汽車艙邊梁后段鋼板的工藝優(yōu)化

花維維，張振東，周 焱

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車的安全性、經(jīng)濟性及環(huán)保性能越來越受到重視，車身輕量化是最佳解決方法之一［1-2］。由于國內(nèi)企業(yè)對汽車用高強度鋼的使用經(jīng)驗不足，缺少性能數(shù)據(jù)，給高強度鋼廣泛應(yīng)用帶來了較大困難［3］。高強度鋼板在成形過程中存在許多問題，如起皺、破裂、回彈等。

汽車艙邊梁后段在板材成形時出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。回彈對于汽車沖壓件來說是較難解決的問題，現(xiàn)階段僅利用軟件來分析理論回彈補償量，并在產(chǎn)品上增加加強筋以控制回彈，但這樣仍不能完全控制回彈。回彈是彎曲卸載過程產(chǎn)生的反向彈性變形，其直接影響沖壓件的尺寸精度。本文通過對回彈機理進行分析，并對汽車艙邊梁后段進行動態(tài)仿真，通過調(diào)整拉延筋參數(shù)使板型的最大減薄率控制在允許范圍內(nèi)。最后，對艙邊梁后段進行回彈結(jié)果分析，運用補償回彈法使產(chǎn)品達到精度要求。

1 鋼板回彈原理及模型

1.1 鋼板回彈原理

鋼板回彈是指金屬薄板在完成形狀改變后，載荷卸去時，彈性變形部分恢復(fù)使得成形后零件的形狀、尺寸發(fā)生與延伸路徑相反方向的變化［4］。鋼板回彈產(chǎn)生的原因有：①金屬板的內(nèi)層（壓應(yīng)力）和外層（拉應(yīng)力）發(fā)生塑性變形，而中性層仍然處于彈性變形階段，載荷卸去時，產(chǎn)生彈性回彈；②金屬板整體已完成塑性變形，但變形過程中無法避免地會存在小部分彈性變形，載荷卸去時，彈性變形部分依舊會發(fā)生彈性恢復(fù)，產(chǎn)生回彈。板材彎曲變形時切應(yīng)力分布如圖1所示，金屬薄板在彎矩M的作用下會發(fā)生變形，內(nèi)層CD段金屬發(fā)生壓縮變形，外層AB段金屬發(fā)生伸長變形。金屬薄板的變形程度隨著M增大而增大。由彈性變形過渡到塑性變形的過程分為3個階段：a為彈性變形、b為彈塑性變形、c為純塑性變形［5-6］。

1.2 鋼板模型

汽車左右艙邊梁后段的鋼板連接左右艙邊梁至駕駛艙前圍地板，它除受到機艙碰撞時向后的傳導(dǎo)力外，其形狀也影響駕駛艙踏板限位支架等零件的空間布置及位移。本文建立了鋼板結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型。

圖1 板材彎曲變形時切應(yīng)力分布Fig.1 Shear stress distribution when the sheet was bending

1.2.1 鋼板結(jié)構(gòu)模型

鋼板模型零件長度為1193 mm，寬度為167 mm，高度為274 mm，厚度為2 mm。艙邊梁后段鋼板三維模型如圖2所示。零件成形深度較大，截面變化復(fù)雜。

圖2 艙邊梁后段鋼板三維模型Fig.2 Three-dimensional model of the rear section steel of cabin edge beam

1.2.2 鋼板數(shù)學(xué)模型

板材成形是一種擬靜態(tài)的變形過程，這一變形過程由各物質(zhì)點在空間的運動構(gòu)成，各物質(zhì)點的運動可由位移來描述。本文采用有限元格式進行空間離散［7］，平衡方程可簡化為

式中：Rint、Rext分別為作用在節(jié)點的內(nèi)力向量和外力向量；Rci、Rce分別為接觸作用產(chǎn)生的節(jié)點內(nèi)力向量和外力向量。

由于Rint和Rci是位移的復(fù)雜非線性函數(shù)，利用方程不能直接求解出位移U，必須將外載荷劃分成一系列的載荷增量，將非線性方程組線性化。

從t時刻給定的平衡狀態(tài)出發(fā)，施加載荷增量后產(chǎn)生變形，t+Δt時刻的平衡方程為

式中，Δ為各參數(shù)在Δt內(nèi)的增量。

式（2）左邊展開成Taylor級數(shù)，略去高階項，得到關(guān)于位移增量ΔU的線性方程，即

采用Newton-Raphson方法求解式（3）。不平衡力

通過迭代使不平衡力滿足給定的收斂條件Rres≤Tres，Tres為檢驗迭代過程的不平衡殘余值允許值，通常取Tres= 10-5～10-3。

2 艙邊梁后段的工藝分析及動態(tài)仿真

由于高強度板材的高屈服強度和高抗拉強度，在其拉延成形過程后，還必須考慮板坯形狀、材料性能、制件形狀等因素的影響，以及回彈對模具設(shè)計的影響，考慮工序間的幾何、變形、應(yīng)力狀態(tài)的相關(guān)性與繼承性。運用軟件對零件沖壓過程的完整工序進行仿真。高強度板材沖壓成形全過程仿真流程如圖3所示。

圖3 高強度板材沖壓成形全過程仿真流程Fig.3 Flow chart of entire process simulation for sheet forming

2.1 材料的選擇

針對不同材料建立其碰撞仿真模型。在40%偏置碰撞試驗輸入條件下，計算前端吸能區(qū)零件結(jié)構(gòu)及強度要求。不同材料對碰撞的影響如圖4所示，其中HC指高強度鋼，DP指雙相鋼，數(shù)值分別表示屈服強度和抗拉強度。

圖4 不同材料對碰撞的影響Fig.4 Impact of different materials on the collision

隨著材料牌號的降低，前圍入侵量增加，HC500-780DP、HC420-780DP和HC340-590DP三種材料前圍入侵量分別為113.7、133.3和143.9。

不同材料牌號的艙邊梁后段零件車身加速度峰值均有不同程度改變。車身加速度對比，如圖5所示。其中B柱指位于前門和后門之間的柱子。

圖5 車身加速度對比Fig.5 Comparison of the body acceleration

相同結(jié)構(gòu)下，采用三種不同材料的B柱左右兩側(cè)加速度峰值分別為35.1和35.0 m·s-2、36.7和35.8 m·s-2、37.0和37.8 m·s-2。通過對比分析得出，板材的強度越高，車身加速度峰值越小，其偏置碰撞的侵入量越小，因此強度更高的HC500-780DP型號鋼材為最合適的零件用材料。

2.2 工藝仿真

在AutoForm軟件中完成初步數(shù)據(jù)搭建。工藝補充面的合格與否在很大程度上影響零件質(zhì)量的好壞，它可以使零件在拉成形時各處均勻變形。工藝補充分為內(nèi)工藝補充和外工藝補充兩部分。完成工藝補充和壓料面模型如圖6所示。

圖6 艙邊梁后段工藝補充和壓料面模型Fig.6 Addendum and binder model in the rear section of cabin edge beam

在AutoForm軟件的過程生產(chǎn)器中Tools版面分別定義凹模、料面壓、凸模，以獲得拉深模具。艙邊梁后段模具如圖7所示。凹模的單邊間隙值為板厚的110%，拉深件采用厚度為2 mm的毛坯板料，因此單邊間隙值取為2.2 mm。

圖7 艙邊梁后段模具Fig.7 Mould of the rear section of cabin edge beam

3 仿真結(jié)果分析

采用HC500-780DP高強度鋼，摩擦因數(shù)取0.15，壓邊力為8 × 105N，壓邊圈行程為100 mm。利用AutoForm軟件中Incremental模塊進行模擬，通過設(shè)定經(jīng)驗參數(shù)，利用軟件進行試計算，得到成形極限圖和減薄率圖。圖8為首次成形極限圖。圖9為減薄率圖。

根據(jù)最大減薄率和成形極限圖中拉延破裂情況判斷出圈內(nèi)易出現(xiàn)破裂問題，因此可通過選擇大致符合壓料面的預(yù)彎料以及調(diào)整拉延筋進行修正。圓形拉延筋結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖10所示，原參數(shù)為R1= 6 mm、R2= 4 mm、L= 18 mm、D= 7 mm，為使零件成形應(yīng)變符合要求，調(diào)整后參數(shù)變更為R1= 6 mm、R2= 5 mm、L= 20 mm、D= 7 mm。重新生成的零件成形極限圖如圖11所示。

兩組方案減薄率對比如圖12所示。該材料的最大減薄率要求為18.0%，第一方案中最大減薄率為21.3%，值嚴重超標。對拉延筋參數(shù)進行調(diào)整后，拉延成形減薄率控制在10.0%左右，翻邊整形后最大減薄率也僅為12.5%。第二方案仿真結(jié)果表明，其減薄率在許可范圍內(nèi)。

圖10 圓形拉延筋結(jié)構(gòu)和參數(shù)Fig.10 Structure and parameters of circular drawbead

圖12 兩組方案減薄率對比（單位：mm）Fig.12 Comparison of thinning ratio for two schemes

4 驗證分析

板材沖壓成形全過程仿真技術(shù)能夠準確預(yù)測出工藝方案的可行性，但其缺陷是不能分析環(huán)境因素（如溫度）對沖壓成形過程的影響，特別是高強度鋼板在拉延時產(chǎn)生的高溫會使材料性能發(fā)生局部改變，造成一次加工硬化，延伸率下降；翻邊整形時又產(chǎn)生二次硬化，延伸率不足以支持材料展開，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，易開裂。翻邊整形工序仿真分析顯示，材料部最大減薄率為12.5%，產(chǎn)品符合要求。實際翻邊整形時二次加工硬化的產(chǎn)生導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)翻邊開裂缺陷的故障率為35%。

在拉延工序中增加工藝鼓包，以緩解材料流動過快現(xiàn)象，并在翻邊開裂處增加缺口，以改進產(chǎn)品性能。具體修模尺寸如圖13所示。減少修邊線，增大圓弧角度，使其移到鼓包最大圓弧處，釋放走料空間，使得翻邊刀塊不接觸開裂點。在拉延工序中增加工藝鼓包，以減少翻邊整形時二次硬化的程度和溫度對翻邊整形的影響，從而提高翻邊整形時產(chǎn)品的穩(wěn)定性。調(diào)試結(jié)果表明，該方法可滿足要求。

圖13 修模尺寸Fig.13 Dimension of die repairing

5 結(jié) 論

（1）通過不同材料的碰撞對比和車身加速度對比，選出性能最優(yōu)的HC500-780DP鋼材。

（2）利用AutoForm軟件搭建鋼板模型平臺，確定零件的沖壓方向與工藝補充、壓料面的模型。

（3）利用Incremental模塊進行模擬，通過設(shè)定經(jīng)驗參數(shù)進行軟件試計算，得到了成形極限圖和減薄率圖，通過調(diào)整壓料面和拉延筋的相關(guān)尺寸，使鋼板的工藝性能得到優(yōu)化。

（4）對比仿真和實驗分析結(jié)果，仿真分析結(jié)果中減薄率在允許范圍內(nèi)，但實際過程中翻邊二次加工硬化導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定。采用增加工藝鼓包的方法可改進產(chǎn)品性能，并彌補仿真過程未考慮到的條件所造成的缺陷，使得鋼板工藝性能得到優(yōu)化。