樣車試制過程中高強鋼零件的成形及回彈研究

毛衛國，顧成波

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.廣西艾盛創制科技有限公司，廣西柳州 545616)

0 引言

隨著汽車行業競爭日漸激烈，縮短汽車開發周期對提升新產品市場占有率具有重要意義。樣車試制作為新產品開發與量產制造的紐帶，在新車型研發中起到承上啟下的關鍵作用[1]。在樣車試制過程中，采用柔性化軟工裝模具、夾具，可以大幅度縮短制造周期、節約制造成本[2]。目前我國自主品牌企業雖然具備了一定的樣車試制能力，但是對于關鍵部件的開發、試制能力相比于國外仍然較弱，對關鍵部件的進口量較大、依賴性較強[3]。由于汽車輕量化與安全性要求的提高，越來越多的高強鋼、鎂、鋁合金等材料被應用到汽車車身零件生產中，并且應用高強鋼材料是汽車行業的發展趨勢。雖然高強鋼材料的應用兼顧了成本、安全和輕量化等方面，但鋼的強度和塑性一般是成反比的，強度的提高將導致塑性下降，最直接的影響就是會給零件沖壓成形帶來許多難題。回彈就是高強鋼沖壓件在成形過程中出現的主要問題之一，如何預防、減少高強鋼的回彈成了行業面臨的最大問題[4]。

板料在沖壓過程中發生的變形主要分為彈性變形和塑性變形，其中塑性變形則是產生回彈的主要原因。當載荷卸去后，沖壓件的形狀得到了部分恢復，造成制件的形狀與模具表面無法貼合，即與原始數模零件形狀尺寸存在偏差，影響制件的裝配精度[5]。影響零件回彈大小的因素很多，包括工藝設計參數如成形工藝、壓邊力，產品設計參數如夾角大小、圓角大小，材料參數如厚度、屈服強度等[6]。目前控制回彈的常用方法有2種：(1)工藝控制法，即通過對壓邊力、模具間隙、摩擦因數等相關工藝參數的優化來獲得符合預期回彈量的零件；(2)模面補償法，通過前期對模具型面進行回彈補償來實現對零件的回彈控制。對比上述2種方法，由于回彈補償可以預先對模具型面進行處理，比傳統的“試錯法”和工藝控制法效率更高，可有效縮短零件生產周期，并且板料沖壓成形質量也更好，因而成為當下解決回彈問題的主要方法。

1 工藝方案設計及仿真分析

1.1 研究對象選取

選用某車型中典型的高強鋼零件后大梁，其結構如圖1—圖2所示。該零件縱向安裝在后車架總成上，大梁兩側需要通過點焊搭接各類橫梁件，因此兩側尺寸精度要求較高，避免焊接時出現離空。后大梁作為后車架總成中的主要受力部件，通常需使用厚度較大的高強鋼材料，以保證具有足夠的強度與剛度，本文作者選取的零件材料為寶鋼DP780，厚度為1.6 mm。觀察零件特征發現，表面較多凸包特征；測量得到側壁拔模角度為3°左右；零件高度落差較大，達到300 mm左右；觀察俯視圖可以看出零件存在部分扭曲，并且該零件截面成“幾”字形，可以預估該零件成形較困難，回彈趨勢較復雜。

圖2 后大梁主視圖

1.2 工藝方案

與正式工裝不同，在樣車試制中由于提樣相對較少，通常利用激光切割實現料片制備及零件的修邊割孔，因此制定工藝方案的時候無需考慮修邊沖孔的可實現性。另外，軟工裝模具結構也相對簡單，主要包含凸模、凹模、壓邊圈三大結構。根據該零件特點，初步設定工藝方案為：OP10拉延、OP20激光切割(零件周邊)、OP30翻邊+整形、OP40激光切割(割孔)。OP10拉延工藝面如圖3所示。

圖3 OP10拉延工藝面

由于零件具有一定高度差，采用成形工藝不易實現，因此第一工序考慮拉延工藝，由于零件底部還有翻邊特征，并且拉延后零件可能產生回彈，因此在激光切割后采用翻邊整形工藝。在拉延工序，法蘭面基本隨形，兩側設有拉延筋以控制均勻走料，翻邊整形工藝設有壓料芯，零件采用孔銷定位。

1.3 仿真分析

將UG中設計好的工藝面導入AutoForm軟件進行全工序分析與回彈分析，按照上述工藝方案定義工具體，如圖4所示。分析材料為寶鋼DP780，厚度為1.6 mm，采用Ludwick硬化，Hill屈服準則，FIC則為材料卡片自帶曲線。

分析后得到零件減薄率分布云圖與零件回彈情況，如圖5—圖6所示。觀察圖5可知零件最大減薄率為28%，減薄主要發生在零件兩側以及成形較深位置，成形極限圖顯示零件存在開裂風險。觀察圖6可知，該零件回彈量大且情況較復雜，回彈正值最大達到6.82 mm，負值最大達到-4.54 mm，且出現在零件同一位置的兩側，可見該零件在端頭處產生了扭曲。這是由于零件縱向整體呈扭彎狀，導致拉延過程中在扭彎部位及端頭的兩側出現正負回彈量。而且零件截面為“幾”字形，在成形過程中，材料經過圓角處產生變形，圓角外側產生切向拉應力，內側產生切向壓應力，變形趨勢相反，使得材料內部存在很大的殘余應力，導致零件容易向外產生回彈[7]。由此可見，采用該工藝方案得到的零件無法達到預期效果，該工藝方案不可行，需進一步優化。

圖4 拉延工序有限元模型

圖5 減薄率分布

圖6 回彈情況分布

2 工藝優化

由于零件拔模角度較小如圖7所示，且零件高度落差較大，采用原方案導致材料減薄率過大，且零件側壁回彈情況復雜不易控制，考慮在拉延工序將拔模角度放大，如圖8所示。工藝流程依然為：OP10拉延、OP20激光切割(零件周邊)、OP30翻邊+整形、OP40激光切割(割孔)。與原工藝相比，放大拔模角度有利于零件兩側成形，不會出現側壁凹陷現象。在AutoForm軟件中替換新工藝面進行全工序及回彈分析，其余參數均保持不變。

圖8 新方案拉延工藝

采用新工藝面分析得到零件減薄率與回彈分布云圖，如圖9—圖10所示。采用新工藝后零件最大減薄降低至12%，比原工藝降低16%，零件成形情況良好；回彈正值最大為1.82 mm，回彈負值最大為-1.22 mm。雖然成形后的零件仍然存在部分扭曲與回彈，但扭曲量與回彈量遠比原方案小，可見新工藝方案對改善零件成形及回彈現象具有顯著效果,仿真結果對比如表1所示。

圖9 新工藝零件的減薄率分布

圖10 新工藝零件的回彈情況分布

表1 仿真結果對比

3 試驗驗證

針對優化后的工藝方案對模具結構進行設計制造，對模具進行研配調試后，進行零件沖壓驗證。如圖11 所示，零件成形性良好，無起皺及開裂現象。通過以模代檢的方式測量回彈量，發現成品零件與模具表面貼合良好，成形質量與精度均達到控制要求。

圖11 試制零件實物

4 結束語

利用AutoForm軟件對后大梁零件進行2種成形工藝方案分析，得到零件的成形性、減薄率與回彈量。通過對比2種方案可知，采用先放大拔模角度再進行翻邊整形的工藝更有利于該零件成形，可有效減少零件減薄與回彈。采用該方案設計制造的模具進行沖壓試制，最終得到合格零件，證明了該工藝的可行性。該方案為類似零件的實際生產和分析試制提供了參考。