基于CAE技術(shù)的汽車覆蓋件回彈補(bǔ)償方法

文／黃永生，韓永志，張穩(wěn)定，王肖英·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

基于CAE技術(shù)的汽車覆蓋件回彈補(bǔ)償方法

文／黃永生，韓永志，張穩(wěn)定，王肖英·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

本文以A柱加強(qiáng)板為例，對(duì)高強(qiáng)度鋼板在汽車覆蓋件的使用中存在的回彈問(wèn)題作了闡述，并通過(guò)CAE回彈分析及補(bǔ)償，驗(yàn)證了基于CAE的回彈補(bǔ)償方法在汽車覆蓋件工裝開(kāi)發(fā)中應(yīng)用的可行性，為縮短產(chǎn)品工裝開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提升高強(qiáng)度鋼板零件尺寸精度提供了技術(shù)支持。

黃永生，沖壓CAE主管，工程師，主要從事汽車覆蓋件模面規(guī)劃、成形缺陷分析現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等工作。參與完成的江淮汽車2500t伺服沖壓生產(chǎn)線研究及應(yīng)用項(xiàng)目獲得省級(jí)科技成果鑒定。

隨著汽車輕量化及對(duì)汽車安全設(shè)計(jì)的要求不斷提高，高強(qiáng)度鋼板材料在汽車車身中的應(yīng)用比例及鋼板強(qiáng)度不斷提高。然而，用高強(qiáng)度鋼板沖壓生產(chǎn)出的零件回彈量會(huì)非常大，對(duì)零件的尺寸精度和生產(chǎn)效率造成較大的影響?；貜椇蟮牧慵螤钔辉谡`差允許范圍內(nèi)，達(dá)不到實(shí)際所需的應(yīng)用需求，這使汽車覆蓋件變形回彈對(duì)白車身尺寸精度及整車品質(zhì)的影響日益突出。

板料成形回彈現(xiàn)象是金屬材料本身特性所致，是板料沖壓成形過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷，是不可避免的。高強(qiáng)鋼應(yīng)用帶來(lái)的工藝問(wèn)題不斷顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響了模具設(shè)計(jì)的正確性和準(zhǔn)確性。隨著新材料的應(yīng)用，回彈問(wèn)題更加突出，回彈使按照零件的理論形狀設(shè)計(jì)制造出的模具生產(chǎn)出的零件不符合零件設(shè)計(jì)的要求。

掌握回彈控制技術(shù)，解決輕量化帶來(lái)的工藝問(wèn)題，對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提升產(chǎn)品品質(zhì)至關(guān)重要。生產(chǎn)實(shí)踐中采取的對(duì)策之一是用回彈補(bǔ)償?shù)姆椒?，即在沖壓模具上做出回彈的補(bǔ)償量來(lái)補(bǔ)償板料成形中產(chǎn)生的回彈，補(bǔ)償量的大小主要根據(jù)實(shí)際零件成形后的檢測(cè)數(shù)據(jù)，或者由經(jīng)驗(yàn)給出。圖1所示是引入回彈補(bǔ)償?shù)漠a(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。隨著CAE技術(shù)在沖壓工藝中應(yīng)用的不斷推廣和計(jì)算精度的不斷提升，使采用CAE手段預(yù)測(cè)產(chǎn)品在沖壓過(guò)程中的回彈狀態(tài)及進(jìn)行回彈補(bǔ)償成為可能，可有效提高沖壓試模效率及產(chǎn)品質(zhì)量。本文以某車型A柱下加強(qiáng)板為例，說(shuō)明基于CAE的汽車覆蓋件沖壓回彈補(bǔ)償分析方法。

圖1 引入回彈補(bǔ)償?shù)漠a(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程

產(chǎn)品工藝分析

A柱加強(qiáng)板為汽車覆蓋件中比較典型的內(nèi)板結(jié)構(gòu)件，因其關(guān)系到車身安全，材質(zhì)通常為料厚1.0mm以上的高強(qiáng)度鋼板。本文分析的零件選用的材質(zhì)為寶鋼產(chǎn)B340LA，料厚1.2mm，屈服強(qiáng)度400MPa，抗拉強(qiáng)度480MPa，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 某車型A柱下加強(qiáng)板

沖壓工藝方案分析

參考常規(guī)A柱加強(qiáng)板沖壓成形工藝，該制件采用拉延成形工藝；從該制件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，確定該制件采用形狀料進(jìn)行拉延成形，以改善零件成形過(guò)程中坯料流入凹模時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)及提升零件材料利用率；考慮到產(chǎn)品件材質(zhì)為高強(qiáng)度鋼板及受回彈補(bǔ)償精度誤差的制約，在拉延件修邊后進(jìn)行整形加工提升產(chǎn)品件精度，以減少拉延模整改難度；為保證沖孔精度，關(guān)鍵孔位在零件整形后單獨(dú)加工，其他孔在拉延件修邊時(shí)一同加工。

經(jīng)充分研討論證，最終確定該制件的沖壓工藝方案為1+4工程完成，即：落料→拉延成形→修邊+沖孔→翻邊+整形→沖孔+側(cè)沖孔。

成形缺陷預(yù)判

沖壓件常見(jiàn)成形缺陷有開(kāi)裂、褶皺、回彈扭曲等?；诟邚?qiáng)度鋼板屈服強(qiáng)度高，成形極限比普通低碳鋼板低的材料力學(xué)性能，結(jié)合該產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)特征分析，該制件在沖壓成形時(shí)容易發(fā)生成形開(kāi)裂。如圖3所示，開(kāi)裂可能發(fā)生部位為材料流動(dòng)較為困難的C處，以及R角較小的凸模棱線處。

圖3 成形缺陷可能發(fā)生部位

受板料在沖壓變形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變分布不均、殘余應(yīng)力及高強(qiáng)度鋼板彈性變形比例增大的影響，在制件不同部位將產(chǎn)生不同程度的回彈。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，回彈變形量在修邊敞開(kāi)及特征變化的A、B處較大，在制件法蘭面亦將產(chǎn)生因不同程度的回彈造成的幾何尺寸不良。

CAE回彈分析及補(bǔ)償

拉延模面設(shè)計(jì)

拉延模面三維數(shù)學(xué)模型的建立是沖壓CAE分析的前提，拉延模面的差異將直接影響CAE分析結(jié)果，是產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。該產(chǎn)品件拉延模面設(shè)計(jì)分以下幾步完成。

⑴確定沖壓方向。沖壓方向的選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：1)零件及工藝補(bǔ)充面在各工序沖壓方向上無(wú)負(fù)角產(chǎn)生；2)零件在沖壓方向上的成形深度均勻，且成形深度最??；3)前后工序沖壓方向夾角最??；4)毛刺方向及生產(chǎn)需求。綜合考慮各項(xiàng)因素，該制件選擇車身坐標(biāo)Y軸方向?yàn)闆_壓方向。

⑵壓料面設(shè)計(jì)。壓料面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：1)壓料面為可展開(kāi)或近似可展開(kāi)曲面；2)一般壓料面隨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)；3)壓料面形狀使產(chǎn)品成形深度盡量均勻、起伏變化平緩。對(duì)于該制件，為降低成形深度以減小開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)及提升材料利用率，選擇該產(chǎn)品件法蘭面作為壓料面的組成部分進(jìn)行拉延模面設(shè)計(jì)。

⑶工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)。工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn)：1)有利于坯料流入；2)需展開(kāi)的翻整部位重新構(gòu)造型面，且易于成形；3)尺寸最優(yōu)且滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

⑷坯料及拉延筋設(shè)計(jì)。根據(jù)工藝分析，該產(chǎn)品件采用形狀料進(jìn)行拉延成形。拉延筋中心線隨凸模輪廓線形狀向外偏置20～25mm，并光順處理。

最后利用三維軟件建模，獲得的產(chǎn)品拉延模面結(jié)構(gòu)及坯料形狀如圖4所示。

CAE回彈分析

將設(shè)計(jì)好的A柱加強(qiáng)板拉延模面轉(zhuǎn)入CAE軟件進(jìn)行仿真分析。對(duì)拉延成形坯料尺寸、拉延筋阻力系數(shù)、成形壓邊力等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得成形過(guò)程中無(wú)開(kāi)裂、起皺，且坯料充分變形后，進(jìn)行回彈計(jì)算。修邊后的CAE回彈分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 拉延模面模型

圖5 補(bǔ)償前CAE回彈結(jié)果

由回彈分析結(jié)果可以看出，由原產(chǎn)品數(shù)據(jù)直接進(jìn)行建模分析獲得的制件扭曲回彈量較大，最大達(dá)4.8mm，回彈較大的部位與缺陷預(yù)測(cè)基本相符。如果拉延造型按照原產(chǎn)品型面進(jìn)行模具設(shè)計(jì)加工的話，生產(chǎn)出的零件修邊回彈后將不能滿足產(chǎn)品使用尺寸需求，勢(shì)必增加整形模整改工作量及難度，嚴(yán)重時(shí)需要拉延模做降刻重加工，對(duì)模具開(kāi)發(fā)的影響可想而知。

回彈補(bǔ)償

運(yùn)用CAE軟件對(duì)按原產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的拉延模面參照回彈分析結(jié)果進(jìn)行反向快速回彈補(bǔ)償建模，從而獲得新的拉延模面造型，補(bǔ)償后的拉延模面與原拉延模面對(duì)比如圖6所示（紅色為原模面）。

圖6 補(bǔ)償前后拉延模面對(duì)比

由CAE軟件直接生成的拉延模面模型不能直接用來(lái)加工編程，需要導(dǎo)入三維軟件重新進(jìn)行建模。

補(bǔ)償效果驗(yàn)證

將補(bǔ)償后獲得的新拉延模面重新進(jìn)行CAE回彈分析，獲得新的回彈分析結(jié)果，如圖7所示。

圖7 補(bǔ)償后CAE回彈結(jié)果

經(jīng)對(duì)比，補(bǔ)償后的零件修邊后回彈結(jié)果與按原產(chǎn)品建模分析的結(jié)果回彈趨勢(shì)一致，最大回彈約5.2mm。為查看基于拉延回彈補(bǔ)償后的零件修邊回彈量是否達(dá)到原產(chǎn)品狀態(tài)，需運(yùn)用Geomagic Qualify軟件將回彈補(bǔ)償分析獲得的回彈數(shù)據(jù)點(diǎn)云輸出，與原始產(chǎn)品數(shù)據(jù)的點(diǎn)云相比較。對(duì)比結(jié)果顯示，利用補(bǔ)償后的拉延模面進(jìn)行的相同條件下的回彈分析結(jié)果與原產(chǎn)品數(shù)據(jù)相差幾乎都在1mm之內(nèi)。補(bǔ)償前的最大回彈量為4.8mm，補(bǔ)償后的回彈偏差為1mm，在一個(gè)料厚以內(nèi)，驗(yàn)證了此次回彈補(bǔ)償?shù)挠行浴Ｍㄟ^(guò)兩次以上的回彈補(bǔ)償?shù)?jì)算，回彈量可進(jìn)一步控制在0.3mm以內(nèi)。

結(jié)束語(yǔ)

高強(qiáng)度鋼在汽車安全及輕量化進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用，在使用高強(qiáng)度鋼的同時(shí)需同步關(guān)注高強(qiáng)度鋼板帶來(lái)的工藝問(wèn)題，特別是回彈問(wèn)題。合理編排成形工藝方案，使零件質(zhì)量滿足使用需求才能最大限度地發(fā)揮高強(qiáng)度鋼板的優(yōu)勢(shì)。

在汽車覆蓋件產(chǎn)品工裝開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段引入基于CAE的回彈補(bǔ)償方法，可以減少模具調(diào)試整改工作量，增加一次試模成功的可能性，縮短模具的制造周期，降低開(kāi)發(fā)成本。