冲压件扭转与回弹问题研究与测量方法

方阶平，王永涛，刘攀，田浩

（北京奔驰汽车有限公司，北京 102600）

1 冲压件正常考核测量介绍

三坐标支具是用于固定冲压零件的标准支架，支具的设计开发具有很高的精度要求（主控方向公差为+/-0.05，非主控方向公差为+/-0.2）[1]，其具有对零件RPS点（reference point system）和辅助支撑点的支撑与调整功能。支具通过固定零件上的RPS点，保证零件与数模设计状态保持一致，并通过调节辅助支撑点，使零件消除一些微小应力对冲压单件影响，因为，一定范围内的扭转与回弹虽然体现在冲压单件上，但是可以通过装焊工艺和加强结构件的安装来消除掉这些应力，这个范围可以通过支具夹头的夹紧力来评估，我们通过实验及经验设定30N为极限夹紧力（钢板材）[2]，当夹紧力大于30N时，我们认为冲压单件形变超过调整范围，需要进行打开夹头的特殊测量，并优化模具，当夹紧力小于30N，我们认为冲压单件可以进行正常考核测量，需要注意的是，正常考核测量时还需要对每个夹紧点的夹紧距离进行测量，防止一些结构形变较大但夹紧力合格的特殊情况。

零件的测量可以选择“支具坐标系”与“零件坐标系”。通过实验，证明两种坐标系测量结果差异不大。“支具坐标系”是通过支具上标准定位孔或标准定位球，确定支具在测量机空间中的X/Y/Z的位置[3]，然后将零件固定在支具上进行评价。“零件坐标系”是先将零件固定在支具上，再通过零件上选取的特定RPS点或孔，确定零件在测量机空间中的X/Y/Z的位置[3]，然后对零件进行评价。

每一次使用“支具坐标系”测量前，都需要对支具进行标定，将零件固定在支具上后，需要将所有RPS点手动调整至+/-0.1mm公差范围内，然后再进行测量。

使用“零件坐标系”测量时，只有在首次测量时需要标定支具（之后定期半年标定一次即可），将零件固定在支具上后，软件通过零件上前六个RPS点进行坐标系建立，软件将计算拟合将前六个RPS点调整至+/-0.1mm公差范围内（3-2-1建系法[4]），然后依次手动调整其它RPS点至+/-0.1mm公差范围内，这样保证了零件状态与数模状态保持一致，可以进行考核测量监控。

正常考核测量方法适用于零件状态稳定，且零件变形量较小时使用，对压零件的质量进行监控及评价。但是在项目初期，全夹紧的状态下测量可能掩盖零件本身的缺陷。例如，行李箱内板冲压件（如图1），正常测量时，难以发现零件的回弹变形与扭转变形则无法指导模具的整改。因此，需要对测量方法进行重新设计，以保证测量结果能显示零件的真实状态。

图1 行李箱内板建系RPS点

2 冲压件特殊分析测量介绍

与正常考核测量不同，特殊分析测量是通过不同的夹紧支撑方式，还原冲压单件的真实状态，暴露模具的真实问题，从而达到指导模具整改的目的。

以行李箱内板的分析测量为例，行李箱内板由于型面复杂，横向跨度大，冲压模具调试期间，扭转与回弹问题都非常明显，这些问题会直接导致行李箱盖总成零件的变形，装车后发生其与后杠间隙不一致、与侧围平顺度超差、行李箱盖无法正常落锁等问题。

正常考核测量时，一般使用“零件坐标系”较为方便。使用3-2-1建系法则[4]，Za3与Zb3构建对称中心点Z3，与Z1、Z2控制Z方向；X4、X5控制X方向；Y6控制Y方向；X7、X8根据零件坐标系调整支具夹头至公差内，此时，所有的RPS点处于卡紧状态。

如图2所示，可以看到，X轴方向回弹被X7、X8与Z1、Z2、Za3、Zb3定位夹头限制，零件被沿X轴方向挤压或张开。

如图3所示，Y轴方向扭转将被 Za3、Zb3和 X7、X8夹头限制，同时由于软件通过计算，将Za3与Zb3平均分配公差，构建Z3建立坐标系，进一步消除了Y轴方向的扭转影响，分别通过物理方式与软件计算的方式削弱了零件扭转造成的影响，因此，当扭转过大时，需要改变测量方式，分别从物理的角度和坐标系建立方法的角度来释放扭转影响，反映零件真实状态。

图2 行李箱内板回弹方向

图3 行李箱内板扭转方向

可以通过打开一些夹头，同时添加一些辅助支撑定位的方式，从物理的角度释放零件应力。通过改变建坐标系的方法，消除程序中平均分配公差的影响，下面将具体分析扭转与回弹问题。

2.1 扭转问题分析方案

扭转问题会影响整个零件的状态，因此分析零件扭转问题时，需要使零件保持自由状态，约束越少越好。对于行李箱内板来说，只需要三个固定点即可（如图4），保持现有夹紧点Z1、Z2，增加辅助支撑夹头W1在零件上端面中心位置，保证零件平衡、稳定。

图4 行李箱内板夹紧方式1#

为了验证三点支撑零件的稳定性，和W1辅助支撑点位置对零件的影响。进行了零件的重复性实验。（实验结果如表1/表2所示）。

表1 “支具坐标系”三点支撑重复性实验

表2 “支具零件系”三点支撑重复性实验

由图表可见，本实验分别使用“支具坐标系”和“零件坐标系”（零件系使用W1替换Z3建立坐标系），将Z1、Z2、W1夹头夹紧，其它支具自由状态。其中将W1处于四种位置，分别是“W1调整到零”、“W1调整到合适位置使得ZA3ZB3平均分配偏差”、“W1调整到较高位置”、“W1调整到较低位置”。

从实验结果可以发现，W1的位置变化在“支具坐标系”下X7、X8会随着零件翻转，因此得到不同的结果。可以看到，当W1处于“W1调整到合适位置使得ZA3ZB3平均分配偏差”位置时，X7、X8的结果与表2中“零件坐标系”的结果保持一致（表1中绿色区域），说明此时的零件状态与数模保持一致，无论在“支具坐标系”还是“零件坐标系”测量结果保持一致，可以作为分析零件扭转问题的测量方法。当W1处于最低位置时，由于重力影响，零件会发生变形，X7、X8有较大误差可以剔除（table2.1中灰色区域）。

W1的位置变化在“零件坐标系”下X7、X8保持稳定在-0.58/-0.55左右（表2中绿色区域）。与表1相同，当W1处于最低位置时，由于重力影响，零件会发生变形，X7、X8有较大误差可以剔除（表2中灰色区域）。所以可以得出结论，只要W1在零点位置附近时，认为零件状态保持稳定，可以用来评价零件的扭转状态。

所以，尾盖内板扭转分析测量方法为：使用 Z1、Z2和W1支具支撑夹紧零件，将W1调整到零位。使用“零件坐标系”（建系方法改为使用Z1、Z2、W1、X4Y6、X5建系），然后对零件进行正常测量，完成测量报告，并指导模具的优化。

2.2 回弹问题分析方案

对于行李箱内板来说，回弹问题所影响的就是V形零件的张角大小。因此，控制住V形面的一个面，另一个面自由状态即可显示零件的回弹量。对于行李箱内板来说夹紧Z1、Z2、Za3、Zb3，放松X7、X8，零件的后立面就能处于自由状态（如图5）。

图5 行李箱内板夹紧方式2#

一般情况下，零件的扭转问题往往伴随着回弹问题，有时扭转问题解决后会发现回弹问题也消失了，模具的整改需要同时考虑两个问题。但是从测量的角度需要分开分析这两个问题。建议模具优化先解决扭转问题，再解决回弹问题，否则无法区分零件变形的根本原因是什么。

以尾盖内板为例，由于后端面受重力影响，会向下下坠，所以需要给X7、X8一个偏置公差，帮助判断是重力还是回弹导致的零件变形。若偏差在公差范围内，则认为零件状态稳定，可以使用全夹紧测量对零件进行评价，若偏差在公差范围外，则认为零件状态不稳定，零件回弹过大需要优化模具，消除回弹影响，回弹量使用打开X7、X8方式测量。偏置公差的计算需要根据需要设计一个初始公差，例如+/-0.5mm。然后将零件后端简化为一端固定的悬臂梁（如图6所示），在受到重力作用，发生微小形变。可以应用材料力学积分法挠度方程[5]：

C、D为积分常数，解得：

则“-ω”为偏置公差的中心位置，+/-0.5mm为偏置公差的范围。

图6 简直梁扰度计算

所以，尾盖内板回弹分析测量方法为：使用 Z1、Z2、Za3、Zb3支具支撑夹紧零件，使用“零件坐标系”（建系方法改为使用Z1、Z2、Z3、X4Y6、X5建系，Za3、Zb3构造中心点 Z3），然后对零件进行正常测量，完成测量报告，并指导模具的优化，当发现X7、X8的测量结果在偏置公差内，说明零件状态已经稳定，可以使用全夹紧方式进行考核测量。

3 通用性总结

从冲压零件测量的通用性分析，对于拉延工艺比较复杂的零件，例如行李箱内板、机盖内板等，扭转与回弹问题是比较普遍的。分析该类问题可以按照扭转-回弹-型面公差的顺序进行分析和解决。

首先，让被测零件处于一个相对稳定的状态，同时减少夹紧点的数量。当零件摆放稳定后，使用3-2-1建系法则[4]，建立“零件坐标系”，然后对零件进行测量。但是，当零件状态非常不好的时候，RPS点偏差过大，会遇到坐标系无法建立的问题。此时，需要建立“支具坐标系”，并标定支具头，然后在“支具坐标系”下进行测量。测量结果可以清晰地体现零件状态，但一般用于分析零件偏差趋势，对于分析超差量，需要考虑相对关系。

然后，将零件相对稳定的特殊型面进行全夹紧控制，将需要进行回弹整模的型面进行全自由放松。使用 3-2-1建系法则[4]，建立“零件坐标系”，然后对零件进行测量。可以得到零件的回弹量，然后指导模具的整改。在进行回弹问题测量时，需要考虑零件受重力影响，对特殊部位设计偏置公差，抵消重力影响，同时，判断回弹是否可以接受。

零件的扭转与回弹是首先需要进行整改的，零件尺寸问题才能有效地解决。对于零件尺寸问题的分析，需要进行全夹紧状态下的考核测量方法，并通过构造对称点等方法，消除零件的细微扭转与回弹影响。零件的考核测量全尺寸报告的形位偏差即可视为绝对偏差，指导模具的优化。