乘用車翼子板沖壓回彈補(bǔ)償方法研究

崔愛(ài)豹 劉暢 郭曉東 王強(qiáng)

（1.一汽模具制造有限公司，長(zhǎng)春 130000；2.長(zhǎng)春創(chuàng)元模具設(shè)計(jì)有限公司，長(zhǎng)春 130000）

1 前言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出新能源造車新勢(shì)力，與傳統(tǒng)車企競(jìng)速發(fā)展。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，汽車制造技術(shù)也隨之飛速發(fā)展，成本控制、新車型開發(fā)速度、新技術(shù)應(yīng)用等核心因素決定了誰(shuí)能在市場(chǎng)中分得一席之地。為了應(yīng)對(duì)高效率生產(chǎn)，人工組裝早已不能滿足需求，自動(dòng)化生產(chǎn)線也早已是汽車總裝的主流。自動(dòng)化焊裝生產(chǎn)車間相較于人工操作具有效率高、精度高、質(zhì)量高等特點(diǎn)。而自動(dòng)化生產(chǎn)線不具備對(duì)制件的矯正功能，只有在尺寸公差范圍內(nèi)的制件才能正確組裝。這就對(duì)單制件的尺寸有更高的要求。而當(dāng)前汽車覆蓋件仍以金屬鋼、鋁合金為主流，金屬制件回彈難以滿足裝車需求。

針對(duì)制件回彈，很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)整車廠采用工裝矯正的方法，將制件安裝匹配面尺寸加以矯正，但該方法具有局部性、效率低等劣勢(shì)，適用于小批量的車型生產(chǎn)過(guò)程。為滿足大批量裝車需求，當(dāng)前汽車覆蓋件甚至結(jié)構(gòu)件在前期沖壓工藝開發(fā)階段就需要采取手段，對(duì)制件回彈進(jìn)行補(bǔ)償，使制件在工裝夾具狀態(tài)下尺寸滿足品標(biāo)要求。翼子板產(chǎn)生回彈的主要原因是彎曲部位的拉壓應(yīng)力釋放，塑性變形時(shí)存在彈性恢復(fù)和零件內(nèi)應(yīng)力不均等[1]。解決回彈的方法就是使用過(guò)量彈性變形，即回彈補(bǔ)償。以翼子板為例，介紹回彈補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程。

2 基礎(chǔ)模擬文件的制定

為滿足更高效、更優(yōu)質(zhì)的裝配要求，沖壓制件需要保證狀態(tài)穩(wěn)定、尺寸精度高。因此前期成形性模擬分析的過(guò)程和結(jié)果要穩(wěn)定、可靠，即需要檢查模擬文件以下6 點(diǎn)內(nèi)容。

a.輸入信息檢查，包括產(chǎn)品數(shù)模版本、材料卡片選用、參數(shù)設(shè)置、板料軋制方向等基礎(chǔ)信息；

b.檢查工序內(nèi)容設(shè)置是否與最新的沖壓工藝一致，工具體面、線、方向是否與工藝一致，壓料板空開是否與實(shí)際一致等工序內(nèi)容設(shè)置；

c.制件成形性檢查，回彈補(bǔ)償?shù)那疤崾侵萍尚文M過(guò)程中無(wú)開裂、起皺等成形性問(wèn)題。

d.收斂性檢查，只有收斂性沒(méi)有問(wèn)題的模擬結(jié)果才是穩(wěn)定可信的；

e.檢查制件與凸模的貼合狀態(tài)以及制件在模具上的定位可靠性；

f.檢查制件規(guī)定的檢測(cè)方式，通常分為模具方向和車身方向兩種，需要在回彈工序設(shè)置相應(yīng)的制件狀態(tài)。翼子板通常是車身方向檢測(cè)，檢測(cè)支架如圖1 所示。

圖1 翼子板檢測(cè)支架

3 工具體縮比

3.1 縮比數(shù)值的設(shè)置

縮比數(shù)值的確定通常有2 個(gè)來(lái)源。

a.CAE 軟件推薦值。CAE 軟件會(huì)根據(jù)材料性能參數(shù)給出一個(gè)推薦值，通常這個(gè)推薦值會(huì)比較大，需要分析驗(yàn)證該值是否合理，如圖2 所示。

圖2 縮比推薦值

b.不同制件的經(jīng)驗(yàn)值。技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累豐富的模具廠家會(huì)根據(jù)自己的技術(shù)特點(diǎn)、模具開發(fā)經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同的制件總結(jié)出不同的縮比數(shù)值用于模具開發(fā)。

無(wú)論哪種方式獲得的縮比數(shù)值，都需要模擬分析驗(yàn)證，根據(jù)模擬情況進(jìn)行修正。

3.2 縮比合理性檢查

通常情況下，只需要對(duì)拉延工序所有工具體設(shè)置縮比即可，拉延工序也只是設(shè)置X、Y兩個(gè)方向，如圖3 所示。使用自定義的方式，對(duì)X、Y、Z3個(gè)方向設(shè)置一致的縮比數(shù)值。

圖3 縮比值設(shè)定

模擬全工序，并對(duì)后工序以下指標(biāo)再次進(jìn)行檢查。

a.檢查制件在凸模上的貼合性。重復(fù)制件貼合狀態(tài)的檢查，依舊是Locating 狀態(tài)下，貼合越好，定位可靠性也越高，即上工序件在投入到本工序凸模時(shí)發(fā)生竄動(dòng)的現(xiàn)象越不易出現(xiàn)。

b.檢查制件是否有異常塑性形變。在Cls Pad狀態(tài)下，檢查Plastic Strain Rate 指標(biāo)，如果是局部尖點(diǎn)、圓角超出標(biāo)準(zhǔn)值，可將其從具體面中剔除，而如果存大面積變形缺陷，則需要做相應(yīng)處理。如圖4 所示，局部尖角和圓角量值超標(biāo)，而實(shí)際模具實(shí)體加工中，壓料板此類尖角特征對(duì)應(yīng)區(qū)域都會(huì)做空開處理，因此模擬過(guò)程中可以將其去除。

圖4 異常塑性形變檢查

4 制件的定位

全工序模擬中，需要判斷制件定位的穩(wěn)定性。對(duì)于內(nèi)板，可利用制件本身的孔進(jìn)行后工序定位。而對(duì)于外板，本身沒(méi)有可用來(lái)定位的孔，此時(shí)，模擬過(guò)程中需要給制件增加虛擬的孔，以便制件定位，對(duì)于立檢的制件還能起到懸掛的作用。

回彈定位孔選擇的要求如下。

a.選擇回彈較小的區(qū)域，否則即便自身有孔，如果位于回彈較大尺寸不穩(wěn)定區(qū)域也不能使用；

b.定位孔最少2 處，2 處孔的距離盡量遠(yuǎn)，這樣可增加定位的穩(wěn)定性；

c.回彈定位孔的沖孔方向要與回彈工序銷子插入的方向一致，應(yīng)避免制件沖壓方向轉(zhuǎn)角后檢具定位銷與孔徑不匹配，當(dāng)沖壓方向與檢測(cè)方向沒(méi)有一致的工序時(shí)，可在回彈工序前單獨(dú)設(shè)置工序沖制回彈定位孔；

d.回彈定位孔應(yīng)為圓孔+長(zhǎng)圓孔形式，且長(zhǎng)圓孔直線段應(yīng)與汽車坐標(biāo)系的X或Y向平行，如圖5所示。

圖5 翼子板定位示意

合格的制件定位應(yīng)滿足制件輪廓無(wú)竄動(dòng)、定位銷除制件重力外無(wú)其他受力兩個(gè)基本條件，之后基于穩(wěn)定的模擬狀態(tài)評(píng)估制件回彈狀態(tài)，在進(jìn)行補(bǔ)償糾正之前，需要對(duì)工藝帶來(lái)的回彈進(jìn)行優(yōu)化。

5 沖壓工藝優(yōu)化

如圖6 所示區(qū)域，回彈尺寸擬合后呈現(xiàn)中間高、兩端低的趨勢(shì)，其中正回彈最大值1.0 mm，負(fù)回彈最小值-6 mm。對(duì)于外板而言，如果制件回彈量過(guò)大，就無(wú)法在糾正尺寸的同時(shí)保證A 面質(zhì)量，尤其是對(duì)于翼子板這種A 面特征明顯、過(guò)渡區(qū)狹小的制件，按此尺寸補(bǔ)償后無(wú)法保證A 面質(zhì)量。分析原因是由于此處翻邊缺料，導(dǎo)致翻邊后的法蘭邊存在拉應(yīng)力，使得制件兩端向內(nèi)收縮，如圖7所示。對(duì)于此情況可通過(guò)優(yōu)化工藝減少或消除回彈，例如采取直翻邊時(shí)增加儲(chǔ)料包手段。如圖8 所示，經(jīng)過(guò)多次不同數(shù)量、不同位置的儲(chǔ)料包方案嘗試，制件自由回彈尺寸得到改善，最大負(fù)回彈降低到-1.9 mm，已可以通過(guò)補(bǔ)償消除。

圖6 制件自由回彈狀態(tài)量值

圖7 制件自由回彈狀態(tài)

圖8 工藝改善示意及回彈狀態(tài)

6 補(bǔ)償基準(zhǔn)

基礎(chǔ)模擬文件確定之后，進(jìn)行補(bǔ)償基準(zhǔn)的制定，即夾持方案的確定。夾持方案需要根據(jù)制件品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或按照廠家要求等因素來(lái)確定。最終的目的就是保證回彈狀態(tài)穩(wěn)定，在補(bǔ)償過(guò)程中不能出現(xiàn)回彈突變逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。最終加持方案如圖9 所示，圓圈內(nèi)三處位置夾持，三角框內(nèi)兩處支撐，可獲得邊界較為明顯的穩(wěn)定補(bǔ)償區(qū)域如圖10所示。

圖9 夾持回彈狀態(tài)下補(bǔ)償區(qū)域

圖10 夾持回彈狀態(tài)下補(bǔ)償區(qū)域

7 回彈補(bǔ)償方法

在CAE 仿真分析過(guò)程中，各補(bǔ)償策略既相互獨(dú)立又可以根據(jù)制件的不同位置交叉并存，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析[2]。通常內(nèi)板類對(duì)制件面品要求不嚴(yán)格的，回彈補(bǔ)償可以利用CAE 軟件自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，得到驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格后對(duì)相應(yīng)工具面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)就可以。但對(duì)于外板類對(duì)面品要求高的制件，軟件自動(dòng)補(bǔ)償、整體驅(qū)動(dòng)后面品難以滿足A 面質(zhì)量要求，因此并不適用。A 面回彈補(bǔ)償需要用在CAD軟件中進(jìn)行，步驟如下。

a.明確需要補(bǔ)償區(qū)域的量值和補(bǔ)償方向；

b.按回彈區(qū)域得到初始面O；

c.根據(jù)回彈量值，按照?qǐng)D11 所示操作得到變形面T；

圖11 補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)目標(biāo)面的制作

d.以初始面O以及變形面T為基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品面。

8 回彈補(bǔ)償面檢查

a.斑馬線檢查。在X、Y、Z3 個(gè)方向分別進(jìn)行斑馬線檢查，要求重構(gòu)后曲面與原產(chǎn)品的斑馬線趨勢(shì)一致，線條光順。

b.曲率凹凸性檢查。曲率分析衍射結(jié)果反應(yīng)了曲率凸凹性區(qū)域的分布，要求重構(gòu)后曲面的凸凹性分布與原產(chǎn)品一致。

c.曲率梳檢查。重構(gòu)后的A 面曲率趨勢(shì)應(yīng)近似于原產(chǎn)品曲率。

d.截面線長(zhǎng)差檢查。為了保證經(jīng)過(guò)回彈補(bǔ)償變形的制件在回彈恢復(fù)后能最大限度趨近于產(chǎn)品的理論幾何形狀，需要對(duì)產(chǎn)品典型特征截面的線長(zhǎng)進(jìn)行檢查。確認(rèn)補(bǔ)償面質(zhì)量后，在CAE 中驗(yàn)證補(bǔ)償效果，通過(guò)驗(yàn)證結(jié)果校正補(bǔ)償量，直至滿足尺寸公差要求，最終補(bǔ)償結(jié)果見圖12。

圖12 補(bǔ)償后回彈模擬結(jié)果

經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)驗(yàn)證，如圖13 所示，A 面尺寸符合品標(biāo)要求，與模擬結(jié)果接近，減少調(diào)試輪次的同時(shí)，提高外觀面品質(zhì)，滿足高速生產(chǎn)需求。

圖13 實(shí)際出件尺寸檢測(cè)結(jié)果

9 結(jié)束語(yǔ)

回彈補(bǔ)償已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車各種類制件模具開發(fā)中，以前只能在調(diào)試階段通過(guò)模具燒焊、去量整改才能解決的尺寸問(wèn)題，現(xiàn)在通過(guò)回彈補(bǔ)償在前期設(shè)計(jì)階段就可以進(jìn)行改善，大大減少了模具整改工作量，降低了模具報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)，提高制件批量生產(chǎn)質(zhì)量和穩(wěn)定性?；貜椦a(bǔ)償?shù)膽?yīng)用為模具工業(yè)數(shù)智化變革提供了技術(shù)支撐。