某車型前縱梁外板成型工藝及零件品質(zhì)控制研究

摘要：汽車前縱梁的材質(zhì)一般為高強(qiáng)鋼或熱成型鋼，對(duì)精度要求較高，需嚴(yán)格避免扭曲回彈現(xiàn)象。文章以某車型為例，研究前縱梁外板成型工藝及零件品質(zhì)控制的方法。首先，通過(guò)分析汽車前縱梁外板的形狀結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)及工藝難點(diǎn)，明確了零件的成型方式和工序劃分；其次，詳細(xì)介紹了工序規(guī)劃流程，包括有限元分析的參數(shù)設(shè)置、分析過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)以及通過(guò)優(yōu)化坯料設(shè)計(jì)提升材料利用率的策略；最后，探討了利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)制訂最優(yōu)工藝方案的方法。通過(guò)實(shí)施回彈補(bǔ)償機(jī)制，提升零件的首次出件精度，減少后續(xù)調(diào)整次數(shù)，從而達(dá)到控制零件品質(zhì)的目的。此研究成果不僅為案例車型的制造優(yōu)化提供了實(shí)踐指導(dǎo)，而且還為類似結(jié)構(gòu)零件的工藝設(shè)計(jì)及回彈控制提供了參考范例。

關(guān)鍵詞：前縱梁；工藝設(shè)計(jì)；成型分析；回彈補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：U466" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）09-0097-05

0 引言

汽車前縱梁作為車輛的核心承載部件之一，其前端連接防撞梁，后端連接車身，是碰撞的重要傳力路徑。在發(fā)生碰撞事故時(shí)，其潰縮區(qū)域具有吸收碰撞能量的作用。此部件通常由縱梁外板與內(nèi)板焊接而成，形成高強(qiáng)度的型腔斷面結(jié)構(gòu)。由于零件需要搭接減震塔，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)艙安裝空間充足及縱向載荷承載穩(wěn)固，前縱梁的設(shè)計(jì)對(duì)精度要求較高，尤其要避免任何可能導(dǎo)致零件扭曲或回彈的制造缺陷。隨著汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，因此前縱梁的材質(zhì)多選用高強(qiáng)鋼或熱成型鋼，但是這些材料給制造加工工藝增加了復(fù)雜度與難度。在針對(duì)高強(qiáng)板的回彈補(bǔ)償?shù)难芯恐?，楊慶波等［1］從回彈抑制和回彈補(bǔ)償兩個(gè)方面總結(jié)了影響回彈的因素，但未深入探討具體的回彈補(bǔ)償策略；王慶雨等［2］ 提出在拉延工序采用反拉延檻結(jié)構(gòu)以控制反弧及側(cè)壁回彈，并在切邊工序進(jìn)行符型處理，同時(shí)在翻邊整形工序采取精度矯正策略確保零件精度，但未就如何獲取穩(wěn)定、合理的原始回彈結(jié)果作為補(bǔ)償依據(jù)，從而得出正確且貼近實(shí)際的補(bǔ)償結(jié)果的問(wèn)題進(jìn)行深入研究；丁順風(fēng)等［3］針對(duì)回彈補(bǔ)償方案，建議減少RPS（定位參考點(diǎn)系統(tǒng)）點(diǎn)支撐計(jì)算，以判定零件真實(shí)回彈狀態(tài)的最小夾持方案作為補(bǔ)償依據(jù)，但對(duì)于回彈較大的高強(qiáng)板零件，僅憑減少RPS點(diǎn)支撐計(jì)算難以確保零件穩(wěn)定支撐。鑒于此，本文基于零件支撐穩(wěn)定性原則，提出了轉(zhuǎn)換支撐點(diǎn)的策略。以某車型前縱梁外板為例，探討前縱梁外板成型工藝及零件品質(zhì)控制的方法，通過(guò)剖析工藝流程、優(yōu)化工藝參數(shù)、實(shí)施精密的回彈補(bǔ)償措施等手段，確保前縱梁外板能夠達(dá)到較高的制造精度，從而整體提升車輛的安全性能與品質(zhì)。

1 成型性分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1為前縱梁外板示意圖。外板材質(zhì)為B400/780DP高性能合金，厚度為1.4 mm，具體材料參數(shù)見(jiàn)表1。按照汽車行業(yè)通用的車身坐標(biāo)系，前門內(nèi)板的X方向長(zhǎng)度為948 mm，Z方向?qū)挾葹?63 mm，Y方向深度為319 mm。前縱梁外板零件結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：①造型扁平化，由于材質(zhì)是屈服強(qiáng)度為487 MPa、抗拉強(qiáng)度為837 MPa的高強(qiáng)鋼，因此零件回彈難以把控。②零件周圈均是搭接區(qū)域，搭接范圍廣，零件精度要求高。

1.2 成型過(guò)程分析

在設(shè)計(jì)前縱梁外板的成型工藝時(shí)，確定拉伸模的沖壓方向尤為重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到拉伸模面的補(bǔ)充效果及最終零件的表面質(zhì)量。選擇沖壓方向時(shí)，必須綜合考慮模具的閉合高度、零件的拉延深度、側(cè)壁的拔模角度以及工序之間的旋轉(zhuǎn)角度等因素。由于前縱梁是“V”形件，因此若沖壓方向設(shè)定不合理，極易導(dǎo)致壓邊圈在閉合過(guò)程中與板料的接觸時(shí)序不一致，進(jìn)而引發(fā)板料竄位等問(wèn)題，不僅會(huì)嚴(yán)重影響零件成型的穩(wěn)定性和精度，而且還會(huì)增加后續(xù)調(diào)試的難度。前縱梁外板成型過(guò)程如圖2所示，為確保成型過(guò)程的穩(wěn)定性，將起始板料置于壓邊圈上，并將凹模設(shè)計(jì)為向下閉合時(shí)能夠同時(shí)且均勻地與板料左右兩側(cè)接觸，從而有效避免一側(cè)先接觸導(dǎo)致的板料偏移現(xiàn)象，確保板料成型的穩(wěn)定性。此外，結(jié)合零件形狀特點(diǎn)，采用“T”形布局方式，以最大化材料利用率。

在進(jìn)行成型分析時(shí)，結(jié)合沖模調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工況條件，將有限元分析模型中的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，壓力機(jī)滑塊行程設(shè)置為900 mm，沖壓速度設(shè)置為1 500 mm/s。其他工藝參數(shù)（如壓邊力、壓邊圈行程、壓料力及壓料板行程）也都采取了單獨(dú)設(shè)置的方式［4］，沖壓工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

1.3 成型工序劃分

成型工序劃分如下：①工序OP10（拉延）。該工序通過(guò)拉伸一次性塑造出零件的全部型面。②工序OP20（切邊+沖孔）。該工序旨在釋放板材在拉延過(guò)程中累積的大部分應(yīng)力。③工序OP30（切邊+沖孔）。該工序進(jìn)一步細(xì)化零件邊緣，切除剩余廢料，并完成所有功能孔的沖制。④工序OP40（整形）。作為最終調(diào)整工序，整形旨在確保產(chǎn)品精度達(dá)標(biāo)。四道工序的工法圖見(jiàn)圖3。如圖3所示，從工序OP30切邊及沖孔完成后的零件回彈結(jié)果看，零件兩端下塌，中間拱起，零件回彈量很大，因此前期的工法設(shè)置需要盡量控制零件回彈量，后期回彈補(bǔ)償才能更理想，更能保證產(chǎn)品精度。針對(duì)工序OP30完成后零件回彈的問(wèn)題，可以從設(shè)計(jì)與工藝兩方面進(jìn)行控制。

（1）零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)CAE分析結(jié)果，建議在非搭接區(qū)域增加型面造型，使板料拉延更充分，從而減少回彈現(xiàn)象。

（2）成型工藝方案選擇。通過(guò)CAE分析對(duì)比以下兩種整形方案：方案1，分模線中間拱起區(qū)域采用上模壓料芯壓料，下塌區(qū)域設(shè)置鑲塊整形；方案2，大面區(qū)域采用上模壓料芯，搭接法蘭區(qū)域設(shè)置鑲塊整形。雖然兩種方案在回彈控制上效果相近，但是考慮到方案2在壓料面積、整形范圍及整形面平整度上的優(yōu)勢(shì)，并且能高精度涵蓋搭接區(qū)域，最終確定該方案為更優(yōu)選擇。方案1與方案2切邊完成后的零件回彈效果見(jiàn)圖4。

2 回彈補(bǔ)償設(shè)計(jì)

2.1 沖壓回彈形成的類型

基于簡(jiǎn)單的成型過(guò)程，對(duì)沖壓回彈進(jìn)行分析計(jì)算，回彈的類型可分為純膜應(yīng)力回彈、純彎曲應(yīng)力回彈、拉伸疊加彎曲應(yīng)力回彈［5］。

將一條長(zhǎng)1 m的薄板條料拉長(zhǎng)50 mm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入以下公式，計(jì)算得出純膜應(yīng)力回彈量（[ε]）為

[ε=△LL0=50 100 =0.05] = 5%，" " " " " " " " " "（1）

其中：[△L]為薄板條料的拉伸長(zhǎng)度，[L0]為薄板條料的長(zhǎng)度。

鋼的楊氏模量（[Emod]）是210 000 N/mm2，從應(yīng)力應(yīng)變曲線中可以讀出應(yīng)力值，5%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值（[σmem]）大約為210 N/mm2，將其代入以下公式進(jìn)行計(jì)算，得出卸載后金屬薄板料帶的回彈量（LSB）為

[LSB=σmemEmod×L0=210210 000×1 000=1]。" " "（2）

采用DC05材質(zhì)、厚度為2 mm的板料，繞半徑r =19 mm的圓角進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)（如圖5所示），研究板料帶彎曲卸載后的回彈。板料在中性層半徑處的彎曲半徑為

[rm=r+12×S0=19+1=20]，" " " " " " "（3）

其中：[rm]為板料中性層半徑，[S0]為板料厚度。

板料繞半徑r圓角彎曲后，外層板料的應(yīng)變（[εouter]）為

[εouter=S02×rm=22×20=0.05=5%]。" " " "（4）

從應(yīng)力應(yīng)變曲線中可以得出，5%的應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力大小（σ）=210 N/mm2，90°的包角=弧度（[α]）=0.5π，代入以下公式得出板料的回彈量（u）為

[u=l×tan2×rm×α×σouterS0×Emod=200×tan （2×20×0.5π×2102×210000）=6.28]，" " " " " " " " " " "（5）

其中，[l]為懸臂長(zhǎng)度。

[圖5 彎曲實(shí)驗(yàn)圖]lt;D：＼企業(yè)科技與發(fā)展＼2024年＼9期＼2024-9期＼Image＼image7.pnggt;[r m][I =200 mm][DCOS][S0=2 mm][r =19 mm][S0=2 mm][U]

現(xiàn)有研究表明，膜應(yīng)力作用下的回彈量為最小。然而，對(duì)于大型零件，必須考慮這一因素帶來(lái)的影響，并對(duì)模具進(jìn)行彈性縮放調(diào)整。相較于純膜加載，塑性彎曲加載卸載后會(huì)保留殘余應(yīng)力于零件內(nèi)，這些殘余應(yīng)力是導(dǎo)致零件凸起和不穩(wěn)定回彈的主要原因。因此，進(jìn)行有限元回彈分析模擬時(shí)，建議采用多層殼單元模型，以更貼近實(shí)際結(jié)果。相較于純彎曲回彈，拉伸疊加彎曲的回彈量更小，這歸因于內(nèi)外應(yīng)力差值的減小。此原理合理解釋了拉延過(guò)程越充分，零件回彈量越小的原因?；诖耍耻囆颓翱v梁外板采用了拉延成型方案，旨在最大限度地發(fā)揮板料的延展性，從而有效控制回彈。

2.2 回彈補(bǔ)償?shù)谋匾?/p>

根據(jù)材料特性，零件成型后均會(huì)存在一定程度的回彈量。相比普通鋼板，高強(qiáng)鋼（HSS）和鋁合金（AL）的回彈現(xiàn)象尤為顯著。高強(qiáng)鋼因抗拉強(qiáng)度最高，回彈最大；而鋁合金因彈性模量及抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，回彈也較為明顯。某車型前縱梁外板采用B400/780DP高強(qiáng)鋼材質(zhì)采用，有限元分析結(jié)果顯示其兩端出現(xiàn)16 mm的負(fù)回彈（下塌），中部出現(xiàn)6.7 mm的拱起回彈，此回彈現(xiàn)象將直接導(dǎo)致與減震塔包及車身其他部位的精度搭接不合，進(jìn)而通過(guò)尺寸鏈的疊加效應(yīng)，可能引發(fā)整車部件匹配問(wèn)題，影響整車的工藝美觀性及安全性。因此，針對(duì)沖壓件進(jìn)行回彈補(bǔ)償是提升零件精度、縮短制造周期及降低開(kāi)發(fā)成本的有效措施。

2.3 零件回彈補(bǔ)償策略

2.3.1 原始數(shù)據(jù)回彈計(jì)算完整性及正確性檢查

回彈補(bǔ)償是一種依據(jù)過(guò)往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)或軟件模擬分析預(yù)測(cè)回彈量，并在模具型面制作階段進(jìn)行反向修正的方法，旨在消除回彈造成的尺寸偏差。確保回彈量預(yù)測(cè)計(jì)算的準(zhǔn)確性是實(shí)施有效回彈補(bǔ)償?shù)那疤?，這要求嚴(yán)格保證原始數(shù)據(jù)的完整性及正確性，為正確預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)，并影響回彈預(yù)測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)。主要檢查內(nèi)容如下。

（1）模擬預(yù)測(cè)與模具結(jié)構(gòu)的一致性。在模擬預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)，確保每一道工序的工具體型面設(shè)置與模具結(jié)構(gòu)圖保持一致，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拉延模調(diào)試情況，模擬壓邊圈和凹模的研配狀況，需特別注意筋條外側(cè)20 mm區(qū)域的藍(lán)單著色情況及筋條以外區(qū)域的過(guò)渡讓空，盡可能還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，以獲得貼近實(shí)際的計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果。

（2）定位穩(wěn)定性與可靠性。需確保料片和零件在工序過(guò)程中不會(huì)發(fā)生偏移和旋轉(zhuǎn)。此外，回彈計(jì)算的每一道工序中，定位銷的設(shè)置應(yīng)避免與零件干涉，以防頂起零件導(dǎo)致錯(cuò)誤的回彈預(yù)測(cè)結(jié)果。

（3）壓料板設(shè)置的合理性。檢查后續(xù)工序中壓料板的設(shè)置，確保其在閉合時(shí)不會(huì)壓傷零件，從而避免引起應(yīng)變指數(shù)超差。壓料板若參與整形并壓傷零件，將會(huì)導(dǎo)致零件狀態(tài)不穩(wěn)定，進(jìn)而影響對(duì)回彈結(jié)果的判斷。

（4）最終工序與檢具設(shè)置的一致性。在最后一道工序的回彈計(jì)算中，工具體的設(shè)置方向必須與檢具設(shè)計(jì)方向保持一致，并且支撐和夾持狀態(tài)也應(yīng)與檢具設(shè)置相匹配，以避免因重力作用及杠桿原理導(dǎo)致的預(yù)測(cè)結(jié)果偏差。

2.3.2 回彈補(bǔ)償方案

本文針對(duì)某車型前縱梁外板的回彈補(bǔ)償策略，是在OP10拉延工序中，根據(jù)OP40全工序的回彈情況進(jìn)行反向補(bǔ)償。板料加載變形過(guò)程復(fù)雜，其內(nèi)部不同區(qū)域承受大小和方向各異的拉壓應(yīng)力，各單元節(jié)點(diǎn)處于復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)［6］。因此，回彈補(bǔ)償量的確定需基于詳細(xì)分析，而非簡(jiǎn)單的1∶1反向修正，并可能需要多次迭代補(bǔ)償。OP20與OP30作為切邊工序，其模具型面需分別要按照OP10與OP20工序件的形狀進(jìn)行適配，以確保零件在切邊過(guò)程中不會(huì)因回彈過(guò)大而不穩(wěn)定或受損，同時(shí)避免二次成型引起的尺寸偏差。OP40整形工序主要用于微小校型及預(yù)防實(shí)際調(diào)試中的必要整改，起到減少整改次數(shù)并縮短周期的作用。其模面的主型面回歸產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)，而與車身搭接的法蘭面則根據(jù)車身裝配需求設(shè)定偏置公差，該公差補(bǔ)償量在OP40工序中體現(xiàn)。

針對(duì)零件大面積且顯著的回彈現(xiàn)象，直接用RPS點(diǎn)支撐進(jìn)行回彈補(bǔ)償計(jì)算，可能導(dǎo)致支撐點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的回彈量變大，進(jìn)而影響回彈結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，原始數(shù)據(jù)（未補(bǔ)償前）的回彈計(jì)算需在最終工序中進(jìn)行調(diào)模支撐點(diǎn)的回彈分析。支撐點(diǎn)的選擇需遵循回彈量小、零件支撐穩(wěn)定的原則，以確?；鶞?zhǔn)切換后零件回彈狀態(tài)的一致性。調(diào)模支撐點(diǎn)和RPS點(diǎn)位置圖見(jiàn)圖6。

CAE分析步驟與實(shí)際成形工序步驟一致，最終應(yīng)在回彈補(bǔ)償后的零件與檢具上零件擺放狀態(tài)一致的條件下進(jìn)行回彈支撐分析，并確保分析結(jié)果符合要求。同時(shí)，考慮到模具加工和壓力機(jī)工作的誤差，理論分析時(shí)應(yīng)將公差嚴(yán)格控制在60%以內(nèi)，非偏置公差區(qū)域的主型面面差需控制在±0.3 mm范圍內(nèi)。

3 零件檢測(cè)

回彈補(bǔ)償后CAE的分析結(jié)果如圖7所示。在理論分析中，零件回彈被控制在±0.3 mm范圍內(nèi)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果雖有細(xì)微偏差，但回彈趨勢(shì)與預(yù)測(cè)保持一致。模具加工與調(diào)試完成后，首次試制樣件檢測(cè)顯示合格率為85%，主要問(wèn)題在于與車身搭接的法蘭面尺寸超出公差范圍。深入分析發(fā)現(xiàn)，材質(zhì)參數(shù)微小差異、模具光潔度及板料潤(rùn)滑導(dǎo)致的實(shí)際摩擦系數(shù)與理論分析值不完全一致，可能是影響零件回彈的關(guān)鍵因素。針對(duì)上述問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際出件情況，在OP40工序進(jìn)行了補(bǔ)償調(diào)整，最終使零件合格率達(dá)到了GDamp;T（幾何尺寸和公差）要求的標(biāo)準(zhǔn)。在此過(guò)程中，零件僅需經(jīng)過(guò)兩次品質(zhì)優(yōu)化整改，整改周期明顯縮短。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車前縱梁作為車輛的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)，其前端與防撞梁連接，后端則接入車身框架，是車輛最重要的承載部件之一。其材質(zhì)為高強(qiáng)鋼，零件精度要求高且難以控制。面品質(zhì)量和精度的精確控制對(duì)提升整車質(zhì)量至關(guān)重要。前縱梁的加工精度直接影響車身裝配精度、整體剛度及碰撞安全性能。因此，需通過(guò)前期合理的工藝規(guī)劃與設(shè)計(jì)，利用CAE軟件進(jìn)行模擬分析，預(yù)先評(píng)估各工序的成形效果與回彈趨勢(shì)，為后續(xù)模面優(yōu)化與回彈補(bǔ)償提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)反復(fù)迭代調(diào)整，不斷優(yōu)化模具型面與加工參數(shù)，確保零件的成形精度與面品質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，實(shí)施回彈反向校型補(bǔ)償技術(shù)，進(jìn)一步抵消材料回彈導(dǎo)致的尺寸偏差，提高零件終檢合格率。此技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠有效縮短模具調(diào)試周期，降低調(diào)試難度，而且還能夠顯著提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

5 參考文獻(xiàn)

［1］楊慶波，陳雪元，王達(dá)鵬，等.淺談汽車高強(qiáng)鋼回彈控制技術(shù)［J］.鍛造與沖壓，2022（10）：26-31.

［2］王慶雨，單浩，時(shí)巖林，等.縱梁設(shè)計(jì)優(yōu)化及回彈補(bǔ)償［J］.鍛造與沖壓，2021（18）：29-34.

［3］丁順風(fēng)，張勝利，劉慶，等.汽車行李箱外板上段回彈補(bǔ)償方案研究［J］.模具工業(yè)，2024，50（4）：26-31.

［4］蔣磊，王龍，謝蛟龍，等.汽車覆蓋件集成制造技術(shù)應(yīng)用研究［J］.模具工業(yè)，2021，47（11）：33-39.

［5］涂小文.軟件回彈計(jì)算及補(bǔ)償技術(shù)揭秘［M］.湖北：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2013．

［6］夏迎飛.夏成飛.陳會(huì)會(huì).發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板典型缺陷分析及對(duì)策研究［J］.模具工業(yè)，2020，46（6）：16-20，25.

*廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于熱力耦合效應(yīng)的連續(xù)高速?zèng)_壓模具高效散熱設(shè)計(jì)及其工業(yè)示范”（AB22035044）。

【作者簡(jiǎn)介】麻健梅，女，廣西崇左人，本科，工程師，研究方向：沖壓技術(shù)及模具開(kāi)發(fā)；孫光輝，男，內(nèi)蒙古赤峰人，本科，工程師，研究方向：沖壓技術(shù)及模具開(kāi)發(fā)；韋旺華（通信作者），男，廣西來(lái)賓人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：沖壓技術(shù)及模具開(kāi)發(fā)。

【引用本文】麻健梅，孫光輝，韋旺華.某車型前縱梁外板成型工藝及零件品質(zhì)控制研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（9）：97-101.