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本文以某车型HC420/780DP B 柱加强板为例，通过AutoForm、Pam-Stamp 两款软件分析对比，对该零件工艺设计、回弹分析、回弹补偿及零件调试进行总结。结果表明，目前冲压分析软件对零件的成形性及回弹分析具有一定指导意义。前期设计阶段通过软件的模拟进行回弹补偿，可大量减少零件现场调试时间，缩短模具开发周期。 随着汽车工业的快速发展和激烈竞争，汽车安全性、轻量化、节能减排的要求不断提高，B 柱加强板无论在汽车轻量化还是安全性方面都是一个需要优化的重点零件。目前主流车型B柱加强板主要有两种设计思路：一是该零件采用热成形，此方案在满足碰撞要求的情况下，减重效果比较突出，零件质量比较容易控制，但该方案零件成本较高；二是该零件采用高强度钢板，板料强度越高，在满足碰撞要求的情况下减重越明显，且较热成形零件相比成本较低，缺点是超高强度钢板的成形性较差且回弹明显，零件质量控制是其主要难点。以下主要针对采用高强度钢板形式的某车型B 柱加强板的质量控制进行分析研究。 零件分析及工艺方案分析对比 零件分析 图1 所示为某车型B 柱加强板， 零件轮廓尺寸为1410mm×550mm×230mm， 该零件材质为HC420/780DP，料厚为1.5mm，材料参数如表1 所示。 图1 产品零件图 表1 HC420/780DP 材料参数
制定工艺方案 为了保证B 柱内板工艺的合理性，使产品的成形性及回弹控制更加优化，前期通过经验制定了工艺方案一：通过AutoForm 软件对其进行仿真分析，发现零件拐角处出现开裂情况，该方案不可行。最后通过优化压料面形状，制定更为合理的工艺方案一补充，具体过程如下。 ⑴零件主体形状一次拉深到位且全部放置在凸模上。 ⑵压料面低于零件形状最低点5mm，主体弧度与零件形状大体一致。 ⑶零件所有边界区域采用封闭拉深，具体工艺补充如图2 所示。 图2 方案一产品工艺补充 工艺方案一补充主要优势分析 ⑴零件主体形状一次拉深到位，避免了因为零件材料强度较高，后序翻边整形造成零件质量偏差等问题，降低了零件调试难度。 ⑵零件所有轮廓放置在凸模上，保证零件法兰区域变形充分，且避免模具压料面的整改，降低了模具调试难度。 ⑶压料面主体形状与零件形状大体一致，保证零件在拉深过程中，各区域材料流动尽量一致，避免因过大材料流入不均匀造成的零件扭曲。 工艺方案一补充成形分析结果 该方案零件成形较充分，但图3 中红色区域内出现了开裂现象。此处开裂主要是由于材料在拐角部位补料不足导致，为此需要制定更合理的方案解决此处开裂问题。 图3 方案一分析结果 工艺方案二优化过程 为了解决工艺方案一补充中的转角开裂问题，制定了将压料面抬高至B 柱法兰面的工艺方案二（图4）。 工艺方案二主要差异点在于：首先零件下端（大头）区域法兰边放置在压料面上，其余位置放置在凸模上，解决了零件转角部位开裂问题。其次零件端头工艺补充区域采用半开口拉深，这进一步降低了零件开裂风险。 图4 方案二产品工艺补充 工艺方案二分析结果 经过成形性分析，方案二解决了零件开裂问题（图5）。经后工序整形后，零件质量可控，因此确定采用此方案进行工艺开发。 图5 方案二分析结果 零件回弹分析及回弹补偿 此零件的难点在于回弹控制，准确的回弹分析及合理的回弹补偿可大量的降低零件调试难度、缩短模具开发周期、降低模具开发费用。以下对此零件的回弹分析过程及回弹补偿方法进行详细的介绍。 回弹分析 为了提高回弹补偿准确性，此零件的回弹分析分别使用了Pam-Stamp、AutoForm 软件进行分析对比，软件均采用壳单元进行分析计算，并使用相同材料参数。 基于以上条件，两款软件回弹趋势相同，分析数值接近，偏差在2mm 内，详细回弹结果如图6 所示。据此认为零件回弹分析结果可靠，可在此基础上进行回弹补偿及开展后续工作，基于过往项目经验，确定后期回弹补偿工作及进一步回弹分析主要以Pam-Stamp 为主开展。 (a) Pam-Stamp 回弹分析结果 (b) AutoForm 回弹分析结果 图6 Pam-Stamp 及AutoForm 回弹分析结果 回弹补偿 基于前期回弹分析结果，确定此零件为全工序补偿，其主要补偿流程为： ⑴根据零件最终回弹情况确定零件基准区域，基准区域确定应主要考虑两点：首先基准区域应选择在零件回弹较小、较稳定区域；其次基准区域选择时应考虑尽量以最小的回弹补偿量为基准。 ⑵确定好补偿基准后，对回弹后的最终零件与理论零件状态进行拟合对比。根据对比情况确定补偿数据，反复补偿计算，满足零件状态后进行后工序补偿。具体补偿面如图7 所示。 图7 零件回弹补偿面 用后一工序分析前一工序回弹后状态进行补偿，最后一工序为理论零件状态。经回弹补偿后CAE 分析，回弹后零件与理论状态零件匹配对比，满足零件质量要求，局部少量偏差通过OP30 整形工序进行整形。具体回弹补偿分析结果如图8 所示。 图8 零件回弹补偿分析结果 零件现场调试记录及与理论状态对比整改 模具现场调试前，确认模具研合情况，保证模具研合率80% 以上，调试压边力为160t，压边圈行程为100mm，与CAE 分析设定一致。以上条件满足后，调试板料流入量，保证现场流入量与理论匹配差别控制在5mm 内，通过实际调试零件与理论分析进行整改。 零件成形性对比分析 经现场调试零件出件，零件无开裂问题。局部轻微起皱区域与分析状态一致，此零件成形性分析与生产实际匹配度在90% 以上。 零件回弹对比分析 现场零件经激光切割后，对零件进行扫描。扫描数据与理论数据进行匹配对比，匹配基准与前期回弹分析选择基准保持一致，经对比分析发现现场实际零件回弹情况与CAE 分析结果基本一致（图9），评估分析两者一致性匹配度80% 以上。 图9 零件回弹对比分析 零件整改 根据零件扫描情况及检具上的状态，对零件进行现场调试整改。经三轮补偿整改后，零件满足质量要求，合格率达到85% 以上。零件与理论状态匹配情况如图10 所示。
图10 整改后零件回弹精度 结束语 经理论分析与实际调试对比，该零件成形性及回弹分析与实际状态匹配度较高。其中成形性匹配度评估可达到90% 以上，回弹分析及回弹补偿分析匹配度可达到85% 以上。通过前期的模拟分析调试，节省了大量的模具调试时间、缩短了模具调试周期，在减少调试成本方面作用明显。 传统发动机罩盖一般采用厚度较薄的DC系列钢板进行制造。DC钢板具有良好的冲压成形性能，在冲压时可以形成复杂零件形状而不发生开裂，用于发动机罩盖时，通常采用的板材厚度为0.7～0.8mm。与DC钢板相比，目前应用于汽车的铝合金板材的塑性较差，塑性各向异性远小于DC钢板，在冲压成形时，在局部位置容易产生开裂和起皱等缺陷。此外，铝合金板材还存在表面在运输、冲制和后续生产过程中，极易产生划痕，从而影响其涂装性能和表面质量，冲制过程中产生较大回弹等缺点。 本文以国内某轿车车型为例，对其钢制发动机罩盖采用铝合金板材进行替代冲压试制，并针对冲压成形过程中遇到的相关缺陷提出了改进措施，最终制造出质量合格的铝合金发动机罩盖。 试验设备与材料试验设备主要包括2000t级别的冲压机、模具和剪板机。其中，剪板机主要用于裁剪冲压的铝合金坯料。本试验中主要对汽车外覆盖件进行冲压成形，主要模具包括凸模和凹模，铝合金板材冲压成形时直接采用钢制外覆盖件的冲压模具。原发动机外覆盖件采用厚度为0.8mm的DC06钢板，替代的铝合金材料为0.9mm厚的6016铝合金，由于二者的厚度差别较小，因此采用原钢制的外覆盖件冲压成形模具对铝合金板材进行冲压成形。
图1 剪板机和2000t级别的冲压机及模具 表1 DC06和6016的性能对比
6016铝合金板材的性能如表1所示，与原钢材DC06相比，6016的均匀延伸率、塑性各向异性指数和FLD0值均偏小，此外其屈强比为0.58，DC06的屈强比为0.53，这些指标均表明，6016铝合金板材的成形性能较差。因此，虽然此模具可以稳定生产出质量合格的钢制汽车外覆盖件，但采用铝合金板材时，能否生产出合格质量的外覆盖件，仍有待观察。 冲压结果进行第一轮冲压后，在外覆盖件前端发生严重开裂，如图2所示。裂纹从罩盖前端中间位置一直延伸到右侧圆角处，经初步分析认为局部区域的板料尺寸设计不合理，引起局部位置的压料尺寸不足，因此重新设计了板坯的尺寸并进行加工，进行第二轮冲制。
图2 第一轮冲压成形后的开裂情况 第二轮的冲压结果如图3和图4所示，经调整坯料的尺寸后，板料前端开裂情况得到有效控制，未发现裂纹产生，但在零件的一侧，再次发生开裂现象。对侧面开裂部位进行观察发现，裂纹产生在模具侧面有较大拉深变形的位置，该部位在冲压成形过程中，受到拉应力作用，产生较大变形后使材料发生开裂。
图3 调整板坯尺寸后的冲压结果
图4 侧边开裂情况 经分析，本次采用的铝合金板材的表面未经过涂油处理，在冲压过程中板材与模具处于一种“干”的接触状态，即板料与模具间的摩擦力较大，使材料在冲压变形时的流动受到限制。本次冲压开裂位置，材料的变形量大，因此冲压过程中对材料的流动性要求较高。基于上述分析，对第二次改进后的铝合金板坯表面进行了涂油处理，以改善冲压过程中模具与板材的接触效果，减小摩擦阻力，提高板料在成形过程中的流动性。 将涂油后的板材置入模具中，进行第三次冲压，冲压结果如图5所示。经过第一轮的坯料尺寸优化后，铝合金外覆盖件前端的开裂问题得以解决；第二轮在侧边拉深位置发生开裂，采用涂油润滑后，也得到有效改善，最终成功冲制出了未开裂的铝合金外覆盖件。从图4中可以看出，铝合金覆盖件冲压成形后，边缘区域有大面积起皱现象。考虑到在后续工艺中，边缘部分将被切割，其起皱将不会影响最终产品的质量，因此，在冲压过程中，可以忽略边缘压边位置的起皱情况。 结束语与替代的原始软钢相比，铝合金板材的基本力学性能和成形极限图分别定性和定量地表明，其成形性能较差，因此在冲压成形过程中，如何预防和控制冲压过程的开裂就成为铝合金板材在汽车外覆盖件上应用的关键技术问题。一方面，以铝代钢时，通过增加厚度，可以略微提升其成形性能，并提高其他方面的服役性能，同时实现减重效果；另一方面，需要通过合理设计和优化冲压工艺，如本文中通过优化板坯尺寸，降低了其开裂程度，并通过涂油增加润滑的方式，提高了其成形质量。此外，铝合金外覆盖件在制造过程中，还涉及扣合和回弹等问题，前者影响最终产品质量，后者影响产品的尺寸精度。当铝合金板材和钢板的厚度相差较大时，需要根据铝合金板材的性能特点，“量身打造”铝合金板材冲压成形模具。
图5 冲压合格的铝合金外覆盖件
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