汽车侧围回弹补偿分析

近年来，随着国内汽车工业的快速发展及自主品 牌汽车质量的不断提升，对客户感知细节问题的重视 程度日益提高，覆盖件及其模具整体质量水平与国外 差距不断缩小。汽车覆盖件具有形状复杂、材料厚度 小、面积大、表面质量要求高等特点，并且存在冲压 工艺难度大、冲压易回弹等问题。冲压回弹的预测及 补偿，尤其是面畸变等微观质量缺陷的控制仍然处于 探索阶段，对于外覆盖件 A 面补偿缺少成熟的经验和手段。汽车侧围作为白车身的核心零件，空间尺 寸庞大，几何形状复杂，搭接零件众多，其冲压成形 过程中的回弹不仅影响匹配精度，还会在零件表面产 生几十至几百微米的局部凹陷，从而影响表面质量。

     

随着 CAE 技术的不断发展，采用 CAE 软件对汽车侧 围冲压成形进行分析，并结合实际生产经验，可以 解决汽车侧围生产过程中的多种问题，形成对汽车 侧围几何模型进行补偿和控制的方法，减少成形过 程中的缺陷，提高尺寸精度，有效解决侧围回弹大 的问题。希望能够对汽车侧围的冲压成形起到一定 的指导作用。

 1  侧围冲压成形工艺 

汽车侧围零件数模如图 1 所示，汽车侧围作为最 重要的车身覆盖件之一，其形状结构复杂，往往需要 多道冲压工序才能成形。美国和日本的侧围零件一般 采用 4 工序成形，欧洲的侧围工序较多，往往在 5 工 序以上。

 

图 2 为某自主品牌大型 SUV 侧围零件的工序排布如下：拉延→切边、冲孔→切边、翻边→整形、侧 切边、侧整形→切边、整形、侧切边、侧整形。其中， 拉延是指通过凸凹模型腔，把平面板料变成开口空心 件的冲压工序；切边是指用切边刀将零件多余部分切除；冲孔是指用模具将零件上各种功能的孔冲出来；翻边是指将毛坯或半成品的外边缘或孔边缘沿一定 的曲线翻成竖立的边缘的冲压方法；整形是指将不符 合零件最终尺寸要求的部位通过模具矫正到需要的 尺寸。根据工序设计初步分析，侧围宏观尺寸回弹可 能来源于切边以及整形后残余应力的释放，因此，涉及到切边、侧切边、整形、侧整形的工序都有可能导致回弹，即 OP20，OP30，OP40，OP50，需要进行 全工序的回弹数值模拟。微观回弹导致的面畸变主要来自于拉延工序，因此，对于 A 面质量缺陷的数值模拟主要在 OP10 进行，如表 1 所示。 

 2  冲压成形数值模拟及回弹结果分析 

冲压成形数值模拟包括载荷分析、成形性分析、 回弹分析、表面质量分析等，其中准确的成形性分析 是进行回弹模拟的基础，需要确保零件没有明显的起 皱、开裂、拉延不充分等缺陷，板料流动均匀，才能 为后续的精确分析提供依据。 

2.1 成形性分析 

进行 CAE 分析需要输入数值模拟的初始条件。侧围所使用材料为中国宝钢生产的 BUFD（特深冲压用），厚度为 0.7 mm，板料尺寸为 1807.53 mm×3635.28 mm，该材料的屈服强度为 149.00 MPa，该材料的加工硬化指数 n 为 0.229，厚向异性系数 r0 为 2.06，r90 为 2.31，r45 为 1.83。由此得到该材料屈服曲面见图 3，成形极限曲线见图 4，硬化曲线见图 5， 以上作为材料边界条件输入 Autoform，其中0，1， 2 分别为屈服应力、第 1 主应力、第 2 主应力，1 和2 分别为主应变和次应变。

图 6 所示为侧围成形性分析结果。对比板料轮廓 线，最大流入量在轮罩和后保部位，约为 101 mm， 主要原因是该处形状起伏较大，材料流动剧烈，但是 因为该处设计了较大的工艺补充面，并未对最终零件 本体产生影响。零件整体材料流动均匀，只是侧围零 件前侧和后侧压料面边缘板料略有增厚和起皱，但零 件本体部分成形良好，没有起皱、开裂、拉延不充分 等问题。该结果为经过多次零件数据优化和工艺调整 后得到的较优零件状态，具体过程不再赘述。 

2.2 回弹模拟计算及机理分析 

采用 Autoform 软件对侧围 OP20 进行回弹分析， 结果如图 7 所示。零件前后两侧回弹很大，A 柱与翼 子板搭接处为 2.7 mm，内部非可见面甚至超过 3 mm， 这将导致翼子板与侧围搭接面不平齐，影响整车匹 配。侧围后侧尾灯以及与后保搭接面回弹严重，最大处达到 4.2 mm，这显然是不允许的。侧围后窗上侧 以及门槛出现负回弹，最大值达到−2.4 mm，整个侧 围零件变异明显，扭曲非常严重，因此，必须采取有 效措施对回弹进行补偿和控制。 

OP20 基于自由回弹分析结果，在零件上设置若干支撑 点，再进行回弹分析，结果如图 8 所示。与自由回弹相比，侧围负回弹消除，扭曲现象得到有效抑制，回 弹主要集中在若干侧壁，但是后侧尾灯周边以及后保 处回弹仍然非常明显，最大值为 3.6 mm。

OP50 加支撑和夹紧后的回弹分析结果见图 9。如果只进行单向支撑，如图 9a 所示，D 柱上部回 弹明显，后侧与尾门搭接处达到 2.5 mm。这与零件 本身形状复杂、侧整形量较大有关。同理，后侧与后 保搭接面回弹严重，显然满足不了装车要求。相反地， A 柱上侧以及 B 柱下侧出现了负回弹，虽然量值不 大，但是导致整个侧围零件扭曲，难以对尺寸精度进 行有效控制。为了提高零件成形的稳定性，对分析过程增加夹紧约束，如图 9b 所示。对比未施加约束前，零件回弹和扭曲有所改善，也更接近实际零件状态。根据相关文献以及多年的经验，采用带约束的回弹分析结果更为可靠，因此，经项目成员讨论后决定按图 9b 的分析结果进行回弹补偿。 

3  回弹补偿控制及结果分析

 3.1 回弹补偿方案 

根据回弹计算结果，结合以往经验，对产品工艺 数模施加补偿位置和补偿量如图 10 所示。其中，在 工艺补充面施加了 5 mm 的反向补偿，因为该部分处 于最终产品轮廓线之外，可以适当增加补偿力度，以快速达到验证效果。处于产品 A 面的部分，补偿位置 和补偿量必须非常谨慎，否则不仅达不到补偿效果， 还可能由于补偿不当造成凹陷以及曲面不连续，增加新的表面缺陷问题。 

3.2 补偿结果分析及试验验证 

将上述进行补偿处理后的数模导入 Autoform 进行计算，得到的结果如图 11 所示。其中，图 11a 为 未夹紧状态分析结果，图 11b 为夹紧分析结果。与图 9 所示的未进行补偿计算结果相比，尺寸质量提升明 显，尤其是在夹紧状态下，侧围零件整体尺寸均匀一 致，A 面和关键匹配面都位于±0.5 mm 的公差内。具体地看，进行补偿前，后保安装面回弹 3~ 4 mm，如图 12a 所示。进行回弹补偿后，该处尺寸最大偏差为‒1 mm，避免了与后保干涉，为现场调试时结合零件实际搭接情况预留了调整空间。顶盖上边梁在模具冲压方向是负角，需要多工序 进行侧整形和侧切边，回弹量难以控制。通过对数模 进行补偿，将原尺寸偏差从 3 mm 降低到 1 mm 以下， 如图 13 所示，避免了与前挡风玻璃的干涉。由于整车造型的需求，侧围顶盖上边梁后部是一 个面积不等的腔体，由前往后逐渐缩小，因此其整形 方向和整形量也难以控制。通过对侧壁角度和整形深 度进行补偿，最终分析的回弹结果从原来的大于 3 mm 控制在 1 mm 之内，如图 14 所示。采用进行补偿后的工艺数模进行模具开发和制 造，实际生产出的侧围零件如图 15 所示，其尺寸合 格率达到 93%，侧围表面光顺，圆角均匀，面畸变等 缺陷得到有效抑制和消除，取得了较好的技术效果。

4  结论 

自由状态下，A 柱与翼子板搭接处回弹量由 3 mm 降低到 0.9 mm，后尾灯与后保搭接面回弹量由 4.2 mm 降低到 1.0 mm，侧围后窗上侧、门槛的负回 弹由−2.4 mm 降低到−1.0 mm；在夹紧状态下，回弹 量均控制在±0.5 mm 以内，满足产品的尺寸要求。基于上述回弹补偿方法及数据，得出如下补偿分析 思路。

 1）采用夹紧分析的方法得到的回弹分析结果更接近真实状态，以此作为数据补偿的基础。 

2）对于工艺补充面可适当增加补偿量，A 面补偿则应当慎重，需在成形性分析结果通过之后再进行 回弹分析和补偿。 

3）回弹补偿量应当基于分析结果和经验共同确 定，往往需要多次迭代才能得到较好的效果，需要结 合实际零件情况不断修正和积累经验。

作者：韦韡 、姚佐平、李开文、张峰、Hans-Ludwig Buck、周江奇