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基于稳健冲压工艺的门内板回弹补偿

2020-02-27 11:26:04 来源: 锻压技术
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导读: 回弹是冲压件普遍存在的问题,很大程度上影响着冲压件的尺寸精度。以某车型前门内板零件为例,研究了冲压件的回弹补偿问题。首先根据门内板产品造型特性,设计了稳健的冲压工艺方案; 然后利用 Autoform 软件对回弹进行模拟预测,制定了预回弹补偿方案; 最后跟踪实际零件的尺寸情况,对全工序件进行扫描,并结合 GOM 软件分析实际与理论尺寸的偏差原因,制定了后回弹补偿方案,补偿后零件尺寸基本达标。结果表明,基于稳健的冲压工艺方案,对模面进行预补偿和后补偿,能稳定、有效地控制零件的回弹,为门内板类冲压件的回弹补偿提供一个参考思路。
文:刘丽娟  ( 上汽大众汽车有限公司 车身规划模具中心)
回弹的存在造成冲压件的形状、尺寸与设计之间的偏离,直接影响着冲压件的品质,包括表面品质和装配性能等。对于冲压件的回弹补偿和控制研究一直是热点问题。
门内板作为汽车冲压件之一,匹配区域较多,如图 1 所示,A 为窗框匹配区,B 为加强板匹配区,C 为摇窗机匹配区,D、E 为咬边面、安装孔匹配区。为了保证总成质量,门内板的尺寸精度要求越来越高,且门内板零件尺寸大、厚度薄、造型深,拉深过程中易出现开裂等成形缺陷现象,严重影响了回弹的稳定性。因此,如何稳定、有效地控制回弹,是提高门内板尺寸精度的关键。

本文针对冲压件的回弹问题,以某车型前门内板为研究对象,通过设计稳健的冲压工艺,以确保成形和回弹的稳定性; 然后利用 Autoform 数值模拟软件对回弹进行预测,制定相应的预回弹补偿方案,在前期设计阶段对模面进行修正; 最后将实际与理论补偿效果进行对比验证,并根据实际尺寸状态制定后回弹补偿方案,以修正理论与实际的偏差,从而达到有效控制回弹的目的。 

    1 门内板的稳健冲压工艺设计

门内板为深拉深件,其成形的主要工序有:OP20 拉深、OP30 /OP40 冲孔切边、OP50 冲孔整形、 OP60 翻孔整形。其中,OP20 拉深工序的稳定性对于整个冲压工艺过程的稳定性至关重要。零件在 OP20 拉深工序的塑性变形越大,其刚性越好,尺寸精度也越好控制。但塑性变形越大,零件的开裂风险也越大,回弹也越不稳定。因此,制定合理的工艺方案,在保证零件充分塑性变形的同时,确保成形结果的稳定,对于回弹的稳定十分重要。本文根据门内板造型特点,设计了合理的工艺补充面、压料面、压边力以及拉延筋,以确保 OP20 拉深工艺的稳健性。

       1. 1 工艺补充面设计

工艺补充面是拉深件不可缺少的组成部分,它既是实现拉深的条件,又是增加塑性变形和提高零件刚度的必要补充,合理的工艺补充面是保证 OP20 拉深件合格的基础。

( 1) A 区域: 窗框处工艺补充面造型如图 2 所示。门内板的窗框处为几字形造型,刚度较弱,必须保证充分的塑性变形,才能更好地控制零件的回弹。在产品边界与压料面之间设计台阶造型,能有效地增加零件的塑性变形量,从而改善窗框的回弹情况,所以采用台阶型。

( 2) D、E 区域: A/B 柱工艺补充面造型。D、

E 区域的咬边面是门内板最浅的部位,很容易发生塑性变形不足的情况。将工艺补充面做成如图 3 所示形式: 在切边线以外 5 ~ 10 mm 处,做一个反凸造型,加大零件的成形阻力,增加法兰处的变薄率,从而达到有效控制咬边面处回弹的目的。

       1. 2 压料面设计

压料面是凹模与压边圈之间起压料作用的工艺面,拉深成形时,压料面上的压边力与凸模成形力使零件产生塑性变形。压料面设计是否合理,直接影响到门内板拉深成形过程中的变形均匀性,对门 影响。

设计压料面时,应在保证变薄率的前提下,使拉深深度尽量小且均匀,这样可以使材料流动和塑性变形区域均匀,减小零件的成形难度。且门内板压料面不能出现反成形点,即压料面要低于零件型面的最低面,否则板料会先与反成形点先接触,从而引起开裂起皱等成形缺陷。

由图 4 可以看出,产品距离压料面的深度比较均匀,这样可以增大板料与模具之间的接触面积,确保良好的触料和成形过程。

1. 3 压边力及拉延筋设计

在工艺设计时,通常通过布置合理的拉延筋和调整压边力的方法来控制材料的不均匀流动,减少开裂和回弹等成形质量缺陷的产生。

压边力过大,会使板料进料阻力加大,工序件局部变薄严重而开裂; 压边力过小,会使板料在拉深过程中材料流动过快,出现压料面起皱现象。门内板产品尺寸大,要达到一定的塑性变形量所需要的压边力也比较大,且拉深过程中咬边面容易起皱,建议理论压边力一般在 1100 ~ 1200 kN 左右,以保证较好的成形性。

通过拉延筋来调节和控制压边力,可以增大板料成形的阻力,使得板料产生较大的塑性变形; 也可以调节进料阻力的分布和大小,使板料进料速度均衡

拉延筋的基本结构形式为圆筋和方筋,在同样的筋高和圆角条件下,方筋的拉深阻力要比圆筋大[10]。在设计时采用方筋,以增加零件的塑性变形量,减小起皱风险。如果现场有开裂情况,可以通过对局部拉延筋的圆角进行打磨来改善。

1. 4 稳健性分析

实际生产中,工艺参数与材料性能都存在波动,经常会引起冲 11]。其 OP20 拉深工序的稳定性至关重要。刘罡等针对汽车侧围开裂问题,通过稳健优化方案获得了最稳健最优 解。以 例,材 DX56D 镀锌板,本文以板料的位置及厚度、材料参数以及压边力和摩擦系数等工艺参数为变量,对OP20 拉深工序进行了稳健性分析。

( 1) 设计变量及范围如表 1 所示。

( 2) 稳健性分析结果。由图 5 成形性结果可知: 将最小变薄率设置为 3% ,变薄率极限设置为 30% ,OP20 工序件变薄率基本能达到 3% 以上,塑性变形比较充分; 且除 a 与 b 处局部有开裂风险以外,其余区域均在安全范围之内。由图 6 所示的 OP20 成形稳健性分析结果可知,除 a、b 区域以外,其余区域均在安全范围内。而 a、b 这两个风险点一般在后期调试阶段可以通过放大局部圆角的方式来消除。综上,OP20 工序的成形结果比较稳定。

2 门内板的回弹补偿

在工艺稳定后,开始进行回弹补偿。考虑到 Autoform 数值模拟软件精度以及现场模具状态的影响,零件的实际与理论回弹可能会有所偏差,为了修正偏差,本文将回弹补偿分为预补偿以及后补偿两个步骤。预补偿即在前期理论设计阶段对模具模面进行补偿; 后补偿即在后期零件出件后,结合实际情况对局部模面进行优化补偿。

苟春梅等利用 Autoform 对某汽车后地板进行了补偿研究,但未对制定回弹补偿方案的思路进行探讨。本文从选择回弹补偿夹持方案、分析回弹补偿区域及工序、确定回弹补偿量 3 个方面分析了制定预回弹补偿方案的思路,并结合现场出件情况,利用 GOM 软件对实际工序件尺寸偏差进行分析,制定了后回弹补偿方案。

2. 1 预回弹补偿方案

2. 1. 1 预回弹补偿夹持方案

在制定预回弹补偿方案前,先要选择一个合理的回弹补偿夹持方案。为了更真实地反应零件在检具上的回弹趋势,夹持方案的制定需要基于零件检具测量的 RPS 夹持方案。如图7 所示,门内板在检具上测量时,采用6 个 RPS 点夹持定位。在尽量保证约束回弹稳定可靠的前提下,回弹补偿夹持方案优先选择 RPS 点作为夹持点; 按照实际经验,窗框处的回弹都比较大,在分析夹持回弹时,1、2 号 RPS 点一般处于放开状态,所以,最终模拟分析采用其余4 个 RPS 点夹持作为预回弹补偿的夹持方案。

2. 1. 2 预回弹补偿区域及工序

预回弹补偿区域的确定需要综合考虑补偿前的回弹情况以及零件的单件、总成要求。某车型前门内板的预补偿前回弹情况如图 8 所示。A 区域补偿前落差近 2. 8 mm,此处落差太大,会影响总成时的关闭力,因此需要补偿; B 区域补偿前尺寸超差近 +0. 85 mm,为了保证与加强板的总成质量,此区域需要补偿; C 区域平整度要求在 0. 4 mm 以内,此处补偿前落差近 1 mm,会影响摇窗机的安装精度,也需要考虑补偿; D 和 E 区域的侧壁,尺寸偏差基本在 - 0. 5 mm ~ 0 之间,结合以往经验,侧壁基本会往外回弹,因此不补偿; D 和 E 区域的咬边面,公差一般为 ±0. 5 mm,由模拟结果可知,补偿前尺偏差基本在公差以内,所以不补偿。

预回弹补偿工序的确定需要考虑对回弹有影响的工序。板料一般在弯曲和拉深过程中回弹会比较严重15]A、B 区域的造型在 OP20 拉深工序已经到位,因此,考虑在 OP20 补偿,后工序此处进行手工模面符型; C 区域在 OP20 拉深结束后,在 OP60 还有整形工作内容,对回弹也有影响,因此,考虑补偿 OP20 和 OP60 工序。

综上,预回弹补偿区域及工序确定如表 2 所示。

      2. 1. 3 预回弹补偿量及效果

预回弹补偿量的确定需要综合考虑零件的尺寸精度要求以及补偿数据的面品质量。某车型门内板的补偿量如图 9a 所示,A 区域补偿以模拟回弹最大点为中心进行拎高,最大补偿量为 + 4 mm,往两边平缓过渡到 0 位,此区域补偿量制定主要以减小落差为主,以满足总成要求; B 区域补偿以模拟回弹最大点为中心降低,最大补偿量为 - 1. 5 mm,此区域补偿量的制定主要考虑将尺寸补偿到公差范围内,保证其与加强板的焊装质量; C 区域的补偿量除考虑将尺寸做到公差范围内之外,还需要考虑将平整度落差尽量做小到 0. 4 mm 左右。补偿效果如图 9b 所示,A 区域的落差已减小至 1 mm 左右,B 区域也基本在尺寸公差 ±0. 5 mm 范围内,C 区域的尺寸偏差及平整度也已基本满足要求。

      2. 2 后回弹补偿方案

基本达标且稳定后,对零件进行尺寸测量,总体如图 11 所示: A 区域的尺寸虽有超差,但落差基本已经在 1 mm 以内,基本能满足装配要求; B、D、E 区域的尺寸也基本在公差 ± 0. 5 mm 以内; C 区域尺寸超差。

将理论预回弹补偿效果与实际出件结果进行对比,结果如表 3 所示,除 C 区域以外,其余区域的理论补偿效果与实际基本一致,回弹补偿有效。

2. 2. 3 后回弹补偿方案制定

由于 C 区域的尺寸还没有到位,还需要对预回弹补偿方案进行修正。对全工序件进行扫描,并利用 GOM 软件将扫描结果与产品进行对比分析,结果如图 12 所示,OP20 ~ OP60 全工序此处尺寸均呈车身内回弹状态,将近 + 1 mm,与检具状态测量报告较接近,但与模拟偏差较大。

经分析发现,现场 OP20 工序件靠近 C 区域局部板料流动速度较快,与理论流料相差 5 ~ 10 mm 左右,局部塑性变形不足,可能导致此处实际尺寸与理论偏差较大。为修正理论与实际的偏差,考虑在整形工序 OP60 对模面进行后回弹补偿,方案如图 13a 所示,法兰面更改量在 - 0. 5 ~ - 0. 6 mm,更改后效果如图 13b 所示,此处尺寸也基本达标。

3 结论

( 1) 合理的工艺补充面、压料面、压边力和拉延筋设计是保证零件成形及回弹稳定的基础。

( 2) 在前期设计阶段,基于稳健的冲压工艺,利用 Autoform 软件对门内板的回弹进行预测,结合零件单件及总成尺寸精度要求,制定相应的预回弹补偿方案,对模面进行修正,能有效地控制零件的回弹,从而缩短零件尺寸优化周期。

( 3) 实际零件尺寸与理论补偿效果会有所偏差,结合现场实际情况,利用GOM对全工序件进行分析并制定后回弹补偿方案,以修正预回弹补偿方案,对于现场优化尺寸具有实际指导意义。

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