基于數(shù)值模擬的后門外板全型面回彈補(bǔ)償技術(shù)研究

文/崔禮春，高雙明，黃頂社，阮林凡，徐肖·安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司

針對(duì)外板沖壓成形過(guò)程中存在回彈的問(wèn)題，以后門外板為例進(jìn)行全型面回彈補(bǔ)償技術(shù)研究。根據(jù)后門外板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行沖壓工藝規(guī)劃，保證A 面質(zhì)量的同時(shí)，降低沖壓件成形難度；回彈補(bǔ)償計(jì)算過(guò)程中采用拉延全型面回彈補(bǔ)償、后續(xù)符型補(bǔ)償及整形區(qū)域單獨(dú)回彈補(bǔ)償?shù)牟呗?，面差合格率?3.3%提升至100%，后門外板實(shí)際沖壓件面差合格率92.5%；利用回彈補(bǔ)償矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)后門外板工藝模面進(jìn)行A 面重構(gòu)，斑馬線光順連續(xù)無(wú)突變，達(dá)到補(bǔ)償前的A 面質(zhì)量水平，后門外板實(shí)際沖壓件外A 面外觀質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

由于車身外板沖壓件為A 級(jí)曲面，不僅要滿足產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的沖壓件尺寸精度，同時(shí)對(duì)沖壓件外露面的光影和曲率也具有很高的要求?；貜検怯绊憶_壓件尺寸精度的關(guān)鍵因素，沖壓件的回彈是整個(gè)塑性成形過(guò)程中累積的結(jié)果，其影響因素較多，比較難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。近年來(lái)，隨著數(shù)值模擬分析在沖壓件成形領(lǐng)域的深入研究和應(yīng)用，Autoform 目前已經(jīng)能夠?qū)_壓件全工序回彈進(jìn)行較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，通過(guò)合理的補(bǔ)償策略和參數(shù)設(shè)計(jì)，可以利用回彈數(shù)據(jù)對(duì)外板A 面進(jìn)行反向補(bǔ)償，在保證外板沖壓件A 面質(zhì)量的同時(shí)提升產(chǎn)品尺寸精度。

本文利用數(shù)值模擬的方法和幾何位移補(bǔ)償原理，研究了后門外板的回彈計(jì)算和全型面回彈補(bǔ)償，通過(guò)全工序回彈精確計(jì)算，采用合理的回彈補(bǔ)償策略，成功實(shí)現(xiàn)了后門外板A 面重構(gòu)，實(shí)物沖壓件外A 面曲率連續(xù)，面品質(zhì)量滿足要求，同時(shí)沖壓件面差精度合格率達(dá)到了92.5%，有效地提高了外板的成形質(zhì)量、縮短了模具開(kāi)發(fā)周期。

工藝規(guī)劃及數(shù)值模擬計(jì)算

后門外板的材質(zhì)為DC54D+Z，料厚為0.7mm，屬于超深沖熱鍍鋅鋼板，板材力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。CAE 分析過(guò)程基于Autoform R7 版本軟件，摩擦系數(shù)0.16，網(wǎng)格劃分最小單元0.31mm，材料允許的最大減薄率為24%，產(chǎn)品尺寸公差要求±0.5mm。

表1 DC54D+Z 板材力學(xué)性能

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)

后門外板是車身外覆蓋件之一，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，中間A 面區(qū)域，法蘭為非外露面，在不影響整體成形質(zhì)量的前提下，為提高拉延成形性，防止局部開(kāi)裂，沖壓工藝上可適當(dāng)采用局部整形，對(duì)于A 面區(qū)域，為保證各位置變形的均勻性，必須通過(guò)拉延一序成形，理論上不允許對(duì)A 面整形。

圖1 后門外板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)后門外板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行沖壓工藝規(guī)劃，工藝規(guī)劃由三序?qū)崿F(xiàn)，具體如圖2 所示，OP10 對(duì)后門外板大部分造型，尤其是A 面區(qū)域，進(jìn)行拉延成形，上部法蘭兩邊拐角深度較深，做過(guò)拉延處理，圖3 為后序存在整形變形量的過(guò)拉延區(qū)域；OP20修邊、沖孔，無(wú)成形內(nèi)容；OP30 進(jìn)行過(guò)拉延區(qū)域的整形和周圈的翻邊。

圖3 存在整形變形量的區(qū)域

數(shù)值模擬計(jì)算

基于沖壓工藝規(guī)劃，通過(guò)Autoform 導(dǎo)入各工序模面，設(shè)置壓邊力、料片尺寸等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行CAE模擬仿真分析，OP10、OP20 工序過(guò)程進(jìn)行自由回彈計(jì)算，OP30 全工序件進(jìn)行約束回彈計(jì)算，主副定位銷及基準(zhǔn)點(diǎn)選取參考圖4 的RPS 基準(zhǔn)，采用最小約束準(zhǔn)則，并考慮沖壓件的重力影響，最終真實(shí)測(cè)量回彈基準(zhǔn)設(shè)置如圖5 所示。為保證回彈計(jì)算精度，數(shù)值模擬過(guò)程中采用彈塑性殼單元模型，選擇厚度11 層積分，切向網(wǎng)格自動(dòng)細(xì)化。

圖4 后門外板RPS 基準(zhǔn)

圖5 數(shù)值模擬真實(shí)測(cè)量回彈計(jì)算設(shè)置基準(zhǔn)

數(shù)值模擬分析顯示零件的成形極限圖如圖6 所示，減薄率在4%～24%范圍內(nèi)符合要求，安全區(qū)域達(dá)到99.83%，無(wú)開(kāi)裂和明顯增厚區(qū)域，零件成形性達(dá)標(biāo)。

圖6 全工序件的成形極限圖

圖7 為后門外板全工序件回彈計(jì)算結(jié)果，給定合格的公差范圍是±0.5mm，統(tǒng)計(jì)分析A 面區(qū)域、法蘭多處回彈超出公差范圍，最大回彈量達(dá)到了+3.037mm，面差合格率僅33.3%，零件精度不達(dá)標(biāo)。

圖7 全工序件回彈計(jì)算結(jié)果

基于數(shù)值模擬的全型面回彈補(bǔ)償

后門外板全工序沖壓件回彈較大，在RPS 給定的基準(zhǔn)下，精度明顯不符合要求。因此，需要通過(guò)對(duì)工藝模面進(jìn)行一定程度的回彈補(bǔ)償，保證最終的零件精度達(dá)標(biāo)，補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)必須基于以上回彈計(jì)算結(jié)果。常規(guī)沖壓件回彈補(bǔ)償往往是基于回彈結(jié)果，手動(dòng)反向調(diào)整模面后進(jìn)行驗(yàn)算，不僅補(bǔ)償費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且對(duì)于外板件，手動(dòng)更改A 級(jí)曲面會(huì)導(dǎo)致沖壓件表面光影扭曲等質(zhì)量缺陷。基于數(shù)值模擬的全型面回彈補(bǔ)償，能夠利用回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合補(bǔ)償整個(gè)型面，從而保證沖壓件外觀質(zhì)量。

回彈補(bǔ)償策略

進(jìn)行全型面回彈補(bǔ)償，首先要確認(rèn)回彈補(bǔ)償策略。分析圖8 后門外板的數(shù)值模擬回彈結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)后門外板面差產(chǎn)生回彈超差的點(diǎn)分布在A 面區(qū)域和法蘭，對(duì)于A 面區(qū)域回彈在拉延進(jìn)行補(bǔ)償，法蘭則可通過(guò)后續(xù)的整形補(bǔ)償。具體回彈補(bǔ)償策略如表2 所示，OP10 用回彈數(shù)據(jù)補(bǔ)償拉延全型面，OP20 修沖壓料過(guò)程避免額外變形，做符型補(bǔ)償，即用拉延件自由回彈后的型面做模面，OP30 理論上工序件在OP20 修邊后應(yīng)力釋放，A 面區(qū)域回彈后已經(jīng)跟原產(chǎn)品一致，因此不需補(bǔ)償，僅補(bǔ)償需要整形的區(qū)域。

圖8 補(bǔ)償后全工序件回彈計(jì)算結(jié)果

型面回彈補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2 補(bǔ)償策略，在數(shù)值模擬軟件的回彈模塊設(shè)置相關(guān)參數(shù)，全型面回彈補(bǔ)償?shù)墓忭樝禂?shù)設(shè)置為0.5，保證A 面不產(chǎn)生過(guò)大的扭曲變形，后續(xù)整形區(qū)域增大光順系數(shù)到0.7，使補(bǔ)償?shù)男兔孀畲笃羁刂圃?.5mm 以內(nèi)，保證回彈結(jié)果的收斂性。相關(guān)參數(shù)和夾持定位基準(zhǔn)與之前的回彈計(jì)算保持一致，進(jìn)行3輪回彈補(bǔ)償?shù)?jì)算后，后門外板回彈計(jì)算結(jié)果如圖8 所示，最大回彈量為+0.479mm，面差合格率達(dá)到100%，零件精度達(dá)標(biāo)。

表2 回彈補(bǔ)償策略

工藝模面重構(gòu)

對(duì)于回彈補(bǔ)償后各個(gè)工序模面的重構(gòu)，是通過(guò)光順幾何法實(shí)現(xiàn)的?；贑ATIA 軟件RSO 模塊的數(shù)字化變形(Digitized Morphing)命令，導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件回彈補(bǔ)償生成的補(bǔ)償矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)，參考原始產(chǎn)品數(shù)據(jù)，設(shè)置變形系數(shù)(Displacement scale)和光順因子(Smooth factor)，自動(dòng)擬合生成補(bǔ)償后的工藝模面。對(duì)于后門外板的回彈補(bǔ)償面，必須滿足A 級(jí)曲面曲率連續(xù)性要求，需要進(jìn)行斑馬線檢驗(yàn)，圖9 為補(bǔ)償前后拉延模面的斑馬線對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)全型面回彈補(bǔ)償后的型面斑馬線光順連續(xù)無(wú)突變，達(dá)到補(bǔ)償前的A面質(zhì)量水平，符合A 級(jí)曲面設(shè)計(jì)要求，可以用于加工和制造。

圖9 回彈補(bǔ)償前后A 面的斑馬線對(duì)比

后門外板實(shí)物驗(yàn)證

后門外板沖壓件實(shí)物面品狀態(tài)如圖10 所示，通過(guò)AUDIT 評(píng)審，評(píng)定A 面光順無(wú)扭曲變形，質(zhì)量滿足要求，跟數(shù)模狀態(tài)基本一致，達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)藍(lán)光掃描對(duì)后門外板進(jìn)行精度檢測(cè)，圖11為藍(lán)光掃描過(guò)程，圖12 為面差精度狀態(tài)。由圖可知，平均偏差在±0.5mm 以內(nèi)，面差最大偏差值為+2.170mm，超差點(diǎn)精度與CAE 結(jié)果不一致，位于剛性較差的邊緣部位回彈，數(shù)值模擬與實(shí)際仍然存在偏差；面差公差在±0.5mm 范圍內(nèi)的合格率為92.5%。后門外板的總體精度和穩(wěn)定性較高，與回彈補(bǔ)償后的CAE 分析結(jié)果預(yù)測(cè)趨勢(shì)基本一致。

圖10 后門外板沖壓件實(shí)物面品質(zhì)量

圖11 后門外板沖壓件實(shí)物藍(lán)光掃描過(guò)程

圖12 后門外板沖壓件實(shí)物藍(lán)光掃描精度

戟是重要的車戰(zhàn)兵器，勾割效果較好，戟有長(zhǎng)戟、手戟、雙戟等。手戟柄短體輕，可刺可擲，是性能優(yōu)良的防身自衛(wèi)兵器。長(zhǎng)戟、雙戟?jiǎng)t柄長(zhǎng)體重，殺傷威力大。主要以剁、刺，勾、片、探、掛擄、磕，為主要的招式。呂布是使戟高手，我們對(duì)呂布都留下了白面無(wú)須，手中方天戟，縱橫馳騁，英勇無(wú)敵的印象。呂布手中的方天畫(huà)戟，是唯一一個(gè)能讓三國(guó)中無(wú)數(shù)桀驁不馴的英雄豪杰甘拜下風(fēng)的武器了。

總結(jié)

(1)后門外板沖壓工藝規(guī)劃應(yīng)根據(jù)外板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于整個(gè)A 面區(qū)域必須由拉延成形，同時(shí)為提高拉延成形性，防止局部開(kāi)裂，非A 面區(qū)域位置可進(jìn)行后續(xù)的整形處理；

(2)通過(guò)數(shù)值模擬分析的方法，后門外板采用拉延全型面回彈補(bǔ)償、后續(xù)符型及整形區(qū)域單獨(dú)回彈補(bǔ)償?shù)牟呗?，CAE 分析結(jié)果面差合格率由33.3%提升至100%，后門外板實(shí)際沖壓件面差合格率為92.5%，表明回彈補(bǔ)償合理有效，極大提高沖壓件精度，降低調(diào)試難度，但對(duì)于剛性較差的邊緣部位回彈，數(shù)值模擬與實(shí)際仍然存在偏差；

(3)基于CATIA 的數(shù)字化變形命令，利用回彈補(bǔ)償矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)后門外板工藝模面進(jìn)行A 面重構(gòu)，斑馬線光順連續(xù)無(wú)突變，達(dá)到補(bǔ)償前的A面質(zhì)量水平，后門外板實(shí)際沖壓件外A 面外觀質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，表明數(shù)值模擬輸出的回彈補(bǔ)償矢量場(chǎng)與數(shù)字化變形相結(jié)合，能夠保證A 面重構(gòu)的高質(zhì)量要求。