汽車后地板回彈分析與控制方法

文/熊瑞，戴長征，鄭連海，張衛(wèi)星·一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，客戶對汽車各方面性能要求也隨之增高，后地板為大型內(nèi)板結構件，前部連接前地板，后部連接后縱梁，兩側與側圍總成連接，若是尺寸精度不達標，使得后續(xù)自動化匹配尺寸超差，累計公差將導致車身偏離設計標準，影響裝配質(zhì)量甚至整車安全性能。但像后地板這樣造型復雜，尺寸精度要求較高的大型內(nèi)板件中回彈一直以來都是行業(yè)中的難題。

汽車后地板沖壓成形基于板料的塑性變形，主要體現(xiàn)在材料的應力與應變。板料拉深或者翻整后板料厚度方向存在殘余應力，成形零件與凸模脫離時，殘余應力釋放使制件回彈，導致制件形狀偏離設計數(shù)模，脫模后表現(xiàn)為彎角變化和曲率變化。

某款車型后地板材質(zhì)為LX260LAD+Z100MB，料厚0.7mm，尺寸1550mm×1775.2mm，屈服強度大于220MPa，屬于大型普通高強度板，屈服強度越高，回彈現(xiàn)象越明顯，降低沖壓件尺寸匹配精度，特別是在拉延和翻邊工序回彈尤為突出。

問題現(xiàn)狀

圖1 為某款汽車后地板樣圖，同時優(yōu)化后地板座椅位置和備胎側壁位置時出現(xiàn)回彈缺陷。后地板調(diào)試期間，座椅位置和備胎側壁翻邊位置尺寸超差，導致焊裝自動化裝配疊料與拼焊時出現(xiàn)錯位等現(xiàn)象，影響裝配精度及生產(chǎn)效率。

通過CAE 軟件模擬分析座椅位置翻邊回彈楔形量，如圖2 所示，楔形量達1.8mm，備胎側壁回彈量達1mm。

該后地板工藝復雜，成形一個合格件需要7 序模具完成，分別是OP10 落料→OP20 拉延→OP30二次拉延→OP40 修沖→OP50 修沖整→OP60 翻整→OP70 整沖。

圖1 汽車后地板樣圖

圖2 拉延模擬楔形量圖

回彈原因分析

回彈是金屬材料的固有特性，直接影響沖壓制件的尺寸精度和最終形狀。導致制件回彈的原因主要有模具拉延筋分布、拉深圓角、相對彎曲半徑、壓邊力、板料機械性能等。

拉延筋分布

拉延筋合理分布增加板料的流動阻力，控制板料的流入量及流動方向，使各部位主次應變均勻且拉深成形充分，使回彈區(qū)壓應力向拉應力轉移越多，回彈越小。部分回彈區(qū)可設置局部拉延筋使其局部走料均衡，從而控制回彈。

拉深R 角

拉深R 角和拉延深度對回彈的影響與拔模角相同，凸凹模R 角越大，減小了對制件的徑向約束力，制件塑性變形成分減少，脫模后回彈越大。拉深深度越大，回彈越大。

相對彎曲半徑

板料變形程度的大小可以通過相對彎曲半徑反映，回彈值與相對彎曲半徑成正比，r/t 越小，彎曲的變形程度越大，塑性變形在總變形中所占比重越大，因此卸載后回彈隨相對彎曲半徑的減小而減小，因而回彈越小。

壓邊力

在成形過程中，壓邊力可以調(diào)整進料流動速度，改善板料內(nèi)部應力分布，壓邊力越大，板料流動阻力越大，拉深成形越充分，降低板料內(nèi)、外應力差，從而抑制制件回彈。

板料機械性能與厚度

板料的機械性能也對制件回彈有很大影響，屈服強度、硬化指數(shù)越小，板料回彈量越小。另外隨著板料厚度的增加，參與塑性變形的材料增加，彈性變形減少，可通過前期模具設計和后期工藝調(diào)試的回彈補償來控制制件回彈。

優(yōu)化備胎側壁回彈

備胎區(qū)側壁翻邊屬于直線段翻邊，此位置經(jīng)翻邊整形工序后板料金屬應力變化較大且不均勻，整體回彈變大。

拉延序工藝調(diào)整

此后地板形狀復雜，深度過深，成形面積大，一次無法完成成形需求，所以工藝上存在二次拉延。由于后地板備胎側壁位置形狀獨特，嘗試在OP30 二次拉延序成形凸模加高1.5mm(圖3 所示藍線區(qū)域)，增大備胎側壁板料成形時料流動阻力，加大備胎側壁區(qū)域的塑性變形程度，使板料充分撐展，殘余應力發(fā)生轉移，使其成形更充分，應力分布更均勻，從而減小回彈。

圖3 工藝補充示意圖

翻邊序工藝調(diào)整

備胎側壁為直線段翻邊(圖4)，翻邊時內(nèi)、外側應力差不大，翻邊過程中回彈量相對較均勻，可通過減小成形凸模R 角，使板料成形阻力增大，增加疲勞強度，讓板料成形切向力大于回彈應力，塑性變形更充分，從而減小回彈量。

圖4 OP60 工藝平面圖

圖5 左右耳單件測量報告圖

優(yōu)化座椅兩側左右耳回彈

座椅兩側翻邊屬于弧線段翻邊，翻邊時板料外側受拉應力，內(nèi)側受壓應力，也是屬于壓縮類翻邊，內(nèi)部受到擠壓內(nèi)應力增大，翻邊回彈變大。缺陷位置單件測量報告楔形量為1.8 ～2.2mm，見圖5。

翻邊序結構調(diào)整

座椅兩側位置回彈則考慮增加側翻機構使壓料面和法蘭邊均壓料成形，但是結構復雜，制造成本、調(diào)試要求較高。從OP60 結構平面圖分析(圖6)，此序為上下翻邊整形模，沒有足夠空間布置側翻機構，故不考慮在此序做模具結構工藝更改。

圖6 OP60 結構平面圖

針對OP70 增加側翻機構進行分析。紅色框區(qū)域為側翻機構的布置空間(圖7、圖8)。此結構采用法蘭邊壓料整形，對板料有一定的約束力，翻邊成形質(zhì)量高，穩(wěn)定性好。但增加側翻機構，需要取消部分壓料板的錐形平衡塊和個別頂桿來提供安裝空間，極大影響OP70 整體模具精度和強度。而且左右兩側導板無安裝空間，壓料板需重新鑄造。

從側翻機構的簡易示意圖(圖9)得出上模座和壓料板需大面積挖空，安裝側翻機構。此法蘭邊壓料整形工藝為負角整形，無法保證自動化生產(chǎn)機械手抓取件的穩(wěn)定性。

圖7 OP70 壓料板三維圖

圖8 OP70 上模三維圖

圖9 側翻機構簡易示意圖

綜上討論，OP70 無空間增加側翻機構，且風險非常大，故此方案無可行性。

整形序工藝調(diào)整

據(jù)后地板每個工序成形和功能分布分析，座椅左右耳區(qū)在OP60 最終翻整，OP70 座椅左右耳區(qū)只起承接制件作用屬于非功能區(qū)，嘗試在此位置增加整形工藝(圖10)，使得左右耳區(qū)域產(chǎn)生負回彈補償，在脫模后制件產(chǎn)生回彈時，通過負回彈與回彈疊加達到產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖10 整形工藝補充示意圖

⑴藍光掃描(GOM)。

如圖11 所示，利用藍光掃描(GOM)對后地板進行回彈補償輸出數(shù)據(jù)，對座椅左右側自由回彈量進行模擬分析，當模擬OP70 整形凸模下塌深度3mm、寬度15mm 時，后地板座椅左右耳工藝補償后回彈量從1.8mm 減小到0.2mm，模擬補償回彈量符合要求，達到預期效果。

圖11 藍光掃描

⑵“埋”釘。

OP70 座椅左右側凸模材質(zhì)為灰鑄鐵強度較低，此整形工藝補充需增大壓邊力做強壓來改善板料內(nèi)部應力，使其整形成形更充分。因此涉及到數(shù)控加工凸模后強度要求，故通過凸模側面手動鉆孔攻牙“埋”進15 根M16 螺釘?shù)拇胧﹣碓黾油鼓姸?圖12)。

⑶整形凸?；鶞?。

OP70 整形凸模強度調(diào)整后，按照藍光掃描數(shù)據(jù)，數(shù)控機加凸模邊緣做深度3mm、寬度15mm 的下塌楔形(圖13)，以此凸模為基準調(diào)整凸凹模間隙，使強壓區(qū)凸凹模間隙不超過板料厚度，板料內(nèi)部塑性變形增加，減小回彈。

圖12 凸模鉆孔“埋”釘

圖13 數(shù)控加工凸模

⑷壓料板燒焊。

以凸模為基準，上模壓料板焊接加高4mm，粗研至3.4mm，壓料板材料為GS45，焊接選用焊絲材料為W299,焊接方式采用短焊道分段式焊接(圖14)，并錘擊焊道釋放焊接應力，使焊材與母材充分熔合，防止開裂。

⑸研合。

圖14 壓料板分段焊接

上調(diào)試壓機精修調(diào)整凸凹模間隙，保證燒焊區(qū)域和未燒焊區(qū)域過渡均勻，接頭光順，無臺階，強壓區(qū)著色率達90%以上(圖15)，強壓成形間隙略小于料厚，使板料的貼模程度增加，塑性變形充分，從而減小回彈。

圖15 壓機研合

通過以上調(diào)整，制件經(jīng)OP70 座椅左右側整形強壓后產(chǎn)生負回彈，使制件通過回彈與負回彈疊加達到形狀要求。減小回彈量達1.7mm，滿足后續(xù)匹配需求，解決自動化疊料問題，消除拼焊錯位的可能性。

結束語

在實際生產(chǎn)過程中，回彈是影響沖壓件質(zhì)量的重要因素之一，由于金屬材料強度和力學性能，任何塑性變形都會有殘余應力釋放導致回彈現(xiàn)象產(chǎn)生。在翻邊成形過程中板料外區(qū)因受到翻邊拉應力伸長，板料內(nèi)區(qū)受到切向壓力而產(chǎn)生壓縮仍處在彈性變形狀態(tài)。使得制件形狀和尺寸都發(fā)生與成形時變形方向相反的變化。

通過CAE軟件可分析板料回彈產(chǎn)生工序、回彈量、回彈補償量等，在滿足形狀尺寸要求的情況下通過整形工藝補充再次約束回彈是非常有效的。所以在模具設計初期需對產(chǎn)品形狀、成形工藝等進行充分模擬驗證，從源頭上對回彈缺陷進行預防，縮短調(diào)試周期和提高沖壓件質(zhì)量。