基于数值模拟的后门外板全型面回弹补偿技术研究

文/崔礼春，高双明，黄顶社，阮林凡，徐肖·安徽江淮汽车集团股份有限公司

针对外板冲压成形过程中存在回弹的问题，以后门外板为例进行全型面回弹补偿技术研究。根据后门外板产品结构特点，进行冲压工艺规划，保证A 面质量的同时，降低冲压件成形难度；回弹补偿计算过程中采用拉延全型面回弹补偿、后续符型补偿及整形区域单独回弹补偿的策略，面差合格率由33.3%提升至100%，后门外板实际冲压件面差合格率92.5%；利用回弹补偿矢量场数据对后门外板工艺模面进行A 面重构，斑马线光顺连续无突变，达到补偿前的A 面质量水平，后门外板实际冲压件外A 面外观质量符合设计要求。

由于车身外板冲压件为A 级曲面，不仅要满足产品开发的冲压件尺寸精度，同时对冲压件外露面的光影和曲率也具有很高的要求。回弹是影响冲压件尺寸精度的关键因素，冲压件的回弹是整个塑性成形过程中累积的结果，其影响因素较多，比较难以精准预测。近年来，随着数值模拟分析在冲压件成形领域的深入研究和应用，Autoform 目前已经能够对冲压件全工序回弹进行较为精准的预测，通过合理的补偿策略和参数设计，可以利用回弹数据对外板A 面进行反向补偿，在保证外板冲压件A 面质量的同时提升产品尺寸精度。

本文利用数值模拟的方法和几何位移补偿原理，研究了后门外板的回弹计算和全型面回弹补偿，通过全工序回弹精确计算，采用合理的回弹补偿策略，成功实现了后门外板A 面重构，实物冲压件外A 面曲率连续，面品质量满足要求，同时冲压件面差精度合格率达到了92.5%，有效地提高了外板的成形质量、缩短了模具开发周期。

工艺规划及数值模拟计算

后门外板的材质为DC54D+Z，料厚为0.7mm，属于超深冲热镀锌钢板，板材力学性能参数如表1 所示。CAE 分析过程基于Autoform R7 版本软件，摩擦系数0.16，网格划分最小单元0.31mm，材料允许的最大减薄率为24%，产品尺寸公差要求±0.5mm。

表1 DC54D+Z 板材力学性能

产品结构及工艺规划设计

后门外板是车身外覆盖件之一，其结构如图1 所示，中间A 面区域，法兰为非外露面，在不影响整体成形质量的前提下，为提高拉延成形性，防止局部开裂，冲压工艺上可适当采用局部整形，对于A 面区域，为保证各位置变形的均匀性，必须通过拉延一序成形，理论上不允许对A 面整形。

图1 后门外板产品结构图

针对后门外板产品结构特点进行冲压工艺规划，工艺规划由三序实现，具体如图2 所示，OP10 对后门外板大部分造型，尤其是A 面区域，进行拉延成形，上部法兰两边拐角深度较深，做过拉延处理，图3 为后序存在整形变形量的过拉延区域；OP20修边、冲孔，无成形内容；OP30 进行过拉延区域的整形和周圈的翻边。

图3 存在整形变形量的区域

数值模拟计算

基于冲压工艺规划，通过Autoform 导入各工序模面，设置压边力、料片尺寸等相关参数，进行CAE模拟仿真分析，OP10、OP20 工序过程进行自由回弹计算，OP30 全工序件进行约束回弹计算，主副定位销及基准点选取参考图4 的RPS 基准，采用最小约束准则，并考虑冲压件的重力影响，最终真实测量回弹基准设置如图5 所示。为保证回弹计算精度，数值模拟过程中采用弹塑性壳单元模型，选择厚度11 层积分，切向网格自动细化。

图4 后门外板RPS 基准

图5 数值模拟真实测量回弹计算设置基准

数值模拟分析显示零件的成形极限图如图6 所示，减薄率在4%～24%范围内符合要求，安全区域达到99.83%，无开裂和明显增厚区域，零件成形性达标。

图6 全工序件的成形极限图

图7 为后门外板全工序件回弹计算结果，给定合格的公差范围是±0.5mm，统计分析A 面区域、法兰多处回弹超出公差范围，最大回弹量达到了+3.037mm，面差合格率仅33.3%，零件精度不达标。

图7 全工序件回弹计算结果

基于数值模拟的全型面回弹补偿

后门外板全工序冲压件回弹较大，在RPS 给定的基准下，精度明显不符合要求。因此，需要通过对工艺模面进行一定程度的回弹补偿，保证最终的零件精度达标，补偿的基准数据必须基于以上回弹计算结果。常规冲压件回弹补偿往往是基于回弹结果，手动反向调整模面后进行验算，不仅补偿费时费力，而且对于外板件，手动更改A 级曲面会导致冲压件表面光影扭曲等质量缺陷。基于数值模拟的全型面回弹补偿，能够利用回弹补偿数据自动拟合补偿整个型面，从而保证冲压件外观质量。

回弹补偿策略

进行全型面回弹补偿，首先要确认回弹补偿策略。分析图8 后门外板的数值模拟回弹结果，可以发现后门外板面差产生回弹超差的点分布在A 面区域和法兰，对于A 面区域回弹在拉延进行补偿，法兰则可通过后续的整形补偿。具体回弹补偿策略如表2 所示，OP10 用回弹数据补偿拉延全型面，OP20 修冲压料过程避免额外变形，做符型补偿，即用拉延件自由回弹后的型面做模面，OP30 理论上工序件在OP20 修边后应力释放，A 面区域回弹后已经跟原产品一致，因此不需补偿，仅补偿需要整形的区域。

图8 补偿后全工序件回弹计算结果

型面回弹补偿计算结果

根据表2 补偿策略，在数值模拟软件的回弹模块设置相关参数，全型面回弹补偿的光顺系数设置为0.5，保证A 面不产生过大的扭曲变形，后续整形区域增大光顺系数到0.7，使补偿的型面最大偏差控制在0.5mm 以内，保证回弹结果的收敛性。相关参数和夹持定位基准与之前的回弹计算保持一致，进行3轮回弹补偿迭代计算后，后门外板回弹计算结果如图8 所示，最大回弹量为+0.479mm，面差合格率达到100%，零件精度达标。

表2 回弹补偿策略

工艺模面重构

对于回弹补偿后各个工序模面的重构，是通过光顺几何法实现的。基于CATIA 软件RSO 模块的数字化变形(Digitized Morphing)命令，导入数值模拟软件回弹补偿生成的补偿矢量场数据，参考原始产品数据，设置变形系数(Displacement scale)和光顺因子(Smooth factor)，自动拟合生成补偿后的工艺模面。对于后门外板的回弹补偿面，必须满足A 级曲面曲率连续性要求，需要进行斑马线检验，图9 为补偿前后拉延模面的斑马线对比，可以发现全型面回弹补偿后的型面斑马线光顺连续无突变，达到补偿前的A面质量水平，符合A 级曲面设计要求，可以用于加工和制造。

图9 回弹补偿前后A 面的斑马线对比

后门外板实物验证

后门外板冲压件实物面品状态如图10 所示，通过AUDIT 评审，评定A 面光顺无扭曲变形，质量满足要求，跟数模状态基本一致，达到验收标准。通过蓝光扫描对后门外板进行精度检测，图11为蓝光扫描过程，图12 为面差精度状态。由图可知，平均偏差在±0.5mm 以内，面差最大偏差值为+2.170mm，超差点精度与CAE 结果不一致，位于刚性较差的边缘部位回弹，数值模拟与实际仍然存在偏差；面差公差在±0.5mm 范围内的合格率为92.5%。后门外板的总体精度和稳定性较高，与回弹补偿后的CAE 分析结果预测趋势基本一致。

图10 后门外板冲压件实物面品质量

图11 后门外板冲压件实物蓝光扫描过程

图12 后门外板冲压件实物蓝光扫描精度

戟是重要的车战兵器，勾割效果较好，戟有长戟、手戟、双戟等。手戟柄短体轻，可刺可掷，是性能优良的防身自卫兵器。长戟、双戟则柄长体重，杀伤威力大。主要以剁、刺，勾、片、探、挂掳、磕，为主要的招式。吕布是使戟高手，我们对吕布都留下了白面无须，手中方天戟，纵横驰骋，英勇无敌的印象。吕布手中的方天画戟，是唯一一个能让三国中无数桀骜不驯的英雄豪杰甘拜下风的武器了。

总结

(1)后门外板冲压工艺规划应根据外板产品结构特点，对于整个A 面区域必须由拉延成形，同时为提高拉延成形性，防止局部开裂，非A 面区域位置可进行后续的整形处理；

(2)通过数值模拟分析的方法，后门外板采用拉延全型面回弹补偿、后续符型及整形区域单独回弹补偿的策略，CAE 分析结果面差合格率由33.3%提升至100%，后门外板实际冲压件面差合格率为92.5%，表明回弹补偿合理有效，极大提高冲压件精度，降低调试难度，但对于刚性较差的边缘部位回弹，数值模拟与实际仍然存在偏差；

(3)基于CATIA 的数字化变形命令，利用回弹补偿矢量场数据对后门外板工艺模面进行A 面重构，斑马线光顺连续无突变，达到补偿前的A面质量水平，后门外板实际冲压件外A 面外观质量符合设计要求，表明数值模拟输出的回弹补偿矢量场与数字化变形相结合，能够保证A 面重构的高质量要求。