汽車側(cè)圍外板回彈補償及尺寸精度控制

王妤 王哲 張雄飛 李凱 劉帥

（一汽模具制造有限公司，長春130013）

1 前言

近年來，中國汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，激烈的市場競爭和消費理念升級決定汽車產(chǎn)品需要快速迭代，開發(fā)周期縮短且整車質(zhì)量提高。隨著汽車主機廠對制件成形質(zhì)量和尺寸精度的要求不斷提高，對汽車覆蓋件質(zhì)量和其沖壓模具質(zhì)量提出越來越高的要求，如何提高制件成形質(zhì)量與尺寸精度是模具開發(fā)面對的難題[1]。

側(cè)圍作為汽車車身最重要的外覆蓋件之一，匹配關(guān)系非常復(fù)雜，與翼子板、頂蓋、前后車門、行李箱、輪罩、地板邊梁等主要部件均有嚴(yán)格的匹配關(guān)系，尺寸精度要求高。同時，側(cè)圍零件尺寸大、板料較薄、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成拉延過程中板料流動不均勻，極易出現(xiàn)起皺、開裂等成形性問題。若在設(shè)計階段不能保證沖壓工藝的穩(wěn)健性，不僅會造成后期制件調(diào)試、整改的困難，同時影響回彈的穩(wěn)定性和回彈補償?shù)牟豢深A(yù)見性。如何穩(wěn)定、有效地控制回彈，是提高側(cè)圍尺寸精度的關(guān)鍵。

以某車型側(cè)圍為研究對象，利用Autoform數(shù)值模擬軟件進(jìn)行沖壓工藝穩(wěn)健性分析、全工序成形及回彈過程的模擬分析，確保CAE分析結(jié)果的可靠性及穩(wěn)定性，在前期準(zhǔn)確地模擬評估回彈量[2]；采用優(yōu)化后的補償策略進(jìn)行全工序回彈補償，有效地控制了汽車側(cè)圍外板回彈；并通過實際生產(chǎn)驗證了尺寸精度控制方法的有效性，提高模具質(zhì)量，減少后期因回彈造成的模具調(diào)試工作量，縮短開發(fā)周期。

2 側(cè)圍全工序模擬分析

圖1所示為某汽車側(cè)圍模型，左、右側(cè)圍唯一區(qū)別為有無充電口。產(chǎn)品尺寸為3 100×1 270×430 mm，厚度為0.7 mm，鋼板材質(zhì)，材料參數(shù)見表1。

圖1 某車型側(cè)圍模型

表1 材料性能參數(shù)

圖2所示為左側(cè)圍的五序沖壓工藝內(nèi)容。采用模擬分析軟件Autoform對沖壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)合實際沖壓模具的動作順序設(shè)置全工序分析流程[3]，如圖3所示。

圖2 側(cè)圍各工序工藝內(nèi)容

圖3 全工序分析流程

3 側(cè)圍的穩(wěn)健性分析

為了得到精確、可靠的全工序分析文件作為回彈補償?shù)幕A(chǔ)，在進(jìn)行回彈補償操作前，通過合理地設(shè)置噪音變量，對沖壓工藝進(jìn)行穩(wěn)健性分析[4]。以屈服強度、抗拉強度、r值、摩擦系數(shù)、板料位移、板料厚度、壓邊力參數(shù)為變量，對OP20拉延工序進(jìn)行分析。應(yīng)用模擬分析軟件Autoform-Sigma模塊對各個參數(shù)進(jìn)行浮動變化的穩(wěn)健性分析。表2為設(shè)置的Sigma分析變量參數(shù)。

表2 Sigma分析變量參數(shù)

按照上述參數(shù)設(shè)置后的側(cè)圍穩(wěn)健性分析結(jié)果如圖4和圖5所示。通過減薄率結(jié)果可以看出拉延工序件減薄率基本能夠達(dá)到3%以上，塑性變形充分，同時可以看出仍有3處開裂風(fēng)險；通過減薄率及最大失效的影響因素對比結(jié)果看到摩擦系數(shù)和成形力是該區(qū)域開裂的主要影響因素，在實際生產(chǎn)制造過程中，增加模具潤滑及將模具打磨光亮可以緩解此處開裂；同時對于有開裂風(fēng)險的3處區(qū)域，進(jìn)行工藝優(yōu)化，消除開裂風(fēng)險。除此區(qū)域外其余區(qū)域均在安全范圍內(nèi)，拉延工序成形結(jié)果比較穩(wěn)定。

圖4 拉延件的減薄率

圖5 最大失效的影響因素

4 側(cè)圍回彈及回彈補償研究

4.1 自由回彈分析

在對沖壓工藝進(jìn)行穩(wěn)健性分析，保證成形性穩(wěn)定后，基于優(yōu)化后的工藝方案模擬分析各工序自由回彈趨勢，如圖6所示。由各序自由回彈分布可知OP20拉延發(fā)生扭曲回彈、OP30修邊后應(yīng)力釋放、OP40～OP60均為修邊沖孔和局部整形，回彈趨勢一致。

圖6 側(cè)圍各工序回彈結(jié)果

4.2 最小夾持方案的確定

確認(rèn)產(chǎn)品為車身方向檢測，根據(jù)產(chǎn)品提供的定位點系統(tǒng)（Reference Point System,RPS）如圖7所示，共30個RPS點。其中點B和點C為X&Z向及Z向定位，點A1～A3為Y向主要RPS點，其它RPS點為輔助RPS點，表3為RPS基準(zhǔn)。

表3 RPS基準(zhǔn)

對于側(cè)圍而言，產(chǎn)品尺寸大且受重力影響大，在模擬過程中往往定位困難，然而定位準(zhǔn)確是尺寸測量的基礎(chǔ)，因此，選取合理位置定位對于確定回彈補償基準(zhǔn)尤其重要。在分析回彈時采用3個CH孔限位（圖7中P1、P2、P3），將夾持狀態(tài)同實際的模具調(diào)試結(jié)合，使回彈結(jié)果更接近真實情況。

圖7 RPS定位點系統(tǒng)

通過嘗試不同夾持方案，在保證夾持點盡量選擇回彈穩(wěn)定區(qū)域且夾緊力不超過30 N，同時保證補償?shù)那尜|(zhì)量，最終確定最小夾持方案及全夾持回彈如圖8所示。

與治療前比較，兩組患兒治療后血清IL‐6、IL‐10、CRP、HMGB1均顯著下降，且觀察組顯著低于對照組（P＜0.05），見表3。

圖8 最小夾持及全夾持回彈

同時對比左右側(cè)圍回彈結(jié)果，僅充電口一處差別，有充電口與無充電口回彈對比如圖9所示，可以看出充電口成形導(dǎo)致后輪位置回彈增大，此區(qū)域左側(cè)圍A面最大回彈+2.4mm；右側(cè)圍A面最大回彈+1.6 mm?？紤]設(shè)計及整改的質(zhì)量和成本，左右側(cè)圍使用相同工序數(shù)模，因此回彈補償時，以右側(cè)不帶充電口產(chǎn)品為補償基準(zhǔn)，將回彈補償?shù)轿?。對于帶充電口?cè)產(chǎn)品回彈，按相同回彈補償量補償后，判定是否在公差范圍內(nèi)，若不在公差范圍內(nèi)，可以使用夾持點夾緊驗證。

圖9 左右側(cè)圍后輪罩位置回彈對比

4.3 回彈補償策略的制定及回彈補償研究

4.3.1 回彈補償區(qū)域確定

根據(jù)最小夾持回彈結(jié)果將回彈超差區(qū)域劃分為圖10中的6個區(qū)域。此6個超差區(qū)域也是現(xiàn)場反饋多個車型側(cè)圍尺寸超差的典型區(qū)域。其中，區(qū)域1主要為車門配合面、下門檻匹配面及鉸鏈安裝面；區(qū)域2為前風(fēng)窗主型面及車門配合面；區(qū)域3為與后輪罩主型面及搭接法蘭；區(qū)域4包括激光拼焊面、前風(fēng)窗搭接面及頂蓋搭接法蘭面；區(qū)域5為后保險杠搭接面；區(qū)域6為尾燈上部搭接面。

圖10 回彈補償區(qū)域

由于側(cè)圍匹配區(qū)域多，其公差要求極其復(fù)雜。綜合考慮零件的單件、總成要求，最終確定超差的6個區(qū)域相應(yīng)的幾何尺寸公差（GD&T）要求，如圖11所示。同時，RPS點檢測公差為±0.2 mm，未注非搭接面公差為±1.0 mm。

圖11 超差區(qū)域及公差要求

4.3.2 回彈補償策略的制定

回彈補償盡量通過較少的補償工序來達(dá)到公差要求。比較OP20~OP60的自由回彈和最小夾持回彈分析結(jié)果得出，拉延工序和整形工序是產(chǎn)生回彈的關(guān)鍵工序，制件在修邊、沖孔工序僅應(yīng)力釋放，同時考慮拉延件在修邊模具上的服帖性，需要盡量保證各工序主型面一致。其中區(qū)域1和2是由拉延序成形到位，因此在拉延序開始補償，區(qū)域1最大補償量為-2.0 mm、區(qū)域2最大補償兩為-0.8 mm；門洞里法蘭拉延到位，OP30整形根部圓角，因此門洞法蘭在拉延補償；區(qū)域3處主型面及法蘭由拉延成形，R角由OP30、OP40兩序分段整形，因此主型面拉延序開始補償，法蘭面在OP30及OP40序補償，主型面最大補償量-1.5 mm；區(qū)域4為頂蓋搭接區(qū)域，由OP40整形到位，因此在OP40序補償，同時此區(qū)域包含激光拼焊面，除保證面差在公差范圍內(nèi)，同時考慮激光拼焊面平度及回彈高低差Δ≤±0.1 mm；區(qū)域5為后保險杠搭接區(qū)域，由OP50整形到位，此區(qū)域在OP50序補償。同時，由于A面相較于法蘭面補償難度大，質(zhì)量要求高，側(cè)圍的第一輪補償主要為補償A面，即區(qū)域1、2、3；將A面補償?shù)轿缓?，繼續(xù)補償法蘭。按照上述補償方案，根據(jù)回彈量值對各區(qū)域進(jìn)行第一輪補償。

圖12 第二輪匹配面補償區(qū)域及量值

4.4 回彈補償后曲面質(zhì)量檢查

補償后保證補償量值合格后，還需要對補償前后進(jìn)行曲面質(zhì)量檢查，防止補償過程中曲面變形可能造成的曲面缺陷，保證所有區(qū)域滿足曲面無波浪，曲率與原產(chǎn)品一致。表4為補償前后產(chǎn)品數(shù)據(jù)面曲率及高光對比。

表4 回彈補償前后高光檢查對比

4.5 修邊線補償及輪廓優(yōu)化

在對型面進(jìn)行回彈補償時，局部補償量大，需要檢查回彈后輪廓偏差，優(yōu)化超差處輪廓，同時檢查補償后修邊線質(zhì)量及修邊角度。通過修邊線補償不僅可以提高零件輪廓精度，同時得到的修沖件的精度高、質(zhì)量好。

4.6 檢查回彈補償對成形性的影響

回彈補償后，需重復(fù)全工序分析檢查內(nèi)容，其中特別關(guān)注拉延成形性。同時保證全工序型面一致性，并檢查回彈補償前后線長差，保證線長差在±0.3 mm范圍內(nèi)，以保證型面輪廓公差；同時檢查并修正由于補償造成的側(cè)圍直、斜翻邊整形區(qū)域沿斜楔方向的負(fù)角，并檢查修邊角度。將回彈補償后的各工序數(shù)模替換進(jìn)行驗證分析，根據(jù)成形性結(jié)果，如圖13所示，回彈補償后的成形性等結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，回彈補償結(jié)果可靠。

4.7 回彈補償模擬效果驗證

最終檢查補償后基準(zhǔn)狀態(tài)回彈及全夾持回彈模擬結(jié)果，如圖14所示?；鶞?zhǔn)狀態(tài)與全夾持狀態(tài)相近，補償后零件整體回彈狀態(tài)穩(wěn)定，回彈量減小至-0.6~+0.6 mm，全夾持RPS點夾持力在30 N內(nèi)，回彈在公差范圍內(nèi)。

圖14 側(cè)圍補償效果

5 回彈補償實際效果驗證

在保證模具制造過程精確后，對首輪全工序件進(jìn)行檢測，圖15為全工序件首輪檢測圖。根據(jù)三坐標(biāo)檢測結(jié)果，左側(cè)圍首輪制件合格率為92.2%；右側(cè)圍首輪制件合格率94.6%，尺寸精度有顯著提升。

圖15 全工序件首輪檢測

將首輪樣件進(jìn)行ATOS掃描，結(jié)果如圖16所示。

圖16 首輪樣件ATOS光學(xué)掃描結(jié)果

實際偏差在-1.1~+1.2 mm，RPS點、主型面及匹配面絕大部分測量點偏差在公差范圍內(nèi)。通過將補償前后模擬回彈量與實際測量偏差對比分析，其結(jié)果如圖17所示。對比結(jié)果表明，實際與模擬結(jié)果基本吻合，相較補償前尺寸有較大提升。

圖17 首輪樣件檢測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比

同時對回彈補償?shù)?個區(qū)域分別等距選取15個測量點，如圖18所示。其中區(qū)域5即后保險杠搭接區(qū)域仍存在超差點，此處經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試整改局部翻邊鑲塊，即可改善此處偏差；同時測量區(qū)域4頂蓋拼焊面區(qū)域，尺寸在公差范圍內(nèi)，同時，面高低差Δ在0.1mm內(nèi)，滿足公差要求；其余區(qū)域均在公差范圍內(nèi)。由此可知，模具經(jīng)過穩(wěn)定性調(diào)試、回彈補償后，零件精度提升，零件狀態(tài)良好，尺寸滿足設(shè)計要求。

圖18 補償區(qū)域檢測偏差

6 結(jié)論

a.通過沖壓工藝穩(wěn)健性分析、全工序成形及回彈過程的模擬分析，保證CAE分析結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，在前期準(zhǔn)確地模擬評估回彈量；

b.依據(jù)制件在檢具上的實際狀態(tài)，確定最小夾持方案并制定合理回彈補償方案，采用優(yōu)化后的補償策略進(jìn)行全工序回彈補償，有效地控制了汽車側(cè)圍外板回彈；

c.通過實際生產(chǎn)驗證了尺寸精度控制方法的有效性，提高成形質(zhì)量和尺寸精度，減少了后期因回彈造成的模具調(diào)試工作量，縮短開發(fā)周期，為以后其它車型側(cè)圍模具的開發(fā)打下基礎(chǔ)。