新能源汽车铝合金前罩板回弹控制策略研究

张 恒， 张天平， 雷 洋， 将庆顺， 张玉成

（赛力斯汽车有限公司 产品与技术研发体系， 重庆 401335）

0 引 言

随着国内新能源汽车发展快速崛起，车身一体式压铸全铝底盘、全铝车身等得到广泛运用。铝合金材料具有轻量化优势，已逐步替代传统钢板制造汽车车身和底盘等，以减轻汽车整车质量，提高续航能力[1-2]。据统计整车每减轻100 kg，电池续航可以增加约11.4 km。

铝合金塑性变形和弹性模量较钢板小，回弹比钢板大，开展铝合金的回弹及控制方案研究有重要意义。赵子海等[3]用AutoForm 软件模拟分析汽车铝后门外板回弹规律，制定回弹补偿方案，以修正模具，使零件回弹后形状达到设计的精度要求。薛颖等[4]利用AutoForm 软件进行全工序模拟，基于板料流入量进行模具调整，利用调压垫片控制板料流动以减少回弹，最终生产表明，同步工程、回弹补偿和调整板料流入量相结合能有效减少铝板回弹。

目前采用回弹补偿的方法对铝合金零件冲模进行修正的经验和模拟数据不足，供各模具厂、冲压厂和整车厂生产汽车铝合金覆盖件参考数据有限。现以某新能源汽车铝合金前罩板为例，主要从前期模具设计回弹补偿策略和后期调试整改2个阶段，研究和验证铝合金回弹控制方法和现场调试整改方案的有效性。

1 零件质量问题

前罩板采用5182 铝合金，料厚为0.9 mm，外形尺寸为1 753 mm×1 376 mm×150 mm，通过AutoForm分析得出零件侧壁及法兰边有回弹趋势，回弹最大值约为5 mm，如图1 所示，在零件生产和整车焊接、装配过程中存在零件回弹合格率低和整车装配精度差的问题。

图1 CAE分析前罩板回弹

1.1 零件回弹合格率低

在前罩板生产过程中，法兰边容易出现回弹和下塌，导致零件合格率低，不满足装车匹配要求（实测68%，标准90%以上）。零件局部法兰边面差三坐标测量点如图2 所示，其测量数据如表1 所示。由表1可知，零件法兰边尺寸状态不稳定、平行度较差，不满足装车匹配需求。

表1 法兰边面差三坐标测量数据 mm

图2 三坐标测量点

1.2 整车装配精度差

在后续焊装车间辊边和涂装车间电泳处理后，前罩总成整体发软且容易变形，导致整车前罩外观间隙面差不满足尺寸要求，前罩总成与前格栅灯匹配段差达到2.67～3.56 mm（标准为±0.7 mm）。

2 回弹原因分析

2.1 原材料

前罩板材料一般为DC03、DC04、DC05 钢板和5182、6016 铝合金，材料性能参数如表2 所示，5182和6016 铝合金伸长率只有23%，屈服强度相比钢板低，零件成形性较差，导致回弹加剧，所以铝合金回弹趋势较钢板严重。

表2 材料性能参数

2.2 零件结构

前罩板是汽车前罩的重要组成部分，需要提升整体刚度和强度以满足C-NCAP 碰撞安全性能指标，同时需要软性的前罩板材料满足PPS 行人保护性能指标。因此前罩板刚性整体偏软，强度较差，容易产生回弹[5]。前保险杠区域没有增加控制回弹造型的CAE 分析（见图1（a）），回弹值为2.6～4.9 mm；前保险杠区域沿车身长度方向增加控制回弹造型的CAE 分析如图3所示，回弹值为1.5～1.7 mm，说明增加的造型可有效控制回弹，相同位置回弹减少1.0～2.5 mm。

图3 增加造型后的回弹数据

2.3 CAE回弹补偿方案

传统燃油车前罩板材料一般为DC03、DC04、DC05 钢板，铝合金前罩板使用较少，厂家在钢板模具开发及制作方面经验丰富，铝板模具开发及制作经验相对不足。在对零件进行CAE 模拟分析时，钢板理论回弹补偿方案一般为1∶2（回弹补偿量是CAE 模拟回弹数据的2倍），铝合金理论回弹补偿方案一般为1∶4（回弹补偿量是CAE模拟回弹数据的4倍），所以铝合金回弹补偿方案更复杂多变，导致零件质量状态不稳定、合格率低。

3 制定整改方案

在模具设计阶段，采用AutoForm 分析软件对零件进行全工序CAE 模拟分析，得出理论回弹数据，结合铝合金零件现场整改经验，从冲压工艺、回弹补偿策略、现场整改等方面对零件回弹进行整改。

3.1 冲压工艺

根据前罩板零件结构和冲压生产要求，零件冲压工艺设计为OP10 拉深→OP20 修边冲孔→OP30修边冲孔→OP40 整形冲孔。在拉深时零件所有型面已成形到位，后续不带余量整形为后期现场调试匹配整改法兰边预留空间，如图4所示。

图4 冲压工序

3.2 回弹补偿策略

通过冲压模拟软件AutoForm 对零件进行CAE分析，零件成形极限如图5（a）所示，无开裂风险，零件减薄率如图5（b）所示，减薄率为8%～13%，满足＜15%要求。

图5 成形性分析

零件回弹补偿前CAE 分析见图1（a）所示，零件辊边周圈的法兰边回弹较严重，回弹值为1～5 mm，不满足±0.5 mm 的公差要求。针对回弹问题，结合CAE 分析结果和现场整改经验，设计整体补偿策略：OP10 拉深补偿1.5～4.0 mm，OP20 型面符型拉深回弹，OP30 型面符型零件，OP40 型面符型零件，如图6（a）所示。按最新补偿方案进行CAE 验证，回弹值为±0.4 mm，满足±0.5 mm 的公差要求，如图6（b）所示。

图6 回弹补偿策略

3.3 现场调试整改

模具设计完成后，进入后续调试整改阶段，首先将全工序模具零件研合率提升到85%以上，如图7 所示。模具零件型面研合率达标后成形该零件，使用检具测量零件，零件上设置9个基准测量点，如图8 所示，其中有4 个基准回弹在0.3～1.2 mm，零件不合格（基准标准为±0.2 mm），如表3 所示，零件整体合格率为68%，不满足90%的合格率标准。

表3 基准三坐标测量数据 mm

图8 基准测量点

对零件各工序件进行蓝光扫描，将扫描结果与零件数据进行对比分析，如图9所示，回弹趋势与三坐标测量数据基本一致。根据扫描和测量结果制定下一步回弹补偿策略：OP10 型面补偿-2.0～2.5 mm，OP20 符型OP10 型面，OP30 符型OP20 型面，OP40符型OP30型面，整改方案如图10所示

图9 各工序拟合扫描

图10 整改方案

4 验证结果

从首轮全工序件开始用时4 个月，利用CAE 模拟验证分析，同时结合铝合金模具开发经验，现场调试整改4～5 轮（包含2 轮全工序模具零件整体降低型面-2.0～2.5 mm）。整改后零件成形效果较好，9个基准面全部贴合，零件合格率在90%以上，满足整车尺寸装配要求，如图11所示。

图11 零件检测

5 结束语

通过对铝合金前罩板前期模具设计回弹补偿策略和后期调试整改2 个阶段进行全量分析，制定回弹策略并现场整改验证，为后续铝合金零件模具开发积累了相关经验。

（1）在零件工程设计阶段，零件容易产生回弹的位置需要增加造型，提高屈服强度从而有效控制回弹。

（2）在模具设计开发阶段，回弹补偿策略补偿量由钢板的1∶2增加到铝合金板的1∶3～1∶5，并且模具工作型面厚度较钢板模具增加20 mm，为后期做降型整改预留调整量。

（3）在模具调试阶段，铝合金较钢板多预留2～3个月质量提升周期。