高强钢B柱的拉延回弹分析与补偿研究

吕少文，石光林，程金海，周雪兆

（广西科技大学 机械工程学院，广西 柳州545006）

钣金件经冲压成形后，由于板料内的弹性应力释放而往往会产生回弹，造成形状、尺寸变化，通常与加载时变形方向相反[1]。回弹量决定着冲压件的最终形状和尺寸，从而影响冲压件在整体中的装配，因此控制回弹量很重要[2]。工程上一般通过模具补偿来控制回弹量，即通过检测实际的回弹量，对模具进行反复修正，从而得到满足精度的冲压件。

某型号汽车高强钢B柱（如图1所示），拉延后的回弹变形严重，传统的划线检测方法较为麻烦而且检测精度不高。为此，本文采用逆向工程技术方法，快速分析出B柱回弹的实际偏差位置及其偏差量[3]，从而对企业的修模工作起到了很好的指导作用。

1 三维数据采集

使用激光扫描设备对B柱进行扫描，测量过程如图1所示。通过删除体外孤点、非连接项、减少噪音、统一等操作对扫描所得到的B柱点云数据进行优化[4]，优化后的结果如图2所示。

图1 三维扫描仪的测量应用

图2 优化后的B柱点云数据

2 回弹检测

2.1 数模和扫描模型的对齐

最佳拟合对齐是通过软件自身的拟合功能，系统后台自动分析计算得出最小偏差的拟合结果，使点云数据和原始数模达到最佳匹配，这种对齐方式较适合不规则模型，无需创建特征且对齐后的综合偏差较小，所以该对齐方式较适合B柱的偏差检测。但由于CAD数模和实际扫描所得的B柱模型在空间坐标系中的位置偏差较大，所以在最佳拟合对齐前需要进行预对齐[5]。基于特征对齐就是较好的预对齐方式，分别在CAD数模和扫描模型相同位置处构造特征面和特征点，然后进行初步对齐，把两者空间位置调整得基本重合，通过预对齐能极大缩短最佳拟合对齐的时间。对齐后就可以进行回弹检测。

2.2 3D比较

通过3D比较，会得到一张彩色的偏差色谱图，该色谱图反应了B柱零件的整体回弹情况。利用“创建注释”可以得出所选取点的具体偏差数值，Dx、Dy、Dz分别表示该点在x、y、z三个方向上的偏差值，D则表示该点的整体偏差数值[6]。色谱图根据偏差数值的大小分为多个颜色段，因此通过对色谱图的颜色区域分析可以初步得出B柱零件的主要回弹区域。3D比较的结果如图3所示。

图3 3D比较偏差色谱图

在3D比较的偏差色谱图中，上方以红色为代表的暖色系表示正偏差凸出部分，下面以蓝色为代表的冷色系代表负偏差凹陷部分，绿色代表误差允许范围[7]，此颜色代表工件上大部分都是合格的。通过分析，平均偏差为2.5 mm，最大偏差为7.4 mm.

2.3 2D比较

对于B柱的一些重要截面，其最终截面形状对装配性能和使用性能有较大影响[8]，因此需要严格控制其回弹量。可以通过2D比较功能得出所选取截面的回弹量，据此对模具相应型面作出回弹补偿，以达到最终的成型精度要求。选取B柱上一系列截面，间隔设定为100 mm，通过分析找到回弹最严重的那处截面作为目标截面。选取的截面如图4所示，目标截面回弹情况如图5所示。

图4 选取的系列截面

图5 目标截面回弹情况

通过2D比较偏差色谱图分析，发现目标截面的最大回弹量为7.1 mm，不满足精度要求，需要对该截面所对应的模具型面进行修整。

3 回弹补偿方案仿真及验证

3.1 回弹补偿方案仿真

通过对目标截面所对应的模具型面进行修整，然后在Dynaform中进行成型仿真，最后根据仿真结果进行回弹分析，看目标截面的回弹情况是否得到改善[9]。修型后的模具模型如图6所示，目标截面回弹前的情况如图7所示，回弹后的情况如图8所示。

图6 修型后的模具模型

图7 回弹前夹角

图8 回弹后夹角

目标截面处回弹前上端面与侧壁夹角值为113.486°和 112.957°，回弹后变为 114.563°和 113.507°，由此可见回弹情况得到明显的改善。

3.2 工程验证

根据补偿网格重构曲面，将重构后的曲面用于加工模具。对经修模后得到的零件再次进行回弹检测，依旧采用逆向工程的方法，通过分析目标截面的2D比较偏差色谱图，可得出目标截面的最大回弹量为2.7 mm，相比之前的回弹量有所改善，达到了产品质量要求。

4 结束语

通过Geomagic Qualify将CAD模型与工件实物的点云数据对比，得出工件的整体回弹情况，据此对模具的相应型面进行回弹补偿，最后在Dynaform中的回弹分析也达到了预期的效果。这说明基于Geomagic Qualify的回弹检测能对模具的补偿起到有效的指导作用，该方法将有助于企业快速完成回弹补偿，生产出符合精度要求的冲压产品，也为汽车零部件检测手段提供了一种新思路。