。實(shí)際成形的零件在檢測(cè)支架上未夾緊時(shí)，翼子板角部位置與夾緊點(diǎn)不貼合，存在成形零件扭曲，如圖19 所示。同時(shí)零件光學(xué)檢測(cè)結(jié)果與前期CAE分析結(jié)果一致，如圖20 所示，因此需要重新考慮此處尺寸回彈整改方案。

經(jīng)過多次嘗試，最終確定的整改方案為取消輪口中間過拉深，結(jié)果如圖21所示。從CAE分析回彈結(jié)果看，翼子板角部扭曲改善明顯，但成形零件全夾持時(shí)，中間型面低，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與CAE 分析結(jié)果一致，如圖22 所示。對(duì)于輪口型面偏低的問題，后期經(jīng)過裝車確認(rèn)并無(wú)明顯影響，無(wú)需進(jìn)一步整改。

圖19 零件在檢測(cè)支架上

圖20 光學(xué)檢測(cè)與CAE分析回彈結(jié)果對(duì)比

圖21 整改前后對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）在分析條件合理的前提下，板料成形CAE分析技術(shù)可對(duì)回彈進(jìn)行有效判定。

（2）翼子板沖壓的回彈主要是由翻邊工序?qū)е?，因此控制翻邊過程的多料、少料狀態(tài)是優(yōu)化該零件回彈的關(guān)鍵。

（3）盡量通過工藝優(yōu)化方法減小回彈，降低回彈補(bǔ)償帶來(lái)的表面質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

（4）工藝設(shè)計(jì)階段對(duì)回彈進(jìn)行評(píng)估可避免前期問題遺留，造成后期整改代價(jià)較大。

圖22 整改后CAE分析與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果