基于几何补偿的高强板汽车覆盖件回弹优化控制

李惠龙，陈靖芯，朱其昌，李 红，万训保

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225009；2.江苏卡明模具有限公司，江苏 扬州 225009）

0 引言

在汽车制造中，有60%～70%的零件是通过冲压工艺进行生产的。汽车冲压件成形质量的好坏不仅影响到整车装配和汽车外观，而且汽车的制造成本和新车型的开发周期等都会造成很大的影响。然而，板料的冲压成形过程是一个极其复杂的过程，容易产生各种成形缺陷，其中回弹就是最难控制的。特别是近年来，节能与环保已成为时代的主题，各大汽车厂商纷纷开始致力于车身结构轻量化的研究，高强度钢在汽车车身制造中的应用越来越广泛。由于高强度钢板的塑性及成形性能比普通钢板要差，使得高强板汽车覆盖件的回弹问题变得日益突出。如何有效的控制高强板汽车覆盖件的回弹，成为冲压成形领域的一大难点。

1 回弹的控制方法

目前，在板料冲压成形过程中，控制回弹主要从两方面加以考虑：

（1）从工艺控制方面加以考虑，即可通过改变成形过程的边界条件，如毛坯形状尺寸、压边力大小及分布状况、模具几何参数、摩擦润滑条件等来减少回弹缺陷的产生，这类方法称为工艺控制法。

（2）通过修模或增加修正工序等加以考虑，即在特定工艺条件下实测或有效预测实际回弹量的大小以及回弹趋势，然后通过修模或增加修正工序，使回弹后的零件恰好满足成形零件的实际要求，该方法为几何补偿法。

在实际生产中，此两种方法都得到广泛的采用，本文为了更有效地控制地板中通道的回弹，将两种方法综合起来考虑，最终获得了理想的成形效果。

2 地板中通道的回弹仿真

2.1 材料性能及产品建模

本文所采用的试件为马自达J53R型轿车上的地板中通道，所用的材料为高强度钢板，材料代号为B280VK-36，它是一种冷轧碳素结构钢，泊松比=0.28,屈服强度为280-420MPa，抗拉强度大于440MPa。

2.2 覆盖件质量检测标准

图1 地板中通道零件图

通常在实际生产当中对试制产品进行检测时，需经过两道测量程序：①利用三坐标测量仪，将产品上的点与数模对应点对进行对比，在整体尺寸满足的前提下进入第二道测量程序；②将产品放在特制的检具上，对零件关键型面的尺寸精度进行测量，并用塞规测试产品与测量面之间的吻合度，若将误差控制在以内，则满足设计要求，即可判定为合格产品。

2.3 回弹数值模拟

本文研究的地板中通道是一个需经过多步工序冲压而成的零件，主要分为拉深—修边—翻边—侧整形—侧冲孔五大工序，利用板料成形CAE软件DynaForm对零件成形后的回弹进行数值模拟。结果如下图。

图2 中通道截面线

图3 零件回弹前后截面对比

图4 回弹前后的夹角

从上图的结果可以看出，中通道左右两端型面的最大回弹角度为5.3°，该回弹量远远超过了零件尺寸的误差范围，无法满足精度要求，下面采用模具几何补偿的方法对中通道的回弹量加以控制。

2.4 回弹几何补偿

为了有效的控制中通道的回弹量，本文采用模具几何补偿的方法，针对零件的曲面形状特点，并结合企业技术人员丰富的工程经验，将中通道左右两端型面分别向内侧进行3°和2°的修模。修模完成后的数值模拟结果如图5所示。

由回弹前后零件形状的对比发现，其左右两端的型面最大回弹角度为1.8°，考虑到模具两端型面的修模角度，中通道的最大回弹角应该在5°左右。修模之后，零件的最终形状虽已基本能够满足质量要求，但是并没有将中通道的回弹量控制在最优，若想进一步提高产品质量，可对成形工艺参数继续进行优化。

图5 模具修整前后型面对比

图6 修模之后的零件回弹前后截面对比

图7 回弹前后的夹角

3 回弹正交优化控制

该地板中通道的回弹主要出现在翻边和侧整形工序中，这样在很大程度上影响产品的质量。另外，板料在经过拉延之后，材料已经发生了一定程度的塑形变形，根据弹塑性的加工硬化现象，后面的翻边工序必须要比前面拉延提供更多的应变，才能达到材料新的屈服点，发生塑形变形，否则将会导致塑形变形不充分，从而出现大量的回弹的现象。所以在经过拉延之后的翻边，更容易引起零件的回弹。为了将中通道的回弹量控制在最小范围内，选取压边力、摩擦系数以及冲压速度作为因素水平，对零件的回弹进行优化。

表1 正交试验因素水平表

压边力：压边力是影响板料成形质量的一个至关重要的因素，压边力过大会使坯料在翻边、侧整形的过程中过薄，过小会使板料流动阻力太小，塑性变形不够充分，根据工程人员的实践经验，将翻边及侧整形中的压边力的范围规定在5～20t之间。

摩擦系数：摩擦系数的选定必须合适，不能过大也不能过小，过大容易造成零件的表面磨损，加剧模具的损耗，同时也可能引起负回弹，过小会使材料的流动阻力不足，导致工件的塑性变形不充分，一般选在0.1～0.2之间。

冲压速度：模具的冲压机床的速度一般可在1～10m/s之间进行调节。

确定了各因素和水平之后，正交试验方案如表2所示：在经过正交组合之后，进行了9次试件的翻边、侧整形工序之后的回弹的数值模拟，试验结果见表3。

由正交试验的结果可以看出，行号为5的参数组合，即当压边力为10t，摩擦系数为0.15，冲压速度为2m/s时，工件在翻边、侧整形工序之后产生的回弹量是最小的，此时的最大回弹角度为3.64°。

表2 正交试验方案

表3 正交试验结果

4 结束语

本文利用DynaForm软件对地板中通道进行了回弹仿真分析，经过对模具两端型面的修模，大大改善了零件成形后的质量。并选取压边力、摩擦系数以及冲压速度作为正交优化试验的因素水平，最终获得了将回弹量控制在最小值的最优参数组合，从而为企业的实际生产提供了有力的参考与依据，提高了产品的合格率。

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