基于Autoform的汽車側(cè)圍回彈補(bǔ)償分析

韋韡，姚佐平，李開文，張峰，Hans-Ludwig Buck，周江奇

基于Autoform的汽車側(cè)圍回彈補(bǔ)償分析

韋韡1,2，姚佐平1，李開文1，張峰1，Hans-Ludwig Buck3，周江奇1

（1. 上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2. 機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044；3. 蒂森克虜伯系統(tǒng)工程有限公司，瓦登洛克威爾 66687）

針對(duì)汽車尤其乘用車側(cè)圍大量復(fù)雜表面經(jīng)常出現(xiàn)的表面凹陷、大尺寸回彈等質(zhì)量問題，對(duì)回彈過程進(jìn)行分析研究并加以控制。基于數(shù)值模擬的方法，采用Autoform軟件對(duì)汽車側(cè)圍表面沖壓回彈進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)側(cè)圍幾何模型進(jìn)行補(bǔ)償和控制。生產(chǎn)的后側(cè)圍零件尺寸合格率達(dá)到90%以上。采用數(shù)值模擬對(duì)汽車側(cè)圍回彈補(bǔ)償分析，能減少成形過程中的缺陷，提高尺寸精度，有效解決側(cè)圍回彈大的問題。

汽車側(cè)圍；回彈；補(bǔ)償；面畸變

近年來，隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展及自主品牌汽車質(zhì)量的不斷提升，對(duì)客戶感知細(xì)節(jié)問題的重視程度日益提高，覆蓋件及其模具整體質(zhì)量水平與國(guó)外差距不斷縮小。汽車覆蓋件具有形狀復(fù)雜、材料厚度小、面積大、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，并且存在沖壓工藝難度大、沖壓易回彈等問題。沖壓回彈的預(yù)測(cè)及補(bǔ)償，尤其是面畸變等微觀質(zhì)量缺陷的控制仍然處于探索階段，對(duì)于外覆蓋件面補(bǔ)償缺少成熟的經(jīng)驗(yàn)和手段[1—4]。汽車側(cè)圍作為白車身的核心零件，空間尺寸龐大，幾何形狀復(fù)雜，搭接零件眾多，其沖壓成形過程中的回彈不僅影響匹配精度，還會(huì)在零件表面產(chǎn)生幾十至幾百微米的局部凹陷，從而影響表面質(zhì)量。隨著CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，采用CAE軟件對(duì)汽車側(cè)圍沖壓成形進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，可以解決汽車側(cè)圍生產(chǎn)過程中的多種問題，形成對(duì)汽車側(cè)圍幾何模型進(jìn)行補(bǔ)償和控制的方法，減少成形過程中的缺陷，提高尺寸精度，有效解決側(cè)圍回彈大的問題。希望能夠?qū)ζ噦?cè)圍的沖壓成形起到一定的指導(dǎo)作用[5—6]。

1 側(cè)圍沖壓成形工藝

汽車側(cè)圍零件數(shù)模如圖1所示，汽車側(cè)圍作為最重要的車身覆蓋件之一，其形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往需要多道沖壓工序才能成形。美國(guó)和日本的側(cè)圍零件一般采用4工序成形，歐洲的側(cè)圍工序較多，往往在5工序以上。

圖1 汽車側(cè)圍零件數(shù)模

圖2為某自主品牌大型SUV側(cè)圍零件的工序排布如下：拉延→切邊、沖孔→切邊、翻邊→整形、側(cè)切邊、側(cè)整形→切邊、整形、側(cè)切邊、側(cè)整形。其中，拉延是指通過凸凹模型腔，把平面板料變成開口空心件的沖壓工序；切邊是指用切邊刀將零件多余部分切除；沖孔是指用模具將零件上各種功能的孔沖出來；翻邊是指將毛坯或半成品的外邊緣或孔邊緣沿一定的曲線翻成豎立的邊緣的沖壓方法；整形是指將不符合零件最終尺寸要求的部位通過模具矯正到需要的尺寸。根據(jù)工序設(shè)計(jì)初步分析，側(cè)圍宏觀尺寸回彈可能來源于切邊以及整形后殘余應(yīng)力的釋放，因此，涉及到切邊、側(cè)切邊、整形、側(cè)整形的工序都有可能導(dǎo)致回彈，即OP20，OP30，OP40，OP50，需要進(jìn)行全工序的回彈數(shù)值模擬。微觀回彈導(dǎo)致的面畸變主要來自于拉延工序，因此，對(duì)于面質(zhì)量缺陷的數(shù)值模擬主要在OP10進(jìn)行，如表1所示。

表1 沖壓工序

Tab.1 Content of stamping process

圖2 汽車側(cè)圍沖壓工序

2 沖壓成形數(shù)值模擬及回彈結(jié)果分析

沖壓成形數(shù)值模擬包括載荷分析、成形性分析、回彈分析、表面質(zhì)量分析等，其中準(zhǔn)確的成形性分析是進(jìn)行回彈模擬的基礎(chǔ)，需要確保零件沒有明顯的起皺、開裂、拉延不充分等缺陷，板料流動(dòng)均勻，才能為后續(xù)的精確分析提供依據(jù)[7—8]。

2.1 成形性分析

進(jìn)行CAE分析需要輸入數(shù)值模擬的初始條件。側(cè)圍所使用材料為中國(guó)寶鋼生產(chǎn)的BUFD（特深沖壓用），厚度為0.7 mm，板料尺寸為1807.53 mm× 3635.28 mm，該材料的屈服強(qiáng)度為149.00 MPa，該材料的加工硬化指數(shù)為0.229，厚向異性系數(shù)0為2.06，90為2.31，45為1.83。由此得到該材料屈服曲面見圖3，成形極限曲線見圖4，硬化曲線見圖5，以上作為材料邊界條件輸入Autoform，其中0，1，2分別為屈服應(yīng)力、第1主應(yīng)力、第2主應(yīng)力，1和2分別為主應(yīng)變和次應(yīng)變。

圖3 屈服曲面

圖4 成形極限曲線

圖5 硬化曲線

圖6所示為側(cè)圍成形性分析結(jié)果。對(duì)比板料輪廓線，最大流入量在輪罩和后保部位，約為101 mm，主要原因是該處形狀起伏較大，材料流動(dòng)劇烈，但是因?yàn)樵撎幵O(shè)計(jì)了較大的工藝補(bǔ)充面，并未對(duì)最終零件本體產(chǎn)生影響。零件整體材料流動(dòng)均勻，只是側(cè)圍零件前側(cè)和后側(cè)壓料面邊緣板料略有增厚和起皺，但零件本體部分成形良好，沒有起皺、開裂、拉延不充分等問題。該結(jié)果為經(jīng)過多次零件數(shù)據(jù)優(yōu)化和工藝調(diào)整后得到的較優(yōu)零件狀態(tài)，具體過程不再贅述。

2.2 回彈模擬計(jì)算及機(jī)理分析

采用Autoform軟件對(duì)側(cè)圍OP20進(jìn)行回彈分析，結(jié)果如圖7所示。零件前后兩側(cè)回彈很大，A柱與翼子板搭接處為2.7 mm，內(nèi)部非可見面甚至超過3 mm，這將導(dǎo)致翼子板與側(cè)圍搭接面不平齊，影響整車匹配。側(cè)圍后側(cè)尾燈以及與后保搭接面回彈嚴(yán)重，最大處達(dá)到4.2 mm，這顯然是不允許的。側(cè)圍后窗上側(cè)以及門檻出現(xiàn)負(fù)回彈，最大值達(dá)到?2.4 mm，整個(gè)側(cè)圍零件變異明顯，扭曲非常嚴(yán)重，因此，必須采取有效措施對(duì)回彈進(jìn)行補(bǔ)償和控制[9—11]。

圖6 側(cè)圍成形性分析結(jié)果

圖7 側(cè)圍OP20自由回彈分析結(jié)果

基于自由回彈分析結(jié)果，在零件上設(shè)置若干支撐點(diǎn)，再進(jìn)行回彈分析，結(jié)果如圖8所示。與自由回彈相比，側(cè)圍負(fù)回彈消除，扭曲現(xiàn)象得到有效抑制，回彈主要集中在若干側(cè)壁，但是后側(cè)尾燈周邊以及后保處回彈仍然非常明顯，最大值為3.6 mm。

圖8 側(cè)圍OP20加支撐回彈分析結(jié)果

側(cè)圍OP50加支撐和夾緊后的回彈分析結(jié)果見圖9。如果只進(jìn)行單向支撐，如圖9a所示，D柱上部回彈明顯，后側(cè)與尾門搭接處達(dá)到2.5 mm。這與零件本身形狀復(fù)雜、側(cè)整形量較大有關(guān)。同理，后側(cè)與后保搭接面回彈嚴(yán)重，顯然滿足不了裝車要求。相反地，A柱上側(cè)以及B柱下側(cè)出現(xiàn)了負(fù)回彈，雖然量值不大，但是導(dǎo)致整個(gè)側(cè)圍零件扭曲，難以對(duì)尺寸精度進(jìn)行有效控制。

為了提高零件成形的穩(wěn)定性，對(duì)分析過程增加夾緊約束，如圖9b所示。對(duì)比未施加約束前，零件回彈和扭曲有所改善，也更接近實(shí)際零件狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道以及多年的經(jīng)驗(yàn)[12—13]，采用帶約束的回彈分析結(jié)果更為可靠，因此，經(jīng)項(xiàng)目成員討論后決定按圖9b的分析結(jié)果進(jìn)行回彈補(bǔ)償。

3 回彈補(bǔ)償控制及結(jié)果分析

3.1 回彈補(bǔ)償方案

根據(jù)回彈計(jì)算結(jié)果，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品工藝數(shù)模施加補(bǔ)償位置和補(bǔ)償量如圖10所示。其中，在工藝補(bǔ)充面施加了5 mm的反向補(bǔ)償，因?yàn)樵摬糠痔幱谧罱K產(chǎn)品輪廓線之外，可以適當(dāng)增加補(bǔ)償力度，以快速達(dá)到驗(yàn)證效果。處于產(chǎn)品面的部分，補(bǔ)償位置和補(bǔ)償量必須非常謹(jǐn)慎，否則不僅達(dá)不到補(bǔ)償效果，還可能由于補(bǔ)償不當(dāng)造成凹陷以及曲面不連續(xù)，增加新的表面缺陷問題[14—15]。

3.2 補(bǔ)償結(jié)果分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述進(jìn)行補(bǔ)償處理后的數(shù)模導(dǎo)入Autoform進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如圖11所示。其中，圖11a為未夾緊狀態(tài)分析結(jié)果，圖11b為夾緊分析結(jié)果。與圖9所示的未進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果相比，尺寸質(zhì)量提升明顯，尤其是在夾緊狀態(tài)下，側(cè)圍零件整體尺寸均勻一致，面和關(guān)鍵匹配面都位于±0.5 mm的公差內(nèi)。

具體地看，進(jìn)行補(bǔ)償前，后保安裝面回彈3～ 4 mm，如圖12a所示。進(jìn)行回彈補(bǔ)償后，該處尺寸最大偏差為?1 mm，避免了與后保干涉，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)結(jié)合零件實(shí)際搭接情況預(yù)留了調(diào)整空間。

頂蓋上邊梁在模具沖壓方向是負(fù)角，需要多工序進(jìn)行側(cè)整形和側(cè)切邊，回彈量難以控制。通過對(duì)數(shù)模進(jìn)行補(bǔ)償，將原尺寸偏差從3 mm降低到1 mm以下，如圖13所示，避免了與前擋風(fēng)玻璃的干涉。

由于整車造型的需求，側(cè)圍頂蓋上邊梁后部是一個(gè)面積不等的腔體，由前往后逐漸縮小，因此其整形方向和整形量也難以控制。通過對(duì)側(cè)壁角度和整形深度進(jìn)行補(bǔ)償，最終分析的回彈結(jié)果從原來的大于3 mm控制在1 mm之內(nèi)，如圖14所示。

采用進(jìn)行補(bǔ)償后的工藝數(shù)模進(jìn)行模具開發(fā)和制造，實(shí)際生產(chǎn)出的側(cè)圍零件如圖15所示，其尺寸合格率達(dá)到93%，側(cè)圍表面光順，圓角均勻，面畸變等缺陷得到有效抑制和消除，取得了較好的技術(shù)效果。

圖10 側(cè)圍補(bǔ)償方案

圖11 進(jìn)行補(bǔ)償后分析結(jié)果

圖12 側(cè)圍后保安裝面

圖13 側(cè)圍頂蓋上邊梁前段

圖14 側(cè)圍頂蓋上邊梁后段

圖15 實(shí)際側(cè)圍零件

4 結(jié)論

自由狀態(tài)下，A柱與翼子板搭接處回彈量由3 mm降低到0.9 mm，后尾燈與后保搭接面回彈量由4.2 mm降低到1.0 mm，側(cè)圍后窗上側(cè)、門檻的負(fù)回彈由?2.4 mm降低到?1.0 mm；在夾緊狀態(tài)下，回彈量均控制在±0.5 mm以內(nèi)，滿足產(chǎn)品的尺寸要求?；谏鲜龌貜椦a(bǔ)償方法及數(shù)據(jù)，得出如下補(bǔ)償分析思路。

1）采用夾緊分析的方法得到的回彈分析結(jié)果更接近真實(shí)狀態(tài)，以此作為數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。

2）對(duì)于工藝補(bǔ)充面可適當(dāng)增加補(bǔ)償量，面補(bǔ)償則應(yīng)當(dāng)慎重，需在成形性分析結(jié)果通過之后再進(jìn)行回彈分析和補(bǔ)償。

3）回彈補(bǔ)償量應(yīng)當(dāng)基于分析結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)共同確定，往往需要多次迭代才能得到較好的效果，需要結(jié)合實(shí)際零件情況不斷修正和積累經(jīng)驗(yàn)。

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Analysis on Compensation for Spring Back of Auto-Bodyside Based on Autoform

WEI Wei1,2, YAO Zuo-ping1, LI Kai-wen1, ZHANG Feng1, HANS-LUDWIG Buck3, ZHOU Jiang-qi1

(1. SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545007, China; 2. China Academy of Machinery Science and Technology, Beijing 100044, China; 3. Thyssenkrupp System Engineering GmbH, Wadern-Lockweiler 66687, Germany)

This paper aims to solve the bodyside forms springback, which affects the matching accuracy in the process of stamping forming. It also forms small local defects on the surface of the parts, which affects the product quality. In this paper, based on the numerical simulation technology, Autoform software is used to accurately simulate and predict the stamping springback of the bodyside surface. The numerical calculation results are combined with the actual production experience to compensate and control the geometric model of the bodyside. The final test results show that the qualified rate of rear side panel parts produced by the above method is more than 90%. Using numerical simulation to analyze the springback compensation of bodyside can reduce the defects in the forming process, improve the dimensional accuracy, and effectively solve the problem of large springback of bodyside.

auto-bodyside; springback; compensation; surface defect

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.023

TG386.3

A

1674-6457(2021)03-0172-07

2021-02-05

廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)課題（桂科AA18118040）；柳州市科技計(jì)劃課題（2018AD50301）

韋韡（1983—），男，博士，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘辶铣尚巍?/p>