闫庆禹 杨明 赵维川 段彦宾
普什模具有限公司
摘要：在节能、环保和安全成为当今世界汽车工业关注的重要课题的大背景下，汽车轻量化技术的现实意义是毋庸置疑的。在不牺牲车辆安全性前提下新材料大量被应用，而新材料中高强度钢板运用最为经济和广泛。然而高强度钢板的成型难度大，回弹量大，回弹形式更为复杂，给保证产品精度、焊接精度以至于整车精度带来困难。本文讨论两种回弹补偿方法联合使用进行回弹补偿，利用数值模拟回弹补偿和逆向工程回弹补偿联合使用的方法。利用公司的实际项目，用此回弹补偿方法对典型的B柱高强度钢板产品进行研究，证明了此方法的可行性。
关键词：车身冲压件，汽车冲压模具，高强度钢板，回弹补偿，数值模拟
1背景及意义
汽车工业是国家经济发展中的支柱产业，2010年我国汽车产销双双超过1800万辆。然而汽车数量的增长对环境带来的压力越来越大，各类机动车辆排气污染已占城市大气部份污染物的70%以上[1]。
经实验证实，车重每减轻10%，可节省燃油3%-7%，车重每减少100公斤，油耗可减少0.3升/百公里[2]。如何在保证汽车安全性前提下降低车身质量是非常矛盾的，目前采用高强度钢板代替现有的钢板最为经济，应用最为广泛。然而高强度钢板的成型难度大，回弹量大，回弹形式更为复杂，给保证产品精度、焊接精度以至于整车精度带来困难。
一辆轿车包含约300个冲压产品，需要约1500套冲压模具[3]。冲压模具开发周期占用汽车开发周期的三分之二，而费用占整个汽车开发费用的二分之一。高强度钢板模具的开发常因为回弹问题而造成模具报废，造成车型开发周期延长成本增加。
模具开发企业采用更精确的计算机模拟分析来预估回弹量，采用有效的回弹补偿方案，以达到缩短模具开发周期、减少模具改修次数的目的。对提高车身精度、缩短汽车开发周期、降低汽车成本具有重要的意义。
2高强度钢板回弹补偿研究现状
回弹模具补偿法，即通过对模具型面进行预修正，使得冲压件回弹后的形状刚好和设计模具相同，这种方法可以从根本上解决汽车外覆盖件成形的回弹问题。
Oral[4]、余同希讨论了柱形弯曲回弹的模具补偿算法，王晓林[5]进一步对非圆弧弯曲回弹的模具补偿算法进行了研究。
上海交通大学的汪晨、张质良[6]利用反向回弹补偿进行模具设计的算法，循环利用技术机模拟分析确定回弹补偿量。采用此方法可以得到比较精确的回弹补偿量。
还有很多研究都取得了很大的进步，本文运用这些研究成果在实际产品中运用，并总结了回弹补偿方法的综合运用。
3 典型高强度钢板产品的回弹补偿
3.1 B柱加强板的拉延成形及回弹分析
本文以B柱加强板为例，此产品是典型的汽车高强度钢板产品，该产品的模具由普什模具公司开发。
(1)本文举例产品介绍：产品材质为JSC590RN-45/45（日本新日铁牌号），产品板料厚度为t=1.4mm，产品数模形状见图1。
图1 B柱产品数模形状
(2)进行工艺补充和铺设压料面，并根据经验设置拉延筋，见图2。
图2 工艺面
(3)将工艺面倒入Dynaform软件中，建立有限元分析模型，见图3。
图3 有限元分析模型
(4)设定材料特性曲线，并根据JSC590RN的性能确定n值与r值。
(5)其它条件设定，压边力为100TON、冲压力为700TON、摩擦系数取0.12、模具间隙取1.1t。进行成形分析，结果如图4。
图4 成形分析结果
(6)对成形分析结果进行回弹分析，分析结果如图5。
图5 回弹分析结果
为了更好地研究回弹趋势与回弹量，我们在图5中不同位置作截面，分析不同位置的回弹变化，各截面回弹情况如图6。
图6 回弹截面分析图
从图6中可以看到B柱拉延回弹的不均匀性，这与产品形状有关，产品形状复杂不对称致使坯料流入不均匀，造成拉延成形的不均匀进而造成回弹的不均匀性。成形性的不均匀可以从变薄云图和流入量
云图中判断，见图7。
图7 变薄云图和流入量云图
3.2 B柱的数值模拟回弹补偿
拉延的回弹不能保证其准确性，因为在切边过程中部分内应力消失而造成的内应力场的平衡重新建立，因此，产品回弹趋势与回弹量可能发生改变。
建立切边线，然后将切边线提取后导入模拟软件中。用导入的切边线生成切边边界节点并对局部节点进行调整；生成新单元将其应力、应变场进行传递；对新单元与节点进行优化，然后进行切边回弹模拟。分析结果见图8。
图8 切边后回弹模拟结果
将拉延回弹分析结果与切边回弹分析结果进行比对，可以发现在切边前后的回弹趋势基本相同，但回弹量较切边前大。最大不同是在切边后由于应力释放不均匀造成了产品一定的扭曲，扭曲趋势如图9。
图9 产品扭曲
四川汽车根据循环位移补偿法，反复3次模拟回弹数据进行回弹补偿后得到用于加工的拉延补偿数据FACE1，补偿后的数据与产品比较如图10所示。
图10 回弹补偿数据FACE1
根据数值模拟补偿回弹的循环位移补偿法制造的拉延模，生产的拉延样件，如图11所示。
图11 FACE1数据的拉研样件
由于实际模具生产条件与数值模拟的理论条件存在差异，致使使用FACE1回弹补偿数据制造的模具生产出的产品还是存在少量回弹。
3.3 B柱的基于逆向工程的回弹补偿
通过数值模拟回弹补偿后，生产出来的产品还是有少量回弹，为了保证再次回弹补偿的准确性，采用基于逆向工程的回弹补偿方法。
扫描过程：①扫描工件表面不反光处理；②在被测工件表面或被测工件周围粘贴参考点；③ 利用设备附件标定板上的参考点扫描测量工件；④利用编号和没编号的参考点，组合使用ATOS和Tritop 扫描测量工件。图12为用ATOS扫描仪对B柱产品进行扫描。
图12 ATOS 三维扫描仪
扫描后对采集的点云进行处理后，将扫描的B柱点云与产品数模进行拟合，一般采用3点拟合，对于B柱采用了主基准孔、副基准孔和中间平坦的基准面进行拟合。图13为B柱扫描点云与产品数模比对图。
图13 三维比较法
对产品逆向扫描后得到了产品实际精确的回弹数据，对拉延数据进行再次回弹补偿，得到拉延回弹补偿数据FACE2见图14。
图14 回弹补偿数据FACE2
用回弹补偿数据FACE2对拉延模型面进行修正，最终得到合格的产品。如图15。
图15 合格产品
3.4 与以往回弹补偿方法的优势
本次对B柱的回弹补偿方法采用了数值模拟回弹补偿与逆向工程回弹补偿相结合方法，对拉延数据进行了2次回弹补偿。仅对拉延模进行了1次较小的型面改修，对整形模进行了1次型面改修，总共2次回弹改修就获得了合格产品。表1统计了以往类似产品使用的回弹补偿方法与该修次数。
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