30-汽车高强板A柱回弹控制及工艺优化

第五届中国CAE工程分析技术年会论文集173汽车高强板汽车高强板汽车高强板汽车高强板AAAA柱回弹控制及工艺优化柱回弹控制及工艺优化柱回弹控制及工艺优化柱回弹控制及工艺优化韩俊1，2，林刚2，詹捷1，罗静1，张开琴21.重庆理工大学材料科学与工程学院重庆4000502.重庆数码模车身模具有限公司重庆400084摘摘摘摘要要要要：以NUMISHEET’96标准考题模型S-Rail对高强板材料B410LA进行了分析，确定了凸模圆角变化，压边力变化对B410LA材料回弹的影响，并以此优化了A柱的冲压工艺，生产产品经白光扫描仪测定，回弹控制效果良好，生产工艺可行。关键词关键词关键词关键词：高强板，凸模圆角，压边力，冲压工艺，回弹控制SpringbackcontrolandprocessoptimizationforanautomotiveHSSA-pillarHanJun1,LinGang2,ZhanJie1,LuoJing11.MaterialscienceandEngineeringofChongqingUniversityofTechnology，Chongqing，4000502.ChongqingDIgidieAutoBodyLtd.,Co，Chongqing，400068Abstract:BasedontheanalysisoftheformingpropertiesoftheS-RailfromNUMISHEET’96benchmarkwithhighstresssteelmaterialB410LA,theinfluenceofmaterialB410LAfrompunchradiusvariety,binderforcechangeonspringbackisobtained.ThepunchprocessisthenoptimizedforA-pillar.Theresultisverifiedbywhitelightscannerwhichshowsthatthespringbackcontrolofproductiswell,andtheprocessiscapable.Keywords:HSS,punchradius,binderforce,punchprocess,springbackcontrol引言引言引言引言由于高强板具有吸能好、抗疲劳性好、抗腐蚀性好以及强度高等优点，汽车工业中已广泛采用高强板来进行白车身的生产及开发，以求达到节能、减排、提高安全性能等。但是高强板较普板的高屈服强度，低断面收缩率等性能却给汽车高强板件的生产带来了极大的麻烦，主要表现为回弹大，可塑性降低，严重影响了产品的成形质量。近年来，大量专家、学者以及科研机构对高强板的成形问题进行了大量的研究，并取得的一定得成果。包括通过对TRIP钢的TRIP效应与其对材料内部变量的影响的弹塑性本构方程的优化[1]以及有限元模拟的合适参数设置[2,3]等对回弹进行精确预测，变压边力法[4,5]，电磁成形方法[6]对回弹的改善，对高强板零件的高效生产起到了积极的推动作用。文章以一款汽车A柱为例，以冲压专业分析软件pam-stamp2G为平台，运用NUMISHEET’96标准考题模型S-RAIL对其材料B410LA进行了各参数的系统分析，得到了优化工艺参数及合理的生产工艺，并用白光扫描仪对该工艺生产的A柱产品进行了检测，证明生产工艺可行，并最终开发出了其模具，得到了合格产品。第五届中国CAE工程分析技术年会论文集1741回弹测量约定回弹测量约定回弹测量约定回弹测量约定为测量方便，以及宏观反映回弹偏差的大小，文章以回弹后零件的尺寸偏差作为测量值进行分析。具体测量方法为回弹后零件的相对应点到原零件的距离Δd，（1）由于覆盖件形状复杂，有可能产生回弹扭曲现象，约定趋向坐标正方向的回弹为正值（+），负方向的为负值（-）。2有限元模型的建立及参数设置有限元模型的建立及参数设置有限元模型的建立及参数设置有限元模型的建立及参数设置2.12.12.12.1分析模型的建立分析模型的建立分析模型的建立分析模型的建立数字模型以NUMISHEET’96提供的标准考题模型S-RAIL[7]，设置如图1所示，采用模具倒置结构。3DVIEW2DVIEW图1：S-Rail模型设置Fig.1:ModelsettingforS-Rail2.22.22.22.2参数设置参数设置参数设置参数设置模具设置为刚体，冲压速度设定为5m/s，板料初始网格10mm，自适应阶数4阶，摩擦系数0.12，高斯积分阶数取5阶，采用Hill48正交各向同性屈服准则，成形采用动力显示算法，回弹采用静力隐式算法的复合算法。板料为宝钢生产的B410LA板料，材料性能参数如下：表1：B410LA性能参数Table1:PropertiesparameterofB410LA屈服强度抗拉强度rn断后伸长率厚度48559010.140.1713模型分析结果讨论模型分析结果讨论模型分析结果讨论模型分析结果讨论3.13.13.13.1凸模圆角的影响凸模圆角的影响凸模圆角的影响凸模圆角的影响凸模圆角大小在一定程度上将影响S-Rail回弹量的大小，由于S-Rail形状相对较为复杂，在凸模圆角和侧壁都存在弯曲，多处应力作用将导致S-Rail翘曲，在侧壁与底部都将产生一定的回弹量。边界条件约束点统一设定为：TXTYTZ:（83，59，40.5），TXTZ：（72，13，40.5），TZ：（91，13，40.5）三点（如图2），最大回弹量直接为软件计算值，底部与侧壁回弹量为量取值。量取值选择在过（130，240，41）点的XZ截面截取的二维图上量取侧壁及底部的最大值，第五届中国CAE工程分析技术年会论文集175此截面相对约束点的另一侧，且接近尾端，在补偿时能够可以作为侧弯的最大值予以补偿。各回弹量如图3所示，各截面二维图如图4所示。图2：约束点设置图3：侧弯回弹量Fig.2：BoundaryconditionsofpointsFig.3：Distanceofsidebendspringback图4：各圆角下的二维回弹图Fig.4：2Dviewofspringbackforvariousradius从图3，图4中可以看出，S-Rail由于侧壁的弯曲设计，成形后将产生整体侧弯，当凸模圆角增大后，侧弯回弹会明显减小，底部的翘曲则随着圆角增大而增大较多。侧壁向外回弹由于受到侧弯影响，在测量上比较困难。为消除这方面的影响，选择过约束点TXTYTZ:（83，59，40.5）的XZ截面，可以认为此处不存在侧弯。侧壁向外的回弹如图5所示。图5：侧壁回弹量Fig.5：Distanceofsidewallspringback在图4中，回弹的拟合直线在半径为3mm到9mm之间是逐渐增大的，半径的减小有利于回弹的减小，这个趋势与很多研究成果[8,9]是相同的。3.23.23.23.2压边力的影响压边力的影响压边力的影响压边力的影响压边力的大小直接影响板料内部的应力状态，当板料等效内应力大于屈服应力，或者内R=3R=5R=7R=9(TXTYTZ)(TXTZ)(TZ)第五届中国CAE工程分析技术年会论文集176部应力平衡较好，将改善回弹状态。经过模拟实验，在无拉延筋的前提下，压边力增大到能够压住板料不至弹开后，再增大压边力对板料的内部应力状态影响甚小（如图6），且板料应变达不到2%，故需要增加拉延筋或拉延槛来增大板料的应变率。增加等效拉延筋后，在不同的压边力作用下的侧壁回弹量如下图7。回弹量的测定选择过约束点TXTYTZ:（83，59，40.5）的截面所截二维图进行测量。在保证成形安全的前提下，增大拉延筋的力，并增大压边力有助于回弹的减小。图6：不同压边力下的等效应力图7：不同压边力下的侧壁回弹Fig.6：EquivalentstressofvarietybinderforceFig.7：Sidewallspringbackofvarietybinderforce4A柱生产验证柱生产验证柱生产验证柱生产验证4.1A4.1A4.1A4.1A柱工艺优化柱工艺优化柱工艺优化柱工艺优化A柱设计图形如下图8所示，板料厚度为1.2mm，材料为B410LA，形状复杂，弯曲较多，成形应力应变错综复杂，故回弹控制非常困难。图8：产品数模Fig.8：productmodel原定A柱冲压工序为：落料→拉延→翻边、冲孔→修边→整形，通过CAE全工序分析，回弹较大，最大回弹达到18.5mm，零件侧弯回弹以及侧壁外张回弹都不能达到产品要求。根据B410LA材料的成形性能，充分考虑零件外形特点，首选对拉延工序进行优化，加大凸模圆角半径2mm，并增加压边力，较好的改善了拉延的回弹。再将冲压工序进行调整优化为：落料→拉延→修边→翻边、冲孔→整形，并对产品进行模拟分析。4.24.24.24.2优化后的模拟分析优化后的模拟分析优化后的模拟分析优化后的模拟分析成形模拟拉延筋设置为等效拉延筋，拉延筋阻力为280N/mm2，压边力为18T，其它设置与S-Rail设置相同，模拟结果对比如下图9所示三维曲线图，为10等分截面剖面图。最大回弹为4.1mm。第五届中国CAE工程分析技术年会论文集177图9：回弹三维曲线对比图Fig.9:3Dcurvesofcrosssectionafterspringback4.34.34.34.3零件检测零件检测零件检测零件检测成形产品进行了检测。图10为白光扫描仪扫描后与原产品数模的对比结果：图10：检测结果Fig.10：Resultofchecking经过回弹统计分析，零件的回弹量几乎全部小于±3mm，且91%的回弹量在±2mm范围内（如图11），回弹控制较好，工艺方案可行，不过此时还不能满足车身装配要求，即控制回弹在±0.5mm以内，可以进行较小回弹补偿或整形工序将零件回弹控制在合格范围以内。此件采用了后序整形的方式达到了产品设计要求，如图12，图13。图11：回弹量分布Fig.11：Distributingofspringback成形件剖面线理想曲线第五届中国CAE工程分析技术年会论文集178图12：合格产品Fig.12：Certifiedproduct图13：产品检具检验Fig.13：Certifiedproductbyinspector5结论结论结论结论借助CAE手段对高强板材料B410LA进行了回弹研究，通过S-Rail模型研究了凸模圆角及压边力对回弹的影响趋势。研究表明凸模圆角的增大可以减小侧弯回弹，但是侧壁外张回弹会增大，压边力的增大能够减小回弹。针对汽车A柱特殊的形状，优化凸模圆角和压边力，并对工序进行适当调整，能够较好控制回弹。通过将凸模圆角加大2mm，压边力调整到15T，以及翻边工序的调整，将回弹最大值由以前的18.5mm控制在了4.6mm，具有明显回弹控制效果。文章对A柱所做的一系列工艺措施，旨在尽可能减少回弹，并不能完全消除回弹。仍然存在的较小回弹，可以合并型面补偿方法，此时补偿会更加稳定，不会由于过大的回弹补偿造成产品外形失真。参考文献参考文献参考文献参考文献：[1]单体坤,张卫刚,等.TRIP钢薄板冲压的回弹研究.塑性工程学报,2008,15(4):19~23[2]XiaomingChen,MingF.Shi,etc.SpringbackPredictionImprovementUsingNewSimulationTechnologies.SAETECHNICALPAPERSERIES,2009-01-0981[3]SiguangXu,KunminZhao,etc.OnImprovingtheAccuracyofSpringbackPredictionandDieCompensation.SAETECHNICALPAPERSERIES,2007-01-1687[4]罗云华,王磊.高强钢板冲压回弹影响因素研究[J].锻压技术，2009，34(1):23~26[5]王健,胡星,等.基于变压边力技术的微车大梁回弹研究和控制[J].锻压技术