本文以某車型HC420/780DP B 柱加強(qiáng)板為例，通過(guò)AutoForm、Pam-Stamp 兩款軟件分析對(duì)比,，對(duì)該零件工藝設(shè)計(jì),、回彈分析、回彈補(bǔ)償及零件調(diào)試進(jìn)行總結(jié),。結(jié)果表明,，目前沖壓分析軟件對(duì)零件的成形性及回彈分析具有一定指導(dǎo)意義。前期設(shè)計(jì)階段通過(guò)軟件的模擬進(jìn)行回彈補(bǔ)償,，可大量減少零件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間,，縮短模具開(kāi)發(fā)周期。

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和激烈競(jìng)爭(zhēng),，汽車安全性,、輕量化、節(jié)能減排的要求不斷提高,，B 柱加強(qiáng)板無(wú)論在汽車輕量化還是安全性方面都是一個(gè)需要優(yōu)化的重點(diǎn)零件,。目前主流車型B柱加強(qiáng)板主要有兩種設(shè)計(jì)思路：一是該零件采用熱成形，此方案在滿足碰撞要求的情況下,，減重效果比較突出,，零件質(zhì)量比較容易控制，但該方案零件成本較高,；二是該零件采用高強(qiáng)度鋼板,，板料強(qiáng)度越高，在滿足碰撞要求的情況下減重越明顯,，且較熱成形零件相比成本較低,，缺點(diǎn)是超高強(qiáng)度鋼板的成形性較差且回彈明顯，零件質(zhì)量控制是其主要難點(diǎn),。以下主要針對(duì)采用高強(qiáng)度鋼板形式的某車型B 柱加強(qiáng)板的質(zhì)量控制進(jìn)行分析研究,。

零件分析及工藝方案分析對(duì)比

零件分析

圖1 所示為某車型B 柱加強(qiáng)板， 零件輪廓尺寸為1410mm×550mm×230mm,， 該零件材質(zhì)為HC420/780DP,，料厚為1.5mm，材料參數(shù)如表1 所示,。

圖1 產(chǎn)品零件圖

表1 HC420/780DP 材料參數(shù)

制定工藝方案

為了保證B 柱內(nèi)板工藝的合理性,，使產(chǎn)品的成形性及回彈控制更加優(yōu)化，前期通過(guò)經(jīng)驗(yàn)制定了工藝方案一：通過(guò)AutoForm 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析,，發(fā)現(xiàn)零件拐角處出現(xiàn)開(kāi)裂情況,，該方案不可行。最后通過(guò)優(yōu)化壓料面形狀,，制定更為合理的工藝方案一補(bǔ)充,，具體過(guò)程如下,。

⑴零件主體形狀一次拉深到位且全部放置在凸模上。

⑵壓料面低于零件形狀最低點(diǎn)5mm,，主體弧度與零件形狀大體一致,。

⑶零件所有邊界區(qū)域采用封閉拉深，具體工藝補(bǔ)充如圖2 所示,。

圖2 方案一產(chǎn)品工藝補(bǔ)充

工藝方案一補(bǔ)充主要優(yōu)勢(shì)分析

⑴零件主體形狀一次拉深到位,，避免了因?yàn)榱慵牧蠌?qiáng)度較高，后序翻邊整形造成零件質(zhì)量偏差等問(wèn)題,，降低了零件調(diào)試難度,。

⑵零件所有輪廓放置在凸模上，保證零件法蘭區(qū)域變形充分,，且避免模具壓料面的整改,，降低了模具調(diào)試難度。

⑶壓料面主體形狀與零件形狀大體一致,，保證零件在拉深過(guò)程中,，各區(qū)域材料流動(dòng)盡量一致，避免因過(guò)大材料流入不均勻造成的零件扭曲,。

工藝方案一補(bǔ)充成形分析結(jié)果

該方案零件成形較充分,，但圖3 中紅色區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象。此處開(kāi)裂主要是由于材料在拐角部位補(bǔ)料不足導(dǎo)致,，為此需要制定更合理的方案解決此處開(kāi)裂問(wèn)題,。

圖3 方案一分析結(jié)果

工藝方案二優(yōu)化過(guò)程

為了解決工藝方案一補(bǔ)充中的轉(zhuǎn)角開(kāi)裂問(wèn)題，制定了將壓料面抬高至B 柱法蘭面的工藝方案二（圖4）,。

工藝方案二主要差異點(diǎn)在于：首先零件下端（大頭）區(qū)域法蘭邊放置在壓料面上，其余位置放置在凸模上,，解決了零件轉(zhuǎn)角部位開(kāi)裂問(wèn)題,。其次零件端頭工藝補(bǔ)充區(qū)域采用半開(kāi)口拉深，這進(jìn)一步降低了零件開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn),。

圖4 方案二產(chǎn)品工藝補(bǔ)充

工藝方案二分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)成形性分析,，方案二解決了零件開(kāi)裂問(wèn)題（圖5）。經(jīng)后工序整形后,，零件質(zhì)量可控,，因此確定采用此方案進(jìn)行工藝開(kāi)發(fā)。

圖5 方案二分析結(jié)果

零件回彈分析及回彈補(bǔ)償

此零件的難點(diǎn)在于回彈控制,，準(zhǔn)確的回彈分析及合理的回彈補(bǔ)償可大量的降低零件調(diào)試難度,、縮短模具開(kāi)發(fā)周期、降低模具開(kāi)發(fā)費(fèi)用,。以下對(duì)此零件的回彈分析過(guò)程及回彈補(bǔ)償方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹,。

回彈分析

為了提高回彈補(bǔ)償準(zhǔn)確性,，此零件的回彈分析分別使用了Pam-Stamp、AutoForm 軟件進(jìn)行分析對(duì)比,，軟件均采用殼單元進(jìn)行分析計(jì)算,，并使用相同材料參數(shù)。

基于以上條件,，兩款軟件回彈趨勢(shì)相同,，分析數(shù)值接近，偏差在2mm 內(nèi),，詳細(xì)回彈結(jié)果如圖6 所示,。據(jù)此認(rèn)為零件回彈分析結(jié)果可靠，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行回彈補(bǔ)償及開(kāi)展后續(xù)工作,，基于過(guò)往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),，確定后期回彈補(bǔ)償工作及進(jìn)一步回彈分析主要以Pam-Stamp 為主開(kāi)展。

(a) Pam-Stamp 回彈分析結(jié)果

(b) AutoForm 回彈分析結(jié)果

圖6 Pam-Stamp 及AutoForm 回彈分析結(jié)果

回彈補(bǔ)償

基于前期回彈分析結(jié)果,，確定此零件為全工序補(bǔ)償,，其主要補(bǔ)償流程為：

⑴根據(jù)零件最終回彈情況確定零件基準(zhǔn)區(qū)域，基準(zhǔn)區(qū)域確定應(yīng)主要考慮兩點(diǎn)：首先基準(zhǔn)區(qū)域應(yīng)選擇在零件回彈較小,、較穩(wěn)定區(qū)域,；其次基準(zhǔn)區(qū)域選擇時(shí)應(yīng)考慮盡量以最小的回彈補(bǔ)償量為基準(zhǔn)。

⑵確定好補(bǔ)償基準(zhǔn)后,，對(duì)回彈后的最終零件與理論零件狀態(tài)進(jìn)行擬合對(duì)比,。根據(jù)對(duì)比情況確定補(bǔ)償數(shù)據(jù)，反復(fù)補(bǔ)償計(jì)算,，滿足零件狀態(tài)后進(jìn)行后工序補(bǔ)償,。具體補(bǔ)償面如圖7 所示。

圖7 零件回彈補(bǔ)償面

用后一工序分析前一工序回彈后狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償,，最后一工序?yàn)槔碚摿慵顟B(tài),。經(jīng)回彈補(bǔ)償后CAE 分析，回彈后零件與理論狀態(tài)零件匹配對(duì)比,，滿足零件質(zhì)量要求,，局部少量偏差通過(guò)OP30 整形工序進(jìn)行整形。具體回彈補(bǔ)償分析結(jié)果如圖8 所示,。

圖8 零件回彈補(bǔ)償分析結(jié)果

零件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試記錄及與理論狀態(tài)對(duì)比整改

模具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試前,，確認(rèn)模具研合情況，保證模具研合率80% 以上,，調(diào)試壓邊力為160t,，壓邊圈行程為100mm，與CAE 分析設(shè)定一致,。以上條件滿足后,，調(diào)試板料流入量,，保證現(xiàn)場(chǎng)流入量與理論匹配差別控制在5mm 內(nèi)，通過(guò)實(shí)際調(diào)試零件與理論分析進(jìn)行整改,。

零件成形性對(duì)比分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試零件出件,，零件無(wú)開(kāi)裂問(wèn)題。局部輕微起皺區(qū)域與分析狀態(tài)一致,，此零件成形性分析與生產(chǎn)實(shí)際匹配度在90% 以上,。

零件回彈對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)零件經(jīng)激光切割后，對(duì)零件進(jìn)行掃描,。掃描數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對(duì)比,，匹配基準(zhǔn)與前期回彈分析選擇基準(zhǔn)保持一致，經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際零件回彈情況與CAE 分析結(jié)果基本一致（圖9）,，評(píng)估分析兩者一致性匹配度80% 以上,。

圖9 零件回彈對(duì)比分析

零件整改

根據(jù)零件掃描情況及檢具上的狀態(tài)，對(duì)零件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整改,。經(jīng)三輪補(bǔ)償整改后,，零件滿足質(zhì)量要求，合格率達(dá)到85% 以上,。零件與理論狀態(tài)匹配情況如圖10 所示,。

圖10 整改后零件回彈精度

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)理論分析與實(shí)際調(diào)試對(duì)比，該零件成形性及回彈分析與實(shí)際狀態(tài)匹配度較高,。其中成形性匹配度評(píng)估可達(dá)到90% 以上,，回彈分析及回彈補(bǔ)償分析匹配度可達(dá)到85% 以上。通過(guò)前期的模擬分析調(diào)試,，節(jié)省了大量的模具調(diào)試時(shí)間,、縮短了模具調(diào)試周期，在減少調(diào)試成本方面作用明顯,。

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋一般采用厚度較薄的DC系列鋼板進(jìn)行制造,。DC鋼板具有良好的沖壓成形性能，在沖壓時(shí)可以形成復(fù)雜零件形狀而不發(fā)生開(kāi)裂,，用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋時(shí)，通常采用的板材厚度為0.7～0.8mm,。與DC鋼板相比,，目前應(yīng)用于汽車的鋁合金板材的塑性較差，塑性各向異性遠(yuǎn)小于DC鋼板,，在沖壓成形時(shí),，在局部位置容易產(chǎn)生開(kāi)裂和起皺等缺陷。此外,，鋁合金板材還存在表面在運(yùn)輸,、沖制和后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中,，極易產(chǎn)生劃痕，從而影響其涂裝性能和表面質(zhì)量,，沖制過(guò)程中產(chǎn)生較大回彈等缺點(diǎn),。

本文以國(guó)內(nèi)某轎車車型為例，對(duì)其鋼制發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋采用鋁合金板材進(jìn)行替代沖壓試制,，并針對(duì)沖壓成形過(guò)程中遇到的相關(guān)缺陷提出了改進(jìn)措施,，最終制造出質(zhì)量合格的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋。

試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)設(shè)備主要包括2000t級(jí)別的沖壓機(jī),、模具和剪板機(jī),。其中，剪板機(jī)主要用于裁剪沖壓的鋁合金坯料,。本試驗(yàn)中主要對(duì)汽車外覆蓋件進(jìn)行沖壓成形,，主要模具包括凸模和凹模，鋁合金板材沖壓成形時(shí)直接采用鋼制外覆蓋件的沖壓模具,。原發(fā)動(dòng)機(jī)外覆蓋件采用厚度為0.8mm的DC06鋼板,，替代的鋁合金材料為0.9mm厚的6016鋁合金，由于二者的厚度差別較小,，因此采用原鋼制的外覆蓋件沖壓成形模具對(duì)鋁合金板材進(jìn)行沖壓成形,。

圖1 剪板機(jī)和2000t級(jí)別的沖壓機(jī)及模具

表1 DC06和6016的性能對(duì)比

6016鋁合金板材的性能如表1所示，與原鋼材DC06相比,，6016的均勻延伸率,、塑性各向異性指數(shù)和FLD0值均偏小，此外其屈強(qiáng)比為0.58,，DC06的屈強(qiáng)比為0.53,，這些指標(biāo)均表明，6016鋁合金板材的成形性能較差,。因此,，雖然此模具可以穩(wěn)定生產(chǎn)出質(zhì)量合格的鋼制汽車外覆蓋件，但采用鋁合金板材時(shí),，能否生產(chǎn)出合格質(zhì)量的外覆蓋件,，仍有待觀察。

沖壓結(jié)果

進(jìn)行第一輪沖壓后,，在外覆蓋件前端發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂,，如圖2所示。裂紋從罩蓋前端中間位置一直延伸到右側(cè)圓角處,，經(jīng)初步分析認(rèn)為局部區(qū)域的板料尺寸設(shè)計(jì)不合理,，引起局部位置的壓料尺寸不足，因此重新設(shè)計(jì)了板坯的尺寸并進(jìn)行加工,，進(jìn)行第二輪沖制,。

圖2 第一輪沖壓成形后的開(kāi)裂情況

第二輪的沖壓結(jié)果如圖3和圖4所示,，經(jīng)調(diào)整坯料的尺寸后，板料前端開(kāi)裂情況得到有效控制,，未發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生,，但在零件的一側(cè)，再次發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象,。對(duì)側(cè)面開(kāi)裂部位進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),，裂紋產(chǎn)生在模具側(cè)面有較大拉深變形的位置，該部位在沖壓成形過(guò)程中,，受到拉應(yīng)力作用,，產(chǎn)生較大變形后使材料發(fā)生開(kāi)裂。

圖3 調(diào)整板坯尺寸后的沖壓結(jié)果

圖4 側(cè)邊開(kāi)裂情況

經(jīng)分析,，本次采用的鋁合金板材的表面未經(jīng)過(guò)涂油處理,，在沖壓過(guò)程中板材與模具處于一種“干”的接觸狀態(tài)，即板料與模具間的摩擦力較大,，使材料在沖壓變形時(shí)的流動(dòng)受到限制,。本次沖壓開(kāi)裂位置，材料的變形量大,，因此沖壓過(guò)程中對(duì)材料的流動(dòng)性要求較高,。基于上述分析,，對(duì)第二次改進(jìn)后的鋁合金板坯表面進(jìn)行了涂油處理,，以改善沖壓過(guò)程中模具與板材的接觸效果，減小摩擦阻力,，提高板料在成形過(guò)程中的流動(dòng)性,。

將涂油后的板材置入模具中，進(jìn)行第三次沖壓,，沖壓結(jié)果如圖5所示,。經(jīng)過(guò)第一輪的坯料尺寸優(yōu)化后，鋁合金外覆蓋件前端的開(kāi)裂問(wèn)題得以解決,；第二輪在側(cè)邊拉深位置發(fā)生開(kāi)裂,，采用涂油潤(rùn)滑后，也得到有效改善,，最終成功沖制出了未開(kāi)裂的鋁合金外覆蓋件,。從圖4中可以看出，鋁合金覆蓋件沖壓成形后,，邊緣區(qū)域有大面積起皺現(xiàn)象,?？紤]到在后續(xù)工藝中,，邊緣部分將被切割,，其起皺將不會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，因此,，在沖壓過(guò)程中,，可以忽略邊緣壓邊位置的起皺情況。

結(jié)束語(yǔ)

與替代的原始軟鋼相比,，鋁合金板材的基本力學(xué)性能和成形極限圖分別定性和定量地表明,，其成形性能較差，因此在沖壓成形過(guò)程中,，如何預(yù)防和控制沖壓過(guò)程的開(kāi)裂就成為鋁合金板材在汽車外覆蓋件上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,。一方面，以鋁代鋼時(shí),，通過(guò)增加厚度,，可以略微提升其成形性能，并提高其他方面的服役性能,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)減重效果,；另一方面，需要通過(guò)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化沖壓工藝,，如本文中通過(guò)優(yōu)化板坯尺寸,，降低了其開(kāi)裂程度，并通過(guò)涂油增加潤(rùn)滑的方式,，提高了其成形質(zhì)量,。此外，鋁合金外覆蓋件在制造過(guò)程中,，還涉及扣合和回彈等問(wèn)題,，前者影響最終產(chǎn)品質(zhì)量，后者影響產(chǎn)品的尺寸精度,。當(dāng)鋁合金板材和鋼板的厚度相差較大時(shí),，需要根據(jù)鋁合金板材的性能特點(diǎn)，“量身打造”鋁合金板材沖壓成形模具,。

圖5 沖壓合格的鋁合金外覆蓋件