汽车顶盖回弹补偿及精度提升研究

1.1数模设计和材料参数

图1所示为某汽车顶盖的数模，材料为BLD，料厚为0.65mm，材料屈服强度为165MPa，抗拉强度≥270MPa，断后伸长率≥43%，制件外形尺寸为1049mm×1481mm×197mm。

1.2CAE分析

顶盖通过3副模具成形，工序为OP10拉深、OP20修边整形和OP30修边整形冲孔。AutoForm成形仿真软件计算速度快，操作便利，算法可靠，分析的参数如表1所示，拉深筋系数设置如图2所示。分析工序设置如图3所示，其中D-10是OP10成形模拟，M-15是OP10自由回弹模拟；T-20是OP20成形模拟，M-25是OP20自由回弹模拟；F-30是OP30成形模拟，M-35是OP30自由回弹模拟。M-36是制件放在检具上MCC的回弹，M-37是制件GDT（几何尺寸公差要求）在检具基准点夹紧方案的回弹模拟。

1.3成形性分析结果

减薄率分析在安全状态下满足CAE要求，如图4所示，成形极限FLD如图5所示，该工艺方案分析成形性良好，无开裂和明显起皱风险。

2.1制件回弹结果

良好的成形性分析是检查制件回弹的前提，经CAE分析，冲压成形过程中在自由状态下制件的回弹如图6所示，1~12为位置标记处。回弹结果主要表现为制件左右侧中间区域偏低，上下两侧法兰边偏高的状态。制件的型面超差，主要原因是冲压成形通过冲压设备加载高达10000kN的外力，将平整板料成形为有形状特征的制件，当外力消除后，制件有恢复原来状态的趋势，产生回弹，回弹引起制件与理论数模的型面差异，导致型面合格率低。

2.2MCC方案选取

通过工艺改进控制制件回弹较有效的方法是进行型面的回弹补偿。如果根据图6所示的自由回弹结果补偿，补偿量大，且自由回弹没有重力作用，与实际不符；如果根据GDT基准夹紧点的回弹结果进行补偿，结果也不可靠，原因是制件的四周法兰面区域属于回弹的重灾区，如图7所示，其中A1~A10为夹头压紧点，C1~C4为边定位使用的基准。

制件GDT基准夹紧点布置于此区域，若以回弹点作为夹紧点将制件夹紧后，再去判断其他区域的回弹状态，对回弹结果存在干扰。根据上述分析，提出优化的方法是移动一些GDT基准夹紧点，获得MCC关键点夹紧方案，得到可靠的回弹数值，然后根据回弹结果进行补偿。从图6可知，制件的A面及轮廓区域自由回弹量不大，整个A面的尺寸波动在0~1mm，稳定性较强，且根据模具制造的原则，A面区域的尺寸需优先保证。制定以A面为基础数据去整改其他区域回弹的策略，即通过控制其他区域与A面的相对尺寸关系来满足数模要求，达到提升尺寸合格率的效果。根据上述判断，对GDT夹紧点进行调整，将法兰上的夹紧点移到最近的A面上，得到图8所示的MCC关键夹紧点方案。根据新设置的MCC夹紧方案，使用AutoForm软件重新计算，得到回弹结果如图9所示。对比图6与图9，对顶盖周圈法兰边的回弹点进行统计，得出如下结论：①MCC夹紧状态下的A面回弹结果优于自由回弹结果，整体A面基本达到尺寸要求，上下两侧的法兰尺寸呈变好的趋势；②在MCC夹紧下前后端的法兰回弹数据呈相反结果，其中位置10的差异较大，其原因是在自由状态下此处A面偏低，将支撑点挪动至A面后，A面被支撑起来，但A面仍偏低。从上述分析可知，在不同夹紧点方案下，某些区域的补偿方向是完全不同的。

2.3回弹补偿策略及补偿量

对制件进行回弹补偿前，根据MCC的回弹状态划定补偿区域，确定回弹补偿区域的划分如图10所示。

制件采用主型面和结构面分别补偿的方式，即先将主型面（A面区域）补偿分析合格后，在此基础上再对结构面（四周法兰边区域）进行补偿，然后进行迭代运算，直至补偿后的整体结果达到±0.5mm的要求，回弹补偿量的选取需遵循的原则是在满足尺寸要求的条件下保证最小的补偿量。根据以往经验，上下两侧的法兰较软，在MCC夹紧状态下回弹并不大，因此只需按照1∶0.9系数进行回弹补偿即可。制件左前端上下2个角因其整形量较大及左前端的大圆弧造型导致拉深后成形稳定性差，采用1∶1.2的系数进行补偿，最终补偿量如图11所示。

制件的主型面和结构面回弹补偿量确认后，需完成回弹补偿数据的制作，包括A面的变形和结构面的重构。A面变形一般需要保证斑马纹、高斯检查和连续性断面检查3个方面与原有制件数据保持一致，结构面的重构必须满足拓扑结构一致性原则，按照制定的补偿方案对制件进行重新构造数模。对补偿后的制件重新进行CAE回弹分析，先分析自由回弹状态（即制件放在检具上不夹紧夹头），如图12所示，制件的部分区域仍然存在型面超差，此时相对于未补偿前的数据已明显改善。

自由回弹分析完成后，按照在GDT的基准夹紧要求，进行夹紧状态分析，模拟制件在检具上的状态，结果如图13所示，制件整体所有型面的回弹尺寸都控制在±0.5mm，满足检测要求，判断制件CAE分析的尺寸合格。

4.1首次出件尺寸结果验证

模具完成合模，经过初步的研合后，首次冲压制件尺寸是否合格是验证CAE回弹补偿分析的关键。按照制件补偿策略制作数据后，首次出件后上检具检测，采用蓝光扫描仪器对实际的制件进行扫描，其结果如图14所示，根据扫描软件右侧扫描色阶显示，公差满足±0.5mm为深灰色。

从扫描结果看，其中A面主型面合格率90%以上，证明以MCC作为夹紧体系判断后，再对主型面进行补偿达到预期目标。尺寸超差问题表现为制件前端的轮廓2个角和左右两侧的法兰面尺寸超差。由于制件扁平的形状特性，左右两侧与前端法兰面的尺寸超差受制件刚性及重力支撑影响较大，易导致制件尺寸超差。这在CAE阶段无法获得准确的分析值，故回弹补偿会存在一定的偏差，这也是该制件模具在后期尺寸精度提升过程中需整改的内容。

4.2制件尺寸超差因素分析

制件尺寸超差可以从以下6个方面进行分析。

（1）人员技能不足，模具零件整形间隙未调好，模具零件的粗糙度达不到要求，研合未到位。

（2）机床压力不足及精度差。

（3）使用的调试板料牌号、尺寸、性能参数是否正确，材料的润滑是否满足要求。

（4）回弹补偿系数不准确、成形工艺型面可靠性、模具结构设计、工艺参数设计等存在问题。

（5）温度和湿度的影响，另外生产过程中模具是否清洁。

（6）检具基准点支撑不足，三坐标与蓝光扫描测量的准确度不足。经对以上因素一一排查，最终确定回弹补偿系数不准确和检具基准点支撑不足为关键因素。如结果验证所述，从前期CAE分析和补偿状态看，制件的主型面补偿取得了成功，而结构面尺寸超差主要为补偿系数的选择未达到预期效果。制件上检具检测时是在GDT基准点体系的支撑下测量，根据制件在检具上的实际状态，制件2个角呈现往下塌的结果，需要进一步分析检具GDT基准点支撑的合理性，使用CAE分析制件没有冲压成形过程下（仅重力）的支撑状态如图15所示。从图15可以看出，即使无冲压成形过程，重力状态下制件的型面也是往下塌，前端上下的5个角偏低，最大约-0.56mm，与实际制件测量的尺寸回弹趋势一致，由此可以判定，检具基准支撑不足导致制件放在检具上后，因制件重力原因，出现尺寸偏低的情况，检具的支撑合理性需进一步改进。

根据以上统计分析确定要因有2个：①法兰边的补偿系数未选择合适，导致制件法兰边往下回弹；②检具左侧上下的2个角缺少基准支撑点，不能合理地支撑制件，导致制件2个角法兰面偏低。

4.3整改方案

根据上述分析，以扫描测量的结果为基础数据，对实际模具进行回弹补偿整改，最终确定整改方案如图16所示。整改方案只涉及法兰边及轮廓的整改，不涉及主型面的变化，只需对模具OP20、OP30进行整改，其中OP20的凸模较厚，补焊不会引起模具零件变形，因此采取凸模补焊、上模镶件加工的方式进行整改，如图17所示。针对第2个要因，制定了解决检具支撑不足的方案，即对检具的2个角增加基准点支撑的改进方式，在2个角各增加1个支撑点，如图18所示。整改方案实施完成后，模具重新成形制件，并对制件进行蓝光扫描测量，结果显示制件尺寸合格，达到模具发货状态。