5 系铝合金车门内板冲压成形及回弹研究

陈俊，张玉成，王博，甘贵生，彭波，郑雪勇，马相

（1.重庆赛力斯新能源汽车设计院有限公司，重庆 401335；2.重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 401135；3.挪威科技工业研究院，奥斯陆 0314）

随着对碳排放的要求越来越高，对汽车轻量化提出了更高的要求。铝合金材料因其质轻的特点而成为了汽车制造领域的新兴材料[1]，近年来在汽车覆盖件上的应用也越来越多。国外主要是美国、日本、加拿大等国家对铝合金的应用较早，车用铝合金主要有2000、5000、6000 系列[2-3]。国内铝合金板材制造研究起步相对晚，随着国内新能源汽车的不断突破及市场占有量的飞速增加，铝合金材质在汽车车身上的应用迈向了更高的台阶，除侧围应用较少外，其余汽车覆盖件均应用较多[4-5]。

铝合金材料的延伸率小、成形性差，在成形过程中，应力分布不均、板料流动不均会导致零件极易出现开裂、起皱等现象[6]。车门内板是汽车A 级零件，其成形复杂、尺寸较难控制，且对外观要求较高[7-8]，是汽车覆盖件的关重件，尤其是整体式车门内板，近年来铝合金材质在门内板方面的应用也越来越广。

由于钢、铝的弹性系数及弹性模量（钢弹性模量为210 GPa，铝弹性模量为72 GPa）不同，所以钢、铝回弹相差较大。由理论纯膜应力的回弹计算公式LSB=L0σmen/Emod（其中LSB为理论回弹，σmem为拉伸应力，Emod为弹性模量，L0为试件原始长度）可知，理论上铝合金的回弹是普通钢回弹的2.6 倍。例如，当L0=1 000 mm 时，低碳钢与铝合金材质的回弹分别为1.0 mm（对应σmem=210 MPa，Emod=210 GPa）和2.6 mm（对应σmem=182 MPa，Emod=72 GPa）。

综上所述，成形性差和回弹大是铝合金材质面临的两大挑战。本文首先从某铝合金整体式车门内板的成形难点入手，对标已量产车型的门内板零件深度，其次利用汽车覆盖件主流分析软件AutoForm 对零件进行全工序的成形分析及回弹预测，最后对其成形难点逐步优化，根据回弹值对模具进行全型面回弹补偿，有效预测并控制了零件的回弹[9-12]，有效解决了铝合金零件成形性差和回弹大的问题。

1 车门内板结构设计及难点分析

自主研发的某铝合金整体式前车门内板外形尺寸为1 360 mm×1 285 mm×345 mm，料厚为1.2 mm，质量为4.243 kg，其三维示意图如图1 所示。

图1 车门内板三维示意图Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the door inner panel

常规整体式车门内板的成形难点如下：1）A 柱后视镜安装区域（图1 中的A 区域），由于后视镜的安装需要，该区域通常有一个尖锐点进而会导致开裂，而靠近下部的法兰区域起皱严重；2）铰链区域（图1 中的B 区域），受铰链大小和开门角度的限制，该区域由于侧壁角度小而开裂严重；3）A、B 柱转角（图1 中的C 区域），受门洞转角大小及内饰板安装的限制，该区域通常在转角侧壁开裂，胶条下部平面起皱；4）门锁安装区域（图1 中的D 区域），受门锁距离与导轨距离的限制，该区域侧壁角度小、深度大，开裂严重，同时中间腰部区域起皱，导致该区域开裂与起皱并存，是很难控制的区域。

结合整体式车门内板的成形难点及铝合金材质的成形特性[13-15]，需要做如下重点管控：1）通过加大侧壁拔模角、加大R 角等措施来改善零件的成形性；2）为了控制零件的回弹，尽可能一次成形，无或微少整形量，整形工序仅是后续回弹整改的保障，当回弹较大时可在工艺设计时对模具型面进行回弹补偿；3）为了控制铝屑切边采用分段切边，且切边极限角度要比钢件的切边角度小5°；4）由于铝合金零件的调试周期较长（比钢件的调试周期至少长 2个月）、难度大，且量产稳定性差，故在理论设计时要有足够的安全裕度，因此铝合金门内板的成形标准——FLD（FLD 即成形极限图，它反映了板料在单向和双向拉应力作用下抵抗颈缩或破裂的能力）的安全裕度下降了15%，变薄率≥−0.15（变薄率反映的是相对原始材料厚度的百分比），最大失效≤0.65（最大失效反映的是板件上单元在 FLD 图中距离FLC 的比例）。

2 冲压工艺及成形性

2.1 冲压工艺

该车门内板的冲压工艺采用的是单件成形，对该门内板进行合理的工艺规划。总共5 道工序：拉延、切边+冲孔、切边+冲孔、整形（法兰）+翻孔、整形（窗框）+冲孔+侧冲孔。工法排布图如图2 所示。

图2 工法排布图Fig.2 Construction method layout: a) DR; b) TR+PI; c) TR+PI; d) RST+BUR; e) RST+PI+C-PI

2.2 成形性

该车门内板采用的是诺贝丽斯铝合金5182 材质，料厚为1.2 mm，对材料厂提供的坯料重新进行性能参数测试，其参数如表1 所示，用该实测性能的参数进行后续数值分析。

表1 材料性能参数Tab.1 Material performance parameters

所用的CAE 分析软件为AutoForm，其CAE 分析模型如图3 所示。压边力为130 t，拉延行程为180 mm，摩擦因数为0.12。初始产品数据的成形极限图如图4a 所示，可以看到，拉延工序件多处开裂，与前面预测的结果一致，这是由于铝合金门内板拉延深度较大、形状较为复杂，且侧壁、R 角等成形条件差。将开裂位置划分为9 个重点检测区域，如图4b 所示。零件各区域的变薄率和最大失效分析结果如图5 所示。可以看到，变薄率和最大失效超出标准值的区域与成形极限图显示开裂的区域一致，说明这些开裂的区域均需得到改善，否则后期取样、量产都可能会出现开裂问题。每个区域的变薄率和最大失效对比统计如图6 所示。可知，各区域的变薄率、最大失效均超出标准值较多，特别是②③⑦⑧检测点的开裂最为严重，是该车门内板开裂的敏感区域，此时需要对产品进行数据优化以满足成形性要求。

图3 数值分析模型Fig.3 Numerical analysis model

图4 初始产品的成形极限图（a）与重点检测区域划分（b）Fig.4 FLD of initial product (a) and division of key detection area (b)

图5 各区域变薄率（a）与各区域最大失效（b）Fig.5 Thinning rate by region (a) and maximum failure by region (b)

图6 变薄率对比（a）与最大失效对比（b）Fig.6 Comparison of thinning rate (a)and maximum failure (b)

3 冲压成形难点解决方案

该车门内板出现以上成形问题主要与所用的铝合金材质、零件深度、侧壁拔模角、R 角大小等成形条件相关。选取了5 款已量产的铝合金整体式内板，先进行铝合金车门内板深度对标，如图7 所示。该车门内板深度为171 mm，大于其他5 款车门内板深度，比ES8 车门内板深度深32 mm，故主推的优化方案是降低该车门内板的深度。

图7 深度对标Fig.7 Benchmarking of depth

该车门内板的深度主要受造型、车型配置的限制，经分析讨论，将深度降低了15 mm（目前深度为156 mm）。深度降低后的成形极限图如图8 所示。可知，与之前相比，其成形性得到了很大的改善，但几个关键区域仍存在开裂问题。在深度不能降低的情况下，需要改善零件侧壁的拔模角、R 角大小等成形条件，限制因素分别是门锁区域、门把手区域和限位器区域的深度：1）门锁区域，受玻璃导轨的限制，该区域深度仅可减小0.4 mm，对开裂的改善作用不大；2）门把手区域，对于外拉手的A 面y向，可向内调整4 mm，对开裂有较大的改善作用；3）限位器区域，对于限位器y向，可外移6 mm，对开裂有较大的改善作用。

图8 深度降低后的成形极限图Fig.8 FLD after depth reduction

就目前的分析结果来看，A、B 柱的开裂问题仍然严重，仅作以上调整对成形性的改善效果有限，不能完全解决成形性问题，故又提出了调整A、B 柱止口的方案，通过加宽门洞止口的方式来加大侧壁的拔模角和R 角。经快速建模分析验证，对于A 柱止口x向，需向车前方向调整8 mm，对于B 柱止口x向，需向车后方向调整10 mm，这样才能满足成形性要求。按照该要求调整门洞止口后，除个别尖点外已无成形性风险。

产品优化后各区域的变薄率和最大失效如图9所示，对比情况如图10 所示。可知，区域1、区域5局部尖点区域的最大失效超标，但变薄率未超标（变薄率≥−0.15，最大失效≤0.65），其余区域均在安全范围内，说明这几个区域仅需进行局部优化即可解决零件的开裂问题。

图9 产品优化后变薄率（a）与优化后的最大失效（b）Fig.9 Thinning rate after optimization (a) and maximum failure after optimization (b)

图10 优化后变薄率对比（a）与优化后最大失效对比（b）Fig.10 Comparison of thinning rate after optimization(a) and maximum failure after optimization (b)

4 全工序回弹分析及回弹补偿

4.1 回弹

由上文钢铝理论回弹对比结果可知，铝合金零件的回弹较大。按实际工艺排布对该门内板进行CAE分析后，各工序件的自由回弹如图11 所示，其中OP即Operation，指冲压工序。可知，该铝合金门内板各工序件的回弹值为钢制门内板的2～3 倍（钢制整体式车门内板的最大回弹值在2 mm 左右），验证了铝合金的回弹是普通钢回弹2.6 倍的结论。

图11 各工序件的自由回弹Fig.11 Free springback of each process piece

结合零件的工序内容和各工序件的自由回弹结果可知，第二序、第三序为切边冲孔工序，只是应力的释放过程；对于第四序整形和第五序局部整形，其回弹趋势基本和拉延保持一致，故自由回弹趋势符合各工序内容，工序内容不需要再调整，回弹分析有效。

4.2 最小夹持方案确认

将RPS（ The Reference Point System）点（RPS即汽车设计制造过程中基准点系统，是保证产品质量稳定性引入的检测点）导入后进行夹持回弹计算，进而确定回弹最小夹持方案（用最小的支撑点使零件的回弹达到平衡状态），再进行回弹补偿。由于该车门内板带窗框，不太方正且面积较大，考虑到放件的平衡性，可以从5 个RPS 点中选出任意4 个RPS 点作为夹持点，这样就有5 种夹持方案。门内板是平躺检测且要满足RPS 点在只支撑不夹持的状态下贴死，所以只需模拟5 种支撑方案即可。

该车门内板的RPS 点及5 种支撑方案回弹情况如图12 所示，5 种支撑方案关键点的回弹值对比如图13 所示。可知，与方案1、2、5 相比，方案3、4的回弹值极差最小，内饰板安装面及RPS 点位置的回弹值均较小，且方案3、4 的回弹值比较接近，说明腰部中间的2 个RPS 点对回弹的作用不明显，可以考虑取消腰部中间的2 个RPS 点。方案6 的回弹值如图14 所示，方案6 与方案3、4 相比，回弹很接近，故方案6 为最小支撑方案。

图14 最小支撑方案回弹值Fig.14 Minimum springback of support schemes

4.3 回弹补偿

零件产生回弹的根本原因是发生了弹性变形，故零件的回弹主要产生于成形工序即拉延和整形工序[16-19]，所以首先尝试补偿拉延、整形工序，并逐步增加补偿工序，再结合工序排布及工序间的符型问题。有以下3 种回弹补偿方案：方案1，仅补偿OP10（拉延）；方案2，补偿OP10、OP20、OP30、OP40（法兰整形）；方案3，全工序补偿。

先按照方案1 进行回弹补偿（补偿系数为1，光顺系数为0.7），仅补偿OP10 工序迭代3 次的结果如图15 所示。可知，虽然回弹结果比较接近±0.5 mm的标准，但在锁孔下面法兰区域及窗框上部区域，回弹均超出1 mm，不满足回弹补偿标准（补偿标准：关重区域100%达到±0.5 mm 而整体90%达到±0.5 mm），若再进行第4 次迭代会破坏产品型面，故补偿方案1的效果不太理想，需要再按照其他方案进行补偿。

图15 补偿方案1 回弹结果Fig.15 Springback result of compensation scheme 1

按照方案2 进行补偿迭代2 次的回弹结果如图16 所示。可知，仅迭代2 次就满足了回弹补偿的标准，且不影响成形性，证明回弹补偿方案2 有效，无须再进行方案3 的回弹补偿验证。在回弹补偿过程中，由于要达到理想的补偿效果可能会导致型面产生凸起、波浪和曲率反转等现象[20-22]，故需要对补偿后的法兰面等关重区域进行型面重构，保持曲率和原产品一致，且为了保障补偿效果，控制重构后的型面和补偿面的偏差在±0.2 mm 范围内。对重构后的型面还要进行回弹分析验证，直到满足回弹补偿标准。

5 成形及回弹补偿效果验证

在设计环节做好回弹补偿后，还需对模具的整个制造环节如加工、装配、调试、研配、样件制作及样件检测等进行有效管控。具体措施如下：1）采用强压、弱压工艺和模具变形补偿等模面精细化技术对模具型面进行精细化处理；2）采用蓝光扫描技术对加工后的全工序模具进行扫描，消除加工精度及加工刀具磨损等带来的影响，保障模具型面的加工精度要求；3）采用理论蓝油图技术指导钳工调试、研配，模具型面着色区域与理论蓝油图一致且蓝油着色率须≥90%[23-25]。

对模具调试、研配稳定后，进行零件取样检测。该车门内板的首轮样件无成形性问题，从首轮全工序件中抽取3 个零件进行回弹面差检测，结果如图17所示。面差手工检测合格率为85.29%（面差要求≤±0.5 mm，该阶段合格率要求≥70%），其中关重法兰区域34 个点中有5 个点超差。后续还会进行模具稳定性调试，待光洁度提升后合格率会稳步上升，满足零件的合格率要求，证明了前期成形性分析及回弹补偿的准确性。

图17 首轮样件及手工检测结果Fig.17 First round of samples and manual test results

6 结论

通过对该5 系铝合金整体式车门内板的成形难点、深度对标进行分析，再应用CAE 分析技术进行成形性及回弹分析，得出了如下结论：

1）从铝合金整体式车门内板的深度对标结果及成形性解决过程来看，铝合金整体式车门内板的深度应保持在150 mm 内为最佳。

2）通过CAE 分析技术，有效预测了铝合金门内板的成形性，并提出了如降低零件深度以及通过调整门洞止口来加大侧壁的拔模角、R 角等措施来改善铝合金门内板成形性的方案，为铝合金门内板的成形性改善和工艺设计提供了强有力的参考。

3）通过前期的钢、铝理论回弹公式，得出了铝合金回弹值是低碳钢回弹值2.6 倍的结论，并用CAE分析技术验证了其正确性。

4）应用CAE 分析技术对模具型面进行回弹补偿，形成了一套铝合金车门内板回弹预测及控制的合理解决方案。

5）保障了5 系铝合金门内板开发的成功率，提高了产品质量。