汽車薄板材料參數與沖壓質量相關性研究

徐　鑫，劉仁東，林　利，丁庶煒，郝志強

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

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汽車薄板材料參數與沖壓質量相關性研究

徐鑫，劉仁東，林利，丁庶煒，郝志強

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：汽車薄板沖壓成形過程中，材料參數的波動會影響成形質量。以某汽車前橫梁沖壓成形質量為目標，以正交試驗方法確定了材料參數與沖壓質量的相關性，構造了基于響應面模型的穩健優化設計方法。結果表明，該穩健優化設計方法顯著提高了汽車薄板成形質量的穩定性，具有較高的精度和較強的工程實用性。

關鍵詞：汽車薄板；材料參數；沖壓質量；優化設計

徐鑫，碩士，工程師，2008年畢業于東北大學機械專業。E-mail：ag_xuxin@163.com

汽車白車身主要由汽車薄板沖壓成形件構成，目前65％以上的汽車沖壓件仍然采用鋼板冷沖壓成形［1］。隨著車身零部件設計越來越復雜化，對沖壓質量的要求也越來越高。因此，汽車薄板沖壓技術一直是國內外汽車生產企業、鋼廠及高校的重點關注領域。

在選擇汽車覆蓋件材料時，要科學合理地評價材料的沖壓性能，準確掌握板材性能參數與沖壓質量的關系，以便充分發揮材料的塑性變形能力，既降低材料成本，又能保證沖壓生產的穩定性［2］。本文以某汽車前橫梁沖壓成形作為目標問題，采用正交實驗方法，用實驗結果的信噪比(/)作為評價指標，確定板材性能參數與沖壓成形質量的相關性。

1　板材材料參數與成形性的理論關系

根據板材沖壓成形的理論分析，本文重點關注的性能參數主要是材料應力-應變關系、楊氏模量及三個方向上的塑性應變比0，45，90［3］。

材料的應力-應變關系是表征材料受外力作用時的行為。材料受力后即發生彈性變形，這時應力-應變是簡單的線性關系，繼續增加作用力至一定大小后，材料將出現塑性變形，當塑性變形至一定程度以后，試件破斷則變形過程終結。

楊氏模量是衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應力作用下，發生彈性變形越小。

2　材料參數對沖壓質量的影響

2.1汽車前橫梁成形工藝分析

該汽車前橫梁零件的結構特點如圖1所示：拉延深度大、截面變化復雜；中間凸臺拔模角度大，側壁容易開裂。為了滿足新車型對前橫梁在汽車正面碰撞中的要求，須使用強度較高的材料，這就在工藝上增加了成形抗力，同時對模具的要求變得更高。

圖1　汽車前橫梁幾何模型

2.2試驗因子及水平

為了研究材料參數對沖壓質量影響的相關性，采用正交參數設計，利用誤差模擬噪聲的干擾，通過正交試驗法安排試驗方案，用實驗結果的信噪比(/)作為評價指標，根據對試驗結果的分析，獲得對成形質量的輸出特性影響最小的最優參數值。

擬合采用Johnson-Cook應力-應變關系模型：

擬合結果如圖2所示。：

圖2　擬合DP600應力-應變曲線

得到DP600應力-應變關系模型為：

材料參數在一定范圍內波動對成形件的質量也會造成影響。上述材料參數波動性范圍為±5％，試驗因子及其水平如表1所示。采用L18(35)正交表進行試驗設計。

表1　正交實驗因素與水平

2.3正交試驗結果

開裂會直接導致沖壓拉延的失敗，考慮數值模擬與實際沖壓的比較以及經驗，選擇坯料的最大厚度減薄率作為沖壓拉延的質量評價指標［4］。本問題為多因素目標優化問題，先以最大厚度減薄率為質量評價指標，利用正交試驗的極差分析，篩選出關鍵影響因素，再進行基于二階響應面模型的穩健優化設計［5］。試驗設計方案和計算結果見表2。

表2　試驗設計方案和計算結果

2.4建立二階響應面模型

經過分析正交實驗結果，得出該汽車前橫梁沖壓拉延的最大減薄率主要取決于應力應變曲線關系和楊氏模量兩個關鍵因素，因此，采用以A= 988.9 MPa，B=210 000 MPa為中心的八邊形等徑因子設計的試驗設計。兩個關鍵因素的取值范圍為：

八邊形等徑設計如圖3所示。取9個試驗點進行數值模擬試驗，并通過下面公式進行變量編碼：

圖3　八邊形等徑設計

表3　八邊形等徑設計試驗結果

對以上數據的擬合，設定：

由此可以計算出擬合系數：

由此，最大減薄率的二階響應面模型為：

應用MATLAB二元非線性約束回歸優化，得出最優解的變量編碼穩定點，即穩健優化設計解，設定：

由變量編碼公式，可以求出穩定優化設計解的原變量值為：

3　穩健優化設計結果分析及驗證

將上述所得的關鍵工藝參數的穩健優化設計方案(應力應變系數為943.7 MPa，楊氏模量為209 097MPa)進行數值仿真模擬，選取0、45和90為噪聲因素，利用正交表L9(32)對該組工藝參數方案安排9組噪聲情況進行試驗，并分析差值。穩健最優工藝方案的成形結果分析見表4。

從表4可以看出，對于質量評價指標，最大厚度減薄率最大值為0.246，最小值為0.245，板料厚度變化率差值都在0.001以內，具有較高的精度和很好的抗干擾能力，即有很好的穩健性，說明該穩健優化設計方法可在沖壓工藝優化中應用，具有較強的工程實用性。該汽車前橫梁最終的沖壓成形結果如圖4所示。

圖4　前橫梁沖壓成形結果

表4　穩健最優工藝方案的成形結果分析

4　結論

(1)采用正交試驗設計方法，研究了材料應力-應變關系、楊氏模量，以及三個方向上的塑性應變比0、4590對某汽車前橫梁成形質量的影響。影響程度和趨勢為應力應變曲線關系>楊氏模量>90>0>45。

(2)構造基于二階響應面的穩健優化設計方法，以優化設計方案(應力應變關系參數=943.7、楊氏模量=209 097)進行數值仿真模擬，板料的最大厚度減薄率的變化差值為0.001，沖壓成形質量穩定。

參考文獻

［1］張啟森.淺談汽車車身材料的發展趨勢［J］.汽車維護與保養, 2012(7):58-59.

［2］崔令江.沖壓板材的成形性［J］.鍛壓機械,1997(3):23-25.

［3］陳新平,蔣浩民,李淑慧.材料參數對模擬件沖壓成形的影響［J］.塑性加工技術,2004(5):55-57.

［4］雷正保.汽車覆蓋件沖壓成形技術CAE［M］.長沙：長沙國防科技大學出版社,2003.

［5］陳立周.穩健設計［M］.北京:機械工業出版社, 1999.

(編輯袁曉青)

修回日期：2015-06-25

Study on Correlation Between M aterial Param eters and Stam ping Quality of Autom otive Steel Sheet

Xu Xin,Liu Rendong,Lin Li,Ding Shuwei,Hao Zhiqiang
(Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning China)

Abstract:During the stamping of automotive steel sheet, the shaping quality can be influenced by the fluctuation ofmaterial parameters.Taking the stamping quality of the front cross beam of an automotive as the test objective,the correlation between the material parameters and the stamping quality was determined by the orthogonal experimentalmethod and consequently the moderate optimum design method based on the response surface model was built.The testing results show that the stability of the shaping quality of automotive steel sheets can be improved significantly by application of the moderate optimum design method,indicating that this method has relatively high accuracy and strong engineering practicability.

Key words:automotive steel sheet;material parameter;stamping quality;optimization design

中圖分類號：TG335

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）01-0020-05