AutoForm在汽车顶盖冲压回弹补偿中的应用

摘 要

为解决冲压成形的零件与原产品数据偏差较大的难题，提供了2种回弹补偿方式，即AutoForm迭代补偿与几何补偿，以某车型顶盖为研究对象，分别对2种补偿方式重构的型面进行全工序CAE分析，对比其回弹结果。AutoForm迭代补偿在全夹持状态下，局部区域的回弹量超过3 mm，几何补偿方式在补偿量为6 mm时，全夹持状态下回弹量在1.5 mm以内，说明AutoForm迭代补偿不宜用于自由回弹量大的零件，采用几何补偿可以提高回弹补偿的准确性。三坐标检测试制首件的尺寸符合率为85.2%，模具状态研配到与数值模拟边界条件一致时，尺寸符合率可达96.5%，验证了几何补偿方式的有效性。

关键词顶盖；回弹补偿；数值模拟；AutoForm

0 引 言

零件回弹是金属板料成形过程中普遍存在的问题，尤其对于汽车外覆盖件，其造型与材料性能等原因导致回弹量大且难以准确预测，无法满足质量及装车要求 ^[1,2]。面对汽车行业日益激烈的竞争形势，要求主机厂不仅要缩短产品开发周期与制造周期，还要提高产品品质 ^[3,4]。有效控制和利用金属板料的回弹，能减少模具调试周期，避免模具后期整改，同时也可以降低制造成本。
   

    目前，金属板料冲压成形过程中回弹的控制方法主要有2种：一种是冲压工艺控制法，通过调节工艺补充、拉深筋系数、压边力等，使材料的塑性变形更充分，应力分布更均匀，但该方法对回弹的调节量级有限，只能一定程度上减少回弹；另一种是型面补偿法，通过模具零件型面重构，使成形过程中板料发生过度变形，在力卸载回弹后使零件达到产品的尺寸要求，该方法要保证重构的型面达到A级曲面要求。
   

    现以某车型顶盖为研究对象，结合以上2种方法对回弹进行控制。首先优化工艺方案，只有稳定的工艺才能进行回弹补偿，在保证CAE数值模拟与现场一致的基础上，使顶盖变形充分、均匀，以减少回弹；其次对模具零件型面进行补偿，选取AutoForm迭代补偿与几何补偿2种方式，通过对比分析得到顶盖零件成形的最佳补偿策略，并验证结果。
   

1 工艺方案

1.1 材料参数

    某车型顶盖如图1所示，外形尺寸为2 472 mm×1 210 mm，材料为DC04，料厚为0.7 mm，材料参数如表1所示。
   

图1   某车型顶盖

表1   DC04材料参数

1.2 工艺设计

顶盖采用1模1件的方式进行冲压成形。基于零件特征，从工艺角度分析，该顶盖具有整体曲率小、回弹大、尾部带有流水槽等特点。为保证冲压零件的成形质量和刚性，拉深深度设为110 mm，尾部拔模角度设计为10°，其他位置均为25°，周圈3个方向采用锁死筋，尾部流水槽区域采用圆筋，为了提高天窗内部刚性，增加了造型结构，冲压方向为整车 Z向。
   

根据零件特征，冲压工艺设计如图2所示，分别为：①拉深；②修边冲孔；③修边、翻边、整形；④修边、翻边、冲孔；⑤修边、翻边、冲孔。
   

图2   顶盖冲压工艺

（a）拉 深 （b）修边冲孔 （c）修边、翻边、整形 （d）修边、翻边、冲孔 （e）修边、翻边、冲孔

2 CAE分析

    采用AutoForm R8软件进行金属板料成形的CAE分析。
   

2.1 屈服理论

CAE分析采用Hill屈服准则，该准则适用于冲压成形过程中各向异性的屈服极限问题。Hill屈服准则优化和改善，使新的理论更符合实际生产要求
   

2.2 分析参数

AutoForm R8中的参数设置如表2所示，考虑软件的计算精度、计算效率、零件质量、工艺稳定性及成形收缩系数等要求。拉深筋系数设置如图3所示，尾部流水槽中部拉深筋系数为0.395，两端为0.339，其他三边为2.0。
   

表2   CAE分析参数设置

图3   拉深筋系数

2.3 分析结果

顶盖拉深的成形模拟结果如图4所示，减薄率如图5所示，在该工艺方案下，零件成形性好，无开裂和起皱风险，减薄率大部分区域超过6%，满足刚性要求。
   

图4   拉深成形模拟

图5   减薄率

3 回弹补偿研究

3.1 AutoForm迭代补偿

顶盖采用全工序回弹补偿策略，目的是保证全工序型面的一致性，如图6所示（D表示拉深工序，F表示修边工序，M表示回弹补偿工序）。在AutoForm中将顶盖的A级曲面设置为直接补偿区域，拉深工序的压料面设置为固定不补偿区，工艺补充设置为过渡区，其他工序的结构面为了避免形成拉深负角，设置为冲压方向补偿。
   

图6   全工序回弹补偿

因为AutoForm迭代补偿的曲面不符合A级曲面要求，需要将数据导出进行曲面重构，使其满足A级曲面标准。将重构的A级曲面重新导入AutoForm中进行复算，结果如图7所示。从图7可以看出，天窗四角区域的回弹量超过了3 mm，其他区域的回弹量也超过了2 mm。因此，AutoForm迭代补偿对于顶盖这类自由回弹量大的零件准确度较低，适用性差。
   

图7   AutoForm迭代补偿结果

3.2 几何补偿

以天窗顶盖中心区域为中点，将该点分别抬高2、3、6 mm，其他相应邻接型面进行过渡处理。将补偿后的3种型面导入AutoForm中计算，结果如图8所示。从图8可以看出，抬高6 mm的补偿方式效果最好，回弹量控制在1.5 mm以内，从以往项目分析，该数值与现场出件的匹配程度最佳。
   

图8   几何补偿结果

3.3 对比分析

     从上述AutoForm迭代补偿和几何补偿结果可知，AutoForm迭代补偿曲面重构后进行复算，其回弹结果达不到合格零件标准，几何补偿方式能实现尺寸要求，但对工艺人员的现场经验与曲面重构技术要求较高，而且补偿量也需要进行多次试验才能得到最准确的数值。
   

4 结果验证

基于几何补偿后的型面作为机加工数据用于模具制造，试制首件如图9所示，使用三坐标测量仪测量其尺寸。结果表明：与产品数据相比，在全夹持的状态下，首件尺寸符合率为85.2%，当模具状态研配到与数值模拟边界条件一致时，尺寸符合率可达96.5%，达到了前期预测的效果，说明几何补偿方式能有效地解决顶盖这类大型外覆盖件的回弹难题。
   

图9   顶盖试制首件

5 结束语

1）对于顶盖这类刚性较差的零件，在前期工艺阶段要使零件拉深减薄充分，以提高刚性和工艺稳定性，减少回弹。
   

2）AutoForm迭代补偿技术不宜用于自由回弹量大的零件，根据零件特点与经验积累，需要采用几何补偿策略。
   

3）对于几何补偿，补偿结果不是要控制在尺寸公差范围，而是要结合项目经验与零件特点，通过多次尝试以获得最佳补偿量。
   

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