高強(qiáng)鋼熱沖壓結(jié)構(gòu)件三維激光切割回彈規(guī)律及精度補(bǔ)償方法

李守港 劉 鵬 劉 祥 胡志力

1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430070 2.武漢理工大學(xué)汽車(chē)零部件技術(shù)湖北協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢，430070 3.武漢理工大學(xué)材料綠色成形技術(shù)與裝備湖北省工程中心,武漢，430070 4.東風(fēng)(武漢)實(shí)業(yè)有限公司，武漢，430040

0 引言

先進(jìn)高強(qiáng)鋼在車(chē)身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用不僅保障了汽車(chē)碰撞安全性，還實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)輕量化[1-2]。高強(qiáng)鋼車(chē)身結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度通常達(dá)到1500 MPa，如果采用傳統(tǒng)的模具切邊和模具沖孔，則要求模具具有高強(qiáng)度、高耐磨性以及高可靠性，否則在達(dá)到一定的工作次數(shù)時(shí)會(huì)造成模具嚴(yán)重磨損[3-4]。三維激光切割是一種先進(jìn)的材料切割技術(shù)，具有精度高、切割速度快、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)，在對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)件進(jìn)行切割時(shí)只受車(chē)身結(jié)構(gòu)件材料熔點(diǎn)的影響，不受車(chē)身結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的影響。目前，三維激光切割技術(shù)是高強(qiáng)鋼車(chē)身結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)切邊和切孔的主要加工方式。然而，在沖壓成形和三維激光切割的兩大先進(jìn)高強(qiáng)鋼車(chē)身結(jié)構(gòu)件加工工序中，由于成形力的卸載、局部應(yīng)力釋放等因素的影響，車(chē)身結(jié)構(gòu)件均會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，極大影響車(chē)身結(jié)構(gòu)件精度。因此，如何控制并減小回彈、提高車(chē)身結(jié)構(gòu)件精度，已成為行業(yè)內(nèi)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

在沖壓成形工藝中的控制回彈提高精度方面，薛克敏等[5]利用ABAQUS軟件對(duì)22MnB5超高強(qiáng)鋼沖壓過(guò)程進(jìn)行熱力耦合有限元模擬，對(duì)零件厚度分布和回彈量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。謝延敏等[6]為減小高強(qiáng)鋼熱沖壓成形扭曲回彈，提出一種基于漸變凹模圓角半徑的模具補(bǔ)償方法，通過(guò)有限元仿真軟件DYNAFORM對(duì)雙C件進(jìn)行仿真模擬，并通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，有效地減小了扭曲回彈。段磊等[7]利用Autoform軟件對(duì)汽車(chē)前梁后部零件進(jìn)行全工序成形回彈仿真，并根據(jù)回彈值對(duì)模面進(jìn)行補(bǔ)償。聶昕等[8]提出一種考慮變形熱和摩擦熱效應(yīng)的沖壓成形研究方法，并通過(guò)U形件沖壓試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。HAN等[9]提出一種耦合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有限元法的技術(shù)(FEM-PSONN)模擬并預(yù)測(cè)制件的回彈量，通過(guò)訓(xùn)練，模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了制件回彈。

三維激光切割過(guò)程中，由于多余材料的去除，車(chē)身結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力釋放導(dǎo)致回彈發(fā)生，且沒(méi)有考慮夾緊力對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)件的影響[10]，夾具與檢具裝夾狀態(tài)不同，車(chē)身結(jié)構(gòu)件受到不同的夾緊力的影響也會(huì)產(chǎn)生回彈。

在三維激光切割工藝中的控制回彈提高精度方面，HUANG等[11]針對(duì)激光切割插補(bǔ)過(guò)程中由離散帶來(lái)的軌跡誤差，提出一種軌跡補(bǔ)償方案，提高了激光切割的精度。謝暉等[12]提出一種根據(jù)激光切割修邊時(shí)序分布考慮回彈的修邊線更新方法，通過(guò)有限元仿真分析對(duì)激光切割過(guò)程中的回彈進(jìn)行仿真計(jì)算，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)修邊線進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。MAEDA等[13]針對(duì)金屬板材激光切割過(guò)程中由殘余應(yīng)力所造成的板材變形問(wèn)題，提出了一種通過(guò)對(duì)金屬板材邊緣進(jìn)行輕壓限制以減小激光切割殘余應(yīng)力的方法，通過(guò)有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。LIU等[14]針對(duì)多點(diǎn)成形三維激光切割過(guò)程中的應(yīng)力釋放造成的輪廓偏移問(wèn)題，通過(guò)有限元仿真對(duì)多點(diǎn)成形零件的修邊進(jìn)行回彈的預(yù)測(cè)，并通過(guò)對(duì)修邊線的補(bǔ)償?shù)玫搅俗罴亚懈盥窂健?/p>

以上研究只關(guān)注沖壓或者激光切割某單一工序中的車(chē)身結(jié)構(gòu)件回彈控制與精度補(bǔ)償，忽視了沖壓工序?qū)θS激光切割工序所造成的影響。此外，在回彈精度補(bǔ)償方面只通過(guò)模面補(bǔ)償方法和工藝優(yōu)化方法減小車(chē)身結(jié)構(gòu)件回彈，忽視了三維激光切割后由于回彈帶來(lái)的輪廓與型面誤差。為此，考慮切割精度的回彈補(bǔ)償方法對(duì)提高三維激光切割精度尤為重要。

本文針對(duì)回彈引起的三維激光切割高強(qiáng)鋼車(chē)身結(jié)構(gòu)件輪廓和型面誤差問(wèn)題，采用數(shù)值模擬方法研究了車(chē)身結(jié)構(gòu)件三維激光切割過(guò)程中的實(shí)時(shí)回彈以及夾具和檢具夾緊力對(duì)輪廓精度的影響，分析了車(chē)身結(jié)構(gòu)件輪廓發(fā)生偏移的原因，提出了一種考慮三維激光切割過(guò)程中實(shí)時(shí)回彈和夾緊力改變的輪廓補(bǔ)償方法。在對(duì)某車(chē)型A柱的有限元仿真分析的過(guò)程中，基于回彈預(yù)測(cè)的直接補(bǔ)償方法進(jìn)行精度補(bǔ)償，最后通過(guò)切割試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性。

1 研究材料、方法與設(shè)備

1.1 A柱材料與結(jié)構(gòu)

A柱采用熱成形高強(qiáng)鋼22MnB5，其化學(xué)組成成分見(jiàn)表1，熱成形后其屈服強(qiáng)度為1280 MPa，抗拉強(qiáng)度為1610 MPa。

表1 22MnB5主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

A柱車(chē)身結(jié)構(gòu)件幾何模型如圖1所示，材料為22MnB5，厚度為1.4 mm，車(chē)身結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)度為1237 mm，寬度為325 mm，高度為176 mm。A柱經(jīng)沖壓成形后通過(guò)三維激光切割工序進(jìn)行修邊切孔，三維激光切割輪廓長(zhǎng)度為4262 mm。車(chē)身結(jié)構(gòu)件公差要求如圖2所示。

圖1 A柱三維模型

圖2 A柱公差要求

1.2 研究方法

三維激光切割為熱成形生產(chǎn)線的最后一道工序，數(shù)值模擬需充分考慮前序工序?qū)?chē)身結(jié)構(gòu)件造成的影響。完整的數(shù)值模擬過(guò)程應(yīng)包括板料沖壓、模具卸載、切孔、修邊等工序，板料沖壓、卸載回彈后的車(chē)身結(jié)構(gòu)件狀態(tài)為三維激光切割切孔修邊的初始狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)三維激光切割精確的回彈數(shù)值模擬。三維激光切割為有序的分時(shí)分段的過(guò)程[12]，每一段的切割結(jié)果均會(huì)對(duì)后一段切割精度造成影響。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中夾具會(huì)根據(jù)切割順序依次閉合，在保證不會(huì)與切割頭發(fā)生干涉的情況下，保證車(chē)身結(jié)構(gòu)件的夾持。本文采用按序切孔、多步修邊的數(shù)值模擬方法實(shí)現(xiàn)對(duì)三維激光切割回彈的精確模擬。圖3所示為本文整體的研究流程。圖4為激光切割后的車(chē)身結(jié)構(gòu)件截面回彈示意圖。圖5為車(chē)身結(jié)構(gòu)件三維激光切割工序夾具與檢具夾緊位置的示意圖。

圖3 研究流程

圖4 三維激光切割后的車(chē)身結(jié)構(gòu)件截面回彈示意圖

圖5 車(chē)身結(jié)構(gòu)件夾具與檢具的夾緊位置

本文通過(guò)AUTOFORM有限元分析軟件建立了A柱熱沖壓和修邊沖孔仿真模型來(lái)進(jìn)行回彈值的預(yù)測(cè)，提出了基于回彈值預(yù)測(cè)的直接補(bǔ)償方法，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)件切割輪廓進(jìn)行補(bǔ)償，并通過(guò)三維激光切割試驗(yàn)驗(yàn)證了基于回彈預(yù)測(cè)的直接補(bǔ)償方法的切割精度。

1.3 三維激光切割試驗(yàn)平臺(tái)與工藝

為驗(yàn)證補(bǔ)償方法的有效性，采用三維激光切割設(shè)備對(duì)A柱沖壓件進(jìn)行切割試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備采用意大利Prima公司生產(chǎn)的三維激光切割機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)aser Next LN1530-3D，如圖6所示。激光器型號(hào)為IPG YLS-3000，試驗(yàn)所采用的工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

圖6 三維五軸光纖激光切割機(jī)

表2 三維激光切割工藝參數(shù)

2 回彈數(shù)值模擬

2.1 沖壓有限元模型的建立

采用AUTOFORM軟件網(wǎng)格劃分功能對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，沖壓有限元模型如圖7所示，網(wǎng)格劃分參數(shù)見(jiàn)表3。為保證仿真與實(shí)際生產(chǎn)相符，采用熱沖壓實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)，沖壓工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

圖7 A柱沖壓仿真有限元模型

表3 網(wǎng)格劃分參數(shù)

表4 沖壓工藝參數(shù)

2.2 三維激光切割有限元模型

激光切車(chē)身結(jié)構(gòu)件的過(guò)程可視為熱源在車(chē)身結(jié)構(gòu)件表面快速移動(dòng)的過(guò)程。將激光熱源加載到車(chē)身結(jié)構(gòu)件的表面，并沿切割方向向前移動(dòng)。激光熱源模型選用半橢球體熱源，熱源模型熱流密度表達(dá)式[15]為

(1)

其中，P為三維激光切割功率，W；v為切割速度，m/s；e為自然常數(shù)；x、y、z為空間三維坐標(biāo)軸坐標(biāo)；a、b、c為熱源模型參數(shù),m。取P=2800 W，v=0.26 m/s，光斑半徑為0.1 mm。有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖8所示，共有71 837個(gè)D3CD8單元。

圖8 三維激光切割有限元模型

2.3 車(chē)身結(jié)構(gòu)件修邊有限元模型

為了保證三維激光切割回彈仿真的精確性，按照實(shí)際三維激光切割的切割順序進(jìn)行仿真計(jì)算，具體步驟如下：①首先按照修孔順序?qū)?chē)身結(jié)構(gòu)件進(jìn)行修孔處理。②按加工順序及夾具的裝夾狀態(tài)將車(chē)身結(jié)構(gòu)件外輪廓修邊線進(jìn)行分段處理，如圖9所示。③依次按順序進(jìn)行回彈計(jì)算，切割順序和切割輪廓，如圖10所示。

圖9 修邊順序

圖10 切割順序和切割輪廓

2.4 回彈有限元結(jié)果分析

2.4.1沖壓回彈結(jié)果

沖壓工序回彈數(shù)值仿真結(jié)果如圖11所示，根據(jù)圖11，沖壓工序車(chē)身結(jié)構(gòu)件回彈橫向由中心向兩端增長(zhǎng)，縱向由車(chē)身結(jié)構(gòu)件中心線向兩側(cè)增大，但誤差均在公差范圍內(nèi)，滿足沖壓工序的生產(chǎn)要求，可以進(jìn)行下一工序的分析。

圖11 沖壓工序法向回彈

2.4.2三維激光切割溫度場(chǎng)

三維激光切割溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖12所示，由仿真結(jié)果可知,三維激光切割過(guò)程中，車(chē)身結(jié)構(gòu)件的溫度隨激光熱源的移動(dòng)而變化，溫度場(chǎng)形狀呈彗星狀。對(duì)溫度場(chǎng)分布寬度進(jìn)行測(cè)量，切縫一側(cè)寬度為12 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于車(chē)身結(jié)構(gòu)件的寬度，可知三維激光切割對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)件造成的熱影響區(qū)范圍較小。

圖12 三維激光切割溫度場(chǎng)

2.4.3三維激光切割后回彈結(jié)果

三維激光切割后車(chē)身結(jié)構(gòu)件的回彈結(jié)果如圖13所示，根據(jù)圖13，車(chē)身結(jié)構(gòu)件回彈分布較沖壓回彈發(fā)生了明顯的改變，車(chē)身結(jié)構(gòu)件回彈由中間向左右兩端減小，右側(cè)出現(xiàn)局部的回彈增大。

圖13 車(chē)身結(jié)構(gòu)件最終法向回彈值

3 回彈補(bǔ)償方法

3.1 三維激光切割誤差定義

三維激光切割回彈引起的輪廓尺寸誤差一般為單段切割線的整體偏移，如圖14所示，定義輪廓尺寸誤差Δ：

圖14 三維激光切割斷面示意圖

Δ=max|di|

(2)

式中，di為目標(biāo)輪廓與三維激光切割后輪廓在目標(biāo)輪廓所在平面上投影之間的偏差值。

三維激光切割引起輪廓誤差的同時(shí)會(huì)引起車(chē)身結(jié)構(gòu)件的型面回彈，如圖14所示，定義型面尺寸誤差Δf：

Δf=max|df|

(3)

式中，df為目標(biāo)輪廓與三維激光切割后輪廓法向回彈值。

3.2 基于回彈預(yù)測(cè)的直接補(bǔ)償方法

車(chē)身結(jié)構(gòu)件輪廓分為車(chē)身結(jié)構(gòu)件頂面及底部?jī)赏咕壝孑喞c車(chē)身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁輪廓。

3.2.1頂面及底部?jī)赏咕壝孑喞`差補(bǔ)償方法

車(chē)身結(jié)構(gòu)件的頂面及底部?jī)赏咕壝妫懈钇矫媾cXY平面平行，Z向的回彈可以忽略，輪廓尺寸誤差可近似于切割輪廓在X、Y方向的回彈值，因此,車(chē)身結(jié)構(gòu)件頂面和底部?jī)赏咕壝嫔系那懈钶喞难a(bǔ)償主要根據(jù)切割輪廓在X、Y方向上的回彈值對(duì)輪廓進(jìn)行反向偏置。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)輪廓的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0,z0),回彈后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1,z1)，則補(bǔ)償值為

(4)

3.2.2車(chē)身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁輪廓誤差補(bǔ)償方法

車(chē)身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁切割輪廓一般為內(nèi)輪廓，即圓孔等，偏差主要是由車(chē)身結(jié)構(gòu)件回彈帶來(lái)的位置偏差，設(shè)車(chē)身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁與Z軸角度為α，如圖15所示。當(dāng)輪廓在Z軸方向上進(jìn)補(bǔ)償時(shí)，車(chē)身結(jié)構(gòu)件輪廓節(jié)點(diǎn)會(huì)在X軸方向上相應(yīng)移動(dòng)Δx=-Δztanα。為了補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)便性，適用于工程實(shí)踐，就側(cè)壁上的切割輪廓而言，主要根據(jù)切割輪廓在Y、Z方向上的回彈值對(duì)輪廓進(jìn)行反向偏置。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)輪廓的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0,z0),回彈后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1,z1)，則需要的補(bǔ)償值為

圖15 車(chē)身結(jié)構(gòu)件側(cè)壁的補(bǔ)償

(5)

3.2.3型面誤差補(bǔ)償方法

型面尺寸誤差需通過(guò)對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)件三維激光切割輪廓進(jìn)行整體偏移(即對(duì)定位孔位置進(jìn)行修改)來(lái)減小車(chē)身結(jié)構(gòu)件型面與理想輪廓之間的偏差值，如圖16所示。

圖16 車(chē)身結(jié)構(gòu)件型面的補(bǔ)償

3.3 回彈補(bǔ)償結(jié)果

以特征點(diǎn)A(圖17)說(shuō)明回彈補(bǔ)償?shù)木唧w方法，根據(jù)圖2與圖11，點(diǎn)A需同時(shí)考慮輪廓誤差和型面的誤差。

圖17 A點(diǎn)選取位置

3.3.1輪廓誤差補(bǔ)償結(jié)果

根據(jù)回彈結(jié)果，A點(diǎn)輪廓誤差主要為Z向的偏移，車(chē)身結(jié)構(gòu)件Z向的偏移值如圖18所示，根據(jù)圖18，點(diǎn)A所在邊線偏移值為-1.6 mm，根據(jù)式(4)，補(bǔ)償值為+1.6 mm。

圖18 車(chē)身結(jié)構(gòu)件Z向偏差值

3.3.2型面誤差補(bǔ)償結(jié)果

根據(jù)圖11，A點(diǎn)所在型面誤差為+1.0 mm，將整體輪廓向反方向補(bǔ)償，補(bǔ)償值為-1.0 mm。按照上述過(guò)程依次對(duì)不合格輪廓進(jìn)行補(bǔ)償，得到最佳輪廓線如圖19所示。

圖19 最佳切割輪廓

3.4 有限元驗(yàn)證

采用補(bǔ)償后的修邊線輪廓進(jìn)行有限元分析，補(bǔ)償后的車(chē)身結(jié)構(gòu)件回彈如圖20所示，車(chē)身結(jié)構(gòu)件整體處于合格范圍內(nèi)。

圖20 補(bǔ)償后車(chē)身結(jié)構(gòu)件整體回彈值

4 三維激光切割試驗(yàn)驗(yàn)證

基于回彈預(yù)測(cè)的直接補(bǔ)償方法所得到的最佳切割輪廓開(kāi)展三維激光切割試驗(yàn)，試制件如圖21所示。選取車(chē)身結(jié)構(gòu)件A柱上21個(gè)特征點(diǎn)，如圖22所示，對(duì)特征點(diǎn)所在輪廓和型面進(jìn)行檢測(cè)，未補(bǔ)償輪廓誤差與補(bǔ)償后輪廓誤差比較如圖 23所示，型面誤差比較如圖24所示。

圖21 A柱三維激光切割試制件

圖22 特征點(diǎn)位置

圖23 輪廓誤差比較

圖24 型面誤差比較

根據(jù)圖23與圖24，經(jīng)補(bǔ)償后的三維激光切割輪廓能夠有效控制車(chē)身結(jié)構(gòu)件回彈，輪廓回彈誤差下降約28.5%，型面回彈誤差下降38.3%?；诨貜楊A(yù)測(cè)的直接補(bǔ)償方法有效地控制了三維激光切割輪廓回彈誤差，提高了三維激光切割精度，縮短了調(diào)試時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

(1)本文建立了A柱熱沖壓和三維激光切割全工序的回彈仿真模型，通過(guò)溫度場(chǎng)仿真發(fā)現(xiàn),三維激光切割對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)件的熱影響很小，回彈仿真能夠有效地預(yù)測(cè)回彈變形的整體趨勢(shì)。

(2)基于回彈預(yù)測(cè)的直接補(bǔ)償方法得到了滿足三維激光切割精度的最佳切割輪廓，三維激光切割試驗(yàn)驗(yàn)證了該補(bǔ)償方法的有效性，經(jīng)檢具測(cè)量，所提補(bǔ)償方法能夠有效控制車(chē)身結(jié)構(gòu)件的回彈，輪廓回彈誤差減小28.5%，型面回彈減小約38.3%，有效提高了先進(jìn)高強(qiáng)鋼車(chē)身結(jié)構(gòu)件的三維激光切割精度，滿足車(chē)身結(jié)構(gòu)件精度要求。