铝合金车门窗框成形工艺及回弹补偿验证

1零件工艺分析

1.1 零件特征

图1所示为某车型后车门窗框，外形近似长 方形，中间镂空。零件分为左、右件，结构对称，在车身坐标下零件尺寸为1 292.79 mm×673.21 mm×240.42 mm。

图1 某车型车门窗框

车门窗框各边宽度不同，A、B两处宽度分别为185.89、175.65 mm，最窄C处宽度为14.62 mm，如图2所示。这种不匀称的框架结构会使成形后零件各部位应力存在差异，导致回弹产生不确定性，因此工艺方案和回弹补偿等是否合理决定了零件的成形质量。

图2 车门窗框宽度示意图

1.2 材料参数

零件材料为6000-IH铝合金，料厚为1.0 mm。6000-IH铝合金广泛应用于汽车、建筑等领域，具有较高的抗拉强度和韧性，能够承受较大的外力作用；其具有良好的耐腐蚀性，能在多种环境下使用且不易生锈或腐蚀；其具有良好的成形性，多用于汽车车门、发动机盖等相关零部件制造，满足轻量化及降低排放的要求，材料参数如表1所示。

表1 材料参数

2工艺方案

2.1 毛坯方案

结合零件结构特点，兼顾材料利用率最大化，毛坯形状设计如图3所示，1张板料可切割2个零件的坯料，废料区域为阴影部分，中间切除废料可进行二次利用，以降低成本。

图3 毛坯形状

2.2 冲压方向确定

在车身坐标下，零件倾斜角度约为17°，倾斜度较大，如图4所示，成形过程中存在较大侧向力，不满足受力平衡的要求；同时零件高度落差较大，造成模具高度的增加，使模具材料成本增加，不满足节能减排的目的。经研究与探讨，最终冲压方向设定如图5所示，相对车身坐标旋转15°较为合理。

图4 车身坐标下零件位置

图5 冲压方向

2.3 工艺设计

零件外形尺寸较大，造型复杂，拉深深度深，一侧存在翻边，中间镂空较大，同时需冲45个孔，其中圆孔10个，非圆孔35个，冲孔最大尺寸为83 mm×22 mm。零件修边长度长，匹配面多，尺寸精度要求高，同时零件使用铝合金材料，成形难度大，回弹控制困难，对拉深造型及成形方案提出更高要求。为了尽可能提高材料利用率，需对板料尺寸计算更精确。

根据零件造型，结合冲孔角度及修边角度。同时满足客户压力机参数要求，最终确定6道工序的工艺方案，分别为OP10激光切割落料、OP20拉深、OP30修边冲孔、OP40修边冲孔侧修边侧冲孔、OP50翻边整形、OP60修边冲孔侧冲孔，如图6所示。

图6 工艺方案

OP10激光切割落料如图6（a）所示，采用1块板料切割2件坯料，经CAE仿真计算，最终板料尺寸为1 790 mm×1 450 mm，单件材料利用率为37.4%。

OP20拉深如图6（b）所示，除外部设计为压料区域外，零件中间镂空区域同样设置压料面，采用内外双压料的方案，并在压料面设置拉深筋来控制材料流入，保证材料达到合理的塑性变形，控制零件的成形质量和回弹变形。在非零件区域设置到底标记，以检验零件成形到底与否。

OP30修边冲孔如图6（c）所示，拉深废料采用分段切除方案，零件四周及中间共11处废料修边区域，不设置废料刀，修边镶件在修边同时可将废料分段切开，能有效控制废屑的产生，防止废屑对零件表面造成压伤；该工序共设计5处冲孔，其中①、②处冲孔为定位工艺孔，用于后工序零件定位，保证定位精度。

OP40修边冲孔侧修边侧冲孔如图6（d）所示，该工序有7处修边、2处侧修边和17处冲孔，根据OP30工序所冲2处定位工艺孔设置2处零件定位销。

OP50翻边整形如图6（e）所示，该工序有2处整形区域和1处上翻边区域，在工艺孔处设计2个零件定位销；设置1处零件标识，便于零件辨识及生产批次追踪。

OP60修边冲孔侧冲孔如图6（f）所示，该工序有4处修边、19处冲孔和7处侧冲孔，在工艺孔处设计2个定位销。

3回弹分析及补偿

基于工艺设计方案，结合材料特性，运用AutoForm R8软件对零件进行全工序CAE分析，在保证零件成形后无开裂和起皱的情况下，对各工序进行回弹计算。

3.1 回弹分析结果

考虑废料区域的残余应力会对零件回弹产生干扰，回弹结果以最大化切除废料的工序为参考基准，因此零件回弹参考基准为OP40、OP50、OP60工序，同时回弹分析及验证采用零件自由回弹为主，夹持回弹为辅的方式进行。3道工序自由回弹云图如图7所示。

图7 自由回弹云图（单位：mm）

3.2 回弹补偿方案

将图7中数据保留2位小数整理后绘制折线图，如图8所示，其中正值表示与冲压方向相反，即向上回弹，负值表示与冲压方向相同，即向下回弹。回弹数值范围在-3.04~6.47 mm，偏差为9.51 mm，回弹量大，体现了铝合金材料的成形特性。

图8 3道工序回弹趋势折线图

合理的补偿方案是决定回弹补偿成功的关键，通过图8可直观对比OP40、OP50、OP60三工序回弹趋势的差异程度；3道工序曲线基本相符，其中OP50与OP60曲线接近重合，OP40曲线仅在3、14两点相对OP50、OP60存在偏差。工序间回弹差异越小，说明回弹趋势越稳定，工序间零件应力变化越小，有利于回弹补偿方案的确定。

综合对比结果，3道工序回弹趋势基本相同，满足回弹补偿要求。因零件回弹量较大，需对拉深工序进行整体补偿，将OP50回弹结果补偿至拉深工序，补偿比例为1∶1，即回弹量与补偿量相等。运用AutoForm R8软件的Compensate功能，对拉深数据整体补偿，补偿区域如图9所示，其中设置压料面a、b位置为固定区域，不参与补偿变形；设置虚线包围的c区域为变形区域，即零件回弹补偿区域；其余区域为过渡区域，作为变形与固定区域间光顺过渡型面。

图9 补偿区域

补偿后回弹云图如图10所示，将图10补偿数值与图7（b）回弹数值进行对比，补偿准确性对比结果如图11所示，OP20回弹数值曲线与OP50补偿数值曲线相反，说明补偿方向准确；对比补偿数值差距，差值超过1 mm仅为1、12两点，差值分别为1.03 mm和1.59 mm，所有点位回弹绝对值与补偿绝对值的差值平均值仅0.33 mm，反映补偿数值准确性良好，满足回弹补偿准确性要求。

图10 补偿后回弹云图（单位：mm）

图11 补偿准确性对比

4回弹补偿验证

4.1 CAE分析验证

在OP20拉深型面回弹补偿后，再次进行自由回弹分析，OP40、OP50、OP60工序回弹结果如图12（a）~（c）所示；OP60补偿后夹持回弹分析如图12（d）所示，补偿效果良好，回弹数值明显减小。

图12 补偿后各工序回弹云图（单位：mm）

将补偿后数据进行整理，为更直观查看回弹补偿前后对比，分别将OP40、OP50、OP60工序补偿前后数据绘制折线图，如图13所示。

图13 补偿前后回弹对比折线图

OP40修边冲孔工序回弹补偿前后对比如图13（a）所示，补偿前零件自由回弹正向最大值为6.47 mm，负向最大值为2.94 mm，回弹绝对值平均值为2.15 mm，检测点曲线起伏较大；补偿后零件自由回弹正向最大值为2.06 mm，负向最大值为1.56 mm，回弹绝对值平均值为0.72 mm，大多数检测点回弹控制在±1.5 mm，曲线起伏平缓。

OP50翻边整形工序回弹补偿前后对比如图13（b）所示，补偿前零件自由回弹正向最大值为5.09 mm，负向最大值为2.77 mm，回弹绝对值平均值为1.73 mm，检测点曲线起伏较大；补偿后零件自由回弹正向最大值为1.16 mm，负向最大值为2.62 mm，回弹绝对值平均值为0.92 mm，大多数检测点回弹控制在±1.5 mm，检测点曲线起伏平缓。

OP60修边冲孔侧冲孔工序回弹补偿前后对比如图13（c）所示，补偿前零件自由回弹正向最大值为4.84 mm，负向最大值为3.04 mm，回弹绝对值平均值为1.78 mm，检测点曲线起伏较大；补偿后零件自由回弹正向最大值为1.42 mm，负向最大值为1.52 mm，回弹绝对值平均值为0.55 mm，大多数检测点回弹控制在±1.0 mm，检测点曲线起伏平缓。

夹持回弹作为辅助检测结果，将补偿后OP60修边冲孔侧冲孔工序进行夹持回弹计算，如图13（c）所示，零件回弹正向最大值为0.66 mm，负向最大值为1.08 mm，回弹绝对值平均值为0.27 mm，大多数检测点回弹控制在±0.8 mm，检测点曲线起伏最为平缓。

由以上数据可知，该补偿方案可行，符合生产要求。

4.2 生产验证

根据工艺设计进行全工序模具制作，模具调试按照CAE设计参数进行试生产验证。其中板料按照图6（a）尺寸进行激光切割，OP20拉深模压边圈压料力按CAE中参数1 000 kN设置，压边圈顶出高度为80 mm。

模具试生产的零件经白光扫描检测，结果如图14所示，零件最大回弹数值为1.6 mm，回弹超过1.0 mm区域有3处，分别为1.1、-1.5、1.6 mm；回弹数值在±1.0 mm区域目测达到80%，回弹数值在±0.5 mm区域目测达到70%。由此判定前期回弹补偿方案效果良好，试制零件初步检查符合客户试装要求。

图14 白光扫描检测结果（单位：mm）

试制零件局部位置尺寸仍不符合要求，需调整优化，通过现场调试整改模具，最终获得符合客户要求的零件，如图15所示。

图15 零件实物

▍原文作者：辛国升1张永波2刘雨奇2

▍作者单位：1. 雷沃重工集团有限公司； 2. 日照职业技术学院