新能源汽車鋁合金前罩板回彈控制策略研究

張 恒， 張天平， 雷 洋， 將慶順， 張玉成

（賽力斯汽車有限公司 產品與技術研發體系， 重慶 401335）

0 引 言

隨著國內新能源汽車發展快速崛起，車身一體式壓鑄全鋁底盤、全鋁車身等得到廣泛運用。鋁合金材料具有輕量化優勢，已逐步替代傳統鋼板制造汽車車身和底盤等，以減輕汽車整車質量，提高續航能力[1-2]。據統計整車每減輕100 kg，電池續航可以增加約11.4 km。

鋁合金塑性變形和彈性模量較鋼板小，回彈比鋼板大，開展鋁合金的回彈及控制方案研究有重要意義。趙子海等[3]用AutoForm 軟件模擬分析汽車鋁后門外板回彈規律，制定回彈補償方案，以修正模具，使零件回彈后形狀達到設計的精度要求。薛穎等[4]利用AutoForm 軟件進行全工序模擬，基于板料流入量進行模具調整，利用調壓墊片控制板料流動以減少回彈，最終生產表明，同步工程、回彈補償和調整板料流入量相結合能有效減少鋁板回彈。

目前采用回彈補償的方法對鋁合金零件沖模進行修正的經驗和模擬數據不足，供各模具廠、沖壓廠和整車廠生產汽車鋁合金覆蓋件參考數據有限。現以某新能源汽車鋁合金前罩板為例，主要從前期模具設計回彈補償策略和后期調試整改2個階段，研究和驗證鋁合金回彈控制方法和現場調試整改方案的有效性。

1 零件質量問題

前罩板采用5182 鋁合金，料厚為0.9 mm，外形尺寸為1 753 mm×1 376 mm×150 mm，通過AutoForm分析得出零件側壁及法蘭邊有回彈趨勢，回彈最大值約為5 mm，如圖1 所示，在零件生產和整車焊接、裝配過程中存在零件回彈合格率低和整車裝配精度差的問題。

圖1 CAE分析前罩板回彈

1.1 零件回彈合格率低

在前罩板生產過程中，法蘭邊容易出現回彈和下塌，導致零件合格率低，不滿足裝車匹配要求（實測68%，標準90%以上）。零件局部法蘭邊面差三坐標測量點如圖2 所示，其測量數據如表1 所示。由表1可知，零件法蘭邊尺寸狀態不穩定、平行度較差，不滿足裝車匹配需求。

表1 法蘭邊面差三坐標測量數據 mm

圖2 三坐標測量點

1.2 整車裝配精度差

在后續焊裝車間輥邊和涂裝車間電泳處理后，前罩總成整體發軟且容易變形，導致整車前罩外觀間隙面差不滿足尺寸要求，前罩總成與前格柵燈匹配段差達到2.67～3.56 mm（標準為±0.7 mm）。

2 回彈原因分析

2.1 原材料

前罩板材料一般為DC03、DC04、DC05 鋼板和5182、6016 鋁合金，材料性能參數如表2 所示，5182和6016 鋁合金伸長率只有23%，屈服強度相比鋼板低，零件成形性較差，導致回彈加劇，所以鋁合金回彈趨勢較鋼板嚴重。

表2 材料性能參數

2.2 零件結構

前罩板是汽車前罩的重要組成部分，需要提升整體剛度和強度以滿足C-NCAP 碰撞安全性能指標，同時需要軟性的前罩板材料滿足PPS 行人保護性能指標。因此前罩板剛性整體偏軟，強度較差，容易產生回彈[5]。前保險杠區域沒有增加控制回彈造型的CAE 分析（見圖1（a）），回彈值為2.6～4.9 mm；前保險杠區域沿車身長度方向增加控制回彈造型的CAE 分析如圖3所示，回彈值為1.5～1.7 mm，說明增加的造型可有效控制回彈，相同位置回彈減少1.0～2.5 mm。

圖3 增加造型后的回彈數據

2.3 CAE回彈補償方案

傳統燃油車前罩板材料一般為DC03、DC04、DC05 鋼板，鋁合金前罩板使用較少，廠家在鋼板模具開發及制作方面經驗豐富，鋁板模具開發及制作經驗相對不足。在對零件進行CAE 模擬分析時，鋼板理論回彈補償方案一般為1∶2（回彈補償量是CAE 模擬回彈數據的2倍），鋁合金理論回彈補償方案一般為1∶4（回彈補償量是CAE模擬回彈數據的4倍），所以鋁合金回彈補償方案更復雜多變，導致零件質量狀態不穩定、合格率低。

3 制定整改方案

在模具設計階段，采用AutoForm 分析軟件對零件進行全工序CAE 模擬分析，得出理論回彈數據，結合鋁合金零件現場整改經驗，從沖壓工藝、回彈補償策略、現場整改等方面對零件回彈進行整改。

3.1 沖壓工藝

根據前罩板零件結構和沖壓生產要求，零件沖壓工藝設計為OP10 拉深→OP20 修邊沖孔→OP30修邊沖孔→OP40 整形沖孔。在拉深時零件所有型面已成形到位，后續不帶余量整形為后期現場調試匹配整改法蘭邊預留空間，如圖4所示。

圖4 沖壓工序

3.2 回彈補償策略

通過沖壓模擬軟件AutoForm 對零件進行CAE分析，零件成形極限如圖5（a）所示，無開裂風險，零件減薄率如圖5（b）所示，減薄率為8%～13%，滿足＜15%要求。

圖5 成形性分析

零件回彈補償前CAE 分析見圖1（a）所示，零件輥邊周圈的法蘭邊回彈較嚴重，回彈值為1～5 mm，不滿足±0.5 mm 的公差要求。針對回彈問題，結合CAE 分析結果和現場整改經驗，設計整體補償策略：OP10 拉深補償1.5～4.0 mm，OP20 型面符型拉深回彈，OP30 型面符型零件，OP40 型面符型零件，如圖6（a）所示。按最新補償方案進行CAE 驗證，回彈值為±0.4 mm，滿足±0.5 mm 的公差要求，如圖6（b）所示。

圖6 回彈補償策略

3.3 現場調試整改

模具設計完成后，進入后續調試整改階段，首先將全工序模具零件研合率提升到85%以上，如圖7 所示。模具零件型面研合率達標后成形該零件，使用檢具測量零件，零件上設置9個基準測量點，如圖8 所示，其中有4 個基準回彈在0.3～1.2 mm，零件不合格（基準標準為±0.2 mm），如表3 所示，零件整體合格率為68%，不滿足90%的合格率標準。

表3 基準三坐標測量數據 mm

圖8 基準測量點

對零件各工序件進行藍光掃描，將掃描結果與零件數據進行對比分析，如圖9所示，回彈趨勢與三坐標測量數據基本一致。根據掃描和測量結果制定下一步回彈補償策略：OP10 型面補償-2.0～2.5 mm，OP20 符型OP10 型面，OP30 符型OP20 型面，OP40符型OP30型面，整改方案如圖10所示

圖9 各工序擬合掃描

圖10 整改方案

4 驗證結果

從首輪全工序件開始用時4 個月，利用CAE 模擬驗證分析，同時結合鋁合金模具開發經驗，現場調試整改4～5 輪（包含2 輪全工序模具零件整體降低型面-2.0～2.5 mm）。整改后零件成形效果較好，9個基準面全部貼合，零件合格率在90%以上，滿足整車尺寸裝配要求，如圖11所示。

圖11 零件檢測

5 結束語

通過對鋁合金前罩板前期模具設計回彈補償策略和后期調試整改2 個階段進行全量分析，制定回彈策略并現場整改驗證，為后續鋁合金零件模具開發積累了相關經驗。

（1）在零件工程設計階段，零件容易產生回彈的位置需要增加造型，提高屈服強度從而有效控制回彈。

（2）在模具設計開發階段，回彈補償策略補償量由鋼板的1∶2增加到鋁合金板的1∶3～1∶5，并且模具工作型面厚度較鋼板模具增加20 mm，為后期做降型整改預留調整量。

（3）在模具調試階段，鋁合金較鋼板多預留2～3個月質量提升周期。