1、第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023基于 Autoform 的机罩内板稳健性工艺优化与回弹补偿冉奥阳,龚 熙,王大鹏,蒋 磊,谢玉庭,陈俊伟(东风本田汽车有限公司 新车型中心,湖北 武汉 430056)摘要:为了改善车身覆盖件稳健性差和回弹不良等问题,以某车型机罩内板为研究对象,结合产品特点采用 CAD/CAE 协同手段设计了精细化 3D 模面,并通过 Autoform 成形及回弹仿真对冲压工艺方案进行评价。首先,以回弹量为目标函数,以减薄率为约束条件,以压边力为可控设计变量进行了均分单因素试
2、验,并对不可控噪音因素进行了稳健性评价。最后,对稳健性工艺优化结果采用节点位移和几何补偿结合的方法进行了回弹补偿,通过数字孪生对比了实物扫描和虚拟仿真的差异。结果表明:稳健性工艺优化及回弹补偿相结合的方式具备良好的可靠性和准确性,首轮样件精度达到 95.2%,与仿真结果的一致性可达到 94.9%,有效地减少了试模次数和时间。关键词:机罩内板;稳健性;回弹补偿;数字孪生;压边力优化DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.009中图分类号:TG386 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0061-08Robustness process
3、 optimization and springback compensation for hood inner panel based on AutoformRan Aoyang,Gong Xi,Wang Dapeng,Jiang Lei,Xie Yuting,Chen Junwei(New Model Center,Dongfeng Honda Automobile Co.,Ltd.,Wuhan 430056,China)Abstract:In order to improve the problems of poor robustness and poor springback for
4、automobile body panels,for the hood inner panel,combined with the product characteristics,a fined 3D die surface was designed by CAD&CAE collaboration method,and the stamping process scheme was evaluated by forming and springback simulation with Autoform.Firstly,taking the springback amount as the o
5、bjective function,taking the thinning rate as the constraint condition,and taking the blank holder force as the controllable design variable,the homo-geneous single factor test was carried out,and the robustness evaluation of uncontrollable noise factors was conducted.Finally,the springback compensa
6、tion for the robust process optimization results was performed by combining node displacement and geometric compensation,and the difference between physical scanning and virtual simulation was compared by digital twin.The results show that the combination of robustness process optimization and sprin
7、gback compensation has good reliability and accuracy.The accuracy of the first round sample reaches 95.2%,and the consistency with the simulation results reaches 94.9%,which effectively reduces the number and time of testing.Key words:hood inner panel;robustness;springback compensation;digital twin;
8、optimization of blank holder force收稿日期:2022-08-27;修订日期:2022-11-23基金项目:国家自然科学基金面上项目(51975439)作者简介:冉奥阳(1993-),男,硕士,工程师E-mail:523214576 随着轻量化车身技术的发展和汽车制造技术的更迭,客户对整车燃油经济性和产品外观品质也提出了更高要求,因此,车身拓扑优化减重和生产稳定性是主机厂降低生产成本、提高自身竞争力的关键1-3。机罩内板基于轻量化、行人保护和整车NVH 性能提升考虑,具有尺寸大、料厚薄、减重孔多和结构布局复杂的特点,常见缺陷包括开裂、起皱和回弹,因此,机罩内板的
9、成形稳定性和回弹控制的研究意义重大4-6。近年来,随着回弹理论分析和数值模拟技术的发展,传统的“试模法”正在逐渐被先进的有限元模拟替代,国内外专家学者已取得显著突破。孙刚等7针对机罩外板采用全工序全型面补偿准确地完成了回弹预测,削减了 60%的调试工作量;薛颖等8针对铝合金天窗采用整体和局部相结合的回弹补偿策略,结合模具流入量控制有效地提高了 22%的产品合格率;闫华军等9针对铝合金地板梁采用工艺参数优化和迭代补偿相结合的方法,有效地控制了最大回弹量,将虚实对比差异控制在 12.1%以内。上述文献主要以减小回弹量为目标进行确定性工艺参数优化,并通过型面补偿保证产品回弹后满足尺寸要求。但实际冲压
10、生产过程中不可避免地受到噪音因素波动的影响,传统的确定性工艺优化的稳健性未知,导致产品的质量指标波动可能超过允许的公差范围。因此,冲压工艺稳健性优化和回弹控制逐渐成为制约车身覆盖件质量提升的核心要素。本文以某车型机罩内板作为研究对象,以减小回弹量为目标,以最大减薄率为约束条件,对可控工艺参数压边力设计均分单因素试验进行确定性优化;对影响实际冲压生产的不可控噪音因素进行回弹稳健性闭环验证;针对稳健性回弹分析结果采用节点位移补偿10和几何补偿11相结合的方法进行数据重构及回弹补偿反算验证;最终,通过数字孪生对比实物光学扫描与虚拟回弹仿真分析结果差异,验证回弹分析补偿方案的可靠性和准确性,为大型车身
11、覆盖件稳健性回弹控制奠定重要的工程应用基础。1 产品工艺设计某车型机罩内板产品结构如图 1 所示,整体尺寸为 1631 mm1114 mm213 mm,板厚为 0.5 mm。图 2 机罩内板工艺设计(a)OP10(b)OP20(c)OP30(d)截面 A-A(e)截面 B-B(f)C 处放大图Fig.2 Process design of hood inner panel(a)OP10(b)OP20(c)OP30(d)Section A-A(e)Section B-B(f)Enlarged view of C图 1 机罩内板结构示意图Fig.1 Schematic diagram of hoo
12、d inner panel structure基于车身减重、行人保护及发动机舱隔音考虑,产品拓扑优化设计了 6 个投影面积超过 0.02 m2的减重孔。基于铰链面和锁扣面强度及装配关系限制,且产品断面局部设计复杂、深度大、产品圆角多,决定了零件成形及回弹控制难度大。本文材料牌号为 JAC270D-45/45,实际工况下供货的材料力学性能如表 1 所示。表 1 机罩内板材料力学性能Table 1 Material mechanical properties of hood inner panel参数屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa伸长率A/%塑性应变比r加工硬化指数n数值1673154
13、11.930.21 结合产品特点进行冲压工艺性分析和精细化 3D模面设计,如图 2 所示。由于机罩内板成形深度大、结构复杂且圆角多,为便于回弹控制,型面区域采用 1 次拉延成形,减重孔工艺补充设定 34 mm 的沉台台阶面;为便于包边面精度调整、改善局部修边条件,沿周包边面区域(截面 A-A)采用先过拉延(过拉延量为 2 mm)后整形的工艺;为改善锁扣和胶条密封面附近成形深度大且易出现拉延开裂的情况,拉延压料面(截面 B-B)设计时,锁扣处凹模提前 20 mm 触料,增加闭合前模具型腔内的存料线长;为提高材料利用率,坯料采用弧形材落料加工,风挡处(C 处)采用开口拉延工艺(图 2a),沿周(风
14、挡侧除外)流入量 30 mm 以内区域采用拉延槛。综合质量控制及制造成本,机罩内板采用OP10 拉延、OP20 修边冲孔、OP30 修边整形冲孔的26锻压技术 第 48 卷3 工序成形工艺方案。2 数值模拟及工艺参数优化2.1 初步数值模拟将机罩内板全工序精细化模面 CAD 数据导入Autoform 成形仿真软件,基于工艺设计示意图建立全工序有限元仿真模型,如图 3 所示。其中,OP10拉延工序工具体包括凸模、压边圈和凹模,OP20 修边冲孔工序工具体包括凸模、压料板和修边/冲孔刀块,OP30 修边整形冲孔工序工具体包括凸模、压料板、修边和整形刀块,回弹工序工具体包括参考体、支撑面和基准销。结
15、合原型车实际生产工况设定工艺约束条件,其中循环时间为 6 s,摩擦因数为 0.15,拉延压边圈行程为115 mm,压边力为1500 kN,20 mm 有效压料面强压设定,工具体刚度为30 MPamm-1以反映较好的研合状态,压料类型选择“Spring Con-trolled”,单元类型选择弹塑性壳单元“EPS-11”。图 3 机罩内板有限元模型(a)OP10 拉延(b)OP20 修边冲孔(c)OP30 修边整形冲孔(d)真实回弹测量Fig.3 Finite element model of hood inner panel(a)Drawing of OP10(b)Trimming and pu
16、nching of OP20(c)Trimming,shaping and punching of OP30(d)Real springback measurement 基于 Autoform 非线性隐式算法求解器对钣金成形和回弹过程进行收敛迭代仿真计算,机罩内板成形过程借助仿真动画逐步确认,成形和回弹结果利用成形极限图、减薄率变化云图和回弹云图等进行多维度评估12。图 4 为机罩内板的成形和回弹仿真结果,结果表明:前风挡侧壁最大减薄率达到减薄极限为 24.6%,最大失效为 0.941。对照成形极限图(图 4c)确认该区域为平面应变状态成形风险区,存在开裂风险。对照回弹云图(图 4d),公差定义(01.0)mm 区域内,隔音垫装配面(区域 A)面低 Min 1.159 mm,一般面(区域 B)面低 Min 0.965 mm,风挡侧包边面(区域C)面低 Min 1.080 mm;公差定义(00.5)mm 区域内,机罩搭接侧包边面(区域 D)面高 Max 0.853 mm,前大灯侧包边面(区域 E)面高 Max 1.179 mm,前保险杠侧包边面(区域 F)面高 Max 0.730 mm。