陳俊，張玉成，王博，甘貴生，彭波，鄭雪勇，馬相

（1.重慶賽力斯新能源汽車設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 401335；2.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 401135；3.挪威科技工業(yè)研究院，奧斯陸 0314）

隨著對(duì)碳排放的要求越來(lái)越高，對(duì)汽車輕量化提出了更高的要求。鋁合金材料因其質(zhì)輕的特點(diǎn)而成為了汽車制造領(lǐng)域的新興材料[1]，近年來(lái)在汽車覆蓋件上的應(yīng)用也越來(lái)越多。國(guó)外主要是美國(guó)、日本、加拿大等國(guó)家對(duì)鋁合金的應(yīng)用較早，車用鋁合金主要有2000、5000、6000 系列[2-3]。國(guó)內(nèi)鋁合金板材制造研究起步相對(duì)晚，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車的不斷突破及市場(chǎng)占有量的飛速增加，鋁合金材質(zhì)在汽車車身上的應(yīng)用邁向了更高的臺(tái)階，除側(cè)圍應(yīng)用較少外，其余汽車覆蓋件均應(yīng)用較多[4-5]。

鋁合金材料的延伸率小、成形性差，在成形過(guò)程中，應(yīng)力分布不均、板料流動(dòng)不均會(huì)導(dǎo)致零件極易出現(xiàn)開(kāi)裂、起皺等現(xiàn)象[6]。車門內(nèi)板是汽車A 級(jí)零件，其成形復(fù)雜、尺寸較難控制，且對(duì)外觀要求較高[7-8]，是汽車覆蓋件的關(guān)重件，尤其是整體式車門內(nèi)板，近年來(lái)鋁合金材質(zhì)在門內(nèi)板方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣。

由于鋼、鋁的彈性系數(shù)及彈性模量（鋼彈性模量為210 GPa，鋁彈性模量為72 GPa）不同，所以鋼、鋁回彈相差較大。由理論純膜應(yīng)力的回彈計(jì)算公式LSB=L0σmen/Emod（其中LSB為理論回彈，σmem為拉伸應(yīng)力，Emod為彈性模量，L0為試件原始長(zhǎng)度）可知，理論上鋁合金的回彈是普通鋼回彈的2.6 倍。例如，當(dāng)L0=1 000 mm 時(shí)，低碳鋼與鋁合金材質(zhì)的回彈分別為1.0 mm（對(duì)應(yīng)σmem=210 MPa，Emod=210 GPa）和2.6 mm（對(duì)應(yīng)σmem=182 MPa，Emod=72 GPa）。

綜上所述，成形性差和回彈大是鋁合金材質(zhì)面臨的兩大挑戰(zhàn)。本文首先從某鋁合金整體式車門內(nèi)板的成形難點(diǎn)入手，對(duì)標(biāo)已量產(chǎn)車型的門內(nèi)板零件深度，其次利用汽車覆蓋件主流分析軟件AutoForm 對(duì)零件進(jìn)行全工序的成形分析及回彈預(yù)測(cè)，最后對(duì)其成形難點(diǎn)逐步優(yōu)化，根據(jù)回彈值對(duì)模具進(jìn)行全型面回彈補(bǔ)償，有效預(yù)測(cè)并控制了零件的回彈[9-12]，有效解決了鋁合金零件成形性差和回彈大的問(wèn)題。

1 車門內(nèi)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及難點(diǎn)分析

自主研發(fā)的某鋁合金整體式前車門內(nèi)板外形尺寸為1 360 mm×1 285 mm×345 mm，料厚為1.2 mm，質(zhì)量為4.243 kg，其三維示意圖如圖1 所示。

圖1 車門內(nèi)板三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the door inner panel

常規(guī)整體式車門內(nèi)板的成形難點(diǎn)如下：1）A 柱后視鏡安裝區(qū)域（圖1 中的A 區(qū)域），由于后視鏡的安裝需要，該區(qū)域通常有一個(gè)尖銳點(diǎn)進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂，而靠近下部的法蘭區(qū)域起皺嚴(yán)重；2）鉸鏈區(qū)域（圖1 中的B 區(qū)域），受鉸鏈大小和開(kāi)門角度的限制，該區(qū)域由于側(cè)壁角度小而開(kāi)裂嚴(yán)重；3）A、B 柱轉(zhuǎn)角（圖1 中的C 區(qū)域），受門洞轉(zhuǎn)角大小及內(nèi)飾板安裝的限制，該區(qū)域通常在轉(zhuǎn)角側(cè)壁開(kāi)裂，膠條下部平面起皺；4）門鎖安裝區(qū)域（圖1 中的D 區(qū)域），受門鎖距離與導(dǎo)軌距離的限制，該區(qū)域側(cè)壁角度小、深度大，開(kāi)裂嚴(yán)重，同時(shí)中間腰部區(qū)域起皺，導(dǎo)致該區(qū)域開(kāi)裂與起皺并存，是很難控制的區(qū)域。

結(jié)合整體式車門內(nèi)板的成形難點(diǎn)及鋁合金材質(zhì)的成形特性[13-15]，需要做如下重點(diǎn)管控：1）通過(guò)加大側(cè)壁拔模角、加大R 角等措施來(lái)改善零件的成形性；2）為了控制零件的回彈，盡可能一次成形，無(wú)或微少整形量，整形工序僅是后續(xù)回彈整改的保障，當(dāng)回彈較大時(shí)可在工藝設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)模具型面進(jìn)行回彈補(bǔ)償；3）為了控制鋁屑切邊采用分段切邊，且切邊極限角度要比鋼件的切邊角度小5°；4）由于鋁合金零件的調(diào)試周期較長(zhǎng)（比鋼件的調(diào)試周期至少長(zhǎng) 2個(gè)月）、難度大，且量產(chǎn)穩(wěn)定性差，故在理論設(shè)計(jì)時(shí)要有足夠的安全裕度，因此鋁合金門內(nèi)板的成形標(biāo)準(zhǔn)——FLD（FLD 即成形極限圖，它反映了板料在單向和雙向拉應(yīng)力作用下抵抗頸縮或破裂的能力）的安全裕度下降了15%，變薄率≥?0.15（變薄率反映的是相對(duì)原始材料厚度的百分比），最大失效≤0.65（最大失效反映的是板件上單元在 FLD 圖中距離FLC 的比例）。

2 沖壓工藝及成形性

2.1 沖壓工藝

該車門內(nèi)板的沖壓工藝采用的是單件成形，對(duì)該門內(nèi)板進(jìn)行合理的工藝規(guī)劃?？偣? 道工序：拉延、切邊+沖孔、切邊+沖孔、整形（法蘭）+翻孔、整形（窗框）+沖孔+側(cè)沖孔。工法排布圖如圖2 所示。

圖2 工法排布圖Fig.2 Construction method layout: a) DR; b) TR+PI; c) TR+PI; d) RST+BUR; e) RST+PI+C-PI

2.2 成形性

該車門內(nèi)板采用的是諾貝麗斯鋁合金5182 材質(zhì)，料厚為1.2 mm，對(duì)材料廠提供的坯料重新進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)試，其參數(shù)如表1 所示，用該實(shí)測(cè)性能的參數(shù)進(jìn)行后續(xù)數(shù)值分析。

表1 材料性能參數(shù)Tab.1 Material performance parameters

所用的CAE 分析軟件為AutoForm，其CAE 分析模型如圖3 所示。壓邊力為130 t，拉延行程為180 mm，摩擦因數(shù)為0.12。初始產(chǎn)品數(shù)據(jù)的成形極限圖如圖4a 所示，可以看到，拉延工序件多處開(kāi)裂，與前面預(yù)測(cè)的結(jié)果一致，這是由于鋁合金門內(nèi)板拉延深度較大、形狀較為復(fù)雜，且側(cè)壁、R 角等成形條件差。將開(kāi)裂位置劃分為9 個(gè)重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域，如圖4b 所示。零件各區(qū)域的變薄率和最大失效分析結(jié)果如圖5 所示?？梢钥吹?，變薄率和最大失效超出標(biāo)準(zhǔn)值的區(qū)域與成形極限圖顯示開(kāi)裂的區(qū)域一致，說(shuō)明這些開(kāi)裂的區(qū)域均需得到改善，否則后期取樣、量產(chǎn)都可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。每個(gè)區(qū)域的變薄率和最大失效對(duì)比統(tǒng)計(jì)如圖6 所示?？芍鲄^(qū)域的變薄率、最大失效均超出標(biāo)準(zhǔn)值較多，特別是②③⑦⑧檢測(cè)點(diǎn)的開(kāi)裂最為嚴(yán)重，是該車門內(nèi)板開(kāi)裂的敏感區(qū)域，此時(shí)需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化以滿足成形性要求。

圖3 數(shù)值分析模型Fig.3 Numerical analysis model

圖4 初始產(chǎn)品的成形極限圖（a）與重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域劃分（b）Fig.4 FLD of initial product (a) and division of key detection area (b)

圖5 各區(qū)域變薄率（a）與各區(qū)域最大失效（b）Fig.5 Thinning rate by region (a) and maximum failure by region (b)

圖6 變薄率對(duì)比（a）與最大失效對(duì)比（b）Fig.6 Comparison of thinning rate (a)and maximum failure (b)

3 沖壓成形難點(diǎn)解決方案

該車門內(nèi)板出現(xiàn)以上成形問(wèn)題主要與所用的鋁合金材質(zhì)、零件深度、側(cè)壁拔模角、R 角大小等成形條件相關(guān)。選取了5 款已量產(chǎn)的鋁合金整體式內(nèi)板，先進(jìn)行鋁合金車門內(nèi)板深度對(duì)標(biāo)，如圖7 所示。該車門內(nèi)板深度為171 mm，大于其他5 款車門內(nèi)板深度，比ES8 車門內(nèi)板深度深32 mm，故主推的優(yōu)化方案是降低該車門內(nèi)板的深度。

圖7 深度對(duì)標(biāo)Fig.7 Benchmarking of depth

該車門內(nèi)板的深度主要受造型、車型配置的限制，經(jīng)分析討論，將深度降低了15 mm（目前深度為156 mm）。深度降低后的成形極限圖如圖8 所示。可知，與之前相比，其成形性得到了很大的改善，但幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)域仍存在開(kāi)裂問(wèn)題。在深度不能降低的情況下，需要改善零件側(cè)壁的拔模角、R 角大小等成形條件，限制因素分別是門鎖區(qū)域、門把手區(qū)域和限位器區(qū)域的深度：1）門鎖區(qū)域，受玻璃導(dǎo)軌的限制，該區(qū)域深度僅可減小0.4 mm，對(duì)開(kāi)裂的改善作用不大；2）門把手區(qū)域，對(duì)于外拉手的A 面y向，可向內(nèi)調(diào)整4 mm，對(duì)開(kāi)裂有較大的改善作用；3）限位器區(qū)域，對(duì)于限位器y向，可外移6 mm，對(duì)開(kāi)裂有較大的改善作用。

圖8 深度降低后的成形極限圖Fig.8 FLD after depth reduction

就目前的分析結(jié)果來(lái)看，A、B 柱的開(kāi)裂問(wèn)題仍然嚴(yán)重，僅作以上調(diào)整對(duì)成形性的改善效果有限，不能完全解決成形性問(wèn)題，故又提出了調(diào)整A、B 柱止口的方案，通過(guò)加寬門洞止口的方式來(lái)加大側(cè)壁的拔模角和R 角。經(jīng)快速建模分析驗(yàn)證，對(duì)于A 柱止口x向，需向車前方向調(diào)整8 mm，對(duì)于B 柱止口x向，需向車后方向調(diào)整10 mm，這樣才能滿足成形性要求。按照該要求調(diào)整門洞止口后，除個(gè)別尖點(diǎn)外已無(wú)成形性風(fēng)險(xiǎn)。

產(chǎn)品優(yōu)化后各區(qū)域的變薄率和最大失效如圖9所示，對(duì)比情況如圖10 所示?？芍瑓^(qū)域1、區(qū)域5局部尖點(diǎn)區(qū)域的最大失效超標(biāo)，但變薄率未超標(biāo)（變薄率≥?0.15，最大失效≤0.65），其余區(qū)域均在安全范圍內(nèi)，說(shuō)明這幾個(gè)區(qū)域僅需進(jìn)行局部?jī)?yōu)化即可解決零件的開(kāi)裂問(wèn)題。

圖9 產(chǎn)品優(yōu)化后變薄率（a）與優(yōu)化后的最大失效（b）Fig.9 Thinning rate after optimization (a) and maximum failure after optimization (b)

圖10 優(yōu)化后變薄率對(duì)比（a）與優(yōu)化后最大失效對(duì)比（b）Fig.10 Comparison of thinning rate after optimization(a) and maximum failure after optimization (b)

4 全工序回彈分析及回彈補(bǔ)償

4.1 回彈

由上文鋼鋁理論回彈對(duì)比結(jié)果可知，鋁合金零件的回彈較大。按實(shí)際工藝排布對(duì)該門內(nèi)板進(jìn)行CAE分析后，各工序件的自由回彈如圖11 所示，其中OP即Operation，指沖壓工序?？芍撲X合金門內(nèi)板各工序件的回彈值為鋼制門內(nèi)板的2～3 倍（鋼制整體式車門內(nèi)板的最大回彈值在2 mm 左右），驗(yàn)證了鋁合金的回彈是普通鋼回彈2.6 倍的結(jié)論。

圖11 各工序件的自由回彈Fig.11 Free springback of each process piece

結(jié)合零件的工序內(nèi)容和各工序件的自由回彈結(jié)果可知，第二序、第三序?yàn)榍羞厸_孔工序，只是應(yīng)力的釋放過(guò)程；對(duì)于第四序整形和第五序局部整形，其回彈趨勢(shì)基本和拉延保持一致，故自由回彈趨勢(shì)符合各工序內(nèi)容，工序內(nèi)容不需要再調(diào)整，回彈分析有效。

4.2 最小夾持方案確認(rèn)

將RPS（ The Reference Point System）點(diǎn)（RPS即汽車設(shè)計(jì)制造過(guò)程中基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)，是保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性引入的檢測(cè)點(diǎn)）導(dǎo)入后進(jìn)行夾持回彈計(jì)算，進(jìn)而確定回彈最小夾持方案（用最小的支撐點(diǎn)使零件的回彈達(dá)到平衡狀態(tài)），再進(jìn)行回彈補(bǔ)償。由于該車門內(nèi)板帶窗框，不太方正且面積較大，考慮到放件的平衡性，可以從5 個(gè)RPS 點(diǎn)中選出任意4 個(gè)RPS 點(diǎn)作為夾持點(diǎn)，這樣就有5 種夾持方案。門內(nèi)板是平躺檢測(cè)且要滿足RPS 點(diǎn)在只支撐不夾持的狀態(tài)下貼死，所以只需模擬5 種支撐方案即可。

該車門內(nèi)板的RPS 點(diǎn)及5 種支撐方案回彈情況如圖12 所示，5 種支撐方案關(guān)鍵點(diǎn)的回彈值對(duì)比如圖13 所示?？芍c方案1、2、5 相比，方案3、4的回彈值極差最小，內(nèi)飾板安裝面及RPS 點(diǎn)位置的回彈值均較小，且方案3、4 的回彈值比較接近，說(shuō)明腰部中間的2 個(gè)RPS 點(diǎn)對(duì)回彈的作用不明顯，可以考慮取消腰部中間的2 個(gè)RPS 點(diǎn)。方案6 的回彈值如圖14 所示，方案6 與方案3、4 相比，回彈很接近，故方案6 為最小支撐方案。

圖14 最小支撐方案回彈值Fig.14 Minimum springback of support schemes

4.3 回彈補(bǔ)償

零件產(chǎn)生回彈的根本原因是發(fā)生了彈性變形，故零件的回彈主要產(chǎn)生于成形工序即拉延和整形工序[16-19]，所以首先嘗試補(bǔ)償拉延、整形工序，并逐步增加補(bǔ)償工序，再結(jié)合工序排布及工序間的符型問(wèn)題。有以下3 種回彈補(bǔ)償方案：方案1，僅補(bǔ)償OP10（拉延）；方案2，補(bǔ)償OP10、OP20、OP30、OP40（法蘭整形）；方案3，全工序補(bǔ)償。

先按照方案1 進(jìn)行回彈補(bǔ)償（補(bǔ)償系數(shù)為1，光順系數(shù)為0.7），僅補(bǔ)償OP10 工序迭代3 次的結(jié)果如圖15 所示?？芍m然回彈結(jié)果比較接近±0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)，但在鎖孔下面法蘭區(qū)域及窗框上部區(qū)域，回彈均超出1 mm，不滿足回彈補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)（補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)：關(guān)重區(qū)域100%達(dá)到±0.5 mm 而整體90%達(dá)到±0.5 mm），若再進(jìn)行第4 次迭代會(huì)破壞產(chǎn)品型面，故補(bǔ)償方案1的效果不太理想，需要再按照其他方案進(jìn)行補(bǔ)償。

圖15 補(bǔ)償方案1 回彈結(jié)果Fig.15 Springback result of compensation scheme 1

按照方案2 進(jìn)行補(bǔ)償?shù)? 次的回彈結(jié)果如圖16 所示?？芍?，僅迭代2 次就滿足了回彈補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，且不影響成形性，證明回彈補(bǔ)償方案2 有效，無(wú)須再進(jìn)行方案3 的回彈補(bǔ)償驗(yàn)證。在回彈補(bǔ)償過(guò)程中，由于要達(dá)到理想的補(bǔ)償效果可能會(huì)導(dǎo)致型面產(chǎn)生凸起、波浪和曲率反轉(zhuǎn)等現(xiàn)象[20-22]，故需要對(duì)補(bǔ)償后的法蘭面等關(guān)重區(qū)域進(jìn)行型面重構(gòu)，保持曲率和原產(chǎn)品一致，且為了保障補(bǔ)償效果，控制重構(gòu)后的型面和補(bǔ)償面的偏差在±0.2 mm 范圍內(nèi)。對(duì)重構(gòu)后的型面還要進(jìn)行回彈分析驗(yàn)證，直到滿足回彈補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

5 成形及回彈補(bǔ)償效果驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)做好回彈補(bǔ)償后，還需對(duì)模具的整個(gè)制造環(huán)節(jié)如加工、裝配、調(diào)試、研配、樣件制作及樣件檢測(cè)等進(jìn)行有效管控。具體措施如下：1）采用強(qiáng)壓、弱壓工藝和模具變形補(bǔ)償?shù)饶Ｃ婢?xì)化技術(shù)對(duì)模具型面進(jìn)行精細(xì)化處理；2）采用藍(lán)光掃描技術(shù)對(duì)加工后的全工序模具進(jìn)行掃描，消除加工精度及加工刀具磨損等帶來(lái)的影響，保障模具型面的加工精度要求；3）采用理論藍(lán)油圖技術(shù)指導(dǎo)鉗工調(diào)試、研配，模具型面著色區(qū)域與理論藍(lán)油圖一致且藍(lán)油著色率須≥90%[23-25]。

對(duì)模具調(diào)試、研配穩(wěn)定后，進(jìn)行零件取樣檢測(cè)。該車門內(nèi)板的首輪樣件無(wú)成形性問(wèn)題，從首輪全工序件中抽取3 個(gè)零件進(jìn)行回彈面差檢測(cè)，結(jié)果如圖17所示。面差手工檢測(cè)合格率為85.29%（面差要求≤±0.5 mm，該階段合格率要求≥70%），其中關(guān)重法蘭區(qū)域34 個(gè)點(diǎn)中有5 個(gè)點(diǎn)超差。后續(xù)還會(huì)進(jìn)行模具穩(wěn)定性調(diào)試，待光潔度提升后合格率會(huì)穩(wěn)步上升，滿足零件的合格率要求，證明了前期成形性分析及回彈補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性。

圖17 首輪樣件及手工檢測(cè)結(jié)果Fig.17 First round of samples and manual test results

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該5 系鋁合金整體式車門內(nèi)板的成形難點(diǎn)、深度對(duì)標(biāo)進(jìn)行分析，再應(yīng)用CAE 分析技術(shù)進(jìn)行成形性及回彈分析，得出了如下結(jié)論：

1）從鋁合金整體式車門內(nèi)板的深度對(duì)標(biāo)結(jié)果及成形性解決過(guò)程來(lái)看，鋁合金整體式車門內(nèi)板的深度應(yīng)保持在150 mm 內(nèi)為最佳。

2）通過(guò)CAE 分析技術(shù)，有效預(yù)測(cè)了鋁合金門內(nèi)板的成形性，并提出了如降低零件深度以及通過(guò)調(diào)整門洞止口來(lái)加大側(cè)壁的拔模角、R 角等措施來(lái)改善鋁合金門內(nèi)板成形性的方案，為鋁合金門內(nèi)板的成形性改善和工藝設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的參考。

3）通過(guò)前期的鋼、鋁理論回彈公式，得出了鋁合金回彈值是低碳鋼回彈值2.6 倍的結(jié)論，并用CAE分析技術(shù)驗(yàn)證了其正確性。

4）應(yīng)用CAE 分析技術(shù)對(duì)模具型面進(jìn)行回彈補(bǔ)償，形成了一套鋁合金車門內(nèi)板回彈預(yù)測(cè)及控制的合理解決方案。

5）保障了5 系鋁合金門內(nèi)板開(kāi)發(fā)的成功率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。