汽車鋁板零件回彈補(bǔ)償技術(shù)分析

文/李晶晶，王平，楊洪震·安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司

目前國內(nèi)外對于汽車節(jié)能減排的要求愈高，為滿足汽車節(jié)能減排要求，響應(yīng)國家號召，輕量化材料得到迅猛發(fā)展。與鋼板相比，鋁合金具有密度小、強(qiáng)度較高、耐銹蝕等優(yōu)點(diǎn)，能滿足汽車輕量化的要求，故在汽車輕量化技術(shù)發(fā)展過程中被廣泛應(yīng)用。但由于微觀結(jié)構(gòu)差異，鋼板鋁板的回彈不同，雖然鋼板零件的回彈補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用如今已非常成熟，但對于鋁板領(lǐng)域，國內(nèi)的研究幾乎為零。鋁板零件的回彈補(bǔ)償相對于鋼板而言更加復(fù)雜，且更加具有不穩(wěn)定性。為此針對鋁板回彈較大的問題，我們提出了綜合化的前期補(bǔ)償策略，即在鋁板模具開發(fā)前期，綜合考慮零件工藝的穩(wěn)健性（材料，設(shè)備，潤滑條件），GD&T的合理性，回彈量，補(bǔ)償策略等重要因素進(jìn)行回彈補(bǔ)償。經(jīng)過綜合化補(bǔ)償策略完成高品質(zhì)的前期要求后，在后期的制造中，零件經(jīng)過較少的整改即能夠達(dá)到90%以上的合格率。

市場上大量車型出于輕量化角度考慮，青睞于使用鋁板前罩內(nèi)外板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板前罩，因?yàn)樵诎总嚿硐到y(tǒng)中，引擎罩是一個(gè)傳統(tǒng)的開閉件，沖壓工藝難度相對較小，和傳統(tǒng)的鋼板相比較，重量約僅為鋼板前罩的一半，故采用鋁板產(chǎn)生的減輕效果也最為明顯。下面就以鋁板前罩外板為例，進(jìn)行分析介紹。

鋁板回彈問題的原因

回彈是鋁板彎曲成形過程中普遍存在的現(xiàn)象，是卸載過程中內(nèi)力重新分布引起的。一般鋁板回彈要大于鋼板的回彈，這主要是材料本身微觀結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致。圖1是鋁板、軟鋼和高強(qiáng)鋼3種材料典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖1可以看出，同樣的應(yīng)變條件下卸載，鋁板的回彈要比普通鋼板大得多。

前罩外板材料回彈控制

前罩外板材料特性簡介

本次分析的是江淮汽車正在生產(chǎn)的某個(gè)前罩外板，采用的外板料來自Novelis e170，厚度為0.9mm，由于板料的加工和材料特點(diǎn)，鋁板是具有時(shí)效性的，從板料沖壓成形角度考慮，3個(gè)月時(shí)的性能為最佳，并且需進(jìn)行6個(gè)月的驗(yàn)證，用以指導(dǎo)板料的生產(chǎn)，如表1所示。

圖1 不同材料回彈量對比

表1 e170的板料性能失效數(shù)據(jù)對比

前罩外板的成形模擬

前罩外板的工藝流程為拉延→修邊、側(cè)修邊→翻邊、側(cè)翻邊、修邊→翻邊、側(cè)翻邊→空工位。

根據(jù)前罩外板產(chǎn)品的形狀和材料的特點(diǎn)進(jìn)行拉延面設(shè)計(jì)，用CATIA設(shè)計(jì)如圖2所示。

零件的穩(wěn)健性分析流程

零件的成形使用AutoForm R7進(jìn)行分析，對軟件的設(shè)置和參數(shù)的評估，需要根據(jù)相應(yīng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，用以判斷變薄、開裂、起皺、回彈、全局的變薄率等大的問題項(xiàng)，然后針對各個(gè)問題項(xiàng)進(jìn)行解決，并結(jié)合生產(chǎn)線的要求，調(diào)整初版的工藝，最后進(jìn)行工藝審核和穩(wěn)健性因素的排查，得到穩(wěn)健性的工藝工法，分析流程如圖3所示。

其中，穩(wěn)健性分析主要有以下內(nèi)容：

⑴料片形狀和位置波動(±5mm)；

⑵材料的屈服和抗拉強(qiáng)度波動(±10%)；

⑶材料的r值和n值波動(±10%)；

⑷摩擦系數(shù)波動(±10%)；

⑸壓邊力波動(±10%)。

代入對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行SIGMA分析，分析完成后進(jìn)行判斷：對于最大失效可設(shè)置為0.8，減薄可設(shè)置為16%，外加起皺，自由回彈的情況進(jìn)行評價(jià)?；镜囊笫亲畲笫?，減薄項(xiàng)問題是必須完全解決的；起皺需要進(jìn)行分級策略上的判斷，分級原則是外板整體必須解決，對于完全看不見的面，也是需要盡量解決；對于自由回彈的分析，Cpk值在回彈補(bǔ)償過程中不滿足要求，并不代表回彈穩(wěn)健性差，主要是看Cp值的大小，Cp值越大，工序過程就越穩(wěn)健，如果公差帶小于該過程的公差寬度，表明必須進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 前罩外板和內(nèi)板拉延模面設(shè)計(jì)圖

圖3 鋁板沖壓穩(wěn)健性分析流程

前圍外板的回彈量確認(rèn)以及補(bǔ)償策略制定

回彈的分析是需要根據(jù)全工序的結(jié)果進(jìn)行的，主要注意以下問題，并且保證是按照要求進(jìn)行的。

⑴各工序自由回彈結(jié)果比較；

⑵各工序三點(diǎn)夾持回彈結(jié)果比較（不考慮重力，是否考慮修邊先后對回彈的影響）；

⑶產(chǎn)品自由回彈與最小夾持回彈分析對比（不考慮重力）；

⑷最小夾持原則下，重力對回彈結(jié)果的影響；

⑸是否考慮翻邊時(shí)序問題。

進(jìn)行以上分析中，目標(biāo)為最大程度地進(jìn)行補(bǔ)償自由回彈量并且考慮重力的影響，這樣補(bǔ)償后的效果最好。零件補(bǔ)償流程如圖4所示，策略確認(rèn)后，不斷地進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)剿枰腉D&T，最終零件合格率達(dá)到95%。

針對不同的零件，補(bǔ)償方式區(qū)別也很大，前罩外板采用的板材在沖壓過程中，每個(gè)工序都會產(chǎn)生回彈，故在這里根據(jù)項(xiàng)目和過往的經(jīng)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

外板的要求：我們先將OP40的回彈補(bǔ)償?shù)絆P10，然后計(jì)算出此輪OP10的回彈，用這個(gè)回彈量來進(jìn)行OP20的補(bǔ)償，再進(jìn)行OP20和OP30，OP40的計(jì)算，這樣下來是1次循環(huán)，這樣重復(fù)循環(huán)得到理想的結(jié)果，在補(bǔ)償?shù)倪^程中，需要判斷全型面的補(bǔ)償還是局部補(bǔ)償，補(bǔ)償量是不是1∶1，是根據(jù)帶重力或者不帶重力的回彈補(bǔ)償?shù)龋_定好這些小細(xì)節(jié)后，我們就可以進(jìn)行多次的循環(huán)補(bǔ)償，目標(biāo)是在夾持加定位孔的情況下滿足檢具要求，并且在不夾持的過程中也能保證零件的合格。圖5、圖6所示為外板的補(bǔ)償流程和效果圖。

圖4 零件補(bǔ)償流程簡圖

圖5 外板補(bǔ)償流程圖

圖6 外板補(bǔ)償效果圖

在AutoForm內(nèi)部生成的補(bǔ)償型面，直接導(dǎo)出IGES文件，該CAD的型面基于補(bǔ)償網(wǎng)格生成，但質(zhì)量上達(dá)不到原始面的質(zhì)量，必須進(jìn)行型面光順優(yōu)化或型面重構(gòu)，否則會產(chǎn)生表面的缺陷。

最后還要注意對表面問題的檢查，如高斯曲率，凸凹衍射，距離對比，斑馬線對比檢查，完全確認(rèn)沒有問題后，可以根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行后序的加工和處理。

綜合化回彈補(bǔ)償?shù)膶?shí)際應(yīng)用效果

如圖7所示，經(jīng)過上述方法進(jìn)行零件的品質(zhì)提高，外板合格率可以提高到75%，內(nèi)板合格率達(dá)到90%，明顯優(yōu)于沒有補(bǔ)償?shù)男Ч?，并且大大?jié)約時(shí)間，減少修模成本，提高了零件質(zhì)量。

結(jié)束語

鋁板零件的回彈補(bǔ)償相對于鋼板而言更加復(fù)雜，且更加具有不穩(wěn)定性。為此，我們根據(jù)全鋁車身的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得出鋁板補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)經(jīng)驗(yàn)，通過前期的沖壓工藝全工序分析模擬，確定回彈工序、回彈區(qū)域和回彈數(shù)值，從而進(jìn)行相應(yīng)回彈補(bǔ)償來解決可能產(chǎn)生的回彈變形；同時(shí)在生產(chǎn)過程中跟蹤制件的調(diào)試情況，然后通過軟件模擬現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)，對于分析前期預(yù)測的回彈結(jié)果，制定更加準(zhǔn)確的回彈補(bǔ)償措施。通過公司實(shí)際鋁合金零件的生產(chǎn)，驗(yàn)證了目前這種抑制鋁件回彈措施比較有效，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，對國內(nèi)鋁合金在汽車零部件中的大批量應(yīng)用具有一定的參考和指導(dǎo)意義。