汽車后地板回彈分析與控制方法

文/熊瑞，戴長征，鄭連海，張衛(wèi)星·一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，客戶對汽車各方面性能要求也隨之增高，后地板為大型內(nèi)板結(jié)構(gòu)件，前部連接前地板，后部連接后縱梁，兩側(cè)與側(cè)圍總成連接，若是尺寸精度不達(dá)標(biāo)，使得后續(xù)自動化匹配尺寸超差，累計公差將導(dǎo)致車身偏離設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，影響裝配質(zhì)量甚至整車安全性能。但像后地板這樣造型復(fù)雜，尺寸精度要求較高的大型內(nèi)板件中回彈一直以來都是行業(yè)中的難題。

汽車后地板沖壓成形基于板料的塑性變形，主要體現(xiàn)在材料的應(yīng)力與應(yīng)變。板料拉深或者翻整后板料厚度方向存在殘余應(yīng)力，成形零件與凸模脫離時，殘余應(yīng)力釋放使制件回彈，導(dǎo)致制件形狀偏離設(shè)計數(shù)模，脫模后表現(xiàn)為彎角變化和曲率變化。

某款車型后地板材質(zhì)為LX260LAD+Z100MB，料厚0.7mm，尺寸1550mm×1775.2mm，屈服強(qiáng)度大于220MPa，屬于大型普通高強(qiáng)度板，屈服強(qiáng)度越高，回彈現(xiàn)象越明顯，降低沖壓件尺寸匹配精度，特別是在拉延和翻邊工序回彈尤為突出。

問題現(xiàn)狀

圖1 為某款汽車后地板樣圖，同時優(yōu)化后地板座椅位置和備胎側(cè)壁位置時出現(xiàn)回彈缺陷。后地板調(diào)試期間，座椅位置和備胎側(cè)壁翻邊位置尺寸超差，導(dǎo)致焊裝自動化裝配疊料與拼焊時出現(xiàn)錯位等現(xiàn)象，影響裝配精度及生產(chǎn)效率。

通過CAE 軟件模擬分析座椅位置翻邊回彈楔形量，如圖2 所示，楔形量達(dá)1.8mm，備胎側(cè)壁回彈量達(dá)1mm。

該后地板工藝復(fù)雜，成形一個合格件需要7 序模具完成，分別是OP10 落料→OP20 拉延→OP30二次拉延→OP40 修沖→OP50 修沖整→OP60 翻整→OP70 整沖。

圖1 汽車后地板樣圖

圖2 拉延模擬楔形量圖

回彈原因分析

回彈是金屬材料的固有特性，直接影響沖壓制件的尺寸精度和最終形狀。導(dǎo)致制件回彈的原因主要有模具拉延筋分布、拉深圓角、相對彎曲半徑、壓邊力、板料機(jī)械性能等。

拉延筋分布

拉延筋合理分布增加板料的流動阻力，控制板料的流入量及流動方向，使各部位主次應(yīng)變均勻且拉深成形充分，使回彈區(qū)壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移越多，回彈越小。部分回彈區(qū)可設(shè)置局部拉延筋使其局部走料均衡，從而控制回彈。

拉深R 角

拉深R 角和拉延深度對回彈的影響與拔模角相同，凸凹模R 角越大，減小了對制件的徑向約束力，制件塑性變形成分減少，脫模后回彈越大。拉深深度越大，回彈越大。

相對彎曲半徑

板料變形程度的大小可以通過相對彎曲半徑反映，回彈值與相對彎曲半徑成正比，r/t 越小，彎曲的變形程度越大，塑性變形在總變形中所占比重越大，因此卸載后回彈隨相對彎曲半徑的減小而減小，因而回彈越小。

壓邊力

在成形過程中，壓邊力可以調(diào)整進(jìn)料流動速度，改善板料內(nèi)部應(yīng)力分布，壓邊力越大，板料流動阻力越大，拉深成形越充分，降低板料內(nèi)、外應(yīng)力差，從而抑制制件回彈。

板料機(jī)械性能與厚度

板料的機(jī)械性能也對制件回彈有很大影響，屈服強(qiáng)度、硬化指數(shù)越小，板料回彈量越小。另外隨著板料厚度的增加，參與塑性變形的材料增加，彈性變形減少，可通過前期模具設(shè)計和后期工藝調(diào)試的回彈補(bǔ)償來控制制件回彈。

優(yōu)化備胎側(cè)壁回彈

備胎區(qū)側(cè)壁翻邊屬于直線段翻邊，此位置經(jīng)翻邊整形工序后板料金屬應(yīng)力變化較大且不均勻，整體回彈變大。

拉延序工藝調(diào)整

此后地板形狀復(fù)雜，深度過深，成形面積大，一次無法完成成形需求，所以工藝上存在二次拉延。由于后地板備胎側(cè)壁位置形狀獨特，嘗試在OP30 二次拉延序成形凸模加高1.5mm(圖3 所示藍(lán)線區(qū)域)，增大備胎側(cè)壁板料成形時料流動阻力，加大備胎側(cè)壁區(qū)域的塑性變形程度，使板料充分撐展，殘余應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，使其成形更充分，應(yīng)力分布更均勻，從而減小回彈。

圖3 工藝補(bǔ)充示意圖

翻邊序工藝調(diào)整

備胎側(cè)壁為直線段翻邊(圖4)，翻邊時內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力差不大，翻邊過程中回彈量相對較均勻，可通過減小成形凸模R 角，使板料成形阻力增大，增加疲勞強(qiáng)度，讓板料成形切向力大于回彈應(yīng)力，塑性變形更充分，從而減小回彈量。

圖4 OP60 工藝平面圖

圖5 左右耳單件測量報告圖

優(yōu)化座椅兩側(cè)左右耳回彈

座椅兩側(cè)翻邊屬于弧線段翻邊，翻邊時板料外側(cè)受拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力，也是屬于壓縮類翻邊，內(nèi)部受到擠壓內(nèi)應(yīng)力增大，翻邊回彈變大。缺陷位置單件測量報告楔形量為1.8 ～2.2mm，見圖5。

翻邊序結(jié)構(gòu)調(diào)整

座椅兩側(cè)位置回彈則考慮增加側(cè)翻機(jī)構(gòu)使壓料面和法蘭邊均壓料成形，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本、調(diào)試要求較高。從OP60 結(jié)構(gòu)平面圖分析(圖6)，此序為上下翻邊整形模，沒有足夠空間布置側(cè)翻機(jī)構(gòu)，故不考慮在此序做模具結(jié)構(gòu)工藝更改。

圖6 OP60 結(jié)構(gòu)平面圖

針對OP70 增加側(cè)翻機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。紅色框區(qū)域為側(cè)翻機(jī)構(gòu)的布置空間(圖7、圖8)。此結(jié)構(gòu)采用法蘭邊壓料整形，對板料有一定的約束力，翻邊成形質(zhì)量高，穩(wěn)定性好。但增加側(cè)翻機(jī)構(gòu)，需要取消部分壓料板的錐形平衡塊和個別頂桿來提供安裝空間，極大影響OP70 整體模具精度和強(qiáng)度。而且左右兩側(cè)導(dǎo)板無安裝空間，壓料板需重新鑄造。

從側(cè)翻機(jī)構(gòu)的簡易示意圖(圖9)得出上模座和壓料板需大面積挖空，安裝側(cè)翻機(jī)構(gòu)。此法蘭邊壓料整形工藝為負(fù)角整形，無法保證自動化生產(chǎn)機(jī)械手抓取件的穩(wěn)定性。

圖7 OP70 壓料板三維圖

圖8 OP70 上模三維圖

圖9 側(cè)翻機(jī)構(gòu)簡易示意圖

綜上討論，OP70 無空間增加側(cè)翻機(jī)構(gòu)，且風(fēng)險非常大，故此方案無可行性。

整形序工藝調(diào)整

據(jù)后地板每個工序成形和功能分布分析，座椅左右耳區(qū)在OP60 最終翻整，OP70 座椅左右耳區(qū)只起承接制件作用屬于非功能區(qū)，嘗試在此位置增加整形工藝(圖10)，使得左右耳區(qū)域產(chǎn)生負(fù)回彈補(bǔ)償，在脫模后制件產(chǎn)生回彈時，通過負(fù)回彈與回彈疊加達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖10 整形工藝補(bǔ)充示意圖

⑴藍(lán)光掃描(GOM)。

如圖11 所示，利用藍(lán)光掃描(GOM)對后地板進(jìn)行回彈補(bǔ)償輸出數(shù)據(jù)，對座椅左右側(cè)自由回彈量進(jìn)行模擬分析，當(dāng)模擬OP70 整形凸模下塌深度3mm、寬度15mm 時，后地板座椅左右耳工藝補(bǔ)償后回彈量從1.8mm 減小到0.2mm，模擬補(bǔ)償回彈量符合要求，達(dá)到預(yù)期效果。

圖11 藍(lán)光掃描

⑵“埋”釘。

OP70 座椅左右側(cè)凸模材質(zhì)為灰鑄鐵強(qiáng)度較低，此整形工藝補(bǔ)充需增大壓邊力做強(qiáng)壓來改善板料內(nèi)部應(yīng)力，使其整形成形更充分。因此涉及到數(shù)控加工凸模后強(qiáng)度要求，故通過凸模側(cè)面手動鉆孔攻牙“埋”進(jìn)15 根M16 螺釘?shù)拇胧﹣碓黾油鼓?qiáng)度(圖12)。

⑶整形凸模基準(zhǔn)。

OP70 整形凸模強(qiáng)度調(diào)整后，按照藍(lán)光掃描數(shù)據(jù)，數(shù)控機(jī)加凸模邊緣做深度3mm、寬度15mm 的下塌楔形(圖13)，以此凸模為基準(zhǔn)調(diào)整凸凹模間隙，使強(qiáng)壓區(qū)凸凹模間隙不超過板料厚度，板料內(nèi)部塑性變形增加，減小回彈。

圖12 凸模鉆孔“埋”釘

圖13 數(shù)控加工凸模

⑷壓料板燒焊。

以凸模為基準(zhǔn)，上模壓料板焊接加高4mm，粗研至3.4mm，壓料板材料為GS45，焊接選用焊絲材料為W299,焊接方式采用短焊道分段式焊接(圖14)，并錘擊焊道釋放焊接應(yīng)力，使焊材與母材充分熔合，防止開裂。

⑸研合。

圖14 壓料板分段焊接

上調(diào)試壓機(jī)精修調(diào)整凸凹模間隙，保證燒焊區(qū)域和未燒焊區(qū)域過渡均勻，接頭光順，無臺階，強(qiáng)壓區(qū)著色率達(dá)90%以上(圖15)，強(qiáng)壓成形間隙略小于料厚，使板料的貼模程度增加，塑性變形充分，從而減小回彈。

圖15 壓機(jī)研合

通過以上調(diào)整，制件經(jīng)OP70 座椅左右側(cè)整形強(qiáng)壓后產(chǎn)生負(fù)回彈，使制件通過回彈與負(fù)回彈疊加達(dá)到形狀要求。減小回彈量達(dá)1.7mm，滿足后續(xù)匹配需求，解決自動化疊料問題，消除拼焊錯位的可能性。

結(jié)束語

在實際生產(chǎn)過程中，回彈是影響沖壓件質(zhì)量的重要因素之一，由于金屬材料強(qiáng)度和力學(xué)性能，任何塑性變形都會有殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致回彈現(xiàn)象產(chǎn)生。在翻邊成形過程中板料外區(qū)因受到翻邊拉應(yīng)力伸長，板料內(nèi)區(qū)受到切向壓力而產(chǎn)生壓縮仍處在彈性變形狀態(tài)。使得制件形狀和尺寸都發(fā)生與成形時變形方向相反的變化。

通過CAE軟件可分析板料回彈產(chǎn)生工序、回彈量、回彈補(bǔ)償量等，在滿足形狀尺寸要求的情況下通過整形工藝補(bǔ)充再次約束回彈是非常有效的。所以在模具設(shè)計初期需對產(chǎn)品形狀、成形工藝等進(jìn)行充分模擬驗證，從源頭上對回彈缺陷進(jìn)行預(yù)防，縮短調(diào)試周期和提高沖壓件質(zhì)量。