基于Autoform的DP800高強鋼汽車零件回彈影響因素研究

陳新力　張軍　詹華　俞祖俊　田志俊　肖洋洋

摘 要：回彈現象直接影響汽車先進高強鋼零件的尺寸精度和裝備質量，掌握影響先進高強鋼沖壓成形回彈的主要因素及影響規律是回彈控制的關鍵。利用Autoform有限元軟件，以馬鋼汽車板HC420/780DP材料的實際性能參數作為輸入條件，開展典型汽車門檻零件成形過程全工序回彈模擬。研究材料參數、零件造型以及生產工藝等方面各種因素的變化對回彈影響，總結DP鋼汽車零件回彈主要影響因素的影響規律和影響重要程度，為DP鋼汽車零件回彈預測、工藝設計和模具制造提供指導。

關鍵詞：先進高強鋼；冷沖壓成形；回彈分析；Autoform

隨著汽車輕量化的發展，先進高強鋼的應用成為了汽車輕量化的重要途徑之一。然而這些先進高強鋼材料在推廣應用過程中普遍出現回彈量大的技術難題，目前針對800MPa級以上先進高強鋼還沒有有效的回彈預測和控制手段，導致模具開發調試過程整改次數多、周期超長、成本過高，實際生產不穩定的風險問題。在車身開發前期的選材階段，需把握先進高強鋼回彈主要影響因素的主次順序，采取合理的選材思路，從而有效降低先進高強鋼應用過程中回彈帶來的風險。

在汽車用先進高強鋼中，DP系列是目前應用最廣并具體代表性的鋼種。選擇一個典型汽車高強鋼門檻零件模型，利用Autoform有限元軟件對DP鋼在各種不同條件下零件回彈量的對比，確定主要的回彈影響因素。然后在相同條件下，分析各大主要因素在變化范圍內引起的回彈量變化，總結多個主要因素對回彈的影響規律。

利用數值模擬技術確定DP鋼回彈的主要影響因素并總結影響規律，有利于提高對汽車零件沖壓件成形后的回彈前期預測準確性，從而在零件工藝設計和模具制造時做相應的回彈處理，對降低高強鋼零件制造成本、保障整車裝配質量、縮短新車型開發周期有著重要意義。

1 建立分析模型

1.1 零件選擇

選擇800MPa級別以上典型零件門檻加強板，并進行簡化成如圖1所示分析模型，其截面形狀如圖2所示。Autoform軟件采用殼單元進行模擬計算。

1.2 回彈測量條件

為了較準確在相同條件下比較各參數變化引起的回彈量變化，更接近實際檢具測量形式，數值模擬分析回彈過程中，在零件兩個定位孔處增加兩定位銷，并增加四個加持點。并在零件中間截面處，選取左側法蘭端點A和側壁底部端點B兩個點進行回彈量對比統計，如圖3。

1.3 材料模型

分析采用1.4mm馬鋼材料HC420/780DP，其參數如表1所示。Autoform材料設置時采用Ludwik硬化曲線類型、Hill屈服準則和Arcelor V9 FLC模型。

2 回彈主要影響因素分析

影響高強鋼回彈的因素較多，從零件產品設計的造型參數，生產過程的工藝方案、設備條件到使用材料力學性能，整個過程各個環節中的每個細節都會影響最終的零件回彈量。經過對各種因素變化的分析對比，歸納目前汽車高強鋼零件設計開發整個階段影響回彈的因素中，工藝設計因素主要是成形方式和壓邊力；材料參數主要是屈服強度、抗拉強度和楊氏模量；產品設計因素主要為產品料厚、產品R角大小和產品R角夾角大小。

2.1 成形方式對回彈的影響

汽車結構安全零件冷沖壓主要以拉延成形的工藝方案為主，對于典型的門檻件還有一種常用的兩次折彎成形工藝，兩種最常用的工藝方案對比如表2所示。

通過Autoform按兩種方案進行全工序分析后，A、B兩個檢查點的回彈量如表3所示，回彈量差平均約為2.66mm。折彎成形方案最終回彈量明細小于拉延成形方案。

2.2 壓邊力對回彈的影響

按拉延方案壓邊力分別設置為200T、250T和300T分析后，A和B兩個檢查點的回彈量如圖4所示。壓邊力上下波動20%情況下回彈值差值平均約為0.59mm，壓邊力越大回彈量約小。

2.3 楊氏模量對回彈的影響

在拉延方案下楊氏模量分別設置為200GPa、210GPa和220GPa分析后，A和B兩個檢查點的回彈量如圖5所示。楊氏模量上下波動10GPa引起的回彈值差值平均約為0.37mm，楊氏模量越大回彈量約小。

2.4 屈服強度對回彈的影響

拉延方案模型下屈服強度分別設置為455MGPa、475MGPa和495 MPa分析后，A和B兩個檢查點的回彈量如圖6所示。該材料屈服強度上下波動20MPa引起回彈值差值平均約為0.08mm，屈服強度越小回彈量約小。

2.5 抗拉強度對回彈的影響

拉延方案模型下抗拉強度分別設置為783MGPa 、803MGPa和823 MPa分析后， A和B兩個檢查點的回彈量如圖7所示。該材料下抗拉強度上下波動20MPa引起回彈值差值平均約為0.29mm，抗拉強度越小回彈量約小。

2.6 材料厚度對回彈的影響

拉延方案模型下零件料厚分別設置為1.2mm、1.4mmT和1.6mm分析后，A和B兩個檢查點的回彈量如圖8所示。料厚上下波動0.2mm情況下回彈值差值約為1.09mm，料厚越大回彈量約小。

2.7 零件彎曲R角大小對回彈的影響

零件彎曲R角大小如右圖9所示設計為R5和R7，現將所有R角的值減小2mm 和增加2mm兩種情況與原R角不變情況下回彈值進行對比。

R-2mm（R值為R3和R5）、R（R值為R5和R7）以及R+2mm（R值為R7和R9）三種狀態下A、B點處回彈模擬分析的結果如圖10所示。R角大小的變化2mm引起回彈值差值平均約為1.826mm，彎曲R角越小回彈量約小。

2.8 零件彎曲夾角大小對回彈的影響

如圖11所示零件彎曲夾角大小設計為100°和105°，現將所有R角的值減小5° 和增加5°兩種情況與原R角不變情況下回彈值進行對比。

θ-5°（θ值為95°和100°）、θ（θ值為100°和105°）以及θ+ 5°（θ值為105°和110°）三種狀態下A、B點處回彈模擬分析的結果如圖12所示。θ大小的變化50引起回彈值差值平均約為1.693mm，彎曲夾角越小回彈量約小。

2.9 總結

以上章節通過CAE仿真手段對不同條件下各因素的變化引起回彈量的變化情況進行仿真分析，匯總對比所有結果如圖13所示。

從圖13中可以看出，成形方式引起的回彈量最大，其次依次是彎曲R角大小、彎曲夾角大小和材料厚度；材料參數如楊氏模量、抗拉強度和屈服強度引起回彈量很小。由此可見工藝方案因素和產品設計因素所引起的回彈量比材料因素引起的回彈量大得多。

3 結語

通過以上門檻零件的冷沖壓成形仿真分析研究，得出以下結論：

（1）基于Autoform對DP800材料門檻零件在多種回彈影響因素波動情況下的成形過程進行模擬分析，通過回彈結果的對比，找出了影響DP高強鋼冷成形回彈的主要因素并按主次順序排列為成形方式、彎曲R角大小、彎曲夾角大小、材料厚度、壓邊力、楊氏模量、抗拉強度和屈服強度。

（2）在新車型設計開發前期針對車身零件選擇應用高強鋼材料時，應先把握該零件的工藝方案，然后再考慮零件造型的優化方案，最后關注各材料供應材料參數波動范圍是否影響零件的尺寸精度，從而最大程度上避免新型高強鋼材料應用帶來的回彈風險。

參考文獻

[1] 吳磊，蔣浩民，汪晨，等.高強鋼材料性能對汽車零件沖壓回彈的影響，中國機械工程，2009（11）：1369-1371.

[2] 王連軒，張龍柱，任虎，等.汽車板用高強鋼沖壓回彈的數值模擬研究，河北冶金，2017（2）：20-24.

[3] G Yang， Q Xia， Z Qiu， et al. Applications of high strength steel in automobile and the research status of stamping forming properties， Modem Manufacturing Engineering， 2012， 34（7）：138-143.

[4] 李軍，孫希慶，陳云霞，等. 國內乘用車輕量化現狀與高強度鋼板的應用進展，新材料產業，2015（11）：47-53.

[5] 肖華，劉艷，湯禹成，等.高強度鋼沖壓回彈量對板料力學性能參數的靈敏度分析，鍛壓裝備與制造技術，2007，42（2）：69-72.

[6] Y.X Zhu， Y.L Liu， H Yang， et al. Development and application of the material constitutive model in springback prediction of cold-bending， Materials & Design， 2012， 42（42）：245-258.