汽車高強鋼沖壓回彈的分析和控制

唐廷洋，喬曉勇，申丹鳳

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

汽車作為普通商品走進千家萬戶，成為了人們生活不可或缺的一部分。隨著汽車使用的日?；藗儗ζ嚨挠秃暮桶踩刃阅苄枨笕找嫱癸@，既要降低油耗、減少支出和環境污染，又要提高駕乘人員和行人的安全性。因此車身輕量化、行駛及碰撞安全性能成為汽車企業提高競爭力的重要指標。為了實現這些目標，汽車行業發展了沖壓高強鋼、鋁板、高強鋁、熱沖壓等技術。相對于鋁板的高成本和熱沖壓的高能耗，高強鋼同時滿足輕量化、高強度、低成本、低能耗、高效率的綜合需求，成為大部分汽車企業底盤、車身骨架及有碰撞要求的零件首選材質。近年來乘用車車身的高強度鋼使用量持續增加[1]，國內自主品牌乘用車車身高強度鋼的使用比例達到60%，歐美系部分車型的高強度鋼使用量甚至超過70%。

1 高強鋼的回彈問題

汽車行業內按屈服強度區分高強鋼，將屈服強度≥210 MPa的鋼板定義為普通高強鋼，將屈服強度＞550 MPa的鋼板定義為超高強鋼?；貜検卿摪宀牧系墓逃刑匦訹2]，相對于普通鋼板，高強鋼和超高強鋼零件回彈問題更嚴重[3]。特別是在彎曲成形和淺拉深工序時，回彈現象尤為突出，降低了沖壓零件的尺寸精度，影響了裝配，甚至降低白車身的尺寸精度。因為實際造車狀態偏離了設計數據，甚至會影響整車的可靠性及NVH（整車噪音、震動及舒適性）性能[4]。

2 高強鋼的回彈剖析

高強鋼在成形過程中產生的回彈主要有3種形式：圓角彎曲回彈、立面卷曲回彈和整體扭曲回彈。

2.1 圓角彎曲回彈

成形圓角部位時，在外部載荷的作用下，板料內、外表面的應力狀態不同，外表面受拉應力板料變長，內表面受壓應力板料變短。外部載荷卸載后，內應力使被拉伸的外表面變短，被壓縮的內表面變長，從而產生回彈。其次在板料成形過程中，內、外表層進入塑性變形狀態時，板料中心仍處于彈性變形狀態，外部載荷卸載后將產生回彈。圓角彎曲回彈呈線性，是最容易控制的回彈[5]，如圖1所示。

圖1 圓角彎曲回彈

2.2 立面卷曲回彈

立面是指成形零件與沖壓方向夾角<15°、高度>50 mm的陡峭側面，典型立面零件如圖2所示。在零件成形過程中，凹模和壓邊圈壓緊板料后材料逐步流過凹?？趫A角，如圖3所示。所有材料都流過凹?？趫A角時發生了彎曲，板料內側比外側長，這種彎曲的連續變化產生“卷圓”效果。在模具合模到底前，立面產生了向外彎曲的“花盆”狀。模具合模到底時，凹模和凸模壓緊板料將已經向外彎曲的立面校平，但法向作用力不足，法向應變還處在彈性變形階段，當外力卸載后，立面重新彈回“花盆”狀，即立面卷曲回彈[6]，如圖4所示。

圖2 典型立面零件

2.3 整體扭曲回彈

成形過程中，板料各部位受到的應力和產生的應變不一致，有些部位甚至還處于彈性變形階段。當成形力卸載后，內部應力的不均勻分布和局部彈性形變恢復導致零件產生不規則變形。由于零件結構的原因，不同部位的抗變形剛度不一致，造成零件扭曲，即整體扭曲回彈。零件各部位結構之間相對變化越大，扭曲回彈越嚴重。

3 基于CAE軟件的回彈分析

通過對圓角彎曲回彈、立面卷曲回彈和整體扭曲回彈進行分析，了解高強鋼回彈產生的原因進行定性分析。為解決回彈問題，還需要對回彈進行定量分析。

3.1 CAE軟件應用

回彈CAE分析基于有限元理論，將模具各零件視為剛體，采用Mindlin板殼理論模型[7]，通過靜態隱式算法進行板料沖壓分析。目前板料成形CAE分析常用軟件為AutoForm、DyanForm和Pam-stamp，現基于AutoForm軟件對回彈進行仿真分析[8]。

圖3 拉深成形

圖4 立面卷曲回彈

3.2 回彈仿真分析

（1）建模。先進行工藝設計，使用CAD軟件建立各工序數模，通過可相互轉換的數據格式（常用*.igs）將各工序數模導入AutoForm軟件，如圖5所示。

（2）成形分析。按照工藝設計進行CAE全工序分析，通過反復調整分析參數和運算，獲得可接受的成形分析結果，如圖6所示。

（3）回彈分析。對每一個工序按3-2-1定位，基準面約束3個自由度（Z方向的移動和繞X、Y軸的轉動），主定位銷約束2個自由度（X、Y方向的移動），副定位銷約束1個自由度（繞Z軸的轉動）進行回彈分析設置，重新運算得到回彈結果，如圖7所示。

3.3 回彈補償

圖5 某汽車前縱梁成形工藝

圖6 某汽車前縱梁全工序成形仿真

圖7 某汽車前縱梁的回彈分析結果

根據回彈分析結果，測量回彈量，結合經驗數據設置比例因子，對各成形工序的型面進行與回彈數據相反的補償。通過回彈運算和補償的反復迭代，使最后工序的回彈與零件數模的偏差在可接受的公差內。采用CAD軟件建立與CAE最終回彈補償數據一致的工序數模，如圖8所示，用于模具零件型面加工。

4 高強鋼的回彈控制

4.1 優化零件設計控制回彈

（1）優化零件結構。盡量將高強鋼零件設計成簡單等截面的形狀，如圖9（a）所示，可以采用滾壓、彎曲或無法蘭邊壓料的成形工藝，避免出現卷曲回彈；零件圓角彎曲回彈呈線性，回彈補償和控制簡單。如果由于結構要求無法做成等截面，應盡量保證零件在寬窄、高低等形狀上的一致性，存在落差時應過渡平緩，如圖9（c）所示，使板料在拉深成形過程中應力、應變盡量均勻，材料流動距離盡量平衡，減小零件成形時整體扭曲回彈。

（2）優化局部特征。高強鋼零件不能存在尖銳R角、過高的凸臺和過深的凹坑，否則會使板料在成形過程中局部急劇減薄，不能采用較大的拉深力，造成零件整體應變不足而回彈，如圖10所示。

（3）優化零件抗變形剛性。通過優化零件局部或整體結構，在零件容易產生回彈的部位設置加強結構，如圖11所示，使零件成形后結構穩固，能抵抗回彈變形。

4.2 優化沖壓工藝設計控制回彈

（1）控制圓角彎曲回彈。以U形梁為代表的高強鋼零件在成形后會沿R角產生回彈，根據回彈量調整成形工序和整形工序的R角控制回彈。根據經驗，通常整形工序的R角比成形工序的R角半徑小1倍料厚。

圖8 某汽車前縱梁拉深工序回彈補償數模

圖9 零件整體結構

圖10 局部尖角和深坑使板料急劇減薄

（2）控制立面卷曲回彈。由于立面卷曲回彈是立面的材料流過凹?？赗角造成，工藝設計時要減小材料流入凹模口R角時產生的塑性變形。如果零件變化較平緩，優先采用法蘭邊不壓料的成形工藝，使立面自由成形，模具零件到底前凹?？赗角碰到板料，但不產生塑性變形，可以避免立面卷曲，如圖12（a）所示。如果零件形狀復雜，相對變化大，需要采用拉深工藝。通過增加工藝臺階，使凹?？赗角接觸工藝廢料，減小法蘭R角與立面材料的接觸應力，以降低立面卷曲程度，如圖12（b）所示。

（3）控制整體扭曲回彈。由于扭曲回彈是零件各部位應力分布不均造成，成形時要使拉深深度盡量一致，相對受力的材料流入盡量均等，如圖13所示。

（4）整形工序修正尺寸。高強鋼零件尺寸主要靠成形工序控制，但是成形工序不可避免地會產生回彈，特別是立面和法蘭邊，此時需要通過整形工序對回彈部位進行尺寸修正，整形方向盡可能延回彈的法向。在整形高強鋼立面回彈時一般采用側整形。

5 回彈分析和回彈控制的應用實例

圖11 零件結構剛性優化

圖12 控制卷曲回彈的工藝方案

圖14所示為CN201S右前大梁，由1.6 mm厚的HC340/590DP與2.0 mm厚的HC420/780DP拼焊而成。為了正面碰撞能吸收能量，零件前段的強度相對較低、厚度較薄、深度較淺。后段為發動機安裝部位，要保證碰撞時不變形，因此強度更高、厚度更厚、深度更深。由于該零件材質、料厚不同，形狀復雜，是典型的復雜回彈零件，以往項目中該零件的尺寸合格率只能達到80%左右，且不穩定，對車架總成尺寸合格率造成了較大的影響。

圖13 控制整體回彈的工藝方案

圖14 CN201S右前大梁

根據零件特性，對其進行優化：①對減薄率較大的位置放大圓角，球化拐角，使最大減薄率不超過17%；②在容易產生彎曲回彈的部位設置筋條，增加零件抗回彈剛性；③在腰部設置加強筋，加強零件縱向的整體剛性，如圖15所示。

圖15 零件抗回彈優化

零件的沖壓工藝為：拉深、修邊+沖孔、整形+翻邊、側整形、沖孔+側修邊+側沖孔。在拉深、整形、側整形工序控制回彈。

拉深時盡量保持兩側受力均衡，表現形式為兩側材料流入量一致，零件橫向的扭曲得到較好地控制，Z向回彈量一致，拉深CAE分析如圖16所示。拉深控制零件頂面和整體的回彈，根據修邊后的回彈數值補償拉深型面，如圖17所示。

圖16 拉深CAE分析

圖17 回彈分析和補償

拉深工序將零件頂部R角半徑放大1.0 mm，整形時校正圓角彎曲回彈，同時控制零件法蘭邊的回彈。由于立面拔模角較小，進行回彈補償后在沖壓方向上出現負角，需要在側整形工序（60°左右）校正立面的尺寸，如圖18所示。通過零件優化和工藝控制回彈，CN201S右前縱梁的量產尺寸合格率穩定在95%左右。

6 結束語

（1）回彈是高強鋼的固有特性，表現形式有圓角彎曲回彈、立面卷曲回彈和整體扭區回彈，在具體零件上的回彈往往是綜合表現。

圖18 側整形校正立面回彈

（2）通過CAE軟件可以分析高強鋼產生回彈的工序、回彈量及校正回彈需要的補償量。

（3）控制回彈要從優化零件設計入手，增加零件整體剛性和局部穩定性，通過優化沖壓工藝設計，控制板料在成形過程中的受力和流入量，使回彈穩定、可控。